KR100867823B1 - 전기 자동차의 모터 제어 방법 - Google Patents

전기 자동차의 모터 제어 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 전기 자동차의 모터 제어 방법에 관한 것으로서, 동력분배제어기(PCU)의 피드백 제어모듈에서는 모터 제어기(MCU) 입력단의 모터 전류 제한값과 모터 전류값을 실시간 모니터링하여 모니터링된 현재의 모터 전류 제한값과 스택 및 배터리 상태를 반영하여 최종 모터 전류 제한값을 피드백 제어하는 동시에 모니터링된 현재의 모터 전류 제한값과 모터 전류값을 반영한 토크 보정계수를 제공하고, 피드포워드 제어모듈에서는 차량 제어기(VCU)가 전달하는 토크 지령값과 차속을 이용하여 산출한 최대 구동 토크를 상기 피드백 제어모듈에서 제공하는 토크 보정계수를 이용해 보정하여 최종 모터 토크 지령값으로 제공하며, 모터 제어기에서는 상기 최종 모터 전류 제한값 및 최종 모터 토크 지령값에 따라 모터를 구동시키는 전기 자동차의 모터 제어 방법에 관한 것이다.
이러한 본 발명에 따른 모터 제어 방법에 의하면, 피드포워드 제어를 통해 전류 리플 현상을 1차적으로 감소시키고, 피드백 제어를 통해 피드포워드 제어에서 생긴 오차를 보정하여 전류 리플 현상을 최소화할 수 있게 된다. 결국, 피드포워드 제어 및 피드백 제어의 두 제어 알고리즘을 통해 모터 고출력 운전 구간에서의 안정적인 모터 출력을 얻을 수 있게 되고, 고속 운전시 승차감을 향상시킬 수 있게 된다.
Figure R1020060126000
전기 자동차, 연료전지, PCU, VCU, MCU, 모터, 토크값, 전류 제한값, 피드백 제어, 피드포워드 제어

Description

전기 자동차의 모터 제어 방법{motor control method for electronic vehicle}
도 1은 연료전지 차량의 주행시에 종래기술에 따른 모터 토크 및 전류 제한값 전달상태를 도시한 도면,
도 2는 종래기술에 따른 문제점을 설명하기 위한 도면,
도 3은 연료전지 하이브리드 차량의 파워넷 구성도,
도 4는 연료전지 차량의 주행시에 본 발명에 따른 모터 토크 및 전류 제한값 전달상태를 도시한 도면,
도 5는 본 발명에 따른 제어 알고리즘을 도시한 도면,
도 6은 본 발명에서 사용한 피드포워드 제어 알고리즘에 의해 모터 전류 리플 현상을 1차적으로 감소시킨 결과를 나타낸 도면,
도 7은 본 발명에서와 같이 피드포워드 제어 알고리즘에 피드백 제어 알고리즘을 추가하여 모터 전류 리플 현상을 최종적으로 최소화시킨 결과를 나타낸 도면.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
10 : VCU 20 : PCU
21 : 피드포워드 제어모듈 25 : 피드백 제어모듈
본 발명은 전기 자동차의 모터 제어 방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 동력분배제어기(PCU)의 피드백 제어모듈에서는 모터 제어기(MCU) 입력단의 모터 전류 제한값과 모터 전류값을 실시간 모니터링하여 모니터링된 현재의 모터 전류 제한값과 스택 및 배터리 상태를 반영하여 최종 모터 전류 제한값을 피드백 제어하는 동시에 모니터링된 현재의 모터 전류 제한값과 모터 전류값을 반영한 토크 보정계수를 제공하고, 피드포워드 제어모듈에서는 차량 제어기(VCU)가 전달하는 토크 지령값과 차속을 이용하여 산출한 최대 구동 토크를 상기 피드백 제어모듈에서 제공하는 토크 보정계수를 이용해 보정하여 최종 모터 토크 지령값으로 제공하며, 모터 제어기에서는 상기 최종 모터 전류 제한값 및 최종 모터 토크 지령값에 따라 모터를 구동시키는 전기 자동차의 모터 제어 방법에 관한 것이다.
세계 자동차 산업은 지난 100년 이상 가솔린 및 디젤 내연기관을 중심으로 급속한 성장을 거듭해 왔지만 환경규제와 에너지 안보위협, 여기에 화석연료 고갈 문제까지 맞물리면서 엄청난 변화에 직면하고 있다.
이에 선진국을 중심으로 한 세계 각국은 친환경 자동차 개발을 위한 치열한 경쟁에 속속 참여하고 있으며, 각 자동차 제조사들은 친환경, 고효율의 첨단기술을 필요로 하는 미래형 자동차의 기술개발 경쟁에서 낙오하지 않기 위해 많은 노력을 기울이고 있다.
특히, 직면한 화석연료의 고갈 문제를 해결하면서 보다 친환경적인 제품을 개발해야 한다는 시대적 요청에 부응하여, 최근 각 자동차 제조사들은 전기모터를 동력원으로 사용하는 전기 자동차에 대한 연구를 더욱 활발히 진행되고 있다.
현재 가장 활발히 연구되고 있는 분야로 하이브리드 차량 및 연료전지 차량 등과 같은 전기 자동차를 들 수 있다.
여기서, 넓은 의미의 하이브리드 차량은 서로 다른 두 종류 이상의 동력원을 효율적으로 조합하여 차량을 구동시키는 것을 의미하나, 대부분의 경우는 가솔린이나 디젤 등의 연료를 사용하는 엔진과 고전압 배터리의 전력으로 구동되는 전기모터에 의해 구동력을 얻는 차량을 의미하며, 이를 하이브리드 전기 차량(Hybrid Electric Vehicle, HEV)라 부르고 있다.
하이브리드 전기 차량에서는 엔진과 전기모터의 최적 작동영역을 이용하므로 구동 시스템 전체의 연비를 향상시킴은 물론 전기모터로 에너지를 회수하여 고전압 배터리를 충전시키므로 효율적인 에너지의 이용이 가능하다.
또한 연료전지는 연료가 가지고 있는 화학에너지를 연소에 의해 열로 바꾸지 않고 전지 내에서 전기화학적으로 직접 전기에너지로 바꾸는 장치이며, 최근 관심 있게 연구되는 무공해 발전장치이다.
연료전지가 장착된 차량에서는 연료로 사용되는 수소를 연료전지로 공급하여 전기를 생산하게 되며, 연료전지에 의해 생산된 전기로 전기모터를 작동시켜 차량을 구동시킨다.
한편, 연료전지 차량(또는 연료전지 배터리 하이브리드 차량)에는 차량 전반의 제어를 담당하는 차량 제어기(Vehicle Control Unit, 이하 "VCU"라 함)가 탑재되어 있고, 또한 시스템을 구성하는 각 장치별로 제어기를 구비하고 있다.
이와 같이 연료전지 차량에서는 장치별로 제어기를 구비하여 차량 운행 중에 복수개의 제어기들이 상기 VCU를 상위 제어기로 하는 상호 간 협조제어를 수행하게 되는데, 이때 제어기들 상호 간에 정보를 주고받으면서 상위 제어기는 하위 제어기에 명령을 전달하도록 되어 있다.
상기 VCU를 상위 제어기로 하여 모터 구동을 제어하는 관련 제어기로는 크게 동력분배제어기(Power Control Unit, 이하, 'PCU'라 함)와 모터 제어기(Motor Control Unit, 이하, 'MCU'라 함)를 들 수 있다.
여기서, PCU는 VCU로부터 입력받은 모터 토크 지령값과 스택, 배터리 상태에 따른 모터 전류 제한값을 MCU 측으로 전달하여 모터 운전을 제어하게 된다.
첨부한 도 1은 연료전지 차량의 주행시에 종래기술에 따른 모터 토크 및 전류 제한값 전달상태를 도시한 도면으로서, VCU(10)와 PCU(20), MCU(30) 간에 이루어지는 모터 토크값 및 전류 제한값 신호 전달방식을 보여주고 있다.
도시된 바와 같이, VCU(10)는 차속(모터 회전수로부터 계산), 가속페달의 페달각(이하, '가속페달각'으로 칭함), 시프트 기어의 변속단(PRND) 신호를 입력받게 되면 이를 토대로 운전자 의지를 반영한 1차 모터 토크값을 산출하여 PCU(20)로 전달하는데, 가속페달각에 미리 설정된 스케일 값을 곱해서 모터 토크값을 산출하여 PCU)(20)로 전달하게 된다.
이에 따라, 상기 PCU(20)는 VCU(10)에서 입력받은 1차 모터 토크값을 바탕으로 스택 및 배터리 출력 가용량을 산출하여 최종적으로 MCU(30) 측으로 2차 토크 지령값을 전달하고, 이와 함께 스택 및 배터리 출력 가용량을 기준으로 모터 전류 제한값을 산출하여 MCU(30) 측으로 전달한다.
결국, MCU(30)는 PCU(20)로부터 전달된 모터 전류 제한값 내에서 2차 토크 지령값을 참조하여 모터를 구동시키게 된다.
하지만, 상기와 같이 이루어지는 모터 제어 과정에서, MCU(30)가 자체적으로 PCU(20)로부터 전달된 토크값과 전류 제한값 내에서 모터를 구동시키나, 고출력 구간에서의 전류 리플 현상이 심하게 발생하는 문제점이 있다.
첨부한 도 2는 종래기술에 따른 문제점을 설명하기 위한 도면으로서, 종래기술에 따른 알고리즘 상에서의 차량 고속 주행시 모터 입력 전류 파형을 나타낸 도면이다.
도시된 바와 같이, PCU로부터 받은 모터 전류 제한값과 토크값을 바탕으로 MCU는 모터를 구동시키는데, 특히 고속 운전 구간에서 모터 전류 제한값을 기준으로 전류 리플 현상이 심하게 발생한다.
이러한 전류 리플 현상에 의해 주행시에 차량 떨림에 의한 동력 성능 및 승차감이 나빠지는 문제점이 발생하고 있는 바, 이를 개선하기 위한 방안이 절실한 실정이다.
따라서, 본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 발명한 것으로서, 고속 주행에 의한 모터 고출력 운전 구간의 전류 리플 현상을 최소화하여 보다 안정된 모터 출력을 얻을 수 있는 전기 자동차의 모터 제어 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명을 상세히 설명하면 다음과 같다.
상기한 목적을 달성하기 위해, 본 발명은, 차량 제어기가 차속과 가속페달각, 변속단 신호를 입력받고, 그로부터 운전자 의지가 반영된 모터 토크값을 산출하여 제공하는 단계와;
동력분배제어기의 피드백 제어모듈이 모터 제어기의 현재 모터 전류 제한값과 모터 전류값을 실시간으로 모니터링하고, 모니터링된 모터 전류 제한값 및 모터 전류값과, 스택 및 배터리 상태값을 토대로, 최종 모터 전류 제한값 및 토크 보정계수를 산출하여 제공하는 단계와;
동력분배제어기의 피드포워드 제어모듈이 차량 제어기가 제공하는 상기 모터 토크값으로부터 차속에 따른 1차 토크값을 산출하고, 상기 1차 토크값으로부터 상기 토크 보정계수가 반영된 최종 모터 토크 지령값을 산출하여 제공하는 단계와;
상기 모터 제어기가 최종 모터 전류 제한값 및 최종 모터 토크 지령값을 제공받아 이를 토대로 모터를 구동시키는 단계;
를 포함하는 전기 자동차의 모터 제어 방법을 제공한다.
바람직하게는, 상기 피드백 제어모듈은 모니터링된 모터 전류 제한값과 스택 및 배터리 출력 가용량을 토대로 미리 설정된 맵을 통해 상기 최종 모터 전류 제한값을 산출하여 제공하는 것을 특징으로 한다.
또한 상기 피드백 제어모듈은 모니터링된 현재의 모터 전류 제한값과 모터 전류값을 토대로 미리 설정된 맵을 통해 상기 토크 보정계수를 산출하여 제공하는 것을 특징으로 한다.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명에 대해 더욱 상세히 설명하면 다음과 같다.
첨부한 도 3은 연료전지 하이브리드 차량의 파워넷 구성도로서, 이는 연료전지 하이브리드 차량의 파워넷 및 구동 토크 신호 전달 체계를 보여주고 있다.
또한 첨부한 도 4는 연료전지 차량의 주행시에 본 발명에 따른 모터 토크 및 전류 제한값 전달상태를 도시한 도면으로서, VCU와 PCU, MCU 간에 이루어지는 모터 토크값 및 전류 제한값 신호 전달방식을 보여주고 있다.
또한 첨부한 도 5는 본 발명에 따른 제어 알고리즘을 도시한 도면으로서, 이는 본 발명에서 사용하는 피드포워드 제어와 피드백 제어에 대한 제어 알고리즘을 도시한 개략도이며, 피드포워드 제어와 피드백 제어를 통한 모터 전류 제한값 및 모터 토크 지령값의 계산 알고리즘을 나타낸 것이다.
또한 첨부한 도 6은 본 발명에서 사용한 피드포워드 제어 알고리즘에 의해 모터 전류 리플 현상을 1차적으로 감소시킨 결과를 나타낸 도면이고(피드포워드 제어에 의한 모터 전류 리플 개선 결과 도면), 도 7은 본 발명에서와 같이 피드포워 드 제어 알고리즘에 피드백 제어 알고리즘을 추가하여 모터 전류 리플 현상을 최종적으로 최소화시킨 결과를 나타낸 도면이다(피드포워드 및 피드백 동시 제어에 의한 최종 모터 전류 리플 개선 결과도면).
본 발명은 전기 자동차의 모터 제어 방법에 관한 것으로서, 하이브리드 차량, 연료전지 차량, 연료전지 하이브리드 차량 등과 같은 전기 자동차에 적용될 수 있는 것으로, 전기 자동차에서 고속 주행에 의한 모터 고출력 운전 구간의 전류 리플 현상을 최소화하여 보다 안정된 모터 출력을 내고자 함에 목적이 있는 것이다.
본 발명에서는 도 5에 나타낸 바와 같이 기존의 토크 및 전류 제한 전달방식에 피드포워드(feedforward) 제어와 피드백(feedback) 제어를 동시에 사용함으로써, 실시간으로 최적 토크값을 산출하게 된다.
피드포워드 제어에서는 미리 시험을 통해 계산된 차속 대비 토크 맵을 PCU(피드포워드 제어모듈)에 내장하여 이를 이용해 차속에 따른 토크 지령값을 산출한다.
또한 피드백 제어에서는 MCU 입력단의 모터 전류 제한값과 모터 전류값을 실시간으로 모니터링하고, 전류 리플 현상이 최소화될 수 있도록 하기 위하여, 모니터링한 모터 전류 제한값과 모터 전류값으로부터 피드포워드 제어에서 생기는 측정 오차와 시스템 모델링 에러를 제거하기 위한 토크 보정계수를 제공하고, 또한 모니터링한 모터 전류 제한값에 스택 및 배터리 상태를 반영한 최종 모터 전류 제한값을 산출하여 제공한다.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명에 따른 제어 과정을 좀더 상세히 설 명하기로 한다.
우선, 도 4에 나타낸 바와 같이, 차량 제어기인 VCU(10)는 종래와 마찬가지로 현재의 차속과 가속페달의 페달각(이하, '가속페달각'으로 칭함), 시프트 기어의 변속단(PRND) 신호를 입력받게 되어 있고, 이를 토대로 운전자 의지가 반영된 모터 토크값(이하, 'VCU 토크 지령값'이라 칭함)을 산출(가속페달각으로부터 맵을 통해 토크값 산출)하여 동력분배제어기, 즉 PCU(20)로 전달하게 된다.
이에 PCU(20) 내 피드포워드 제어모듈(21)에서는, 도 5에 나타낸 바와 같이, VCU로부터 전달되는 VCU 토크 지령값과 차속을 입력받아, 이를 토대로 차속에 따른 최대 구동 토크 추출 맵(22)을 통해 1차 토크값(최대 구동 토크, T1)을 산출하게 된다.
또한 PCU 내 피드백 제어모듈(25)에서는 MCU 입력단의 현재 모터 전류 제한값과 MCU 입력단에서 측정된 전류값을 실시간으로 모니터링하고, 특히 현재의 모터 전류 제한값과 스택 및 배터리 출력 가용량을 토대로 모터 전류 제한값을 최종 제어하는 피드백 제어를 수행하게 된다.
즉, 현재의 모터 전류 제한값과 스택 및 배터리 출력 가용량(모터 전류 제한값과 스택 및 배터리 출력 가용량의 차이값)을 토대로 미리 설정된 맵(26)을 통해 최종 모터 전류 제한값을 산출한 뒤 이를 MCU(30)로 출력하여 모터 전류 제한값을 상기 최종 모터 전류 제한값으로 피드백 제어하게 되는 것이다.
또한 상기 피드백 제어모듈(25)은 MCU 입력단의 현재 모터 전류 제한값과 MCU 입력단의 전류값(모터 전류 제한값과 MCU 입력단 전류값의 차이값)을 토대로 미리 설정된 맵(27)을 통해 에러율을 감소시키기 위한 토크 보정계수(η1)를 산출하고, 이를 피드포워드 제어모듈(21)로 전달한다.
상기 토크 보정계수(η1)는, 피드포워드 제어모듈(21)에서 생기는 오차와 시스템 모델링 에러를 제거하여 전류 리플 현상이 최소화될 수 있도록, 피드포워드 제어모듈(21)에서 최종 모터 토크 지령값을 산출하는데 사용하는 토크 보정계수로서, 피드포워드 제어모듈(21)에서 생긴 오차를 보정하여 전류 리플 현상을 최소화하기 위한 것이다.
그리고, 상기 MCU 입력단에서의 전류값은 MCU 입력단에서 측정된 고전압 DC-DC 컨버터(High Voltage DC-DC Converter, HV DCDC, HDC) 입력단의 전류값이다.
결국, 피드포워드 제어모듈(21)에서는 차속과 VCU 토크 지령값을 토대로 산출된 상기 1차 토크값, 즉 최대 구동 토크 추출 맵(22)을 통해 산출된 최대 구동 토크(T1)에, 상기 피드백 제어모듈(25)에서 산출된 토크 보정계수(예, η1 = 1 또는 0.9, 0.8 등)를 곱하여 최종 모터 토크 지령값(T1×η1)을 산출하고, 이를 MCU(30)로 출력하게 된다.
이와 같이 하여, MCU(30)는 피드백 제어모듈(25)로부터 전달된 최종 모터 전류 제한값 내에서 피드포워드 제어모듈(21)로부터 전달된 최종 모터 토크 지령값을 참조하여 모터를 구동시키게 된다.
도 6은 상기한 피드포워드 제어에 의한 모터 전류 리플 개선 결과를 나타낸 것으로, 이를 참조하면, 차속에 의한 가변적 토크 제어를 수행하는 피드포워드 제어모듈의 제어만으로 모터 전류 리플 현상이 1차적으로 감소됨을 알 수 있다.
또한 도 7은 상기한 피드포워드 및 피드백 동시 제어에 의한 최종의 모터 전류 리플 개선 결과를 나타낸 것으로, 이를 참조하면, 피드백 제어모듈의 제어가 추가된 최종 토크 제어가 수행됨으로써 모터 전류 리플 현상이 대폭 개선되어 최소화됨을 알 수 있다.
이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 전기 자동차의 모터 제어 방법에 의하면, 동력분배제어기(PCU)의 피드백 제어모듈에서는 MCU 입력단의 모터 전류 제한값과 모터 전류값을 실시간 모니터링하여 모니터링된 현재의 모터 전류 제한값과 스택 및 배터리 상태를 반영하여 최종 모터 전류 제한값을 피드백 제어하는 동시에 모니터링된 현재의 모터 전류 제한값과 모터 전류값을 반영한 토크 보정계수를 제공하고, 피드포워드 제어모듈에서는 차량 제어기가 전달하는 토크 지령값과 차속을 이용하여 산출한 최대 구동 토크를 상기 피드백 제어모듈에서 제공하는 토크 보정계수를 이용하여 보정하여 최종 모터 토크 지령값으로 제공하도록 함으로써, 피드포워드 제어를 통해 전류 리플 현상을 1차적으로 감소시키고, 피드백 제어를 통해 피드포워드 제어에서 생긴 오차를 보정하여 전류 리플 현상을 최소화할 수 있게 된다.
결국, 피드포워드 제어 및 피드백 제어의 두 제어 알고리즘을 통해 모터 고출력 운전 구간에서의 안정적인 모터 출력을 얻을 수 있게 되고, 고속 운전시 승차감을 향상시킬 수 있게 된다.

Claims (3)

  1. 차량 제어기가 차속과 가속페달각, 변속단 신호를 입력받고, 그로부터 모터 토크값을 산출하여 제공하는 단계와;
    동력분배제어기의 피드백 제어모듈이 모터 제어기의 현재 모터 전류 제한값과 모터 전류값을 실시간으로 모니터링하고, 모니터링된 모터 전류 제한값 및 모터 전류값과, 스택 및 배터리 상태값을 토대로, 최종 모터 전류 제한값 및 토크 보정계수를 산출하여 제공하는 단계와;
    동력분배제어기의 피드포워드 제어모듈이 차량 제어기가 제공하는 상기 모터 토크값으로부터 차속에 따른 1차 토크값을 산출하고, 상기 1차 토크값으로부터 상기 토크 보정계수가 반영된 최종 모터 토크 지령값을 산출하여 제공하는 단계와;
    상기 모터 제어기가 최종 모터 전류 제한값 및 최종 모터 토크 지령값을 제공받아 이를 토대로 모터를 구동시키는 단계;
    를 포함하는 전기 자동차의 모터 제어 방법.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 피드백 제어모듈은 모니터링된 모터 전류 제한값과 스택 및 배터리 출력 가용량을 토대로 미리 설정된 맵을 통해 상기 최종 모터 전류 제한값을 산출하여 제공하는 것을 특징으로 하는 전기 자동차의 모터 제어 방법.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 피드백 제어모듈은 모니터링된 현재의 모터 전류 제한값과 모터 전류값을 토대로 미리 설정된 맵을 통해 상기 토크 보정계수를 산출하여 제공하는 것을 특징으로 하는 전기 자동차의 모터 제어 방법.
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