KR101180950B1 - 멀티구동시스템을 갖는 차량의 제어장치 및 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 복수개의 구동계에서 모니터링 되는 온도의 평균치를 이용하여 토크 명령을 보상하도록 하는 멀티구동시스템을 갖는 차량의 제어장치 및 방법이 개시된다.
본 발명은 구동계별 인버터의 온도와 모터의 온도를 검출하여 구동계별로 온도편차가 발생하는지 판단하는 과정, 구동계별로 인버터 및 모터에서 온도편차가 발생하고 있으면 구동계별 인버터의 평균온도와 모터의 평균온도를 산출하는 과정, 상기 인버터의 평균온도와 인버터 각각의 실제온도를 비교하고, 모터의 평균온도와 모터 각각의 실제온도를 비교하여 설정된 기준 온도범위에 포함되는지 판단하는 과정, 상기 인버터 및 모터의 평균온도와 실제온도의 비교 결과가 기준 온도범위를 초과하는 특정 구동계의 출력토크를 일정량(△TQ)만큼 제한하고, 기준 온도범위에 미달되는 다른 특정 구동계의 출력토크를 일정량(△TQ)만큼 증가시켜 토크 제어를 실행하는 과정을 포함한다.

Description

멀티구동시스템을 갖는 차량의 제어장치 및 방법{CONTROL APPARATUS AND METHOD OF VEHICLE WITH MULTI DRIVE SYSTEM}

본 발명은 멀티구동시스템을 갖는 차량에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 복수개의 구동계에서 모니터링 되는 온도의 평균치를 이용하여 토크 명령을 보상하도록 하는 멀티구동시스템을 갖는 차량의 제어장치 및 방법에 관한 것이다.

연료전지는 연료가 가지고 있는 화학 에너지를 직접 전기 에너지로 변환시키는 일종의 발전 시스템으로, 전해질을 사이에 두고 한 쌍의 애노드(Anode)와 캐소드(Cathode) 전극으로 구성되는 단위 셀이 연속적으로 배치되어 구성된다.

주변장치(Balance Of Plant : BOP)를 이용하여 상기 단위 셀의 애노드에 수소를 공급하고, 캐소드에 산소를 공급함으로써 이온화된 물질의 화학적 반응을 통해 전기와 열을 생성한다.

연료전지는 화석연료의 연소(산화) 반응을 거치지 않으므로, NOx나 SOx, HC, CO 등의 유해물질을 배출시키지 않고, 발전 효율이 매우 높아 미래의 발전 기술로 평가받고 있으며 에너지 절약과 환경 공해 문제 그리고 최근에 부각되고 있는 지구 온난화 문제에 대응하기 위하여 차량의 동력원으로 적용되고 있다.

연료전지를 동력원으로 적용하는 차량에서는 모터의 속도제한으로 인해 차량의 최고속도가 제한되는 단점이 있으며, 최고속도의 제한을 해소하기 위하여 감속비를 감소시킬 경우 등판 성능이 저하되는 문제가 있다.

따라서, 큰 구동토크를 확보하기 위하여 다수개의 모터를 크로스 오버(Cross Over)하여 연결하고, 상기 다수개 모터의 각각에 대응되어 모터의 구동을 제어하는 인버터를 포함하는 멀티구동시스템이 제공되고 있다.

멀티구동시스템은 통상적으로 3개 모터로 구성되며, 모터의 회전축에 각각 결합되는 기어를 맞물려 하나의 축으로 구동력을 전달하는 감속기(Power Coupling Device : PCD) 구조를 갖는다.

상기 멀티구동시스템은 모터와 인버터로 구성되는 독립된 구동계가 하나 이상 복수개를 가지므로, 하나 혹은 두 개의 구동계에 이상이 발생한 경우 정상을 유지하는 다른 구동계를 이용하여 비상운전이 가능하다.

멀티구동시스템은 연료전지 스택에서 출력되는 DC 전압이 독립된 구동계를 형성하는 인버터에 공급되면, 인버터는 제어기의 제어신호에 따라 스위칭되어 DC 전압을 3상 전압으로 변환시켜 독립된 구동계에 배치되는 모터에 구동 전압으로 공급한다.

이때, 제어기는 각 구동계에 설치되는 온도센서를 이용하여 인버터와 모터의 온도를 제어인자로 가지고 있으며, 구동계에서 모니터링되는 온도가 설정된 일정온도를 초과하게 되면 제어기는 모터의 출력토크를 제한한다.

따라서, 각 구동계에서 모니터링 되는 온도에서 편차가 발생하면 특정 구동계의 출력이 제한될 수 있으며, 출력 제한으로 인하여 정상적인 운전에 제약이 발생된다.

상기 각 구동계에 설치되어 인버터 및 모터의 온도를 검출하는 각각의 온도센서는 일정한 오차를 갖고 있으므로, 온도센서가 갖는 오차로 인하여 정상적인 운전이 제약을 받는 경우가 발생한다.

또한, 각 구동계에서 모터의 장착위치에 따라 온도편차가 발생할 수 있고, 비정상적인 냉각수의 순환으로 냉각이 불균등하여 각 구동계에서 온도편차가 발생할 수 있다.

따라서, 이러한 온도편차는 모터 구동의 출력제한으로 연결되므로, 차량의 운행에 안정성 및 신뢰성을 저하시키는 단점으로 작용된다.

본 발명은 상기한 문제점을 해결하기 위하여 제안된 것으로서, 본 발명의 목적은 멀티구동시스템을 구성하는 구동계에서 모니터링 되는 온도를 평균하고, 특정 구동계의 모니터링 온도가 설정된 일정범위를 초과하면 해당 구동계의 출력은 제한하며, 제한된 출력에 대하여 온도 여유가 있는 다른 구동계의 출력에 추가시켜 전체적인 출력은 상시적으로 일정한 출력토크가 제공하도록 하는 것이다.

상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 일 실시예에 따르면 동력원인 연료전지 스택; 연료전지 스택의 출력을 보조하고 회생제동에너지를 충전하는 수퍼캡; 인버터와 모터로 구성되어 구동력을 출력하는 복수개의 구동계; 상기 인버터와 모터의 온도를 각각 검출하는 복수개의 온도센서; 온도센서에서 검출되는 인버터 온도와 모터 온도를 각각 비교하여 구동계별로 온도편차가 발생되는지를 판단하고, 온도편차가 발생되면 인버터와 모터 온도의 평균값을 산출하여 실제 인버터 온도와 모터 온도를 각각 비교하며, 비교 결과에 따라 각 구동계를 제어하기 위한 토크 제어명령의 변수를 조절하여 최종 출력토크를 일정하게 유지시키는 제어기를 포함하는 멀티구동시스템을 갖는 차량의 제어장치가 제공된다.

상기 제어기는 어느 하나의 구동계가 기준온도 범위를 벗어나면 해당 구동계의 출력토크를 일정량(△TQ) 제한하고, 기준온도 범위에 포함되는 다른 하나 구동계의 출력토크를 제한된 일정량(△TQ) 만큼 증가시켜 최종 출력토크를 일정하게 유지시킬 수 있다.

상기 제어기는 각 구동별 온도편차가 기준값을 초과하지 않으면 현재의 제어토크로 각 구동계를 제어할 수 있다.

또한, 본 발명의 다른 실시예에 따르면 멀티구동시스템을 갖는 차량의 제어방법에 있어서, 구동계별 인버터의 온도와 모터의 온도를 검출하여 구동계별로 온도편차가 발생하는지 판단하는 과정; 구동계별로 인버터 및 모터에서 온도편차가 발생하고 있으면 구동계별 인버터의 평균온도와 모터의 평균온도를 산출하는 과정; 상기 인버터의 평균온도와 인버터 각각의 실제온도를 비교하고, 모터의 평균온도와 모터 각각의 실제온도를 비교하여 설정된 기준 온도범위에 포함되는지 판단하는 과정; 상기 인버터 및 모터의 평균온도와 실제온도의 비교 결과가 기준 온도범위를 벗어나는 특정 구동계의 출력토크를 일정량(△TQ)만큼 제한하고, 기준 온도범위에 포함되는 다른 특정 구동계의 출력토크를 일정량(△TQ)만큼 증가시켜 토크 제어를 실행하는 과정을 포함하는 멀티구동시스템을 갖는 차량의 제어방법이 제공된다.

상기 특정 구동계의 출력토크 제한량과 다른 특정 구동계의 출력토크 증가량을 상호 보상될 수 있는 동일한 토크량으로 결정될 수 있다.

이와 같이 본 발명은 멀티구동시스템이 적용되는 차량에서 구동계에서 모니터링 되는 온도편차에 대하여 전체 출력을 일정하게 유지할 수 있어 출력 제한이 해소되고, 안정되고 신뢰성이 제공되는 운행이 제공될 수 있다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 멀티구동시스템을 갖는 차량의 제어장치를 개략적으로 도시한 도면이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 멀티구동시스템을 갖는 차량의 제어절차를 도시한 흐름도이다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세하게 설명하면 다음과 같다.

본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으므로, 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않으며, 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위하여 설명과 관계없는 부분은 생략하였다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 멀티구동시스템을 갖는 차량의 제어장치를 개략적으로 도시한 도면이다.

도 1을 참조하면, 본 발명은 동력원인 연료전지 스택(10)과 수퍼캡(20), 구동계(30)(40)(50), PCD(60), GDU(70) 및 제어기(100)를 포함한다.

연료전지 스택(10)는 용량에 따라 하나 혹은 하나 이상의 복수개로 구성될 수 있으며, 주변장치(BOP)의 작동에 따라 단위 셀의 애노드에 공급되는 수소와 캐소드에 공급되는 산소의 화학적 반응을 통해 전기를 생성하여 전압을 출력한다.

수퍼캡(20)은 보조 동력원으로 파워라인(12)에 병렬로 접속되어 연료전지 스택(10)의 출력 전압을 보조하고 회생제동에너지를 충전하여 연료전지의 효율적인 사용을 제공한다.

복수개의 구동계(30)(40)(50)는 인버터(31)(41)(51)와 모터(33)(43)(53)로 구성되고, 인버터(31)(41)(51)와 모터(33)(43)(53)에는 각각의 온도를 검출하는 온도센서(32)(42)(52)(34)(44)(54)가 설치된다.

상기 인버터(31)(41)(51)는 제어기(100)에서 인가되는 제어신호에 따라 연료전지 스택(10)과 수퍼캡(20)에서 출력되는 DC전압을 고속 스위칭을 통해 3상 전압으로 변환시켜 모터(33)(43)(53)에 구동 전압으로 공급한다

모터(33)(43)(53)는 대응되는 인버터(31)(41)(51)에서 공급되는 3상 전압으로 구동되어 총 효율이 최대가 되는 점에서 출력속도 및 출력토크가 조정된다.

상기 온도센서(32)(42)(52)는 대응되는 인버터(31)(41)(51)의 온도를 검출하여 그에 대한 정보를 제어기(100)에 제공한다.

또한, 온도센서(34)(44)(54)는 대응되는 모터(33)(43)(53)의 온도를 검출하여 그에 대한 정보를 제어기(100)에 제공한다.

PCD(Power Coupling Device : 60)는 각 모터(33)(43)(53)의 출력을 하나의 출력으로 전환한 다음 GDU(70)를 거쳐 구동휠에 전달되어 주행이 이루어질 수 있도록 한다.

제어기(100)는 인버터(31)(41)(51)의 온도와 모터(33)(43)(53)의 온도를 각각 비교하여 구동계별(30)(40)(50)로 온도편차가 발생되지 않으면 현재의 토크 명령으로 각 구동계의 출력을 실행한다.

상기 제어기(100)는 구동계별(30)(40)(50)로 온도편차가 발생되고 있으면 인버터(31)(41)(51)와 모터(33)(43)(53)의 온도 평균값을 산출하여 실제 인버터의 온도와 모터의 온도를 각각 비교하며, 비교 결과에 따라 각 구동계(30)(40)(50)를 제어하기 위한 토크 제어명령의 변수를 조절하여 각 구동계의 최종 출력토크를 일정하게 한다.

예를 들어, 어느 하나의 구동계에서 온도편차가 심하게 검출되어 기준 온도범위를 벗어나면 일정량 만큼 출력토크 제한을 실행하고, 기준 온도범위에 포함되는 다른 구동계에 대하여 상기 제한시킨 출력토크 만큼을 증가시켜 최종 출력토크는 온도편차에 관계없이 상시 일정한 출력이 유지되도록 한다.

전술한 바와 같은 기능을 포함하는 본 발명에 따른 멀티구동시스템을 갖는 차량의 제어는 다음과 같이 실행된다.

멀티구동시스템을 갖는 차량이 주행 혹은 주행을 대기하는 상태에서 제어기(100)는 각각의 구동계(30)(40)(50)에 설치된 온도센서(32)(42)(52)(34)(44)(54)의 정보를 모니터링 하여 구동계별(30)(40)(50)로 인버터(31)(41)(51)의 온도와 모터(33)(43)(53)의 온도를 검출한다(S101)(S102).

이후, 제어기(100)는 인버터(31)(41)(51)의 온도와 모터(33)(43)(53)의 온도를 각각 비교하여 구동계별(30)(40)(50)로 온도편차가 발생되고 있는지를 판단한다(S103).

상기 S103의 판단에서 제어기(100)는 구동계별(30)(40)(50)로 온도편차가 발생되고 있지 않은 상태이면 운전자의 요구토크와 구동계의 온도를 제어인자로 하여 생성한 현재의 토크 명령으로 각 구동계의 출력을 실행한다(111).

그러나, 상기 S103에서 제어기(100)는 구동계별(30)(40)(50)로 온도편차가 발생되고 있는 것으로 판단되면 인버터(31)(41)(51)의 온도를 평균화하여 온도 평균값을 산출하고(S104), 모터(33)(43)(53)의 온도를 평균화하여 온도 평균값을 산출한다(S105).

이후, 제어기(100)는 상기 S104에서 산출된 인버터 온도 평균값과 구동계별 인버터의 온도를 각각 비교하고(S106), 상기 S105에서 산출된 모터 온도 평균값과 구동계별 모터의 온도를 각각 비교한다(S107).

그리고, 제어기(100)는 상기 S106에서 비교된 인버터 온도의 비교 결과와 설정된 기준온도를 비교하고(S108), 상기 S107에서 비교된 모터 온도의 비교 결과를 설정된 기준온도와 비교한다(S109).

제어기(100)는 상기 S108에서 비교된 결과 상기 S109에서 비교된 결과에 따라 각 구동계(30)(40)(50)를 제어하기 위한 토크 제어명령의 제어변수를 조절하여 각 구동계의 토크 제어명령을 보정함으로써, 최종 출력토크를 일정하게 유지한다(S110).

예를 들어, 어느 하나의 구동계에서 온도편차가 심하게 검출되어 기준온도 범위를 벗어나면 일정량 만큼 출력토크 제한을 실행하고, 기준온도 범위에 포함되는 다른 구동계에 대하여 상기 제한시킨 출력토크 만큼을 증가시켜 최종 출력토크는 온도편차에 관계없이 상시 일정한 출력이 유지되도록 한다.

그리고, 제어기(100)는 보정된 토크 제어명령으로 각각의 구동계를 제어하여 전체의 출력은 온도편차에 관계없이 일정한 한 출력토크가 제공될 수 있도록 한다(S111).

예를 들어, 제1인버터의 온도가 50℃이고 제2인버터의 온도가 45℃이며 제3인버터의 온도 65℃라 가정하면, 인버터의 평균 온도(Inv_Avg)는 53℃가 된다.

또한, 제1모터의 온도가 80℃이고, 제2모터의 온도가 90℃이며, 제3모터의 온도가 82℃라 가정하면 모터의 평균온도(Mot_Avg)는 84℃가 된다.

그리고, 각 인버터의 실제 온도와 인버터의 평균온도 차이 비교에서 기준온도(X)가 10℃로 설정되고, 각 모터의 실제 온도와 모터의 평균온도 차이 비교에서 기준온도(Y)가 10℃로 설정된다고 가정한다.

인버터의 평균온도와 제1인버터의 실제온도의 차이(53℃- 50℃)는 3℃이고, 인버터의 평균온도와 제2인버터의 실제온도의 차이(53℃- 45℃)는 8℃이고, 인버터의 평균온도와 제3인버터의 실제온도의 차이(53℃- 65℃)는 12℃이다.

따라서, 제어기(100)는 인버터의 온도차이가 기준온도(X) 보다 많게 발생되는 제3구동계에 대하여 일정량(△Tq)만큼 출력토크를 제한하고, 모터에서 가장 적은 열을 발생시키고 있는 제1구동계에 대하여 제3구동계에서 제한한 일정량(△Tq) 만큼 출력토크를 증가시켜 전체적인 출력토크는 구동계의 온도편차에 관계없이 일정하게 유지될 수 있도록 한다.

이상과 같이 본 발명은 멀티구동시스템을 갖는 차량에서 특정 구동계에서 온도편차가 발생하는 경우 온도편차가 큰 구동계에 대해서는 일정량 만큼 출력 제한되는 토크 제어명령으로 제어하고, 평균보다 낮아 제한 온도에 여유가 있는 다른 구동계에는 제한시킨 출력 토크 만큼을 증가시켜 토크 제어명령으로 제어함으로써, 구동계별 온도편차에 관계없이 상시적으로 일정한 출력 토크가 유지될 수 있다.

이상에서는 본 발명의 실시예에 대하여 설명하였으나, 본 발명의 사상은 본 명세서에 제시되는 실시 예에 제한되지 아니하며, 본 발명의 사상을 이해하는 당업자는 동일한 사상의 범위 내에서 구성요소의 부가, 변경, 추가, 삭제 등에 의해서 다른 실시 예를 용이하게 제안할 수 있을 것이나, 이 또한 본 발명의 사상범위 내에 포함된다고 할 것이다.

10 : 연료전지 스택 20 : 수퍼캡
30,40,50 : 구동계 31,41,51 : 인버터
33, 43, 53 : 모터

Claims (5)

1. 동력원인 연료전지 스택;
   연료전지 스택의 출력을 보조하고 회생제동에너지를 충전하는 수퍼캡;
   인버터와 모터로 구성되어 구동력을 출력하는 복수개의 구동계;
   상기 인버터와 모터의 온도를 각각 검출하는 복수개의 온도센서;
   온도센서에서 검출되는 인버터 온도와 모터 온도를 각각 비교하여 구동계별로 온도편차가 발생 되는지를 판단하고, 온도편차가 발생 되면 인버터 온도의 평균값과 모터 온도의 평균값을 산출하여 실제 인버터 온도와 모터 온도를 각각 비교하며, 비교 결과에 따라 각 구동계를 제어하기 위한 토크 제어명령의 변수를 조절하여 최종 출력토크를 일정하게 유지시키는 제어기;
   를 포함하는 멀티구동시스템을 갖는 차량의 제어장치.
2. 제1항에 있어서,
   상기 제어기는 어느 하나의 구동계가 기준온도 범위를 벗어나면 해당 구동계의 출력토크를 일정량(△TQ) 제한하고, 기준온도 범위에 포함되는 다른 하나 구동계의 출력토크를 제한된 일정량(△TQ) 만큼 증가시켜 최종 출력토크를 일정하게 유지시키는 것을 특징으로 하는 멀티구동시스템을 갖는 차량의 제어장치.
3. 제1항에 있어서,
   상기 제어기는 각 구동계별 온도편차가 기준값을 초과하지 않으면 현재의 제어 토크로 각 구동계를 제어하는 것을 특징으로 하는 멀티구동시스템을 갖는 차량의 제어장치.
4. 멀티구동시스템을 갖는 차량의 제어방법에 있어서,
   구동계별 인버터의 온도와 모터의 온도를 검출하여 구동계별로 온도편차가 발생하는지 판단하는 과정;
   구동계별로 인버터 및 모터에서 온도편차가 발생하고 있으면 구동계별 인버터의 평균온도와 모터의 평균온도를 산출하는 과정;
   상기 인버터의 평균온도와 인버터 각각의 실제온도를 비교하고, 모터의 평균온도와 모터 각각의 실제온도를 비교하여 설정된 기준 온도범위에 포함되는지 판단하는 과정;
   상기 인버터 및 모터의 평균온도와 실제온도의 비교 결과가 기준 온도범위를 벗어나는 특정 구동계의 출력토크를 일정량(△TQ)만큼 제한하고, 기준 온도범위 이내의 다른 특정 구동계의 출력토크를 일정량(△TQ)만큼 증가시켜 토크 제어를 실행하는 과정;
   을 포함하는 멀티구동시스템을 갖는 차량의 제어방법.
5. 제4항에 있어서,
   상기 특정 구동계의 출력토크 제한량과 다른 특정 구동계의 출력토크 증가량은 상호 보상될 수 있는 동일한 토크량으로 결정되는 것을 특징으로 하는 멀티구동시스템을 갖는 차량의 제어방법.

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