KR102100782B1 - 슈퍼 커패시터를 구비한 공회전 제한 장치 및 공회전 제한 장치의 제어 방법 - Google Patents

슈퍼 커패시터를 구비한 공회전 제한 장치 및 공회전 제한 장치의 제어 방법 Download PDF

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김성재
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Abstract

엔진을 시동하는 모터; 상기 모터에 전원을 공급하는 배터리; 상기 배터리로 충전되고 상기 모터에 전원을 공급하는 슈퍼 커패시터; 를 포함하고, 공회전 제한 장치가 켜져 있고 사용자가 브레이크에서 발을 떼거나 액셀레이터를 밟으면 상기 엔진의 시동을 위하여 상기 모터에 전원이 공급되며, 상기 슈퍼 커패시터만 상기 모터에 연결되는 제1 모드 또는 상기 슈퍼 커패시터와 상기 배터리가 모두 상기 모터에 연결되는 제2 모드 중의 어느 하나에 의하여 상기 모터에 전원이 공급되는 공회전 제한 장치 및 그 제어 방법이 기재된다.

Description

슈퍼 커패시터를 구비한 공회전 제한 장치 및 공회전 제한 장치의 제어 방법{Idling restriction device with super capacitor and control method of the same}
본 발명은 공회전 제한 장치(ISG : Idle Stop & Go) 및 그 제어 방법에 관한 것이다.
ISG 장치는, 자동차가 신호 등으로 인해 정차하면 엔진을 자동으로 끄고, 재출발시 브레이크에서 발을 떼거나 액셀레이터에 발을 올리면 자동으로 엔진을 시동하는 공회전 제한 장치이다.
ISG가 설치되지 않은 일반적인 차량에서 엔진 시동을 위하여 배터리를 모터에 연결하면 모터에 수십 암페어의 급격한 전류가 공급될 수 있다.
만약, 모터와 배터리를 10초 이상 연결하면 모터의 전극이 과전류로 인하여 소모될 수 있고, 모터의 수명이 저하되는 원인이 될 수 있다. 시동 횟수가 많아지거나 급격한 방전을 반복하면 배터리의 수명도 저하된다.
급격한 전류 방전으로 인한 모터 및 배터리의 수명 저하는 신호 대기 때마다 수시로 엔진 시동이 반복되는 ISG 장착 차량에서 더욱 두드러질 수 있다.
직관적으로 볼 때, ISG 장착 차량은 신호 대기 중에 배기 가스를 방출하지 않는다는 환경상의 장점이 보인다. 그러나, ISG 시스템으로 인하여 모터나 배터리의 교환 주기가 짧아진다면 차량 수리 비용이 증가하고 부품 생산 공정에서 환경이 더욱 심하게 오염된다는 역설적인 결과를 가져온다.
본 발명의 공회전 제한 장치는, 엔진을 시동하는 모터; 상기 모터에 전원을 공급하는 배터리; 상기 배터리로 충전되고 상기 모터에 전원을 공급하는 슈퍼 커패시터; 를 포함할 수 있다.
공회전 제한 장치가 켜져 있고 사용자가 브레이크에서 발을 떼거나 액셀레이터를 밟으면 상기 엔진의 시동을 위하여 상기 모터에 전원이 공급되며, 상기 슈퍼 커패시터만 상기 모터에 연결되는 제1 모드, 또는 상기 슈퍼 커패시터와 상기 배터리가 모두 상기 모터에 연결되는 제2 모드 중의 어느 하나에 의하여 상기 모터에 전원이 공급될 수 있다.
본 발명의 공회전 제한 장치의 제어 방법은, 공회전 제한 장치가 켜져 있는지 여부를 판단하는 단계; 공회전 제한 장치가 켜져 있고, 사용자가 브레이크를 밟아 차량이 정지하였는지 여부를 판단하는 단계; 차량이 정지 상태라고 판단되면, 공회전 제한 장치가 엔진을 오프하는 단계; 차량의 재출발을 위하여, 사용자가 브레이크에서 발을 떼거나 액셀레이터를 밟으면, 엔진 시동을 위하여 모터에 전원이 공급되며, 슈퍼 커패시터만 상기 모터에 연결되는 제1 모드, 또는 상기 슈퍼 커패시터와 배터리가 모두 상기 모터에 연결되는 제2 모드 중의 어느 하나에 의하여 전원이 공급되는 단계; 를 포함할 수 있다.
상기 제1 모드는 상기 슈퍼 커패시터의 충전량이 상기 엔진의 시동에 필요한 기준값보다 큰 경우이며, 상기 배터리는 차단되고 상기 슈퍼 커패시터만으로 상기 모터를 구동하는 모드일 수 있다.
상기 제2 모드는 상기 슈퍼 커패시터의 충전량이 상기 엔진의 시동에 필요한 상기 기준값보다 작은 경우이며, 상기 슈퍼 커패시터와 상기 배터리가 모두 상기 모터를 구동하는 모드일 수 있다.
본 발명은 ISG 장치의 빈번한 시동시, 전원 공급 보조 수단인 슈퍼 커패시터를 채용하였으므로, 배터리의 과방전을 줄여 배터리의 수명 단축을 방지할 수 있다.
본 발명은 슈퍼 커패시터와 배터리의 동시 방전은 모터에 입력되는 대전류의 파형을 평활화할 수 있으므로 모터 구동 전류의 피크값을 많이 낮출 수 있고, 모터 전극의 소모를 방지할 수 있으며 결과적으로 모터 수명 단축을 방지할 수 있다.
본 발명은 슈퍼 커패시터와 배터리의 동시 방전을 통하여 모터 구동 전압의 급격한 감소를 줄일 수 있고, 모터의 부드러운 기동 특성을 얻을 수 있으므로 ISG 장치의 빈번한 동작시 승차감의 저하를 막을 수 있다.
도 1은 본 발명의 공회전 제한 장치의 동작을 도시한 순서도이다.
도 2는 본 발명의 공회전 제한 장치의 초기 상태를 도시한 블록도이다.
도 3은 본 발명의 공회전 제한 장치에 의한 엔진 오프시 슈퍼 커패시터가 충전되는 상태를 도시한 블록도이다.
도 4는 본 발명의 공회전 제한 장치에 의한 엔진 스타트시 슈퍼 커패시터와 배터리의 동시 방전 상태를 도시한 블록도이다.
도 1은 내지 도 4를 함께 참조하며, 본 발명의 공회전 제한 장치의 구성 및 동작을 상세히 설명한다.
먼저 도 1을 참조하면, 사용자는 차량의 공회전 제한 장치를 끄고 신호 대기시에도 엔진 시동이 꺼지지 않는 일반 상태로 운전할 수 있다. 사용자가 공회전 제한 장치를 켜면, 사용자가 브레이크를 밟고 이에 따라 차량이 정차하면 공회전 제한 장치가 엔진 시동을 끈다. 사용자가 브레이크를 떼거나 액셀레이터를 밟으면 공회전 제한 장치는 엔진 시동을 위하여 모터(110)를 구동한다.
S01 단계에서, 공회전 제한 장치가 켜져 있는지 여부를 판단한다. 공회전 제한 장치가 오프이면, 브레이크나 액셀 동작에 따라 모터(110)를 온오프하는 공회전 제한 장치의 동작이 오프되며, 슈퍼 커패시터(130)의 작동도 불필요할 수 있다. 공회전 제한 장치가 온되면 S02 단계가 수행되며, 본 발명의 슈퍼 커패시터(130)와 배터리(120)의 연동 기능이 작동될 수 있다.
S02 단계에서, 차량 감속을 위하여 브레이크를 밟았는지 여부를 판단한다.
S03 단계에서, 브레이크의 동작에 의하여 차량이 완전히 정지하였는지 여부를 판단한다. 만약, 차량이 완전히 정지하지 않았다면 차량의 감속을 위한 브레이크 동작으로 판단하고 엔진(100)을 오프하지 않는다.
S04 단계에서, 차량이 완전히 정차하였다고 판단되면 배기 가스를 배출하지 않도록 엔진(100)을 오프한다.
S05 단계에서, 차량의 재출발을 위하여, 사용자가 브레이크를 밟지 않고 브레이크에서 발을 떼었는지 여부 또는 액셀레이터를 밟았는지 여부를 판단한다.
S06 단계에서, 사용자가 브레이크를 떼었거나 액셀레이터를 밟았으면, 엔진 시동을 위하여 모터(110)를 온시킨다. 이때, 모터(110)에 대전류가 입력되어야 한다.
본 발명의 공회전 제한 장치는, 공회전 제한 장치가 켜진 상태에서 엔진 시동을 위하여 모터(110)를 구동할 때, 슈퍼 커패시터(130)만 모터(110)에 연결하는 제1 모드로 동작되거나, 슈퍼 커패시터(130)와 배터리(120)를 모두 모터(110)에 연결하는 제2 모드로 동작될지를 판단하여 수행된다.
제1 모드는 슈퍼 커패시터(130)의 충전량이 엔진(100)의 시동에 필요한 기준값보다 큰 경우이며, 배터리(120)는 차단하고 슈퍼 커패시터(130)만으로 엔진(100)을 시동할 수 있다. 슈퍼 커패시터(130)는 대전류를 순간적으로 방전해도 수명에 영향을 받지 않는 특성을 가진다. 따라서, 공회전 제한 장치를 자주 사용해도 배터리(120)의 수명이 보호되는 장점을 최대한 얻을 수 있다.
제2 모드는 슈퍼 커패시터(130)의 충전량이 엔진(100)의 시동에 필요한 기준값보다 작은 경우이며, 슈퍼 커패시터(130)만으로 시동을 걸기 부족할 수 있으므로 슈퍼 커패시터(130)와 배터리(120)를 모두 모터(110)에 연결하여 일발 시동을 거는 경우이다. 이 경우에도, 종래의 배터리(120)만으로 시동을 거는 경우에 비하여 배터리(120)의 수명이 보호되는 장점을 얻을 수 있다.
S07 단계에서, 사용자가 브레이크를 계속 밟고 있으면 신호 대기 정차 상태이므로 배터리(120)를 슈퍼 커패시터(130)에 연결하여 슈퍼 커패시터(130)를 충전한다.
도시된 순서도에 한정되지 않고, 차량의 정지 여부, 모터(110)의 정지 여부, 공회전 제한 장치의 동작 여부에 상관없이 슈퍼 커패시터(130)의 충전량이 모자라면 배터리(120)를 연결하여 슈퍼 커패시터(130)를 항상 충전할 수 있다.
도 2는 본 발명의 공회전 제한 장치의 초기 상태를 도시한 블록도이다.
엔진(100)을 시동하는 모터(110)가 마련된다. 모터(110)에 전원을 공급하기 위하여 배터리(120) 및 슈퍼 커패시터(130)가 마련된다.
슈퍼 커패시터(130)를 배터리(120)에 연결하는 충전 릴레이(150)가 마련된다. 슈퍼 커패시터(130)와 모터(110)는 제1 방전 릴레이(160)에 의하여 연결되고, 배터리(120)와 모터(110)는 제2 방전 릴레이(140)에 의하여 연결된다. 공회전 제한 장치가 온 상태이고 차량이 주행 중인 초기 상태에서는 충전 릴레이(150), 제1 방전 릴레이(160), 및 제2 방전 릴레이(140)가 모두 오프 상태이고, 모터(110)에는 배터리(120) 및 슈퍼 커패시터(130)의 전원 공급이 차단된다.
도 3은 본 발명의 공회전 제한 장치에 의한 엔진(100) 오프시 슈퍼 커패시터(130)가 충전되는 상태를 도시한 블록도이다. 공회전 제한 장치가 온 상태이고 사용자가 브레이크를 밟아 차량이 정지 상태이며 공회전 제한 장치에 의하여 엔진 시동이 오프 상태이면, 충전 릴레이(150)가 온 상태이며 슈퍼 커패시터(130)가 배터리(120)에 연결되고 배터리(120)에 의하여 슈퍼 커패시터(130)가 충전된다. 슈퍼 커패시터(130)의 충전량이 차량의 시동에 필요한 기준값에 도달할 때까지 충전 릴레이(150)가 온되며 슈퍼 커패시터(130)가 충전될 수 있다.
도 4는 본 발명의 공회전 제한 장치에 의한 엔진(100) 스타트시 슈퍼 커패시터(130)와 배터리(120)의 동시 방전 상태를 도시한 블록도이다. 공회전 제한 장치가 온 상태이고 사용자가 브레이크를 떼거나 액셀레이터를 밟으면 공회전 제한 장치에 의하여 엔진(100)이 스타트된다. 충전 릴레이(150)는 오프 상태이고, 제1 방전 릴레이(160)가 온 상태이며 슈퍼 커패시터(130)가 모터(110)에 전원을 공급한다.
슈퍼 커패시터(130)의 충전량이 차량의 시동에 필요한 기준값보다 크면 제1 방전 릴레이(160)만 온 상태이고 제2 방전 릴레이(140)는 도 4의 참조 부호 ①로 표시된 오프 상태를 유지하며, 슈퍼 커패시터(130)의 방전에 의하여 모터(110)가 시동될 수 있다. 슈퍼 커패시터(130)만으로 시동을 걸면 배터리(120)의 급격한 전류 변화 또는 전압 변화를 방지할 수 있으므로 배터리(120)의 수명이 연장될 수 있다.
한편, 슈퍼 커패시터(130)의 충전량이 차량의 시동에 필요한 기준값보다 작으면 슈퍼 커패시터(130)만으로 시동이 어려우므로, 슈퍼 커패시터(130)와 모터(110)를 연결하는 제1 방전 릴레이(160)가 온 상태이며, 배터리(120)와 모터(110)를 연결하는 제2 방전 릴레이(140)가 온 상태로 연결될 수 있고, 슈퍼 커패시터(130)와 함께 배터리(120)가 모터(110)에 전원을 공급할 수 있다.
본 발명에 의하면, 배터리(120)를 보조하는 슈퍼 커패시터(130)가 마련되므로 배터리(120)의 급격한 방전 횟수를 줄일 수 있어 배터리(120)의 수명이 연장될 수 있다. 모터(110)에 충분한 전원이 공급될 수 있으므로 일발 시동이 이루어질 수 있고, 결과적으로 모터(110)의 사용 횟수나 사용 시간을 줄일 수 있으므로 모터(110)의 수명 연장도 기대할 수 있다.
100...엔진 110...모터
120...배터리 130...슈퍼 커패시터
140...제2 방전 릴레이 150...충전 릴레이
160...제1 방전 릴레이

Claims (3)

  1. 엔진을 시동하는 모터;
    상기 모터에 전원을 공급하는 배터리;
    상기 배터리로 충전되고 상기 모터에 전원을 공급하는 슈퍼 커패시터;
    상기 슈퍼 커패시터를 상기 배터리에 연결하는 충전 릴레이;
    상기 슈퍼 커패시터와 상기 모터를 연결하는 제1 방전 릴레이;
    상기 배터리와 상기 모터를 연결하는 제2 방전 릴레이;
    를 포함하고,
    공회전 제한 장치가 켜져 있고 사용자가 브레이크에서 발을 떼거나 액셀레이터를 밟으면 상기 엔진의 시동을 위하여 상기 모터에 전원이 공급되며,
    상기 슈퍼 커패시터만 상기 모터에 연결되는 제1 모드, 또는 상기 슈퍼 커패시터와 상기 배터리가 모두 상기 모터에 연결되는 제2 모드 중의 어느 하나를 판단하여 상기 모터에 전원이 공급되고,
    공회전 제한 장치가 온 상태이고 차량이 주행 중인 초기 상태에서는 상기 충전 릴레이, 상기 제1 방전 릴레이, 및 상기 제2 방전 릴레이가 모두 오프 상태이고 상기 모터에는 상기 배터리 및 상기 슈퍼 커패시터의 전원 공급이 차단되며,
    공회전 제한 장치에 의하여 엔진 시동이 오프 상태이면, 상기 충전 릴레이가 온 상태이며 상기 슈퍼 커패시터가 상기 배터리에 연결되고 상기 배터리에 의하여 상기 슈퍼 커패시터가 충전되며,
    공회전 제한 장치가 엔진을 시동시, 상기 충전 릴레이는 오프 상태이고, 상기 제1 방전 릴레이가 온 상태이며 상기 슈퍼 커패시터가 상기 모터에 전원을 공급하고,
    상기 슈퍼 커패시터의 충전량이 차량의 시동에 필요한 기준값보다 크면, 상기 제1 방전 릴레이만 온 상태이고 상기 제2 방전 릴레이는 오프 상태를 유지하며,
    상기 슈퍼 커패시터의 충전량이 차량의 시동에 필요한 상기 기준값보다 작으면, 상기 제1 방전 릴레이 및 상기 제2 방전 릴레이가 온 상태이고 상기 슈퍼 커패시터와 함께 상기 배터리가 상기 모터에 전원을 공급하는 공회전 제한 장치.
  2. 삭제
  3. 공회전 제한 장치가 켜져 있는지 여부를 판단하는 단계;
    공회전 제한 장치가 켜져 있고, 사용자가 브레이크를 밟아 차량이 정지하였는지 여부를 판단하는 단계;
    차량이 정지 상태라고 판단되면, 공회전 제한 장치가 엔진을 오프하는 단계;
    차량의 재출발을 위하여, 사용자가 브레이크에서 발을 떼거나 액셀레이터를 밟으면, 엔진 시동을 위하여 모터에 전원이 공급되며, 슈퍼 커패시터만 상기 모터에 연결되는 제1 모드, 또는 상기 슈퍼 커패시터와 배터리가 모두 상기 모터에 연결되는 제2 모드 중의 어느 하나를 판단하여 모터에 전원이 공급되는 단계; 를 포함하고,
    상기 제1 모드는 상기 슈퍼 커패시터의 충전량이 상기 엔진의 시동에 필요한 기준값보다 큰 경우이며, 상기 배터리는 차단되고 상기 슈퍼 커패시터만으로 상기 모터를 구동하는 모드이고,
    상기 제2 모드는 상기 슈퍼 커패시터의 충전량이 상기 엔진의 시동에 필요한 상기 기준값보다 작은 경우이며, 상기 슈퍼 커패시터와 상기 배터리가 모두 상기 모터를 구동하는 모드인 공회전 제한 장치의 제어 방법.
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