KR20090039891A - 하이브리드 차량용 프리차징 제어방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 하이브리드 차량용 프리차징 제어방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 인버터 DC 링크 전압과 메인배터리의 전압차이가 일정전압에 도달할 경우에 프리차징이 완료되는 것을 결정함으로써, 프리차징시간 단축에 따른 프리차지 릴레이의 저사양 및 원가절감에 기여할 수 있도록 한 하이브리드 차량용 프리차징 제어방법에 관한 것이다.
이를 위해, 본 발명은 차량 운행을 요구하는 시동신호(이그니션 온)를 인식하는 단계; 프리차지 릴레이를 온시켜 인버터 DC 링크 전압이 상승하면서 프리차징이 시작되는 단계; 상기 인버터 DC 링크 전압과 메인배터리 전압의 차이가 일정 전압 이내 인지 여부를 판단하는 단계; 및 상기 전압 차이가 일정 전압 이내에 들어오는 것으로 판단된 경우에 프리차징을 종료하고 메인릴레이를 온시키는 단계를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 하이브리드 차량용 프리차징 제어방법을 제공한다.
프리차지, 인버터 DC 링크 전압, 메인배터리, 릴레이

Description

하이브리드 차량용 프리차징 제어방법{Control method for pre-charging of hybrid electric vehicle}
본 발명은 하이브리드 차량용 프리차징 제어방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 인버터 DC 링크 전압과 메인배터리의 전압차이가 일정전압에 도달할 경우에 프리차징이 완료되는 것을 결정함으로써, 프리차징시간 단축에 따른 프리차지 릴레이의 저사양 및 원가절감에 기여할 수 있도록 한 하이브리드 차량용 프리차징 제어방법에 관한 것이다.
통상적으로, 하이브리드 차량에서는 고전압의 전원을 메인 배터리(Main Battery)로 사용하여 모터를 구동시켜 차량에 동력을 제공하고 있다.
이에, 차량 기동시 차량 시스템에 구동 전원 즉 고전압의 메인 배터리 전원을 공급시키기 위하여, 메인 릴레이(Main Relay)를 붙임으로서 차량에 고전압 전원을 연결한다.
하지만, 차량 시스템에 메인 릴레이를 바로 붙일 경우 메인 릴레이가 붙는 순간 급격한 전류 흐름 즉, 배터리가 일시적으로 쇼트(short)되어 대전류(inrush current)가 흐름에 의해 메인 릴레이 고착현상이 나타나게 되고, 차량측 시스템 즉, 인버터 커패시터에 큰 손상을 초래할 수 있다.
이러한 고착 현상 및 차량측 시스템의 손상을 막기 위하여 도 1에 도시된 바와 같이 프리차지 릴레이(Precharge Relay)(10)를 사용하여 전원 전압 상승을 지연시켜 급격한 전류 흐름을 막아 릴레이 고착현상 및 차량측 시스템의 손상을 방지한다.
보다 상세하게는, 상기 프리차지 릴레이(10)의 후단에 프리차지 저항(R1)을 연결하여 흐를 수 있는 전류의 크기를 제한한다. 이때, 저항의 크기에 따라 흐르는 전류의 크기가 달라지게 되므로, 흐르는 전류의 크기를 기준으로 프리차지 릴레이의 사양을 결정한다.
즉, 이그니션이 온되고 타제어기(HCU/MCU)에 이상이 없으면 고전압 릴레이 온 시퀀스에 진입하여, 메인 릴레이(11)와 프리차지 릴레이(10) 중 프리차지 릴레이(10)를 먼저 온(On)시킨다.
상기 프리차지저항(R1)에 의해 인버터 DC 링크 전압(12)이 도 2에 도시한 바와 같이 일정한 시정수를 갖고 증가하게 되며, 고전압 메인배터리의 전압과 거의 일치하게 되어 프리차징이 완료된다.
그 다음, 상기 메인릴레이(11)를 온시키고, 일정시간 후 프리차지 릴레이(10)가 오프되어, 릴레이 온 시퀀스가 종료된다.
이 제어는 배터리 시스템을 관리하는 배터리 관리 시스템(13)(BMS ; Battery Management System)에 의해 이루어진다.
상기와 같이 프리차징을 통한 인버터 커패시터의 충전은 프리차지 저항값과 인버터 커패시스터 용량에 의한 RC 시정수 값을 가지고 상승하게 된다.
즉, 저항값이 커지면 프리차징 시간도 늘어나기 때문에 최적의 사양선정이 필요하다. 또한, 프리차지 저항값이 정해지면 릴레이에 흐르는 최대 전류도 결정되어 릴레이 사양을 정할 수 있다.
도 2에서 메인릴레이(11)를 온시키기 위한 프리차징 완료시간을 결정해야 한다. 상기 프리차징은 커패시터와 저항에 의해 시정수(τ = RㆍC)를 갖고 상승한다. 따라서, 프리차지 저항값과 인버터 커패시터 용량 값으로 시정수를 구하고, 릴레이 및 차량시스템의 손상을 막기 위해 여유계수를 고려하여 프리차징시간(5τ(시정수)×2(여유계수)=100ms)을 결정한다.
상기 프리차징 완료 판단조건으로는 위에서 구한 프리차징 시간(100ms) 후 인버터 DC 링크 전압이 고전압 배터리 전압의 95% 이상이면 프리차징완료를 확정하고, 메인릴레이(11)를 온시킨다.
그런데, 종래 기술에 의한 프리차징(Precharging) 방법은 충분한 프리차징 시간을 확보하기 위하여 큰 여유계수를 두고 있다. 따라서 프리차징 확인시간 이전에 프리차징이 완료되어 있을 가능성이 매우 높고, 프리차징 시간이 너무 길어 차량 시스템 기동 시간 지연으로 이어지고 이는 시동 시간 지연을 의미함으로 운전자에게 시동시 불만을 초래할 수 있다.
또한, 종래의 프리차징 판단조건의 경우, 인버터 DC 링크전압이 배터리 전압 의 일정비율(95%이상)에 도달했을 때 프리차징완료를 확정하게 되므로, 이는 배터리 전압에 따라 인버터 DC 링크전압과의 전압차이를 발생시키고, 이는 다른 인러시 커런트를 유발하여 릴레이의 손상을 가져올 수 있다.
또한, 프리차징 시간은 키온 시퀀스 제한시간에 의해 제한되고, 프리차지 저항이 커지면 프리차징 시간이 늘어나므로, 긴 프리차징 시간(100ms)으로 인해 프리차지 저항을 바꾸기 힘들다.
또한, 고정된 프리차지 저항값으로 인해 프리차지 릴레이의 사양도 변경하기 힘들다.
본 발명은 상기와 같은 점을 감안하여 안출한 것으로서, 인버터 DC 링크 전압과 메인배터리 전압과의 차이가 일정전압 이내로 들어올 때 프리차징완료를 확정함으로써, 프리차징 시간을 단축시킬 수 있고, 프리차지 저항값을 높임에 따라 릴레이 사양을 낮춤으로써, 원가절감에 기여할 수 있도록 한 하이브리드 차량용 프리차징 제어방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명은 하이브리드 차량용 프리차징 제어방법에 있어서,
차량 운행을 요구하는 시동신호(이그니션 온)를 인식하는 단계; 프리차지 릴레이를 온시켜 인버터 DC 링크 전압이 상승하면서 프리차징이 시작되는 단계; 상기 인버터 DC 링크 전압과 메인배터리 전압의 차이가 일정 전압 이내 인지 여부를 판단하는 단계; 및 상기 전압 차이가 일정 전압 이내에 들어오는 것으로 판단된 경우에 프리차징을 종료하고 메인릴레이를 온시키는 단계를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.
바람직한 구현예로서, 상기 전압차이가 일정 전압 이내에 들어오지 않은 것으로 판단된 경우에 프리차징 시간이 일정시간을 초과하는지 여부를 판단하는 단계와, 상기 프리차징 시간이 일정시간을 초과하는 것으로 판단되는 경우에 프리차징 폴트(FAULT)를 발생시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
이상에서 본 바와 같이, 본 발명에 따른 하이브리드 차량용 프리차징 제어방법에 의하면, 인버터 DC 링크전압과 메인배터리 전압과의 전압차이가 일정전압이 되는 순간 프리차징을 완료하고 메인릴레이를 온시킴에 따라 프리차징완료시간을 줄임으로써, 프리차지 릴레이의 사양을 낮출 수 있어서 원가절감에 기여할 수 있다.
또한, 종래기술의 여유계수 개념이 포함된 일정 시간이 아닌 최적화된 조건에 의한 가변 시간을 사용함으로써, 프리차징 시간을 단축시키므로, 결국 시동시간을 단축시킬 수 있다.
또한, 프리차징 조건을 일정한 전압차이(5V)로 하기 때문에 정확한 인러시 커런트를 예측할 수 있고, 적용차종이나 고전압배터리의 전압에 상관없이 모든 경우에 적용이 가능하여 제어의 신뢰성을 향상시킬 수 있다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부도면을 참조로 상세하게 설명한다.
첨부한 도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 프리차징 제어방법을 나타내는 순서도이다.
고전압 배터리 전압과 인버터 DC 링크 전압과의 전압 차이에 의해서 메인릴 레이 온시 인러시 커런트(대전류)가 흐르게 된다. 예를 들어 인버터 고전압 배터리의 공칭전압이 180V이고, DC 링크 전압이 0V일 때 메인릴레이를 온시키면, 대략 1800A의 인러시 커런트가 순간적으로 흐를 수 있다.
만약, 인버터 DC 링크 전압과 배터리 전압차이가 5V라면, 인러시 커런트는 대략 50A 정도가 순간적으로 흐를수 있다.
메인 배터리팩 공급업체에서는 릴레이 사용조건으로 메인릴레이의 사양이 60A인 경우에 인러시 커런트는 60A 까지 허용된다고 제시하고 있다.
따라서, 80A의 메인릴레이를 적용하는 경우에 5V의 전압차이라면 사양 내에서 사용이 가능하다.
본 발명의 일실시예에 따른 프리차징 제어방법이 종래기술과 다른 점은 프리차징 판단조건이 일정비율(95%)에서 일정전압으로 변경한 점이다.
메인 릴레이는 도 1에 도시한 바와 같이 하이브리드 차량의 메인배터리와 차량 시스템 즉, 고전압 구동부품 및 고전압 공조부품 등 사이에서 전기적인 회로를 구성하며, 차량시스템으로 메인배터리의 전원공급을 단속한다.
프리차징 릴레이는 메인배터리와 차량 시스템 사이에서 메인릴레이와 별도로 전기적인 회로를 구성하며, 전원 전압 상승을 지연시켜 급격한 전류흐름을 막아 메인릴레이의 고착현상 및 차량측 인버터 커패시터의 손상을 방지한다.
배터리 관리 시스템(BMS)는 프리차징 릴레이의 동작시 고전압 전원상승 시간을 메인배터리 전원전압과 인버터 DC 링크 전압의 전압차이에 따라 제어하도록 전압제어신호를 발생한다.
그리고, 종래기술의 경우 큰 여유계수를 두어 100ms(5τ(시정수)×2(여유계수)=100ms) 의 프리차징 시간을 확보하고 있다. 이때, 프리차징저항을 2배 높일 경우에 프리차징 시간은 2배가 되므로, 종래기술은 200ms의 프리차징 시간이 필요하다.
그러나, 종래기술의 경우에 500ms 안에 모든 키 온 시퀀스가 끝나야 하므로, 프리차지 저항을 변경할 수 없었다.
본 발명은 인버터 DC 링크 전압과 메인 배터리 전압의 차이가 일정전압 5V이내로 들어올 경우에 프리차징완료를 확정함으로써, 프리차징 시간을 기존에 비해 반(50ms) 이내로 확보할 수 있다.
통상적으로 인버터 커패시터의 프리차징 시험 결과에 의하면 도 3에 도시한 바와 같이 커패시터의 프리차징이 50ms 안에 거의 다 이루어지는 것을 볼 수 있었다. 이때 전압차이는 5V 이내로 들어온다.
상기 프리차징 조건의 변경과 함께 위의 시험결과를 바탕으로 기존의 고정된 프리차징 시간개념을 없앨 수 있다. 즉, 100ms 이내에 배터리 전압과 인버터 커패시터의 전압차이가 5V이내로 들어온다.
이에 따라, 프리차징 저항을 2배로 올려도 100ms이내에 프리차징을 완료할 수 있다.
상기 프리차지 릴레이는 인버터 커패시터에 충전시 흐르는 전류에 따라 사양이 결정된다.
프리차지 저항이 클수록 전류가 작아 저사양의 프리차지릴레이의 사용이 가 능하다. 하지만 프리차지 저항이 클수록 시정수가 커지므로, 인버터 커패시터 충전시간이 증가하게 된다.
그러나, 본 발명에서와 같이 프리차지 저항을 2배 올릴 수 있다면, 보다 싼 저사양의 릴레이를 사용함으로써, 원가를 절감할 수 있다.
본 발명의 일실시예에 따른 프리차징 제어방법을 설명하면 다음과 같다.
이그니션이 온되고 타제어기 즉, BMS, HCU 및 MCU에 이상여부를 판단하여 이상이 없으면 고전압 릴레이 온 시퀀스에 진입한다.
그 다음, 프리차징 릴레이를 온시키면 인버터 DC 링크 전압이 상승하면서 프리차징이 시작된다. 상기 인버터 DC 링크 전압이 상승할 때 배터리전압과의 전압차이가 5V가 되는지를 판단한 후, 5V가 되는 순간 프리차징을 종료하고 바로 메인릴레이를 온시킨다. 이때, 프리차징 시간이 일정시간(100ms)을 초과하는지 여부를 판단하여 일정시간 초과해도 전압차이가 5V 이내로 들어오지 않는 경우에는 프리차징 폴트(FAULT)를 발생시켜 고장진단을 할 수 있다.
상기 방법과 같이, 전압차이가 일정전압 5V가 되는 순간 프리차징을 완료하고 메인릴레이를 온시킴에 따라 프리차징완료시간을 줄임으로써, 프리차지 릴레이의 사양을 낮출 수 있어서 원가절감에 기여할 수 있다.
또한, 종래기술의 여유계수 개념이 포함된 일정 시간이 아닌 최적화된 조건에 의한 가변 시간을 사용함으로써, 프리차징 시간을 단축시키므로, 결국 시동시간을 단축시킬 수 있다.
또한, 프리차징 조건을 일정한 전압차이(5V)로 하기 때문에 정확한 인러시 커런트를 예측할 수 있고, 적용차종이나 고전압배터리의 전압에 상관없이 모든 경우에 적용이 가능하여 제어의 신뢰성을 향상시킬 수 있다.
이상에서는 본 발명을 특정의 바람직한 실시예에 대하여 도시하고 설명하였으나, 본 발명은 이러한 실시예에 한정되지 않으며, 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 특허청구범위에서 청구하는 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위내에서 실시할 수 있는 다양한 형태의 실시예들을 모두 포함한다.
도 1은 하이브리드 차량용 메인배터리의 전원공급시스템을 설명하기 위한 구성도이고,
도 2는 도 1의 릴레이 온오프 시퀀스 제어를 설명하기 위한 도면이고,
도 3은 인버터 커패시터의 프리차징 시험결과를 나타내는 도면이고,
도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 프리차징 제어방법을 나타내는 순서도이다.

Claims (2)

  1. 하이브리드 차량용 프리차징 제어방법에 있어서,
    차량 운행을 요구하는 시동신호(이그니션 온)를 인식하는 단계;
    프리차지 릴레이를 온시켜 인버터 DC 링크 전압이 상승하면서 프리차징이 시작되는 단계;
    상기 인버터 DC 링크 전압과 메인배터리 전압의 차이가 일정 전압 이내 인지 여부를 판단하는 단계; 및
    상기 전압 차이가 일정 전압 이내에 들어오는 것으로 판단된 경우에 프리차징을 종료하고 메인릴레이를 온시키는 단계를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 하이브리드 차량용 프리차징 제어방법.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 전압차이가 일정 전압 이내에 들어오지 않은 것으로 판단된 경우에 프리차징 시간이 일정시간을 초과하는지 여부를 판단하는 단계와, 상기 프리차징 시간이 일정시간을 초과하는 것으로 판단되는 경우에 프리차징 폴트(FAULT)를 발생시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 하이브리드 차량용 프리차징 제어방법.
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