KR100901565B1 - 차량용 알터네이터 제어장치 - Google Patents

Abstract

별도의 센서들을 추가 설치할 필요없이 알터네이터 제어를 통해 연비를 향상시킬 수 있고 다 차종에 용이하게 적용 가능한 차량용 알터네이터 제어장치에 관한 것으로, 발전기의 전압으로 배터리를 충전시키는 알터네이터; 및 냉각수온 대 상기 알터네이터의 출력의 상관관계에 대응하는 데이터를 저장하고 그 데이터에 기초하여 상기 알터네이터를 제어하는 ECU를 구비한다.

알터네이터, ECU, 냉각수온

Description

차량용 알터네이터 제어장치{Apparatus for controling alternater of automobile}

본 발명은 별도의 센서들을 추가 설치할 필요없이 알터네이터 제어를 통해 연비를 향상시킬 수 있고 다 차종에 용이하게 적용 가능한 차량용 알터네이터 제어장치에 관한 것이다.

차량 내에 각종 전기장치가 적용됨에 따라 전기부하가 차지하는 비중이 날로 증대되는 추세이다. 이러한 전기부하로 인하여 도 1과 같이 연비에서 제너레이터 토크(Generator Torque)가 차지하는 비율이 타 요인에 비해 상대적으로 높다. 따라서, 자동차 메이커들은 알터네이터의 발전제어를 통한 연비개선 방안에 대해 많은 연구를 하고 있다.

알터네이터 발전 제어의 기본 개념은 가속시 알터네이터의 발전을 중지시켜 차량의 여유동력을 확보하고, 내리막길 등 타행으로 운행할때 다시 알터네이터를 발전시켜 가속시 방전된 배터리를 재 충전시킴으로써 차량 연비를 향상시키는 것이 다. 도 2 및 도 3은 알터네이터 제어 전후에 알터네이터의 전압/전류와 배터리의 충전 전류를 나타낸다. 도 2 및 도 3과 같이, 알터네이터 제어를 통해 차량의 충방전 효율을 향상시키고, 불필요한 배터리 과충전을 방지할 수 있다.

종래의 알터네이터 제어장치로는 도 4 및 도 5와 같은 장치들이 있다.

도 4와 같은 알터네이터 제어장치는 전기부하 측정을 목적으로 하여 전기 부하측에 전류센서를 장착하며 전자제어장치(Electronic Control Unit, 이하 "ECU"라 함)에서 하이(High) 또는 로우(Low) 전압의 목표값을 레귤레이터에 전달한다. 레귤레이터는 ECU에 의한 목표전압을 제어하며, 알터네이터 부하 신호를 ECU에 전송한다. 감속시에는 Fuel Cut 및 Closed Throttle 신호에 따라 충전모드 전환 및 재 가속시 방전 모드로 동작하고, 방전 모드 진입 후 또는 일정 알터네이터 듀티(Duty) 이상 도달 시에 충전 모드로 진입한다. 방전 모드에서 시간이 지남에 따라 알터네이터 Duty는 상승한다.

도 5와 같은 알터네이터 제어장치는 충방전양을 측정하기 위한 목적으로 배터리 측에 전류 및 온도센서를 장착하고, ECU에서 선형적인(Linear) 전압 목표값을 PWM 방식으로 레귤레이터에 전달한다. 레귤레이터는 ECU에 의해 목표전압값을 제어하며, 알터네이터 부하 신호를 ECU에 전송한다. 이 알터네이터 제어장치는 시동 후 초기 목표 도달시까지 충전 모드를 유지하고, 방전모드 진입 후에 제어 목표값까지 방전한다. 제어 목표값 도달 후에는 폐루프(Closed Loop)를 제어한다.

종래 기술은 알터네이터 제어를 통하여 연비를 향상시킬 수 있으나, 각종 센서들(전류 센서, 온도 센서 등)의 추가 개발이 필요하기 때문에 알터네이터 신규 개발로 인한 초기 개발비가 과다하게 소요되고 또한, 알터네이터 특성의 고려가 없어 차종 확대 및 변경시 개발 시간이 과다하게 소요된다. 그 결과, 종래의 알터네이터 제어장치는 상용특성상 다 차종 소량 생산에 적합하지 않다.

따라서, 본 발명의 목적은 종래 기술의 문제점들을 해결하기 위하여 안출된 발명으로써 별도의 센서들을 추가 설치할 필요없이 알터네이터 제어를 통해 연비를 향상시킬 수 있고 다 차종에 용이하게 적용 가능한 차량용 알터네이터 제어장치를 제공하는데 있다.

상기의 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 실시 예에 따른 차량용 알터네이터 제어장치는 발전기의 전압으로 배터리를 충전시키는 알터네이터; 및 냉각수온 대 상기 알터네이터의 출력의 상관관계에 대응하는 데이터를 저장하고 그 데이터에 기초하여 상기 알터네이터를 제어하는 ECU를 구비한다.

본 발명의 실시예에 따른 차량용 알터네이터 제어장치는 별도의 센서들을 추가 설치할 필요없이 알터네이터 제어를 통해 연비를 향상시킬 수 있고 다 차종에 용이하게 적용할 수 있다.

이하, 도 6 내지 도 14를 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 설명하기로 한다.

도 6은 알터네이터가 설치된 차량에서 동력의 전달을 설명하기 위한 도면이다.

도 6을 참조하면, 오르막길 등의 가속구간에서는 엔진이 연료를 사용하여 구동하고 그 엔진의 동력은 클러치->트랜션모터(T/M)->피샤프트(P/Shaft)->리어액슬(R/Axle)->차륜의 타이어(Tire) 순으로 전달되어 차량이 주행한다. 이 가속구간에서, 엔진의 동력을 사용하므로 알터네이터 발전량에 비례하여 연료가 소모된다. 내리막길 등의 타행구간에서는 가속구간과는 역순으로 차륜-리어액슬->피샤프트->트랙션모터->클러치->엔진->알터네이터 순으로 동력이 전달된다. 이 타행구간에서, 엔진의 동력을 사용하지 않으므로 연료는 소모되지 않고 알터네이터는 발전이 가능하다.

연비개선을 위한 알터네이터 제어 원리는 표 1과 같이 요약될 수 있다.

	가속구간	타행구간
엔진분사 연료량	분사연료량=최대	분사연료량=0
알터네이터 발전량	알터네이터 발전량=0	엔진회전수, 냉각수에 비례하여 알터네이터 최대치 발전
배터리 충방전 상태	배터리 방전	배터리 충전
	- 엔진 분사 연료량이 최대인 가속구간에서 알터네이터 작동하지 않음으로 여유동력 확보(연료량 절감) - 차량 전원은 배터리 전원을 사용(배터리 방전상태) - ECU는 가속구간에서의 배터리 방전량을 계산	- 엔전 분사연료량이 0인 타행 동력을 이용하는 구간에서는 알터네이터를 작동시킴 - 가속구간에서 방전된 배터리를 충전시킴 -ECU는 타행구간에서 알터네이터 발전량을 계산(엔진회전수, 냉각수온) - ECU는 타행구간의 알터네이터 발전량과 가속구간 배터리 방전량을 비교 판단

본 발명의 실시예에 따른 차량용 알터네이터 제어장치는 알터네이터 제어를 통하여 연비성능을 향상시키고 특히, 그 제어에 필요한 하드웨어 구성 및 알고리즘을 단순화하여 상용특성에 맞는 시스템을 구축하고, 종래 기술과 동일한 성능을 보유하면서 및 원가절감을 통한 가격경쟁력을 확보할 수 있다. 이를 위하여, 본 발명은 종래의 ECU의 기초정보로 입력되는 전류 및 온도센서 신호를 사용하지 않고, ECU 내부에서 생성되는 연료량, 연료요구량, 시스템 상태(System state), 차속, 엔진속도, 냉각수온 등의 정보를 이용하여 알터네이터를 제어한다. 본 발명의 실시예에 따른 차량용 알터네이터 제어장치는 현재 상용 차량의 알터네이터에 사용되는 외장형 및 내장형 두가지 타입의 레귤레이터 모두에 적용될 수 있다. 외장형 레귤레이터는 도 7과 같이 알터네이터와 전압조정용 레귤레이터가 분리되어 있는 타입의 레귤레이터이다. 이러한 외장형 레귤레이터는 버스와 같은 대용량의 알터네이터 시스템에서 알터네이터 전압조정용 레귤레이터를 내장할 수 없기 때문에 대용량의 알터네이터 시스템에서 외장으로 분리된 레귤레이터로 사용된다. 내장형 레귤레이터는 도 8과 같이 알터네이터 내부에 전압조정용 레귤레이터가 내장되어 있는 타입의 레귤레이터로써 트럭과 같은 중/소 용량의 알터네이터 시스템에 적용되고 있다.

도 9를 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 차량용 알터네이터 시스템은 ECU(2)의 제어 하에 발전기(5)의 전압을 조정하여 배터리(3)를 충방전시키는 알터네이터의 레귤레이터(1)를 구비한다. 도 9에서 도면부호 "SW"는 시동키의 회동에 의해 접점되는 Ignition On 스위치이고, 도면부호 "4"는 램프 구동부를 나타낸다.

ECU(2)는 전술한 바와 같이 센서 신호를 참조하지 않고 연료량, 연료요구량, 시스템 상태(System state), 차속, 엔진속도, 냉각수온 등의 정보를 이용하여 알터네이터의 레귤레이터(1)에 내장된 트랜지스터(도 7 및 도 8 참조)를 온/오프 제어한다.

상용 차량에 적용되는 알터네이터의 조정전압은 약 28.5V 이며, 도 10과 같이 엔진회전수에 따라 알터네이터의 발전전류는 증가한다. 도 10은 버스용 180A 알터네이터 출력특성으로써, 알터네이터의 발전전압이 28V 유지할 때 출력특성곡선이다. 도 10과 같이 알터네이터의 발전전류는 Cold 대비 Hot 일때 약 20A의 출력감소가 있고, 1500 RPM 구간에서 토크값이 최대로 나타난다. 도 10에서 알 수 있는 바, 일정한 조정전압을 유지할 때 엔진회전수에 따른 알터네이터 발전 전류량을 예측할 수 있고, 이로써 배터리전압의 모니터링을 통해 ECU(2)는 알터네이터의 발전전류량을 판단할 수 있다.

도 11 및 도 12는 ECU(2)의 내부 정보를 이용하여 알터네이터의 제어 과정을 도식화한 도면이다.

도 11 및 도 12를 참조하면, ECU(2)는 Fuel demand 값이 0이 아니고(가속모드), 배터리 전압이 일정전압 이상이면 알터네이터의 발전을 중지하고, Fuel demand 및 Fuel value 값이 0 이거나(타행모드) 배터리 전압이 일정전압 이하이면 알터네이터의 발전을 허용한다. 또한 알터네이터의 회전수가 약 1500RPM(엔진회전수 약 500RPM)일때 토크가 가장 크므로 아이들 구간에서 목표 배터리 전압값에 대해 폐루프(closed loop) 제어를 행함으로 적정한 충방전 상태를 유지시킨다.

또한 알터네이터의 발전 전류량은 온도에 따라 변하므로(최대 약 20A) ECU(2)는 별도의 온도센서를 사용하지 않고 엔진의 냉각상태를 판단할 수 있는 냉각수온센서 정보를 이용해서 엔진의 워밍업(Warm-up) 상태를 판단한다. 이를 위하여, ECU(2)에는 냉각수온별 알터네이터 발전전류량에 대한 데이터들이 미리 맵(Map) 형태로 저장된다. 이러한 데이터를 통해, ECU(2)는 저온시 혹은 엔진 워밍업 상태에 따른 알터네이터 특성을 판단해서 엔진회전수에 따른 알터네이터 발전전류량을 온도별 판단할 수 있다. 도 13은 ECU(2)에 저장되는 냉각수온 대 알터네이터 회전수 정보의 일예를 나타낸다. 이러한 정보는 차종에 따라 달라질 수 있다.

도 14는 ECU(2)에 의해 제어되는 알터네이터 제어 알고리즘으로써, ECU 내부정보와 ECU에 저장된 도 13과 같은 2D MAP 정보에 기초하여 알터네이터를 제어한다.

이상 설명한 내용을 통해 당업자라면 본 발명의 기술사상을 일탈하지 아니하는 범위에서 다양한 변경 및 수정이 가능함을 알 수 있을 것이다. 따라서, 본 발명의 기술적 범위는 명세서의 상세한 설명에 기재된 내용으로 한정되는 것이 아니라 특허 청구의 범위에 의해 정하여 져야만 할 것이다.

도 1은 차량의 각 요소별 연비를 나타내는 그래프.

도 2는 알터네이터 제어 전의 알터네이터 전압/전류와 배터리 충전전류(알터네이터 발전전압이 일정(14.5V)하고 주행후 약 4.2AH 충전됨)를 나타내는 그래프.

도 3은 알터네이터 제어 후의 알터네이터 전압/전류와 배터리 충전전류(알터네이터 발전전압이 변화하며(발전시 14.5V, 미발전시 12.5V) 주행후 약 1.15AH 충전됨)를 나타내는 그래프.

도 4 및 도 5는 종래의 알터네이터 제어장치를 나타내는 도면들.

도 6은 알터네이터가 설치된 차량에서 동력의 전달을 설명하기 위한 도면.

도 7은 본 발명의 실시예에 따른 알터네이터 제어장치에 적용 가능한 외장형 레귤레이터 방식의 알터네이터를 보여 주는 도면.

도 8은 본 발명의 실시예에 따른 알터네이터 제어장치에 적용 가능한 내장형 레귤레이터 방식의 알터네이터를 보여 주는 도면.

도 9는 본 발명의 실시예에 따른 알터네이터 제어장치를 나타내는 회로도.

도 10은 버스용 180A 알터네이터 출력특성을 나타내는 도면.

도 11 및 도 12는 본 발명의 실시예에 따른 ECU의 내부 정보를 이용하여 알터네이터의 제어 과정을 도식화한 도면.

도 13은 본 발명의 실시예에 따른 ECU에 저장되는 냉각수온 대 알터네이터 회전수 정보의 일예를 나타내는 도면.

도 14는 ECU에 의해 제어되는 알터네이터 제어 알고리즘을 나타내는 흐름도.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

1 : 레귤레이터 2 : ECU

3 : 배터리 4 : 램프 구동부

5 : 발전기

Claims (2)

1. 발전기의 전압으로 배터리를 충전시키는 알터네이터와, 냉각수온 대 상기 알터네이터의 출력의 상관관계에 대응하는 데이터를 저장하고 그 데이터에 기초하여 상기 알터네이터를 제어하는 ECU를 구비하여 이루어짐과 더불어;

   상기 ECU는 상기 데이터와 함께 상기 ECU 내부에서 생성되는 연료량, 연료요구량, 시스템 상태, 차속, 엔진속도 중 적어도 어느 하나 이상의 정보를 이용하여 상기 알터네이터를 제어하는 것

   을 특징으로 하는 차량용 알터네이터 제어장치.
2. 삭제

Images