KR20130069000A - 전기자동차 및 그 제어방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 전기자동차 및 그 제어방법에 관한 것이다. 본 발명에 따른 전기자동차는, 본 발명에 따른 전기자동차는, 차량의 주행을 제어하기 위해 로우데이터를 이용하여 토크값을 계산하고, 상기 토크값에 따라 토크명령을 내리는 차량제어부 및 상기 토크명령에 대응하여 모터를 제어하는 모터제어부를 포함하고, 상기 차량제어부는 상기 토크값이 특정구간에 포함되는지 여부를 판단하고, 토크 출력 모드를 결정하여 토크의 출력을 제어한다.

Description

전기자동차 및 그 제어방법{electric vehicle and control method thereof}
본 발명은 전기자동차 및 그 제어방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 차량제어부가 계산된 토크값에 따라 토크 출력 모드를 결정하여, 차량의 주행을 제어하는 전기자동차 및 그 제어방법에 관한 것이다.
전기자동차는 장래의 자동차 공해 및 에너지 문제를 해결할 수 있는 가장 가능성 높은 대안이라는 점에서 연구가 활발하게 진행되고 있다.
전기자동차(EV ; Electric vehicle)는 주로 배터리의 전원을 이용하여 AC 또는 DC 모터를 구동하여 동력을 얻는 자동차로서, 크게 배터리전용 전기자동차와 하이브리드 전기자동차로 분류되며, 배터리전용 전기자동차는 배터리의 전원을 이용하여 모터를 구동하며, 전원이 다 소모되면 재충전하고, 하이브리드 전기자동차는 엔진을 가동하여 전기발전을 하여 배터리에 충전을 하고 이 전기를 이용하여 전기모터를 구동하여 차를 움직이게 할 수 있다.
또한, 하이브리드 전기자동차는 직렬 방식과 병렬 방식으로 분류될 수 있으며, 직렬 방식은 엔진에서 출력되는 기계적 에너지는 발전기를 통하여 전기적 에너지로 바뀌고 이 전기적 에너지가 배터리나 모터로 공급되어 차량은 항상 모터로 구동되는 자동차로 기존의 전기자동차에 주행거리의 증대를 위하여 엔진과 발전기를 추가시킨 개념이고, 병렬 방식은 배터리 전원으로도 차를 움직이게 할 수 있고 엔진(가솔린 또는 디젤)만으로도 차량을 구동시키는 두 가지 동력원을 사용하고 주행조건에 따라 병렬 방식은 엔진과 모터가 동시에 차량을 구동할 수도 있다.
또한, 최근 모터/제어기술도 점점 발달하여 고출력, 소형이면서 효율이 높은 시스템이 개발되고 있다. DC모터를 AC모터로 변환함에 따라 출력과 EV의 동력성능(가속성능, 최고속도)이 크게 향상되어 가솔린차에 비하여 손색없는 수준에 도달하였다. 고출력화를 추진하면서 고회전화 함에 따라 모터가 경량소형화되어 탑재 중량이나 용적도 크게 감소하였다.
전기자동차는 운전자의 가속 또는 감속의지에 의한 액셀 페달센서 또는 브레이크 페달센서로부터 입력받은 값에 의하여 토크값을 계산하고, 계산된 토크값을 선형적으로 결정하여 토크를 출력하고, 주행을 제어한다.
이러한, 전기자동차를 미래 성장동력으로 키우기 위해서는 현재 주행거리를 늘릴 수 있는 기술이 필요하며, 현재 전기자동차의 충전 인프라가 부족한 현실을 감안하면, 1회 충전 시 운행거리를 최대한 늘리는 기술이 필요하다. 그러나, 상기와 같은 토크 출력 제어방법은 모터의 효율 및 특성을 전혀 고려하지 않은 일반적인 제어방법으로 주행거리를 향상시킬 수 없는 문제점이 있다.
따라서, 본 발명의 목적은 모터의 회전속도 및 토크값에 따라 모터의 효율 및 특성을 고려하여, 저 효율 영역에서의 토크 출력 모드를 제어하여 차량의 주행을 제어하는 전기자동차 및 그 제어방법을 제공함에 있다.
상기 과제를 달성하기 위하여, 본 발명에 따른 전기자동차는, 차량의 주행을 제어하기 위해 로우데이터를 이용하여 토크값을 계산하고, 상기 토크값에 따라 토크명령을 내리는 차량제어부 및 상기 토크명령에 대응하여 모터를 제어하는 모터제어부를 포함하고, 상기 차량제어부는 상기 토크값이 특정구간에 포함되는지 여부를 판단하고, 토크 출력 모드를 결정하여 토크의 출력을 제어한다.
또한, 본 발명에 따른 전기자동차의 제어방법은 로우데이터를 입력받는 단계,상기 로우데이터를 이용하여 토크값을 계산하는 단계, 상기 토크값이 특정구간에 해당하는지 여부를 판단하여, 토크 출력 모드를 결정하는 단계, 상기 결정된 토크 출력 모드에 따라 토크명령을 내리는 단계 및 상기 토크 명령에 대응하여 모터를 제어하는 단계를 포함한다.
본 발명에 따른 전기자동차 및 그 제어방법은 모터의 효율 및 특성에 따라 토크의 출력을 제어할 수 있다.
따라서, 토크의 출력을 제어함으로써 전기자동차의 주행거리를 향상 시킬 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 전기자동차의 내부 구성을 개략적으로 나타낸 도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 전기자동차의 제어방법이 도시된 순서도이다.
도 3(a)는 본 발명의 일 실시예에 따른 전기자동차의 RPM과 토크를 나타내는 그래프이고, 도 3(b)는 PWM 출력 모드에서의 토크 출력 파형을 나타낸 그래프이다.
본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있으며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하고, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 명세서 전체에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성 요소를 지칭한다.
이하, 본 발명의 실시예들에 의한 전기자동차 및 그 제어방법을 설명하기 위한 도면들을 참고하여 본 발명에 대해 설명하도록 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 전기자동차의 내부 구성을 개략적으로 나타낸 도이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 전기자동차는 차량제어부(VCM)(110), 모터제어부(MCU)(120), 모터(130), 센서부(140), 전력릴레이부(PRA)(150), 배터리(160), 배터리 관리 시스템(BMS)(170)를 포함한다.
전기자동차는 상기와 같이 배터리(160)를 포함하여, 배터리(160)에 충전된 전원을 동작전원으로 이용하여 동작하며, 소정의 충전소 또는 차량 충전설비 또는 가정에서 외부로부터 전원을 공급받아 구비되는 배터리(160)를 충전한다.
배터리(160)는 복수의 배터리셀로 구성되어, 고전압의 전기에너지를 저장한다. 이 때, 전기자동차는 배터리(160)의 충전을 제어하고 배터리(160)의 잔여용량, 충전 필요성을 판단하며, 배터리(160)에 저장된 충전전류를 전기자동차의 각 부로 공급하는데 따른 관리를 수행하는 배터리 관리 시스템(BMS: Battery management system)(170)을 더 포함한다.
배터리 관리 시스템(170)은 배터리(160)를 충전하고 사용할 때, 배터리 내의 셀 간의 전압차를 고르게 유지하여, 배터리(160)가 과충전되거나 과방전되지 않도록 제어함으로써 배터리(160)의 수명을 연장한다.
배터리 관리 시스템(170)은 현재 배터리(160)의 배터리 잔량 및 배터리 전압을 측정하여 차량제어부(110)에 출력한다.
전력릴레이부(PRA: Power relay assembly)(150)는 고전압을 스위칭하기 위해 복수의 릴레이와, 센서를 포함하여 배터리(160)로부터 인가되는 고전압의 동작전원을 모터제어부(120)로 인가하거나 차단한다. 이때 전력릴레이부(150)는 차량제어부(110)의 제어명령에 의해 릴레이가 동작한다.
전력릴레이부(150)는 차량 시동 시 또는 차량의 시동이 꺼지는 경우, 차량제어부(110)의 제어명령에 따라, 구비되는 복수의 릴레이를 소정 순서에 따라 스위칭 함으로써, 차량의 각 부로 배터리(160)에 저장된 고전압의 동작전원이 인가되도록 한다.
전력릴레이부(150)는 배터리(160)로부터 모터제어부(120)로 인가되는 전원을 차단할 수 있으며, 모터(130)로 공급되는 전원이 차단되므로 모터(130)가 정지하게 됨에 따라 차량 또한 정지하게 된다.
모터제어부(120)는 모터제어부(120)에 연결되어 있는 적어도 하나의 모터(130)를 구동하기 위한 제어신호를 생성하는데 모터제어를 위한 소정의 신호를 생성하여 인가한다. 이때 모터제어부(120)는 인버터(미도시) 및 컨버터(미도시)를 포함하여 인버터 또는 컨버터를 제어함으로써 모터(130)의 구동을 제어할 수 있다.
차량제어부(Vehicle control module: VCM)(110) 는 차량 주행 및 동작에 따른 전반을 제어한다. 차량제어부(110)는 센서부(140)의 입력에 대응하여 설정된 동작이 수행되도록 모터제어부(120)로 소정의 명령을 생성하여 인가하여 제어하고, 데이터의 입출력을 제어한다.
또한, 차량제어부(110)는 센서부(140)로부터 입력받은 로우데이터를 이용하여 토크값을 계산하고, 계산된 토크값에 따라 모터제어부(120)로 토크명령을 내린다. 차량제어부(110)는 토크값이 특정구간에 포함되는지 여부를 판단하여, 토크 출력 모드를 결정하여 차량의 주행을 제어한다.
예를 들어, 토크값이 저효율 구간에 포함되는 경우, 토크 출력 모드를 PWM출력 모드로 결정하여, 저효율 구간의 최대 토크값, 최저 토크값 및 계산된 토크값에 따라 계산된 듀티비를 가지는 PWM 파형으로 토크를 출력하도록 제어할 수 있다.
센서부(140)는 차량 주행, 또는 소정 동작 중에 발생하는 신호를 감지하여 입력하고 이를 차량제어부(110)로 입력한다. 센서부(140)는 차량 내부 및 외부에 복수의 센서를 포함하여 다양한 감지신호를 입력한다. 이때 설치되는 위치에 따라 센서의 종류 또한 상이할 수 있다.
센서부(140)는 기어변속센서, APS(Accelerator Position Sensor), BPS(Break Position Sensor), 차속센서 등을 포함할 수 있다. 기어변속센서는 기어변속 상태를 나타내는 센서이고, APS는 가속상태를 나타내는 센서이며, BPS는 브레이크를 밟는 정도를 나타내는 센서이다. 또한, 차속센서는 차량의 속도를 측정하는 센서이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 전기자동차의 제어방법이 도시된 순서도이다.
도 2를 참조하면, 센서부(140)는 기어변속센서, APS, BPS, 차속센서로부터 차량의 상태를 감지하고, 각종 토크 계산에 필요한 로우데이터에 관한 정보를 차량제어부(110)로 입력한다(S210). 이 때, 로우데이터는 기어변속 상태, 가속상태, 브레이크를 밟는 정도, 차량의 속도에 관련된 데이터일 수 있다.
차량제어부(110)는 센서부(140)로부터 입력받은 로우데이터를 이용하여, 토크값을 계산한다(S220). 이때, 운전모드에 따라 같은 로우데이터에도 토크값은 다르게 계산되며, 배터리의 상태 및 차량의 상태에 따라 토크값이 다르게 계산될 수 있다.
차량제어부(110)는 모터(130)의 특성이 나타난 효율맵 등을 이용하여, 계산된 토크값이 저효율구간에 해당하는지 여부를 판단한다(S230). 저효율구간은 특정 토크범위 또는 특정 RPM범위로 나타날 수 있다.
계산된 토크값이 저효율 구간에 해당하는 경우, 차량제어부(110)는 토크 출력 모드를 PWM 출력 모드로 결정하여(S240), 모터제어부(120)로 토크 명령을 내린다.
PWM 출력 모드는 토크를 PWM 파형으로 출력하는 것으로 PWM 파형의 최대값은 상기 저효율 구간에서 나타나는 최대 토크값으로 하며, PWM 파형의 최저값은 상기 저효율 구간에서 나타나는 최저 토크값으로 한다. 또한, PWM 파형의 듀티비는 계산된 토크값, 최대 토크값, 최저 토크값을 다음의 식에 대입하여, 구할 수 있다.
Figure pat00001
여기서, D는 듀티비를 나타내고, TQ는 차량제어부(110)에서 계산된 토크값이며, TQmax는 저효율 구간에서 나타나는 최대 토크값이며, TQmin은 저효율 구간에서 나타나는 최저 토크값이다.
PWM 파형의 토크 출력에 대해서는 도 3에서 자세히 후술하기로 한다.
차량제어부(110)는 상술한 PWM 파형을 출력하도록 모터제어부(120)로 토크명령을 내린다. 모터제어부(120)는 차량제어부(110)의 토크명령에 따라, PWM파형으로 토크가 출력되도록 모터(130)를 제어한다(S250).
계산된 토크값이 저효율 구간이 아닌 경우, 차량제어부(110)는 토크 출력 모드를 선형 출력 모드로 결정하여(S260), 차량의 주행을 제어한다. 차량제어부(110)는 계산된 토크값에 해당하는 토크가 출력되도록 모터제어부(120)로 토크명령을 내리고, 모터제어부(120)는 모터(130)를 구동시킨다(S270).
도 3(a)는 본 발명의 일 실시예에 따른 전기 자동차의 RPM과 토크를 나타내는 그래프이고, 도 3(b)는 PWM 출력 모드에서의 토크 출력 파형을 나타낸 그래프이다.
도 3(a)을 참조하면, 일 실시예에 따른 전기 자동차는 특정 토크 구간 및 특정 RPM구간에서 모터의 효율이 좋지 않은 저 효율구간이 나타날 수 있다.
상기와 같이 저효율구간인 특정 RPM구간 및 특정 토크구간, 예를 들어, RPMmin ~RPMmax에서 계산된 토크값이 Tqmin~Tqmax의 범위에 있을 때, 차량제어부(110)는 토크 출력 모드를 PWM 출력 모드로 결정하여, 계산된 토크값을 출력하게 된다.
예를 들어, TQmin이 10Nm이고, TQmax가 30Nm일 때, 저효율구간인 RPMmin ~RPMmax에서 계산된 토크값이 20Nm라고 하면, 차량제어부(110)는 토크 출력 모드를 PWM 출력 모드로 결정하여, 20Nm의 토크값을 출력하게 된다. 이때, 도 2에서 상술한 수학식 1을 이용하여 듀티비(D)를 구하면, 듀티비는 0.5가 되고, 듀티비에 따라 10Nm와 30Nm를 5:5의 비율로 출력함으로써 계산된 20Nm의 토크를 출력하게 된다.
도 3(b)를 참조하면, PWM 출력 모드에서의 토크 출력 파형은 최대값이 TQmax이고, 최저값이 TQmin인 PWM 파형일 수 있다. 이때, 수학식 1을 이용하여 듀티비(D)를 구할 수 있으며, 토크 출력 파형의 주기가 T인경우, TQmax를 D*T시간만큼 출력하며, TQmin을 (1-D)*T시간만큼 출력할 수 있다. 토크 출력 파형의 주기는 차량의 떨림, 즉 운전자의 승차감을 고려하여 조절할 수 있다.
따라서, 본 발명에 따른 전기자동차 및 그 제어방법은 저효율구간에서는 PWM 파형으로 토크가 출력되도록 하여, 모터의 효율을 개선시키고, 그에 따라 전기자동차의 주행거리를 향상시킬 수 있다.
이상에서는 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 도시하고 설명하였지만, 본 발명은 상술한 특정의 실시예에 한정되지 아니하며, 특허청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 다양한 변형실시가 가능한 것은 물론이고, 이러한 변형실시들은 본 발명의 기술적 사상이나 전망으로부터 개별적으로 이해되어서는 안될 것이다.
110 : 차량제어부 120 : 모터제어부
130 : 모터 140: 센서부
150 : 전력릴레이부 160: 배터리
170 : 배터리 관리 시스템

Claims (10)

  1. 차량의 주행을 제어하기 위해 로우데이터를 이용하여 토크값을 계산하고, 상기 토크값에 따라 토크명령을 내리는 차량제어부; 및
    상기 토크명령에 대응하여 모터를 제어하는 모터제어부를 포함하고,
    상기 차량제어부는 상기 토크값이 특정구간에 포함되는지 여부를 판단하고, 토크 출력 모드를 결정하여 토크의 출력을 제어하는 전기자동차.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 특정구간은 상기 모터의 저효율 구간이고,
    상기 차량제어부는,
    상기 계산된 토크값이 상기 저효율 구간에 포함되는 경우, 상기 토크 출력 모드를 PWM 출력 모드로 결정하여 토크의 출력을 제어하는 전기자동차.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 PWM 출력 모드는,
    상기 토크값에 따라 결정된 듀티비를 가지는 PWM 파형으로 상기 토크값을 출력하는 모드인 전기자동차.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 듀티비는 식(1)을 이용하여 결정하고,
    TQ=TQmax*D+TQmin*(1-D)---식(1),
    여기서, D는 상기 듀티비이고, T는 상기 토크값이며, TQmax는 상기 저효율 구간에서의 최대 토크값이며, TQmin은 상기 저효율 구간에서의 최소 토크값인 전기자동차.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 로우데이터를 측정하는 센서부를 더 포함하고, 상기 센서부는 기어변속센서, APS(Accelerator Position Sensor), BPS(Break Position Sensor) 및 차속센서 중 적어도 하나를 포함하는 전기자동차.
  6. 로우데이터를 입력받는 단계;
    상기 로우데이터를 이용하여 토크값을 계산하는 단계;
    상기 토크값이 특정구간에 해당하는지 여부를 판단하여, 토크 출력 모드를 결정하는 단계;
    상기 결정된 토크 출력 모드에 따라 토크명령을 내리는 단계; 및
    상기 토크 명령에 대응하여 모터를 제어하는 단계를 포함하는 전기자동차의 제어방법.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 특정구간은 상기 모터의 저효율 구간이고,
    상기 토크값이 상기 저효율 구간에 포함되는 경우, 상기 토크 출력 모드를 PWM 출력 모드로 결정하여 토크명령을 내리는 전기자동차의 제어방법.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 PWM 출력 모드는,
    상기 토크값에 따라 결정된 듀티비를 가지는 PWM 파형으로 상기 토크값을 출력하는 모드인 전기자동차의 제어방법.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 듀티비는 식(1)을 이용하여 결정하고,
    TQ=TQmax*D+TQmin*(1-D)---식(1),
    여기서, D는 상기 듀티비이고, TQ는 상기 계산된 토크값이며, TQmax는 상기 저효율 구간에서의 최대 토크값이며, TQmin은 상기 저효율 구간에서의 최소 토크값인 전기자동차의 제어방법.
  10. 제6항에 있어서,
    상기 로우데이터는 엑셀정보, 브레이크정보, 차량속도정보 및 기어정보 중 적어도 하나를 포함하는 전기자동차의 제어방법.
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