KR101766094B1

KR101766094B1 - 하이브리드 차량의 출력 제어 시스템

Info

Publication number: KR101766094B1
Application number: KR1020150179165A
Authority: KR
Inventors: 김성규; 안준모; 배수현; 곽무신; 박주영
Original assignee: 현대자동차주식회사
Priority date: 2015-12-15
Filing date: 2015-12-15
Publication date: 2017-08-24
Also published as: CN106882181A; US10046648B2; KR20170071657A; US20170166068A1; CN106882181B

Abstract

충방전이 가능한 배터리; 차량 구동륜에 연결되어 전동기 또는 발전기로 동작하는 제1모터; 차량 구동륜에 연결되어 전동기 또는 발전기로 동작하는 제2모터; 상기 제1모터에 연결된 제1인버터; 상기 제2모터에 연결된 제2인버터; 일측이 상기 배터리와 연결되고 타측이 상기 제1인버터 및 제2인버터에 함께 연결되어 상기 배터리로부터 인가 받은 전압을 변환환 출력전압을 상기 제1인버터 및 제2인버터에 공급하는 컨버터; 상기 컨버터의 일측과 상기 제1모터의 중성점간에 연결되는 중성점스위치; 및 상기 제1모터의 동작여부 및 차량의 요구출력에 따라 상기 스위치의 온오프를 제어하는 제어부;를 포함하는 하이브리드 차량의 출력 제어 시스템이 소개된다.

Description

하이브리드 차량의 출력 제어 시스템{POWER CONTROL SYSTEM FOR HYBRID VEHICLE}

본 발명은 컨버터와 인버터를 포함하는 차량의 전력 시스템과 모터를 통합하여 제어함으로써 차량의 요구출력이 컨버터의 최대출력을 초과하더라도 모터를 이용하여 차량에 전력을 공급할 수 있는 하이브리드 차량의 출력 제어 시스템에 관한 것이다.

현대사회의 대부분의 자동차는 화석연료를 사용한다. 화석연료를 사용하는 경우, 화석연료에 포함된 황 및 인등에 의하여 심각한 환경오염이 발생한다. 따라서 환경을 보호하기 위하여 화석연료의 사용을 줄이는 것은 중요한 이슈가 되었다. 상기의 문제를 해결하기 위하여 개발자들은 하이브리드 자동차, 전기자동차, 수소연료자동차 등과 같이 친환경적인 자동차들을 개발하였다.

이 중 하이브리드 자동차는 감속시에 모터를 역회전시키는 회생제동을 통해 전기를 생성하여 배터리를 충전하며, 정차시에는 엔진을 시동 오프하고 출발시 모터로 엔진을 재시동시키는 아이들 스탑 앤 고(Idle Stop and Go) 제어를 통해 연비 향상 및 배기가스의 안정화를 제공한다.

따라서 하이브리드 자동차에 있어서 차량 상태에 맞추어 적절하게 차량의 운전모드를 제어하는 것이 가장 핵심적인 기술이라고 할 수 있다. 공개특허공보 2011-0062694 "하이브리드 차량의 모터 구동 시스템 및 이의 제어 방법"에서도 하이브리드 차량의 메인릴레이 오프시 발생하는 모터의 역기전력이 컨버터 및 인버터에 인가되지 않도록 함으로써 하이브리드 차량의 전력장치의 내구성을 향상시키고 차량의 효율을 향상시킬 수 있는 방법을 제시하고 있다.

그러나 이와 같은 방법으로 컨버터의 효율을 향상시키게 되면 컨버터에 흐르는 전류양이 많아지게 되고 결국 이에 따라 컨버터와 연계되는 인덕터, 파워모듈, 냉각장치 등의 사이즈도 커져야 하며 이는 결국 컨버터의 원가상승과 중량 및 부피증가로 이어졌다.

상기의 배경기술로서 설명된 사항들은 본 발명의 배경에 대한 이해 증진을 위한 것일 뿐, 이 기술분야에서 통상의 지식을 가진자에게 이미 알려진 종래기술에 해당함을 인정하는 것으로 받아들여져서는 안 될 것이다.

KR 2011-0062694 A

본 발명은 차량의 전력시스템과 모터의 중성점간에 스위치를 연결하여 모터구동상태 및 차량의 요구출력에 따라 적절하게 제어함으로써 전력시스템의 구동출력을 향상시킬 수 있을 뿐만 아니라, 바이패스 스위치를 통하여 하이브리드 차량의 전기차 모드시 구동출력을 향상시킬 수 있는 하이브리드 차량의 출력 제어 시스템을 제공하는데 목적이 있다.

상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 하이브리드 차량의 출력 제어 시스템은 충방전이 가능한 배터리; 차량 구동륜에 연결되어 전동기 또는 발전기로 동작하는 제1모터; 차량 구동륜에 연결되어 전동기 또는 발전기로 동작하는 제2모터; 상기 제1모터에 연결된 제1인버터; 상기 제2모터에 연결된 제2인버터; 일측이 상기 배터리와 연결되고 타측이 상기 제1인버터 및 제2인버터에 함께 연결되어 상기 배터리로부터 인가 받은 전압을 변환환 출력전압을 상기 제1인버터 및 제2인버터에 공급하는 컨버터; 상기 컨버터의 일측과 상기 제1모터의 중성점간에 연결되는 중성점스위치; 및 상기 제1모터의 동작여부 및 차량의 요구출력에 따라 상기 스위치의 온오프를 제어하는 제어부;를 포함한다.

상기 제어부는, 상기 제1모터의 동작이 정지되어 있고 차량의 요구출력이 상기 컨버터의 최대출력을 초과하는 경우 상기 중성점스위치를 온시키는 것을 특징으로 한다.

상기 제어부는, 상기 중성점스위치가 온 된 경우 제1인버터의 3상 중 한 상만을 출력하도록 제1인버터를 제어하는 것을 특징으로 한다.

상기 제어부는, 상기 중성점스위치가 온 된 경우 제1인버터의 3상이 번갈아가며 한 상만을 출력하도록 제1인버터를 제어하는 것을 특징으로 한다.

상기 컨버터의 출력전압은 제2모터의 회전속도와 제2모터의 최대토크제어시 총자속을 이용하여 도출하는 것을 특징으로 한다.

상기 컨버터의 출력전압은 하기의 수식을 이용하여 도출하는 것을 특징으로 한다.

V_DC: 컨버터 출력전압, λ_mag: 제2모터 최대토크제어시 총자속, w_r: 제2모터회전속도, λ_ds: 제2모터 최대토크제어시 d축자속, λ_qs: 제2모터 최대토크제어시 q축자속

상기 제어부는, 상기 제1모터가 동작하고 있는 경우 상기 중성점스위치를 오프시키는 것을 특징으로 한다.

상기 제어부는, 상기 제1모터의 동작이 정지되어 있고 차량의 요구출력이 상기 컨버터의 최대출력 이하인 경우 상기 중성점스위치를 오프시키는 것을 특징으로 한다.

상기 컨버터의 출력전압은 제1모터의 회전속도, 제1모터의 최대토크제어시 총자속, 제2모터의 회전속도와 제2모터의 최대토크제어시 총자속을 이용하여 도출하는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따른 하이브리드 차량의 출력 제어 시스템은 상기 컨버터의 일측과 타측에서 컨버터와 병렬로 연결되는 바이패스 스위치;를 더 포함하고 제어부는, 상기 바이패스 스위치의 온오프를 제어함으로써 상기 배터리의 전력이 상기 바이패스 스위치를 통해 상기 제1인버터 또는 제2인버터에 직접 공급되도록 제어하는 것을 특징으로 한다.

하이브리드 차량이 전기차 모드시에는, 상기 제어부에서 상기 바이패스 스위치를 제어하여 상기 배터리의 전력이 상기 제1인버터에 직접 공급되도록 제어하는 것을 특징으로 한다.

하이브리드 차량의 요구 출력값이 제어부에 기설정된 출력제한값을 초과하는 경우, 상기 제어부에서 상기 제1인버터와 제2인버터의 게이트 전압을 제어하여 상기 배터리의 전력이 상기 제1인버터와 제2인버터에 직접 공급되도록 제어하는 것을 특징으로 한다.

상술한 바와 같이 이용하면 아래와 같은 효과를 얻을 수 있다.

첫째, 차량의 전력시스템과 모터를 통합하여 제어함으로써 모터를 통한 차량의 출력이 향상된다.

둘째, 전기차모드에서 모터 두 개를 동시에 구동할 수 있으므로 차량 최대출력이 향상된다.

셋째, 컨버터를 이용하지 않고도 최대출력이 향상되므로 컨버터 구동에 따른 열손실이 발생하지 않는다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 하이브리드 차량의 출력 제어 시스템의 구성도

이하에서는 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 살펴본다.

본 발명에 따른 하이브리드 차량의 출력 제어 시스템은 도1에서 도시하고 있는 바와 같이 충방전이 가능한 배터리(100); 차량 구동륜에 연결되어 전동기 또는 발전기로 동작하는 제1모터(200); 차량 구동륜에 연결되어 전동기 또는 발전기로 동작하는 제2모터(300); 상기 제1모터(200)에 연결된 제1인버터(400); 상기 제2모터(300)에 연결된 제2인버터(500); 일측이 상기 배터리(100)와 연결되고 타측이 상기 제1인버터(400) 및 제2인버터(500)에 함께 연결되어 상기 배터리(100)로부터 인가 받은 전압을 변환환 출력전압을 상기 제1인버터(400) 및 제2인버터(500)에 공급하는 컨버터(600); 상기 컨버터(600)의 일측과 상기 제1모터(200)의 중성점간에 연결되는 중성점스위치(700); 및 상기 제1모터(200)의 동작여부 및 차량의 요구출력에 따라 상기 스위치의 온오프를 제어하는 제어부(900);를 포함한다.

본 발명에서의 가장 큰 특징은 컨버터(600)의 일측과 제1모터(200)의 중성점간에 연결된 중성점스위치(700)이다. 도1의 도면을 통해 알 수 있듯이 배터리(100)의 전력이 중성점스위치(700)를 통하여 제1모터(200)를 경유하게 되는 경우 제1모터(200)에 마련되어 있는 인덕터로 전력이 인가되고 이 전력은 인덕터를 거쳐 제1인버터(400)로 전달되게 된다. 따라서 이러한 전력전달 구조는 컨버터(600)와 동일하게 되는바, 중성점스위치(700)를 연결에 따른 제1모터(200)와 제1인버터(400)의 회로 구성도 컨버터(600)와 동일한 효과를 얻을 수 있게 되는 것이다.

다만, 이러한 회로 구성은 전력변환을 위하여 고안된 컨버터(600)를 활용하는 것보다 효율성면에서는 떨어지므로 하이브리드 차량의 요구출력이 컨버터(600)만을 활용해서는 만족시킬 수 없는 경우에 중성점스위치(700)를 이용한 출력 제어를 하는 것이 바람직할 것이다. 따라서 본 발명에서는 상기 제1모터(200)의 동작이 정지되어 있고 차량의 요구출력이 상기 컨버터(600)의 최대출력을 초과하는 경우에 상기 중성점스위치(700)를 온시키도록 하고 있다. 본 조건에서 차량의 요구출력과 컨버터(600)의 최대출력을 비교하는 것 외에 제1모터(200)의 동작이 정지해 있을 것이라는 조건을 추가로 두고 있는데, 제1모터(200)가 동작하고 있는 경우에는 제1모터(200)와 제1인버터(400)를 이용한 회로구성이 불가능해지는바 당연한 조건에 해당할 것이다.

위의 조건에 따라 중성점스위치(700)가 온 된다면, 제1모터(200)와 제1인버터(400)는 연계되어 컨버터(600)와 같이 동작할 것이다. 다만 중성점스위치(700)가 온 된 경우 중성점스위치(700)를 통하여 인가된 배터리(100)의 전력이 제1인버터(400)의 어느 상으로도 출력될 수 있는데, 도1에서 도시한 바와 같이 본 발명에 따른 3상인버터에서 출력되는 전압은 어느 상으로 출력되더라도 전압의 위상차이만 있을 뿐 그 크기는 동일하므로 제어부(900)에서 제1인버터(400)의 3상 중 어떤 상을 출력하도록 제어하여도 무방하다. 따라서 본 발명에 따른 제어부(900)는 중성점스위치(700)가 온 된 경우 제1인버터(400)의 3상 중 한 상만을 출력하도록 제1인버터(400)를 제어하도록 하고 있는 것이다.

다만, 3상중 어떤 상을 출력해도 무방하다고 하여 한 상만을 지속적으로 출력하는 것은 바람직하지 않다. 왜냐하면 한 상만을 이용하는 경우 제1모터(200) 및 제1인버터(400)에 과열현상이 발생할 수 있기 때문이다. 따라서 3상 출력이 가능한 제1모터(200)와 제1인버터(400)의 특성에 비추어 본 발명 제어부(900)에서는 제1인버터(400)의 3상을 번갈아가면서 한상만을 출력하도록 제어하는 방식을 제시하고 있는 것이다.

위에서 언급한 바와 같이 중성점스위치(700)가 온 된 경우는 제1모터(200)는 동작하지 않는다. 따라서 이에 맞게 컨버터(600)의 출력전압도 변경될 필요가 있다. 제1모터(200)는 동작하지 않는데 제1모터(200)를 고려하여 컨버터(600)의 출력전압을 결정하는 것은 비효율적이기 때문이다. 여기서의 출력전압이란 제어부(900)에서 컨버터(600)의 출력전압으로 지령을 내리는 값을 의미한다.

중성점스위치(700)가 온 된 경우는 제1모터(200)는 고려할 필요가 없는바 제2모터(300)의 정보만을 이용하여 컨버터(600)의 출력전압을 결정하게 되는데 본 발명에서는 제2모터(300) 정보중 제2모터(300)의 회전속도와 제2모터(300)의 최대토크제어시 총자속을 이용하는 방법을 제시하고 있으며 구체적으로 하기의 수식을 이용하여 도출하는 방법을 제시하고 있다.

V_DC: 컨버터(600) 출력전압, λ_mag: 제2모터(300) 최대토크제어시 총자속, w_r: 제2모터(300)회전속도, λ_ds: 제2모터(300) 최대토크제어시 d축자속, λ_qs: 제2모터(300) 최대토크제어시 q축자속

여기서 d축자속과 q축자속은 모터의 동기좌표계에서 쓰는 좌표기준에서의 자속값을 의미한다.

앞선 경우와 달리 제1모터(200)가 동작하고 있거나 제1모터(200)의 동작이 정지되어 있더라도 차량의 요구출력이 상기 컨버터(600)의 최대출력 이하인 경우에는 제1모터(200) 및 제1인버터(400)를 이용하여 컨버팅 회로를 구현할 필요가 없기 때문에 제어부(900)에서 중성점스위치(700)를 오프시킨다.

또한 이 경우 컨버터(600)의 출력전압은 앞선 경우와 달리 제1모터(200)와 제2모터(300)를 모두 고려해야 하므로 제1모터(200)의 회전속도, 제1모터(200)의 최대토크제어시 총자속, 제2모터(300)의 회전속도와 제2모터(300)의 최대토크제어시 총자속을 이용하여 도출한다. 구체적으로는 하기의 수식을 이용하여 도출된 제1모터(200)와 제2모터(300)에 따른 컨버터(600)의 출력전압 중 큰 값을 제어부(900)에서 컨버터(600)의 출력전압으로 설정하게 될 것이다.

도1의 구성도를 보면 알 수 있듯이 본 발명에서는 중성점 스위치 외에 컨버터(600)의 일측과 타측에서 컨버터(600)와 병렬로 연결되는 바이패스 스위치(800);를 더 포함하고 있다. 이는 하이브리드 차량이 EV(Electric Vehicle) 모드로 주행함에 있어서 컨버터(600)의 승압 과정을 거치지 않고도 차량의 출력을 향상시킬 수 있도록 하기 위함이다. 따라서 본 발명에 따를 경우 차량이 EV 모드로 주행시 컨버터(600)와 병렬로 연결되는 바이패스 스위치(800)로 인하여 배터리(100)에 의한 전류가 컨버터(600)를 경유하지 않고 바이패스 스위치(800)를 경유하여 흐르게 된다. 그러므로 배터리(100)로부터의 전류흐름이 컨버터(600)에 포함되어 있는 인버터, 파워모듈과 기생저항을 거치지 않고 바이패스 스위치(800)만을 거치게 됨으로써 기존 인덕터와 커패시터에 의하여 발생하는 공진회피가 가능해지고 기생저항등에 의한 전력손실이 감소되는바 시스템의 효율이 증가하게 된다.

이러한 바이패스 스위치(800)의 제어를 위하여 본 발명에 따른 제어부(900)는 바이패스 스위치(800)의 온오프를 제어함으로써 배터리(100)의 전력이 상기 바이패스 스위치(800)를 통해 상기 제1인버터(400) 또는 제2인버터(500)에 직접 공급되도록 제어한다.

구체적으로 하이브리드 차량이 전기차 모드 즉 EV모드시에는 제어부(900)에서 바이패스 스위치(800)를 온시키는 제어를 통하여 상기 배터리(100)의 전력이 상기 제1인버터(400)에 직접 공급되도록 제어한다. 제1인버터(400)를 이용한 출력만으로도 차량의 요구 출력을 충분히 만족시킬 수 있다면 제2인버터(500)를 구동할 필요가 없으므로 이 같은 경우에는 제2인버터(500)로 전력이 공급되지 않고 배터리(100)의 전력이 모두 제1인버터(400)로 공급되도록 하는 것이다.

그러나 앞선 경우와 달리 차량의 요구 출력값이 제어부(900)에 기설정된 출력제한값을 초과하는 경우에는 제1인버터(400)의 출력만으로는 차량의 요구출력을 만족시킬 수 없는 경우에 해당하는바 제어부(900)에서 제1인버터(400)와 제2인버터(500)의 게이트 전압을 제어하여 배터리(100)의 전력이 제1인버터(400)와 제2인버터(500)에 직접 공급되도록 제어한다. 제1인버터(400)와 제2인버터(500)가 모두 구동하게 되면 제1인버터(400)가 구동하는 경우보다 차량의 출력이 높아지게 되므로 차량의 요구 출력을 만족할 수 있는 상태에 놓여지기 때문이다. 따라서 본 제어단계에서의 출력제한값은 차량의 종류 및 상태에 따라 다양한 값을 가질 수 있겠지만 일반적으로 제1인버터(400)의 최대출력을 출력제한값으로 보는 것이 바람직할 것이다.

본 발명은 특정한 실시예에 관련하여 도시하고 설명하였지만, 이하의 청구범위에 의해 제공되는 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 한도 내에서, 본 발명이 다양하게 개량 및 변화될 수 있다는 것은 당 업계에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어서 자명할 것이다.

100: 배터리 200: 제1모터
300: 제2모터 400: 제1인버터
500: 제2인버터 600: 컨버터
700: 중성점스위치 800: 바이패스 스위치
900: 제어부

Claims

충방전이 가능한 배터리;
차량 구동륜에 연결되어 전동기 또는 발전기로 동작하는 제1모터;
차량 구동륜에 연결되어 전동기 또는 발전기로 동작하는 제2모터;
상기 제1모터에 연결된 제1인버터;
상기 제2모터에 연결된 제2인버터;
일측이 상기 배터리와 연결되고 타측이 상기 제1인버터 및 제2인버터에 함께 연결되어 상기 배터리로부터 인가 받은 전압을 변환한 출력전압을 상기 제1인버터 및 제2인버터에 공급하는 컨버터;
상기 컨버터의 일측과 상기 제1모터의 중성점간에 연결되는 중성점스위치; 및
상기 제1모터의 동작여부 및 차량의 요구출력에 따라 상기 스위치의 온오프를 제어하는 제어부;를 포함하며,
상기 제어부는, 상기 제1모터의 동작이 정지되어 있고 차량의 요구출력이 상기 컨버터의 최대출력을 초과하는 경우 상기 중성점스위치를 온시키는 것을 특징으로 하는 하이브리드 차량의 출력 제어 시스템.
삭제
청구항 1에 있어서,
상기 제어부는,
상기 중성점스위치가 온 된 경우 제1인버터의 3상 중 한 상만을 출력하도록 제1인버터를 제어하는 것을 특징으로 하는 하이브리드 차량의 출력 제어 시스템.
청구항 1에 있어서,
상기 제어부는,
상기 중성점스위치가 온 된 경우 제1인버터의 3상이 번갈아가며 한 상만을 출력하도록 제1인버터를 제어하는 것을 특징으로 하는 하이브리드 차량의 출력 제어 시스템.
청구항 1에 있어서,
상기 컨버터의 출력전압은 제2모터의 회전속도와 제2모터의 최대토크제어시 총자속을 이용하여 도출하는 것을 특징으로 하는 하이브리드 차량의 출력 제어 시스템.
청구항 1에 있어서,
상기 컨버터의 출력전압은 하기의 수식을 이용하여 도출하는 것을 특징으로 하는 하이브리드 차량의 출력 제어 시스템.

V_DC: 컨버터 출력전압, λ_mag: 제2모터 최대토크제어시 총자속, w_r: 제2모터회전속도, λ_ds: 제2모터 최대토크제어시 d축자속, λ_qs: 제2모터 최대토크제어시 q축자속
청구항 1에 있어서,
상기 제어부는,
상기 제1모터가 동작하고 있는 경우 상기 중성점스위치를 오프시키는 것을 특징으로 하는 하이브리드 차량의 출력 제어 시스템.
청구항 1에 있어서,
상기 제어부는,
상기 제1모터의 동작이 정지되어 있고 차량의 요구출력이 상기 컨버터의 최대출력 이하인 경우 상기 중성점스위치를 오프시키는 것을 특징으로 하는 하이브리드 차량의 출력 제어 시스템.
청구항 7 또는 8에 있어서,
상기 컨버터의 출력전압은 제1모터의 회전속도, 제1모터의 최대토크제어시 총자속, 제2모터의 회전속도와 제2모터의 최대토크제어시 총자속을 이용하여 도출하는 것을 특징으로 하는 하이브리드 차량의 출력 제어 시스템.
청구항 1에 있어서,
상기 컨버터의 일측과 타측에서 컨버터와 병렬로 연결되는 바이패스 스위치;를 더 포함하고,
제어부는,
상기 바이패스 스위치의 온오프를 제어함으로써 상기 배터리의 전력이 상기 바이패스 스위치를 통해 상기 제1인버터 또는 제2인버터에 직접 공급되도록 제어하는 것을 특징으로 하는 하이브리드 차량의 출력 제어 시스템.
청구항 10에 있어서,
하이브리드 차량이 전기차 모드시에는,
상기 제어부에서 상기 바이패스 스위치를 제어하여 상기 배터리의 전력이 상기 제1인버터에 직접 공급되도록 제어하는 것을 특징으로 하는 하이브리드 차량의 출력 제어 시스템.
청구항 11에 있어서,
하이브리드 차량의 요구 출력값이 제어부에 기설정된 출력제한값을 초과하는 경우,
상기 제어부에서 상기 제1인버터와 제2인버터의 게이트 전압을 제어하여 상기 배터리의 전력이 상기 제1인버터와 제2인버터에 직접 공급되도록 제어하는 것을 특징으로 하는 하이브리드 차량의 출력 제어 시스템.