KR20120073038A - 이중 전원 하이브리드 전동식 차량의 고장 제어 장치 및 그 방법 - Google Patents

이중 전원 하이브리드 전동식 차량의 고장 제어 장치 및 그 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 이중 전원 하이브리드 전동식 차량의 고장 제어 장치 및 그 방법에 관한 것으로서, 상세하게는 배터리(Battery)와 울트라 커패시터(Ultra Capacitor)를 전원으로 이용하는 하이브리드 전동식 차량에서 하이브리드 모드로 동작 중에 고장이 발생해도 차량을 정상적으로 구동시킬 수 있다.

Description

이중 전원 하이브리드 전동식 차량의 고장 제어 장치 및 그 방법{APPARATUS FOR CONTROLLING FAILURE OF HYBRID ELECTRIC VEHICLE BASED ON DUAL POWER SUPPLY AND METHOD THEREFORE}
본 발명은 이중 전원 하이브리드 전동식 차량의 고장 제어 장치 및 그 방법에 관한 것으로서, 상세하게는 배터리(Battery)와 울트라 커패시터(Ultra Capacitor)를 전원으로 이용하는 하이브리드 전동식 차량에서 하이브리드 모드로 동작 중에 고장이 발생해도 차량을 정상적으로 구동시킬 수 있는, 이중 전원 하이브리드 전동식 차량의 고장 제어 장치 및 그 방법에 관한 것이다.
최근에는 유가의 급격한 상승과 함께 엔진의 잉여 동력을 전기 에너지 저장장치에 저장하고, 엔진의 부족한 동력을 전기 에너지 저장장치로부터 공급하여 연비를 개선한 하이브리드 형태의 전동식 차량에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다.
이러한 하이브리드 전동식 차량의 전기 에너지 저장장치는 배터리와 울트라 커패시터로 구성되어 에너지 효율을 극대화시킬 수 있도록 각 저장장치의 특성에 맞추어 동력을 제어하고 있다.
배터리는 저장 에너지 밀도가 울트라 커패시터보다 크지만, 출력밀도는 울트라 커패시터가 배터리보다 크다.
이에 따라, 빈번하게 이루어지거나 큰 동력은 울트라 커패시터로부터 전력을 공급하고, 작은 동력과 장기적으로 필요한 대용량의 에너지는 배터리로부터 전력을 공급하고 있다.
한편, 이와 같이 이중 전원을 이용하는 하이브리드 전동식 차량에서 DC/DC(Direct Current/Direct Current) 컨버터의 고장 및 울트라 커패시터의 고장이 발생할 경우, 하이브리드 전동식 차량은 하이브리드 모드로 동작할 수 없다. 적절한 안전 장치(Fail-safe)가 존재하지 않는다면 하이브리드 전동식 차량은 고장과 동시에 작업을 지속할 수 없는 동작 불능 상황에 처하게 된다.
본 발명은 상기의 문제점을 해결하기 위해 창안된 것으로서, 배터리와 울트라 커패시터를 전원으로 이용하는 하이브리드 전동식 차량에서 하이브리드 모드로 동작 중에 고장이 발생해도 차량을 정상적으로 구동시킬 수 있는, 이중 전원 하이브리드 전동식 차량의 고장 제어 장치 및 그 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
이를 위하여, 본 발명의 제1 측면에 따른 장치는, 배터리로부터 출력된 직류 전압을 직류 변환시키는 DC/DC 컨버터; 상기 DC/DC 컨버터 및 커패시터로부터 출력된 직류 전압을 교류 전압으로 변환시켜 부하를 구동시키는 인버터; 및 상기 DC/DC 컨버터 및 상기 인버터를 제어하여 하이브리드 모드로 동작시키되, 하이브리드 모드로 동작 중에 고장이 발생한 경우 상기 인버터를 강제 정지시키고, 상기 커패시터와 상기 인버터 간의 연결을 절단하고 상기 배터리로부터 출력되는 직류 전압을 상기 인버터로 직결시킨 후, 상기 강제 정지시킨 인버터의 긴급 정지를 해제하여 전동식 모드로 구동시키는 제어부를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 제2 측면에 따른 방법은, 배터리 및 커패시터를 이중 전원으로 이용하는 하이브리드 전동식 차량의 고장 제어 방법에 있어서, DC/DC 컨버터 및 인버터를 제어하여 상기 배터리 및 상기 커패시터를 이중 전원으로 이용하여 하이브리드 모드로 동작시키는 하이브리드 모드 구동 단계; 하이브리드 모드로 동작 중에 고장이 발생하는지 여부를 확인하는 고장 확인 단계; 상기 고장 확인 결과, 고장이 발생한 경우 상기 인버터를 강제 정지시키는 인버터 정지 단계; 상기 커패시터와 상기 인버터로의 연결을 절단하는 커패시터 연결 절단 단계; 상기 배터리로부터 출력되는 직류 전압을 상기 인버터로 직결시키는 인버터 직결 단계; 및 상기 강제 정지시킨 인버터의 긴급 정지를 해제하여 전동식 모드로 구동시키는 전동식 모드 구동 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명은, 하이브리드 전동식 차량의 고장 상태를 판정하여 하이브리드 모드로 동작할 수 없다고 판정될 경우 배터리를 인버터 측에 직결시킴으로써, 하이브리드 모드로 동작 중에 고장이 발생해도 차량을 정상적으로 구동시킬 수 있는 효과가 있다.
또한, 본 발명은, 일반적인 전동식 차량의 제어 장치에 배터리를 인버터로 직결시킬 수 있는 컨택터를 추가함으로써, 일반적인 전동식 차량의 구성 변화 없이도 하이브리드 모드의 고장 제어를 용이하게 할 수 있는 효과가 있다.
또한, 본 발명은, 하이브리드 모드에서 전동식 모드로 변환되어 구동되는 경우 모드 변환 알림 메시지를 사용자에게 표시하여 사용자가 작업 후에 전동식 차량의 점검이 필요한 여부를 용이하게 확인할 수 있는 효과가 있다.
도 1 은 본 발명에 따른 이중 전원 하이브리드 전동식 차량의 고장 제어 장치의 제1 실시예 구성도,
도 2 는 본 발명에 따른 이중 전원 하이브리드 전동식 차량의 고장 제어 방법에 대한 일실시예 흐름도,
도 3 은 본 발명에 따른 이중 전원 하이브리드 전동식 차량의 고장 제어 장치의 제2 실시예 구성도이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 실시 예를 상세하게 설명한다. 본 발명의 구성 및 그에 따른 작용 효과는 이하의 상세한 설명을 통해 명확하게 이해될 것이다. 본 발명의 상세한 설명에 앞서, 동일한 구성요소에 대해서는 다른 도면 상에 표시되더라도 가능한 동일한 부호로 표시하며, 공지된 구성에 대해서는 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 구체적인 설명은 생략하기로 함에 유의한다.
도 1 은 본 발명에 따른 이중 전원 하이브리드 전동식 차량의 고장 제어 장치의 제1 실시예 구성도이다.
도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 고장 제어 장치(100)는 제어부(110), DC/DC 컨버터(120) 및 인버터(130)를 포함한다. 여기서, 고장 제어 장치(100)는 전동식 차량을 조작하거나, 전동식 차량의 차량 상태를 표시하는 차량 조작부(140)를 더 포함할 수 있다.
우선, 본 발명에 따른 고장 제어 장치(100)를 설명하기에 앞서, 배터리(101)와 울트라 커패시터(102)를 이용한 하이브리드 동작을 살펴보기로 한다. 배터리(101)와 울트라 커패시터(102)로부터 출력된 직류전력이 DC/DC 컨버터(120) 또는 DC 링크를 통해 인버터(130)로 인가되면, 인버터(130)는 인가된 직류전력을 교류전력으로 변환시킨 후, 모터(10)로 공급하여 모터(10)를 구동시킨다.
이때, 도 1과 같은 이중 전원 하이브리드 전동식 차량에서 제어부(110)는 배터리(101)에서 가능한 일정한 전력을 출력하도록 하고, 작업 부하가 급격하게 변화하는 경우에는 울트라 커패시터(102)의 전력을 이용하도록 DC/DC 컨버터(120) 및 인버터(130)를 제어한다. 제어부(110)는 차량 조작부(140)의 차량 조작 신호에 따라 인버터(130)를 동작시켜 모터(10)를 제어한다. 그리고 제어부(110)는 작업 부하 및 울트라 커패시터(102)의 전압 상태를 읽어들여 DC/DC 컨버터(120)를 제어함으로써, 배터리(101)의 출력을 적절하게 조절할 수 있다.
배터리(101)는 배터리(101)의 출력 변동이 심하면 배터리(101)의 내부 저항에 의한 내부 손실이 크고, 배터리(101)의 수명에도 악영향을 미친다. 따라서 배터리(101)의 출력이 일정하도록 제어된다면, 배터리(101)의 사용시간(즉, 전동식 차량의 연속 사용 시간) 및 수명을 길게 가져갈 수 있다.
이에 따라, 하이브리드 정상 모드에서 작업 부하가 급격하게 변화하는 경우에는 울트라 커패시터(102)의 전력이 추가로 이용되도록 한다.
한편, 울트라 커패시터(102)는 제1 컨택터(MC1)를 통해 DC 링크 커패시터와 연결되어 있으며, DC 링크 커패시터는 DC/DC 컨버터(120) 및 인버터(130)와 연결되어 있다. 여기서, 제1 컨택터(MC1)는 SPST(Single-Pole Single-Throw) 타입의 컨택터로서, 고정 접점 양측은 울트라 커패시터(102)와 DC 링크 커패시터와 연결되어 있다. DC 링크 커패시터는 DC/DC 컨버터(120) 및 인버터(130) 사이에 연결되어 있다. 제1 컨택터(MC1)는 울트라 커패시터(102)와 DC 링크의 연결을 ON 상태로 유지하거나 OFF 상태로 스위칭한다. 제1 컨택터(MC1)의 고정 접점 일측은 제2 컨택터(MC2)의 고정 접점 L2와 연결되어 있다.
배터리(101)는 제2 컨택터(MC2)를 통해 DC/DC 컨버터(120)와 연결되어 있다. 여기서, 제2 컨택터(MC2)는 SPDT(Single-Pole Double-Throw) 타입의 컨택터로서, 고정 접점 C는 배터리(101)와 연결되어 있고, 가동 접점 L1 및 L2는 각각 DC/DC 컨버터(120) 및 제1 컨택터(MC1)와 연결되어 있다. 제2 컨택터(MC2)는 배터리(101)를 DC/DC 컨버터(120)로 연결하거나, DC 링크 커패시터를 통해 인버터(130)로 연결한다.
한편, DC/DC 컨버터(120)는 배터리(101)로부터 출력된 직류 전압을 직류 변환시켜 인버터(130)로 출력한다.
인버터(130)는 DC/DC 컨버터(120) 및 울트라 커패시터(102)로부터 출력된 직류 전압을 교류 전압으로 변환시켜 부하를 구동시킨다. 울트라 커패시터(102)는 DC 링크 커패시터를 통해 인버터(130)와 연결되어 있다.
제어부(110)는 울트라 커패시터(102)와 인버터(130)로의 연결을 스위칭하는 제1 컨택터(MC1)와, 배터리(101)와 DC/DC 컨버터(120) 또는 인버터(130)로의 연결을 스위칭하는 제2 컨택터(MC2)를 제어한다.
제어부(110)는 DC/DC 컨버터(120) 및 인버터(130)를 제어하여 하이브리드 모드로 동작시킨다. 여기서, 제어부(110)는 모든 구성 요소가 정상 상태라고 판단하고 있을 경우에 하이브리드 모드로 동작하도록 제어한다. 제어부(110)는 제1 컨택터(MC1)를 ON 상태로 유지시키고, 제2 컨택터(MC2)의 고정 접점 C와 가동 접점 L1을 ON 상태로 유지한다.
이때, 제어부(110)는 하이브리드 모드로 동작 중에 고장이 발생한 경우 인버터(130)를 강제로 정지시킨다. 하이브리드 모드에서 고장을 감지하면, 제어부(110)는 하이브리드 모드로 능동제어를 하지 못한다. 그러므로 제어부(110)는 인버터(130)를 순간적으로 강제 정지시킨다. 이는 사용자가 전동식 차량의 작업을 할 수 없도록 차단하기 위함이다. 부하 전류가 없도록 한 후, 제어부(110)는 제1 컨택터(MC1)를 OFF 상태로 스위칭하여 울트라 커패시터(102)와 인버터(130) 간의 연결을 절단한다. 이어서, 제어부(110)는 고정 접점 C와 가동 접점 L1이 ON 상태인 제2 컨택터(MC2)를 고정 접점 C와 가동 접점 L2를 ON 상태로 절환하여 배터리(101)로부터 출력되는 직류 전압을 인버터(130)로 직결시킨다. 이후, 제어부(110)는 강제 정지시킨 인버터(130)의 긴급 정지 상태를 해제하여 전동식 모드로 구동시킨다. 이때, 인버터(130)의 긴급 정지 상태가 해제되면, 사용자는 순간적으로 동력 차단을 느낄 수 있다. 일반 전동식 모드로의 연결 상태 변경을 통해 통상 작업이 가능해진다.
제어부(110)는 하이브리드 모드에서 전동식 모드로 변환되어 구동되는 경우 모드 변환 알림 메시지를 사용자에게 표시하거나 알림 메시지를 외부로 출력하게끔 차량 조작부(140)를 제어한다. 이는 사용자가 작업 후에 차량 상태를 점검하도록 알려주기 위함이다.
도 2 는 본 발명에 따른 이중 전원 하이브리드 전동식 차량의 고장 제어 방법에 대한 일실시예 흐름도이다.
배터리(101) 및 울트라 커패시터(102)를 이중 전원으로 이용하는 하이브리드 전동식 차량의 고장 제어 방법을 살펴보기로 한다.
제어부(110)는 하이브리드 모드로 동작 중에 고장이 발생하는지 여부를 확인한다(S202).
상기 확인 결과(S202), 하이브리드 모드로 동작 중에 고장이 발생한 경우, 제어부(110)는 인버터(130)를 강제 정지 즉, 인버터(130)의 긴급 제어를 통해 작업을 강제 정지시킨다(S204).
그리고 제어부(110)는 제1 컨택터(MC1)를 OFF 상태로 스위칭시켜 울트라 커패시터(102)와 인버터(130)로의 연결을 절단한다(S206).
이어서, 제어부(110)는 제2 컨택터(MC2)의 가동 접점 C와 고정 접점 L2를 ON 상태로 스위칭시켜 배터리(101)로부터 출력되는 직류 전압을 인버터(130)로 직결시킨다(S208).
이후, 제어부(110)는 강제 정지시킨 인버터(130)의 긴급 정지를 해제한다(S210).
제어부(110)는 배터리(101)가 인버터(130)로 직결된 일반 전동식 모드로 제어한다(S212).
한편, 상기 확인 결과(S202), 제어부(110)는 하이브리드 모드로 동작 중에 고장이 발생하지 않는 경우, 제어부(110)는 제1 컨택터(MC1)를 ON 상태로 유지시키고, 제2 컨택터(MC2)의 가동 접점 C와 고정 접점 L1을 ON 상태로 유지시킨다(S214).
그리고 제어부(110)는 배터리(101)와 울트라 커패시터(102)를 이중 전원으로 이용하는 하이브리드 정상 모드로 제어한다(S216).
"S216" 과정 이후에, 제어부(110)는 하이브리드 모드에서 전동식 모드로 변환되어 구동되는 경우 모드 변환 알림 메시지를 사용자에게 표시할 수 있다.
도 3 은 본 발명에 따른 이중 전원 하이브리드 전동식 차량의 고장 제어 장치의 제2 실시예 구성도이다.
본 발명의 제2 실시예의 기술 내용과 도 1 및 도 2에서 전술된 제1 실시예 기술 내용 간의 중복되는 내용에 대해서는 생략하기로 하며, 제2 실시예 및 제1 실시예 간의 차이점에 대해서 상세하게 기술하기로 한다. 본 발명의 제2 실시예에 따른 고장 제어 장치(100)는 제어부(110), DC/DC 컨버터(120) 및 인버터(130)를 포함한다. 여기서, 고장 제어 장치(100)는 전동식 차량을 조작하거나, 전동식 차량의 차량 상태를 표시하는 차량 조작부(140)를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 제2 실시예에 따른 고장 제어 장치(100)는 전동식 차량의 초기충전회로를 구비한 이중 전원 하이브리드 전동식 차량의 고장 제어 장치에 관한 것이다.
제어부(110)는 울트라 커패시터(102)와 DC/DC 컨버터(120) 또는 인버터(130)로의 연결을 스위칭하는 제1 컨택터와, 배터리(101)와 DC/DC 컨버터(120) 또는 인버터(130)로의 연결을 스위칭하는 제2 컨택터를 제어하여 울트라 커패시터(102)를 초기 충전시킨다.
도 3에 도시된 바와 같이, 울트라 커패시터(102)는 제1 컨택터(MC1)를 통해 DC 링크 커패시터와 연결되어 있으며, DC 링크 커패시터는 DC/DC 컨버터(120) 및 인버터(130)와 연결되어 있다. 여기서, 제1 컨택터(MC1)는 SPDT 타입의 컨택터로서, 고정 접점 U는 울트라 커패시터(102)와 연결되어 있다. 제1 컨택터(MC1)의 가동 접점 M1은 DC 링크 커패시터 및 제2 컨택터(MC2)의 가동 접점 L2와 연결되어 있고, 가동 접점 M2는 제2 컨택터(MC2)의 가동 접점 L1 및 DC/DC 컨버터(120)와 연결되어 있다.
제2 컨택터(MC2)는 SPDT 타입의 컨택터로서, 제2 컨택터(MC2)의 고정 접점 C는 배터리(101)와 연결되어 있다. 제2 컨택터(MC2)의 가동 접점 L1은 제1 컨택터(MC1)의 가동 접점 M2와 연결되어 있고, 제2 컨택터(MC2)의 가동 접점 L2는 제1 컨택터(MC1)의 가동 접점 M1과 연결되어 있다. 제2 컨택터(MC2)는 배터리(101)를 DC/DC 컨버터(120)로 연결하거나, DC 링크 커패시터를 통해 인버터(130)로 연결한다.
전동식 차량의 초기 충전시 울트라 커패시터(102)의 초기 충전을 위해서, 제어부(110)는 제2 컨택터(MC2)의 고정 접점 C를 가동 접점 L2로 연결하고, 제1 컨택터(MC1)의 고정 접점 U를 가동 접점 M2로 연결하여 초기 충전을 수행한다.
초기 충전 완료 후, 제어부(110)는 제2 컨택터(MC2)의 고정 접점 C를 가동 접점 L1으로 스위칭하고, 제1 컨택터(MC1)의 고정 접점 U를 가동 접점 M1으로 스위칭하여 하이브리드 모드로 전동식 차량을 동작시킨다. 여기서, 제1 컨택터(MC1)의 고정 접점 U와 가동 접점 M2 간의 연결은 초기 충전을 제어하는 경우만 이용된다.
그리고 도 2의 "S202" 과정 내지 "S216" 과정에 따라, 제어부(110)는 하이브리드 모드의 고장 발생시, 배터리(101)를 인버터(130)로 직결시킨 전동식 모드로 동작하도록 제어할 수 있다. "S206" 과정에서 제1 컨택터(MC1)의 OFF 상태는 제1 컨택터(MC1)의 고정 접점 U가 가동 접점 M1 및 M2 어느 쪽에도 연결되지 않은 상태를 말하며, 즉 울트라 커패시터(102)가 고장 제어 장치(100)에서 분리됨을 의미한다.
이상의 설명은 본 발명을 예시적으로 설명한 것에 불과하며, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 본 발명의 기술적 사상에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 변형이 가능할 것이다. 따라서 본 발명의 명세서에 개시된 실시 예들은 본 발명을 한정하는 것이 아니다. 본 발명의 범위는 아래의 특허청구범위에 의해 해석되어야 하며, 그와 균등한 범위 내에 있는 모든 기술도 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석해야 할 것이다.
본 발명은 배터리와 울트라 커패시터를 전원으로 이용하는 하이브리드 전동식 차량에서 하이브리드 모드로 동작 중에 고장이 발생해도 차량을 정상적으로 구동시킬 수 있다.
100: 고장 제어 장치 110: 제어부
120: DC/DC 컨버터 130: 인버터
140: 차량 조작부 101: 배터리
102: 울트라 커패시터 10: 모터

Claims (5)

  1. 배터리로부터 출력된 직류 전압을 직류 변환시키는 DC/DC 컨버터;
    상기 DC/DC 컨버터 및 커패시터로부터 출력된 직류 전압을 교류 전압으로 변환시켜 부하를 구동시키는 인버터; 및
    상기 DC/DC 컨버터 및 상기 인버터를 제어하여 하이브리드 모드로 동작시키되, 하이브리드 모드로 동작 중에 고장이 발생한 경우 상기 인버터를 강제 정지시키고, 상기 커패시터와 상기 인버터 간의 연결을 절단하고 상기 배터리로부터 출력되는 직류 전압을 상기 인버터로 직결시킨 후, 상기 강제 정지시킨 인버터의 긴급 정지를 해제하여 전동식 모드로 구동시키는 제어부
    를 포함하는 이중 전원 하이브리드 전동식 차량의 고장 제어 장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 제어부는,
    상기 커패시터와 상기 DC/DC 컨버터 또는 상기 인버터로의 연결을 스위칭하는 제1 컨택터와, 상기 배터리와 상기 DC/DC 컨버터 또는 인버터로의 연결을 스위칭하는 제2 컨택터를 제어하는 것을 특징으로 하는 이중 전원 하이브리드 전동식 차량의 고장 제어 장치.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 전동식 차량을 조작하거나 상기 전동식 차량의 차량 상태를 표시하는 차량 조작부를 더 포함하고,
    상기 제어부는, 하이브리드 모드에서 전동식 모드로 변환되어 구동되는 경우 모드 변환 알림 메시지를 사용자에게 표시하도록 상기 차량 조작부를 제어하는 것을 특징으로 하는 이중 전원 하이브리드 전동식 차량의 고장 제어 장치.
  4. 배터리 및 커패시터를 이중 전원으로 이용하는 하이브리드 전동식 차량의 고장 제어 방법에 있어서,
    DC/DC 컨버터 및 인버터를 제어하여 상기 배터리 및 상기 커패시터를 이중 전원으로 이용하여 하이브리드 모드로 동작시키는 하이브리드 모드 구동 단계;
    하이브리드 모드로 동작 중에 고장이 발생하는지 여부를 확인하는 고장 확인 단계;
    상기 고장 확인 결과, 고장이 발생한 경우 상기 인버터를 강제 정지시키는 인버터 정지 단계;
    상기 커패시터와 상기 인버터로의 연결을 절단하는 커패시터 연결 절단 단계;
    상기 배터리로부터 출력되는 직류 전압을 상기 인버터로 직결시키는 인버터 직결 단계; 및
    상기 강제 정지시킨 인버터의 긴급 정지를 해제하여 전동식 모드로 구동시키는 전동식 모드 구동 단계
    를 포함하는 이중 전원 하이브리드 전동식 차량의 고장 제어 방법.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 배터리와 상기 커패시터가 연결되어 초기 충전되도록 제1 컨택터 및 제2 컨택터를 스위칭하는 초기 충전 단계
    를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 이중 전원 하이브리드 전동식 차량의 고장 제어 방법.
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KR20160117234A (ko) * 2015-03-31 2016-10-10 제네럴 일렉트릭 컴퍼니 레인지 익스텐더를 갖는 에너지 스토리지 시스템과 에너지 관리 및 제어 방법
US11223162B2 (en) 2017-12-26 2022-01-11 Samsung Electronics Co., Ltd. Air cleaner and home appliance

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