KR101021129B1 - 하이브리드 차량의 힐 홀딩 제어 방법 - Google Patents

하이브리드 차량의 힐 홀딩 제어 방법

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Abstract

본 발명은 하이브리드 차량의 힐 홀딩 제어 방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 등판길을 주행하는 EV 주행모드 조건에서 전기모터만을 이용하여 차량의 정지상태를 유지할 수 있는 힐 홀딩(hill holding) 기능이 인버터의 파워모듈에 가혹 조건을 주지 않는 범위에서 용이하게 발휘되도록 한 하이브리드 차량의 힐 홀딩 제어 방법에 관한 것이다.
이를 위해, 본 발명은 하이브리드 차량이 EV모드 주행중 등판길에서 정지할 때, 전기모터만으로 차량의 정지상태를 유지시키는 힐 홀딩(hill holding) 제어를 진행하되, 상기 힐 홀딩 제어는 하이브리드 차량의 주제어기인 HCU에서 모터에 대하여 힐 홀딩을 위한 토크 지령을 하는 단계와; 상기 모터의 회전 위치각을 감지하는 레졸버의 감지신호가 RDC(Resolver-to-Digital Converter)를 거쳐 모터 제어기에 입력신호로 입력되는 동시에 상기 모터제어기는 모터의 회전각도중 전류가 최소화되는 각도로 맞춰서 모터의 힐 홀딩이 이루어지도록 인버터 파워모듈의 모터 출력을 제어하는 단계; 로 이루어지는 것을 특징으로 하는 하이브리드 차량의 힐 홀딩 제어 방법을 제공한다.
하이브리드, 힐 홀딩, 제어, 인버터, 모터제어기, 파워모듈, 모터, 회전각도

Description

하이브리드 차량의 힐 홀딩 제어 방법{Method for controlling hill holding of hybrid vehicle}
본 발명은 하이브리드 차량의 힐 홀딩 제어 방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 등판길을 주행하는 EV 주행모드 조건에서 전기모터만을 이용하여 차량의 정지상태를 유지할 수 있는 힐 홀딩(hill holding) 기능이 인버터의 파워모듈에 가혹 조건을 주지 않는 범위에서 용이하게 발휘되도록 한 하이브리드 차량의 힐 홀딩 제어 방법에 관한 것이다.
하이브리드 차량은 엔진 뿐만 아니라 모터 구동원을 보조 동력원으로 채택하여, 배기가스 저감 및 연비 향상을 도모할 수 있는 미래형 차량으로서, 그 동력전달장치의 배열에 따라 직렬형 또는 병렬형 등으로 나눌 수 있다.
첨부한 도 1에 도시된 하이브리드 차량의 경우, 엔진(10), 모터(20), 자동변속기(30)가 일축상에 직결되어 있고, 엔진(10) 및 모터(20)는 클러치(40)에 의하여 연결되어 있으며, 또한 상기 자동변속기(30)는 드라이브샤프트(60)에 동력을 전달 할 수 있게 연결되어 있다.
또한, 상기 모터(20)의 동작을 위하여 인버터(70)와 고전압배터리(80)가 모터에 연결되고, ISG(50, ISG(Integrated Starter Generator ; 일체형 기동 발전기)가 벨트에 의하여 엔진의 크랭크 풀리와 직결되어 있다.
이러한 구성을 기반으로 하는 하이브리드 차량은 모터 동력만을 이용하는 순수 전기자동차 모드인 EV(electric vehicle)모드와, 엔진의 회전력을 주동력으로 하면서 상기 모터의 회전력을 보조 동력으로 이용하는 보조모드인 HEV(hybrid electric vehicle)모드와, 차량의 제동 혹은 관성에 의한 주행시 차량의 제동 및 관성 에너지를 상기 모터에서 발전을 통하여 회수하여 배터리에 충전하는 회생제동(RB: Regenerative Braking)모드를 통하여 그 주행이 이루어진다.
특히, 상기한 하이브리드 차량의 저속구간에서는 전기 모터(20)만으로 차량을 주행하는 EV(electric vehicle)모드 주행 전략을 갖는 바, 등판길을 주행하는 조건에서 별도의 브레이크 조작이 아닌 EV(electric vehicle)모드 즉, 전기모터만을 이용하여 차량의 정지상태를 유지할 수 있는 힐 홀딩(hill holding) 기능을 구현할 수 있다.
그러나, 현재 하이브리드 시스템 구성상 상기 전기모터만으로 힐 홀딩(hill holding) 기능을 발휘시키는 것은 감당하기 어려우며, 그 이유는 힐 홀딩(hill holding) 토크를 유지하는 조건이 엔진 회전수가 0rpm이므로, 결국 모터를 제어하는 모터제어기내의 인버터 파워회로에 가장 가혹한 조건이 되기 때문이다.
이렇게 모터제어기의 인버터 파워회로가 가혹조건이 되면, 모터제어기내의 파워모듈에 국부적인 온도상승을 초래하여, 모터제어기내의 각종 소자들이 파손되는 문제점이 따르게 된다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 감안하여 안출한 것으로서, 하이브리드 시스템 구성중 전기모터만으로 힐 홀딩(hill holding) 기능을 구현하되, 모터의 회전각도를 전류가 최소화되는 각도에 맞추어 정지하도록 모터 출력을 제어함으로써, 인버터 파워모듈의 가장 가혹한 조건시의 소비전류에 비하여 전류를 감소시키는 동시에 전류 감소에 따른 파워모듈의 발열량을 감소시켜, 힐 홀딩을 위한 토크를 증대시킬 수 있도록 한 하이브리드 차량의 힐 홀딩 제어 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명은 하이브리드 차량이 EV모드 주행중 등판길에서 정지할 때, 전기모터만으로 차량의 정지상태를 유지시키는 힐 홀딩(hill holding) 제어를 진행하되, 상기 힐 홀딩 제어는 하이브리드 차량의 주제어기인 HCU에서 모터에 대하여 힐 홀딩을 위한 토크 지령을 하는 단계와; 상기 모터의 회전 위치각을 감지하는 레졸버의 감지신호가 RDC(Resolver-to-Digital Converter)를 거쳐 모터 제어기에 입력신호로 입력되는 동시에 상기 모터제어기는 모터의 회전각도중 전류가 최소화되는 각도로 맞춰서 모터의 힐 홀딩이 이루어지도록 인버터 파워모듈의 모터 출력을 제어하는 단계; 로 이루어지는 것을 특징으로 하는 하이브리드 차량의 힐 홀딩 제어 방법을 제공한다.
바람직하게는, 상기 모터의 회전각도중 전류가 최소화되는 각도에 맞추어 힐 홀딩이 이루어짐에 따라, 상기 인버터 파워모듈의 가혹한 조건시에 비하여 소비전류의 감소 및 발열량이 감소되어, 힐 홀딩(hill holding)을 위한 모터 토크가 증대되도록 한 것을 특징으로 한다.
상기한 과제 해결 수단을 통하여, 본 발명은 다음과 같은 효과를 제공할 수 있다.
본 발명에 따르면, 하이브리드 차량이 등판로에서 정지할 때, 모터의 회전각도중 전류가 최소화되는 각도에 맞추어 모터가 정지하도록 모터 출력을 제어함으로써, 인버터 파워모듈의 가장 가혹한 조건시의 소비전류에 비하여 전류를 감소시키는 동시에 전류 감소에 따른 파워모듈의 발열량을 감소시켜, 파워모듈의 각종 소자의 파손을 방지할 수 있고, 특히 힐 홀딩을 위한 토크를 증대시켜 차량이 등판로에서 안정화된 정지상태를 유지할 수 있다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부도면을 참조로 상세하게 설명하기로 한다.
먼저, 본 발명의 이해를 돕기 위하여 하이브리드 차량의 인버터 시스템 구성과, 인버터의 파워모듈에 따른 모터의 정상 구동시 및 모터의 힐 홀딩시 전류파형, 등가열모델, 파워모듈의 구성간 정션온도 변화 등을 설명하면 다음과 같다.
상기 인버터(70)는 모터제어기의 일 구성으로서, 첨부한 도 2에 도시된 바와 같이 고전압배터리(80)와 릴레이(72)에 통해 전원을 공급받아 모터(20)에 3상 전류를 제공하는 파워모듈(90)을 포함하여 구성된다.
상기 파워모듈(90)의 인버터에 대한 1상 회로도만을 나타내는 첨부한 도 3을 참조하면, P채널의 스위칭 디바이스(QT)와 다이오드(DT), 그리고 N채널의 스위칭 디바이스(QB)와 다이오드(DB)에 의하여 전기모터쪽으로 U상, V상, W상 전압이 출력된다.
이때, 상기 모터의 정상 구동시(EV모드 주행시), 상기 P채널의 스위칭 디바이스(QT)와 N채널의 다이오드(DB)에 흐르는 전류 파형을 측정해 보면 첨부한 도 4의 파형도에서와 같이 최소전류지점에서 최대전류지점으로 상승하는 동시에 다시 최대전류지점에서 최소전류지점까지 하강하는 형태인 볼록한 곡선이 반복되는 형상을 띠게 되고, 주행중의 정상 구동되는 모터의 실질적인 전류 파형도 첨부한 도 5의 파형도에 도시된 바와 같이 U상, V상, W상 전류가 서로 엇갈리며 사인(sin)파형을 띠게 된다.
반면에, 차량이 EV모드 주행모드로 가동되다가 등판길에서 엔진 RPM이 제 로(0)상태가 됨과 함께 차량이 정지하여, 모터의 힐 홀딩(hill holding)이 이루어질 때, 상기 P채널의 스위칭 디바이스(QT)와 N채널의 다이오드(DB)에 흐르는 전류 파형을 측정해 보면 첨부한 도 6의 파형도에서와 같이 최대전류지점이 지속적으로 유지되는 직선 형상을 띠게 되고, 첨부한 도 7의 파형도에서와 같이 특히 U상 전류가 최대치를 유지하며 연속적으로 인가되어진다.
여기서, 상기 파워모듈의 실제 단면 구조 및 등가열모델를 설명하면 다음과 같다.
첨부한 도 8은 파워모듈의 실제 단면 구조를 나타내고, 도 9는 모터 정상 구동시 등가열 모델을, 도 10은 모터 힐 홀딩시 등가열 모델을 나타낸다.
상기 파워모듈(90)은 상기 구리 및 알루미늄 합금이 상하로 적층된 베이스플레이트(92)와, 접착수단인 솔더(solder)에 의하여 구리 베이스플레이트상에 적층되는 제1구리패턴(93: DBC(Direct Bonding Copper)) 및 제2구리패턴(94)과, 상기 제1 및 제2구리패턴 사이에 적층되는 질화 알루미늄 패턴(95)과, 상기 제2구리패턴(94)상에 구성되는 IGBT(96) 등을 포함하여 구성된다.
도 8에서, TA는 알루미늄 베이스플레이트의 온도를, TH 및 TC는 구리 베이스플레이트와 알루미늄 베이스플레이트간의 정션(접함점:junction)온도를, TJ는 IGBT의 정션온도 내지 IGBT의 다이오드 온도를 측정하는 지점을 지시하고 있고, 도 9 및 도 10에는 파워 공급에 따른 상기 TA, TH, TC, TJ를 측정하기 위한 등가열 모델 및 통상의 측정 계산식 도출과정을 보여주고 있다.
이때, 도 9 및 도 10의 등가열 모델에 제시된 측정 계산식에서, 각 측정 지점의 저항은 다음의 표 1에 기재된 바와 같다.
Figure 112009008145078-pat00001
여기서, 첨부한 도 9의 모터 정상 구동시 등가열모델에 기재된 일련의 통상적인 수식을 이용한 인버터 파워모듈의 IGBT 정션 온도(TJ(Q))는 아래와 같이 구해진다.
TJ(Q) = TA + PQAV*Re(J-C)Q + 2(PQAV+PDAV)*(1/3Re(C-H) + 1/3Re(H-A))
= 65 + 0.31PQAV + 0.18PDAV = 150℃(PQAV = 239W, PDAV = 63W @240ARMS)
또한, 첨부한 도 9의 모터 정상 구동시 등가열모델에 기재된 일련의 통상적인 수식을 이용한 인버터 파워모듈의 다이오드 정션온도(TJ(D))는 아래와 같이 구해진다.
TJ(D) = TA + PDAV*Re(J-C)D + 2(PQAV+PDAV)*(1/3Re(C-H) + 1/3Re(H-A))
= 65 + 0.18PQAV + 0.42PDAV = 134℃(PQAV = 239W, PDAV = 63W @240ARMS)
이렇게 모터 정상 구동시 등가열모델에 기재된 일련의 통상적인 수식을 이용한 인버터 파워모듈의 IGBT 정션 온도(TJ(Q))와 다이오드 정션온도(TJ(D))를 구한 결과, IGBT 정션 온도(TJ(Q))는 150℃로, 그리고 다이오드 정션온도(TJ(D))는 134℃로 나타났고, 이 온도에서 통상의 토크 측정장비를 통해 모터 토크를 구해 보았는 바, 그 결과 모터는 205Nm의 토크를 출력할 수 있는 것으로 측정되었다.
반면에, 첨부한 도 10의 모터 힐 홀딩시(가장 가혹한 조건) 등가열모델에 기재된 일련의 통상적인 수식을 이용한 IGBT 정션 온도(TJ(Q))는 아래와 같이 구해진다.
TJ(Q) = TA + 3PQAV*Re(J-C)Q + 3(PQAV+PDAV)*(1/3Re(C-H) + 1/3Re(H-A))
= 65 + 0.66PQAV + 0.27PDAV = 231℃(PQAV = 196W, PDAV = 136W @240ARMS)
또한, 첨부한 도 10의 모터 힐 홀딩시(가장 가혹한 조건) 등가열모델에 기재된 일련의 통상적인 수식을 이용한 다이오드 정션온도(TJ(D))는 아래와 같이 구해진다.
TJ(D) = TA + PQAV*Re(J-C)D + 2(PQAV+PDAV)*(1/3Re(C-H) + 1/3Re(H-A))
= 65 + 0.27PQAV + 0.99PDAV = 253℃(PQAV = 196W, PDAV = 136W @240ARMS)
이렇게 모터 힐 홀딩시, 상기 등가열모델에 기재된 일련의 통상적인 수식을 이용한 인버터 파워모듈의 IGBT 정션 온도(TJ(Q))와 다이오드 정션온도(TJ(D))를 구한 결과, IGBT 정션 온도(TJ(Q))는 231℃로, 그리고 다이오드 정션온도(TJ(D))는 253℃로 매우 높게 나타났고, 고온이 지속되면 IGBT 및 다이오드 소자들이 파괴되는 문제점이 야기될 수 있다.
따라서, 소자 파괴를 방지하기 위하여 IGBT 정션 온도(TJ(Q))와 다이오드 정션온도(TJ(D))를 약 150℃로 유지해야 하므로, 240ARMS의 전류를 108ARMS로 제한하여야 하며, 이렇게 전류를 108ARMS의 전류로 다운 제한하면서 통상의 토크 측정장비를 통해 모터 토크를 구해 보았는 바, 그 결과 모터는 92Nm의 토크를 출력할 수 있는 것으로 측정되었다.
이와 같이, 등판길을 주행하는 EV 주행모드 조건에서 차량이 정지상태를 유지할 수 있도록 모터가 힐 홀딩(hill holding) 토크를 발휘될 때, 모터에 제공되는 3상 전류의 크기가 최대이든 최소이든 상관없이 정지시점(모터가 힐 홀딩(hill holding) 토크를 발휘하는 시점)이 정해지게 되므로, 모터에 대한 전류 및 전압제어를 담당하는 모터제어기내의 인버터 및 그 파워모듈이 가혹 조건으로 동작하여 IGBT 및 다이오드 소자 등이 파손될 수 있는 문제점이 있다.
이러한 점을 감안하여, 본 발명은 첨부한 도 1에 도시된 바와 같이, 엔진(10), 모터(20), 자동변속기(30)가 일축상에 직결되어 있고, 엔진(10) 및 모터(20)는 클러치(40)에 의하여 연결되어 있고, 모터(20)에 인버터(70)와 고전압배터리(80)가 연결된 하이브리드 차량에 있어서, 차량이 EV모드 주행중 등판길에서 정지할 때 전기모터만으로 차량의 정지상태를 유지시키는 힐 홀딩(hill holding) 기능을 구현하되, 모터의 회전각도를 전류가 최소화되는 각도에 맞추어 정지하도록 모터 출력을 제어하는 점에 특징이 있다.
이렇게, 모터의 회전각도중 전류가 최소화되는 각도에 맞추어 힐 홀딩이 이루어짐에 따라, 인버터 파워모듈의 가장 가혹한 조건시의 소비전류에 비하여 전류를 감소시키는 동시에 전류 감소에 따른 파워모듈의 발열량을 감소시킬 수 있고, 결국 인버터의 파워모듈의 발열량 감소는 힐 홀딩을 위한 모터 토크의 증대로 이어지게 된다.
보다 상세하게는, 상기한 하이브리드 시스템 구성중 현재 적용되는 모터는 16극이므로, 기계각으로는 7.5(=60/8(영구자석 갯수))도가 되며, 이러한 모터에서 전류가 최소가 되는 각도는 전기각으로 60도마다 반복된다.
따라서, 상기 하이브리드 차량이 EV모드시 등판로에서 정지조건에 진입하게 되면, 첨부한 도 11에 도시된 바와 같이 하이브리드 차량의 주제어기(상위제어기)인 HCU에서 모터에 대하여 힐 홀딩을 위한 토크 지령을 하고, 모터의 위치각을 감지하는 레졸버(102)의 감지신호가 RDC(104: Resolver-to-Digital Converter)를 거쳐 모터 제어기(100)에 입력신호로 입력되고, 상기 인버터 즉, 모터제어기는 모터의 회전각도가 전류가 최소화되는 각도로 맞춰서 정지할 수 있도록 파워모듈(90)의 모터 출력을 제어한다.
이에 따라, 상기 모터의 회전각도중 전류가 최소화되는 각도에 맞추어 힐 홀딩이 이루어짐에 따라, 즉 첨부한 도 12에 도시된 바와 같이 한상에 집중되는 열발생이 최소화되는 운점점으로 힐 홀딩이 이루어짐에 따라, 상기 인버터 파워모듈의 소비전류는 가장 가혹한 조건시의 소비전류에 비하여 약 0.866(=sin60°)배로 줄어들게 되고, 이에 따른 파워모듈의 발열량도 0.8배로 줄어들게 되며, 결국 인버터의 파워모듈의 발열량이 0.8배로 줄어들면 모터의 출력가능한 토크는 100Nm로 증대(최악조건에서의 출력 가능한 토크인 92Nm 대비 약10% 증대됨)될 수 있으므로, 힐 홀딩(hill holding)을 위한 모터 토크를 약 100Nm까지 증대시킬 수 있다.
도 1은 하이브리드 차량의 시스템 구성을 설명하는 개략도,
도 2는 하이브리드 차량의 인버터 시스템 구성을 설명하는 개략도,
도 3은 하이브리드 차량의 인버터의 파워모듈에 대한 1상 회로도,
도 4 및 도 5는 하이브리드 차량의 모터의 정상 구동시 전류파형을 설명하는 파형도,
도 6 및 도 7은 하이브리드 차량의 모터의 힐 홀딩시 전류파형을 설명하는 파형도,
도 8은 하이브리드 차량의 인버터의 파워모듈을 나타내는 개략적 단면도,
도 9 및 도 10은 하이브리드 차량의 모터의 정상 구동시 및 모터의 힐 홀딩시 각 구성간의 정션온도를 측정하는 것을 설명하는 등가열 모델,
도 11은 본 발명에 따른 하이브리드 차량의 힐 홀딩을 위한 제어블럭도,
도 12는 본 발명에 따른 하이브리드 차량의 힐 홀딩시 전류파형을 나타내는 파형도.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
10 : 엔진 20 : 모터
30 : 자동변속기 40 : 클러치
60 : 드라이브샤프트 70 : 인버터
72 : 릴레이 80 : 고전압배터리
90 : 파워모듈 100 : 모터 제어기
102 : 레졸버 104 : RDC

Claims (2)

  1. 하이브리드 차량이 EV모드 주행중 등판길에서 정지할 때, 전기모터만으로 차량의 정지상태를 유지시키는 힐 홀딩(hill holding) 제어를 진행하되,
    상기 힐 홀딩 제어는 하이브리드 차량의 주제어기인 HCU에서 모터에 대하여 힐 홀딩을 위한 토크 지령을 하는 단계와;
    상기 모터의 회전 위치각을 감지하는 레졸버의 감지신호가 RDC(Resolver-to-Digital Converter)를 거쳐 모터 제어기에 입력신호로 입력되는 동시에 상기 모터제어기는 모터의 회전각도중 전류가 최소화되는 각도로 맞춰서 모터의 힐 홀딩이 이루어지도록 인버터 파워모듈의 모터 출력을 제어하는 단계;
    로 이루어지는 것을 특징으로 하는 하이브리드 차량의 힐 홀딩 제어 방법.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 모터의 회전각도중 전류가 최소화되는 각도에 맞추어 힐 홀딩이 이루어짐에 따라, 상기 인버터 파워모듈의 가혹한 조건시에 비하여 소비전류의 감소 및 발열량이 감소되어, 힐 홀딩(hill holding)을 위한 모터 토크가 증대되도록 한 것을 특징으로 하는 하이브리드 차량의 힐 홀딩 제어 방법.
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