KR20240025123A - 차량 및 이의 제어 방법 - Google Patents

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전호태
신상철
박동훈
이기종
장지웅
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현대자동차주식회사
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Abstract

본 발명은 차량 및 이의 제어 방법에 관한 것으로, 배터리와 병렬 연결되어 배터리에 의해 충전되는 커패시터; 커패시터와 병렬 연결된 제1 저항; 제1 저항과 직렬 연결된 제1 스위치; 커패시터 및 제1 저항과 병렬 연결된 제2 저항; 및 제1 스위치를 제어하여 커패시터에 서로 다른 방전 경로를 제공하고, 서로 다른 방전 경로별로 방전 속도를 측정하여 커패시터의 열화도를 진단하는 제어기;를 포함하는, 차량이 소개된다.

Description

차량 및 이의 제어 방법{VEHICLE AND IT'S CONTROL METHOD}
본 발명은 커패시터의 방전 속도를 단계별로 조절할 수 있고, 커패시터의 열화도를 진단할 수 있는 방전 회로가 구성된 차량 및 이의 제어 방법에 관한 것이다.
최근 환경에 대한 관심이 높아짐과 함께, 전기 모터를 동력원으로 구비한 친환경 차량이 증가하는 추세이다. 친환경 차량은 전동화 차량이라고도 하며, 대표적인 예로 하이브리드 자동차(HEV: Hybrid Electric Vehicle)나 전기차(EV: Electric Vehicle)를 들 수 있다.
이러한 친환경 차량(xEV)의 구동 모터와 HSG(Hybrid Starter Generator)를 구동하는 인버터(Inverter)의 직류단에는 고전압 배터리로부터 전력을 안정적으로 공급받기 위한 대용량 커패시터가 구비되어 있다. 친환경 차량(xEV)이 키 온(Key ON) 상태가 되면 메인 배터리의 메인 릴레이가 같이 온(ON)이 되어 대용량 커패시터에 고전압이 충전되며, 그 결과 인버터나 저전압 직류 변환기(Low voltage DC/DC Converter, LDC)는 구동 모터를 일정한 직류(DC) 전압으로 구동할 수 있게 된다.
한편, 친환경 차량의 충돌 상황 또는 차량 정비 상황에서, 탑승자 또는 기술자의 위험 방지를 위하여 차량 내에 커패시터의 방전 기능이 반드시 탑재되어야 한다.
커패시터 방전 기능은 커패시터가 설정된 방전 로직에 의해 수 ms 이내에 바로 방전이 완료되도록 하는 액티브(Active) 방전 기능과, 고장이나 충돌 등 비정상적 상태에서 액티브 방전 기능이 작동하지 않는 상황을 대비해 커패시터가 강제로 방전되도록 하는 패시브(Passive) 방전 기능으로 분류될 수 있다.
일반적으로 패시브 방전 기능을 위한 방전 회로는 배터리 전압 레벨과 커패시터 용량을 고려하여 단일로 구성된 방전 저항으로 구성되며 커패시터가 고전압 배터리의 전압 레벨과 커패시터의 용량을 고려하여 별도의 제어 없이도 일정 시간 내에 방전되도록 설계된다. 이를 도 1을 참조하여 설명한다.
도 1은 단일 방전 저항으로 구성된 차량 및 커패시터 전압과 시간과의 관계의 일례를 나타낸 그래프이다.
도 1을 참조하면, 커패시터와 병렬로 연결된 단일 방전 저항이 연결된 방전 회로에서, 커패시터 방전 동작시 시간에 따라 커패시터의 전압은 감소하게 된다.
이러한 방전 회로는 단일 방전 저항이 회로와 상시 연결되어 있기 때문에 커패시터의 방전이 언제나 가능하고, 별도의 능동 제어를 요하지 않으나, 커패시터가 방전되는 속도 조절이 불가하다.
한편, 커패시터는 인버터 내에서 내구에 가장 취약할 수 있는 부품으로, 이에 대한 상시 열화도 분석이 매우 중요하다. 그러나, 차량의 주행 중에는 커패시터의 열화도 측정이 어려워, 차량을 분해한 뒤에야 비로소 커패시터의 열화도를 확인할 수밖에 없는 단점이 있다.
이로 인해, 커패시터의 방전 속도 조절이 가능하며 커패시터의 열화도를 상시 진단이 가능한 차량을 필요로 한다.
상기의 배경기술로서 설명된 사항들은 본 발명의 배경에 대한 이해 증진을 위한 것일 뿐, 이 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 이미 알려진 종래기술에 해당함을 인정하는 것으로 받아들여져서는 안 될 것이다.
KR 10-2016-0122351 A
본 발명은 제어기가 커패시터의 방전 속도를 단계별로 조절할 수 있고, 커패시터의 열화도를 진단할 수 있는 차량 및 이의 제어 방법을 제공하기 위한 것이다.
상기한 과제를 실현하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 차량은, 배터리와 병렬 연결되어 배터리에 의해 충전되는 커패시터; 커패시터와 병렬 연결된 제1 저항; 제1 저항과 직렬 연결된 제1 스위치; 커패시터 및 제1 저항과 병렬 연결된 제2 저항; 및 제1 스위치를 제어하여 커패시터에 서로 다른 방전 경로를 제공하고, 서로 다른 방전 경로별로 방전 속도를 측정하여 커패시터의 용량 및 내부 저항값을 판단하는 제어기;를 포함하는, 차량을 포함할 수 있다.
예를 들어, 제2 저항과 직렬 연결되며, 제어기에 의해 온(ON)/오프(OFF) 상태가 제어되는 제2 스위치;를 더 포함할 수 있다.
예를 들어, 커패시터, 제1 저항 및 제2 저항과 병렬 연결된 제3 저항;을 더 포함할 수 있다.
예를 들어, 제어기는, 제1 스위치 및 제2 스위치 중 적어도 하나의 스위치를 제어하여 커패시터의 방전 속도를 단계별로 조절할 수 있다.
예를 들어, 제어기는, 제1 스위치 및 제2 스위치가 오프된 상태에서, 제1 스위치 및 제2 스위치를 상보적으로 온/오프 제어함으로써 커패시터의 방전 속도를 단계별로 조절할 수 있다.
예를 들어, 제어기는, 서로 다른 방전 경로별로 내부 저항값을 포함하는 등가 저항, 측정된 방전 속도에 대응되는 시정수 및 커패시터의 용량 간의 관계를 기반으로 커패시터의 용량 및 내부 저항값을 판단할 수 있다.
예를 들어, 커패시터의 용량은, 제1 스위치가 온되고 제2 스위치가 오프된 상태에서의 시정수를 제1 저항값과 제3 저항값의 합성 저항값으로 나누어 구해질 수 있다.
예를 들어, 내부 저항값은, 제1 스위치가 오프되고 제2 스위치가 온된 상태에서의 시정수를 커패시터의 용량으로 나눈 후 제2 저항값을 차감하여 구해질 수 있다.
예를 들어, 제어기는, 판단된 커패시터의 용량 또는 내부 저항값을 기반으로 커패시터의 열화도를 진단할 수 있다.
예를 들어, 제어기는, 제1 주기로 판단된 커패시터의 용량이 초기 용량보다 점차 감소하는 경우, 커패시터의 열화도가 커지는 것으로 진단할 수 있다.
예를 들어, 제어기는, 제2 주기로 판단된 내부 저항값이 초기 저항값보다 점차 커지는 경우, 커패시터의 열화도가 커지는 것으로 진단할 수 있다.
상기한 과제를 실현하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 차량의 제어 방법은, 배터리와 병렬 연결되어 배터리에 의해 충전되는 커패시터; 커패시터와 병렬 연결된 제1 저항; 제1 저항과 직렬 연결된 제1 스위치; 커패시터 및 제1 저항과 병렬 연결된 제2 저항을 포함하는 차량에서 제1 스위치를 오프시키고 커패시터의 제1 방전 속도를 측정하는 단계; 제1 스위치를 온시키고 커패시터의 제2 방전 속도를 측정하는 단계; 및 제1 방전 속도, 제2 방전 속도, 제1 저항값 및 제2 저항값을 기반으로 커패시터의 열화도를 판단하는 단계;를 포함할 수 있다.
예를 들어, 제1 방전 속도, 제2 방전 속도, 제1 저항값 및 제2 저항값을 기반으로 판단된 커패시터의 용량 또는 내부 저항값을 기반으로 커패시터의 열화도를 진단하는 단계;를 더 포함할 수 있다.
예를 들어, 커패시터의 열화도를 진단하는 단계는, 제1 주기로 판단된 커패시터의 용량이 초기 용량보다 점차 감소하는 경우, 커패시터의 열화도가 커지는 것으로 진단할 수 있다.
예를 들어, 커패시터의 열화도를 진단하는 단계는, 제2 주기로 판단된 내부 저항값이 초기 저항값보다 점차 커지는 경우, 커패시터의 열화도가 커지는 것으로 진단할 수 있다.
본 발명 차량 및 이의 제어 방법에 따르면, 제어기가 커패시터의 방전 속도를 단계별로 조절할 수 있어 다단 방전으로부터 방전 속도를 개선할 수 있고, 커패시터의 용량 및 커패시터가 가지고 있는 고유한 내부 저항값(ESR, Equivalent Series Resistance)의 판단이 가능하여 커패시터의 열화도를 상시 측정 가능하도록 할 수 있다.
또한, 상시 측정된 커패시터의 열화도를 기반으로 커패시터의 최적 설계시, 데이터로 활용이 가능할 뿐만 아니라 양산 이후 커패시터의 교체 및 정비를 적시에 조치할 수 있게 된다.
본 발명에서 얻을 수 있는 효과는 이상에서 언급한 효과들로 제한되지 않으며, 언급하지 않은 또 다른 효과들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
도 1은 단일 방전 저항으로 구성된 차량 및 커패시터 전압과 시간과의 관계의 일례를 나타낸 그래프이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 차량을 구성하는 회로도이다.
도 3은 도 2에 따른 차량에서 커패시터의 방전 속도 조절에 따른 커패시터 전압과 시간과의 관계의 일례를 나타낸 그래프이다.
도 4 및 도 5는 각각 본 발명의 다른 실시예에 따른 회로도이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 명세서에 개시된 실시 예를 상세히 설명하되, 도면 부호에 관계없이 동일하거나 유사한 구성요소는 동일한 참조 번호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다.
이하의 설명에서 사용되는 구성요소에 대한 접미사 "모듈" 및 "부"는 명세서 작성의 용이함만이 고려되어 부여되거나 혼용되는 것으로서, 그 자체로 서로 구별되는 의미 또는 역할을 갖는 것은 아니다.
본 명세서에 개시된 실시 예를 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 명세서에 개시된 실시 예의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다. 또한, 첨부된 도면은 본 명세서에 개시된 실시 예를 쉽게 이해할 수 있도록 하기 위한 것일 뿐, 첨부된 도면에 의해 본 명세서에 개시된 기술적 사상이 제한되지 않으며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 제1, 제2 등과 같이 서수를 포함하는 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 구성요소들은 용어들에 의해 한정되지는 않는다. 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다.
어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다거나 "접속되어" 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어" 있다거나 "직접 접속되어" 있다고 언급된 때에는, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다.
단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다.
본 명세서에서, "포함한다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
또한, 모터 제어기(MCU: Motor Control Unit), 하이브리드 제어기(HCU: Hybrid Control Unit) 등의 명칭에 포함된 유닛(Unit) 또는 제어 유닛(Control Unit)은 차량 특정 기능을 제어하는 제어 장치(Controller)의 명명에 널리 사용되는 용어일 뿐, 보편적 기능 유닛(Generic function unit)을 의미하는 것은 아니다.
제어기(Controller)는 담당하는 기능의 제어를 위해 다른 제어기나 센서와 통신하는 통신 장치, 운영체제나 로직 명령어와 입출력 정보 등을 저장하는 메모리 및 담당 기능 제어에 필요한 판단, 연산, 결정 등을 수행하는 하나 이상의 프로세서를 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 의하면, 긴급한 상황에서는 커패시터를 빠르게 방전시켜야 하나, 빠른 방전을 위해서는 작은값의 방전 저항을 써야하기 때문에 상시 소모되는 전력이 크게 발생하는 문제점이 있다. 이와 달리, 일반적인 상황에서는 긴급한 상황만큼 신속한 방전이 필요하지 않으며, 방전 속도를 제어할 수 있다면 서로 다른 방전 속도를 기반으로 커패시터의 열화도 측정을 위한 정보를 획득할 수 있게 된다. 따라서, 본 발명의 일 실시예에서는 스위치를 이용하여 등가 방전 저항값이 변경되도록 방전 경로를 달리하도록 하고, 이를 통해 긴급 상황에서는 빠른 방전이 가능한 경로를 제공하며, 일반적인 상황에서는 서로 다른 방전 경로를 통해 방전 속도를 측정하여 커패시터의 열화도 진단도 가능하도록 할 것을 제안한다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 차량(100)을 구성하는 회로도이다.
도 2는 본 실시예와 관련된 구성 요소를 위주로 나타낸 것으로, 실제 차량(100)의 구성에 있어서는 이보다 더 적거나 많은 구성 요소를 포함할 수 있음은 물론이다.
도 2를 참조하면, 일 실시예에 따른 차량(100)은 배터리(110), 내부 저항값(ESR, Equivalent Series Resistance)을 갖는 커패시터(C), 방전 회로(120), 파워 모듈(130), 모터(140) 및 제어기(150)를 포함할 수 있다.
먼저, 커패시터(C)는 배터리(110)와 병렬 연결되며 배터리(110)에 의해 충전된다. 커패시터(C)는 자체 저항값, 즉 내부 저항값을 가진다. ESR은 커패시터(C)에 직렬로 연결된 등가 저항(ESR)으로 해석될 수 있으며(이하, 편의상 내부 저항값을 'ESR'로 칭함), 회로가 닫힌 상태에서 커패시터(C) 내부에서 열을 발생하게 된다. 따라서, ESR이 큰 커패시터(C)를 사용하면 커패시터(C) 내부에서 발생하는 열로 인하여 커패시터(C)의 고장 가능성이 증가하므로 ESR은 일반적인 저항의 크기 대비 매우 작은 값을 갖는 것이 바람직하다.
한편, 커패시터(C)의 열화도 측정 및 방전 속도를 조절하기 위해서는 복수의 서로 다른 등가 방전 저항을 갖는 방전 경로가 복수개 구비되어야 한다. 이를 위해, 본 발명의 일 실시예에서는 커패시터(C)와 병렬 연결되되, 스위치와 직렬 연결된 적어도 하나의 저항을 이용할 것을 제안한다.
즉, 방전 회로(120)는 커패시터(C)와 병렬로 연결된 복수의 저항 및 저항과 직렬 연결된 스위치들로 구성될 수 있다. 일례로, 본 발명에서는 저항이 3개(R1, R2, R3), 저항(R1, R2)과 직렬 연결된 스위치(S1, S2)가 2개 구성된 것으로 가정한다. 방전 회로(120)를 구성하는 복수의 저항(R1, R2, R3) 각각은 모두 상호간 및 커패시터(C)와 병렬 연결된다. 제1 저항(R1), 제2 저항(R2)은 각각 제1 스위치(S1) 및 제2 스위치(S2)와 직렬 연결되도록 구성하여 후술할 제어기(150)에 의해 온(ON)/오프(OFF) 상태가 제어될 수 있다. 또한, 복수의 저항 중 제3 저항(R3)은 스위치와 연결되지 않아 상시 연결된 저항으로 구성할 수 있다. 상시 연결된 저항을 통해 스위치의 고장 시 커패시터(C)의 방전이 이루어지지 않는 상황을 미연에 방지할 수 있다.
다만, 실제 방전 경로의 구성에서는 상술한 복수의 저항(R1, R2, R3) 중 스위치(S1, S2)의 상태에 따라 실질적으로 서로 병렬 연결되어 방전 저항을 구성하는 저항들 외에, 내부 저항값(ESR) 또한 전체 등가 방전 저항 중 직렬로 연결된 저항 성분으로 고려해야 함을 유념해야 한다.
이하에서는 제어기(150)의 스위치 온/오프 상태 제어를 통한 커패시터(C)의 방전 속도 조절을 설명한다.
제어기(150)는 제1 스위치(S1) 및 제2 스위치(S2) 중 적어도 하나의 스위치를 제어하여 커패시터(C)에 서로 다른 방전 경로를 제공하고, 커패시터(C)의 방전 속도를 단계별로 조절할 수 있다.
예를 들어, 제어기(150)가 제1 스위치(S1)와 제2 스위치(S2)를 모두 오프한 경우, 내부 저항값(ESR)을 제외한 방전 경로 상의 저항은 제3 저항(R3) 뿐이다. 따라서, 해당 상황의 등가 방전 저항은 (ESR + R3)가 된다.
다른 예로, 제어기(150)가 제1 스위치(S1)는 온하고, 제2 스위치(S2)를 오프한 경우, 내부 저항값(ESR)을 제외한 방전 경로 상의 등가 저항은 상호 병렬 연결된 제3 저항(R3)과 제1 저항(R1)의 합산 저항값이다. 따라서, 해당 상황의 등가 방전 저항은 (ESR + (R1||R3))이 된다.
또 다른 예로, 제어기(150)가 제1 스위치(S1)는 오프하고, 제2 스위치(S2)를 온한 경우, 내부 저항값(ESR)을 제외한 방전 경로 상의 등가 저항은 상호 병렬 연결된 제3 저항(R3)과 제2 저항(R2)의 합산 저항값이다. 따라서, 해당 상황의 등가 방전 저항은 (ESR + (R2||R2))이 된다.
커패시터(C) 방전 경로가 달라짐에 따라 차량(100)의 총 합성 저항값이 가변되고, 이에 따라 제어기(150)는 커패시터(C)가 방전되는 속도를 단계별로 조절할 수 있게 되는 것이다. 각 스위치와 직렬 연결된 저항값이 서로 다르다는 가정하에, 스위치의 개수가 증가할수록 제어기(150)는 각각의 스위치의 제어로 커패시터(C)에 제공할 수 있는 방전 경로가 증가하여 제어기(150)가 커패시터(C)의 방전 속도 조절 단계수가 증가하게 된다.
이하의 기재에서, 편의상 제1 저항(R1)의 저항값은 'Rx1', 제2 저항(R2)의 저항값은 'Rx2', 제3 저항(R3)의 저항값은 'Rj'로 표기하기로 한다.
도 3은 도 2에 따른 차량(100)에서 커패시터(C)의 방전 속도 조절에 따른 커패시터(C) 전압과 시간과의 관계의 일례를 나타낸 그래프이다.
도 3을 참조하면, 제3 저항(R3)과, 제1 스위치(S1)와 직렬 연결된 제1 저항(R1) 및 제2 스위치(S2)와 직렬 연결된 제2 저항(R2)에서 각각이 커패시터(C)와 병렬 연결된 상태에서 제어기(150)의 스위치 제어에 따른 커패시터(C)의 방전 속도를 확인할 수 있다. 시간에 따라 커패시터(C)가 방전되어 커패시터(C)의 전압이 점점 감소하며, 그래프의 변곡점(t1, t2)을 기준으로 각각 1차 방전 상태, 2차 방전 상태 및 3차 방전 상태로 구분될 수 있다. 그래프의 변곡점(t1, t2)은 이는 고정된 값이 아닌 각각 제어기(150)의 제1 스위치(S1) 및 제2 스위치(S2)를 온 제어하는 시점을 의미하며, 각 상태에서 측정된 방전 속도에 대응되는 시정수는 달라지지 않는다. 제어기(150)는 스위치의 온/오프 제어 상태 및 스위치 제어 시점에 따라 합성 저항값이 가변되는 것을 이용하여 커패시터(C)의 방전 속도를 조절할 수 있게 되는 것이다.
먼저, 도 3에 도시된 바와 같이 1차 방전 상태는 제1 스위치(S1)와 제2 스위치(S2)가 모두 오프된 상태에서 상시 연결 저항(제3 저항, R3)만 연결된 상태이다. 1차 방전 상태를 패시브 방전 상태라고도 하며, 내부 저항값(ESR)과 제3 저항(R3)만 직렬 연결된 것으로 볼 수 있어 합성 저항값이 최대(Rj+ESR)가 되어 커패시터(C)의 방전 속도가 가장 느리게 된다. 이후, 2차 방전 상태는 제어기(150)가 제1 스위치(S1)를 온 제어하고 제2 스위치(S2)를 오프 제어한 상태로서 합성 저항값은 (Rj||Rx1)+ESR가 된다. 이러한 합성 저항값은 1차 방전 상태에서의 합성 저항값보다 작으므로, 1차 방전 상태 대비 커패시터(C)의 방전 속도가 증가한다. 또한, 3차 방전 상태는 제어기(150)가 제1 스위치(S1)를 오프 제어하고 제2 스위치(S2)를 온 제어한 상태로서 합성 저항값은 (Rj||Rx2)+ESR가 된다. 이때, 저항값이 Rj>Rx1>Rx2 라는 가정에서, 3차 방전 상태에서의 합성 저항은 2차 방전 상태에서의 합성 저항값보다 감소하여 커패시터(C)의 방전 속도가 증가하게 된다. 여기서, 제어기(150)가 제1 스위치(S1) 및 제2 스위치(S2)를 모두 온 제어 상태가 합성 저항값이 최소화되어 방전 속도가 최대가 되도록 할 수 있지만, 커패시터(C)의 용량 및 내부 저항값 판단 용이를 위해 3차 방전 상태에서는 제1 스위치(S1)를 오프 제어하는 것으로 가정한다.
이때, 제1 저항(R1) 내지 제3 저항(R3)의 저항값은 다음과 같이 결정될 수 있다. 상시 연결 방전 저항인 제3 저항(R3)은 커패시터(C)의 상시 전력 소모량, 제1 저항(R1) 및 제2 저항(R2)은 각각 2차 방전 시간(t1~t2)에서의 커패시터(C)의 전력 소모량 및 3차 방전 시간(t2~t3)에서의 커패시터(C)의 전력 소모량을 고려하여 초기 설계시 결정될 수 있다.
이상 살펴본 바와 같이, 제어기(150)는 스위치를 각각 온 또는 오프 제어함으로써 커패시터(C)의 방전 속도를 단계별로 조절할 수 있다.
이하에서는, 제어기(150)의 커패시터(C)의 열화도 진단에 대하여 설명한다.
제어기(150)의 커패시터(C)의 열화도 진단을 위해서는 커패시터(C)의 용량 및 커패시터(C)의 내부 저항값이 먼저 판단되어야 한다. 제어기(150)는 서로 다른 방전 경로별로 방전 속도를 측정하여 커패시터(C)의 용량 및 내부 저항값을 판단할 수 있다. 도 3에 도시된 2차 방전 상태와 3차 방전 상태는 서로 다른 방전 경로가 나타나며, 이를 통해 커패시터(C)의 용량 및 내부 저항값 판단에 필요한 값을 모두 획득할 수 있다. 제어기(150)는 서로 다른 방전 경로별로 내부 저항값을 포함하는 등가 저항, 측정된 방전 속도에 대응되는 시정수 및 커패시터(C)의 용량 간의 관계를 기반으로 커패시터(C)의 용량(C) 및 내부 저항값(ESR)을 판단할 수 있다.
구체적으로, 커패시터(C)의 열화도 진단을 위한 커패시터(C)의 용량은 아래 수학식 1과 같은 관계를 가질 수 있다.
수학식 1 :
(C=커패시터(C)의 용량, τ1=제1 스위치가 온되고 제2 스위치가 오프된 상태에서의 시정수, Rj=제3 저항값, Rx1=제1 저항값, ESR=내부 저항값)
이때, 측정된 방전 속도에 대응되는 시정수(τ)는 커패시터(C)의 용량(C)와 저항값(R)의 곱으로 계산될 수 있다. 도 3에 도시된 2차 방전 시간(t1~t2)에서의 그래프의 변화율을 기반으로 2차 방전 속도에 대응되는 시정수인 제1 시정수(τ1)를 획득할 수 있다. 도 3의 2차 방전 상태에서, 제2 스위치(S2)는 오프 제어되어 있고, 제3 저항값(Rj)과 제1 저항값(Rx1)은 커패시터(C)와 병렬 연결되며, ESR이 커패시터(C)와 직렬 연결된 것으로 볼 수 있어 합성 저항값은 (Rj//Rx1)+ESR 으로 계산될 수 있다. 이때, ESR이 제1 내지 제3 저항(R3)의 크기 대비 매우 작은 값을 가진다면 ESR을 무시할 수 있는 수준으로 보아 합성 저항값은 (Rj//Rx1)으로 근사될 수 있다.
또한 내부 저항값은 아래 수학식 2과 같은 관계를 가질 수 있다.
수학식 2 :
(ESR=내부 저항값, τ2=제1 스위치가 오프되고 제2 스위치가 온된 상태에서의 시정수, C=커패시터(C)의 용량, Rj=제3 저항값, Rx2=제2 저항값)
내부 저항값은 수학식 1으로부터 판단된 커패시터(C)의 용량(C)를 기반으로 판단될 수 있다. 또한, 도 3에 도시된 3차 방전 시간(t2~t3)에서의 그래프의 변화율을 기반으로 3차 방전 속도에 대응되는 시정수인 제2 시정수(τ2)를 획득할 수 있다. 3차 방전 상태에서, 제1 스위치(S1)는 오프 제어되어 있고, 제3 저항값(Rj)과 제2 저항값(Rx2)은 커패시터(C)와 병렬 연결된 것으로 볼 수 있기 때문에 합성 저항값은 (Rj//Rx2)+ESR 으로 계산된다. 이때, 제3 저항값(Rj)이 제2 저항값(Rx2)보다 훨씬 큰 저항값을 가진다면 합성 저항값에 미치는 영향이 미미하기 때문에, 제3 저항값(Rj)은 무시할 수 있는 수준으로 보아 합성 저항값은 편의상 제2 저항값(Rx2)으로 근사될 수 있다. 따라서 합성 저항값을 ESR에 대하여 정리하면 수학식 2의 우측과 같이 정리될 수 있다.
전술한 수학식 1 및 수학식 2를 기반으로 판단된 커패시터(C)의 용량 및 내부 저항값을 기반으로 제어기(150)는 커패시터(C)의 열화도를 진단할 수 있다.
구체적으로, 커패시터(C)가 용량(Capacitance)이 점차 감소하게 됨에 따라 커패시터(C)의 열화가 진행된 것으로 볼 수 있다. 따라서, 제어기(150)는 제1 주기 마다 수학식 1에 의하여 판단된 커패시터(C)의 용량이 초기 상태에서의 커패시터(C)의 용량보다 점차 감소하는 경우, 커패시터(C)의 점차 열화도가 커지는 것으로 진단할 수 있다.
또한, 커패시터(C)의 내부 저항값이 증가하여 많은 열이 발생하면 커패시터(C)의 고장 가능성이 증가하므로, 내부 저항값이 증가할수록 커패시터(C)의 열화도가 커지는 것으로 볼 수 있다. 따라서, 제어기(150)는 제2 주기 마다 수학식 2에 의하여 판단된 내부 저항값(ESR)이 초기 커패시터(C)의 내부 저항값보다 점차 커지는 경우, 커패시터(C)의 열화도가 점차 커지는 것으로 진단할 수 있다. 제어기(150)가 커패시터(C)의 열화도를 진단함으로써 차량(100)의 양산 이후 커패시터(C)의 교체 시기 및 정비 시기를 조기에 판단할 수 있게 된다. 전술한 제1 주기 및 제2 주기는 고정된 값이 아니고 커패시터(C)의 용량 또는 내부 저항값 판단을 위하여 제어기(150)에 사전 설정될 수 있다.
한편, 도 4 및 도 5는 각각 본 발명의 다른 실시예에 따른 회로도이다.
도 4의 회로도는 제1 스위치(S1)와 직렬 연결된 제1 저항(R1) 및 상시 연결 방전 저항인 제3 저항(R3)으로 구성될 수 있다. 이 회로도 역시 제어기(150)가 제1 스위치(S1)를 제어하여 커패시터(C)의 방전 속도를 2단계로 조절할 수 있다.
도 5의 회로도는 상시 연결 방전 저항이 구성되지 않고 제1 스위치(S1)와 직렬 연결된 제1 저항(R1) 및 제2 스위치(S2)와 직렬 연결된 제2 저항(R2)으로 구성될 수 있다. 이에 따라, 차량(100) 구동 시에는 제1 저항(R1) 및 제2 저항(R2)에 대한 연결을 끊을 수 있기 때문에 항시 소모되는 전력을 저감할 수 있는 장점이 존재한다. 이 회로도는 상시 연결 방전 저항이 존재하지 않기 때문에, 제어기(150)가 제1 스위치(S1) 또는 제2 스위치(S2) 중 하나를 상시 연결 방전 모드로 제어하여 제1 스위치(S1) 또는 제2 스위치(S2) 중 하나가 항상 온 제어된 상태를 유지하도록 할 수 있다.
상술한 차량(100) 구성을 바탕으로 실시예에 따른 차량(100)의 제어 방법(S200)을 설명한다.
먼저, 배터리(110)와 병렬 연결되어 배터리(110)에 의해 충전되는 커패시터(C), 커패시터(C)와 병렬 연결되며 제1 스위치(S1)와 직렬 연결된 제1 저항(R1), 커패시터(C) 및 제1 저항(R1)과 병렬 연결된 제2 저항(R2)을 포함하는 차량(100)에서 제어기(150)는 제1 스위치(S1)를 오프시키고 커패시터(C)의 제1 방전 속도를 측정하게 된다(S201). 제어기(150)는 제1 스위치(S1)를 온시키고 커패시터(C)의 제2 방전 속도를 측정할 수 있다(S202). 이후, 제어기(150)는 제1 방전 속도, 제2 방전 속도, 제1 저항값 및 제2 저항값을 기반으로 커패시터(C)의 용량 및 내부 저항값을 판단할 수 있다(S203). 이후 판단된 커패시터(C)의 용량 및 내부 저항값을 통해, 커패시터(C)의 열화도가 진단될 수 있다(S204).
본 발명에 따른 차량(100)의 제어 방법의 각 단계에서의 세부적인 기술적 특징은 앞서 설명한 본 발명에 따른 차량(100)에서의 각 구성의 기술적 특징과 동일 또는 유사하므로 그에 대한 상세한 설명은 생략하기로 한다.
지금까지 설명한 실시예들에 의하면, 제어기가 커패시터의 방전 속도를 단계별로 조절할 수 있어 다단 방전으로 방전 속도를 개선할 수 있고, 커패시터의 용량 및 커패시터가 가지고 있는 고유한 내부 저항값(ESR)의 판단이 가능하여 커패시터의 열화도를 상시 측정 가능하도록 할 수 있다. 또한, 상시 측정된 커패시터의 열화도를 기반으로 커패시터의 최적 설계시, 데이터로 활용이 가능할 뿐만 아니라 양산 이후 커패시터의 교체 및 정비를 적시에 조치할 수 있게 된다.
본 발명의 특정한 실시예에 관련하여 도시하고 설명하였지만, 이하의 특허청구범위에 의해 제공되는 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 한도 내에서, 본 발명이 다양하게 개량 및 변화될 수 있다는 것은 당 업계에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어서 자명할 것이다.
C : 커패시터 ESR : 커패시터의 내부 저항값
R1 : 제1 저항 R2 : 제2 저항
R3 : 제3 저항 S1 : 제1 스위치
S2 : 제2 스위치 100 : 차량
110 : 배터리 120 : 방전 회로
130 : 파워 모듈 140 : 모터
150 : 제어기

Claims (15)

  1. 배터리와 병렬 연결되어 배터리에 의해 충전되는 커패시터;
    커패시터와 병렬 연결된 제1 저항;
    제1 저항과 직렬 연결된 제1 스위치;
    커패시터 및 제1 저항과 병렬 연결된 제2 저항; 및
    제1 스위치를 제어하여 커패시터에 서로 다른 방전 경로를 제공하고, 서로 다른 방전 경로별로 방전 속도를 측정하여 커패시터의 열화도를 진단하는 제어기;를 포함하는, 차량.
  2. 청구항 1에 있어서,
    제2 저항과 직렬 연결되며, 제어기에 의해 온(ON)/오프(OFF) 상태가 제어되는 제2 스위치;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 차량.
  3. 청구항 2에 있어서,
    커패시터, 제1 저항 및 제2 저항과 병렬 연결된 제3 저항;을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 차량.
  4. 청구항 2에 있어서,
    제어기는,
    제1 스위치 및 제2 스위치 중 적어도 하나의 스위치를 제어하여 커패시터의 방전 속도를 단계별로 조절하는 것을 특징으로 하는 차량.
  5. 청구항 4에 있어서,
    제어기는,
    제1 스위치 및 제2 스위치가 오프된 상태에서,
    제1 스위치 및 제2 스위치를 상보적으로 온/오프 제어함으로써 커패시터의 방전 속도를 단계별로 조절하도록 하는 것을 특징으로 하는 차량.
  6. 청구항 3에 있어서,
    제어기는,
    서로 다른 방전 경로별로 내부 저항값을 포함하는 등가 저항, 측정된 방전 속도에 대응되는 시정수 및 커패시터의 용량 간의 관계를 기반으로 커패시터의 용량 및 내부 저항값을 판단하는 것을 특징으로 하는 차량.
  7. 청구항 6에 있어서,
    커패시터의 용량은,
    제1 스위치가 온되고 제2 스위치가 오프된 상태에서의 시정수를 제1 저항값과 제3 저항값의 합성 저항값으로 나누어 구해지는 것을 특징으로 하는 차량.
  8. 청구항 7에 있어서,
    내부 저항값은,
    제1 스위치가 오프되고 제2 스위치가 온된 상태에서의 시정수를 커패시터의 용량으로 나눈 후 제2 저항값을 차감하여 구해지는 것을 특징으로 하는 차량.
  9. 청구항 6에 있어서,
    제어기는,
    판단된 커패시터의 용량 또는 내부 저항값을 기반으로 커패시터의 열화도를 진단하는 것을 특징으로 하는 차량.
  10. 청구항 9에 있어서,
    제어기는,
    제1 주기로 판단된 커패시터의 용량이 초기 용량보다 점차 감소하는 경우, 커패시터의 열화도가 커지는 것으로 진단하는 것을 특징으로 하는 차량.
  11. 청구항 9에 있어서,
    제어기는,
    제2 주기로 판단된 내부 저항값이 초기 저항값보다 점차 커지는 경우, 커패시터의 열화도가 커지는 것으로 진단하는 것을 특징으로 하는 차량.
  12. 배터리와 병렬 연결되어 배터리에 의해 충전되는 커패시터; 커패시터와 병렬 연결된 제1 저항; 제1 저항과 직렬 연결된 제1 스위치; 커패시터 및 제1 저항과 병렬 연결된 제2 저항을 포함하는 차량에서 제1 스위치를 오프시키고 커패시터의 제1 방전 속도를 측정하는 단계;
    제1 스위치를 온시키고 커패시터의 제2 방전 속도를 측정하는 단계; 및
    제1 방전 속도, 제2 방전 속도, 제1 저항값 및 제2 저항값을 기반으로 커패시터의 열화도를 진단하는 단계;를 포함하는 차량의 제어 방법.
  13. 청구항 12에 있어서,
    제1 방전 속도, 제2 방전 속도, 제1 저항값 및 제2 저항값을 기반으로 판단된 커패시터의 용량 또는 내부 저항값을 기반으로 커패시터의 열화도를 진단하는 단계;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 차량의 제어 방법.
  14. 청구항 13에 있어서,
    커패시터의 열화도를 진단하는 단계는,
    제1 주기로 판단된 커패시터의 용량이 초기 용량보다 점차 감소하는 경우, 커패시터의 열화도가 커지는 것으로 진단하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 차량의 제어 방법.
  15. 청구항 13에 있어서,
    커패시터의 열화도를 진단하는 단계는,
    제2 주기로 판단된 내부 저항값이 초기 저항값보다 점차 커지는 경우, 커패시터의 열화도가 커지는 것으로 진단하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 차량의 제어 방법.



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