KR101198808B1 - 하이브리드 차량에서의 엔진 아이들 제어 방법 - Google Patents
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Abstract
하이브리드 차량의 모터를 이용하여 엔진 아이들을 제어하는 방법은 배터리의 SOC(Stage Of Charge)에 따라 모터에 의한 배터리의 충전량을 결정하는 단계, 상기 배터리의 충전량에 따른 엔진의 목표 속도 및 엔진 토크를 결정하는 단계, 상기 엔진의 엔진 목표 속도 및 상기 엔진 토크에 대응하는 상기 모터의 목표 속도 및 충전 토크를 결정하는 단계, 상기 모터의 목표 속도와 현재의 모터 속도 간의 편차를 이용하여 상기 모터의 속도 제어 토크를 결정하는 단계, 및 상기 모터의 충전 토크와 속도 제어 토크를 합하여 상기 모터의 최종 모터 토크를 결정하는 단계를 포함한다. 하이브리드 차량의 엔진 아이들 연비를 향상시킬 수 있고, 엔진 아이들에서의 배터리 충전의 안정성을 향상시킬 수 있다.
Description
본 발명은 하이브리드 차량에서의 엔진 아이들 제어 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 하이브리드 차량의 모터를 이용하여 엔진 아이들을 제어하는 방법에 관한 것이다.
자동차에 대한 끊임없는 연비 향상의 요구와 각 나라의 배출가스 규제의 강화에 따라 친환경 자동차에 대한 요구가 증가하고 있으며, 이에 대한 현실적인 대안으로 하이브리드 자동차(hybrid electric vehicle)가 제공되고 있다.
하이브리드 자동차는 좁은 의미로, 연료전지 자동차, 순수 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.
상용 하이브리드 자동차의 변속기는 통상적으로 ATM변속기(자동화수동변속기)가 적용된다.
ATM변속기는 수동변속기에 자동화 변속유닛을 장착하고, 클러치 또한 자동 릴리즈 유닛이 장착되고 구성된다.
하이브리드 자동차는 운전자가 작동하는 가속페달의 변위와 브레이크 페달의 변위를 검출하여 변속기에 입력되는 요구토크를 결정한 다음 엔진 토크맵을 통해 엔진의 토크를 결정하고, 변속기의 입력 요구토크와 엔진 토크맵으로 결정되는 엔진토크의 차분을 모터토크로 결정하여 엔진과 모터에 분배하여 자동차의 구동을 실행시킨다.
상기 엔진 토크맵은 일정 주행모드의 시뮬레이션을 통해 엔진 효율이 가장 높은 영역에서 최소 연료소모량을 추종하도록 구성된다.
그러나, 일반적인 운행모드에서 변속기의 입력 요구토크는 엔진 토크맵으로 결정되는 엔진 운전점보다 낮은 토크를 필요로 하는 구간이 대부분이다.
따라서, 이러한 경우 변속기의 입력 요구토크를 맞추기 위해 엔진을 효율이 낮은 영역에서 구동하는 대신 모터를 마이너스 토크로 구동함으로써 변속기의 입력 요구토크를 만족시키고 있다.
여기서, 모터의 마이너스 토크 구동은 배터리 충전을 의미하며, 배터리에 충전된 에너지는 운행 구간 중 저속구간 같이 변속기의 입력 요구토크가 저토크를 요구하는 구간에서 모터의 구동에 사용된다.
이때, 저토크를 요구하는 구간에서는 엔진 효율이 낮아 연비가 떨어지므로 엔진을 구동하지 않고 모터만의 구동으로 주행을 제공한다.
이와 같이, 하이브리드 자동차는 엔진 운전점을 최고의 효율 영역으로 끌어 올리고 남는 에너지를 배터리로 회수하여 낮은 요구토크를 요구하는 구간에서 모터로만 구동(EV모드)함으로써 연비를 극대화 할 수 있다.
하이브리드 자동차는 연비 향상과 배출가스의 개선을 위해 변속단이 P, N 단으로써 정지 중에는 엔진을 끄고(off), 전장부하를 배터리로 대응하여 연료를 소모하지 않는다. 이러한 상황에서 배터리의 SOC(State Of Charge)가 기준치 이하로 떨어지게 되면, 엔진을 켜고(on) 엔진 동력으로 모터를 마이너스 토크로 구동시켜 배터리를 충전시킨다. 이와 같이, 변속단 P, N 단에서 배터리의 충전을 위해 엔진이 켜진 상태를 엔진 아이들이라 한다.
엔진 아이들 상황에서 엔진 속도의 급작스런 변화에 대응하기 위해 엔진 스스로 엔진 속도 피드백(feedback) 제어를 수행한다. 엔진 속도 피드백 제어를 위해 기본적으로 점화각을 임의로 지각시켜 점화효율을 떨어뜨려 놓는 토크 레저베이션(torque reservation) 제어기술이 사용된다. 토크 레저베이션 제어기술은 빠른 부하 대응을 위해서 토크 레저베이션 량을 증대시켜야 되고, 이에 따라 점화효율 감소 및 연비에 악영향을 미칠 수 있다. 또한, 토크 레저베이션 량의 한계로 인해 빠른 부하의 변화에 대해 엔진 아이들의 안정성이 낮아질 수 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 기술적 과제는 엔진 아이들 상황에서 모터를 이용하여 엔진 속도 피드백 제어를 수행할 수 있는 엔진 아이들 제어 방법을 제공함에 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 하이브리드 차량의 모터를 이용하여 엔진 아이들을 제어하는 방법은 배터리의 SOC(Stage Of Charge)에 따라 모터에 의한 배터리의 충전량을 결정하는 단계, 상기 배터리의 충전량에 따른 엔진의 목표 속도 및 엔진 토크를 결정하는 단계, 상기 엔진의 엔진 목표 속도 및 상기 엔진 토크에 대응하는 상기 모터의 목표 속도 및 충전 토크를 결정하는 단계, 상기 모터의 목표 속도와 현재의 모터 속도 간의 편차를 이용하여 상기 모터의 속도 제어 토크를 결정하는 단계, 및 상기 모터의 충전 토크와 속도 제어 토크를 합하여 상기 모터의 최종 모터 토크를 결정하는 단계를 포함한다.
상기 엔진의 목표 속도 및 엔진 토크를 결정하는 단계는, 상기 엔진의 목표 속도에 따른 상기 엔진의 트랜스미션 입력 토크를 결정하는 단계, 및 상기 엔진의 트랜스미션 입력 토크에 ECU(Engine Control Unit)으로부터 피드백되는 프릭션 토크를 더하여 상기 엔진 토크를 결정하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 엔진의 트랜스미션 입력 토크와 상기 모터의 최종 토크의 차이에 대응하는 엔진 토크 편차를 산정하는 단계, 및 상기 엔진 토크 편차를 이용하여 해당 엔진 속도 및 엔진냉각수 온도별 프릭션 토크를 산출하는 단계를 더 포함할 수 있다.
상기 엔진의 목표 속도와 현재의 엔진 속도의 편차, 및 상기 모터의 목표 속도와 현재의 모터 속도의 편차가 일정 기준 이내인지 여부를 확인하여 엔진 아이들 속도 안정화를 판단하는 단계를 더 포함할 수 있다.
상기 엔진 아이들 속도가 안정화된 것으로 판단되면, 유성기어를 통해 상기 엔진과 연결되는 2개의 모터 중에서 제1 모터의 최종 모터 토크와 제2 모터의 최종 모터 토크의 편차가 일정 기준 이내인지 여부를 확인하여 모터 토크의 정확성을 판단하는 더 포함할 수 있다.
하이브리드 차량의 엔진 아이들 연비를 향상시킬 수 있고, 엔진 아이들에서의 배터리 충전의 안정성을 향상시킬 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 하이브리드 자동차의 변속 제어장치를 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 하이브리드 차량의 모터를 이용하여 엔진 아이들을 제어하는 방법을 나타내는 흐름도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 하이브리드 차량의 모터를 이용하여 엔진 아이들을 제어하는 방법을 나타내는 흐름도이다.
이하, 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예들에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예들에 한정되지 않는다.
또한, 여러 실시예들에 있어서, 동일한 구성을 가지는 구성요소에 대해서는 동일한 부호를 사용하여 대표적으로 제1 실시예에서 설명하고, 그 외의 실시예에서는 제1 실시예와 다른 구성에 대해서만 설명하기로 한다.
본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 동일 또는 유사한 구성요소에 대해서는 동일한 참조 부호를 붙이도록 한다.
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.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 하이브리드 자동차의 변속 제어장치를 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 1을 참조하면, 하이브리드 자동차의 변속 제어장치는 운전 정보 검출부(101), 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 Generator : 210), 엔진클러치(250), 모터(300), 변속기(400)를 포함한다.
운전 정보 검출부(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. ECU(102)는 엔진(200) 자체의 프릭션 토크(friction torque)를 HCU(103)에 피드백한다.
HCU(103)는 최상위 제어기로, 운전 정보 검출부(101)에서 제공되는 운전요구와 BMS(107)에서 제공되는 배터리(106)의 SOC(State Of Charge)에 따라 모터(300)에 의한 배터리(106)의 충전량을 결정하고, 최적의 운전점을 선택하여 엔진(200)과 모터(300)의 출력 속도 및 토크를 제어한다.
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), 인버터 및 보호회로를 포함하며, HCU(103)에서 인가되는 제어신호에 따라 배터리(106)에서 공급되는 직류전압을 3상 교류전압으로 변환시켜 모터(300)의 구동을 제어한다.
PCU(105)에 포함되는 MCU는 엔진(200)의 아이들 정지 및 재시동을 실행시키는 HSG(210)를 제어한다. MCU는 엔진 아이들 상황에서 엔진(200)의 출력을 제어한다. 엔진 아이들은 변속단 P, N 단에서 배터리의 충전을 위해 엔진이 켜진 상태를 의미한다.
PCU(105)에 포함되는 전력 스위칭소자는 IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor), MOSFET, 트랜지스터, 릴레이 중 어느 하나로 구성될 수 있다.
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 HEV 모드에서 엔진(200)의 출력을 보조하기 위하여 모터(300)에 전원을 공급하고, 회생제동 제어로 모터(300)에서 발전되는 전압을 충전한다. 그리고, 배터리(106)는 EV 모드에서 모터(300)에 전원을 공급하고, 회생제동 제어시 발전기로 동작하는 모터(300)의 생성 전압을 충전한다.
BMS(107)는 배터리(106)의 전압, 전류, 온도 등의 정보를 종합 검출하여 충전상태를 관리 제어한다. BMS(107)는 HCU(103)의 제어에 따라 배터리(106)의 출력을 단속하는 메인 릴레이를 온(on) 또는 오프(off)로 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 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. 변속기(400)는 자동변속기 혹은 무단변속기로 적용될 수 있다.
이제, 하이브리드 차량의 모터(300)를 이용하여 엔진 아이들을 제어하는 방법에 대하여 설명한다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 하이브리드 차량의 모터를 이용하여 엔진 아이들을 제어하는 방법을 나타내는 흐름도이다.
도 1 및 2를 참조하면, HCU(103)는 BMS(107)에서 제공되는 배터리(106)의 SOC에 따라 모터(300)에 의한 배터리(106)의 충전량을 결정한다(S101).
HCU(103)는 배터리(106)의 충전량에 따른 엔진 출력을 결정하고, 해당 엔진 출력에서 BSFC(Brake mean Specific Fuel Consumption) 선도를 따라 엔진(200)의 목표 속도를 결정하여 엔진(200)이 출력할 트랜스미션(transmission) 입력 토크를 결정한다. 그리고, HCU(103)는 트랜스미션 입력 토크에 ECU(102)로부터 피드백 받은 프릭션 토크를 더하여 엔진 토크를 결정한다(S102). HCU(103)는 ECU(102)에게 엔진(200)이 출력할 엔진 토크를 요청한다.
HCU(103)는 결정된 엔진 토크와 평형을 이루도록 EVT(Electrical Variable Transmission) 구조를 통해 모터(300)의 충전 토크를 결정한다(S103). 즉, HCU(103)는 결정된 엔진 토크에 대응하는 모터(300)의 충전 토크를 결정한다.
HCU(103)는 결정된 엔진(200)의 목표 속도와 EVT 구조를 이용하여 모터(300)의 목표 속도를 결정한다(S104). 여기서는 하나의 모터(300)를 나타내었으나, 하이브리드 차량 중 일부는 유성기어를 통해 엔진과 2개의 모터를 연결하여 무단변속을 가능하게 한다. 2개의 모터가 구비된 구조에서, HCU(103)는 제1 모터 및 제2 모터 각각의 목표 속도를 결정할 수 있다.
HCU(103)는 결정된 모터(300)의 목표 속도와 현재의 모터 속도 간의 편차를 이용하여 PI 제어를 통한 모터(300)의 속도 제어 토크를 결정한다(S105).
HCU(103)는 모터(300)의 충전 토크와 속도 제어 토크를 합하여 모터(300)의 최종 모터 토크를 결정한다(S106). HCU(103)는 MCU에게 모터(300)가 출력할 최종 모터 토크를 요청한다. HCU(103)는 제1 모터 및 제2 모터 각각의 속도 제어 토크를 결정하고, 제1 모터 및 제2 모터 각각의 최종 모터 토크를 결정하여 MCU에게 최종 모터 토크를 요청할 수 있다.
HCU(103)는 엔진(200)의 목표 속도와 현재의 엔진 속도의 편차가 일정 기준 이내이고, 모터(300)의 목표 속도와 현재의 모터 속도의 편차가 일정 기준 이내인지 여부를 확인하여 엔진 아이들 속도 안정화를 판단한다(S107). 예를 들어, HCU(103)는 엔진(200)의 목표 속도와 현재의 엔진 속도의 편차, 및 모터(300)의 목표 속도와 현재의 모터 속도의 편차가 50rpm 이하인 상태로 5초 이상 지속되면 엔진 아이들 속도가 안정화된 것으로 판단할 수 있다. 만일, 엔진 아이들의 속도가 안정화되지 않으면, HCU(103)는 S102 단계부터 S106 단계까지를 재수행할 수 있다.
HCU(103)는 엔진 아이들 속도가 안정화가 된 것으로 판단되면 엔진 아이들 속도 안정화 신호를 ECU(102)에 전달한다.
HCU(103)는 EVT 구조를 통해 결정한 제1 모터의 최종 모터 토크와 제2 모터의 최종 모터 토크의 편차가 일정 기준 이내인진 여부를 확인하여 모터 토크의 정확성을 판단한다(S108). 예를 들어, HCU(103)는 제1 모터의 최종 모터 토크와 제2 모터의 최종 모터 토크의 편차가 1 토크(Nm) 이하이면 모터 토크가 정확한 것으로 판단할 수 있다. 만일, 모터 토크가 정확하지 않으면, HCU(103)는 S104 단계부터 S107 단계까지를 재수행할 수 있다.
HCU(103)는 모터 토크가 정확한 것으로 판단되면 모터 토크 정확성 신호를 ECU(102)에 전달한다.
HCU(103)는 S102 단계에서 결정된 엔진(200)의 트랜스미션(transmission) 입력 토크와 S106 단계에서 결정된 모터(300)의 최종 모터 토크의 차이에 대응하는 엔진 토크 편차를 산정한다(S109). HCU(103)는 엔진 토크 편차를 ECU(102)에 전달한다.
ECU(102)는 HCU(103)로부터 엔진 아이들 속도 안정화 신호 및 모터 토크 정확성 신호를 수신하면 엔진 토크 학습시점을 결정한다(S110).
ECU(102)는 엔진 토크 학습시점이 결정되면, HCU(103)로부터 전달받은 엔진 토크 편차를 이용하여 해당 엔진 속도 및 엔진냉각수 온도별 프릭션 토크를 산출하고, 산출된 프릭션 토크를 HCU(103)에 피드백한다(S111). HCU(103)는 해당 엔진 속도 및 엔진냉각수 온도별 프릭션 토크를 기록할 수 있다.
상술한 바와 같이, 하이브리드 차량의 모터를 이용하여 엔진 아이들을 제어함으로써, P, N단에서의 엔진 아이들 연비를 2% 이상 향상시킬 수 있고, 엔진 아이들에서의 배터리 충전의 안정성을 향상시킬 수 있다.
지금까지 참조한 도면과 기재된 발명의 상세한 설명은 단지 본 발명의 예시적인 것으로서, 이는 단지 본 발명을 설명하기 위한 목적에서 사용된 것이지 의미 한정이나 특허청구범위에 기재된 본 발명의 범위를 제한하기 위하여 사용된 것은 아니다. 그러므로 본 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시 예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의해 정해져야 할 것이다.
101 : 운전 정보 검출부 102 : ECU
103 : HCU 104 : CCU
105 : PCU 106 : 배터리
107 : BMS 200 : 엔진
210 : HSG 250 : 엔진클러치
300 : 모터 400 : 변속기
103 : HCU 104 : CCU
105 : PCU 106 : 배터리
107 : BMS 200 : 엔진
210 : HSG 250 : 엔진클러치
300 : 모터 400 : 변속기
Claims (5)
- 하이브리드 차량의 모터를 이용하여 엔진 아이들을 제어하는 방법에 있어서,
배터리의 SOC(Stage Of Charge)에 따라 모터에 의한 배터리의 충전량을 결정하는 단계;
상기 배터리의 충전량에 따른 엔진의 목표 속도 및 엔진 토크를 결정하는 단계;
상기 엔진의 엔진 목표 속도 및 상기 엔진 토크에 대응하는 상기 모터의 목표 속도 및 충전 토크를 결정하는 단계;
상기 모터의 목표 속도와 현재의 모터 속도 간의 편차를 이용하여 상기 모터의 속도 제어 토크를 결정하는 단계; 및
상기 모터의 충전 토크와 속도 제어 토크를 합하여 상기 모터의 최종 모터 토크를 결정하는 단계를 포함하는 하이브리드 차량에서의 엔진 아이들 제어 방법. - 제1 항에 있어서,
상기 엔진의 목표 속도 및 엔진 토크를 결정하는 단계는,
상기 엔진의 목표 속도에 따른 상기 엔진의 트랜스미션 입력 토크를 결정하는 단계; 및
상기 엔진의 트랜스미션 입력 토크에 ECU(Engine Control Unit)으로부터 피드백되는 프릭션 토크를 더하여 상기 엔진 토크를 결정하는 단계를 포함하는 하이브리드 차량에서의 엔진 아이들 제어 방법. - 제2 항에 있어서,
상기 엔진의 트랜스미션 입력 토크와 상기 모터의 최종 토크의 차이에 대응하는 엔진 토크 편차를 산정하는 단계; 및
상기 엔진 토크 편차를 이용하여 해당 엔진 속도 및 엔진냉각수 온도별 프릭션 토크를 산출하는 단계를 더 포함하는 하이브리드 차량에서의 엔진 아이들 제어 방법. - 제1 항에 있어서,
상기 엔진의 목표 속도와 현재의 엔진 속도의 편차, 및 상기 모터의 목표 속도와 현재의 모터 속도의 편차가 일정 기준 이내인지 여부를 확인하여 엔진 아이들 속도 안정화를 판단하는 단계를 더 포함하는 하이브리드 차량에서의 엔진 아이들 제어 방법. - 제4 항에 있어서,
상기 엔진 아이들 속도가 안정화된 것으로 판단되면, 유성기어를 통해 상기 엔진과 연결되는 2개의 모터 중에서 제1 모터의 최종 모터 토크와 제2 모터의 최종 모터 토크의 편차가 일정 기준 이내인지 여부를 확인하여 모터 토크의 정확성을 판단하는 더 포함하는 하이브리드 차량에서의 엔진 아이들 제어 방법.
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