KR101500080B1 - 친환경 자동차의 회생 제동시 저전압 직류변환장치의 출력 제어 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 저전압 직류변환장치(LDC)의 출력 제어 방법에 관한 것으로서, 하이브리드 자동차(HEV) 및 전기자동차(EV)와 같은 친환경 자동차의 회생 제동시에 고전압 배터리(메인 배터리)의 충전량이 증대될 수 있도록 12V 보조 배터리(저전압 배터리)의 불필요한 충전을 방지하여 차량의 연비를 개선할 수 있는 방법을 제공하는데 주된 목적이 있는 것이다. 상기한 목적을 달성하기 위해, 본 발명은, 고전압 배터리의 SOC(State of Charge)를 모니터링하여 차량의 회생 제동시 고전압 배터리의 SOC에 상응하는 전압 출력이 이루어지도록 상기 저전압 직류변환장치의 출력 전압을 고전압 배터리의 SOC에 따라 가변 제어하고, 상기 가변 제어 과정에서 고전압 배터리의 SOC가 미리 설정된 임계치 이상일 경우에만 보조 배터리의 충전이 이루어지는 전압 출력 상태가 되도록 저전압 직류변환장치의 출력 전압을 제어하는 것을 특징으로 하는 친환경 자동차의 회생 제동시 저전압 직류변환장치의 출력 제어 방법을 제공한다.

Description

친환경 자동차의 회생 제동시 저전압 직류변환장치의 출력 제어 방법{Method for controlling LDC in regenerative braking of eco-friendly vehicle}

본 발명은 저전압 직류변환장치의 출력 제어 방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 하이브리드 자동차(HEV) 및 전기자동차(EV)와 같은 친환경 자동차의 회생 제동시에 고전압 배터리(메인 배터리)의 충전량이 증대될 수 있도록 12V 보조 배터리(저전압 배터리)의 불필요한 충전을 방지하여 차량의 연비를 개선할 수 있는 방법에 관한 것이다.

오늘날 가솔린이나 디젤 등과 같은 화석연료를 연료로 사용하는 일반 내연기관 자동차는 배기가스로 인한 환경오염, 이산화탄소로 인한 지구온난화, 오존 생성 등으로 인한 호흡기 질환 유발 등의 문제점을 가지고 있다.

그리고, 지구상에 존재하는 화석연료는 그 양이 한정되어 있기 때문에 언젠가는 고갈될 수 있는 것이 현실이다.

상기한 문제점을 해결하기 위해 전기모터를 구동시켜 주행하는 순수 전기자동차(Electric Vehicle, EV)나, 엔진과 전기모터로 주행하는 하이브리드 자동차(Hybrid Electric Vehicle, HEV), 연료전지에서 생성되는 전력으로 전기모터를 구동시켜 주행하는 연료전지 자동차(Fuel Cell Electric Vehicle, FCEV) 등의 친환경 자동차가 개발되어 왔다.

상기한 친환경 자동차는 환경문제와 자원고갈의 문제를 최소화할 수 있는 저공해 차량, 또는 이들 문제를 완전히 해결할 수 있는 무공해 차량으로, 도 1에 나타낸 바와 같이 차량을 구동시키기 위한 전기모터(구동모터)(10)와 더불어, 전기모터(10)에 전력을 공급하는 축전수단인 고전압 배터리(메인 배터리)(20)를 포함하며, 또한 전기모터(10)를 회전시키기 위한 인버터(11)가 구비된다.

연료전지 자동차의 경우 배터리와 같은 축전수단이 주동력원인 연료전지(미도시)와 병렬로 연결되는 보조동력원으로 사용되며, 보조동력원으로 배터리 외에 수퍼캡(supercapacitor)이 구비된 연료전지 하이브리드 시스템도 개발되고 있다.

상기 인버터(11)는 제어기에서 인가되는 제어신호에 따라 축전수단(또는 연료전지)에서 공급되는 전원을 상 변환시켜 전기모터(이하, '구동모터'라 칭함)(10)를 구동시키게 된다.

그 밖에 친환경 자동차에는 전력변환장치가 탑재되는데, 그 예로 고전압 배터리(메인 배터리)와 저전압 배터리(12V 보조 배터리) 및 저전압 보조 전장부하(Aux. Load) 간의 직류-직류(DC-DC) 전력 변환을 위한 저전압 직류변환장치(Low Voltage DC-DC Converter, LDC)(30)가 탑재되고 있다.

이에 따라, 하이브리드 자동차(HEV) 및 전기자동차(EV) 등의 친환경 자동차에서는 고전압 주전원으로 사용되는 고전압 배터리(20)와 12V 전원으로 사용되는 일반 차량용 12V 보조 배터리(저전압 배터리)(40)의 2가지 배터리를 병행하여 사용하되, 고전압 배터리(20)는 차량 구동계(구동모터)나 에어컨, 히터 등의 특수 전원을 공급하고, 12V 보조 배터리(40)는 일반 차량의 시스템과 마찬가지로 차량의 저전압 전장부하(41)에 전원을 공급한다.

또한 친환경 자동차에서는 12V 전원으로 보조 배터리(40)를 사용하되, 보조 배터리(40)의 전원이 부족한 경우 저전압 직류변환장치(30)를 사용하여 보조 배터리를 충전시키고 있다.

한편, 저전압 직류변환장치(이하, 'LDC'라 칭함)(30)는 도 1에 나타낸 바와 같이 차량 배터리인 고전압 배터리(20)와 저전압 배터리(40) 사이에 직결되어 있고, 더불어 인버터(11)를 통해 구동모터(10)와 연결되어 있다.

또한 종래의 친환경 자동차에서 회생 제동시에는 LDC(30)의 출력 전압을 조절하기 위한 레퍼런스 전압(Vref)을 일반 주행시보다 높여 구동모터(10)의 회생제동 에너지에 의해 12V 보조 배터리(40)의 충전이 이루어지도록 하고 있다.

즉, 일반 주행시에는 LDC(30)의 레퍼런스 전압에 따라 12V 보조 전장부하의 작동에 필요한 전력을 충당하는 것이 가능하고, 회생 제동시에는 LDC(30)의 레퍼런스 전압을 일반 주행시보다 높여 구동모터(10)로부터 회수되는 에너지를 이용해 12V 보조 배터리(40)를 충전하는 제어가 수행된다.

이와 같이 12V 보조 배터리(40)의 충전 여부는 LDC(30)의 전압 출력에 따라 결정되는데, 도 2는 LDC(30)의 출력 전압을 낮게 하여(예, LDC 출력 전압 13.9V) 12V 보조 배터리(40)의 충/방전이 일어나지 않는 상태를 나타내고, 도 3은 회생 제동시에 LDC(30)의 출력 전압(예, LDC 출력 전압 14.7V)을 높여 12V 보조 배터리(40)의 충전이 이루어지는 상태를 나타내고 있다.

도 2 및 도 3에서 A는 구동모터(10)에 의한 회생제동 에너지를 나타내고, B와 B*는 고전압 배터리(20)의 충전 파워를 나타낸다.

또한 C와 C*는 LDC(30)의 소모 파워를, D는 보조 전장부하(41)의 소모 파워를, E*는 12V 보조 배터리(40)의 충전 파워(E* = C* - D)를 나타낸다.

도 3의 상태는 도 2의 상태에 비해 LDC(30)의 출력 전압을 높인 상태이며, 이때 파워 관계는 B* < B, C* > C가 된다.

도 2 및 도 3에서와 같이 종래의 경우 차량의 회생 제동시에 LDC(30)의 레퍼런스 전압을 일반 주행시보다 높게 하여 12V 보조 배터리(40)를 충전하는데, LDC(30)의 레퍼런스 전압을 높게 하면 일반 주행시보다 LDC(30)의 출력 파워가 높아지고, 보조 전장부하(41)의 소모 파워(D)를 충당하고 남은 에너지(E*) 만큼이 12V 보조 배터리(40)를 충전하는데 사용된다.

즉, LDC 출력 전압을 12V 보조 배터리의 충/방전이 일어나지 않는 전압 레벨로 낮게 해줄 경우 도 2에서와 같이 보조 배터리(40)의 충전 없이 LDC(30)의 출력 파워(D)가 보조 전장부하의 작동에 모두 사용되고, LDC 출력 전압을 12V 보조 배터리의 충전이 일어나는 전압 레벨로 높게 해줄 경우 LDC(30)의 출력 파워가 보조 전장부하(41)의 작동에 사용되면서 그 나머지 에너지(E*)가 12V 보조 배터리(40)를 충전하는데 사용된다.

이 경우, 구동모터(10)의 회생제동 에너지(A)가 동일하다고 가정할 때, 고전압 배터리(20)로 충전되는 에너지는 줄어들게 된다.

구동모터(10)로부터 동일 전류의 흐름이 발생하는 상태에서 LDC(30)의 출력 전압을 높일 경우 LDC가 소모하는 파워(C*)가 커지는 것이며, 12V 보조 배터리(40)의 잔존 전류 용량(SOC:State of Charge)이 안정 범위에 있는 상황에서 불필요하게 LDC(30)의 출력 전압을 높여 12V 보조 배터리(40)를 충전하는 것보다는 고전압 배터리(20)로의 충전을 유도하여 차량 동력에 사용하는 것이 차량 연비 측면에서 유리하다.

종래의 경우 고전압 배터리(20)에 대한 잔존 전류 용량(SOC:State of Charge)을 고려하지 않으므로 오히려 12V 보조 배터리(40)의 불필요한 충전에 회생제동 에너지를 사용하게 되고, 이로 인해 오히려 차량 연비의 저하가 발생할 수 있는 문제가 있다.

따라서, 본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 창출한 것으로서, 하이브리드 자동차(HEV) 및 전기자동차(EV)와 같은 친환경 자동차의 회생 제동시에 고전압 배터리(메인 배터리)의 충전량이 증대될 수 있도록 12V 보조 배터리(저전압 배터리)의 불필요한 충전을 방지하여 차량의 연비를 개선할 수 있는 저전압 직류변환장치(LDC)의 출력 제어 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.

상기한 목적을 달성하기 위해, 본 발명은, 구동모터의 구동 전력을 공급하는 고전압 배터리와, 상기 구동모터를 구동시키기 위한 인버터와, 차량의 보조 전장부하 및 상기 보조 전장부하의 구동 전력을 공급하기 위한 보조 배터리 사이에 연결된 저전압 직류변환장치의 출력 제어 방법에 있어서,

상기 고전압 배터리의 SOC(State of Charge)를 모니터링하여 차량의 회생 제동시 고전압 배터리의 SOC에 상응하는 전압 출력이 이루어지도록 상기 저전압 직류변환장치의 출력 전압을 고전압 배터리의 SOC에 따라 가변 제어하고,

상기 가변 제어 과정에서 고전압 배터리의 SOC가 미리 설정된 임계치 이상일 경우에만 보조 배터리의 충전이 이루어지는 전압 출력 상태가 되도록 저전압 직류변환장치의 출력 전압을 제어하는 것을 특징으로 하는 친환경 자동차의 회생 제동시 저전압 직류변환장치의 출력 제어 방법을 제공한다.

이에 따라, 본 발명의 제어 방법에 의하면, 차량의 회생 제동시에 고전압 배터리(메인 배터리)의 충전량이 증대될 수 있도록 고전압 배터리의 SOC 상태에 따른 저전압 직류변환장치(LDC)의 출력 제어가 이루어지도록 함으로써 12V 보조 배터리(저전압 배터리)의 불필요한 충전을 방지하여 차량의 연비를 개선할 수 있는 효과가 있다.

도 1은 구동모터, 고전압 배터리, 저전압 직류변환장치, 12V 보조 배터리 및 보조 전장부하의 연결 관계를 나타내는 개략도이다.
도 2와 도 3은 저전압 직류변환장치의 출력 전압 상태에 따라 달라지는 에너지 흐름 경로를 비교하여 나타낸 도면이다.
도 4는 본 발명에서 고전압 배터리의 SOC에 따른 저전압 직류변환장치의 출력 전압 지령을 나타내는 도면이다.
도 5는 본 발명에 따른 저전압 직류변환장치의 출력 제어에 대한 구체적인 예를 나타내는 도면이다.
도 6은 본 발명의 실시예로서 고전압 배터리의 가용 영역을 보다 세부적으로 구분하여 LDC의 출력 전압 지령을 달리하는 예를 나타내는 도면이다.
도 7은 본 발명에서 12V 보조 배터리의 보호를 위한 제어 조건을 추가한 실시예를 나타내는 도면이다.
도 8은 본 발명에 따른 전체적인 제어 과정을 나타내는 순서도이다.

이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 대해 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명하기로 한다.

본 발명은 저전압 직류변환장치의 출력 제어 방법에 관한 것으로서, 하이브리드 자동차(HEV) 및 전기자동차(EV)와 같은 친환경 자동차의 회생 제동시에 고전압 배터리(메인 배터리)의 충전량을 증가시키고 12V 보조 배터리(저전압 배터리)의 불필요한 충전이 방지될 수 있도록 고전압 배터리의 잔존 용량 상태(SOC)를 반영하여 저전압 직류변환장치(LDC)의 출력을 제어하는 점에 주된 특징이 있는 것이다.

도 4는 본 발명에서 고전압 배터리의 잔존 용량(충전 상태)(이하, 'SOC'라 칭함)에 따른 저전압 직류변환장치의 출력 전압 지령을 나타내는 도면이다.

주지된 바와 같이, 하이브리드 자동차(HEV) 및 전기자동차(EV)와 같은 친환경 자동차에는 배터리의 상태를 감시하는 배터리 제어기(BMS:Battery Management System)가 탑재된다.

상기 배터리 제어기는 배터리의 온도, 전압, 충/방전 전류, 배터리 SOC(State Of Charge) 등의 각종 배터리 상태 정보를 수집하고, 수집되는 배터리 상태 정보를 차량 내 타 제어기에 제공하여 제어 변수로 활용할 수 있도록 한다.

이와 더불어, 저전압 직류변환장치(이하, 'LDC'라 칭함)의 출력을 제어하는 제어기(LDC 제어기)가 구비되며, 이는 HCU(Hybrid Control Unit)와 같은 상위 제어기로부터 저전압 직류변환장치의 출력 전압을 제어하기 위한 제어신호(LDC 출력 전압 지령)를 CAN 통신 등을 통해 전달받아 제어신호에 기초하여 LDC의 출력 전압을 제어하게 된다.

이에 상기한 제어기들의 협조 제어하에 본 발명의 제어 과정이 수행될 수 있으며, 따라서 본 발명을 수행하는 제어 장치의 구성은 HCU와 같은 상위 제어기가 배터리 제어기로부터 배터리 SOC 정보를 수신하면 배터리 SOC에 따라 LDC 출력 전압 지령을 결정하여 출력하고, 상위 제어기로부터 LDC 출력 전압 지령을 수신한 LDC 제어기가 LDC 출력 전압 지령에 기초하여 LDC의 출력 전압을 제어하는 구성이 될 수 있다.

하지만, 본 발명의 제어 과정에서 각 제어 단계의 제어 주체는 다양하게 변경 가능하고, 본 발명이 상기한 예에 의해 한정되는 것은 아니다.

본 발명에서는 차량의 연비 향상을 위해 고전압 배터리의 SOC를 모니터링하여 회생 제동시 고전압 배터리의 SOC를 참조하여 LDC의 출력 전압을 결정하는바, 고전압 배터리의 SOC에 따른 LDC의 출력 전압 가변 제어가 수행된다.

이때, 차량의 회생 제동시 LDC 출력 전압 지령과 고전압 배터리의 SOC 간 관계는 도 4와 같이 나타낼 수 있다.

즉, 고전압 배터리의 SOC가 미리 설정된 수준 이상으로 높은 구간에서는 LDC의 출력 전압 지령을 높여 12V 보조 배터리의 충전이 이루어지도록 하고(이때 고전압 배터리의 충전량은 감소함), 고전압 배터리의 SOC가 설정된 수준보다 낮은 구간에서는 LDC의 출력 전압 지령을 낮추어 12V 보조 배터리의 방전을 유도함과 동시에 회생제동 에너지를 차량 구동에 사용될 수 있도록(주행시 구동모터의 전력으로 사용될 수 있게) 고전압 배터리에 저장하여 차량의 연비 향상을 도모하게 된다.

도 4를 참조하면, LDC 출력 전압(출력 전압 지령)을 12V 보조 배터리의 충/방전이 일어나지 않는 전압 기준값보다 낮출 경우 12V 보조 배터리의 방전이 이루어지고, 전압 기준값보다 높일 경우 12V 보조 배터리의 충전이 이루어짐을 나타내고 있다.

여기서, 전압 기준값은 차량의 12V 보조 전장부하가 소모하는 파워 값에 따라 결정되는 값으로, 많은 보조 전장부하가 작동할수록, 즉 보조 전장부하의 소모 파워가 클수록 전압 기준값은 높은 값으로 결정된다.

즉, 상기 전압 기준값은 12V 보조 전장부하의 소모 파워에 따라 가변될 수 있도록 소모 파워에 따른 값으로 미리 설정되는 것이며, 이때 소모 파워가 클수록 전압 기준값이 높은 값으로 설정된다.

이에 따라, LDC 출력 전압 지령을 결정하는 상위 제어기가 고전압 배터리의 SOC를 모니터링하고, 상기 상위 제어기가 고전압 배터리의 SOC를 참조하여 LDC 출력 전압 지령을 결정하여 출력하되, 고전압 배터리의 SOC가 설정값(하기 제3임계치) 이상의 높은 구간에서만 12V 보조 배터리의 충전이 이루어지도록, 상기 설정값 이상의 구간에서 LDC 출력 전압 지령을 보조 전장부하의 소모 파워로부터 결정된 전압 기준값보다 높은 값으로 출력하게 된다.

이로써, LDC 제어기가 상위 제어기의 출력 전압 지령에 따라 LDC의 출력 전압을 제어하게 되어 12V 보조 배터리의 충전이 이루어지며, 결국 12V 보조 배터리의 충전이 고전압 배터리의 SOC가 설정값 이상의 높은 구간에서만 이루어질 수 있게 된다.

이는 고전압 배터리의 SOC가 낮은 저 SOC 영역에서는 12V 보조 배터리의 불필요한 충전이 방지됨을 의미하는 것으로, 이를 통해 더욱 많은 양의 회생제동 에너지가 고전압 배터리에 충전될 수 있게 되면서 차량의 연비가 향상될 수 있게 된다.

도 5는 본 발명에 따른 LDC 출력 제어의 구체적인 예를 나타내는 도면으로, 고전압 배터리의 SOC에 따른 LDC 출력 전압 지령의 개략적인 상태를 예시한 상세도이다.

도시된 바와 같이, SOC를 기준으로 고전압 배터리의 가용 영역이 미리 설정되어 있으며, 이때 고전압 배터리의 가용 영역에서는 회생 제동시 고전압 배터리의 충전량 증대를 위해 LDC의 출력 전압 지령을 12V 보조 배터리의 충/방전이 일어나지 않는 전압 기준값 부근으로 결정한다.

또한 고전압 배터리의 가용 영역 경계 부근에서, 고전압 배터리의 SOC가 고전압 배터리의 충전이 불가할 정도로 높은 경우(고전압 배터리의 충전이 금지되는 과충전 방지 구간인 경우)에는 12V 보조 배터리의 충전량을 늘리기 위해 LDC의 출력 전압 지령을 높이고, 고전압 배터리의 SOC가 낮은 경우에는 고전압 배터리의 과방전 방지를 위해 LDC 출력 전압 지령을 낮추어 12V 보조 배터리의 방전을 유도한다.

이에 본 발명의 제어 방법에 따르면, 보다 많은 양의 회생제동 에너지가 차량의 구동력에 사용될 수 있도록 고전압 배터리에 저장될 수 있으므로 차량의 연비 향상이 가능해진다.

본 발명의 제어 방법에서 보조 배터리의 충/방전이 이루어질 때 LDC의 출력 전압은 기본적으로 고전압 배터리의 SOC 값이 높을수록 높게 제어되는데, 이러한 LDC 출력 전압의 기울기, 즉 도 5(및 도 6)에서 고전압 배터리의 SOC에 따른 LDC 출력 전압 지령의 기울기는 도시된 예로 한정되지 않고 다양하게 변경될 수 있다.

도 6은 상기한 실시예에서 고전압 배터리의 가용 영역을 보다 세부적으로 구분하여 LDC의 출력 전압 지령을 달리하는 예를 나타내는 도면으로, 고전압 배터리의 SOC에 따라 LDC의 출력 전압을 세분화하여 다양하게 제어하는 예를 나타내고 있다.

도 6을 참조하면, 고전압 배터리의 가용 영역을 여러 단계(예를 들면, 후술하는 바와 같이 5단계)로 나누어 LDC의 출력 전압을 보다 세분화된 조건에 따라 제어하는 실시예를 볼 수 있다.

예시된 바와 같이, 고전압 배터리의 가용 영역을 총 5개의 구간으로 구분하여 각 구간별로 LDC의 출력 전압을 제어하는 로직이 구성될 수 있으며, 여기서 고전압 배터리의 SOC에 따라 배터리 가용 영역 내에 구분되는 구간의 수는 상기한 5개의 구간은 포함하면서, 이에 더하여 추가적인 구간을 둘 수 있는 등 적절히 변경 가능하다.

먼저, 고전압 배터리의 가용 영역을 총 5개의 구간으로 구분하기 위해 고전압 배터리의 SOC에 따라 가용 영역이 구분될 수 있도록 설정되는 SOC 상한치와 SOC 하한치에 더하여, 고전압 배터리의 SOC를 기준으로 상기 SOC 하한치와 함께 고전압 배터리의 과방전 방지 SOC 구간을 구분하기 위한 제1임계치, 상기 제1임계치와 함께 12V 보조 배터리의 방전이 이루어지는 저 SOC 구간을 구분하기 위한 제2임계치, 상기 제2임계치와 함께 12V 보조 배터리의 충/방전이 이루어지지 않는 정상 SOC 구간을 구분하기 위한 제3임계치, 상기 제3임계치와 함께 12V 보조 배터리의 충전이 이루어지는 고 SOC 구간을 구분하기 위한 제4임계치가 미리 설정된다(여기서, 제1임계치<제2임계치<제3임계치<제4임계치임).

여기서, SOC 하한치와 제1임계치 사이의 구간은 12V 보조 배터리의 방전이 이루어지면서 고전압 배터리의 방전은 금지되는 고전압 배터리 과방전 방지 구간으로 설정된다.

또한 제4임계치와 SOC 상한치 사이의 구간은 12V 보조 배터리의 충전이 이루어지면서 고전압 배터리의 충전은 금지되는 고전압 배터리 과충전 방지 구간으로 설정된다.

도 6에서 고전압 배터리의 과방전 방지를 위한 SOC 구간은 영역 ①로 나타내었으며, 제1임계치에서 제2임계치까지의 SOC 구간은 영역 ②로 나타내었다.

그리고, 제2임계치에서 제3임계치까지의 SOC 구간은 영역 ③으로, 제3임계치에서 제4임계치까지의 SOC 구간은 영역 ④로, 제4임계치에서 고전압 배터리의 가용 영역 SOC 상한치까지의 구간은 영역 ⑤로 나타내었다.

먼저, 영역 ①(SOC 하한치와 제1임계치 사이의 SOC 구간)과 영역 ②(제1임계치와 제2임계치 사이의 SOC 구간)에서는 LDC 출력 전압 지령을 상기한 전압 기준값보다 낮게 하여 12V 보조 배터리의 방전이 이루어지도록 한다(LDC의 출력 전압을 전압 기준값보다 낮게 함).

이때, 영역 ①과 영역 ②에서 LDC 출력 전압 지령은 고전압 배터리의 SOC 값이 높은 값일 수록 높은 지령값으로 설정되며, 현재의 SOC가 영역 ①과 영역 ② 내 SOC 값에 해당할 경우 LDC 출력 전압 지령은 상기한 전압 기준값보다 낮게 결정되므로, 12V 보조 배터리의 방전이 이루어질 수 있다.

영역 ①에서 고전압 배터리의 가용 영역 SOC 하한치에 상응하는 LDC 출력 전압 지령은 LDC 최소 출력 전압 지령값이 되며, 이는 보조 전장부하의 작동을 고려한 시스템 최소 한계치로 설정된다.

반면, 제2임계치와 제3임계치 사이의 SOC 구간, 즉 영역 ③에서는 LDC 출력 전압 지령을 상기한 전압 기준값으로 결정하여 12V 보조 배터리의 충/방전이 이루어지지 않도록 한다.

또한 영역 ④(제3임계치와 제4임계치 사이의 SOC 구간)와 영역 ⑤(제4임계치와 SOC 상한치 사이의 SOC 구간)에서는 LDC 출력 전압 지령을 상기한 전압 기준값보다 높게 하여 12V 보조 배터리의 충전이 이루어지도록 한다(LDC의 출력 전압을 전압 기준값보다 높게 함).

이때, 영역 ④과 영역 ⑤에서 LDC 출력 전압 지령은 고전압 배터리의 SOC 값이 높은 값일 수록 높은 지령값으로 설정되며, 현재의 SOC가 영역 ④과 영역 ⑤ 내 SOC 값에 해당할 경우 LDC 출력 전압 지령은 상기한 전압 기준값보다 높게 설정되므로, 12V 보조 배터리의 충전이 이루어질 수 있다.

영역 ⑤에서 고전압 배터리의 가용 영역 SOC 상한치에 상응하는 LDC 출력 전압 지령은 LDC 최대 출력 전압 지령값이 되며, 이는 보조 전장부하의 작동을 고려한 시스템 최대 한계치로 설정된다.

상기한 영역 ①은 매우 낮은 SOC 영역으로서, 이 영역에서는 고전압 배터리의 과방전 방지를 위해 LDC 출력 전압 지령이 최소 출력 전압 지령값 이상의 최대한 낮은 값으로 설정된다.

또한 저 SOC 영역인 영역 ②는 영역 ①보다는 높은 SOC 수준으로 설정되며, 정상 SOC 영역인 영역 ③에서는 LDC의 출력이 보조 전장부하를 작동시키는데 모두 사용되도록 LDC 출력 전압이 설정된다.

또한 영역 ④의 고 SOC 영역에서는 12V 보조 배터리의 충전을 유도하기 위해 LDC의 출력 전압을 높이며, 고전압 배터리의 SOC가 매우 높은 영역 ⑤에서는 영역 ④의 값보다 높은 수준이면서 최대 출력 전압 지령을 넘어서지 않는 범위 내에서 LDC의 출력 전압 지령을 높게 설정하여 고전압 배터리의 과충전을 방지한다.

한편, 도 7은 12V 보조 배터리의 보호를 위한 제어 조건을 적용한 실시예를 나타내는 도면으로, 회생 제동시 LDC 출력 전압 지령을 고전압 배터리의 SOC에 따라 결정하되, 12V 보조 배터리의 보호를 위해 12V 보조 배터리의 SOC가 높은 경우와 낮은 경우는 도 7에 나타낸 LDC 출력 전압 지령을 따르도록 한다.

즉, 추가적으로 12V 보조 배터리의 과충전 및 과방전을 방지하기 위해 12V 보조 배터리의 SOC 모니터링을 수행하여 12V 보조 배터리의 SOC에 따라 LDC 출력 전압 지령을 결정하며, 12V 보조 배터리의 가용 영역을 SOC를 기준으로 3단계로 나누어 LDC의 출력 전압을 제어한다.

도 7에 나타낸 바와 같이, SOC를 기준으로 12V 보조 배터리의 가용 영역이 미리 설정되어 있으며, 12V 보조 배터리의 가용 영역을 구분하는 SOC 상한치 및 하한치와 더불어, 12V 보조 배터리의 SOC를 기준으로 12V 보조 배터리의 과방전 방지가 필요한 SOC 구간을 구분하기 위한 제1임계치와, 12V 보조 배터리의 과충전 방지가 필요한 SOC 구간을 구분하기 위한 제2임계치가 미리 설정된다.

여기서, 12V 보조 배터리의 SOC가 SOC 상한치와 제1임계치 사이의 구간에 해당하는 저 SOC 영역, 즉 도 7에서 ①'의 영역은 12V 보조 배터리의 과방전 방지 구간으로 설정되는 영역으로, 이 영역 ①'에서는 12V 보조 배터리의 과방전 방지를 위해 LDC의 출력 전압 지령을 전압 기준값보다 높게 한다.

여기서, 전압 기준값은 12V 보조 배터리의 충/방전이 일어나지 않는 전압 기준값으로, LDC 출력 전압(출력 전압 지령)이 전압 기준값과 일치할 경우 12V 보조 배터리의 충/방전이 이루어지지 않는다.

이러한 전압 기준값은 12V 보조 전장부하가 작동시에 소모하는 파워에 의해 결정되는 값으로, 많은 보조 전장부하가 작동할 경우, 즉 보조 전장부하의 소모 파워가 클수록 상기 전압 기준값은 높은 값으로 가변된다.

영역 ①'에서 LDC 출력 전압 지령은 12V 보조 배터리의 SOC가 높은 값일수록 낮은 값으로 설정되며, 이 영역에서는 LDC 출력 전압 지령이 전압 기준값보다 높은 값으로 결정되면서 12V 보조 배터리의 충전이 이루어지게 된다.

또한 영역 ①'에서 12V 보조 배터리의 가용 영역 SOC 하한치에 상응하는 LDC 출력 전압 지령은 LDC 최소 출력 전압 지령값이 되며, 이는 보조 전장부하의 작동을 고려한 시스템 최소 한계치로 설정된다.

또한 12V 보조 배터리의 SOC가 제1임계치와 제2임계치 사이의 구간에 해당하는 정상 SOC 영역, 즉 ②'의 영역에서는 전술한 도 5 내지 도 6에서와 같이 고전압 배터리 SOC에 따라 결정된 LDC 출력 전압 지령값이 사용된다.

또한 12V 보조 배터리의 SOC를 기준으로 제2임계치와 12V 보조 배터리의 가용 영역 SOC 상한치 사이의 구간에 해당하는 고 SOC 영역, 즉 ③'의 영역은 12V 보조 배터리의 과충전 방지 구간으로 설정되는 영역으로, 이 영역 ③'에서는 12V 보조 배터리의 과충전 방지를 위해 LDC의 출력 전압 지령을 전압 기준값보다 낮게 한다.

영역 ③'에서 LDC 출력 전압 지령은 12V 보조 배터리의 SOC가 높은 값일수록 낮은 값으로 설정되며, 이 영역에서는 LDC 출력 전압 지령이 전압 기준값보다 낮은 값으로 결정되면서 12V 보조 배터리의 방전이 이루어지게 된다.

도 8은 본 발명에 따른 전체적인 제어 과정을 나타내는 순서도로서, 이를 설명하면, 먼저 구동모터의 현재 운전 상태가 회생 제동 상태인지를 판별한다(S11).

만약, 회생 제동시인 경우, 도 7에서 설명한 바와 같이, 12V 보조 배터리의 SOC 정보로부터 현재 12V 보조 배터리의 상태가 과방전 방지 영역(영역 ①')에 해당하는 SOC 상태인지를 확인한다(S12).

여기서, 12V 보조 배터리의 상태가 과방전 방지 영역에 해당하는 SOC 상태라면, LDC 출력 전압 지령을 전압 기준값보다 높은 값으로 결정하여 12V 보조 배터리의 충전이 이루어지도록 한다(S16).

반면, 12V 보조 배터리의 상태가 과충전 방지 영역(도 7에서 영역 ③')에 해당하는 SOC 상태라면, LDC 출력 전압 지령을 전압 기준값보다 낮은 값으로 결정하여 12V 보조 배터리의 방전이 이루어지도록 한다(S13,S17).

또한 12V 보조 배터리의 상태가 과충전 방지 영역 및 과방전 방지 영역에 모두 해당하지 않는 SOC 상태라면, 즉 정상 SOC 상태(도 7의 영역 ②')라면, 도 6에서 설명한 제어 과정에 따라 LDC 출력 전압을 제어하게 된다.

보다 세부적으로, 고전압 배터리의 상태가 과충전 방지 영역(도 6의 영역 ⑤)에 해당하는 SOC 상태라면, 도 6의 영역 ⑤에서와 같이 LDC 출력 전압 지령치를 높은 값으로 결정하고, 12V 보조 배터리의 충전이 이루어지도록 하면서 고전압 배터리의 충전이 이루어지지 않도록 하여, 고전압 배터리의 과충전을 방지한다(S14,S18).

또한 고전압 배터리의 상태가 과방전 방지 영역(도 6의 영역 ①)에 해당하는 SOC 상태라면, 도 6의 영역 ①에서와 같이 LDC 출력 전압 지령치를 낮은 값으로 결정하고, 이로써 12V 보조 배터리의 방전이 이루어지도록 하면서 고전압 배터리의 방전이 이루어지지 않도록 하여, 고전압 배터리의 과방전을 방지한다(S15,S19).

반면, 고전압 배터리의 상태가 과방전 방지 영역 및 과충전 방지 영역에 모두 해당하지 않는 SOC 상태라면, 즉 도 6의 저 SOC 영역인 영역 ②, 또는 정상 SOC 영역인 영역 ③, 또는 고 SOC 영역인 영역 ④에 해당하는 SOC 상태라면, 고전압 배터리의 충전량이 많아지도록 고전압 배터리의 SOC에 따라 LDC 출력 전압 지령이 결정된다(S20).

이상으로 본 발명의 실시예에 대해 상세히 설명하였는바, 본 발명의 권리범위는 상술한 실시예에 한정되지 않으며, 다음의 특허청구범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 발명의 권리범위에 포함된다.

10 : 구동모터 11 : 인버터
20 : 고전압 배터리(메인 배터리) 30 : 저전압 직류변환장치(LDC)
40 : 12V 보조 배터리(저전압 배터리) 41 : 보조 전장부하

Claims (10)

1. 구동모터의 구동 전력을 공급하는 고전압 배터리와, 상기 구동모터를 구동시키기 위한 인버터와, 차량의 보조 전장부하 및 상기 보조 전장부하의 구동 전력을 공급하기 위한 보조 배터리 사이에 연결된 저전압 직류변환장치의 출력 제어 방법에 있어서,
   상기 고전압 배터리의 SOC(State of Charge)를 모니터링하여 차량의 회생 제동시 고전압 배터리의 SOC에 상응하는 전압 출력이 이루어지도록 상기 저전압 직류변환장치의 출력 전압을 고전압 배터리의 SOC에 따라 가변 제어하고,
   상기 가변 제어 과정에서 고전압 배터리의 SOC가 미리 설정된 제3임계치 이상일 경우에만 보조 배터리의 충전이 이루어지는 전압 출력 상태가 되도록 저전압 직류변환장치의 출력 전압을 제어하며,
   상기 고전압 배터리의 SOC를 기준으로 SOC 상한치와 SOC 하한치 사이의 영역으로 설정된 고전압 배터리의 가용 영역에서, 상기 SOC 하한치와 미리 설정된 제2임계치(제2임계치<제3임계치임) 사이의 SOC 영역에서는 보조 배터리의 방전이 이루어지는 전압 출력 상태가 되도록 저전압 직류변환장치의 출력 전압을 제어하는 것을 특징으로 하는 친환경 자동차의 회생 제동시 저전압 직류변환장치의 출력 제어 방법.
   
2. 청구항 1에 있어서,
   상기 고전압 배터리의 SOC가 제3임계치 이상일 때 저전압 직류변환장치의 출력 전압이 보조 배터리의 충/방전이 일어나지 않는 전압 기준값보다 높은 값이 되도록 제어하는 것을 특징으로 하는 친환경 자동차의 회생 제동시 저전압 직류변환장치의 출력 제어 방법.
   
3. 삭제
4. 청구항 1에 있어서,
   상기 보조 배터리의 방전이 이루어지도록 저전압 직류변환장치의 출력 전압이 보조 배터리의 충/방전이 일어나지 않는 전압 기준값보다 낮은 값이 되도록 제어하는 것을 특징으로 하는 친환경 자동차의 회생 제동시 저전압 직류변환장치의 출력 제어 방법.
   
5. 청구항 1에 있어서,
   고전압 배터리의 SOC가 제2임계치와 제3임계치 사이의 값인 경우 상기 저전압 직류변환장치의 출력 전압이 보조 배터리의 충/방전이 일어나지 않는 전압 기준값이 되도록 제어하여, 보조 배터리의 충/방전 없이 저전압 직류변환장치의 출력이 보조 전장부하를 작동시키는데 사용되도록 하는 것을 특징으로 하는 친환경 자동차의 회생 제동시 저전압 직류변환장치의 출력 제어 방법.
   
6. 청구항 2, 청구항 4, 또는 청구항 5에 있어서,
   상기 전압 기준값은 보조 전장부하의 작동시 소모하는 소모 파워에 따라 가변되도록 보조 전장부하의 소모 파워에 따른 값으로 미리 설정되는 것을 특징으로 하는 친환경 자동차의 회생 제동시 저전압 직류변환장치의 출력 제어 방법.
   
7. 청구항 6에 있어서,
   상기 전압 기준값은 상기 소모 파워가 클수록 높은 값으로 설정되는 것을 특징으로 하는 친환경 자동차의 회생 제동시 저전압 직류변환장치의 출력 제어 방법.
   
8. 청구항 1에 있어서,
   상기 고전압 배터리의 가용 영역에서 상기 SOC 하한치와 미리 설정된 제1임계치(제1임계치<제2임계치임) 사이의 SOC 영역은 보조 배터리의 방전이 이루어지면서 고전압 배터리의 방전은 금지되는 고전압 배터리 과방전 방지 구간으로 설정되는 것을 특징으로 하는 친환경 자동차의 회생 제동시 저전압 직류변환장치의 출력 제어 방법.
   
9. 청구항 1에 있어서,
   상기 고전압 배터리의 SOC를 기준으로 SOC 상한치와 SOC 하한치 사이의 영역으로 설정된 고전압 배터리의 가용 영역에서, 미리 설정된 제4임계치(제3임계치<제4임계치임)와 SOC 상한치 사이의 SOC 영역에서는 보조 배터리의 충전이 이루어지면서 고전압 배터리의 충전은 금지되는 고전압 배터리 과충전 방지 구간으로 설정되는 것을 특징으로 하는 친환경 자동차의 회생 제동시 저전압 직류변환장치의 출력 제어 방법.
   
10. 청구항 1, 청구항 2, 청구항 4, 청구항 8, 및 청구항 9 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 저전압 직류변환장치의 출력 전압은 고전압 배터리의 SOC가 높을수록 높게 제어되는 것을 특징으로 하는 친환경 자동차의 회생 제동시 저전압 직류변환장치의 출력 제어 방법.

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