KR20040001263A - 하이브리드 전기자동차의 충방전 전류 제한장치 및 방법 - Google Patents

Abstract

하이브리드 전기자동차에서 배터리의 전류 제한치로부터 모터 토크 제한치를 산출하여 모터의 구동을 제어함에 있어 배터리 전류 제한치를 초과하지 않도록 하여 배터리를 보호하도록 한 것으로,

하위 제어기인 BMS의 정보를 판독하는 과정과, 상기 판독된 BMS의 배터리 전류 제한치로부터 목표전류 제한치를 추출하는 과정과, 상기 추출된 목표전류 제한치와 배터리의 전압 및 배터리/모터의 모델에 따른 효율(η)을 연산하여 목표 모터 전력 제한치를 추출하는 과정과, 상기 추출된 목표전류 제한치와 현재 배터리 전류로부터 피드백 보상값을 추출한 다음 목표 전력 제한치와 피드백 보상값을 합 연산하여 실질적인 목표 전력 제한치를 추출하는 과정과, 상기 목표 전력 제한치를 현재의 모터 회전속도로 나누어 모터 토크 제한치를 추출하여 모터 토크를 제어하는 과정을 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

하이브리드 전기자동차의 충방전 전류 제한장치 및 방법{APPARATUS FOR CHARGE AND DISCHARGE CURRENT LIMIT OF HYBRID ELECTRIC VEHICLE AND METHOD THEREOF}

본 발명은 하이브리드 전기자동차에 관한 것으로, 더 상세하게는 배터리의 전류 제한치로부터 모터 토크 제한치를 산출하여 모터의 구동을 제어함에 있어 배터리 전류 제한치를 초과하지 않도록 하여 배터리를 보호하도록 한 하이브리드 전기자동차의 충방전 전류 제한장치 및 방법에 관한 것이다.

일반적으로, 배터리의 전압을 주동력원으로 사용하는 전기자동차나 하이브리드 전기자동차에서 배터리는 차량의 품질을 결정하는 주요한 부품중의 하나이다.

따라서, 전기자동차나 하이브리드 전기자동차에는 배터리에 대한 제반적인 상태를 총괄 관리하는 배터리 관리 시스템(Battery Management System ; BMS)이 구비되는데, BMS는 수동적인 요소로서 단지 배터리의 상태를 모니터링하고, 배터리 보호를 위한 배터리 전류 제한치를 상위 제어기인 HCU(Hybrid Control Unit)에 통지하는 기능만을 수행한다.

즉, BMS는 자기 자신을 보호하기 위한 기능을 수행할 수 없고 현재 배터리 상태를 모니터링하여 배터리의 온도, 주변온도, 충전상태 등에 따라 배터리 전류 제한치와 현재 전류치 및 현재 배터리 전압 전압치를 상위 제어기인 HCU측에 통지함으로써, HCU로 하여금 모터 구동 및 하이브리드 전기자동차의 전반적인 상태를 제어하도록 한다.

하이브리드 전기자동차의 모터/배터리 관련 시스템은 첨부된 도 3에서 알 수 있는 바와 같이, 주동력원인 배터리(1)와, 상기 배터리(1)의 온도, 전류, 전압을 검출하여 SOC의 산출과 배터리의 상태를 판정하여 배터리 전류 제한치와 현재 배터리의 전류값을 추출하여 출력하는 BMS(2)와, 하이브리드 전기자동차의 제반적인 동작을 총괄 제어하며, 상기 BMS(2)로부터 인가되는 배터리 전류 제한치와 현재 배터리의 전류값에 따라 모터(6)의 구동 및 발전 토크량을 결정하여 모터(6)의 토크를 제어하는 HCU(3)와, 상기 HCU(3)에서 제어되는 모터(6)의 토크 요구에 따라모터(6)의 구동 및 발전 토크량을 PWM(Pulse Width Modulation) 듀티 제어하는 MCU(Motor Control Unit ; 4)와, 상기 MCU(4)의 PWM 듀티 제어신호에 따라 모터(6)의 구동에 필요한 3상 전류를 출력하는 모터 구동회로인 인버터(5)로 구성된다.

상기한 구성에서 상위 제어기인 HCU(3)는 운전자의 주행요구에 따라 모터(6)의 구동 토크 및 발전 토크량을 결정한 다음 MCU(4)측에 모터 토크 요구신호를 출력하면, MCU(4)는 HCU(3)의 요구신호에 따라 모터(6)의 구동 및 발전 토크량을 결정하여 PWM 듀티 제어신호를 모터 구동회로인 인버터(5)측에 출력하여 모터(6)의 구동을 수행한다.

이때, MCU(4)는 하부 제어기이므로, BMS(2)의 배터리(1) 전류제한 요구를 참조하지 않으며 단지 상위 제어기인 HCU(3)의 토크 명령에 따라 모터(6)의 구동을 제어한다.

상기한 바와 같이 MCU는 BMS와는 완전히 독립된 하부 제어기로서 BMS 보호를 위한 알고리즘이 설정되어 있지 않으며, 하부 제어기를 보호하는 기능은 HCU가 담당하고 있으나 현재까지 HCU에는 BMS 보호를 위한 알고리즘이 설정되어 있지 않지 않고 단지 피드백 정보에 의존하여 배터리의 상태가 나빠지는 경우에만 모터 토크량을 줄여주는 방식을 통해 배터리를 보호하는 방식을 적용하고 있어 배터리의 보호에 있어 불안정성이 제공되는 상태이다.

따라서, 시스템의 전반적인 동작을 불안정하게 하고, 순간적인 전류 초과만으로도 배터리에 치명적인 손상을 초래하게 되어 배터리의 파손을 유발시키거나 배터리의 수명을 단축시키게 되는 문제점이 있다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 발명한 것으로, 그 목적은 BMS에서 제공되는 배터리의 전류 제한치를 모터 토크 제한치로 환산하여 모터의 구동량 조정에 있어 배터리 전류 제한치를 초과하지 않도록 함으로써, 어떠한 상황에서도 배터리를 적극적으로 보호하여 배터리의 수명을 연장하고, 배터리의 파손을 방지하여 하이브리드 전기자동차에 신뢰성을 제공하도록 한 것이다.

또한, 피드백에 의해 배터리 상황이 허용하는 한 최대한으로 모터 성능을 활용할 수 있도록 하며, 유효한 실측값과 모델을 기반으로 한 모든 파라메터를 통한 제어이득의 매칭으로 제어값의 산출에 소요되는 시간을 최소화시켜 응답성을 향상시키도록 한 것이다.

도 1은 본 발명에 따른 하이브리드 전기자동차의 충방전 전류 제한장치에 대한 구성도.

도 2는 본 발명에 따른 하이브리드 전기자동차에서 충방전 전류 제한을 수행하는 일 실시예의 흐름도.

도 3은 본 발명에 따른 하이브리드 전기자동차의 충방전 전류 제한에서 배터리 전류를 상태를 보인 그래프.

도 4는 일반적인 하이브리드 전기자동차에서 모터/배터리 관련 시스템의 개략적인 구성도.

상기와 같은 목적을 실현하기 위한 본 발명은 하위 제어기인 BMS의 정보를 판독하는 과정과; 상기 판독된 BMS의 배터리 전류 제한치로부터 목표 전류 제한치를 추출하는 과정과; 상기 추출된 목표전류 제한치와 배터리의 전압 및 배터리/모터의 모델에 따른 충방전 효율(η)을 연산하여 목표 전력 제한치를 추출하는 과정과; 상기 추출된 목표전류 제한치와 현재 배터리 전류로부터 피드백 보상값을 추출한 다음 목표 전력 제한치와 피드백 보상값을 합 연산하여 실질적인 목표 전력 제한치를 추출하는 과정과; 목표 전력 제한치를 현재의 모터 회전속도로 나누어 모터 토크 제한치를 추출하여 모터 토크를 제어하는 과정을 포함한다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 일 실시예를 상세하게 설명하면 다음과 같다.

도 1에서 알 수 있는 바와 같이 본 발명에 따른 하이브리드 전기자동차의 충방전 전류 제한장치는, 목표전류 계산수단과(10)과, 목표 모터전력 계산수단(20), 피드백 보상 검출수단(30), 제1연산기(40) 및 제2연산기(50)로 이루어지는데, 목표전류 계산수단(10)은 도시되지 않은 하위 제어기인 BMS로부터 인가되는 배터리 전류 제한치를 설정된 알고리즘을 통해 연산하여 목표전류 제한치를 추출한다.

목표 모터전력 계산수단(20)은 상기 추출된 목표전류 제한치와 배터리의 전압 및 배터리/모터의 모델에 따른 효율(η)을 설정된 알고리즘을 통해 연산하여 목표 전력 제한치를 추출한다.

피드백 보상 검출수단(30)은 기타 요인에 의해 발생되는 부분 부하를 보상하기 위한 값을 산출하는 것으로, 상기 추출되는 목표전류 제한치와 현재 배터리 전류를 설정된 알고리즘을 통해 연산하여 피드백 보상값을 추출한다.

제1연산기(40)는 목표 모터전력 계산수단(20)에서 추출되어 인가되는 목표 전력 제한치와 피드백 보상 검출수단(30)에서 추출되어 인가되는 피드백 보상값을 합 연산하여 실질적인 목표 전력 제한치를 추출한다.

제2연산기(50)는 상기 목표 전력 제한치를 현재의 모터 회전속도로 나누어 모터 토크 제한치를 추출한다.

상기와 같이 모터 토크 제한치가 산출된 상태에서 충전 전류 제한 정보의 입력이 있는 경우 모터 발전 토크를 제한하고, 방전 전류 제한 정보의 입력이 있는 경우 모터 방전 토크를 제한한다.

상기한 구성의 본 발명에서 모터 토크 제한치를 결정하는 동작은 다음과 같다.

도시되지 않은 하위 제어기인 BMS로부터 하이브리드 전기자동차의 총괄 제어수단인 HCU측에 주동력원인 배터리에 대한 전류 제한치의 정보와 배터리 전압에 대한 정보가 입력되면(S101), HCU내의 목표전류 계산수단(10)은 배터리 전류 제한치를 설정된 알고리즘을 통해 연산하여 목표 전류 제한치를 추출한 다음(S102), 추출된 목표 전류 제한치를 목표 모터전력 계산수단(20)측에 인가한다.

상기와 같이 목표 전류 제한치가 목표 모터전력 계산수단(20)에 입력되면 목표 모터전력 계산수단(20)은 BMS로부터 인가되는 배터리 전압의 정보와 배터리/모터의 모델에 따른 효율(η) 및 목표 전류 제한치를 설정된 알고리즘을 통해 연산하여 목표 모터 전력 제한치를 추출한다(S103).

상기에서 배터리/모터의 충방전 효율 모델은 수학식 1을 통해 산출된다.

[수학식 1]

배터리의 방전시:이므로,

배터리의 충전시:이므로,

여기서,: 모터 토크,

: 모터 회전속도,

: 방전 효율(인버터~모터 효율),

: 충전효율(모터~인버터 효율),

: 배터리 전압,

: 배터리 전류이다.

상기의 충방전 효율은 여러 요소의 함수이므로 모델에서는 대기온, 기준 충전량 등의 기본 상태를 기준으로 값을 설정하고 변화하는 상화에 따른 부분은 피드백에 의해 보상하도록 한다.

상기 단계 103에서 모터 목표 전력 제한치가 추출되면 BMS로부터 인가되는 현재 배터리의 전류와 상기 단계 102에서 추출한 목표 전류 제한치를 설정된 알고리즘을 통해 연산하여 기타 요인에 의해 발생될 수 있는 부분 부하 보상값을 추출한 후 추출된 상기 모터 목표 전력 제한치에 상기의 보상값을 제1연산기(40)를 통해 가산하여 목표 전력 제한치를 추출한다(S104).

이후, 상기 추출된 목표 전력 제한치를 모터의 회전속도로 제2연산기(50)를 통해 나누어 모터 토크 제한치를 추출한 다음(S105), 추출된 토크 제한치로 모터 토크의 제어를 수행하여 준다(S106).

상기에서 피드백 보상은 현재 배터리 전류 제한치가 현재 배터리 전류를 제한시키고 있는 경우에만 유효하므로 일정 부분에서만 피드백 보정을 수행한다.

즉, 배터리 전류가 전류 제한치에 비해 충분히 작은 경우에는 제한치가 현재 배티리 전류를 제한하고 있지 않으므로 제한치를 바꾸어도 실제 전류에 아무 영향을 미치지 않는다.

또한, 상기의 피드백을 통한 보정을 수행함으로써 배터리가 허용하는 한 최대한으로 모터의 구동을 수행할 수 있다.

상기와 같이 모터 토크 제한치가 산출된 상태에서 현재 충전 전류 제한 정보의 입력이 있는 경우 모터 발전 토크를 제한하여 배터리 충전 제어가 이루어지고, 현재 방전 전류 제한 정보의 입력이 있는 경우 모터 방전 토크를 제한하여 모터의 구동 제어가 이루어진다.

이상에서 설명한 바와 같이 본 발명은 하이브리드 전기자동차에서 모델에 기반을 두고 배터리를 보호하는 기능을 적용함으로써 어떠한 상황에서도 배터리를 적극적으로 보호하여 배터리 수명을 연장하고 배터리의 파손을 방지하여 차량에 신뢰성을 제공한다.

또한, 피드백에 의해 배터리 상황이 허용하는 한 최대한으로 모터 성능을 활용할 수 있도록 하며, 모든 제어 파라메터들이 유효한 실측값과 모델값을 기반으로 하고 있어 파라메터의 매칭과 제어 이득의 매칭이 신속하게 이루어져 빠른 응답성을 모터 토크 제어에 안정성 및 신뢰성이 제공된다.

Claims (6)

1. 하이브리드 전기자동차의 HCU에 있어서,

   BMS에서 인가되는 배터리 전류 제한치로부터 목표전류 제한치를 추출하는 목표전류 계산수단과;

   상기 추출된 목표전류 제한치와 배터리의 전압 및 배터리/모터의 충방전 모델에 따른 효율(η)을 연산하여 목표 전력 제한치를 추출하는 목표 모터전력 계산수단과;

   상기 추출된 목표전류 제한치와 현재 배터리 전류를 연산하여 피드백 보상값을 추출하는 피드백 보상 검출수단과;

   상기 목표 전력 제한치와 피드백 보상값을 합 연산하여 실질적인 목표 전력 제한치를 추출하는 제1연산수단과;

   상기 목표 전력 제한치를 현재의 모터 회전속도로 나누어 모터 토크 제한치를 추출하는 제2연산수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 하이브리드 전기자동차의 충방전 전류 제한장치.
2. 제1항에 있어서,

   상기 배터리/모터의 충방전 모델은 수학식 2를 통해 추출되는 것을 특징으로 하는 하이브리드 전기자동차의 충방전 전류 제한장치.

   [수학식 2]

   배터리의 방전시:이므로,

   배터리의 충전시:이므로,

   여기서,: 모터 토크,

   : 모터 회전속도,

   : 방전 효율(인버터~모터 효율),

   : 충전효율(모터~인버터 효율),

   : 배터리 전압,

   : 배터리 전류이다.
3. 제2항에 있어서,

   상기 배터리/모터의 충방전 효율은 대기온, 기준 충전량을 기준으로 설정하고, 변화하는 부분은 피드백에 의거 보상하도록 하는 것을 특징으로 하는 하이브리드 전기자동차의 충방전 전류 제한장치.
4. 하위 제어기인 BMS의 정보를 판독하는 과정과;

   상기 판독된 BMS의 배터리 전류 제한치로부터 목표전류 제한치를 추출하는 과정과;

   상기 추출된 목표전류 제한치와 배터리의 전압 및 배터리/모터의 모델에 따른 충방전 효율(η)을 연산하여 목표 전력 제한치를 추출하는 과정과;

   상기 추출된 목표전류 제한치와 현재 배터리 전류로부터 피드백 보상값을 추출한 다음 목표 전력 제한치와 피드백 보상값을 합 연산하여 실질적인 목표 전력 제한치를 추출하는 과정과;

   상기 목표 전력 제한치를 현재의 모터 회전속도로 나누어 모터 토크 제한치를 추출하여 모터 토크를 제어하는 과정을 포함하는 것을 특징으로 하는 하이브리드 전기자동차의 충방전 전류 제한방법.
5. 제4항에 있어서,

   상기 산출된 모터 토크 제한치에 충전 전류 제한 정보가 입력되면 모터 발전 토크를 제한하여 배터리 충전 전류 제한을 수행하는 것을 특징으로 하는 하이브리드 전기자동차의 충방전 전류 제한방법.
6. 제4항에 있어서,

   상기 산출된 모터 토크 제한치에 방전 전류 제한 정보가 입력되면 모터 구동 토크를 제한하여 배터리 방전 전류 제한을 수행하는 것을 특징으로 하는 하이브리드 전기자동차의 충방전 전류 제한방법.