KR101028020B1 - 하이브리드 차량용 dc-dc 컨버터의 출력 전압 제어 방법 - Google Patents

하이브리드 차량용 dc-dc 컨버터의 출력 전압 제어 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 하이브리드 차량용 DC-DC 컨버터의 출력 전압 제어 방법에 관한 것으로서, ⅰ)보조배터리의 충전성능 저하를 초래하는 냉시동을 고려하여, 외기온도가 낮을 때 DC-DC 컨버터의 출력전압을 높게 제어하여 보조배터리에 대한 충전 성능을 향상시킬 수 있도록 한 점, ⅱ)보조배터리 충전상태에 따라 DC-DC 컨버터의 출력전압을 높게 또는 낮게 제어하고, 전장부하가 적게 켜져 있는 경우에 DC-DC 컨버터의 출력전압을 높게 제어하여 보조배터리에 대한 충전 성능을 향상시킬 수 있도록 한 점, 등을 특징으로 한다.
하이브리드, 보조배터리, DC-DC 컨버터, 충전, 전압, 제어, 메인스위치, 전장부하

Description

하이브리드 차량용 DC-DC 컨버터의 출력 전압 제어 방법{Method for controlling 12V battery charging voltage of hybrid vehicle}
본 발명은 하이브리드 차량용 DC-DC 컨버터의 출력 전압 제어 방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 외기온도, 보조배터리 충전상태, 전장부하 소모량을 고려함과 함께 DC-DC 컨버터의 전력변환 제어에 따라 12V 보조배터리의 충전이 용이하게 이루어질 수 있도록 한 하이브리드 차량용 DC-DC 컨버터의 출력 전압 제어 방법에 관한 것이다.
하이브리드 차량은 가솔린 엔진 뿐만 아니라 모터 구동원을 보조 동력원으로 채택하여, 배기가스 저감 및 연비 향상을 도모할 수 있는 미래형 차량을 말한다.
엔진이 비효율적인 주행환경일 때, 배터리 충방전에 의한 모터의 구동을 통해 시스템의 효율성을 높일 수 있고(load leveling), 또한 감속시에는 브레이크에서 마찰열로 방출되는 운동에너지를 모터의 발전으로 전기로 전환하는 회생제동을 통해 배터리 충전이 이루어져 연비를 향상시킬 수 있다.
이러한 하이브리드 차량은 동력 전달 계통상 모터의 연결 및 구동 여부에 따라 소프트 타입(Soft type)과 하드 타입(Hard tpye)으로 나누어진다.
기존의 하드 타입 하이브리드 차량용 모터 구동 시스템의 구성을 도 6을 참조로 보면, 차량 주행을 위한 모터(M1,M2)와, 모터를 구동 제어하는 인버터(10,12)와, 모터 구동을 위한 직류 전압을 인버터에 인가하는 직류전원용 고전압 배터리(2)와, 배터리(2)로부터 직류 전압을 인버터(10,12)로 승압시켜 공급하는 동시에 인버터(10,12)로부터의 직류 전압을 배터리(2)측으로 감압하여 공급하는 전압 컨버터(14)와, 상기 배터리(2)와 연결되어 직류 전원의 전압을 변환하는 직류변환장치인 DC-DC 컨버터(1) 등을 포함하여 구성되어 있다.
또한, 하이브리드 차량의 12V보조배터리 충전 및 전장부하에 대한 전원공급시스템의 구성을 도 1을 참조로 살펴보면, 고전압 배터리(2)와 DC-DC 컨버터(1)가 메인스위치(3)를 통해 연결되어 있고, DC-DC 컨버터(1)의 출력단에 12V 보조배터리(8) 및 12V 전장부하(4, 각종 제어기, 헤드램프, 워터펌프, 라디에이터 냉각팬 등)가 연결되어 있으며, 이때 전장부하(4)들은 12V 보조배터리(8)의 전원을 사용하도록 연결되어 있다.
이때, 상기 DC-DC 컨버터(1)와 전장부하(4) 사이이면서 12V 보조배터리(8)와 전장부하(4) 사이에에는 정션박스(6)가 연결되어 있고, 상기 DC-DC 컨버터(1)와 12V 보조배터리(8) 사이 및 12V 보조배터리와 정션박스(6) 사이에는 보조배터리측 배선(기생)저항(7)이 배열되고, 전장부하(4)와 정션박스(4) 사이에도 배선(기생)저항(5)이 배열되어 있다.
도 1에서 VDC는 DC-DC 컨버터(1)의 출력전압, VJ는 정션박스(6) 전압으로서 전장부하 전류가 적은 경우 전장부하에 인가되는 전압, VB는 12V 보조배터리(8)의 충전전압을 각각 나타내며, 일반적으로 전압 크기는 VDC > VJ ≫ VB 순으로 나타난다.
이러한 하이브리드 차량의 시동 시퀀스를 보면, 운전자 IG 온 단계와, 상기 보조배터리(8) 전원을 이용하여 각종 제어기 및 메인스위치(3)가 온되는 단계(메인스위치 온 이전까지 DC-DC 컨버터 미작동)와, 시동 완료후 DC-DC 컨버터(1)가 동작하여 보조배터리(8)에 대한 충전 및 전장부하(4)에 대한 전원을 공급하는 단계로 이루어진다.
상기와 같은 구성 및 동작을 하는 하이브리드(연료전지, 플러그 인 하이브리드, 전기자동차 포함) 차량에 있어서, 상기 DC-DC 컨버터의 전압을 낮게 유지하면 전장부하가 소모하는 전력이 적어져서 연비가 증가하나, 보조배터리 충전에너지량이 적어져서 충전성능이 저하되면서 냉시동시 차량 시동 불량을 초래할 수 있다.
보다 상세하게는, 하이브리드 차량의 구성중 상기 DC-DC 컨버터는 12V 또는 24V용 보조배터리 충전 기능과 차량의 전장부하의 전원공급기능을 수행하는 바, 연비 향상을 위하여 전장부하 공급 전압을 가급적 낮게 유지해야 하고, 보조배터리의 충전 성능면에서는 어느 정도 범위내에서는 충전 전압이 높을수록 유리하지만, 보조배터리에 대한 충전 상태가 나쁠 경우에는 냉시동시 보조배터리 전압 저하로 인하여 시동이 걸리지 않는 상황이 발생할 수 있어 차량의 상품성을 떨어뜨리는 원인 이 되며, 특히 도 1에 나타낸 바와 같이 DC-DC 컨버터(1)와 전장부하(4)간 연결 거리가 짧고, DC-DC 컨버터(1)와 보조배터리(8)간 연결 거리가 긴 경우에 DC-DC 컨버터(1)의 출력전압 범위가 넓어지면서 전력변환효율이 감소하는 문제가 더 발생하게 된다.
이에, DC-DC 컨버터와 보조배터리간의 파워케이블 직경을 증대시켜 케이블 저항을 최소화시키는 방법이 있지만, 이는 차량 무게 상승, 원가 상승, 케이블 라이팅 자유도 저하 등의 문제점을 초래하고, 또한 부품의 설치 위치를 조절하는 방식으로서 DC-DC 컨버터와 보조배터리를 가깝게 배치하는 동시에 DC-DC 컨버터와 전장부하를 멀리 배치하는 방법이 있지만, 이는 차량의 패키지와 DC-DC 컨버터 냉각 방식 등 여러가지 제약사항들로 인하여 차량 설계 및 상품성 저하를 초래한다.
한편, 상술한 바와 같이 시동 완료후 DC-DC 컨버터(1)가 동작하여 보조배터리(8)에 대한 충전 및 전장부하(4)에 대한 전원을 공급하는 바, 이때 보조배터리 전원이 9V 이하인 경우 메인스위치(3)가 온되지 않는(반면, 각종 제어기는 6V이상에서 기본동작 유지) 현상이 발생하고, 이에 DC-DC 컨버터와 고전압배터리가 연결되지 않아 보조배터리에 대한 충전이 이루어지지 않는 문제점이 있으며, 특히 냉시동시 보조배터리의 전압이 더 낮아지는 경향이 있다.
본 발명은 상기와 같은 점을 감안하여 안출한 것으로서, 보조배터리의 충전 성능 저하를 초래하는 냉시동을 고려하여, 외기온도가 낮을 때 DC-DC 컨버터의 출력전압을 높게 제어하여 보조배터리에 대한 충전 성능을 향상시킬 수 있도록 한 하이브리드 차량용 12V 보조배터리의 충전 전압 제어 방법을 제공한다.
본 발명의 다른 목적은 보조배터리 충전상태에 따라 DC-DC 컨버터의 출력전압을 높게 또는 낮게 제어하고, 전장부하가 적게 켜져 있는 경우에 DC-DC 컨버터의 출력전압을 높게 제어하여 보조배터리에 대한 충전 성능을 향상시킬 수 있도록 한 점에 있다.
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상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 구현예는: 시동 온이 진행된 후, 외기온도와 경계온도를 비교하는 단계와; 외기온도가 경계온도 이하이면, 12V 보조배터리의 전압을 측정하는 단계와; 보조배터리의 전압이 소정의 기준전압 이하이면 DC-DC 컨버터가 출력 전압을 대폭 상승시키는 강충전 모드로 작동하는 단계와; 12V 보조배터리의 전압이 소정의 기준전압 이상이면 DC-DC 컨버터가 출력 전압을 소폭 상승시키는 약충전 모드로 작동하는 단계; 를 통하여, 12V 보조배터리에 대한 충전이 이루어지도록 한 것을 특징으로 하는 하이브리드 차량용 DC-DC 컨버터의 출력 전압 제어 방법을 제공한다.
상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 다른 구현예는: 시동 온이 진행된 후, 현재의 12V 전장부하량을 기준부하값과 비교하는 단계와; 비교 결과, 12V 전장부하량이 기준부하값보다 작으면, DC-DC 컨버터의 출력전압을 상승시켜 보조배터리 충전성능 향상모드가 진행되는 단계와; 12V 전장부하량이 기준부하값보다 크면, 12V 배터리 충전상태를 확인하는 단계와; 12V 배터리 충전상태가 충전 경계값 이하이면 보조배터리 충전성능 향상모드로 진입하는 단계; 를 통하여, 12V 보조배터리에 대한 충전이 이루어지도록 한 것을 특징으로 하는 하이브리드 차량용 DC-DC 컨버터의 출력 전압 제어 방법을 제공한다.
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상기한 과제 해결 수단을 통하여, 본 발명은 다음과 같은 효과를 제공한다.
첫째, 외기온도가 낮을 때 DC-DC 컨버터의 출력전압을 높게 제어하여 보조배터리에 대한 충전 성능 향상 및 냉시동성 개선을 도모할 수 있다.
둘째, 보조배터리의 충전상태에 따라 DC-DC 컨버터의 출력전압을 증가 또는 감소시키되, 보조배터리의 충전상태가 양호하면 DC-DC 컨버터의 출력전압을 낮게 유지하여 연비를 향상시킬 수 있고, 보조배터리의 충전상태가 불량하면 DC-DC 컨버터의 출력전압을 높게 유지하여 보조배터리에 대한 충전 성능 향상을 도모할 수 있다.
셋째, 전장부하들중 켜져 있는 전장부하가 적은 경우, DC-DC 컨버터의 출력전압을 높게 제어하여 보조배터리 충전성능을 향상시킬 수 있고, 전장부하가 많이 켜져 있는 경우에는 DC-DC 컨버터의 출력전압을 낮게 제어하여 연비향상을 도모할 수 있다.
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이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부도면을 참조로 상세하게 설명하기로 한다.
첨부한 도 1을 참조하여 전술한 바와 같이, 하이브리드 차량의 12V 보조배터리 충전 및 전장부하에 대한 전원공급 시스템의 구성을 보면, 고전압 배터리(2)와 DC-DC 컨버터(1)가 메인스위치(3)를 통해 연결되어 있고, DC-DC 컨버터(1)의 출력단에 12V 보조배터리(8) 및 12V 전장부하가 연결되어 있으며, 도 5에서 보는 바와 같이 DC-DC 컨버터(1)의 입력단측에는 전압컨버터(14) 및 DC링크 커패시터(16)를 매개로 모터(M1,M2)를 구동 제어하는 인버터(10,12)가 연결되어 있다.
본 발명은 위와 같은 하이브리드용 12V 보조배터리 충전 및 전장부하에 대한 전원공급 시스템 구성을 기반으로 하여, 외기온도, 보조배터리 충전상태, 전장부하 소모량을 고려함과 함께 DC-DC 컨버터의 전력변환 방향 제어에 따라 12V 보조배터리에 대한 충전 전압 제어가 용이하게 이루어지도록 한 점에 주안점이 있다.
여기서, 본 발명의 하이브리드 차량용 12V 배터리의 충전 전압 제어 방법에 대한 일 실시예를 첨부한 도 2를 참조로 설명하면 다음과 같다.
본 발명의 일 실시예는 보조배터리의 전압이 낮은 온도에서 더 낮아지는 특성이 있고, 그에 따라 충전성능 저하에 따른 문제가 냉시동시 발생하는 점을 해결하고자 한 것으로서, DC-DC 컨버터 동작시 차량 주변온도가 낮은 경우(예를 들어, 0℃ 이하), 연비 저하를 감수하고 DC-DC 컨버터의 출력전압을 높게 제어하는 동시에 DC-DC 컨버터로부터 보조배터리로 공급되는 전압을 높여줌으로써, 보조배터리에 대한 충전 성능을 향상시키고자 한 것이다.
먼저, 시동 온이 진행된 후, 외기온도(Tx)가 경계온도(Tx1) 이하인지를 판단 하는 단계가 진행되어, 외기온도가 경계온도 이상이면 DC-DC 컨버터를 일반적인 운전모드로 정상 작동시킨다.
반면, 외기온도가 경계온도 이하(예를 들어, 0℃ 이하)이면, DC-DC 컨버터의 출력단 전압 또는 12V 보조배터리의 전압(Vb)을 측정하여, DC-DC 컨버터의 출력단 전압 또는 12V 보조배터리의 전압(Vb)이 소정의 기준전압(V2) 이하이면 DC-DC 컨버터가 그 출력 전압을 대폭 상승시키는 강충전 모드로 작동되도록 하고, DC-DC 컨버터의 출력단 전압 또는 12V 보조배터리의 전압(Vb)이 소정의 기준전압(V2) 이상이면 DC-DC 컨버터가 그 출력 전압을 소폭 상승시키는 약충전 모드로 작동되도록 한다.
따라서, 외기온도가 경계온도 이하로 떨어지는 경우, DC-DC 컨버터의 출력 전압을 높여서 12V 보조배터리에 대한 충전이 용이하게 이루어지도록 함으로써, 12V 보조배터리에 대한 충전 상태가 나쁠 경우에 냉시동시 보조배터리 전압 저하로 인하여 시동이 걸리지 않는 상황을 방지할 수 있다.
이후, 12V 보조배터리에 대한 충전 또는 방전 전류를 측정하여, 충전 또는 방전전류 절대치 누적값(IB_SUM)이 경계치(I1) 이상이 되면, DC-DC 컨버터를 일반적인 정상 모드로 작동시키고, 그렇치 않으면 계속 DC-DC 컨버터가 그 출력 전압을 대폭 또는 소폭 상승시키는 모드로 작동되도록 한다.
여기서, 본 발명의 하이브리드 차량용 12V 배터리의 충전 전압 제어 방법에 대한 다른 실시예를 첨부한 도 3을 참조로 설명하면 다음과 같다.
본 발명의 다른 실시예는 보조배터리의 충전상태(SOC)에 따라 보조배터리의 전압이 결정되는 점을 감안하여, 보조배터리의 충전상태에 따라 DC-DC 컨버터의 출력전압을 증가 또는 감소시키되, 보조배터리의 충전상태가 양호하면 연비 향상을 위하여 DC-DC 컨버터의 출력전압을 낮게 유지하고, 보조배터리의 충전상태가 불량하면 연비저하를 감수하고 DC-DC 컨버터의 출력전압을 높게 유지하여, 보조배터리에 대한 충전 성능 향상을 도모하고자 한 것이다.
또한, 본 발명의 다른 실시예는 다수의 전장부하중 켜져 있는 전장부하가 적은 경우, DC-DC 컨버터의 출력전압을 높게 제어하여도 부하 소모량 상승분이 적다는 점을 이용하여, DC-DC 컨버터를 보조배터리 충전성능 향상모드로 작동되도록 하고, 전장부하가 많이 켜져 있는 경우에는 DC-DC 컨버터의 출력전압을 낮게 제어하여 연비향상모드로 동작되도록 한 점에 또 다른 특징이 있다.
먼저, 시동 온이 진행된 후, 12V 전장부하량 즉, 많은수 또는 적은수의 전장부하가 작동되는지를 판정하고, 12V 전장부하량을 기준부하값(L1)과 비교한다.
비교 결과, 12V 전장부하량이 기준부하값(L1)보다 작으면, DC-DC 컨버터의 출력전압을 상승시켜 보조배터리에 대한 충전이 용이하게 이루어지도록 한 충전모드 즉, 보조배터리 충전성능 향상모드가 진행된다.
이때, 12V 전장부하량이 기준부하값(L1)보다 작은 경우, DC-DC 컨버터의 출력 전압을 높여도 전장부하량 증대가 상대적으로 적고, 전장부하량은 전압에 비례하므로 12V 보조배터리 충전이 유리하게 이루어진다.
12V 전장부하량이 기준부하값(L1)보다 크면, 12V 배터리 충전상태(SOC_A)를 확인하여, 12V 배터리 충전상태(SOC_A)가 충전 경계값(S1) 이하이면 상기한 보조배 터리 충전성능 향상모드로 진입하고, 반대로 12V 배터리 충전상태(SOC_A)가 충전 경계값(S1) 이상이면 DC-DC 컨버터의 출력전압을 하강시켜 DC-DC 컨버터의 출력전압을 절약하는 연비향상모드로 진입하게 된다.
즉, 12V 전장부하량이 기준부하값(L1)보다 크다는 것은 많은 수의 전장부하가 작동되고 있음을 의미하므로 DC-DC 컨버터의 출력 전압을 낮추어 전장부하에서의 소모에너지를 가능한 낮추어주게 된다.
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도 1은 하이브리드 차량의 12V보조배터리 충전 및 전장부하에 대한 전원공급시스템 구성을 설명하는 구조도,
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 하이브리드 차량용 12V 배터리의 충전 전압 제어 방법을 설명하는 순서도,
도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 하이브리드 차량용 12V 배터리의 충전 전압 제어 방법을 설명하는 순서도,
도 4는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 하이브리드 차량용 12V 배터리의 충전 전압 제어 방법을 설명하는 순서도,
도 5는 하이브리드 차량용 모터 구동 시스템의 구성을 설명하는 구조도.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
1 : DC-DC 컨버터 2 : 고전압 배터리
3 ; 메인스위치 4 : 전장부하
6 : 정션박스 5, 7 : 기생저항
8 : 12V 보조배터리 10,12 : 인버터
14 : 전압 컨버터 16 : DC 링크 커패시터

Claims (9)

  1. 시동 온이 진행된 후, 외기온도(Tx)와 경계온도(Tx1)를 비교하는 단계와;
    외기온도가 경계온도 이하이면, 12V 보조배터리의 전압(Vb)을 측정하는 단계와;
    보조배터리의 전압(Vb)이 소정의 기준전압(V2) 범위를 벗어나면 DC-DC 컨버터가 출력 전압을 상승시키는 단계;
    를 통하여, 12V 보조배터리에 대한 충전이 이루어지도록 한 것을 특징으로 하는 하이브리드 차량용 DC-DC 컨버터의 출력 전압 제어 방법.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 보조배터리의 전압(Vb)이 소정의 기준전압(V2) 이하이면 DC-DC 컨버터가 출력 전압을 대폭 상승시키는 강충전 모드로 작동하는 것을 특징으로 하는 하이브리드 차량용 DC-DC 컨버터의 출력 전압 제어 방법.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 보조배터리의 전압(Vb)이 소정의 기준전압(V2) 이상이면 DC-DC 컨버터가 출력 전압을 소폭 상승시키는 약충전 모드로 작동하는 것을 특징으로 하는 하이브리드 차량용 DC-DC 컨버터의 출력 전압 제어 방법.
  4. 청구항 1에 있어서,
    외기온도가 경계온도 이상이면 DC-DC 컨버터를 일반적인 운전모드로 정상 작동시키는 것을 특징으로 하는 하이브리드 차량용 DC-DC 컨버터의 출력 전압 제어 방법.
  5. 청구항 1에 있어서,
    12V 보조배터리에 대한 충전 또는 방전 전류를 측정하여, 충전 또는 방전전류 절대치 누적값(IB_SUM)가 경계치(I1) 이상이 되면, DC-DC 컨버터를 일반적인 정상 모드로 작동시키고, 경계치(I1) 이하이면 DC-DC 컨버터가 그 출력 전압을 대폭 또는 소폭 상승시키는 모드로 계속 작동되도록 한 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 하이브리드 차량용 DC-DC 컨버터의 출력 전압 제어 방법.
  6. 시동 온이 진행된 후, 현재의 12V 전장부하량을 기준부하값(L1)과 비교하는 단계와;
    비교 결과, 12V 전장부하량이 기준부하값(L1)보다 작으면, DC-DC 컨버터의 출력전압을 상승시켜 보조배터리 충전성능 향상모드가 진행되는 단계와;
    12V 전장부하량이 기준부하값(L1)보다 크면, 12V 배터리 충전상태(SOC_A)를 확인하는 단계와;
    12V 배터리 충전상태(SOC_A)가 충전 경계값(S1) 이하이면 보조배터리 충전성능 향상모드로 진입하는 단계;
    를 통하여, 12V 보조배터리에 대한 충전이 이루어지도록 한 것을 특징으로 하는 하이브리드 차량용 DC-DC 컨버터의 출력 전압 제어 방법.
  7. 청구항 6에 있어서,
    12V 배터리 충전상태(SOC_A)가 충전 경계값(S1) 이상이면 DC-DC 컨버터의 출력전압을 하강시켜 DC-DC 컨버터의 출력전압을 절약하는 연비향상모드로 진입하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 하이브리드 차량용 DC-DC 컨버터의 출력 전압 제어 방법.
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  9. 삭제
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