KR100579298B1

KR100579298B1 - 환경 차량의 보조 배터리 충전 제어방법

Info

Publication number: KR100579298B1
Application number: KR1020040052427A
Authority: KR
Inventors: 정진욱
Original assignee: 현대자동차주식회사
Priority date: 2004-07-06
Filing date: 2004-07-06
Publication date: 2006-05-11
Also published as: KR20060003520A

Abstract

환경 차량에서 전장 부하의 전원 공급을 담당하는 보조 배터리의 충전 제어에 효율성을 제공하고, 보조 배터리의 충전에서 회생 제동시 발생되는 에너지를 최대로 활용하도록 하는 것으로,

시동 온이 유지되면 차량 제어기는 메인 배터리 및 보조 배터리의 전력 용량을 산출하는 과정과, 브레이크 작동에 따른 회생 제동 발전이 실행되고 있는지 판단하는 과정과, 회생 제동 발전이 실행되고 있지 않으면 보조 배터리의 전력 상태를 판단하는 과정과, 상기 보조 배터리의 전력 상태에 따라 DC/DC 컨버터를 온/오프 제어하여 보조 배터리의 충전을 제어하는 과정과, 회생 제동 발전이 실행되고 있는 상태이면 메인 배터리 및 보조 배터리의 전력값으로부터 산출되는 회생 제동 명령값을 산출한 후 DC/DC 컨버터를 온 제어하여 보조 배터리의 충전을 제어하는 과정을 포함한다.

환경 차량, DC/DC 컨버터, 보조 배터리 충전, 회생 제동발전

Description

환경 차량의 보조 배터리 충전 제어방법{AUXILIARY BATTERY CHARGE CONTROL METHOD FOR ENVIRONMENT CAR}

도 1은 본 발명에 따른 4륜 환경 차량의 시스템 구성도.

도 2는 본 발명에 따른 4륜 환경 차량에서 보조 배터리 충전 제어 실행에 대한 일 실시예의 흐름도.

본 발명은 환경 차량에 관한 것으로, 더 상세하게는 전장 부하의 전원 공급을 담당하는 보조 배터리의 충전 제어에 효율성을 제공하고, 보조 배터리의 충전에서 회생 제동시 발생되는 에너지를 최대로 활용하도록 하는 환경 차량의 보조 배터리 충전 제어방법에 관한 것이다.

전기자동차, 하이브리드 전기자동차, 연료전지 전기자동차 등의 환경 차량에는 차량내 전장 시스템의 부하에 전원을 공급하는 보조 배터리가 장착된다.

그리고, 환경 차량은 주행 및 정차중에 상시 엔진이 켜지 있지 않은 경우가 많음에 따라 알터네이터(Alternator)가 장착되지 않는다.

따라서, 환경 차량에는 보조 배터리의 충전을 위해 DC/DC 컨버터가 탑재된 다.

엔진이 있는 차량(HEV)도 시스템의 에너지 효율을 높이기 위해 DC/DC 컨버터를 설치하며, DC/DC 컨버터는 차량내 전장 시스템의 부하 량에 따라 그 용량이 선정되고, 메인 배터리(144V or 300V급)의 전압을 13.8V로 감압하여 보조 배터리를 충전한다.

DC/DC 컨버터는 정전압 제어법에 따라 항상 13.8V로 일정 전압의 출력을 가지도록 제어가 되고 있으며, 전장 시스템의 부하 량에 상관없이 정전압값(13.8V)을 유지하게끔 제어가 되고 있다.

이와 같이 환경 차량에 탑재되는 DC/DC 컨버터는 보조 배터리 충전을 위한 출력 전압값을 13.8V로 제어를 하기 위해 차량 시스템의 시동 후에는 항상 켜져 있다.

만약, 차량 전장 부하가 증가하여 보조 배터리의 전압이 정격 충전 용량인 13.8V 이하로 떨어지게 되면 DC/DC 컨버터는 전압 강하를 막기 위해 보조 배터리를 충전하고, 전장 부하 사용이 작아서 보조배터리 전압의 감소가 작으면 컨버터의 출력은 감소한다.

하지만, DC/DC 컨버터는 동작 효율(약 80~90%)이 있으므로 항상 켜져 있으면 그만큼 전체 시스템의 효율이 감소하므로, 제한된 에너지에서 최대의 효율을 얻는 것을 주목적으로 하는 환경 차량에서 이는 효율성을 저하시키는 요소로 작용되는 문제점이 발생한다.

또한, 필요한 전장 부하의 에너지를 모두 메인 배터리(144V or 300V급)에서 가져오기 때문에 시스템 에너지 전체 효율의 낭비를 초래하게 되는 문제점이 발생한다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 발명한 것으로, 그 목적은 보조 배터리의 충전 전압을 메인 배터리로부터 공급받는 것을 최소화하고, DC/DC 컨버터의 순시전력(Instanteous Power) 제어 특성을 활용하여 차량의 회생 제동 에너지를 추가로 흡수하여 시스템의 손실 없이 보조 배터리를 충전하도록 한 것이다.

또한, 보조 배터리의 전력량을 모니터링하고 설정된 기준값 이하로 떨어질 경우만 순시적으로 DC/DC 컨버터를 동작 시켜 주고, 그 외의 경우는 시스템의 손실을 방지하기 위해 컨버터의 동작을 정지시켜 시스템의 전체 효율성을 향상시키도록 한 것이다.

또한, 보조 배터리의 전력이 과충전 되는 경우 DC/DC 컨버터를 순시적으로 전력 제어함으로써 과충전에 의한 사고를 예방할 수 있도록 한 것이다.

상기와 같은 목적을 실현하기 위한 본 발명은 환경 차량에 있어서, 시동 온이 유지되면 차량 제어기는 메인 배터리 및 보조 배터리의 전력 용량을 산출하는 과정과; 브레이크 작동에 따른 회생 제동 발전이 실행되고 있는지 판단하는 과정과; 회생 제동 발전이 실행되고 있지 않으면 보조 배터리의 전력 상태를 판단하는 과정과; 상기 보조 배터리의 전력 상태에 따라 DC/DC 컨버터를 온/오프 제어하여 보조 배터리의 충전을 제어하는 과정과; 회생 제동 발전이 실행되고 있는 상태이면 메인 배터리 및 보조 배터리의 전력값으로부터 산출되는 회생 제동 명령값을 산출한 후 DC/DC 컨버터를 온 제어하여 보조 배터리의 충전을 제어하는 과정을 포함하는 것을 특징으로 하는 환경 차량의 보조 배터리 충전 제어방법을 제공한다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 일 실시예를 상세하게 설명하면 다음과 같다.

도 1은 본 발명에 따른 보조 배터리의 충전 제어방법이 적용되는 4륜 환경 차량의 시스템에 대한 구성도로, 운전정보 검출부(10)와, ECU(Electric Control Unit ; 20), TCU(Torque Control Unit ; 30), HCU(Hybrid Control Unit ; 40), 메인 배터리(Main Batter ; 50), BMS(Battery Management System ; 60), MCU(Motor Control Unit ; 70), 엔진(80), 제1인버터(90), 제2인버터(100), 제1모터 시스템(110), 제2모터 시스템(120), 감속기(130), DC/DC 컨버터(140) 및 보조 배터리(150)를 포함하여 구성된다.

운전정보 검출부(10)는 운전자의 출발 및 가속 요구에 대한 APS(Accel Position Sensor) 신호와 제동 제어하는 브레이크 페달 신호, 변속단 선택에 대한 인히비터 스위치의 신호 등 운전자의 운전 요구신호를 검출한다.

ECU(20)는 운전자의 운행 요구 신호와 냉각수온, 엔진 토크 등의 엔진 상태 정보 및 상위 제어기인 HCU(40)의 제어에 따라 엔진(80)에 대한 제반적인 동작을 제어한다.

TCU(30)는 현재의 차속, 기어비, 클러치 상태 등의 정보를 검출하여 상위 제어기인 HCU(40)의 제어에 따라 감속기(130)의 출력 토크 조절에 대한 전반적인 동 작을 제어한다.

HCU(40)는 상위 제어기로 각 제어기들을 통합 제어하며, 차량이 조건이 엔진(80)에 의한 발전 제어의 모드인지, 차량의 제동 제어에 의한 희생 제동 발전모드인지를 판단하고, 보조 배터리(150)의 현재 전압을 판단하여 각각의 조건에 따라 DC/DC 컨버터(140)를 능동적으로 제어하여, 가장 효율적인 보조 배터리(150)의 충전이 이루어지도록 제어한다.

메인 배터리(50)는 제1모터 시스템(110) 및 제2모터 시스템(120)에 구동 전압을 공급하는 고용량 고전압이 배터리로 구성되며, 제동 제어시 발생되는 회생 발전 에너지 및 엔진(80)의 동작에 의한 발전으로 충전된다.

BMS(60)는 상기 메인 배터리(50)의 전압, 전류, 온도 등의 정보를 종합 검출하여 배터리의 SOC 상태를 관리 제어하며, 출력되는 전류량을 제어한다.

MCU(70)는 상위 제어기인 HCU(40)의 제어에 따라 제1모터 시스템(110) 및 제2모터 시스템(120)의 동력을 배분하여 그에 따른 토크를 제어하며, 4륜 구동모드에서 전륜 및 후륜간의 슬립 변화율 및 슬립 에러의 크기에 따라 제1모터 시스템(110) 및 제2모터 시스템(120)에 공급되는 전류량을 제한 제어한다.

엔진(80)은 상기 ECU(20)의 제어에 의해 동작되며, 출력 샤프트가 제1모터시스템(110)를 통해 감속기(130)에 직결된다.

제1인버터(90)는 MCU(70)의 제어에 따라 메인 배터리(50)에서 인가되는 직류 상태의 고전압을 스위칭 수단인 IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)를 통해 교류 3상 전압으로 변환하여 엔진(80)의 출력 샤프트에 직결되는 제1모터 시스템(110)을 구동시킨다.

제2인버터(100)는 MCU(70)의 제어에 따라 메인 배터리(50)에서 인가되는 직류 상태의 고전압을 스위칭 수단인 IGBT를 통해 교류 3상 전압으로 변환하여 제2모터 시스템(120)을 구동시킨다.

DC/DC컨버터(140)는 저전압을 저장하고 있는 보조 배터리(150)의 충전을 위한 장치로, 상기 상위 제어기인 HCU(40)에서 인가되는 제어신호에 따라 스위칭 온/오프되어 보조 배터리(150)에 충전 전압을 공급한다.

즉, HCU(40)에서 판단되는 보조 배터리(150)의 전압이 설정된 적정치를 벗어날 경우 보조 배터리(150)의 충분한 충전을 위해 DC/DC 컨버터(140)의 작동 제어를 실시하고, 전장 시스템의 전류 소모량이 많지 않아 설정된 적정치의 범위을 유지하는 경우 DC/DC 컨버터(140)를 작동치 않음으로써 보조 배터리(140)의 충전이 수행되지 않도록 하며, 회생 제동 제어에 의한 발전이 이루어지는 경우 DC/DC컨버터(140)를 작동시켜 메인 배터리가 흡수하고 남는 여분의 회생 에너지를 보조 배터리(150)에 충전되도록 한다.

또한, 엔진(80)의 동작이나 회생 제동 제어에 따른 발전이 진행되는 경우 DC/DC컨버터(140)를 작동 시켜 발전 전압으로 보조 배터리(150)를 충전한다.

전술한 바와 같은 기능을 포함하는 구성에서 본 발명에 따른 보조 배터리 충전 제어에 동작은 다음과 같다.

환경 차량에서 브레이크 작동에 의한 회생 제동이 발생하게 되면, 차량제어기(Vehicle Control Unit; VCU), 바람직하게는 HCU(40)는 필요한 회생 전력량(P_{regen_ref} : Regeneration Power Reference) 명령치를 가지고 제1인버터(90) 혹은 제2인버터(100)를 제어하여 필요한 만큼의 회생 전력을 흡수하여 메인 배터리(50)1에 저장하게 된다.

하지만, 차량의 운동에너지를 모두 흡수하기에는 메인 배터리(50)의 전력용량에 한계가 있기 때문에 흡수 가능한 만큼 전기 에너지로 변환하고 나머지는 브레이크에서 열에너지로 소모해 버린다.

따라서, 회생 제동시 발생되는 에너지에 대하여 메인 배터리(50)가 흡수 가능 전력량(P_{main_err} : Main battery absorbable Power Reference)만큼 회수하고, 보조배터리(150)가 필요한 흡수 가능 전력량(P_{aux_err} : Auxiliary battery absorbable Power Reference)만큼 추가로 흡수하면 전체 시스템의 효율을 향상시킬 수 있으며, 메인 배터리(50)에서 필요한 전력을 뽑아 쓰는 것 보다 훨씬 효율적이다.

또한, DC/DC 컨버터(140)는 보조 배터리(150)의 충전 전압이 설정된 기준 용량 이하로 떨어질 경우에만 가동함으로 상시 구동에 따른 전력 낭비를 줄일 수 있게 된다.

따라서, 본 발명에 따른 보조 배터리의 충전 제어는 차량의 회생 제동 시, HCU에서 인버터(140) 제어를 위한 회생 전력 명령 값(P_{regen_ref})을 산출함에 있어, 메인 배터리(50)의 전력값(P_main)에 보조 배터리(150)에서 흡수 가능한 전력값(P_{aux_err})값을 추가하여 발생함으로써, 회생 제동시 열 에너지로 사라지는 에너지를 추가로 흡수함으로 시스템의 에너지 손실 없고, 추가적인 장치의 부착 없이 보조 배터리(150)의 전장 부하용 에너지를 흡수 할 수 있다.

또한, 보조 배터리(150)의 전력값이 최대값에 도달하면 DC/DC 컨버터(140)의 동작을 정지 시켜서 보조 배터리(150)가 과충전되는 것을 방지하여 보조 배터리(150)을 보호한다.

이에 대하여 도 2를 참조하여 좀 더 상세하게 설명하면 다음과 같다.

환경 차량의 시동이 온을 유지하고 있는 상태에서 차량 제어기, 바람직하게는 HCU(40)는 BMS(60)를 통해 검출되는 정보로부터 메인 배터리(50)의 전력 용량과 보조 배터리(150)의 전력 용량을 계산한다(S101).

상기에서 메인 배터리(50) 및 보조 배터리(150)에 대한 전력 용량은 현재 전압과 설정된 기준 용량과 현재의 전압 차이로 검출되는 흡수 가능한 전력이다.

이와 같이 메인 배터리(50) 및 보조 배터리(150)에 대한 전력 용량이 계산된 상태에서 브레이크 작동에 따른 회생 발전이 실행되는지를 판단한다(S102).

상기 S102의 판단에서 회생 발전이 실행되지 않은 상태로 판단되면, 보조 배터리(150)의 현재 전압 상태를 판단한다(S103).

상기 S103의 판단 결과 보조 배터리(150)의 현재 충전된 전압이 설정된 최소 기준 용량 이하의 값을 갖는 상태이면, 보조 배터리(150)의 전압이 절대적으로 부족한 상태인 것으로 판단하여, 전장 시스템의 부하에 안정된 전원의 공급을 유지시키기 위하여 DC/DC 컨버터(140)를 온 시켜 메인 배터리(50)의 전압으로 보조 배터리(150)가 충전되도록 한다(S103).

그러나, 상기 S103의 판단 결과 보조 배터리(150)의 현재 충전된 전압이 설정된 최소 기준 용량 이상 최대 기준 용량 이하의 범위에 포함되거나, 설정된 최대 기준 용량 이상의 값을 갖는 상태이면 보조 배터리(150)는 현재 안정된 전압이 충전되어 있는 상태로 판단하여 DC/DC 컨버터(140)를 오프 시켜 메인 배터리(50)와 보조 배터리(150)간의 경로를 차단함으로써, 메인 배터리(50)의 효율을 높여 준다(S105)(S106).

또한, 상기 S102의 판단에서 회생 제동 발전이 실행되고 있는 상태로 판단되면 메인 배터리(50)의 현재 전력과 설정된 최대 전력량의 관계로부터 산출되는 메인 배터리(50)의 흡수 가능 전력값(P_{main_err})과 보조 배터리(150)의 현재 전력과 설정된 최대 전력량의 관계로부터 산출되는 보조 배터리의 흡수 가능 전력값(P_{aux_err})으로부터 회생 전력 명령 값(P_{regen_ref})을 산출한다(S107).

이후, DC/DC 컨버터(140)를 온 시키고, 상기 산출된 회생 전력 명령값(P_{regen_ref})을 기준으로 제1인버터(90) 혹은 제2인버터(100)를 제어하여, 회생 제동으로 발전되는 에너지로 보조 배터리(150)를 충전하여 준다(S108).

상기한 바와 같이 보조 배터리(150)에 대한 충전을 실행하며, 충전에 대한 에러 여부를 체크하여 이상이 없는 경우 리턴되어 전술한 과정을 반복한다(S109).

이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명은 보조 배터리의 충전 전압을 메인 배터리로부터 공급받는 것을 최소화하고, DC/DC 컨버터의 순시 전력 제어 특성을 활 용하여 차량의 회생 제동 에너지를 추가로 흡수함으로써, 보조 배터리의 충전에 효율성을 제공한다.

또한, 보조 배터리의 전력량을 모니터링하고 설정된 기준값 이하로 떨어질 경우만 순시적으로 DC/DC 컨버터를 동작 시켜 주고, 그 외의 경우는 시스템의 손실을 방지하기 위해 컨버터의 동작을 정지시켜 시스템의 전체 효율성을 향상시킨다.

Claims

환경 차량에 있어서,

시동 온이 유지되면 차량 제어기는 메인 배터리 및 보조 배터리의 전력 용량을 산출하는 과정과;

브레이크 작동에 따른 회생 제동 발전이 실행되고 있는지 판단하는 과정과;

회생 제동 발전이 실행되고 있지 않으면 보조 배터리의 전력 상태를 판단하는 과정과;

상기 보조 배터리의 전력 상태에 따라 DC/DC 컨버터를 온/오프 제어하여 보조 배터리의 충전을 제어하는 과정과;

상기에서 회생 제동 발전이 실행되고 있는 상태이면 메인 배터리 및 보조 배터리의 전력값으로부터 산출되는 회생 제동 명령값을 산출한 후 DC/DC 컨버터를 온 제어하여 보조 배터리의 충전을 제어하는 과정을 포함하는 것을 특징으로 하는 환경 차량의 보조 배터리 충전 제어방법.
제1항에 있어서,

상기에서 보조 배터리의 전력이 설정된 최대 기준 용량과 최소 기준 용량의 범위에 포함되면 DC/DC 컨버터를 오프 제어하여 보조 배터리에 충전 전압이 공급되지 않도록 하는 것을 특징으로 하는 환경 차량의 보조 배터리 충전 제어방법.
제1항에 있어서,

상기에서 보조 배터리의 전력이 설정된 최소 기준 용량 이하이면 DC/DC 컨버터를 온 제어하여 메인 배터리 전압으로 보조 배터리를 충전하는 것을 특징으로 하는 환경 차량의 보조 배터리 충전 제어방법.
제1항에 있어서,

상기에서 보조 배터리의 전력이 설정된 최대 기준 용량 이상이면 DC/DC 컨버터를 오프 제어하여 보조 배터리의 충전이 이루어지지 않도록 하는 것을 특징으로 하는 환경 차량의 보조 배터리 충전 제어방법.
제1항에 있어서,

상기 회생 제동 발전시 산출되는 회생 제동 명령값은 메인 배터리의 흡수 가능 전력값과 보조 배터리의 흡수 가능 전력값으로 결정되는 것을 특징으로 하는 환경 차량의 보조 배터리 충전 제어방법.
제1항에 있어서,

상기 회생 제동 발전시의 보조 배터리 충전은 회생 제동으로 발전되는 전체 에너지 중에서 메인 배터리에 충전되고 남는 여분의 에너지를 이용하는 것을 특징으로 하는 환경 차량의 보조 배터리 충전 제어방법.