KR20020097353A - 직렬형 하이브리드 전기 자동차의 발전기 동력 제어 방법 - Google Patents

직렬형 하이브리드 전기 자동차의 발전기 동력 제어 방법 Download PDF

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KR20020097353A
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현대자동차주식회사
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Abstract

본 발명은 직렬형 하이브리드 전기 자동차에 있어서, 구동을 위하여 발전기에서 발생되는 전력을 연비에 맞게 만들어진 데이터에 따라 출력하도록 제어하는 방법에 관한 것이다. 따라서 본 발명은 운전 조건에 따라 필요한 발전기의 동력을 HSFC 테이블에 입력하여, 발전기 동력에 대응하는 최적의 엔진 토크치 및 발전기 각속도치를 결정하고, 최적의 엔진 토크치 및 발전기 각속도치를 지시 신호로 변환한 후, 각각 엔진 제어부 및 발전기 제어부에 송신하여 엔진 및 발전기를 작동시키며, 작동 결과를 또다른 제어부에서 신호화하여 제어부 전단으로 피드백하고, 엔진과 발전기의 출력으로 변환한다. 특히 엔진 토크치와 발전기 토크치의 합이 0이 되도록 하는 것이 바람직하다. 따라서 연비와 가스 배출이 적도록 발전기를 제어하는 동시에 효율적으로 운전할 수 있다.

Description

직렬형 하이브리드 전기 자동차의 발전기 동력 제어 방법 {THE METHOD FOR CONTROLLING POWER GENERATOR OF SERIES HEV}
본 발명은 하이브리드 전기 자동차의 발전기에 관한 것으로, 특히 발전 효율이 최대가 되도록 직렬형 하이브리드 전기 자동차의 발전기 동력을 제어하는 방법에 관한 것이다.
일반적으로 내연 기관 자동차는 가솔린 또는 경유 등의 연료를 사용하여 이를 혼합 공기와 동시에 엔진의 내부에 흡입하여 연소시킴으로써 구동력을 발생시켜자동차의 주행이 이루어진다. 또한 태양광 자동차는 태양광 에너지를 흡수하여 이를 전기적 에너지로 변환시켜 모터를 구동시킴으로써 자동차의 주행이 이루어진다.
이에 비해, 전기 자동차(electric vehicle)는 배터리 등의 전기 에너지를 이용하여 전동기를 회전시켜 바퀴를 구동시킴으로써 자동차의 주행이 이루어지는 것이다. 이러한 전기 자동차는 소음 및 배출 가스등의 공해 문제를 해결할 수 있어서 새로운 교통 수단으로 정착되도록 적극적인 연구 개발이 이루어지고 있다.
자동차에서 배출되는 공해 가스 문제를 근본적으로 해결할 수 있는 해법으로 일찍부터 전기 자동차가 제시되어 왔으나 배터리 기술이 발달되지 않아 실용화 연구가 미루어져 왔으며, 수년간의 집중적인 투자에도 불구하고 배터리 기술 개발이 예상만큼 진전되지 못하였기 때문에 전기 자동차 기술이 가까운 장래에 완성되기 어렵다는 회의적인 전망이 높아지게 되었다.
이와 같은 시점에서 지금까지 개발되어 온 배터리 기술을 활용하고, 동시에 전기 자동차 개발을 계속하면서 전기 자동차가 실용화되기 전까지라도 시급한 공해 문제를 지속적으로 개선할 수 있는 방안으로 하이브리드(hybrid) 자동차 기술이 제시되었다.
하이브리드 자동차 개념은 지금까지 발전되어온 기존 자동차 엔진과 새롭게 발전되어 가고 있는 배터리를 조합하여 사용하는 경우, 엔진만을 사용할 경우보다 배출 가스 공해를 줄일 수 있고, 전기 자동차에서 가장 큰 결점으로 지적되고 있는 1회 충전시 주행 거리가 짧은 점을 보완할 수 있으며, 향후 배터리 기술이 향상되는 대로 엔진 크기를 줄임으로써 궁극적으로 전기 자동차로 이전되어 갈 수 있으므로 하이브리드 자동차는 전기 자동차로 가는 과도기 기술로 볼 수 있다.
하이브리드 자동차의 강점으로는 동력원을 다양화할 수 있으며, 현재 연구되고 있는 예를 들면, 연료를 사용하는 엔진으로는 기존의 가솔린이나 디젤뿐만 아니라 압축 천연 가스(CNG), 연료 전지(fuel cell), 가스 터빈 등이 있으며 에너지 저장 장치로 밧데리, 축전기(capacitor) 이외에도 회전력을 저장하는 플라이휠 (flywheel), 유압 저장 방식 등 상당히 다양하며 태양 에너지 이용까지도 용이하다.
넓은 의미의 하이브리드(hybrid) 자동차는 서로 다른 2 종류 이상의 동력원을 효율적으로 조합하여 차량을 구동하는 것을 의미하나, 대부분의 경우는 연료를 사용하여 동력을 얻는 엔진과 전기로 구동시키는 전기 모터로 구성된 시스템을 말한다.
하이브리드 자동차는 동력원의 차량 구동 방법에 따라 두 가지로 분류된다. 연비와 배출 가스를 최소화하도록 엔진을 최적 상태로 작동시키면서 전지를 충전시키고 이 전지 에너지를 사용하는 전기 모터가 자동차를 직접 구동시키는 직렬 방식(series type)과 엔진이 배터리만을 충전시키거나 또는 전기 모터와 함께 자동차를 직접 구동시키는 병렬 방식(parallel type)이 있으며 엔진과 모터의 배열에 따라 다양한 종류의 병렬 방식이 가능하다. 특히 직렬 방식은 구조가 간단하고 제어가 용이하며 최적점에서 엔진이 운전되기 때문에 유해 배출 가스가 적은 장점이 있다.
본 발명은 이러한 직렬 방식의 하이브리드 자동차에 관한 것으로 연비와 배출 가스를 최소화하면서 엔진과 모터를 구동하는 것에 관한 것이다. 본 발명은 이를 실현하기 위하여, 발전 효율이 최대가 되도록 직렬형 하이브리드 전기 자동차의 발전기 동력을 제어하는 방법을 개시하고, 이들을 구동하기 위한 장치를 구비한다.
연비와 배출 가스를 최소화하면서 엔진과 모터를 구동하여 본 발명의 목적을 달성할 수 있으며, 하이브리드 자동차에 적합한 발전 시스템을 갖출 수 있다.
도 1은 직렬형 하이브리드 전기 자동차의 구조를 나타낸 모식도이고,
도 2a는 직렬형 하이브리드 전기 자동차에 있어서 발전 장치, 배터리 장치 및 모터 구동 장치의 상관 관계를 나타낸 모식도이고,
도 2b는 발전기 및 모터의 배터리에 대한 전력 소비 관계를 나타낸 도이고,
도 3은 본 발명에 따라 발전기를 제어하는 방법을 나타낸 흐름도이고,
도 4는 발전기를 제어하는 데 있어서 사용하는 HSFC 테이블을 선형화함으로써 엔진 및 발전기의 최적 운전점을 나타낸 것이다.
본 발명은 직렬형 하이브리드 전기 자동차의 발전 시스템 제어 장치에 관한 것으로서, 운전 조건에 따라 필요한 발전기 동력을 HSFC 테이블에 입력하는 입력부, 입력부로부터 요청된 발전기 동력을 수신하여 이에 대응하는 최적의 엔진 토크치 및 발전기 각속도치를 결정하는 HSFC 테이블, 최적의 엔진 토크치 및 발전기 각속도치를 수신하여 엔진 토크 제어 신호 및 발전기 각속도 제어 신호를 엔진 및 발전기에 송신하는 제1 제어부, 제1 제어부로부터 수신한 신호에 따라 엔진 및 발전기가 작동하는 작동부, 작동 결과의 토크치에 따라 출력을 내도록 하는 변환부, 및 작동 결과를 분석하고 그 결과로부터 해독한 각속도를 신호화하여 제1 제어부 전단(前段)으로 피드백(feedback)하는 제2 제어부를 포함한다.
또한 본 발명의 발전 시스템 제어 방법의 단계를 나누어 보면, 운전 조건에 따라 필요한 발전기 동력을 HSFC(Hybrid Specific Fuel Consumption, 하이브리드 특정 연료 소비) 테이블에 입력하는 단계, HSFC 테이블로부터 발전기 동력에 대응하는 최적의 엔진 토크치 및 발전기 각속도치를 결정하는 단계, 최적의 엔진 토크치 및 발전기 각속도치가 지시 신호로 변환된 후, HSFC 테이블로부터 분기(branch)되어 각각 엔진 제어부 및 각속도 제어부에 송신되는 단계, 엔진 제어부 및 발전기 제어부의 지시에 따라 엔진 및 발전기를 작동시키는 단계, 작동 결과에 따라 이를 출력으로 변환하는 단계 및 작동 결과에서 해독한 각속도를 신호화하여 제1 제어부 전단(前段)으로 피드백(feedback)하는 단계를 포함하며, 엔진과 발전기 토크의 합이 0이 되도록 한다.
본 발명에 따른 하이브리드 자동차의 발전 효율을 도면을 참조하여 자세하게 설명한다.
도 1은 본 발명의 하이브리드 자동차의 구조를 나타낸다. 본 발명의 하이브리드 자동차는 상호 동축으로 직렬 연결된 엔진과 발전기, 발전기에서 생성된 전기를 저장하는 배터리, 엔진을 제어하기 위한 엔진 제어부, 발전기를 제어하기 위한 발전기 제어부, 구동 모터를 제어하기 위한 모터 제어부, 에너지를 축적할 수 있는 배터리를 제어하기 위한 배터리 제어부, 엔진과 발전기로부터 생산된 전기적 에너지를 기계적 에너지로 변환시키는 구동 모터 및 인버터(inverter) 등으로 이루어져 있다. 엔진과 발전기는 동일한 축에 물려 있어서 동일한 방향으로 회전하지만, 토크는 서로 반대 방향이므로 발전기에서 전력을 생산할 수 있다. 엔진과 모터는 서로 다른 축에 물려 있다. 본 발명에 있어서 각 제어부는 통신을 통하여 상호간에 서로 정보를 주고 받는다.
도 2a는 본 발명에 있어서 하이브리드 자동차의 구동에 사용되는 전기 에너지의 흐름을 나타낸다. 발전기에서 생산된 동력(Pgen)은 구동 모터를 구동하는 데 필요한 동력(Pmot)으로 사용되고 나머지는 배터리에 충전(Pbat)된다. 하이브리드 자동차에 있어서 이러한 배터리에 저장된 전기는 자동차를 구동하는 데 사용된다.
도 2b는 하이브리드 자동차에 있어서의 운전 모드를 나타낸다. 발전기에서 생성된 동력이 배터리와 모터에 어떠한 비로 분배되는지 여부에 따라 운전 모드가 나뉘어진다.
먼저 배터리의 상태에 따라 크게 충전 모드(charging mode)와 방전 모드 (discharging mode)로 나눌 수 있다. 충전 모드(Pbat> 0)는 발전기에서 생산된 전기를 배터리에 저장하는 단계이므로 충전 상태(state of charge, SOC)를 유지하고, 방전 모드(Pbat< 0)는 배터리에 저장된 전기를 구동 모터에 사용하기 위하여 외부로 내보내는 단계이다.
또한 작동 모드에 따라, 발전기의 발전량과 구동 모터의 소모 전력이 동일한 경우인 엔진 모드(engine mode)(Pgen= Pmot)와 발전기에서 생산되는 동력이 없는 경우의 EV 모드(electric vehicle mode)(Pbat= Pmot)로 나눌 수 있다. 특히 EV 모드에서는 발전기에서 생산되는 동력이 없어서 모든 동력이 배터리에서 공급되므로 순수 전기 자동차처럼 동작한다.
도 3은 본 발명에 있어서 발전 효율이 최대가 되도록 직렬형 하이브리드 전기 자동차의 발전기 동력을 제어하는 방법을 흐름도로 나타낸 것이다. 먼저 주행중 발전기의 동력(Pgen *)이 필요한 경우, 이 정도의 동력이 필요하다는 요청 신호를 송신한다. 본 발명에서 이러한 동력(Pgen *)을 발생시키는 데 필요한 연비 및 배출 가스의 양을 최소화하는 데 적합한 엔진의 토크와 발전기의 속도를 도 4를 통하여 나타낸다.
도 4는 출력이 30kW인 양선 α-1.6 엔진을 표준으로 하여 측정한 것으로서 엔진 및 발전기의 최적(optimal operating line, OOP) 운전점을 측정한 후, 이를 선형화하여 나타낸 것이다. 도 4에서 x축은 필요한 동력을 나타내고, y축은 각각 이러한 동력을 내는데 필요한 발전기의 각속도와 엔진의 토크를 나타내고 있다.
도 4에 나타낸 바와 같이, 이러한 최적 운전점을 도표화한 것이 도 3에 나타낸 HSFC(Hybrid Specific Fuel Consumption, 하이브리드 특정 연료 소비) 테이블이다. 동력(Pgen *) 요청 신호가 수신되면 HSFC 테이블에 따라 적합한 엔진 토크 및 발전기 각속도를 결정한 후, 이에 대응하는 엔진 토크(Teng *) 제어 신호 및 발전기 각속도(ω*) 제어 신호를 분기하여 각각 제1 제어부로 송신한다.
먼저 엔진 토크(Teng *) 제어 신호에 따른 엔진 제어(도 3의 상부)에 대하여 설명한다. 운전 조건에 따라 필요한 발전기 동력(Peng *)에 따라 HSFC 테이블에서 발생한 엔진 토크(Teng *)의 제어 신호와 제1 제어부 내의 발전기 각속도 제어기에서 입력된 발전기 각속도(ω*)의 제어 신호에 대응하여, 제1 제어부 내의 엔진 맵(map)에서는 이에 따라 점화 기관의 공기 흡입구를 조정하여 작동부의 엔진을 제어하라는 제어 신호를 송신하고 작동부의 엔진은 이에 따라 작동한다. 다음으로 이와 같은 엔진의 구동에 따른 엔진의 토크(Teng) 신호를 분기하여 각각 엔진 출력 변환부 및 제2 제어부로 송신한다. 엔진 출력 변환부로 송신된 엔진의 토크(Teng) 신호는 제2 제어부에서 출력된 각속도(ω)와의 곱으로 엔진 출력으로 변환된다.
다음으로 각속도(ω) 제어 신호에 따른 발전기 제어(도 3의 하부)에 대하여 설명한다. 운전 조건에 따라 필요한 발전기 동력(Peng *)에 따라 HSFC 테이블에서 발생한 발전기 각속도(ω*)의 제어 신호에 대응하여 제1 제어부 내의 각속도 제어기는 이러한 속도에 대응하는 전류를 발전기 제어기(GCU, generator control unit)에 송신하고, 발전기 제어기는 이에 따라 동작부내의 발전기를 제어한다. 다음으로 이와 같은 발전기의 구동에 따른 발전기의 토크(Tgen) 신호를 분기하여 각각 발전기 출력 변환부 및 제2 제어부로 송신한다. 제2 제어부는 각 시스템의 특성에 따라 적합한 운동 방정식을 가지고, 이에 따라 시스템을 모델링하는 역할을 담당한다. 발전기 출력 변환부로 송신된 발전기 토크(Tgen) 신호는 각속도와의 곱으로 발전기 출력 변환부에서 발전기 출력으로 변환된다. 제2 제어부로 송신된 엔진 토크(Teng)와 발전기 토크(Tgen)의 합은 제2 제어부에서 처리되고, 제2 제어부의 해독기에서 각속도(ω)가 출력된 후 각각 엔진 출력 변환부 및 발전기 출력 변환부로 송신되어 엔진 출력 및 발전기 출력으로 변환되며, 제1 제어부 전단에 피드백(feedback)되어 HSFC 테이블로부터 입력되는 각속도를 가감함으로써 발전기의 발전 효율을 적절하게 제어한다.
이러한 방식을 통하여 직렬형 하이브리드 자동차에 있어서 엔진 및 발전기를 효율적으로 제어할 수 있으며, 연비 및 배출 가스가 적어지도록 발전 능률을 향상시킬 수 있다.
앞서 기재한 바와 같이 직렬형 하이브리드 전기 자동차의 발전 시스템을 제어함으로써, 최적의 효율로 발전할 수 있는 제어 기법을 완성하여 전체 시스템의 효율을 향상시킬 수 있다. 또한 연비 및 배출 가스가 감소되는 동시에 편의성이 향상되며 원가를 절감할 수 있다.
본 발명을 앞서 기재한 바에 따라 설명하였지만, 다음에 기재하는 청구 범위의 개념과 범위를 벗어나지 않는 한, 많은 다른 수정 및 변형이 가능하다.

Claims (5)

  1. 직렬형 하이브리드 전기 자동차의 발전 시스템 제어 방법으로서,
    운전 조건에 따라 필요한 발전기 동력값을 HSFC(Hybrid Specific Fuel Consumption, 하이브리드 특정 연료 소비) 테이블에 입력하는 단계;
    HSFC 테이블로부터 상기 발전기 동력에 대응하는 최적의 엔진 토크치 및 최적의 발전기 각속도치를 결정하는 단계;
    상기 최적의 엔진 토크치 및 상기 최적의 발전기 각속도치를 지시 신호로 변환한 후, 상기 HSFC 테이블로부터 분기(branch)하여 각각 제1 제어부의 엔진 제어부 및 제1 제어부의 각속도 제어부에 송신하는 단계;
    상기 엔진 제어부 및 상기 각속도 제어부의 지시에 따라 작동부의 엔진 및 발전기를 동작시키는 단계;
    상기 작동부의 상기 엔진에서 출력된 토크치와 제2 제어부에서 출력된 각속도와의 곱으로 엔진 출력 변환부에서 출력으로 변환하는 단계;
    상기 작동부의 상기 발전기에서 출력된 토크치와 제2 제어부에서 출력된 각속도와의 곱으로 발전기 출력 변환부에서 출력으로 변환하는 단계; 및
    상기 엔진과 상기 발전기에서 출력된 토크치의 합을 제2 제어부에 입력하고, 제2 제어부에서 출력된 각속도를 신호화하여 제1 제어부 전단(前段)으로 피드백 (feedback)하는 단계
    를 포함하며, 상기 엔진과 상기 발전기에서 출력된 상기 토크의 합이 0이 되도록 하는 발전 시스템의 제어 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 각속도 제어부는 각속도 제어기 및 발전기 제어기를 포함하며, 상기 각속도 제어기로 입력된 상기 발전기 각속도 지시 신호에 따라 상기 각속도 제어기에서 전류를 발생시켜 발전기 제어기로 송신하는 발전 시스템의 제어 방법.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 엔진 제어부는 상기 최적의 엔진 토크치 지시 신호와 상기 각속도 제어기로부터의 상기 전류에 따라 엔진 맵(map)에 기초한 제어 신호를 상기 작동부의 상기 엔진에 송신하는 발전 시스템의 제어 방법.
  4. 직렬형 하이브리드 전기 자동차의 발전 시스템 제어 장치로서,
    운전 조건에 따라 필요한 발전기 동력을 HSFC 테이블에 입력하는 입력부;
    상기 입력부로부터 상기 필요한 발전기 동력을 수신하여 상기 발전기 동력에 대응하는 최적의 엔진 토크치 및 최적의 발전기 각속도치를 결정하는 상기 HSFC 테이블;
    상기 최적의 엔진 토크치 및 상기 최적의 발전기 각속도치에 각각 대응하는 지시 신호를 수신하여 엔진 토크 제어 신호 및 발전기 각속도 제어 신호를 작동부에 송신하는 제1 제어부;
    상기 제1 제어부로부터 수신한 지시 신호에 따라 상기 엔진 및 상기 발전기를 작동시키는 작동부;
    상기 엔진 및 상기 발전기의 동작 결과를 출력하는 변환부; 및
    상기 동작 결과를 신호화하여 제어부 전단(前段)으로 피드백(feedback)하는 제2 제어부
    를 포함하는 발전 시스템 제어 장치.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 제1 제어부의 발전기 각속도 제어 시스템은 각속도 제어기와 발전기 제어기로 이루어진 발전 시스템 제어 장치.
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