KR20200109323A - 회전 전기 기계의 모터 토크 컷오프를 제어하는 방법 - Google Patents

회전 전기 기계의 모터 토크 컷오프를 제어하는 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 고정자(18) 및 회전자(19)를 포함하는 차량용 회전 전기 기계(10)를 제어하는 방법에 관한 것으로, 이 기계(10)는, 전기 기계(10)에 적용되는 토크 및 토크 기울기로부터 고정자 커맨드(Comm_stat)를 생성할 수 있는 제어 모듈(14)을 포함하고, 전기 기계(10)의 모터 모드의 가동 요구 이후에, 차량의 엔진 컴퓨터에 의해 전송되는 설정 토크(T_cons_ecu) 및 설정 토크 기울기(G_cons_ecu)를 적용하는 단계 및 이전에 가동된 모터 모드의 정지 요구(D) 이후에, 엔진 컴퓨터(15)에 의해 요청되는 토크(T_cons_ecu) 및 토크 기울기(G_cons_ecu)와는 독립해서, 사전 결정된 토크 기울기(G_cons_mel)를 적용하고, 또한 설정 토크(T_cons_mel)를 0이 되도록 회전 전기 기계(10)에 적용하는 단계를 포함한다.

Description

회전 전기 기계의 모터 토크 컷오프를 제어하는 방법
본 발명은 회전 전기 기계의 모터 토크 컷오프를 제어하는 방법에 관한 것이다.
공지된 방식에서는, 반전 가능한(reversible) 전기 기계가 특히 액세서리 전단부(front end)를 통해 서멀 엔진에 연결될 수 있다.
이 전기 기계는 일반적으로 얼터네이터-스타터라고 알려져 있으며, 발전기 모드로 동작해서 차량의 배터리를 충전할 수 있을 뿐만 아니라, 모터 모드로 동작해서 차량에 토크를 공급할 수도 있다.
발전기 모드는 회복 브레이킹 기능(recuperative braking function)으로 사용될 수 있는데, 이 때 전기 기계는 브레이킹 기간 동안 배터리에 전기 에너지를 공급할 수 있다.
모터 모드는, 연료 소비 및 오염 물질 배출을 최소화하도록 엔진 속도를 감소시키거나 정지시키기 위해서, 상세하게는, 교통 상황에 따른 서멀 엔진의 자동 스톱 앤드 리스타트 기능("STT(스톱 앤드 스타트)"라고 알려진 기능)으로, 서멀 엔진의 급속 정지(stall) 보조 기능으로, 서멀 모드에서의 이동 기간 동안 전기 기계가 서멀 엔진을 간헐적으로 보조하는 부스트라고 알려진 기능으로, 및 운전자가 특정한 액션을 취하지 않아도 견인 체인(traction chain)의 오픈을 자동화할 수 있는 코스팅(coasting)이라고 알려진 프리-휠(free-wheel) 기능으로 사용될 수 있다.
공지된 기계에서, 보호(열적인, 시간적인 또는 속도의)가 작동하는 동안에 스타터 모드를 정지시키면 전기 기계의 인버터의 스위칭 소자가 오픈된다. 이후 고정자에 포함되어 있던 전류가 차량의 온보드 망으로 리턴되어서 액세서리 전단에서 토크 서지를 발생시키고 온보드 망에서 과전압을 발생시킨다.
본 발명의 목적은 고정자 및 회전자를 포함하는 차량용 회전 전기 기계를 제어하는 방법을 제안함으로써 이러한 단점을 효율적으로 제거하는 것으로, 회전 전기 기계는, 회전 전기 기계에 적용되는 토크 및 토크 기울기로부터 고정자 커맨드를 생성할 수 있는 제어 모듈을 포함하고,
- 회전 전기 기계의 모터 모드의 가동 요구 이후에, 차량의 서멀 엔진을 시동하는 동안에, 차량의 엔진 컴퓨터에 의해 전송되는 설정 토크 및 설정 토크 기울기를 적용하는 단계와,
- 이전에 가동된 모터 모드의 정지 요구 이후에, 차량의 엔진 컴퓨터에 의해 요청되는 토크 및 토크 기울기와는 독립해서, 사전 결정된 토크 기울기뿐만 아니라 0과 같은 설정 토크를 회전 전기 기계에 적용하는 단계
를 포함한다.
따라서, 본 발명은 모터 모드의 정지 요구 이후에, 인버터의 스위칭 소자를 완전히 오픈하기 전에 수집된 전류를 감소시키기 위해 전기 기계를 계속 제어하는 것을 가능하게 한다. 따라서 이는 차량의 온보드 망에서 발생하는 과전압뿐만 아니라 토크 서지를 방지한다.
일 실시예에 따라서, 사전 결정된 토크 기울기는 회전 전기 기계의 회전 속도에 따라 달라진다.
일 실시예에 따라서, 회전 전기 기계의 회전 속도가 높을수록, 사전 결정된 토크 기울기는 더 낮다.
일 실시예에 따라서, 모터 모드의 정지 요구는 토크 적용 기간이 종료된 이후에 생성된다.
일 실시예에 따라서, 모터 모드의 정지 요구는 온도 임계값이 초과된 이후에 생성된다.
일 실시예에 따라서, 모터 모드의 정지 요구는 회전 전기 기계의 회전 속도의 임계값이 초과된 이후에 생성된다.
일 실시예에 따라서, 제어 모듈은 고정자 커맨드를 회전자의 온도로부터 생성할 수도 있다.
일 실시예에 따라서, 제어 모듈은 회전 전기 기계에 적용되는 토크 및 토크 기울기로부터 회전자 커맨드를 생성할 수 있다.
일 실시예에 따라서, 회전자 커맨드는 여자 전류의 값이다.
일 실시예에 따라서, 고정자 커맨드는 고정자의 전압과 회전 전기 기계의 기전력 사이의 전진 각, 인버터의 스위칭 소자의 개각 및 리플 전압에 의해 정의된다.
일 실시예에 따라서, 회전 전기 기계는 얼터네이터-스타터이다.
본 발명은 또한 회전 전기 기계의 제어 모듈에 관한 것으로, 상기 정의된 대로 회전 전기 기계를 제어하는 방법을 구현하는 소프트웨어 명령어가 저장된 메모리를 포함한다.
본 발명은 또한 고정자 및 회전자를 포함하는 차량용 회전 전기 기계를 제어하는 방법에 관한 것으로, 회전 전기 기계는, 회전 전기 기계에 적용되는 토크 및 토크 기울기로부터 고정자 커맨드 및 회전자 커맨드를 생성할 수 있는 제어 모듈을 포함하고,
- 회전 전기 기계의 모터 모드의 가동 요구 이후에, 차량의 서멀 엔진을 시동하는 동안에, 차량의 엔진 컴퓨터에 의해 전송되는 설정 토크 및 설정 토크 기울기를 적용하는 단계와,
- 이전에 가동된 모터 모드의 정지 요구 이후에, 차량의 엔진 컴퓨터에 의해 요청되는 토크 및 토크 기울기와는 독립해서, 사전 결정된 토크 기울기뿐만 아니라 0과 같은 설정 토크를 회전 전기 기계에 적용하는 단계
를 포함한다.
상기 특징은 단독으로 적용될 수도 있고 마지막 발명과 조합해서 적용될 수도 있다.
본 발명은 이하 설명을 읽고 첨부된 도면을 검토함으로써 더 잘 이해될 것이다. 이들 도면은 단지 예시로서 제공되는 것으로 본 발명을 제한하는 것은 아니다.
도 1은 한 동작 모드로부터 다른 동작 모드로의 천이를 최적화하는 본 발명에 따른 방법을 구현하는, 얼터네이터-스타터의 기능적 개략도이다.
도 2는 본 발명에 따른, 전기 기계의 토크의 적용을 제어할 수 있게 하는, 제어 유닛에 통합된 기능 블록의 개략도이다.
도 3은 본 발명에 따른 제어 방법을 구현하는 동안 관찰될 수 있는 신호의 도면이다.
도 4는 전기 기계의 회전 속도로부터 전기 기계의 내부 토크의 기울기를 결정하는 데 사용되는 카도그래피(cartography)를 도시한다.
도면들에서 동일한 혹은 유사한 구성 요소는 동일한 참조 번호를 유지한다.
도 1은 본 발명에 따른 얼터네이터-스타터(10)를 개략적으로 나타낸다. 얼터네이터-스타터(10)는, 배터리(12)에 접속된 온보드 전기망을 포함하는 차량에 인스톨되도록 설계된다. 온보드 전기망은 12V 타입, 24V 타입 또는 48V 타입일 수 있다. 얼터네이터-스타터(10)는 액세서리 전단에 내장된 벨트나 혹은 체인으로 시스템(11')에 의해 공지된 방식으로 서멀 엔진(11)에 연결된다.
나아가, 얼터네이터-스타터(10)는 LIN(Local Interconnect Network) 타입 혹은 CAN(Controller Area Network) 타입(직렬 시스템 버스임)의 통신 프로토콜에 따라 엔진 컴퓨터(15)와 통신할 수 있다.
얼터네이터-스타터(10)는, 발전기 모드 혹은 모터 모드라고도 알려진, 얼터네이터 모드로 동작할 수 있다.
특히, 얼터네이터-스타터(10)는 전기 기술 파트(13) 및 제어 모듈(14)을 포함한다.
보다 구체적으로, 전기 기술 파트(13)는 유도 요소(18) 및 인덕터 요소(19)를 포함한다. 일 예에 따르면, 유도 요소(18)는 고정자이고 인덕터(19)는 여자 코일(20)을 포함하는 회전자이다. 변형예에 따라서, 회전자는 금속판과 영구 자석의 세트를 포함한다. 고정자(18)는 N개 위상을 포함한다. 상정된 예시에서, 고정자(18)는 3개의 위상 U, V 및 W를 포함한다. 변형예에 따르면, 위상의 수 N은 5상 기계의 경우 5일 수 있고, 6상 또는 더블-3상 타입 기계의 경우 6일 수 있으며, 또는 7상 기계의 경우 7일 수 있다. 고정자(18)의 위상은 삼각형 또는 스타의 형태로 연결될 수 있다. 삼각형 및 스타 연결의 조합이 또한 예상될 수 있다.
제어 모듈(14)은 여자 회로(141)를 포함하며, 이는 여자 코일(20)에 주입되는 여자 전류를 발생시키기 위한 초퍼를 포함한다. 여자 전류는 예를 들어 션트 타입의 저항을 이용해서 측정될 수 있다.
회전자(19)의 각 위치(angular position) 및 각 속도를 측정하는 것은, 홀 효과 아날로그 센서(H1, H2, H3) 및 회전자(19)와 일체로 회전하는 관련 자기 타깃(25)을 이용해서 수행될 수 있다.
제어 모듈(14)은 예를 들어 마이크로컨트롤러를 포함하는 제어 회로(142)를 더 포함하며, 제어 회로(42)는 엔진 컴퓨터(15)로부터 획득되어서 신호 커넥터(24)를 통해 수신되는 커맨드 신호에 따라서 인버터(26)를 제어한다.
인버터(26)는, 각각이 2개의 스위칭 소자를 포함하는 아암을 가지며, 이는 고정자(18)의 대응 위상 U, V, W을 그 스위칭 소자의 온 상태 또는 오프 상태에 따라 접지 또는 배터리(12)의 공급 전압(B+)에 선택적으로 접속하는 것을 가능하게 한다. 스위칭 소자는 바람직하게는 MOSFET 타입의 전력 트랜지스터이다.
도 2 및 도 3을 참조해서, 이하, 서멀 엔진의 시동 단계가 중단되어 있는 동안에 전기 기계의 토크를 제어하는 본 발명에 따른 방법에 대한 설명을 제공한다. 제어 모듈(14)은, 구현을 위한 소프트웨어 명령어가 저장된 메모리를 포함할 수 있다.
보다 구체적으로, 시간 t0에, 차량의 서멀 엔진이 시동될 때 회전 전기 기계의 모터 모드의 가동을 요구하는 동안에, 엔진 컴퓨터(15)는 대응하는 명령어(Inst_dem_ecu)는 물론, 설정 토크(T_cons_ecu) 및 설정 기울기(G_cons_ecu)를, 통신 버스를 통해서 전기 기계(10)에 전송한다. 이러한 서멀 엔진의 시동은 예를 들어 교통 상황에 따른 서멀 엔진의 자동 스톱 앤드 리스타트 기능(이른바 "STT(스톱 앤드 스타트)")의 맥락에서 발생된다.
기능 블록(27)은 이들 값을 다른 기능 블록(28)으로 재전송하고, 여기서 이들 토크 및 토크 기울기 값으로부터 고정자 커맨드(Comm_stat), 특히 회전자 커맨드(Comm_rot)를 생성할 수 있다. 기능 블록들(27, 28)은 바람직하게는 제어 모듈(14)에 통합된다. 회전자 커맨드(Comm_rot)는 여자 전류 값에 대응한다. 고정자 커맨드(Comm_stat)는 전진 각(angle of advance), 스위칭 소자의 개각(angle of opening) 및 리플 전압에 의해 정의된다. 전진 각은, 고정자(18)의 위상에서 순환하는 전압(인버터(26)의 스위칭 소자에 의해 제어됨)과 전기 기계(10)의 기전력 사이의 위상차에 대응한다. 개각은, 스위칭 소자가 배터리의 전위(B+)에 있는 전기각(electrical angle)에 대응한다.
따라서, 도 3에서 알 수 있는 바와 같이, 기계(10)는 시작 상태(Dem_on)에 있다. 내부 설정 토크(T_cons_mel)는 엔진 컴퓨터에 의해 전송된 설정 토크(T_cons_ecu), 예를 들어 70N.m에 대응하고, 설정 토크 기울기(G_cons_mel)는 엔진 컴퓨터(15)에 의해 전송되는 설정 토크 기울기(G_cons_ecu), 예를 들어 200N.m/s에 대응한다.
시간 t1에, 예를 들어 서멀 엔진의 시동 실패에 대응하는 경보 기간이 종료되고 나서, 이전에 가동된 모터 모드의 정지 요구(D) 이후에, 블록(27)은 전기 기계에 0과 같은 설정 토크(T_cons_mel)는 물론, 사전 결정된 설정 토크 기울기(G_cons_mel) 예를 들어, 대략 500N.m/s를 적용한다. 이들 값은 엔진 컴퓨터(15)에 의해 요구되는 토크(T_cons_ecu) 및 토크 기울기(G_cons_ecu)와는 독립해서 적용된다.
사전 결정된 토크 기울기(G_cons_mel)는 전기 기계(10)의 회전 속도(Wmel)에 따라 달라진다. 바람직하게는, 속도가 빠를수록 사전 결정된 토크 기울기는 더 낮아진다. 일 실시예에 따르면, 전기 기계(G_cons_mel)의 내부 토크 기울기는 도 4에 도시된 카도그래피를 이용해서 전기 기계의 회전 속도(Wmel)에 따라 정의된다. 이 카도그래피는 전기 기계(Wmel)의 속도가 임계값(S1) 예를 들어, 400rpm보다 낮은 경우, 예를 들어 G_cons_mel의 일정 최대 값(G_max)을 예를 들어 500N.m/s로 설정한다. 카도그래피는 전기 기계(Wmel)의 속도가 임계값(S2) 예를 들어 1200rpm보다 높은 경우, G_cons_mel의 일정 최소 값(G_min)을 예를 들어 100N.m/s로 설정한다. 회전 속도(Wmel)가 S1에서 S2로 전개되면, 기울기(G_cons_mel)는 G_max로부터 G_min로 선형으로 감소된다. 다른 형태의 카도그래피, 특히 다항식 또는 지수 함수 등에 따른 전개가 상정될 수 있다는 것을 이해할 것이다.
인버터(26)의 스위칭 소자를 오픈하는 방식에 비해서, 본 발명에 따른 기계를 제어하는 방법을 구현하는 동안에는 온보드 망에서 과전압이 나타나지 않는다는 것을 알 수 있다(종래 방식으로 획득된 온보드 망의 전류 곡선(Idc_edt)과 본 발명에 따른 구현 동안에 획득된 곡선(Idc_inv) 참조).
전기 기계(10)는 시동 정지 단계(Susp_dem)에 들어가고, 이는 예를 들어 대략 100ms 동안 지속된다.
시간 t2에, 전기 기계(10)는 시동 상태(Dem_on)로 돌아가고, 여기서 설정 토크(T_cons_ecu) 및 토크 기울기(G_cons_ecu)가 이 전기 기계에 적용된다.
시간 t3에, 경보 기간의 끝에, 블록(27)은 엔진 컴퓨터(15)의 값 T_cons_ecu, G_cons_ecu을 단락시킴으로써 전기 기계(10)에 예를 들어 설정 기울기(G_cons_mel)를 대략 400N.m/s으로, 그리고 설정 토크(T_cons_mel)를 0이 되도록 적용한다. 전기 기계(10)는 이후 시동 정지 상태(Susp_dem')로 들어가고, 이는 예를 들어 대략 200ms 동안 지속된다.
시간 t4에, 전기 기계(10)는 시동 상태(Dem_on)로 되고, 여기서 설정 토크(T_cons_ecu) 및 설정 토크 기울기(G_cons_ecu)가 전기 기계(10)에 적용된다.
시간 t5에, 예를 들어 서멀 엔진의 자율성(autonomy)의 임계값에 대응하는, 전기 기계의 속도 임계값이 초과된 이후에, 블록(27)은 예를 들어 대략 100N.m/s의 설정 토크 기울기(G_cons_mel) 뿐만 아니라, 0과 같은 설정 토크(T_cons_mel)를 전기 장치(10)에 적용한다. 서멀 엔진의 시동에 성공하면, 전기 기계(10)는 대응하는 상태(Mth_ok)를 통신 버스에 송신한다.
변형예로서, 전기 기계(10)의 온도 임계값, 특히 고정자(18), 회전자(19) 또는 전기 기계(10)의 커맨드 혹은 전력 전자 장치의 온도에 대한 임계값을 초과한 이후에 모터 모드의 정지 요구(D)가 생성될 수 있다.
전기 기계(10)의 토크가 0이 되면, 고정자(18)의 잔류 전류로부터 주울 손실(Joule loss)이 제거될 수 있도록, 예를 들어 대략 10ms의 +10% 또는 -10%의 기간 동안 고정자(18)의 위상의 단락이 구현된다.
전술한 설명은 완전히 예시로서 제공된 것으로, 본 발명의 분야를 한정하는 것은 아니며, 이로부터 벗어나는 것은 다른 요소를 다른 등가물로 대체함으로써 구성되지 않을 것이라는 것이 이해될 것이다.
또한, 본 발명의 다른 특징, 변형예 및/또는 실시예는, 이들이 양립할 수 없거나 혹은 상호 배타적인 것이 아닌 한, 다양한 조합에 따라서 서로 관련될 수 있다.

Claims (10)

  1. 고정자(18) 및 회전자(19)를 포함하는 차량용 회전 전기 기계(10)를 제어하는 방법 - 상기 회전 전기 기계(10)는, 상기 회전 전기 기계(10)에 적용되는 토크 및 토크 기울기로부터 고정자 커맨드(Comm_stat)를 생성할 수 있는 제어 모듈(14)을 포함함 - 으로서,
    상기 회전 전기 기계(10)의 모터 모드의 가동 요구 이후에, 차량의 서멀 엔진을 시동하는 동안에, 상기 차량의 엔진 컴퓨터에 의해 전송되는 설정 토크(T_cons_ecu) 및 설정 토크 기울기(G_cons_ecu)를 적용하는 단계와,
    이전에 가동된 상기 모터 모드의 정지 요구(D) 이후에, 상기 차량의 엔진 컴퓨터(15)에 의해 요청되는 상기 토크(T_cons_ecu) 및 상기 토크 기울기(G_cons_ecu)와는 독립해서, 사전 결정된 토크 기울기(G_cons_mel)를 적용하고, 또한 설정 토크(T_cons_mel)를 0이 되도록 상기 회전 전기 기계(10)에 적용하는 단계
    를 포함하는 방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 사전 결정된 토크 기울기(G_cons_mel)는 상기 회전 전기 기계(10)의 회전 속도(Wmel)에 따라 달라지는
    방법.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 회전 전기 기계(10)의 회전 속도(Wmel)가 높을수록, 상기 사전 결정된 토크 기울기(G_cons_mel)는 더 낮은
    방법.
  4. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 모터 모드의 정지 요구(D)는 토크 적용 기간이 종료된 이후에 생성되는
    방법.
  5. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 모터 모드의 정지 요구(D)는 온도 임계값이 초과된 이후에 생성되는
    방법.
  6. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 모터 모드의 정지 요구(D)는 상기 회전 전기 기계(10)의 회전 속도의 임계값이 초과된 이후에 생성되는
    방법.
  7. 제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제어 모듈(14)은 상기 회전 전기 기계(10)에 적용되는 상기 토크 및 상기 토크 기울기로부터 회전자 커맨드(Comm_rot)를 생성할 수 있고,
    상기 회전자 커맨드(Comm_rot)는 여자 전류의 값인
    방법.
  8. 제 1 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 고정자 커맨드(Comm_stat)는 상기 고정자(18)의 전압과 상기 회전 전기 기계(10)의 기전력 사이의 전진 각(angle of advance), 인버터(26)의 스위칭 소자의 개각(angle of opening) 및 리플 전압에 의해 정의되는
    방법.
  9. 제 1 항 내지 제 8 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 회전 전기 기계(10)는 얼터네이터-스타터인
    방법.
  10. 회전 전기 기계(10)의 제어 모듈(14)로서,
    제 1 항 내지 제 9 항 중 어느 한 항에 따라 정의된 대로 상기 회전 전기 기계(10)를 제어하는 방법을 구현하는 소프트웨어 명령어가 저장된 메모리를 포함하는
    제어 모듈(14).
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