KR100957144B1 - 차량의 발전 제어장치 및 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 각각의 운전 조건에 따른 배터리의 충전상태(State Of Charge ; SOC)와 전류 누적량을 기준으로 목표 충전상태를 산출하고, 알터네이터의 발전량을 피드백 제어하여 목표 충전상태를 추종시켜 최적의 충전상태 유지와 연비 향상을 제공하는 차량의 발전 제어장치에 관한 것이다.

본 발명은 엔진의 시동 온이 검출되는지 판단하는 과정, 엔진 시동 온이 검출되면 배터리의 정보를 검출하여 목표 충전상태의 전압을 결정하고, 알터네이터의 발전량을 높게 제어하는 충전제어 과정, 충전제어가 완료되면 충전제어에 의해 저장된 에너지를 가속이나 아이들 혹은 정속 구간에서 배터리의 충전상태에 따른 목표 누적 전류량에 도달하기까지 방전 제어하여 알터네이터의 발전량을 낮게 제어하는 방전제어 과정, 상기 충전제어 및 방전제어가 완료되면 배터리의 실질적인 목표 충전상태를 결정하고, 목표 충전상태를 추종하도록 알터네이터의 발전량을 피드백 제어하는 목표 충전상태 제어 과정을 포함한다.

배터리, 발전제어, 충전제어, 방전제어, 목표 충전제어, 알터네이터 제어

Description

차량의 발전 제어장치 및 방법{SYSTEM FOR GENERATION OF ELECTRICITY CONTROL ON VEHICLE AND METHOD THEREOF}

본 발명은 차량의 발전 제어장치에 관한 것으로, 더 상세하게는 각각의 운전 조건에 따른 배터리의 충전상태(State Of Charge ; SOC)와 전류 누적량을 기준으로 목표 충전상태를 산출하고, 알터네이터의 발전량을 피드백 제어하여 목표 충전상태를 추종시켜 최적의 충전상태 유지와 연비 향상을 제공하는 차량의 발전 제어장치 및 방법에 관한 것이다.

전 세계의 각 자동차 제작회사에서는 고유가(高油價)를 극복하기 위한 방법으로 다양한 연비 향상 기술을 적용하고 있으며, 발전 제어 시스템도 연비 향상을 위한 하나의 기술에 포함된다.

발전 제어 시스템은 배터리 전극에 장착된 다양한 센서로부터 배터리의 전류와 전압 및 온도 정보를 엔진제어수단이 읽어들여 이를 기반으로 가속조건, 감속조건, 정속 및 아이들 조건 등 차량의 운전조건에 따라 목표 발전 전압을 결정하고, 알터네이터의 구동 정도를 조절하여 발전량을 조절하는 시스템이다.

발전 제어 시스템은 감속 중에 발생되는 회생 에너지를 배터리에 충전하여 저장하고, 가속이나 정속 및 아이들시에 배터리에 충전된 에너지를 사용하며 이에 따라 알터네이터의 발전량을 줄임으로써, 연료 소모가 최소화되도록 한다.

또한, 통상적으로 차량에서는 배터리의 충전상태가 양호한 경우에도 실질적으로 알터네이터는 차량에 소모되는 전류량 외에 배터리가 방전되는 것을 막기 위해 필요 없는 수 암페어의 과잉 전류를 배터리에 공급하고 있는데, 발전 제어 시스템에서는 배터리의 방전을 방지하기 위하여 공급하는 과잉 전류를 제로(Zero)에 가깝게 제어하여 불필요한 알터네이터의 발전량을 줄여 준다.

이외에 차량에서는 다양한 목적을 추구하기 위한 발전 제어 시스템이 적용되고 있다.

한국공개특허 2004-0078430호에서는 엔진이 아이들 상태에 있을 때 배터리 전압을 모니터링 하여 일정전압 이하에서 일정시간 이상 동안 배터리의 전압이 계속적으로 낮아지면 전기부하에 관계없이 배터리의 현재 상태를 적응하여 엔진 회전수가 유지하도록 제어하고 있다.

따라서, 불필요하게 과다한 배출가스 및 소음이 발생되는 것을 방지하고, 아이들 상태에서 과부하 발생으로 인한 배터리의 과방전을 방지하며, 이에 따라 시동 꺼짐을 미연에 방지할 수 있도록 한다.

한국공개특허 2003-0005408호에서는 발전수단에서 허용되는 발전량과 축전수단에서 허용되는 방전량에 의거하여 부하에 공급될 수 있는 허용 전력을 결정하고, 공기 조화수단의 소비 전력을 산출하여 허용 전력의 범위 내에서 공기 조화수단에 공급되는 소비 전력을 증가시키며, 이에 따라 허용되는 발전량의 범위에서 발전 수 단의 발전량을 제어한다.

따라서, 공기 조화수단의 소비 전력에 의해 차량의 주행에 지장이 발생하지 않도록 하는 것이다.

일본공개특허 평06-113599호에서는 엔진의 운전정보가 설정된 정상 영역에 유지되는 경우에 한하여 설정된 일정시간 동안 발전 정지 제어를 실행함으로써, 배터리가 과 방전되는 것을 방지하고 있다.

일본공개특허 평14-272012호에서는 배터리의 전원라인에 배치되는 전류 센서를 통해 배터리의 상태를 측정하고, 이에 따라 발전 목표 전압을 결정하여 발전 제어를 실행하며, 발전 제어가 실행되는 과정에서 검출되는 배터리의 전압이 이상 판정 영역에 포함되는 경우 충전계통의 이상으로 판정하고 있다.

현재 차량에 연비 개선의 목적으로 적용되어 있는 발전 제어 시스템의 발전제어 로직은 배터리 충전상태(SOC)에 따라 과 방전상태(Bulk Mode)와 정상상태( Absorption Mode) 및 양호상태(Float Mode)로 구분되어 있다.

과 방전상태에서는 일체의 발전 제어를 금지하고 충전상태를 유지하며 정상상태 및 양호상태에서는 가속, 감속, 정속 및 아이들 등의 운전 상태에 따라 각각 목표 전압을 별도로 설정하여 발전 제어를 실행한다.

전술한 종래의 차량에 적용되어 있는 발전 제어 로직은 연비 절약 원리를 구현하기에 매우 불합리한 문제점이 있다.

예를 들어, 동일한 감속이라고 해도 배터리의 충전상태에 따라 충전되는 에너지 및 목표 전압 제어의 시간이 달라져야 하나 현재의 발전 제어 로직에는 이러 한 기능이 적용되어 있지 않아 원래의 적용 목적인 연비 절감의 효과가 정상적으로 발휘되지 못하는 문제점이 있다.

또한, 다양한 전기부하 및 운전조건에 대해 배터리로 공급되는 방전 방지를 위한 잉여전류가 제로((Zero)가 되도록 제어하여야 하나 현재의 발전 제어 로직에는 이 기능이 적용되어 있지 않아 잉여전류의 제로 제어가 어려운 단점이 있다.

또한, 배터리 전해액의 온도에 따라 충전효율이 달라지고 배터리의 충전 상태에 따라 충전량이 달라지므로 시동 후 발전제어 금지기간이 각각의 상태에 따라 달라져야 하나 현재의 발전 제어 로직은 시간 상수로 획일화되어 있어 배터리의 각 상태에 따른 발전 제어가 능동적이고 안정적으로 실행되지 못하는 문제점 있다.

본 발명은 상기한 문제점을 해결하기 위하여 발명한 것으로, 그 목적은 각각의 운전조건 따른 배터리의 충전상태와 누적 전류량을 기준으로 목표 충전상태를 추출하고, 충전전압의 피드백 제어를 통해 목표 충전상태를 추종하는 발전 제어로 배터리의 안정된 충전상태를 유지시키고, 연비 향상을 제공하도록 하는 것이다.

본 발명은 엔진 시동직후부터 충전제어, 방전제어, 목표 충전제어를 순차적으로 실행하여 배터리의 충전상태와 전류 누적량을 기준으로 산출되는 목표 충전상태를 추종하는 발전 제어가 제공되도록 하는 것이다.

상기한 목적을 실현하기 위한 본 발명의 특징에 따른 엔진의 시동 온/오프에 대한 정보를 제어부에 제공하는 이그니션 검출부; 배터리의 전극에 장착되어 배터리의 충전상태를 판단하기 위한 정보를 제어부 제공하는 배터리 검출부; 엔진 회전수에 대한 정보를 제어부에 제공하는 엔진 회전수 검출부; 주행 차속의 정보를 제어부에 제공하는 차속 검출부; 스로틀 밸브의 개도량을 제어부에 제공하는 스로틀 개도 검출부; 가속페달의 변위량을 제어부에 제공하는 가속페달 검출부; 엔진의 시동 온에 따라 배터리의 정보와 차량의 주행조건을 종합하여 순차적으로 충전제어와 방전제어 및 목표 충전제어를 실행하는 제어부; 상기 제어부의 제어신호에 따라 전압을 발전시켜 목표 충전상태를 추종시키는 알터네이터를 포함한다.

본 발명의 특징에 따른 차량의 발전 제어방법은 엔진의 시동 온이 검출되는지 판단하는 과정; 엔진 시동 온이 검출되면 배터리의 정보를 검출하여 목표 충전상태의 전압을 결정하고, 알터네이터의 발전량을 높게 제어하는 충전제어 과정; 충전제어가 완료되면 충전제어에 의해 저장된 에너지를 가속이나 아이들 혹은 정속 구간에서 배터리의 충전상태에 따른 목표 누적 전류량에 도달하기까지 알터네이터의 발전량을 낮게 제어하는 방전제어 과정; 상기 충전제어 및 방전제어가 완료되면 배터리의 실질적인 목표 충전상태를 결정하고, 목표 충전상태를 추종하도록 알터네이터의 발전량을 피드백 제어하는 목표 충전상태 제어 과정을 포함한다.

전술한 구성에 의하여 본 발명은 엔진의 시동 직후부터 배터리의 각 상태에 따라 산출되는 목표 충전상태를 추종하는 능동적이고 안정적인 발전 제어를 제공하여 연비 향상의 상품성을 제공하는 효과를 기대할 수 있다.

아래에서는 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다.

본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다.

도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다.

또한, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 차량의 발전 제어장치 구성을 개략적으로 도시한 도면이다.

도시된 바와 같이, 본 발명은 이그니션 검출부(101), 배터리 검출부(102), 엔진 회전수 검출부(103), 차속 검출부(104), 스로틀 개도 검출부(105), 가속페달 검출부(106), 제어부(200) 및 알터네이터(300)를 포함한다.

이그니션 검출부(101)는 엔진의 시동 온/오프에 대한 정보를 제어부(200)에 제공한다.

배터리 검출부(102)는 전류센서와 전압센서 및 온도센서를 포함하며, 배터리 의 전극에 장착되어 배터리의 충전상태를 판단하기 위한 현재의 전류, 전압 및 온도 정보를 검출하여 제어부(200)에 제공한다.

엔진 회전수 검출부(103)는 크랭크 각 센서 혹은 캠 각 센서로 이루어지며, 크랭크 축의 각도 변화 혹은 캠 축의 각도 변화로부터 현재의 엔진 회전수에 대한 정보를 제어부(200)에 제공한다.

차속 검출부(104)는 각 차륜에 장착되는 휠 속 센서 혹은 변속기의 출력축에 장착되는 속도 센서로 이루어지며, 현재의 주행 차속을 검출하여 제어부(200)에 제공한다.

스로틀 개도 검출부(105)는 가속페달에 연동되어 연소실로 흡입되는 공기량을 조절하는 스로틀 밸브의 개도량을 검출하여 제어부(200)에 제공한다.

가속페달 검출부(106)는 운전자가 작동시키는 가속페달의 변위량을 검출하여 제어부(200)에 제공한다.

제어부(200)는 이그니션 검출부(200)에서 인가되는 엔진 초기 시동 온에 대한 정보와 배터리 검출부(102)에서 인가되는 배터리의 전류, 전압, 온도 등의 정보, 엔진 회전수 검출부(103)와 차속 검출부(104), 스로틀 개도 검출부(105) 및 가속페달 검출부(106)에서 인가되는 정보로부터 분석되는 차량의 주행조건을 종합하여 순차적으로 충전제어를 위한 목표 충전전압(목표 발전량)과 방전제어를 위한 목표 충전전압(목표 발전량) 및 목표 충전제어를 위한 목표 충전전압(목표 발전량)을 결정하고, 알터네이터(300)를 피드백 제어하여 발전량을 제어한다.

알터네이터(300)는 상기 제어부(200)에서 인가되는 제어신호에 따라 전압을 발전시켜 차량에 장착되는 각종 부하요소에 공급함과 동시에 배터리에 충전 전압으로 공급한다.

전술한 바와 같은 기능을 포함하여 구성되는 본 발명의 동작에 대하여 도 2 및 도 3을 참조하여 설명하면 다음과 같다.

차량의 엔진이 시동 오프를 유지하고 있는 상태에서(S101) 제어부(200)는 이그니션 검출부(101)로부터 시동 온이 검출되는지를 판단한다(S102).

상기 S102의 판단에서 엔진의 초기 시동 온이 검출되면 도시되지 않은 배터리 단자에 장착되어 있는 배터리 검출부(102)로부터 배터리의 전류와 전압 및 온도의 정보를 검출하여(S103) 배터리의 충전 상태를 추출한다(S104).

이후, 추출된 배터리의 충전상태를 기반으로 초기 시동 온에 따른 목표 충전상태의 전압을 결정하여(S105), 목표 충전상태의 전압에 도달하기까지 알터네이터(300)를 제어하여 충전 제어를 실행한다(S106).

즉, 시동시의 배터리 충전상태에 따라 목표 누적 전류량이 결정되고 이 값이 도달하기까지 모든 발전 제어를 금지하고 목표 충전전압을 높게 유지하여 알터네이터(300)의 발전량을 늘인다.

상기 엔진의 초기 시동 온 직후에 실행하는 충전제어는 시동시의 배터리 충전상태에 따라 구간의 길이가 결정된다.

상기에서 배터리의 충전상태는 배터리 검출부(102)에서 검출되는 배터리의 전류, 전압, 온도로부터 결정되는 충전상태이고, 누적 전류량은 엔진이 운전되어지는 동안 시간을 기준으로 누적시킨 값을 의미한다.

이와 같이 엔진 초기 시동 온에 따른 목표 충전전압으로의 발전 제어를 진행하는 상태에서 목표 충전전압으로의 충전제어가 완료되었는지를 판단한다(S107).

상기 S107의 판단에서 목표 충전전압으로의 충전제어가 완료되었으면 배터리의 만충전이 유지되고 있는 상태이므로 차량의 운전 조건에 따른 방전목표 충전상태를 결정하여(S108) 방전제어를 실행한다.

즉, 엔진 회전수 검출부(103)에서 검출되는 현재의 엔진 회전수, 차속 검출부(104)에서 검출되는 주행 차속, 스로틀 개도 검출부(105)에서 검출되는 스로틀 밸브의 개도량, 가속 페달 검출부(106)에서 검출되는 가속 페달의 변위량 등을 정보로부터 현재 차량이 가속, 정속, 감속 혹은 아이들 조건에 있는지를 판단하고, 판단되는 결과에 따라 방전목표 충전상태를 결정하여 방전제어를 실행한다.

상기 방전제어는 엔진의 초기 시동 온에 따라 실행한 충전제어에서 배터리에 저장된 에너지를 이용하여 가속, 정속, 아이들 조건에서는 부하에 공급하므로, 목표 충전상태의 전압을 낮게 설정하여 알터네이터(300)를 발전 제어함으로써, 연비 소모가 최소화되도록 한다.

그리고, 배터리의 충전상태에 따른 목표 누적 전류량에 도달하기까지 발전 제어를 지속적으로 유지한다.

그러나, 감속시에는 목표 충전상태의 전압을 높게 유지하여 감속되는 에너지를 최대로 활용한다.

상기 S109의 방전제어에 따라 목표 충전상태에 도달하였는지 판단하여(S110) 목표 충전상태에 도달한 것으로 판단되면 배터리의 전류와 전압 및 온도의 정보를 분석하여 충전상태를 검출한다(S111).

이후, 피드백 제어를 위한 목표 충전상태를 결정한 다음(S112) 알터네이터(300)의 작동을 피드백 제어하여 목표 충전상태를 추종하는 목표 충전상태의 발전 제어를 실행한다(S113).

상기 목표 충전상태의 발전제어는 엔진 시동 직후의 충전제어와 방전제어의 구간이 완료된 이후에 실시되며, 목표 충전상태를 유지하도록 목표 전압을 피드백 조정한다.

이 구간에서는 배터리로 공급되는 방전 방지를 위한 잉여전류를 제로(Zero)화로 유지시켜 연비 향상이 제공되도록 한다.

그러나, 이 구간에서도 마찬가지로 감속시에는 목표 전압을 높게 유지한다.

이상에서 본 발명의 실시예에 대하여 상세하게 설명하였지만 본 발명의 권리범위는 이에 한정되는 것은 아니고 다음의 청구범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 변형 및 개량 또한 본 발명의 권리범위에 속한다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 차량의 발전 제어장치 구성을 개략적으로 도시한 도면이다.

도 2는 본 발명의 실시예에 따른 차량에서 발전 제어를 실행 과정을 도시한 흐름도이다.

도 3은 본 발명의 실시예에 따른 차량에서 발전 제어 과정을 도시한 타이밍도이다.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

101 : 이그니션 검출부 102 : 배터리 검출부

103 : 엔진 회전수 검출부 104 : 차속 검출부

105 : 스로틀 개도 검출부 106 : 가속페달 검출부

200 : 제어부 300 : 알터네이터

Claims (9)

1. 엔진의 시동 온/오프에 대한 정보를 제어부에 제공하는 이그니션 검출부;

   배터리의 전극에 장착되어 배터리의 충전상태를 판단하기 위한 정보를 제어부 제공하는 배터리 검출부;

   엔진 회전수에 대한 정보를 제어부에 제공하는 엔진 회전수 검출부;

   주행 차속의 정보를 제어부에 제공하는 차속 검출부;

   스로틀 밸브의 개도량을 제어부에 제공하는 스로틀 개도 검출부;

   가속페달의 변위량을 제어부에 제공하는 가속페달 검출부;

   엔진의 시동 온에 따라 배터리의 정보와 차량의 주행조건을 종합하여 순차적으로 충전제어와 방전제어 및 목표 충전제어를 실행하는 제어부;

   상기 제어부의 제어신호에 따라 전압을 발전시켜 목표 충전상태를 추종시키는 알터네이터를 포함하는 차량의 발전 제어장치.
2. 제1항에 있어서,

   상기 배터리 검출부는 전압센서와 전류센서 및 온도센서를 포함하며, 배터리의 전압과 전류 및 온도 정보를 검출하여 제어부에 제공하는 차량의 발전 제어장치.
3. 제1항에 있어서,

   상기 제어부는 엔진의 초기 시동 온이 검출되면 배터리의 충전상태에 따라 목표 누적 전류량을 결정하고, 배터리의 충전상태가 목표 누적 전류량에 도달할 때까지 목표 충전상태를 높게 유지하여 알터네이터의 발전량을 많게 제어하는 충전제어를 실행하는 차량의 발전 제어장치.
4. 제1항에 있어서,

   상기 제어부는 엔진 초기 시동 온에 따른 충전제어 구간에서 부하의 요청에 의한 발전제어를 금지하는 차량의 발전 제어장치.
5. 제1항에 있어서,

   상기 제어부는 엔진 시동 온에 따른 충전제어 구간에서 배터리에 저장된 에너지를 가속, 정속, 아이들 운행에서 부하에 제공하고, 목표 전압을 낮게 설정하여 알터네이터의 발전량을 적게 제어하며, 충전상태에 따른 목표 누적 전류량에 도달하기까지 제어를 방전제어 구간의 발전제어를 유지하는 차량의 발전 제어장치.
6. 제1항에 있어서,

   상기 제어부는 엔진 시동 온에 따른 충전제어 및 방전제어의 구간이 종료된 이후에 목표 충전상태를 유지하도록 목표 전압을 피드백 제어하는 충전상태 제어를 실행하며, 이 구간에서는 배터리로 공급되는 잉여전류를 제로(Zero)화 하는 차량의 발전 제어장치.
7. 제5항에 있어서,

   상기 제어부는 방전제어 구간에서 감속인 경우 목표 충전상태 전압을 높게 유지하여 감속으로 발생되는 에너지를 최대로 활용하는 차량의 발전 제어장치.
8. 엔진의 시동 온이 검출되는지 판단하는 과정;

   엔진 시동 온이 검출되면 배터리의 정보를 검출하여 목표 충전상태의 전압을 결정하고, 알터네이터의 발전량을 높게 제어하는 충전제어 과정;

   충전제어가 완료되면 충전제어에 의해 저장된 에너지를 가속이나 아이들 혹은 정속 구간에서 배터리의 충전상태에 따른 목표 누적 전류량에 도달하기까지 알터네이터의 발전량을 낮게 제어하는 방전제어 과정;

   상기 충전제어 및 방전제어가 완료되면 배터리의 실질적인 목표 충전상태를 결정하고, 목표 충전상태를 추종하도록 알터네이터의 발전량을 피드백 제어하는 목표 충전상태 제어 과정을 포함하는 차량의 발전 제어방법.
9. 제8항에 있어서,

   상기 충전제어 과정 및 방전제어 과정 중에 감속이 검출되면 목표 충전상태를 높게 결정하여 감속에 따른 회생 에너지를 최대로 활용하는 차량의 발전 제어방법.

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