KR101500245B1

KR101500245B1 - 하이브리드 차량의 모드 전환 및 변속시 제어 방법

Info

Publication number: KR101500245B1
Application number: KR20130167976A
Authority: KR
Inventors: 박태식; 최광민; 허준회
Original assignee: 현대자동차주식회사
Priority date: 2013-12-31
Filing date: 2013-12-31
Publication date: 2015-03-06

Abstract

본 발명은 하이브리드 차량의 모드 전환 및 변속시 제어 방법에 관한 것으로서, 2개의 모터와 2단 감속기구를 가지는 하이브리드 차량에서 직-병렬 간 모드 전환시나 변속시에 손실되는 에너지를 최소화하고 운전성을 극대화할 수 있는 제어 방법을 제공하는데 주된 목적이 있는 것이다. 상기한 목적을 달성하기 위해, 엔진과 제1모터가 동력 전달 가능하게 직결되고 엔진과 제2모터(MG2) 사이에 변속기가 개재된 파워트레인 구성을 가지는 하이브리드 차량의 직-병렬 모드 전환 및 변속시 제어 방법에 있어서, 상기 직-병렬 모드 전환 또는 변속 요구시, 변속기 입력 토크를 저감시키는 토크 인터벤션을 위해, 배터리 충전상태(SOC)를 고려한 제1모터의 음의 최소 토크가 '-1× abs((엔진 목표 회전수-엔진 현재 회전수)×엔진 관성) + abs(엔진 운전 토크-인터벤션 요구 토크)' 이상인 경우, 엔진 토크를 변속기 입력 요구 토크와 제1모터의 토크(음의 토크) 합으로 제어하고, 제1모터의 토크는 배터리 충전상태를 고려한 음의 최소 토크로 제어하는 것을 특징으로 하는 하이브리드 차량의 모드 전환 및 변속시 제어 방법이 개시된다. 여기서, 상기 엔진 토크 제어는 흡입 공기량의 제어를 통해 이루어지도록 함에 바람직하다.

Description

하이브리드 차량의 모드 전환 및 변속시 제어 방법{Control method for mode change and shift of hybrid electric vehicle}

본 발명은 하이브리드 차량의 모드 전환 및 변속시 제어 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 2개의 모터와 2단 감속기구를 가지는 하이브리드 차량에서 직-병렬 간 모드 전환시나 변속시에 손실되는 에너지를 최소화하고 운전성을 극대화할 수 있는 제어 방법에 관한 것이다.

하이브리드 차량은 서로 다른 두 종류 이상의 구동원을 효율적으로 조합하여 차량을 구동시키는 것을 의미하나, 대부분은 연료를 연소시켜 회전력을 얻는 엔진과 배터리의 전기에너지로 회전력을 얻는 모터에 의해 구동되는 차량을 의미한다.

하이브리드 차량에서는 엔진과 모터를 이용하여 다양한 동력전달 구조를 구성할 수 있으며, 하이브리드 차량의 대부분은 병렬형과 직렬형의 동력전달 구조 중 하나를 채택하고 있다.

또한, 하이브리드 차량은 엔진과 모터로 구성되는 두 개의 구동원으로 주행하는 과정에서 엔진과 모터를 어떻게 조화롭게 동작시키느냐에 따라 최적의 출력 토크를 낼 수 있다.

하이브리드 자동차의 통상적인 파워트레인 형태는 엔진과 모터 사이에 엔진클러치를 갖는 타입으로, 엔진, 엔진 시동 및 발전을 위한 시동발전기, 엔진과 모터 사이에 개재되는 엔진클러치, 모터(구동모터), 변속기가 차례로 배열된 구조를 가지며, 상기 모터와 시동발전기에는 인버터를 통해 배터리가 충방전 가능하게 연결된다.

한편, 자동변속기가 탑재된 하이브리드 차량에서 변속 과정 중에는 유체(변속기 오일)를 이용하여 클러치 및 브레이크의 최적 슬립제어를 통한 변속시간 단축을 도모하고, 변속시 발생하는 이질감을 최소화하게 된다.

또한, 변속 과정 중 변속기 내 클러치를 붙이거나 뗄 때 발생하는 충격을 줄이기 위해 변속기 입력 토크를 순간적으로 줄이는 토크 인터벤션(intervention) 제어가 수행된다.

일반적인 자동변속기 하이브리드 차량에서 토크 인터벤션 요구시 변속기 입력 토크를 줄이기 위한 토크 제어 대상은 엔진과 모터가 되며, 변속기 입력 토크를 줄이기 위해 엔진 토크 자체를 줄이거나, 엔진 운전 토크를 모터로 전달하여 모터의 발전 동작(배터리 충전을 통한 엔진 출력 흡수)이 이루어지는 동안 변속기 입력 토크를 줄이는 제어가 이루어지고 있다.

이에 대해 좀더 설명하면, 발전 동작하는 모터의 최대 토크(여기서의 토크는 토크 절대값을 의미하며, 발전시 토크는 실제 음의 토크임) 또는 배터리 충전상태(SOC:State of charge)를 고려한 모터의 최대 토크(음의 토크, 최대 발전 가능 토크)가 'abs((엔진 목표 회전수-엔진 현재 회전수)×엔진 관성) + abs(엔진 운전 토크-인터벤션 요구 토크)' 이상인 경우, 엔진은 토크 축소 없이 인터벤션 전 지령값의 엔진 운전 토크로 제어된다(여기서, 'abs()'는 절대값을 나타냄).

이때, 발전 동작하는 모터는 'abs((엔진 목표 회전수-엔진 현재 회전수)×엔진 관성) + abs(엔진 운전 토크-인터벤션 요구 토크)'의 값으로 토크 제어가 이루어진다.

반면, 발전 동작하는 모터의 최대 토크 또는 배터리 충전상태(SOC) 등을 고려한 모터의 최대 토크가 'abs((엔진 목표 회전수-엔진 현재 회전수)×엔진 관성) + abs(엔진 운전 토크-인터벤션 요구 토크)'보다 작은 경우, 엔진에 대해서는 점화시기 제어를 통해 인터벤션 요크값에 따라 출력 토크를 줄이는 인터벤션 요구 토크 제어가 이루어지고, 이때 모터에 대해서는 0 토크 제어를 하게 된다.

그러나, 상기한 종래의 변속 제어 방식은 토크 인터벤션을 위한 엔진 토크 제어 과정에서 연료를 공급 및 소모하면서 점화시기를 지연시키는 방식으로 엔진 토크를 줄이게 되므로 엔진 효율을 떨어뜨리는 문제가 있다(연비 저하 초래).

더욱이, 최근 2개의 모터를 갖는 하이브리드 차량이 개발되고 있는바, 이러한 하이브리드 차량에서 직-병렬(series-parallel) 모드 전환시나 병렬 변속 제어시에 에너지 손실을 최소화하고 운전성을 극대화할 수 있는 토크 인터벤션 제어 및 구동원 제어 전략이 제시된 바가 없다.

따라서, 본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 창출한 것으로서, 2개의 모터와 2단 감속기구를 가지는 하이브리드 차량에서 직-병렬 간 모드 전환시나 변속시에 손실되는 에너지를 최소화하고 운전성을 극대화할 수 있는 제어 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.

상기한 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은, 엔진과 제1모터가 동력 전달 가능하게 직결되고 엔진과 제2모터(MG2) 사이에 변속기가 개재된 파워트레인 구성을 가지는 하이브리드 차량의 직-병렬 모드 전환 및 변속시 제어 방법에 있어서, 상기 직-병렬 모드 전환 또는 변속 요구시, 변속기 입력 토크를 저감시키는 토크 인터벤션을 위해, 배터리 충전상태(SOC)를 고려한 제1모터의 음의 최소 토크가 '-1× abs((엔진 목표 회전수-엔진 현재 회전수)×엔진 관성) + abs(엔진 운전 토크-인터벤션 요구 토크)' 이상인 경우, 엔진 토크를 변속기 입력 요구 토크와 제1모터의 토크(음의 토크) 합으로 제어하고, 제1모터의 토크는 배터리 충전상태를 고려한 음의 최소 토크로 제어하는 것을 특징으로 하는 하이브리드 차량의 모드 전환 및 변속시 제어 방법을 제공한다.

여기서, 상기 엔진 토크 제어는 흡입 공기량의 제어를 통해 이루어지도록 함이 바람직하다.

또한, 변속기 입력 토크를 저감시키는 토크 인터벤션을 위해, 배터리 충전상태(SOC)를 고려한 제1모터의 음의 최소 토크가 '-1× abs((엔진 목표 회전수-엔진 현재 회전수)×엔진 관성) + abs(엔진 운전 토크-인터벤션 요구 토크)'보다 작은 경우, 엔진 토크를 최적 운전점으로 설정된 토크값으로 제어하고, 제1모터의 토크는 '-1× abs((엔진 목표 회전수-엔진 현재 회전수)×엔진 관성) + abs(엔진 운전 토크-인터벤션 요구 토크)'로 제어하는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 제2모터의 토크는 변속기 출력 요구 토크와 변속기 출력 토크의 차에 해당하는 토크로 제어하는 것을 특징으로 한다.

이에 따라, 본 발명의 모드 전환 및 변속시 제어 방법에 의하면, 토크 인터벤션 제어시 각 구동원에 대한 적절한 토크 제어가 이루어지도록 함으로써, 모드 전환시나 변속시에 손실되는 에너지를 최소화하고 운전성을 극대화할 수 있게 된다.

특히, 모드 전환이나 변속시에 변속기 입력 회전수 및 토크를 제1모터를 이용하여 제어하면서 엔진의 최적 토크 제어를 수행하여 과도 손실을 축소하고, 변속시 유체(변속기 오일)를 이용한 슬립 손실을 줄이면서 회전수 제어로 늘어난 과도 제어 시간 동안 제2모터를 활용하여 구동력의 이질감을 보상할 수 있다.

또한, 토크 인터벤션을 위한 제1모터의 출력 제한이 있을 경우 공기량을 이용한 엔진 토크 제어를 수행함으로써, 종래의 점화시기 제어로 인한 엔진 효율 저하를 개선할 수 있고, 운전성을 개선하면서 연비를 향상시키는 모드 전환 및 변속 제어가 이루어질 수 있게 된다.

도 1은 본 발명에 따른 모드 전환 및 변속시 제어 방법을 나타내는 순서도이다.
도 2와 도 3은 2단 감속기구를 갖는 직-병렬 하이브리드 시스템에서 모드 전환 및 변속 제어 개념도이다.

이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 대해 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명하기로 한다.

본 발명은 2개의 모터와 2단 감속기구를 가지는 하이브리드 차량에서 직-병렬 간 모드 전환시나 변속시에 손실되는 에너지를 최소화하고 운전성을 극대화할 수 있는 모드 전환 및 변속시 제어 방법을 제공하고자 하는 것이다.

본 발명이 적용되는 하이브리드 차량은 엔진과 2개의 모터(MG1,MG2)를 이용하여 직-병렬 간 모드 전환이 이루어지는 차량으로서, 엔진과 제1모터(MG1)가 동력 전달 가능하게 직결되고, 엔진과 제2모터(MG2) 사이에 2단 감속기구(변속기)가 개재되는 파워트레인 구성을 갖는다.

상기와 같이 엔진과 2개의 모터를 사용하는 하이브리드 시스템에서는 변속기 입력 측에 엔진과 제1모터가 배치되고, 변속기 출력 측에 제2모터가 배치된다.

또한, 상기한 하이브리드 시스템에서는 차량 구동을 위해 모터의 동력만이 사용되는 직렬(series) 모드와, 엔진 동력이 사용되는 병렬(parallel) 모드의 구현이 가능하고, 운전 조건에 따라 직렬 모드와 병렬 모드의 선택적인 이용이 가능하다.

직렬 모드에서는 변속기의 클러치가 분리되어 변속기 전단의 동력이 차량의 구동축에 전달되지 않으며, 이때 제2모터의 동력만이 차량의 구동축에 전달되면서 차량 구동을 위해 사용된다.

이러한 직렬 모드에서는 제2모터만 구동되거나, 또는 변속기에 의해 동력이 단절된 상태로 엔진을 구동시켜 엔진 동력이 제1모터에 전달됨과 동시에 제1모터가 엔진으로부터 전달되는 동력에 의해 발전 동작하여 배터리를 충전시킬 수 있다.

반면, 병렬 모드에서는 변속기의 클러치가 접합되어 엔진의 동력이 변속기를 통해 차량의 구동축으로 전달될 수 있는바, 엔진과 제2모터의 동력을 함께 이용하여 운전자 요구 토크를 충족시키는 것이 가능하다.

또한, 변속기가 2단 감속기구로 구현되므로 병렬 모드에서는 1단(UD:Underdrive), 2단(OD:Overdrive)의 변속 제어가 가능하다.

이와 같이 2개의 모터와 2단 변속기(감속기구)를 가지는 하이브리드 시스템에서 직-병렬 간 모드 전환 또는 병렬 변속 요구시에는 변속기 입력 토크를 줄이는 토크 인터벤션 제어가 필요하고, 토크 인터벤션 제어시 각 구동원에 대한 적절한 제어 전략이 필요하다.

따라서, 본 발명에서는 연비와 운전성을 극대화할 수 있는 모드 전환 및 변속 제어 방법과 토크 인터벤션 제어 방법, 그리고 모드 전환 및 변속 요구시 각 구동원에 대한 최적의 토크 제어 방법을 제시하고자 한다.

본 발명에서는 모드 전환 및 변속 요구시 엔진과 제1모터의 토크 제어를 통해 토크 인터벤션이 이루어지며(토크 인터벤션 주체가 엔진과 제1모터임), 엔진과 제1모터의 토크 인터벤션 제어시 제2모터에 대한 적절한 토크 제어를 통해 구동력 이질감 및 운전성 개선을 도모하게 된다.

도 1을 참조하여 좀더 구체적으로 설명하면, 모드 전환 또는 변속 요구시 변속기 입력 토크를 저감시키는 토크 인터벤션 제어가 이루어진다.

먼저, 배터리 충전상태(SOC)를 고려한 제1모터의 최소 토크(음의 토크임)가 '-1× abs((엔진 목표 회전수-엔진 현재 회전수)×엔진 관성) + abs(엔진 운전 토크-인터벤션 요구 토크)'보다 작은 경우, 변속기 입력 토크의 축소를 제1모터의 발전 동작만으로 감당할 수 있으므로, 엔진 토크를 줄이지 않으면서 제1모터의 발전 동작만으로 변속기 입력 토크를 줄이게 된다.

이때, 엔진 토크는 최적 운전점으로 설정된 토크값, 즉 연비 최적 토크로 제어하며, 제1모터에 대해서는 발전시 토크로서 '-1× abs((엔진 목표 회전수-엔진 현재 회전수)×엔진 관성) + abs(엔진 운전 토크-인터벤션 요구 토크)'의 토크로 제어하고, 제2모터에 대해서는 변속기 출력 요구 토크와 변속기 출력 토크의 차이에 해당하는 토크로 제어한다.

여기서, 'abs()'는 절대값을 나타낸다.

또한, 변속 및 모드 전환시 통상의 클러치 및 브레이크의 슬립제어를 통한 회전수 제어가 이루어지게 된다.

한편, 모드 전환 또는 변속 요구시, 배터리 충전상태(SOC)를 고려한 제1모터의 발전시 최소 토크(음의 토크임)가 '-1× abs((엔진 목표 회전수-엔진 현재 회전수)×엔진 관성) + abs(엔진 운전 토크-인터벤션 요구 토크)' 이상인 경우, 엔진 토크를 줄이면서 제1모터의 발전시 토크를 가능한 범위 이내로 제한한다.

즉, 엔진 토크는 변속기 입력 요구 토크와 제1모터의 토크(음의 토크) 합으로 제어되며, 이때 종래와 같이 점화시기 제어를 통한 토크 제어가 아닌, 흡입 공기량 제어에 의한 엔진 토크 제어가 수행된다.

이와 같이 엔진의 출력 토크를 줄이기 위해 흡입 공기량 제어를 이용하여 토크 제어를 수항하는 경우 종래와 같이 점화시기 제어를 통해 엔진 토크를 제어하는 것에 비해 불필요한 연료 소모를 줄일 수 있고, 차량 연비가 개선될 수 있다.

또한, 제1모터의 토크는 배터리 충전상태를 고려한 제1모터의 최소 토크로 제어하고, 제2모터에 대해서는 변속기 출력 요구 토크와 변속기 출력 토크의 차이에 해당하는 토크로 제어한다.

이어 모드 전환 또는 변속이 완료되면, 구동원에 대한 통상의 토크 제어, 즉 엔진 토크는 연비 최적 토크로, 제1모터는 변속기 입력 요구 토크와 엔진 토크의 차이에 해당하는 토크로, 제2모터는 변속기 출력 요구 토크와 변속기 출력 토크의 차이에 해당하는 토크로 각각 제어된다.

이러한 본 발명에서는 모드 전환 및 변속시에 변속기 입력측의 토크 인벤션 필요량 및 엔진 회전수 제어시 필요한 토크와 제1모터의 최소 토크(음의 토크, 절대값으로 표현시에는 최대 토크임)를 비교하여 연비를 개선할 수 있는 토크 인터벤션 제어가 이루어지며, 변속기 출력 측에 장착된 제2모터의 제어를 통한 운전성 세부 튜닝에 의해 운전상 향상이 가능해진다.

도 2는 2단 감속기구를 갖는 직-병렬 하이브리드 시스템에서 모드 전환 및 변속 제어 개념도로서, 도 2는 직렬 모드에서 병렬 모드로의 전환이 이루어질 때 엔진 및 제2모터의 속도와 토크 제어상태를 예시한 도면이다(엔진 및 모터 출력축 기준).

도 2를 참조하면, ②의 엔진 속도 제어 구간에서, 엔진은 직렬 모드의 토크를 유지하도록 제어되고, 이때 제1모터의 속도는 엔진 속도로 제어되며, 제2모터는 직렬 모드의 구동 토크로 제어된다.

또한, ③의 토크 블렌딩(blending) 구간에서는, 엔진 토크가 병렬 모드 토크를 추종하도록 상승 제어되며, 이때 제1모터의 토크는 배터리 충전 동작(발전 동작)을 통해 필요한 토크 인터벤션을 충족시키도록 제어되며, 제2모터의 출력은 저감 제어된다.

한편, 도 3은 1단(UD)에서 2단(OD)으로의 변속이 이루어질 때 엔진 및 제2모터의 속도와 토크 제어상태를 예시한 도면이다(엔진 및 모터 출력축 기준).

도 3을 참조하면, ②의 토크 블렌딩 구간에서, 엔진은 변속단 1단 토크를 유지하도록 제어되고, 이때 제1모터는 배터리 충전 동작(발전 동작)을 통해 필요한 토크 인터벤션을 충족시키도록 제어되며, 제2모터의 토크는 휠 요구 출력을 추종하도록 상승 제어된다.

또한, ③의 속도 제어 구간에서, 엔진은 변속단 1단 토크를 유지하도록 제어되고, 제1모터는 충전(발전)을 통한 엔진 출력을 흡수하며, 제2모터의 토크는 휠 요구 출력으로 제어된다.

또한, ④의 토크 블렌딩 구간에서는, 엔진이 변속단 2단 토크를 출력하도록 제어되고, 이때 제1모터는 충전(발전 동작)을 통해 토크 인터벤션을 충족시키도록 제어되며, 제2모터의 출력은 저감 제어된다.

이와 같이 하여, 본 발명에 따른 제어 방법에서는 모드 전환이나 변속시에 변속기 입력 회전수 및 토크를 제1모터를 이용하여 제어하면서 엔진의 최적 토크 제어를 수행하여 과도 손실을 축소하고, 변속시 유체(변속기 오일)를 이용한 슬립 손실을 줄이면서 회전수 제어로 늘어난 과도 제어 시간 동안 제2모터를 활용하여 구동력의 이질감을 보상하게 된다.

이상으로 본 발명의 실시예에 대하여 상세하게 설명하였는바, 본 발명의 권리범위가 이에 한정되는 것이 아니며, 다음의 특허청구범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당 업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 발명의 권리범위에 포함된다.

Claims

엔진과 제1모터가 동력 전달 가능하게 직결되고 엔진과 제2모터(MG2) 사이에 변속기가 개재된 파워트레인 구성을 가지는 하이브리드 차량의 직-병렬 모드 전환 및 변속시 제어 방법에 있어서,
상기 직-병렬 모드 전환 또는 변속 요구시,
변속기 입력 토크를 저감시키는 토크 인터벤션을 위해,
배터리 충전상태(SOC)를 고려한 제1모터의 음의 최소 토크가 '-1× abs((엔진 목표 회전수-엔진 현재 회전수)×엔진 관성) + abs(엔진 운전 토크-인터벤션 요구 토크)' 이상인 경우,
엔진 토크를 변속기 입력 요구 토크와 제1모터의 토크(음의 토크) 합으로 제어하고, 제1모터의 토크는 배터리 충전상태를 고려한 음의 최소 토크로 제어하는 것을 특징으로 하는 하이브리드 차량의 모드 전환 및 변속시 제어 방법.
청구항 1에 있어서,
상기 엔진 토크 제어는 흡입 공기량을 제어함에 의해 이루어지는 것을 특징으로 하는 하이브리드 차량의 모드 전환 및 변속시 제어 방법.
청구항 1에 있어서,
변속기 입력 토크를 저감시키는 토크 인터벤션을 위해,
배터리 충전상태(SOC)를 고려한 제1모터의 음의 최소 토크가 '-1× abs((엔진 목표 회전수-엔진 현재 회전수)×엔진 관성) + abs(엔진 운전 토크-인터벤션 요구 토크)'보다 작은 경우,
엔진 토크를 최적 운전점으로 설정된 토크값으로 제어하고, 제1모터의 토크는 '-1× abs((엔진 목표 회전수-엔진 현재 회전수)×엔진 관성) + abs(엔진 운전 토크-인터벤션 요구 토크)'로 제어하는 것을 특징으로 하는 하이브리드 차량의 모드 전환 및 변속시 제어 방법.
청구항 1 내지 청구항 3 중 어느 하나의 항에 있어서,
상기 제2모터의 토크는 변속기 출력 요구 토크와 변속기 출력 토크의 차에 해당하는 토크로 제어하는 것을 특징으로 하이브리드 차량의 모드 전환 및 변속시 제어 방법.