KR101247282B1 - Apparatus for controlling serial type hybrid power device - Google Patents
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Abstract
본 발명은, 빠른 동특성과 순간적인 응답 특성이 뛰어난 슈퍼 커패시터에 의하여 모터 구동부의 입력단의 DC 링크 전압을 일정하게 유지함으로써, 직렬형 하이브리드 동력장치의 안정적이 구동이 가능한 직렬형 하이브리드 동력장치의 제어장치를 제공하는 것을 목적으로 한다. 본 발명은, 엔진으로부터 발생되는 구동력을 전력으로 변환하고, 제1레벨의 직류 전압을 생성하여 연결 단자로 공급하는 전력 공급부; 상기 연결 단자와 연결되어, 상기 연결 단자를 통하여 공급되는 전원에 의하여 충전되고, 상기 연결 단자를 통하여 전원을 공급하는 충전부; 상기 연결 단자와 연결되어, 상기 연결 단자를 통하여 전원을 공급받아 구동바퀴를 회전시키는 구동부; 및 상기 연결 단자와 연결되어, 상기 연결 단자의 전압을 일정하게 유지하는 정전압 유지부를 구비하는 직렬형 하이브리드 동력장치의 제어장치를 제공한다.
The present invention is a control device of a series hybrid power unit capable of stably driving a series hybrid power unit by maintaining a constant DC link voltage at an input of a motor driving unit by a super capacitor having excellent fast dynamic characteristics and instantaneous response characteristics. The purpose is to provide. The present invention includes a power supply for converting the driving force generated from the engine into electric power, generating a DC voltage of the first level to supply to the connection terminal; A charging unit connected to the connection terminal, charged by power supplied through the connection terminal, and supplying power through the connection terminal; A driving unit connected to the connection terminal to rotate the driving wheel by receiving power through the connection terminal; And a constant voltage holding unit connected to the connection terminal to maintain a constant voltage of the connection terminal.
Description
도 1은 본 발명에 따른 직렬형 하이브리드 동력장치를 개략적으로 도시한 도면이다. 1 is a view schematically showing a series hybrid power unit according to the present invention.
도 2는 본 발명에 따른 바람직한 실시예로서, 직렬형 하이브리드 동력장치의 제어장치를 개략적으로 도시한 도면이다. 2 is a view schematically showing a control device of the tandem hybrid power unit as a preferred embodiment according to the present invention.
도 3은 도 2의 직렬형 하이브리드 동력장치의 제어장치에서, 각각의 구성 요소들 사이의 연결을 개략적으로 도시한 회로도이다. FIG. 3 is a circuit diagram schematically showing a connection between respective components in the control device of the series hybrid power unit of FIG. 2.
도 4는 도 2의 직렬형 하이브리드 동력장치의 제어장치에서, 엔진 제어기를 개략적으로 도시한 블록선도이다. 4 is a block diagram schematically illustrating an engine controller in a control device of the series hybrid power unit of FIG. 2.
도 5는 도 4의 엔진 제어기에서, 속도 예측기를 생성하기 위하여 미리 예측 속도 지령을 계산하기 위한 부하와 속도 관계의 일 예를 도시한 그래프이다. 5 is a graph illustrating an example of a load and speed relationship for calculating a predicted speed command in advance in order to generate a speed predictor in the engine controller of FIG. 4.
도 6은 도 4의 엔진 제어기에서, 속도 예측기를 생성하기 위하여 미리 예측 속도 지령을 계산하기 위한 출력에 대한 속도의 근사화 그래프이다. FIG. 6 is an approximation graph of speed with respect to an output for calculating a predicted speed command in advance in order to generate a speed predictor in the engine controller of FIG. 4.
도 7은 도 2의 직렬형 하이브리드 동력장치의 제어장치에서, 정전압 제어기를 개략적으로 도시한 블록선도이다. FIG. 7 is a block diagram schematically illustrating a constant voltage controller in the control device of the series hybrid power unit of FIG. 2.
도 8은 도 2의 직렬형 하이브리드 동력장치의 제어장치에서, 직류/직류 변환 기로서 DC 버스와 슈퍼 커패시터 또는 배터리와 연결되는 양방향 컨버터를 개략적으로 도시한 회로도이다. FIG. 8 is a circuit diagram schematically illustrating a bidirectional converter connected to a DC bus and a super capacitor or a battery as a DC / DC converter in the control device of the series hybrid power unit of FIG. 2.
< 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 >Description of the Related Art
100: 직렬형 하이브리드 동력장치의 제어장치, 100: control unit of the tandem hybrid power unit,
110: 전력 공급부, 120: 충전부,110: power supply unit, 120: charging unit,
130: 구동부, 140: 정전압 유지부,130: driving unit, 140: constant voltage holding unit,
114: 엔진 제어기, 141: 슈퍼 커패시터,114: engine controller, 141: super capacitor,
143: 정전압 제어기.143: constant voltage controller.
본 발명은 직렬형 하이브리드 동력장치의 제어장치에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 엔진으로 발전기를 구동해 전력을 발생시키고, 모터로부터 차량을 구동하는 동력을 얻는 방식의 직렬형 하이브리드 동력장치의 제어장치에 관한 것이다. The present invention relates to a control device for a tandem hybrid power plant, and more particularly, to a control device for a tandem hybrid power plant in which a generator is driven by an engine to generate electric power and obtains power for driving a vehicle from a motor. It is about.
하이브리드 동력장치는 엔진에 의한 기계적 동력과 모터의 전기적 동력 등의 2가지 이상의 동력으로부터 구동 동력을 얻는 방식의 동력장치이다. The hybrid power unit is a power unit in which a driving power is obtained from two or more powers, such as mechanical power by an engine and electric power of a motor.
통상적으로 하이브리드 동력장치는 병렬형과 직렬형이 있다. 병렬형 하이브리드 동력장치는 엔진과 변속기의 기계적 동력과 모터의 전기적 동력을 동시에 차량의 구동 동력으로 이용하는 방식이다. 반면에, 직렬형 하이브리드 동력 장치는 엔진으로 발전기를 구동해 전력을 발생시키고, 차량 등을 구동하기 위한 구동 동력 은 모터만을 이용하는 방식이다. Typically hybrid power units are in parallel and in series. The parallel hybrid power unit uses the mechanical power of the engine and transmission and the electric power of the motor as driving power of the vehicle at the same time. On the other hand, a series hybrid power unit generates electric power by driving a generator with an engine, and a driving power for driving a vehicle is a motor only.
통상적으로 종래의 민수용 하이브리드 차량은 효율 특성이 좋은 병렬형 하이브리드 동력장치를 탑재하고 있다. 병렬형의 경우에는 차량 등을 구동하기 위한 구동동력이 엔진과 모터에서 출력되므로, 병렬형의 전력제어는 모터를 구동시킬 수 있도록 하는 배터리 등의 전원장치의 전력 입출력만을 다룬다. Conventional civil hybrid vehicles are typically equipped with parallel hybrid power units with good efficiency characteristics. In the case of the parallel type, since the driving power for driving the vehicle is output from the engine and the motor, the parallel type power control deals only with the power input / output of a power supply such as a battery that enables the motor to be driven.
한편, 직렬형 하이브리드 동력장치는 제어가 간단하고, 대용량 전기 에너지를 저장 및 공급이 가능해 배터리 전원을 이용한 스텔스 주행이 가능하므로, 군용 차량에 적용될 수 있다. 직렬형 하이브리드 동력장치에서는 엔진의 출력이 발전기를 돌려주는 원동력이 되므로, 엔진 및 발전기를 또 하나의 전원장치로 볼 수 있다. On the other hand, the tandem hybrid power unit is simple to control, and can store and supply a large amount of electric energy, so that stealth driving using battery power can be applied to military vehicles. In a tandem hybrid power unit, the engine output is the driving force for the generator, so the engine and generator can be seen as another power source.
즉, 직렬형 하이브리드 동력장치에서 전력제어는 배터리 등의 전원장치 외에 엔진의 출력까지 제어변수가 된다. 따라서, 직렬형에서는 새로운 전력 제어 알고리즘이 필요하다. That is, in the series hybrid power unit, power control becomes a control variable up to the output of the engine in addition to a power unit such as a battery. Thus, in series, new power control algorithms are needed.
또한, 엔진과 발전기는 종래의 DC(Direct Current) 전원과는 달리, 강한 비선형성과 느린 동특성을 갖는다. 따라서, 기존의 전력변환 장치로는 직렬형 하이브리드 동력장치의 제어가 곤란한 문제점이 있다. In addition, engines and generators have strong nonlinearity and slow dynamics, unlike conventional direct current (DC) power supplies. Therefore, there is a problem that the control of the series hybrid power unit is difficult with the existing power converter.
또한, 엔진 및 발전기는 순간적인 응답 특성이 크게 떨어지므로, 순간적으로 변하는 DC 링크 전압을 일정하게 유지하기 어려운 문제점이 있다. In addition, since the instantaneous response characteristics of the engine and the generator are greatly reduced, it is difficult to maintain a constant DC link voltage that is constantly changed.
본 발명은, 빠른 동특성과 순간적인 응답 특성이 뛰어난 슈퍼 커패시터에 의 하여 모터 구동부의 입력단의 DC 링크 전압을 일정하게 유지함으로써, 직렬형 하이브리드 동력장치의 안정적이 구동이 가능한 직렬형 하이브리드 동력장치의 제어장치를 제공하는 것을 목적으로 한다. The present invention is to control the series hybrid power unit capable of stably driving the series hybrid power unit by maintaining a constant DC link voltage of the input terminal of the motor drive unit by a super capacitor having excellent fast dynamic characteristics and instantaneous response characteristics. It is an object to provide a device.
본 발명은, 엔진으로부터 발생되는 구동력을 전력으로 변환하고, 제1레벨의 직류 전압을 생성하여 연결 단자로 공급하는 전력 공급부; 상기 연결 단자와 연결되어, 상기 연결 단자를 통하여 공급되는 전원에 의하여 충전되고, 상기 연결 단자를 통하여 전원을 공급하는 충전부; 상기 연결 단자와 연결되어, 상기 연결 단자를 통하여 전원을 공급받아 구동바퀴를 회전시키는 구동부; 및 상기 연결 단자와 연결되어, 상기 연결 단자의 전압을 일정하게 유지하는 정전압 유지부를 구비하는 직렬형 하이브리드 동력장치의 제어장치를 제공한다. The present invention includes a power supply for converting the driving force generated from the engine into electric power, generating a DC voltage of the first level to supply to the connection terminal; A charging unit connected to the connection terminal, charged by power supplied through the connection terminal, and supplying power through the connection terminal; A driving unit connected to the connection terminal to rotate the driving wheel by receiving power through the connection terminal; And a constant voltage holding unit connected to the connection terminal to maintain a constant voltage of the connection terminal.
상기 전력 공급부가, 상기 엔진에서 발생되는 구동력을 전력으로 변환하는 발전기, 상기 발전기에서 생성된 교류 전압을 정류하여 상기 제1레벨의 직류 전압을 생성하는 정류기, 및 상기 엔진의 출력을 출력 지령치에 따라 제어하는 엔진 제어기를 포함하는 것이 바람직하다.The power supply unit, a generator for converting the driving force generated in the engine into electric power, a rectifier for rectifying the AC voltage generated by the generator to generate a DC voltage of the first level, and the output of the engine according to the output command value It is preferable to include an engine controller for controlling.
상기 엔지 제어기가, 상기 엔진 및 발전기의 속도 정보를 추출하는 속도 측정기, 상기 엔진의 출력 지령치에 따라 원하는 출력을 내기 위한 엔진의 속도 지령을 생성하는 전력 제어기, 및 상기 엔진 속도 지령에 따른 목표 속도 지령과 상기 엔진 및 발전기의 속도 정보를 입력받아 상기 엔진의 출력을 제어하기 위한 엔진 거버너 모터 제어용 펄스 신호를 생성하는 속도 제어기를 포함하는 것이 바람직하 다. The engine controller is a speed measuring device for extracting the speed information of the engine and the generator, a power controller for generating a speed command of the engine for producing a desired output according to the output command value of the engine, and a target speed command according to the engine speed command And a speed controller configured to receive speed information of the engine and the generator and generate a pulse signal for controlling the engine governor motor for controlling the output of the engine.
상기 엔진 제어기가 엔진 출력에 따른 상기 엔진 속도 관계로부터 미리 계산된 예측 속도 지령을 생성하는 속도 예측기를 더 포함하는 것이 바람직하다. Preferably, the engine controller further comprises a speed estimator for generating a predicted speed reference calculated in advance from the engine speed relationship according to engine output.
상기 목표 속도 지령이 상기 전력 제어기에서 생성된 엔진 속도 지령과 상기 예측 속도 지령으로부터 생성되고, 상기 예측 속도 지령이 전향 보상(feed forward)되어 입력되는 것이 바람직하다. Preferably, the target speed command is generated from the engine speed command generated by the power controller and the predicted speed command, and the predicted speed command is fed forward with a feed forward.
상기 충전부가, 제2 레벨의 전압을 갖는 전원을 충전 및 공급하는 배터리, 및 상기 제1 레벨의 직류 전압과 상기 제2레벨의 직류 전압을 상호 변환하는 제1 직류/직류 변환기를 포함하는 것이 바람직하다. Preferably, the charging unit includes a battery that charges and supplies a power source having a voltage of a second level, and a first DC / DC converter that converts the DC voltage of the first level and the DC voltage of the second level. Do.
상기 직렬형 하이브리드 동력장치가 엔진에 의하여 구동되는 엔진 구동 모드및/또는 상기 배터리에 의하여 구동되는 전기 구동 모드에 의하여 구동되는 것이 바람직하다. Preferably, the tandem hybrid power unit is driven by an engine drive mode driven by an engine and / or an electric drive mode driven by the battery.
상기 구동부가, 상기 구동바퀴를 회전시키는 것으로 교류 전원에 의하여 구동되는 구동 모터, 및 상기 연결 단자의 직류 전원을 교류 전원으로 변경하여 상기 구동 모터를 구동하는 인버터 모듈을 포함하는 것이 바람직하다. Preferably, the drive unit includes a drive motor driven by an AC power source by rotating the drive wheels, and an inverter module for changing the DC power source of the connection terminal to an AC power source to drive the drive motor.
상기 정전압 유지부가, 상기 제1 레벨의 전압을 제3 레벨의 전압으로 또는 상기 제3 레벨의 전압을 상기 제1 레벨의 전압으로 변환하는 제2 직류/직류 변환기, 상기 제3 레벨의 전압을 충전하고, 상기 충전된 전압을 상기 연결 단자를 통하여 방출하는 슈퍼 커패시터, 및 상기 연결 단자의 전압을 일정하게 유지하도록 제어하는 정전압 제어기를 포함하는 것이 바람직하다. The constant voltage holding unit charges a second DC / DC converter for converting the voltage of the first level to the voltage of the third level or the voltage of the third level to the voltage of the first level, and the voltage of the third level. And a supercapacitor for discharging the charged voltage through the connection terminal, and a constant voltage controller for controlling the voltage of the connection terminal to be kept constant.
상기 정전압 제어기가, 상기 구동부를 구동하기 위하여 필요한 구동 전류와 상기 슈퍼 커패시터의 전압을 입력받고, 상기 연결 단자의 전압을 일정하게 유지하도록 상기 제2 직류/직류 변환기를 제어하는 것이 바람직하다. Preferably, the constant voltage controller controls the second DC / DC converter to receive a driving current and a voltage of the supercapacitor necessary to drive the driving unit, and to maintain a constant voltage of the connection terminal.
상기 구동부를 구동하기 위하여 필요한 구동 전류와 상기 슈퍼 커패시터의 전압이 전향 보상(feed forward)되어 입력되는 것이 바람직하다. It is preferable that the driving current required to drive the driving unit and the voltage of the super capacitor are input by being fed forward.
상기 정전압 유지부가, 상기 슈퍼 커패시터가 한계점까지 충전되어 있을 때 발생하는 잉여 전력을 저항열로 소비시키는 동적 브레이크를 더 포함하고, 상기 동적 브레이크가 상기 슈퍼 커패시터와 병렬로 연결되는 저항 소자를 포함하여 이루어지는 것이 바람직하다. The constant voltage holding unit may further include a dynamic brake for consuming surplus power generated by the resistance heat generated when the super capacitor is charged to a threshold, and the dynamic brake includes a resistance element connected in parallel with the super capacitor. It is preferable.
상기 충전부와 상기 정전압 유지부가 각각 제1레벨의 전압을 제2레벨 및 제3레벨의 전압으로 변환하는 양방향 변환기를 포함하고, 상기 양방향 변환기가 3상의 인버터 모듈을 포함하는 것이 바람직하다. Preferably, the charging unit and the constant voltage maintaining unit include a bidirectional converter for converting a voltage of a first level into a voltage of a second level and a third level, respectively, and the bidirectional converter includes a three-phase inverter module.
본 발명에 따르면, 빠른 동특성과 순간적인 응답 특성이 뛰어난 슈퍼 커패시터에 의하여 모터 구동부의 입력단의 DC 링크 전압을 일정하게 유지함으로써, 직렬형 하이브리드 동력장치의 안정적이 구동이 가능하다. According to the present invention, by maintaining a constant DC link voltage of the input terminal of the motor driving unit by the supercapacitor having excellent fast dynamic characteristics and instantaneous response characteristics, it is possible to stably drive the series hybrid power unit.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 바람직한 실시예에 따른 본 발명을 상세히 설명하기로 한다. Hereinafter, exemplary embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
도 1은 본 발명에 따른 직렬형 하이브리드 동력장치를 개략적으로 도시한 도면이다. 1 is a view schematically showing a series hybrid power unit according to the present invention.
도면을 참조하면, 직렬형 하이브리드 동력장치(1)는, 엔진(11)으로 발전 기(12)를 구동해 전력을 발생시키고, 차량 등을 구동하기 위한 구동 동력은 모터만을 이용하는 방식으로서, 엔진(11), 발전기(12), 배터리(14), 인버터(15), 슈퍼 커패시터(16), 구동 모터(17)를 구비한다. Referring to the drawings, the tandem
엔진(11)은 구동력을 발생시키고, 발전기(12)는 엔진(11)에서 발생한 구동력을 전력으로 변환시킨다. 또한, 배터리(14)는 엔진(11)과 발전기(12)에서 생성된 전력을 저장하고, 엔진(11)과 슈퍼 커패시터(16)가 부하에서 끌어가는 전력을 공급하지 못하는 경우에 여분의 전력을 공급한다. The
슈퍼 커패시터(16)는 커패시터의 성능 중 특히 전기 용량의 성능을 중점적으로 강화한 것으로서, 전지의 목적으로 사용하도록 한 부품이다. 슈퍼 커패시터(16)는 전력을 모아서 필요에 따라 방출하기 위해 사용하는 것으로, 회로를 안정되게 동작시키기 위해서 사용된다. 즉, 충·방전을 반복하는 환경에서 오랜 시간이 경과해도 안정되게 동작한다. The
특히, 슈퍼 커패시터(16)는 빠른 동특성과 순간적인 응답 특성이 뛰어나다. 따라서, 슈퍼 커패시터(16)는 엔진(11)과 발전기(12)에서 부하에서 필요한 만큼의 전력을 공급하지 못하는 경우에 일차적으로 공급하면서, 잉여 전력을 저장하고, 부하 상황에 관계없이 부하단의 전압을 일정하게 유지하는 역할을 수행한다. In particular, the
구동 모터(17)는 구동 바퀴(19)를 감속기(18)를 통하여 적정한 속도로 변환시켜 회전 구동시킨다. 구동 모터(17)로는 인버터 모터가 사용될 수 있으며, 이러한 인버터 모터를 구동시키기 위하여, 발전기(12), 배터리(14), 또는 슈퍼 커패시터(16)를 통하여 공급되는 직류 전력을 필요한 주파수의 교류 전력으로 변환시키기 위한 인버터(15)가 구비될 수 있다. 이때, 인버터(15)로는 인텔리전트 파워 모듈(Intelligent power module, IPM)이 사용될 수 있다. 인텔리전트 파원 모듈은 복수개의 IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)와 구동 IC를 포함하여 이루어질 수 있다. The
이러한 직렬형의 경우에는 엔진(11)의 출력이 발전기(12)를 돌려주는 원동력이 되므로, 또 하나의 전원 장치가 될 수 있다. 따라서, 직렬형의 전력 제어는 배터리 등의 전원장치 외에 엔진의 출력까지 제어 변수가 될 수 있으므로, 이하에서 설명되는 직렬형 하이브리드 동력장치의 제어장치와 이를 위한 새로운 전력제어 알고리즘이 필요하다. In the case of such a serial type, since the output of the
한편, 전원인 엔진(11)과 발전기(12)는 기존의 DC 전원과는 달리 강한 비선형성과 느린 동특성을 갖는다. 따라서, 종래의 전력 변환 장치를 그대로 이용한다면 직렬형 하이브리드 동력장치의 전력 시스템을 운영하는데 한계가 있다. 또한, 엔진(11) 및 발전기(12)는 순간적인 응답 특성이 크게 떨어지므로 순간적으로 변하는 DC 링크 전압을 일정하게 유지하기 어렵다. 따라서, 본 발명에서는 빠른 동특성과 순간적인 응답 특성이 뛰어난 슈퍼 커패시터(16)를 적용하였으며, 적용된 슈퍼 커패시터(16)와 다른 전원 장치 사이를 연결하는 제어 알고리즘이 필요하다. On the other hand, the
도 2는 본 발명에 따른 바람직한 실시예로서, 직렬형 하이브리드 동력장치의 제어장치를 개략적으로 도시한 도면이다. 도 3은 도 2의 직렬형 하이브리드 동력장치의 제어장치에서, 각각의 구성 요소들 사이의 연결을 개략적으로 도시한 회로도이다. 2 is a view schematically showing a control device of the tandem hybrid power unit as a preferred embodiment according to the present invention. FIG. 3 is a circuit diagram schematically showing a connection between respective components in the control device of the series hybrid power unit of FIG. 2.
도면을 참조하면, 본 발명의 직렬형 하이브리드 동력장치의 제어장치(100)는 직렬형 하이브리드 동력장치를 제어하기 위한 것으로, 전력 공급부(110); 충전부(120); 구동부(130); 및 정전압 유지부(140)를 구비한다. 이때, 전력 공급부(110); 충전부(120); 구동부(130); 및 정전압 유지부(140) 각각은 연결 단자를 통하여 DC 버스에 연결된다. 따라서, 전력 공급부(110); 충전부(120); 구동부(130); 및 정전압 유지부(140) 각각의 일 단은 제1레벨(Vdc)의 DC 링크 전압에 해당하는 전압이 걸린다. Referring to the drawings, the
전력 공급부(110)는 엔진(111)으로부터 발생되는 구동력을 전력으로 변환하고, 제1레벨(Vdc)의 직류 전압을 생성하여 연결 단자로 공급한다. 충전부(120)는 연결 단자와 연결되어, 연결 단자를 통하여 공급되는 전원에 의하여 충전되고, 연결 단자를 통하여 전원을 공급한다. The
구동부(130)는 연결 단자와 연결되어, 연결 단자를 통하여 전원을 공급받아 구동바퀴를 회전시킨다. 정전압 유지부(140)는 연결 단자와 연결되어, 연결 단자의 전압을 일정하게 유지한다. The driving
본 실시예의 직렬형 하이브리드 동력장치의 제어장치(100)에서는, 4대의 구동 모터(131)가 소모하는 전력을 실시간으로 공급해 주고, 슈퍼 커패시터(141)의 필요에 따른 충방전을 위해 엔진(111) 및 발전기(112)의 전력뿐만 아니라 슈퍼 커패시터(141)의 전력을 순시적으로 제어한다. 이때, 엔진(111) 및 발전기(112)는 전력 제어를 하고, 슈퍼 커패시터(141)는 부하 상황에 관계없이 항상 DC 버스의 DC 링크 전압을 일정하게 유지하도록 제어된다. In the
또한, 엔진(111)과 슈퍼 커패시터(141)가 부하에서 끌어가는 전력을 공급하지 못할 때, 배터리(121)가 여분의 전력을 공급한다. 또한, 배터리(121)는 전기 자동차 모드 시에 엔진 없이 주행할 때 주 에너지원이 된다. In addition, when the
본 발명에 따른 직렬형 하이브리드 동력장치의 제어장치(100)에서의 제어 알고리즘은, 첫째로 원하는 부하만큼의 전력을 엔진(111) 및 발전기(112)에서 공급해 주지 못할 때, 에너지 저장 요소인 슈퍼 커패시터(141)나 배터리(121)에 저장된 에너지를 DC 링크 단에 적절히 공급해 준다. 두 번째로는 잉여 전력이 존재할 경우에, 잉여 전력을 DC 링크 단으로부터 에너지 저장 요소인 슈퍼 커패시터(141) 또는 배터리(121)에 전압원의 형태로 저장하고 유지시킨다. The control algorithm in the
세 번째로는 슈퍼 커패시터(141)에 의하여 DC 링크 단 전압이 항상 일정하게 유지될 수 있도록 제어한다. 또한, 엔진 제어 시에 전향 보상(feed forward) 제어를 적용하여 제어의 동특성을 크게 개선할 수 있다. Thirdly, the
이를 위하여, 전력 공급부(110)는 발전기(112), 정류기(113), 및 엔진 제어기(114)를 포함한다. To this end, the
발전기(112)는 엔진(111)에서 발생되는 구동력을 전력으로 변환한다. 정류기(113)는 발전기(112)에서 생성된 교류 전압을 정류하여 제1레벨(Vdc)의 직류 전압을 생성한다. 엔진 제어기(114)는 엔진(111)의 출력을 출력 지령치에 따라 제어한다. The
발전기(112)는 엔진(111)에서 발생되는 구동력을 전력으로 변환하는 것으로, 엔진(111)의 회전력에 의하여 발전기(112)의 회전자를 회전시켜 교류 전력을 얻는다. 이러한 교류 전력이 정류기(113)에 의하여 직류 전력으로 변환되는데, 정류기(113)의 입력 단자에는 발전기(112)의 출력 단자가 연결되고, 출력 단자에는 연결 단자에 해당하는 DC 버스의 DC 링크 단이 연결된다. The
이때, 엔진(111)은 전력 공급원으로서 최대 토크 25.5KgM@2400rpm로 발전기(112)를 돌려주며, 이에 대하여 발전기는 최대 50KW까지 파워를 공급할 수 있다. 또한, 정류기(113)는 도 3에 도시된 바와 같은 3상의 다이오드 정류기인 것이 바람직하다. At this time, the
또한, 차량의 DC 링크 전압(Vdc)은 항상 320V가 유지될 수 있도록 제어될 수 있다. 이를 위하여, 엔진(111) 및 발전기(112)에서 공급되는 전력과 모터 부하의 전력 수요 차이 변화가 DC 링크 전압(Vdc)을 변화시킬 때, 슈퍼 커패시터(141)에 의하여 전압 제어를 수행한다. In addition, the DC link voltage V dc of the vehicle may be controlled such that 320V is always maintained. To this end, when a change in the power demand difference between the power supplied from the
충전부(120)는 배터리(141) 및 제1 직류/직류 변환기(122)를 구비한다. 배터리(141)는 제2 레벨(VB)의 전압을 갖는 전원을 충전 및 공급한다. 제1 직류/직류 변환기(122)는 제1 레벨(Vdc)의 직류 전압과 제2레벨(VB)의 직류 전압을 상호 변환한다. 배터리(141)는 전력 공급부(110) 및 정전압 유지부(140)에서 (130)구동부에서 필요로 하는 전력을 공급하지 못하는 경우에 여분의 전력을 공급한다. The charging
충전부(120)는 전원 공급부(110) 및 정전압 유지부(140)에서 공급되는 전원 에 의하여 충전되고, 엔진(111)과 슈퍼 커패시터(141)가 부하에서 끌어가는 전력을 공급하지 못할 때, 배터리(121)가 여분의 전력을 공급한다. 또한, 배터리(121)는 차량의 무성 및 무열에 의한 스텔스 기능을 위하여 12V 납(Pb) 배터리 12개를 직렬로 연결하여, 전기 자동차 모드 시에 엔진(111) 및 발전기(112)를 작동하지 아니하고 차량을 운행할 수 있도록 한다. The charging
직렬형 하이브리드 동력장치는 엔진(111)에 의하여 구동되는 엔진 구동 모드및/또는 배터리(121)에 의하여 구동되는 전기 구동 모드에 의하여 구동될 수 있다. The tandem hybrid power unit may be driven by an engine drive mode driven by the
구동부(130)는 전력 공급부(110), 충전부(120), 및 정전압 유지부(140)로부터 DC 버스를 통하여 전원을 공급받아 구동바퀴를 회전시킨다. 구동부(130)는 구동 모터(131), 및 인버터 모듈(132)을 포함한다. 구동 모터(131)는 구동바퀴를 회전시키는 것으로 교류 전원에 의하여 구동된다. 인버터 모듈(132)은 연결 단자의 직류 전원을 교류 전원으로 변경하여 구동 모터(131)를 구동한다. The
이때, 구동 모터(17)로는 인버터 모터가 사용될 수 있으며, 이러한 인버터 모터를 구동시키기 위하여, DC 버스를 통하여 발전기(12), 배터리(14), 또는 슈퍼 커패시터(141)로부터 공급되는 직류 전력을 필요한 주파수의 교류 전력으로 변환시키기 위한 인버터 모듈(132)이 구비될 수 있다. 이때, 인버터 모듈(132)로는 인텔리전트 파워 모듈(Intelligent power module, IPM)이 사용될 수 있다. In this case, an inverter motor may be used as the driving
인텔리전트 파원 모듈은 복수개의 IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)와 구동 IC를 포함하여 이루어질 수 있다. IGBT는 직류 전원을 스위칭에 의하여 교류 전원을 생성하는 스위칭 소자이다. 구동 IC는 스위칭 소자를 구동 및 제어한다. The intelligent wave source module may include a plurality of Insulated Gate Bipolar Transistors (IGBTs) and a driving IC. The IGBT is a switching element that generates AC power by switching DC power. The drive IC drives and controls the switching elements.
정전압 유지부(140)는 DC 링크 전압을 일정하게 유지하는 것으로, 슈퍼 커패시터(CSP), 제2 직류/직류 변환기(142), 정전압 제어기(143), 및 동적 브레이크(RDB)를 포함한다. The constant
슈퍼 커패시터(CSP)는 제3 레벨(VSP)의 전압을 충전하고, 충전된 전압을 연결 단자(DC 버스)를 통하여 방출한다. 제2 직류/직류 변환기(142)는 제1 레벨(Vdc)의 전압을 제3 레벨(VSP)의 전압으로 또는 제3 레벨(VSP)의 전압을 제1 레벨(Vdc)의 전압으로 변환한다. The super capacitor C SP charges the voltage of the third level V SP and emits the charged voltage through the connection terminal DC bus. The second DC /
정전압 제어기(143)는 연결 단자(DC 버스)의 전압을 일정하게 유지하도록 제어한다. 동적 브레이크(RDB)는 슈퍼 커패시터(CSP)가 한계점까지 충전되어 있을 때 발생하는 잉여 전력을 저항열로 소비시킨다. 이때, 동적 브레이크(RDB)는 슈퍼 커패시터(CSP)와 병렬로 연결되는 저항 소자가 될 수 있다. The
도 4는 도 2의 직렬형 하이브리드 동력장치의 제어장치에서, 엔진 제어기를 개략적으로 도시한 블록선도이다. 도 5는 도 4의 엔진 제어기에서, 속도 예측기를 생성하기 위하여 미리 예측 속도 지령을 계산하기 위한 부하와 속도 관계의 일 예를 도시한 그래프이다. 도 6은 도 4의 엔진 제어기에서, 속도 예측기를 생성하기 위하여 미리 예측 속도 지령을 계산하기 위한 출력에 대한 속도의 근사화 그래프이다. 4 is a block diagram schematically illustrating an engine controller in a control device of the series hybrid power unit of FIG. 2. 5 is a graph illustrating an example of a load and speed relationship for calculating a predicted speed command in advance in order to generate a speed predictor in the engine controller of FIG. 4. FIG. 6 is an approximation graph of speed with respect to an output for calculating a predicted speed command in advance in order to generate a speed predictor in the engine controller of FIG. 4.
도면을 참조하면, 전력 공급부(110)는 발전기(112), 정류기(113), 및 엔진 제어기(114)를 포함한다. 이때, 엔진 제어기(114)는 속도 측정기(145), 전력 제어기(146), 속도 제어기(147), 및 속도 예측기(148)를 포함한다. Referring to the drawings, the
속도 측정기(145)는 엔진(111) 및 발전기(112)의 속도 정보(ωeng)를 추출한다. 전력 제어기(146)는 엔진(111)의 출력 지령치(Peng')에 따라 원하는 출력을 내기 위한 엔진의 속도 지령(ωeng")을 생성한다. The
속도 제어기(147)는 엔진 속도 지령(ωeng")에 따른 목표 속도 지령(ωeng')과 엔진(111) 및 발전기(112)의 속도 정보(ωeng)를 입력받아 엔진(111)의 출력을 제어하기 위한 엔진 거버너 모터 제어용 펄스 신호(SP)를 생성한다. 속도 예측기(148)는 도 5 및 도 6의 엔진 출력에 따른 엔진 속도 관계로부터 미리 계산된 예측 속도 지령(ωff')을 생성한다. The
속도 측정기(145)에서는 발전기(112)의 선간 전압 2상(Vab, Vbc)을 측정하여 엔진(111) 및 발전기(112)의 속도 정보(ωeng)를 추출한다. 이때, 속도 측정기(145)에서는 PLL(Phase Locked Loop)에 의하여 2상의 선간 전압(Vab, Vbc) 형태의 전기각을 기계각으로 변환하고 PI 제어기를 통하여, 엔진(111) 및 발전기(112)의 속도 정보(ωeng)를 추출한다. The
전력 제어기(146)는 엔진(111)의 출력 지령치(Peng')에 피드백(feedback)되어 입력되는 출력(Peng)을 입력받아, PI 제어에 의하여 원하는 출력을 내기 위한 엔진의 속도 지령(ωeng")을 생성한다. A
속도 제어기(147)에서는 엔진 거버너 모터 제어용 펄스 신호(SP)를 생성하여 엔진 거버너 모터로 입력한다. 이때, 엔진 거버너 모터는 엔진(111)의 연료 분사량을 조절하는 스로틀 밸브(Throttle valve)를 제어한다. The
즉, 엔진 거버너 모터는 전력 제어에 따른 엔진 회전속도 조정을 위해 연료 분사량을 결정짓는 것으로, 여기에 AC 서보 모터를 장착하여 엔진(111) 및 발전기(112)에서 공급되는 전력을 조절할 수 있다. 이때, 속도 제어기(147)에서 엔진 거버너 모터 제어용 펄스 신호(SP)가 생성된 후에 디지털 출력단을 이용하여 엔지 거버너 모터로 출력될 수 있다. That is, the engine governor motor determines the fuel injection amount for adjusting the engine rotation speed according to the power control, and may be equipped with an AC servo motor to adjust the power supplied from the
속도 제어기(147)는 목표 속도 지령(ωeng')과 엔진(111) 및 발전기(112)의 속도 정보(ωeng)를 입력받아 엔진 거버너 모터 제어용 펄스 신호(SP)를 생성하는데, 목표 속도 지령(ωeng')은 전력 제어기(146)에서 생성된 엔진 속도 지령(ωeng")과 속도 예측기(148)의 예측 속도 지령(ωff')으로부터 생성된다. The
즉, 본 실시예에서는 목표 속도 지령(ωeng')이 엔진 속도 지령(ωeng")과 속도 예측기(148)의 예측 속도 지령(ωff')의 합에 의하여 생성된다. 이때, 예측 속도 지령(ωff')은 속도 예측기(148)에서 도 5 및 도 6의 엔진 출력에 따른 엔진 속도 관계로부터 미리 계산되어 전향 보상(feed forward)되어 입력된다. That is, in the present embodiment, the target speed command ω eng 'is generated by the sum of the engine speed command ω eng ′ and the predicted speed command ω ff ′ of the
한편, 예측 속도 지령(ωff')를 생성하기 위하여, 미리 엔진(111) 및 발전기(112) 시험을 통하여 엔진(111) 및 발전기(112)의 속도에 따른 출력에 대한 테이블과 그에 따른 그래프(도 5)를 구할 수 있다. 이를 근거로 도 6에 도시된 바와 같이 엔진(111) 및 발전기(112)의 속도에 따른 출력에 대한 근사 그래프를 구할 수 있다. On the other hand, in order to generate the predicted speed command (ω ff '), a table of the output according to the speed of the
이때, 엔진(111) 및 발전기(112)의 속도에 따른 출력에 대한 근사 그래프는 도 5의 관계로부터 [수학식 1]과 같은 근사식을 구할 수 있으며, 이로부터 도 6의 근사 그래프를 구할 수 있다. 이때, x는 부하 용량(KW)에 해당되고, y는 예측 속도 지령(ωff')을 위한 각속도(rad/sec)에 해당된다. At this time, the approximate graph of the output according to the speed of the
이러한 근사화식에 의하여 예측된 예측 속도 지령(ωff')이 전향 보상(feed forward) 입력되어, 강한 비선형성과 느린 동특성을 갖는 엔지(111) 및 발전기(112)의 동특성을 향상시킬 수 있다. The predicted speed command ω ff 'predicted by this approximation formula is input to feed forward, thereby improving dynamic characteristics of the
도 7은 도 2의 직렬형 하이브리드 동력장치의 제어장치에서, 정전압 제어기를 개략적으로 도시한 블록선도이다. 도 8은 도 2의 직렬형 하이브리드 동력장치의 제어장치에서, 직류/직류 변환기로서 DC 버스와 슈퍼 커패시터 또는 배터리와 연결되는 양방향 컨버터를 개략적으로 도시한 회로도이다. FIG. 7 is a block diagram schematically illustrating a constant voltage controller in the control device of the series hybrid power unit of FIG. 2. FIG. 8 is a circuit diagram schematically illustrating a bidirectional converter connected to a DC bus and a super capacitor or a battery as a DC / DC converter in the control device of the series hybrid power unit of FIG. 2.
도면을 참조하면, 정전압 유지부(140)는 DC 링크 전압을 일정하게 유지하는 것으로, 슈퍼 커패시터(CSP), 제2 직류/직류 변환기(142), 정전압 제어기(143), 및 동적 브레이크(RDB)를 포함한다. 정전압 제어기(143)는 DC 링크 전압(Vdc)을 DC 링크 전압의 지령치(Vdc')로 일정하게 유지될 수 있도록 제어한다. Referring to the drawings, the constant
이를 위하여 정전압 제어기(143)는 구동 모터(131)를 구동하기 위하여 필요한 구동 전류(Iload)와 슈퍼 커패시터(CSP)의 양단 전압(VSP)을 입력받아, 제2 직류/직류 변환기(142)를 제어한다. 이때, 구동 모터(131)의 구동 전류(Iload)와 슈퍼 커패시터(141)의 양단 전압(VSP)이 전향 보상(feed forward)되어 입력된다. To this end, the
엔진(111) 및 발전기(112)는 순간적인 응답 특성이 크게 떨어지므로 순간적으로 변하는 DC 링크 전압(Vdc)을 일정하게 유지하기 어렵다. 따라서, 본 발명에서는 빠른 동특성과 순간적인 응답 특성이 뛰어난 슈퍼 커패시터(CSP)에 의하여 DC 링크 전압(Vdc)을 일정하게 유지할 수 있도록 제어한다. Since the instantaneous response characteristics of the
이때, 구동 모터(131)의 구동 전류(Iload)와 슈퍼 커패시터(CSP)의 양단 전압(VSP)이 전향 보상(feed forward)되어 입력되도록 함으로써, 제어의 동특성을 크게 개선할 수 있다. 특히, DC 링크 단에 연결되어 있는 4대의 모터가 필요로 하는 전력이 구동 전류(Iload)로 환산되어 전향 보상 입력된다. In this case, the driving current I load of the driving
정전압 제어기(143)는 슈퍼 커패시터(CSP)에 의하여 DC 링크 전압(Vdc)을 제어하기 위한 전압 제어 시스템으로서, PI 제어기에 의하여 제어된다. The
한편, 슈퍼 커패시터(CSP)의 충방전 전류(ISC)에는 전류 리플이 존재할 수 있다. 이때, 전류 리플이 클수록 슈퍼 커패시터(CSP)에 형성되는 등가내부저항을 통해 많은 열이 발생하게 된다. Meanwhile, a current ripple may exist in the charge / discharge current I SC of the super capacitor C SP . At this time, the greater the current ripple, the more heat is generated through the equivalent internal resistance formed in the super capacitor (C SP ).
이러한 전류 리플과 열을 줄이기 위하여, 도 8에 도시된 바와 같은 3상 인버터 모듈을 이용하여 양방향 컨버터를 사용하고, 인터리빙 기법을 이용할 수 있다. 이때, 인터리빙 기법에서는 3상의 인버터 모듈에 의하여 각 상의 스위칭을 120도씩 시프트(shift)하여 전압을 합성한다. In order to reduce such current ripple and heat, it is possible to use a bidirectional converter using a three-phase inverter module as shown in FIG. 8 and use an interleaving technique. At this time, in the interleaving technique, the voltages are synthesized by shifting the switching of each phase by 120 degrees by an inverter module of three phases.
즉, 인터리빙 기법으로 구현된 실제 PWM 파형에서는, 각각의 스위치가 120도씩 시프크되어 순차적으로 ON(Active low)된다. 이 경우, 3상의 인덕터 전류와 3상의 전류를 합한 전체 전류를 보면, 한 상에 의한 경우보다 전류 리플이 현저히 줄어든다. 또한, 그에 따라 슈퍼 커패시터(CSP)의 등가내부저항에 의한 발열히 현저하게 줄어든다. That is, in the actual PWM waveform implemented by the interleaving technique, each switch is shifted by 120 degrees and sequentially turned ON (active low). In this case, looking at the total current in which the three-phase inductor current and the three-phase currents are combined, the current ripple is considerably reduced than in the case of the one phase. In addition, the heat generated by the equivalent internal resistance of the supercapacitor C SP is significantly reduced.
한편, 슈퍼 커패시터(CSP)는 제3 레벨(VSP)의 전압을 충전하고, 충전된 전압을 연결 단자(DC 버스)를 통하여 방출한다. 제2 직류/직류 변환기(142)는 제1 레벨(Vdc)의 전압을 제3 레벨(VSP)의 전압으로 변환하여 충전하거나 또는 제3 레벨(VSP)의 전압을 제1 레벨(Vdc)의 전압으로 변환하여 방전한다. Meanwhile, the super capacitor C SP charges the voltage of the third level V SP and emits the charged voltage through the connection terminal DC bus. The second DC /
즉, 제2 직류/직류 변환기(142)는 제1 레벨(Vdc)의 전압을 제3 레벨(VSP)의 전압으로 변환하여 충전하는 벅 컨버터(buck converter)와 제3 레벨(VSP)의 전압을 제1 레벨(Vdc)의 전압으로 변환하여 방전하는 부스트 컨버터(boost converter)가 일체형으로 되어 있다. That is, the second DC /
제2 직류/직류 변환기(142)로 사용되는 이러한 양방향 컨버터는 도 2 및 도 3의 제1 직류/직류 변환기(122)에도 동일하게 적용될 수 있다. 즉, 배터리(CB)는 제2 레벨(VB)의 전압을 충전하고, 충전된 전압을 연결 단자(DC 버스)를 통하여 방출한다. This bidirectional converter used as the second DC /
제1 직류/직류 변환기(122)는 제1 레벨(Vdc)의 전압을 제2 레벨(VB)의 전압으로 변환하여 충전하거나 또는 제2 레벨(VB)의 전압을 제1 레벨(Vdc)의 전압으로 변환하여 방전한다. 즉, 제1 직류/직류 변환기(122)는 제1 레벨(Vdc)의 전압을 제2 레벨(VB)의 전압으로 변환하여 충전하는 벅 컨버터(buck converter)와 제2 레벨(VB)의 전압을 제1 레벨(Vdc)의 전압으로 변환하여 방전하는 부스트 컨버터(boost converter)가 일체형으로 되어 있다. The first DC /
본 발명에 따른 직렬형 하이브리드 동력장치의 제어장치에 의하면, 빠른 동특성과 순간적인 응답 특성이 뛰어난 슈퍼 커패시터에 의하여 모터 구동부의 입력 단의 DC 링크 전압을 일정하게 유지함으로써, 직렬형 하이브리드 동력장치의 안정적이 구동이 가능하다. According to the control device of the series hybrid power unit according to the present invention, by maintaining a constant DC link voltage of the input terminal of the motor driving unit by a super capacitor having excellent fast dynamic characteristics and instantaneous response characteristics, This drive is possible.
본 발명은 첨부된 도면에 도시된 일 실시예를 참고로 설명되었으나, 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 수 있을 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 보호 범위는 첨부된 청구 범위에 의해서만 정해져야 할 것이다. While the present invention has been particularly shown and described with reference to exemplary embodiments thereof, it is clearly understood that the same is by way of illustration and example only and is not to be taken by way of limitation, You will understand. Accordingly, the true scope of protection of the present invention should be determined only by the appended claims.
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