KR100951975B1 - 하이브리드 차량의 모터 토크 제어 방법 - Google Patents

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본 발명은 하이브리드 차량의 모터 토크 제어 방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 연료전지와 축전수단을 포함하는 하이브리드 차량의 고속 주행시에도 시스템 안정과 더불어 회생 제동이 가능하도록 하여 연비 향상을 도모할 수 있도록 한 하이브리드 차량의 회생 제동 방법에 관한 것이다.
이를 위해, 본 발명은 모터가 고속으로 구동하는 상태에서, 모터 토크 명령을 발생시키는 단계와; 상기 토크 명령에 따라 파워 및 속도 함수로 전류지령맵을 구성하는 단계와; 상기 전류지령맵에 따라 모터의 전류제어를 수행하는 단계와; 제어된 전류가 모터로 공급되어, 모터 토크 명령에 따른 토크 수준으로 모터 토크가 정밀하게 발생되는 단계; 로 이루어지는 것을 특징으로 하는 하이브리드 차량의 모터 토크 제어 방법을 제공한다.
Figure R1020080049486
하이브리드, 모터, 연료전지, 축전수단, 토크, 회생 제동, 전류지령맵

Description

하이브리드 차량의 모터 토크 제어 방법{Method for controlling motor torque of Hybrid vehicle}
본 발명은 하이브리드 차량의 모터 토크 제어 방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 연료전지와 축전수단을 포함하는 하이브리드 차량의 고속 영역에서, 모터 토크 제어 정밀도를 높여 시스템 안정과 더불어 회생 제동이 가능하도록 함으로써, 연비 향상을 도모할 수 있도록 한 하이브리드 차량의 모터 토크 제어 방법에 관한 것이다.
연료전지 차량은 차세대 차량으로서 배기가스 저감 및 연비 성능 향상 등의 장점이 있지만, 물 생성 문제와 동특성 문제 등의 단점을 감안하여 연료전지와 다른 에너지저장장치인 축전수단을 포함하는 하이브리드 시스템으로 연구가 진행되고 있다.
연료전지 및 축전수단을 포함하는 하이브리드 차량에서, 축전수단은 배터리 또는 슈퍼캐패시터로 불리우고 있다.
연료전지와 축전수단이 연결된 하이브리드 차량은 연료전지에서 일정한 전력을 계속 출력하여 주행이 이루어지되, 전력이 남는 경우 잉여분의 전력으로 축전수단을 충전하고, 전력이 모자라는 경우 부족분의 전력을 축전수단에서 보충 출력하게 하는 운전 모드가 적용되고 있다.
연료전지 및 축전수단을 포함하는 하이브리드 차량의 주행모드는 연료전지만을 구동원으로 모터를 구동시키는 연료전지 주행모드와, 연료전지 및 축전수단이 직결된 하이브리드 모드, 그리고 축전수단에 대한 충전이 이루어지는 회생제동모드로 구분될 수 있으며, 이때 상기 회생제동모드는 차량의 제동시 모터가 역구동하여 발생되는 전기에너지를 직류변환장치를 통해 축전수단에 충전시키는 모드이다.
즉, 회생제동시 전기에너지의 충전은 첨부한 도 5에 도시된 바와 같이 모터로부터 생성된 전기에너지가 모터제어기(MCU)의 제어에 의하여 메인버스단 및 직류변환장치를 통해 축전수단에 충전되는 흐름으로 이루어진다.
그러나, 연료전지 및 축전수단을 포함하는 하이브리드 차량의 고속주행영역에서는 모터 토크의 정밀도가 떨어지기 때문에, 제동시 직류변환장치의 용량(20kW)을 초과하는 회생전력이 발생하여, 메인버스단의 전압을 상승시키게 되고, 결국 전체 시스템이 셧다운(shutdown)되는 문제점이 있다.
이러한 문제점을 모터 제어기의 알고리즘을 결부하여 좀 더 상세하게 설명하면 다음과 같다.
첨부한 도 3은 종래의 모터 제어 알고리즘을 설명하는 구조도이고, 도 4는 종래의 모터 토크 발생 흐름도이다.
운전자가 액셀 페달을 조작하거나 브레이크를 밟게 될 때의 신호가 운전자 의지를 반영하여 구동 또는 제동 토크 명령을 발생시키는 차량제어기(VCU)로 전송되고, 차량제어기에서 모터의 구동 또는 제동 토크 명령신호을 모터제어기의 토크제어부로 전송하게 된다.
연이어, 모터제어기의 토크제어부에서 토크 명령신호에 따라, 모터 제어기의 전류제어부에 전류지령을 내리게 된다.
이때, [전류지령 = fn(토크지령, 속도)] 이다.
따라서, 상기 모터제어기의 전류제어부에서 전류지령에 따른 전류제어를 수행하고, 제어된 전류가 모터로 공급되어 해당 토크가 발생되어진다.
그러나, 첨부한 도 4에 도시된 바와 같이 모터제어기의 토크제어부에서 생성되는 전류지령맵을 보면, 모터의 속도(rpm)가 고속으로 갈수록 전류제어 정밀도가 감소하는 것을 알 수 있다.
즉, [파워(kW) = 속도(rpm) * 토크] 이므로, 고속에서는 속도(rpm)가 크기 때문에 작은 토크 변화에도 파워의 변화가 크게 유발될 수 있다.
따라서, 고속에서 회생제동시 정밀한 모터 토크 제어가 불가하여, 고속에서 회생제동시 직류변환장치(HDC)의 용량(20kW)을 초과하는 회생전력이 발생하는 등 적정 수준의 회생전력을 얻는데 어려움이 있으며, 직류변환장치(HDC)의 용량을 초과하는 회생전력이 얻어진다면 메인버스단의 전압을 상승시키게 되고, 결국 전체 시스템이 셧다운(shutdown)되는 문제점을 초래하게 된다.
이에, 현재 연료전지 및 축전수단을 포함하는 하이브리드 차량은 고 속(100kph)에서 회생제동모드가 적용되지 않고 있으며, 이는 연비 저하를 초래하는 원인이 되고 있다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 감안하여 안출한 것으로서, 연료전지와 축전수단을 포함하는 하이브리드 차량의 모터 제어용 모터제어기의 알고리즘을 개선하되, 모터제어기의 토크제어부에서 생성되는 전류지령맵을 파워 및 속도 함수로 변경하여, 고속에서도 정밀한 모터 토크 제어가 가능하도록 함으로써, 고속에서도 적정 수준의 회생전력을 얻을 수 있게 되어 연비 향상을 도모할 수 있도록 한 하이브리드 차량의 모터 토크 제어 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명은: 모터가 고속으로 구동하는 상태에서, 모터 토크 명령을 발생시키는 단계와; 상기 토크 명령에 따라 파워 및 속도 함수로 전류지령맵을 구성하는 단계와; 상기 전류지령맵에 따라 모터의 전류제어를 수행하는 단계와; 제어된 전류가 모터로 공급되어, 모터 토크 명령에 따른 토크 수준으로 모터 토크가 정밀하게 발생되는 단계; 로 이루어지는 것을 특징으로 하는 하이브리드 차량의 회생 제동 방법을 제공한다.
바람직한 구현예로서, 상기 모터 토크 명령을 발생시키는 단계에서, 운전자 가 액셀을 밟으면 양의 모터 토크 명령을 발생시키거나, 액셀을 떼거나 브레이크를 밟으면 음의 모터 토크 명령을 발생시키는 것을 특징으로 한다.
더욱 바람직한 구현예로서, 상기 모터의 고속영역에서 액셀을 떼거나 브레이크를 밟음에 따라 음의 모터 토크 명령이 내려지면, 파워 및 속도 함수를 기반으로 하는 전류지령맵에 따라 상기 모터에 제어된 전류가 공급됨과 함께, 상기 모터에서 음의 토크가 발생하여 적정 수준의 회생전력이 얻어지는 것을 특징으로 한다.
상기한 과제 해결 수단을 통하여, 본 발명은 다음과 같은 효과를 제공할 수 있다.
연료전지와 축전수단을 포함하는 하이브리드 차량의 모터 제어용 모터제어기의 알고리즘을 개선하되, 모터제어기의 토크제어부에서 생성되는 전류지령맵을 토크를 제외한 파워 및 속도 함수로 변경하여, 고속에서도 정밀한 모터 토크 제어가 가능하도록 함으로써, 고속에서도 적정 수준의 회생전력을 얻을 수 있고, 결국 보다 나은 연비 향상을 도모할 수 있다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부도면을 참조로 상세하게 설명하기로 한다.
먼저, 본 발명의 이해를 돕기 위하여, 연료전지-축전수단 하이브리드 차량의 파워넷 구성 요소 및 그 동작에 대하여 살펴보면 다음과 같다.
첨부한 도 5는 본 발명에 따른 하이브리드 차량의 회생 제동 방법이 이루어지는 연료전지-축전수단 하이브리드 차량의 파워넷 구성도이다.
도 5에 도시된 바와 같이, 연료전지-축전수단 하이브리드 차량은 연료전지(10), 보조동력원, 저전압 직류변환장치(LDC:12), 12V 보조배터리(14)를 차량의 파워공급수단으로 포함하고, 이 파워공급수단과 연결되는 연료전지 보기류(18), 모터(20), 모터 제어용 MCU(22, 이하 모터제어기라 칭함), 연료전지용 저전압릴레이(24), MCU용 고전압릴레이(26) 등을 포함하여 구성되어 있다.
특히, 상기 보조동력원은 수퍼캡(Super Capacitor), 고전압 배터리 등을 포괄하는 축전수단(16)을 의미하며, 이 축전수단(16)에는 초기충전장치인 고전압 직류변환장치(30)가 연결된다.
상기 저전압 직류전력변환장치(12)는 12V 보조배터리(14) 전원을 사용하는 부품들의 구동을 위해 저전압 출력으로 변환해주고, 이들 부품들이 차량 운행 중 계속 파워를 소모하기 때문에 보조배터리(14)를 충전해주는 장치이다.
상기 고전압 보기류(18)(BOP: 공기 블로워, 수소재순환 블로워, 물펌프 등)는 연료전지(10)의 시동을 위해 작동되어야 하고, 연료전지(10)에서 발생하는 전압과 고전압 보기류(18)의 전압레벨은 동일하다.
상기 모터(20)는 메인버스단을 통하여 연료전지(10)에 직접 연결되어 있으며, 또한 파워 어시스트 및 회생제동을 위해 축전수단(16)이 직류변환장치(30)를 통해 모터(20)쪽에 연결된다.
또한, 상기 메인 버스단에는 전력 차단 및 연결을 용이하게 하기 위한 각종 릴레이(24,26), 즉 연료전지용 저전압릴레이(24) 및 MCU용 고전압릴레이(26)가 설치되어 있으며, 연료전지로 역전류가 흐르지 않도록 블로킹 다이오드(미도시됨: Blocking Diode)가 포함되어 있다.
상기 초기충전장치인 직류변환장치(30)는 그 내부에 집적된 IGBT의 듀티비 조절을 통해 급격한 전류의 흐름을 막으면서 상기 축전수단(16)을 충전시키는 역할을 한다.
이때, 연료전지(10)와 축전수단(16)의 양단 전압이 비슷해지면, IGBT 작동은 멈추고, 직류변환장치내의 메인릴레이가 온되어, 연료전지(10)와 축전수단(16)이 직결되는 상태가 된다.
여기서, 연료전지 시동 완료와 함께 연료전지 단독 모드로 진입된 후의 과정을 설명하면 다음과 같다.
연료전지 시동 완료와 함께, 축전수단과 연료전지가 연결되어 있지 않은 연료전지 단독 모드로 진입하면, 차량의 주행을 위한 토크가 발생한다.
즉, 운전자가 액셀 페달을 밟았을 때, 그 액셀 페달 깊이값을 기반으로 아래와 같은 수학식1에 의하여 계산된 토크가 발생하여 차량의 주행이 가능한 상태가 된다.
T ACCEL = T MAX × β Depth
T ACCEL : 액셀페달 깊이값을 기반으로 계산된 주행 토크
T MAX : 모터 최대 토크
β Depth : 액셀페달 깊이값
이렇게 함으로써, 연료전지 단독 모드하에서 차량이 서행 운전되고, 동시에 연료전지로부터 축전수단으로 충전이 시작된다.
즉, 상기 축전수단(16)의 충전은 연료전지(10)와 축전수단(16)이 직결되기 전에 이루어지며, 연료전지(10)와 축전수단(16)간에 연결된 직류변환장치(30)의 IGBT 듀티비 조절에 의한 전류 제한 제어로 이루어진다.
다음으로, 상기 직류변환장치(30)를 통해 축전수단(16)의 충전이 완료되면, 직류변환장치(30)의 메인릴레이(32)를 온시킴으로써, 연료전지(10)과 축전수단(16)이 직결되어 차량은 하이브리드 모드로 진입을 하게 된다.
상기 연료전지(10)와 축전수단(16)간의 전압차가 발생하지 않으면, 다시 말해서 연료전지 전압과 축전수단 전압이 비슷해지면 축전수단(16)의 충전을 완료된 것으로 제어부에서 판단하여, 연료전지(10)와 축전수단(16)이 직결되면서 하이브리드 모드로 진입하게 된다.
한편, 연료전지와 축전수단을 포함하는 하이브리드 차량의 주행모드중 회생제동 모드가 있는데, 이는 제동(braking)시에 제동력의 일부를 발전에 사용하여 발생된 전기에너지를 배터리의 충전에 사용하는 시도로서, 자동차의 주행속도에 의한 운동에너지(kinetic energy)의 일부를 발전기의 구동에 필요한 에너지로 사용함으 로써, 운동에너지의 저감(즉, 주행속도의 감소)과 전기에너지의 발전을 동시에 구현할 수 있다.
회생제동시 전기에너지의 생성은, 별도의 발전기 혹은 상기 모터를 역구동함으로써 이루어질 수 있으며, 회생제동(regenerative braking) 제어에 의하여 연비 향상 및 유해 배기가스 배출을 줄일 수 있다.
여기서, 본 발명에 따른 회생 제동 방법을 설명하면 다음과 같다.
첨부한 도 1은 본 발명에 따른 하이브리드 차량의 회생 제동 방법을 위한 MCU의 알고리즘 구조도이고, 도 2는 본 발명에 따른 하이브리드 차량의 회생 제동 방법을 설명하는 흐름도이다.
본 발명에 따른 회생 제동 방법은 연료전지 및 축전수단을 포함하는 하이브리드 차량의 모터가 고속(high rpm)일 때, 모터의 토크를 정밀하게 제어하여 회생제동시 회생전력이 원하는 적정 수준으로 얻어질 수 있도록 한 점에 주안점이 있다.
모터가 저속으로 구동하는 상태에서, 운전자가 액셀을 밟으면 그 운전자 의지 신호가 주제어기인 차량제어기(28: Vehicle Control Unit)로 전송되어, 차량제어기(28)에서 양의 모터 토크 명령을 발생시키고, 연이어 상기 차량제어기(28)에서 발생된 양의 모터 토크 명령이 모터제어기(22: Motor control Unit)로 전송된다.
이어서, 상기 모터제어기(22)의 토크제어부(32)에서 양의 토크 명령에 따라 파워 및 속도 함수로 전류지령맵을 구성하게 되고, 이 전류지령맵에 따라 모터제어기(22)의 전류제어부(34)에서 모터의 전류제어를 수행하게 된다.
따라서, 최종 제어된 전류가 모터로 공급되어, 양의 모터 토크 명령에 따른 토크 수준으로 모터 토크가 발생하게 되고, 이에 모터의 속도는 저속에서 고속으로 증가하게 되고, 결국 차량의 고속 주행으로 이루어지게 된다.
여기서, 상기 모터가 고속으로 구동하는 상태에서, 운전자가 액셀을 떼거나 브레이크를 밟음에 따라 그 운전자 의지 신호가 주제어기인 차량제어기(28)로 전송되어, 차량제어기(28)에서 음의 모터 토크 명령을 발생시키게 된다.
이어서, 상기 차량 제어기(28)에서 발생된 음의 모터 토크 명령이 모터제어기(22)로 전송된다.
이에, 상기 모터제어기(22)의 토크제어부(32)에서 음의 토크 명령에 따라 파워 및 속도 함수로 전류지령맵을 구성하게 되고, 이 전류지령맵에 따라 모터제어기(22)의 전류제어부(34)에서 모터의 전류제어를 수행하게 된다.
이때, 상기 모터제어기(22)의 토크제어부(32)에서 만들어지는 전류지령맵은 모터 토크를 기반으로 하지 않고, 모터의 파워(kW) 및 속도(rpm)을 함수로 하여 구성되므로, 상기 차량제어기에서 발생된 음의 모터 토크 명령에 준하는 토크를 모터에 제공할 수 있게 되어, 고속에서도 토크 정밀도를 유지할 수 있게 된다.
따라서, 최종 제어된 전류가 모터로 공급되어, 음의 모터 토크 명령에 따른 토크 수준으로 모터 토크가 발생하게 되고, 결국 상기 모터는 음의 토크 명령에 준하는 토크로 정밀 제어되며 작동하여, 적정 수준의 회생전력이 얻어지게 된다.
한편, 상기 적정 수준의 회생전력이란, 종래와 같이 고속에서 회생제동시 정밀 토크 제어가 불가하여 직류변환장치(HDC)의 용량(20kW)을 초과하는 회생전력이 얻어져 결국 시스템이 셧다운되는 등의 현상이 발생하였지만, 본 발명에 따르면 모터의 정밀 토크 제어가 가능하여 직류변환장치의 용량범위내에서 축전수단으로 용이하게 충전될 수 있는 정도의 전력을 의미한다.
이와 같이, 연료전지 및 축전수단을 포함하는 하이브리드 차량의 고속(100kph)에서도 회생제동이 용이하게 이루어져, 연비 향상을 도모할 수 있다.
도 1은 본 발명에 따른 하이브리드 차량의 모터 토크 제어 방법을 위한 MCU의 알고리즘 구조도,
도 2는 본 발명에 따른 하이브리드 차량의 모터 토크 제어 방법을 설명하는 흐름도,
도 3은 종래의 MCU의 알고리즘 구조도,
도 4는 종래의 모터 토크 발생 흐름도,
도 5는 연료전지 및 축전수단을 포함하는 하이브리드차량의 회생 제동시 에너지 흐름을 설명하는 파워넷 구조도.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
10 : 연료전지 12 : 저전압 직류변환장치
14 : 보조배터리 16 : 축전수단
18 : 연료전지 보기류 20 : 모터
22 : 모터 제어용 MCU 24 : 연료전지용 저전압릴레이
26 : MCU용 고전압릴레이 28 : 차량제어기
30 : 고전압 직류변환장치 32 : 토크제어부
34 : 전류제어부

Claims (3)

  1. 차량의 고속 영역에서, 모터 토크 명령을 발생시키는 단계와;
    상기 토크 명령에 따라 파워 및 속도 함수로 전류지령맵을 구성하는 단계와;
    상기 전류지령맵에 따라 모터의 전류제어를 수행하는 단계와;
    제어된 전류가 모터로 공급되어, 모터 토크 명령에 따른 토크 수준으로 모터 토크가 발생되는 단계;
    로 이루어지는 것을 특징으로 하는 하이브리드 차량의 모터 토크 제어 방법.
  2. 청구항 1에 있어서, 상기 모터 토크 명령을 발생시키는 단계에서, 운전자가 액셀을 밟으면 양의 모터 토크 명령을 발생시키거나, 액셀을 떼거나 브레이크를 밟으면 음의 모터 토크 명령을 발생시키는 것을 특징으로 하는 하이브리드 차량의 모터 토크 제어 방법.
  3. 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서, 상기 모터의 고속영역에서 액셀을 떼거나 브레이크를 밟음에 따라 음의 모터 토크 명령이 내려지면, 파워 및 속도 함수를 기반으로 하는 전류지령맵에 따라 상기 모터에 제어된 전류가 공급됨과 함께, 상기 모터에서 음의 토크가 발생하여 적정 수준의 회생전력이 얻어지는 것을 특징으로 하는 하이브리드 차량의 모터 토크 제어 방법.
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