KR101703591B1 - 얼터네이터 제어 장치 및 이를 이용한 얼터네이터 제어 방법 - Google Patents

얼터네이터 제어 장치 및 이를 이용한 얼터네이터 제어 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명에 따른 얼터네이터 제어 장치는 엔진에 풀리 및 보기류 벨트를 통해 연결되는 얼터네이터(Alternator), 상기 얼터네이터의 로터 축과 연결되는 구동 모터, 그리고 엔진의 크랭크 샤프트(Crank Shaft)의 회전 변동 주기와 동일 위상의 회전 변동 성분을 상기 로터 축에 인가하도록 상기 구동 모터를 제어하는 제어 장치를 포함한다.

Description

얼터네이터 제어 장치 및 이를 이용한 얼터네이터 제어 방법{DEVICE FOR CONTROLLING ALTERNATOR AND METHOD FOR CONTROLLING ALTERNATOR USING THE SAME}
본 발명은 얼터네이터 제어 장치 및 이를 이용한 얼터네이터 제어 방법에 관한 것이다.
내연기관 엔진에서 크랭크 샤프트(Crank Shaft)의 회전 운동은 일정한 크기의 회전 변동량을 포함한다. 그리고, 크랭크 샤프트의 순간적인 회전 변동은 엔진 FEAD(Front End Accessory Drive) 벨트 또는 보기류 벨트 시스템의 보기류 풀리에서 순간적인 구동 저항에 의한 벨트의 미끌림(Slip) 현상을 발생시킨다.
이러한 풀리와 벨트의 미끌림 현상은 보기류 벨트의 미끌림 소음과 보기류 벨트의 마모를 유발시키고, 벨트 길이 방향으로의 주기적인 인장 압축 가진력에 의하여 FEAD 벨트의 현 진동(Span Vibration)을 발생시킨다.
그리고, 보기류 벨트 시스템 중에 얼터네이터(Alternator)는 큰 관성력을 가진 회전체(Rotor)와 작은 풀리 비로 구성되어 있고, 이로 인하여 크랭크 샤프트의 순간적인 회전 변동에 대해 다른 풀리보다도 더 큰 구동 저항을 발생시킨다.
따라서 얼터네이터의 풀리에는 벨트의 미끌림 현상이 가장 크게 발생하고, 보기류 벨트의 내구성 및 소음 개선을 위하여 OAP(Over-running Alternator Pulley) 및 OAD(Over-running Alternator Decoupler)와 같이 별도의 특수 기능을 가진 풀리를 사용해야 하는 어려움이 있다.
본 발명은 별도의 특수 기능을 가진 풀리를 적용하지 않고도 보기류 벨트에 가해지는 교번 부하를 제거할 수 있는 얼터네이터 제어 장치 및 이를 이용한 얼터네이터 제어 방법을 제안하고자 한다.
본 발명의 얼터네이터 제어 장치는 엔진에 풀리 및 보기류 벨트를 통해 연결되는 얼터네이터(Alternator), 상기 얼터네이터의 로터 축과 연결되는 구동 모터, 그리고 엔진의 크랭크 샤프트(Crank Shaft)의 회전 변동 주기와 동일 위상의 회전 변동 성분을 상기 로터 축에 인가하도록 상기 구동 모터를 제어하는 제어부를 포함한다.
상기 구동 모터는, 상기 크랭크 샤프트의 회전 속도가 증가하는 구간에서, 상기 얼터네이터의 로터 축의 속도를 증가시키는 방향으로 구동할 수 있다.
상기 구동 모터는, 상기 크랭크 샤프트의 회전 속도가 감소하는 구간에서, 상기 얼터네이터의 로터 축의 속도를 감소시키는 방향으로 구동할 수 있다.
상기 제어부는, 엔진 또는 전자 제어부(Electronic Control Unit, ECU)에서 탐지된 상기 크랭크 샤프트 또는 캠 샤프트(CAM Shaft)의 회전 신호를 이용해서 상기 구동 모터의 구동 방향을 제어할 수 있다.
상기 제어부는, 점화 플러그 또는 연료 인젝터 신호를 이용하여 상기 구동 모터의 구동 방향을 제어할 수 있다.
본 발명의 얼터네이터 제어 방법은 얼터네이터 제어 장치가 얼터네이터의 회전을 제어하는 방법에서, 엔진의 크랭크 샤프트(Crank Shaft)의 회전 변동 주기를 검출하는 단계, 검출된 상기 회전 변동 주기를 고려해서, 상기 얼터네이터의 로터 축과 연결되는 구동 모터의 구동 방향을 제어하는 단계, 그리고 상기 구동 모터를 이용해서, 상기 회전 변동 주기와 동일 위상의 회전 변동 성분을 상기 얼터네이터의 로터에 인가하는 단계를 포함한다.
상기 구동 방향을 제어하는 단계는, 엔진 또는 전자 제어 유닛(Electronic Control Unit, ECU)에서 탐지된 상기 크랭크 샤프트 또는 캠 샤프트(CAM Shaft)의 회전 신호를 이용해서 상기 구동 모터의 구동 방향을 제어하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 구동 방향을 제어하는 단계는, 점화 플러그 또는 연료 인젝터 신호를 이용하여 상기 구동 모터의 구동 방향을 제어하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 얼터네이터의 로터에 인가하는 단계는, 상기 크랭크 샤프트의 회전 속도가 증가하는 구간에서, 상기 얼터네이터의 로터 축의 속도를 증가 시키는 방향으로 상기 구동 모터를 구동하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 얼터네이터의 로터에 인가하는 단계는, 상기 크랭크 샤프트의 회전 속도가 감소하는 구간에서, 상기 얼터네이터의 로터 축의 속도를 감소 시키는 방향으로 상기 구동 모터를 구동하는 단계를 포함할 수 있다.
본 발명에 따르면, 얼터네이터 풀리에 걸리는 회전 토크 변동 성분을 제거함으로써, 보기류 벨트에 가해지는 교번 부하를 제거하고, 주기적으로 반복되는 얼터네이터 풀리와 보기류 벨트 사이의 미끌림과 마모 현상을 개선할 수 있는 환경을 제공한다.
도 1은 본 발명의 한 실시예에 따른 얼터네이터(Alternator) 제어 장치의 구조를 간략히 도시한 도면이다.
도 2는 본 발명의 다른 실시예에 따른 얼터네이터(Alternator) 제어 장치의 구조를 간략히 도시한 도면이다.
도 3은 엔진의 크랭크 샤프트(Crank Shaft)의 회전 진동을 나타내는 도면이다.
도 4는 도 3에 따른 얼터네이터 풀리의 회전 진동을 나타내는 도면이다.
도 5는 본 발명의 한 실시예에 따른 얼터네이터 제어 장치로 얼터네이터의 회전을 제어하는 과정을 간략히 도시한 흐름도이다.
도 6은 엔진의 크랭크 샤프트의 회전 변동량에 따른 속도 증가 구간 및 속도 감소 구간을 도시한 도면이다.
아래에서는 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 그리고 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다.
명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.
또한, 명세서에 기재된 "…부", "…모듈" 의 용어는 적어도 하나의 기능이나 동작을 처리하는 단위를 의미하며, 이는 하드웨어나 소프트웨어 또는 하드웨어 및 소프트웨어의 결합으로 구현될 수 있다.
이제 도 1 내지 도 5를 참고하여 본 발명의 한 실시예에 따른 얼터네이터 제어 장치 및 이를 이용한 얼터네이터 제어 방법에 대하여 상세하게 설명한다.
도 1은 본 발명의 한 실시예에 따른 얼터네이터(Alternator) 제어 장치의 구조를 간략히 도시한 도면이다. 이때, 얼터네이터 제어 장치는 본 발명의 실시예에 따른 설명을 위해 필요한 개략적인 구성만을 도시할 뿐 이러한 구성에 국한되는 것은 아니다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 한 실시예에 따른 얼터네이터 제어 장치는 얼터네이터(100), 구동 모터(200) 및 제어부(300)를 포함한다.
얼터네이터(100)는 풀리(30)와 보기류 벨트(20)를 통해 엔진(10)과 연결된다. 그리고, 얼터네이터(100)는 로터(미도시) 및 스테이터(미도시)를 포함하며, 로터 축(120)을 통하여 리졸버(110) 및 구동 모터(200)가 동심으로 연결된다.
하나의 실시예에서, 구동 모터(200)는 얼터네이터(100)의 외부에 위치하며, 얼터네이터의 로터 축(120)과 연결된다. 다른 실시예에서, 구동 모터(200)는 얼터네이터(100)의 내부에 배치될 수도 있다.
제어부(300)는 얼터네이터(100)로부터 생성된 전기 에너지를 차량의 배터리(40)에 저장하고, 베터리(40)로부터 전력을 공급 받아 구동 모터(200)를 구동할 수 있다. 그리고, 제어부(300)는 엔진의 크랭크 샤프트(Crank Shaft)의 회전 변동 주기와 동일 위상의 회전 변동 성분을 얼터네이터(100)의 로터에 인가하도록 구동 모터(200)를 제어한다.
그리고, 구동 모터(200)는 크랭크 샤프트의 회전 속도가 증가하는 구간에서, 얼터네이터(100)의 로터 축(120)의 속도를 증가시키는 방향으로 구동된다. 또한, 구동 모터(200)는 크랭크 샤프트의 회전 속도가 감소하는 구간에서, 얼터네이터(100)의 로터 축(120)의 속도를 감소시키는 방향으로 구동된다.
제어부(300)는 엔진(10) 또는 전자 제어 유닛(Electronic Control Unit, ECU)(50)에서 탐지된 크랭크 샤프트 또는 캠 샤프트(CAM Shaft)의 회전 신호를 이용해서 구동 모터(200)의 구동 방향을 제어하거나, 점화 플러그 또는 연료 인젝터 신호를 이용하여 구동 모터(200)의 구동 방향을 제어한다.
제어부(300)는 크랭크 샤프트 또는 캠 샤프트의 회전 신호를 이용해서 크랭크 샤프트의 회전 변동량 발생 주기와 모터의 구동 방향 변동 주기를 일치시키도록 제어한다. 또한, 제어부(300)는 점화 플러그 또는 연료 인젝터 신호를 이용해서 크랭크 샤프트의 회전 변동량 발생 주기와 모터의 구동 방향 변동 주기를 일치시키도록 제어할 수 있다.
이러한 목적을 위하여, 제어부(300)는 설정된 프로그램에 의하여 동작하는 하나 이상의 프로세서로 구현될 수 있으며, 상기 설정된 프로그램은 본 발명의 실시예에 따른 얼터네이터 제어 방법의 각 단계를 수행하도록 프로그래밍 된 것일 수 있다.
도 2는 본 발명의 다른 실시예에 따른 얼터네이터(Alternator) 제어 장치의 구조를 간략히 도시한 도면이다.
도 2를 참조하면, 본 발명의 다른 실시예에 따른 얼터네이터 제어 장치는 얼터네이터(100) 내부에 구동 모터(200')를 포함한다.
본 발명의 다른의 실시예에서, 구동 모터(200')는 얼터네이터(100)의 내부에 위치하며, 얼터네이터의 로터 축(120)과 연결된다.
그리고, 구동 모터(200')는 크랭크 샤프트의 회전 속도가 증가하는 구간에서, 얼터네이터(100)의 로터 축(120)의 속도를 증가시키는 방향으로 구동된다. 또한, 구동 모터(200')는 크랭크 샤프트의 회전 속도가 감소하는 구간에서, 얼터네이터(100)의 로터 축(120)의 속도를 감소시키는 방향으로 구동된다.
그리고, 제어부(300)는 엔진의 크랭크 샤프트(Crank Shaft)의 회전 변동 주기와 동일 위상의 회전 변동 성분을 얼터네이터(100)의 로터에 인가하도록 구동 모터(200')를 제어할 수 있다.
도 3은 엔진의 크랭크 샤프트(Crank Shaft)의 회전 진동을 나타내는 도면이고, 도 4는 도 3에 따른 얼터네이터 풀리의 회전 진동을 나타내는 도면이다.
일반적인 내연기관 엔진에서 크랭크 샤프트의 회전 운동은 실린더의 연소 폭발에 의해 생성되는 에너지를 이용하기 때문에 등속도로 회전할 수 없고, 도 3과 같이 일정한 크기의 회전 변동량을 포함하여 회전한다. 이 엔진의 회전 변동량은 실린더의 개수, 배열 방법 및 점화 순서에 따라 여러 형태로 발생하며, 직렬 4기통 엔진의 경우 엔진 1회전당 2주기의 회전 변동 성분을 갖는다.
그리고, 도 4에서와 같이, 얼터네이터(100)의 풀리(30)에서는 크랭크 샤프트 회전 진동의 진폭보다 풀리 비만큼 증폭되어 발생하게 된다. 얼터네이터(100)의 풀리(30)에서의 이러한 회전 변동은 얼터네이터(100)를 구동시키기 위한 보기류 벨트(20)의 회전 방향에 대하여 역방향인 교번 부하로 작용하게 되어 보기류 벨트(20)의 미끌림과 마모를 유발시킨다.
하지만, 본 발명의 한 실시예에 따른 얼터네이터 제어 장치는 얼터네이터(100)에 별도로 구동 모터(200)를 장착하고, 이 구동 모터(200)의 정방향 또는 역방향의 부하 제어를 통하여 엔진(10)의 크랭크 샤프트와 얼터네이터(100)의 회전 변동량을 동기화시킴으로써, 보기류 벨트(20)에 가해지는 주기적인 교번 부하를 제거한다.
그리고, 본 발명의 한 실시예에 따른 얼터네이터 제어 장치는 종래의 OAP(Over-running Alternator Pulley) 및 OAD(Over-running Alternator Decoupler)와 같은 특수 풀리 등을 적용하지 않고도 얼터네이터(100)의 풀리(30)에서의 벨트 미끌림과 마모 문제를 개선한다.
도 5는 본 발명의 한 실시예에 따른 얼터네이터 제어 장치로 얼터네이터의 회전을 제어하는 과정을 간략히 도시한 흐름도이다. 이하의 흐름도는 도 1의 구성과 연계하여 동일한 도면부호를 사용하여 설명한다.
도 5를 참조하면, 본 발명의 한 실시예에 따른 얼터네이터 제어 장치는 엔진(10)의 크랭크 샤프트의 회전 변동 주기를 검출한다(S102).
그리고, 본 발명의 한 실시예에 따른 얼터네이터 제어 장치는 검출된 회전 변동 주기를 고려해서, 얼터네이터(100)의 로터 축(120)과 연결되는 구동 모터(200)의 구동 방향을 제어한다(S104). 이때 본 발명의 한 실시예에 따른 얼터네이터 제어 장치는 엔진(10) 또는 전자 제어부(50)에서 크랭크 샤프트와 캠 샤프트의 회전 신호를 이용해서 구동 모터(200)의 구동 방향을 제어하거나, 점화 플러그 또는 연료 인젝터 신호를 이용하여 구동 모터(200)의 구동 방향을 제어한다.
그리고, 본 발명의 한 실시예에 따른 얼터네이터 제어 장치는 크랭크 샤프트의 회전 속도가 증가하는 구간 또는 감소하는 구간에 따라 구동 모터(200)의 구동을 제어한다.
도 6은 엔진의 크랭크 샤프트의 회전 변동량에 따른 속도 증가 구간 및 속도 감소 구간을 도시한 도면이다.
본 발명의 한 실시예에 따른 얼터네이터 제어 장치는 크랭크 샤프트의 회전 속도가 증가(+)하는 구간(A)에서, 로터 축(120)의 속도를 증가 시키는 방향으로 구동 모터(200)를 구동한다(S106). 즉, 구동 모터(200)는 크랭크 샤프트의 회전 속도가 증가하는 구간에서 얼터네이터 로터의 속도를 증가시키는 방향으로 구동됨으로써, 보기류 벨트(20)가 얼터네이터(100)를 구동 시킬 때 필요한 힘을 지원한다.
또한, 본 발명의 한 실시예에 따른 얼터네이터 제어 장치는 크랭크 샤프트의 회전 속도가 감소(-)하는 구간(B)에서, 로터 축(120)의 속도를 감소 시키는 방향으로 구동 모터(200)를 구동한다(S108). 즉, 구동 모터(200)는 크랭크 샤프트의 회전 속도가 감소하는 구간에서 얼터네이터 로터의 속도가 감소하는 방향으로 부하를 가함으로써, 얼터네이터 로터의 관성에 의한 회전력을 억제 시킨다.
따라서, 종래에는 속도가 증가하는 구간에서 로터의 관성 저항이 발생하고, 풀리(30)의 속도가 보기류 벨트(20)의 속도보다 작아져서 벨트가 인장된다.
하지만, 본 발명의 한 실시예에 따른 얼터네이터 제어 장치는 속도가 증가하는 구간에서 로터의 관성 저항이 발생할 때, 구동 모터(200)의 정방향 부하를 발생시켜 로터의 관성 저항을 모터 구동력으로 상쇄시킴으로써, 보기류 벨트(20)의 부하가 감소된다.
또한, 종래에는 속도가 감소하는 구간에서 로터의 관성 회전력이 발생하고, 풀리(30)의 속도가 보기류 벨트(20)의 속도보다 켜져서 벨트가 수축된다.
하지만, 본 발명의 한 실시예에 따른 얼터네이터 제어 장치는 속도가 감소하는 구간에서 로터의 관성 회전력이 발생할 때, 구동 모터(200)의 역방향 부하를 발생시켜 로터의 정방향 관성 모멘트를 모터 부하로 상쇄시킴으로써, 보기류 벨트(20)의 부하가 감소된다.
이와 같이, 본 발명의 한 실시예에 따른 얼터네이터 제어 장치는 구동 모터를 이용해서 크랭크 샤프트와 동일한 위상의 회전 변동 성분을 얼터네이터의 로터에 인가 시켜 얼터네이터 풀리에 걸리는 회전 토크 변동 성분을 제거함으로써, 보기류 벨트에 가해지는 교번 부하를 제거하고, 주기적으로 반복되는 얼터네이터 풀리와 보기류 벨트 사이의 미끌림과 마모 현상을 개선할 수 있는 환경을 제공한다.
이상에서 설명한 본 발명의 실시예는 장치 및 방법을 통해서만 구현이 되는 것은 아니며, 본 발명의 실시예의 구성에 대응하는 기능을 실현하는 프로그램 또는 그 프로그램이 기록된 기록 매체를 통해 구현될 수도 있다. 이러한 기록 매체는 서버뿐만 아니라 사용자 단말에서도 실행될 수 있다.
이상에서 본 발명의 실시예에 대하여 상세하게 설명하였지만 본 발명의 권리범위는 이에 한정되는 것은 아니고 다음의 청구범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 발명의 권리범위에 속하는 것이다.

Claims (10)

  1. 엔진에 풀리 및 보기류 벨트를 통해 연결되는 얼터네이터(Alternator),
    상기 얼터네이터의 로터 축과 연결되는 구동 모터, 그리고
    엔진의 크랭크 샤프트(Crank Shaft)의 회전 변동 주기와 동일 위상의 회전 변동 성분을 상기 로터 축에 인가하도록 상기 구동 모터의 구동 방향을 제어하는 제어부
    를 포함하며,
    상기 구동 모터는,
    상기 크랭크 샤프트의 회전 속도가 증가하는 구간에서, 상기 얼터네이터의 로터 축의 속도를 증가시키는 방향으로 구동되고, 상기 크랭크 샤프트의 회전 속도가 감소하는 구간에서, 상기 얼터네이터의 로터 축의 속도를 감소시키는 방향으로 구동되는 얼터네이터 제어 장치.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 제1항에서,
    상기 제어부는,
    엔진 또는 전자 제어부(Electronic Control Unit, ECU)에서 탐지된 상기 크랭크 샤프트 또는 캠 샤프트(CAM Shaft)의 회전 신호를 이용해서 상기 구동 모터의 구동 방향을 제어하는 얼터네이터 제어 장치.
  5. 제1항에서,
    상기 제어부는,
    점화 플러그 또는 연료 인젝터 신호를 이용하여 상기 구동 모터의 구동 방향을 제어하는 얼터네이터 제어 장치.
  6. 얼터네이터 제어 장치가 얼터네이터의 회전을 제어하는 방법에서,
    엔진의 크랭크 샤프트(Crank Shaft)의 회전 변동 주기를 검출하는 단계,
    검출된 상기 회전 변동 주기를 고려해서, 상기 얼터네이터의 로터 축과 연결되는 구동 모터의 구동 방향을 제어하는 단계, 그리고
    상기 구동 모터를 이용해서, 상기 회전 변동 주기와 동일 위상의 회전 변동 성분을 상기 얼터네이터의 로터에 인가하는 단계
    를 포함하며,
    상기 얼터네이터의 로터에 인가하는 단계는,
    상기 크랭크 샤프트의 회전 속도가 증가하는 구간에서, 상기 얼터네이터의 로터 축의 속도를 증가 시키는 방향으로 상기 구동 모터를 구동하는 단계, 그리고
    상기 크랭크 샤프트의 회전 속도가 감소하는 구간에서, 상기 얼터네이터의 로터 축의 속도를 감소 시키는 방향으로 상기 구동 모터를 구동하는 단계
    를 포함하는 얼터네이터 제어 방법.
  7. 제6항에서,
    상기 구동 방향을 제어하는 단계는,
    엔진 또는 전자 제어 유닛(Electronic Control Unit, ECU)에서 탐지된 상기 크랭크 샤프트 또는 캠 샤프트(CAM Shaft)의 회전 신호를 이용해서 상기 구동 모터의 구동 방향을 제어하는 단계
    를 포함하는 얼터네이터 제어 방법.
  8. 제6항에서,
    상기 구동 방향을 제어하는 단계는,
    점화 플러그 또는 연료 인젝터 신호를 이용하여 상기 구동 모터의 구동 방향을 제어하는 단계
    를 포함하는 얼터네이터 제어 방법.
  9. 삭제
  10. 삭제
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