KR100829308B1

KR100829308B1 - 하이브리드 전기차량의 디씨디씨 컨버터의 제어방법

Info

Publication number: KR100829308B1
Application number: KR1020070056538A
Authority: KR
Inventors: 이영대
Original assignee: 현대자동차주식회사; 기아자동차주식회사
Priority date: 2007-06-11
Filing date: 2007-06-11
Publication date: 2008-10-27

Abstract

본 발명은 하이브리드 전기차량의 디씨디씨 컨버터의 제어방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 보조배터리의 교환이 필요한 경우 또는 보조배터리가 일시적인 방전인 경우에 별도의 차량간 점프 연결없이 보조배터리용 전원을 공급하고, 극저온 시동시 디씨디씨 컨버터를 오프시키고 보조배터리만을 사용하여 메인배터리의 사용량을 절감하도록 한 하이브리드 전기차량의 디씨디씨 컨버터의 제어방법에 관한 것이다.

이를 위해, 본 발명은 보조배터리의 교환이 필요한 경우 또는 보조배터리가 일시적인 방전인 경우에 디씨디씨 컨버터를 이용하여 메인배터리의 있는 에너지를 전장부하용 전압으로 변환하여 차량의 전장부하를 공급하여 각종 제어기 등을 동작시키는 것을 특징으로 하는 하이브리드 전기차량의 디씨디씨 컨버터의 제어방법을 제공한다.

배터리, HEV, DCDC 컨버터

Description

하이브리드 전기차량의 디씨디씨 컨버터의 제어방법{Control method for DCDC converter of HEV}

도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 하이브리드 전기차량의 DCDC 컨버터장치를 나타내는 구성도이고,

도 2는 극저온시 도 1의 DCDC 컨버터 제어를 설명하기 위한 구성도이고,

도 3은 온도에 따른 메인배터리의 사용량을 나타내는 그래프이고,

도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 하이브리드 전기차량의 DCDC 컨버터의 제어방법을 나타내는 순서도이고,

도 5는 도 4의 제어방법 적용 전 메인배터리의 사용량을 나타내는 그래프이고,

도 6은 도 4의 제어방법 적용후 메인배터리의 사용량을 나타내는 그래프이다.

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>

10 : DCDC 컨버터 11 : 메인배터리

12 : 보조배터리 13 : 전장부하

14 : 구동용 인버터 15 : 구동모터

16 : 배터리용 컨택터 17 : 비상용 스위치

18 : HCU(하이브리드 전자제어유닛)

알려진 자동차의 전기장치로는 엔진전기장치(시동장치, 점화장치, 충전장치)와 등화장치가 일반적이나, 최근에는 차량이 보다 전자제어화 됨으로써 샤시전기장치를 포함한 대부분의 시스템들이 전기전자화 되고 있는 추세이다.

자동차에 설치되는 램프, 오디오, 히터, 에어컨 등의 각종 전장품들은 자동차 정지시에는 배터리로부터 전원을 공급받고, 주행시에는 발전기로부터 전원을 공급받도록 되어 있는데, 이때 통상의 전원 전압으로 14V계 전원 시스템의 발전용량이 사용되고 있다.

최근 들어 정보기술 산업의 발달과 더불어 자동차의 편의성 증대를 목적으로 하는 다양한 신기술(모터식 파워 스티어링, 인터넷 등)들이 차량에 접목되고 있으며, 앞으로도 현 자동차 시스템을 최대한 이용할 수 있는 신기술의 개발이 계속될 전망이다.

소프트 또는 하드 타입의 구분없이 하이브리드 전기 차량(HEV)은 전장부하(12V) 공급을 위한 DC-DC 컨버터(10)(Low Voltage DC-DC Converter)가 설치되어 있다.

일반 가솔린 차량의 발전기(알터네이터) 역할을 하는 디씨디씨 컨버터는 메인 배터리(보통 144V 이상의 고전압 배터리)의 고전압을 다운시켜 전장부하용 전압 12V를 공급하고 있다.

한편, 일반 가솔린/디젤 차량의 시동 시에는 보조배터리에서 1kW 이상의 파워를 공급하고 있으며, 소비되는 대부분의 파워는 엔진 기동을 위한 스타터의 동력원으로 사용 하고 있다.

또한 통상적으로 차량 시동 시 차량의 전장부하나 각종 제어기(ECU, TCU) 등이 동작을 하게 되고, 만약 차량 시동에 필요한 전력을 스타터로 보내지 못하는 경우에 운전자는 보조배터리의 수명이 다 된 것으로 판단하여 보조배터리를 교체 하거나, 다른 차량의 보조배터리를 점프(Jump)하여 차량 시동 후 주행을 하여 보조배터리를 충전한 다음, 이후에 시동 시에도 위와 같은 현상이 발생하면 확실히 보조배터리의 수명이 다된 것으로 판단하여 보조배터리를 교체한다.

그러나 하이브리드 차량에서는 일반 차량과 달리 스타터가 존재하지 않고 차량의 메인 배터리를 이용하여 차량 구동용 모터로 시동을 하게 되므로, 초기에 보 조배터리에서 큰 전력을 소모하지 않는다.

따라서, HEV용 보조배터리의 용량은 통상적으로 동일급의 가솔린 차량에 비해 작게 설계 가능하고, 심한 충/방전이 발생하지 않으므로 수명 또한 가솔린 차량에 비해 길다.

이런 장점때문에 배터리 수명이 다 된 경우에도 차량의 각종 제어기(HCU, ECU, BMS 등)가 동작 가능한 정도의 파워만을 보조 배터리로부터 메인 배터리에 공급하게 되면 메인 배터리의 에너지를 이용하여 엔진을 시동할 수 있고, 디씨디씨 컨버터가 동작하여 전장부하를 공급 가능하다.

그러나, 이 경우에 다음과 같은 단점을 유발하기도 한다.

1) 보조배터리에 에너지를 저장할 수 없으므로 DC/DC 컨버터가 항상 차량의 전장 부하를 부담하게 되므로 HEV 차량의 연비가 떨어지게 된다.

2) 전장부하를 최대로 사용할 경우에는 디씨디씨 컨버터 외에 보조배터리에서도 전장 부하를 공급하여야 하나, 수명이 다된 보조배터리에서는 에너지를 공급하지 못하여 디씨디시 컨버터의 신뢰성 및 안전성이 떨어지게 된다.

3) 상기 2)의 경우에서 DC/DC 컨버터의 공급 용량 부족으로 최악의 경우 DC/DC 컨버터가 자기 보호를 위한 셧다운 모드(Shut-down mode)로 진입하게 되면, 전장부하를 공급할 수 있는 에너지원이 없으므로, 주행 도중 차량의 시동이 꺼지는 최악의 경우도 발생할 수 있다.

그러나, 상기 1)의 경우 외에 2) 및 3)의 경우는 거의 발생하지 않고, DCDC 컨버터의 용량 설계 또한 최대 전장부하에 맞춰 설계하게 되므로, 2) 및 3)의 경우 가 발생할 가능성은 극히 희박하다.

즉 1)의 경우 외에는 DCDC 컨버터 설계 시 위 사항을 고려하여 설계 가능하고 1)의 경우 또한 HEV 차량의 특성 때문에 발생하는 예 일뿐 소비자 입장에서는 인지하기가 어렵다.

그러므로 각종 제어기 중 어느 하나라도 제어기가 동작하지 못하는 전압 이하로 떨어지는 경우에 HCU에서 각 제어기가 이상 유/무 조건을 판단한 후, 메인 배터리 쪽의 컨택터(contactor)를 온(on) 시키지 못하는 경우에야 운전자가 HEV 차량의 보조배터리의 방전을 인식하고 보조 배터리를 교체하게 된다.

본 발명은 상기와 같은 점을 감안하여 안출한 것으로서, 보조배터리의 교환이 필요한 경우 또는 보조배터리가 일시적인 방전인 경우에 별도의 차량 간 점프 연결 없이 보조배터리용 전원을 공급하여 운전자에게 차량 이용의 편리성을 제공하고, 영하 30℃와 같은 극저온 시동시에 디씨디씨 컨버터를 오프시키고 보조배터리만을 사용하여 메인 배터리의 사용량을 감소시켜 극저온 시동을 원활하게 할 수 있도록 한 는를 제공하는데 그 목적이 있다.

상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명은 메인배터리와 DCDC 컨버터를 연결 및 차단하도록 메인배터리용 컨택터의 후단에 컨택터와 병렬로 설치된 비상용 스위 치를 포함한다.

본 발명의 다른 측면은 메인배터리와 DCDC 컨버터를 연결 및 차단하도록 메인배터리용 컨택터의 후단에 컨택터와 병렬로 설치된 비상용 스위치를 이용한 하이브리드 전기차량의 디씨디씨 컨버터의 제어방법에 있어서,

보조배터리의 교환이 필요한 경우 또는 보조배터리가 일시적인 방전인 경우에 디씨디씨 컨버터를 이용하여 메인배터리의 있는 에너지를 전장부하용 전압으로 변환하여 차량의 전장부하를 공급하여 각종 제어기 등을 동작시키는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 또 다른 측면은 하이브리드 전기차량의 디씨디씨 컨버터의 제어방법에 있어서,

냉각수온 센서 및 오일온도센서를 통해 냉각수온 및 오일온도를 감지하는 단계; 상기 냉각수온 센서 및 오일온도센서로부터 감지된 냉각수 온도 및 오일온도를 입력받아 측정값과 기설정된 냉각수 온도 및 오일온도의 크기를 비교하는 단계; 및 상기 측정값이 설정값 보다 작은 경우에는 디씨디씨 컨버터의 작동을 오프시킨 후 엔진을 시동하는 단계;를 포함하여 이루어져서, 설정온도 이하에서 메인배터리의 출력을 감소시키는 것을 특징으로 한다.

특히, 상기 비상용 스위치는 메인배터리의 과도한 사용을 방지하기 위해 열전대 바이메탈 스위치로 구성된 것을 특징으로 한다.

이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부도면을 참조로 상세하게 설명한다.

전술한 바와 같이 하이브리드 전기차량에 장착된 DCDC 컨버터(10)는 메인배 터리(11)의 고전압을 다운시켜 보조배터리(12)를 충전시키고 전장부하(13)에 전원을 공급하는 역할을 한다.

또한, 하이브리드 전기차량의 시동시에는 구동용 인버터(14)가 메인배터리(11)로부터 DCDC 컨버터(10)에 의해 다운된 전압을 공급받고 직류전압에서 교류전압으로 전환하여 구동용 모터(15)에 공급하게 된다.

첨부한 도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 하이브리드 전기차량의 DCDC 컨버터장치를 나타내는 구성도이다.

여기서, 본 발명은 보조배터리(12)의 교환이 필요한 경우 또는 보조배터리(12)가 일시적으로 방전된 경우 별도의 차량 간 점프 연결없이 보조배터리용 전원을 공급하여 차량 이용의 편리성을 제공한다.

도 1에 도시한 바와 같이 메인배터리(11)의 온/오프를 결정하는 컨택터(Contactor)(16)의 후단에 별도의 비상용 스위치(17)를 설치하고, 보조배터리(12)가 완전히 방전되어 각종 제어기들이 동작하지 못하는 경우에 운전자가 수동으로 스위치(16)를 동작시켜 메인 배터리(11)의 고전압을 DCDC 컨버터(10)를 이용하여 전장부하용 12V전압으로 변환한다.

상기 변환된 12V 전압(전장부하)을 각종 제어기 등에 공급하여 동작시키고 차량 주행이 가능하도록 한다.

이와 같이 비상용 스위치(17)를 메인배터리(11)와 DCDC 컨버터(10) 사이에 설치하게 되면 운전자의 부주의에 의한 보조배터리(12)가 일시적으로 방전되거나 보조배터리(12)의 수명이 다되어 교환이 필요한 경우에 별도의 긴급출동 서비스 등 의 외부의 도움 없이 차량의 시동이 가능하게 된다.

그러나, 이런 편리한 기능의 차량 IG 상태에서 계속 사용시에는 메인 배터리(11)가 심하게 방전되는 문제가 있다.

상기와 같은 메인배터리(11)의 과도한 사용을 방지하기 위해 비상용 스위치(17)를 열전대 바이메탈 스위치로 구성하고, 일정한 전류가 일정시간 이상 예를들어 30A의 전류가 2분 이상 흐르게 되면 자동으로 비상용 스위치(17)가 오프가 되도록 함으로써, 메인 배터리(11)가 심하게 방전되는 것을 막는다.

그다음, 운전자가 엔진 시동을 걸도록 유도하면 되고, 엔진 시동 시에는 배터리용 컨택터(16)와 비상용 스위치(17)가 병렬 연결되어 있으므로 앞에서 언급한 특정전류가 일정시간 이상 흐르게 되면 자동으로 떨어지게 된다.

한편, 영하 30℃와 같은 극저온에서 HEV차량 시동 시 구동모터(15)를 이용하여 엔진을 기동시키게 되는데, 구동모터(15)에 사용되는 파워는 메인 배터리(11)로부터 공급받고 있다. 그리고 메인 배터리(11)는 온도조건에 따라 출력할 수 있는 파워가 다르다.

도 3은 온도조건에 따른 메인배터리(11)의 충방전되는 파워제한치를 나타내는 그래프이고, 표 1은 메인배터리(11)의 충방전 제한값을 나타낸다.

도 3 및 표 1에서 볼 수 있듯이 메인 배터리(11)의 충/방전 제한치는 온도에 따라 크게 변하게 되고, -30℃의 경우 3.7kW 밖에는 사용을 못한다. 이는 정상상태 30kW의 1/12 정도이므로 메인 배터리의 충/방전 제한치가 온도에 따라 얼마나 심하게 변하는지를 알 수 있다.

그러므로 -30℃ 와 같은 극저온 냉시동 시에는 배터리의 사용량을 되도록 이면 적게 사용하여 메인 배터리(11)의 방전 제한치를 준수하는 방법이 필요하게 된다.

메인 배터리(11)의 방전 출력을 감소시키는 방법은 차량 시동 시 HCU(18)에서 엔진 냉각수온을 기준으로 -30℃와 같은 극 저온 시에는 DCDC 컨버터(10)를 오프시키고 보조배터리(12)가 차량의 전장부하를 공급하도록 함으로써, 메인 배터리(11)의 사용량을 감소시키는 방법이다.

가솔린/디젤 차량의 경우 보조배터리(12)를 이용하여 엔진 시동을 걸고 있으므로, HEV 차량에서도 -30℃와 같은 극저온 시동은 일반 상용 차량처럼 보조배터리(12)만 이용하여 시동을 걸고 엔진이 완전히 폭발이 된 후에는 엔진에서 메인 배터리(11)로 충전이 가능하게 되므로, 이때부터는 DCDC 컨버터(10)가 차량의 전장부하를 공급하면 된다.

위의 방법은 일반 상용 차량과 동일하게 엔진이 완전히 폭발된 후부터 알터네이터가 동작하는 것과 같으며, 보조배터리(12)로만 차량의 전장부하를 부담하는 시간도 최대 10~20 sec 미만으로 극히 적다.

도 2는 극저온시 도 1의 DCDC 컨버터 제어를 설명하기 위한 구성도이고, 도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 하이브리드 전기차량의 DCDC 컨버터의 제어방법을 나타내는 순서도이다.

상기 HCU(18)가 상온에서는 배터리 방전 제한치가 충분하므로 엔진 기동시 DCDC컨버터(10)를 온 시키고, -30℃와 같은 저온에서는 엔진 기동시 HCU(18)가 엔진 냉각수온센서 또는 오일온도센서로부터 냉각수온도 또는 오일온도 등을 입력 받아서 특정 조건 이하로 엔진 온도가 떨어지면 메인배터리(11)의 방전 제한치 이내로 방전 전압을 사용하도록 엔진 기동 시에만 HCU(18)가 DCDC 컨버터(10)를 오프시키는 것이다.

도 5는 도 4의 제어방법 적용 전 메인배터리의 사용량을 나타내는 그래프이고, 도 6은 도 4의 제어방법 적용후 메인배터리의 사용량을 나타내는 그래프이다.

도 5에서 볼 수 있는 바와 같이 본 발명에서 제안한 로직 적용 전의 경우 엔진 시동 전에는 메인 배터리의 최대 사용량이 1.6kW이고, 엔진 기동후 엔진 RPM이 완전 폭발시의 1300RPM 까지 도달할 때 사용한 메인배터리의 최대 사용량은 5.8kW 이다.

종래에는 엔진 기동 시 DCDC 컨버터(10)를 동작하여 메인 배터리(11)의 전력량 중 일정 부분을 사용하였으나, 본 발명은 도 6에 도시한 바와 같이 엔진을 기동하는 동안에는 DCDC 컨버터(10)를 오프시켜 메인 배터리(11)의 사용량을 감소시킬 수 있다.

따라서, 냉시동시 이와 같이 로직을 변경하여 메인배터리(11)의 사용량을 감소시킴으로써, 메인 배터리(11)의 과방전을 막을 수 있어 배터리의 수명을 연장시키고 배터리의 성능을 향상시킬 수 있다.

또한 메인배터리(11)의 설계 시 배터리 방전 제한치를 더 낮게 설계 할 수 있으므로, 메인배터리(11)의 제조원가에도 절감에 기여할 수 있다.

이상에서는 본 발명을 특정의 바람직한 실시예에 대하여 도시하고 설명하였으나, 본 발명은 이러한 실시예에 한정되지 않으며, 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 특허청구범위에서 청구하는 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위내에서 실시할 수 있는 다양한 형태의 실시예들을 모두 포함한다.

이상에서 본 바와 같이, 본 발명에 따른 하이브리드 전기차량의 디씨디씨 컨 버터의 제어방법에 의하면, 다음과 같은 장점이 있다.

1) 보조배터리의 교환이 필요한 경우 또는 보조배터리가 일시적인 방전인 경우에 별도의 차량 간 점프 연결 없이 보조배터리용 전원을 공급하여 운전자에게 차량 이용의 편리성을 제공한다.

2) 냉시동시 이와 같이 로직을 변경하여 메인배터리의 사용량을 감소시킴으로써, 메인 배터리의 과방전을 막을 수 있어 배터리의 수명을 연장시키고 배터리의 성능을 향상시킬 수 있다.

3) 메인배터리의 설계 시 배터리 방전 제한치를 더 낮게 설계 할 수 있으므로, 메인배터리의 제조원가에도 절감에 기여할 수 있다.

Claims

메인배터리와 DCDC 컨버터를 연결 및 차단하도록 메인배터리용 컨택터의 후단에 컨택터와 병렬로 설치된 비상용 스위치를 포함하는 하이브리드 전기차량의 디씨디씨 컨버터 장치.
메인배터리와 DCDC 컨버터를 연결 및 차단하도록 메인배터리용 컨택터의 후단에 컨택터와 병렬로 설치된 비상용 스위치를 이용한 하이브리드 전기차량의 디씨디씨 컨버터의 제어방법에 있어서,

보조배터리의 교환이 필요한 경우 또는 보조배터리가 일시적인 방전인 경우에 디씨디씨 컨버터를 이용하여 메인배터리의 있는 에너지를 전장부하용 전압으로 변환하여 차량의 전장부하를 공급하여 각종 제어기 등을 동작시키는 것을 특징으로 하는 하이브리드 전기차량의 디씨디씨 컨버터의 제어방법.
하이브리드 전기차량의 디씨디씨 컨버터의 제어방법에 있어서,

냉각수온 센서 및 오일온도센서를 통해 냉각수온 및 오일온도를 감지하는 단계;

상기 냉각수온 센서 및 오일온도센서로부터 감지된 냉각수 온도 및 오일온도 를 입력받아 측정값과 기설정된 냉각수 온도 및 오일온도의 크기를 비교하는 단계; 및

상기 측정값이 설정값 보다 작은 경우에는 디씨디씨 컨버터의 작동을 오프시킨 후 엔진을 시동하는 단계;

를 포함하여 이루어져서, 설정온도 이하에서 메인배터리의 출력을 감소시키는 것을 특징으로 하는 하이브리드 전기차량의 디씨디씨 컨버터의 제어방법.
청구항 1에 있어서,

상기 비상용 스위치는 메인배터리의 과도한 사용을 방지하기 위해 열전대 바이메탈 스위치로 구성된 것을 특징으로 하는 하이브리드 전기차량의 디씨디씨 컨버터 장치.