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KR20230153087A - 하이브리드 자동차 및 그를 위한 주행 제어 방법 - Google Patents

하이브리드 자동차 및 그를 위한 주행 제어 방법 Download PDF

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KR20230153087A
KR20230153087A KR1020220052854A KR20220052854A KR20230153087A KR 20230153087 A KR20230153087 A KR 20230153087A KR 1020220052854 A KR1020220052854 A KR 1020220052854A KR 20220052854 A KR20220052854 A KR 20220052854A KR 20230153087 A KR20230153087 A KR 20230153087A
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KR
South Korea
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motor
engine
rotation
rotation angle
angle
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Pending
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KR1020220052854A
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곽동환
이승호
장정모
Original Assignee
현대자동차주식회사
기아 주식회사
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Publication date
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Priority to US17/949,825 priority patent/US20230347862A1/en
Priority to CN202211256030.XA priority patent/CN117002477A/zh
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Abstract

본 발명은 하이브리드 자동차 및 그를 위한 주행 제어 방법에 관한 것으로, 제1 회전각을 검출하기 위한 레졸버가 구비된 모터; 모터에 연결된 엔진; 모터를 제어하며, 제1 회전각을 기반으로 엔진의 가상 앵글 센서 정보를 생성하는 모터 제어기; 및 생성된 가상 앵글 센서 정보를 기반으로 엔진을 제어하는 엔진 제어기를 포함하되, 가상 앵글 센서 정보는, 엔진의 크랭크 앵글 각도인 제2 회전각 및 크랭크 상사점의 정보 중 적어도 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 하이브리드 자동차가 소개된다.

Description

하이브리드 자동차 및 그를 위한 주행 제어 방법{HYBRID ELECTRIC VEHICLE AND METHOD OF DRIVING CONTROL FOR THE SAME}
본 발명은 가상의 크랭크 앵글 센서로 엔진의 크랭크 앵글 센서를 대체하여 차량의 안정성과 성능 유지가 가능한 하이브리드 자동차 및 그를 위한 주행 제어 방법에 관한 것이다.
최근, 내연기관 자동차를 대체할 수 있는 순수 전기자동차, 하이브리드 자동차 및 연료전지 자동차와 같은 친환경 자동차에서는 차량을 구동하기 위한 구동원으로 전기모터가 이용되므로 전동화 차량이라고도 한다. 이 중 하이브리드 자동차는 엔진과 모터를 함께 구비하는데, 각각의 구동 제어를 위해서는 회전각의 검출이 필요하다.
이때, 모터의 회전자 절대각 위치를 검출하기 위한 위치 센서로서 레졸버가 사용된다. 레졸버는 엔코더에 비해 기계적 강도가 높고 내구성이 우수하여 전기자동차와 같이 고성능, 고정밀 구동이 필요한 분야에서 구동 모터의 위치 센서로 사용될 수 있다.
한편, 엔진의 경우 회전각을 검출하지 못한다면, 크랭크 축의 위치(예컨대, 상사점)를 측정할 수 없기 때문에 엔진의 연료분사량, 분사시기 및 점화시기를 정확히 판단할 수 없는 문제가 발생하게 된다.
따라서, 하이브리드 자동차에서 엔진의 회전각을 검출하기 위한 크랭크 앵글 센서가 구비되지 않는 경우에도 기존 시스템과 동일하게 엔진 시동이 가능하도록 하기 위하여 엔진의 회전각을 검출하기 위한 방안을 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 10-2019-0057843 A
본 발명은, 엔진과 모터가 직결 연결된 구조에서 모터의 레졸버에서 검출된 모터의 회전각을 기반으로 엔진의 현재 회전각을 판단하고, 가상의 크랭크 앵글 센서를 구현하여 엔진의 크랭크 앵글 센서를 대체할 수 있어 차량의 안정성과 성능 유지를 가능하도록 하기 위한 하이브리드 자동차 및 그를 위한 주행 제어 방법에 관한 것이다.
본 발명에서 이루고자 하는 기술적 과제들은 이상에서 언급한 기술적 과제들로 제한되지 않으며, 언급하지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
상기한 과제를 실현하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 하이브리드 자동차는 제1 회전각을 검출하기 위한 레졸버가 구비된 모터; 모터에 연결된 엔진; 모터를 제어하며, 제1 회전각을 기반으로 엔진의 가상 앵글 센서 정보를 생성하는 모터 제어기; 및 생성된 가상 앵글 센서 정보를 기반으로 엔진을 제어하는 엔진 제어기를 포함하되, 가상 앵글 센서 정보는, 엔진의 크랭크 앵글 각도인 제2 회전각 및 크랭크 상사점의 정보 중 적어도 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 하이브리드 자동차를 구성한다.
모터 제어기는, 엔진과 모터의 회전비 및 제1 회전각을 기반으로 제2 회전각을 판단할 수 있다.
엔진은, 엔진의 RPM을 측정하는 캠 앵글센서를 더 포함하고, 엔진과 모터의 회전비는, 캠 앵글센서에서 측정된 엔진의 RPM과 모터의 RPM을 비교한 결과로 보정될 수 있다.
엔진과 모터의 회전비, 제1 회전각 및 제2 회전각의 관계는 아래 수학식 1에 의해 획득될 수 있다.
수학식 1 : θ2=kθ1
(θ1=제1 회전각의 변동량, θ2=제2 회전각의 변동량, k=엔진과 모터의 회전비)
모터는 엔진에 직결될 수 있다.
모터 제어기는, 크랭크 상사점을 미싱 투스 신호 형태로 모사할 수 있다.
모터 제어기는, 크랭크 상사점의 정보를, 기 저장된 크랭크 상사점에서의 제1 회전각에 대응되는 오프셋, 모터의 회전수 및 엔진과 모터의 회전비를 기반으로 판단할 수 있다.
기 저장된 오프셋은, 초기 조립이나 정비시 설정된 제1 오프셋 및 마지막으로 엔진이 정지된 시점에 저장된 제1 회전각과 모터의 회전수를 기반으로 판단된 제2 오프셋을 포함할 수 있다.
기 저장된 크랭크 상사점에서의 제1 회전각에 대응되는 오프셋, 모터의 회전수 및 엔진과 모터의 회전비는 아래 수학식 2와 같은 관계를 가질 수 있다.
수학식 2 : θ1= a + 2πkｎ
(θ1=모터의 제1 회전각, a=기 저장된 크랭크 상사점에서의 제1 회전각에 대응되는 오프셋, k=엔진과 모터의 회전비, ｎ=모터의 회전수, 단, 최종 모터의 회전수에서 제1 회전각을 관측시 모터의 회전수를 제외한 값)
모터 제어기는 주행 후 엔진 시동이 오프된 경우, 최종 모터의 회전수와 모터 레졸버의 위치를 저장할 수 있다.
상기한 과제를 실현하기 위한 방법으로서, 모터 레졸버가 모터의 제1 회전각을 검출하는 단계; 모터 제어기가 검출된 모터의 제1 회전각을 기반으로 엔진의 가상 앵글 센서 정보를 생성하는 단계; 및 엔진 제어기가 생성된 가상 앵글 센서 정보를 기반으로 엔진을 제어하는 단계;를 포함하고, 가상 앵글 센서 정보는, 엔진의 크랭크 앵글 각도인 제2 회전각 및 크랭크 상사점의 정보 중 적어도 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 하이브리드 자동차의 주행 제어 방법을 구성한다.
캠 앵글센서를 통하여 측정된 엔진의 회전수와 모터의 회전수를 비교한 결과로 엔진과 모터의 회전비를 보정하는 단계;를 더 포함할 수 있다.
모터 제어기가 주행 후 엔진 시동이 오프된 경우, 최종 모터의 회전수와 모터 레졸버의 위치를 저장하는 단계;를 더 포함할 수 있다.
모터 제어기가 최종 모터의 회전수와 모터 레졸버의 위치를 저장하는 단계 이후, 모터 제어기는 최종 모터의 회전수와 모터 레졸버의 위치를 기반으로 다시 엔진의 가상 앵글 센서 정보를 생성하는 단계;를 더 포함할 수 있다.
모터 제어기는, 크랭크 상사점의 정보를, 기 저장된 크랭크 상사점에서의 제1 회전각에 대응되는 오프셋, 모터의 회전수 및 엔진과 모터의 회전비를 기반으로 판단할 수 있다.
기 저장된 오프셋은, 초기 조립이나 정비시 설정된 제1 오프셋 및 마지막으로 엔진이 정지된 시점에 저장된 제1 회전각과 모터의 회전수를 기반으로 판단된 제2 오프셋을 포함할 수 있다.
본 발명 하이브리드 자동차 및 그를 위한 주행 제어 방법에 따르면, 엔진과 모터가 직결 연결된 구조에서 모터의 레졸버에서 검출된 모터의 회전각을 기반으로 엔진의 현재 회전각을 판단하고, 가상의 크랭크 앵글 센서를 구현하여 엔진의 크랭크 앵글 센서를 대체할 수 있어 차량의 안정성과 성능 유지를 가능하도록 할 수 있으며, 소프트웨어 제어 로직 개선을 통하여 추가적인 원가의 상승 없이 본 발명의 구현이 가능하다.
본 발명에서 얻은 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 본 발명의 일 실시예에 따른 하이브리드 자동차의 파워 트레인 구성의 일례를 나타낸다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 하이브리드 자동차의 제어 계통 구성의 일례를 나타낸다.
도 3은 모터 제어기의 크랭크 상사점을 미싱 투스(Missing Tooth) 인식 신호 모사를 통한 엔진 크랭크가 상사점에 위치할 때의 제2 회전각 검출 방식의 일례를 나타낸다.
도 4은 도 3에 따른 모터 제어기의 미싱 투스(Missing Tooth) 인식 신호가 모사된 그래프를 나타낸다.
도 5는 레졸버를 통한 모터의 제1 회전각 인식 신호 그래프를 나타낸다.
도 6은 본 발명의 하이브리드 자동차의 주행 제어 방법이 운용되는 순서도를 나타낸다.
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. 또한, 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, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되지는 않는다. 상기 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. 예컨대, 각 제어기는 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 실시예들에 따른 하이브리드 자동차의 제어 방법을 설명하기 앞서, 실시예들에 적용 가능한 하이브리드 자동차의 구조 및 제어 계통을 먼저 설명한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 하이브리드 자동차의 파워 트레인 구성의 일례를 나타낸다.
도 1을 참조하면, 엔진(ICE: Internal Combustion Engine, 110)과 변속기(150) 사이에 두 개의 모터(120, 140)와 엔진클러치(130)를 장착한 병렬형(Parallel Type) 하이브리드 시스템을 채용한 하이브리드 자동차의 파워 트레인이 도시된다. 이러한 병렬형 하이브리드 시스템은 모터(140)가 변속기(150)의 입력단에 상시 연결되므로 TMED(Transmission Mounted Electric Drive) 하이브리드 시스템이라 칭하기도 한다.
여기서, 두 개의 모터(120, 140) 중 제1 모터(120)는 엔진(110)과 엔진 클러치(130)의 일단 사이에 배치되며, 엔진(110)의 엔진축과 제1 모터(120)의 제1 모터축은 상호 직결되어 상시 함께 회전할 수 있다.
제2 모터(140)의 제2 모터축의 일단은 엔진 클러치(130)의 타단과 연결되며, 제2 모터축의 타단은 변속기(150)의 입력단과 연결될 수 있다.
제1 모터(120) 대비 제2 모터(140)가 더 큰 출력을 가지며, 제2 모터(140)가 구동 모터의 역할을 수행할 수 있다. 또한, 제1 모터(120)는 엔진(110)의 시동 시에는 엔진(110)을 크랭킹하는 시동 모터의 기능을 수행하며, 엔진 오프시에는 발전을 통해 엔진(110)의 회전 에너지를 회수할 수 있으며, 엔진(110)이 기동 중인 상태에서 엔진(110)의 동력으로 발전을 수행할 수도 있다.
도 1에 도시된 바와 같은 파워트레인을 구비한 하이브리드 자동차에서 시동(예컨대, HEV Ready) 후 운전자가 가속 페달을 밟는 경우, 엔진 클러치(130)가 오픈된 상태에서 먼저 배터리(미도시)의 전력을 이용하여 제2 모터(140)가 구동된다. 그에 따라 제2 모터(140)의 동력이 변속기(150) 및 종감속기(FD: Final Drive, 160)를 거쳐 바퀴가 움직이게 된다(즉, EV 모드). 차량이 서서히 가속되면서 점차 더 큰 구동력이 필요하게 되면, 제1 모터(120)가 동작하여 엔진(110)을 크랭킹할 수 있다.
엔진(110)에 시동이 걸린 후 엔진(110)과 제2 모터(140)의 회전속도 차이가 일정 범위 이내가 되면 비로소 엔진 클러치(130)가 맞물려 엔진(110)과 제2 모터(140)가 함께 회전하게 된다(즉, EV 모드에서 HEV 모드 천이). 그에 따라 토크 블렌딩 과정을 거치면서 제2 모터(140)의 출력은 낮아지고, 엔진(110)의 출력은 상승하면서 운전자의 요구 토크를 만족시킬 수 있다. HEV 모드에서는 요구 토크의 대부분을 엔진(110)이 만족시킬 수 있으며, 엔진 토크와 요구 토크의 차분은 제1 모터(120)와 제2 모터(140) 중 적어도 하나를 통해 보상될 수 있다. 예컨대, 엔진(110)의 효율을 고려하여 요구 토크보다 높은 토크를 엔진(110)이 출력할 경우, 제1 모터(120)나 제2 모터(140)가 엔진 토크 잉여분만큼 발전을 하게 되며, 엔진 토크가 요구 토크보다 부족한 경우 제1 모터(120)와 제2 모터(140) 중 적어도 하나가 부족분 토크를 출력할 수 있다.
차량이 감속되는 등 기 설정된 엔진 오프 조건이 만족되면, 엔진 클러치(130)가 오픈되고 엔진(110)은 정지된다(즉, HEV 모드에서 EV 모드 천이). 감속시에는 휠의 구동력을 이용하여 제2 모터(140)를 통해 배터리를 충전하며 이를 제동에너지 회생, 또는 회생 제동이라 한다.
일반적으로 변속기(150)는 유단 변속기나 다판클러치, 예컨대 듀얼클러치 변속기(DCT)가 사용될 수 있다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 하이브리드 자동차의 제어 계통 구성의 일례를 나타낸다.
도 2를 참조하면, 본 발명의 실시예들이 적용될 수 있는 하이브리드 자동차에서 내연기관(110)은 엔진 제어기(210)가 제어하고, 제1 모터(120) 및 제2 모터(140)는 모터 제어기(MCU, 220)에 의해 토크가 제어될 수 있으며, 엔진 클러치(130)는 클러치 제어기(230)가 각각 제어할 수 있다.
여기서 엔진 제어기(210)는 엔진 제어 시스템(EMS: Engine Management System)이라고도 한다. 엔진 제어기(210)는 엔진(110)의 연료분사량, 분사시기 및 점화시기를 판단함에 있어 모터 제어기(220)를 통하여 생성된 엔진의 가상 앵글 센서 정보를 이용할 수 있다.
또한, 변속기(150)는 변속기 제어기(250)가 제어하게 된다.
모터 제어기(220)는 각 모터(120, 140)의 모터각, 상전압, 상전류, 요구 토크 등을 기반으로 게이트 구동 유닛(Gate Drive Unit, 미도시)을 펄스폭 변조(PWM) 형태의 제어 신호 제어할 수 있으며, 게이트 구동 유닛은 그에 따라 각 모터(120, 140)를 구동하는 인버터(미도시)를 제어할 수 있다. 여기서, 모터 제어기(220)는 각 모터(120, 140)에 구비된 레졸버(미도시)를 통해 모터각(또는 회전각) 정보를 획득할 수 있다.
각 제어기는 그 상위 제어기로서 모드 전환 과정을 포함한 파워트레인 전반을 제어하는 하이브리드 제어기(HCU: Hybrid Controller Unit, 240)와 연결되어, 하이브리드 제어기(240)의 제어에 따라 주행 모드 변경, 기어 변속시 엔진 클러치 제어에 필요한 정보, 및/또는 엔진 정지 제어에 필요한 정보를 하이브리드 제어기(240)에 제공하거나 제어 신호에 따른 동작을 수행할 수 있다.
예를 들어, 하이브리드 제어기(240)는 차량의 운행 상태에 따라 EV-HEV 모드간 또는 CD-CS 모드(PHEV의 경우)간 전환 수행 여부를 결정한다. 이를 위해, 하이브리드 제어기는 엔진 클러치(130)의 해제(Open) 시점을 판단하고, 해제시에 유압제어를 수행한다. 또한, 하이브리드 제어기(240)는 엔진 클러치(130)의 상태(Lock-up, Slip, Open 등)를 판단하고, 엔진(110)의 연료분사 중단 시점을 제어할 수 있다. 또한, 하이브리드 제어기는 엔진 정지 제어를 위해 제1 모터(120)의 토크를 제어하기 위한 토크 지령을 모터 제어기(220)로 전달하여 엔진 회전 에너지 회수를 제어할 수 있다. 아울러, 하이브리드 제어기(240)는 요구 토크를 만족시키기 위해 각 구동원(110, 120, 140)의 상태를 판단하고 그에 따라 각 구동원(110, 120, 140)이 분담할 요구 구동력을 결정하여 각 구동원을 제어하는 제어기(210, 220)에 토크 지령을 전달할 수 있다.
물론, 상술한 제어기간 연결관계 및 각 제어기의 기능/구분은 예시적인 것으로 그 명칭에도 제한되지 아니함은 당업자에 자명하다. 예를 들어, 하이브리드 제어기(240)는 그를 제외한 다른 제어기들 중 어느 하나에서 해당 기능이 대체되어 제공되도록 구현될 수도 있고, 다른 제어기들 중 둘 이상에서 해당 기능이 분산되어 제공될 수도 있다.
상술한 도 1 및 도 2의 구성은 하이브리드 자동차의 일 구성례일 뿐, 실시예에 적용 가능한 하이브리드 자동차는 이러한 구조에 한정되지 아니한다. 예컨대, 제1 모터(120)와 엔진(110)은 도 1에서는 상호 직결되는 것으로 가정하였으나, 다른 구현에 의하면 제1 모터(120)와 엔진(110)은 풀리와 벨트 등 소정의 연결 수단을 이용하여 연결될 수도 있다.
본 발명의 일 실시예에서는 하이브리드 자동차에서 엔진(110)의 회전각을 검출하는 엔진(110)의 크랭크 센서를 대체하도록 엔진(110)과 연결된 모터(120)의 레졸버를 통하여 가상의 엔진 크랭크 센서를 구현함으로써 엔진(110)의 현재 엔진(110)의 회전각을 판단할 수 있도록 하기 위한 로직을 제안한다.
이하의 기재에서는 편의상 레졸버가 검출하는 모터(120)의 회전각을 제1 회전각으로, 모터 제어기를 통하여 구현된 가상 앵글 센서가 검출하는 엔진(110)의 회전각을 제2 회전각으로 구별하기로 한다.
엔진 제어기(210)는 엔진 크랭크가 상사점에 위치할 때의 제2 회전각을 기준으로 엔진(110)의 연료 분사량, 연료 분사시기 및 점화 시기 등을 판단할 수 있다. 이때 상사점이란, 실린더에서 피스톤이 실린더 헤드와 가장 가까이 있을때 피스톤이 있는 곳의 위치로서 다기통 엔진(110)의 피스톤이 최고 높이 올라가는 지점을 의미한다.
모터 제어기(220)가 가상으로 구현한 앵글 센서는 엔진(110)의 회전각을 검출하고, 그에 대응되는 신호를 출력할 수 있다. 예컨대, 모터 제어기(220)는 엔진 크랭크가 상사점에 위치할 때의 엔진(110)의 회전각을 검출하고, 미싱 투스(Missing Tooth) 인식 신호 형태를 출력할 수 있다. 구체적으로, 모터 제어기(220)가 가상으로 구현한 앵글 센서는 미싱 투스(Missing Tooth)에 대응되는 지점에서는 도 4에 도시된 바와 같이 불연속적인 파형을 갖는다. 따라서, 엔진 제어기(210)는 불연속적인 파형이 검출된 지점을 미싱 투스 인식 지점으로 판단할 수 있다.
이하에서는 엔진(110)과 모터의 회전비 및 제1 회전각을 기반으로 제2 회전각을 판단하는 모터 제어기(220)를 설명한다.
먼저, 엔진과 모터의 회전비, 제1 회전각 및 제2 회전각의 관계를 설명한다.
수학식 1 : θ2=kθ1
(θ1=제1 회전각의 변동량, θ2=제2 회전각의 변동량, k=엔진과 모터의 회전비)
수학식 1을 참조하면, 엔진(110)과 모터(120)의 회전비가 다를 경우 제1 회전각 변동량과 제2 회전각 변동량의 관계가 θ2=kθ1 관계(k≠1)를 가질 수 있다. 예를 들어, 모터(120)와 엔진(110)이 직결된 구조가 아닌 풀리와 벨트를 통한 모터(120)와 엔진(110)이 연결된 구조에서는 모터와 엔진(110)의 회전비는 1이 아니게 될 수 있다. 이와 달리 모터(120)가 엔진(110)의 크랭크 축을 통하여 직결시 연결 수단에 의한 모터(120)와 엔진(110)의 회전비는 1이 되어 θ2=θ1 이 성립하게 된다.
여기서, 모터 제어기(220)가 크랭크 앵글 센서를 정확하게 구현하기 위하여는 엔진(110)과 모터(120)의 회전비는 정확해야 한다. 그러나 엔진(110)과 모터(120)의 조립 공차로 인해 엔진과 모터의 회전비가 정확하지 않을 수 있는 문제가 있다. 보다 구체적으로, 일반적으로 엔진(110)과 모터(120)를 조립시 엔진(110)과 모터의 회전비는 소수점 3자리 정도의 유효 숫자를 가지고 있으나, 엔진(110)의 RPM은 대략 4000 RPM 으로서, 1시간 주행시 24만 번 회전하게 되어 소수점 3자리 정도의 유효 숫자를 가진 엔진(110)과 모터(120)의 회전비는 크랭크 앵글 센서의 각도를 추정하는데 큰 오차를 생성할 수 있다. 따라서 엔진(110)과 모터(120)의 회전비를 보정함으로써 모터 제어기(220)가 정확한 엔진(110)의 가상 앵글 센서 정보를 생성하여야 한다.
엔진(110)과 모터(120)의 회전비를 보정하기 위해서는 엔진(110)의 RPM과 모터(120)의 RPM을 먼저 측정하여야 한다. 이때, 엔진(110)에는 캠과 크랭크가 있으며, 본 발명의 실시예들에서 크랭크 앵글 센서는 생략되나, 캠에는 앵글 센서가 구비될 수 있다. 여기서 캠 앵글센서가 엔진(110)의 RPM을 측정할 수 있는데, 캠 앵글 센서는 캠 포지션 센서라고도 한다. 캠 앵글센서는 캠의 위치 추정과 엔진(110) 크랭크의 상사점과 하사점의 위치를 추정할 수 있어 크랭크 앵글 센서를 보조하는 용도로 사용될 수 있다.
그러나, 캠 앵글센서의 캠의 위치 추정 기능은 캠 위치의 미세한 조정을 통해서 엔진(110)의 연료 분사 시기를 당기거나 분사하는 시간을 증감하는 등 다양한 기술들이 사용될 수 있기 때문에 크랭크 앵글 센서의 각과 캠 앵글 센서의 각이 정확히 일치하지 않는 경우도 생길 수 있으나, 캠 앵글센서의 회전수 측정을 통해 엔진(110)의 RPM은 측정해 낼 수 있다.
따라서, 엔진(110)과 모터(120)를 조립시 엔진(110)과 모터(120)의 회전비는 초기값으로 참조만 하고, 캠 앵글센서를 통하여 측정된 엔진(110)의 RPM과 레졸버를 통하여 측정된 모터(120)의 RPM을 비교한 결과를 통하여 실제 엔진(110)과 모터(120)의 회전비를 높은 정밀도로 보정할 수 있는 것이다.
한편, 크랭크가 상사점일때 기 저장된 크랭크 상사점에서의 제1 회전각에 대응되는 오프셋을 알 수 있다면, 모터(120)가 ｎ회 회전한 후 제1 회전각이 몇도일 때 크랭크가 상사점이 되는지 여부를 아래 수학식 2와 같이 알 수 있다.
수학식 2 : θ1= a + 2πkｎ
(θ1=모터의 제1 회전각, a=기 저장된 크랭크 상사점에서의 제1 회전각에 대응되는 오프셋, k=엔진과 모터의 회전비, ｎ=모터의 회전수, 단, 최종 모터의 회전수에서 제1 회전각을 관측시 모터의 회전수를 제외한 값)
수학식 2를 참조하면, 라디안 단위계에서 모터(120)의 제1 회전각과 모터(120)의 회전 수 관계를 표현하면, 모터(120)가 ｎ회 회전한 후 크랭크 상사점에 대응되는 제1 회전각(θ1)은 연결 수단에 의한 모터(120)와 엔진(110)의 회전비에 모터(120)의 회전수(ｎ)에 따른 회전각(2πｎ)을 곱한 값을 초기 기 저장된 크랭크 상사점에서의 제1 회전각에 대응되는 오프셋(a)과 합산한 값으로 모사될 수 있다.
수학식 1과 수학식 2를 도 1에 도시된 하이브리드 자동차에 적용할 경우, 제1 모터(120)과 엔진(110)은 직결되므로 k=1이 된다. 이러한 경우, 수학식 1은 'θ2=θ1' 로 표현될 수 있으며, 수학식 2는 'θ1= a '와 같이 표현될 수 있다. 이때 레졸버 신호와 크랭크 상사점의 관계는 도 5와 같다.
도 5는 레졸버를 통한 모터(120)의 제1 회전각 인식 신호 그래프이다. 엔진(110)과 모터(120)가 직결되어 있기 때문에, 도 4에서의 미싱 투스(Missing Tooth) 인식 지점, 즉 크랭크 상사점에서의 제2 회전각은 레졸버를 통해 검출된 특정 제1 회전각과 매칭된다.
여기서, 기 저장된 오프셋은 제1 오프셋 및 제2 오프셋이 모두 포함될 수 있다. 제1 오프셋은 초기 조립이나 정비시 크랭크 상사점에서 초기화된 상태의 오프셋을 의미할 수 있으며, 제2 오프셋은 마지막으로 엔진(110)이 정지된 시점에 저장된 제1 회전각과 모터(120)의 회전수를 기반으로 판단된 크랭크 상사점에서의 오프셋을 의미할 수 있다.
다음으로, 상술한 제1 회전각과 제2 회전각의 관계와 회전수를 기반으로 엔진(110)의 크랭크 센서가 구비되지 않는 경우의 모터 제어기(220)가 모터(120)의 제1 회전각을 판단하는 구체적인 방법을 설명한다. 설명의 편의상 'k=1'로 가정한다.
첫번째로, 최초 차량 시동시 모터(120)의 회전수는 0회이고, 모터(120)의 제1 회전각은 0도 및 엔진(110)의 회전수는 0회이다. 차량이 일정 거리를 주행 후 모터(120)의 회전수(ｎ)가 5000만 회, 모터(120)의 제1 회전각(θ1)은 25도를 가리킨다. 이때 엔진(110)은 5000만회 회전을 하였으며, 현재 엔진(110)의 제2 회전각(θ2)은 θ2=θ1= a + 2πkｎ 수학식에 따라 25도가 될 것이다.
두번째로, 최초 차량 시동시 모터(120)의 회전수는 0회이고, 모터(120)의 제1 회전각은 15도일때 크랭크가 상사점에 위치한다. 따라서 기 저장된 크랭크 상사점에서의 제1 회전각에 대응되는 오프셋(a)은 15도가 된다. 차량이 일정 거리를 주행 후 모터(120)의 회전수(ｎ)가 5000회인 경우, θ1= a + 2πkｎ 수학식에 따라 모터(120)의 제1 회전각(θ1)이 15도일 때가 엔진(110) 크랭크의 상사점이 된다.
세번째로, 모터(120)와 엔진(110)이 직결 연결된 구조가 아닌 풀리와 벨트를 통한 모터(120)와 엔진(110)이 연결된 구조에 따라 제1 회전각과 제2 회전각의 관계가 θ2=kθ1 관계(k=1.12)인 경우를 가정한다. 최초 차량 시동시 모터(120)의 회전수는 0회이고, 모터(120)의 제1 회전각은 15도일때 크랭크가 상사점에 위치한다. 따라서 기 저장된 크랭크 상사점에서의 제1 회전각에 대응되는 오프셋(a)은 15도가 된다. 차량이 일정 거리를 주행 후 모터(120)의 회전수(ｎ)가 5000회인 경우 θ1=a + 2πkｎ 수학식에 따라 a=15, k=1.12, ｎ=5000, θ1=15도 일 때가 엔진(110) 크랭크의 상사점이 된다. 같은 방식으로, 모터(120)의 회전수(ｎ')가 5001회인 경우에는, 모터(120)의 제1 회전각(θ1')=42.2도 일 때가 이 다음 상사점으로 연산되게 된다.
전술한 모터 제어기(220)의 가상 앵글 센서 정보 생성 방법을 순서도로 정리하면 도 6과 같다.
도 6은 본 발명의 하이브리드 자동차의 주행 제어 방법이 운용되는 순서도이다. 도 6을 참조하면, 하이브리드 자동차에서 엔진(110)의 회전각을 검출하는 엔진(110)의 크랭크 센서를 대체하도록 엔진(110)과 연결된 모터(120)의 레졸버를 통하여 가상의 엔진(110)의 크랭크 센서를 구현함으로써 엔진(110)의 현재 엔진(110)의 회전각을 판단할 수 있는 로직에 따른 순서도가 도시된다.
먼저, 엔진(110)과 모터(120)의 초기 조립이나 정비시 크랭크 상사점에의 제1 회전각에 대응되는 오프셋이 초기화될 수 있다(S10). 이후, 모터 제어기(220)는 조립이나 정비시 설정된 오프셋을 저장한다(S11).
모터 제어기(220)는 모터(120)의 제1 회전각을 기반으로 엔진(110)의 가상 앵글 센서 정보를 생성할 수 있다(S12). 이후, 모터 제어기(220)는 생성된 엔진(110)의 가상 앵글 센서 정보를 엔진 제어기(210)에게 전달할 수 있다(S13).
여기서, 모터 제어기(220)는 기 저장된 오프셋과 모터(120)의 회전수, 모터(120)의 회전수 및 보정된 엔진(110)과 모터(120)의 회전비를 포함하는 가상 앵글 센서 정보를 생성할 수 있다.
이때, 기 저장된 오프셋은 초기 조립이나 정비시 설정된 제1 오프셋 및 마지막으로 엔진(110)이 정지된 시점에 저장된 제1 회전각과 모터(120)의 회전수를 기반으로 판단된 제2 오프셋을 포함하고, 오프셋은 예시적인 것으로 반드시 이에 한정되는 것은 아니다.
전술한 것과 같이, 엔진(110)과 모터(120)의 회전비, 제1 회전각 및 제2 회전각의 관계는 수학식 1을 참조하여 알 수 있고, 기 저장된 크랭크 상사점에서의 제1 회전각에 대응되는 오프셋을 알 수 있다면 모터(120)가 ｎ회 회전한 후 제1 회전각이 몇도일 때 크랭크가 상사점이 되는지 여부를 수학식 2를 참조하여 알 수 있다. 마찬가지로, 수학식 1과 수학식 2를 도 1에 도시된 하이브리드 자동차에 적용할 경우, 제1 모터(120)과 엔진(110)은 직결되므로 k=1인 것을 가정한다.
모터 제어기(220)가 가상 앵글 센서 정보를 엔진 제어기(210)에게 전달하는 단계(S13) 이후에는, 엔진 제어기(210)는 엔진(110)의 판단된 제2 회전각을 기반으로 차량의 엔진(110) 시동을 제어하여(S14) 주행을 시작할 수 있다(S15).
엔진 제어기(210)를 통해 주행을 시작하면(S15), 캠 앵글센서를 통하여 측정된 엔진(110)의 RPM과 레졸버를 통하여 측정된 모터(120)의 RPM을 비교하고, 비교한 결과를 기반으로 실제 엔진(110)과 모터(120)의 회전비를 높은 정밀도로 보정할 수 있다(S16-S18). 이후, 모터 제어기(220)는 보정된 실제 엔진(110)과 모터(120)의 회전비를 저장할 수 있다(S19).
이후, 모터 제어기(220)는 엔진(110) 시동이 오프된 경우(S20의 YES) 다음 상사점에 대응되는 제1 회전각 판단을 위하여 최종 모터(120)의 회전수와 모터 레졸버의 위치를 저장하고(S21), 저장된 최종 모터(120)의 회전수와 모터 레졸버의 위치를 기반으로 다시 엔진(110)의 가상 앵글 센서 정보가 생성되도록 할 수 있다.
한편, 전술한 본 발명은, 프로그램이 기록된 매체에 컴퓨터가 읽을 수 있는 코드로서 구현하는 것이 가능하다. 컴퓨터가 읽을 수 있는 매체는, 컴퓨터 시스템에 의하여 읽혀질 수 있는 데이터가 저장되는 모든 종류의 기록장치를 포함한다. 컴퓨터가 읽을 수 있는 매체의 예로는, HDD(Hard Disk Drive), SSD(Solid State Disk), SDD(Silicon Disk Drive), ROM, RAM, CD-ROM, 자기 테이프, 플로피 디스크, 광 데이터 저장 장치 등이 있다. 따라서, 상기의 상세한 설명은 모든 면에서 제한적으로 해석되어서는 아니되고 예시적인 것으로 고려되어야 한다. 본 발명의 범위는 첨부된 청구항의 합리적 해석에 의해 결정되어야 하고, 본 발명의 등가적 범위 내에서의 모든 변경은 본 발명의 범위에 포함된다.
110 : 엔진
120 : 제1 모터
130 : 엔진클러치
140 : 제2 모터
150 : 변속기
210 : 엔진 제어기
220 : 모터 제어기
230 : 클러치 제어기
240 : 하이브리드 제어기
250 : 변속기 제어기

Claims (16)

  1. 제1 회전각을 검출하기 위한 레졸버가 구비된 모터;
    모터에 연결된 엔진;
    모터를 제어하며, 제1 회전각을 기반으로 엔진의 가상 앵글 센서 정보를 생성하는 모터 제어기; 및
    생성된 가상 앵글 센서 정보를 기반으로 엔진을 제어하는 엔진 제어기를 포함하되,
    가상 앵글 센서 정보는,
    엔진의 크랭크 앵글 각도인 제2 회전각 및 크랭크 상사점의 정보 중 적어도 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 하이브리드 자동차.
  2. 청구항 1에 있어서,
    모터 제어기는,
    엔진과 모터의 회전비 및 제1 회전각을 기반으로 제2 회전각을 판단하는 것을 특징으로 하는 하이브리드 자동차.
  3. 청구항 2에 있어서,
    엔진은, 엔진의 RPM을 측정하는 캠 앵글센서를 더 포함하고,
    엔진과 모터의 회전비는, 캠 앵글센서에서 측정된 엔진의 RPM과 모터의 RPM을 비교한 결과로 보정되는 것을 특징으로 하는 하이브리드 자동차.
  4. 청구항 2에 있어서,
    엔진과 모터의 회전비, 제1 회전각 및 제2 회전각의 관계는 아래 수학식 1에 의해 획득되는 것을 특징으로 하는 하이브리드 자동차.
    수학식 1 : θ2=kθ1
    (θ1=제1 회전각의 변동량, θ2=제2 회전각의 변동량, k=엔진과 모터의 회전비)
  5. 청구항 1에 있어서,
    모터는 엔진에 직결되는 것을 특징으로 하는 하이브리드 자동차.
  6. 청구항 1에 있어서,
    모터 제어기는,
    크랭크 상사점을 미싱 투스 신호 형태로 모사하는 것을 특징으로 하는 하이브리드 자동차.
  7. 청구항 1에 있어서,
    모터 제어기는, 크랭크 상사점의 정보를,
    기 저장된 크랭크 상사점에서의 제1 회전각에 대응되는 오프셋, 모터의 회전수 및 엔진과 모터의 회전비를 기반으로 판단하는 것을 특징으로 하는 하이브리드 자동차.
  8. 청구항 7에 있어서,
    기 저장된 오프셋은,
    초기 조립이나 정비시 설정된 제1 오프셋 및 마지막으로 엔진이 정지된 시점에 저장된 제1 회전각과 모터의 회전수를 기반으로 판단된 제2 오프셋을 포함하는 것을 특징으로 하는 하이브리드 자동차.
  9. 청구항 7에 있어서,
    기 저장된 크랭크 상사점에서의 제1 회전각에 대응되는 오프셋, 모터의 회전수 및 엔진과 모터의 회전비는 아래 수학식 2와 같은 관계를 가지는 것을 특징으로 하는 하이브리드 자동차.
    수학식 2 : θ1= a + 2πkｎ
    (θ1=모터의 제1 회전각, a=기 저장된 크랭크 상사점에서의 제1 회전각에 대응되는 오프셋, k=엔진과 모터의 회전비, ｎ=모터의 회전수, 단, 최종 모터의 회전수에서 제1 회전각을 관측시 모터의 회전수를 제외한 값)
  10. 청구항 1에 있어서,
    모터 제어기는 주행 후 엔진 시동이 오프된 경우, 최종 모터의 회전수와 모터 레졸버의 위치를 저장하는 것을 특징으로 하는 하이브리드 자동차.
  11. 모터 레졸버가 모터의 제1 회전각을 검출하는 단계;
    모터 제어기가 검출된 모터의 제1 회전각을 기반으로 엔진의 가상 앵글 센서 정보를 생성하는 단계; 및
    엔진 제어기가 생성된 가상 앵글 센서 정보를 기반으로 엔진을 제어하는 단계;를 포함하고,
    가상 앵글 센서 정보는,
    엔진의 크랭크 앵글 각도인 제2 회전각 및 크랭크 상사점의 정보 중 적어도 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 하이브리드 자동차의 주행 제어 방법.
  12. 청구항 11에 있어서,
    캠 앵글센서를 통하여 측정된 엔진의 회전수와 모터의 회전수를 비교한 결과로 엔진과 모터의 회전비를 보정하는 단계;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 하이브리드 자동차의 주행 제어 방법.
  13. 청구항 11에 있어서,
    모터 제어기가 주행 후 엔진 시동이 오프된 경우, 최종 모터의 회전수와 모터 레졸버의 위치를 저장하는 단계;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 하이브리드 자동차의 주행 제어 방법.
  14. 청구항 13에 있어서,
    모터 제어기가 최종 모터의 회전수와 모터 레졸버의 위치를 저장하는 단계 이후,
    모터 제어기는 최종 모터의 회전수와 모터 레졸버의 위치를 기반으로 다시 엔진의 가상 앵글 센서 정보를 생성하는 단계;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 하이브리드 자동차의 주행 제어 방법.
  15. 청구항 11에 있어서,
    모터 제어기는, 크랭크 상사점의 정보를,
    기 저장된 크랭크 상사점에서의 제1 회전각에 대응되는 오프셋, 모터의 회전수 및 엔진과 모터의 회전비를 기반으로 판단하는 것을 특징으로 하는 하이브리드 자동차의 주행 제어 방법.
  16. 청구항 15에 있어서,
    기 저장된 오프셋은,
    초기 조립이나 정비시 설정된 제1 오프셋 및 마지막으로 엔진이 정지된 시점에 저장된 제1 회전각과 모터의 회전수를 기반으로 판단된 제2 오프셋을 포함하는 것을 특징으로 하는 하이브리드 자동차의 주행 제어 방법.
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PG1501 Laying open of application