KR100737003B1 - 직렬 및 병렬 하이브리드 자동차에서의 최적 운전점결정방법 - Google Patents

직렬 및 병렬 하이브리드 자동차에서의 최적 운전점결정방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은, 직렬 및 병렬 하이브리드 자동차에서의 최적 운전점 결정방법에 관한 것으로, 직렬 및 병렬 하이브리드 자동차에서, 요구 토크와. 차속, 그리고 배터리 파워에 근거하여, 목표 엔진 속도 및 토크를 결정하는 1단계와, 상기 목표 엔진 토크를 엔진 제어기를 이용하여 제어하고, 상기 목표 엔진 속도를 제너레이터의 속도 제어를 이용하여 제어하는 2단계와, 상기 요구 토크와 엔진에서 직접 인가되는 토크의 차이를 모터 토크를 이용하여 보상하는 3단계를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다. 그리고, 본 발명의 실시예에 따르면, 엔진의 효율과 동력 전달을 모두 고려한 최적 운전점을 결정하여 전체 시스템 효율이 높은 점에서 운전을 제어할 수 있게 되며, 또한 연비 등이 크게 향상된다.
하이브리드 자동차, 직렬 및 병렬 방식, 최적 운전점 결정, 엔진 효율, 동력 전달 효율

Description

직렬 및 병렬 하이브리드 자동차에서의 최적 운전점 결정방법 {Method for determining optimal drive point in series and parallel hybrid car}
도 1은 종래의 직렬 하이브리드 자동차에 대한 구성을 나타낸 도면,
도 2는 종래의 병렬 하이브리드 자동차에 대한 구성을 나타낸 도면,
도 3은 종래의 직렬 및 병렬 하이브리드 자동차에 대한 구성을 나타낸 도면,
도 4는 본 발명에 적용되는 엔진 토크 맵과 엔진 속도 맵을 나타낸 도면,
도 5는 본 발명에 따른 최적 운전점 결정과정을 개념적으로 나타낸 도면,
도 6은 본 발명에 따른 직렬 및 병렬 하이브리드 자동차에서의 최적 운전점 결정방법에 대한 동작 흐름도를 나타낸 도면이다.
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>
20 : 엔진 21,22 : 모터 제너레이터
23 : 유성기어 24 : 감속기어
25 : 배터리 26 : 인버터
27 : 휠
삭제
본 발명은, 직렬 및 병렬 방식의 하이브리드 자동차에서, 시스템 전체의 효율을 향상시킬 수 있도록 하기 위한 최적 운전점 결정방법에 관한 것이다.
일반적으로 하이브리드(Hybrid) 자동차는, 동력원을 2가지 이상 갖추고 있는 데, 통상적으로는 내연기관과 전기모터 2가지를 이용하고 있다.
하이브리드 자동차의 방식은, 직렬(Series) 방식과 병렬(Parallel) 방식, 그리고 직렬 및 병렬(Series/Parallel) 방식이 있으며, 상기 직렬 방식은, 도 1에 나타낸 바와 같이, 엔진(11)의 동력이 모두 제너레이터(12)를 통해 전기 동력으로 변환되고, 차량의 구동은, 모터(13)가 담당하므로, 주행 조건과 독립하여 엔진을 최대 효율점에서 운전 가능하게 된다. 또한, 주행중 엔진 정지, 정차중 충전이 가능하다. 그러나, 엔진 동력을 기계에서 전기적으로 변환하는 과정과, 전기에서 기계적으로 변환하는 과정에서 동력 전달 손실이 크다.
반면, 상기 병렬 방식은, 도 2에 나타낸 바와 같이, 엔진(11)이 구동 축과 기계적으로 연결되어 직렬 방식 보다 동력 전달 손실이 적고, 모터 제너레이터(16)와 변속기(17)가 엔진 고 효율점에서 운전되도록 보조하지만, 상기 직렬 방식만큼 자유롭지는 못하다.
한편, 직렬 및 병렬 방식은, 도 3에 나타낸 바와 같이, 1 개의 엔진(20)과 2 개의 모터 제너레이터(21,22)가 유성 기어(23)에 의해 연결되어 있으며, 엔진(20)의 동력을 기계적(병렬), 전기적(직렬)으로 차축에 전달하게 된다.
그러나, 상기 직렬 및 병렬 방식에서는, 전기적 전달 효율이 기계적 전달 효율보다 현저히 낮기 때문에, 엔진을 고효율로 운전하는 것 못지 않게 동력 전달 효율을 높이는 것이 중요하지만, 종래의 직렬 및 병렬 방식의 하이브리드 자동차에서는, 엔진 파워를 고효율로 결정하는 데만 중점을 두고 있으며, 엔진에서 나온 파워가 차축까지 전달되는 효율은 고려하지 않고 있는 실정이다.
따라서, 본 발명은 상기와 같은 문제점 및 실정을 해결하기 위하여 창작된 것으로서, 직렬 및 병렬 방식의 하이브리드 자동차에서, 엔진의 효율과 동력 전달의 효율을 모두 고려하여, 최적의 운전점을 결정함으로써, 전체 시스템 효율이 높은 점에서 운전이 가능하도록 하기 위한 직렬 및 병렬 하이브리드 자동차에서의 최적 운전점 결정방법을 제공하는 데, 그 목적이 있는 것이다.
상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 직렬 및 병렬 하이브리드 자동차에서의 최적 운전점 결정방법은, 직렬 및 병렬 하이브리드 자동차에서, 요구 토크와. 차속, 그리고 배터리 파워에 근거하여, 목표 엔진 속도 및 토크를 결정하는 1단계와, 상기 목표 엔진 토크를 엔진 제어기를 이용하여 제어하고, 상기 목표 엔 진 속도를 제너레이터의 속도 제어를 이용하여 제어하는 2단계와, 상기 요구 토크와 엔진에서 직접 인가되는 토크의 차이를 모터 토크를 이용하여 보상하는 3단계를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하며,
상기 목표 엔진 속도 및 토크는, 최종 입력과 출력을 근거하여, 엔진 효율과 동력 전달 효율이 가장 좋은 값으로 결정되는 것이고, 상기 요구 토크와, 차속, 그리고 배터리 파워에 대한 최적 엔진 운전점을 제어 맵으로 구성하여 사용하는 것이고, 상기 목표 엔진 속도 및 토크는, 4 개의 상태 방정식과 5 개의 변수에 의해 결정되는 것을 특징으로 한다.
이하, 상기한 바와 같이 구성된 본 발명에 대해 첨부도면을 참조하여 상세히 설명한다.
본 발명에 따른 최적 운전점 결정방법은, 도 3을 참조로 전술한 바 있는 직렬 및 병렬 방식의 하이브리드 자동차에 적용되는 것으로, 전자 컨트롤 유니트(ECU)에서는, 상기 직렬 및 병렬 방식의 정상 상태 방정식을 이용하여, 시스템 전체 효율을 최적화하게 된다.
상기 직렬 및 병렬 방식의 하이브리드 자동차에 적용되는 정상 상태 방정식은 기계적 토크에 관련된 2 개의 방정식과, 기계적 속도에 관련된 1 개의 방정식 및, 전기에 관련된 1 개의 방정식이 이용되고 있다.
먼저, 상기 기계적 토크에 관련된 2 개의 방정식은, Te= (Tr-Tm)*(1+R)/R와 Te= -Tg*(1+R) 이고, 상기 기계적 속도에 관련된 1 개의 방정식은, Ng= (1+R)*Ne -(R*Nm)이다.
그리고, 상기 전기에 관련된 1 개의 방정식은, Pme+Pge= Pb이며, 여기서 Te, Tm, Tg는, 각각 엔진, 모터(MG2), 제너레이터(MG1)의 토크이고, Tr은 운전자 요구 토크(링기어측 토크)이고, Ne, Nm, Ng는 각각 엔진, 모터(MG2), 제너레이터(MG1)의 속도이다.
또한, 상기 R은 유성 기어의 기어비(ring/sun)로서 상수 값이고, 상기 Pb, Pme, Pge는, 각각 배터리, 모터(MG2), 제너레이터(MG1)의 파워로서, 충전시 상기 Pme는, Pme= Nm*Tm*ηm 가 되고, 방전시에는, Pme= Nm*Tm/ηm 이 되는 데, 여기서 ηm은, 모터 효율로서, ηm= fn(Tm,Nm)이다.
그리고, 충전시 상기 Pge는, Pge= Ng*Tg*ηg 가 되고, 방전시에는, Pge= Ng*Tg/ηg 이 되는 데, 여기서 ηg은 제너레이터 효율로서, ηg= fn(Tg,Ng)이며, 상기와 같이 4 개의 상태 방정식과, 8 개의 변수(Te, Tm, Tg, Tr, Ne, Nm, Ng, Pb)를 이용하게 된다.
한편, 시스템 효율은, 시스템 입력에 대한 최종 출력 비로서, ηsystem = Pout/Pin= (Nm*Tr+Pb)/Pfuel 로 정의되는 데, 상기 8 개의 변수 중 최종 출력에 해당하는 3 개의 변수(Nm, Tr, Pb)는 이미 결정되어 있으며, 나머지 5 개의 변수(Te, Tm, Tg, Ne, Ng)로 4 개의 방정식을 만족하는 경우는 무수히 많다.
따라서, 최적화 기법을 사용하여 시스템 입력에 해당되는 연료 소모율이 가장 적은 점을 선택하는 다이렉트 서치 방법(Direct Search Method), Pfuel= fn(Ne,Te)(BSFC) 를 사용하는 데, 최종 입력과 출력을 이용하였으므로, 엔진 효율과 동력 전달을 모두 고려해 효율이 가장 좋은 점을 선택하게 된다.
한편, 각각의 현재 차속(Nm), 운전자에 의한 요구 토크(Tr), 배터리의 충/방전 상태에 의한 배터리 파워(Pb)에 대해 최적 운전점을, 도 4에 나타낸 바와 같이, 제어 맵으로 구성하여 사용하고, 각 차속(Nm)과 요구 토크(Tr) 및 배터리 파워(Pb)별 최적의 엔진 속도(Ne)와 엔진 토크(Te)를 저장한다.
그리고, 도 5에 나타낸 바와 같이, 요구 토크, 차속, 배터리 파워를 제어 맵에 대입하여, 목표 엔진 속도/토크를 결정하는 데, 목표 엔진 토크는, 엔진 제어기를 이용하여 제어하고, 목표 엔진 속도는, 제너레이터의 속도 제어를 이용하여 제어한다.
또한, 요구 토크와 엔진에서 직접 인가되는 토크(병렬)의 차이를 모터 토크로 보상하는 데, 엔진 토크는 제너레이터의 반력에 의해 링기어로 전달되기 때문에, 제너레이터 토크로부터 병렬 패스의 토크를 알아낼 수 있다.
그리고, 도 6에 나타낸 바와 같이, 동작 제어 루틴을 수행하게 되면, 엑셀레이터의 위치와 차속, 배터리의 충전 상태, 그리고 모터와 제너레이터의 회전수를 각각 입력하고(S1), 운전자에 의한 요구 토크를 설정한 후(S2), 배터리의 충전 상태를 참조하여, 배터리 파워를 설정한다(S3).
또한, 엔진 목표 토크와 엔진 목표 회전수를 설정하고(S4), 모터 제너레이터의 목표 회전수를 설정하며(S5), 각각의 모터 제너레이터의 목표 토크를 설정한 후(S6,S7), 엔진 목표 토크와 모터 제너레이터 목표 토크를 출력함(S8)으로써, 엔진의 효율과 동력 전달 효율을 모두 고려한 최적 운전점이 결정되어, 전체 시스템 효율이 높은 점에서 운전 제어할 수 있게 된다.
본 발명은 전술한 전형적인 바람직한 실시예들에만 한정되는 것이 아니라 본 발명의 요지를 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지로 개량, 변경, 대체 또는 부가하여 실시할 수 있는 것임은 당해 기술분야에 통상의 지식을 가진 자라면 용이하게 이해할 수 있을 것이다. 이러한 개량, 변경, 대체 또는 부가에 의한 실시가 이하의 첨부된 특허청구범위의 범주에 속하는 것이라면 그 기술사상 역시 본 발명에 속하는 것으로 보아야 한다.
이상과 같이 본 발명에 따르면, 엔진의 효율과 동력 전달을 모두 고려한 최적 운전점을 결정하여 전체 시스템 효율이 높은 점에서 운전을 제어할 수 있게 되며, 또한 연비 등이 크게 향상된다.

Claims (4)

  1. 직렬 및 병렬 하이브리드 자동차에서, 요구 토크와, 차속, 그리고 배터리 파워에 근거하여, 목표 엔진 속도 및 토크를 결정하는 1단계와;
    상기 목표 엔진 토크를 엔진 제어기를 이용하여 제어하고, 상기 목표 엔진 속도를 제너레이터의 속도 제어를 이용하여 제어하는 2단계 및;
    상기 요구 토크와 엔진에서 직접 인가되는 토크의 차이를 모터 토크를 이용하여 보상하는 3단계를 포함하고;
    상기 1단계에서 결정되는 상기 목표 엔진 속도 및 토크는, 최종 입력과 출력을 근거하여, 엔진 효율과 동력 전달 효율이 가장 좋은 값으로 결정되는 것을 특징으로 하는 직렬 및 병렬 하이브리드 자동차에서의 최적 운전점 결정방법.
  2. 삭제
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 요구 토크와, 차속, 그리고 배터리 파워에 대한 최적 엔진 운전점을 제어 맵으로 구성하여 사용하는 것을 특징으로 하는 직렬 및 병렬 하이브리드 자동차에서의 최적 운전점 결정방법.
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 목표 엔진 속도 및 토크는, 4 개의 상태 방정식[Te= (Tr-Tm)*(1+R)/R, Te= -Tg*(1+R), Ng= (1+R)*Ne -(R*Nm), Pme+Pge= Pb]과 5 개의 변수[Te, Tm, Tg, Ne, Ng]에 의해 결정되는 것을 특징으로 하는 직렬 및 병렬 하이브리드 자동차에서의 최적 운전점 결정방법.
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