KR100921061B1 - 하이브리드 차량의 배터리 보호방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 하이브리드 차량에서 모터 제어에 관계되는 부품의 고장시 배터리를 과충전의 위험으로부터 보호하는 방법에 관한 것이다.
본 발명은 모터 제어기, 배터리 제어기 등의 비정상적인 상태에서 배터리의 과충전 위험 판단시 엔진 RPM 제한을 통해 모터의 역기전압을 제한하는 새로운 형태의 배터리 보호 시스템을 구현함으로써, 배터리 과충전 발생 가능성을 근본적으로 차단할 수 있고, 이에 따라 배터리를 과충전의 위험으로부터 보호할 수 있어 배터리의 안전성을 확보할 수 있는 하이브리드 차량의 배터리 보호방법을 제공한다.
하이브리드, 고전압 배터리, 과충전, 모터제어기, 배터리제어기, 고전압 릴레이, 융착

Description

하이브리드 차량의 배터리 보호방법{Battery charge controlling method of hybrid vehicle}
본 발명은 하이브리드 차량에서 모터 제어에 관계되는 부품의 고장시 배터리를 과충전의 위험으로부터 보호하는 방법에 관한 것이다.
일반적으로 하이브리드 차량은 두 가지 이상의 동력원을 사용하는 차량으로서, 엔진과 모터를 사용하여 구동되는 하이브리드 전기 차량(Hybrid Electric Vehicle;HEV)을 말한다.
최근 연비를 개선하고 보다 환경친화적인 제품을 개발해야 한다는 시대적 요청에 부응하여 하이브리드 차량에 대한 연구가 더욱 활발히 진행되고 있다.
하이브리드 차량의 분류는 차량의 동력전달방식에 따라 직렬형, 병렬형, 복합형 등이 있으며, 엔진과 전기모터의 동력분담비에 따라 소프트(Soft), 미들(Middle), 하드(Hard) 타입으로 분류된다.
여기서, 직렬형은 일반적인 전기 차량과 유사한 구조로서, 구동력은 전부 모 터로부터 얻어지며, 엔진은 주행거리가 짧은 전기 차량의 단점을 보완하는 발전용으로서 탑재될 뿐이다.
그리고, 병렬형은 엔진에 의한 주행을 기본으로 하고 엔진의 효율이 낮은 저속 운전시나 가속시 등에서 모터로 구동력을 보조한다.
이러한 병렬형은 가솔린 엔진과 전기모터의 최적 작동영역을 이용함으로써 구동 시스템 전체의 연비를 향상시키고, 제동시에는 모터로 동력을 회수함으로써 연비를 향상시킬 수 있다.
예를 들면, 하이브리드 차량은 엔진으로 발전기를 구동하고 그 전력으로 모터를 돌리는 직렬형 하이브리드 차량과 엔진을 모터로 보조하여 엔진의 부담을 경감시키는 병렬형 하이브리드 차량으로 구분된다.
보통 병렬형 하이브리드 차량의 주행제어방법은 가속 모드, 정속 모드, 감속 모드로 구분되는데, 엔진의 크랭킹시 모터에 의해 크랭킹이 이루어지며, 가속 모드에서 전기에너지를 사용하여 동력보조를 한다.
이러한 하이브리드 차량에는 비교적 고전압(예를 들면, 500V 정도)의 주행용 고전압 배터리가 구비되고, 또 이와는 별도로 비교적 저전압(예를 들면, 24V 정도)의 직류 전력을 축적하는 차량 탑재 전장품용 저전압 배터리가 구비된다.
여기서, 상기 고전압 배터리의 경우에는 연속적으로 충전(회생제동)과 방전이 번갈아 가면서 발생한다.
이때, 고전압 배터리는 실제 방전 가능한 최대 전류를 출력하고, 또한 발전 및 회생 제동시 충전 가능한 최대 전류를 받는 것이 차량 전체 효율 및 연비를 개 선하는 측면에서 중요하다.
도 1은 하이브리드 차량의 일반적인 구동 계통을 나타내는 개략도이다.
도 1에 도시한 바와 같이, 엔진(10)과, 엔진(10)의 보조를 위한 구동모터(11)와, 충방전을 위한 배터리(12)가 구비되고, 구동모터(10)와 배터리(12)는 모터 인버터(13) 및 메인 릴레이(14)에 의해 전기적으로 연결된다.
이에 따라, 상기 구동모터(10)와 배터리(12)는 모터 제어기(15) 및 배터리 제어기(16)와, 그리고 엔진 제어기(17), 차량 제어기(18) 등의 협조적인 제어에 의해 상호 연계적으로 작동하고, 결국 배터리측의 충전 및 방전 작용이 일어날 수 있다.
그러나, 하이브리드 차량의 경우 모터 제어기 등과 같이 모터의 제어와 관련된 부품의 고장시 배터리의 안전사고 발생 가능성이 높은 문제가 있다.
예를 들면, 도 2에 도시한 바와 같이, 모터 RPM에 비례하여 시스템 전압이 비례하여 증가하므로, 모터 제어기의 고장시 엔진 RPM에 따라 모터의 역기전력에 의한 역기전압이 발생하고, 이로 인해 배터리가 과충전되는 상황이 발생한다.
이렇게 배터리 과충전이 발생하면 배터리 보호를 위하여 배터리 제어기에서는 고전압 릴레이의 OFF 제어를 수행하나, 이때 고전압 릴레이가 융착되어 있는 경우 OFF 제어가 수행되지 않게 되고, 결국 지속적인 과충전 발생으로 발화 및 폭발의 위험성이 존재하는 문제가 있다.
따라서, 본 발명은 이와 같은 점을 감안하여 안출한 것으로서, 모터 제어기, 배터리 제어기 등의 비정상적인 상태에서 배터리의 과충전 위험 판단시 엔진 RPM 제한을 통해 모터의 역기전압을 제한하는 새로운 형태의 배터리 보호 시스템을 구현함으로써, 배터리 과충전 발생 가능성을 근본적으로 차단할 수 있고, 이에 따라 배터리를 과충전의 위험으로부터 보호할 수 있어 배터리의 안전성을 확보할 수 있는 하이브리드 차량의 배터리 보호방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 일 실시예에서 제공하는 하이브리드 차량의 배터리 보호방법은 배터리와 모터 인버터 사이에 개재되는 메인 릴레이의 융착 여부를 판단하여 융착시 메인 릴레이의 고장을 판정하는 단계, 메인 릴레이 융착시 모터 제어기를 통해 모터 인버터의 고장 여부를 판단하는 단계, 모터 인버터 고장시 배터리 제어기를 통해 배터리의 과충전 위험을 판단하여 과충전 위험시 배터리의 이상을 판정하는 단계, 배터리 이상시 엔진 제어기를 통해 상한 엔진 회전수를 제어하여 모터 역기전압을 과충전 이하 전압으로 유지함으로써 배터리를 과충전의 위험으로부터 보호하는 단계 등을 포함하는 것을 특징으로 한다.
여기서, 상기 메인 릴레이의 고장을 판정하는 방법 중의 하나의 방법으로 키 ON 후 초기 충전 릴레이를 ON 하기 전(초기 충전 릴레이 OFF 상태 확인 후), 초기 충전 릴레이 오프시 배터리 전압과 인버터 전압을 비교하는 단계와, 배터리 전압과 인버터 전압의 차이가 일정 치 이하인 경우 메인 릴레이의 융착을 판정하는 단계로 고장을 판정하는 방법을 적용할 수 있다.
또한, 상기 목적 달성을 위한 본 발명의 다른 실시예로서, 각 제어기 간의 캔 통신과 관련하여 캔 통신 이상시 배터리를 과충전 위험으로부터 보호하기 위하여, 모터 제어기의 캔 통신 ON/OFF 여부를 판단하는 단계, 모터 제어기의 캔 통신 OFF시 배터리 제어기의 캔 통신 ON/OFF 여부를 판단하는 단계, 배터리 제어기의 캔 통신 OFF시 엔진 제어기를 통해 상한 엔진 회전수를 제어하여 모터 역기전압을 과충전 이하 전압으로 유지함으로써 배터리를 과충전의 위험으로부터 보호하는 단계 등을 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에서 제공하는 하이브리드 차량의 배터리 보호방법은 모터의 제어와 관련된 부품의 고장시, 특히 모터 제어기 고장 상태에서의 릴레이 융착시나 릴레이 융착 상태에서의 배터리 제어기 과충전 위험 판단시에 엔진의 최대 RPM을 제한하는 방식으로 모터 역기전압을 과충전 이하 전압으로 유지시켜줌으로써, 배터리를 과충전의 위험으로부터 보호할 수 있고, 궁극적으로 하이브리드 차량에서 배터리 제어기, 모터 제어기, 차량 제어기 등의 고장시 발생가능한 배터리 안전사고를 방지할 수 있는 효과가 있다.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하면 다음과 같다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 보호방법에서 메인 릴레이의 융착상태를 나타내는 개략도이다.
도 3에 도시한 바와 같이, 상기 메인 릴레이(14)는 배터리 제어기(16)에 의해 ON/OFF 제어되는 요소로서, 메인 릴레이(14)가 융착된 경우에는 배터리 제어기(16)에 의한 OFF 제어가 불가능하기 때문에 모터나 모터의 제어에 관계되는 부품의 고장 발생시, 엔진 RPM에 따라 모터 역기전력에 의한 역기전압 발생으로 배터리의 과충전이 발생할 수 있다.
따라서, 본 발명에서는 이러한 메인 릴레이(14)의 융착 상황에서 배터리를 과충전 및 고장의 위험으로부터 보호할 수 있는 수단을 제공한다.
여기서, 미설명 부호 11은 모터, 12는 고전압 배터리, 13은 모터 인버터, 15는 모터 제어기, 19는 초기 충전 릴레이를 각각 나타낸다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 보호방법의 제어과정에서 메인 릴레이의 융착을 판단하는 제어과정을 나타내는 플로챠트이다.
도 4에 도시한 바와 같이, 상기 메인 릴레이의 융착 판정은 배터리에서 나오는 전압과 모터 인버터에서 나오는 전압을 비교하여 상대적으로 어느 쪽의 전압이 큰지를 가지고 판정한다.
즉, 배터리측 전압과 모터 인버터측 전압의 상대적인 차이를 가지고 메인 릴 레이의 융착을 판정한다.
먼저, 초기 충전 릴레이의 OFF 상태에서 배터리 제어기를 통해 배터리 전압을 측정하고, 모터 제어기를 통해 모터 인버터의 전압을 측정한다.
다음, 이렇게 측정한 배터리 전압과 인버터 전압의 관계에 있어서 어느 한쪽의 차이가 크게 없으면, 즉 인버터 전압 ＜ 배터리 전압×0.9의 비교수식을 만족하면, 메인 릴레이가 융착된 것으로 판정한다.
여기서, 상기 0.9는 패스트 키 OFF/ON(약 300msec 동안) 인버터 DC 캐패시터 전압이 최소 하강하는 전압을 의미하며, 이러한 0.9는 키 OFF 후 인버터 캐패시터의 방전시간을 고려하여 선정할 수 있다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 보호방법의 제어과정을 나타내는 플로챠트이다.
도 5에 도시한 바와 같이, 먼저 모터 제어기의 캔 통신이 정상적으로 이루어지고 있는 상태에서 메인 릴레이의 융착 여부를 판단하여 융착시 메인 릴레이의 고장을 판정한다.
이때의 메인 릴레이 융착 판정은 위에서 설명한 바와 같이 배터리측 전압과 모터 인버터측 전압의 상대적인 차이를 비교하는 방식으로 수행한다.
다음, 메인 릴레이의 고장(융착)이 아닌 경우에는 엔진 RPM을 제한하는 제어를 수행하지 아니하고, 즉 엔진 RPM의 상한을 제한하지 아니하고, 메인 릴레이가 고장인 경우에는 모터 제어기를 통해 모터 인버터의 고장 여부를 판단하는 단계를 수행한다.
즉, 센서류의 이상이나 인버터의 하드웨어요소의 이상 등으로 인해 모터 제어기가 모터 인버터를 제어할 수 없는 상황이 되면, 모터 인버터의 고장으로 판정하고, 모터 제어기에 의해 모터 인버터의 제어가 가능하면 이때에도 역시 엔진 RPM을 제한하는 제어를 수행하지 않는다.
다음, 모터 인버터 고장시 배터리 제어기를 통해 배터리의 과충전 위험을 판단하여 과충전 위험시 배터리 이상으로 판정하는 단계를 수행한다.
여기서, 배터리 이상은 배터리 셀의 전압을 검출하는 방법이나, 배터리 셀의 온도를 검출하는 방법, 또는 이 둘 다를 모두 검출하는 방법으로 판단할 수 있다.
예를 들면, 배터리 셀이 적정 전압을 초과하는지를 검출하고, 배터리 셀의 과전압시 엔진 RPM을 제한하는 제어를 수행하거나, 또는 배터리 셀이 적정 온도를 초과하는지를 검출하고, 배터리 셀의 과온도시 상한 엔진 RPM을 제한하는 제어를 수행한다.
이때, 배터리 셀이 과전압이나 과온도 상태가 아니라면 상한 엔진 RPM을 제한하지 않는다.
또는, 배터리 셀의 과전압을 검출하고, 과전압이 아니면 계속해서 배터리 셀의 과온도를 검출하여, 과온도면 상한 엔진 RPM을 제한하는 제어를 수행한다.
이때에도 배터리 셀이 과전압이 아니고, 또 과온도가 아니라면 상한 엔진 RPM을 제한하지 않는다.
여기서, 배터리 셀의 적정 전압과 적정 온도를 설정하는 방법은 당해 분야에서 통상적으로 알려져 있는 방법이라면 특별히 제한되지 않고 채택될 수 있다.
위와 같이, 배터리의 이상시, 즉 배터리의 과충전 위험시 엔진 제어기를 통해 상한 엔진 회전수를 제어하여 모터 역기전압을 과충전 이하 전압으로 유지함으로써 배터리를 과충전의 위험으로부터 보호하는 단계를 수행한다.
즉, 도 6에 도시한 바와 같이, 엔진 제어기의 제어를 이용하여 배터리 전압 132∼192V, 엔진 RPM 250RPM 이하로 유지되는 과충전 페일 세이프티 영역 내에 들어오도록 엔진을 제어한다.
예를 들면, 배터리의 과충전 위험이 있는 경우에 현재의 엔진 회전수가 상한 엔진 회전수를 상회하고 있는 경우(과충전 페일 세이프티 영역을 벗어난 경우)에는 엔진측으로의 연료공급을 중단하는 연료컷을 수행하는 방법 등으로 엔진의 회전수를 저하시킨다.
한편, 본 발명에서는 각 제어기 간의 캔 통신과 관련하여 캔 통신 이상시의 경우에도 배터리를 과충전 위험으로부터 보호할 수 있는 방법을 제공한다.
이를 위하여, 먼저 모터 제어기의 캔 통신 이상 여부를 판단하는 단계를 수행하고, 모터 제어기의 캔 통신이 정상인 경우(모터 제어기 캔 통신 ON시)에는 위에서 설명한 바와 같은 제어로직을 따라 진행하고, 모터 제어기의 캔 통신이 불가한 경우(모터 제어기의 캔 통신 OFF시)에는 배터리 제어기의 캔 통신 이상 여부를 판단하는 단계를 수행한다.
배터리 제어기의 캔 통신이 정상인 경우(배터리 제어기의 캔 통신 ON시)에는 상한 엔진 RPM을 제한하지 않고, 배터리 제어기의 캔 통신이 불가한 경우(배터리 제어기의 캔 통신 OFF시)에는 상한 엔진 RPM을 제한하는 제어를 수행하여 모터 역 기전압을 과충전 이하 전압으로 유지함으로써 배터리를 과충전의 위험으로부터 보호할 수 있다.
도 1은 하이브리드 차량의 일반적인 구동 계통을 나타내는 개략도
도 2는 하이브리드 차량에서 엔진 RPM과 시스템 전압 간의 관계 및 메인 릴레이의 위치를 나타내는 개략도
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 보호방법에서 메인 릴레이의 융착상태를 나타내는 개략도
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 보호방법의 제어과정에서 메인 릴레이의 융착을 판단하는 제어과정을 나타내는 플로챠트
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 보호방법의 제어과정을 나타내는 플로챠트
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 보호방법에서 엔진 RPM과 역기전력 전압 간의 관계를 나타내는 그래프
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>
10 : 엔진 11 : 구동모터
12 : 배터리 13 : 모터 인버터
14 : 메인 릴레이 15 : 모터 제어기
16 : 배터리 제어기 17 : 엔진 제어기
18 : 차량 제어기 19 : 초기충전 릴레이

Claims (6)

  1. 하이브리드 차량의 배터리를 과충전의 위험으로부터 보호하는 방법에 있어서,
    배터리와 모터 인버터 사이에 개재되는 메인 릴레이의 융착 여부를 판단하여 융착시 메인 릴레이의 고장을 판정하는 단계;
    메인 릴레이 융착시 모터 제어기를 통해 모터 인버터의 고장 여부를 판단하는 단계;
    모터 인버터 고장시 배터리 제어기를 통해 배터리의 과충전 위험을 판단하여 과충전 위험시 배터리의 이상을 판정하는 단계;
    배터리 이상시 엔진 제어기를 통해 상한 엔진 회전수를 제어하여 모터 역기전압을 과충전 이하 전압으로 유지함으로써 배터리를 과충전의 위험으로부터 보호하는 단계;
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 하이브리드 차량의 배터리 보호방법.
  2. 청구항 1에 있어서, 상기 메인 릴레이의 융착을 판정하는 단계는 초기 충전 릴레이의 OFF 상태를 확인하는 단계와, 초기 충전 릴레이 오프시 배터리 전압과 인버터 전압을 비교하는 단계와, 배터리 전압과 인버터 전압이 일정 차이 이하인 경우 고전압 릴레이의 융착을 판정하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 하이브 리드 차량의 배터리 보호방법.
  3. 청구항 2에 있어서, 상기 배터리 전압과 인버터 전압을 비교하는 단계의 비교수식은 인버터 전압 ＜ 배터리 전압×0.9인 것을 특징으로 하는 하이브리드 차량의 배터리 보호방법.
  4. 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서, 상기 배터리의 이상을 판정하는 단계에서 배터리의 과충전 위험 판단은 배터리 셀의 과전압을 검출하는 방식으로 판단하는 것을 특징으로 하는 하이브리드 차량의 배터리 보호방법.
  5. 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서, 상기 배터리의 이상을 판정하는 단계에서 배터리의 과충전 위험 판단은 배터리 과온도를 검출하는 방식으로 판단하는 것을 특징으로 하는 하이브리드 차량의 배터리 보호방법.
  6. 하이브리드 차량의 배터리를 과충전의 위험으로부터 보호하는 방법에 있어서,
    각 제어기 간의 통신과 관련하여 통신 이상시 배터리를 과충전 위험으로부터 보호하기 위하여,
    모터 제어기의 통신 ON/OFF 여부를 판단하는 단계;
    모터 제어기의 통신 OFF시 배터리 제어기의 통신 ON/OFF 여부를 판단하는 단계;
    배터리 제어기의 통신 OFF시 엔진 제어기를 통해 상한 엔진 회전수를 제어함으로써 모터 역기전력을 제한하여 모터 역기전압을 과충전 이하 전압으로 유지함으로써 배터리를 과충전의 위험으로부터 보호하는 단계;
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 하이브리드 차량의 배터리 보호방법.
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