KR20110010345A - 플러그인 하이브리드 차량제어장치 - Google Patents

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KR20110010345A
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유두영
이세현
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현대중공업 주식회사
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Abstract

본 발명에 따른 플러그인 하이브리드 차량제어장치는, 엔진의 기계적 동력을 전기적 동력으로 변환하는 발전기와, 상기 발전기를 제어하거나 외부 전력으로 배터리를 충전하는 발전기 제어기와, 상기 배터리의 전기를 이용하여 바퀴를 직접 구동하는 복수 개의 전동기와, 상기 복수 개의 전동기를 제어하는 전동기제어기 및, 상기 엔진, 발전기, 배터리, 전동기의 상태를 통신을 이용하여 감시하고, 운전자의 조작에 따라 운전모드를 변경하는 차량제어유닛;을 포함한다.
하이브리드, 차량제어장치, 배터리, 제어장치

Description

플러그인 하이브리드 차량제어장치{Control equipment of plug in hybrid cars}
본 발명은 하이브리드 차량에 관한 것으로, 특히 운전자의 조작에 의하여 여러 모드로 전환하여 차량을 안정적으로 운전할 수 있으며, 외부에서 배터리로 충전할 경우 별도의 충전장치 없이 발전기 제어장치를 이용하여 일정 전류 및 전압을 공급하여 배터리를 안정적으로 충전할 수 있는 플러그인 하이브리드 차량제어장치에 관한 것이다.
하이브리드(Hybrid) 차량이란, 화석연료를 이용한 엔진의 기계적 동력과 이차전지인 배터리의 전기적 동력을 조화롭게 사용함으로써, 에너지 저감 효과를 얻고자 제작된 차량을 말한다.
여기서, 엔진의 기계적 동력을 바퀴에 직접 전달하고 필요할 때 배터리의 동력을 전동기를 이용하여 도움받는 차량을 병렬 형 하이브리드 차량이라 하고, 엔진의 기계적 동력을 발전기를 통해 전기적 동력으로 변환하여 전동기를 구동하거나 배터리에 충전하는 차량을 직렬형 하이브리드 차량이라고 한다. 즉, 고속주행이나 장거리 주행은 병렬 형 하이브리드 차량이 유리하고, 시내주행이나 단거리 주행은 직렬 형 하이브리드 차량이 유리하다.
또한, 플러그인 하이브리드 차량은 배터리의 용량이 커서 평소 전력회사의 전력을 충전장치를 이용하여 배터리에 충전한 후, 일정기간 동안 배터리로 운전할 수 있다. 즉, 플러그를 꽂아서 충전할 수 있다는 의미로 '플러그-인'을 사용한다.
또한, 플러그인 하이브리드 차량은 배터리의 에너지가 낮을 경우 엔진을 가동하여 발전기를 거쳐 전기 동력을 배터리에 다시 충전하는 직렬형 하이브리드 방식을 포함하고 있다.
그러나 종래의 하이브리드 차량은, 병렬 형과 직렬 형을 선택적으로 전환하는 기능이 없어 효율적이지 못하였고, 플러그인 차량의 경우 일반 전력회사로부터 전기를 이용하여 배터리를 외부에서 충전해야 하므로 별도의 충전장치가 반드시 있어야 하는 문제점이 있었다.
따라서, 본 발명은 상기와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위한 것으로, 운전자의 스위치 조작에 의하여 정숙 운전 시에는 배터리모드, 비상운전 시에는 엔진모드, 평상 시에는 하이브리드 모드로 전환할 수 있도록 함으로써, 차량의 안정적인 운전이 가능함과 아울러, 외부에서 배터리로 충전할 경우 별도의 충전장치 없이도 발전기 제어장치를 이용하여 일정 전류 및 전압을 공급하여 배터리를 안정적으로 충전할 수 있는 플러그인 하이브리드 차량제어장치를 제공하는데 그 목적이 있다.
상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 플러그인 하이브리드 차량에 있어서, 엔진의 기계적 동력을 전기적 동력으로 변환하는 발전기; 상기 발전기를 제어하거나 외부 전력으로 배터리를 충전하는 발전기제어기; 상기 배터리의 전기를 이용하여 각 바퀴를 직접 구동하는 복수 개의 전동기; 상기 복수 개의 전동기를 제어하는 전동기제어기; 및 상기 엔진, 발전기, 배터리, 전동기의 상태를 통신을 이용하여 감시하고, 운전자의 조작에 따라 운전모드를 변경하는 차량제어유닛;을 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 전동기는, 상기 바퀴의 조향 각을 바퀴마다 달리하여 제어하기 위해, 상기 각 바퀴마다 개별적으로 설치될 수 있다.
상기 차량제어유닛은, 운전자 스위치 조작에 의해 배터리모드, 엔진모드, 하 이브리드모드로 전환하여 선택적인 운전가능하도록 할 수 있다.
상기 차량제어유닛은, 상기 엔진, 발전기, 배터리, 전동기제어유닛에 전기적으로 연결된 통신라인을 통해 감시 및 제어하되, 상기 통신라인을 통해 상태정보나 동작정보를 되받을 수 있다.
이상에서 설명한 바와 같이, 플러그인 하이브리드 차량제어유닛에 의하면, 운전자의 스위치 동작에 의하여 배터리 모드, 엔진모드, 하이브리드모드의 안정적인 운전이 가능한 장점이 있다.
또한, 외부 전력회사로부터 배터리를 충전할 경우 별도의 충전장치 없이 발전기제어기부터 배터리의 SOC를 효율적으로 충전할 수 있는 장점이 있다.
이하 첨부된 도면을 참조하면서 본 발명에 따른 바람직한 실시 예를 상세히 설명하기로 한다.
도 1은 본 발명에 따른 플러그인 하이브리드 차량제어장치의 차량 전체 구성도를 나타낸 도면이고, 도 2는 본 발명에 따른 플러그인 하이브리드 차량제어장치의 고전압 전기부분을 나타낸 도면이며, 도 3은 본 발명에 따른 플러그인 하이브리드 차량제어장치의 하이브리드 운전모드를 결정하는 동작 시퀀스를 나타낸 도면이다.
도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 플러그인 하이브리드 차량은, 플 러그인 하이브리드 차량에 있어서, 발전기(A28), 발전기제어기(A12), 전동기(A19, A20, A21, A22), 전동기제어기(A14) 및, 차량제어유닛(HVCU: A4)을 포함한다.
여기서, 상기 발전기(A28)는 엔진(A27)의 기계적 동력을 전기적 동력으로 변환하고, 상기 발전기제어기(A12)는 발전기(A28)를 제어하거나 외부 전력으로 배터리(BATT: A10)를 충전한다.
전동기(A19, A20, A21, A22)는 배터리(BATT: A10)의 전기를 이용하여 바퀴(A15, A16, A17, A18)를 직접 구동시키기 위해 복수로 구비되며, 전동기제어기(A14)는 상기 전동기(A19, A20, A21, A22)들을 제어한다.
발전기제어기(A12)에는 제어를 위한 발전기제어유닛(GCU: A7)이 구비되고, 상기 전동기제어기(A14)에도 제어를 위한 전동기제어유닛(MCU: A9)이 구비된다.
차량제어유닛(HVCU: A4)은 엔진(A27), 발전기(A28), 배터리(BATT: A10), 전동기(A19, A20, A21, A22)의 상태를 통신을 이용하여 감시하고, 운전자의 조작에 따라 운전모드를 변경하는 기능을 한다. 즉, 상기 차량제어유닛(HVCU: A4)은 운전자의 스위치 조작에 의해 배터리모드, 엔진모드, 하이브리드모드로 전환하여 선택적인 운전가능하도록 한다.
또한, 엔진(A27), 발전기, 배터리(BATT: A10) 및 전동기제어기(A14)에 전기적으로 연결된 통신라인(A5)을 통해 감시 및 제어하되, 상기 통신라인(A5)을 통해 상태정보나 동작정보를 되받을 수도 있다.
이와 같이, 운전자는 차량의 대쉬보드(Dash Board: A3)에 배치되어 있는 조작 스위치들을 조작하여 여러 운정무드 중 하나를 선택할 수 있다. 즉, 배터리동작 스위치(B/S: A1)를 이용해 엔진동작스위치(E/S: A2)를 동작시킬 수 있고, 이 동작신호가 대쉬보드(Dash Board: A3)를 통해 하이브리드 차량제어유닛(HVCU: A4)에서 차량의 운전모드를 결정하게 된다.
상세히 설명하면, 차량제어유닛(HVCU: A4)에 전달된 명령 신호가 통신라인(A5)을 통해 엔진제어유닛(ECU: A6), 발전기제어유닛(GCU: A7), 배터리관리유닛(BMS: A8), 전동기제어유닛(MCU: A9)에 전달된다. 또한, 상기 통신라인(A5)으로부터 각 유닛들의 상태정보나 동작정보를 되받을 수 있다.
다음으로, 하이브리드 차량제어유닛(HVCU: A4)에서 배터리모드를 결정하면, 이 명령이 평소 배터리(BATT: A10)를 관리하는 배터리관리유닛(BMS: A8)으로 전달되고, 배터리관리유닛(BMS: A8)은 배터리(BATT: A10)의 온도나 내부 셀 전압 등이 이상이 없으면 정상 신호를 다시 하이브리드 차량제어유닛(HVCU: A4)으로 돌려준다.
이때, 상기 차량제어유닛(HVCU: A4)에서 전동기제어유닛(MCU: A9)에 전력공급유닛(A11)의 내부 릴레이를 안정적으로 동작시켜 발전기제어기(A12)와 전동기제어기(A14)의 내부 캐패시터를 충전한다.
충전이 끝나면, 운전자의 가속 페달(A13)에 의해 토크 명령이 하이브리드 차량제어유닛(HVCU: A4)을 거쳐 전동기제어유닛(MCU: A9)으로 전달되며, 이것이 전동기제어유닛(MCU: A9)을 제어하여 전력케이블(A27, A28, A29, A30)을 거쳐 차량 바퀴(A15, A16, A17, A18) 들에 각각 장착된 구동 전동기(A19, A20, A21, A22)의 토크를 제어하여 이 동력을 감속기(A23, A24, A25, A26)를 거쳐 바퀴(A15, A16, A17, A18)에 전달한다.
도 1에 도시된 바와 같이 차량이 회전할 경우, 회전 반경을 최소화하기 위하여 각을 바퀴(A15, A16, A17, A18)마다 전동기(A19, A20, A21, A22)를 개별적으로 장착하는 것이 바람직하다.
또한, 하이브리드 차량제어장치(A4)에서 엔진모드나 하이브리드모드일 경우, 엔진(A27)을 동작시켜 발전기제어기(A12)를 거쳐 전동기제어기(A14)에 전력을 공급하게 된다.
이때, 운전자의 가속 페달(A13)의 크기와 차량의 속도로부터 필요 전력이 필요한데, 그 크기에 따라 엔진(A27)의 동력을 제어하기 위하여 동력의 크기에 따른 엔진(A27)의 RPM을 하이브리드 차량제어장치(A4)로부터 통신을 통해 받는다. 그리고 발전기제어기(A12)는 발전기의 위상을 검출하기 위하여 로터리엔코더(A31)로부터 정보를 받아 발전기 제어에 이용한다.
한편, 외부전원을 이용하여 배터리(BATT: A10)를 충전할 경우, 별도의 충전장치 없이 발전기제어기(A12)에 연결된 플러그(A32)를 통하여 안정적으로 배터리(BATT: A10)를 충전할 수 있다.
즉, 사용자가 충전스위치(C/S: A33)를 켜면, 배터리관리유닛(BMS: A8)을 통해 통신으로 하이브리드 차량제어유닛(HVCU: A4)으로 충전요구 신호가 들어오고, 발전기제어유닛(GCU: A7)으로 명령을 보내 외부 전원으로부터 발전기제어기(A12)에서 배터리(BATT: A10)를 안정적으로 충전할 수 있다.
도 2를 참조하여 고전압 전기부분에 대해 설명하면 다음과 같다.
먼저, 엔진(B1)의 기계적 동력이 발전기(B2)에 전달되어 발전기는 엔진(B1)의 RPM에 따라 전력이 발생하고, 이 전력을 발전기제어기(B3)에서 적당한 일정 전압을 유지하도록 변환하여 전력공급유닛(PDU: B4)을 거쳐 배터리(B5)에 충전하거나 전동기(B7)를 구동하기 위하여 전동기제어기(B6)에 공급한다.
발전기제어기(B3)와 전동기제어기(B6)에는 필터커패시터(B10, B11)가 설치되어 있는데, 차량의 운전모드가 배터리모드일 경우 초기에 배터리(B5)로부터 상기 필터캐패시터(B10, B11)에 전압을 충전해야 한다. 이때, 돌입전류를 방지하기 위하여 전력공급유닛(PDU: B4) 내부에서 충전저항으로 일정시간 동안 안전하게 필터캐패시터(B10, B11)를 충전한 후 메인 릴레이를 구동하여 큰 전류의 전력을 공급하게 된다.
그리고 외부 전력을 이용하여 배터리를 충전할 경우, 발전기제어기(B3)의 입력부분에 연결된 플러그(B9)를 통해 발전기제어기(B3)에서 배터리를 안정적으로 충전할 수 있도록 제어한다.
도 3을 참조하여 하이브리드 운전모드를 결정하는 동작 시퀀스에 대해 설명하면 다음과 같다.
대부분의 차량은 시동 스위치인 이그니션 스위치가 있는데, 상기 스위치가 켜져 있으면(C1) 각종 변수가 초기화(C2) 된다. 이때, 사용자의 충전을 하기 위하여 충전스위치(C/S: A33)를 켜면(C28), 발전기제어유닛(GCU: A7)에 시스템을 시작하라는 명령을 주고(C36) 차량은 충전모드(C37)로 전환된다.
여기서, SOC(State Of Charge: 충전상태)가 관리하고자 하는 SOC 영역의 낮 은 값 'LOW' 값보다 작을 경우(C29), 충전하라는 표시를 '1'로 하고(C34) 배터리를 충전하게 된다(C35).
반면, SOC가 'LOW' 값보다 작지 않고(C29) SOC가 'HIGH' 값보다 클 경우(C30), 충전하라는 표시를 '0'으로 하고(C31) 충전을 마치게 된다(C33). SOC가 'HIGH' 값보다 크지 않으면(C30), 충전하라는 표시에 따라(C32) 충전하거나(C35) 충전을 마치게 된다(C33).
또한, 운전자의 스위치 조작에 의하여 대쉬보드(Dash Board: A3)의 배터리동작스위치(B/S: A1)가 켜져 있으면(C3), 배터리관리유닛(BMS: A8)에 시스템 동작 명령(C4)을 낸다. 또한, 전동기제어기(도 1: A14)에 의해 전력공급유닛(PDU: B4)의 메인 릴레이가 동작하였으면(C5) 차량은 배터리모드(C6)로 동작하게 된다.
여기서, 엔진동작스위치(E/S: A2)가 켜져 있으면(C7), 하이브리드 차량제어유닛(HVCU: A4)에서 통신으로 엔진제어유닛(ECU: A6) 엔진을 구동하라는 명령과 RPM 명령을 내고(C8), 통신으로 발전기제어유닛(GCU: A7)에 시스템 동작 명령을 낸다(C9).
이때, 운전모드는 하이브리드모드(C10)로 동작하게 되고, SOC(State Of Charge: 충전상태)가 관리하고자 하는 SOC 영역의 낮은 값 'LOW' 값보다 작을 경우(C11) 충전하라는 표시를 '1'로 하고(C12) 배터리를 충전하게 된다(C13).
한편, SOC가 'LOW' 값보다 작지 않고(C11) SOC가 'HIGH' 값보다 클 경우(C14), 충전하라는 표시를 '0'으로 하고(C15) 충전을 마치게 된다(C16). 반면, SOC가 'HIGH' 값보다 크지 않으면(C14), 충전하라는 표시에 따라(C17) 충전하거 나(C13) 충전을 마치게 된다(C16). 여기서 엔진동작스위치(E/S: A2)가 꺼지면(C18) 배터리모드(C6)로 돌아가게 된다.
다음으로, 엔진동작스위치(E/S: A2)가 꺼지지 않고(C18) 배터리동작스위치(B/S: A1)가 꺼지지 않으면(C19), 하이브리드모드(C10)을 반복하게 된다. 여기서, 배터리동작스위치(B/S: A1)가 꺼지면(C19) 엔진모드(C23)로 건너뛰게 된다.
그리고 전력공급유닛(PDU: B4)이 켜지지 않으면(C5), 타이머를 체크 하여 일정시간을 넘어 타이머가 'ON'되면(C25) 초기로 돌아가고, 그렇지 않으면 이 동작이 반복된다.
또한, 배터리모드에서 SOC가 'LIMIT' 값보다 작거나(C26) 배터리동작스위치(B/S: A1)가 꺼지면(C27) 처음으로 되돌아 간다. 그렇지 않으면 배터리모드(C6)을 반복한다.
여기서, 배터리동작스위치(B/S: A1)가 켜지지 않은 상태에서(C3) 엔진동작스위치(E/S: A2)가 켜지면(C20), 하이브리드 차량제어유닛(HVCU: A4)에서 통신으로 엔진제어유닛(ECU: A6) 엔진을 구동하라는 명령과 RPM 명령을 내고(C8), 통신으로 발전기제어유닛(GCU: A7)에 시스템 동작 명령을 낸다(C9). 이때, 운전모드는 엔진모드(C23)으로 동작한다.
여기서, 엔진동작스위치(E/S: A2)가 꺼지면(C24) 처음으로 되돌아 가고, 그렇지 않으면 엔진모드를 반복하는 시퀀스를 갖는다.
이상에서 본 발명에 따른 플러그인 하이브리드 차량제어장치에 대한 기술사상을 첨부 도면과 함께 서술하였지만, 이는 본 발명의 가장 양호한 실시 예를 예시 적으로 설명한 것이지 본 발명을 한정하는 것은 아니다.
따라서 이 기술분야의 통상의 지식을 가진 자이면 누구나 본 발명의 기술사상의 범위를 이탈하지 않는 범위 내에서 치수 및 모양 그리고 구조 등의 다양한 변형 및 모방할 수 있음은 명백한 사실이며 이러한 변형 및 모방은 본 발명의 기술 사상의 범위에 포함된다.
도 1은 본 발명에 따른 플러그인 하이브리드 차량제어장치의 차량 전체 구성도를 나타낸 도면.
도 2는 본 발명에 따른 플러그인 하이브리드 차량제어장치의 고전압 전기부분을 나타낸 도면.
도 3은 본 발명에 따른 플러그인 하이브리드 차량제어장치의 하이브리드 운전모드를 결정하는 동작 시퀀스를 나타낸 도면.
< 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 >
A1: 배터리동작스위치 A2: 엔진동작스위치
A3: 대쉬보드 A4: 차량제어유닛
A5: 통신라인 A6: 엔진제어유닛
A7: 발전기제어유닛 A8: 배터리관리유닛
A9: 전동기제어유닛 A10: 배터리
A11: 전력공급유닛 A12: 발전기제어기
A13: 페달 A14: 전동기제어기
A15, A16, A17, A18: 바퀴 A19, A20, A21, A22: 전동기
A23, A24, A25, A26: 감속기 A27: 엔진
A28: 발전기 A29, A30, A31, A32: 전력케이블
A33: 충전스위치

Claims (4)

  1. 하이브리드 차량에 있어서,
    상기 차량의 엔진의 기계적 동력을 전기적 동력으로 변환하는 발전기;
    상기 발전기를 제어하거나 외부 전력으로 배터리를 충전하는 발전기제어기;
    상기 배터리의 전기를 이용하여 각 바퀴를 직접 구동하는 복수 개의 전동기;
    상기 복수 개의 전동기를 제어하는 전동기제어기; 및
    상기 엔진, 발전기, 배터리, 전동기의 상태를 통신을 이용하여 감시하고, 운전자의 조작에 따라 운전모드를 변경하는 차량제어유닛;을 포함하는 것을 특징으로 하는 플러그인 하이브리드 차량제어장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 전동기는,
    상기 바퀴의 조향 각을 바퀴마다 달리하여 제어하기 위해, 상기 각 바퀴마다 개별적으로 설치되는 것을 특징으로 하는 플러그인 하이브리드 차량제어장치.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 차량제어유닛은,
    운전자 스위치 선택에 의해 배터리모드, 엔진모드, 하이브리드모드로 전환하여 선택적인 운전가능하도록 하는 것을 특징으로 하는 플러그인 하이브리드 차량제 어장치.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 차량제어유닛은,
    상기 엔진, 발전기, 배터리, 전동기에 전기적으로 연결된 통신라인을 통해 감시 및 제어하되, 상기 통신라인을 통해 상태정보나 동작정보를 되받는 것을 특징으로 하는 플러그인 하이브리드 차량제어장치.
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Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR101271251B1 (ko) * 2011-05-26 2013-06-07 주식회사 에치케이텍 전기 차량용 이동식 급속 충전 장치
US9751520B2 (en) 2013-12-26 2017-09-05 Hanwha Land Systems Co., Ltd. Apparatus and method for controlling travel of vehicle

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