KR101038753B1 - 모터 구동 제어 시스템 및 그 제어 방법 - Google Patents

모터 구동 제어 시스템 및 그 제어 방법 Download PDF

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Abstract

전압을 승압할 수 있는 변환기를 포함하도록 구성되는 모터 구동 제어 시스템에서는, 모터로서 작동하는 MG2의 락 상태가 발생하지 않는 경우(S130에서 NO), 모터로서 작동하는 MG1 및 MG2의 필요 전압에 따라서 변환기 출력 전압의 전압 지령값(VHref)이 설정된다(S140). 한편, MG2의 락 상태가 발생하는 경우(S130에서 YES), 변환기에서의 승압을 제한하기 위해, 전압 지령값(VHref)이 제한 전압(Vlmt) 이하로 설정된다(S150, S160). 락 상태가 발생하는 경우, 변환기 출력 전압이 감소되고 인버터에 의해 스위칭되는 직류 전압이 낮아지게 되어, 인버터를 구성하는 스위칭 소자의 스위칭 손실이 저감되고, 열에 의한 온도 상승을 억제한다.

Description

모터 구동 제어 시스템 및 그 제어 방법{MOTOR-DRIVEN CONTROL SYSTEM AND ITS CONTROL METHOD}
본 발명은 모터 구동 제어 시스템 및 그 제어 방법에 관한 것이고, 더욱 특히, 직류(Direct Current) 전원의 출력 전압을 승압할 수 있게 구성되는 변환기를 포함하도록 구성되는 모터 구동 제어 시스템의 제어 기술에 관한 것이다.
일반적으로, 직류 전원으로부터의 직류 전력을 전력 변환기(전형적으로, 인버터)에 의해 교류 전력으로 변환함으로써 교류(Alternating Current) 모터를 구동 및 제어하는 모터 구동 제어 시스템이 사용된다. 인버터와 같은 전력 변환기는 고주파 및 고전력으로 스위칭(switching)을 통하여 전력을 변환한다. 그러므로, 전력 변환기는 상술된 스위칭 작동을 실행하는 스위칭 소자(예를 들면, IGBT : Insulated Gate Bipolar Transistor 등의 고전압용 트랜지스터)의 발열을 회피하도록 구성되어야 한다.
특히, 영구 자석 여자(excited) 동기 모터(PM motor) 등이 인버터와 같은 전력 변환기에 의해 구동되는 동안, 모터의 회전이 외력에 의해 락(lock)된다면, 모터에 제공되는 다수의 상(phase)의 권선(winding)들 중에서 하나의 상의 권선만으로 전류가 집중한다. 그 결과, 전력 변환기(인버터)에 제공되는 복수의 스위칭 소 자 중 이러한 상에 대응하는 스위칭 소자는 급격하게 열을 발생시킨다. 이러한 급격한 발열이 발생하는 경우, 스위칭 소자는 열적으로 파괴될 수도 있다. 그러므로 모터가 락되는 동안에, 전력 변환기(인버터)의 일부를 형성하는 스위칭 소자의 발열을 억제하기 위한 구성이 제안된다.
예를 들어, 일본 특허 공개 No. 9-70195(이하, 특허 문헌 1)는 전기 모터가 락되는 동안, PWM(펄스 폭 변조) 신호의 반송파 주파수(carrier frequency)가 통상의 주파수(10 kHz)로부터 저주파수(1.25 kHz)로 변경되어, 인버터의 스위칭 소자의 스위칭 주파수를 낮추고 그로 인해 스위칭 손실을 감소시켜, 인버터의 각각의 스위칭 소자의 급격한 발열이 회피되는 것을 개시한다.
또한, 일본 특허 공개 No. 2005-117758(이하, 특허 문헌 2)은 인버터의 각 스위칭 소자에 대해 2개의 구동 회로가 병렬로 제공되고, 통상 작동시에는 한쪽의 구동 회로만이 스위칭 소자를 온(on) 및 오프(off)하게 하도록 사용되는 한편, 모터 락 상태시에는 양쪽의 구동 회로가 스위칭 소자를 온 및 오프하게 하도록 사용되는 구성을 개시한다. 이러한 구성에 의하면, 락 상태시에서 스위칭 소자가 온 및 오프를 신속하게 하게 될 수 있어, 통상 상태보다 스위칭 손실이 감소되고 따라서 발열이 감소될 수 있다.
더욱이, 일본 특허 공개 No. 9-215388(이하, 특허 문헌 3)은 인버터를 보호하기 위해, 각 상의 모터 구동 전류의 제곱의 적분치에 근거하여, 일정한 양의 전류가 계속적으로 흐르는 모터의 락 상태가 초기 단계에서 검출되는 것을 개시한다.
대조적으로, 일본 특허 공개 No. 2003-309997(이하, 특허 문헌 4)에는 일례 로서 모터 구동 제어 시스템의 한 종류인 구성이 개시된다. 상기 구성에서는, 직류 전원으로부터의 직류 전압이 변환기에 의해 승압될 수 있고, 변환기에 의해 가변적으로 제어되는 직류 전압이 인버터에 의해 교류 전압으로 변환되어, 교류 모터를 구동 및 제어한다. 이러한 구성에서는, 모터에 인가되는 교류 전압의 진폭이 모터의 작동 상태에 따라 가변될 수 있어, 모터는 고효율에서 작동될 수 있고 고전력이 얻어질 수 있다.
특허 문헌 1에 개시된 구성은, 모터가 락되는 경우 스위칭 소자의 발열을 감소시킬 수 있지만, 감소된 반송파 주파수가 제어 응답성을 저하시키고, 스위칭 주파수가 가청 주파수 범위까지 감소하기 때문에 소음을 증가시킨다.
또한, 특허 문헌 2에 개시된 구성은, 모터가 락되는 경우에만 사용되는 구동 회로가 통상 사용되는 구동 회로에 병렬로 추가 제공되어야 하기 때문에 비용뿐만 아니라 구동 회로의 크기가 증가된다는 문제를 가진다.
그러므로, 모터의 락킹(locking)이 검출되는 경우에 특허 문헌 4에 개시된 바와 같이 변환기를 포함하는 모터 구동 제어 시스템이 스위칭 소자의 발열 방지를 도모하는 경우에는, 상술된 특허 문헌 1 및 2에 개시된 바와 같은 문제를 방지하도록 제어 시스템이 구성되는 것이 바람직하다. 이 점에 관하여, 특허 문헌 3은 락 상태의 확실한 검출을 개시하지만, 락 상태에 있어서 스위칭 소자의 발열을 방지하기 위한 기술에 관해서는 언급하지 않는다.
본 발명은 상술된 바와 같은 문제들을 해결하기 위해 이루어져 왔고, 본 발명의 목적은 직류 전원의 출력 전압을 승압할 수 있게 구성되는 변환기를 포함하도록 구성되고, 모터가 락되는 경우 전력 변환기(인버터)의 일부를 형성하는 각각의 스위칭 소자의 발열에 의한 온도 상승을 효율적으로 억제하도록 구성되는 모터 구동 제어 시스템을 제공하는 것이다.
본 발명에 따른 모터 구동 제어 시스템은 직류 전원, 변환기, 제1 인버터, 전압 설정 수단, 락 검출 수단 및 전압 제한 수단을 포함한다. 변환기는 직류 전원의 출력 전압을 승압할 수 있게 구성되고, 직류 전원의 출력 전압을 전압 지령값에 따라서 가변 제어하여 출력 전압을 직류 전원 라인으로 출력하도록 구성된다. 제1 인버터는, 전기 모터가 작동 지령에 따라 작동하도록, 복수의 스위칭 소자에 의하여, 직류 전원 라인상의 직류 전력과 전기 모터를 구동하기 위한 교류 전력 사이에서 전력 변환을 실행한다. 전압 설정 수단은 전기 모터의 작동 상태에 따라 변환기의 전압 지령값을 설정한다. 락 검출 수단은 전기 모터의 락 상태를 검출하도록 구성된다. 전압 제한 수단은, 락 검출 수단이 락 상태를 검출하는 경우, 전압 설정 수단에 의해 설정되는 전압 지령값 및 사전 설정된 제한 전압 중 더 낮은 하나로 전압 지령값을 설정한다.
본 발명의 모터 구동 제어 시스템을 제어하는 방법에 따르면, 모터 구동 제어 시스템은 직류 전원, 직류 전원의 출력 전압을 승압할 수 있게 구성되고, 직류 전원의 출력 전압을 전압 지령값에 따라서 가변 제어하여 출력 전압을 직류 전원 라인으로 출력하도록 구성되는 변환기, 및 전기 모터가 작동 지령에 따라 작동하도록, 복수의 스위칭 소자에 의하여, 직류 전원 라인상의 직류 전력과 전기 모터를 구동하기 위한 교류 전력 사이에서 전력 변환을 실행하는 제1 인버터를 포함한다. 상기 제어 방법은 전기 모터의 작동 상태에 따라 변환기의 전압 지령값을 설정하는 단계; 전기 모터의 락 상태를 검출하는 단계; 및 락 상태가 검출되는 경우, 전기 모터의 작동 상태에 따라 설정되는 전압 지령값 및 사전 설정된 제한 전압 중 더 낮은 하나로 전압 지령값을 제한하는 단계를 포함한다.
상술된 모터 구동 제어 시스템 및 상기 시스템을 제어하기 위한 방법에 따르면, 전기 모터의 락 상태가 검출되는 경우, 변환기 출력 전압이 제한 전압 이하가 되도록 전압 지령값을 설정함으로써, 제1 인버터에 의해 스위칭되는 직류 전압은 감소될 수 있다. 전기 모터의 토크 출력이 동일하다는 조건하에서는, 인버터에 의해 스위칭되는 직류 전압이 작을수록 각각의 스위칭 소자에서의 스위칭 손실은 감소될 수 있다. 그러므로, 전기 모터의 락 상태가 발생하는 경우, 제1 인버터에서 전류가 집중되는 특정한 상의 스위칭 소자에 있어서 스위칭 손실이 감소되고 따라서 발열에 의한 온도 상승이 억제될 수 있다. 또한, 스위칭 주파수의 감소에 의한 전력 손실 감소와는 달리, 본 발명은 제어 성능의 저하 및 가청 소음의 발생을 초래하지 않고, 따라서, 구동 회로의 병렬 배치에 의한 크기 및 비용의 증가도 없다.
또한, 스위칭 소자의 온도 상승이 억제되어 완만해지게 되므로, 락 상태에서의 전기 모터로부터 보다 긴 시간동안 토크가 출력될 수 있다. 선택적으로, 스위칭 소자의 크기 및 비용을 감소시키기 위해, 엄한 작동 조건하에서 전기 모터의 락 상태가 발생하는 경우, 온도 상승이 완만해진다는 점을 미리 고려하여 소자의 온도 저항이 낮아지도록 스위칭 소자가 설계될 수도 있다.
바람직하게는, 본 발명의 모터 구동 제어 시스템 및 상기 시스템을 제어하는 방법에 따르면, 제한 전압은 직류 전원의 출력 전압과 실질적으로 동등하다.
상술된 모터 구동 제어 시스템 및 상기 시스템을 제어하는 방법에 따르면, 전기 모터의 락 상태가 발생하는 경우, 변환기가 전압을 승압하는 것이 억제되고, 따라서 제1 인버터에 의해 스위칭되는 직류 전압이 낮게 설정될 수 있다. 그러므로, 전기 모터의 락 상태가 발생하는 경우 인버터(제1 인버터)의 스위칭 소자의 온도 상승을 억제하는 효과가 강화될 수 있다.
더욱 바람직하게는, 본 발명의 모터 구동 제어 시스템은 발전기 및 제2 인버터를 더 포함한다. 발전기는 외력에 의해 회전 구동될 수 있도록 구성된다. 제2 인버터는 발전기가 작동 지령에 따라 작동하도록, 복수의 스위칭 소자에 의하여, 직류 전원 라인상의 직류 전력과 발전기를 구동하기 위한 교류 전력 사이에서 전력 변환을 실행한다. 전압 설정 수단은 전기 모터의 작동 상태에 더하여 발전기의 작동 상태에 따라서 변환기의 전압 지령값을 설정한다. 전압 설정 수단은 전기 모터의 작동 상태에 따라서 설정되어야 할 전압 지령값을 산출하는 제1 설정 수단; 발전기의 작동 상태에 따라서 설정되어야 할 전압 지령값을 산출하는 제2 설정 수단; 및 제1 설정 수단 및 제2 설정 수단에 의해 산출되는 각각의 전압 지령값들 중 더 높은 하나로 변환기의 전압 지령값을 설정하는 제3 설정 수단을 포함한다.
더욱 바람직하게는, 본 발명의 모터 구동 제어 시스템을 제어하는 방법에 따르면, 모터 구동 제어 시스템은 외력에 의해 회전 구동될 수 있도록 구성되는 발전기; 및 발전기가 작동 지령에 따라 작동하도록, 복수의 스위칭 소자에 의하여, 직류 전원 라인상의 직류 전력과 발전기를 구동하기 위한 교류 전력 사이에서 전력 변환을 실행하는 제2 인버터를 더 포함한다. 전압 지령값을 설정하는 단계는, 전기 모터의 작동 상태에 더하여 발전기의 작동 상태에 따라서 변환기의 전압 지령값을 설정하기 위해, 전기 모터의 작동 상태에 따라서 설정되어야 할 전압 지령값을 산출하는 제1 보조 단계; 발전기의 작동 상태에 따라서 설정되어야 할 전압 지령값을 산출하는 제2 보조 단계; 및 제1 보조 단계 및 제2 보조 단계에 의해 산출되는 각각의 전압 지령값들 중 더 높은 하나로 변환기의 전압 지령값을 설정하는 제3 보조 단계를 포함한다.
상술된 모터 구동 제어 시스템 및 상기 시스템을 제어하는 방법에 따르면, 전기 모터 및 발전기는 공통의 변환기의 출력 전압을 수신하도록 구성되고, 락 상태가 발생하지 않는 경우, 전기 모터 및 발전기의 양쪽 모두의 작동 상태에 따라서, 변환기 출력 전압의 전압 지령값이 적절하게 설정될 수 있다. 또한, 전기 모터의 락 상태가 발생하는 경우, 변환기의 출력 전압이 제한 전압 이하가 되게 설정되어, 전기 모터와 대응되는 인버터(제1 인버터)의 일부를 형성하는 스위칭 소자의 온도 상승이 억제될 수 있다.
더욱 더 바람직하게는, 본 발명의 모터 구동 제어 시스템은 발전 확보 수단을 더 포함한다. 발전 확보 수단은, 락 검출 수단이 전기 모터의 락 상태를 검출하는 경우에, 발전기로부터 직류 전원 라인에 전력을 공급하도록 구성된다.
특히, 발전 확보 수단은, 전기 모터의 락 상태가 검출되는 경우 발전기로부터 직류 전원 라인으로 전력이 공급될 수 있게, 제한 전압을 설정하도록 구성될 수도 있다. 선택적으로, 제2 인버터는, 발전기에 의해 발생되는 전력이 직류 전원 라인으로 이끌어질 수 있도록, 복수의 스위칭 소자와 각각 병렬로 연결되는 정류 장치를 포함하도록 구성된다. 발전 확보 수단은, 락 검출 수단이 락 상태를 검출하는 경우, 제2 인버터의 각 스위칭 소자를 오프(off)하고, 발전기에 야기되는 교류 전압의 진폭이 직류 전원 라인상의 전압보다 더 높아지도록 발전기의 회전 속도를 증가시키도록 구성될 수도 있다.
더욱 더 바람직하게는, 본 발명의 모터 구동 제어 시스템을 제어하는 방법은 전기 모터의 락 상태가 검출되는 경우, 발전기로부터 직류 전원 라인으로 전력이 공급되도록, 발전기에 의한 발전을 확보하는 단계를 더 포함한다.
특히, 발전 확보 단계는, 전기 모터의 락 상태가 검출되는 경우 발전기로부터 직류 전원 라인으로 전력이 공급될 수 있도록 제한 전압을 설정한다. 선택적으로, 제2 인버터는, 발전기에 의해 발생되는 전력이 직류 전원 라인으로 이끌어질 수 있도록, 복수의 스위칭 소자와 각각 병렬로 연결되는 정류 장치를 포함하도록 구성될 수도 있다. 전기 모터의 락 상태가 검출되는 경우, 발전 확보 단계는, 제2 인버터의 각 스위칭 소자를 오프하고, 발전기에 야기되는 교류 전압의 진폭이 직류 전원 라인상의 전압보다 더 높아지도록 발전기의 회전 속도를 증가시킨다.
상술된 모터 구동 제어 시스템 및 상기 시스템을 제어하는 방법에 따르면, 전기 모터의 락 상태가 발생하는 경우, 제1 인버터의 스위칭 소자의 온도 상승이 억제되는 것과 동시에 발전기에 의해 발생되는 발전량이 확보될 수 있다. 따라서, 스위칭 소자의 온도 상승을 억제하는 효과가 활용되어, 락 상태가 계속될 수 있는 시간, 즉, 전기 모터가 요구되는 토크를 계속적으로 출력할 수 있는 기간을 확보할 수 있다.
바람직하게는, 본 발명의 모터 구동 제어 시스템은 차량에 탑재되고, 전기 모터는 차량의 구동력을 발생시키도록 구성된다.
상술된 모터 구동 제어 시스템 및 상기 시스템을 제어하는 방법에 따르면, 차량의 구동력을 발생시키도록 구성되는 전기 모터를 구동 및 제어하는 모터 구동 제어 시스템에 있어서 전기 모터의 락 상태가 발생하는 경우, 인버터(제1 인버터)의 스위칭 소자의 온도 상승이 억제될 수 있다. 특히, 스위칭 소자의 온도 상승이 억제되어 완만해지게 되므로, 락 상태의 전기 모터는 보다 긴 시간동안 차량의 구동력을 발생시킬 수 있고, 따라서 차량 성능이 향상된다.
더욱 바람직하게는, 차량에 탑재되는 본 발명의 모터 구동 제어 시스템은 스톨(stall) 검출 수단 및 작동 영역 제한 수단을 더 포함한다. 스톨 검출 수단은 액셀러레이터 페달 및 브레이크 페달 모두가 작동되는 스톨 상태를 검출한다. 작동 영역 제한 수단은, 락 검출 수단이 락 상태를 검출하고 스톨 검출 수단이 스톨 상태를 검출하는 경우, 사전 설정된 저회전 속도 영역 및 저출력 토크 영역 내에서 전기 모터의 작동 영역을 제한하기 위해 전기 모터의 작동 지령값을 생성한다. 제어 방법에 관해서는, 상기 방법은 차량의 액셀러레이터 페달 및 브레이크 페달 모두가 작동되는 스톨 상태를 검출하는 단계; 및 전기 모터의 락 상태가 검출되고 스톨 상태가 검출되는 경우, 사전 설정된 저회전 속도 영역 및 저출력 토크 영역 내에서 전기 모터의 작동 영역을 제한하기 위해 전기 모터의 작동 지령값을 생성하는 단계를 더 포함한다.
상술된 모터 구동 제어 시스템 및 상기 시스템을 제어하는 방법에 따르면, 액셀러레이터 페달 및 브레이크 페달 모두가 작동되는 스톨 상태 및 전기 모터의 락 상태 모두가 발생하는 경우, 전기 모터의 작동 영역은, 회전 속도가 낮고 출력 토크가 낮은 특정 영역내로 제한되어, 전기 모터에 의해 차량의 구동력이 발생될 수 있는 한편, 인버터(제1 인버터)의 일부를 형성하는 스위칭 소자의 온도 상승이 억제될 수 있고 스톨 시동 성능이 확보될 수 있다.
더욱 바람직하게는, 본 발명의 모터 구동 제어 시스템은 차량에 탑재되고, 전기 모터는 차량의 구동력을 발생시키도록 구성된다. 연료의 연소에 의해 작동되는 엔진 및 직류 전원 라인으로부터 직류 전원의 출력 전압보다 더 높은 전압이 공급되고, 엔진을 시동시키는 시동 전기 모터가 차량에 더 탑재된다. 모터 구동 제어 시스템은 시동 제한 수단을 더 포함한다. 시동 제한 수단은, 락 검출 수단이 전기 모터의 락 상태를 검출하는 경우, 엔진의 시동을 제한한다. 제어 방법에 관해서는, 상기 방법은 전기 모터의 락 상태가 검출되는 경우 엔진의 시동을 제한하는 단계를 더 포함한다.
상술된 모터 구동 제어 시스템 및 상기 시스템을 제어하는 방법에 따르면, 변환기의 출력 전압에 의하여 엔진을 시동시키는 시동 전기 모터뿐만 아니라 엔진 및 전기 모터를 포함하는 하이브리드 차량에 상기 시스템이 탑재되는 경우, 전기 모터의 락 상태가 발생하는 경우 엔진의 시동이 제한되어, 변환기 출력 전압의 상승이 제한될 수 있고 전기 모터를 구동 및 제어하는 인버터(제1 인버터)의 일부를 형성하는 스위칭 소자의 온도 상승이 억제될 수 있다.
더욱 더 바람직하게는, 본 발명의 모터 구동 제어 시스템은 차량에 탑재되고, 전기 모터는 차량의 구동력을 발생시키도록 구성된다. 연료의 연소에 의해 작동되는 엔진 및 직류 전원 라인으로부터 직류 전원의 출력 전압보다 더 높은 전압이 공급되고, 엔진을 시동시키는 시동 전기 모터가 차량에 더 탑재된다. 모터 구동 제어 시스템은 시동 확보 수단을 더 포함한다. 시동 확보 수단은, 락 검출 수단이 락 상태를 검출하고 엔진의 시동이 지시되는 경우, 엔진을 시동시키기 위해 필요한 사전 설정된 기간 내에서, 변환기의 전압 지령값을 시동 전기 모터의 필요 전압까지 일시적으로 증가시킨다. 제어 방법에 관해서는, 상기 방법은 전기 모터의 락 상태가 검출되고 엔진의 시동이 지시되는 경우, 엔진을 시동시키기 위해 필요한 사전 설정된 기간 내에서, 변환기의 전압 지령값을 시동 전기 모터의 필요 전압까지 일시적으로 증가시키는 단계를 더 포함한다.
상술된 모터 구동 제어 시스템 및 상기 시스템을 제어하는 방법에 따르면, 변환기의 출력 전압에 의하여 엔진을 시동시키는 시동 전기 모터뿐만 아니라 엔진 및 전기 모터를 포함하는 하이브리드 차량에 상기 시스템이 탑재되는 경우, 엔진의 시동이 지시되는 사전 설정된 기간 내에서, 변환기의 출력 전압이 시동 전기 모터의 필요 전압까지 일시적으로 증가될 수 있다. 그러므로, 엔진이 정지하면서 락 상태가 발생하는 경우 엔진이 시동될 수 있고, 그 외의 기간에서는 변환기에 의한 승압이 제한되어, 전기 모터를 구동 및 제어하는 인버터(제1 인터버)의 스위칭 소자의 온도 상승이 억제될 수 있다.
더욱 더 바람직하게는, 본 발명의 모터 구동 제어 시스템이 탑재되는 차량에서, 시동 전기 모터는, 엔진이 작동하는 경우에는 엔진의 출력의 적어도 일부에 의해 회전 구동됨으로써 전력을 발생시킬 수 있고, 엔진이 정지하는 경우에는 엔진을 회전 구동하기 위한 토크를 발생시킴으로써 엔진을 시동시킬 수 있도록 구성되는 모터 제너레이터로 형성된다.
상술된 모터 구동 제어 시스템 및 상기 시스템을 제어하는 방법에 따르면, 발전기 및 시동 전기 모터 모두로서 역할을 하는 단일의 모터 제너레이터를 포함하도록 구성되는 하이브리드 차량에 있어서, 전기 모터의 락 상태가 발생하는 경우에 대응되는 인버터(제1 인터버)를 형성하는 스위칭 소자의 온도 상승이 억제될 수 있다.
따라서, 본 발명의 주요한 이점은, 직류 전원의 출력 전압을 승압할 수 있게 구성되는 변환기를 포함하도록 구성되는 모터 구동 제어에 있어서, 제어 성능의 저하 및 가청 소음을 초래하지 않고, 간단한 구성으로, 모터가 락되는 경우 전력 변환기(인버터)의 일부를 형성하는 각 스위칭 소자의 발열에 의한 온도 상승이 억제될 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 모터 구동 제어 시스템이 탑재되는 구성의 일례로서 도시되는 하이브리드 차량의 구성을 도해하는 블록도이며;
도 2는 본 발명의 제1 실시예에 따른 승압/강압 변환기의 전압 지령값의 설정을 도해하는 흐름도이며;
도 3은 모터 제너레이터의 작동 상태와 필요 전압 사이의 관계를 도해하는 제1 개략도이며;
도 4는 모터 제너레이터의 작동 상태와 필요 전압 사이의 관계를 도해하는 제2 개략도이며;
도 5는 인버터의 각 스위칭 소자에서 발생하는 스위칭 손실을 도해하는 파형도이며;
도 6은 본 발명의 제2 실시예에 따른 승압/강압 변환기의 전압 지령값을 설정하는 제1 일례를 도해하는 흐름도이며;
도 7은 본 발명의 제2 실시예에 따른 승압/강압 변환기의 전압 지령값을 설정하는 제2 일례를 도해하는 흐름도이며;
도 8은 도 7의 단계 S170의 제어 작동을 도해하는 노모그래프(nomograph)이며;
도 9는 본 발명의 제3 실시예에 따른 차량 제어를 도해하는 흐름도이며;
도 10은 본 발명의 제3 실시예의 변형예에 따른 차량 제어를 도해하는 흐름도이며;
도 11은 본 발명의 제4 실시예에 따른 차량 제어를 도해하는 흐름도이며;
도 12는 모터 제너레이터의 작동 영역을 도시하는 개략도이며;
도 13은 도 11의 단계 S230의 제어 작동의 일례를 도해하는 노모그래프이다.
이하, 본 발명의 실시예들이 도면들을 참조하며 상세하게 설명될 것이다. 도 면에 있어서 동일하거나 대응하는 구성 요소들은 동일한 참조 부호에 의해 표시될 것이며 그 설명은 원칙적으로 반복되지 않을 것이다.
<제1 실시예>
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 모터 구동 제어 시스템이 탑재되는 구성의 일례로서 도시되는 하이브리드 차량(100)의 구성을 도해하는 블록도이다.
도 1을 참조하면, 하이브리드 차량(100)은 엔진(110), 동력 분할 기구(120), 모터 제너레이터(MG1, MG2), 감속 장치(reduction gear)(130), 구동축(140), 및 휠(구동휠)(150)을 포함한다. 하이브리드 차량(100)은 모터 제너레이터(MG1, MG2)를 구동 및 제어하기 위한 직류 전압 발생 유닛(10#), 평활 캐패시터(C0), 인버터(20, 30), 및 제어 장치(50)를 더 포함한다.
엔진(110)은 가솔린 엔진 또는 디젤 엔진과 같은 내연 기관으로 형성된다. 엔진(110)에는 냉각제의 온도를 검출하는 냉각제 온도 센서(112)가 제공된다. 냉각제 온도 센서(112)의 출력은 제어 장치(50)에 송출된다.
동력 분할 기구(120)는 엔진(110)에 의해 발생되는 동력을, 구동축(140)으로 연결되는 경로를 통하여 전달되는 하나, 및 모터 제너레이터(MG1)로 연결되는 경로를 통하여 전달되는 하나로 분할할 수 있도록 구성된다. 동력 분할 기구(120)로서, 선 기어, 유성 기어 및 링 기어의 3개의 회전축을 각각 가지는 유성 기어 트레인(planetary gear train)이 사용될 수도 있다. 예를 들어, 모터 제너레이터(MG1)의 중공 회전자는, 상기 회전자의 중심부를 통하여 엔진(110)의 크랭크축을 통과시키도록 사용될 수도 있어, 엔진(110) 및 모터 제너레이터(MG1, MG2)는 동력 분할 기구(120)에 기계적으로 연결된다. 구체적으로, 모터 제너레이터(MG1)의 회전자는 선 기어에 연결되고, 엔진(110)의 출력축은 유성 기어에 연결되고 출력축(125)은 링 기어에 연결된다. 모터 제너레이터(MG2)의 회전축에도 연결되는 출력축(125)은 감속 장치(130)를 매개로 하여 구동휠(150)를 회전 구동하기 위한 구동축(140)에 연결된다. 여기에서, 모터 제너레이터(MG2)의 회전축에 대한 감속 장치가 더 포함될 수도 있다.
모터 제너레이터(MG1)는 전기 모터 및 발전기의 각 기능을 겸비하도록 구성된다. 구체적으로, 모터 제너레이터(MG1)는 엔진(110)에 의해 구동되는 발전기로서 작동하고 엔진(110)을 시동시키기 위한 전기 모터로서도 작동한다. 구체적으로, 모터 제너레이터(MG1)는 본 발명의 "발전기"에 대응하고, 모터 제너레이터(MG1)에 연결되는 인버터(20)는 본 발명의 "제2 인버터"에 대응한다.
유사하게, 모터 제너레이터(MG2)는, 출력축(125) 및 감속 장치(130)를 매개로 하여 구동축(140)에 그 출력이 전달되는 차량 구동력을 발생시키기 위해 하이브리드 차량(100)에 탑재된다. 또한, 모터 제너레이터(MG2)는, 휠(150)의 회전 방향과 반대 방향으로 출력 토크를 발생시킴으로써 모터 제너레이터가 회생 전력을 발생시키도록, 전기 모터 및 발전기의 각 기능을 겸비하도록 구성된다. 구체적으로, 하이브리드 차량(100)에 있어서, 모터 제너레이터(MG2)는 본 발명의 "전기 모터"에 대응한다. 마찬가지로, 모터 제너레이터(MG2)에 연결되는 인버터(30)는 본 발명의 "제1 인버터"에 대응한다.
이하, 모터 제너레이터(MG1, MG2)를 구동 및 제어하기 위한 구성이 설명될 것이다.
직류 전압 발생 유닛(10#)은 차량을 주행시키기 위한 주행용 배터리(B), 평활 캐패시터(C1) 및 승압/강압 변환기(15)를 포함한다. 주행용 배터리(B)는 본 발명의 "직류 전원"에 대응하고 승압/강압 변환기(15)는 본 발명의 "변환기"에 대응한다.
주행용 배터리(B)로서는 니켈-수소 또는 리튬-이온 배터리와 같은 2차 배터리가 적용가능하다. 본 실시예에서는, 2차 배터리로서 구성되는 주행용 배터리(B)가 "직류 전원"으로서 사용되는 구성이 설명될 것이다. 그러나, 주행용 배터리(B) 대신에, 전기 이중층 캐패시터와 같은 축전 장치가 적용될 수도 있다.
주행용 배터리(B)로부터 출력되는 배터리 전압(Vb)은 전압 센서(10)에 의해 검출된다. 주행용 배터리(B)에 입력/출력되는 배터리 전류(Ib)는 전류 센서(11)에 의해 검출된다. 또한, 주행용 배터리(B)에는 온도 센서(12)가 제공된다. 주행용 배터리(B)의 온도는 국소적으로 다를 수도 있기 때문에, 다소의 온도 센서(12)가 주행용 배터리(B)의 복수 개소에 각각 제공될 수도 있다. 전압 센서(10), 전류 센서(11) 및 온도 센서(12)에 의해 각각 검출되는 배터리 전압(Vb), 배터리 전류(Ib) 및 배터리 온도(Tb)는 제어 장치(50)로 출력된다.
평활 캐패시터(C1)는 접지 라인(5)과 전원 라인(6) 사이에 연결된다. 주행용 배터리(B)의 양극(positive) 단자와 전원 라인(6) 사이 및 주행용 배터리(B)의 음극(negative) 단자와 접지 라인(5) 사이에는, 차량이 작동되는 경우 온되고 차량 작동이 정지되는 경우 오프되는 릴레이(도시 안됨)가 제공된다.
승압/강압 변환기(15)는 리액터(L1) 및 스위칭 제어되는 전력용 반도체 소자(이하, "스위칭 소자")(Q1, Q2)를 포함한다. 리액터(L1)는 스위칭 소자(Q1, Q2)의 연결 노드와 전원 라인(6) 사이에 연결된다. 평활 캐패시터(C0)는 전원 라인(7)과 접지 라인(5) 사이에 연결된다.
전력용 반도체 스위칭 소자(Q1, Q2)는 전원 라인(7)과 접지 라인(5) 사이에 직렬로 연결된다. 전력용 반도체 스위칭 소자(Q1, Q2)의 온/오프는 제어 장치(50)로부터의 스위칭 제어 신호(S1, S2)에 의해 제어된다.
본 발명의 실시예에 있어서, 스위칭 소자로서 예를 들어, IGBT, 파워 MOS(Metal Oxide Semiconductor) 트랜지스터 또는 파워 바이폴라(bipolar) 트랜지스터가 사용될 수도 있다. 스위칭 소자(Q1, Q2)에 대해서는, 역병렬 다이오드(D1, D2)가 배치된다.
인버터(20, 30)의 직류 전압측은 공통의 접지 라인(5) 및 전원 라인(7)을 매개로 하여 승압/강압 변환기(15)에 연결된다. 구체적으로, 전원 라인(7)은 본 발명의 "직류 전원 라인"에 대응한다.
인버터(20)는 전원 라인(7)과 접지 라인(5) 사이에 병렬로 제공되는 U상 암(22), V상 암(24) 및 W상 암(26)으로 형성된다. 각 상 암은 전원 라인(7)과 접지 라인(5) 사이에 직렬로 연결되는 스위칭 소자로 형성된다. 예를 들어, U상 암(22)은 스위칭 소자(Q11, Q12)로 형성되고, V상 암(24)은 스위칭 소자(Q13, Q14)로 형성되고, W상 암(26)은 스위칭 소자(Q15, Q16)로 형성된다. 또한, 스위칭 소자(Q11 ~ Q16)에 대해서는, 역병렬 다이오드(D11 ~ D16)가 각각 연결된다. 스위칭 소 자(Q11 ~ Q16)의 온/오프는 제어 장치(50)로부터의 스위칭 제어 신호(S11 ~ S16)에 의해 제어된다.
모터 제너레이터(MG1)는 U상 코일 권선(U1), V상 코일 권선(V1), W상 코일 권선(W1) 및 회전자(도시 안됨)를 포함한다. U상 코일 권선(U1), V상 코일 권선(V1) 및 W상 코일 권선(W1)의 각각의 말단은 중성점(N1)에서 서로 연결되고 각각의 다른 말단은 인버터(20)의 U상 암(22), V상 암(24) 및 W상 암(26)에 각각 연결된다. 인버터(20)는, 제어 장치(50)로부터의 스위칭 제어 신호(S11 ~ S16)에 응답하여 스위칭 소자(Q11 ~ Q16)의 온/오프를 제어(스위칭 제어)함으로써, 직류 전압 발생 유닛(10#)과 모터 제너레이터(MG1) 사이에서 쌍방향의 전력 변환을 실행한다.
구체적으로, 인버터(20)는, 제어 장치(50)에 의한 스위칭 제어에 따라서, 전원 라인(7)으로부터 수신되는 직류 전압을 3-상 교류 전압으로 변환하고, 결과로서 생기는 3-상 교류 전압을 모터 제너레이터(MG1)로 출력할 수 있다. 따라서, 모터 제너레이터(MG1)는 지정되는 토크를 발생시키도록 구동된다. 또한, 인버터(20)는, 엔진(110)의 출력을 받음으로써 모터 제너레이터(MG1)에 의해 발생되는 3-상 교류 전압을, 제어 장치(50)에 의한 스위칭 제어에 따라서 직류 전압으로 변환하고, 결과로서 생기는 직류 전압을 전원 라인(7)으로 출력할 수도 있다.
인버터(30)는 인버터(20)와 유사하게 구성된다. 구체적으로, 인버터(30)는 그 온/오프가 스위칭 제어 신호(S21 ~ S26)에 의해 제어되는 스위칭 소자(Q21 ~ Q26)뿐만 아니라 역병렬 다이오드(D21 ~ D26)를 포함하도록 구성된다.
모터 제너레이터(MG2)는 모터 제너레이터(MG1)와 유사하게 구성되고, 고정자 에 제공되는 U상 코일 권선(U2), V상 코일 권선(V2), W상 코일 권선(W2), 및 회전자(도시 안됨)를 포함한다. 모터 제너레이터(MG1)와 마찬가지로, U상 코일 권선(U2), V상 코일 권선(V2) 및 W상 코일 권선(W2)의 각각의 말단은 중성점(N2)에서 서로 연결되고 각각의 다른 말단은 인버터(30)의 U상 암(32), V상 암(34) 및 W상 암(36)에 각각 연결된다.
인버터(30)는, 제어 장치(50)로부터의 스위칭 제어 신호(S21 ~ S26)에 응답하여 스위칭 소자(Q21 ~ Q26)의 온/오프를 제어(스위칭 제어)함으로써, 직류 전압 발생 유닛(10#)과 모터 제너레이터(MG2) 사이에서 쌍방향의 전력 변환을 실행한다.
구체적으로, 인버터(30)는, 제어 장치(50)에 의한 스위칭 제어에 따라서, 전원 라인(7)으로부터 수신되는 직류 전압을 3-상 교류 전압으로 변환하고, 결과로서 생기는 3-상 교류 전압을 모터 제너레이터(MG2)로 출력할 수 있다. 따라서, 모터 제너레이터(MG2)는 지정되는 토크를 발생시키도록 구동된다. 또한, 인버터(30)는, 차량이 회생 제동되는 경우, 휠(150)로부터의 회전력을 받아 모터 제너레이터(MG2)에 의해 발생되는 3-상 교류 전압을, 제어 장치(50)에 의한 스위칭 제어에 따라서 직류 전압으로 변환하고, 결과로서 생기는 직류 전압을 전원 라인(7)으로 출력할 수 있다.
여기에서 회생 제동이란, 하이브리드 차량을 작동하는 운전자가 풋 브레이크를 밟는 경우의 회생 발전을 수반하는 제동은 물론, 풋 브레이크를 작동하지 않고 운전자가 액셀러레이터 페달을 놓는 경우의 회생 발전을 수반하는 차량의 감속(또는 가속의 정지)을 포함한다.
모터 제너레이터(MG1, MG2)에는 전류 센서(27) 및 회전 각도 센서(리졸버)(28)가 각각 제공된다. 3-상 전류(iu, iv, iw)의 각각의 순간값의 합은 0이기 때문에, 도 1에 도시된 바와 같이, 전류 센서(27)는 2 상에 대응하는 각각의 모터 전류(예를 들어, v상 전류(iv) 및 w상 전류(iw))를 검출하도록 배치되면 충분하다. 회전 각도 센서(28)는 모터 제너레이터(MG1, MG2)의 회전자(도시 안됨)의 회전 각도 θ를 검출하고, 검출된 회전 각도 θ를 제어 장치(50)에 송출한다. 제어 장치(50)는, 회전 각도 θ에 근거하여, 모터 제너레이터(MG1, MG2)의 회전수(Nmt)(회전 각속도(ω))를 산출할 수 있다.
이들 센서에 의해 검출되는 모터 제너레이터(MG1)의 모터 전류(MCRT(1)) 및 회전자 회전 각도 θ(1)뿐만 아니라 모터 제너레이터(MG2)의 모터 전류(MCRT(2)) 및 회전자 회전 각도 θ(2)는 제어 장치(50)로 입력된다. 제어 장치(50)는, 모터 지령으로서, 모터 제너레이터(MG1)에 관계하는 토크 지령값(Tqcom(1)) 및 회생 작동을 나타내는 제어 신호(RGE(1))뿐만 아니라 모터 제너레이터(MG2)에 관계하는 토크 지령값(Tqcom(2)) 및 회생 작동을 나타내는 제어 신호(RGE(2))를 수신한다.
전자 제어 유닛(ECU)으로 형성되는 제어 장치(50)는 마이크로컴퓨터(도시 안됨), RAM(Random Access Memory)(51) 및 ROM(Read Only Memory)(52)를 포함하도록 구성되고, 사전 설정된 프로그램 처리를 따라서 상위의 전자 제어 유닛(ECU)로부터 입력되는 모터 지령을 따라 모터 제너레이터(MG1, MG2)가 작동하도록, 승압/강압 변환기(15), 인버터(20, 30)의 스위칭을 제어하기 위한 스위칭 제어 신호(S1, S2)(승압/강압 변환기(15)), (S11 ~ S16)(인버터(20)) 및 (S21 ~ S26)(인버 터(30))를 발생시킨다.
또한, 제어 장치(50)에는, 충전 상태(SOC)뿐만 아니라 충전/방전 제한을 나타내는 입력/출력 가능 전력량(Win, Wout)과 같은, 주행용 배터리(B)에 관한 정보가 입력된다. 따라서, 제어 장치(50)는, 주행용 배터리(B)의 과충전 또는 과방전이 발생하지 않도록, 모터 제너레이터(MG1, MG2)의 소비 전력 및 발전 전력(회생 전력)을 필요에 따라 제한하는 기능을 가진다.
본 실시예에서는, 인버터 제어에 있어서 스위칭 주파수를 변경하는 데 단일의 제어 장치(ECU)(50)가 사용되는 기구에 관해서 설명되어 왔다. 하지만, 복수의 제어 장치(ECU)들의 협조 작동에 의해서 유사한 제어 구성이 실현될 수도 있다.
운전자로부터 하이브리드 차량(100)을 가속 및 감속/정지시키려는 지시는 액셀러레이터 페달(70) 및 브레이크 페달(71)의 조작에 의하여 입력됨은 잘 알려져 있다. 액셀러레이터 페달(70) 및 브레이크 페달(71)의 운전자의 조작(페달이 눌려지는 정도)은 액셀러레이터 페달 누름량 센서(73) 및 브레이크 페달 누름량 센서(74)에 의해 검출된다. 액셀러레이터 페달 누름량 센서(73) 및 브레이크 페달 누름량 센서(74)는 운전자에 의한 액셀러레이터 페달(70) 및 브레이크 페달(71)의 각각의 누름량에 따라서 전압을 각각 출력한다.
액셀러레이터 페달 누름량 센서(73) 및 브레이크 페달 누름량 센서(74)의 각각의 누름량을 나타내는 출력 신호(ACC 및 BRK)는 제어 장치(50)로 입력된다. 액셀러레이터 페달(70) 및 브레이크 페달(71) 양쪽 모두가 작동되는 스톨 상태의 검출만이 고려되는 경우, 신호는 액셀러레이터 페달(70) 및 브레이크 페달(71)의 각각 의 누름량을 나타내는 신호뿐만 아니라 운전자가 페달을 내리누르는지 여부(누름량 ≠ 0인지 여부)를 나타내는 플래그(flag) 신호일 수도 있다.
다음에, 모터 제너레이터(MG1, MG2)를 구동 및 제어하기 위한 승압/강압 변환기(15) 및 인버터(20, 30)의 작동에 관하여 설명하기로 한다.
승압/강압 변환기(15)에 의한 승압 작동의 경우에, 제어 장치(50)는, 모터 제너레이터(MG1, MG2)의 작동 상태에 따라서 시스템 전압(VH)의 지령값(VHref)(이하, 지령값은 전압 지령값(VHref)으로서도 간단히 지칭됨)을 설정하고, 전압 지령값(VHref) 및 전압 센서(13)에 의한 시스템 전압의 검출값에 근거하여, 승압/강압 변환기(15)의 출력 전압이 전압 지령값(VHref)과 같아지도록 스위칭 제어 신호(S1, S2)를 발생시킨다.
승압/강압 변환기(15)가 승압 작동을 실행하는 경우, 승압/강압 변환기(15)는 주행용 배터리(B)로부터 공급되는 직류 전압(배터리 전압)을 승압함으로써 발생되는 직류 전압(VH)(이하, 인버터(20, 30)로의 입력 전압에 대응하는 직류 전압은 "시스템 전압(VH)"으로도 지칭됨)을 인버터(20, 30)로 공통적으로 출력한다. 더욱 구체적으로, 제어 장치(50)로부터의 스위칭 제어 신호(S1, S2)에 응답하여, 교대로 온/오프되는 스위칭 소자(Q1, Q2)의 듀티 비(duty ratio)(온 기간의 비율)가 설정되고, 그러므로 승압 비율은 듀티 비에 따라서 결정된다.
또한, 승압/강압 변환기(15)가 강압 작동을 실행하는 경우, 승압/강압 변환기(15)는 평활 캐패시터(C0)를 매개로 하여 인버터(20, 30)로부터 공급되는 직류 전압(시스템 전압)을 강압하여, 주행용 배터리(B)를 충전한다. 더욱 구체적으로, 제어 장치(50)로부터의 스위칭 제어 신호(S1, S2)에 응답하여 스위칭 소자(Q1)만이 온으로 유지되는 기간 및 스위칭 소자(Q1, Q2) 모두가 오프로 유지되는 기간이 교대로 제공되고, 그러므로 강압 비율은 상술된 온 기간의 듀티 비에 따라서 결정된다.
평활 캐패시터(C0)는 승압/강압 변환기(15)로부터의 직류 전압(시스템 전압)을 평활화하고, 평활화된 직류 전압을 인버터(20, 30)에 공급한다. 전압 센서(13)는 평활 캐패시터(C0)의 양단의 전압, 즉 , 시스템 전압(VH)을 검출하고, 검출값을 제어 장치(50)로 출력한다.
인버터(30)는, 대응되는 모터 제너레이터(MG2)의 토크 지령값이 양인 경우(Tqcom(2) > 0), 제어 장치(50)로부터의 스위칭 제어 신호(S21 ~ S26)에 응답한 스위칭 소자(Q21 ~ Q26)의 온/오프 작동(스위칭 작동)에 의하여, 평활 캐패시터(C0)로부터 공급되는 직류 전압을 교류 전압으로 변환하고, 양의 토크가 출력되도록 모터 제너레이터(MG2)를 구동한다. 또한, 인버터(30)는, 모터 제너레이터(MG2)의 토크 지령값이 영인 경우(Tqcom(2) = 0), 스위칭 제어 신호(S21 ~ S26)에 응답한 스위칭 작동에 의해, 직류 전압을 교류 전압으로 변환하고, 토크가 0이 되도록 모터 제너레이터(MG2)를 구동한다. 이것에 의해, 모터 제너레이터(MG2)는, 토크 지령값(Tqcom(2))에 의해 지정되는 바와 같이 0 또는 양의 토크를 발생시키도록 구동된다.
하이브리드 차량이 회생 제동되는 경우, 모터 제너레이터(MG2)의 토크 지령값은 음의 값으로 설정된다(Tqcom(2) < 0). 이러한 경우에, 인버터(30)는, 스위칭 제어 신호(S21 ~ S26)에 응답한 스위칭 작동에 의하여 모터 제너레이터(MG2)로부터 발생되는 교류 전압을 직류 전압으로 변환하고, 변환의 결과로서 생기는 직류 전압(시스템 전압)을 평활 캐패시터(C0)를 매개로 하여 승압/강압 변환기(15)에 공급한다.
이렇게 하여, 인버터(30)는, 제어 장치(50)로부터의 스위칭 신호(S21 ~ S26)에 따르는 스위칭 소자(Q21 ~ Q26)의 온/오프 제어에 의하여, 모터 제너레이터(MG2)가 지령값에 따라서 작동하도록 전력 변환을 실행한다. 인버터(20)는, 상술된 인버터(30)의 작동와 마찬가지로, 스위칭 신호(S11 ~ S16)에 따르는 스위칭 소자(Q11 ~ Q16)의 온/오프 제어에 의하여, 모터 제너레이터(MG1)가 지령값에 따라서 작동하도록 전력 변환을 실행한다.
이렇게 하여, 제어 장치(50)는 토크 지령값(Tqcom(1), (2))에 따라서 모터 제너레이터(MG1, MG2)를 구동 및 제어한다. 따라서, 하이브리드 차량(100)에서는, 모터 제너레이터(MG2)에 의한 전력 소비를 통하여 차량 구동력의 발생, 모터 제너레이터(MG1)에 의한 발전을 통하여 주행용 배터리(B)의 충전 전력 또는 모터 제너레이터(MG2)에 의해 소비되는 전력의 발생, 및 모터 제너레이터(MG2)에 의한 회생 제동 작동(발전)을 통하여 주행용 배터리(B)의 충전 전력의 발생이, 차량의 작동 상태에 따라서 적절하게 실행될 수 있다.
도 2는 본 발명의 제1 실시예에 따른 승압/강압 변환기(15)의 전압 지령값(VHref)의 설정을 도해하는 흐름도이다. 여기에서, 도 2에 도시되는 흐름도를 따르는 처리는 제어 장치(50) 내의 ROM(52)에 저장되고, 제어 장치(50)에 의하여 사 전 설정된 주기마다 실행된다.
도 2를 참조하면, 단계 S100에서, 제어 장치(50)는 차량 상태(예를 들어, 차량 속도 및 페달의 조작 등)에 따라서 모터 제너레이터(MG1, MG2)의 토크 지령값(Tqcom(1), Tqcom(2))을 설정한다.
또한, 단계 S110에서, 제어 장치(50)는, 모터 제너레이터(MG1)의 회전수 및 토크 지령값(Tqcom(1))에 따라서 모터 제너레이터(MG1)의 유도 전압(induced voltage)에 대응하는 필요 전압(Vmg1)을 산출한다. 유사하게, 단계 S120에서, 제어 장치(50)는 모터 제너레이터(MG2)의 회전수 및 토크 지령값(Tqcom(2))에 따라서 모터 제너레이터(MG2)의 유도 전압에 대응하는 필요 전압(Vmg2)을 산출한다.
여기에서, 모터 제너레이터(MG)(MG1 및 MG2가 총괄적으로 MG로서 지칭됨, 이것은 아래의 설명에도 적용됨)에서는, 회전수 및/또는 토크가 증가함에 따라, 역기전력(counter electromotive force)이 증가하여 유도 전압이 높아진다. 여기에서, 본 발명의 실시예에서는, 용어 "회전수"는 특별한 설명이 없는 한, 단위 시간당(전형적으로, 분당(per minute)) 회전수를 지칭한다. 유도 전압이 상승하여 인버터의 직류측 전압, 즉, 시스템 전압(VH)보다 더 높아지게 되는 경우, 인버터의 직류측으로부터 교류측에 전류가 공급될 수 없다. 그러므로, 모터 제너레이터는 인버터(20, 30)에 의해 제어될 수 없다. 따라서, 단계 S110 및 S120에서, 필요 전압(Vmg1, Vmg2)은 모터 제너레이터(MG1, MG2)의 유도 전압 이상으로 각각 설정된다.
구체적으로, 도 3에 도시된 바와 같이, 모터 제너레이터(MG)의 토크 및 회전수에 따라서, 더욱 특히, 회전수 및 토크의 영역이 고회전수 및 고토크 영역이 될 수록, 필요 전압(Vmg1, Vmg2)은 상대적으로 더 높게 설정된다. 또한, 도 4에 도시된 바와 같이, 필요 전압(Vmg1, Vmg2)은 기본적으로 모터 제너레이터(MG)의 요구되는 출력(회전수 × 토크)에 의해 결정된다. 또한, 동일한 회전수에 대해서는, 출력이 증가할수록 필요 전압(Vmg1, Vmg2)은 상대적으로 더 높게 설정된다.
여기에서, 인버터(20, 30)의 각 스위칭 소자에서 발생하는 스위칭 손실을 도해하기 위해 도 5가 사용된다.
도 5를 참조하면, 인버터(20, 30)의 각 스위칭 소자의 스위칭 작동은 펄스 폭 변조 제어(PWM 제어)에 따라 설정된다. 구체적으로, 도 5(a)에 도시된 바와 같이, PWM 제어는, 사전 설정된 반송파(carrier wave)(200)와 전압 지령파(210) 사이의 전압 비교에 근거하여, 인버터(20, 30)의 각 상 암의 스위칭 소자의 온/오프를 제어한다. 여기에서, 반송파(200)는 일반적으로 사전 설정된 주파수의 삼각파(triangular wave) 또는 톱니파(saw tooth wave)이다. 전압 지령파(210)는 토크 지령값(Tqcom)에 따라 모터 제너레이터(MG)를 작동시키기 위해 필요한 각 상 전류를 발생시키기 위한, 모터 제너레이터로의 인가 전압(교류 전압)을 나타낸다. 반송파가 전압 지령파보다 더 높은지 여부에 따라서 동일한 각 암을 형성하는 스위칭 소자의 온/오프는 변경된다. 도 5는 전압 지령파가 반송파보다 더 높은 전압인 경우에 온되고 그렇지 않은 경우에 오프되는 스위칭 소자의 스위칭 파형의 일례를 도시한다.
도 5(b)에 도시된 바와 같이, 스위칭 소자가 온인 경우, 콜렉터(collector)와 이미터(emitter) 간의 전압(vce)은 0이 되는 한편, 콜렉터와 이미터 간의 전 류(ice)는 발생된다. 대조적으로, 스위칭 소자가 오프인 경우, 콜렉터와 이미터 간의 전류(ice)는 0이 되는 한편, 콜렉터와 이미터 간의 전압(vce)은 VH가 된다. 여기에서, 스위칭 소자가 온/오프되는 경우에, 스위칭 소자가 완전히 온 또는 오프되기까지의 기간, 즉, 콜렉터와 이미터 간의 전압(vce)이 0으로 변하거나 또는 콜렉터와 이미터 간의 전류(ice)가 0으로 변하기까지의 기간에 있어서, 도 5(c)에 도시된 바와 같이, 콜렉터와 이미터 간의 전압(vce) 및 콜렉터와 이미터 간의 전류(ice)의 곱에 대응하는 스위칭 손실(Ploss)(Ploss = vce × ice)이 발생된다. 이 스위칭 손실(Ploss)의 발생에 의하여 스위칭 소자는 열을 발생시키고, 그에 따라 스위칭 소자의 온도가 상승한다.
여기에서, 콜렉터와 이미터 간의 전압(vce)의 진폭은 시스템 전압(VH)에 대응하고, 콜렉터와 이미터 간의 전류(ice)는 모터 제너레이터(MG)에 공급되는 전류에 따른 전류이다. 그러므로, 동일한 토크가 출력되는 경우, 즉, 동일한 토크 지령값 하에서는, 더 높은 시스템 전압(VH)이 더 많은 스위칭 손실(Ploss)을 야기시킨다.
그러므로, 제1 실시예에서는, 인버터(30)의 스위칭 소자의 온도 상승을 억제하기 위해, 전기 모터(모터 제너레이터(MG2))가 락되는 경우 후술되는 것과 같이 전압 지령값(VHref)이 설정된다.
도 2를 다시 참조하면, 단계 S130에서 제어 장치(50)는 모터 제너레이터(MG2)의 락 상태가 발생하는지 여부를 결정한다. 락 상태란, 예를 들어, 차량이 언덕을 오르는 동안에, 토크 지령값(Tqcom(2))에 따라 모터 제너레이터(MG2)에 일 정한 전류 이상이 공급된다는 사실에도 불구하고 모터 제너레이터(MG2)의 회전수가 극단적으로 낮은 (실질적으로 0) 상태를 지칭한다. 단계 S130에서는, 예를 들어, 토크 지령값(Tqcom(2))이 사전 설정된 값 이상임에도 불구하고 모터 제너레이터(MG2)의 회전수가 실질적으로 0인지 여부가 결정되고, 따라서 락 상태의 발생이 검출될 수 있다. 또는, 특허 문헌 3과 마찬가지로, 각 상의 모터 전류의 제곱의 적분치에 근거하여 락 상태의 발생이 검출될 수도 있다. 즉, 단계 S130에 있어서, 락 상태를 검출하기 위한 구체적인 방법은 특별한 것에 제한되지 않는다.
단계 S130에서 락 상태의 발생이 검출되지 않는 경우(단계 S130에서 결정이 NO인 경우), 단계 S140에서 제어 장치(50)는, 승압/강압 변환기(15)의 전압 지령값(VHref)을 단계 S110 및 S120에서 각각 산출되는 MG1 필요 전압(Vmg1) 및 MG2 필요 전압(Vmg2)의 최대값으로 설정한다. 이것에 의해, 락 상태가 발생하는 경우를 제외하고는, 승압/강압 변환기(15)의 출력 전압인 시스템 전압(VH)은 모터 제너레이터(MG1, MG2)의 유도 전압보다 더 높게 설정될 수 있다. 그 결과, 제어 장치(50)는 인버터(20, 30)를 사용하고 토크 지령값(Tqcom(1), Tqcom(2))을 따라서 모터 제너레이터(MG1, MG2)를 구동 및 제어할 수 있다.
대조적으로, 락 상태가 발생하는 경우, 상술된 바와 같이, 모터 제너레이터(MG2)의 특정한 상에 전류가 집중적으로 그리고 계속적으로 흐른다. 그러므로, 특정한 상에 대응하는 암을 형성하는 스위칭 소자의 스위칭 손실이 증가하여 급격한 발열을 초래할 가능성이 있다.
그러므로, 제어 장치(50)는, 락 상태가 검출되는 경우(단계 S130에서 결정이 YES인 경우), 단계 S150 및 S160에서 승압/강압 변환기(15)의 전압 지령값(VHref)을 설정한다. 단계 S150에서, 제어 장치(50)는 시스템 전압(VH)의 제한 전압(Vlmt)을 설정한다. 제한 전압(Vlmt)은 주행용 배터리(B)(직류 전원)의 출력 전압(검출 전압(Vb) 또는 출력 정격 전압)과 실질적으로 동등하게 설정된다.
또한, 단계 S160에서, 제어 장치(50)는 전압 지령값(VHref)을 단계 S150에서 설정되는 제한 전압(Vlmt) 및 필요 전압(Vmg1, Vmg2) 중의 최대 전압 사이에서 더 낮은 하나로 설정한다. 바꿔 말하면, 전압 지령값(VHref)은 제한 전압(Vlmt) 이하로 설정되어, 승압/강압 변환기(15)의 승압을 제한한다.
따라서, 본 발명의 제1 실시예에 따르면, 모터 제너레이터(MG2)의 락 상태가 검출되는 경우, 시스템 전압(VH)이 낮게 설정되도록 전압 지령값(VHref)이 설정되고, 따라서 인버터(20, 30)의 일부를 형성하는 스위칭 소자의 스위칭 손실(Ploss)이 감소될 수 있다. 결과적으로, 인버터(30) 내의 전류가 집중하는 특정한 상의 스위칭 소자의 온도 상승이 억제될 수 있다. 이때, 스위칭 주파수의 감소에 의한 전력 손실 감소와는 달리, 제어 성능의 저하 또는 가청 소음의 발생을 초래하지 않는다.
단계 S150에서 제한 전압(Vlmt)의 설정은, 승압/강압 변환기(15)의 승압이 단계 S140에서의 전압 지령값의 설정과 비교했을 때 억제되는 것이라면, 제한 전압(Vlmt = Vb)에 제한되지 않는다. 따라서 상술된 바와 같은 스위칭 소자의 온도 상승을 억제하는 효과가 얻어질 수 있다. 제한 전압이 Vlmt = Vb로 설정되는 동안 승압/강압 변환기(15)에 의한 승압을 금지하고 시스템 전압(VH)을 실질적으로 배터 리 전압(Vb)과 동등하게 설정함으로써, 상술된 바와 같은 온도 상승을 억제하는 최대의 효과가 얻어질 수 있음을 유의한다.
이렇게 하여, 락 상태가 발생하는 경우의 스위칭 소자의 온도 상승이 억제되어 완만해지게 되어, 락 상태에서의 전기 모터(모터 제너레이터(MG2))로부터 보다 긴 시간동안 토크가 출력될 수 있다. 그러므로, 모터 제너레이터(MG2)에 의해 구동력을 발생시키는 하이브리드 차량은 개선된 차량 성능을 가진다. 또는, 엄한 작동 조건하에서 락 상태가 발생하는 경우 온도 상승이 완만해진다는 점을 미리 고려하여, 낮은 온도 저항을 가지도록 스위칭 소자가 설계될 수도 있어, 스위칭 소자의 크기 및 비용이 감소될 수 있다.
제1 실시예에서, 도 2의 단계 S130은 본 발명의 "락 검출 수단"에 대응하고, 단계 S150, S160은 본 발명의 "전압 제한 수단"에 대응한다. 또한, 단계 S110, S120, S140은 본 발명의 "전압 설정 수단"에 대응하고, 단계 S120은 본 발명의 "제1 설정 수단"에 대응하고, 단계 S110은 본 발명의 "제2 설정 수단"에 대응하고 단계 S140은 본 발명의 "제3 설정 수단"에 대응한다.
<제2 실시예>
제1 실시예에 따르면, 락 상태가 발생하는 경우 스위칭 소자의 온도 상승이 완만하게 되어, 락 상태의 전기 모터(모터 제너레이터(MG2))가 요구되는 토크를 보다 긴 시간(즉, 락 상태가 계속될 수 있는 시간)동안 계속적으로 출력할 수 있다.
하지만, 예를 들어 차량이 오르막길을 주행하는 동안 상대적으로 높은 토크 출력이 요구되는 락 상태에서, 만약 주행용 배터리(B)(직류 전원)만으로부터 전력 이 공급된다면, 주행용 배터리(B)의 잔존 용량이 급격하게 감소할 것이다. 이 점에 있어서, 락 상태가 계속될 수 있는 시간이 제한될 수도 있다. 그러므로, 제2 실시예에 따르면, 락 상태에서도 발전기에 의해 발생되는 일정한 전력량를 확보하고 락 상태가 계속될 수 있는 시간을 확보하기 위한 제어 구조에 관하여 설명하기로 한다.
도 6은 본 발명의 제2 실시예에 따른 승압/강압 변환기(15)의 전압 지령값(VHref)을 설정하는 제1 일례를 도해하는 흐름도이다. 게다가 도 6에 도시된 흐름도를 따르는 프로그램에 대해서는, 프로그램은 제어 장치(50) 내의 ROM(52)에 저장되고, 도 1에 도시된 하이브리드 차량(100)에 있어서 제어 장치(50)에 의하여 사전 설정된 주기마다 실행되는 것으로 한다.
도 6은 도 2와 비교된다. 제2 실시예의 제1 일례에서의 전압 지령값을 설정하기 위해, 제어 장치(50)는 도 2에 도시된 단계 S100 ~ S160을 포함하되 단계 S150이 단계 S150#으로 대체되는 처리를 따르는 제어 처리를 실행한다. 단계 S150#을 제외한 제어 처리의 다른 내용에 대해서는 도 2의 그것과 유사하고, 그 상세한 설명은 반복되지 않을 것이다.
단계 S150#에서, 제어 장치(50)는 시스템 전압(VH)의 제한 전압(Vlmt)을 Vlmt = Vb + Vα로 설정한다. 여기에서, 사전 설정된 전압 Vα는, 락 상태의 모터 제너레이터(MG2)를 제어하는 인버터(30) 중의 스위칭 소자의 스위칭 손실이 어느 정도 억제될 수 있고, 모터 제너레이터(MG1)가 전력을 발생시킬 수 있도록 설정된다. 이러한 사전 설정된 전압 Vα는 모터 제너레이터(MG1)의 작동 상태(회전수 및/ 또는 토크 지령값)에 따르는 가변값일 수도 있다.
그 결과, 모터 제너레이터(MG2)의 락 상태가 검출되는 경우, 단계 S160에서, 제어 장치(50)는 전압 지령값(VHref)을 상기 방식으로 설정되는 제한 전압(Vlmt)(Vb + Vα) 이하로 설정한다. 따라서, 필요 전압(Vmg1)이 제한 전압(Vlmt)보다 더 높은 경우, 승압/강압 변환기(15)에 의한 전압의 상승은 제1 실시예와 유사하게 제한되지만, 모터 제너레이터(MG1)는 사전 설정된 전압 Vα에 대응하는 전력량을 발생시킬 수 있다.
그러므로, 모터 제너레이터(MG2)의 락 상태가 발생하는 경우, 시스템 전압(VH)은 제1 실시예와 마찬가지로 낮게 설정되어, 인버터(30) 중의 스위칭 소자의 온도 상승을 억제하는 효과를 발휘하고 모터 제너레이터(MG1)에 의해 발생되는 사전 설정된 양의 전력을 확보할 수 있다. 이것에 의해, 스위칭 소자의 온도 상승을 억제하는 효과가 활용되어, 락 상태가 계속될 수 있는 시간, 즉, 전기 모터(모터 제너레이터(MG2))의 요구되는 토크가 계속적으로 출력될 수 있는 기간을 확보할 수 있다.
도 7은 본 발명의 제2 실시예에 따른 승압/강압 변환기(15)의 전압 지령값(VHref)을 설정하는 제2 일례를 도해하는 흐름도이다. 게다가 도 7에 도시된 흐름도를 따르는 프로그램에 대해서는, 프로그램은 제어 장치(50) 내의 ROM(52)에 저장되고, 도 1에 도시된 하이브리드 차량(100)에 있어서 제어 장치(50)에 의하여 사전 설정된 주기마다 실행되는 것으로 한다.
도 7은 도 2와 비교된다. 제2 실시예의 제2 일례에서의 전압 지령값을 설정 하기 위해, 제어 장치(50)는 도 2의 도시된 단계 S100 ~ S160에 더하여, 단계 S160이 실행되는 경우 단계 S170 및 S180을 더 실행함으로써 제어 처리를 실행한다. 단계 S100 ~ S160을 포함하는 제어 처리는 도 2의 그것과 유사하고, 그 상세한 설명은 반복되지 않을 것이다.
단계 S150 및 S160에서, 제어 장치(50)는, 전압 지령값(VHref)으로서 제한 전압(Vlmt)(Vlmt = Vb)을 사용하여 승압/강압 변환기(15)에 의한 승압을 금지하고 따라서 시스템 전압(VH)을 배터리 전압(Vb)과 동등하게 제한한다. 또한, 제어 장치(50)는, 모터 제너레이터(MG1)에 의해 전력이 발생될 수 있도록 단계 S170 및 S180을 실행한다.
단계 S170에서, 제어 장치(50)는 엔진의 회전수를 증가시킴으로써 모터 제너레이터(MG1)의 회전수를 증가시킨다.
도 8은 단계 S170의 제어 작동을 도해하는 노모그래프이다. 도 8은 동력 분할 기구(120)를 매개로 하여 연결되는 엔진과 모터 제너레이터(MG1, MG2)의 회전수 사이의 관계를 노모그래프에 의하여 도시한다.
도 8을 참조하면, 락 상태에서의 모터 제너레이터(MG2)는 실질적으로 0인 회전수를 가지고, 모터 제너레이터(MG1)의 회전수는 엔진의 회전수에 따라서 결정된다. 제2 실시예의 제2 일례에서 전압 지령값이 설정되는 경우, 단계 S170에서의 처리가 실행되어 엔진의 회전수를 증가시켜, 그로 인해 모터 제너레이터(MG1)의 회전수를 증가시킨다. 이것에 의해, 모터 제너레이터(MG1)의 역기전력이 증가하여 유도 전압이 증가된다.
도 7을 다시 참조하면, 단계 S180에서, 제어 장치(50)는 모터 제너레이터(MG1)를 구동 및 제어하는 인버터(20)의 작동을 정지시킨다. 즉, 각 스위칭 소자(Q11 ~ Q16)는 오프된다. 이러한 상태에서는, 모터 제너레이터(MG1)는 인버터 제어하에서 고효율로 전력을 발생시키게 되지 않는다. 하지만, 모터 제너레이터(MG1)의 증가된 유도 전압은 역병렬 다이오드(D11, D13, D15)를 도통시킬 수 있어, 모터 제너레이터(MG1)의 역기전력을 코일 권선(U1, V1, W1)로부터 전원 라인(7)으로 이끄는 전류 경로가 형성될 수 있다. 즉, 역병렬 다이오드(D11, D13, D15)는 본 발명의 "정류 장치"를 형성한다.
따라서, 인버터 제어가 실행되는 경우와 비교했을 때 발전 전력의 회수 효율은 저하되지만, 모터 제너레이터(MG1)의 역기전력을 사용하여 발생되는 전력량은 확보될 수 있다.
그 결과, 모터 제너레이터(MG2)의 락 상태가 발생하는 경우, 시스템 전압(VH)은 제1 실시예와 마찬가지로 낮게 설정되어, 인버터(30) 중의 스위칭 소자의 온도 상승을 억제하는 효과를 발휘하고 모터 제너레이터(MG1)에 의해 발생되는 사전 설정된 양의 전력을 확보할 수 있다. 따라서, 스위칭 소자의 온도 상승을 억제하는 효과가 활용되어, 락 상태가 계속될 수 있는 시간을 확보할 수 있다.
제2 실시예에서는, 도 6의 단계 S150# 및 도 7의 단계 S170, S180은 본 발명의 "발전 확보 수단"에 대응한다.
<제3 실시예>
하이브리드 차량에서는, 엔진이 정지되는 동안 모터 제너레이터(MG2)의 락 상태가 발생하고, 또한 엔진(110)을 시동시키려는 요구가 주어지는 케이스가 발생할 수 있다. 예를 들어, 락 상태가 계속되는 동안 주행용 배터리(B)의 잔존 용량이 저하되고 충전 요구가 주어지는 경우, 또는 운전자에 의해 액셀러레이터 페달이 내리눌려지는 정도(액셀러레이터 페달 누름량)가 증가하는 경우에 상술된 케이스가 발생한다. 제3 실시예에서는, 상술된 케이스에 대처할 방법에 관하여 설명하기로 한다.
도 9는 본 발명의 제3 실시예에 따른 하이브리드 차량(100)의 제어를 도해하는 흐름도이다. 게다가 도 9에 도시된 흐름도를 따르는 프로그램에 대해서는, 프로그램은 제어 장치(50) 내의 ROM(52)에 저장되고, 도 1에 도시된 하이브리드 차량(100)에 있어서 제어 장치(50)에 의하여 사전 설정된 주기마다 실행되는 것으로 한다.
도 9는 도 2와 비교된다. 제3 실시예에 따른 차량 제어하에서, 제어 장치(50)는 도 2에 도시된 바와 같이 전압 지령값을 설정하기 위한 제어 처리를 실행하고, 단계 S130에서 결정이 YES인 경우, 즉, 락 상태가 검출되는 경우, 단계 S190 및 S192의 처리를 추가적으로 실행한다. 제어 처리의 다른 내용에 대해서는 도 2의 그것과 유사하고, 그 상세한 설명은 반복되지 않을 것이다.
단계 S190에서, 제어 장치(50)는, 정지되어 있는 엔진(110)에 대하여 시동 요구가 주어지는지 여부를 결정한다. 엔진을 시동시키려는 지시가 주어지는 경우(단계 S190의 결정이 YES인 경우), 제어 장치(50)는 단계 S192에서 엔진의 시동을 금지한다.
그리고, 제어 장치(50)는, 단계 S192의 처리 후, 단계 S150(또는 단계 S150#) 및 단계 S160을 실행하여, 시스템 전압(VH)이 제한 전압(Vlmt)을 초과하지 않도록 승압/강압 변환기(15)의 전압 지령값(VHref)를 설정한다. 엔진에 대하여 시동 요구가 주어지지 않는 경우(단계 S190의 결정이 NO인 경우), 제어 장치(50)는 단계 S150(또는 단계 S150#) 및 단계 S160을 유사하게 실행하여, 전압 지령값(VHref)를 설정한다.
일반적으로, "시동 전기 모터"로서 작동하는 모터 제너레이터(MG1)에 의하여, 정지되어 있는 엔진을 회전 구동함으로써 엔진(110)을 시동시키기 위한 토크를 출력하기 위해서는, 배터리 전압(Vb)을 증가시켜 시스템 전압(VH)를 발생시킬 필요가 있다. 그러므로, 만약 엔진이 시동된다면, 시스템 전압(VH)은 증가되어야 하고, 결과적으로, 락 상태의 모터 제너레이터(MG2)를 구동 및 제어하는 인버터(30)의 각 스위칭 소자에서 온도가 상승할 가능성이 있다.
그러므로, 도 9에 도시된 바와 같은 제어 구조는, 락 상태가 검출되는 경우에, 엔진 시동 요구가 주어질지라도, 엔진 시동이 금지되는 동안 시스템 전압(VH)을 제한하는 데 사용된다. 따라서, 엔진이 정지되어 있는 동안 락 상태가 발생하는 경우, 모터 제너레이터(MG2)를 구동하는 인버터(30)의 스위칭 소자의 온도 상승이 확실하게 억제될 수 있다.
<제3 실시예의 변형예>
도 10은 본 발명의 제3 실시예의 변형예에 따른 하이브리드 차량(100)의 제어를 도해하는 흐름도이다. 게다가 도 10에 도시된 흐름도를 따르는 프로그램에 대 해서는, 프로그램은 제어 장치(50) 내의 ROM(52)에 저장되고, 도 1에 도시된 하이브리드 차량(100)에 있어서 제어 장치(50)에 의하여 사전 설정된 주기마다 실행되는 것으로 한다.
도 10은 도 2와 비교된다. 제3 실시예의 변형예에 따른 차량 제어하에서, 도 2에 도시된 바와 같이 전압 지령값을 설정하기 위한 제어 처리에 더하여, 단계 S130에서 결정이 YES인 경우, 즉, 락 상태가 검출되는 경우, 단계 S195의 처리가 더 실행된다. 제어 처리의 다른 내용에 대해서는 도 2의 그것과 유사하고, 그 상세한 설명은 반복되지 않을 것이다.
단계 S195에서, 제어 장치(50)는, 엔진 시동 요구가 주어지는 시간부터 엔진 시동이 완료되는 시간까지의 엔진 시동 기간인지 여부를 결정한다. 예를 들어, 엔진을 시동시키려는 요구의 발생에 응답하여 "온"이 되게 되고, 모터 제너레이터(MG1)에 의해 시동된 후의 엔진(110)의 회전수가 사전 설정된 회전수 이상이 되게 증가한 사실에 응답하여 "오프"가 되게 되도록 제공되는 플래그의 온/오프에 따라서, 단계 S195에서의 결정이 이루어질 수 있다.
제어 장치(50)는, 엔진 시동 기간이 아니라면(단계 S195의 결정이 NO인 경우), 단계 S150(또는 S150#) 및 단계 S160을 실행하고, 시스템 전압(VH)이 제한 전압(Vlmt)을 초과하지 않도록 승압/강압 변환기(15)의 전압 지령값(VHref)을 설정한다.
대조적으로, 제어 장치(50)는, 엔진 시동 기간 중에는(단계 S195의 결정이 YES인 경우), 단계 S140을 실행하여 모터 제너레이터(MG1)의 필요 전압(Vmg1)이 확 보되도록 전압 지령값을 설정한다. 따라서, 엔진을 시동시키기 위해 필요한 토크 지령값(Tqcom(1))에 따라서 모터 제너레이터(MG1)가 구동 및 제어될 수 있는, 시스템 전압(VH)의 발생이 허용된다.
이렇게 하여, 엔진이 정지되어 있는 동안 락 상태가 발생하는 경우에도, 엔진이 시동될 수 있고, 전체적으로는 제1 실시예와 마찬가지로 모터 제너레이터(MG2)를 구동하는 인버터(30)의 스위칭 소자의 온도 상승이 억제될 수 있다.
엔진 시동을 금지하는 제3 실시예에 따른 제어(도 9) 및 엔진 시동을 확보하는 제3 실시예의 변형예에 따른 제어(도 10)에 관해서는, 엔진 시동 요구의 성질에 따라서 선택적으로 제어를 실행하는 제어 구조가 사용될 수도 있다. 예를 들어, 주행용 배터리(B)로부터의 충전 요구에 따라서 엔진을 시동시키려는 요구가 주어지는 경우, 이후로의 차량 주행 성능이 확보되도록, 제3 실시예의 변형예의 제어(도 10)가 실행되어 엔진 시동을 확보하는 것이 바람직하다. 대조적으로, 운전자에 의한 액셀러레이터 페달의 누름량의 증가에 따라서 엔진을 시동시키려는 요구가 주어지는 경우, 제3 실시예의 제어(도 9)가 실행되어 엔진 시동을 금지하는 것과 동시에 구동력 요구의 증가를 모터 제너레이터(MG2)의 토크 지령값에 반영하는 제어 구조가 사용될 수도 있다.
제3 실시예 및 그 변형예에서, 도 9의 단계 S192는 본 발명의 "시동 제한 수단"에 대응하고, 도 10의 단계 S195는 본 발명의 "시동 확보 수단"에 대응한다.
또한, 본 실시예에서, 모터 제너레이터(MG1)는 본 발명의 "시동 전기 모터"에 대응한다. 그러나, 엔진을 시동시키기 위해 사용되고 전원 라인(7)으로부터 전 력이 공급되는 시동 전기 모터가 별도로 제공되는 경우에도, 제3 실시예 및 그 변형예에 따르는 차량 제어는 적용가능함을 유의한다.
<제4 실시예>
제4 실시예와 관련하여, 운전자가 액셀러레이터 페달 및 브레이크 페달 모두를 작동하는 스톨 상태가 발생하고 모터 제너레이터(MG2)의 락 상태가 발생하는 경우에 있어서의 모터 제너레이터 제어에 관하여 설명하기로 한다.
도 11은 본 발명의 제4 실시예에 따른 차량 제어를 도해하는 흐름도이다.
도 11을 참조하면, 제어 장치(50)는 단계 S200에서, 예컨대 도 2에 도시된 단계 S130과 유사한 처리에 의하여 모터 제너레이터(MG2)의 락 상태가 발생하는지 여부를 결정한다. 락 상태가 발생하는 경우(단계 S200의 결정이 YES인 경우), 제어 장치(50)는 단계 S210을 더 실행하여 스톨 상태가 발생하는지 여부를 결정한다. 단계 S210에서의 결정은 신호 ACC 및 신호 BRK(도 1)에 근거하여 실행된다. 제어 장치(50)는, 액셀러레이터 페달(70) 및 브레이크 페달(71)이 내리눌려지는 각각의 정도가 0이 아닌 경우 스톨 상태를 검출한다.
단계 S200 또는 단계 S210의 결정이 NO인 경우, 즉, 락 상태가 발생하지 않는 경우 또는 락 상태가 발생하는 동안 스톨 상태가 발생하지 않는 경우, 제어 장치(50)는 단계 S220에서 모터 제너레이터(MG1, MG2)의 토크 및 회전수를 통상의 토크 및 회전수로 설정한다. 구체적으로, 도 12에 도시되는 최대 출력 라인(250) 내의 작동 영역(회전수, 토크)에서, 차량 상태에 따라서 모터 제너레이터의 토크 지령값(Tqcom(1), Tqcom(2))이 생성되고, 모터 제너레이터(MG1, MG2)의 각각의 회전 수가 설정된다.
대조적으로, 락 상태가 발생하고(단계 S200의 결정이 YES인 경우) 또한 스톨 상태가 검출되는 경우(단계 S210의 결정이 YES인 경우), 제어 장치(50)는 단계 S230을 실행하여 모터 제너레이터(MG1, MG2)의 작동 영역을 제한한다. 이러한 경우에, 모터 제너레이터(MG1, MG2)의 토크 및 회전수는, 도 12에 도시된 제어 영역(260)의 제한 범위(회전수 ≤ N0 및 토크 ≤ T0인 작동 영역) 내로 설정된다.제어 영역(260)은, 예컨대 승압/강압 변환기(15)에 의하여 전압을 승압하지 않아도 모터 제너레이터(MG1, MG2)가 제어될 수 있는 작동 영역(즉, 필요 전압(Vmg1, Vmg2) ≤ 배터리 정격 전압)에 따라서 설정된다.
도 12에 도시된 바와 같이, 토크 지령값(Tqcom(1), Tqcom(2))이 제한값 T0보다 더 큰 경우에는, 토크 지령값(Tqcom(1) ≤ T0 및/또는 Tqcom(2) ≤ T0)으로 보정된다.
모터 제너레이터(MG2)는 락 상태에 있기 때문에, 그 회전수는 실질적으로 0이다. 모터 제너레이터(MG1)의 회전수가 제한값 N0을 초과하는 경우, 도 13의 노모그래프에 의해 도시된 바와 같이, 모터 제너레이터(MG1)의 회전수가 제한값 N0보다 더 작아지도록 엔진 회전수가 감소된다.
상술된 바와 같은 구성에서는, 락 상태 및 스톨 상태 모두가 발생하는 경우, 모터 제너레이터(MG1, MG2)의 작동 영역은 저회전수 및 저토크 영역 내에 제한되어, 인버터(20, 30)를 형성하는 스위칭 소자의 스위칭 손실이 감소될 수 있고 스위칭 소자의 온도 상승이 억제될 수 있다. 이것에 의해, 스위칭 소자의 온도 상승이 완만해지게 되고, 따라서 이러한 상태에서의 모터(모터 제너레이터(MG2))로부터 보다 긴 시간동안 토크가 출력될 수 있다.
그 결과, 인버터를 형성하는 스위칭 소자가 보호될 수 있고 스톨 시동 성능이 확보될 수 있어, 따라서 차량 성능이 향상될 수 있다. 또는, 스톨 상태에서 시동하는 차량에서 락 상태가 발생하는 경우 온도 상승이 완만해진다는 점을 미리 고려하여, 스위칭 소자의 온도 저항이 낮아지도록 스위칭 소자가 설계될 수 있어, 따라서 스위칭 소자의 크기 및 비용이 감소될 수 있다.
만약 발전기(모터 제너레이터(MG1))가 탑재되지 않는다면, 전기 모터(모터 제너레이터(MG2))에 관해서만 제4 실시예에 따라서 작동 영역이 제한될 수도 있어, 스위칭 소자의 온도 상승을 억제함으로써 소자 보호 및 스톨 시동 성능 모두가 확보될 수 있다.
제4 실시예에서, 도 11의 단계 S210은 본 발명의 "스톨 검출 수단"에 대응하고, 단계 S230은 본 발명의 "작동 영역 제한 수단"에 대응한다.
본 실시예와 관련하여, 본 발명의 모터 구동 제어 시스템이 하이브리드 차량에 탑재되는 일례가 도시되었다. 하지만, 본 발명의 적용은 이러한 일례에 제한되지 않는다. 구체적으로, 제1, 제2 및 제4 실시예, 즉, 엔진 시동에 관련되는 제3 실시예 및 그 변형예를 제외하는 실시예들은, 구동 및 제어되는 회전 전기 기계(전기 모터, 발전기 또는 모터 제너레이터)의 개수에 관계없이, 엔진이 없는 전기차와 같은 전지 차량에 대해서도 적용 가능하다. 또한, 제1 및 제2 실시예는, 회전 전기 기계(전기 모터, 발전기 또는 모터 제너레이터)의 개수 및 회전 전기 기계(전기 모 터 또는 모터 제너레이터)의 구동 부하에 관계없이, 전기차 또는 하이브리드 차량과 같은 전기 동력 차량뿐만 아니라 직류 전원의 출력 전압을 승압할 수 있는 변환기를 포함하도록 구성되는 전기 모터 구동 제어 시스템에도 적용 가능하다.
상기 개시된 실시예들은 모든 측면에 있어서 예시적이며 제한적인 것이 아님은 자명하다. 본 발명의 범위는 특허청구범위에 의해 결정되고, 특허청구범위와 균등한 의미 및 범위내에서 모든 변형예 및 수정예를 포함하도록 의도된다.

Claims (22)

  1. 삭제
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 삭제
  6. 삭제
  7. 삭제
  8. 삭제
  9. 차량에 탑재되는 모터 구동 제어 시스템에 있어서,
    직류 전원;
    상기 직류 전원의 출력 전압을 승압할 수 있게 구성되고, 상기 직류 전원의 출력 전압을 전압 지령값에 따라서 가변 제어하여 상기 출력 전압을 직류 전원 라인으로 출력하도록 구성되는 변환기;
    상기 차량의 구동력을 발생시키도록 구성되는 전기 모터;
    상기 전기 모터가 작동 지령에 따라 작동하도록, 복수의 스위칭 소자에 의하여, 상기 직류 전원 라인상의 직류 전력과 상기 전기 모터를 구동하기 위한 교류 전력 사이에서 전력 변환을 실행하는 제1 인버터; 및
    상기 전기 모터의 락 상태를 검출하는 락 검출 수단을 포함하되,
    연료의 연소에 의해 작동되는 엔진 및 상기 직류 전원 라인으로부터 상기 직류 전원의 출력 전압보다 더 높은 전압이 공급되고, 상기 엔진을 시동시키는 시동 전기 모터가 상기 차량에 더 탑재되고,
    상기 모터 구동 제어 시스템은, 상기 락 검출 수단이 상기 전기 모터의 락 상태를 검출하는 경우 상기 엔진의 시동을 제한하기 위한 시동 제한 수단을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 모터 구동 제어 시스템.
  10. 차량에 탑재되는 모터 구동 제어 시스템에 있어서,
    직류 전원;
    상기 직류 전원의 출력 전압을 승압할 수 있게 구성되고, 상기 직류 전원의 출력 전압을 전압 지령값에 따라서 가변 제어하여 상기 출력 전압을 직류 전원 라인으로 출력하도록 구성되는 변환기;
    상기 차량의 구동력을 발생시키도록 구성되는 전기 모터;
    상기 전기 모터가 작동 지령에 따라 작동하도록, 복수의 스위칭 소자에 의하여, 상기 직류 전원 라인상의 직류 전력과 상기 전기 모터를 구동하기 위한 교류 전력 사이에서 전력 변환을 실행하는 제1 인버터; 및
    상기 전기 모터의 락 상태를 검출하는 락 검출 수단을 포함하되,
    연료의 연소에 의해 작동되는 엔진 및 상기 직류 전원 라인으로부터 상기 직류 전원의 출력 전압보다 더 높은 전압이 공급되고, 상기 엔진을 시동시키는 시동 전기 모터가 상기 차량에 더 탑재되고,
    상기 모터 구동 제어 시스템은, 상기 락 검출 수단이 상기 락 상태를 검출하고 상기 엔진의 시동이 지시되는 경우, 상기 엔진을 시동시키기 위해 필요한 사전 설정된 기간 내에서, 상기 변환기의 상기 전압 지령값을 상기 시동 전기 모터의 필요 전압까지 일시적으로 증가시키는 시동 확보 수단을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 모터 구동 제어 시스템.
  11. 제9항 또는 제10항에 있어서,
    상기 시동 전기 모터는, 상기 엔진이 작동하는 경우 상기 엔진의 출력의 일부 또는 전부에 의해 회전 구동됨으로써 전력을 발생시킬 수 있고, 상기 엔진이 정지하는 경우 상기 엔진을 회전 구동하기 위한 토크를 발생시킴으로써 상기 엔진을 시동시킬 수 있도록 구성되는 모터 제너레이터로 형성되는 것을 특징으로 하는 모터 구동 제어 시스템.
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  20. 차량에 탑재되는 모터 구동 제어 시스템 제어 방법에 있어서,
    상기 모터 구동 제어 시스템은:
    직류 전원;
    상기 직류 전원의 출력 전압을 승압할 수 있게 구성되고, 상기 직류 전원의 출력 전압을 전압 지령값에 따라서 가변 제어하여 상기 출력 전압을 직류 전원 라인으로 출력하도록 구성되는 변환기;
    상기 차량의 구동력을 발생시키도록 구성되는 전기 모터; 및
    상기 전기 모터가 작동 지령에 따라 작동하도록, 복수의 스위칭 소자에 의하여, 상기 직류 전원 라인상의 직류 전력과 상기 전기 모터를 구동하기 위한 교류 전력 사이에서 전력 변환을 실행하는 제1 인버터를 포함하되,
    연료의 연소에 의해 작동되는 엔진 및 상기 직류 전원 라인으로부터 상기 직류 전원의 출력 전압보다 더 높은 전압이 공급되고, 상기 엔진을 시동시키는 시동 전기 모터가 상기 차량에 더 탑재되고,
    상기 방법은:
    상기 전기 모터의 락 상태를 검출하는 단계; 및
    상기 전기 모터의 락 상태가 검출되는 경우 상기 엔진의 시동을 제한하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 모터 구동 제어 시스템 제어 방법.
  21. 차량에 탑재되는 모터 구동 제어 시스템 제어 방법에 있어서,
    상기 모터 구동 제어 시스템은:
    직류 전원;
    상기 직류 전원의 출력 전압을 승압할 수 있게 구성되고, 상기 직류 전원의 출력 전압을 전압 지령값에 따라서 가변 제어하여 상기 출력 전압을 직류 전원 라인으로 출력하도록 구성되는 변환기;
    상기 차량의 구동력을 발생시키도록 구성되는 전기 모터; 및
    상기 전기 모터가 작동 지령에 따라 작동하도록, 복수의 스위칭 소자에 의하여, 상기 직류 전원 라인상의 직류 전력과 상기 전기 모터를 구동하기 위한 교류 전력 사이에서 전력 변환을 실행하는 제1 인버터를 포함하되,
    연료의 연소에 의해 작동되는 엔진 및 상기 직류 전원 라인으로부터 상기 직류 전원의 출력 전압보다 더 높은 전압이 공급되고, 상기 엔진을 시동시키는 시동 전기 모터가 상기 차량에 더 탑재되고,
    상기 방법은:
    상기 전기 모터의 락 상태를 검출하는 단계; 및
    상기 전기 모터의 락 상태가 검출되고 상기 엔진의 시동이 지시되는 경우, 상기 엔진을 시동시키기 위해 필요한 사전 설정된 기간 내에서, 상기 변환기의 상기 전압 지령값을 상기 시동 전기 모터의 필요 전압까지 일시적으로 증가시키는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 모터 구동 제어 시스템 제어 방법.
  22. 제20항 또는 제21항에 있어서,
    상기 시동 전기 모터는, 상기 엔진이 작동하는 경우 상기 엔진의 출력의 일부 또는 전부에 의해 회전 구동됨으로써 전력을 발생시킬 수 있고, 상기 엔진이 정지하는 경우 상기 엔진을 회전 구동하기 위한 토크를 발생시킴으로써 상기 엔진을 시동시킬 수 있도록 구성되는 모터 제너레이터로 형성되는 것을 특징으로 하는 모터 구동 제어 시스템 제어 방법.
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