하이브리드 차량용 외장형 오일펌프 제어장치에 대한 연구 = A Study on external Oil Pump control Unit for the Hybrid vehicle

국문 초록 (Abstract)

일반적으로, 하이브리드 차량(Hybrid Electric Vehicle)은 내연 엔진과 전기 자동차의 배터리 엔진을 동시에 장착하거나, 차체의 무게를 획기적으로 줄여 공기의 저항을 최소화하는 등 기존의 일반 차량에 비해 연비 및 유해 가스 배출량을 획기적으로 줄인 차세대 차량을 말한다.
하이브리드 차량에는 변속기 내부에 구비된 오일펌프 외에도 엔진 클러치와 연결된 외장형 오일펌프가 변속기 외부에 더 구비되어 엔진 클러치와 변속기에 충분한 양의 작동유가 공급될 수 있도록 하고 있다. 통상의 오일펌프는 차량의 운행 상태 및 운전자의 조작 상태에 따라 시스템 효율 및 운전 응답성을 고려하여 저속 및 고속으로 제어되지만, 하이브리드 차량에서는 외장형 오일펌프 제어장치 및 제어방법이 매우 복잡하며 많은 개선이 필요한 실정이다.
본 연구에서는 하이브리드 차량에 적용되는 외장형 오일펌프에 다양한 제어 조건을 설정함으로써 제어 목표치에 근접할 수 있도록 구동 오차가 최소화되는 하이브리드 차량용 외장형 오일펌프 제어장치를 개발하였다. 본 연구에서 제안한 외장형 오일펌프 제어장치는 기본적으로 상시 전원, IG 전원, 릴레이 전원 세 가지를 공급 받아 동작한다. 정격 동작시의 전류가 30A이상이고 최대 전류는 45A까지 흐르는 모터를 구동하도록 제어장치가 구성되었다. 모터 RPM은 0 ~ 2500RPM 사이를 20RPM 단위로 구동이 가능하다. 모든 전자 부품은 자동차용 규격 부품을 사용했으며 하드웨어적으로는 엔진 룸에 장착되므로 -30 ~ 125도의 온도에서 동작이 가능하다. 또한 내분진, 방수등급도 최고 등급을 만족하고 에어 벤트홀을 통해 습도 유지 기능도 포함하고 있다. 개발된 오일펌프 제어 시스템은 성능시험과 환경시험을 거쳤으며 하이브리드 차량에 적용될 수 있는 신뢰성을 갖춘 것으로 판명되었다.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

A hybrid electric vehicle (HEV) is a type of hybrid vehicle and electric vehicle which combines a conventional internal combustion engine (ICE) propulsion system with an electric propulsion system. The presence of the electric powertrain is intended to achieve either better fuel economy than a conventional vehicle, or better performance.
For hybrid electric vehicles with an internal combustion engine and an automatic transmission, it is preferable if the engine shuts down while the vehicle is stopped. By stopping the engine, the fuel economy of the vehicle is improved. However, the main transmission oil pump, which is typically driven by the rotation of the transmission input shaft, will stop pumping oil when the engine stops. But there is still a need for enough oil pressure to keep the clutches that are active in first gear (forward and low-reverse) stroked(i.e. engaged), so that the vehicle can immediately provide torque to the drive wheels when the vehicle operator demands a vehicle launch. For this reason, hybrid electric vehicle needs an auxiliary oil pump. A shut down shuttle valve switches a hydraulic circuit connection from the main pump to the auxiliary pump for a low-reverse clutch and a forward clutch when the vehicle stops in drive or low gear.
In this paper, we develop a control system for auxiliary oil pumps used in hybrid electric vehicles. The control system is designed to minimize actuation errors while satisfying various controller conditions. The proposed controller for auxiliary oil pumps is powered by three kinds of voltage source - normal power, IG power, and relay power. In rating operation of the controller, current value is ranged from 30A to 45A. The RPM of the motor is ranged between 0∼2500 RPM with a step of 20 RPM. Every electric component in the control system complies with the standard specification of the vehicle and is operated in the temperature of -30∼125 ℃. The control system also guarantees the supreme degree of dust-proof and water-proof, and has humidity regulation ability through air-vent holes. The experimental results verify the integrity and applicability of the proposed control system.

목차 (Table of Contents)

• 제 1 장 서론 1
• 1.1 연구 배경 및 동향 1
• 1.2 연구 목적 2
• 1.3 연구 범위 2
• 제 2 장 이론적 배경 4
• 2.1 브러시리스 DC 모터(Brushless DC Motor) 4
• 2.1.1 브러시리스 DC 모터의 특징 4
• 2.1.2 브러시리스 DC 모터의 전자구조에 의한 분류 5
• 2.2 모터의 동작 원리 및 특성 7
• 2.2.1 토크가 발생하는 구조 7
• 2.2.2 브러시리스 DC 모터의 동작 원리 9
• 2.2.3 3상 120°통전 방식 11
• 2.2.4 3상 180°통전 방식 13
• 2.3 브러시리스 DC 모터의 구동방법 및 특성 16
• 2.3.1 모터에 작용되는 힘 16
• 2.3.2 모터의 복원력과 안정점 19
• 2.3.3 모터 정지 20
• 2.3.4 탈조 21
• 2.3.5 로터 위치 파악 21
• 2.3.6 속도 제어 23
• 2.3.7 위치 제어 24
• 2.4 모터 3상 출력회로 25
• 2.4.1 힘,토크,파워의 관계 25
• 2.4.2 모터 구동에서의 4상한 동작 26
• 2.4.3 DC 모터의 등가회로 27
• 2.4.4 DC 모터의 회전수 전압 제어 29
• 2.4.5 리니어 앰프 구동과 PWM 앰프 구동 30
• 2.4.6 모터의 PWM 구동 방식 34
• 2.4.7 PWM 구동에서의 모터 전류 검출 방법 46
• 제 3 장 오일 펌프 제어장치의 설계 50
• 3.1 구성 및 기능 50
• 3.1.1 기능 설명 50
• 3.1.2 블록 다이어 그램 51
• 3.1.3 보드 부품 지시도 52
• 3.2 하드웨어 사양 53
• 3.2.1 마이컴(Microcontroller Unit) 53
• 3.2.2 모터 컨트롤러(Motor Controller) 55
• 3.2.3 커넥터 핀 배열(Connector Pin Assignment) 57
• 3.2.4 기능적 요구조건 58
• 3.2.5 기계적 요구조건 60
• 3.2.6 환경적 요구조건 60
• 3.3 소프트웨어 사양 61
• 3.3.1 입력 사양(Inputs) 61
• 3.3.2 출력 사양(Outputs) 65
• 3.3.3 기본 기능(Basic Function) 66
• 3.3.4 진단 오류 관리(Diagnostic Fault Management) 69
• 제 4 장 오일 펌프 제어장치의 동작 및 시험 72
• 4.1 제어장치와 모터간의 매칭 72
• 4.2 제어장치의 기본 성능 및 효율 측정 76
• 4.3 한계 동작 시험 78
• 4.4 FET 발열 시험 82
• 제 5 장 결론 84
• 참고문헌 85
• 영문초록 88
• 국문초록 91
• 감사의 말씀 93