KR101354287B1 - 전기자동차의 강제 충전 시스템 및 그 방법 - Google Patents

전기자동차의 강제 충전 시스템 및 그 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 전기자동차에 구비된 배터리의 충전률을 체크하여 배터리의 충전률이 미리 설정된 충전률보다 낮은 경우 P/N단 뿐만 아니라 D단에서 전기자동차가 정지상태인 경우 강제로 아이들(IDLE) 충전이 이루어지도록 하여 메인 배터리의 충전량이 많아지도록 하는 전기자동차의 강제 충전 시스템 및 그 방법에 관한 것이다.

Description

전기자동차의 강제 충전 시스템 및 그 방법{Forced charging system for electric vehicles and method thereof}
본 발명은 전기자동차의 강제 충전 시스템 및 그 방법에 관한 것이다.
보다 상세하게는, 전기자동차에 구비된 배터리의 충전률을 체크하여 배터리의 충전률이 미리 설정된 충전률보다 낮은 경우 P/N단 뿐만 아니라 D단에서 전기자동차가 정지상태인 경우 강제로 아이들(IDLE) 충전이 이루어지도록 하여 메인 배터리의 충전량이 많아지도록 하는 전기자동차의 강제 충전 시스템 및 그 방법에 관한 것이다.
일반적으로, 배터리를 에너지원으로 사용하는 순수 전기 자동차와 에너지 버퍼로 사용하는 엔진 하이브리드 전기 자동차 및 연료 전지 하이브리드 전기 자동차에서 배터리는 차량의 품질을 결정하는 주요한 부품중의 하나이다.
따라서, 배터리에 대한 제반적인 상태를 총괄하여 관리하는 배터리 관리 시스템(BMS: Battery Management System)은 배터리 수명의 조기 단축을 방지하고, 통합제어를 수행하는 차량 제어수단에 배터리의 SOC 정보를 알려줌으로써 발전제어와 주행 제어를 지원해 준다.
상기 배터리 관리 시스템(BMS)의 주요기능은 배터리의 SOC 예측과 만충전 감지, 각 셀 모듈간 전압의 균형 유지, 배터리의 SOC에 따른 최대 충전 및 방전 전압의 제어, 안전 관리 및 냉각 제어 등을 수행하며, 배터리의 SOC를 계산하는 방법으로는 충전 및 방전 전류량을 측정하여 현재의 SOC를 계산하는 것이 통상적으로 이용되고 있다.
보통, 하이브리드 전기자동차용 배터리의 SOC를 고려하여 HCU에서 타겟(target)값을 설정하며, 첨부한 도 3의
그래프에 도시된 바와 같이 모터의 충방전을 통하여 실제 SOC가 타겟(목표)값에 추종하도록 제어를 한다.
일반적인 배터리의 SOC에 따른 제어모드는 아래의 표 1에 기재된 바와 같다.

SOC 영역
제어내용

고 SOC
방전 지향, 충전금지

동작 SOC 영역
(~70%)
방전지향, 충전 허용

최적 SOC 영역
(55%~65%)
충방전 제어

동작 SOC 영역
(20%~)
충전지향, 방전 허용

저 SOC 영역
충전지향, 방전 금지
위의 표 1에 기재된 바와 같이, 배터리의 SOC에 따른 배터리 관리 시스템의 제어모드는 고 SOC에서는 방전지향 및 충전금지, 동작 SOC영역(SOC 65~70%)에서는 방전지향 및 충전허용, 최적 SOC영역(SOC 55%~65%)에서는 충/방전 제어, 동작 SOC영역(SOC 20%~55%)에서는 충전지향 및 방전허용, 저 SOC영역(SOC 20% 이하)에서는 충전지향 및 방전금지 등의 제어모드가 진행된다.
상기 표 1에서 알 수 있듯이 배터리가 저 SOC 영역에 있을 때 충전이 지향되고 방전이 금지된다.
그리고 전기자동차가 정지할 경우 강제로 아이들(IDLE) 충전이 이루어지도록 하여 메인 배터리가 충전되도록 하나, HSG(Hybrid Starter Generator)의 충전용량(8.5KW)이 적어 메인 배터리에 많은 양이 충전되지 않는다는 문제점이 있다.
도 1은 종래 기술에 따른 전기자동차에서 배터리의 SOC가 낮아질 때를 설명하기 위한 도면으로서, 엔진(100)에 HSG(110)가 연결되어 있고, 상기 엔진(100)은 엔진 클러치(120)에 의해 메인 모터(140)와 연결되어 있으며, 메인 모터(140)는 변속기(130)에 연결되어 있다.
또한, 상기 메인 모터(140)에는 배터리(160)가 연결되어 있으며, 컨트롤러(150)가 구비되어 상기 배터리(160)의 SOC를 체크하고, 배터리(160)가 강제충전될 수 있도록 전체 구성들을 제어한다.
도 2는 종래 기술에 따른 전기자동차에서 배터리의 SOC가 낮아진 상태에서 전기자동차가 정지했을 때 아이들 충전방식에 따라 메인 배터리를 충전시키기 위한 순서도로서, 먼저 컨트롤러(150)는 메인 배터리(160)의 SOC가 30% 미만인지의 여부를 판단한다(S110).
상기 S100 과정의 판단 결과, 메인 배터리의 SOC가 30% 미만인 경우 컨트롤러(150)는 전기자동차의 차속이 "0"인지를 판단하고, 기어모드가 P단 또는 N단인지의 여부를 판단(S120)하여, 차속이 "0"이고 기어모드가 P단 또는 N단인 경우 엔진(100)을 구동시켜 엔진(100)의 rpm이 2000rpm으로 런닝(running) 되도록 한다. 이때 엔진 클러치(120)는 오프상태로 유지된 상태에서 엔진(100)이 2000rpm으로 회전되도록 하여 HSC 충전이 이루어지도록 한다(S130).
컨트롤러(150)는 HSG(110)에 충전이 이루어지도록 하는 한편, 컨트롤러(150)는 쉬프트 레버가 D단으로 진입하였는지를 판단(S140)한다. 판단 결과 기어모드가 D단으로 진입한 경우 메인 배터리 강제충전모드를 해제(S150)하고 전기자동차가 주행되도록 한다.
이러한 종래 기술은 저 SOC 영역시 HSG만으로 메인 배터리의 충전이 이루어지도록 함으로써 많은 양의 충전이 불가하다는 문제점이 있다.
본 발명은 종래 기술의 문제점을 해소시키기 위해 안출된 것으로, 본 발명은 전기자동차에 구비된 배터리의 충전률을 체크하여 배터리의 충전률이 미리 설정된 충전률보다 낮은 경우 P/N단 뿐만 아니라 D단에서 전기자동차가 정지상태인 경우 강제로 아이들(IDLE) 충전이 이루어지도록 하여 메인 배터리의 충전량이 많아지도록 하는 전기자동차의 강제 충전 시스템 및 그 방법을 제공하는데, 그 목적이 있다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 전기 자동차의 강제 충전 시스템은 엔진, 상기 엔진에 연결되어 스타트 모터 및 발전기의 기능을 수행하는 HSG, 상기 엔진과 엔진 클러치에 의해 연결되어 있는 메인 모터, 상기 메인 모터에 연결되어 있으며, 상기 메인 모터로 구동전류를 공급하고, 상기 메인 모터 정지시 발생되는 회생전류에 의해 충전되는 배터리 및 상기 배터리가 저 SOC 영역에 있는 경우 하이브리드 제어 유닛(HCU)에 N단을 요청한 후 엔진 클러치를 온시켜 HSG 및 메인 모터를 이용하여 배터리를 충전시키고, 충전 중 브레이크가 오프되거나 또는 액셀이 온되는 경우 상기 하이브리드 제어 유닛(HCU)에 N단 요청을 취소한 후 엔진 클러치를 오프시키고 트랜스엑슬 제어 유닛(TCU)에 D단으로의 전환을 요청하는 컨트롤러를 포함한다.
바람직하게는, 상기 엔진 클러치가 오프될 때 엔진 회전수(NE)는 1000rpm이며 상기 메인모터의 rpm은 제로(0)이다.
바람직하게는, 상기 컨트롤러는 상기 배터리가 저 SOC 영역에 있을 경우 운전자가 쉬프트 레버(shift lever)를 D단에 위치시켜도 자동차가 운행 정지상태라면 엔진 클러치를 온시키고 HSG 및 메인 모터를 구동시켜 배터리가 강제 충전되도록 제어한다.
본 발명의 일 실시 예에 따른 전기자동차의 강제 충전 방법은 (1) 배터리가 저 SOC 영역에 있는 경우, 쉬프트 레버를 N단으로 진입시키는 단계, (2) 쉬프트 레버가 N단으로 진입하면, 엔진을 회전시키면서 엔진 클러치를 온시키고 HSG와 메인 모터를 제어하여 배터리를 충전시키는 단계, (3) 상기 충전이 이루어지는 중에 브레이크가 오프되거나 액셀이 온되는지 여부를 판단하는 단계 및 (4) 브레이크가 오프되거나 액셀이 온되면 쉬프트 레버를 D단으로 변경시키는 단계를 포함한다.
바람직하게는 상기 배터리가 저 SOC 영역에 있는 동안, 운전자에 의해 쉬프트 레버(shift lever)가 D단으로 변경되었는지를 판단하는 단계, 쉬프트 레버가 D단으로 변경시 자동차가 운행 정지상태인지를 판단하는 단계 및 자동차 운행 정지상태이면, 엔진 클러치를 온시키고 HSG 및 메인 모터를 구동시켜 배터리가 강제 충전되도록 하는 단계를 더 포함한다.
바람직하게는, 상기 (4) 단계에서 엔진 클러치는 오픈되고 엔진 회전수(NE)는 1000rpm로 회전되도록 한다.
바람직하게는, 상기 배터리는 HSG(210)에 의해 8.5KW가 충전되고 메인 모터(260)에 의해 30KW가 충전된다.
바람직하게는, 상기 (4) 단계에서 쉬프트 레버가 D단으로 변경된 후 엔진 회전수(NE)가 1000rpm으로 회전되고, 엔진 클러치가 오프(오픈)로 전환되면 전기자동차는 주행모드로 전환된다.
본 발명은 전기자동차에 구비된 배터리의 충전률을 체크하여 배터리의 충전률이 미리 설정된 충전률보다 낮은 경우 P/N단 뿐만 아니라 D단에서 전기자동차가 정지상태인 경우 강제로 아이들(IDLE) 충전이 이루어지도록 하여 메인 배터리의 충전량이 많아지도록 하여, 전기자동차의 주행 기간이 길어지고 연비에 도움이 되는 효과가 있다.
도 1은 종래 기술에 따른 전기자동차에서 배터리의 SOC가 낮아질 때를 설명하기 위한 도면.
도 2는 종래 기술에 따른 전기자동차에서 배터리의 SOC가 낮아진 상태에서 전기자동차가 정지했을 때 아이들 충전방식에 따라 메인 배터리를 충전시키기 위한 순서도.
도 3은 본 발명에 따른 전기자동차에서 배터리의 SOC가 낮아질 때를 설명하기 위한 도면.
도 4는 본 발명에 따른 전기자동차에서 배터리의 SOC가 낮아진 상태에서 전기자동차가 정지했을 때 아이들 충전방식에 따라 메인 배터리를 충전시키기 위한 순서도.
도 5는 본 발명에 적용되는 제어 신호 파형도.
이하, 본 발명에 따른 전기자동차의 강제 충전 시스템에 대하여 설명하면 다음과 같다.
본 발명에 따른 전기자동차의 강제 충전 시스템의 구성에 대해서 설명하면 다음과 같다.
도 3에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 전기자동차의 강제 충전 시스템의 하드웨어적인 구성은 도 1에 도시된 종래 기술의 구성과 동일하게 보이나, 본 발명에 적용된 컨트롤러(250) 내에 탑재된 강제충전모드의 알고리즘이 변경되었다. 즉, 엔진(200)과, 상기 엔진(200)에 연결되어 스타트 모터 및 발전기의 기능을 수행하는 HSG(210)와, 상기 엔진(200)과 엔진 클러치(220)에 의해 연결되어 있는 메인 모터(240)와, 상기 메인 모터(240)에 연결되어 있으며, 상기 메인 모터(240)로 구동전류를 공급하고, 상기 메인 모터(240) 정지시 발생되는 회생전류에 의해 충전되는배터리(260)와, 상기 배터리(260)의 SOC를 체크하여 저 SOC 영역(충전율 30% 미만)에 있는 경우 하이브리드 제어 유닛(HCU)에 N단을 요청하고, 트랜스액슬 제어 유닛(TCU)이 N단으로 진입하면 엔진(200)을 회전시키고 엔진 클러치(220)를 온시켜 HSG(210) 및 메인 모터(240)를 이용하여 배터리(260)가 충전되도록 하고, 운전자에 의해 브레이크가 오프되거나 또는 액셀이 온되는 경우 하이브리드 제어 유닛(HCU)은 N단 요청을 취소하고 엔진 클러치(220)가 오픈되도록 하고 트랜스엑슬 제어 유닛(TCU)이 D단으로 전환할 수 있도록 제어하는 컨트롤러(250)로 구성된다.
상기 메인 모터(240)는 변속기(230)에 연결되어 있다.
엔진 클러치(220)가 오프될 때 엔진 회전수(NE)는 1000rpm이며 메인모터(240)의 rpm은 제로(0)이다.
상기 컨트롤러(250)는 상기 배터리(240)가 저 SOC 영역에 있을 경우 운전자가 쉬프트 레버(shift lever)를 D단에 위치하여도 자동차가 운행 정지상태라면 엔진 클러치(220)를 온시키고 HSG(210) 및 메인 모터(240)를 구동시켜 배터리(260)가 강제 충전되도록 한다.
도 4는 본 발명에 따른 전기자동차에서 배터리의 SOC가 낮아진 상태에서 전기자동차가 정지했을 때 아이들 충전방식에 따라 메인 배터리를 충전시키기 위한 순서도이고, 도 5는 제어신호 파형도로서, 먼저 컨트롤러(250)는 메인 배터리(260)의 SOC가 30% 미만인지의 여부를 판단한다(S210).
상기 S200 과정의 판단 결과, 메인 배터리(260)의 SOC가 30% 미만인 경우 컨트롤러(250)는 하이브리드 제어 유닛(HCU)에 쉬프트 레버가 N단에 위치되도록 요청한다(S220).
그러면 상기 하이브리드 제어 유닛(HCU)이 트랜스액슬 제어 유닛(TCU)을 제어하여 쉬프트 레버가 N단으로 진입되도록 한다(S230).
쉬프트 레버가 N단으로 진입하면 컨트롤러(250)는 엔진(210)이 2000rpm으로 회전되도록 하는 한편 엔진 클러치(220)를 온(S240)시키고, HSG(210)와 메인 모터(240)를 제어하여 배터리(260)에 충전이 이루어지도록 한다(S250).
이때, 컨트롤러(250)는 운전자에 의해 브레이크가 오프되거나 액셀이 온되는지를 판단한다(S260).
판단 결과 브레이크가 오프되거나 액셀이 온된 경우 컨트롤러(250)는 하이브리드 제어 유닛(HCU)으로 N단 요청 취소명령을 내리고, 하이브리드 제어 유닛(HCU)은 트랜스액슬 제어 유닛(TCU)을 제어하여 쉬프트 레버가 D단으로 변경되도록 제어한다(S270).
이때 상기 S270 단계에서 N단 요청 취소 명령이 내려지면 엔진 클러치(220)는 오픈되고 NE는 1000rpm으로 회전한다.
상기 컨트롤러(250)는 상기 배터리(240)가 저 SOC 영역에 있을 경우 운전자가 쉬프트 레버(shift lever)를 D단에 위치하여도 자동차가 운행 정지상태라면 엔진 클러치(220)를 온시키고 HSG(210) 및 메인 모터(240)를 구동시켜 배터리(260)가 강제 충전되도록 한다.
이때 HSG(210)에 의해 8.5KW가 충전되고 메인 모터(260)에 의해 30KW가 충전된다.
쉬프트 레버가 D단으로 진입하고 NE는 1000rpm으로 회전되고, 엔진 클러치(220)가 오프(오픈)로 전환되면 전기자동차는 주행모드로 전환된다.
이상, 본 발명의 바람직한 실시 예에 대하여 상세히 기술하였지만, 본 발명이 속하는 기술분야에 있어서 통상의 지식을 가진 사람이라면, 첨부된 청구 범위에 정의된 본 발명의 정신 및 범위를 벗어나지 않으면서 본 발명을 여러 가지로 변형 또는, 변경하여 실시할 수 있을 것이지만, 이는 첨부된 청구항에서 포함되는 본 발명의 취지와 범위에 포함된다.
200 : 엔진 210 : HSG
220 : 엔진 클러치 230 : 변속기
240 : 메인 모터 250 : 컨트롤러
260 : 배터리 HCU : 하이브리드 제어 유닛
TCU : 트랜스액슬 제어 유닛

Claims (8)

  1. 엔진;
    상기 엔진에 연결되어 스타트 모터 및 발전기의 기능을 수행하는 HSG;
    상기 엔진과 엔진 클러치에 의해 연결되어 있는 메인 모터;
    상기 메인 모터에 연결되어 있으며, 상기 메인 모터로 구동전류를 공급하고, 상기 메인 모터 정지시 발생되는 회생전류에 의해 충전되는 배터리; 및
    상기 배터리가 저 SOC 영역에 있는 경우 하이브리드 제어 유닛(HCU)에 N단을 요청한 후 엔진 클러치를 온시켜 HSG 및 메인 모터를 이용하여 배터리를 충전시키고, 충전 중 브레이크가 오프되거나 또는 액셀이 온되는 경우 상기 하이브리드 제어 유닛(HCU)에 N단 요청을 취소한 후 엔진 클러치를 오프시키고 트랜스엑슬 제어 유닛(TCU)에 D단으로의 전환을 요청하는 컨트롤러를 포함하고,
    상기 컨트롤러는 상기 배터리가 저 SOC영역에 있을 경우 운전자가 쉬프트 레버(Shift Lever)를 D단에 위치시켜도 자동차가 운행 정지상태라면 엔진 클러치를 온시키고 HSG 및 메인 모터를 구동시켜 배터리가 강제 충전되도록 제어하는 것을 특징으로 하는 하이브리드 전기자동차의 강제 충전 시스템.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 엔진 클러치가 오프될 때 엔진 회전수(NE)는 1000rpm이며 상기 메인모터의 rpm은 제로(0)인 것을 특징으로 하는 하이브리드 전기자동차의 강제 충전 시스템.
  3. 삭제
  4. (1) 배터리가 저 SOC 영역에 있는 경우, 쉬프트 레버를 N단으로 진입시키거나, 상기 배터리가 저 SOC 영역에 있는 동안, 운전자에 의해 쉬프트 레버가 D단으로 변경되고 상기 D단 변경 시 자동차가 운행 정지상태임이 확인되면 엔진클러치를 온시키고, HSG와 메인모터를 구동시켜 상기 배터리를 강제 충전시키는 단계;
    (2) 쉬프트 레버가 N단으로 진입하면, 엔진을 회전시키면서 엔진 클러치를 온시키고, HSG와 메인 모터를 제어하여 배터리를 충전시키는 단계;
    (3) 상기 충전이 이루어지는 중에 브레이크가 오프되거나 액셀이 온되는지 여부를 판단하는 단계; 및
    (4) 브레이크가 오프되거나 액셀이 온되면 쉬프트 레버를 D단으로 변경시키는 단계를 포함하는 하이브리드 전기자동차의 강제 충전 방법.
  5. 삭제
  6. 제 4 항에 있어서,
    상기 (4) 단계에서 엔진 클러치는 오픈되고 엔진 회전수(NE)는 1000rpm로 회전되도록 하는 것을 특징으로 하는 하이브리드 전기자동차의 강제 충전 방법.
  7. 제 4 항에 있어서,
    상기 배터리는 HSG에 의해 8.5KW가 충전되고 메인 모터에 의해 30KW가 충전되는 것을 특징으로 하는 하이브리드 전기자동차의 강제 충전 방법.
  8. 제 4 항에 있어서,
    상기 (4) 단계에서 쉬프트 레버가 D단으로 변경된 후 엔진 회전수(NE)가 1000rpm으로 회전하고 엔진 클러치가 오프(오픈)로 전환되면 하이브리드 전기자동차는 주행모드로 전환되는 것을 특징으로 하는 하이브리드 전기자동차의 강제 충전 방법.
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