KR100774762B1 - 하이브리드 전기자동차의 배터리 히팅 제어시스템 및제어방법 - Google Patents

하이브리드 전기자동차의 배터리 히팅 제어시스템 및제어방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 하이브리드 전기차의 저온 소우킹(soaking)후 차량 운행시 배터리 저온 상태에 따른 적절한 파워 공급 및 충전 부족으로 시스템 효율을 저하시키는 것을 개선하여 단계별로 적용된 히팅 코어 및 블로어와, 흡기온도 센서 및 배터리팩 온도센서를 포함하여 구성되고, 배터리 가열을 위해 일차적으로 차량 실내온을 최우선으로 사용하며, 차량 운행 조건에 따라 히팅코어 및 블로워를 단계별로 제어하되, 에너지 회수 상태인 모터 리젠(Regeneration)구간에서는 히팅량을 증가시키고, 모터 어시스트(Assist)구간에서는 히팅량을 제한하여 시스템 효율을 극대화시킴으로써, 상기 히팅코어에 의해 배터리의 정상동작을 가능한 빨리 하여 하이브리드 시스템 회복시간을 단축시키고, 하이브리드 기능을 완전히 구동케하여 연비 및 차량 성능을 향상시킬 수 있도록 한 하이브리드 전기자동차의 배터리 히팅 제어시스템 및 제어방법을 제공한다.
하이브리드 전기자동차, 배터리, 히팅코어, 모터 리젠(Regeneration), 모터 어시스트(Assist)

Description

하이브리드 전기자동차의 배터리 히팅 제어시스템 및 제어방법{System and method for heating control of hybrid electric vehicle}
도 1은 하이브리드 전기자동차의 배터리온도에 따른 충방전파워를 나타내는 그래프.
도 2는 본 발명에 따른 하이브리드 전기자동차의 배터리 히팅 제어시스템을 나타내는 장치구성도
도 3은 본 발명에 따른 하이브리드 전기자동차의 배터리 히팅 제어시스템을 나타내는 제어구성도
도 4는 본 발명에 따른 하이브리드 전기자동차의 배터리 히팅 제어방법을 나타내는 흐름도
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>
10 : 블로워 11 : 흡기온도센서
12 : 제1히팅코어 13 : 제2히팅코어
14 : 제3히팅코어 15 : 배터리팩
16 : 배터리팩온도센서 17 : 공기유입통로
본 발명은 하이브리드 전기자동차의 배터리 히팅 제어시스템 및 제어방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 저온 환경에서 차량이 장시간 소우킹(soaking) 후 운행시 배터리 온도를 저온에서 최적 동작온도로 빠른 시간내 상승시킬 수 있도록 한 하이브리드 전기자동차의 배터리 히팅 제어시스템 및 제어방법에 관한 것이다.
일반적으로, 하이브리드 전기자동차는 일반차량과 달리 고전압 고용량 배터리(이하 배터리, 어시스트 배터리와 구별됨.)로 전기모터를 제어 하여, 차량 시동, 차량 발진시 기동 토크 부가, 주행중 엔진 토크 어시스트, 차량 정지시 엔진 정지, 소위 아이들 스톱(Idle Stop)후 재시동 등의 배터리의 에너지 방전을 통한 모터 구동용 제어와, 정지시 발전, 주행중 발전 등으로 모터 발전 제어를 통하여 배터리에 에너지 충전을 행한다.
위와 같은 모터 제어를 위해서는 배터리로부터의 에너지를 얻거나 받아야 하는데 이 에너지의 크기는 배터리의 온도, 전압, 배터리 충전상태(SOC, State Of Charge)에 따라 각각 달리 결정되며, 특히 도 1에 도시된 바와 같이 온도에 많은 영향을 받는다.
따라서, 적절한 온도를 맞추지 못할 경우 배터리의 충방전 파워 및 효율은 특정 온도를 기준으로 급격하게 감소하게 된다.
충분한 충방전 파워를 배터리가 공급하지 못할 경우 위에서 언급한 모터 구동 및 충전을 통한 하이브리드 기능이 제약 받게 된다.
예를 들어 모터 크랭킹에 필요한 최소 파워가 15kW인 시스템에서 배터리 온 도가 -10도인 곳에서 차량 운행후 정지시 배터리의 최대 방전 가능한 파워가 8kW로 시동에 필요한 파워에 미치지 못하여, 모터 시동이 불가능하게 되어 차량은 아이들 스톱(Idle Stop)을 실시하지 못하게 된다.
이로 인하여 차량 정지시에는 엔진 정지 기능을 사용할 수 없으므로 불필요한 연료 소모가 발생하게 되며, 더불어 차량의 주행중 동력 어시스트(Assist)기능, 제동중 리젠(Regeneration)기능도 배터리의 충방전량에 제한을 받게 되어 충분한 하이브리드기능을 수행할 수 없게 된다.
배터리 온도가 낮음으로 인하여 배터리 충방전 효율도 나빠지게 되는데, 이는 제한된 에너지의 충방전 조차 낮은 배터리 효율로 인하여 전체 차량 시스템 효율을 악화시켜 차량 연비악화를 심화시키게 되는 문제점이 있다.
이런 이유로 배터리 효율 및 충방전 파워를 극대화하여 최적의 차량 효율 유지 및 하이브리드기능 극대화를 위하여 배터리를 적정온도에서 동작시키는 제어가 필요하다.
본 발명은 상기와 같은 점을 감안하여 안출한 것으로서, 하이브리드 전기차의 저온 소우킹(soaking)후 차량 운행시 배터리 저온 상태에 따른 적절한 파워 공급 및 충전 부족으로 시스템 효율을 저하시키는 것을 개선하여 단계별로 적용된 히팅 코어 및 블로어와, 흡기온도 센서 및 배터리팩 온도센서를 포함하여 구성되고, 배터리 가열을 위해 일차적으로 차량 실내온을 최우선으로 사용하며, 차량 운행 조 건에 따라 히팅코어 및 블로워를 단계별로 제어하되, 에너지 회수 상태인 모터 리젠(Regeneration)구간에서는 히팅량을 증가시키고, 모터 어시스트(Assist)구간에서는 히팅량을 제한하여 시스템 효율을 극대화시킴으로써, 상기 히팅코어에 의해 배터리의 정상동작을 가능한 빨리 하여 하이브리드 시스템 회복시간을 단축시키고, 하이브리드 기능을 완전히 구동케하여 연비 및 차량 성능을 향상시킬 수 있도록 한 하이브리드 전기자동차의 배터리 히팅 제어시스템 및 제어방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명은 하이브리드 전기자동차의 배터리 히팅 제어시스템에 있어서,
실내공기가 유입될 수 있도록 설치자리면에 형성된 공기유입통로와; 상기 공기유입통로의 입구에 설치된 흡기온도센서와; 실내 공기를 흡입하도록 상기 공기유입통로의 입구에 설치된 블로워와; 상기 공기유입통로의 안쪽 끝에 설치된 배터리팩 및 배터리팩 온도센서와; 상기 블로워와 배터리팩 사이에 일정한 간격으로 설치된 제1 내지 제3히팅코어와; 상기 흡기온도센서 및 배터리팩 온도센서의 감지신호를 받아 상기 블로워 및 히팅코어의 작동을 제어하는 제어부; 를 포함하여 구성된 것을 특징으로 한다.
바람직한 구현예로서, 상기 블로워는 설정온도에 따라 블로워 속도를 단계별로 조절가능한 것을 특징으로 한다.
더욱 바람직한 구현예로서, 하이브리드 전기자동차의 배터리 히팅 제어방법에 있어서,
배터리팩 온도센서의 입력신호를 받아 제어부에서 배터리온도와 설정온도1를 비교판단하는 단계와; 상기 배터리온도가 설정온도1보다 작은 경우 흡기온도센서의 입력신호를 받아 상기 제어부에서 실내흡기온도와 목표실내온도를 비교판단하는 단계와; 모터 어시스트인 경우 현재 배터리온도 보다 높게 한 수정된 배터리온도와 설정온도1을 비교판단하는 단계와; 모터 리젠인 경우 현재 배터리온도 보다 낮게 한 수정된 배터리온도와 설정온도1을 비교판단하는 단계와; 모터 어시스트 및 모터 리젠 둘 다 아닌 경우 현재 배터리온도인 수정된 배터리온도와 설정온도1을 비교판단하는 단계와; 상기 수정된 배터리온도가 설정온도1(최고설정온도) 보다 낮은 경우에는 제1히팅코어가 온(ON)되고 블로워 속도1로 블로워가 작동하는 단계와; 상기 수정된 배터리온도가 설정온도2(중간설정온도) 보다 낮은 경우에는 제1 및 제2히팅코어가 온(ON)되고 블로워 속도2로 블로워가 작동하는 단계와; 상기 수정된 배터리온도가 설정온도3(최저설정온도) 보다 낮은 경우에는 제1 내지 제3히팅코어가 온(ON)되고 블로워 속도3으로 블로워가 작동하는 단계; 로 이루어지는 것을 특징으로 한다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부도면을 참조로 상세하게 설명한다.
첨부한 도 2는 본 발명에 따른 하이브리드 전기자동차의 배터리 히팅 제어시스템을 나타내는 장치구성도이고, 도 3은 본 발명에 따른 하이브리드 전기자동차의 배터리 히팅 제어시스템을 나타내는 제어구성도이다.
본 발명은 실내 공기유입경로(17)에 일정간격으로 3단계의 히팅코어 (12,13,14) 및 블로워(10)를 설치하고, 목표온도별 히팅코어 및 블로워 속도를 단계적으로 제어함으로써, 모터 어시스트(ASSIST) 및 리젠(Regeneration)과 같은 급격한 차량 운행제어에 빠르게 대응할 수 있고, 열 발생을 빠른 시간에 충분히 할 수 있도록 한 점에 주안점이 있다.
본 발명에 따른 배터리 히팅제어시스템은 실내 공기유입통로(17)와, 이 공기유입통로(17)의 입구에 설치된 블로워(10) 및 흡기온도센서(11)와, 블로워(10) 다음으로 공기유입통로(17)에 일정간격으로 배치된 제1 내지 제3히팅코어(12,13,14)와, 공기유입통로(17)의 안쪽 끝에 설치된 배터리팩(15) 및 배터리팩 온도센서(16)와, 상기 흡기온도센서(11) 및 배터리팩 온도센서(16)의 신호를 입력받아 블로워(10) 및 히팅코어(12,13,14)의 작동을 제어하는 제어부로 구성된다.
상기 블로워(10)는 자동차 실내공기를 유입할 수 있는 설치자리면에 삽입되고, 실내공기가 유입되는 공기유입통로(17)의 유입구에 설치되어 히팅코어(12,13,14)에 의해 가열된 실내공기를 목표온도에 따라 배터리팩(15)에 송풍하며, 블로워 속도를 조절할 수 있다.
상기 제1 내지 제3히팅코어(12,13,14)는 블로워(10) 및 배터리팩(15) 사이에 위치하도록 공기유입통로(17)에 일정간격으로 설치되고, 설정된 목표온도에 따라 유입된 실내공기를 가열하여 배터리팩(15)의 온도를 증가시킨다.
이때, 상기 제1 내지 제3히팅코어(12,13,14)의 열원은 배터리로 부터 제공받는다.
상기 배터리팩(15)은 공기유입통로(17)의 안쪽 끝에 설치되고, 이 배터리팩 (15)에는 배터리팩온도센서(16)가 장착되어 배터리팩(15) 내부의 온도를 감지하며, 상기 공기유입통로(17)의 입구에는 흡기온도센서(11)가 설치되어 실내공기의 온도를 감지한다.
본 발명에 따른 하이브리드 전기자동차의 배터리 히팅 제어방법을 설명하면 다음과 같다.
도 4는 본 발명에 따른 하이브리드 전기자동차의 배터리 히팅 제어방법을 나타내는 흐름도이다.
배터리팩온도센서(16)가 감지한 온도가 설정온도1+히스테리시스_옵셋 이상일 경우 본 발명에 따른 히팅제어시스템을 가동할 필요가 없다.
배터리 온도를 최적으로 맞추기에 적절한 온도는 사람이 생활하기 좋은 온도에 근접하므로, 블로워(10)로 차량의 실내공기를 공기유입통로(17)에 흡입(Suction)하여 배터리팩(15)으로 공급한다.
그러나, 운행 초기는 실내 공기도 저온 상태이므로, 실내공기 유입지점인 블로워(10)의 앞쪽에 부착된 흡기온도센서(11)의 감지온도가 적정 온도(목표실내온도) 이상일 경우 흡기 히팅 기능은 수행치 않고 블로워(Blower;10)만 일정한 속도(블로워 속도1)로 동작 시킨다.
상기 실내온도가 적정 수준 이하일 경우는 배터리팩온도센서(16)에 의해 배터리 온도를 확인한 다음, 제어부에 제어신호에 따라 단계별로 배터리팩(15)의 온도를 제어하게 된다.
히팅을 하기 위해서는 발열에너지만큼의 배터리 소모가 발생하므로, 차량의 운행 상태에 따라 제어를 달리 한다.
즉, 제한된 배터리 충방전 파워내에서 차량 모터 어시스트(Assist)일 경우는 배터리 소모가 크므로 히팅량을 줄일 필요가 있으며, 반대로 리젠(Regeneration)일 경우는 배터리 충전이 이루어져, 적정 수준 이상으로 히팅 기능을 사용하여도 시스템에 무리를 주지 않으므로 히팅량을 증가 시킨다.
이 히팅량 증감은 현재 온도를 스케일링(Scaling)함으로써 목표 온도에 대한 비교 결과를 다르게 할 수 있다.
즉, 차량 모터 어시스트(Assist)시는 현재 온도를 보다 높게, 리젠(Regeneration)시는 현재 온도 보다 낮게 설정 가능한 스케일 팩터 테이블(Scale Factor Table)을 적용함으로써, 차량 모터 어시스트(Assist)/ 리젠(Regeneration)시 보다 효율적인 히팅량 제어가 가능하다.
배터리는 충전상태(이하 SOC, State of Charge)에 따라 충방전량 제한이 필요하다.
이는 배터리 충전 상태가 높을 경우 많은 에너지 사용이 가능하지만, 충전 상태가 좋지 않을 경우는 히팅 기능을 제한할 필요가 있으므로, SOC에 따른 스케일 팩터(Scale Factor)를 적용하여 SOC에 비례한 히팅제어를 실시한다.
이 스케일 팩터(Scale Factor)는 현재 배터리 인식 온도에 대한 스케일(Scale)로, SOC가 낮고 차량 모터 어시스트(Assist)일 경우는 현재 배터리 온도보다 높게 인식케하여 배터리에 무리를 주지 않고 천천히 가열케 하고, 충전이 충분하고 리젠(Regeneration)일 경우는 현재 배터리 온도보다 낮게 인식케하여 배터리 를 빨리 가열케 한다.
이 가열 과정은 동일 실내 공기유입경로(17)에 적정 간격으로 3단계의 히팅 코어(11,12,13)를 설치하여 목표 온도별 히팅 코어 및 블로워(Blower) 속도를 단계적으로 제어 한다.
삭제
이때, 상기 수정된 배터리온도를 구하는 식은 다음과 같다.
수정된 배터리온도 = 현재 배터리온도 + 보정온도
보정온도 = SOC(현재의 충전상태)×보정온도상수
예를 들어, 차량운행상태가 모터 어시스트(assist)인 경우 인식온도(수정된 배터리온도)를 현재 배터리온도보다 높게 하기 위해 SOC 값에 (+)값의 보정온도상수_어시스트를 곱하여 구한 보정온도를 현재 배터리온도에 더하여 구한다.
그리고, 차량운행상태가 모터 리젠(Regeneration)인 경우에는 인식온도(수정된 배터리온도)를 현재 배터리온도보다 낮게 하기 위해 SOC 값에 (-)값의 보정온도상수_리젠을 곱하여 구한 보정온도를 현재 배터리온도에 더하여 구한다.
또한, 차량운행상태가 모터 어시스트 및 리젠 모두 아닌 경우에는 인식온도(수정된 배터리온도)를 현재 배터리온도와 같게 한다.
설정온도별 가열과정 : ① 상기 수정된 배터리온도가 설정온도1 보다 낮을 경우에는 제1히팅코어(12)가 온되고, 제1히팅코어(12)에 의해 가열된 실내공기가 블로워 속도1로 배터리팩(15)에 송풍되어 배터리온도를 상승시킨다.
이와 반대로, 상기 수정된 배터리온도가 설정온도1 보다 높을 경우에는 제1 내지 및 제3히팅코어(12,13,14) 및 블로워(10)의 작동을 중지한다.
② 상기 수정된 배터리온도가 설정온도2(설정온도1 보다 상대적으로 낮음)보다 낮을 경우는 제1 및 제2히팅코어(12,13)에 의해 블로워 속도2로 가열되므로 상기 1단계보다 배터리온도가 더욱 상승하게 된다.
이때, 상기 수정된 배터리온도가 설정온도1 보다 낮고 설정온도2 보다 높을 경우에는 제1히팅코어(12)가 온되고, 제1히팅코어(12)에 의해 가열된 실내공기가 블로워 속도1로 배터리팩(15)에 송풍되어 배터리온도를 상승시킨다.
③ 상기 수정된 배터리온도가 설정온도3(설정온도2 보다 상대적으로 낮음)보다 낮을 경우에는 제1 내지 제3히팅코어(12,13,14)에 의해 블로워 속도3으로 가열되므로 상기 2단계보다 배터리온도가 더욱 상승하게 된다.
반면, 상기 수정된 배터리온도가 설정온도2 보다 낮고 설정온도3 보다 높을 경우에는 제1 및 제2히팅코어(12,13)에 의해 블로워 속도2로 가열되므로 상기 1단계보다 배터리온도가 더욱 상승하게 된다.
이와 같이, 차량의 운행상태 및 배터리의 충전상태(SOC)에 따라 인식온도를 달리하고, 인식온도(수정된 배터리온도)를 설정온도에 따라 히팅정도를 제어함으로써, 모터 어시스트(Assist)/리젠(Regeneration) 등과 같은 급격한 차량 운행제어에 빠르게 대응이 가능하고 열 발생을 빠른 시간에 충분히 할 수 있다.
이상에서 본 바와 같이, 본 발명에 따른 하이브리드 전기자동차의 배터리 히팅 제어시스템 및 제어방법에 의하면, 차량의 운행상태 및 배터리의 충전상태(SOC)에 따라 인식온도를 달리하고, 인식온도(수정된 배터리온도)를 설정온도에 따라 히팅정도를 제어함으로써, 저온의 배터리를 정상 동작시키는 데 걸리는 시간을 최소화하고, 하이브리드 시스템을 단시간에 정상화시켜 하이브리드 기능을 가능케 하여 연비 및 차량 성능을 향상시킬 수 있다.

Claims (3)

  1. 하이브리드 전기자동차의 배터리 히팅 제어시스템에 있어서,
    실내공기가 유입될 수 있도록 설치자리면에 형성된 공기유입통로와;
    상기 공기유입통로의 입구에 설치된 흡기온도센서와;
    실내 공기를 흡입하도록 상기 공기유입통로의 입구에 설치된 블로워와;
    상기 공기유입통로의 안쪽 끝에 설치된 배터리팩 및 배터리팩 온도센서와;
    상기 블로워와 배터리팩 사이에 일정한 간격으로 설치된 제1 내지 제3히팅코어와;
    상기 흡기온도센서 및 배터리팩 온도센서의 감지신호를 받아 상기 블로워 및 히팅코어의 작동을 제어하는 제어부;
    를 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 하이브리드 전기자동차의 배터리 히팅 제어시스템.
  2. 청구항 1에 있어서, 상기 블로워는 설정온도에 따라 블로워 속도를 단계별로 조절가능한 것을 특징으로 하는 하이브리드 전기자동차의 배터리 히팅 제어시스템.
  3. 하이브리드 전기자동차의 배터리 히팅 제어방법에 있어서,
    배터리팩 온도센서의 입력신호를 받아 제어부에서 배터리온도와 설정온도1을 비교판단하는 단계와;
    상기 배터리온도가 설정온도1보다 큰 경우 히팅제어시스템을 종료하고, 상기 배터리온도가 설정온도1보다 작은 경우 흡기온도센서의 입력신호를 받아 상기 제어부에서 실내흡기온도와 목표실내온도를 비교판단하는 단계와;
    상기 실내흡기온도가 목표실내온도보다 큰 경우 히팅제어시스템을 종료하고, 상기 실내흡기온도가 목표실내온도보다 작은 경우 모터 어시스트인지 모터 리젠인지 판단하는 한편, 모터 어시스트인 경우 SOC 값에 (+)값의 보정온도상수_어시스트를 곱하여 현재 배터리 온도에 더하여 수정된 배터리 온도를 구하고, 모터 리젠인 경우 SOC값에 (-)값의 보정온도상수_리젠을 곱하여 현재 배터리 온도에 더하여 수정된 배터리 온도를 구하고, 모터 어시스트 및 리젠 모두 아닌 경우 현재 배터리 온도로 수정된 배터리 온도를 구하는 단계와,
    상기 수정된 배터리 온도와 설정온도1(최고설정온도)을 비교판단하여 수정된 배터리 온도가 설정온도1(최고설정온도) 보다 낮은 경우에는 제1히팅코어가 온(ON)되고 블로워 속도1로 블로워가 작동하는 단계와;
    상기 수정된 배터리 온도와 설정온도2(중간설정온도)를 비교판단하여 수정된 배터리 온도가 설정온도2(중간설정온도) 보다 낮은 경우에는 제1 및 제2히팅코어가 온(ON)되고 블로워 속도2로 블로워가 작동하는 단계와;
    상기 수정된 배터리 온도와 설정온도3(최저설정온도)를 비교판단하여 수정된 배터리 온도가 설정온도3(최저설정온도) 보다 낮은 경우에는 제1 내지 제3히팅코어가 온(ON)되고 블로워 속도3으로 블로워가 작동하는 단계;
    로 이루어지는 것을 특징으로 하는 하이브리드 전기자동차의 배터리 히팅 제어방법.
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