KR101382306B1 - 하이브리드 자동차의 배터리 관리장치 및 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 자동 정속주행에서 배터리의 충방전을 실행하는 기준영역을 가변 확장시켜 연비 향상을 제공하도록 하는 하이브리드 자동차의 배터리 관리장치 및 방법이 개시된다.
본 발명은 운전요구와 배터리의 SOC에 따라 운전점을 결정하여 엔진과 모터의 출력을 제어하는 과정, 모터로 배터리를 충전하는 자동 정속주행에서 배터리의 SOC가 High SOC Band에 진입되어 방전지향 운전으로 전환되는 경우 방전지향 운전을 해제하기 위한 기준 전압영역을 가변 설정하는 과정, 모터로 배터리를 방전하는 자동 정속주행에서 배터리의 SOC가 Low SOC Band에 진입되어 충전지향 운전으로 전환되는 경우 충전지향 운전을 해제하기 위한 기준 전압영역을 가변 설정하는 과정을 포함한다.

Description

하이브리드 자동차의 배터리 관리장치 및 방법{SYSTEN FOR BATTERY MANAGEMENT OF HYBRID VEHICLE AND METHOD THEREOF}

본 발명은 하이브리드 자동차에 관한 것으로, 보다 상세하게는 자동 정속주행에서 배터리의 충방전을 실행하는 기준영역을 가변 확장시켜 연비 향상을 제공하도록 하는 하이브리드 자동차의 배터리 관리장치 및 방법에 관한 것이다.

자동차에 대한 연비 향상의 요구와 배출가스 규제의 강화에 따라 친환경 자동차에 대한 요구가 증가하고 있으며, 이에 대한 현실적인 대안으로 하이브리드 자동차가 제공되고 있다.

하이브리드 자동차는 좁은 의미로, 연료전지 자동차, 전기자동차와 구별될 수 있으나, 본 명세서에서 하이브리드 자동차의 의미는 순수 전기자동차와 연료전지 자동차를 포괄하는 것으로 하나 이상의 배터리가 구비되고, 배터리에 저장된 에너지가 자동차의 구동력으로 사용되는 자동차를 지칭한다.

하이브리드 자동차는 동력원으로 엔진과 모터가 적용되며, 주행상황에 따라 엔진과 모터의 특성을 발휘되어 연비 향상과 배기가스 절감을 제공한다.

하이브리드 자동차는 엔진과 모터로 구성되는 두 개의 동력원으로 주행하는 과정에서 엔진과 모터를 어떻게 조화롭게 동작시키느냐에 따라 추가적인 연비 향상을 도모할 수 있다.

하이브리드 자동차에서는 일반주행과 자동 정속주행(Auto Cruise)에서 동일한 운전전략(동력분배)을 사용한다.

일반 주행에서는 운전자가 장시간 균등한 상황, 예를 들어 고속도로를 일정속도로 장시간 운전할 때 가속페달의 변위와 브레이크 페달의 변위는 동일하게 유지할 수 없다.

그러나, 자동 정속주행으로 운전하는 경우 동일한 요구 토크로 움직이게 되며, 효율이 좋은 운전점으로 지속 운전하게 된다.

이때, 모터로 방전하는 운전점이 최대 효율이 되는 경우 모터는 배터리 방전을 지속하게 되고, 모터로 충전하는 운전점이 최대 효율이 되는 경우 모터는 배터리 충전을 지속하게 된다.

따라서, 도 4에서 알 수 있는 바와 같이, 배터리의 SOC(State Of Charge)가 정상적인 운전점을 갖는 Normal SOC Band의 상태에서 방전이 지속되어 배터리의 SOC가 Low SOC Band에 진입되면, 충전지향으로 운전점을 보정한다.

이때, Low SOC Band가 해제되는 기준전압(V11)을 설정한 다음 모터에 의한 배터리 충전이 실행하며, Low SOC Band와 기준전압(V11)의 사이에서 히스테리시스를 갖고 충방전을 지속적으로 실행한다.

또한, 배터리의 SOC가 정상적인 운전점을 갖는 Normal SOC Band의 상태에서 충전이 지속되어 배터리의 SOC가 High SOC Band에 진입되면 방전지향으로 운전점을 보정한다.

그러나, 전술한 바와 같이, 배터리의 High SOC Band 혹은 Low SOC Band에서 방전지향 운전점 혹은 충전지향 운전점으로 보정되어 충방전이 반복적으로 실행됨에 따라 연비 및 배터리 팩의 내구성을 악화시키는 문제점을 발생시킨다.

본 발명은 상기한 문제점을 해결하기 위하여 제안된 것으로서, 본 발명의 목적은 모터로 충전 혹은 방전하는 운전점이 최대 효율을 갖는 상태에서 자동 정속주행이 실행되면 충방전을 실행하는 기준 전압영역을 주행상황에 따라 가변 확장시켜 불필요한 충방전 동작이 발생되지 않도록 하여 연비향상과 내구성을 제공하는데 있다.

상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위해 본 발명의 특징에 따르면, 고전압이 저장되는 배터리; 배터리의 전압에 의해 전동기로 동작되고, 회생제동시 발전기로 동작되어 배터리의 충전을 제공하는 모터; 가속페달의 변위, 브레이크 페달의 변위, 자동 정속주행의 선택 정보를 하이브리드 제어기에 제공하는 운전정보검출부; 운전요구와 배터리의 SOC에 따라 최적의 운전점으로 엔진과 모터의 출력을 제어하고, 모터로 배터리를 충전하는 자동 정속주행 과정에서 배터리의 SOC가 High SOC Band에 진입되어 방전지향 운전으로 전환되는 경우 방전지향 운전을 해제하기 위한 기준 전압영역을 가변 확장하여 설정하는 하이브리드 제어기를 포함하는 하이브리드 자동차의 배터리 관리장치가 제공된다.

상기 하이브리드 제어기는 모터로 배터리를 방전하는 자동 정속주행에서 배터리의 SOC가 Low SOC Band에 진입되어 충전지향 운전으로 전환되는 경우 충전지향 운전을 해제하기 위한 기준 전압영역을 가변 확장하여 설정할 수 있다.

상기 하이브리드 제어기는 상기 충전 및 방전지향 운전을 해제하기 위한 기준 전압영역은 도로의 경사도(구배로)에 따라 가변되며, 경사도가 클수록 일반 주행의 히스테리시스와 근접되게 설정될 수 있다.

또한, 본 발명의 다른 특징에 따르면, 운전요구와 배터리의 SOC에 따라 운전점을 결정하여 엔진과 모터의 출력을 제어하는 과정; 모터로 배터리를 충전하는 자동 정속주행에서 배터리의 SOC가 High SOC Band에 진입되어 방전지향 운전으로 전환되는 경우 방전지향 운전을 해제하기 위한 기준 전압영역을 가변 설정하는 과정; 모터로 배터리를 방전하는 자동 정속주행에서 배터리의 SOC가 Low SOC Band에 진입되어 충전지향 운전으로 전환되는 경우 충전지향 운전을 해제하기 위한 기준 전압영역을 가변 설정하는 과정을 포함하는 하이브리드 자동차의 배터리 관리방법이 제공된다.

상기 자동 정속주행이 아닌 일반주행에서는 충방전 지향운전을 해제하기 위한 기준 전압을 설정된 고정값으로 적용할 수 있다.

상기 자동 정속주행에서 충방전 지향운전을 해제하기 위한 가변 영역은 경사도의 조건이 적용되어 설정될 수 있다.

이와 같이 본 발명의 실시예에 따르면, 최대 효율의 운전영역에서 자동 정속주행이 실행되는 경우 배터리의 충방전을 결정하는 기준 전압영역을 주행상황에 따라 가변 확장함으로써, 불필요한 충방전 동작이 배제되어 연비향상과 배터리의 내구성을 제공할 수 있다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 하이브리드 자동차의 배터리 관리장치를 도시한 도면이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 하이브리드 자동차에서 배터리 관리를 실행하는 흐름도이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 하이브리드 자동차에서 배터리 관리 실행을 도시한 도면이다.
도 4는 종래의 하이브리드 자동차에서 배터리 관리 실행을 도시한 도면이다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세하게 설명하면 다음과 같다.

본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으므로, 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않으며, 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위하여 설명과 관계없는 부분은 생략하였다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 하이브리드 자동차의 배터리 관리장치를 도시한 도면이다.

도 1을 참조하면, 본 발명의 실시예는 운전정보검출부(101)와 ECU(Engine Control Unit : 102), HCU(Hybrid Control Unit : 103), CCU(Clutch Control Unit : 104), PCU(Power Control Unit : 105), 배터리(106), BMS(Battery Management System : 107), 엔진(200), HSG(Hybrid Starter and Generater : 210), 엔진클러치(250), 모터(300), 변속기(400)를 포함한다.

운전정보검출부(101)는 운전자가 작동시키는 가속페달의 변위, 브레이크 페달의 변위, 자동 정속주행모드의 선택 등의 정보를 검출하여 HCU(103)에 제공한다.

ECU(102)는 네트워크로 연결되는 HCU(103)와 연동하여 엔진(200)의 제반적인 동작을 제어하며, 엔진(200)의 동작 상태정보를 HCU(103)에 제공한다.

HCU(103)는 최상위 제어기로, 운전정보검출부(101)에서 제공되는 운전요구와 BMS(107)에서 제공되는 배터리(106)의 SOC에 따라 최적의 운전점을 선택하여 엔진(200)과 모터(300)의 출력 속도 및 토크를 제어한다.

상기 HCU(103)는 모터(300)로 배터리(106)를 충전하는 운전점이 최대의 효율을 갖는 자동 정속주행에서 배터리(106)의 SOC가 High SOC Band에 진입되어 방전지향 운전으로 전환되는 경우 방전지향 운전을 해제하기 위한 기준 전압영역을 주행상황에 따라 확장 가변시켜 주행중 모터의 잦은 충방전 동작이 발생되지 않도록 제어한다.

또한, 상기 HCU(103)는 모터(300)로 배터리(106)를 방전하는 운전점이 최대의 효율을 갖는 자동 정속주행에서 배터리(106)의 SOC가 Low SOC Band에 진입되어 충전지향 운전으로 전환되는 경우 충전지향 운전을 해제하기 위한 기준 전압영역을 주행상황에 따라 확장 가변시켜 주행중 모터의 잦은 충방전 동작이 발생되지 않도록 제어한다.

상기 방전지향 운전 혹은 충전지향 운전을 해제하기 위한 기준 전압영역은 운행되는 도로의 경사도(구배로)에 따라 가변되며, 경사도가 클수록 일반 주행의 히스테리시스와 근접되게 설정될 수 있다.

CCU(104)는 네트워크로 연결되는 HCU(103)의 제어에 따라 변속기(400)에 구비되는 액추에이터를 제어하여 목표 변속단의 결합을 제어하고, 엔진클러치(250)에 공급되는 유량을 제어하여 엔진클러치(250)의 결합 및 해제를 실행함으로써, 엔진(200)의 동력 전달을 단속한다.

PCU(105)는 MCU(Motor Control Unit)와 복수개의 전력 스위칭소자로 구성되는 인버터 및 보호회로를 포함하며, 상기 HCU(103)에서 인가되는 제어신호에 따라 배터리(106)에서 공급되는 직류전압을 3상 교류전압으로 변환시켜 모터(300)를 구동을 제어한다.

상기 PCU(105)에 포함되는 전력 스위칭소자는 IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor), MOSFET, 트랜지스터, 릴레이 중 어느 하나로 구성될 수 있다.

그리고, 상기 PCU(105)에 포함되는 보호회로는 구동전원의 흐름을 감시하고, 차량의 추돌이나 충돌, 낙뢰 등 다양한 원인에 의해 구동전원에 과전압, 과전류가 유입되는 경우 구동전원을 분산 혹은 차단시켜 하이브리드 차량에 구비되는 제반 시스템을 보호하고, 탑승자를 고압으로부터 안정되게 보호한다.

배터리(106)는 HEV모드에서 엔진(200)의 출력을 보조하기 위하여 모터(300)에 전원을 공급하고, 회생제동 제어로 모터(300)에서 발전되는 전압을 충전한다.

그리고, EV모드에서 모터(300)에 전원을 공급하고, 회생제동 제어시 발전기로 동작되는 모터(300)에서 생성되는 전압을 충전한다.

BMS(107)는 배터리(106)의 전압, 전류, 온도 등의 정보를 종합 검출하여 충전상태를 관리 제어한다.

BMS(107)는 상기 HCU(103)의 제어에 따라 배터리(106)의 출력을 단속하는 메인 릴레이를 온 혹은 오프로 제어하며, 자동 정속주행에서 결정되는 충방전 지향운전 영역을 적용하여 배터리(106)의 충방전 동작을 제어한다.

엔진(200)은 ECU(102)의 제어에 따라 최적의 운전점으로 구동 제어된다.

HSG(210)는 차량의 운전상황에 따라 엔진(200)의 아이들 정지 및 재시동을 실행시킨다.

엔진클러치(250)는 엔진(200)과 모터(300)의 사이에 배치되고, CCU(104)의 제어에 따라 동작되어 엔진(200)과 모터(300)간의 동력 전달을 단속한다.

모터(300)는 PCU(105)를 통해 공급되는 3상 교류전압으로 구동되어 엔진(200)의 출력토크를 지원하고, 엔진(200)의 출력에 잉여 토크가 있는 경우나 제동시 발전기로 동작된다.

변속기(400)는 상기 CCU(104)의 제어에 따라 변속비가 조정되며, 운전모드에 따라 클러치(250)를 통해 합산되어 인가되는 출력토크를 변속비로 분배하여 구동륜에 전달시켜 자동차가 주행될 수 있도록 한다.

상기 변속기(400)는 자동변속기 혹은 무단변속기로 적용될 수 있다.

상기한 기능을 포함하는 본 발명에 따른 하이브리드 자동차에서 통상적인 동작은 종래의 하이브리드 자동차와 동일 내지 유사하게 실행되므로 이에 대한 구체적인 설명은 생략한다.

본 발명은 모터의 충방전에 따른 운전점이 최대의 효율을 갖는 자동 정속주행에서 충방전 지향 운전의 해제 영역을 가변 확장시켜 배터리의 SOC를 안정되게 관리하며, 이에 따라 연비향상을 제공하기 위한 발명이므로, 이에 대한 동작에 대해서만 구체적으로 설명한다.

도 2는 본 발명의 실시예에 따른 하이브리드 자동차의 배터리 관리절차를 개략적으로 도시한 흐름도이다.

도 2를 참조하면, 본 발명이 적용되는 하이브리드 자동차가 운행되는 상태에서 운전정보검출부(101)는 운전자가 작동하는 가속페달의 변위, 브레이크 페달의 변위 등의 정보를 검출하여 HCU(103)에 제공한다(S101).

따라서, HCU(103)는 가속페달의 변위 및 브레이크 페달의 변위로부터 운전요구를 검출하고(S102), BMS(107)에서 제공되는 배터리(106)의 SOC에 따라 엔진(200)과 모터(300)의 토크가 최대의 효율을 갖는 운전점을 결정한 다음 ECU(102)를 통해 엔진(200)을 제어하고, PCU(105)를 통해 모터(300)의 동작을 제어한다(S103).

상기와 같이 모터(300)가 최대의 효율을 갖는 운전점으로 동작되는 상태에서 BMS(107)에서 제공되는 배터리(106)의 SOC가 'High SOC'인지를 판단한다(S104).

상기 S104에서 배터리(106)의 SOC가 'High SOC'를 유지하는 상태이면 일정속도를 지속적으로 유지하는 자동 정속주행이 선택되는지 판단한다(S105).

상기 S105에서 자동 정속주행의 선택이 검출되면 경사도를 적용한 주행상황에 따라 방전지향 운전을 해제하기 위한 기준 전압영역을 주행상황에 따라 확장 가변 설정하여(S106) 주행중 모터(300)에 의한 배터리(106)의 잦은 충방전 동작이 발생되지 않도록 제어한다(S108).

그러나, 상기 S105에서 자동 정속주행이 선택되지 않는 일반 주행이면, 방전지향 운전을 해제하기 위한 기준 전압영역을 기 설정된 영역으로 고정시켜 적용한다(S107).

예를 들어, 도 3에서 알 수 있는 바와 같이, 모터(300)로 배터리(106)를 충전하는 운전점이 최대 효율을 갖는 상태에서 배터리(106)의 SOC가 High SOC에 도달하여 방전지향 운전으로 전환되는 경우 방전지향 운전을 해제하기 위한 기준 전압영역을 기 설정된 V12의 전압에서 V22의 전압으로 △V2 만큼 확장시킴으로써, "A"영역의 폭에서 충방전이 실행되도록 하여 잦은 충방전 동작이 발생되지 않아 연비향상을 제공한다.

그러나, 일반 운전인 경우에는 방전지향 운전을 해제하기 위한 기준전압을 기 설정된 V12로 적용하여 'a' 영역의 폭에서 충방전이 실행되도록 한다.

또한, 상기 S104의 판단에서 배터리(106)의 SOC가 High SOC를 유지하지 않으면 'Low SOC'를 유지하는 상태인지 판단한다(S110).

상기 S110의 판단에서 배터리(106)의 SOC가 'Low SOC'를 유지하는 상태이면 일정속도를 지속적으로 유지하는 자동 정속주행이 선택되는지 판단한다(S111).

상기 S111에서 자동 정속주행의 선택이 검출되면 경사도를 적용한 주행상황에 따라 충전지향 운전을 해제하기 위한 기준 전압영역을 주행상황에 따라 확장 가변 설정하여(S112) 주행중 모터(300)에 의한 배터리(106)의 잦은 충방전 동작이 발생되지 않도록 제어한다(S108).

그러나, 상기 S111에서 자동 정속주행이 선택되지 않는 일반 주행이면, 충전지향 운전을 해제하기 위한 기준 전압영역을 기 설정된 영역으로 고정시켜 적용한다(S113).

예를 들어, 도 3에서 알 수 있는 바와 같이, 모터(300)로 배터리(106)를 방전하는 운전점이 최대 효율을 갖는 상태에서 배터리(106)의 SOC가 Low SOC에 도달하여 충전지향 운전으로 전환되는 경우 충전지향 운전을 해제하기 위한 기준 전압영역을 기 설정된 V11의 전압에서 V21의 전압으로 △V1 만큼 확장시킴으로써, "B"영역의 폭에서 충방전이 실행되도록 하여 잦은 충방전 동작이 발생되지 않아 연비향상을 제공한다.

그러나, 일반 운전인 경우에는 방전지향 운전을 해제하기 위한 기준전압을 기 설정된 V11로 적용하여 'b' 영역의 폭에서 충방전이 실행되도록 한다.

이상에서는 본 발명의 실시예에 대하여 설명하였으나, 본 발명의 사상은 본 명세서에 제시되는 실시 예에 제한되지 아니하며, 본 발명의 사상을 이해하는 당업자는 동일한 사상의 범위 내에서 구성요소의 부가, 변경, 추가, 삭제 등에 의해서 다른 실시 예를 용이하게 제안할 수 있을 것이나, 이 또한 본 발명의 사상범위 내에 포함된다고 할 것이다.

101 : 운전정보검출부 102 : ECU
103 : HCU 106 : 배터리
107 : BMS 300 : 모터

Claims (6)

1. 고전압이 저장되는 배터리;
   배터리의 전압에 의해 전동기로 동작되고, 회생제동시 발전기로 동작되어 배터리의 충전을 제공하는 모터;
   가속페달의 변위, 브레이크 페달의 변위, 자동 정속주행의 선택 정보를 하이브리드 제어기에 제공하는 운전정보검출부;
   운전요구와 배터리의 SOC에 따라 최적의 운전점으로 엔진과 모터의 출력을 제어하는 하이브리드 제어기;
   를 포함하고,
   상기 하이브리드 제어기는 모터로 배터리를 충전하는 자동 정속주행 과정에서 배터리의 SOC가 High SOC Band에 진입되어 방전지향 운전으로 전환되는 경우 방전지향 운전을 해제하기 위한 배터리 SOC의 기준 전압영역을 확장하고,
   모터로 배터리를 방전하는 자동 정속주행에서 배터리의 SOC가 Low SOC Band에 진입되어 충전지향 운전으로 전환되는 경우 충전지향 운전을 해제하기 위한 배터리 SOC의 기준 전압영역을 확장하는 것을 특징으로 하는 하이브리드 자동차의 배터리 관리장치.
2. 삭제
3. 제1항에 있어서,
   상기 하이브리드 제어기는 상기 충전 및 방전지향 운전을 해제하기 위한 기준 전압영역은 도로의 경사도(구배로)에 따라 가변되며, 경사도가 클수록 일반 주행의 히스테리시스와 근접되게 설정되는 것을 특징으로 하는 하이브리드 자동차의 배터리 관리장치.
4. 운전요구와 배터리의 SOC에 따라 운전점을 결정하여 엔진과 모터의 출력을 제어하는 하이브리드 자동차의 배터리 관리방법에 있어서,
   자동 정속주행에서 모터가 배터리를 충전할 때 배터리의 SOC가 High SOC Band에 진입되어 방전지향 운전으로 전환되는 경우 방전지향 운전을 해제하기 위한 기준 전압영역을 확장하는 과정;
   자동 정속주행에서 모터가 배터리를 방전시킬 때 배터리의 SOC가 Low SOC Band에 진입되어 충전지향 운전으로 전환되는 경우 충전지향 운전을 해제하기 위한 기준 전압영역을 확장하는 과정;
   을 포함하는 하이브리드 자동차의 배터리 관리방법.
5. 제4항에 있어서,
   상기 자동 정속주행이 아닌 일반주행에서는 충방전 지향운전을 해제하기 위한 기준 전압을 설정된 고정값으로 적용하는 것을 특징으로 하는 하이브리드 자동차의 배터리 관리방법.
6. 제4항에 있어서,
   상기 자동 정속주행에서 충방전 지향운전을 해제하기 위한 기준 전압영역은 경사도의 조건이 적용되어 설정되는 것을 특징으로 하는 하이브리드 자동차의 배터리 관리방법.

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