KR20160053504A - 하이브리드 차량의 직류변환장치 전압 가변제어 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 하이브리드 차량용 직류변환장치 전압 가변제어 방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 하이브리드 차량에 IBS(Intelligent Battery Sensor)를 적용함에 따른 직류변환장치 전압 가변제어 방법에 관한 것이다.
즉, 본 발명은 기존에 최대 7가지 주행 조건별로 LDC 전압 제어모드가 결정되는 것과 달리, 주요 3가지 주행모드별로 LDC 전압 제어모드를 결정하는 점, 또한 기존에는 고전장 부하의 종류와 무관하게 LDC 출력전압이 동일한 지령값으로 출력되었지만, 보조배터리의 과충전 및 과방전 제한 등 보조배터리 내구성을 고려하여 고전장 부하를 2개 그룹 이상으로 나누어 LDC 출력전압값 및 그 지령순서를 차별화시킨 점, 또한 IBS(Intelligent Battery Sensor)에 의하여 감지되는 보조배터리의 SOC 정보 등을 기반으로 주행모드 및 보조배터리 SOC 상태에 따라 LDC 출력전압 지령 테이블을 구축할 수 있도록 한 점을 통하여, LDC 소모에너지 및 보조배터리의 에너지 소모량을 최소화하여 연비 향상을 도모할 수 있는 하이브리드 차량의 직류변환장치 전압 가변제어 방법을 제공하고자 한 것이다.

Description

하이브리드 차량의 직류변환장치 전압 가변제어 방법{METHOD FOR CONTROLLING LDC VOLTAGE OF HYBRID VEHICLE}

본 발명은 하이브리드 차량용 직류변환장치 전압 가변제어 방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 하이브리드 차량에 IBS(Intelligent Battery Sensor)를 적용함에 따른 직류변환장치 전압 가변제어 방법에 관한 것이다.

일반적으로, 직류변환장치(LDC : Low Voltage DC/DC Converter)는 직류를 스위칭시켜 교류로 만들고, 이 교류를 코일, 트랜스, 커패시턴스 등을 이용하여 승압 또는 강압시킨 다음, 다시 정류시켜 직류로 만들어주는 장치를 말한다.

하이브리드 차량에 탑재되는 직류변환장치는 고전압 배터리로부터 나오는 고전압 직류전압을 저전압 직류전압으로 변환하여 보조배터리를 충전하고 차량의 전장부하량을 모니터링하여 각 전장 부하에서 사용되는 전압에 맞게 전기를 공급하는 역할을 한다.

기존에 직류변환장치의 전압 제어 방식은 보조배터리의 충전상태를 모르는 상태에서 하이브리드 차량의 주행 모드 및 배터리 주위 온도를 기반으로 제어하는 방식으로서, 보조배터리의 충전효율을 저하시키고, 연비 효과를 극대화할 수 없는 단점이 있다.

여기서, 종래의 직류변환장치의 전압 제어 방법을 살펴보면 다음과 같다.

첨부한 도 1은 종래의 직류변환장치 전압 제어 흐름을 나타낸다.

직류변환장치의 전압 제어는 상위제어기인 HCU(Hybrid Control Unit)에서 그 하위제어기인 직류변환장치, 즉 LDC로 전압 지령을 내리는 형태로 이루어진다.

먼저, 상위제어기인 HCU에서 보조배터리의 내구성 및 고전장 부하 사용 시, 주행성능 저하 등을 고려한 제어 우선 순위를 정한 후, 직류변환장치의 전압 제어가 정상적으로 가능한 경우, 기어레버, 연료 인젝션 유무, 차속, 모터 토크, LDC 소모파워 등을 주행상황에 따른 LDC 전압 제어 모드를 결정한다.

이때, 기어레버, 연료 인젝션 유무, 차속, 모터 토크, LDC 소모파워 등을 기반으로 아래의 표 1에 기재된 바와 같이 최대 7가지 주행 조건별(차량 정지 상태, 감속구간, EV 모드, 아이들 상태, HEV 모드, P단 정차, 후진 상태 등)로 LDC 전압 제어모드가 결정된다.

이에, 상기 직류변환장치 즉, LDC에서 7가지 주행 조건별로 결정된 LDC 전압 제어 모드에 따라, 매핑된 기준(Reference) 전압지령값을 출력하되, 보조배터리의 주위 온도와 LDC 현재 소모파워 수준 등을 감안하여 매핑된 기준(Reference) 전압지령값을 출력하게 된다.

그러나, 상기와 같이 LDC 전압제어 모드가 최대 7가지 이상 과도하게 세분화되어 있기 때문에 하이브리드 차량의 주행모드 천이에 따라 LDC 출력전압 지령 변동이 빈번하게 발생되고, 그에 따라 LDC 수명 단축 및 내구성 저하를 초래할 수 있다.

특히, LDC 전압 제어모드 진행 중, 보조배터리의 충전상태를 전혀 모르는 상태에서 주행모드 천이에 따라 LDC 출력전압 지령을 번갈아가면서 하향 또는 상향으로 교번되게 제어함으로써, LDC 소모에너지가 증가하는 등 연비에 비효율적인 영향을 미치는 문제점이 있다.

본 발명은 상기와 같은 점을 감안하여 안출한 것으로서, 기존에 최대 7가지 주행 조건별로 LDC 전압 제어모드가 결정되는 것과 달리, 주요 3가지 주행모드별로 LDC 전압 제어모드를 결정하고, 또한 기존에는 고전장 부하의 종류와 무관하게 LDC 출력전압이 동일한 지령값으로 출력되었지만, 보조배터리의 과충전 및 과방전 제한 등 보조배터리 내구성을 고려하여 고전장 부하를 2개 그룹 이상으로 나누어 LDC 출력전압 지령순서를 차별화시키고, 또한 IBS(Intelligent Battery Sensor)에 의하여 감지되는 보조배터리의 SOC 정보 등을 기반으로 주행모드 및 보조배터리 SOC 상태에 따라 LDC 출력전압 지령 테이블을 구축할 수 있도록 함으로써, LDC 소모에너지 및 보조배터리의 에너지 소모량을 최소화하여 연비 향상을 도모할 수 있도록 한 하이브리드 차량의 직류변환장치 전압 가변제어 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.

상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명은: ⅰ) EV 모드와 엔진충전모드와 회생제동모드를 포함하는 3가지 주행모드별로 LDC 전압 제어모드를 결정하는 단계와; ⅱ) 고전장 부하를 2개 그룹 이상으로 나누어서, 그룹별 전압소모량을 고려하여 LDC 출력전압을 결정하는 단계와; ⅲ) 보조배터리 온도 정보외에 보조배터리의 터미널에 장착된 IBS에서 감지된 보조배터리 SOC 정보를 기반으로 LDC 출력전압 지령테이블을 구축하여, LDC 출력전압을 가변 제어하는 단계;

를 포함하는 것을 특징으로 하는 하이브리드 차량의 직류변환장치 전압 가변제어 방법을 제공한다.

바람직하게는, 상기 ⅰ) 단계에서, 기어레버, 연료 인젝션 유무, 차속, 모터 파워, 액셀페달 밟음량에 따라, EV 모드와 엔진충전모드와 회생제동모드를 포함하는 3가지 주행모드를 결정하고, 이 3가지 주행모드별로 보조배터리 충전을 위한 LDC 레퍼런스 전압이 결정되는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 ⅱ) 단계에서, 고전장 부하를 고전압을 요구하는 부하와, 저전압을 요구하는 부하별로 LDC 출력전압의 우선순위를 결정하고, 상기 고전압을 요구하는 부하는 블로워 최대 단수(Max), 냉각팬 하이(High)를 포함하고, 상기 저전압을 요구하는 부하는 헤드램프, 와이퍼, 리어디포그를 포함하는 것을 특징으로 한다.

바람직하게는, 상기 고전압을 요구하는 부하와 저전압을 요구하는 부하가 동시에 작동되는 경우, LDC에서 고전압을 요구하는 부하에 맞는 출력전압을 우선 출력하는 것을 특징으로 하는 하이브리드 차량의 직류변환장치 전압 가변제어 방법.

또한, 상기 ⅲ) 단계에서, IBS에서 감지된 보조배터리 SOC 정보는 3단계(Low, Normal, High)로 구분되는 동시에 각 단계간 천이는 히스테리시스로 구현된 것임을 특징으로 한다.

상기한 과제 해결 수단을 통하여, 본 발명은 다음과 같은 효과를 제공한다.

첫째, 기존에 최대 7가지 주행 조건별로 LDC 전압 제어모드가 결정되는 것과 달리, 주요 3가지 주행모드별로 LDC 전압 제어모드를 결정하고, 각 주행모드별에 맞는 LDC 레퍼런스 전압이 출력되도록 함으로써, 기존에 주행모드 천이에 따라 LDC 출력전압 지령 변동이 빈번하게 발생되는 것을 최소화할 수 있으므로, 보조배터리의 내구성 및 LDC 내구성을 향상시킬 수 있고, 그에 따라 연비 향상을 도모할 수 있다.

둘째, 기존에는 고전장 부하의 종류와 무관하게 LDC 출력전압이 동일한 지령값으로 출력되던 것과 달리, 고전장 부하를 2개 그룹 이상으로 나누어 LDC 출력전압값 및 지령순서를 차별화시킴으로써, 보조배터리의 내구성 향상 및 연비 향상을 도모할 수 있다.

셋째, IBS(Intelligent Battery Sensor)에 의하여 감지되는 보조배터리의 SOC 정보 등을 기반으로 주행모드 및 보조배터리 SOC 상태에 따라 LDC 출력전압 지령 테이블을 구축할 수 있도록 함으로써, LDC 소모에너지 및 보조배터리의 에너지 소모량을 최소화하여 연비 향상을 도모할 수 있다.

도 1은 종래의 직류변환장치 전압 제어 흐름을 나타낸 제어 흐름도,
도 2 및 도 3은 본 발명에 따른 하이브리드 차량의 직류변환장치 전압 가변제어 방법을 위한 주행모드 및 주행모드별 에너지 흐름 경로를 나타낸 도면,
도 4는 본 발명에 따른 하이브리드 차량의 직류변환장치 전압 가변제어 방법으로서, 주행모드 결정 과정을 도시한 순서도,
도 5는 본 발명에 따른 하이브리드 차량의 직류변환장치 전압 가변제어 방법으로서, 고전장 부하를 2개 그룹 이상으로 나누어서, LDC 출력전압을 결정하는 과정을 도시한 제어 흐름도,
도 6는 본 발명에 따른 하이브리드 차량의 직류변환장치 전압 가변제어 방법으로서, IBS로부터의 배터리 정보를 이용한 LDC 전압 제어 예를 도시한 제어도,
도 7 및 도 8은 본 발명에 따른 하이브리드 차량의 직류변환장치 전압 가변제어 방법에 대한 기존 대비 연비 향상 효과를 도시한 그래프.

이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부도면을 참조로 상세하게 설명하기로 한다.

본 발명의 이해를 돕기 위하여, 본 명세서에서 사용되는 용어 중 동일한 의미인 직류변환장치와 LDC를 혼용 사용함을 밝혀둔다.

본 발명은 LDC 소모에너지 및 보조배터리의 에너지 소모량을 최소화하여 연비 향상을 도모할 수 있도록 최소의 주행모드별로 보조배터리 충전을 위한 LDC 레퍼런스 전압을 결정하는 단계와; 고전장 부하를 2개 그룹 이상으로 나누어서, 그룹별 전압소모량을 고려하여 LDC 출력전압을 결정하는 단계와; 보조배터리 온도 정보외에 보조배터리의 터미널에 장착된 IBS에서 감지된 보조배터리 SOC 정보를 기반으로 LDC 출력전압 지령테이블을 구축하여, LDC 출력전압을 가변 제어하는 단계를 포함한다.

상기 최소의 주행모드별로 보조배터리 충전을 위한 LDC 레퍼런스 전압을 결정하는 단계는 하이브리드 차량의 상위제어기인 HCU에서 이루어지는 제어 단계로서, 기어레버, 연료 인젝션 유무, 차속, 모터 파워, 액셀페달 밟음량에 따라, EV 모드와 엔진충전모드와 회생제동모드를 포함하는 3가지 주행모드를 결정하고, 이 3가지 주행모드별로 보조배터리 충전을 위한 LDC 레퍼런스 전압을 결정하게 된다.

즉, 기존에는 최대 7가지 주행 조건별로 LDC 전압 제어모드가 결정되는 것과 달리, 본 발명은 EV 모드와 엔진충전모드와 회생제동모드를 포함하는 3가지 주행모드별로 LDC 전압 제어모드를 결정하고, 각 주행모드별에 맞는 LDC 레퍼런스 전압이 출력되도록 함으로써, 기존에 주행모드 천이에 따라 LDC 출력전압 지령 변동이 빈번하게 발생되는 것을 최소화할 수 있고, 그에 따라 보조배터리의 내구성 및 LDC 내구성 향상은 물론 연비 향상을 도모할 수 있다.

여기서, 상기 EV 모드와 엔진충전모드와 회생제동모드를 포함하는 3가지 주행모드별로 LDC 전압 제어모드를 결정하는 과정을 첨부한 도 2 내지 도 4를 참조로 살펴보면 다음과 같다.

상기 엔진 충전모드는 연료 분사가 이루어지는 동시에 모터 파워가 충전 히스테리스를 만족하는 경우 즉, 연료 분사가 이루어지는 동시에 모터 파워가 임계값 이하인 경우에 결정되고, 이 엔진 충전모드시에는 LDC 전압 제어모드는 보조배터리 충전 모드가 될 수 있다.

이때, 위와 같은 엔진 충전모드시 LDC에 의한 보조배터리 충전 전압 제어가 이루어지는 바, 도 3에서 보듯이 보조배터리 충전 경로 효율이 회생제동시에 비하여 낮기 때문에 보조배터리 충전효율은 낮을 수 있다.

상기 EV 모드는 연료 미분사 상태이면서 모터 파워가 충전 히스테리스를 불만족하는 경우 즉, 연료 미분사 상태이면서 모터 파워가 임계값 이상인 경우에 결정되거나, 또는 액셀 페달 센서가 온되는 상태에서 모터 파워 및 차속이 EV 주행모드 진입 조건에 만족하는 경우에 결정되고, 이 EV 모드시에는 모터 또는 엔진에 의한 보조배터리 충전이 이루어지지 않고, LDC 전압 제어에 의하여 고전압배터리의 전력이 보조배터리에 충전된다.

상기 회생제동모드는 액셀 페달 센서가 오프 상태이고, 모터 파워 및 차속이 회생제동 진입 조건에 만족하는 경우에 결정되고, 이 회생제동모드시에는 보조배터리 충전 경로 효율이 높아서 보조배터리 충전에 가장 적합하다.

이에, 위와 같은 회생제동모드시 LDC에 의한 보조배터리 충전이 가장 원활하게 이루어질 수 있다.

한편, 도 3에서 보듯이 EV 모드와 엔진충전모드와 회생제동모드가 정해지지 않은 디폴트 모드(Default Mode)시에는 일정 시간내에 주행모드(drivemode) 요구에 따라 각 주행모드로 천이되는 과정이 후속으로 이루어진다.

이와 같이, 기존에는 최대 7가지 주행 조건별로 LDC 전압 제어모드가 결정되는 것과 달리, 본 발명은 EV 모드와 엔진충전모드와 회생제동모드를 포함하는 3가지 주행모드별로 LDC 전압 제어모드 즉, 보조배터리에 대한 LDC 충전 제어모드가 결정되도록 함으로써, 기존에 주행모드 천이에 따라 LDC 출력전압 지령 변동이 빈번하게 발생되던 것을 최소화할 수 있고, 그에 따라 보조배터리의 내구성 및 LDC 내구성 향상은 물론 연비 향상을 도모할 수 있다.

여기서, 본 발명에 따른 하이브리드 차량의 직류변환장치 전압 가변제어 방법 중, 고전장 부하를 2개 그룹 이상으로 나누어서, 그룹별 전압소모량을 고려하여 LDC 출력전압을 결정하는 단계를 살펴보면 다음과 같다.

첨부한 도 5를 참조하면, 상기 LDC는 고전장 부하 작동 여부를 판단하여 보조배터리를 방전시키는 전압 제어를 한다.

기존에는 고전장 부하의 종류에 상관없이 LDC에서 보조배터리 전압을 고전장 부하에 일정하게 공급하는 제어를 함에 따라, 저전압을 요구하는 부하에도 고전압의 출력전압을 인가함에 따라 보조배터리 에너지를 소모하고, 그에 따라 추후 보조배터리 충전을 위한 모터 및 엔진 구동이 필요하게 되므로, 연비가 저하되는 문제점이 있다.

이와 달리, 본 발명은 고전장 부하 작동 여부를 판단하여 보조배터리를 방전시키는 LDC 전압 제어가 이루어지되, 고전장 부하를 고전압을 요구하는 부하와, 저전압을 요구하는 부하별로 LDC 출력전압의 우선순위를 결정한다.

바람직하게는, 상기 고전압을 요구하는 부하는 블로워 최대 단수(Max), 냉각팬 하이(High) 등으로 구분하고, 상대적 저전압을 요구하는 부하는 헤드램프, 와이퍼, 리어디포그 등으로 구분하여, 각 부하별로 LDC 출력전압값 및 그 우선순위를 결정한다.

예를 들어, 기존에는 부하의 종류에 상관없이 14V가 출력되던 것과 달리, 본 발명은 헤드램프의 요구전압이 상대적으로 낮은 저전압이면 보조배터리로부터 LDC 전압 제어에 의하여 12.5V의 저전압이 출력되도록 함으로써, 보조배터리의 충전량을 줄일 수 있고, 궁극적으로는 연비를 향상시킬 수 있다.

이때, 상기 고전압을 요구하는 부하와 저전압을 요구하는 부하가 동시에 작동되는 경우에는 LDC에서 고전압을 요구하는 부하에 맞는 출력전압을 우선 출력하도록 한다.

예를 들어, 고전압을 요구하는 블로워 최대 단수(Max)와 저전압을 요구하는 헤드램프가 동시에 작동되면, 고전압을 요구하는 블로워 최대 단수에 맞는 출력전압이 보조배터리로부터 LDC 전압 제어에 의하여 출력되도록 함으로써, 헤드램프 작동 및 블로워 최대 단수 작동 성능을 동시에 만족시킬 수 있다.

여기서, 본 발명에 따른 하이브리드 차량의 직류변환장치 전압 가변제어 방법 중, 보조배터리 온도 정보외에 보조배터리 SOC 정보를 기반으로 LDC 출력전압 지령테이블을 구축하고, 이를 통하여 주행모드별로 LDC의 전압 가변제어가 이루어진다.

이를 위해, 보조배터리의 터미널에 일종의 배터리센서인 IBS(Intelligent Battery Sensor)가 장착되고, 이 IBS의 센싱 정보 즉, 보조배터리 SOC 정보가 상위제어기인 HCU로 전송되고, HCU에서 보조배터리 온도 및 SOC 정보를 기반으로 LDC 출력전압 지령테이블을 구축하게 된다.

이때, 상기 IBS에서 감지된 보조배터리 SOC 정보는 3단계(Low, Normal, High)로 구분되는 동시에 각 단계간 천이는 히스테리시스로 구현된 것이고, 이러한 보조배터리 SOC 정보 및 보조배터리 온도 정보를 기반으로 LDC 출력전압을 가변 제어하기 위한 LDC 출력전압 지령테이블 즉, 보조배터리 SOC 정보 및 보조배터리 온도 정보 입력에 따른 2D 형태의 LDC 출력전압 지령테이블이 구축될 수 있다.

이렇게 구축된 LDC 출력전압 지령테이블을 이용하여, 첨부한 도 6에 도시된 바와 같이 주행모드 상황별로 LDC 충방전을 위한 레퍼런스 전압이 결정될 수 있다.

예를 들어, 도 6에서 보듯이 보조배터리 SOC가 하이 상태이면 EV 모드 및 엔진 충전모드시에는 보조 배터리 충전량을 최소화하고자 LDC의 최소 전압 출력 제어가 고려될 수 있고, 보조배터리 SOC가 로우 상태이면 EV 모드 및 엔진 충전모드시 보조배터리 충전을 위한 LDC의 전압 제어가 고려될 수 있으며, 회생제동시에는 에너지 회수를 극대화하기 위한 LDC 전압 제어가 고려될 수 있는 등 상기 IBS의 정보 수신에 따라 차별화된 LDC 가변 전압제어 전략을 구축할 수 있다.

이와 같이, 3가지 주행모드별로 LDC 전압 제어모드를 결정하고, 고전장 부하를 2개 그룹 이상으로 나누어 LDC 출력전압값 및 지령순서를 차별화시키며, 보조배터리 SOC 상태에 따라 LDC 출력전압 지령 테이블을 구축한 상태에서, 기존 대비 본 발명의 연비 개선 시험을 소정의 시험조건으로 시험하였는 바, 그 결과는 첨부한 도 7 및 도 8에 도시된 바와 같다.

첨부한 도 7에서 보듯이 보조배터리의 충방전에 따른 연비 기여율이 기존에 IBS 미장착에 비하여 향상됨을 알 수 있었고, 특히 첨부한 도 8에서 보듯이 LDC 소모에너지 및 보조배터리의 에너지 소모량을 기존 대비 줄일 수 있어 연비 향상을 도모할 수 있음을 알 수 있었다.

Claims (6)

1. ⅰ) EV 모드와 엔진충전모드와 회생제동모드를 포함하는 3가지 주행모드별로 LDC 전압 제어모드를 결정하는 단계와;
   ⅱ) 고전장 부하를 2개 그룹 이상으로 나누어서, 그룹별 전압소모량을 고려하여 LDC 출력전압을 결정하는 단계와;
   ⅲ) 보조배터리 온도 정보외에 보조배터리의 터미널에 장착된 IBS에서 감지된 보조배터리 SOC 정보를 기반으로 LDC 출력전압 지령테이블을 구축하여, LDC 출력전압을 가변 제어하는 단계;
   를 포함하는 것을 특징으로 하는 하이브리드 차량의 직류변환장치 전압 가변제어 방법.
   
2. 청구항 1에 있어서,
   상기 ⅰ) 단계에서,
   기어레버, 연료 인젝션 유무, 차속, 모터 파워, 액셀페달 밟음량에 따라, EV 모드와 엔진충전모드와 회생제동모드를 포함하는 3가지 주행모드를 결정하고, 이 3가지 주행모드별로 보조배터리 충전을 위한 LDC 레퍼런스 전압이 결정되는 것을 특징으로 하는 하이브리드 차량의 직류변환장치 전압 가변제어 방법.
   
3. 청구항 1에 있어서,
   상기 ⅱ) 단계에서,
   고전장 부하를 고전압을 요구하는 부하와, 상대적 저전압을 요구하는 부하별로 LDC 출력전압의 우선순위를 결정하는 것을 특징으로 하는 하이브리드 차량의 직류변환장치 전압 가변제어 방법.
   
4. 청구항 3에 있어서,
   상기 고전압을 요구하는 부하는 블로워 최대 단수(Max), 냉각팬 하이(High)를 포함하고, 상대적 저전압을 요구하는 부하는 헤드램프, 와이퍼, 리어디포그를 포함하는 것을 특징으로 하는 하이브리드 차량의 직류변환장치 전압 가변제어 방법.
   
5. 청구항 3에 있어서,
   상기 고전압을 요구하는 부하와 상대적 저전압을 요구하는 부하가 동시에 작동되는 경우, LDC에서 고전압을 요구하는 부하에 맞는 출력전압을 우선 출력하는 것을 특징으로 하는 하이브리드 차량의 직류변환장치 전압 가변제어 방법.
   
6. 청구항 1에 있어서,
   상기 ⅲ) 단계에서,
   IBS에서 감지된 보조배터리 SOC 정보는 3단계(Low, Normal, High)로 구분되는 동시에 각 단계간 천이는 히스테리시스로 구현된 것임을 특징으로 하는 하이브리드 차량의 직류변환장치 전압 가변제어 방법.

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