KR20040002089A - Generation of electricity control system on hybrid electric vehicle - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 엔진 하이브리드 전기자동차에 관한 것으로, 더 상세하게는 발전기 제어유닛의 구조를 단순화시켜 제조 원가를 절감하고, 승압용 스위치의 고장시 다이오드 정류기에 의한 루프의 형성으로 안정된 출력 전압이 유지되도록 하며, 고속 영역에서 효율적인 발전 제어가 가능하도록 한 하이브리드 전기자동차의 발전 제어장치에 관한 것이다.The present invention relates to an engine hybrid electric vehicle, and more particularly, to simplify the structure of the generator control unit to reduce the manufacturing cost, and to maintain a stable output voltage by the formation of a loop by a diode rectifier in case of a breakdown switch. The present invention relates to a power generation control apparatus for a hybrid electric vehicle that enables efficient power generation control in a high speed region.
엔진 하이브리드 전기 자동차는 자가 발전을 위한 가솔린 엔진과 차량 주행을 위한 전동기의 구동원으로 구성되며, 각각의 주행상황에 대응하여 엔진의 연비가 가장 높게 운전되도록 제어되고 제동시와 감속시에 운동 에너지를 전기 에너지로 회수함으로써 기존 가솔린 엔진에 비해 연비 향상을 이룰 수 있으며 시내구간에서 엔진 시동을 오프한 상태로 주행할 수 있어 환경 친화적인 미래형 자동차로 개발되고 있으며, 상용화의 단계에 있다.The engine hybrid electric vehicle is composed of a gasoline engine for self-power generation and a driving source of an electric motor for driving a vehicle. The engine hybrid electric vehicle is controlled to operate the engine with the highest fuel efficiency in response to each driving situation and generates kinetic energy during braking and deceleration. By recovering with energy, it is possible to improve fuel economy compared to the existing gasoline engine, and it is being developed as an environmentally friendly future car because it can run with the engine off in the downtown section, and it is in the commercialization stage.
일반적인 직렬형 하이브리드 전기자동차의 동력 전달 시스템은 첨부된 도 1에서 알 수 있는 바와 같이, 자가 발전을 위한 동력을 발생시키는 엔진(1)과, 상기 엔진(1)의 제반적인 동작을 제어하는 ECU(Electrical Control Unit ; 2)와, 엔진(1)의 동력에 의해 전압을 발생시키는 발전기(3)와, 발전기(3)의 속도 제어와 엔진(1)의 출력 토오크를 제어하여 발전량을 제어하는 발전기 제어기(4)와, 시스템의 급작스런 부하의 상승이나 시스템 다운시 발전기(3)와 배터리(6)간의 전력 공급을 단속하여 각 제어기 및 배터리를 보호하는 제1PDU(Power Disconnection Unit ;5)와, 배터리(6)의 방전전압에 의해 구동되어 하이브리드 전기자동차의 구동력을발생시키는 전동기인 구동모터(9)와, 상기 구동모터(9)의 구동에 대한 토크와 속도 및 회생 제동 토크 등을 제어하는 모터 제어기(8)와, 시스템의 급작스런 부하의 상승이나 시스템 다운시 배터리(6)와 모터 제어기(8)간의 전력 공급을 단속하여 시스템을 보호하는 제2PDU(7)와, 구동모터(9)의 회전력을 설정비 감속비로 감속한 다음 차동기어(11)를 통해 구동휠(12)에 전달하는 감속기(10)로 구성된다.As shown in FIG. 1, a power transmission system of a general series hybrid electric vehicle includes an engine 1 for generating power for self-generation and an ECU for controlling general operations of the engine 1. Electrical control unit; 2), a generator 3 for generating a voltage by the power of the engine 1, a generator controller for controlling the amount of power generation by controlling the speed control of the generator 3 and the output torque of the engine 1; (4) and a first PDU (Power Disconnection Unit; 5) which protects each controller and the battery by interrupting the power supply between the generator (3) and the battery (6) during a sudden load increase or system down of the system; A drive motor 9 which is driven by the discharge voltage of 6) and generates a driving force of the hybrid electric vehicle, and a motor controller which controls torque, speed, regenerative braking torque, etc. for driving of the drive motor 9; 8) Wow When the power supply between the battery 6 and the motor controller 8 is interrupted during sudden load increase or system down of the system, the rotational force of the second PDU 7 and the driving motor 9 are reduced to the set ratio reduction ratio. Next, it consists of a reducer 10 which transmits to the drive wheel 12 through the differential gear 11.
상기한 구성 이외에 배터리(6)의 온도와 전압, 전류 충전상태 등을 모니터링하여 그에 대한 정보를 발전기 제어기(4) 및 모터 제어기(8)측에 제공하는 BMS와 운전 정보를 상호 교환하는 드라이버 인터페이스 및 제반적인 정보를 표시하는 클러스터 등이 더 포함된다.In addition to the above-described configuration, the driver interface for monitoring the temperature, voltage, current charge state, etc. of the battery 6 and providing information about the same to the generator controller 4 and the motor controller 8 and the BMS and the operation information exchanged with each other. It further includes a cluster for displaying the general information.
상기에서 보조 동력원으로 장착되는 엔진(1)은 가솔린 엔진 혹은 디젤 엔진 등 모든 내연기관이 적용가능하며, 발전기는 3상 유도 발전기 또는 영구자석형 동기 발전기가 적용될 수 있으며, 효율적인 측면을 고려하여 영구 자석형 동기 발전기를 적용하는 것이 바람직하다.The engine (1) mounted as an auxiliary power source in the above is applicable to all internal combustion engines, such as gasoline engine or diesel engine, the generator may be a three-phase induction generator or a permanent magnet synchronous generator, the permanent magnet in consideration of the efficient aspect It is desirable to apply a type synchronous generator.
상기에서 발전기(3)는 별도의 전원이 공급되지 않더라도 엔진(1)의 동력에 의해 회전하게 되면 회전 속도에 비례하는 전압(크기와 주파수)이 발생하게 되므로, 발전기의 순시 토크를 제어하기 위해서는 발전기의 계자와 토크분 전류를 발전기(3)의 회전속도, 현재 배터리 전압 등을 고려하여 제어되어야 한다.In the generator 3, even when no separate power is supplied, when the power is rotated by the power of the engine 1, a voltage (size and frequency) proportional to the rotational speed is generated, so that the generator can control the instantaneous torque of the generator. The field current and torque current must be controlled in consideration of the rotational speed of the generator 3 and the current battery voltage.
상기한 구성의 직렬형 하이브리드 전기자동차는 엔진(1)의 동력에 의해 발전기(3)가 3상 교류 전원을 발생하며, 발생된 전원은 발전기 제어기(4)의 제어에 따라 안정장치인 제1PDU(5)를 통해 배터리(6)측에 충전된다.In the series hybrid electric vehicle having the above-described configuration, the generator 3 generates three-phase AC power by the power of the engine 1, and the generated power is controlled by the generator controller 4. 5) is charged to the battery (6) side.
또한, 상기 배터리(6)에 충전된 직류 전압은 제2PDU(7)를 통해 모터 제어기 (8)내의 도시되지 않은 인버터에 공급되어 3상으로 변환된 다음 구동모터(9)에 공급되어 구동모터(9)가 구동되며, 감속기(10)에 의해 소정의 비로 감속되어 차동기어(11)를 통해 구동 휠(12)에 전달됨으로써 하이브리드 전기자동차가 주행된다.In addition, the DC voltage charged in the battery 6 is supplied to an inverter (not shown) in the motor controller 8 through the second PDU 7, converted into three phases, and then supplied to the driving motor 9 to drive the motor. 9) is driven, and the hybrid electric vehicle is driven by being decelerated at a predetermined ratio by the reducer 10 and transmitted to the driving wheel 12 through the differential gear 11.
상술한 도 1의 동력 전달 시스템에서 엔진(1)에서 배터리(6)로 연결되는 보조 동력원의 구성을 간략하게 정리하면 도 2와 같은 구조로 도시된다.In the power transmission system of FIG. 1 described above, the configuration of an auxiliary power source connected to the battery 6 from the engine 1 is briefly shown as a structure as shown in FIG. 2.
상기에서 발전기 제어기(4)내의 GCU(Generation Control Unit ; 4a)는 발전기(3)에서 출력되는 3상 교류 전압을 처리하여 배터리(6)측에 충전 전압으로 공급시키기 위하여 PWM(Pulse Width Modulation) 듀티 제어신호에 따라 스위칭이 수행되는 IGBT 스위칭 소자인 3상 전 브리지 인버터(3 Phase Full Bridge Inverter)를 채택하여 적용하고 있다.In the above, the generator control unit (GCU) in the generator controller 4 (4a) is a PWM (Pulse Width Modulation) duty to process the three-phase alternating voltage output from the generator (3) to supply the charging voltage to the battery 6 side A three-phase full bridge inverter, which is an IGBT switching device that performs switching according to a control signal, is adopted.
따라서, 도면에서 알 수 있는 바와 같이 GCU를 구현함에 있어 고가인 6개의 스위칭 소자와 역병렬 다이오드가 필요하게 되어 하드웨어의 복잡성과 가격의 상승을 초래하게 되고, 스위치 소자 또는 다이오드 하나만이라도 손상되는 경우 발전기의 정상적인 토크 제어가 불가능한 문제점이 발생한다.Therefore, as can be seen in the figure, the implementation of the GCU requires six expensive switching elements and anti-parallel diodes, which leads to an increase in the complexity and price of hardware, and in the case of damage to even a switch element or a diode, a generator The problem arises that normal torque control is impossible.
또한, 발전기인 영구 자석형 전동기의 회전 기전력이 배터리 전압 보다 높게 형성되는 고속 영역에서 약계자 제어를 수행하여야 하나, 제어의 실패시 발전기 토크의 제어가 불가능한 문제점이 있으며, 발전기의 자속분 전류와 토크분 전류를 각각 제어하여야 하는 벡터 제어가 수반되므로 제어의 복잡성이 증대되는 문제점이 있다.In addition, the field weakening control should be performed in a high speed region in which the rotating electromotive force of the permanent magnet type electric motor, which is a generator, is formed higher than the battery voltage. However, when the control fails, the generator torque cannot be controlled. There is a problem that the complexity of the control is increased because the vector control is required to control the minute current respectively.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 발명한 것으로, 그 목적은 발전기 제어 유닛의 구조를 다이오드 정류기로 간단하게 구성하여 하드웨어의 단순화를 제공하고, 승압용 스위치가 고장이 발생하는 경우에도 다이오드 정류기에 의해 출력 전압이 유지되도록 하며, 모터의 토크 제어와 고속 영역에서 수행되어지는 약계자 제어를 배제시켜 제어에 있어 간편성을 제공하도록 한 것이다.The present invention has been invented to solve the above problems, the object of which is to simply configure the structure of the generator control unit with a diode rectifier to provide the simplification of the hardware, even if the boost switch failure occurs diode rectifier By the output voltage is maintained by, and the torque control of the motor and the field weakening control to be performed in the high speed range to exclude the control to provide simplicity.
도 1은 일반적인 직렬형 하이브리드 전기자동차의 동력 전달 시스템 구성도.1 is a configuration diagram of a power transmission system of a general series hybrid electric vehicle.
도 2는 종래의 하이브리드 전기자동차에서 발전 제어장치에 대한 구성도.2 is a block diagram of a power generation control device in a conventional hybrid electric vehicle.
도 3은 본 발명에 따른 전기자동차의 발전 제어장치에 대한 구성도.3 is a block diagram of a power generation control device for an electric vehicle according to the present invention.
도 4는 본 발명에 따른 전기자동차의 발전 제어장치에서 발전기의 회전 기전력을 고려한 등가 회로도.Figure 4 is an equivalent circuit diagram considering the rotational electromotive force of the generator in the power generation control apparatus for an electric vehicle according to the present invention.
도 5는 본 발명에 따른 전기자동차의 발전 제어장치에서 발전기와 다이오드 정류기의 등가 회로도.5 is an equivalent circuit diagram of a generator and a diode rectifier in a power generation control apparatus for an electric vehicle according to the present invention.
도 6은 본 발명에 따른 전기자동차의 발전 제어장치에서 발전기 정류단 전압이 배터리 전압 보다 높은 경우에서의 전압 패스를 나타난 동작 상태도.Figure 6 is an operating state diagram showing the voltage path when the generator rectifier voltage is higher than the battery voltage in the electric vehicle power generation control device according to the present invention.
도 7은 본 발명에 따른 전기자동차의 발전 제어장치에서 발전기 정류단 전압이 배터리 전압 보다 낮은 경우 전압 패스를 나타낸 동작 상태도.Figure 7 is an operating state diagram showing the voltage path when the generator rectifier voltage is lower than the battery voltage in the electric vehicle power generation control apparatus according to the present invention.
도 8은 본 발명에 따른 전기자동차의 발전 제어장치에서 발전기 정류단 전압이 배터리 전압 보다 낮은 경우 승압된 전압의 패스를 나타낸 동작 상태도.8 is an operation state diagram showing the path of the boosted voltage when the generator rectifier voltage is lower than the battery voltage in the power generation control apparatus of the electric vehicle according to the present invention.
상기와 같은 목적을 실현하기 위한 본 발명은 엔진의 동력에 의해 보조 동력원을 발생시키는 발전기와 주 동력원인 배터리를 구비하는 하이브리드 전기 자동차에 있어서, 상기 발전기에서 출력되는 3상 전류의 각 상과 접속되며, 입력되는 3상 전류를 순방향으로 출력하는 복수개의 정류수단과; 상기 발전기의 출력 전압이 배터리의 전압 보다 큰 상태를 유지하는 경우 도통되어 발전 전압을 배터리에 충전 전압으로 공급하는 제1스위치수단과; 상기 발전기의 출력 전압이 배터리의 전압 보다 작은 상태를 유지하는 경우 발전 전압의 승압을 위해 상위 프로세서에 인가되는 제어신호에 따라 스위칭되는 제2스위치수단을 포함하는 것을 특징으로 한다.The present invention for achieving the above object is a hybrid electric vehicle having a generator for generating an auxiliary power source by the power of the engine and a battery as a main power source, connected to each phase of the three-phase current output from the generator A plurality of rectifying means for outputting an input three-phase current in a forward direction; First switch means which is turned on when the output voltage of the generator maintains a state greater than the voltage of the battery and supplies the generated voltage to the battery as a charging voltage; And a second switch means switched according to a control signal applied to an upper processor for boosting the generated voltage when the output voltage of the generator maintains a state smaller than the voltage of the battery.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 일 실시예를 상세하게 설명하면 다음과 같다.Hereinafter, exemplary embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
도 3에서 알 수 있는 바와 같이 본 발명에 따른 발전기 제어 유닛(140)은 발전기(120)에서 출력되는 3상 전류의 각 상과 접속되며, 입력되는 각 상의 전류를 순방향으로 출력하는 다이오드(D11 ~ D16)와, 발전기(120)의 출력 전압이 배터리(180)에 충전되어 있는 전압 보다 큰 상태를 유지하는 경우 발전기(120)의 출력 전압을 안전장치인 PDU(160)를 통해 배터리(180)에 전달하는 다이오드(D2)와, 발전기(120)의 출력 전압이 배터리(180)에 충전되어 있는 전압 보다 작은 상태를 유지하는 경우 상위 프로세서에 인가되는 PWM 신호에 따라 스위칭되어 승압을 위해 레귤레이팅되는 트랜지스터(T1) 및 다이오드(D1)로 구성된다.As can be seen in Figure 3, the generator control unit 140 according to the present invention is connected to each phase of the three-phase current output from the generator 120, the diode (D11 ~) for outputting the current of each phase in the forward direction D16) and when the output voltage of the generator 120 is larger than the voltage charged in the battery 180, the output voltage of the generator 120 is transferred to the battery 180 through the PDU 160 as a safety device. When the diode D2 and the output voltage of the generator 120 remain smaller than the voltage charged in the battery 180, the transistor D2 is switched according to the PWM signal applied to the upper processor and regulated for boosting. It consists of T1 and diode D1.
상기에서 발전기(120)의 회전 기전력을 교류 전원으로 등가화한 등가모델은 도 4와 같이 각 상(A,B,C)별로 구현된다.The equivalent model in which the rotational electromotive force of the generator 120 is equivalent to an AC power source is implemented for each phase A, B, and C as shown in FIG. 4.
상기에서 발전기(120)에서 발생되는 각 상별(A,B,C) 교류 기전력은 다이오드 (D11~D16)에서 평활되므로, 발전기(120)와 제어 유닛(140)내의 디이오드(D11-D16)를 등가화하면 도 5와 같이 구현된다.Since each phase (A, B, C) AC electromotive force generated in the generator 120 is smooth in the diodes (D11 ~ D16), the diodes (D11-D16) in the generator 120 and the control unit 140 Equalizing is implemented as shown in FIG.
도면에서 알 수 있는 바와 같이 발전기(120)에서 발생되는 교류 전압은 다이오드(D11~D16)에 의해 정류되어 직류 전압으로 변환된 다음 원하는 크기의 직류 전압으로 변환하는 방식으로 구현되어 진다.As can be seen in the drawing, the alternating voltage generated by the generator 120 is rectified by the diodes D11 to D16 and converted into a DC voltage, and then implemented by converting the DC voltage into a desired size.
상기한 도 5의 등가모델을 통해 발전기(120)의 발전 전압을 배터리(180)에 저장하는 동작에 대하여 설명하면 다음과 같다.The operation of storing the generated voltage of the generator 120 in the battery 180 through the equivalent model of FIG. 5 will now be described.
먼저, 발전기(120)의 정류단 전압이 배터리(180)의 충전 전압 이상인 경우에 대한 동작은 다음과 같다.First, an operation for the case where the rectifier stage voltage of the generator 120 is greater than or equal to the charging voltage of the battery 180 is as follows.
도 6에서 알 수 있는 바와 같이, 발전기(120)의 정류단 전압이 배터리(180)의 충전 전압 이상인 상태이면 발전기(120)의 정류단 전압이 다이오드(D2)를 도통시켜 배터리(180)로 공급되므로, 배터리(180)의 충전이 수행되어 진다.As can be seen in FIG. 6, when the rectifier stage voltage of the generator 120 is equal to or greater than the charging voltage of the battery 180, the rectifier stage voltage of the generator 120 conducts the diode D2 to be supplied to the battery 180. Therefore, charging of the battery 180 is performed.
즉, 발전기(120) →다이오드(D2) →배터리(180) →발전기(120)로 이어지는 전압의 폐 루프가 형성된다.That is, a closed loop of voltages leading from the generator 120 to the diode D2 to the battery 180 to the generator 120 is formed.
이때, 발전기(120) 정류단의 전압이 별도의 승압을 위한 레귤레이팅 작용이 수반되지 않아도 배터리(180)에 충전 전압을 공급할 수 있는 상태이므로, 트랜지스터(T1)는 스위칭 오프의 상태를 유지한다.At this time, since the voltage of the rectifier stage of the generator 120 is capable of supplying the charging voltage to the battery 180 even without a separate regulating action for boosting, the transistor T1 maintains the switching off state.
이와 반대의 경우, 발전기(120)의 전류단 전압이 배터리(180)의 전압 보다 낮은 상태를 유지하는 경우 정류단 전압이 배터리(180)에 충전 전압으로 공급할 수 없는 상태이므로 전류단 전압의 승압이 이루어져야 한다.On the contrary, if the current stage voltage of the generator 120 is lower than the voltage of the battery 180, the voltage of the current stage voltage is increased because the rectifier stage voltage cannot supply the battery 180 as the charging voltage. Should be done.
따라서, 도 7에서 알 수 있는 바와 같이 상위 프로세서의 제어에 따라 발전 제어 유닛(140)내의 트랜지스터(T1)는 스위칭 온 상태를 유지하므로, 발전기(120)의 정류단 전압은 스위칭 온을 유지하고 있는 트랜지스터(T1)를 통해 발전기(120)내의 고정자인 인덕터(L)에 인가되며, 인덕터(L)를 도통하는 전류는 증가되어 에너지로 저장된다.Therefore, as shown in FIG. 7, the transistor T1 in the power generation control unit 140 maintains the switching-on state under the control of the upper processor, so that the rectifier voltage of the generator 120 maintains the switching-on state. The transistor T1 is applied to the inductor L, which is a stator in the generator 120, and the current through the inductor L is increased and stored as energy.
즉, 발전기(120) 정류단 →트랜지스터(T1) →발전기(120)로 궤환하는 페루프가 형성되어 출력 전압의 승압이 이루어진다.In other words, the generator 120 of the rectifier stage → transistor (T1) → the generator 120 is formed to the feedback loop is formed to increase the output voltage.
상기와 같이 발전기(120)내의 고정자가 인덕터(L)로 작용하여 배터리(180)의 전압 이상으로 승압되면 상위 프로세서의 제어에 따라 트랜지스터(T1)가 오프되므로, 첨부된 도 8과 같이 발전기(120)의 정류단 전압이 다이오드(D1)를 통해 배터리(180)측에 충전전압으로 공급된다.As described above, when the stator in the generator 120 acts as the inductor L and the voltage is increased above the voltage of the battery 180, the transistor T1 is turned off under the control of the upper processor. ) Is supplied as a charging voltage to the battery 180 side through the diode D1.
즉, 발전기(120) →다이오드(D2) →배터리(180) →발전기(120)로 이어지는전압의 폐 루프가 형성된다.That is, a closed loop of voltages leading from the generator 120 to the diode D2 to the battery 180 to the generator 120 is formed.
따라서, 간단한 발전 제어 유닛의 구조를 통해 발전기(120)의 전압을 배터리(180)에 충전전압으로 공급 제어하여 하이브리드 전기자동차의 운행에 있어 안정성이 제공된다.Therefore, the control of the voltage of the generator 120 is supplied to the battery 180 with the charging voltage through the structure of the simple power generation control unit, thereby providing stability in the operation of the hybrid electric vehicle.
또한, 다이오드 정류기를 이용한 발전기의 3상 교류 전류를 안정되게 처리하며, 고속 운전 영역에서 별도의 약계자 제어 및 토크 제어가 수반되지 않아 제어에 편리성이 제공된다.In addition, the three-phase alternating current of the generator using a diode rectifier is stably processed, and convenience is provided for control because separate weak field control and torque control are not involved in the high speed driving region.
이상에서 설명한 바와 같이 본 발명은 다이오드 정류기를 이용한 3상 교류 발전 전압을 직류로 변환시켜 배터리에 공급하고, 발전 전압이 낮은 상태에서 레귤레이팅을 통한 승압으로 충분한 전압으로 승압한 다음 배터리에 충전 전류로 공급하여 충전 제어에 안정성이 제공된다.As described above, the present invention converts a three-phase alternating current generation voltage using a diode rectifier into a direct current, and supplies the battery to the battery. Supply is provided for stability in charge control.
또한, 제어기를 간단한 구조로 하여 수리 복구 및 제작에 간편성 및 저가의 생산성을 구현하고, 승압용 스위치가 고장이 발생하는 경우 출력 전압의 유지가 가능하여 안정성이 제공된다.In addition, the controller has a simple structure to implement simplicity and low-cost productivity in repair and repair, and to provide stability by maintaining the output voltage in the event of a breakdown switch.
또한, 고속 영역에서 별도의 약계자 제어가 수반되지 않아 발전 제어에 있어 간편성이 제공된다.Further, in the high speed region, no separate field weakening control is involved, thereby providing simplicity in power generation control.
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