KR20080087487A - 하이브리드 차량의 전력변환장치 비상구동방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 정상 주행시와 메인릴레이가 오프된 비상 주행시 사용되는 변속맵을 이원화하여 비상시에는 정상 주행 차속 대비 엔진 회전수를 높이고 구동모터로부터 발생하는 역기전압을 입력 전력으로 사용하여 12V 배터리를 충전하는 하이브리드 차량의 전력변환장치 비상구동방법에 관한 것으로, 더 자세하게는 것에 관한 것이다.

종래에는 고전압을 이어주는 메인 릴레이가 오프되면 전력변환장치가 정상적인 고전압 입력을 받지 못해 동작을 하지 않게 되고, 그에 따라 12V 계열의 전장부하는 순수하게 12V 배터리에서 전력을 소비하게 되므로 전장부하의 경중에 따라 방전시간이 다르기는 하겠지만 결국 배터리가 방전이 되어 정상적인 차량 운행에 지장을 주게 되고 운전자의 안전에도 위협이 따르게 되는 문제가 있었던 바,

하이브리드 차량의 정상 주행시와 메인릴레이가 오프된 비상 주행시 사용되는 변속맵을 이원화하여 비상시에는 정상 주행 차속 대비 엔진 회전수(rpm)를 높이고 구동모터로부터 발생하는 역기전력을 입력 전력으로 사용하여 12V 배터리를 충전하고 전장부하에 전력을 공급하는 것을 특징으로 하는 본 발명에 의하면 메인 릴레이가 오프되는 비상시에도 12V 전원을 사용하는 각종 차량 제어기와 단품의 안정적인 동작을 보증할 수 있어 안전작동(fail-safety) 측면에서 차량의 성능을 향상시킬 수 있게 되고, 메인 릴레이 오프로 인해 고전압이 제대로 인가되지 않은 비상시에도 12V 배터리를 충전함으로써 차량의 안전운행 뿐만 아니라 배터리의 방전을 막고 스트레스를 줄여 수명을 연장시키므로 부품 교환비를 절약할 수 있게 되며, 림프홈 모드시에도 12V 배터리의 사용시간을 늘여 충분히 정비소까지 갈 수 있는 시간을 확보할 수 있어 상품성 향상에 크게 기여할 수 있게 되는 등의 효과를 얻을 수 있게 된다.

하이브리드 차량, 변속맵, 전력변환장치, 모터, 고전압 배터리, 역기전력

Description

하이브리드 차량의 전력변환장치 비상구동방법 {an emergency DLC operating method for a hybrid electric vehicle}

도 1은 하이브리드 차량의 전력변환장치 접속회로도

도 2는 종래의 비상시 전력변환장치 구동상태도

도 3은 본 발명의 비상시 전력변환장치 구동상태도

도 4는 본 발명의 작동 흐름도

도 5는 모터 역기전력과 엔진 회전수의 선형선을 보여주는 그래프

도 6은 모터 등가회로도

도 7은 유도 기전력 발생 예시도

도 8은 메인 릴레이 오프시 역기전력에 의한 전력공급 상태도

도 9는 하이브리드 차량의 모터와 엔진의 접속상태도

도 10은 모터의 요부 종단면도

도 11a는 종래의 비상시 메인 릴레이, 제어유니트, 전력변환장치 신호선도

도 11b는 본 발명의 비상시 메인 릴레이, 제어유니트, 전력변환장치 신호선도

도 12는 하이브리드 차량의 정상 주행시와 메인 릴레이 오프시와 같은 비상 시에 차속에 따라 변속맵을 이원화한 것 보여주는 그래프

도 13은 차속대비 전력변환장치의 출력을 나타내는 그래프

본 발명은 하이브리드 차량의 전력변환장치 비상구동방법에 관한 것으로, 더 자세하게는 정상 주행시와 메인릴레이가 오프된 비상 주행시 사용되는 변속맵을 이원화하여 비상시에는 정상 주행 차속 대비 엔진 회전수를 높이고 구동모터로부터 발생하는 역기전압을 입력 전력으로 사용하여 12V 배터리를 충전하는 것에 관한 것이다.

일반적으로 하이브리드 차량에서 12V 배터리를 충전하고 12V 전장부하에 전력을 공급하는 역할을 하는 전력변환장치는 도 1과 같이 고전압 배터리의 전력을 입력으로 받으며, 고전압 전력은 정션박스를 통해 인버터와 전력변환장치의 입력으로 각각 분기가 된다.

따라서 직류 링크(DC-Link) 상에 병렬로 물려있는 부품 및 제어기에 이상이 있을 경우 고전압을 이어주는 메인 릴레이가 오프되고, 전력변환장치는 정상적인 고전압 입력을 받지 못해 동작을 하지 않는다.

비상시 전력변환장치가 제대로 동작을 하지 않으면 12V 계열의 전장부하는 순수하게 12V 배터리에서 전력을 소비하게 되므로 전장부하의 경중에 따라 방전시 간이 다르기는 하겠지만 결국 배터리가 방전이 되어 정상적인 차량 운행에 지장을 주게 되고 운전자의 안전에도 위협이 따르게 된다.

배터리 및 인버터의 비정상적인 상황으로 고전압이 전력변환장치에 인가되지 않으면 전력변환장치는 12V 배터리를 충전하고 전장부하에 전력을 공급해주는 본연의 역할을 수행할 수 없으므로 전장부하는 12V 배터리로부터만 전력을 빼어다 쓰게 된다.

차량 주행시에 12V 배터리의 방전이 일어나게 되면 배터리로부터 전원을 공급받는 대부분의 차량 제어기가 동작을 멈추게 된다.

실제 차량에서 전동식 파워 스티어링(MDPS; Motor Driven Power Steering)은 12V 배터리가 일정 전압 이하로 방전이 되면 가장 민감하게 제어전원이 오프되므로 배터리 방전시 핸들이 잠기게 되어 운전자의 안전에도 위협이 따르게 된다.

즉, 도 2와 같이 하이브리드 차량에 있어서 비상시 메인 릴레이가 오프되면 고전압 배터리의 전력이 전달되지 않아 모터는 동작을 멈추게 되는 엔진 온리 모드(Engine only mode; 일반 가솔린차량과 동일)가 된다.

이때 차량 주행은 가능하지만 전력변환장치 또한 입력이 없는 상태이므로 동작하지 않아 결국 12V 배터리가 방전되어 차량의 정상적인 운행에 지장을 초래한다.

본 발명은 상기 종래의 문제점을 감안하여 안출한 것이며, 그 목적이 하이브 리드 차량에서 비상상황으로 인해 고전압 공급이 정상적이지 않을 경우에도 일정 차속 이상에서 엔진 구동력에 의한 에너지를 이용, 전력변환장치의 작동을 가능케 하여 12V 배터리의 방전을 막고 12V 전장부하에 안정적으로 전력을 공급할 수 있도록 하는 하이브리드 차량의 전력변환장치 비상구동방법을 제공하는 데에 있는 것이다.

본 발명은 상기 목적을 달성하기 위하여 하이브리드 차량의 정상 주행시와 메인릴레이가 오프된 비상 주행시 사용되는 변속맵을 이원화하여 비상시에는 정상 주행 차속 대비 엔진 회전수(rpm)를 높이고 구동모터로부터 발생하는 역기전력을 입력 전력으로 사용하여 12V 배터리를 충전하고 전장부하에 안정적으로 전력을 공급하는 것 등을 특징으로 하며, 이하 그 구체적인 기술내용을 첨부도면에 의거하여 더욱 자세히 설명하면 다음과 같다.

즉, 도 3에는 본 발명의 비상시 전력변환장치 구동상태도가 도시되어 있고, 도 4에는 본 발명의 작동 흐름도가 도시되어 있는 바, 본 발명은 고전압 배터리 과열시와 같은 비상시 메인 릴레이 오프로 인해 하이브리드 차량의 전력변환장치에 정상적인 고전압이 인가될 수 없을 경우 엔진 구동력이 모터로 전달되면서 발생하는 역기전력으로 전력변환장치가 동작할 수 있는 조건을 만드는 것을 특징으로 한다.

현재 하이브리드 차량에서는 차속 대비 엔진 회전수에 따른 역기전력의 크기 가 저속에서는 전력변환장치가 동작할 수 있도록 충분하지 않기 때문에 메인 릴레이가 오프되는 경우와 같은 비상시에는 전력변환장치로의 전력공급이 어렵게 되는 바, 본 발명에 있어서는 도 3 및 도 4와 같이 차량의 변속맵을 이원화하여 저속에서도 전력변환장치가 동작할 수 있는 조건을 만들어 안정적으로 12V 배터리를 충전하고 전장부하에 전력을 공급할 수 있도록 한다.

도 5에는 모터 역기전력과 엔진 회전수의 선형선을 보여주는 그래프가 도시되어 있는 바, 도 5와 같이 역기전력은 엔진 회전수에 비례하여 상승한다.

도 6에는 모터 등가회로도가 도시되어 있는 바, 모터의 전압방정식은 다음과 같다.

상기 식에서 V_a는 구동모터에 걸리는 총전압이고, e_a는 역기전력이다.

역기전력이란 모터의 회전방향과 반대가 되는 힘으로, 상기 식과 같이 역기전력 상수 K와 모터의 회전 각속도의 곱으로 표기된다.

역기전력이 발생하는 근본적인 원인은 전자기 유도법칙에 기인하며, 전자기 유도법칙은 도 7과 같이 자석이 코일을 지날 때 플럭스의 변화가 생겨 기전력이 발생하게 되고, 이는 변화를 억제하는 방향(-)으로 발생을 한다.

* 유도 기전력 =코일 턴수 x 단위시간에 따른 플럭스 변화량

하이브리드 차량에서 보면 모터와 엔진은 도 9과 같이 한 축에 나란히 연결되어 있어 엔진 회전수(RPM)는 모터 회전수와 동일하게 되고, 도 8과 같이 메인 릴레이가 오프되어 고전압이 인가되지 않아 모터에 전류가 흐르지 않은 상태라고 하더라도 엔진의 운동에너지가 축을 통해 모터의 회전자에 전달이 된다.

하이브리드 차량에서 사용되는 모터의 회전자는 도 10와 같이 영구자석이 돌기처럼 구성되어 있고, 고정자는 코일이 감겨져 있다.

따라서 도 7과 같이 엔진동력에 의해 회전하는 모터의 회전자는 모터의 고정자에 위치한 코일을 지나면서 플럭스의 변화가 생겨 역기전력이 발생하게 된다.

상기 역기전력은 모터가 회전만 하게 되면 생성되는 전압으로 메인릴레이 온/오프 상태와 무관하게 엔진이 스타트만 되면 발생하는 전압으로 정상 주행상태일 때 인버터는 (-) 전압인 역기전력을 고려하여 모터를 제어한다.

본 발명을 하이브리드 차량에 구체적으로 적용하기 위해서는 고전압 차단과 같은 비상시에 전력변환장치의 동작을 금지하도록 상위제어기인 제어유니트(HCU)에서 전력변환장치로 보내는 지령을 오프시켜 전력변환장치가 비상시에도 동작을 할 수 있도록 변경하고, 정상주행시와 비상시(메인릴레이 오프시) 변속을 이원화시켜 비상시 동일 차속 대비 모터의 역기전력을 상승시켜 전력변환장치가 충분한 입력전압을 확보할 수 있도록 변속맵을 이원화하여야 한다.

도 12는 하이브리드 차량의 정상 주행시와 메인 릴레이 오프시와 같은 비상시에 차속에 따라 변속맵을 이원화한 것 보여주는 그래프이다.

엔진 회전수(RPM)가 약 2500 이상이 되면 전력변환장치가 500W 정도의 출력 을 낼 수 있다.

정상 주행시는 차속 100KPH에서 엔진 회전수가 2500이 되지만 비상시에는 차속 30KPH에서 엔진 회전수가 2500이 되어 저속 운행시에도 전력변환장치가 출력을 내어 12V 배터리의 방전을 막을 수 있다.

도 13은 차속대비 전력변환장치의 출력을 나타내는 그래프이다.

차속 30KPH에서 전력변환장치가 낼 수 있는 총출력 대비 45%를 출력할 수 있는데, 이는 차량에서 아이들 부하와 헤드라이트 및 하이브리드시스템 통합 쿨링팬, 라디에이터 팬등이 동시에 작동했을 때 소모되는 400W정도의 출력을 충분히 감당해 낼 수 있을 만큼의 출력이다.

또한 변속맵 이원화에 따른 동일 차속 대비 엔진 회전수의 증가로 인한 차량 쇼크 및 운전성은 실제 이원화된 변속맵을 적용한 차량 시험을 결과 영향성이 미미한 것으로 확인되었다.

이처럼 현재 하이브리드 차량에 본 발명을 적용하면 고전압이 인가되지 않은 비상시에도 엔진 구동력에 의해 전력변환장치가 동작할 수 있는 조건을 조성하여 항상 전력변환장치가 동작할 수 있도록 함으로써 12V 배터리의 방전을 막고, 12V 전원을 사용하는 차량제어기 및 단품에 차량상태와 관계 없이 안정적으로 전력을 공급할 수 있다.

아래의 표는 메인 릴레이가 오프되었을 경우 12V 배터리 만충전, 전장부하 약 800W, 차속 60KPH 조건에서 본 발명의 방법을 적용할 시와 기존 방식에서의 12V 배터리의 가용시간을 계산한 추정치이다.

* 1. 일반 납산 배터리의 종지전압은 10.5V임.

2. 전력변환장치 정격출력 : 1.1kW

위의 표에서 보면 전장부하 75%인 약 800W의 경우 현재 시스템에서와 같이 고전압 입력이 오프 되었을 경우 전력변환장치가 동작을 하지 않으므로 18분 후 12V 배터리는 종지전압인 10.5V가 되어 버리지만 본 발명의 방식을 이용하여 전력변환장치가 동작할 수 있는 환경을 만들어준다면 종지전압까지 107분의 여유가 있어 충분히 정비소로 갈 수 있는 시간이 확보되고 전장부하가 50%정도로 더 낮게 된다면 배터리 방전 없이 충분히 전력변환장치에서 전장부하로 전력을 공급할 수 있다.

본 발명은 고전압 배터리 과열, 인버터 고장 등으로 메인 릴레이가 오프되는 경우 변속맵을 이원화하여 30KPH와 같은 저속에서부터 엔진구동력에 의한 에너지로 전력변환장치가 제대로 동작할 수 있도록 하여 12V 배터리의 방전을 막아 비상시에도 12V 전원을 사용하는 각종 차량 제어기와 단품의 안정적인 동작을 보증할 수 있 어 안전작동(fail-safety) 측면에서 차량의 성능을 향상시킬 수 있다.

엔진 동력이 모터로 전달되면 발생하는 역기전력의 두가지 변수인 회전속도와 역기전력상수 중에서 본 발명의 방식은 변속맵 이원화를 통해 저속에서부터도 전력변환장치의 동작이 가능하도록 회전속도를 변경하는 방식으로, 이는 맵수정(소프트웨어변경)의 간단한 방식이지만 역기전력상수를 변경하려면 모터를 재설계(하드웨어변경)해야 하므로 금전적인 손실이 매우 크게 된다.

본 발명에 의하면 메인 릴레이 오프로 인해 고전압이 제대로 인가되지 않은 비상시에도 12V 배터리를 충전함으로써 차량의 안전운행 뿐만 아니라 배터리의 방전을 막고 스트레스를 줄여 수명을 연장시키므로 부품 교환비를 절약할 수 있다.

하이브리드 차량에서 고저압 차단이 구동모터가 제대로 동작할 수 없으므로 엔진으로만 차량이 운행될 수 있지만 기존에는 전력변환장치가 정상적인 동작을 할 수 없어 전장부하에 의한 12V 배터리 방전을 막을 수 없었지만 본 발명을 적용하면 림프홈 모드시에도 12V 배터리의 사용시간을 늘여 충분히 정비소까지 갈 수 있는 시간을 확보할 수 있어 상품성 향상에 크게 기여할 수 있다.

Claims (2)

1. 하이브리드 차량의 정상 주행시와 메인릴레이가 오프된 비상 주행시 사용되는 변속맵을 이원화하여 비상시에 정상 주행 차속 대비 엔진 회전수(rpm)를 높이고 구동모터로부터 발생하는 역기전력을 입력 전력으로 사용하여 12V 배터리를 충전하고 전장부하에 전력을 공급하는 것을 특징으로 하는 하이브리드 차량의 전력변환장치 비상구동방법.
2. 제1항에 있어서 고전압 차단과 같은 비상시에 전력변환장치의 동작을 금지하도록 상위제어기인 제어유니트(HCU)에서 전력변환장치로 보내는 지령을 오프시켜 전력변환장치가 비상시에도 동작하도록 하고, 동일 차속 대비 모터의 역기전력을 상승시켜 전력변환장치가 충분한 입력전압을 확보할 수 있도록 한 것을 특징으로 하는 하이브리드 차량의 전력변환장치 비상구동방법.

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