KR101044230B1 - 스톱앤고 차량용 오일펌프 구동장치 - Google Patents

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Abstract

CAN 통신 타이밍 오류 및 라인이 단절된 경우, 오일펌프 구동장치 내의 온도를 감지하여 BLDC 모터를 계속 구동할 수 있는 스톱앤고 차량용 오일펌프 구동장치에 관한 것으로, N 채널 MOSFET로 이루어지고, 상기 오일펌프 구동용 모터를 구동하는 3상 풀 브릿지 회로, 차량의 엔진 RPM 및 목표 RPM을 CAN 송수신기를 통해 TCU(Transmission Control Unit)에서 입력받아 상기 오일펌프 구동용 모터의 목표 RPM을 PWM 신호로 출력하고, 상기 오일펌프 구동용 모터의 실제 RPM을 피드백 신호로 받아 오차에 대한 PID 제어를 실시하는 중앙처리장치, 게이트 드라이버를 구비하고, 상기 모터의 실제 RPM을 상기 중앙처리장치로 전달하고, 상기 중앙처리장치에서 출력된 PWM 제어 신호와 스위칭 신호를 결합하여 상기 3상 풀 브릿지 회로로 출력하는 통합형 모터 컨트롤러, 상기 중앙처리장치와 3상 풀 브릿지 회로로 각각 전원을 공급하는 전원공급장치 및 상기 오일펌프 구동장치 내의 온도를 감지하는 온도감지수단의 구성을 마련한다.
상기와 같은 스톱앤고 차량용 오일펌프 구동장치를 이용하는 것에 의해, TCU와 오일펌프 구동장치(OPU) 사이의 통신 상태에 장애가 발생하여도 지속적으로 모터 구동이 가능하여 장치의 내구성을 증대시킬 수 있다.
Figure R1020090028735
외장형, 오일펌프, 모터, 스톱앤고, 중앙처리장치, 온도감지

Description

스톱앤고 차량용 오일펌프 구동장치{UNIT FOR DRIVING OIL PUMP FOR STOP AND GO VEHICLE}
본 발명은 스톱앤고(Idle Stop & Go) 차량용 오일펌프 구동장치에 관한 것으로, 특히 CAN 통신 라인의 고장 시에도 작동유를 충분히 공급할 수 있어 엔진 클러치와 변속기의 작동 이상 발생을 효과적으로 방지할 수 있는 스톱앤고 차량용 오일펌프 구동장치에 관한 것이다.
최근 차량의 연비를 개선하고 보다 친환경적인 제품을 개발해야 한다는 시대적 요청에 부응하여 차에 대한 연구가 더욱 활발히 진행되고 있다.
이와 같이 연비를 개선하기 위한 방법의 하나로서 아이들 스톱앤고 차량이 개발되고 있다.
아이들 스톱 기능은 엔진 아이들(Idle)시 연료 절약을 위해 엔진 시동을 오프(Off) 시키는 기능이다. 즉 차속이 '0', 브레이크 페달을 밟은 상태(브레이크 스위치 온(On), 가속 페달을 밟지 않은 상태(가속페달 스위치 오프(Off))의 조건을 만족한 상태에서 이루어진다.
차량 주행을 위해 아이들 스톱 해제시에는 브레이크 페달을 밟은 상태를 해제하거나, 가속 페달을 밟는다. 즉, 브레이크 스위치가 오프(Off)되거나, 가속 페달 스위치가 온(On)된 상태이면 아이들 스톱 기능은 해제된다.
상기한 바와 같은 아이들 스톱앤고 ISG(Idle Stop & Go)은 차량의 연비를 향상시키기 위해서 일정시간 차량이 정지하면, 엔진을 정지하고 엑셀레이터 페달 작동시 자동적으로 엔진의 시동을 걸어서 차량을 출발시킬 수 있도록 한다.
이 아이들 스톱 모드는 자동차의 연비/배기 성능 개선을 위한 여러 기술 중 한가지로 불필요한 엔진 공회전을 방지하여 연비/배기 성능을 향상하는 과정을 말한다
또한, 차는 차량 전반의 제어를 담당하는 제어기(Hybrid Control Unit, 이하 HCU 라 칭함)가 탑재되어 있고 시스템을 구성하는 각 장치별로 제어기를 구비하고 있다.
여기서, 엔진 작동의 전반을 제어하는 엔진 제어 유닛(Engine Control Unit, 이하 ECU 라 칭함), 변속기를 제어하는 변속기 제어 유닛(Transmission Control Unit, 이하 TCU 라 칭함) 등이 구비되어 있다.
이러한 제어 유닛들은 상위 제어기인 HCU를 중심으로 고속 CAN 통신라인으로 연결되어 제어기들 상호 간의 정보를 주고 받으면서 상위 제어기는 하위 제어기에 명령을 전달하도록 되어있다.
또 아이들 스톱 모드의 진입을 위하여, HCU가 ECU와 TCU 및 FATC(Full Auto Temperature Control)에 아이들 스톱 진입 신호를 보내면, 상기 TCU는 클러치를 오 픈(Open)시키는 제어를 하여 엔진과 모터의 동력이 차량에 전달되는 것을 차단하고, 상기 ECU는 엔진을 오프(Off)시키는 제어를 하여 엔진 동력의 전달을 차단하는 제어를 하게 되며, 이때 HCU는 모터 제어 유닛에 신호를 보내어 모터에 킬(Kill) 토크가 발생되도록 함으로써, 엔진과 모터의 잔류 토크를 삭제하여 아이들 스톱 모드의 진입이 완료되어진다.
한편, 이러한 차량은 변속기에 필요한 작동유를 공급하기 위하여 오일펌프(Oil Pump)를 구비하고 있으며, 이는 엔진의 폭발행정에서 발생된 열로 인해 실린더, 피스톤, 크랭크축베어링, 캠축 베어링 등으로 작동유의 공급을 도모하고 있다.
이때, 오일펌프는 HCU가 차량의 운행 상태 및 운전자 조작 상태에 따라 목표 회전수를 결정한 뒤, 이를 송신하면 목표 회전수에 따라 오일펌프 구동용 모터를 제어하고, 이에 목표 회전수에 따라 제어되는 오일펌프 구동용 모터에 의해 오일펌프가 작동되면서 엔진 클러치 및 변속기에 필요한 작동유를 공급하게 된다.
따라서, CAN 통신을 통해 오일펌프 구동용 모터의 목표 회전수 및 실제 회전수, 오일펌프의 운전 상태, 즉 정상 또는 고장상태 등의 정보를 주고받으며 제어를 실시한다.
그러나, 이러한 차량의 CAN 통신에 문제가 발생하여 TCU 등과 데이터 송수신이 가능하지 않거나, 오일펌프 구동용 모터에 과전류가 발생하는 등의 오류 및 불능 상태가 발생한 경우를 대비한 차량용 오일펌프 제어장치가 마련되지 않아, 오일펌프 구동용 모터의 구동 신뢰성을 저하되는 등의 문제점이 있었다.
본 발명은 상기한 문제점을 해결하기 위하여 이루어진 것으로, CAN 통신 라인 에 고장이 발생한 경우에도, 엔진 클러치와 변속기에 충분한 양의 작동유가 공급될 수 있는 스톱앤고 차량용 오일펌프 구동장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 다른 목적은 CAN 통신 타이밍 오류 및 통신 라인이 단절된 경우, 오일펌프 구동장치 내의 온도를 감지하여 BLDC 모터를 계속 구동할 수 있는 스톱앤고 차량용 오일펌프 구동장치를 제공하는 것이다.
상기 목적을 달성하기 위해 본 발명에 따른 스톱앤고 차량용 외장형 오일펌프의 구동장치는 N 채널 MOSFET로 이루어지고, 상기 오일펌프 구동용 모터를 구동하는 3상 풀 브릿지 회로, 차량의 엔진 RPM 및 목표 RPM을 CAN 송수신기를 통해 TCU(Transmission Control Unit)에서 입력받아 상기 오일펌프 구동용 모터의 목표 RPM을 PWM 신호로 출력하고, 상기 오일펌프 구동용 모터의 실제 RPM을 피드백 신호로 받아 오차에 대한 PID 제어를 실시하는 중앙처리장치, 게이트 드라이버를 구비하고, 상기 모터의 실제 RPM을 상기 중앙처리장치로 전달하고, 상기 중앙처리장치에서 출력된 PWM 제어 신호와 스위칭 신호를 결합하여 상기 3상 풀 브릿지 회로로 출력하는 통합형 모터 컨트롤러, 상기 중앙처리장치와 3상 풀 브릿지 회로로 각각 전원을 공급하는 전원공급장치 및 상기 오일펌프 구동장치 내의 온도를 감지하는 온도감지수단을 포함하는 것을 특징으로 한다.
또 본 발명에 따른 스톱앤고 차량용 외장형 오일펌프 구동장치에 있어서, 상기 CAN 송수신기와 상기 TCU와의 통신이 고장일 경우, 상기 중앙처리장치는 상기 온도감지수단에서 감지된 온도에 따라 상기 모터 컨트롤러를 제어하는 것을 특징으로 한다.
또 본 발명에 따른 스톱앤고 차량용 외장형 오일펌프 구동장치에 있어서, 상기 CAN 송수신기와 상기 TCU와의 통신이 이루어지는 경우, 상기 중앙처리장치는 상기 오일펌프 구동용 모터를 무단제어하는 것을 특징으로 한다.
또 본 발명에 따른 스톱앤고 차량용 외장형 오일펌프 구동장치에 있어서, 상기 온도감지수단은 열을 받으면 저항이 줄어드는 부성저항 특성을 갖는 NTC 서미스터(Negative Temperature Coefficient Thermistor)인 것을 특징으로 한다.
또 본 발명에 따른 스톱앤고 차량용 외장형 오일펌프 구동장치에 있어서, 상기 온도감지수단이 120 내지 130℃의 온도를 감지하면, 상기 중앙처리장치는 상기 모터 컨트롤러를 제어하는 것을 특징으로 한다.
또 본 발명에 따른 스톱앤고 차량용 외장형 오일펌프 구동장치에 있어서, 상기 중앙처리장치는 상기 온도감지수단에서 감지된 온도를 1 내지 3초의 간격으로 검출하는 것을 특징으로 한다.
또 본 발명에 따른 스톱앤고 차량용 외장형 오일펌프 구동장치에 있어서, 상 기 전원은 상기 중앙처리장치로 전원이 공급된 후, 상기 3상 풀 브릿지 회로로 전원이 공급되는 것을 특징으로 한다.
삭제
상술한 바와 같이, 본 발명에 따른 스톱앤고 차량용 오일펌프 구동장에 의하면, TCU와 오일펌프 구동장치(OPU) 사이의 통신 상태에 장애가 발생하여도 지속적으로 모터 구동이 가능하여 장치의 내구성을 증대시킨다는 효과가 얻어진다.
또 본 발명에 따른 차량용 오일펌프 구동장치에 의하면, 최초 차량 출발시, 아이들시 또는 신호 대기시인지 판단하여 오일펌프 구동장치를 작동시키므로 연비를 개선할 수 있다는 효과도 얻어진다.
본 발명의 상기 및 그 밖의 목적과 새로운 특징은 본 명세서의 기술 및 첨부 도면에 의해 더욱 명확하게 될 것이다.
이하, 본 발명의 구성을 도면에 따라서 설명한다.
또한, 본 발명의 설명에 있어서는 동일 부분은 동일 부호를 붙이고, 그 반복 설명은 생략한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 스톱앤고 차량용 외장형 오일펌프 구동장치를 개략적으로 도시한 블록구성도이다. 도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 스톱앤고 차량용 외장형 오일펌프 구동장치(OPU : 100)는 전원공급장치(10), 중앙처리장치(20), 통합형 모터 컨트롤러(30), 3상 풀 브릿지(Full-Bridge) 회로(40), 과전류 검출부(50), 온도감지수단(60), CAN 송수신기(70)를 포함하여 이루어진다.
여기서, 전원공급장치(10)는 EMC(electromagnetic compatibility Filter)노이즈 감소를 위한 EMC 필터, 정전압 레귤레이터를 포함하여 구성되며, 차량의 배터리(BATT) 공급 전원을 받아 정전압 레귤레이터를 거쳐 5V의 전압이 16비트로 이루어진 중앙처리장치(20)에 공급된다.
이후 중앙처리장치(20)가 오일펌프 구동장치(100) 내에 이상이 없는 것으로 판단하면, 전원공급장치(10)에서 통합형 모터 컨트롤러(30) 및 3상 풀 브릿지 회로(40)에 12V의 전압을 공급한다. 즉, 전원공급장치(10)에서 BLDC 모터(12)에 전 류(최대 50A)를 공급한다.
그리고, 예를 들어 5V의 전압은 5V 전원으로 구동되는 중앙처리장치(20), 속도 감지부(13), 과전류 검출부(50) 등에 각각 인가된다.
또한, 중앙처리장치(20)는 상기 전원공급장치(10)에서 출력된 각각의 전압을 가지는 전원이 각 소자로 인가되면, 변속기 제어 유닛 TCU(Transmission Control Unit)에서 CAN 메시지와 메인 오일 펌프의 상태를 디지털 신호롤 입력받는다. 즉, 도 1에 도시된 바와 같은 구조에 있어서, 상기 중앙처리장치(20)는 각각 CAN 송수신기(70)를 통해 TCU로부터의 명령에 따라 BLDC 모터(12)의 구동을 제어한다.
그리고, 중앙처리장치(20)에 기 저장된 제어 로직에서 상기 변속 신호와 메인 오일 펌프의 상태에 따라 BLDC 모터(12)의 회전 속도를 산출하게 되고, 이를 통합형 모터 컨트롤러(30)로 전달하여 상기 BLDC 모터(12)를 구동하도록 한다. 이러한 중앙처리장치(20)의 제어 로직에 대해서는 후술한다.
이때, 중앙처리장치(20)의 내부 제어 주기(Control Interval)는 종래의 일정한 시간 간격을 갖는 방식이 아닌, 시변(Time-Variant) 방식이며, 이는 BLDC 모터(12)의 속도와 반비례한다.
즉, BLDC 모터(12)의 속도가 느리면 제어 주기는 길어지고, BLDC 모터(12)의 속도가 빨라지면 제어 주기는 짧아지는 것이며, 이는 BLDC 모터(12)의 속도에 맞추어 최적의 시기에 BLDC 모터(12)의 속도를 조절할 수 있도록 제어함으로써, 종래의 제어 방식과는 달리 응답성 및 정밀성을 향상시킬 수 있다.
더불어, BLDC 모터(12)가 상기 중앙처리장치(20)에서 목표한 속도에 맞게 회전할 수 있도록, 중앙처리장치(20)에서 속도 감지부(13)의 홀 센서를 통해 현재 BLDC 모터(12)의 회전수를 피드백 신호로 받으면, 상기 중앙처리장치(20)에서는 통합형 모터 컨트롤러(30)를 통해 3상 풀 브릿지 회로(40)를 제어한다.
즉, 상기 중앙처리장치(20)는 BLDC 모터(12)의 현재 회전수가 목표 회전수에 도달할 수 있도록, PID(Proportional Integral Derivative) 제어를 통하여 피드백 제어를 실시한다.
여기서, PID 제어는 제어 변수와 기준 입력 사이의 오차에 근거하여 계통의 출력이 기준 전압을 유지하도록 하는 피드백 제어의 일종으로서, P 제어(비례)는 기준 신호와 현재 신호 사이의 오차 신호에 적당한 비례 상수 이득을 곱하여 제어 신호를 만들고, I 제어(비례 적분)는 오차 신호를 적분하여 제어 신호를 만드는 적분 제어를 비례 제어에 병렬로 연결해 사용하며, D 제어(비례 미분)는 오차 신호를 미분하여 제어 신호를 만드는 미분 제어를 비례 제어에 병렬로 연결하여 사용하는 제어 방법이다.
따라서, 중앙처리장치(20)는 상기 PID 제어를 통하여 증가되거나 또는 감소되도록 산출된 PWM 듀티(Duty, %)를 이용하여, BLDC 모터(12)가 목표 회전수에 도달하도록 피드백 제어를 실시함으로써, 더욱 정확한 제어를 가능하게 하며, 상기 PID 제어 수식 및 그래프는 하기에서 설명하도록 한다.
상기 중앙처리장치(20)는 상기 3상 풀 브릿지 회로(40)를 통하여 BLDC 모터(12)를 제어하도록, PWM 신호를 상기 통합형 모터 컨트롤러(30)로 출력한다.
또 3상 풀 브릿지 회로(40)는 상기 PWM 신호가 출력 또는 단속되도록 구비되는 스위칭 회로로서, 3상 BLDC 모터(12)를 구동시키는 FET 소자로 구성된다.
또한, 상기 3상 풀 브리지 회로(40)의 하이 사이드(High Side) 및 로우 사이드(Low Side)에는 모두 N 채널 MOSFET을 이용하는데, 그 이유는 상기 통합형 모터 컨트롤러(30)가 상기 FET 소자를 턴 온/턴 오프시키는 게이트 드라이버(Gate Driver)와 통합된 소자이기 때문에, 상기 소자의 적용으로 인해 P/N 채널 MOSFET이 적용되는 것이 아니라, N 채널 MOSFET 만이 이용되는 것이다.
여기서, N 채널 MOSFET을 구동하기 위해 상기 통합형 모터 컨트롤러(30)는 상기 게이트 드라이버와 함께, 충전 펌프(Charge Pump)가 내장되어 신뢰성을 향상시키도록 구성된다.
즉, 본 발명에 따른 스톱앤고 차량용 외장형 오일펌프 구동장치(100)는 FET 소자로 이루어진 통합형 모터 구동부(40)를 스위칭시키는 게이트 드라이버를 따로 구비하지 않고, 통합형 모터 컨트롤러(30)에 통합시킴으로써 3상 풀 브릿지 회로(40)의 하이 사이드 및 로우 사이드를 N 채널 MOSFET으로 구비하여, 보다 그 크기 및 부피가 줄어들 수 있고, 제어 속도가 증가되도록 이루어진다.
따라서, 상기 중앙처리장치(20)에서 출력된 PWM 신호가 3상 풀 브리지 회로(40)의 스위칭 신호에 의해 BLDC 모터(12)로 전달되게 되고, 상기 BLDC 모터(12)는 3 상(U, V, W) 라인을 통하여 목표 회전수에 도달하도록 회전하게 된다.
이때, 속도 감지부(13)의 홀 센서는 상기 PWM 신호가 인가되면, BLDC 모터(12) 회전자의 위치 정보를 통합형 모터 컨트롤러(30)를 통해 중앙처리장치(20) 로 출력하며, 중앙처리장치(20)에서는 상기 3상 풀 브릿지 회로(40)의 FET 소자를 턴 온시켜 BLDC 모터(12)를 구동하도록 구비된다.
또한, 홀 센서는 구동되는 BLDC 모터(12)의 회전수 및 속도를 감지하여 통합형 모터 컨트롤러(30)를 통해 중앙처리장치(20)로 출력하며, 피드백 신호로 입력된 BLDC 모터(12)의 현재 속도는 목표 속도에 근접하기 위한 PID 제어에 이용된다.
상기 과전류 검출부(50)는 예를 들어 분류기(SHUNT) 등으로 이루어지고, BLDC 모터(12)에 가해지는 전류를 감지한다.
또 온도감지수단(60)은 오일펌프 구동장치(100) 내의 온도를 감지하기 위해 마련된 것으로서, 열을 받으면 저항이 줄어드는 부성저항 특성을 갖는 NTC 서미스터(Negative Temperature Coefficient Thermistor)로 이루어진다.
상기 온도감지수단(60)이 오일펌프 구동장치(100) 내의 온도가 120 내지 130℃인 경우를 감지하면, 상기 중앙처리장치(20)는 상기 CAN 송수신기(70)와 TCU와의 통신이 고장일 경우로 판단하고, 상기 통합형 모터 컨트롤러(30)를 직접 제어한다. 이러한 제어 방법에 대해서는 후술한다.
또한, TCU로부터 차량에 대한 속도 및 목표 RPM은 CAN 송수신기(70)를 거쳐서 중앙처리장치(20)로 출력된다. 즉 상기 CAN 송수신기(70)는 중앙처리장치(20)와 연결되어 TCU의 상태 정보, BLDC 모터(12) 속도에 대한 명령 데이터 등을 송신하고, 차량용 외장형 오일펌프 구동장치(100)에서 출력되는 정보들을 수신하도록 구비된다.
여기서, CAN 송수신기(70)가 작동하지 않거나 오류가 발생한 경우의 제어방법은 하기에서 상세히 설명한다.
따라서, 본 발명에 따른 스톱앤고 차량용 외장형 오일펌프 구동장치(100)는 CAN 송수신기를 이용하여 통합적으로 데이터를 주고받을 수 있고, CAN 송수신기(70)가 불능인 경우 등의 오류 상황에 대한 제어방법을 제공함으로써, 오류가 발생하는 경우에도 신뢰성을 저하시키지 않도록 이루어진다.
도 2는 본 발명에 따른 스톱앤고 차량용 외장형 오일펌프 구동장치의 차량 상태에 따른 CAN의 사양을 나타내는 표이고, 도 1을 참조하여 설명한다. 도 2에 도시된 바와 같이, 스톱앤고 차량용 외장형 오일펌프 구동장치(100)는 차량에 시동이 걸리고 난 후, 초기 유압 형성을 위하여, 차량용 외장형 오일펌프를 구동시키는 BLDC 모터(12)는 TCU가 CAN 송수신기(70)를 통해 CAN 메시지로 중앙처리장치(20)에 송신하는 것에 의해 구동된다. 즉, TCU가 CAN 메시지로 1 바이트(8bit)의 RPM 메시지를 보내면 비트 레이트(Bit Rate) 20으로 계산하여 OPU(100)가 RPM을 인식하여 BLDC 모터(12)를 구동시킨다.
예를 들어 TCU가 1350 RPM으로 구동 명령시, 1350/20 = 67.5이며, 67.5의 헥사(hex)값은 43이므로, OPU(100)는 TCU(300)로부터 43의 값을 받고, 중앙처리장치(20)는 43이 1350 rpm 명령이라는 것을 인식하여 BLDC 모터(12)를 구동시킨다.
그러나, 본 발명은 도 2에 도시된 각각의 데이터에 한정을 두는 것은 아니고 설명의 편의상 일 예로서 기술한 것이다.
도 3은 본 발명에 따른 스톱앤고 차량용 외장형 오일펌프 구동장치(100)의 PID 제어를 도시한 도이고, 도 1을 참조하여 설명한다. 도 3에 도시된 바와 같이, 상기 속도 감지부(13)의 홀 센서에서 감지하고, 상기 중앙처리장치(20)에서 모터의 회전수를 입력받으면, 상기 중앙처리장치(20)에서 출력한 BLDC 모터(12)의 목표 회전수(기준값)와 비교한다.
즉, 도 2에 기재된 각각의 차량 상태 조건별 BLDC 모터(12)의 회전수, 스톱앤고 차량용 엔진 RPM에 따른 외장형 오일펌프 온/오프 조건에 따라 중앙처리장치(20)에서 상기와 같은 PID 제어를 실시하는 것이다.
따라서, 목표 회전수(기준값)와 실제 회전수(실제값)의 차이, 즉 오차를 PID 제어의 입력값(E(n))으로 하여 비례 이득(KP), 적분 이득(KI), 미분 이득(KD)을 각각 계산하여 오차 보정을 위한 출력값(Y(n))이 산출된다.
상기 PID 제어에 대한 수식은 하기 수학식 1과 같다.
Figure 112009020125744-pat00001
여기서, 중앙처리장치(20)는 예를 들어 상기 BLDC 모터(12)의 목표 RPM과 실제 RPM의 오차가 30% 이상인 경우, 상기 모터(M)의 3상 라인이 개방 또는 단락된 것으로 판단한다.
도 4는 도 3의 PID 제어에서 모터 속도에 따른 샘플링 시간을 도시한 그래프이다. 도 5의 PID 제어는 시변 시스템(Time-Variant)으로 구동된다.
즉, 샘플링 시간(Ts)을 BLDC 모터(12)의 속도에 따라 변화시켜 응답 특성 및 RPM 오차를 개선하기 위해서이다.
따라서, 동일한 샘플링 속도로 가정하면, Kp가 BLDC 모터(12)의 RPM에 따라 변화시키는 것과 유사하며, 최초 구동시에는 기 설정된 PMW 듀티(%)로 BLDC 모터(12)를 구동시키고, BLDC 모터(12)의 목표 회전수를 TCU(300)에서 받으면 현재 RPM과 비교하여 오차(E(n))를 계산한다.
이때, 상기 오차(E(n))를 Kp(P 이득)으로 나누고, E(n)/Kp 값을 모터(M)가 가속되고 있는 구간에서는 가산하고, BLDC 모터(12)가 감속되고 있는 구간에서는 감산하며, 상기 P 이득은 예를 들어 디폴트로 250으로 설정한다.
따라서, BLDC 모터(12)의 PWM 신호는 하기와 같은 수학식 2로 정의될 수 있다.
모터구동 PMW 신호 = 현재 PWM 듀티(%) ± ( 오차(E(n)) ÷ P 이득(Kp))
여기서, BLDC 모터(12)가 가속될 때, PWM 듀티(%)가 최고값(Max Limit) 이상인 경우, PWM 듀티(%)는 최고 제한값으로 고정하며, PWM 듀티(%)가 최저값(Min Limit) 이하인 경우, PWM 듀티(%)는 최저 제한값으로 고정하여 그 범위를 벗어나지 않도록 한다.
단, BLDC 모터(12)가 감속될 때, 서서히 감속시키기 위해 BLDC 모터(12)의 목표 회전수의 10% 이내로 현재 BLDC 모터(12)의 속도가 도달하면, P 이득(Kp)을 다른 값(예, 800)으로 바꾸어 나누어준다.
즉, P 이득은 BLDC 모터(12)가 감속될 때, 또는 현재 BLDC 모터(12)의 속도가 BLDC 모터(12)의 목표 속도의 10% 이내이면 P 이득을 변경하여 나누어주어 BLDC 모터(12)의 속도가 비선형적으로 변하지 않도록 한다.
다음에 도 5 내지 도 7에 따라 스톱앤고 차량용 외장형 오일펌프 구동방법을 설명한다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 스톱앤고 차량용 외장형 오일펌프 구동방법을 설명하는 흐름도이고, 도 6은 TCU와 OPU와의 통신 방법을 설명하는 도면이고, 도 7은 TCU와 OPU와의 송수신 파형을 나타내는 도면이다.
도 5에 도시된 바와 같이, 스톱앤고 차량용 외장형 오일펌프 구동방법은 중앙처리장치(20)가 기 설정된 조건에 따라 최초 차량 출발시, 아이들시 또는 신호 대기시인지 판단한다(S10). 즉 본 발명은 스톱앤고 차량에 적용되므로, 설명의 편의상 예를 들어 차량 출발시를 키 입력 신호가 입력된 것으로 판단한다.
그리고, TCU와 외장형 오일펌프 구동장치(OPU : 100)는 속도 명령 데이터, 상태 데이터 등을 주고 받으며 오류를 확인하고, 중앙처리장치(20) 내의 시변 시스템 기반 PID 제어를 통하여 모터의 현재 상태를 확인하여(S20), 외장형 오일펌프 구동장치(100)가 정상제어 상태인가 판단한다(S30).
단계 S30에서 정상 제어인 것으로 판단되면, 중앙처리장치(20)가 배터리(BATT) 공급 전원을 3상 풀 브릿지 회로(40)로 공급되게 하여 BLDC 모터(12)를 작동시킨다(S40). 이때는 CAN 송수신기(70)로부터의 메시지에 의해 CAN 베이스 통신 제어를 하며 BLDC 모터(12)를 제어한다. 즉, CAN 메시지를 통해 TCU(300)가 CAN 통신 메시지를 헥사 코드로 명령 RPM을 보내면 중앙처리장치(20)가 그대로 목표 RPM으로 받아드려 BLDC 모터(12)를 명령 RPM으로 구동시키는 것이다.
단계 S30에서 정상 제어가 아닌 것으로 판단되면, TCU와 오일펌프 구동장치(100)의 통신 또는 연결 상태가 고장인가 판단한다(S50).
단계 S50에서의 판단 결과, CAN 송수신기(70)가 오프(CAN 메시지가 타임 아웃 또는 CAN 라인 자체가 끊어졌을 경우)인 것으로 판단되면, 도 6에 도시한 바와 같이, CAN 오프시, OPU(100)가 이를 감지하여 먼저 TCU쪽으로 OPU(100)를 통해 100Hz 50% DUTY로 파형을 송신한다. 그러면 TCU가 이 신호를 감지하여 OPU(100)로 1KHz의 PWM 신호를 송신하여 듀티 값에 따른 모터 RPM을 제어하도록 한다. 이때의 송수신 파형은 도 7에 도시한 바와 같다.
단계 S50에서의 CAN 송수신기(70)와 중앙처리장치(20) 사이가 고장이고, CAN 송수신기(70)와 TCU가 오프되면, 중앙처리장치(20)는 온도감지수단(60)에서 감지된 OPU(100)의 내부 온도에 따라 중앙처리장치(20)에 미리 설정되어 있는 온도 맵에 따른 모터 RPM 맵(MAP)을 이용하여 BLDC 모터(12)에 대해 자체구동을 실행한다(S60).
즉, 중앙처리장치(20)는 온도감지수단(60)에서 감지된 온도를 예를 들어, 2 내지 5초의 간격으로 검출하고, 온도감지수단(60)이 120 내지 130℃의 온도를 감지하면, 모터 컨트롤러(30)를 제어하여 BLDC 모터(12)의 구동을 실행한다.
단계S50에서 오일펌프 시스템(하이브리드 차량용 외장형 오일펌프 구동장치(100)과 오일펌프)이 고장인 경우(S70), BLDC 모터(12)는 정지된다(S71).
또한, 본 발명에 따른 OPU(100)는 단순히 모터를 구동하는 기능이 아니라 세부적인 자기진단이 가능한 장치로 하기 FAULT 검출 표 1에 나타나 있듯이, 각 FAULT 항목에 대한 검출 시간 및 리셋 조건, 판단 조건, 판단시 에러 reaction에 대한 진단을 실시한다.
예를 들어, 고온 검출(detect) 항목은 다음과 같다.
OPU(100)의 내부 온도가 120℃ 이상 3초간 지속되면, OPU(100)는 미리 설정된 최소 듀티를 출력하며, 120℃ 이하에서 1초간 유지되면 정상상태로 복귀한다. 그리고 리셋조건은 이그니션(IG) 키 전원이 리셋되면 FAULT는 해지가 되며, 회복되는 기능(Recovery)은 상기 설명과 같이 1초간 120℃ 이하를 유지하면 정상복귀된 다.
회복기능이 없는 항목의 경우에는 에러 reaction 항목을 이그니션(IG) 키 전원이 리셋되기 전까지 계속 지속시킨다.
Figure 112009020125744-pat00002
또한 본 발명에 있어서는 차량의 배터리 소비를 줄이기 위해 OPU 파워 세이브 모드(OPU Power Save Mode)를 마련한다.
즉 하기 ① 내지 ⑥의 조건
"① OPU(100)의 입력 전류가 45A 이상이 되어 전류 LIMIT flag가 ON이 되고,
② 현재 차속이 0인 상태,
③ 전류 LIMIT flag ON 지속 TIME이 5분 이상 경과,
④ IG key ON 상태(OPU의 기본적인 동작 전압이 입력되고 있는 상태)
⑤ TCU가 OPU(100)에 OPU run 명령을 한 상태
⑥ 현재 OPU(100)가 자체 진단시 Fault가 없을 때"
을 모두 만족하는 경우, OPU(100)는 TCU로 '파워 세이브 모드' 메시지를 송신하고, 모터 구동 RPM을 미리 정해진 감소 % 맵을 통해 개방 루프(Open Loop) 제어를 한다.
'파워 세이브 모드'는 차속(VSP)이 일정 속도 이상이면, 다시 TCU의 명령을 추종하여 페쇄 루프(Closed Loop) 제어로 복귀한다.
즉, 상기 조건 ① 내지 ⑥를 모두 만족하는 경우, OPU(100)는 기존 정상제어(PID 피드백제어)가 아닌 논 피드백(Non-Feedback)제어로 출력 듀티를 구동 RPM의 일정 %로 감소시킨다.
이때, OPU(100)는 CAN 송수신기(70)를 경유하여 CAN 메시지로서 TCU로 '파워 세이브 모드' 메시지를 통지한다.
이상 본 발명자에 의해서 이루어진 발명을 상기 실시예에 따라 구체적으로 설명하였지만, 본 발명은 상기 실시예에 한정되는 것은 아니고 그 요지를 이탈하지 않는 범위에서 여러 가지로 변경 가능한 것은 물론이다.
즉 상기 실시예에 있어서는 일반 가솔린 차량에 적용하는 스톱앤고 차량에 장착되는 오일펌프 구동용 모터를 구동시키는 오일펌프 구동장치에 대해서 설명하였지만 이에 한정되는 것은 아니며, 스톱앤고 시스템이 장착된 하이브리드 차량에 적용할 수 있음은 물론이다.
도 8은 본 발명의 다른 실시예로서, 스톱앤고 하이브리드 차량용 외장형 오일펌프 구동장치를 개략적으로 도시한 블록구성도이다. 도 8에 도시된 바와 같이, 본 발명의 다른 실시예에 따른 스톱앤고 하이브리드 차량용 외장형 오일펌프 구동장치(OPU : 100)는 전원공급장치(10), 중앙처리장치(20), 통합형 모터 컨트롤러(30), 3상 풀 브릿지(Full-Bridge) 회로(40), 과전류 검출부(50), 온도감지수단(60), CAN 송수신기(70), 인터페이스(I/F)부(80)를 포함하여 이루어진다.
여기서, 전원공급장치(10)는 차량의 배터리(BATT) 공급 전원과 이그니션(IG) 키 입력전원의 두 가지 입력 전원을 공급한다. 즉, 이그니션(IG) 키 입력 전원이 발생하면, 퓨즈(FUSE)를 거쳐 5V의 전압이 16비트로 이루어진 중앙처리장치(20)에 공급된다.
이후 중앙처리장치(20)가 오일펌프 구동장치(100) 내에 이상이 없는 것으로 판단하면, 트랜지스터(14)를 통해 외부의 메인 릴레이(11)를 온시킨다. 메인 릴레이(11)가 온되면, 배터리(BATT) 공급 전원이 전원공급장치(10)로 출력되고 노이즈 필터 등에서 잡음 및 왜란 신호가 제거되어 통합형 모터 컨트롤러(30) 및 3상 풀 브릿지 회로(40)에 12V의 전압을 공급한다. 즉, 중앙처리장치(20)가 오일펌프 구동장치(100) 외부의 메인 릴레이(11)를 구동하여 전원공급장치(10)에서 BLDC 모터(12)에 전류(최대 50A)를 공급한다. 이는 신호 전원과 BLDC 모터(12)의 전원을 구분함을 의미하는 것이다.
이때, 트랜지스터(14)는 과전류 검출부(50)의 구동으로 BLDC 모터(12)에 인가되는 전원을 메인 릴레이(11)를 통해 끊거나 인가하도록 턴 온/오프 된다.
또한, 중앙처리장치(20)는 상기 전원공급장치(10)에서 출력된 각각의 전압을 가지는 전원이 각 소자로 인가되면, 변속기 제어 유닛 TCU(Transmission Control Unit : 300)에서 CAN 메시지와 메인 오일 펌프의 상태를 디지털 신호롤 입력받는다. 또한, 하이브리드용 모터 제어 유닛 MCU(Motor Control Unit : 200)에서 엔진 RPM 신호를 입력받는다. 즉, 도 8에 도시된 바와 같은 구조에 있어서, 상기 중앙처리장치(20)는 각각 CAN 송수신기(70)와 인터페이스부(80)를 통해 MCU(200) 및 TCU(300)로 부터의 명령에 따라 BLDC 모터(12)의 구동을 제어한다.
다음에 도 8에 도시된 스톱앤고 하이브리드 차량용 외장형 오일펌프 구동방법을 설명한다.
도 9는 본 발명의 다른 실시예에 따른 스톱앤고 하이브리드 차량용 외장형 오일펌프 구동방법을 설명하는 흐름도이다.
도 9에 도시된 바와 같이, 스톱앤고 하이브리드 차량용 외장형 오일펌프 구동방법은 이그니션(IG) 키 입력 신호가 입력되면 시작된다.
한편, 중앙처리장치(20)는 기 설정된 조건에 따라 최초 차량 출발시, 아이들시 또는 신호 대기시인지 판단한다. 즉 본 발명은 스톱앤고 하이브리드 차량에 적용되므로, 설명의 편의상 예를 들어 차량 출발시를 이그니션(IG) 키 입력 신호가 입력된 것으로 판단한다(S110).
그리고, MCU(200), TCU(300)와 외장형 오일펌프 구동장치(OPU : 100)는 속도 명령 데이터, 상태 데이터 등을 주고 받으며 오류를 확인하고, 중앙처리장치(20) 내의 시변 시스템 기반 PID 제어를 통하여 모터의 현재 상태를 확인하여(S120), 외장형 오일펌프 구동장치(100)가 정상제어 상태인가 판단한다(S130).
단계 S30에서 정상 제어인 것으로 판단되면, 중앙처리장치(20)가 트랜지스터(14)를 통해 외부의 메인 릴레이(11)를 온시키고, 배터리(BATT) 공급 전원이 3상 풀 브릿지 회로(40)로 공급되게 하여 BLDC 모터(12)를 작동시킨다(S140). 이때는 CAN 송수신기(70)로부터의 메시지에 의해 CAN 베이스 통신 제어를 하며 BLDC 모터(12)는 무단 제어를 한다. 즉, CAN 메시지를 통해 TCU(300)가 CAN 통신 메시지를 헥사 코드로 명령 RPM을 보내면 중앙처리장치(20)가 그대로 목표 RPM으로 받아드려 BLDC 모터(12)를 명령 RPM으로 구동시키는 것이다.
단계 S130에서 정상 제어가 아닌 것으로 판단되면, MCU(200), TCU(300) 등과 오일펌프 구동장치(100)의 통신 또는 연결 상태의 고장을 분류한다(S150).
단계 S150에서의 분류 결과, CAN 송수신기(70)가 오프(CAN 메시지가 타임 아웃 또는 CAN 라인 자체가 끊어졌을 경우)인 것으로 판단되면(S160), TCU 연결선(Hard Wire)으로서의 인터페이스부(60)를 통해 TCU(300)가 PWM으로 명령 RPM을 OPU(100)로 지시하여 계속 BLDC 모터(12)를 구동하게 된다(S161). 이러한 경우 BLDC 모터(12)는 3단 가변으로 제어된다.
즉, 도 9에 도시한 바와 같이, CAN 오프시, OPU(100)가 이를 감지하여 먼저 TCU(300)쪽으로 OPU(100)의 인터페이스부(60)를 통해 100Hz 50% DUTY로 파형을 송신한다. 그러면 TCU(300)가 이 신호를 감지하여 OPU(100)로 1KHz의 PWM 신호를 송신하여 듀티 값에 따른 모터 RPM을 제어하도록 한다.
단계 S150에서의 분류 결과, CAN 송수신기(70)가 오프되고, 인터페이스부(60)와 TCU(300)가 오프된 것으로 판단되면(S170), 다음의 두 가지 모드로 진행한다.
먼저, CAN 송수신기(70)와 중앙처리장치(20) 사이가 정상으로 작동하고, CAN 송수신기(70)와 TCU(300)가 오프되고, 하이브리드 구동모터용 MCU(200)과 CAN 송수신기(70)가 연결되어 있으면, MCU(200)에 의해 OPU(100)은 가변 구동으로 제어된다(S171).
즉, MCU(200)가 CAN 메시지로 하이브리드 차량의 엔진 또는 하이브리드 모터의 RPM을 송신하면 OPU(100)가 이를 수신하여 미리 설정되어 있는 차량 RPM별 모터 RPM MAP을 이용하여 BLDC 모터(12)를 계속 구동한다.
상기 단계 S170에서 CAN 송수신기(70)와 중앙처리장치(20) 사이가 고장이고, CAN 송수신기(70)와 TCU(300)가 오프되면(S172), 중앙처리장치(20)는 온도감지수단(60)에서 감지된 OPU(100)의 내부 온도에 따라 중앙처리장치(20)에 미리 설정되어 있는 온도 맵에 따른 모터 RPM 맵(MAP)을 이용하여 BLDC 모터(12)에 대해 자체구동을 실행한다(S1721).
즉, 중앙처리장치(20)는 온도감지수단(60)에서 감지된 온도를 예를 들어, 2 내지 5초의 간격으로 검출하고, 온도감지수단(60)이 120 내지 130℃의 온도를 감지하면, 모터 컨트롤러(30)를 제어하여 BLDC 모터(12)의 구동을 실행한다.
단계S150에서 오일펌프 시스템(하이브리드 차량용 외장형 오일펌프 구동장치(100)과 오일펌프)이 고장인 경우(S180), BLDC 모터(12)는 정지된다(S181).
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 스톱앤고 차량용 오일펌프 구동장치를 개략적으로 도시한 블록구성도.
도 2는 본 발명에 따른 스톱앤고 차량용 외장형 오일펌프 구동장치의 차량 상태에 따른 CAN의 사양을 나타내는 표.
도 3는 본 발명에 따른 스톱앤고 차량용 외장형 오일펌프 구동장치의 PID 제어를 도시한 도.
도 4는 도 4의 PID 제어에서 모터 속도에 따른 샘플링 시간을 도시한 그래프.
도 5은 본 발명의 일 실시예에 따른 스톱앤고 차량용 외장형 오일펌프 구동방법을 설명하는 흐름도,
도 6은 TCU와 OPU와의 통신 방법을 설명하는 도면,
도 7은 TCU와 OPU와의 송수신 파형을 나타내는 도면.
도 8은 본 발명의 다른 실시예에 따른 스톱앤고 차량용 오일펌프 구동장치를 개략적으로 도시한 블록구성도.
도 9는 본 발명의 다른 실시예에 따른 스톱앤고 차량용 외장형 오일펌프 구동방법을 설명하는 흐름도,
<도면의 주요 부분에 대한 도면 부호의 간단한 설명>
100: 스톱앤고 차량용 외장형 오일펌프 구동장치
10: 전원공급장치 20: 중앙처리장치
30: 모터 컨트롤러 40: 3상 풀 브릿지 회로
50: 과전류 검출부 60: 온도감지수단
70: CAN 송수신기

Claims (13)

  1. 스톱앤고 차량에 장착되는 오일펌프 구동용 모터를 구동시키는 오일펌프 구동장치로서,
    N 채널 MOSFET로 이루어지고, 상기 오일펌프 구동용 모터를 구동하는 3상 풀 브릿지 회로(40),
    차량의 엔진 RPM 및 목표 RPM을 CAN 송수신기(70)를 통해 TCU(Transmission Control Unit)에서 입력받아 상기 오일펌프 구동용 모터의 목표 RPM을 PWM 신호로 출력하고, 상기 오일펌프 구동용 모터의 실제 RPM을 피드백 신호로 받아 오차에 대한 PID 제어를 실시하는 중앙처리장치(20),
    게이트 드라이버를 구비하고, 상기 모터의 실제 RPM을 상기 중앙처리장치(20)로 전달하고, 상기 중앙처리장치(20)에서 출력된 PWM 제어 신호와 스위칭 신호를 결합하여 상기 3상 풀 브릿지 회로(40)로 출력하는 통합형 모터 컨트롤러(30),
    상기 중앙처리장치(20)와 3상 풀 브릿지 회로(40)로 각각 전원을 공급하는 전원공급장치(10) 및
    상기 오일펌프 구동장치 내의 온도를 감지하는 온도감지수단(60)을 포함하는 것을 특징으로 하는 스톱앤고 차량용 외장형 오일펌프 구동장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 CAN 송수신기(70)와 상기 TCU(300)와의 통신이 고장일 경우, 상기 중앙처리장치(20)는 상기 온도감지수단(60)에서 감지된 온도에 따라 상기 통합형 모터 컨트롤러(30)를 제어하는 것을 특징으로 하는 스톱앤고 차량용 외장형 오일펌프 구동장치.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 CAN 송수신기(70)와 상기 TCU(300)와의 통신이 이루어지는 경우, 상기 중앙처리장치(20)는 상기 오일펌프 구동용 모터를 무단제어하는 것을 특징으로 하는 스톱앤고 차량용 외장형 오일펌프 구동장치.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 온도감지수단(60)은 열을 받으면 저항이 줄어드는 부성저항 특성을 갖는 NTC 서미스터(Negative Temperature Coefficient Thermistor)인 것을 특징으로 하는 스톱앤고 차량용 외장형 오일펌프 구동장치.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 온도감지수단(60)이 120 내지 130℃의 온도를 감지하면, 상기 중앙처리장치(20)는 상기 통합형 모터 컨트롤러(30)를 제어하는 것을 특징으로 하는 스톱앤고 차량용 외장형 오일펌프 구동장치.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 중앙처리장치(20)는 상기 온도감지수단(60)에서 감지된 온도를 1 내지 3초의 간격으로 검출하는 것을 특징으로 하는 스톱앤고 차량용 외장형 오일펌프 구동장치.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 전원은 상기 중앙처리장치(20)로 전원이 공급된 후, 상기 3상 풀 브릿지 회로(40)로 전원이 공급되는 것을 특징으로 하는 스톱앤고 차량용 외장형 오일펌프 구동장치.
  8. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 차량은 가솔린 차량 또는 하이브리드 차량인 것을 특징으로 하는 스톱앤고 차량용 외장형 오일펌프 구동장치.
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