KR100916428B1

KR100916428B1 - 하이브리드 차량의 보조배터리 충전제어방법

Info

Publication number: KR100916428B1
Application number: KR1020070125852A
Authority: KR
Inventors: 박대로; 김태우
Original assignee: 현대자동차주식회사
Priority date: 2007-12-06
Filing date: 2007-12-06
Publication date: 2009-09-11
Also published as: KR20090059175A

Abstract

본 발명은 하이브리드 차량의 보조배터리 충전제어방법에 관한 것으로서, 보조배터리의 효율적인 충전제어를 통해 연비 향상 및 운전감 향상과 더불어 보조배터리의 방전 우려를 줄이고 안정적으로 보조배터리의 상태를 유지할 수 있는 하이브리드 차량의 보조배터리 충전제어방법에 관한 것이다.

상기한 목적을 달성하기 위해, 본 발명은, HCU가 현재의 차량 상태 신호를 입력받아 차량 모드를 판정하는 단계와; 판정된 현재의 차량 모드가 하기 UVC(Under Voltage Control) 실시 조건을 만족하는 차량 모드인가를 판단하여 UVC 모드 실시 여부를 결정하는 단계; UVC 모드 실시가 결정되면 HCU의 UVC 온(ON) 명령에 따라 현재의 보조배터리 전압과 UVC 설정값을 기초로 하여 LDC(Low Voltage DCDC Converter)의 UVC 모드가 실시되는 단계를 포함하여 이루어지고, 여기서 상기 UVC 모드는 현재의 보조배터리 전압과 UVC 설정값을 비교하여 그 결과에 따라서 LDC의 보조배터리 충전이 제어되는 모드인 것을 특징으로 하는 하이브리드 차량의 보조배터리 충전제어방법을 제공한다.

하이브리드, 보조배터리, 충전제어, HCU, LDC, UVC

Description

하이브리드 차량의 보조배터리 충전제어방법{Method for controlling charge of auxiliary battery in hybrid electric vehicle}

본 발명은 하이브리드 차량의 보조배터리 충전제어방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 보조배터리의 효율적인 충전제어를 통해 연비 향상 및 운전감 향상과 더불어 보조배터리의 방전 우려를 줄이고 안정적으로 보조배터리의 상태를 유지할 수 있는 하이브리드 차량의 보조배터리 충전제어방법에 관한 것이다.

일반적으로 넓은 의미의 하이브리드 차량은 서로 다른 두 종류 이상의 동력원을 효율적으로 조합하여 차량을 구동시키는 것을 의미하나, 대부분의 경우는 연료를 사용하여 구동력을 얻는 엔진과 배터리의 전력으로 구동되는 전기모터에 의해 구동력을 얻는 차량을 의미하며, 이를 하이브리드 전기 차량(Hybrid Electric Vehicle, HEV)이라 부르고 있다.

최근 연비를 개선하고 보다 환경친화적인 제품을 개발해야 한다는 시대적 요청에 부응하여 하이브리드 전기 차량에 대한 연구가 더욱 활발히 진행되고 있다.

하이브리드 전기 차량(이하, 하이브리드 차량으로 약칭함)은 엔진과 전기모터를 동력원으로 하여 다양한 구조를 형성할 수 있는데, 현재까지 연구되고 있는 대부분의 차량은 병렬형이나 직렬형 중에서 하나를 채택하고 있다.

이 중에서 병렬형은 엔진이 배터리를 충전시키기도 하나 전기모터와 함께 차량을 직접 구동시키도록 되어 있는 것으로, 구조가 직렬형보다 상대적으로 복잡하고 제어로직이 복잡하다는 단점은 있지만, 엔진의 기계적 에너지와 배터리의 전기에너지를 동시에 사용할 수 있어 에너지를 효율적으로 사용할 수 있다는 장점 때문에 승용차 등에 널리 채택되고 있는 구조이다.

특히, 엔진과 전기모터의 최적 작동영역을 이용하므로 구동 시스템 전체의 연비를 향상시킴은 물론 제동시에는 전기모터로 에너지를 회수하므로 효율적인 에너지의 이용이 가능하다.

그리고, 하이브리드 차량에는 차량 제어기(Hybrid Control Unit, HCU)가 탑재되어 있고, 또한 시스템을 구성하는 각 장치별로 제어기를 구비하고 있다.

예컨대, 엔진 작동의 전반을 제어하는 엔진 제어기(Engine Control Unit, ECU), 전기모터 작동의 전반을 제어하는 모터 제어기(Motor Control Unit, MCU), 변속기를 제어하는 변속기 제어기(Transmission Control Unit, TCU), 배터리 상태를 감시하고 관리하는 배터리 관리 시스템(Battery Management System, BMS), 실내 온도 제어를 담당하는 에어컨 제어기(Full Auto Temperature Controller, FATC) 등이 구비되어 있다.

여기서, HCU는 각 제어기들의 구동 제어 및 하이브리드 운전모드 설정, 그리 고 차량 전반의 제어를 담당하는 최상위 제어기로서, 상기한 각 제어기들이 최상위 제어기인 HCU를 중심으로 고속 CAN 통신라인으로 연결되어, 제어기들 상호 간에 정보를 주고받으면서 상위 제어기는 하위 제어기에 명령을 전달하도록 되어 있다.

또한 하이브리드 차량에는 전기모터의 구동전력을 제공하는 고전압 배터리(메인 배터리)가 필수적으로 장착되는데, 차량 운행 중에 고전압 배터리는 충/방전을 반복하면서 필요한 전력을 공급하게 된다.

모터 보조(Motor Assist)시에는 고전압 배터리가 전기에너지를 공급(방전)하고, 회생제동시나 엔진 구동시에 전기에너지를 저장(충전)하며, 이때 BMS는 배터리 충전 상태(State Of Charge, SOC), 가용 충전파워, 가용 방전파워 등을 HCU/MCU에 전송하여 배터리 안전 및 수명 관리 등을 수행한다.

한편, 하이브리드 차량에서 전기모터(구동모터)의 구동전력을 제공하는 메인배터리(고전압 배터리)와 함께 차량 전장품의 구동전력을 제공하는 보조배터리(저전압 배터리)가 탑재되고, 상기 보조배터리에는 고전압과 저전압 사이의 출력변환을 위한 저전압 DC/DC 컨버터(Low Voltage DCDC Converter, LDC, LV DCDC, 이하 LDC라 약칭함)가 연결된다.

첨부한 도 1은 하이브리드 차량에서 LDC 관련 시스템의 구성도로서, LDC의 역할과 그 영향을 살펴보면 다음과 같다.

LDC(20)는 하이브리드 차량의 고전압 배터리(30)로부터 나오는 고전압 직류전압을 저전압 직류전압으로 변환하여 보조배터리(미도시)를 충전하고 차량의 전장부하량을 모니터링하는 역할을 한다.

차량 발생 토크 중 일부를 LDC 발전용 토크로 사용하는 관계로, LCD의 발전량이 많으면 차량 발진성이 떨어지며, 따라서 보조배터리 충전량과 운전감은 반비례한다.

또한 차량의 운전상태나 보조배터리의 전압상태를 고려하지 않은 LDC 제어는 보조배터리의 충전효율을 저하시키며, 연비에도 악영향을 미친다.

따라서, LDC의 제어를 통한 차량의 연비 향상 및 운전감 향상의 방안이 필요한데, 종래에는 LDC를 조건에 따라 단순히 온(ON)/오프(OFF) 제어하여 연비를 향상시키는 방법이 이용되었다.

첨부한 도 2는 종래기술에 따른 LDC의 제어방법을 나타낸 순서도로서, 차량의 전장 부하가 발생하여 배터리 소모가 이루어지는 모드에 진입한 후에 전장 부하량이 기준값을 초과한 경우에는 방전의 우려가 있으므로 보조배터리의 충전을 위해 LDC를 온(ON)하여 일정 출력을 내주며, 기준값 이하인 경우는 LDC를 오프한다.

그러나, 이러한 종래의 방법은 연비 향상에 중점을 둔 것으로, 연비 향상의 효과는 우수하나, 빈번하게 LDC를 온/오프하게 됨으로써 보조배터리의 내구성에는 악영향을 미치게 된다.

또한 보조배터리의 낮은 SOC 상태에서 LDC 오프시에는 주행 중 방전의 위험이 있다.

첨부한 도 3은 LDC 온/오프에 따른 보조배터리 출력 전압과 LDC 출력을 나타낸 도면으로, 이 방법은 LDC 온(ON) 상태에서 13.8V로 고정하여 보조배터리를 충전하는 방법으로, 도 2의 방법에 비해 보조배터리의 방전 우려가 적고 안정적으로 보 조배터리의 상태를 유지할 수 있으나, 연비 측면에서는 불리하다.

따라서, 본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 발명한 것으로서, 보조배터리의 효율적인 충전제어를 통해 연비 향상 및 운전감 향상과 더불어 보조배터리의 방전 우려를 줄이고 안정적으로 보조배터리의 상태를 유지할 수 있는 하이브리드 차량의 보조배터리 충전제어방법을 제공하는데 그 목적이 있다.

바람직한 실시예에서, 상기 UVC 모드 실시 여부를 결정하는 단계에서, 현재의 차량 모드가 차량 정지모드이면서 차량 전장 부하량이 기준값을 초과하는 고부하모드가 아닐 경우, 그리고 차량 가속모드이면서 차속이 기준차속을 초과하는 고 속모드 및 상기 고부하모드가 아닐 경우, 상기 UVC 모드 실시를 결정하는 것을 특징으로 한다.

또한 상기 UVC 모드 실시 상태에서는 현재의 보조배터리 전압이 UV 설정값보다 큰 경우 LDC가 오프되면서 보조배터리의 충전이 중지되고, 상기 보조배터리 전압이 UV 설정값보다 작은 경우 상기 LDC가 온 상태에서 상기 UVC 설정값만큼 LDC 출력을 내주어 보조배터리 충전을 수행하는 것을 특징으로 한다.

상기와 같은 본 발명의 보조배터리 충전제어방법에 의하면, 보조배터리의 효율적인 충전제어를 통해 연비 향상 및 운전감 향상과 더불어 보조배터리의 방전 우려를 줄이고 안정적으로 보조배터리의 상태를 유지할 수 있는 효과가 있다.

이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명에 대해 더욱 상세히 설명하면 다음과 같다.

본 발명은 하이브리드 차량의 보조배터리 충전제어방법에 관한 것으로서, LDC가 보조배터리의 전압상태에 따라 보조배터리의 충전을 능동적으로 제어하도록 함으로써, 차량 연비 및 운전감 향상, 보조배터리의 안정적 충전(종래의 온/오프 제어 대비)의 목적을 달성하고자 한 것이다.

본 발명에서 LDC의 능동적 배터리 충전제어를 위한 방법을 UVC(Under Voltage Control, 이하 UVC라 약칭함)라 칭하며, 이러한 UVC에 대해 설명하면 다음과 같다.

첨부한 도 4와 도 5는 본 발명에서 LDC의 UVC 개념을 설명해주는 타이밍 차트이다.

UVC 오프(OFF) 상태에서는 LDC가 고정 출력값(예, 13.8V)으로 보조배터리를 충전하다가(이는 종래와 같으며 도 2 참조), UVC 온(ON) 상태에서는 현재의 보조배터리 전압과 UVC 설정값(예, 11V)을 비교하여 LDC 출력값을 결정하는 방식이다.

즉, 도 4에 도시된 바와 같이 UVC 설정값보다 보조배터리 전압이 큰 경우에는 LDC를 오프하여 보조배터리 전압을 사용하고(방전모드), 도 5에 도시된 바와 같이 보조배터리 전압이 UVC 설정값보다 작을 경우에는 LDC를 오프하지 않고 UVC 설정값만큼 LDC 출력을 내주어 보조배터리가 방전되는 것을 막는 방법이다.

이러한 UVC는 종래기술의 단점을 보완하면서도 능동적으로 보조배터리의 상태를 유지하는데 제어의 목적이 있다.

상기한 UVC 기능은 차량의 주행상태와 전장 부하량 상태에 따라 온/오프 제어되는데, 하기 표 1은 LDC에서 UVC가 실시되는 차량 모드를 보여주는 표로서, 본 발명에서 UVC 기능은 차량의 시동모드, 고속모드, 감속모드, 그리고 전장 부하량의 고부하모드에서 오프(OFF)되고, 차량 정지 및 가속모드에서는 UVC 기능이 온(ON) 된다.

즉, 차량의 가속성능이 더 요구되는 시점과 비교적 전장 부하량이 작을 때 UVC 모드를 적용하고, 그 외에는 적용하지 않는 것이다.

하지만, 본 발명에서 UVC 온/오프 여부는 표 1에 나타낸 모드별 특징에 국한되지 않고 UVC 개념을 바탕으로 차량 보조배터리와 SOC 운영 전략에 따라 다양하게 변화시키면서 적용시킬 수 있다.

상기 표 1은 차량 모드 판정의 일 예를 나타낸 표로서, 각 모드의 진입 조건 및 해제 조건을 함께 나타내었는 바, 차량 정지 및 가속모드에서 LDC의 UVC 모드가 실시되고(UVC ON), 이외의 조건에서는 UVC 모드가 해제된다(UVC OFF).

표 1을 살펴보면, 액셀 포지션 센서(Accelerator Position Sensor, 이하 APS라 약칭함)의 온(ON) 상태인 가속상태에서 UVC 모드가 실시되고(UVC ON), 이후 APS가 오프되는 가속모드 해제 조건에서는 UVC 모드가 해제된다(UVC OFF).

그리고, 차량이 정지된 상태에서 UVC 모드가 실시되고(UVC ON), 이후 APS가 온(ON)되는 정지모드 해제 조건에서는 UVC 모드가 해제된다(UVC OFF).

첨부한 도 6은 표 1의 차량 모드별 UVC 상태를 나타낸 타이밍 차트로서, 도시된 바와 같이, 시동키 트리거(Trigger) 이후 엔진이 구동되고(Engine Run) 이후 운전자가 액셀 페달을 밟아 가속모드로 진입되면(APS ON) UVC 모드가 실시되며(UVC ON), 운전자가 액셀 페달을 밟은 가속상태라 하더라도 차속이 기준차속을 초과하는 고속모드에서는 UVC 모드를 실시하지 않는다(UVC OFF).

또한 차량이 감속하여 정지된 상태 및 이어 차량 출발 후 기준차속 이하의 가속상태(APS ON)에서는 UVC 모드가 실시되고(UVC ON), 가속상태라 하더라도 차량의 전장 부하량이 기준값을 초과하는 고부하 상태이면 UVC 모드를 실시하지 않는다(UVC OFF).

도 6에서 UVC 모드가 실시되는 구간(UVC ON)(황색 표시 구간)에서는 보조배터리 전압과 UVC 설정값(예, 11V)에 따라 LDC의 온 또는 오프가 이루어지는데, UVC 온(ON) 상태에서 LDC 오프(OFF)는 보조배터리 전압이 UVC 설정값보다 크기 때문에 LDC를 오프시켜 보조배터리의 충전을 중지하겠다는 의도이고, LDC 온(ON)은 보조배터리 전압이 UVC 설정값보다 작기 때문에 차량 엔진 부하를 최소화하는 선에서 UVC 설정값(11V)만큼 LDC 출력을 내주어 보조배터리를 충전하겠다는 의도이다.

물론, 도 6에서 UVC 모드가 실시되지 않는 구간(UVC OFF)에서는 종래와 마찬가지로 LDC를 항상 온(ON) 시킨 상태에서 종래와 같이 고정 출력값(예, 13.8V)으로 보조배터리의 충전이 이루어지게 된다.

한편, 첨부한 도 7은 본 발명에서 제어기간 입출력 흐름을 나타낸 도면으로, CAN 통신으로 연결된 HCU(10)와 LDC(20) 상태를 보여주고 있으며, HCU(10)가 UVC 온/오프 명령을 CAN 통신을 통해 송신하면, LDC(20)의 UVC 기능이 HCU의 명령에 따라 온/오프된다.

도시된 바와 같이, HCU는 입력되는 차량 상태 신호를 토대로 표 1과 같이 차량 모드를 판정(차량의 정지, 시동, 가속, 고속, 감속, 전장 부하량의 고부하 판정)한 뒤 판정 결과에 따라 UVC 온/오프 명령(UVC ON/OFF Flag)을 전송하고, LDC는 HCU로부터 수신되는 UVC 온/오프 명령과 보조배터리 전압을 참조하여 보조배터리의 충전제어를 실시한다.

차량 모드 판정, 즉 표 1의 각 모드 판정은 HCU의 차량 모드 판정부(11)가 IG Key 트리거 신호, 엔진 RPM 신호, APS 온(ON) 신호, 차속 신호, 전장 부하량 신호를 입력받아 표 1에 나타낸 바와 같이 각 모드 진입 및 해제를 판정하고, 표 1의 모드 판정에 따라 UVC 온/오프 판정부(12)가 UVC 온 또는 오프를 결정하여 CAN 통신을 통해 LDC(20)로 UVC 온/오프 명령을 전송하게 된다.

첨부한 도 8은 HCU의 차량 모드 판정부에서 차랑 모드를 판정하는 과정의 일 예를 나타낸 순서도로서, 이는 표 1의 내용을 순서도로 표현한 것이다.

도시된 바와 같이, HCU의 모드 판정부는 IG Key 트리거 입력 및 엔진 구동상태(엔진 RPM>0)에서 시동모드를 판정하고, 시동 후 APS 온(ON)을 입력받게 되면 가속모드로 판정하며, APS 오프 상태에서 차속이 0보다 크면 감속모드로, 차속이 0이면 정지모드로 판정한다.

또한 시동 후 전장 부하량이 기준값을 초과하면 고부하모드를, 차속이 기준차속을 초과하면 고속모드를 판정한다.

이와 같이 HCU는 IG Key 트리거, 엔진 RPM, APS 온/오프, 전장 부하량, 차속을 참조하여 시동, 가속, 감속, 정지, 고부하, 고속모드를 각각 판정하게 된다.

첨부한 도 9는 HCU의 UVC 온/오프 판정부가 UVC 온 또는 오프를 판정하는 과정의 일 예를 나타낸 순서도로서, UVC 온/오프 판정부는 도 8의 모드 판정 결과를 바탕으로 UVC 온/오프를 판정하며, 차량이 정지모드와 별개로 고부하모드에 진입이 가능하고 가속모드와 별개로 고부하모드 및 고속모드에 진입이 가능하므로, 차량 정지 또는 가속모드를 판정한 상태에서 고부하모드를 판정하거나 차량 가속모드에서 고속모드를 판정하면 UVC 모드를 실시하지 않도록 하고, 그 외에는 표 1에 기술된 내용과 같이 UVC 온/오프를 판정한다.

도 9를 참조하면, 단독으로 차량 정지 또는 가속모드를 판정한 상태에서는 표 1과 같이 UVC 온(ON)을 결정하고, 차량 정지 또는 가속모드 상태라 하더라도 고부하모드이거나 차량 가속모드에서 고속모드가 동시에 판정되면 UVC 오프(OFF)를 결정한다.

즉, 현재의 차량 모드가 차량 정지모드이면서 고부하모드가 아닐 경우, 그리고 차량 가속모드이면서 고속모드 및 고부하모드가 아닐 경우에만 UVC 온(ON)을 결정하는 것이다.

그리고, 첨부한 도 10은 LDC 내부에 들어가는 본 발명에 따른 UVC 개념을 순서도로 표현한 것으로서, 종래기술이 단순히 LDC 온/오프만을 판정하여 보조배터리 충전을 제어하였다면, 본 발명에서는 앞서 설명한 차량 모드 판정 및 UVC 온/오프 판정을 통해 나온 결과와 보조배터리의 상태를 토대로 LDC를 능동적으로 제어하여 보조배터리 충전을 제어하게 된다.

도 10을 참조하면, 본 발명의 LDC 제어 과정에서는, UVC 오프(OFF) 상태인 경우 LDC가 고정 출력값(예, 13.8V)으로 보조배터리를 충전하며(이는 종래와 같으며 도 2 참조), UVC 온(ON) 상태에서는 보조배터리의 전압을 UVC 설정값과 비교하여 보조배터리 전압이 UVC 설정값보다 크면 LDC가 오프되어 보조배터리 충전을 중지하고 보조배터리 전압이 UVC 설정값보다 작으면 LDC가 오프되지 않고 UVC 설정값만큼 LDC 출력을 내주어 보조배터리를 충전해줌으로써 보조배터리의 방전을 막게 된다.

도 1은 하이브리드 차량에서 LDC 관련 시스템의 구성도,

도 2는 종래기술에 따른 LDC의 제어방법을 나타낸 순서도,

도 3은 LDC 온/오프에 따른 보조배터리 출력 전압과 LDC 출력을 나타낸 도면,

도 4와 도 5는 본 발명에서 LDC의 UVC 개념을 설명해주는 타이밍 차트,

도 6은 본 발명에서 차량 모드별 UVC 상태를 나타낸 타이밍 차트,

도 7은 본 발명에서 제어기간 입출력 흐름을 나타낸 도면,

도 8은 본 발명에서 차랑 모드를 판정하는 과정의 일 예를 나타낸 순서도,

도 9는 본 발명에서 UVC 온/오프를 판정하는 과정의 일 예를 나타낸 순서도,

도 10은 본 발명에서 LDC의 UVC 개념을 순서도로 나타낸 도면.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

10 : HCU 11 : 모드 판정부

12 : UVC 온/오프 판정부 20 : LDC

Claims

HCU가 현재의 차량 상태 신호를 입력받아 차량 모드를 판정하는 단계와;

판정된 현재의 차량 모드가 하기 UVC(Under Voltage Control) 실시 조건을 만족하는 차량 모드인가를 판단하여 UVC 모드 실시 여부를 결정하는 단계;

UVC 모드 실시가 결정되면 HCU의 UVC 온(ON) 명령에 따라 현재의 보조배터리 전압과 UVC 설정값을 기초로 하여 LDC(Low Voltage DCDC Converter)의 UVC 모드가 실시되는 단계;

를 포함하여 이루어지고, 여기서 상기 UVC 모드는 현재의 보조배터리 전압과 UVC 설정값을 비교하여 그 결과에 따라서 LDC의 보조배터리 충전이 제어되는 모드인 것을 특징으로 하는 하이브리드 차량의 보조배터리 충전제어방법.
청구항 1에 있어서,

상기 UVC 모드 실시 여부를 결정하는 단계에서, 현재의 차량 모드가 차량 정지모드이면서 차량 전장 부하량이 기준값을 초과하는 고부하모드가 아닐 경우, 그리고 차량 가속모드이면서 차속이 기준차속을 초과하는 고속모드 및 상기 고부하모드가 아닐 경우, 상기 UVC 모드 실시를 결정하는 것을 특징으로 하는 하이브리드 차량의 보조배터리 충전제어방법.
청구항 1에 있어서,

상기 UVC 모드 실시 상태에서는 현재의 보조배터리 전압이 UVC 설정값보다 큰 경우 LDC가 오프되면서 보조배터리의 충전이 중지되고, 상기 보조배터리 전압이 UVC 설정값보다 작은 경우 상기 LDC가 온 상태에서 상기 UVC 설정값만큼 LDC 출력을 내주어 보조배터리 충전을 수행하는 것을 특징으로 하는 하이브리드 차량의 보조배터리 충전제어방법.