KR101163368B1 - 하이브리드 모터제어기의 배터리 보호회로 및 그 방법 - Google Patents

하이브리드 모터제어기의 배터리 보호회로 및 그 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 하이브리드 모터제어기의 배터리 보호회로 및 그 방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 배터리 상태에 따른 충/방전 파워의 제한을 통해 배터리를 보호할 수 있는 회로 및 그 방법에 관한 것이다.
본 발명의 실시예에 따른 배터리 보호회로는, 모터(26)의 회전수와 전류지령 및 손실함수를 입력으로 받아 인버터(23)와 모터(26)의 손실을 구하는 손실산정부(314)와, 상기 회전수와 HCU(21)에서 입력된 토크지령의 곱으로 기계적 파워를 계산하는 곱셈기(310)와, 상기 곱셈기(310)에서 계산한 기계적 파워에 상기 손실 산정부(314)에서 구한 손실을 더하여 전기적 파워를 구하는 가산기(318)와, BMS(24)에서 출력되는 방전 파워제한치 및 충전 파워제한치에서 상기 가산기(318)에서 궤환되는 배터리 파워를 뺀 값으로 PI 제어를 통해 구동토크 제한치 및 발전토크 제한치를 구하는 PI 제어기(324a,324b) 및 상기 구동토크 제한치 및 발전토크 제한치로써 상기 토크지령을 제한하는 제한기(302)를 포함한다.
하이브리, 모터제어기, PI 제어기, 최소자승법, 손실

Description

하이브리드 모터제어기의 배터리 보호회로 및 그 방법{Protection Circuit for Battery of Hybrid Motor Control Unit and Method thereof}
도 1은 종래 배터리 보호의 개념을 나타낸 도면,
도 2는 본 발명의 이해를 돕기 위한 배터리 관리장치의 대략적인 블록도,
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 배터리 보호의 제어 블록선도,
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 배터리 보호 방법의 순서도이다.
※ 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명
21: HCU 22: MCU
23: 인버터 24: BMS
25: 배터리 26: 모터
302,306,308: 제한기 310: 곱셈기
312: 전류지령 생성기 314: 손실 산정부
318: 가산기 324: PI 제어기
본 발명은 하이브리드 모터제어기의 배터리 보호회로 및 그 방법에 관한 것 으로서, 더욱 상세하게는 배터리 상태에 따른 충/방전 파워의 제한을 통해 배터리를 보호할 수 있는 회로 및 그 방법에 관한 것이다.
전기자동차에서 고전압/고용량 배터리는 전기모터에 전력을 공급하고, 발전된 전력을 충전하여 저장하는 역할을 하는 중요한 에너지 소스이다.
따라서 배터리의 효율적 사용과 보호를 위하여, BMS(Battery Management System)가 장착되어 상시적으로 배터리 상태를 모니터링하고 관리를 한다.
하지만 배터리는 자체적으로 자신을 보호할수 있는 수단이 없으며, 따라서 배터리 상태를 다른 유닛(Unit)에 전달하여, 보호를 요청해야 한다.
상기 전기자동차용 고전압/고용량 배터리는 수명 연장 및 보호를 위하여 SOC 및 운전조건에 따라 최대 충/방전 파워를 제한하고, 상기 최대방전파워와 최대충전파워 제한치를 각각 CAN 파라미터를 통하여 전송하면, MCU(Motor contriol Unit:모터제어기)는 이를 수신하여 배터리 입출력 파워를 제한한다.
도 1은 종래 배터리 보호의 개념을 나타낸 도면이다.
토크와 회전수에 대한 시스템 손실(또는 효율)을 구동용 및 발전용의 2D-Map 즉, 모터링 효율맵(20a)과 발전 효율맵(20b)으로 나누어 구성하여, 회전수와 구동 파워토크 제한치 및 발전 파워토크 제한치를 상기 맵(20a,20b)에 입력하여 시스템 손실(또는 효율)값을 구하고, 이 손실(효율)값과 충/방전 파워제한치으로부터 이에 해당하는 기계적 출력값(P_out)을 산출한 후, 회전수로 나누어 구동 및 발전시의 파워토크 제한치(P,M)을 각각 결정한다.
그런데 상기한 배터리 보호 방식은 원리적으로는 단순하나 실제 구현시 2개 의 용량이 매우 큰 효율맵(20a,20b)이 사용되므로 구현이 복잡하고, 상기 효율맵 프로그램의 코드량 및 작업량이 과대한 문제점이 있었다.
또한, 직접적으로 구동 및 발전시의 파워토크 제한치을 제어하기 때문에 노이즈나 입력의 순간적인 변동에 따라서 출력이 순간적으로 변동하여 안정적이지 못하였다.
본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 전기자동차에서 배터리 상태에 따른 모터의 충/방전 파워 제한을 PI 제어를 통하여 배터리를 보호하도록 함으로써 용량이 큰 효율맵을 사용하지 않아도 되어 구현이 간단하고, 함수값만 대입하면 각종 값을 쉽게 계산할 수 있어 코드량 및 작업량이 적으며, PI 제어에 의해 안정적으로 작동하는 하이브리드 모터제어기의 배터리 보호회로 및 그 방법을 제공하는 데 그 목적이 있다.
상술한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 실시예에 따른 충방전 파워 제한 방법은, 전류지령과 회전수를 입력으로 하고 구동조건 및 발전조건용으로 구분된 시스템 손실함수를 선택하여 이로부터 손실을 산정하고, 이를 토크지령과 회전수에서 산출한 기계적 파워와 합산하여 배터리 파워를 구한 후, BMS의 충방전 제한치를 지령으로 하고 상기의 배터리 파워를 궤환신호로 하여 구동토크제한치 및 발전토크제한치를 각각의 출력으로 하는 두개의 PI 제어기를 구성하여 그 출력값으로 토크지령의 크기를 제한한다.
이하 본 발명의 실시예에 대하여 첨부된 도면을 참고로 그 구성 및 작용을 설명하기로 한다.
도 2는 본 발명의 이해를 돕기 위한 일반적인 배터리 관리장치의 블록도이다.
도시된 바와 같이, HCU(21), MCU(22), 인버터(23), BMS(24), 배터리(25) 및 모터(26)로 이루어진다.
상기 HCU(Hybrid Contrio Unit:21)는 하이브리드 전기자동차의 각 구성요소들 제어기 전체를 통합하여 차량의 동작을 제어한다.
상기 MCU(22)는 상기 HCU(21)에서 인가되는 제어신호에 따라 모터 토크 제어 명령을 출력하여 모터(26)로 하여금 동력 발생과 제동 제어시 발전이 일어나도록 하며, 배터리(25)가 항상 적정한 충전 상태를 유지하도록 한다.
상기 인버터(23)는 상기 MCU(22) 제어에 따른 PWM 제어로 IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)를 스위칭시켜 배터리(25)의 전압이 모터(26)에 공급되도록 함으로써 모터(26)를 동작시킨다.
상기 BMS(24)는 배터리(25)의 작동 영역내에서 전류와 전압 및 온도 등을 검출하여 충전상태 및 관리를 수행한다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 배터리 보호의 제어 블록선도이다.
도시된 바와 같이 제한기(302,304,306,308), 곱셈기(310), 전류지령 생성기(312), 손실산정부(314), 증폭기(316,320), 가산기(318), 감산기(322), PI 제어기(324)를 포함하여 구성된다.
상기 손실산정부(314)는 모터(26)의 회전수(N)와 전류지령(id *,iq *) 및 구동조건과 발전조건으로 구분된 손실함수(y)를 입력으로 받아 인버터(23)와 모터(26)의 손실(loss)을 구한다.
이때 구동과 발전을 구별해서 손실을 따로 계산하는데, 구동과 발전의 구별은 회전수(N)와 q축전류지령(iq *)을 곱하여 얻은 값이 +값이면 '구동'으로 판별하고, -값이면 '발전'으로 판별한다.
상기 전류지령(id *,iq *)은 토크지령(Te *)과 회전수(N)를 입력으로 받은 전류지령 생성기(312a,312b)에 의해 d축전류지령(id *)과 q축전류지령(iq *)으로 나누어 구해진다.
상기 손실함수(y)는 모터(26) 및 인버터(23)의 손실 특성상 다음의 수학식 1과 같이 전류의 제곱항(i2), 속도(회전수)의 제곱항(n2), 속도 비례항(n) 및 상수항(a4)을 갖는 함수로 나타낼 수 있다.
[수학식 1]
Figure 112006001549144-pat00001
여기서 전류의 제곱항은 전기적 동손, 속도의 제곱항은 전기적 와류손, 속도 비례항은 점성 마찰손 및 스위칭 손실, 상수항은 쿨롱 마찰손으로 간주할 수 있다.
통상적으로 상기 구동 및 발전 조건은 기계손이 반대로 작용하므로 상기 손실함수는 비대칭적이다.
상기 수학식 1에서 손실함수의 계수(a1,a2,a3,a4)는 아래의 수학식 2와 수학식 3과 같이 오차를 최소화하는 최소자승법(Least Square Estimation)을 통하여 추정한다.
[수학식 2]
Figure 112006001549144-pat00002
[수학식 3]
Figure 112006001549144-pat00003
여기서,
Figure 112006001549144-pat00004
,
Figure 112006001549144-pat00005
,
Figure 112006001549144-pat00006
이다.
모터시스템 효율측정시험을 통하여 [입력 조합, 출력]으로 이루어진 다수개의 데이터 셋트(data set)가 주어지면 상기 최소자승법을 통하여 계수를 추정할 수 있다.
상기 수학식 2와 3에 의해 추정된 계수는 최대 파워 부근에서 가장 정확할 것이 요구되므로 각 데이터 셋트에 이를 반영할 수 있는 가중치를 곱하는 방식을 채택하여 제어 정확도를 높힌다.
곱셈기(310)는 상기 회전수(N)와 토크지령(Te *)으로부터 회전수와 토크지령의 곱으로 기계적 파워를 계산한다.
가산기(318)는 곱셈기(310)에서 계산한 기계적 파워에 상기 손실 산정부(314)에서 구한 손실을 더하여, 전기적 파워(배터리 파워)를 구한다.
감산기(322a,322b)는 각각 BMS(24)에서 출력되는 방전 파워제한치 및 충전 파워제한치에서 궤환되는 상기 배터리 파워를 빼고, PI 제어기(324a,324b)는 파워제한치에서 배터리 파워를 뺀 값으로 PI 제어를 하여 구동토크 제한치 및 발전토크 제한치를 구한다.
제한기(306,308)는, 구동토크 제한치는 0부터 운전조건에서의 최대구동토크(+)의 범위를 갖도록 제한하고, 발전토크 제한치는 0부터 최대발전토크(-)의 범위를 갖도록 제한한다.
그리고 제한기(302)는 상기에서 최종적으로 산출한 토크 제한치로써 HCU(21)로부터 입력되는 토크지령(Te *)을 제한한다.
이와 같이 제한된 토크지령(Te *)이 최종적으로 전류지령 생성기(312a,312b)의 입력으로 사용되어 전류지령(id *,iq *)을 산출한다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 배터리 보호 방법의 순서도이다.
본 발명은 손실함수를 이용한 PI 제어루프 방식을 사용하여 토크지령의 크기를 제한함으로써 배터리를 보호한다.
먼저 HCU(21)로부터 토크지령(Te *)이 입력되면(S402), 상기 토크지령(Te *)과 모터(26)의 회전수(N)를 입력으로 하여 전류지령 생성기(312a,312b)에서 전류지령(id *,iq *)을 생성하고, 손실 상정부(314)에서는 상기 전류지령(id *,iq *)과 회전수(N)를 입력으로 하고 구동조건 및 발전조건용으로 구분된 손실함수를 선택하여 이로부터 손실을 산정한다(S404).
한편 곱셈기(310)에서는 토크지령(Te *)과 회전수(N)를 곱하여 기계적 파워를 산출하고(S406), 가산기(318)에서는 상기 기계적 파워를 손실과 합산하여 배터리(전기적) 파워를 구한다(S408).
PI 제어기(324a,324n)는 BMS(24)의 배터리 충/방전 파워제한치에서 궤환된 전기적 파워를 뺀값으로 PI 제어를 하여 토크제한치를 산출하고(S410), 제한기(302)는 HCU(23)로부터 입력된 토크지령(Te *)이 산출한 토크제한치보다 큰 지 판단하여(S412), 토크지령이 토크제한치보다 큰 경우에 토크를 제한하여(S416) 토크지령을 출력한다(S414).
상기 S412단계에서 토크지령이 토크제한치보다 크지 않은 경우에 토크를 제 한하지 않고 그냥 토크지령을 출력한다(S414).
이와 같이 MCU(22)는 BMS(24)로부터 배터리 충/방전 파워제한치를 입력받아 토크지령과 회전수로부터 손실 및 전기적(배터리) 파워를 계산하여 토크 제한치를 산출하고, HCU(21)로부터 입력된 토크지령이 토크제한치보다 클 경우에 토크를 제한하여 최종적으로 출력한다.
이상에서 살펴본 바와 같이 본 발명에 의하면, 손실함수를 이용한 PI 제어루프 방식을 사용하여 토크지령의 크기를 제한해서 배터리를 보호함으로써 용량이 큰 효율맵을 사용하지 않아도 되어 구현이 간단하고, 함수값만 대입하면 각종 값을 구할 수 있어 코드량 및 작업량이 적으며, PI 제어에 의해 안정적으로 모터를 작동시킬 수 있다.

Claims (7)

  1. 모터(26)의 회전수와 전류지령 및 손실함수를 입력으로 받아 인버터(23)와 모터(26)의 손실을 구하는 손실 산정부(314)와;
    상기 회전수와 HCU(21)에서 입력된 토크지령의 곱으로 기계적 파워를 계산하는 곱셈기(310)와;
    상기 곱셈기(310)에서 계산한 기계적 파워에 상기 손실 산정부(314)에서 구한 손실을 더하여 전기적 파워를 구하는 가산기(318)와;
    BMS(24)에서 출력되는 방전 파워제한치 및 충전 파워제한치에서 상기 가산기(318)에서 궤환되는 배터리 파워를 뺀 값으로 PI 제어를 통해 구동토크 제한치 및 발전토크 제한치를 구하는 PI 제어기(324a,324b); 및
    상기 구동토크 제한치 및 발전토크 제한치로써 상기 토크지령을 제한하는 제한기(302)를 포함하는 하이브리드 모터제어기의 배터리 보호회로.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 구동토크 제한치는 0부터 운전조건에서의 최대구동토크(+)의 범위를 갖도록 제한하고, 발전토크 제한치는 0부터 최대발전토크(-)의 범위를 갖도록 제한하는 또 다른 제한기(306,308)가 더 구비됨을 특징으로 하는 하이브리드 모터제어기의 배터리 보호회로.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 토크지령과 회전수를 입력으로 받아 전류지령을 d축전류지령과 q축전류지령으로 나누어 계산하는 전류지령 생성기(312a,312b)가 더 구비됨을 특징으로 하는 하이브리드 모터제어기의 배터리 보호회로.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 손실을 구동과 발전으로 구별해서 계산하되, 회전수와 q축전류지령을 곱하여 얻은 값이 +값이면 '구동'으로 판별하고, -값이면 '발전'으로 판별하는 것을 특징으로 하는 하이브리드 모터제어기의 배터리 보호회로.
  5. 제 1 항 또는 제 4 항에 있어서
    상기 손실함수는 수학식 4에 의해 계산되는 것을 특징으로 하는 하이브리드 모터제어기의 배터리 보호회로.
    [수학식 4]
    Figure 112006001549144-pat00007
    여기서 i는 전류, n은 회전수(속도), a1,a2,a3,a4는 계수이다.
  6. 제 5 항에 있어서
    상기 손실함수의 계수는 모터시스템 효율측정시험을 통하여 [입력 조합, 출 력]으로 이루어진 다수개의 데이터 셋트(data set)를 최소자승법으로 추정하여 얻는 것을 특징으로 하는 하이브리드 모터제어기의 배터리 보호회로.
  7. 토크지령과 모터의 회전수를 입력으로 하여 전류지령을 생성하여, 상기 전류지령과 회전수, 구동조건 및 발전조건용으로 구분된 손실함수를 이용하여 손실을 산정하는 단계와;
    상기 토크지령과 회전수를 곱하여 기계적 파워를 산출하고, 상기 기계적 파워를 손실과 합산하여 배터리 파워를 구하는 단계와;
    배터리 충/방전 파워제한치에서 궤환된 배터리 파워를 뺀 값으로 PI 제어를 하여 토크제한치를 산출하는 단계 및
    상기 토크지령이 산출한 토크제한치보다 큰 경우에 토크를 제한하여 새로운 토크지령을 출력하는 단계를 포함하는 하이브리드 모터제어기의 배터리 보호방법.
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