KR20110062120A - 상용차량의 하이브리드 시스템 및 그것의 제어방법 - Google Patents

상용차량의 하이브리드 시스템 및 그것의 제어방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 소용량 전동기 2개를 병렬로 구성하여 ISG(Idle Stop and Go) 기능과 발전제어 기능을 실행하고, 운전 상황에 따라 모터 기능으로 전환되어 엔진의 출력토크를 지원(Assistance)하도록 하는 상용차량의 하이브리드 시스템이다.
본 발명은 운전요구 및 차량 상태를 네트워크를 통해 검출하여 엔진 출력토크 지원이 가능한 상태인지 판단하는 과정; 엔진 출력토크 지원이 가능한 상태에서 급가속, 과부하의 운전조건이면 전동기를 제너레이터 기능에서 모터기능으로 전환시켜 엔진 출력토크를 지원하는 과정; 운행시간이 수퍼 커패시터의 만충전으로 판정되면 전동기의 제너레이터 기능을 모터기능으로 전환시켜 엔진 출력토크를 지원하는 과정; 차량의 가속도 증가가 기준 가속도 이상이면 엔진의 출력토크에 부하로 작용하는 전동기의 제너레이터 기능을 모터기능으로 전환시켜 엔진의 출력토크에 부하를 경감시키는 과정을 포함한다.
Figure P1020090118710
하이브리드 시스템, 상용차량, 파워라인, 병렬구성, 토크지원

Description

상용차량의 하이브리드 시스템 및 그것의 제어방법{HYBRID SYSTEM OF COMMERCIAL VEHICLE AND CONTROL METHOD THEREOF}
본 발명은 상용차량에 관한 것으로, 보다 상세하게는 소용량 전동기 2개를 병렬로 구성하여 ISG(Idle Stop and Go) 기능과 발전제어 기능을 실행하고, 운전 상황에 따라 모터 기능으로 전환되어 엔진의 출력토크를 지원(Assistance)하도록 하는 상용차량의 하이브리드 시스템 및 그것의 제어방법에 관한 것이다.
차량의 배기가스에 의한 심각한 환경문제를 개선하고, 연비를 향상을 제공하기 위한 목적으로 상용차량에 알터네이터 및 스타터가 일체형으로 구성되는 ISG의 장착이 개발되고 있다.
이를 위해 상용차에 적용하기 위한 전동기의 개발이 진행되고 있으나 개발 연구비가 과대하게 소비되고, 내구력에서 실차의 적용에 부담으로 작용된다.
승용차에 적용되는 소용량 전동기를 상용차량에 적용하는 경우 원하는 ISG 제어 기능과 발전제어 기능이 실행되지 못하는 문제점이 발생한다.
그리고, 발전되는 용량의 부족으로 인하여 배터리의 SOC(State Of Change)를 안정되게 유지시키지 못하여 배터리에 의한 출력토크 지원이 안정되게 제공되지 못 하는 문제점이 발생한다.
본 발명은 상기한 문제점을 해결하기 위하여 발명한 것으로, 그 목적은 상용차량에 소용량 전동기 2개를 병렬로 구성하여 ISG 기능 및 발전 제어의 기능이 안정되게 제공되도록 하고, 엔진 상태와 운전상황에 따라 전동기에서 모터 기능으로 전환되어 엔진의 출력토크를 지원하여 발진 및 가속에 안정된 응답성을 제공하도록 하는 것이다.
상기한 목적을 실현하기 위한 본 발명의 특징에 따른 상용차량의 하이브리드 시스템은, 스타터/제너레이터 기능이 제공되는 전동기; 전동기의 출력단에 병렬로 연결되어 충방전 기능을 실행하는 수퍼 커패시터; 수퍼 커패시터의 충방전 동작에서 플로팅 전압을 제거하는 DC/DC 컨버터를 포함하여 파워라인을 구성하는 하이브리드 시스템에 있어서,
상기한 구성이 포함되는 파워라인을 각각 독립적으로 구성하고, 각 파워라인에 구성되는 전동기를 크랭크 풀리에 독립적으로 연결하며, 독립된 파워라인의 DC/DC 컨버터 출력단을 차량 전장부하가 연결되는 배터리에 연결하고, 상기 독립된 파워라인을 네트워크로 연결하여 동기화하며, 운전 상황에 따라 각 파워라인을 독립적으로 제어하여 전동기를 스타터 기능, 제너레이터 기능, 모터 기능으로 제어하는 제어부를 포함한다.
또한, 본 발명의 특징에 따른 상용차량의 하이브리드 시스템 제어방법은, 운전요구 및 차량 상태를 네트워크를 통해 검출하여 엔진 출력토크 지원이 가능한 상태인지 판단하는 과정; 엔진 출력토크 지원이 가능한 상태에서 급가속, 과부하의 운전조건이면 전동기를 제너레이터 기능에서 모터기능으로 전환시켜 엔진 출력토크를 지원하는 과정; 운행시간이 수퍼 커패시터의 만충전으로 판정되면 전동기의 제너레이터 기능을 모터기능으로 전환시켜 엔진 출력토크를 지원하는 과정; 차량의 가속도 증가가 기준 가속도 이상이면 엔진의 출력토크에 부하로 작용하는 전동기의 제너레이터 기능을 모터기능으로 전환시켜 엔진의 출력토크에 부하를 경감시키는 과정을 포함한다.
전술한 구성에 의하여 본 발명은 상용차량에서 소용량 전동기의 적용으로 엔진의 다운 사이징(down sizing) 설계를 제공하고, 안정된 ISG 기능 및 발전 기능이 제공되어 상용차량의 하이브리드 시스템 구성에 신뢰성을 제공한다.
그리고, 엔진 상태 및 운전상황에 따라 전동기 기능에서 모터 기능으로 전환되어 엔진의 출력토크를 능동적으로 지원함으로써, 발진 및 가속에 안정된 응답을 제공한다.
아래에서는 첨부된 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다.
본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으므로, 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않으며, 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위하여 설명과 관계없는 부분은 생략하였다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 상용차량의 하이브리드 시스템 구성을 개략적으로 도시한 도면이다.
본 발명은 제1,제2 전동기(11)(21)와 제1,제2수퍼 커패시터(12)(22), 제1,제2DC/DC컨버터(13)(23), 제어부(30), 배터리(40) 및 차량부하(50)를 포함한다.
상기 제1전동기(11)와 제1수퍼 커패시터(12), 제1DC/DC컨버터(13)를 포함하여 제1파워라인이 독립적으로 구성되고, 제2전동기(21)와 제2수퍼 커패시터(22), 제2DC/DC컨버터(23)를 포함하여 제2파워라인이 독립적으로 구성되며, 상기의 제1,2파워라인은 배터리(40)에 병렬로 연결된다.
상기 제1,제2파워라인은 네크워크를 통해 제어부(30)에 연결된다.
상기 제1,제2전동기(11)(21)는 스타터/제너레이터의 기능이 포함되는 ISG 전동기로 구성되며, 회전축에 결합된 풀리(14)(24)는 벨트 혹은 체인을 통해 크랭크 풀리(100)에 각각 연결된다.
상기 크랭크 풀리(100)의 연결 구조는 도 2에 도시된 바와 같이, 제1 ISG전동기의 회전축에 연결되는 제1풀리(14)는 크랭크 풀리(100)와 에어컨 풀리(110)를 연결하는 제1레이아웃으로 구성되며, 제1텐셔너(131)에 의해 그 장력이 조정된다.
그리고, 제2 ISG전동기의 회전축에 연결되는 제2풀리(24)는 크랭크 풀리(100)와 연결되는 제2레이아웃으로 구성되며, 제2텐셔너(132)에 의해 그 장력이 조정된다.
상기 제1,제2전동기(11)(21)는 독립적으로 제어되어 스타터 및 제너레이터의 기능이 실행되고, 엔진 상태와 운전상황에 따라 전동기 기능에서 모터의 기능으로 전환되어 엔진의 출력토크를 독립적으로 지원한다.
제1,제2수퍼 커패시터(12)(22)는 제1,제2전동기(11)(21)의 출력단에 병렬로 연결되어 제1,2 전동기(11)(21)가 제너레이터로 동작되는 경우 발전되는 전압을 급속 충전하고, 스타터 혹은 모터 기능으로 동작되는 경우 충전된 전압을 방전시켜 동작 전원으로 공급한다.
제1,2DC/DC컨버터(13)(23)는 상기 제1,2수퍼 커패시터(12)(22)의 충방전 동작에서 발생되는 플로팅 전압(Floating Voltage)을 제어한 다음 병렬로 연결되는 배터리(40)에 충전한다.
제어부(30)는 상기 제1파워라인과 제2파워라인을 네트워크로 연결하여 동기화하며, 운전 상황에 따라 각각의 파워라인을 독립적으로 제어하여 제1,2전동기(11)(21)가 스타터 기능과 제너레이터 기능 및 모터 기능이 실행되도록 한다.
상기 제어부(30)는 제1,제2전동기(11)(21)가 제너레이터의 기능이 실행되는 상태에서 네트워크를 통해 검출되는 운전정보가 급가속, 과부하의 운전조건이면 모터의 기능으로 전환시켜 발진 및 가속에 따른 엔진 출력토크를 지원한다.
또한, 차량의 운행이 일정시간 이상 경과한 경우에는 제1,제2수퍼 커패시터(12)(22)의 만충전이 이루어진 것으로 판단하고 모터 기능으로 전환되어 엔진의 출력토크를 지원함으로써 연비 향상을 제공한다.
또한, 차량이 일정 가속도 이상으로 주행되는 경우 모터 기능으로 전환되어 엔진의 출력토크를 지원함으로써 경제모드의 운전을 제공한다.
차량부하(50)는 상용차량에 구성되는 다양한 전장부하로, 배터리(40)에서 공급되는 전원에 의해 동작된다.
전술한 바와 같은 기능이 포함되어 구성되는 본 발명의 동작은 다음과 같이 실행된다.
본 발명에 따른 상용차량이 주행되면 통상적으로 제1,2전동기(11)(21)는 제너레이터의 기능이 실행되어 크랭크 풀리(100)에서 벨트 혹은 체인을 통해 전달되는 동력으로 전압을 발전하며, 발전되는 전압은 독립된 파워라인 각각에 병렬로 연결되는 수퍼 커패시터(12)(22)에 충전되고, 제1,2DC/DC컨버터(13)(23)에 의해 플로팅 전압이 제거되어 제1,2파워라인을 병렬로 접속하는 배터리(40)에 충전된다(S101).
상기와 같이 제네레이터의 통상적인 기능이 실행되는 상태에서 제어부(30)는 네트워크를 통해 운전자의 운전요구와 차량의 운전정보를 검출하여(S102), 네트워크 통신이 정상적인 상태를 유지하는 판단한다(S103).
상기 S103에서 네트워크 통신이 정상적인 상태이면 제1,2수퍼 커패시터(12)(22)에 충전된 전압을 모니터하여 엔진의 출력토크 지원이 가능한 상태인지를 판단한다(S104).
상기 S104에서 엔진의 출력토크 지원이 가능한 상태이면 운전요구 및 운전정보가 급가속, 과부하 조건인지를 판단한다(S105).
상기 S105에서 급가속, 과부하의 조건이면 제너레이터 기능으로 동작되는 상기 제1,제2전동기를 모터 기능으로 전환한 다음 제1,2수퍼 커패시터(12)(22)에 충전된 전압을 방전시켜 제1,제2전동기(11)(21)를 작동시킴으로써(S106), 엔진의 출력토크를 지원하여 준다(S107).
따라서, 발진, 급가속 등의 조건에서 안정된 운전성을 확보하여 준다.
또한, 상기 S105에서 급가속, 과부하 조건이 아니면 주행시간이 설정된 기준시간이 경과되었는지 판단한다(S108).
상기 기준시간은 정상적인 운전조건에서 각 파워라인에 연결되어 있는 제1,제2수퍼 커패시터(12)(22)가 만충전되는 시간으로, 예를 들어 1시간으로 설정된다.
상기 S108에서 주행시간이 설정된 기준시간을 경과하였으면 제1,제2수퍼 커패시터(12)(22)의 만충전으로 판정한 다음(S109) 제1,제2 파워라인에 독립적으로 구성되는 제1,제2전동기(11)(21)를 모터 기능으로 전환시켜 엔진의 출력토크를 지원하여 준다(S106)(S107).
따라서, 경제 운전을 제공하여 연비 향상을 제공하여 준다.
또한, 가속도의 증가를 판정하여 기준 가속도, 예를 들어 3%를 초과한 상태인지를 판단하여(S110), 가속도의 증가가 기준 가속도를 초과한 상태이면 제1,제2전동기(11)(21)가 제너레이터로 동작됨에 따라 엔진의 출력토크에 부하로 작용하므로, 모터기능으로 전환시켜 엔진의 부하를 최소화시킨다.
따라서, 목표 속도의 진입에 빠른 응답성과 연비 향상이 제공된다.
상기한 제어에서 하나의 파워라인에 연결되는 전동기를 제너레이터의 기능으 로 제어하고, 다른 하나의 파워라인에 연결되는 전동기를 모터의 기능으로 독립되게 제어할 수 있으며, 병렬로 구성되는 파워라인에 연결되는 각각의 전동기를 제너레이터 기능 혹은 모터 기능으로 동시 제어하며, 각각에 대하여 출력을 동일하거나 상이하게 제어할 수 있다.
이상에서 본 발명의 실시예에 대하여 상세하게 설명하였지만 본 발명의 권리범위는 이에 한정되는 것이 아니고 다음의 청구범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 발명의 권리범위에 포함된다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 상용차량의 하이브리드 시스템 구성을 개략적으로 도시한 도면이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 상용차량의 하이브리드 시스템 구성에서 전동기 2개의 병렬 연결을 도시한 구성도이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 상용차량의 하이브리드 시스템에서 엔진출력 지원 절차를 도시한 흐름도이다.

Claims (12)

  1. 스타터/제너레이터 기능이 제공되는 전동기; 전동기의 출력단에 병렬로 연결되어 충방전 기능을 실행하는 수퍼 커패시터; 수퍼 커패시터의 충방전 동작에서 플로팅 전압을 제거하는 DC/DC 컨버터를 포함하여 파워라인을 구성하는 하이브리드 시스템에 있어서,
    상기한 구성이 포함되는 파워라인을 각각 독립적으로 구성하고, 각 파워라인에 구성되는 전동기를 크랭크 풀리에 독립적으로 연결하며,
    독립된 파워라인의 DC/DC 컨버터 출력단을 차량 전장부하가 연결되는 배터리에 연결하고,
    상기 독립된 파워라인을 네트워크로 연결하여 동기화하며, 운전 상황에 따라 각 파워라인을 독립적으로 제어하여 전동기를 스타터 기능, 제너레이터 기능, 모터 기능으로 제어하는 제어부;
    를 포함하는 상용차량의 하이브리드 시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 전동기는 크랭크 풀리와 에어컨 풀리를 하나로 연결하고, 텐셔너를 통해 장력이 조정되는 제1레이아웃;
    크랭크 풀리에만 연결되고, 텐셔너를 통해 장력이 조정되는 제2레이아웃;
    으로 연결되는 것을 특징으로 하는 상용차량의 하이브리드 시스템.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 제어부는 급가속, 과부하의 운전조건에서 제너레이터의 기능이 실행되는 전동기를 모터의 기능으로 전환시켜 엔진 출력토크를 지원하는 것을 특징으로 하는 상용차량의 하이브리드 시스템.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 제어부는 운행시간이 기준을 경과하면 수퍼 커패시터의 만충전으로 판정하여 제너레이터의 기능이 실행되는 전동기를 모터의 기능으로 전환시켜 엔진 출력토크를 지원하는 것을 특징으로 하는 상용차량의 하이브리드 시스템.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 제어부는 차량의 가속도 증가가 기준 가속도 이상이면 엔진의 출력토크에 부하로 작용하는 전동기의 제너레이터 기능을 모터의 기능으로 전환시켜 엔진의 출력토크에 부하를 경감시키는 것을 특징으로 하는 상용차량의 하이브리드 시스템.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 제어부는 파워라인 각각에 대하여 독립 제어를 실행하는 것을 특징으로 하는 상용차량의 하이브리드 시스템.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 제어부는 하나의 파워라인에 연결되는 전동기를 제너레이터의 기능으로 제어하고,
    다른 하나의 파워라인에 연결되는 전동기를 모터의 기능으로 제어하는 것을 특징으로 하는 상용차량의 하이브리드 시스템.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 제어부는 병렬로 구성되는 파워라인에 연결되는 각각의 전동기를 제너레이터 기능 혹은 모터 기능으로 동시 제어하며, 각각에 대하여 출력을 동일하거나 상이하게 제어하는 것을 특징으로 하는 상용차량의 하이브리드 시스템.
  9. 운전요구 및 차량 상태를 네트워크를 통해 검출하여 엔진 출력토크 지원이 가능한 상태인지 판단하는 과정;
    엔진 출력토크 지원이 가능한 상태에서 급가속, 과부하의 운전조건이면 전동기를 제너레이터 기능에서 모터기능으로 전환시켜 엔진 출력토크를 지원하는 과정;
    운행시간이 수퍼 커패시터의 만충전으로 판정되면 전동기의 제너레이터 기능을 모터기능으로 전환시켜 엔진 출력토크를 지원하는 과정;
    차량의 가속도 증가가 기준 가속도 이상이면 엔진의 출력토크에 부하로 작용하는 전동기의 제너레이터 기능을 모터기능으로 전환시켜 엔진의 출력토크에 부하를 경감시키는 과정;
    을 포함하는 상용차량의 하이브리드 시스템 제어방법.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 전동기의 기능 전환을 통한 엔진 출력토크의 지원은 파워라인 각각에 대하여 독립되게 실행되는 것을 특징으로 하는 상용차량의 하이브리드 시스템 제어방법.
  11. 제9항에 있어서,
    상기 엔진 출력토크 지원에서 병렬로 연결되는 하나의 파워라인을 제너레이터 기능으로 실행하고,
    다른 하나의 파워라인을 모터기능으로 실행하는 것을 특징으로 하는 상용차량의 하이브리드 시스템 제어방법.
  12. 제9항에 있어서,
    상기 엔진 출력토크 지원에서 병렬로 구성되는 파워라인 각각을 제너레이터 기능 혹은 모터 기능으로 동시 제어하며,
    동일한 출력 혹은 상이한 출력으로 독립 실행하는 것을 특징으로 하는 상용차량의 하이브리드 시스템 제어방법.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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KR101251243B1 (ko) * 2011-10-27 2013-04-08 엘에스산전 주식회사 전기자동차의 전원 공급 시스템
KR20160007694A (ko) * 2014-06-24 2016-01-21 현대자동차주식회사 하이브리드 차량의 ｈｓｇ 단독 시동시 제어 방법
US10358124B2 (en) 2015-06-25 2019-07-23 Hyundai Motor Company Driving force control method during engine clutch slipping of TMED HEV

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