KR100599888B1 - 모터 구동 4ｗｄ 차량의 제어 장치 및 제어 방법 - Google Patents

모터 구동 4ｗｄ 차량의 제어 장치 및 제어 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 엔진(1)에 의해 구동되어 42V의 3상 AC 전력을 발생시키는 42V 교류 발전기(2)와; 상기 42V 교류 발전기(2)에 의해 발생된 상기 3상 AC 전력을 정류하며, 정류 후에 DC 전력을, 후방 차륜 구동 기능을 하는 모터(M1)에 공급하는 정류 회로(14)와; 상기 42V 교류 발전기(2)에 의해 발생된 전력을 14V로 강하시키고 상기 강하된 AC 전력을 DC 전력로 변환시키는 인버터(3)와; 상기 인버터에 의해 얻은 전력이 공급되어 충전이 되는 14V 배터리(E1)를 포함하는 모터 구동 4WD 차량의 제어 장치에 관한 것이다. 이러한 구성으로, 발전기는 14V 배터리(E1)를 충전시키는 모터 발전기로서 작용하면서 또한 모터(M1)의 구동 전력을 발생시키는 모터 발전기로서 작용할 수가 있으므로, 장치 구성이 간단해진다.

Description

모터 구동 4ＷＤ 차량의 제어 장치 및 제어 방법{CONTROL DEVICE AND CONTROL METHOD OF MOTOR-DRIVEN 4WD VEHICLE}
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 모터 구동 4WD 차량의 제어 장치의 구성을 도시한 블럭도이다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 모터 구동 4WD 차량의 제어 장치에서 엔진 시동시의 동작을 도시한 흐름도이다.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 모터 구동 4WD 차량의 제어 장치에서 배터리 충전시의 동작을 도시한 흐름도이다.
도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 모터 구동 4WD 차량의 제어 장치에서 모터 구동시의 동작을 도시한 흐름도이다.
도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 모터 구동 4WD 차량의 제어 장치에서 각 유닛의 동작 상태를 도시한 도면이다.
본 발명은 전륜 또는 후륜은 엔진에 의해 구동되고 다른 차륜들은 모터에 의해 구동되는 모터 구동 4WD 차량을 제어하는 장치 및 제어 방법에 관한 것이다.
일본특허출원 공개번호 2002-152911 또는 2002-200932에 개시된 바와 같이, 공지의 4WD 차량이 있으며, 이 차량의 전륜은 엔진에 의해 발생된 구동력에 의해 구동되고 그 모터는 엔진에 의해 회전되는 발전기에 의한 전력에 의해 회전되며, 그 후륜은 모터에 의해 발생된 구동력에 의해 구동된다.
그러나, 종래의 차량에서는 후륜을 구동시키기 위한 발전기와 차량의 전기 부품들에 전력을 공급하기 위한 발전기가 별도로 구비되어 있다. 따라서, 부품수가 증가하고 차량 내부 배치가 제한되는 문제가 있다. 또한 차량의 무게 및 비용이 증가되는 문제가 있다.
본 발명은 이러한 종래의 문제를 해결하기 위한 것으로, 본 발명의 목적은 장치 구성을 단순화시킬 수 있는 모터 구동 4WD 차량의 제어 장치 및 제어 방법을 제공하는 데에 있다.
이 목적을 얻기 위해, 본 발명은 전륜 또는 후륜은 엔진에 의해 구동되고 다른 차륜들은 필요시 모터에 의해 구동되는 모터 구동 4WD 차량의 제어 장치를 제공하며, 상기 제어 장치는 엔진에 의해 구동되며 제1 정격전압의 제1 3상 AC 전력을 발생시키는 모터 발전기와; 상기 모터 발전기에 의해 발생된 상기 제1 3상 AC 전력을, 제1 정격전압보다 낮은 제2 정격 전압의 제2 DC 전력으로 강하시키는 인버터와; 상기 모터 발전기에 의해 발생된 상기 제1 3상 AC 전력을 정류하며, 정류 후에 제3 정격 전압의 제3 DC 전력을 모터에 공급하는 정류 회로와; 인버터에 의해 얻은 제2 DC 전력이 공급되어 충전이 되는 배터리로 구성된다.
이하, 도면을 참고하여 본 발명의 실시예를 설명한다. 도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 모터 구동 4WD 차량의 제어 장치의 구성을 도시한 블록도이다. 이 실시예의 제어 장치는 엔진을 이용하여 전륜 또는 후륜을 구동시키고 모터를 이용하여 다른 차륜을 구동시키도록 구성된 차량을 제어한다. 도 1에 도시된 바와 같이, 제어 장치는 엔진(1)과; 엔진(1)의 회전력을 이용하여 제1 정격전압 (11-42Vrms)의 제1 3상 AC 전력(최소 4kW정도)을 발생시키고 벨트를 통해 엔진(1)에 연결된 42V 교류 발전기(전력 발전기)(2)를 포함한다. 제어 장치는 차량 및 모터에 장착되는 여러 전기 소자에 전력을 공급하는 14V 배터리(E1)을 더 포함한다.
제어 장치는 또한 인버터(3)를 포함한다. 인버터(3)는 42V 교류 발전기(2)로부터 제2정격전압(14V)으로 출력되는 제1 3상 AC 전력을 강하시키고, 강하된 전력을 정류하며 충전 전력 (최대 1kW정도)을 14V 배터리(E1)에 공급하거나, 또는 14V 배터리(E1)로부터 충전되는 제5 정격전압(14V)의 제5 DC 전력(최대 1kW정도)을 제4 정격 전압(20Vrms)의 제4 3상 AC 전력(최대 1kW정도)으로 변환시키고, 제4 3상 AC 전력을 42V 교류 발전기(2)로 공급하거나, 14V 배터리(E1)로부터 출력되는 제7 정격 전압(14V)의 제7 DC 전력(최대 1kW정도)을 승압시키고, 모터(M1)에 공급되는 제6 정격 전압(28V)의 제6 DC 전력(최대 1kW정도)을 발생시킨다.
제어 장치는 42V 교류 발전기(2)에 의해 발생된 제1 3상 AC 전력을 정류하고 제3 정격 전압(16-60V)의 제3 DC 전력(최대 4kW정도)을 모터(M1)에 공급하는 정류 회로(14)를 더 포함한다.
제어 장치는 엔진(1)의 회전수를 검출하는 회전 센서(회전수 검출기)(10)와; 회전센서(10)의 검출신호와 가속 센서(미도시)의 검출신호에 기초하여 점화신호를 엔진(1)에 출력하며 분사 밸브를 제어하는 엔진제어기(12)를 더 포함한다. 제어기는 또한 모터(M1)의 작동을 제어하는 4WD 제어기(9)를 포함하며, 상기 42V 교류 발전기(2) 및 인버터(3)의 구동을 제어하는 구동회로(6)를 포함한다.
4WD 제어기(9)는 차륜 속도 센서(미도시)의 검출신호와 가속 센서의 검출신호를 입력받아, 각각의 검출신호에 기초하여 정류 회로(14) 및 모터(M1) 사이에 위치한 스위치(SW2)(제2스위치)의 온/오프를 스위칭시킨다. 4WD 제어기(9)는 모터(M1)의 자계 전류(자기장 권선을 통해 흐르는 전류)를 제어하는 자기력 제어유닛(13)에 제어신호를 출력하고, 42V 교류 발전기(2)의 자계전류를 제어하는 자계 제어유닛(8)에 출력한다.
모터(M1)의 출력축은 다른 기어(4)를 통해 후륜(5)에 연결된다. 여기에서, 후륜(5)은 모터(M1)에 의해 구동되지만 후륜(5)이 엔진 동력에 의해 구동되는 때에도 모터(M1)가 전륜을 구동시킨다.
인버터(3)는 6개의 IGBT 또는 MOS-FET등의 스위치 소자(Tr1-Tr6)를 포함한다. 인버터(3)의 접지측 단자는 14V 배터리(E1)의 마이너스 단자에 연결되어 있으며, 접지되어 있다.
14V 배터리(E1)의 플러스 단자는 스위치(SW1)(제1 스위치)를 통해 3상의 자계 권선을 가지는 42V 교류 발전기(2)의 중성점에 연결되어 있다. 14V 배터리(E1)에는 14V 배터리(E1)의 충전전압을 측정하는 전압 센서(7)가 구비된다.
구동회로(6)에는 가속스위치(SW3)의 조작신호, 전압 센서(7)의 검출신호 및 42V 교류 발전기(2)의 회전 위치를 검출하는 위치센서(11)의 검출신호가 입력된다. 검출신호 수신시에, 구동회로(6)는 인버터(3)의 6개의 스위치소자(Tr1-Tr6)의 입력 단자를 제어하는 구동신호를 출력한다. 구동회로(6)는 또한 온오프 동작의 제어신호를 스위치(SW1)로 출력한다.
인버터(3)는 구동회로(6) 및 4WD 제어기(9)를 제어함으로써 스위치 SW1가 온(폐로)되고 스위치 SW2가 오프(개방)된 상태에서 동력 작동 방식으로 작동된다. 이와 함께, 42V 교류 발전기(2)는 전기 모터로서 작동될 수가 있으며, 엔진(1) 시동이 행해질 수 있다. 만약 인버터(3)가 엔진(1)의 구동동안에 회생적으로 작동되면, 14V 배터리(E1)가 충전될 수 있다. 스위치 SW1이 오프되고 스위치 SW2가 온되는 상태에서는 인버터(3)가 정지되고, 42V 교류 발전기(2)에 의해 발생된 제1 3상 AC 전력은 정류 회로(14)에 의해 정류되어 제3 DC 전력을 얻는다. 제3 DC 전력이 모터(M1)에 공급되면, 모터(M1)를 회전시키는 것이 가능하고, 차량의 제4 차륜이 구동될 수 있다.
다음에는 본 실시예의 모터 구동 4WD 차량의 제어 장치의 작동을 여러 상황에서 설명한다. 즉, A) 엔진 시동시, B) 14V 배터리 충전시, C) 4개의 차륜 구동시의 상황에서 설명한다. 42V 교류 발전기(2), 인버터(3), 14V 배터리(E1), 스위치(SW1,SW2), 모터(M1)의 작동은 도 5에 도시한 바와 같다.
A) 엔진 시동시의 동작
도 2는 엔진시동시의 처리 동작을 도시한 흐름도이다. 먼저 S1단계에서, 액 셀 스위치 SW3가 온인지를 결정한다. 액셀 스위치 SW3가 온이면, 이는 S1단계에서 '예'를 의미하며, 스위치 SW1은 S2단계에서 턴온된다.
다음에, S3단계에서, 자계 제어유닛(8)이 작동되고, 42V 교류 발전기(2)의 자계 권선이 전압을 받는다. 다음에, S4단계에서, 인버터(3)는 동력 작동식으로 작동되므로, 14V 배터리(E1)내에 충전된 제5 DC 전력을 42V의 제4 3상 AC 전력으로 변환시키며, 제4 3상 AC 전력은 42V 교류 발전기(2)에 공급되므로, 이에 의해 42V 교류 발전기(2)를 회전시킨다.
이렇게 작동됨으로써, 엔진(1)이 회전되며, 엔진(1)이 완전 연소되고, S5단계에서 엔진 시동이 확인되면 스위치(SW1)는 S6단계에서 턴오프되며, 인버터(3)의 동력 운전 동작은 S7단계에서 중지되며, 42V 교류 발전기(2)의 자기장 권선의 에너자이징(energizing)는 S8단계에서 중지된다.
이러한 식으로, 42V 교류 발전기(2)는 14V 배터리(E1)내에 충전된 제5 DC전력을 이용하여 회전되며, 엔진(1)이 시동될 수 있다.
B) 14V 배터리 충전시의 동작
다음에, 도 3의 흐름도를 참고하여 14V 배터리(E1)가 충전된 때의 동작을 설명한다.
먼저, S11단계에서, 회전 센서(10)의 검출 결과에 기초하여 엔진(1)의 회전수가 소정의 회전 수 이상인지를 결정한다. 회전수가 소정의 회전수 이상이면 4개의 차륜이 현재 구동중인지를 결정한다. 즉, S12단계에서 모터(M1)이 회전중인지 아닌지를 결정한다.
4개의 차륜이 구동되지 않는 때에는 S13단계에서 전압 센서(7)의 검출 신호에 기초하여 14V 배터리(E1)의 충전 전압이 소정 레벨에 도달했는지를 결정한다. 결과적으로, 충전전압이 소정레벨에 도달하지 못한 것으로 결정되면, 스위치(SW1)는 S14단계에서 턴온되고, 42V 교류 발전기(2)의 자기장은 S15단계에서 자기장 제어유닛(8)에 의해 제어된다. 이러한 동작으로, 42V 교류 발전기(2)에 의해 발생된 전력은 강하되고 인버터(3)에 의해 정류되며, 제2 DC 전력으로서 14V 배터리(E1)로 공급되며, 14V 배터리(E1)가 충전된다.
이러한 방식으로, 엔진(1)의 회전수가 소정의 회전수 이상이며 4개의 차륜이 구동되지 않는 조건에서는 42V 교류 발전기(2)에 의해 발생된 전력을 이용하여 14V 배터리(E1)를 충전시킬 수가 있다.
C) 4개의 차륜 구동시의 동작
다음에는 도 4의 흐름도를 참고하여 4개의 차륜 구동시의 동작을 설명한다.
먼저, S21단계에서, 차륜 속도 센서 및 가속 센서의 검출 신호에 기초하여 4WD 제어기(9)가 4개의 차륜을 구동시키고 있는지를 결정한다. 결과적으로, 4개의 차륜이 구동되고 있으면, 스위치(SW1)는 S22단계에서 턴오프되며, 스위치(SW2)는 S23단계에서 턴온된다. 이러한 동작으로, 정류 회로(14) 및 모터(M1)의 출력측은 서로에 전기적으로 접속되고, 인버터(3) 및 모터(M1)의 출력측 또한 서로에 전기적으로 접속된다.
이러한 상태에서, S24단계에서, 회전센서(10)의 검출 결과에 기초하여 엔진(1)의 회전수가 소정의 회전수 이상이거나 또는 이하인지를 결정한다. 만약, 42V 교류 발전기(2)에 의해 발생된 전력으로부터 모터(M1)을 구동시키기 위한 충분한 전력을 얻을 수 있어서 상기 회전수가 소정의 회전수 이상이면, 정류 회로(14)에 의해 얻은 제3 DC 전력은 S27단계에서 모터(M1)에 공급된다.
한편, 엔진(1)의 회전수가 소정의 회전수보다 적으면, 42V 교류 발전기(2)에 의해 발생된 전력으로부터 모터(M1)를 구동시키기 위한 충분한 전력을 얻을 수가 없다. 그러므로, S25단계에서, 14V 배터리(E1)내로 충전된 제7 DC 전력은 인버터(3)를 이용하여 승압되며, 승압된 DC 전력은 제6 DC전력으로서 모터(M1)에 공급된다. 즉, 모터(M1)는 정류 회로(14)에 의해 정류된 제3 DC 전력과, 인버터(3)에 의해 14V 배터리(E1)내로 충전된 제7 DC 전력을 승압하여 얻은 제6 DC 전력 둘다를 이용하여 구동된다.
다음에, S26단계에서, 자계 제어유닛(13)으로 제어신호가 출력되고, 모터(M1)의 자계가 조정되므로, 정류 회로(14)로부터 얻은 제3 DC 전력 또는 정류 회로(14) 및 인버터(3) 둘다로부터 얻은 DC 전력을 이용하여 모터(M1)를 회전시키게 된다. 이와 함께, 후륜(5)이 회전될 수 있으며, 4개의 차륜이 구동될 수 있다.
본 실시예에에 따라서 모터 구동 4WD 차량의 제어 장치에서, 엔진(1)이 구동된 때에, 42V 교류 발전기(2)에 의해 발생된 제1 3상 AC 전력은 정류되고 강하되며, 14V 배터리(E1)가 충전될 수가 있다. 4개의 차륜들이 구동되어지는 때에, 42V 교류 발전기(2)에 의해 발생된 제1 3상 AC 전력은 정류 회로(14)에 의해 정류되고 모터(M1)에 공급될 수 있다. 그러므로, 14V 배터리(E1)를 충전시키기 위해 그리고 모터(M1)를 구동시키기 위해 발전기가 이용될 수 있으며, 장치 구성은 단순화될 수가 있다.
즉, 하나의 모터 발전기(42V 교류 발전기(2))로부터 여러 정격전압을 가지는 배터리와 모터에 전력이 공급될 수 있으므로, 배치의 자유도가 향상되며, 무게 및 비용이 줄어들 수 있다.
엔진(1) 시동시에, 14V 배터리(E1)에 충전된 전력은 인버터(3)를 이용하여 제7 DC 전력으로 전환된다. 이러한 동작으로, 42V 교류 발전기(2)는 구동될 수 있으므로 엔진(1)이 시동될 수 있다. 따라서, 엔진(1) 시동을 위한 다른 동력원을 필요로 하지 않으며, 구성이 단순화될 수 있다.
즉, 엔진 시동시 배터리내로 충전된 전력은 인버터를 이용하여 제1 정격전압인 3상 AC 전력으로 변환되며, 이러한 전력으로 모터 발전기는 회전될 수 있으며, 엔진이 시동될 수 있다. 따라서, 엔진 시동을 위한 다른 동력원은 불필요하며, 그 구성은 단순화될 수 있다.
또한, 4개의 차륜이 구동되는 때에, 엔진(1)의 회전수가 검출되고, 검출된 회전수가 소정의 회전수 이상이면, 모터(M1)는 정류 회로(14)에 의해 정류된 제3 DC 전력을 이용해 회전되며, 모터(M1)는 정류 회로(14)에 의해 정류된 제3 DC 전력과 14V 배터리(E1)내로 충전된 제7 DC 전력을 승압하여 얻은 제6 DC 전력 둘다를 이용하여 회전된다. 따라서, 엔진(1)의 회전수가 작은 때에도, 모터(M1)를 제대로 구동시키는 데 필요한 전력을 공급할 수가 있으며, 4개의 차륜은 원활하게 구동될 수 있다.
즉, 모터가 구동된 때에, 회전수 검출기에 의해 검출된 엔진의 회전수가 소정의 회전수보다 작으면, 모터에는 정류 회로에 의해 정류된 제3 DC 전력과 배터리내에 충전된 제7 DC 전력을 승압시켜 얻은 제6 DC 전력 둘다를 이용하여 전력이 공급된다. 따라서, 엔진의 회전수가 작은 때에도 모터 구동에 필요한 전력을 공급할 수 있으며, 모터가 원활히 회전될 수 있다.
또한, 액셀 스위치(SW3)가 턴온된 때에 42V 교류 발전기(2)가 회전되고 엔진(1)이 시동되므로, 공회전 스톱이 실현되고 연료 비용이 개선될 수 있다.
즉, 가속 동작을 검출하는 액셀 스위치가 턴온된 때에 엔진이 시작되기 때문에, 아이들(idle) 정지가 실현될 수 있으며, 연료 비용이 개선될 수 있다. 또한, 엔진(1)의 시동동작, 14V 배터리(E1)의 충전동작, 모터(M1)의 구동동작은 스위치 SW1 및 스위치 SW2의 온(폐쇄) 및 오프(개방) 사이에서 절환됨으로써 스위칭된다. 따라서, 엔진(1)의 시동시 또는 14V 배터리(E1) 충전시에, 스위치(SW2)가 턴오프되면, 모터(M1) 및 인버터(3)가 서로로부터 확실히 분리될 수가 있다. 모터(M1)이 구동된 때에는 14V 배터리(E1) 및 인버터(3)가 서로로부터 확실히 분리될 수 있다. 그러므로, 오동작을 방지할 수 있으며, 작동 능률을 증가시킬 수 있다.
즉 제1 스위치와 제2 스위치의 개방 상태 및 폐쇄 상태 간에 스위칭시킴으로써 엔진시동시 또는 배터리 충전시에는 모터와 인버터가 서로에게서 확실히 분리될 수 있고, 모터구동시에는 배터리와 인버터가 확실히 분리될 수 있다. 따라서, 오동작의 발생을 방지할 수 있으며, 작업 능률을 향상시킬 수 있다.
이상에서 본 발명을 여러 실시예를 참고하여 설명하였으나, 본 발명은 이에 만 제한되는 것은 아니며, 당 분야의 전문가에 의한 여러 변형 및 수정이 가능하다. 본 발명의 범위는 다음의 청구범위에서 기술된다.
2003년 11월 14일 출원된 특허출원번호 TOKUGAN 제2003-384960호의 전체 내용을 여기서 참조용으로 사용한다.

Claims (7)

  1. 삭제
  2. 차량의 전륜 또는 후륜이 엔진에 의해 구동되고, 다른 차륜들은 필요시 모터에 의해 구동되도록 차량을 제어하는 모터 구동 4WD 차량의 제어 장치로서,
    엔진에 의해 구동되며 제1 정격전압의 제1 3상 AC 전력을 발생시키는 모터 발전기;
    상기 모터 발전기에 의해 발생된 상기 제1 3상 AC 전력을, 제1 정격전압보다 낮은 제2 정격 전압의 제2 DC 전력으로 강하시키는 인버터;
    상기 모터 발전기에 의해 발생된 상기 제1 3상 AC 전력을 정류하여, 정류 후에 제3 정격 전압의 제3 DC 전력을 모터에 공급하는 정류 회로; 및
    인버터에 의해 얻은 제2 DC 전력이 공급되어 충전이 되는 배터리를 구비하고,
    상기 모터 발전기는, 상기 모터 발전기가 엔진에 의해 구동되는 때에는 상기 제1 3상 AC 전력을 발생하는 기능을 가지며, 또한 제4 정격 전압의 제4 3상 AC 전력이 모터 발전기에 공급되는 때에는 모터로서 회전하는 기능을 또한 가지며, 상기 인버터는 배터리에 축적된 제5 정격 전압의 제5 DC 전력을 제4 3상 AC 전력으로 승압시키고, 상기 모터 발전기는 제4 3상 AC 전력에 의해 구동력을 발생시키며, 엔진은 이 구동력에 의해 시동되는, 모터 구동 4WD 차량의 제어 장치.
  3. 삭제
  4. 제2항에 있어서, 엔진의 회전수를 검출하는 회전수 검출기를 더 구비하며,
    상기 회전수 검출기에 의해 검출된 엔진의 회전수가 소정의 회전수보다 작은 때에, 상기 모터는 상기 모터 발전기에 의해 발생되어 정류 회로에 의해 정류된 제3 DC 전력과, 배터리내에 충전된 제7 DC 전력을 인버터에 의해 승압시켜 얻은 제6 DC 전력 둘다를 이용하여 구동되는, 모터 구동 4WD 차량의 제어 장치.
  5. 제2항에 있어서, 차량에 장착되어 가속 동작을 검출하는 액셀 스위치가 턴온될 때에 엔진이 시동되는, 모터 구동 4WD 차량의 제어 장치.
  6. 제2항에 있어서, 상기 인버터와 배터리 간의 접속 상태를 스위칭하는 제1 스위치와, 상기 정류 회로와 모터 간의 접속상태를 스위칭하는 제2스위치를 더 구비하고,
    엔진 시동시에는 제1 스위치가 폐쇄되고, 제2 스위치가 개방되어, 배터리내에 충전된 제7 DC 전력을 인버터에 공급하며, 배터리 충전시에는 제1 스위치가 폐쇄되고, 제2 스위치가 개방됨으로써 인버터에 의해 강하된 후 정류된 제2 DC 전력을 배터리에 공급하며, 모터 구동시에는 제1 스위치가 개방되고, 제2 스위치가 폐쇄됨으로써 정류 회로에 의해 정류된 제3 DC 전력을 모터에 공급하는, 모터 구동 4WD 차량의 제어 장치.
  7. 삭제
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