KR20060006422A - 4륜 하이브리드 전기자동차의 인버터 제어장치 및 방법 - Google Patents

Abstract

환경 차량에서 시동 온이 유지되는 액티브 상태에서 일정시간 이상 토크 제어 명령이 검출되지 않는 경우 PWM 스위칭을 오프 시켜 과도 상태에서의 제어 성능 및 응답성을 향상시키도록 하는 것으로,

제어모드가 결정되고 PWM 신호가 정상적으로 출력되는 액티브 상태에서 MCU는 인버터에 출력되는 PWM 신호의 오프 조건을 만족하는지 판단하는 과정과, PWM 신호의 오프 조건을 만족하면 PWM 신호의 출력을 차단하여 인버터내 IGBT 소자의 스위칭 동작이 발생되지 않도록 하는 과정과, PWM 신호의 출력을 차단하고 있는 상태에서 복구 조건이 검출되면 토크 제어 명령에 따라 정상적인 PWM 신호를 출력하여 인버터내 IGBT 소자를 스위칭 시키는 과정을 포함한다.

환경 차량, 인버터, IGBT, PWM 신호

Description

4륜 하이브리드 전기자동차의 인버터 제어장치 및 방법{AN INVERTOR CONTROL SYSTEM OF 4 WHEEL DRIVE HYBRID ELECTRIC VEHICLE AND METHOD THEREOF}

도 1은 본 발명에 따른 4WD 하이브리드 전기자동차의 인버터 제어장치에 대한 시스템 구성도.

도 2는 본 발명에 따른 4WD 하이브리드 전기자동차에서 인버터 제어 실행에 대한 일 실시예의 흐름도.

도 3은 본 발명에 따른 4WD 하이브리드 전기자동차에서 인버터 제어에 따른 전압 파형도.

도 4는 본 발명에 따른 4WD 하이브리드 전기자동차에서 인버터 제어에 따른 전류 파형도.

도 5는 종래의 4WD 하이브리드 전기자동차의 제어에 따른 전압 파형도.

도 6은 종래의 4WD 하이브리드 전기자동차의 제어에 따른 전류 파형도.

본 발명은 4륜(4 Wheel Drive ; 이하 '4WD' 라 한다.)하이브리드 전기자동차 에 관한 것으로, 더 상세하게는 모터 구동의 제어 대기 상태에서 일정시간 이상 토크 제어 명령이 검출되지 않는 경우 PWM 스위칭을 오프시켜 과도 상태에서의 제어 성능 및 응답성을 향상시키도록 하는 4륜 하이브리드 전기자동차의 인버터 제어장치 및 방법에 관한 것이다.

일반적으로, 병렬형 하이브리드 전기자동차는 주동력원인 엔진을 보조하고 스타터의 기능을 수행하기 위하여 엔진과 모터를 직결하여 구성한다.

또한, 4WD 하이브리드 전기자동차는 차량의 전륜에 엔진과 모터 시스템을 조합하여 구성되고, 후륜에도 별도의 모터 시스템이 장착되어 구성되며, 전륜에 장착되는 모터 시스템과 후륜에 장착되는 모터 시스템은 각 독립적인 시스템으로 구성된다.

이와 같은 구성에 의해 일반 차량과 같이 기계적 샤프트를 통해 4륜을 구현하지 않고 독립적인 모터 시스템의 구동으로 필요에 따라 4륜 기능을 수행한다.

즉, 주행 상황에 따라 후륜에 장착된 모터 시스템만으로 차량을 구동하는 전기 자동차 모드와 전륜의 엔진만이 동작하는 주행모드, 전륜의 엔진이 주 동력원으로 작용하고 전륜의 모터 시스템이 동력을 보조하는 하이브리드 모드 및 전륜의 엔진과 모터 시스템 그리고 후륜의 모터 시스템이 모두 작동되도록 하는 4륜 하이브리드 주행모드의 구현이 제공된다.

상기와 같이 하이브리드 전기자동차의 모터 시스템에 적용되는 모터는 크기를 축소하고 출력밀도를 높이기 위하여 영구자석형 모터가 주로 사용되고 있는데, 고속회전을 감안하여 매입형 영구자석 동기모터(Interior Permanent Magnet Synchronous Motor : IPMSM)가 주로 사용되고 있다.

상기 매입형 영구자석 동기모터는 로터(회전자)의 내부에 영구자석을 삽입하는 구조로, 이러한 구조는 인덕턴스의 불균일에 의해 돌극성이 존재하고, 이에 따라 릴럭턴스 토크(Reluctance Torque)를 발생시키므로 일반적인 일정각 제어로는 제어가 어려운 단점을 갖고 있다.

상기한 매입형 영구자석 동기모터를 제어하는 방법으로는 크게 두 가지로 구분되는데, 그 중에서 하나는 전압방정식을 이용하여 전류와 토오크의 관계식을 유도하여 적용하는 수학적 방법이고, 다른 하나는 모터의 파라미터를 이용하여 시뮬레이션 및 실험적인 방법으로 토크 지령과 속도에 매칭되는 전류의 값을 맵 형태로 만드는 전류지령 생성기를 이용하는 제어방법이다.

상기 첫 번째 방법인 전압방정식을 이용하는 경우 과도한 수학함수의 사용으로 연산로드가 매우 커 프로세서에 큰 부하를 주게 되고, 모터의 d축과 q축간의 전류각, 즉 최대토크가 산출되는 전류각을 구하기 어려워 오차가 크고 최대 토크 운전이 어려워 제어 성능이 떨어지는 단점이 있다.

상기 두 번째 방법인 전류지령 생성기를 이용하는 경우 다이나모 테스트에 의해 실험적으로 산출된 전류 지령 맵을 사용하게 됨에 따라 프로세서의 연산부하가 경감되어 처리 속도가 빨라지고, 최대 토크의 운전이 가능하나, 전류 지령 맵을 만드는 절차가 복잡하고, 잘못된 맵을 사용하는 경우 제어 성능이 저하되는 문제점이 발생된다.

또한, 시스템이 온을 유지하고 있는 상태에서 토크 지령이 입력되지 않는 상 태에서도 MCU(Motor Control Unit)은 항상 PWM(Pulse Width Modulation) 신호를 출력하고 있어, 배터리의 DC 전압을 상 전환시키는 인버터 내의 IGBT(Insulated Gate bipolar Transistor)소자 역시 PWM 신호에 의해 스위칭 동작이 유지되고 있어 불필요한 스위칭 손실이 발생되며, 과도상태에서 노이즈의 영향으로 원하지 않는 전류 출력이 발생되는 문제점이 있다.

일예를 들어 도 5에 도시된 바와 같이, MCU(Motor Control Unit)의 초기 충전 및 엔진 스타터 크랭킹(Starter Cranking)이 발생하는 경우 "A" 지점과 같이 엔진의 시동이 온이 유지되는 시점까지 배터리 전압의 심한 변동이 발생되고, 엔진의 시동이 온을 유지하고, 변속단이 1속이며, 전륜이 공회전을 유지하고 있는 상태에서 토크 지령이 "0"인 경우 엔진 회전수의 변동에 따라 "B" 지점과 같이 배터리의 전압 변동이 발생된다.

또한, 제동력 발생에 따라 회생 제동이 발생되는 경우 "C" 지점과 같이 배터리 전압이 급격한 상승을 나타내게 된다.

그리고, 모터의 고속 운전을 위해서는 모터 단자전압이 항상 모터 역기전력보다 큰 값을 가져야하나, 속도가 증가할수록 모터의 역기전력이 커지게 되어, 일정속도 이상에서는 더 이상 속도 증가가 불가능하다.

이때, 계자를 줄여 역기전력을 작게 해주는 약계자 제어를 실행하는데, 맵 방식의 전류지령 생성기를 이용하여 모터의 구동을 제어하는 경우 이러한 약계자 제어가 맵에 포함되어 있으나, 도 6에 도시된 바와 같이 모터의 구동이 설정된 일정속도, 예를 들어 4000RPM의 조건을 기준(E)으로 약계자 제어를 진입하는 경우 진 입 전후(D1,D2)에서 리플전류가 과다하게 발생되고 이에 따라 전류 제어의 응답성이 불안정하게 되는 문제점이 발생한다.

특히, 약계자 제어의 이전 구간에서는 어떤 전류의 제어가 필요 없음에도 불구하고 PWM 신호가 발생됨에 따라 불필요한 스위칭 손실이 발생되어 전체 시스템의 효율을 저하시키게 되는 문제점이 발생한다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 발명한 것으로, 그 목적은 MCU에서 PWM 신호가 인버터측에 출력되고, 모터의 구동 제어를 위한 모드가 결정된 액티브 상태(Active State)에서 상위 제어기인 HCU에서 설정된 일정시간 동안 토크 지령이 입력되지 않으면 MCU는 PWM 신호의 출력을 오프시켜 인버터 내의 IGBT 소자의 스위칭 동작이 홀딩(Holding)되도록 함으로써, 불필요한 스위칭 손실을 제거하고, 이에 따른 전력 손실을 배제시켜 시스템의 성능을 향상시키도록 한 것이다.

상기와 같은 목적을 실현하기 위한 본 발명은 제어모드가 결정되고 PWM 신호가 정상적으로 출력되는 액티브 상태에서 MCU는 인버터에 출력되는 PWM 신호의 오프 조건을 만족하는지 판단하는 과정과; PWM 신호의 오프 조건을 만족하면 PWM 신호의 출력을 차단하여 인버터내 IGBT 소자의 스위칭 동작이 발생되지 않도록 하는 과정과; PWM 신호의 출력을 차단하고 있는 상태에서 복구 조건이 검출되면 토크 제어 명령에 따라 정상적인 PWM 신호를 출력하여 인버터내 IGBT 소자를 스위칭시키는 과정을 포함하는 것을 특징으로 하는 4륜 하이브리드 전기자동차의 인버터 제어방 법을 제공한다.

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

도 1은 본 발명에 따른 4륜 하이브리드 전기자동차의 제어장치에 대한 일 실시예의 구성도로, 운전정보 검출부(10)와, ECU(Electric Control Unit ; 20), TCU(Torque Control Unit ; 30), HCU(Hybrid Control Unit ; 40), 메인 배터리(Main Battery ; 50), BMS(Battery Management System ; 60), MCU(Motor Control Unit ; 70), 엔진(80), 제1인버터(90), 제2인버터(100), 제1모터 시스템(110), 제2모터 시스템(120), 감속기(130), DC/DC 컨버터(140) 및 보조 배터리(150)를 포함하여 구성된다.

운전정보 검출부(10)는 운전자의 출발 및 가속 요구에 대한 APS(Accel Position Sensor) 신호와 제동 제어하는 브레이크 페달 신호, 변속단 선택에 대한 신호, 차속에 대한 정보, 엔진에 흡입되는 공기량에 대한 정보, 냉각수의 온도에 대한 정보, 에어컨 시스템의 구동을 선택하는 정보 등을 각각의 대응되는 센서로부터 검출하여 최상위 제어기인 HCU(40)에 제공한다.

ECU(20)는 운전자의 운행 요구 신호와 냉각수온, 엔진 토크 등의 엔진 상태 정보 및 상위 제어기인 HCU(40)의 제어에 따라 엔진(80)의 아이들 스타트 및 스톱과 아이들 발전 토크 제어한다.

TCU(30)는 현재의 차속, 기어비, 클러치 상태 등의 정보를 검출하고, 상위 제어기인 HCU(40)의 제어에 따라 감속기(130)의 출력 토크 조절에 대한 전반적인 동작을 제어한다.

HCU(40)는 상위 제어기로 메인 배터리(50) 및 보조 배터리(150)의 전압에 따른 아이들 발전 제어, 제동 제어에 따른 희생 제동 발전 제어, 엔진(80)의 출력 토크 등 차량의 거동에 따른 전반적인 동작을 각 제어기를 통해 제어한다.

메인 배터리(50)는 제1모터 시스템(110) 및 제2모터 시스템(120)에 구동 전압을 공급하는 고용량 고전압이 배터리로 구성되며, 제동 제어시 발생되는 회생 발전 에너지 및 엔진(80)의 동작에 의한 발전으로 충전된다.

BMS(60)는 상기 메인 배터리(50)의 전압, 전류, 온도 등의 정보를 종합 검출하여 배터리의 SOC 상태를 관리 제어하며, 출력되는 전류량을 제어한다.

MCU(70)는 상위 제어기인 HCU(40)의 제어에 따라 제1모터 시스템(110) 혹은 제2모터 시스템(120)의 구동을 제어하기 위하여 PWM 신호를 제1인버터(90) 및 제2인버터(100)에 공급하여, 제1인버터(90) 및 제2인버터(100)내 IGBT 스위칭 소자의 스위칭 제어를 통해 차량의 거동을 제어한다.

또한, 상기 MCU(70)는 상위 제어기인 HCU(40)의 명령에 따라 제1인버터(90) 혹은 제2인버터(100)에 PWM 신호를 출력하고, 제어모드가 결정된 액티브 상태에서 상위 제어기인 HCU(40)로부터 설정된 일정시간 동안 토크 지령이 입력되지 않으면 상기 제1인버터(90) 혹은 제2인버터(100)에 인가하는 PWM 신호를 오프시켜 제1인버터(90) 및 제2인버터(100)내의 IGBT 소자가 불필요한 스위칭 동작이 발생되지 않도록 함으로써, 내구성 향상과 전류 손실이 발생되지 않도록 한다.

또한, 상기 PWM 신호의 오프 상태에서 해제 조건이 만족되면 액티브 상태로 복귀하여 정상적인 PWM 신호가 출력되어 제1인버터(90) 혹은 제2인버터(100)의 내 IGBT 소자의 정상적인 스위칭이 이루어지도록 한다.

엔진(80)은 상기 ECU(20)의 제어에 의해 동작되며, 출력 샤프트가 제1모터 시스템(110)과 직결되어 감속기(130)에 연결된다.

제1인버터(90)는 IGBT 소자로 이루어지며, MCU(70)에서 인가되는 PWM 신호에 따라 스위칭되어 메인 배터리(50)에서 인가되는 직류 상태의 고전압을 교류 3상 전압으로 상 변환하여 엔진(80)의 출력 샤프트에 직결되는 제1모터 시스템(110)을 구동시킨다.

제2인버터(100)는 IGBT 소자로 이루어지며, MCU(70)에서 인가되는 PWM 신호에 따라 스위칭되어 메인 배터리(50)에서 인가되는 직류 상태의 고전압을 교류 3상 전압으로 변환하여 제2모터 시스템(120)을 구동시킨다.

제1모터 시스템(110)은 주행 상태에서 상기 제1인버터(90)를 통해 공급되는 전압 및 전류에 의해 주행 동력을 보조하고, 엔진(80)의 출력 샤프트와 직결됨에 따라 정지상태에서 엔진(80)의 시동이 온되어 아이들 상태를 유지하는 경우 상기 HCU(40)에서 결정되어 제1인버터(90)를 통해 제어되는 발전 토크값으로 전장 시스템 전원 공급을 위한 아이들 발전을 실행한다.

제1모터 시스템(120)은 후륜에 장착되며, 상기 제2인버터(100)를 통해 공급되는 전압 및 전류에 의해 동작되어 후륜에 의한 주행이 이루어질 수 있도록 하고, 전륜과 함께 동작되는 경우 4륜 모드의 주행을 제공하며, 제동 제어시 회생 에너지를 회수하여 메인 배터리(50)의 충전이 이루어질 수 있도록 한다.

감속기(130)는 입력축이 제1모터 시스템(110)의 출력축과 연결되며, TCU(30)에서 인가되는 제어신호에 따라 감속비가 조정되어 제1모터 시스템(110)에서 입력되는 동력을 전륜 휠에 출력시켜 주행이 이루어질 수 있도록 한다.

DC/DC컨버터(140)는 저전압을 저장하고 있는 보조 배터리(150)의 충전을 위한 장치로, 상기 상위 제어기인 HCU(40)에서 인가되는 제어신호에 따라 스위칭 온/오프되어 메인 배터리(50)에서 인가되는 전압 혹은 제1,제2인버터(90)(100)에서 인가되는 회생 제동 에너지를 보조 배터리(150)에 충전 전압을 공급한다.

보조 배터리(150)는 전장 시스템의 부하 전원을 담당한다.

전술한 바와 같은 기능을 포함하여 구성되는 4륜 하이브리드 전기자동차에서 인버터 제어를 실행하는 동작은 다음과 같다.

4륜 하이브리드 전기자동차가 시동 온을 유지함에 따라 MCU(70)에서 제1인버터(90) 및 제2인버터(100)에 PWM 신호를 인가되고, 제어모드가 결정된 액티브 상태에서(S101) MCU(70)는 상위 제어기인 HCU(40)로부터 토크 제어 신호의 입력을 대기한다(S102).

이때, MCU(70)는 상기 HCU(40)로부터 토크 제어 신호의 입력 대기 시간이 설정된 일정시간, 바람직하게는 50ms 이상이 경과하도록 토크 제어 명령이 입력되지 않는지를 판단하다(S103).

상기에서 설정 시간이 경과하도록 HCU(40)로부터 토크 제어 명령이 입력되지 않으면 MCU(70)는 제1인버터(90) 및 제2인버터(100)내 IGBT 소자의 불필요한 스위칭 손실을 배제하기 위하여 PWM 신호의 출력을 오프시켜, 제1인버터(90) 및 제2인 버터(100)를 인히비트 모드로 천이시킴으로써, IGBT 소자의 스위칭 동작이 일어나지 않도록 하여, 메인 배터리(50)의 전력 소비가 발생되지 않도록 한다(S105)(S106).

또한, 상기 S103에서 상위 제어기인 HCU(40)로부터 정상적인 토크 제어 명령이 입력되고 있으나, 제어 대상인 제1모터 시스템(110) 혹은 제2모터 시스템(120)의 회전속도가 설정된 속도, 바람직하게는 3600RPM 이하의 조건을 유지하고 있는 약계자 영역 이하의 조건을 만족하고 있는지를 판단한다(S104).

상기 S104에서 제어 대상의 모터 시스템이 약계자 영역 이하의 조건으로 제어되고 있는 상태로 판단되면 MCU(70)는 제1인버터(90) 및 제2인버터(100)내 IGBT 소자의 불필요한 스위칭 손실을 배제하기 위하여 PWM 신호의 출력을 오프시켜, 제1인버터(90) 및 제2인버터(100)를 인히비트 모드로 천이시킴으로써, IGBT 소자의 스위칭 동작이 일어나지 않도록 하며, 이에 따라 메인 배터리(50)의 전압 소모가 발생되지 않도록 한다(S105)(S106).

따라서, 도 3에 도시된 바와 같이, 약계자 이하의 영역과 토크 명령이 입력되는 않는 조건에서 배터리 전압을 안정되게 유지하여 준다.

상기와 같이 MCU(70)에서 PWM 신호의 출력을 오프상태로 유지하여 제1모터 시스템(110) 혹은 제2모터 시스템(120)의 구동을 중지하고 있는 상태에서 PWM 제어 조건을 만족하는지를 판단한다(S107).

상기 PWM 제어 조건은 HCU(40)에서 정상적인 토크 명령이 입력되고, 제어 대상의 모터 시스템 속도가 설정된 기준 속도, 바람직하게는 4,000RPM 이상으로 검출 되면 액티브 모드로 복귀되어(S108), 정상적인 PWM 신호를 제1인버터(90) 혹은 제2인버터(100)에 출력함으로써, 제어 대상의 모터 시스템이 메인 배터리(50)에 의한 전원의 공급으로 동력가 이루어지도록 한다.

이에 따라서, 도 3 및 도 4에 도시된 바와 같이, 제어 대상의 모터 시스템 속도가 약계자 영역을 벗어나 제어되는 상태에서 d축 및 q축에 대한 전압 제어값을 정확하게 인지함으로써, 이를 감안한 제어로 리플 전류가 발생되지 않는 안정된 제어가 유지된다.

이상에서 설명한 바와 같이 본 발명은 환경 차량에서 인버터를 제어함에 있어 일정시간 동안 토크 명령이 입력되지 않거나 모터가 약계자 영역에서 작동되는 경우 인버터에 인가되는 PWM 신호를 오프 상태로 유지함으로써, 인버터내 IGBT 소자의 불필요한 스위칭 손실을 배제하여 시스템의 안정성을 제공하고, 배터리의 전압 손실 및 리플 전류의 발생을 최소화시켜 시스템의 성능을 향상시킨다.

Claims (5)

1. 4륜 하이브리드 전기자동차에 있어서,

   엔진과;

   전륜에 장착되어 독립적인 구동 및 동력을 보조하는 제1모터 시스템과;

   후륜에 장착되어 독립적인 구동 및 동력을 보조하는 제2모터 시스템과;

   운전 요구신호를 검출하는 운전정보 검출부와;

   엔진의 전반적인 동작을 제어하는 ECU와;

   차속, 기어비에 따라 CVT의 출력 토크를 조절하는 TCU와;

   상기 제1,제2모터 시스템에 구동 전압을 공급하는 메인 배터리와;

   상기 메인 배터리의 전압, 전류, 온도를 검출하여 SOC를 관리하며, 출력되는 전류량을 제어하는 BMS와;

   전장 시스템의 각 부하에 전원을 공급하는 보조 배터리 및;

   차량내 각 제어기를 통합 제어하는 HCU와;

   메인 배터리의 DC 전압을 교류 3상 전압으로 상 변환시켜 제1모터 시스템에 인가하고, 제동 제어시 제1모터 시스템에서 발생되는 회생 제동 에너지를 회수하여 상기 메인 배터리에 충전 전압으로 공급하는 제1인버터와;

   메인 배터리의 DC 전압을 교류 3상 전압으로 상 변환하여 제2모터 시스템에 인가하고, 제동 제어시 제2모터 시스템에서 발생되는 회생 제동 에너지를 회수하여 메인 배터리에 충전 전압으로 인가하는 제2인버터와;

   상기 메인 배터리의 고전압을 저전압으로 변환시켜 보조 배터리에 충전 전압으로 공급하는 DC/DC컨버터를 포함하며,

   시동 온을 유지함에 따라 제어 모드가 결정되고, PWM 신호가 출력되는 액티브 상태에서 설정된 일정시간 동안 상기 HCU로부터 토크 제어 명령이 입력되지 않으면 상기 제1인버터 혹은 제2인버터에 출력되는 PWM 신호를 오프시켜 상기 제1인버터 혹은 제2인버터내 IGBT 소자의 스위칭 동작이 일어나지 않도록 하는 MCU를 포함하는 것을 특징으로 하는 4륜 하이브리드 전기자동차의 인버터 제어장치.
2. 제1항에 있어서,

   상기 MCU는 액티브 상태에서 제어 대상 모터 시스템이 설정된 속도 이하의 약계자 영역에서 제어되는 경우 PWM 신호를 오프시켜 상기 제1인버터 혹은 제2인버터내 IGBT 소자의 스위칭 동작이 일어나지 않도록 하는 것을 특징으로 하는 4륜 하이브리드 전기자동차의 인버터 제어장치.
3. 제어모드가 결정되고 PWM 신호가 정상적으로 출력되는 액티브 상태에서 MCU는 인버터에 출력되는 PWM 신호의 오프 조건을 만족하는지 판단하는 과정과;

   PWM 신호의 오프 조건을 만족하면 PWM 신호의 출력을 차단하여 인버터내 IGBT 소자의 스위칭 동작이 발생되지 않도록 하는 과정과;

   PWM 신호의 출력을 차단하고 있는 상태에서 복구 조건이 검출되면 토크 제어 명령에 따라 정상적인 PWM 신호를 출력하여 인버터내 IGBT 소자를 스위칭시키는 과 정을 포함하는 것을 특징으로 하는 4륜 하이브리드 전기자동차의 인버터 제어방법.
4. 제3항에 있어서,

   상기 PWM 신호의 오프 조건은 설정된 일정시간 동안 HCU로부터 토크 제어 명령이 입력되지 않거나 모터 시스템에 약계자 영역에서 구동되는 조건인 것을 특징으로 하는 4륜 하이브리드 전기자동차의 인버터 제어방법.
5. 제3항에 있어서,

   상기 오프 상태를 유지하고 있는 PWM 신호의 복구 조건은 HCU에서 정상적인 토크 명령이 입력되거나 모터 시스템이 정토크 영역에서 작동되는 조건인 것을 특징으로 하는 4륜 하이브리드 전기자동차의 인버터 제어방법.

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