KR20160063621A

KR20160063621A - 마일드 하이브리드 자동차의 배터리 충전 제어장치 및 그 방법

Info

Publication number: KR20160063621A
Application number: KR1020140167088A
Authority: KR
Inventors: 김청호; 강동우
Original assignee: 쌍용자동차 주식회사
Priority date: 2014-11-27
Filing date: 2014-11-27
Publication date: 2016-06-07

Abstract

인버터(inverter)의 고장 발생 시 계자권선형 동기전동기(WRSM)가 일반 차량의 conventional 알터네이터 역할을 할 수 있도록 한 마일드 하이브리드 자동차의 배터리 충전 제어장치 및 그 방법에 관한 것으로서, 인버터의 고장 발생 시 릴레이 제어와 충전 제어를 하는 차량 제어 장치; 릴레이 제어신호에 따라 동작하는 정류릴레이; 상기 계자권선형 동기전동기에서 발생하는 3상 교류 전력을 상기 정류릴레이를 통해 입력받아 전파정류하여 직류 전력으로 출력하는 정류부; 상기 정류부에 출력되는 직류 전력을 소정의 정전압으로 만들어 12V배터리를 충전하고, 상기 12V배터리에 충전된 전압을 정전압으로 만들어 상기 48V배터리를 충전하며, 상기 인버터 고장 발생 시 상기 계자권선형 동기전동기의 계자 전류를 제어하는 양방향 직류-직류 컨버터; 상기 인버터 고장 발생 시 상기 계자권선형 동기전동기에 계자 전류를 공급해주기 위한 계자 전류 릴레이로 마일드 하이브리드 자동차의 배터리 충전제어장치를 구현한다.

Description

마일드 하이브리드 자동차의 배터리 충전 제어장치 및 그 방법{Battery charging control apparatus and method for mild hybrid vehicle}

본 발명은 마일드 하이브리드 자동차(mild hybrid vehicle)의 배터리 충전 제어에 관한 것으로, 특히 인버터(inverter)의 고장 발생 시 계자권선형 동기전동기(WRSM)가 일반 차량의 conventional 알터네이터 역할을 할 수 있도록 한 마일드 하이브리드 자동차의 배터리 충전 제어장치 및 그 방법에 관한 것이다.

최근에는 에너지 고갈과 환경 오염 문제로 하이브리드 자동차와 전기 자동차 같은 친환경 자동차가 주목받고 있다. 하이브리드 자동차는 동력원으로 엔진이 있기 때문에 외부의 상용 전원을 이용하여 배터리를 충전할 필요가 없으나, 전기 자동차는 엔진이 있지 않으므로 외부의 상용 전원을 이용하여 주기적으로 배터리를 충전하여야 한다. 여기서 하이브리드 자동차는 그 충전 방식에 따라 마일드 하이브리드 자동차와 플러그-인 하이브리드 자동차로 크게 분류된다. 마일드 하이브리드 자동차는 내연 기관에서 발생된 에너지의 일부를 이용하여 배터리를 충전하는 하이브리드 자동차이고, 플러그-인 하이브리드 자동차는 외부의 상용 전원으로부터 에너지를 받아 배터리를 충전하는 하이브리드 자동차이다.

마일드 하이브리드 자동차는 연료소비율을 향상시키기 위하여 엔진에서 발생하는 토크를 어시스트(assist)하고, 감속 시에는 발전을 하기 위한 계자권선형 동기전동기(WRSM)와 이것을 제어하기 위한 인버터가 장착된다. 이 인버터를 통해 배터리 직류(DC) 전력이 3상 교류전력으로 변환되어 인버터에 공급되면 계자권선형 동기전동기가 구동력을 발생한다. 반대로 감속 시에는 3상 교류전력을 인버터가 받아 직류 전력으로 변환하여 48V 배터리를 충전하고, 직류-직류 컨버터(DC-DC converter)를 통해 12V 배터리를 충전한다.

마일드 하이브리드 자동차에 대한 종래기술이 하기의 <특허문헌 1> 대한민국 공개특허 공개번호 10-2012-0062529호(2012.06.14. 공개)에 개시되었다.

<특허문헌 1>에 개시된 종래기술은 엔진, 복합 기동-발전기(ISG), 3상 교류 전력을 직류전력으로 변환하거나 직류전력을 3상 교류전력을 변환하는 인버터, 인버터의 출력 전력을 충전하거나, 충전된 직류전력을 인버터에 공급해주는 슈퍼커패시터, 인버터의 직류 전력을 강하하는 직류-직류 변환기, 직류 전력을 받아 충전되는 전장용 배터리, 역 충전 방지 장치를 구비하고, 슈퍼커패시터의 충전전압이 배터리의 충전 전압보다 낮은 경우 배터리의 전압이 슈퍼커패시터로 급속 역 충전되는 것을 방지한다.

대한민국 공개특허 공개번호 10-2012-0062529호(2012.06.14. 공개)

그러나 상기와 같은 일반적인 마일드 하이브리드 자동차 및 종래기술에 개시된 마일드 하이브리드 자동차는 인버터 고장 발생 시 이에 대처하기 위한 방법이 구현되지 않아, 인버터 고장 발생시 배터리 충전이 불가능하여 차량이 정지하거나 12V 시스템의 작동이 중지되는 단점이 있다.

이에 본 발명은 상기와 같은 일반적인 마일드 하이브리드 자동차 및 종래기술에서 발생하는 제반 문제점을 해결하기 위해서 제안된 것으로서, 인버터(inverter)의 고장 발생 시 계자권선형 동기전동기(WRSM)가 일반 차량의 conventional 알터네이터 역할을 할 수 있도록 한 마일드 하이브리드 자동차의 배터리 충전 제어장치 및 그 방법을 제공하는 데 그 목적이 있다.

본 발명의 다른 목적은 인버터의 고장 발생 시 차량이 멈추거나 12V시스템의 동작이 중지되는 것을 방지하도록 한 마일드 하이브리드 자동차의 배터리 충전 제어장치 및 그 방법을 제공하는 것이다.

상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에 따른 마일드 하이브리드 자동차의 배터리 충전제어장치는 엔진에서 발생하는 토크를 어시스트하고, 감속 시 발전을 하는 계자권선형 동기전동기(WRSM); 상기 계자권선형 동기전동기를 제어하기 위한 인버터; 에너지를 저장하는 48V배터리; 상기 인버터의 고장 발생 시 릴레이 제어와 충전 제어를 하는 차량 제어 장치; 상기 차량 제어 장치에서 발생하는 릴레이 제어신호에 따라 동작하는 정류릴레이; 상기 계자권선형 동기전동기에서 발생하는 3상 교류 전력을 상기 정류릴레이를 통해 입력받아 전파정류하여 직류 전력으로 출력하는 정류부; 상기 정류부에 출력되는 직류 전력을 소정의 정전압으로 만들어 12V배터리를 충전하고, 상기 12V배터리에 충전된 전압을 정전압으로 만들어 상기 48V배터리를 충전하며, 상기 인버터 고장 발생시 상기 계자권선형 동기전동기의 계자 전류를 제어하는 양방향 직류-직류 컨버터; 상기 인버터 고장 발생 시 상기 계자권선형 동기전동기에 계자 전류를 공급해주기 위한 계자 전류 릴레이를 포함한다.

상기에서 48v배터리의 내부에는 전력 공급 및 차단을 위한 내부 릴레이를 포함하고, 상기 차량 제어 장치는 상기 인버터 고장 발생 시 상기 내부 릴레이를 오프하고, 상기 48V배터리 충전 시 상기 내부 릴레이를 온 시켜 48V배터리를 충전하도록 제어하는 것을 특징으로 한다.

상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에 따른 마일드 하이브리드 자동차의 배터리 충전제어방법은 (a) 인버터 고장 발생 시 48V배터리 내부 릴레이를 오프하고, 정류 릴레이를 온시키는 단계; (b) 양방향 직류-직류 컨버터에서 정류부를 통해 공급되는 계자권선형 동기전동기의 출력 전력을 소정의 정전압으로 만들어 12V배터리를 충전하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명에 따른 마일드 하이브리드 자동차의 배터리 충전제어방법은 (c) 상기 48V배터리의 충전 요구가 발생하면, 상기 정류릴레이를 오프하고, 상기 48V배터리 내부 릴레이를 온시키는 단계; (d) 상기 양방향 직류-직류 컨버터에서 상기 12V배터리의 충전 전력을 소정의 정전압으로 만들어 상기 48V배터리를 충전하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따르면 인버터의 고장 발생 시 계자권선형 동기전동기로부터 발생하는 발전전력으로 12V배터리를 충전하고, 필요에 따라 48V배터리도 충전을 함으로써, 인버터 고장 발생 시 차량이 멈추거나 12V시스템이 동작을 멈추는 것을 방지할 수 있는 장점이 있다.

도 1은 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 마일드 하이브리드 자동차의 배터리 충전 제어장치의 구성도,
도 2a는 본 발명의 마일드 하이브리드 자동차의 배터리 충전 제어방법 중 인버터 고장 발생 시 12V배터리 충전 과정을 보인 흐름도, 도 2b는 48V배터리 충전 과정을 보인 흐름도.

이하 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 마일드 하이브리드 자동차의 배터리 충전 제어장치 및 그 방법을 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.

도 1은 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 마일드 하이브리드 자동차의 배터리 충전 제어장치의 구성도이다.

본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 마일드 하이브리드 자동차의 배터리 충전 제어장치는 계자권선형 동기전동기(WRSM)(10), 인버터(20), 48V배터리(30), 정류릴레이(40), 정류부(50), 12V배터리(60), 양방향 직류-직류 컨버터(70), 차량 제어 장치(80) 및 계자 전류 릴레이(90)를 포함한다.

상기 계자권선형 동기전동기(10)는 엔진에서 발생하는 토크를 어시스트하고, 감속 시 발전을 하는 역할을 한다.

상기 인버터(20)는 상기 계자권선형 동기전동기(10)를 제어하기 위한 역할을 하며, 48V배터리(30)는 에너지를 저장하는 역할을 한다.

또한, 상기 차량 제어 장치(80)는 상기 인버터(20)의 고장 발생 시 릴레이 제어와 충전 제어를 하며, 정류릴레이(40)는 상기 차량 제어 장치(80)에서 발생하는 릴레이 제어신호에 따라 동작하여 상기 계자권선형 동기전동기(10)의 발전전력을 출력해주는 역할을 한다.

아울러 상기 정류부(50)는 상기 계자권선형 동기전동기(10)에서 발생하는 3상 교류 전력을 상기 정류릴레이(40)를 통해 입력받아 전파정류하여 직류 전력으로 출력하는 역할을 한다. 이러한 정류부(50)는 브리지 다이오드를 사용하는 것이 바람직하다.

상기 양방향 직류-직류 컨버터(70)는 상기 정류부(50)에 출력되는 직류 전력을 소정의 정전압으로 만들어 12V배터리(60)를 충전하고, 상기 12V배터리(60)에 충전된 전압을 정전압으로 만들어 상기 48V배터리(30)를 충전하며, 상기 인버터 고장 발생 시 상기 계자권선형 동기전동기(10)의 계자 전류를 제어하는 역할을 한다.

상기 계자 전류 릴레이(90)는 상기 차량 제어 장치(80)의 제어에 따라 동작하여 상기 양방향 직류-직류 컨버터(70)에서 출력되는 계자 전류를 상기 계자권선형 동기전동기(10)에 전달해주는 역할을 한다.

이와 같이 구성된 본 발명에 따른 마일드 하이브리드 자동차의 배터리 충전 제어장치의 동작을 구체적으로 설명하면 다음과 같다.

먼저, 인버터(20)가 정상적으로 동작하는 상황에서는 차량 제어 장치(80)의 제어에 따라 48V배터리(30)의 내부에 구비된 내부 릴레이가 온 상태가 되고, 정류 릴레이(40) 및 계자 전류 릴레이(90)가 모두 오프 상태가 되며, 연료소비율을 향상시키기 위하여 계자권선형 동기전동기(10)는 엔진에서 발생하는 토크를 어시스트(assist)한다.

아울러 인버터(20)를 통해 48V배터리(30)에서 출력되는 직류(DC) 전력이 3상 교류전력으로 변환되어 계자권선형 동기전동기(10)를 구동하고, 감속 시에는 계자권선형 동기전동기(10)의 3상 교류전력을 인버터(20)가 받아 직류 전력으로 변환하여 상기 48V배터리(30)를 충전하고, 양방향 직류-직류 컨버터(DC-DC converter)(70)를 통해 12V배터리(60)를 충전한다.

이와 같은 상태에서 인버터(20)에 고장이 발생하면, 차량 제어 장치(80)는 이를 인식한다. 여기서 인버터(20)의 고장 발생 인식은 인버터(20)의 소정 위치에 출력 전류를 감지할 수 있는 전류 센서 등을 구비하고, 이를 통해 실시간으로 감시하여 인버터(20)의 동작 상태를 판단할 수 있다. 이러한 방법 이외에 인버터(20)의 고장 여부를 알 수 있는 기존에 알려진 다양한 모든 방법을 이용하는 것도 가능하다.

차량 제어 장치(80)는 인버터(20)의 고장으로 인식되면, 48V배터리(30)의 내부 릴레이를 오프 상태로 제어하여 계자권선형 동기전동기(10)에서 발생하는 역기전력 또는 발전전력에 의해 48V배터리(30)가 손상되는 것을 방지한다. 아울러 인버터(20)의 고장 인식시에는 정류릴레이(40)를 온 상태로 제어하며, 계자 전류 릴레이(90)를 온 상태로 제어한다.

상기 정류릴레이(40)가 온 상태로 동작하면, 계자권선형 동기전동기(10)로부터 발생한 교류 발전전력은 정류부(50)를 통해 전파정류되어 소정의 직류 전력으로 변환된다. 이렇게 변환되는 직류 전력은 양방향 직류-직류 컨버터(70)에 전달되며, 양방향 직류-직류 컨버터(70)는 전달되는 직류 전력을 소정의 정전압으로 변환하여 12V배터리(60)를 충전한다. 이로써 12V배터리(60)를 통해 전원을 공급받는 12V 시스템들은 인버터(20)의 고장 시에도 정상적으로 동작을 하게 된다.

한편, 상기와 같은 상태에서 48V배터리(30)의 충전이 요청되는 경우, 즉, 48V배터리(30)가 저전압 상태가 되면, 상기 차량 제어 장치(80)는 48V배터리(30)의 내부에 구비된 내부 릴레이를 온 상태로 동작시키고, 정류릴레이(40)를 오프시킨다. 이후, 상기 양방향 직류-직류 컨버터(70)는 상기 12V배터리(60)에 충전된 전력을 소정의 직류 정전압으로 만들어 상기 내부 릴레이를 통해 48V배터리(30)를 역으로 충전하게 된다.

여기서 인버터(20)의 고장 시 계자권선형 동기전동기(10)의 구동을 위해 계자 전류가 필요하며, 이를 위해 계자 전류 릴레이(90)를 부가하고, 상기 양방향 직류-직류 컨버터(70)에서 상기 게자 전류 릴레이(90)를 통해 상기 계자권선형 동기전동기(10)를 컨트롤하게 된다.

이로써 인버터의 고장 발생 시에도 계자권선형 동기전동기를 알터네이터로 활용하여, 12V배터리 및 48V배터리의 충전이 가능하여 차량이 정지하거나 관련 장치가 동작하는 것을 방지할 수 있게 되는 것이다.

도 2a 및 도 2b는 본 발명에 따른 마일드 하이브리드 자동차의 배터리 충전제어방법을 보인 흐름도로서, S는 단계(step)를 나타낸다.

도 2a는 인버터 고장 시 12V배터리(60)를 충전하는 과정을 나타내는 흐름도로서, (a) 인버터 고장 발생 시 48V배터리 내부 릴레이를 오프하고, 정류 릴레이를 온시키는 단계(S10 ~ S30); (b) 양방향 직류-직류 컨버터(70)에서 정류부(50)를 통해 공급되는 계자권선형 동기전동기(10)의 출력 전력을 소정의 정전압으로 만들어 12V배터리(60)를 충전하는 단계(S40 ~ S50)를 포함한다.

이와 같이 구성된 본 발명의 인버터 고장 시 12V배터리(60)를 충전하는 방법은 먼저 단계 S10에서 인버터의 고장 발생을 인지한다.

인버터의 고장 발생이 인지되면 단계 S20에서 48V배터리(30)의 내부 릴레이를 오프(OFF)하고, 단계 S30에서 정류 릴레이(40)를 온(ON) 시킨다.

이후, 단계 S40)에서 양방향 직류-직류 컨버터(70)는 정류부(50)를 통해 공급되는 계자권선형 동기전동기(10)의 출력 전력을 소정의 정전압으로 만들어 12V배터리(60)를 충전한다.

이러한 과정에서 단계 S50에서와 같이 계자권선형 동기전동기(10)는 계자 전류 릴레이(90)를 통해 공급되는 계자 전류에 의해 발전기로 동작을 하게 된다.

도 2b는 본 발명에 따른 마일드 하이브리드 자동차의 배터리 충전제어방법 중 48V배터리(30)를 충전하는 과정을 보인 것으로서, 상기 48V배터리(30)의 충전 요구가 발생하면, 상기 정류릴레이(40)를 오프하고, 상기 48V배터리(30)의 내부 릴레이를 온시키는 단계(S60 ~ S80); 상기 양방향 직류-직류 컨버터(70)에서 상기 12V배터리(60)의 충전 전력을 소정의 정전압으로 만들어 상기 48V배터리(30)를 역으로 충전하는 단계(S90)를 포함한다.

이와 같이 구성된 본 발명에 따른 인버터 고장 발생 시 48V배터리를 충전하는 과정은 단계 S60에서와 같이 48V배터리(30)의 충전이 요구되는지를 확인한다. 예컨대, 48V배터리의 전압 충전 상태를 검출하여 충전 요구 상태를 확인할 수 있다.

48V배터리(30)의 충전이 요구되면, 단계 S70으로 이동하여 정류릴레이(40)를 오프(OFF)하고, 단계 S80에서 48V배터리(30)의 내부에 구비된 내부 릴레이를 온(ON) 시킨다.

이후, 양방향 직류-직류 컨버터(70)에서 상기 12V배터리(60)의 충전 전력을 소정의 정전압으로 만들어 상기 48V배터리(30)를 역으로 충전하게 된다.

이상 본 발명자에 의해서 이루어진 발명을 상기 실시 예에 따라 구체적으로 설명하였지만, 본 발명은 상기 실시 예에 한정되는 것은 아니고 그 요지를 이탈하지 않는 범위에서 여러 가지로 변경 가능한 것은 물론이다.

10 : 계자권선형 동기전동기 20 : 인버터
30 : 48V배터리 40 : 정류 릴레이
50 : 정류부 60 : 12V배터리
70 : 양방향 직류-직류 컨버터 80 : 차량 제어 장치
90 : 계자 전류 릴레이

Claims

엔진에서 발생하는 토크를 어시스트하고, 감속 시 발전을 하는 계자권선형 동기전동기(WRSM);
상기 계자권선형 동기전동기를 제어하기 위한 인버터;
에너지를 저장하는 48V배터리;
상기 인버터의 고장 발생 시 릴레이 제어와 충전 제어를 하는 차량 제어 장치;
상기 차량 제어 장치에서 발생하는 릴레이 제어신호에 따라 동작하는 정류릴레이;
상기 계자권선형 동기전동기에서 발생하는 3상 교류 전력을 상기 정류릴레이를 통해 입력받아 전파정류하여 직류 전력으로 출력하는 정류부;
상기 정류부에 출력되는 직류 전력을 소정의 정전압으로 만들어 12V배터리를 충전하고, 상기 12V배터리에 충전된 전압을 정전압으로 만들어 상기 48V배터리를 충전하며, 상기 인버터 고장 발생 시 상기 계자권선형 동기전동기의 계자 전류를 제어하는 양방향 직류-직류 컨버터;
상기 인버터 고장 발생 시 상기 계자권선형 동기전동기에 계자 전류를 공급해주기 위한 계자 전류 릴레이를 포함하는 것을 특징으로 하는 마일드 하이브리드 자동차의 배터리 충전제어장치.
청구항 1에 있어서, 상기 48V배터리의 내부에는 전력 공급 및 차단을 위한 내부 릴레이를 포함하고, 상기 차량 제어 장치는 상기 인버터 고장 발생 시 상기 내부 릴레이를 오프하고, 상기 48V배터리 충전 시 상기 내부 릴레이를 온 시켜 48V배터리를 충전하도록 제어하는 것을 특징으로 하는 마일드 하이브리드 자동차의 배터리 충전제어장치.
(a) 인버터 고장 발생 시 48V배터리 내부 릴레이를 오프하고, 정류 릴레이를 온시키는 단계;
(b) 양방향 직류-직류 컨버터에서 정류부를 통해 공급되는 계자권선형 동기전동기의 출력 전력을 소정의 정전압으로 만들어 12V배터리를 충전하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 마일드 하이브리드 자동차의 배터리 충전제어방법.
청구항 3에 있어서,
(c) 상기 48V배터리의 충전 요구가 발생하면, 상기 정류릴레이를 오프하고, 상기 48V배터리 내부 릴레이를 온시키는 단계;
(d) 상기 양방향 직류-직류 컨버터에서 상기 12V배터리의 충전 전력을 소정의 정전압으로 만들어 상기 48V배터리를 충전하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 마일드 하이브리드 자동차의 배터리 충전제어방법.