KR20220000428A - 차량의 전기장치 출력 제어 방법 - Google Patents

차량의 전기장치 출력 제어 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 차량의 전기장치 출력 제어 방법에 관한 것으로서, 전기자동차의 전기장치 내 허용 기준치가 낮은 부품이나 위치에서 전류에 의한 단선이나 단락 등의 문제가 발생하는 것을 방지할 수 있는 차량의 전기장치 출력 제어 방법을 제공하는데 주된 목적이 있는 것이다. 상기한 목적을 달성하기 위해, 제어기가 차량 내 전기장치의 파워와 전류 중 정해진 하나의 값을 취득하고, 운전자의 운전 입력에 따른 운전자 요구 파워를 결정하는 단계; 제어기가 상기 결정된 운전자 요구 파워를 기초로 현재의 차량 상태를 판단하는 단계; 제어기가 상기 취득된 파워 또는 전류 값 정보를 이용하여 전기장치의 출력 상태가 상기 현재의 차량 상태에 따른 정해진 허용 조건을 만족하는지를 판단하는 단계; 제어기가 상기 전기장치의 출력 상태로부터 상기 정해진 허용 조건을 만족하지 않는 것으로 판단한 경우 전기장치의 비정상 출력 상태인 것으로 판단하는 단계; 및 제어기가 상기 전기장치의 비정상 출력 상태인 것으로 판단한 경우 해당 전기장치에 대한 출력을 제한하는 단계를 포함하는 차량의 전기장치 출력 제한 방법이 개시된다.

Description

차량의 전기장치 출력 제어 방법{Power control method for electrical device of electric vehicle}
본 발명은 차량의 전기장치 출력 제어 방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 전기자동차의 전기장치 내 허용 기준치가 낮은 부품이나 위치에서 전류에 의한 단선이나 단락 등의 문제가 발생하는 것을 방지할 수 있는 차량의 전기장치 출력 제어 방법에 관한 것이다.
오늘날 전 세계적으로 환경규제로 인해 모터로 주행하는 전동화 차량의 보급이 활발해지고 있다.
전동화 차량으로는 하이브리드 자동차(Hybrid Electric Vehicle, HEV), 배터리 전기자동차(Battery Electric Vehicle, BEV), 그리고 연료전지 자동차(Fuel Cell Electric Vehicle, FCEV) 등을 들 수 있다.
상기한 전동화 차량은 차량을 구동하는 구동장치로서 모터를 이용하고 있으면서 모터에 전력을 공급하는 배터리를 가진다는 공통점이 있다.
또한, 하이브리드 자동차로는 플러그-인 하이브리드 자동차(Plug-in HEV, PHEV)가 알려져 있는데, 플러그-인 하이브리드 자동차(PHEV)와 배터리 전기자동차(BEV)는 외부로부터 전력을 공급받아 배터리를 충전하는 플러그-인 전기자동차이다.
플러그-인 전기자동차에서 차량 구동의 동력원이 되는 배터리를 충전하기 위해서는 직류(DC) 전원(급속충전설비)을 배터리에 직접 연결하여 급속 충전하거나 교류(AC) 전원을 차량에 연결하여 완속 충전할 수 있다.
급속 충전방식에서 직류(DC) 전원으로 이용되는 급속충전설비는 교류 전력을 직류 전력으로 변환하여 차량에 공급하도록 되어 있고, 차량 배터리에 직결되어 높은 전류를 제공하므로 단시간에 차량 배터리의 충전을 완료할 수 있다.
반면, 완속 충전방식에서는 배전계통에 연계된 상용 교류(AC) 전원을 이용하여 차량에 교류 전력을 공급하면 차량 내에서 교류 전력을 직류 전력으로 변환하여 배터리를 충전하게 된다.
완속 충전방식을 적용할 경우에는 상용 교류 전원이 공급하는 교류 전력을 직류 전력으로 형태 및 크기를 변환해야 하기 때문에 전력변환시스템의 회로 구성을 가지는 충전기(On-Board Charger, OBC)가 차량에 탑재된다.
상기 차량 내 충전기를 교류 전원에 연결하면, 충전기는 교류 전력을 직류 전력으로 변환함과 동시에 고전압 배터리의 충전에 적합한 전류와 전압으로 변환하여 고전압 배터리를 충전한다.
또한, 차량에는 배터리의 상태 및 작동을 감시 및 관리하는 배터리 제어기(Battery Management System, BMS)가 탑재되고, 배터리 제어기는 배터리 상태 정보를 센서나 회로 등을 통해 수집하면서 충방전 제어 등 배터리 관리를 위한 각종 제어를 수행한다.
예를 들면, 배터리 관리 시스템은 배터리의 전압, 전류, 온도, 충전 상태(state of charge, SOC) 등의 배터리 상태 정보를 수집 및 취득하고, 수집되는 배터리 상태 정보를 차량 제어나 충전 제어 등에 이용될 수 있도록 차량 내, 외부의 타 제어기에 제공한다.
도 1은 전기자동차에 탑재되는 전기장치들을 도시한 블록도로서, 도시된 바와 같이, 차량 내 동력원(전력원)이 되는 배터리(11), 차량을 구동하는 모터(13), 모터(13)의 작동 및 제어를 위한 인버터(12), 고전압 전장부품인 에어컨(A/C) 또는 히터(15), 배터리(11)의 전력을 변환하여 차량 내 다른 전기장치에 공급하는 DC-DC 컨버터(16), 배터리 충전을 위한 충전기(On-Board Charger)(17)가 도시되어 있다.
여기서, 배터리(11)는 인버터(12)를 통해 모터(13)에 충방전 가능하게 연결되고, 인버터(12)는 모터(13)의 구동을 위해 배터리(13)의 직류전류를 3상 교류전류로 변환하여 모터(13)에 인가한다.
상기 모터(13)는 차량을 구동하기 위해 구동륜(14)에 연결되고, 차량의 제동이나 관성에 의한 타행 주행(coasting) 시에는 모터(13)가 구동륜(14)으로부터 회전력을 전달받아 발전 작동하여 배터리(11)를 충전하게 된다.
상기 에어컨 또는 히터(15), DC-DC 컨버터(16)는 인버터(12) 및 모터(13)와 마찬가지로 배터리(11)의 고전압 전력을 공급받아 작동하는 고전압 전기장치이다.
한편, 배터리(11)와 모터(13), 그리고 기타 고전압 전기장치를 구비한 전기자동차에서 전기장치의 보호를 위한 보호장치가 필요하다.
전기자동차에서 보호장치는 전기장치마다 설치되는 퓨즈(18)를 포함할 수 있고, 퓨즈(18)는 허용치 이상의 전류가 흐르면 회로를 단선시켜 전류를 차단해줌으로써 해당 전기장치를 보호한다.
그 밖에 전기자동차에 탑재된 각 전기장치의 보호를 위해 해당 전기장치에서 설정된 값 이상의 전류나 전압이 관측될 경우 전원 차단 등의 안전 제어가 수행되도록 하고 있다.
상기와 같이 종래에는 전기장치의 단품 단위에서 보호소자(퓨즈나 퓨즈와 비슷한 기능의 소자)를 구비하여, 허용하는 값 이상의 전류가 발생할 경우 보호소자에 의해 전류가 차단되도록 하여 단품을 보호하고 있다.
그러나, 이 경우 허용전류 제한 이전에 각 단품 내에 허용 기준치가 낮은 부품 또는 위치에서 단선 또는 단락 등의 문제가 발생할 수 있다.
예를 들면, 보호소자로서 50A의 퓨즈를 에어컨에 장착하였다면, 40A 수준의 전류가 연속적으로 에어컨 단품에 흐를 경우, 40A의 전류가 허용 기준치 이내이므로 보호소자가 전류를 차단하지는 않지만, 에어컨 단품 내 취약한 위치에서는 허용 기준치 이내의 전류라도 문제를 발생시킬 수 있는 것이다.
따라서, 본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 창출한 것으로서, 전기자동차의 전기장치 내 허용 기준치가 낮은 부품이나 위치에서 전류에 의한 단선이나 단락 등의 문제가 발생하는 것을 방지할 수 있는 차량의 전기장치 출력 제어 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
상기한 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 실시예에 따르면, 제어기가 차량 내 전기장치의 파워와 전류 중 정해진 하나의 값을 취득하고, 운전자의 운전 입력에 따른 운전자 요구 파워를 결정하는 단계; 제어기가 상기 결정된 운전자 요구 파워를 기초로 현재의 차량 상태를 판단하는 단계; 제어기가 상기 취득된 파워 또는 전류 값 정보를 이용하여 전기장치의 출력 상태가 상기 현재의 차량 상태에 따른 정해진 허용 조건을 만족하는지를 판단하는 단계; 제어기가 상기 전기장치의 출력 상태로부터 상기 정해진 허용 조건을 만족하지 않는 것으로 판단한 경우 전기장치의 비정상 출력 상태인 것으로 판단하는 단계; 및 제어기가 상기 전기장치의 비정상 출력 상태인 것으로 판단한 경우 해당 전기장치에 대한 출력을 제한하는 단계를 포함하는 차량의 전기장치 출력 제한 방법을 제공한다.
이로써, 본 발명에 따른 차량의 전기장치 출력 제어 방법에 의하면, 전기자동차에서 각 전기장치의 출력이 비정상적인 것으로 판단한 경우 해당 전기장치에 대한 출력 제한을 수행함으로써 전기장치 및 차량 시스템을 효과적으로 보호할 수 있게 된다.
도 1은 전기자동차에 탑재되는 전기장치들을 도시한 블록도이다.
도 2는 차량이 주행 상태인 경우 전기장치의 출력을 제한할 수 있는 예를 나타내는 순서도이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 전기자동차의 전기장치 출력 제어 방법을 나타내는 순서도이다.
도 4는 전기자동차에서 구동, 회생, 정지, 충전의 각 차량 상태에 따른 배터리 정상 출력의 예를 나타내는 도면이다.
도 5는 전기자동차에서 구동, 회생, 정지, 충전의 각 차량 상태에서 배터리 파워의 비정상 출력 상황일 때 본 발명의 제어 방법 적용 시의 예를 나타내는 도면이다.
이하에서는 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 대해 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명하기로 한다. 그러나, 본 발명은 여기서 설명되는 실시예에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다.
명세서 전체에서 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.
본 발명은 전기자동차의 전기장치 출력 제어 방법에 관한 것으로서, 차량에 탑재된 각 전기장치의 파워 또는 전류를 계산을 통해 추정하거나 계측하여 취득한 뒤, 상기 취득된 파워 값 또는 전류 값 정보를 기초로 현재 차량 상태에 따른 정해진 허용 조건을 만족하는지를 판단하고, 허용 조건을 만족하지 않을 경우 해당 전기장치에 대한 출력(파워)을 제한하는 점에 주된 특징이 있는 것이다.
이하의 설명에서 전기장치와 단품, 부품, 전장부품은 특별히 다르게 정의하지 않는 한 같은 의미로 해석될 수 있다.
또한, 이하의 설명에서 본 발명에 따른 출력 제어의 대상이 되는 전기장치는 통상의 전기자동차에 탑재되는 것으로서, 배터리 및 이 배터리의 전력을 소모하는 전장부품일 수 있다.
또한, 이하의 설명에서 본 발명에 따른 출력 제어의 대상이 되는 전기장치에 대해 도 1을 참조로 설명하기로 한다.
구체적으로, 본 발명에서 출력 제어의 대상이 되는 전기장치는, 전기자동차에서 고전압 메인 배터리(11)의 전력을 소모하는 고전압 부품들이 될 수 있고, 더 구체적으로는 차량을 구동하는 모터(13), 모터(13)의 작동 및 제어를 위한 인버터(12), 배터리(11)의 전력을 소모하면서 작동하는 전력소모장치(15), 및 배터리(11)의 전력을 변환하여 차량 내 다른 전장부하에 공급하는 DC-DC 컨버터(16)를 포함할 수 있다.
상기한 전기장치 중에서 모터(13)는 인버터(12)를 매개로 차량의 전력원인 배터리(11)에 충방전 가능하게 연결되며, DC-DC 컨버터(16) 또한 배터리(11)의 전력을 변환하여 보조 배터리나 다른 전기장치에 공급할 수 있도록 배터리(11)에 연결된다.
상기 전력소모장치(15)는 배터리(11)의 전력을 공급받아 작동할 수 있도록 배터리(11)에 연결된 에어컨 또는 히터(15)를 포함하는 것일 수 있다.
또한, 후술하는 바와 같이, 충전 중 출력(파워) 제한이 수행되므로, 본 발명에서 전기장치는 배터리(11)의 전력을 소모하는 것은 아니지만 배터리의 충전을 위한 차량 내 충전기(On-Board Charger, OBC)(17)를 포함할 수 있다.
도 2는 차량 상태를 주행 상태와 주행 상태가 아닌 경우로만 구분하여 차량 상태가 주행 상태인 경우 각 전기장치(부품)의 출력을 제한할 수 있는 예를 나타내는 순서도이다.
도시된 바와 같이, 단계에서 차량이 주행 상태인 경우(S1), 각 전기장치(부품)의 파워 또는 전류를 계산을 통해 추정하거나 계측하고(S2), 상기 추정 내지 계측된 값을 허용치와 비교하여(S3) 허용치 이상인 경우 해당 전기장치의 출력 또는 파워를 제한하고 있다(S4).
상기와 같이 차량 상태를 구분하여 차량 상태에 따른 차별화 제어가 필요한데, 이는 차량 상태에 따라서 예상되는 시스템의 출력 값이 다르기 때문이다.
예를 들어, 주행 중에는 100%의 출력을 가질 수 있지만 차량 정지 상태에서는 차량의 소모 파워 자체가 작기 때문에 주행 중의 100%로 제한을 둘 경우 정밀하고 미세한 보호 제어가 불가하다.
반면, 차량 정지 상태에서의 예상 소모 파워가 주행 중의 10%인 것으로 가정하였을 때, 차량 정지 상태의 파워 허용치를 주행 중 파워 허용치의 8 ~ 12%로 작게 할 경우, 차량 정지시에도 차량의 비정상 출력을 모니터링할 수 있다.
따라서, 바람직하게는 차량 상태를 주행 상태와 비주행 상태로만 구분하기보다는 더 세부적으로 구분할 필요가 있으며, 일례로 차속이 존재하는 주행 상태라 하더라도 모터 구동과 모터 회생의 경우가 존재하므로 차량 상태를 좀 더 세부적으로 구분하는 것이 필요하다.
이에 본 발명에서는 차량 상태를 더 세부적으로 구분하여 차량 상태별 각 전기장치의 출력 제어를 실시하며, 차량 단위에서 허용치 이상 또는 이하의 전류 신호를 감지하게 되면 차량을 보호하기 위해 각 단품 단위에서 허용 전류를 제한하여 차량에서 이상이 발생하지 않도록 시스템 전체를 보호하게 된다.
여기서, 차량의 비정상적인 전류 발생의 예를 들면, 전기장치 단품의 고장으로 인한 비정상적인 전류 인가가 발생할 수 있고, 이 경우 단품의 손상이나 차량 전체의 손상으로 이어질 수 있다.
또한, 외부 누수 또는 침수 등으로 인해 단품의 누전이 발생한 경우 그로 인인해 비정상적인 전류가 인가될 수 있고, 이 또한 단품의 손상이나 차량 전체의 손상으로 이어질 수 있다.
또한, 차량 정비 도중 단품의 고장 등 여러 원인으로 인해 차량 외부의 장비나 외부 전원으로의 비정상적인 전류 인가가 발생할 수 있고, 이 경우 단품의 손상이나 차량 전체의 손상, 나아가 차량 정비사의 부상으로 이어질 수 있다.
따라서, 본 발명에서는 전기장치별 파워를 모니터링하여 필요한 경우 허용치 조건을 벗어난 전기장치의 출력을 제한하는데, 차량의 전력 소모 부품들에 대한 전력 사용 예상치를 각 차량 상태에 따라 분류하여 예측하고, 각 차량 상태에 따른 허용 전류를 파악하여 시스템을 보호할 수 있도록 함으로써, 전기장치별 미세하고 정밀한 보호 제어를 할 수 있도록 한다.
이하, 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 대해 좀 더 구체적으로 설명하기로 하며, 도 3은 본 발명의 실시예에 따른 전기자동차의 전기장치 출력 제어 방법을 나타내는 순서도이다.
본 발명의 실시예에서 차량 상태는 차량이 이동하고 있는 주행 상태와 차량이 이동하지 않고 정차하고 있는 비주행 상태로 구분할 수 있다.
또한, 차량의 주행 상태는 도시된 바와 같이 구동 상태와 회생 상태로 세분화할 수 있으며, 여기서 구동 상태는 운전자의 운전 입력에 따라 결정되는 운전자 요구 토크를 충족하도록 모터를 구동하여 차량이 주행하고 있는 상태이다.
또한, 회생 상태는 차량의 제동시나 관성에 의한 타력 주행(coasting)시 모터가 구동륜으로부터 회전력을 전달받아 발전 작동하여 배터리를 충전하는 공지의 회생 모드가 수행되고 있는 상태이다.
또한, 비주행 상태는 차량이 충전 없이 정차하고 있는 정지 상태와, 정차 상태로 차량 외부 전원을 이용하여 차량 내 충전기(OBC)를 통해 배터리를 충전하고 있는 충전 상태로 세분화할 수 있다.
그리고, 본 발명의 실시예에서 전기장치는 출력 제어를 위해 미리 정해지는 전기자동차 내 전기장치가 될 수 있고, 배터리(11), 인버터(12), 모터(13), 전력소모장치(15), DC-DC 컨버터(16), 그리고 충전기(OBC)(17) 중 적어도 하나 또는 둘 이상일 수 있다.
여기서, 모터(13)는 차량 구동원, 즉 차량을 구동하는 구동장치로서 구동륜(14)에 동력 전달 가능하게 연결된 모터(즉, 구동모터)이고, 단수 또는 복수 개의 모터일 수 있다.
또한, 전력소모장치(15)는 통상의 전기자동차에서 배터리 전력을 소모하는 공지의 고전압 전장부품일 수 있고, 예를 들면 에어컨(A/C) 또는 히터일 수 있으며, 여기서 에어컨은 구체적으로 에어컨 컴프레서일 수 있다.
이와 같이 본 발명의 실시예에서 전력소모장치가 에어컨 또는 히터(15)일 수 있으나, 이는 예시적인 것으로, 본 발명이 이에 의해 한정되는 것은 아니며, 에어컨 또는 히터(15) 외에도, 전기자동차에 탑재되어 배터리 전력을 소모하는 것이라면 출력 제어 대상인 전력소모장치 중 하나가 될 수 있다.
또한, 위에서 전기장치가 배터리(11), 인버터(12), 모터(13), 전력소모장치(15), DC-DC 컨버터(16), 충전기(17) 중 적어도 하나 또는 둘 이상을 포함하는 것으로 기재하였으나, 이러한 전기장치의 종류 또한 예시적인 것으로, 본 발명이 이에 의해 한정되는 것은 아니며, 이들 외에, 전기자동차에 탑재되는 다른 전기장치가 추가될 수 있다.
이하에서는 전기장치가 배터리(11), 인버터(12), 두 개의 모터(제1 모터 및 제2 모터)(13), 에어컨 또는 히터(15), 그리고 충전기(OBC)(17)인 경우의 예를 들어 설명하기로 한다.
본 발명의 출력 제어 과정은 차량 내 제어기에 의해 수행될 수 있으며, 상기 제어기는 차량의 전원 온(on) 상태에서, 도 3에 나타낸 바와 같이, 각 전기장치(부품)의 파워와 전류 중 정해진 하나의 값을 계산을 통해 추정하거나 계측하여 취득하고, 더불어 운전자의 운전 입력에 따른 운전자 요구 파워(또는 차량 파워)를 계산한다(S11).
여기서, 각 전기장치의 파워 값은 차량에서 전기장치(부품)별로 추정되거나 계측되는 파워 값일 수 있고, 일례로 각 전기장치에 대해서 센서나 회로 등의 검출요소를 통해 검출되는 전압과 전류 정보에 기초하여 구해지는 파워 값이 될 수 있다.
본 발명에서 파워 값 또는 전류 값은 출력 제한 대상으로 정해진 전기장치별로 취득될 수 있으며, 2개 이상의 모터가 장착된 차량의 경우 모터별로 파워 값 또는 전류 값이 취득될 수 있다.
본 발명의 실시예에서, 배터리의 파워(W)는 배터리 전류(A)에 배터리 전압(V)을 곱한 값으로 계산될 수 있다.
또한, 인버터의 파워(W)는 인버터 입력 전류(A)와 인버터 입력 전압(V)의 곱 또는 인버터 출력 전류(A)와 인버터 출력 전압(V)의 곱으로 계산될 수 있다.
또한, 제1 모터의 파워(W)는 제1 모터 인가 전류(A)와 제1 모터 전압(V)의 곱으로 계산되거나 '제1 모터의 출력 토크 × 제1 모터의 출력 속도(rpm) × 2π/60'의 값으로 계산될 수 있다.
또한, 제2 모터의 파워(W)는 제2 모터 인가 전류(A)와 제2 모터 전압(V)의 곱으로 계산되거나 '제2 모터의 출력 토크 × 제2 모터의 출력 속도(rpm) × 2π/60'의 값으로 계산될 수 있다.
또한, 에어컨의 파워(W)는 에어컨 전류(A)와 에어컨 전압(V)의 곱으로 계산될 수 있고, 히터 파워(W)는 히터 전류(A)와 히터 전압(V)의 곱으로 계산될 수 있다.
또한, DC-DC 컨버터의 파워(W)는 DC-DC 컨버터의 전류(A)와 전압(V)의 곱으로 계산될 수 있다.
이어, 제어기는 현재의 차량 상태를 판단하며(S12,S15), 이때 4가지 모드 중의 하나, 즉 구동, 회생, 정지, 충전 중 현재의 차량 상태를 나타내는 하나의 모드가 결정될 수 있다.
본 발명의 실시예에서, 제어기는 운전자 요구 파워(W)가 0보다 크고 차속이 0이 아니면 차량 상태가 구동 상태인 것으로 판단하도록 설정될 수 있다.
또한, 제어기는 운전자 요구 파워가 0보다 작고 차속이 0이 아니면 차량 상태가 회생 상태인 것으로 판단하도록 설정될 수 있다.
또한, 제어기는 운전자 요구 파워와 차속, 충전기 입력 파워가 모두 0이면 차량 상태가 정지 상태인 것으로 판단하도록 설정될 수 있고, 운전자 요구 파워와 차속이 0이지만 충전기 입력 파워가 0보다 크면 차량 상태가 충전 상태인 것으로 판단하도록 설정될 수 있다.
여기서, 운전자 요구 파워(W)는 차량 운전 정보로부터 결정될 수 있는데, 차량 운전 정보는 운전자 페달 입력 정보와 차속을 포함할 수 있고, 여기서 운전자 페달 입력 정보는 가속페달 입력값과 브레이크 페달 입력값일 수 있다.
상기 가속페달 입력값은 가속페달에 설치된 가속페달 센서(Accelerator Position Sensor, APS)의 신호로부터 취득되는 값(즉, APS 값)일 수 있고, 상기 브레이크 페달 입력값은 브레이크 페달에 설치된 브레이크 페달 센서(Brake Position Sensor, BPS)의 신호로부터 취득되는 값(즉, BPS 값)일 수 있다.
운전자 요구 파워(W)는 현재의 가속페달 입력값(APS 값)과 차속으로부터 구동 파워 맵에 의해 구해지거나, 현재의 브레이크 페달 입력값(BPS 값)과 차속으로부터 제동 파워 맵에 의해 구해질 수 있다.
위에서 현재의 차량 상태가 구동, 회생, 정지, 충전 중 하나로 판단됨을 설명하였으나, 차량 상태가 구동, 회생, 정지, 충전만으로 한정되는 것은 아니며, 구동, 회생, 정지, 충전 외에, 본 발명에서 필요에 따라 전기장치의 출력 제한이 수행될 수 있는 기타 다른 주행 모드가 차량 상태로 추가될 수 있다.
다음으로, 상기 취득된 파워 값 또는 전류 값 정보를 이용하여 전기장치 및 시스템의 출력 상태가 현재 차량 상태에 따른 정해진 허용 조건을 만족하는지를 판단하고(S13.S18), 허용 조건을 만족하지 않을 경우 해당 전기장치의 비정상 출력으로 판단한다.
이때, 현재 차량 상태에 따라 파워 또는 전류 값 기준의 시스템 허용치가 결정되고, 상기 결정된 현재 차량 상태에 따른 허용치 정보를 이용하여 상기 취득된 파워 값 또는 전류 값 정보가 나타내는 전기장치 및 시스템의 현재 출력 상태가 상기 허용 조건을 만족하는지를 판단한다.
또한, 본 발명의 실시예에서, 상기 허용치 정보는 운전자 요구 파워 또는 차량 파워로부터 결정될 수 있는데, 차량 상태가 충전 상태인 경우에는 충전 상태의 허용치가 충전기 출력 파워 또는 충전기 입력 파워로부터 결정될 수 있다.
여기서, 차량 파워(W)는 차량 운동에너지의 변화량(ΔEk)으로 구해질 수 있고, 차량의 운동에너지(Ek)는 'Ek = (1/2)×m×v2 + m×g×sinθ'의 식에 의해 계산될 수 있다.
여기서, m은 차량 무게, v는 차속, g는 중력가속도, θ는 주행 도로의 경사각도이다.
차량 무게(m)는 차량 제원값으로 제어기에 미리 입력되어 이용될 수 있고, 차속(v)과 경사각도(θ)는 차량 내 센서 신호로부터 얻어질 수 있다.
상기 충전기 입력 파워(W)는 충전기 입력 전류(A)와 충전기 입력 전압(V)의 곱으로 계산될 수 있고, 상기 충전기 출력 파워(W)는 충전기 출력 전류(A)와 충전기 출력 전압(V)의 곱으로 계산될 수 있다.
차량 상태가 구동 상태일 때 허용치는 운전자 요구 파워와 구동 안전 상한 계수 또는 차량 파워와 구동 안전 상한 계수로부터 구해질 수 있는데, 구체적으로는 '운전자 요구 파워 × (1 + αd)' 또는 '차량 파워×(1 + βd)'의 값으로 계산될 수 있다.
여기서, αd와 βd는 구동 안전 상한 계수를 나타내며, 이들 값은 양의 값으로 제어기에 미리 설정되는 값이다.
또는 구동 안전 상한 계수 대신, 구동 안전 하한 계수가 이용될 수 있는데, 이때 구동 상태의 허용치는 '운전자 요구 파워 × (1 - γd)' 또는 '차량 파워×(1 - δd)'의 값으로 계산될 수 있다.
여기서, γd와 δd는 구동 안전 하한 계수를 나타내며, 이들 값은 양의 값으로 제어기에 미리 설정되는 값이다.
결국, 차량이 구동 상태일 때의 허용 조건은 '운전자 요구 파워 × (1 + αd) 또는 차량 파워×(1 + βd) < (배터리 파워 또는 인버터 파워 또는 모터 파워) - (에어컨 파워 또는 히터 파워 + DC-DC 컨버터 파워)'인 조건으로 설정될 수 있다.
또는 차량이 구동 상태일 때의 허용 조건은 '운전자 요구 파워 × (1 - γd) 또는 차량 파워×(1 - δd) < (배터리 파워 또는 인버터 파워 또는 모터 파워) - (에어컨 파워 또는 히터 파워 + DC-DC 컨버터 파워)'인 조건으로 설정될 수 있다.
이에 제어기는 차량 상태가 구동 상태일 때 상기 허용 조건을 만족하지 않을 경우 전기장치의 비정상 출력 상태인 것으로 판단하여 후술하는 바와 같이 출력 제한을 실시한다(S14).
다음으로, 차량 상태가 회생 상태일 때 허용치는 운전자 요구 파워와 회생 안전 상한 계수 또는 차량 파워와 회생 안전 상한 계수로부터 구해질 수 있는데, 구체적으로는 '운전자 요구 파워 × (1 + αr)' 또는 '차량 파워×(1 + βr)'의 값으로 계산될 수 있다.
여기서, αr와 βr는 회생 안전 상한 계수를 나타내며, 이들 값은 양의 값으로 제어기에 미리 설정된다.
또는 회생 안전 상한 계수 대신, 회생 안전 하한 계수가 이용될 수 있는데, 이때 회생 상태의 허용치는 '운전자 요구 파워 × (1 - γr)' 또는 '차량 파워×(1 - δr)'의 값으로 계산될 수 있다.
여기서, γr와 δr는 회생 안전 하한 계수를 나타내며, 이들 값은 양의 값으로 제어기에 미리 설정된다.
결국, 차량이 회생 상태일 때의 허용 조건은 '운전자 요구 파워 × (1 + αr) 또는 차량 파워×(1 + βr) < (배터리 파워 또는 인버터 파워 또는 모터 파워) + (에어컨 파워 또는 히터 파워 + DC-DC 컨버터 파워)'인 조건으로 설정될 수 있다.
또는 차량이 회생 상태일 때의 허용 조건은 '운전자 요구 파워 × (1 - γr) 또는 차량 파워×(1 - δr) < (배터리 파워 또는 인버터 파워 또는 모터 파워) + (에어컨 파워 또는 히터 파워 + DC-DC 컨버터 파워)'인 조건으로 설정될 수 있다.
이에 제어기는 차량 상태가 회생 상태일 때 상기 허용 조건을 만족하지 않을 경우 전기장치의 비정상 출력 상태인 것으로 판단하여 후술하는 바와 같이 출력 제한을 실시한다(S19).
다음으로, 차량 상태가 정지 상태일 때 허용치는 운전자 요구 파워와 정지 안전 상한 계수 또는 차량 파워와 정지 안전 상한 계수로부터 구해질 수 있는데, 구체적으로는 '운전자 요구 파워 × (1 + αS)' 또는 '차량 파워×(1 + βS)'의 값으로 계산될 수 있다.
여기서, αS와 βS는 정지 안전 상한 계수를 나타내며, 이들은 양의 값으로 제어기에 미리 설정된다.
또는 정지 안전 상한 계수 대신, 정지 안전 하한 계수가 이용될 수 있는데, 이때 정지 상태의 허용치는 '운전자 요구 파워 × (1 - γS)' 또는 '차량 파워×(1 - δS)'의 값으로 계산될 수 있다.
여기서, γS와 δS는 정지 안전 하한 계수를 나타내며, 이들은 양의 값으로 제어기에 미리 설정된다.
결국, 차량이 정지 상태일 때의 허용 조건은 '운전자 요구 파워 × (1 + αS) 또는 차량 파워×(1 + βS) < (배터리 파워 또는 인버터 파워 또는 모터 파워) - (에어컨 파워 또는 히터 파워 + DC-DC 컨버터 파워)'인 조건으로 설정될 수 있다.
또는 차량이 정지 상태일 때의 허용 조건은 '운전자 요구 파워 × (1 - γS) 또는 차량 파워×(1 - δS) < (배터리 파워 또는 인버터 파워 또는 모터 파워) - (에어컨 파워 또는 히터 파워 + DC-DC 컨버터 파워)'인 조건으로 설정될 수 있다.
이에 제어기는 차량 상태가 정지 상태일 때 상기 허용 조건을 만족하지 않을 경우 전기장치의 비정상 출력 상태인 것으로 판단하여 후술하는 바와 같이 출력 제한을 실시한다(S16).
다음으로, 차량 상태가 충전 상태일 때 허용치는, 충전기 출력 파워와 충전 출력 안전 상한 계수 또는 충전기 입력 파워와 충전 입력 안전 상한 계수로부터 구해질 수 있는데, 구체적으로는 '충전기 출력 파워 × (1 + αc)' 또는 '충전기 입력 파워×(1 + βc)'의 값으로 계산될 수 있다.
여기서, αc는 충전 출력 안전 상한 계수를 나타내고, βc는 충전 입력 안전 상한 계수를 나타내며, 이들 값은 양의 값으로 제어기에 미리 설정된다.
또는 충전 출력 안전 상한 계수와 충전 입력 안전 상한 계수 대신, 충전 출력 안전 하한 계수와 충전 입력 안전 하한 계수가 이용될 수 있는데, 이때 충전 상태의 허용치는 '충전기 출력 파워 × (1 - γc)' 또는 '충전기 입력 파워×(1 - δc)'의 값으로 계산될 수 있다.
여기서, γc는 충전 출력 안전 하한 계수를 나타내고, δc는 충전 입력 안전 하한 계수를 나타내며, 이들 값은 양의 값으로 제어기에 미리 설정된다.
결국, 차량이 충전 상태일 때의 허용 조건은 '충전기 출력 파워 × (1 + αc) 또는 충전기 입력 파워×(1 + βc) < (배터리 파워 + 에어컨 파워 또는 히터 파워 + DC-DC 컨버터 파워)'인 조건으로 설정될 수 있다.
또는 차량이 충전 상태일 때의 허용 조건은 '충전기 출력 파워 × (1 - γc) 또는 충전기 입력 파워×(1 - δc) < (배터리 파워 + 에어컨 파워 또는 히터 파워 + DC-DC 컨버터 파워)'인 조건으로 설정될 수 있다.
이에 제어기는 차량 상태가 충전 상태일 때 상기 허용 조건을 만족하지 않을 경우 전기장치의 비정상 출력 상태인 것으로 판단하여 후술하는 바와 같이 출력 제한을 실시한다(S17).
한편, 상기 취득된 파워 값 또는 전류 값 정보로부터 출력 상태가 현재 차량 상태에 따른 허용 조건을 만족하지 않을 경우, 각 전기장치의 출력을 현재 차량 상태에 따라 제한하는 제어가 수행되는데, 이에 대해 상세히 설명하기로 한다.
먼저, 차량의 구동 중 출력(파워) 제한이 이루어지지 않을 때에는 전체 허용 파워의 정해진 제1 비율, 예를 들어 100% 내에서 전기장치의 파워가 출력될 수 있으며, 여기서 전체 허용 파워는 제어기에 미리 설정되는 차량 전체 전기 시스템의 최대 출력 값이 될 수 있다.
반면, 출력 제한이 이루어질 경우 전체 허용 파워의 정해진 제2 비율에 해당하는 값으로 출력을 제한한다.
예를 들면, 구동 중 전체 허용 파워의 20%로 전기장치의 출력을 제한하고, 이를 통해 차량 주행 중 긴급 대피가 가능하도록 한다.
다음으로, 차량의 회생(제동) 중 출력(파워) 제한이 이루어지지 않을 때에는 전체 허용 파워의 정해진 제3 비율, 예를 들어 50%까지 전기장치의 파워가 출력될 수 있으며, 여기서 전체 허용 파워의 50%는 회생 중 전기장치의 최대 출력으로 정해진 것이다.
반면, 출력 제한이 이루어질 경우 주행 중 유압 브레이크의 동작이 가능한 수준에서 전체 허용 파워의 0%로 전기장치의 출력을 제한한다.
다음으로, 차량의 정지 중 출력(파워) 제한이 이루어지지 않을 때에는 전체 허용 파워의 정해진 제4 비율, 예를 들어 20%까지 전기장치의 파워가 출력될 수 있으며, 여기서 전체 허용 파워의 20%는 차량 정지 중 전기장치의 최대 출력으로 정해진 것이다.
반면, 출력 제한이 이루어질 경우 전체 허용 파워의 0%로 전기장치의 출력을 제한한다.
다음으로, 차량의 충전 중 출력(파워) 제한이 이루어지지 않을 때에는 전체 허용 파워의 정해진 제5 비율, 예를 들어 30%까지 전기장치의 파워가 출력될 수 있으며, 여기서 전체 허용 파워의 30%는 차량 충전 중 전기장치의 최대 출력으로 정해진 것이다.
반면, 출력 제한이 이루어질 경우 전체 허용 파워의 0%로 전기장치의 출력을 제한한다.
한편, 도 4는 전기자동차에서 구동, 회생, 정지, 충전의 각 차량 상태에 따른 배터리 정상 출력의 예를 나타내는 도면으로, 도시된 바와 같이, 배터리 파워의 출력이 정상적으로 제어되는 경우 배터리 파워는 허용 제한 출력 범위(요구 파워 허용 범위) 내로 유지 및 제어됨을 볼 수 있다.
반면, 도 5는 전기자동차에서 구동, 회생, 정지, 충전의 각 차량 상태에서 배터리 파워의 비정상 출력 상황일 때 본 발명의 제어 방법 적용 시의 예를 나타내는 도면이다.
도시된 바와 같이, 각 차량 상태에서 배터리 파워가 순간적으로 비정상적인 상황에 도달하더라도, 본 발명의 제어 방법에 따라 배터리 파워의 비정상 출력 상태임을 판단한 경우 출력을 제한함으로써 배터리 파워가 허용 제한 출력 범위(요구 파워 허용 범위) 이내로 회복 및 유지되는 것을 볼 수 있다(도 5에서 '파워 제한시 출력'의 선도 참조).
이와 같이 하여, 본 발명에서는 전기자동차에서 각 전기장치의 출력이 비정상적인 것으로 판단한 경우 해당 전기장치에 대한 출력 제한을 수행하여 전기장치 및 차량 시스템을 효과적으로 보호할 수 있게 된다.
이상으로 본 발명의 실시예에 대하여 상세하게 설명하였지만, 본 발명의 권리범위가 이에 한정되는 것은 아니며, 다음의 특허청구범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당 업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 발명의 권리범위에 포함된다.
11 : 배터리
12 : 인버터
13 : 모터
14 : 구동륜
15 : 에어컨(A/C) 또는 히터
16 : DC-DC 컨버터
17 : 차량 내 충전기(OBC)

Claims (14)

  1. 제어기가 차량 내 전기장치의 파워와 전류 중 정해진 하나의 값을 취득하고, 운전자의 운전 입력에 따른 운전자 요구 파워를 결정하는 단계;
    제어기가 상기 결정된 운전자 요구 파워를 기초로 현재의 차량 상태를 판단하는 단계;
    제어기가 상기 취득된 파워 또는 전류 값 정보를 이용하여 전기장치의 출력 상태가 상기 현재의 차량 상태에 따른 정해진 허용 조건을 만족하는지를 판단하는 단계;
    제어기가 상기 전기장치의 출력 상태로부터 상기 정해진 허용 조건을 만족하지 않는 것으로 판단한 경우 전기장치의 비정상 출력 상태인 것으로 판단하는 단계; 및
    제어기가 상기 전기장치의 비정상 출력 상태인 것으로 판단한 경우 해당 전기장치에 대한 출력을 제한하는 단계를 포함하는 차량의 전기장치 출력 제한 방법.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 전기장치는,
    차량에 탑재된 배터리;
    상기 배터리에 연결된 인버터;
    차량을 구동하기 위한 것으로서 상기 인버터를 매개로 상기 배터리에 충방전 가능하게 연결된 모터;
    상기 배터리에 연결되고 배터리의 전력을 소모하면서 작동하는 전력소모장치;
    상기 배터리에 연결된 DC-DC 컨버터; 및
    상기 배터리에 연결된 차량 내 충전기(On-Board Charger, OBC) 중 적어도 하나 또는 둘 이상인 것을 특징으로 하는 차량의 전기장치 출력 제한 방법.
  3. 청구항 2에 있어서,
    상기 전기장치가 상기 배터리와 인버터, 모터, 전력소모장치, DC-DC 컨버터, 및 충전기 중 둘 이상의 복수 개인 경우, 상기 제어기에 의해, 각 전기장치에 대해 각각 개별적으로 상기 단계들이 수행되는 것을 특징으로 하는 차량의 전기장치 출력 제한 방법.
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 현재의 차량 상태를 판단하는 단계에서,
    상기 제어기는,
    배터리 전력으로 모터가 구동하여 차량이 주행하는 구동 상태;
    상기 모터에 의한 배터리 충전이 이루어지는 회생 상태;
    차량 정지 상태; 및
    차량 외부 전원의 전력에 의해 차량 내 충전기를 통한 배터리 충전이 이루어지는 충전 상태 중 하나를 현재의 차량 상태로 판단하는 것을 특징으로 하는 차량의 전기장치 출력 제한 방법.
  5. 청구항 4에 있어서,
    상기 제어기는,
    상기 운전자 요구 파워와 함께 차속을 더 이용하여 구동 상태와 회생 상태를 구분 및 판단하고,
    상기 운전자 요구 파워 및 차속과 함께 상기 충전기 입력 파워를 더 이용하여 차량 정지 상태와 충전 상태를 구분 및 판단하는 것을 특징으로 하는 차량의 전기장치 출력 제한 방법.

  6. 청구항 4에 있어서,
    상기 정해진 허용 조건을 만족하는지를 판단하는 단계에서,
    상기 차량 상태가 구동 상태인 경우,
    상기 허용 조건은,
    '운전자 요구 파워 × (1 + αd) 또는 차량 파워×(1 + βd) < (배터리 파워 또는 인버터 파워 또는 모터 파워) - (에어컨 파워 또는 히터 파워 + DC-DC 컨버터 파워)' (여기서 αd와 βd는 제어기에 미리 설정되는 구동 안전 상한 계수임)로 정해지는 것을 특징으로 하는 차량의 전기장치 출력 제한 방법.
  7. 청구항 4에 있어서,
    상기 정해진 허용 조건을 만족하는지를 판단하는 단계에서,
    상기 차량 상태가 구동 상태인 경우,
    상기 허용 조건은,
    '운전자 요구 파워 × (1 - γd) 또는 차량 파워×(1 - δd) < (배터리 파워 또는 인버터 파워 또는 모터 파워) - (에어컨 파워 또는 히터 파워 + DC-DC 컨버터 파워)' (여기서 γd와 δd는 제어기에 미리 설정되는 구동 안전 하한 계수임)로 정해지는 것을 특징으로 하는 차량의 전기장치 출력 제한 방법.
  8. 청구항 4에 있어서,
    상기 정해진 허용 조건을 만족하는지를 판단하는 단계에서,
    상기 차량 상태가 회생 상태인 경우,
    상기 허용 조건은,
    '운전자 요구 파워 × (1 + αr) 또는 차량 파워×(1 + βr) < (배터리 파워 또는 인버터 파워 또는 모터 파워) + (에어컨 파워 또는 히터 파워 + DC-DC 컨버터 파워)' (여기서 αr와 βr는 제어기에 미리 설정되는 회생 안전 상한 계수임)로 정해지는 것을 특징으로 하는 차량의 전기장치 출력 제한 방법.
  9. 청구항 4에 있어서,
    상기 정해진 허용 조건을 만족하는지를 판단하는 단계에서,
    상기 차량 상태가 회생 상태인 경우,
    상기 허용 조건은,
    '운전자 요구 파워 × (1 - γr) 또는 차량 파워×(1 - δr) < (배터리 파워 또는 인버터 파워 또는 모터 파워) + (에어컨 파워 또는 히터 파워 + DC-DC 컨버터 파워)' (여기서 γr와 δr는 제어기에 미리 설정되는 회생 안전 하한 계수임)로 정해지는 것을 특징으로 하는 차량의 전기장치 출력 제한 방법.
  10. 청구항 4에 있어서,
    상기 정해진 허용 조건을 만족하는지를 판단하는 단계에서,
    상기 차량 상태가 정지 상태인 경우,
    상기 허용 조건은,
    '운전자 요구 파워 × (1 + αS) 또는 차량 파워×(1 + βS) < (배터리 파워 또는 인버터 파워 또는 모터 파워) - (에어컨 파워 또는 히터 파워 + DC-DC 컨버터 파워)' (여기서 αS와 βS는 제어기에 미리 설정되는 정지 안전 상한 계수임)로 정해지는 것을 특징으로 하는 차량의 전기장치 출력 제한 방법.
  11. 청구항 4에 있어서,
    상기 정해진 허용 조건을 만족하는지를 판단하는 단계에서,
    상기 차량 상태가 정지 상태인 경우,
    상기 허용 조건은,
    '운전자 요구 파워 × (1 - γS) 또는 차량 파워×(1 - δS) < (배터리 파워 또는 인버터 파워 또는 모터 파워) - (에어컨 파워 또는 히터 파워 + DC-DC 컨버터 파워)' (여기서 γS와 δS는 제어기에 미리 설정되는 정지 안전 하한 계수임)로 정해지는 것을 특징으로 하는 차량의 전기장치 출력 제한 방법.
  12. 청구항 4에 있어서,
    상기 정해진 허용 조건을 만족하는지를 판단하는 단계에서,
    상기 차량 상태가 충전 상태인 경우,
    상기 허용 조건은,
    '충전기 출력 파워 × (1 + αc) 또는 충전기 입력 파워×(1 + βc) < (배터리 파워 + 에어컨 파워 또는 히터 파워 + DC-DC 컨버터 파워)' (여기서 αc는 제어기에 미리 설정되는 충전 출력 안전 상한 계수이고, βc는 제어기에 미리 설정되는 충전 입력 안전 상한 계수임)로 정해지는 것을 특징으로 하는 차량의 전기장치 출력 제한 방법.
  13. 청구항 4에 있어서,
    상기 정해진 허용 조건을 만족하는지를 판단하는 단계에서,
    상기 차량 상태가 충전 상태인 경우,
    상기 허용 조건은,
    '충전기 출력 파워 × (1 - γc) 또는 충전기 입력 파워×(1 - δc) < (배터리 파워 + 에어컨 파워 또는 히터 파워 + DC-DC 컨버터 파워)' (여기서 γc는 제어기에 미리 설정되는 충전 출력 안전 하한 계수이고, δc는 제어기에 미리 설정되는 충전 입력 안전 하한 계수임)로 정해지는 것을 특징으로 하는 차량의 전기장치 출력 제한 방법.
  14. 청구항 1에 있어서,
    상기 전기장치에 대한 출력을 제한하는 단계에서,
    상기 제어기는 미리 설정된 전체 허용 파워에 대한 설정된 비율의 값으로 전기장치의 출력을 제한하고,
    상기 설정된 비율의 값은 상기 차량 상태별 값으로 제어기에 설정되는 것을 특징으로 하는 차량의 전기장치 출력 제한 방법.
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CN117183815A (zh) * 2023-08-14 2023-12-08 阿尔特汽车技术股份有限公司 车辆热管理可用功率的确定方法、装置、电子设备及介质

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