KR20190079126A - 전기 자동차의 배터리의 방전방지를 위한 토크 제어 방법 및 제어 장치 - Google Patents

전기 자동차의 배터리의 방전방지를 위한 토크 제어 방법 및 제어 장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 전기 자동차의 배터리의 방전방지를 위한 토크 제어 방법이 개시된다. 본 발명의 하나의 실시 예에 따른 전기 자동차의 배터리의 방전방지를 위한 토크 제어 방법은 모터와 엔진을 동력원으로 포함하는 하이브리드 차량의 토크 제어 방법에 있어서, (a) 배터리 충전량을 산출하는 단계, (b) 배터리의 충전량이 기준값 이하이고 클러치가 슬립 제어 모드인지 판단하는 단계, 및 (c) 배터리의 충전량이 기준값 이하이고 클러치가 슬립 제어 모드인 경우에 배터리의 방전을 중지하는 단계를 포함하여 구성된다.

Description

전기 자동차의 배터리의 방전방지를 위한 토크 제어 방법 및 제어 장치 {TORQUE CONTROL METHOD FOR PREVENTING BATTERY DISCHARGE AND CONTROL APPARATUS}
본 발명은 전기 자동차의 배터리의 방전방지를 위한 토크 제어 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 배터리 충전량을 판단하고 클러치가 슬립 제어 모드인 경우에 방전을 방지함으로써 전기 자동차의 배터리의 방전방지를 위한 토크 제어 방법에 관한 것이다.
자동차에 대한 끊임없는 연비 향상의 요구와 각 나라의 배출가스 규제의 강화에 따라 친환경 자동차에 대한 요구가 증가하고 있으며, 이에 대한 현실적인 대안으로 친환경 자동차가 제공되고 있다.
친환경 자동차는 연료전지 자동차, 전기자동차, 플러그인 전기자동차, 하이브리드 자동차를 포괄하는 것으로, 통상적으로 구동력 발생을 위한 모터를 구비한다.
이러한 친환경 자동차의 일례인 하이브리드 자동차(Hybrid Vehicle)는 내연기관 엔진(Internal Combustion Engine)과 배터리 전원을 함께 사용한다. 즉, 하이브리드 자동차는 내연기관 엔진의 동력과 모터의 동력을 효율적으로 조합하여 사용한다. 즉, 하이브리드 자동차는 엔진과 모터로 구성되는 두 개의 동력원으로 주행하는 과정에서 엔진과 모터를 조화롭게 동작시켜 따라 추가적인 연비 향상을 도모할 수 있다.
하이브리드 자동차는, 엔진, 모터, 엔진과 모터 사이에서 동력을 단속하는 엔진 클러치, 변속기, 차동기어장치, 배터리, 상기 엔진을 시동하거나 엔진의 출력에 의해 발전을 하는 시동 발전기 및 차륜으로 구성될 수 있다.
도 1에는 일반적인 TMED(Transmission Mounted Eletric Device) 타입의 하이브리드 자동차 시스템을 도시한 블록도가 도시되어 있다.
도 1을 참조하면, 종래의 TMED 방식의 하이브리드 차량에서는 엔진(11)의 구동력이 차량의 주행을 위해 필요한 경우, 상기 엔진(11)과 상기 모터(12) 사이에 구비되는 엔진클러치(13)를 이용하여 단속함으로써, 필요시 상기 엔진(11)의 구동력이 상기 모터(12)로 전달되도록 하여, 상기 변속기(14)로 상기 모터(12)의 구동력 또는 상기 엔진(11)의 구동력이 전달되어 차량이 구동하도록 한다. 한편, 상기 엔진(11)은 HSG(Hybrid Starter Generator, 16)와 연결되고, 상기 HSG(16)를 이용하여 상기 모터(12)의 작동에 필요한 전력을 발전시키거나, 상기 엔진(11)을 시동시킨다. 상기 HSG에서 발전된 전력은 배터리(15)에 충전되어 상기 모터(12)의 구동시 또는 상기 HSG의 구동시 공급된다.
한편, 상기 TMED 타입의 하이브리드 자동차 또는 플러그인 하이브리드 자동차에서 상기 엔진(11)과 상기 모터(12)를 연결하는 상기 엔진클러치(13)의 제어는 주행 제어중에 가장 중요한 제어의 하나이다. 즉, 여러 조건을 기초로 하여 상기 엔진(11)과 상기 모터(12)의 회전수(rpm)를 동기화시키고 상기 엔진클러치(13)를 결합하여, 상기 엔진(11)의 동력을 주행의 주동력원으로 사용하게 된다.
상기 엔진클러치(13)의 결합시에 싱크제어로 결정되면 상기 엔진(11)의 회전수와 상기 모터(12)의 회전수 차이가 미리 정해진 싱크제어 회전수 차이 이내가 될 때까지 기다린다. 상기 엔진(11)의 회전수와 상기 모터(12)의 회전수 차이가 상기 싱크제어 회전수 차이 이내가 되면 상기 엔진클러치(13)의 결합 제어를 시도하고, 그렇지 않거나 미리 정해진 시간이 지나면 슬립제어로 시도하고, 상기 슬립제어에서 상기 엔진(11)의 회전수와 상기 모터(12)의 회전수 차이가 미리 정해진 슬립제어 회전수 차이 이내가 되면, 강제로 상기 엔진클러치(13)를 결합하고, 상기 슬립제어 회전수 차이가 되지 않으면 상기 엔진클러치(13)를 결합하지 않는다.
상기 엔진클러치(13)의 결합 조건을 만족하지 못하는 경우에는 싱크제어나 슬립제어를 수행하고 상기 엔진클러치(13)의 결합제어는 수행하지 않는다.
여기서, 엔진클러치(13)가 슬립일 경우에는 엔진이 결합하지 못하여 배터리가 방전될 수 있다. 예를 들어, 등판길에서 주행과 정지를 반복할 경우 엔진과 모터가 락업(Lock up)이 되기 전에 슬립을 하게 되는데 이런 현상이 지속되면 배터리 충전을 하지 못하여 SOC(State of Charge)가 고갈되고, 이로 인하여 하이브리드 자동차가 주행이 제한되는 문제점이 발생된다.
대한민국 등록특허출원 제 10-1755975 호
본 발명의 일 실시 예는 상기 종래 기술의 문제점을 극복하기 위하여 배터리의 충전량을 판단하여 충전량이 일정량 이하일 경우에 배터리의 방전을 방지하기 위한 전기 자동차의 배터리의 방전방지를 위한 토크 제어 방법을 제공하고자 한다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 모터와 엔진을 동력원으로 포함하는 하이브리드 차량의 토크 제어 방법에 있어서, (a) 배터리 충전량을 산출하는 단계, (b) 배터리의 충전량이 기준값 이하이고 클러치가 슬립 제어 모드인지 판단하는 단계, 및 (c) 배터리의 충전량이 기준값 이하이고 클러치가 슬립 제어 모드인 경우에 배터리의 방전을 중지하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 (c) 단계에서, 배터리의 충전량이 기준값 이하이고 클러치가 슬립 제어 모드인 경우에 토크 리저브를 통해 엔진의 드롭(Drop)을 방지할 수 있다.
상기 (c) 단계에서, 클러치가 슬립 제어 모드가 아닌 경우에 (a) 단계로 복귀할 수 있다.
상기 (b)와 (c) 단계 사이에, (d) 차량 속도를 검출하는 단계를 더 포함할 수 있다.
상기 (b)와 (c) 단계 사이에, (e) 배터리의 충전량이 기준값 이하인 경우에, 배터리 충전상태와 검출된 차량속도를 기초로 모터 출력을 감소시키면서 모터 토크를 제어하는 단계를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 하나의 실시 예에 따르면, 전기 자동차의 배터리의 방전방지를 위한 토크 제어 방법은 배터리를 보존하여, 그 중에서도 산악지역과 같은 등판길에서 배터리의 방전으로 운행이 불가한 문제를 해결하여 주행 능력을 향상시키는 효과를 제공할 수 있다.
도 1은 일반적인 TMED 타입의 하이브리드 자동차 시스템을 도시한 블록도이다.
도 2는 본 발명에 따른 배터리의 방전방지를 위한 토크 제어 방법의 흐름도이다.
도 3은 본 발명에 따른 배터리의 방전방지를 위한 토크 제어 방법의 다른 흐름도이다.
도 4는 본 발명에 따른 배터리의 방전방지를 위한 전기 자동차의 구성도이다.
이하 설명하는 실시 예들은 본 발명의 기술 사상을 당업자가 용이하게 이해할 수 있도록 제공되는 것으로 이에 의해 본 발명이 한정되지는 않는다. 또한, 첨부된 도면에 표현된 사항들은 본 발명의 실시 예들을 쉽게 설명하기 위해 도식화된 도면으로 실제로 구현되는 형태와 상이할 수 있다.
어떤 구성요소가 다른 구성요소에 연결되어 있거나 접속되어 있다고 언급될 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 한다.
그리고 여기서의 "연결"이란 일 부재와 타 부재의 직접적인 연결, 간접적인 연결을 포함하며, 접착, 부착, 체결, 접합, 결합 등 모든 물리적인 연결을 의미할 수 있다.
또한 '제1, 제2' 등과 같은 표현은 복수의 구성들을 구분하기 위한 용도로만 사용된 표현으로써, 구성들 사이의 순서나 기타 특징들을 한정하지 않는다.
단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 표현하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. "포함한다" 또는 "가진다" 등의 용어는 명세서 상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 의미하기 위한 것으로, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들이 부가될 수 있는 것으로 해석될 수 있다.
먼저, 본 발명에 따른 지중관로 전력케이블 보호구조물을 설명하기에 앞서, 상술한 종래 기술에 따른 종래의 TMED 방식의 하이브리드 차량에서 엔진클러치의 결합 조건을 만족하지 못하는 경우에 싱크제어나 슬립제어만 수행하고 엔진클러치의 결합제어는 수행하지 않으며, 이와 같이 엔진클러치가슬립일 경우에는 엔진이 결합하지 못하여 배터리가 방전될 수 있다. 특히, 산악지역에서 주행과 정지를 반복할 경우 엔진과 모터 사이의 락업이 되기 전에 슬립 현상이 지속되면 배터리 충전을 하지 못하여 배터리가 고갈되어 하이브리드 자동차가 주행이 제한되는 문제점이 발생된다.
이러한 문제점에 대해 해결책이 요구되고 있는 실정이며, 이에 본 출원의 발명자들은 심도 있는 연구와 다양한 실험을 거듭하여 본 발명에 따른 전기자동차의 배터리의 방전방지를 위한 토크 제어 방법을 제공한다.
도 2는 본 발명에 따른 배터리의 방전방지를 위한 토크 제어 방법의 흐름도이다.
도 2를 참조하면, 본 발명에 따른 배터리의 방전방지를 위한 토크 제어 방법은, 모터와 엔진을 동력원으로 포함하는 하이브리드 차량의 토크 제어 방법에 있어서, 먼저 (a) 배터리 충전량을 산출하고(S110), 여기서 산출된 배터리 충전량을 기설정된 기준값과 비교하여 (b) 배터리의 충전량이 기준값 이하이고 클러치의 작동 상태를 감지하여 클러치가 슬립 제어 모드인지를 판단한다(S120). 이에 따라, (c) 배터리의 충전량이 기준값 이하이고 클러치가 슬립 제어 모드인 경우에 배터리의 방전을 중지한다(S130).
본 발명이 적용되는 하이브리드 자동차는 하이브리드 자동차의 전체 동작을 제어하는 하이브리드 제어기(Hybrid Control Unit), 엔진의 동작을 제어하는 엔진 제어기(Engine Control Unit), 모터의 동작을 제어하는 모터 제어기(Motor Control Unit), 변속기의 동작을 제어하는 변속 제어기(Transmission Control Unit), 및 배터리를 제어하고 관리하는 배터리 제어기(Battery Control Unit)로 구성될 수 있다. 상기 배터리 제어기는 배터리 관리 시스템(Battery Management System)으로 호칭될 수 있다. 상기 시동 발전기는 ISG(Integrated Starter & Generator) 또는 HSG(Hybrid Starter & Generator)라 호칭되기도 한다.
일반적으로, 하이브리드 차량은 동력전달구조로 병렬형이나 직렬형 또는 마일드형으로 구분되는 내연기관 엔진과 전기 모터를 동력원으로 사용하고, 2개의 클러치에 짝수기어 입력축과 홀수기어 입력축이 각각 분리되어 연결된DCT(Dual Clutch Transmission)를 변속시스템으로 사용한다.
특히, 상기 HEV는 모터만 동력원으로 사용하는 EV모드(Electric Vehicle Mode)나 엔진과 모터를 동력원으로 사용하는 HEV모드(Hybrid Electric Vehicle Mode)로 운영되고, 상기 EV모드와 상기 HEV모드의 전환을 위해 엔진과 모터를 연결이나 단락시키는 엔진클러치시스템을 적용한다.
하이브리드 자동차는 주행 중 조건에 따라 두 모드 간의 전환을 수행하는데, 엔진과 변속기 사이에 전기모터와 엔진클러치(EC:Engine Clutch)를 장착한 병렬형(Parallel Type) 하이브리드 시스템을 채용한 하이브리드 자동차에서는 일반적으로 전기차 모드에서 차량이 출발하게 된다.
일례로, 상기 엔진클러치시스템은 NC(Normally Close) 타입 엔진클러치와 전동유압액추에이터를 포함한다. 그러므로, 상기 전동유압액추에이터의 미작동시 엔진클러치가 엔진과 모터의 연결을 유지해줌으로써 엔진과 모터의 동력이 연결되고, 상기 전동유압액추에이터의 작동시 엔진클러치가 엔진과 모터의 연결을 끊어줌으로써 엔진과 모터의 동력이 단락된다.
상기 엔진클러치시스템의 동작여부로 HEV는 EV모드와 HEV모드로 운영된다. 일례로, 출발과 저속 주행시에는 엔진의 동력을 사용하지 않고 모터의 구동력만으로 변속기에 동력이 전달되기 때문에 엔진과 변속기 사이의 동력연결은 필요가 없으며, 이에 따라 하이브리드 차량은 EV 모드로 주행을 하게 된다. 그러나, 고속 주행과 가속 및 등판시에는 모터와 엔진이 함께 구동력을 발생시킬 수 있도록 엔진과 변속기 사이의 동력이 전달되어야 하는 바, 이로 인해 하이브리드 차량은 HEV 모드로 주행을 하게 된다.
한편, 배터리는 하이브리드 차량의 모터 및 DC/DC 컨버터를 구동하는 에너지원이며, 그 제어기인 배터리 제어기는 배터리의 전압, 전류, 온도를 모니터링하여, 배터리의 충전상태량을 전반적으로 조절 관리하는 기능을 한다.
따라서, 하이브리드 차량의 전반적인 주행 제어시, 배터리의 충전상태량인 SOC가 정상 영역으로 유지되도록 운전점을 설정해야 하며, 만약 SOC가 정상 영역에서 벗어났을 경우에는 정상 영역으로 회복되도록 제어해 주어야 한다.
즉, 고전압배터리의 SOC 밴드 제어에 있어서, SOC가 낮을수록 엔진을 요구파워보다 높은 운전점에서 동작되게 하여 SOC를 충전 지향으로 제어해야 하고, 반면에 SOC가 높을수록 전기모터에 대한 방전량을 증대하여 SOC를 방전 지향으로 제어해야 하고, SOC는 배터리 관리 시스템(BMS)에서 이루어진다.
구체적으로, 전기 모터를 구동하는 배터리의 충전 상태가 일정량 이하로 떨어지거나 배터리 온도가 극저온까지 떨어지면 배터리 방전량 부족으로 인하여 모터 구동을 통한 차량의 발진이 불가능해진다. 이런 경우 차량은 발진을 위해 엔진을 구동하고, 그로 인한 동력의 일부를 전기 모터 구동을 위한 발전에 사용하고, 나머지 일부 동력을 엔진 클러치에 전달하게 된다. 이때, 엔진의 토크가 충분하지 못한 상태(즉, 낮은 RPM)에서 엔진 클러치가 락업되면, 엔진 클러치의 출력단에서 모터를 거쳐 변속기까지 이어지는 축의 회전 관성에 엔진의 관성이 못미치기 때문에 시동이 꺼지는 등 문제가 발생할 수 있다. 따라서, 이러한 상태에서는 엔진 클러치는 유압 제어를 통해 슬립(SLIP) 상태로 동작하는 것이 보통이며, 이러한 방식의 발진을 슬립 발진이라 칭할 수 있다.
따라서, 앞서 설명한 바와 같이 배터리의 충전 상태를 검출하고 검출된 배터리의 충전상태가 기준값, 즉 미리 설정된 최소 충전상태인지를 확인하고, 확인 결과 검출된 배터리의 충전상태가 미리 설정된 최소 충전상태보다 클 경우에는 모터의 토크 세기(Torque Value)를 요구하는 토크 세기로 유지한다. 이와 달리 검출된 배터리의 충전상태가 미리 설정된 최소 충전상태보다 작을 경우에는 모터의 출력을 차단한다.
이에 추가하여, 차량의 속도를 고려하여 차량 속도를 검출하고, 배터리의 충전상태가 기준값보다 클 경우 모터의 토크 세기를 요구하는 토크 세기로 제어하며, 상기 배터리의 충전량이 기준값 이하인 경우에 배터리 충전상태와 검출된 차량속도를 기초로 모터 출력을 감소시키면서 모터 토크를 제어할 수도 있다.
도 3은 본 발명에 따른 배터리의 방전방지를 위한 토크 제어 방법의 다른 흐름도이다.
도 3을 참조하면, 본 발명에 따른 배터리의 방전방지를 위한 토크 제어 방법은, 모터와 엔진을 동력원으로 포함하는 하이브리드 차량의 토크 제어 방법에 있어서, (a) 배터리 충전량을 산출하고(S110), 이에 추가하여 차량 속도를 검출한다(S111). 여기서 검출된 차량 속도가 기준값 이상인지를 판단하고(S112), 차량 속도가 기준값 이상이면 앞서 산출된 배터리 충전량을 기설정된 기준값과 비교하여 (b) 배터리의 충전량이 기준값 이하이고 클러치의 작동 상태를 감지하여 클러치가 슬립 제어 모드인지를 판단한다(S120). 그러나 차량 속도가 기준값 이상이면 다시 차량 속도를 검출하여(S111) 기준값 이상인 경우에 다음 단계로 진행하게 된다.
따라서, 차량 속도가 기준값 이상이며, 배터리의 충전량이 기준값 이하이고 클러치가 슬립 제어 모드인 경우에 배터리의 방전을 중지한다(S130).
도 4는 본 발명에 따른 배터리의 방전방지를 위한 전기 자동차의 구성도이다.
도 4를 참조하면, 본 발명에 따른 전기자동차의 구성으로서 배터리의 충전상태를 검출하여 차량 제어 장치(120)로 전달하는 배터리 관리 시스템(110), 차량 속도를 검출하는 차량속도 검출부(130), 상기 배터리 관리 시스템(110)에서 검출된 배터리 충전상태와 상기 차량속도 검출부(130)에서 검출된 차량속도를 기초로 모터의 토크를 제어하는 차량제어장치(120) 및 상기 차량제어장치(120)로부터 출력되는 모터 제어신호에 따라 구동 모터를 제어하는 모터 제어부(140)를 포함하여 구성될 수 있다.
이와 같은 구성으로 배터리의 충전 상태를 검출하여 배터리의 충전량이 기준값 이하이고 클러치가 슬립 제어 모드인지를 판단하고, 이에 더하여 차량 속도를 검출하여 배터리의 충전상태가 미리 설정된 최소 충전상태보다 클 경우에 배터리 충전상태와 검출된 차량속도를 기초로 배터리 방전을 방지하여 모터 출력을 감소시키면서 모터 토크를 제어하여 차량을 운행한다.
따라서, 본 발명에 따른 전기 자동차의 배터리의 방전방지를 위한 토크 제어 방법은 배터리를 보존하여 등판길에서 배터리의 방전으로 인하여 운행이 불가한 문제를 해결하고, 차량 속도를 검출하여 검출된 차량속도를 기초로 모터의 토크를 제어하여 배터리 관리 능력 및 차량의 주행 능력을 향상시키는 효과를 제공할 수 있다.
본 발명이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시 예들은 여러 가지 실시 가능한 예 중에서 당 업자의 이해를 돕기 위하여 가장 바람직한 실시 예를 선정하여 제시한 것일 뿐, 이 발명의 기술적 사상이 반드시 제시된 실시 예에만 의해서 한정되거나 제한되는 것은 아니고, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 다양한 변화와 부가 및 변경이 가능함은 물론, 균등한 타의 실시 예가 가능함을 밝혀둔다. 본 발명의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구의 범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구의 범위의 의미 및 범위 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다. 또한 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어가 정의된 것으로서, 통상적이거나 사전적인 의미로만 한정해서 해석되어서는 아니되어야 한다. 더불어, 상술하는 과정에서 기술된 구성의 순서는 반드시 시계열적인 순서대로 수행될 필요는 없으며, 각 구성 및 단계의 수행 순서가 바뀌어도 본 발명의 요지를 충족한다면 이러한 과정은 본 발명의 권리범위에 속할 수 있음은 물론이다.
110: 배터리 관리 시스템 120: 차량 제어 장치
130: 차량속도 검출부 140: 모터 제어부

Claims (5)

  1. 모터와 엔진을 동력원으로 포함하는 하이브리드 차량의 토크 제어 방법에 있어서,
    (a) 배터리 충전량을 산출하는 단계,
    (b) 배터리의 충전량이 기준값 이하이고 클러치가 슬립 제어 모드인지 판단하는 단계, 및
    (c) 배터리의 충전량이 기준값 이하이고 클러치가 슬립 제어 모드인 경우에 배터리의 방전을 중지하는 단계,
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리의 방전방지를 위한 토크 제어 방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 (c) 단계에서, 배터리의 충전량이 기준값 이하이고 클러치가 슬립 제어 모드인 경우에 토크 리저브를 통해 엔진의 드롭(Drop)을 방지하는 것을 특징으로 하는 배터리의 방전방지를 위한 토크 제어 방법.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 (c) 단계에서, 클러치가 슬립 제어 모드가 아닌 경우에 (a) 단계로 복귀하는 것을 특징으로 하는 배터리의 방전방지를 위한 토크 제어 방법.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 (b)와 (c) 단계 사이에, (d) 차량 속도를 검출하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리의 방전방지를 위한 토크 제어 방법.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 (b)와 (c) 단계 사이에, (e) 배터리의 충전량이 기준값 이하인 경우에, 배터리 충전상태와 검출된 차량속도를 기초로 모터 출력을 감소시키면서 모터 토크를 제어하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리의 방전방지를 위한 토크 제어 방법.
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