KR101154402B1 - 하이브리드 차량의 토크 제어방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 하이브리드 차량에서 HCU의 토크요구에 대하여 엔진의 출력토크에 여유 토크를 확보하고, 점화시기의 제어를 통해 요구 토크에 대하여 출력지연이 발생되지 않는 빠른 응답성을 제공되도록 하는 것이다.

본 발명은 모터모드에서 시동이 온 되면 토크제어가 가능한 부분부하의 조건에서 특정시간동안 엔진 출력토크에 여유토크를 확보하여 하이브리드모드로의 천이를 제공하는 과정, 엔진 클러치가 결합되면 특정 시간동안 엔진 출력토크에 여유토크를 확보하여 엔진회전수와 모터회전수의 동기화를 제공하는 과정, 엔진 클러치가 결합되고 연료차단제어가 실행되는 고속운전에서 엔진 출력토크에 여유토크를 확보하여 재가속에 엔진회전수와 모터회전수의 동기화를 제공하는 과정, 엔진 클러치가 슬립 제어되어 모터회전수가 엔진회전수에 동기된 상태에서 엔진 출력토크에 여유토크를 확보하여 모터 회전수의 상승을 유도하고, APS가 특정값 이상 혹은 엔진 클러치의 완결이 검출되면 정상토크로 제어로 복귀되는 과정을 포함한다.

하이브리드 차량, 여유토크, 엔진 클러치, 엔진토크

Description

하이브리드 차량의 토크 제어방법{METHOD FOR TORQUE CONTROLLING OF HYBRID VEHICLE}

본 발명은 하이브리드 차량에 관한 것으로, 보다 상세하게는 HCU(Hybrid Control Unit)의 토크요구가 있는 경우 엔진의 출력토크에 여유 토크를 확보하고, 점화시기의 제어를 통해 요구 토크에 대하여 출력지연이 발생되지 않는 빠른 응답성을 제공되도록 하는 하이브리드 차량의 토크 제어방법에 관한 것이다.

하이브리드 차량은 동력원으로 엔진과 배터리로 동작되어 엔진의 출력토크를 보조하는 모터가 적용되며, 엔진과 모터의 사이에 엔진의 출력토크를 단속하는 엔진 클러치가 장착된다.

하이브리드 차량은 엔진 클러치를 통한 엔진과 모터의 출력토크 합이 변속기의 입력토크가 되며, 차량의 연비, 운전성 등을 고려하여 처음에는 모터모드(EV)로 주행하고, 하이브리드모드(HEV) 주행이 필요한 경우 엔진을 시동 온 시켜 엔진속도와 모터의 속도를 동기화시킨 다음 엔진 클러치의 결합으로 엔진 토크와 모터 토크의 합이 변속기에 입력되도록 한다.

상기한 과정에서 엔진과 모터의 토크 분배는 상위 제어기인 HCU(Hybrid Control Unit)가 그 역할을 하게 되며, HCU는 차량 운전성, 연비 등을 고려하여 최적의 토크를 엔진과 모터에 분배한다.

예를 들어 HCU에서 네트워크를 통해 엔진의 동작을 제어하는 ECU(Engine Control Unit)에 토크 요구를 명령하게 되면 ECU는 HCU의 요구 토크에 따라 엔진에 흡입되는 공기량을 조정하여 엔진의 출력 토크를 HCU의 요구 토크로 출력한다.

상기한 하이브리드 차량은 HCU가 운전상황에 따라 엔진과 모터의 토크 분배를 판단하여 엔진 및 모터에게 토크의 증가/감소를 요구하게 되면 모터의 경우 전기 신호에 의해 토크의 증가/감소가 실행되므로 HCU의 요구 토크에 대한 반응이 네트워크(CAN)로 전송되는 통신지연 외에 증가/감소에 대한 응답성은 10ms이내이다.

그러나, HCU에서 엔진에 토크의 증가를 요구하게 되면 엔진 토크를 증가시키기 위하여 ETC(Electric Throttle Control)를 통해 스로틀 밸브를 개방시켜 흡입되는 공기량을 증가시키고, 계측되는 공기량이 증가하면 공기량에 맞춰 연료를 분사 한다.

공기와 혼합된 연료가 엔진 실린더 내에 유입되어 흡입→압축→폭발→배기 행정을 거쳐야만 엔진이 HCU에서 요구한 토크를 출력하게 된다.

만약, HCU에서 아주 높은 토크를 요구하는 경우 엔진에 장착된 흡기 캠 (Continuous Variable Valve Timing : CVVT)이 진각되어 많은 공기량을 확보하여야 하며 이 경우에는 흡기 캠이 동작에 필요한 유압의 지연이 발생된다.

그리고, HCU의 토크요구에 따라 엔진에서는 ETC형식의 스로틀 밸브를 기계적으로 개방시키는 걸리는 시간, 흡입되는 공기가 흡기구→서지탱크(Surge Tank)→흡 기 매니폴터(Intake Manifold)로 유입되는데 소요되는 시간, 유입된 공기가 실제 연소되어 폭발력이 발생하는 시간 등이 소요되므로 HCU가 엔진에 토크 증가를 요청하였을 때 모터에 비하여 자연적인 토크 지연이 발생하는 문제점이 있다.

또한, HCU에서 엔진에 토크의 감소를 요구하게 되면 엔진 토크를 감소시키기 위하여 ETC를 통해 스로틀 밸브를 폐쇄하여 공기량을 감소시키거나 또는 점화시기를 지각시켜 엔진의 연소 효율을 감소시키게 된다.

그러므로, HCU의 토크의 감소요구에 따라 토크 감소를 위해 점화시기의 지각과 공기량 감소를 동시에 실행되어 HCU에서 요구한 엔진의 토크 감소를 정확하게 추종할 수 있다.

따라서, 하이브리드 차량이 모터모드(EV)의 주행에서 하이브리드모드(HEV)의 주행으로 천이되는 경우 엔진과 모터의 토크 분배에서 엔진의 출력토크 지연으로 인하여 엔진 토크와 모터 토크의 합으로 결정되는 변속기 입력단의 토크는 일정하게 유지되지 못하고 지연을 발생시키게 되며, 이에 따라 차량에 쇼크(Shock)를 발생시켜 운전성 및 승차감에 악 영향을 미치는 문제점을 발생시킨다.

상기한 엔진의 출력토크 지연에 따른 운전성 악화를 개선하기 위하여 엔진에서 지연되는 출력 토크량을 검출하여 응답성이 빠른 모터로 보상하도록 하는 방법이 적용되고 있으나, 모터를 이용한 토크 보상은 배터리 전원을 사용하게 되여 배터리의 SOC(State Of Change)를 감소시키므로, 감소된 SOC 만큼 엔진에 의해 충전이 실행되어 연비 악화를 발생시키는 단점이 발생한다.

본 발명은 상기한 문제점을 해결하기 위하여 발명한 것으로, 그 목적은 HCU(Hybrid Control Unit)의 토크 요구가 있는 경우 ECU는 엔진의 출력토크에 여유 토크를 확보하고, 점화시기의 제어를 통해 요구 토크에 대하여 출력지연이 발생되지 않는 빠른 응답성을 제공되도록 하는 것이다.

즉, ECU는 HCU의 요구 토크에 맞는 공기량보다 더 많은 공기량을 미리 확보하고, 점화시기를 지각시켜 낮은 연소효율을 통해 HCU의 요구토크를 만족시키고, 엔진의 출력토크가 상승되면 점화시기를 진각 제어하여 연소효율을 상향시킴으로써 토크지연이 발생되지 않는 엔진 출력토크와 모터토크의 합이 변속기에 입력되도록 하는 것이다.

또한, 본 발명은 연비개선을 위하여 하이브리드 차량의 운전성 관점에서 엔진의 출력 토크가 상승하는 동작 조건에 대해서만 적용하여 연비개선 및 운전성 향상을 제공하도록 하는 것이다.

상기한 목적을 실현하기 위한 본 발명의 특징에 따른 하이브리드 차량의 토크 제어방법은,

모터모드에서 시동이 온 되면 토크제어가 가능한 부분부하의 조건에서 특정시간동안 엔진 출력토크에 여유토크를 확보하여 하이브리드모드로의 천이를 제공하는 과정;

엔진 클러치가 결합되면 특정 시간동안 엔진 출력토크에 여유토크를 확보하 여 엔진회전수와 모터회전수의 동기화를 제공하는 과정;

엔진 클러치가 결합되고 연료차단제어가 실행되는 고속운전에서 엔진 출력토크에 여유토크를 확보하여 재가속에 엔진회전수와 모터회전수의 동기화를 제공하는 과정;

엔진 클러치가 슬립 제어되어 모터회전수가 엔진회전수에 동기된 상태에서 엔진 출력토크에 여유토크를 확보하여 모터 회전수의 상승을 유도하고, APS가 특정값 이상 혹은 엔진 클러치의 완결이 검출되면 정상토크로 제어로 복귀되는 과정을 포함한다.

전술한 구성에 의하여 본 발명에 따른 하이브리드 차량은 HCU의 토크 요구에 대하여 여유토크를 포함하는 엔진 출력토크의 제어로 변속기의 입력토크에 토크 지연이 발생되지 않아 승차감과 차량의 상품성을 향상시키는 효과가 있다.

아래에서는 첨부된 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다.

본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으므로, 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않으며, 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위하여 설명과 관계없는 부분은 생략하였다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 하이브리드 차량의 제동 제어장치를 개략적 으로 도시한 도면이다.

본 발명은 ECU(Engine Control Unit : 10), HCU(Hybrid Control Unit : 20), MCU(Motor Control Unit : 30), 배터리(40), BMS(Battery Management System : 50), 엔진(60), 모터(70), 엔진 클러치(80), 변속기(90) 및 구동 휠(100)를 포함한다.

ECU(10)는 네트워크를 통해 HCU(20)와 연결되어 HCU(20)의 제어에 따라 엔진(60)의 제반적인 동작을 제어하며, HCU(20)의 토크 요구에 따라 엔진(60)의 출력토크에 여유 토크를 확보하고, 점화시기의 제어를 통해 요구 토크에 대하여 출력지연이 발생되지 않는 빠른 응답성을 제공되도록 한다,

즉, ECU(10)는 HCU(20)의 요구 토크에 맞는 공기량보다 더 많은 공기량을 미리 확보하고, 점화시기를 지각시켜 낮은 연소효율을 통해 HCU(20)의 요구토크를 만족시키고, 엔진(60)의 출력토크가 상승되면 점화시기를 진각 제어하여 연소효율을 상향시킴으로써 엔진(60)의 출력토크에 지연이 발생되지 않도록 한다.

상기 ECU(10)는 엔진(60)의 출력토크에 여유 토크를 확보하는 동작에서 운전자의 감가속 요구인 APS(Accel Position Sensor)신호를 적용하여 출력토크의 크기를 조절한다.

HCU(20)는 주행요구 및 차량 상태에 따라 네트워크를 통해 각 제어기들을 통합 제어하여 엔진(60) 및 모터(70)의 출력토크를 제어하고, 운전조건 상태에서 따라 엔진 클러치(80)를 제어하여 모터모드(EV), 하이브리드 모드(HEV) 및 엔진모드의 주행을 제어한다.

MCU(30)는 HCU(20)의 제어에 따라 모터(70)의 구동을 제어하고, 회생제동시에 모터(70)의 회생제동에너지를 배터리(40)에 저장한다.

배터리(40)는 하이브리드 모드(HEV) 및 모터모드(EV)에서 모터(70)에 전원을 공급하고, 회생제동 제어시 모터(70)를 통해 회수되는 전기를 충전된다.

BMS(50)는 상기 배터리(40)의 전압, 전류, 온도 등의 정보를 종합 검출하여 SOC(State Of Charge) 상태 및 충방전 전류량을 관리 제어하며, 그에 대한 정보를 네트워크를 통해 HCU(20)에 제공한다.

엔진(60)은 ECU(20)의 제어에 의해 제반적인 출력토크가 제어되고, 미도시된 ETC(Electric Throttle Control)에 의해 조정되는 스로틀 밸브의 개도율에 따라 흡입 공기량이 조정된다.

모터(70)는 상기 MCU(30)의 제어에 따라 구동토크가 조정되고, 회생제동시에 회생제동량에 따라 회생제동 토크를 발생시킨다.

엔진 클러치(80)는 엔진(60)과 모터(70)의 사이에 배치되어, HCU(20)의 제어에 따라 동작되어 운전모드를 결정한다.

변속기(90)에는 엔진 클러치(80)의 결합 및 해제에 따라 결정되는 엔진(60)의 출력토크와 모터(80)의 출력토크 합이 입력토크로 공급되며, 차속과 운행조건에 따라 임의의 변속단이 선택되어 구동력을 구동휠(100)에 제공하여 주행을 유지하여 준다.

전술한 바와 같은 기능이 포함되는 본 발명의 동작에 대하여 설명하면 다음과 같다.

하이브리드 차량의 운행에 대한 제어는 통상적인 동작과 동일하게 실행되므로 이에 대한 구체적인 설명은 생략하고, HCU의 토크 요구에 따라 엔진의 출력토크에 여유토크를 확보하여 안정된 토크 연결을 확보하는 동작에 대해서만 설명한다.

도 2의 흐름도에서 알 수 있는 바와 같이, 본 발명에 따른 하이브리드 차량이 모터모드(EV)로 주행되고 있는 상태에서(S101) ECU(10)는 네트워크로 연결되는 HCU(20)로부터 하이브리드모드(HEV)의 전환을 위한 엔진(60)의 시동 온 요구가 검출되는지 판단한다(S102).

상기 S102에서 엔진(60)의 시동 온 요구가 검출되면 ECU(10)는 엔진(60)을 시동 온으로 제어하고, 엔진(60)의 출력토크를 검출하여(S103) 토크 제어가 가능한 부분부하의 상태인지를 판단한다(S104).

상기 S104에서 부분부하의 조건이 아니면 종료하고, 토크 제어가 가능한 부분부하의 상태이면 HCU(20)의 요구 토크에 따라 토크제어가 가능한 시점부터 HCU(20)에서 요구하는 토크에 대한 응답성을 확보하기 위하여 엔진(60)의 출력토크에 여유토크를 확보한다(S105),

그리고, 타이머 카운터를 개시하여 여유토크를 확보한 시간의 경과를 검출하고(S106) 설정된 시간이 경과하였으면(S107) ECU(10)는 엔진(60)의 출력토크를 정상토크로 제어한다(S108).

즉, 모터모드에서 하이브리드모드로 천이하기 위해 엔진(60)의 시동이 온되고, 엔진(60)의 토크 제어가 가능한 부분부하의 조건에서 특정된 시간동안 엔진(60)의 출력토크에 여유토크를 확보하여 HCU(20)의 요구 토크에 응답성을 확보하 여 준다.

또한, 도 2의 흐름도에서 알 수 있는 바와 같이, 엔진(60)의 시동이 온을 유지하는 상태에서(S201) ECU(10)는 네트워크를 통해 HCU(20)의 제어정보를 분석하여 엔진 클러치(80)가 결합되었는지 판단한다(S202).

상기 S202에서 엔진 클러치(80)가 결합되었으면 HCU(20)에서 요구하는 토크에 대한 응답성을 확보하기 위하여 엔진(60)의 출력토크에 여유토크를 확보한다(S203).

이후, 타이머 카운터를 개시하여 여유토크를 확보한 시간의 경과를 카운터하고(S204), 운전자의 감가속 요구인 APS의 신호에 따라 여유토크가 확보된 엔진(60)의 출력토크를 조정한다(S205).

상기 타이머 카운터의 진행에 따라 설정된 시간이 경과되었거나 HCU(20)로부터 엔진(60) 회전수와 모터(70) 회전수의 동기화가 완료되었다는 정보가 제공되면(S206), ECU(10)는 엔진(60)을 정상토크로 제어한다(S207).

즉, 엔진(60) 회전수와 모터(70) 회전수가 일치되게 제어하기 위하여 엔진 클러치가 결합된 이후 특정시간 동 엔진(60)의 출력토크에 여유토크를 확보함으로써 엔진(60)의 출력토크에 응답성을 확보하여 신속한 회전수의 동기화를 제공한다.

또한, 도 3의 흐름도에서 알 수 있는 바와 같이, 본 발명에 따른 하이브리드 차량이 예를 들어 60KPH 이상으로 고속운전되는 상태이고(S301), 엔진 클러치(80)가 결합된 상태이며(S302) 연료차단제어가 실행되는 상태에서(S303) 연료차단제어가 해제되었는지 판단한다(S304).

상기 S304에서 연료차단제어가 해제되었으면 운전자의 가속요구가 있는 것으로 판단하고 HCU(20)에서 요구하는 토크에 대한 응답성을 확보하기 위하여 엔진(60)의 출력토크에 여유토크를 확보한다(S305).

이후, 타이머 카운터를 개시하여 여유토크를 확보한 시간의 경과를 카운터하고(S306), 운전자의 감가속 요구인 APS의 신호에 따라 여유토크가 확보된 엔진(60)의 출력토크를 조정한다(S307).

상기 타이머 카운터의 진행에 따라 설정된 해제조건, 바람직하게는 설정된 시간이 경과되었거나 HCU(20)로부터 엔진(60) 회전수와 모터(70) 회전수의 동기화가 완료되었다는 정보가 제공되면(S308), ECU(10)는 엔진(60)을 정상토크로 제어한다(S309).

또한, 도 4의 흐름도에서 알 수 있는 바와 같이, 제반적인 운전정보를 검출하여(S401) 엔진(60)의 출력토크와 모터(70)의 출력토크를 합산하는 엔진 클러치(80)가 슬립으로 제어되고, APS의 정보가 설정값 이상으로 검출되는지 판단한다(S402).

상기 S402에서 엔진 클러치(80)가 슬립으로 제어되고, APS가 설정값 이상이면 배터리(40)의 출력이 제한되거나 모터(70)의 이상으로 인하여 엔진(60)이 아이들 상태로 제어되고, 엔진 클러치(80)의 슬립 제어로 모터(70)의 회전수를 엔진(60)의 회전수에 동기시키는 조건으로 판정한다.

따라서, 엔진(60)은 아이들 상태이지만 엔진(60)의 출력토크만으로 모터(70)의 회전수를 상승시켜야 하는 상황이므로 냉각수의 온도와 엔진회전수에 따라 엔 진(60)의 출력토크에 여유토크를 확보한다(S403).

그리고, APS의 정보에 따라 엔진(60)의 출력토크 여유분을 조정하며(S404), APS의 정보가 설정값 이하로 천이되거나(S405) 엔진 클러치(80)의 완전 결합이 이루어지면(S406) ECU(10)는 엔진(60)을 정상토크로 제어한다(S407).

즉, 배터리(40)의 출력이 제한되거나 모터(70)에 문제가 발생되어 엔진(60)을 아이들 상태로 제어하고, 엔진 클러치(80)를 슬립으로 제어하여 모터(70)의 회전수를 엔진(60) 회전수에 동기시키는 경우 엔진(60)은 아이들 상태이지만 엔진(60)의 힘으로 모터(70)의 회전수를 상승시키어야 하므로 엔진(60)은 출력토크는 응답성이 빨라야한다.

따라서, HCU(20)의 토크요구에 따라 엔진(60)의 회전수와 모터(70) 회전수를 동기화시키는 조건에 따라 엔진(60)의 출력토크에 여유토크를 확보한다.

상기 ECU(10)에 의해 제어되는 엔진(60)의 출력토크에 확보되는 여부토크의 최대값은 전술한 제1 내지 제4의 토크 합으로 결정된다.

이상에서 본 발명의 실시예에 대하여 상세하게 설명하였지만 본 발명의 권리범위는 이에 한정되는 것이 아니고 다음의 청구범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 발명의 권리범위에 포함된다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 하이브리드 차량의 토크 제어장치를 개략적으로 도시한 도면이다.

도 2 내지 도 5는 본 발명의 실시예에 따른 하이브리드 차량의 상황별 토크제어절차를 도시한 흐름도이다.

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>

10 ; ECU 20 : HCU

30 : MCU 40 : 배터리

50 : BMS 60 : 엔진

70 : 모터 80 : 엔진 클러치

90 : 변속기 100 : 구동 휠

Claims (5)

1. EV모드에서 엔진 시동 온이 검출되면 엔진의 출력이 부분부하 조건인지 판단하는 과정;

   엔진 출력이 부분부하 조건이면 엔진 출력에 여유 토크를 확보하고, HCU의 토크요구에 대하여 여유 토크를 적용하여 출력 토크의 응답성을 제공하는 과정;

   설정 시간이 경과되면 엔진 출력토크를 정상토크로 제어하는 과정;

   을 포함하는 하이브리드 차량의 토크 제어방법.
2. 삭제
3. 엔진클러치가 결합되고 연료차단제어가 실행되는 고속운전에서 엔진의 출력토크에 여유 토크를 확보하고, APS의 정보에 따라 여유 토크의 크기를 조정하는 과정;

   재가속에 따라 엔진회전수와 모터회전수를 동기화 제어하는 과정;

   설정된 시간이 경과하였거나 엔진회전수와 모터회전수의 동기화가 완료되면 엔진 출력토크를 정상토크로 제어하는 과정;

   을 포함하는 하이브리드 차량의 토크 제어방법.
4. 배터리 출력 제한 혹은 모터 이상으로 엔진 클러치가 슬립 제어되고, 엔진이 아이들 상태로 제어되어 모터회전수를 엔진회전수에 동기시키는 경우 엔진 출력토크에 여유 토크를 확보하는 과정;

   APS의 정보가 설정값 이상이거나 엔진 클러치가 완결되면 엔진 출력토크를 정상토크로 제어하는 과정;

   을 포함하는 하이브리드 차량의 토크 제어방법.
5. EV모드에서 시동이 온 되면 토크 제어가 가능한 부분부하의 조건에서 특정시간 동안 엔진 출력토크에 여유 토크를 확보하고, 엔진의 시동 온에 따라 하이브리드모드로의 천이를 실행하는 과정;

   엔진 클러치가 결합되고 연료차단제어가 실행되는 고속운전에서 엔진 출력토크에 여유 토크를 확보하고, 재가속에서 엔진회전수와 모터회전수의 동기화를 실행하는 과정;

   엔진 클러치가 슬립 제어되어 모터회전수가 엔진회전수에 동기된 상태에서 엔진 출력토크에 여유 토크를 확보하여 모터 회전수의 상승을 유도하고, APS가 특정값 이상 혹은 엔진 클러치의 완결이 검출되면 정상 토크로의 제어로 복귀하는 과정;

   을 포함하는 하이브리드 차량의 토크 제어방법.

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