KR20140016660A - 전기 자동차 ｌｄｃ 액티브 제어 시스템 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 전기 자동차 LDC 액티브 제어 시스템에 관한 것으로서, 더 상세하게는 LDC 전압 기법을 이용하여 배터리 센서 적용없이도 전기 자동차 일충전 주행 거리 증대 및 저전압 배터리의 수명을 증대시키는 전기 자동차의 LDC 제어에 관한 것이다.
본 발명에 따르면, 저전압 배터리 충전시간 확보, 충전시간 확보시 액티브 제어, 또한 과전류 충전 제한 로직을 통해 전기 자동차의 일충전 주행거리를 증대시킬 수 있다.

Description

전기 자동차 ＬＤＣ 액티브 제어 시스템{Active control system for Low DC/DC Converter in an electric vehicle}
본 발명은 전기 자동차 LDC(Low DC/DC Converter) 액티브 제어 시스템에 관한 것으로서, 더 상세하게는 LDC 전압 기법을 이용하여 배터리 센서 적용없이도 전기 자동차 일충전 주행 거리 증대 및 저전압 배터리의 수명을 증대시키는 전기 자동차의 LDC 제어에 관한 것이다.
통상적으로, 하이브리드 전기자동차는 엔진과, 배터리의 전원으로 구동되는 구동모터로 구성되는 동력원이 구비되며, 전륜에 상기의 동력원을 적절히 조합한 구조를 적용하여 차량의 출발시나 가속시에 배터리의 전압에 의해 동작되는 모터의 동력 보조로 연비 향상을 유도할 수 있는 차량을 말한다.
전기 자동차에서 전반적인 동작을 총괄 제어하는 상위 제어기는 HCU(Hybrid Control Unit) 또는 VCU(Vehicle Control Unit)이다. 상기 HCU 또는 VCU는 하위 제어기인 MCU(Motor Control Unit)와 소정의 방식으로 통신하여 구동원인 모터의 토크와 속도 및 발전 토크량을 제어하고, 보조 동력원으로 전압 발전을 위한 동력을 발생하는 엔진을 제어하는 ECU(Engine Control Unit)와 통신하여 엔진 시동 관련 릴레이 제어 및 고장 진단을 수행한다.
또한, 상기 HCU는 주동력원인 배터리의 온도, 전압, 전류, SOC(State Of Charge)등을 검출하여 배터리의 제반적인 상태를 관리하는 BMS(Battery Management System)와 통신하여 SOC의 상태에 따라 모터 토크 및 속도를 제어하고, 차속과 운전자의 주행요구에 따라 변속비를 결정 제어하는 TCU(Transmission Control Unit)와 통신하여 운전자가 요구하는 차속이 유지되도록 제어한다.
상기 상위 제어기인 HCU와 하위 제어기들간의 통신은 CAN 통신을 통해 수행되어 상호간 정보의 교환과 제어신호를 송수신한다.
한편, 상기 전기 자동차에는 고전압배터리의 전력을 정류하여 직류로 만드는 LDC 즉, DC/DC 컨버터가 포함되어 있는바, 이 LDC는 일반 직류를 스위칭시켜 교류로 만들고 이 교류를 코일, 트랜스, 커패시턴스 등을 이용해 승압 또는 강압시킨 다음, 다시 정류시켜 DC로 만들어, 각 전장 부하에서 사용되는 전압에 맞게 전기를 공급하는 역할을 한다.
일반적으로 LDC는 내연기관의 알터네이터와 달리 차량 RPM과 상관없이 최대 출력 발생이 가능하여 주행, 정차 등 모든 조건에서 12V 배터리 충전으로 이루어진다. 또한, 전기 자동차는 고전압 배터리 충전 과정이 있게 되는데, 이때에도 저전압 배터리가 충전되기에 저전압 배터리는 지속적으로 과충전이 이루어지게 된다.
그런데, 이러한 LDC 출력 전압은 14.3V로 고정 출력된다. 따라서, 지속적인 LDC 고전압 출력(즉 14.3V)으로 불필요한 전력을 소모하게 되므로 전기 자동차의 일충전 주행거리를 감소시킨다는 단점이 있다.
또한, 전기 자동차 충전시 지속적으로 저전압 배터리가 충전되어 과충전 및 가스발생현상(gassing)으로 인한 배터리 수명이 감소하는 단점이 있다.
1. 한국공개특허번호 제10-2011-0054982호 2. 한국공개특허번호 제10-2008-0014395호 3. 한국공개특허번호 제10-2011-0054152호
본 발명은 위에서 제기된 종래기술에 따른 단점을 극복하기 위해 제안된 것으로서, LDC 전압 제어 기법을 이용하여 배터리 센서 적용없이도 전기 자동차 일충전 주행거리를 증대시키는 전기 자동차 LDC 액티브 제어 시스템을 제공하는데 그 목적이 있다.
또한, 본 발명은 전기 자동차 충전시 저전압 배터리의 과충전 및 가스발생을 방지하는 전기 자동차 LDC 액티브 제어 시스템을 제공하는데 다른 목적이 있다.
본 발명은 위에서 제기된 과제를 달성하기 위해, 저전압 배터리 충전 시간 확보, 충전시간 확보시 LDC((Low DC/DC Converter) 액티브 제어 및 과전류 충전 제한의 로직을 통해 전기 자동차의 주행거리 증대 및 배터리 수명을 향상시키는 전기 자동차 LDC 액티브 제어 시스템을 제공한다.
상기 전기 자동차 LDC 액티브 제어 시스템은, 고전압 배터리와 저전압 배터리 사이에 장착되어, 양방향으로 전압을 감압 또는 승압시키는 LDC(Low DC/DC Converter) 및 상기 LDC를 제어하는 차량 제어기를 갖는 전기 자동차에 있어서,
상기 차량 제어기는, 완속 충전시간이 제 1 완속 충전 기준 시간 미만이면 상기 저전압 배터리의 최저 충전시간 확보를 위해 LDC 액티브 제어 모드에 진입하지 않게 상기 LDC를 제어하고,
상기 완속 충전시간이 상기 제 1 완속 충전 기준 시간 이상이면 상기 LDC 액티브 제어 모드에 진입하여 상기 LDC 액티브 제어 모드에 따라 상기 LDC를 제어하는 것을 특징으로 한다.
여기서, 상기 LDC 액티브 모드는, 주행 정보에 기초하여 전압 테이블에 따른 LDC 출력 전압으로 상기 저전압 배터리를 충전하는 것을 특징으로 할 수 있다.
또한, 상기 주행 정보는 감속, P단 정차, 정속, 가속, 고전장부하의 온/오프 상태 중 어느 하나일 수 있다.
또한, 상기 전압 테이블은 전압 A 테이블, 전압 B 테이블 및 전압 C 테이블 중 어느 하나인 것을 특징으로 할 수 있다.
여기서, 상기 차량 제어기는, 상기 저전압 배터리를 일정시간 충전 후 과충전 방지 및 GASSING 방지를 위해 LDC 출력 전압을 낮추어 출력하는 것을 특징으로 할 수 있다.
여기서, 상기 차량 제어기가 상기 LDC 액티브 제어 모드에 진입하지 않으면, 상기 LDC는 고전장부하 사용시와 고전장부하 미사용시로 나누어 서로 다른 LDC 출력 전압을 출력하는 것을 특징으로 할 수 있다.
여기서, 상기 차량 제어기는 상기 저전압 배터리가 높은 전류로 충전되면, 고전장부하와 LDC 출력 전류를 비교하여 상기 LDC 출력 전압을 제어하여 상기 LDC 출력 전류를 조절하는 것을 특징으로 할 수 있다.
본 발명에 따르면, 저전압 배터리 충전시간 확보, 충전시간 확보시 액티브 제어 및/또는 과전류 충전 제한 로직을 통해 전기 자동차의 일충전 주행거리를 증대시킬 수 있다.
또한, 본 발명의 다른 효과로서는 저전압 배터리의 과충전 및 가스발생을 방지함으로써 배터리의 수명을 향상시킬 수 있다는 점을 들 수 있다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 전기 자동차 LDC(Low Voltage DC-DC Converter) 액티브 제어 시스템의 회로 블럭도이다.
도 2는 LDC 전압에 따른 전기 자동차 일충전 주행거리 증가량을 나타내는 그래프이다.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 저전압 배터리의 최저 충전 시간 확보 로직을 나타내는 그래프이다.
도 4a는 본 발명의 일실시예에 따른 LDC 액티브 제어를 보여주는 표이다.
도 4b는 도 4a에 따른 LDC 액티브 제어를 보여주는 그래프이다.
도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 고전압 배터리 충전시 과충전 보호 로직을 보여주는 그래프이다.
본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 상세한 설명에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
각 도면을 설명하면서 유사한 참조부호를 유사한 구성요소에 대해 사용한다.
제 1, 제 2등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다.
예를 들어, 본 발명의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제 1 구성요소는 제 2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제 2 구성요소도 제 1 구성요소로 명명될 수 있다. "및/또는" 이라는 용어는 복수의 관련된 기재된 항목들의 조합 또는 복수의 관련된 기재된 항목들 중의 어느 항목을 포함한다.
다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미가 있다.
일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥상 가지는 의미와 일치하는 의미가 있는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않아야 한다.
이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 일실시예에 따른 전기 자동차 LDC 액티브 제어 시스템을 상세하게 설명하기로 한다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 전기 자동차 LDC(Low Voltage DC-DC Converter) 액티브 제어 시스템의 회로 블럭도이다. 도 1을 참조하면, 이 전기 자동차는 고전압 배터리(11)와, 메인 릴레이(12)와, 상위 제어기인 VCU(Vehicle Control Unit)(13)와, 하위 제어기인 모터 제어기(MCU: Motor Control Unit)(14)와, 엔진 제어기(ECU: Engine Control Unit)(15)와, 모터(16)와, 엔진(17)과, 저전압직류변환기(LDC: Low DC/DC Converter)(18)와, 저전압 배터리(19)로 이루어진다.
이 전기 자동차에서 전반적인 동작을 총괄 제어하는 상위 제어기는 차량 제어기(Vehicle Control Unit)(13)이다.
이 차량 제어기(VCU)(13)는 하위 제어기인 모터 제어기(MCU)(14)와 소정의 방식으로 통신하여 구동원인 모터(16)의 토크와 속도 및 발전 토크량을 제어하고, 보조 동력원으로 전압 발전을 위한 동력을 발생하는 엔진(17)을 제어하는 엔진 제어기(ECU)(17)와 통신하여 엔진 시동 관련 릴레이 제어 및 고장 진단을 수행한다.
또한, 이 차량 제어기(VCU)(13)는 주동력원인 고전압 배터리(11)의 온도, 전압, 전류, SOC(State Of Charge) 등을 검출하여 고전압 배터리(11)의 제반적인 상태를 관리하는 BMS(Battery Management System)(미도시)와 통신하여 SOC의 상태에 따라 모터 토크 및 속도를 제어하고, 차속과 운전자의 주행요구에 따라 변속비를 결정 제어하는 TCU(Transmission Control Unit)(미도시)와 통신하여 운전자가 요구하는 차속이 유지되도록 제어한다.
또한, 이 차량 제어기(VCU)(13)는 저전압 배터리 충전 시간 확보, 충전시간 확보시 LDC((Low DC/DC Converter) 액티브 제어 및/또는 과전류 충전 제한의 로직을 수행한다.
또한, 이 차량 제어기(VCU)(13)는 감속, P단 정차, 정속, 가속, 고전장부하의 온/오프 상태를 포함하는 주행 정보를 수집하여 이들 주행 정보에 따른 LCD 액티브 제어를 수행하도록 LDC를 제어한다. 즉, 브레이크, APS(Accelerator Position Sensor) 개도각, 기어 상태 등을 차량 제어기에서 판단한다.
이 상위 제어기인 차량 제어기(VCU)(13)와 하위 제어기인 모터 제어기(MCU)(14) 및 엔진 제어기(ECU)(17)사이의 통신은 CAN 통신을 통해 수행되어 상호간 정보의 교환과 제어신호를 송수신한다.
한편, 전기 자동차에는 고전압의 고전압 배터리(11)의 전력을 정류하여 직류로 만드는 저전압직류변환기(LDC)(18)가 구비된다. 이 저전압직류변환기(LDC)(18)는 일반 직류를 스위칭시켜 교류로 만들고 이 교류를 코일, 트랜스, 커패시턴스 등을 이용해 강압시킨 다음, 다시 정류시켜 직류로 만들어, 각 전장 부하에서 사용되는 전압에 맞게 전기를 공급하는 역할을 한다.
이들 전장부하에는 고전장부하로서는 헤드 램프, 와이퍼 및 블로워 등을 들 수 있다.
도 2는 LDC 전압에 따른 전기 자동차 일충전 주행거리 증가량을 나타내는 그래프이다. 도 2를 참조하면, 전기 자동차가 LDC 전압에 따라 한번 충전으로 주행할 수 있는 주행거리가 분류된다. 부연하면, LDC 전압이 증가할수록 주행거리가 짧아진다.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 저전압 배터리의 최저 충전 시간 확보 로직을 나타내는 그래프이다. 도 3을 참조하면, 배터리 SOC가 안정적으로 확보되지 않으면 전기 자동차는 LDC 액티브 제어 모드에 진입하지 않는다. 부연하면, 전기 자동차의 완속 충전 시간은 약 6시간 정도되는데, 이중 완속 충전 시간이 3시간 미만이면 전기 자동차는 저전압 배터리의 최저 충전시간을 확보하기 위한 로직을 갖는다.
이 경우, 상기 LDC는 고전장부하 사용시와 고전장부하 미사용시로 나누어 서로 다른 LDC 출력 전압을 출력한다. 고전장부하의 사용으로는 헤드 램프 온(HEAD LAMP ON), 와이퍼 온(WIPER ON) 또는 블로워 최대(BLOWER MAX) 등을 들 수 있다.
도 4a는 본 발명의 일실시예에 따른 LDC 액티브 제어를 보여주는 표이다. 도 4a를 참조하면, 전기 자동차가 완속 충전 시간을 3시간 이상 확보한 경우, 전기 자동차는 LDC 액티브 제어 모드로 진입하게 된다.
도 4a에 도시된 바와 같이, 주행 정보에 기초하여 전압 테이블에 따른 LDC 출력 전압으로 상기 저전압 배터리(도 1의 19)를 충전하는 것을 특징으로 할 수 있다.
여기서, 상기 주행 정보는 감속, P단 정차, 정속, 가속, 고전장부하의 온/오프 상태 등이 된다.
여기서, 상기 전압 테이블은 14.3V인 전압 A 테이블, 13.6V인 전압 B 테이블 및 13.2V인 전압 C 테이블 등이 된다. 이들 전압 테이블은 룩업 테이블로서, 미리 차량 제어기(도 1의 13)에 프로그래밍되어 저장되어 있다.
또한, LDC 액티브 제어 모드에는 충전시간이 부족한 경우, 강제 충전을 수행하게 되는데, 이 경우 LDC 출력 전압은 13.6V가 되고, 전압 테이블은 전압 B 테이블이 된다.
도 4b는 도 4a에 따른 LDC 액티브 제어를 보여주는 그래프이다.
도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 고전압 배터리 충전시 저전압 배터리의 과충전 보호 로직을 보여주는 그래프이다. 도 5를 참조하면, LDC는 상기 저전압 배터리(19)의 초기 일정 시간 충전(약 3시간)후 LDC 출력 전압을 낮추어 출력한다.
또한, 도 5는 고전압 배터리(도 1의 11) 충전시 저전압 배터리(도 1의 19)의 과충전을 보호하기 위한 로직을 위한 것이다. 부연하면, 고전압 배터리(11)가 충전되면, 동시에 저전압 배터리(19)에도 충전이 이루어지게 된다. 이때, 전기 자동차 충전시 3시간 이후 LDC 출력 전압을 낮추어 저전압 배터리의 과충전 및 가스발생 현상(Gassing)을 방지한다.
부연하면, 초기 3시간은 LDC 출력 전압이 14.3V가 되며 이 14.3V로 저전압 배터리(19)가 충전된다. 또한, 초기 3시간 이후 LDC 출력 전압은 13.6V가 되며 이 13.6V로 저전압 배터리(19)가 충전된다.
또한, 본 발명의 일실시예에 따라 과전류 충전을 제한한다. 즉, 차량 제어기(VCU)(13)는 상기 저전압 배터리가 높은 전류로 충전되면, 고전장부하와 LDC 출력 전류를 비교하여 상기 LDC 출력 전압을 제어하여 상기 LDC 출력 전류를 조절한다.
따라서, 배터리 과전류 충전을 방지하고, 일충전 주행거리를 증대시키는 효과가 있다.
물론, 본 발명의 일실시예에서는 명확한 이해를 위해 차량 제어기(Vehicle Control Unit)로 설명하였으나, 하이브리드 차량의 HCU(Hybrid Control Unit)에도 적용될 수 있다.
11 : 고전압 배터리 12 : 메인 릴레이
13 : 차량 제어기(VCU)
14 : 모터 제어기(MCU)
15 : 엔진 제어기(ECU) 16 : 모터
17 : 엔진 18 : 저전압직류변환기(LDC)
19 : 저전압 배터리

Claims (6)

  1. 고전압 배터리와 저전압 배터리 사이에 장착되어, 양방향으로 전압을 감압 또는 승압시키는 LDC(Low DC/DC Converter) 및 상기 LDC를 제어하는 차량 제어기를 갖는 전기 자동차에 있어서,
    상기 차량 제어기는, 완속 충전시간이 제 1 완속 충전 기준 시간 미만이면 상기 저전압 배터리의 최저 충전시간 확보를 위해 LDC 액티브 제어 모드에 진입하지 않게 상기 LDC를 제어하고,
    상기 완속 충전시간이 상기 제 1 완속 충전 기준 시간 이상이면 상기 LDC 액티브 제어 모드에 진입하여 상기 LDC 액티브 제어 모드에 따라 상기 LDC를 제어하는 것을 특징으로 하는 전기 자동차 LDC 액티브 제어 시스템.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 LDC 액티브 모드는,
    주행 정보에 기초하여 전압 테이블에 따른 LDC 출력 전압으로 상기 저전압 배터리를 충전하는 것을 특징으로 하는 전기 자동차 LDC 액티브 제어 시스템.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 주행 정보는 감속, P단 정차, 정속, 가속, 고전장부하의 온/오프 상태 중 어느 하나이며, 상기 전압 테이블은 전압 A 테이블, 전압 B 테이블 및 전압 C 테이블 중 어느 하나인 것을 특징으로 하는 전기 자동차 LDC 액티브 제어 시스템.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 차량 제어기는, 상기 저전압 배터리의 초기 일정 시간 충전후 LDC 출력 전압을 낮추어 출력하는 것을 특징으로 하는 전기 자동차 LDC 액티브 제어 시스템.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 LDC 액티브 제어 모드에 진입하지 않으면, 상기 LDC는 고전장부하 사용시와 고전장부하 미사용시로 나누어 서로 다른 LDC 출력 전압을 출력하는 것을 특징으로 하는 전기 자동차 LDC 액티브 제어 시스템.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 차량 제어기는 상기 저전압 배터리가 높은 전류로 충전되면, 고전장부하와 LDC 출력 전류를 비교하여 상기 LDC 출력 전압을 제어하여 상기 LDC 출력 전류를 조절하는 것을 특징으로 하는 전기 자동차 LDC 액티브 제어 시스템.
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