KR101237317B1 - 4륜구동 하이브리드 차량의 추진 장치 및 방법 - Google Patents

4륜구동 하이브리드 차량의 추진 장치 및 방법 Download PDF

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국방과학연구소
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Abstract

본 발명에 따른 4륜구동 하이브리드 차량의 추진 장치는 전륜 차축에 전륜 감속기를 거쳐 연결되는 전륜 전기 모터, 후륜 차축에 후륜 감속기를 거쳐 연결되는 후륜 전기 모터, 상기 전륜 전기 모터와 상기 후륜 전기 모터의 전력 공급선에 전기적으로 연결되는 발전기, 상기 발전기만을 구동시키는 엔진, 상기 전력 공급선에 전기적으로 연결되는 배터리 및 DC/DC 컨버터를 통해 상기 전력 공급선에 전기적으로 연결되는 울트라 커패시터를 포함함으로써, 엔진으로 전륜 차축을 구동할 때와 비교하여 전기 모터로 전륜 차축과 후륜 차축 모두를 구동하면 전기 모터의 저속 고토크 특성으로 인하여 차량의 가속성능과 등판성능 등 기동성이 뛰어나다.

Description

4륜구동 하이브리드 차량의 추진 장치 및 방법{PROPULSION DEVICE AND METHOD FOR FOUR WHEEL DRIVE HYBRID VEHICLES}
본 발명은 4륜구동 하이브리드 차량의 추진 장치 및 방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 전륜 차축의 회전과 후륜 차축의 회전을 담당하는 전기 모터를 구별하여 배치함과 동시에 엔진을 발전기의 구동에만 사용하고, 각 전기 모터에 전력을 효율적으로 공급함으로써 차량의 기동성 및 연비를 향상시킬 수 있는 4륜구동 하이브리드 차량의 추진 장치 및 방법에 관한 것이다.
최근 4륜구동 차량의 기동성을 높이고 연비를 향상시키기 위하여 하이브리드 추진시스템을 적용한 차량이 개발되고 있다. 기존에 개발된 4륜구동 하이브리드 차량은 엔진으로만 전륜 차축을 구동하거나 엔진과 전기 모터로 전륜 차축을 구동하고 제2의 전기 모터로 후륜 차축을 구동하는 병렬형 방식을 주로 사용하고 있다.
또한 소용량의 배터리를 이용하여 전기 모터를 구동하고 제동시 회생되는 전력으로 충전하는 구조를 가지고 있다. 이와 같은 차량은 주행 속도에 따라 엔진 회전속도가 결정되므로 엔진의 효율이 낮아질 수밖에 없는 구조이다. 또한 배터리만을 이용하여 전기 모터로 전력을 공급하고 회생전력으로 충전하는 방식이므로 급가속, 급경사로 주행 및 급제동시 요구되는 고출력 특성을 만족하지 못하고 출력저하 및 회생 효율 저하의 문제점이 나타나고 있다.
본 발명은 병렬형 4륜구동 하이브리드 추진 시스템의 한계인 엔진 효율 저하와 배터리 단독 사용으로 인한 출력저하 문제를 해결하여 엔진의 효율을 높이고 구동 출력 및 회생 제동 효율을 향상시킬 수 있는 4륜구동 하이브리드 차량의 추진 장치 및 방법을 제공하기 위한 것이다.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제들은 이상에서 언급한 기술적 과제들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명의 4륜구동 하이브리드 추진 시스템은 전륜 차축에 전륜 감속기를 거쳐 연결되는 전륜 전기 모터, 후륜 차축에 후륜 감속기를 거쳐 연결되는 후륜 전기 모터, 상기 전륜 전기 모터와 상기 후륜 전기 모터의 전력 공급선에 전기적으로 연결되는 발전기, 상기 발전기만을 구동시키는 엔진, 상기 전력 공급선에 전기적으로 연결되는 배터리 및 DC/DC 컨버터를 통해 상기 전력 공급선에 전기적으로 연결되는 울트라 커패시터를 포함할 수 있다.
이때, 상기 엔진을 구동시키는 하이브리드 제어부(HCU, Hybrid Control Unit)를 더 포함하고, 상기 하이브리드 제어부는, 가속 페달의 위치와 브레이크 페달의 위치를 측정하여 운전자의 요구 파워를 산출하는 요구 파워 산출부, 상기 배터리의 SOC(State of Charge)와 상기 울트라 커패시터의 SOC를 감시하는 충전 상태 감시부, 상기 배터리의 SOC(State of Charge)로부터 산출된 배터리 충전 파워와 상기 울트라 커패시터의 SOC로부터 산출된 울트라 커패시터 충전 파워 및 상기 산출된 요구 파워의 합으로 상기 발전기 출력 파워를 산출하는 출력 파워 산출부 및 상기 산출된 발전기 출력 파워를 만족하도록 상기 엔진을 구동시키는 엔진 구동부를 포함할 수 있다.
상기 배터리 충전 파워(Pbat _ soc)는 다음의 수학식에 의해 산출될 수 있다.
Figure 112011018013267-pat00001
여기서, SOCbat _ up은 배터리 SOC 상한값이고,
SOCbat _ down은 배터리 SOC 하한값이며,
SOCbat는 배터리 SOC의 현재값이고,
Kbat는 배터리 충전 파워 계수로서 시뮬레이션과 실험을 통하여 튜닝되는 값이다.
또한, 상기 울트라 커패시터 충전 파워(Pucap _ soc)는 다음의 수학식에 의해 산출될 수 있다.
Figure 112011018013267-pat00002
여기서, SOCucap _ target은 울트라 커패시터 SOC의 목표값이고,
SOCucap는 울트라 커패시터 SOC의 현재값이며,
Kucap는 울트라 커패시터 충전 파워 계수로서 시뮬레이션과 실험을 통하여 튜닝되는 값이다.
이때, 상기 SOCucap _ target은 상기 각 차축의 회전 속도가 높아질수록 낮아지고 상기 차축의 회전 속도가 낮아질수록 높아질 수 있다.
또한, 상기 HCU는 상기 발전기의 출력 파워가 엔진 효율맵에서 출력 상한값(OOL_max)과 출력 하한값(OOL_min)을 벗어나지 않는 범위 내에서 최적 효율선(OOL, Optimum Operating Line)을 추종하도록 상기 엔진을 구동시킬 수 있다.
또한, 상기 HCU는 상기 울트라 커패시터 충전 파워가 상기 각 전기 모터 구동에 필요한 소요 전력의 고주파 성분을 담당하도록 상기 DC/DC 컨버터를 제어할 수 있다.
또한, 상기 각 차축에 가해지는 수직 하중을 감지하는 하중 감지부를 더 포함하고, 상기 HCU는 상기 감지된 수직 하중에 차이가 있는 경우, 수직 하중이 높게 감지된 차축의 토크를 증가시키고, 수직 하중이 낮게 감지된 차축의 토크를 감소시킬 수 있다.
한편, 본 발명의 4륜구동 하이브리드 차량의 추진 방법은 가속 페달의 위치와 브레이크 페달의 위치로부터 운전자의 요구 파워를 산출하는 단계, 전륜 차축을 구동하는 전륜 전기 모터와 후륜 차축을 구동하는 후륜 전기 모터가 별도로 마련되고, 상기 각 전기 모터의 전력 공급선에 전기적으로 연결되는 배터리의 SOC(State of Charge)로부터 배터리 충전 파워를 산출하고, DC/DC 컨버터를 거쳐 상기 전력 공급선에 전기적으로 연결되는 울트라 커패시터의 SOC로부터 울트라 커패시터 충전 파워를 산출하는 단계, 상기 요구 파워와 상기 배터리 충전 파워와 상기 울트라 커패시터 충전 파워의 합으로 상기 전력 공급선에 전기적으로 연결되는 발전기의 출력 파워를 산출하는 단계 및 상기 발전기가 상기 산출된 발전기 출력 파워를 추종하도록 상기 발전기만을 구동시키는 엔진을 제어하는 단계를 포함할 수 있다.
이때, 상기 배터리 충전 파워는 상기 배터리 SOC의 하한과 상한의 중간값 및 현재의 배터리 SOC와의 차이값이고, 상기 울트라 커패시터 충전 파워는 울트라 커패시터 SOC의 목표값과 현재의 울트라 커패시터 SOC의 차이값일 수 있다.
또한, 상기 산출된 발전기의 출력 파워는 엔진 효율맵에서 출력 상한값(OOL_max)과 출력 하한값(OOL_min)을 벗어나지 않는 범위 내에서 최적 효율선(OOL, Optimum Operating Line)을 추종할 수 있다.
또한, 상기 발전기 출력 파워를 산출하는 단계와 엔진을 제어하는 단계 사이에 상기 울트라 커패시터 충전 파워가 상기 각 전기 모터 구동에 필요한 소요 전력의 고주파 성분을 담당하도록 상기 DC/DC 컨버터를 제어하는 단계를 더 포함할 수 있다.
또한, 상기 엔진을 제어하는 단계 이후에, 상기 각 차축에 가해지는 수직 하중을 감지하고, 상기 감지된 수직 하중에 차이가 있는 경우, 수직 하중이 높게 감지된 차축의 토크를 증가시키고, 수직 하중이 낮게 감지된 차축의 토크를 감소시키는 단계를 더 포함할 수 있다.
한편, 이상의 4륜구동 하이브리드 차량의 추진 방법은 컴퓨터로 읽을 수 있는 기록 매체에 프로그램으로서 기록될 수 있다.
엔진으로 전륜 차축을 구동할 때와 비교하여 전기 모터로 전륜 차축과 후륜 차축 모두를 구동하면 전기 모터의 저속 고토크 특성으로 인하여 차량의 가속성능과 등판성능 등 기동성이 우수해진다.
또한, 엔진의 운전점을 차량 속도와 무관하게 임의로 조절할 수 있으므로 엔진의 효율이 향상된다.
또한, 배터리와 울트라 커패시터를 모두 사용함으로써 급가속시 고출력을 발휘할 수 있고 급제동시 회생전력을 효과적으로 충전할 수 있다.
또한, 배터리의 충방전 전류를 울트라 커패시터가 일부 담당함에 따라 배터리의 수명이 향상된다.
도 1은 본 발명의 4륜구동 하이브리드 차량의 추진 장치를 나타낸 블럭도.
도 2는 본 발명의 4륜구동 하이브리드 차량의 추진 장치에 구비되는 하이브리드 제어부를 나타낸 블럭도.
도 3은 본 발명의 4륜구동 하이브리드 차량의 추진 방법을 나타낸 흐름도.
도 4는 차량 속도에 대한 울트라 커패시터 SOC 제어 목표 관계도.
도 5는 엔진 효율맵과 최적효율선(OOL) 및 출력 상한선(OOL_max)과 출력 하한선(OOL_min)을 나타낸 도면.
이하, 본 발명의 4륜구동 하이브리드 차량의 추진 장치 및 방법에 대하여 도면을 참조하여 보다 상세하게 설명한다.
도 1은 본 발명의 4륜구동 하이브리드 차량의 추진 장치를 나타낸 블럭도이다.
도 1에 도시된 4륜구동 하이브리드 차량의 추진 장치는 전륜 차축(111)에 전륜 감속기(113)를 거쳐 연결되는 전륜 전기 모터(110), 후륜 차축(121)에 후륜 감속기(123)를 거쳐 연결되는 후륜 전기 모터(120), 상기 전륜 전기 모터와 상기 후륜 전기 모터의 전력 공급선에 전기적으로 연결되는 발전기(130), 상기 발전기만을 구동시키는 엔진(140), 상기 전력 공급선에 전기적으로 연결되는 배터리(150) 및 DC/DC 컨버터(167)를 통해 상기 전력 공급선에 전기적으로 연결되는 울트라 커패시터(160)를 포함하고 있다.
가속성능과 등판성능 등 기동성능을 향상시키기 위하여 2개의 전기 모터(전륜 전기 모터, 후륜 전기 모터)를 전륜과 후륜 각 차축을 담당하도록 별도로 장착하되 전륜/후륜 감속기(113, 123)를 거쳐 전륜/후륜 차축(111, 121)과 연결한다.
각 감속기는 1단 또는 다단으로 구성될 수 있으며 각 전기 모터의 토크를 증대시키고 회전속도를 감소시키는 역할을 수행한다. 감속기가 1단일 경우에는 차량의 최고 속도와 최고 등판성능을 만족시키기 위하여 전기 모터의 토크와 최대 회전속도 요구성능이 모두 커져야 한다. 적절한 전기 모터와 감속기를 이용하여 차량의 요구조건을 만족시키지 못할 경우에는 감속기의 단수를 늘려 다단으로 구성할 수 있다. 감속비가 높은 저단일 경우에는 차량의 최고 속도가 낮지만 등판성능이 우수해진다. 특히 군용 차량의 경우 60%의 등판로를 주행해야 하는 요구조건을 만족해야 하기 때문에 감속비가 높은 저단의 필요성이 높다. 감속비가 낮은 고단일 경우에는 등판성능이 떨어지지만 차량의 최고 속도가 높아진다. 고속도로 등 포장로를 주행할 때에 사용하는 것이 유리하다.
감속기를 통하여 전달된 동력은 각 차축 중앙에 설치되어 있는 차동기어(180)를 통하여 각 차축의 좌우 차륜으로 분배된다.
2개의 전기 모터를 이용하여 전륜/후륜 차축을 구동하는 본 구조를 사용하면 경사로를 등판하거나 하강할 때 적절한 토크 분배를 통하여 휠 슬립(미끄러짐)을 방지하고 등판성능을 높일 수 있다. 경사로를 등판하는 경우에는 차량의 무게중심이 뒤로 이동하기 때문에 후륜 차축에 수직하중이 높게 작용하고 전륜 차축의 수직하중은 낮아진다. 차축에 작용하는 수직하중이 낮아지면 차량을 구동하기 위한 견인력의 최대값이 낮아진다. 만약 전륜 차축과 후륜 차축을 동일한 토크로 구동하게 되면 전륜의 토크가 최대 견인력을 초과하여 휠 슬립이 발생할 수 있다. 이를 방지하기 위하여 전륜의 토크를 줄이고 후륜의 토크를 늘리면 차량의 등판성능을 유지하면서 휠 슬립을 방지할 수 있다. 차량이 경사로를 하강할 때에는 차량의 전방으로 무게중심이 이동하기 때문에 전륜의 수직하중이 후륜 대비 증가한다. 이때 운전자가 브레이크 페달을 밟으면 전기 모터는 역토크를 주어 제동력을 발생시키며 에너지를 회수하는 회생제동이 가능하다. 회생제동시 전륜의 수직하중이 후륜 대비 높으므로 전륜의 회생제동 토크를 높이고 후륜의 회생제동 토크를 낮추면 동일한 비율로 토크를 분배할 때와 비교하여 높은 효율로 회생할 수 있다.
2개의 전기 모터가 차량을 구동하는 기계적 동력을 출력하는 동안 엔진, 발전기, 배터리, 울트라 커패시터는 전기적 동력을 각 전기 모터에 제공해 주어야 한다.
엔진(140)은 발전기 축을 회전시켜 3상 전류를 발생시키고 인버터(135)를 통하여 직류로 변환한다. 엔진이 차축과 기계적으로 연결되어 있지 않기 때문에 엔진의 운전점(토크, 회전속도)을 임의로 조절할 수 있다. 엔진은 운전점 변화시 연료소비율이 큰 폭으로 바뀌기 때문에 엔진으로 직접 차축을 회전시키는 병렬형 하이브리드 방식에 비하여 엔진, 발전기, 모터, 차축 순으로 전기적 또는 기계동력적으로 연결되는 직렬형 하이브리드 방식이 엔진의 효율을 증대시킬 수 있다.
배터리(150)는 충방전 전류에 의한 전압 변동폭이 작기 때문에 각 전기 모터의 전력 공급선에 직접 연결한다. 울트라 커패시터는 충방전시 전압 변동폭이 크기 때문에 DC/DC 컨버터(167)를 이용하여 배터리 전압과 일치시키는 제어가 필요하다. 이러한 제어는 후술할 하이브리드 제어부(HCU, Hybrid Control Unit)에 의한다. 하이브리드 제어부(HCU)는 발전기에서 생성되거나 각 전기 모터에서 회생된 전력의 분배 비율을 임의로 조절하여 배터리와 울트라 커패시터로 배분할 수 있다. 또한 전기 모터에 공급하는 배터리와 울트라 커패시터의 방전 전류 비율을 임의로 조절할 수 있다.
하이브리드 추진시스템에는 전기 모터, 엔진, 발전기, 배터리, 울트라 커패시터 등 다양한 구성품이 존재하며 각 구성품에는 제어기가 장착되어 구성품의 동작점을 조절하는데 각 구성품의 출력을 제어하는 방식에 따라 차량의 기동성과 연비가 달라질 수 있다. 따라서 각 제어기가 각 구성품을 효율적으로 제어하도록 할 필요가 있다. 이때의 각 제어기는 하이브리드 제어부(HCU, Hybrid Control Unit)의 제어를 받을 수 있으며, 각 제어기를 포함하여 하나의 통합된 하이브리드 제어부로 구성할 수도 있다.
HCU(미도시)는 가속 페달, 브레이크 페달 위치 등으로부터 운전자의 운전의지를 파악하고 전기 모터의 구동 토크 명령을 생성하며 엔진/발전기 On/Off 및 구동 속도와 배터리/울트라 커패시터의 충방전량을 적절히 조절한다.
도 2는 본 발명의 4륜구동 하이브리드 차량의 추진 장치에 구비되는 하이브리드 제어부를 나타낸 블럭도이다.
우선, 하이브리드 제어부는 엔진, 모터, 배터리, 울트라 커패시터 중 적어도 하나를 구동시킬 수 있으며, 이를 위해 가속 페달의 위치(APS, Acceleration Pedal Position)와 브레이크 페달의 위치(BPS, Brake Pedal Position)를 측정하여 운전자의 요구 파워를 산출하는 요구 파워 산출부(210), 상기 배터리의 SOC(State of Charge)와 상기 울트라 커패시터의 SOC를 감시하는 충전 상태 감시부(220), 상기 배터리의 SOC(State of Charge)로부터 산출된 배터리 충전 파워와 상기 울트라 커패시터의 SOC로부터 산출된 울트라 커패시터 충전 파워 및 상기 산출된 요구 파워의 합으로 상기 발전기 출력 파워를 산출하는 출력 파워 산출부(230) 및 상기 산출된 발전기 출력 파워를 만족하도록 상기 엔진을 구동시키는 엔진 구동부(240)를 포함할 수 있다.
요구 파워 산출부(210)는 운전자의 요구 파워를 산출하는 요소로 운전자가 하이브리드 차량에 대해 요구하는 파워는 가속 페달의 조작 또는 브레이크 페달의 조작으로부터 획득할 수 있다. 구체적으로 운전자가 조작하는 각 페달의 위치(APS, BPS)로써 요구 파워(Preq)를 산출하게 된다. 물론 이를 위해서 각 페달에 위치 센서 등의 수단을 구비하여 페달의 현재 위치를 파악할 수 있어야 할 것이다.
Figure 112011018013267-pat00003
다음으로 배터리의 SOC(State of Charge)와 울트라의 커패시터 SOC를 이용하여 발전기가 발생해야하는 배터리와 울트라 커패시터의 충전파워를 계산한다. 이를 위해 충전 상태 감시부(220)는 배터리의 SOC(State of Charge)와 울트라 커패시터의 SOC를 감시한다.
수학식 2에 의해 산출되는 배터리 충전 파워(Pbat _ soc)는 배터리 SOC 상한값(SOCbat _ up)과 배터리 SOC 하한값(SOCbat _ down)의 중간에 위치하도록 제어되는 것이 효율면에서 유리하다. 따라서 배터리 SOC(SOCbat)가 중간보다 낮을 경우에는 발전기의 출력을 배터리 충전 파워만큼 높여 전기 모터를 구동하고 남는 출력으로 배터리를 충전하도록 하고, 배터리 SOC가 중간보다 높은 경우에는 발전기의 출력을 낮추어 발전기와 배터리 모두 전기 모터로 방전하도록 유도한다.
Figure 112011018013267-pat00004
여기서, SOCbat _ up은 배터리 SOC 상한값이고,
SOCbat _ down은 배터리 SOC 하한값이며,
SOCbat는 배터리 SOC의 현재값이고,
Kbat는 배터리 충전 파워 계수로서 시뮬레이션과 실험을 통하여 튜닝되는 값이다.
울트라 커패시터 SOC(SOCucap)는 차량 속도에 따라 제어되는 것이 유리하다. 울트라 커패시터는 배터리보다 출력이 높기 때문에 순간적인 충방전 전류를 흘릴 수 있다. 즉, 본 발명에서의 울트라 커패시터는 배터리보다 높은 출력을 갖도록 구성된다.
차량의 속도가 낮을 경우에는 향후 운전자가 가속할 확률이 높기 때문에 울트라 커패시터의 SOC를 높여 방전에 대비한다. 차량의 속도가 높을 경우에는 향후 운전자가 제동할 확률이 높기 때문에 울트라 커패시터의 SOC를 낮추어 충전에 대비한다. 울트라 커패시터 SOC의 목표값(SOCucap_target)은 도 4와 같이 차량 속도로부터 산출되는 값이다. 속도 변화에 따른 충방전의 상당부분을 순간적인 충방전이 가능한 울트라 커패시터가 감수하게 되고 이를 통하여 배터리의 충방전 전류를 최소화하여 배터리의 발열량을 줄이고 수명을 증대시킬 수 있다. 울트라 커패시터 SOC 제어를 위하여 필요한 전류는 발전기를 통하여 발생시킬 수 있다. 차량의 속도가 높아 울트라 커패시터 SOC를 낮추어야 할 경우 발전기의 출력을 감소시켜 울트라 커패시터가 방전하도록 유도한다. 차량의 속도가 낮아 울트라 커패시터 SOC를 높여야 할 경우 발전기의 출력을 증대하여 울트라 커패시터가 충전되도록 유도한다. 정리하면, 울트라 커패시터 SOC의 목표값(SOCucap_target)은 각 차축의 회전 속도가 높아질수록 낮아지고 상기 차축의 회전 속도가 낮아질수록 높아질 수 있다.
이상의 설명에 따르면 울트라 커패시터 충전 파워(Pucap _ soc)는 다음의 수학식 3에 의해 산출될 수 있다.
Figure 112011018013267-pat00005
여기서, SOCucap _ target은 울트라 커패시터 SOC의 목표값이고,
SOCucap는 울트라 커패시터 SOC의 현재값이며,
Kucap는 울트라 커패시터 충전 파워 계수로서 시뮬레이션과 실험을 통하여 튜닝되는 값이다.
출력 파워 산출부(230)는 배터리의 SOC(State of Charge)로부터 산출된 배터리 충전 파워와 울트라 커패시터의 SOC로부터 산출된 울트라 커패시터 충전 파워 및 요구 파워의 합으로 상기 발전기 출력 파워(Pgen)를 산출한다(수학식 4). 배터리 충전 파워와 울트라 커패시터 충전 파워 역시 출력 파워 산출부에서 산출될 수 있다.
Figure 112011018013267-pat00006
엔진 구동부(240)는 출력 파워 산출부에서 산출된 발전기 출력 파워를 발전기가 만족시키도록 발전기에 기계적으로 연결된 엔진을 구동시킨다.
수학식 4에 의하여 발전기 출력을 계산하면 도 5의 엔진맵에서 발전기 출력을 발생하는 점을 OOL 상에서 선정할 수 있다. 이때 출력 상한값(OOL_max = OOLmax)과 출력 하한값(OOL_min = OOLmin)을 벗어나면 엔진의 연료소비량이 증가하기 때문에 OOL_max와 OOL_min 사이에서 출력을 제한할 수 있다. 이때의 출력 제한은 출력 파워 산출부에 의해 수행되거나 HCU 내의 별도로 마련된 출력 제한부(미도시)에 의해 이루어질 수 있다. 정리하면, HCU는 상기 발전기의 출력 파워가 엔진 효율맵에서 출력 상한값(OOL_max)과 출력 하한값(OOL_min)을 벗어나지 않는 범위 내에서 최적 효율선(OOL, Optimum Operating Line)을 추종하도록 상기 엔진을 구동시킬 수 있다.
Figure 112011018013267-pat00007
한편, HCU는 수학식 6과 같이 상기 울트라 커패시터 충전 파워가 상기 각 전기 모터 구동에 필요한 소요 전력의 고주파 성분을 담당하도록 상기 DC/DC 컨버터를 제어할 수 있고, 상기 배터리 충전 파워가 상기 소요 전력의 저주파 성분을 담당하게 할 수 있다. 배터리보다 울트라 커패시터의 출력이 높고 충방전 수명이 길기 때문에 이와 같이 상대적으로 고주파 성분을 울트라 커패시터가 담당하도록 하면 배터리의 수명을 연장할 수 있다.
Figure 112011018013267-pat00008
배터리 출력과 울트라캐패시터 출력 분배가 완료되면 모터 토크 분배를 수행한다. 또한, 전기 모터는 차량이 경사로를 등판할 때 후륜의 토크를 높이고 하강할 때 전륜의 토크가 높아지도록 제어될 수 있다. 이를 위해서 각 차축에 가해지는 수직 하중을 감지하는 하중 감지부(미도시)를 더 포함하고, HCU는 감지된 수직 하중에 차이가 있는 경우, 수직 하중이 높게 감지된 차축의 토크를 증가시키고, 수직 하중이 낮게 감지된 차축의 토크를 감소시킬 수 있다.
도 3은 본 발명의 4륜구동 하이브리드 차량의 추진 방법을 나타낸 흐름도이다.
도 3에 도시된 4륜구동 하이브리드 차량의 추진 방법은 도 1의 4륜구동 하이브리드 차량의 추진 장치, 특히 HCU의 동작으로서 설명될 수 있다.
먼저, 가속 페달의 위치와 브레이크 페달의 위치로부터 운전자의 요구 파워를 산출한다(S 510).
전륜 차축을 구동하는 전륜 전기 모터와 후륜 차축을 구동하는 후륜 전기 모터가 별도로 마련되고, 상기 각 전기 모터의 전력 공급선에 전기적으로 연결되는 배터리의 SOC(State of Charge)로부터 배터리 충전 파워를 산출하고, DC/DC 컨버터를 거쳐 상기 전력 공급선에 전기적으로 연결되는 울트라 커패시터의 SOC로부터 울트라 커패시터 충전 파워를 산출한다(S 520).
상기 요구 파워와 상기 배터리 충전 파워와 상기 울트라 커패시터 충전 파워의 합으로 상기 전력 공급선에 전기적으로 연결되는 발전기의 출력 파워를 산출한다(S 530).
상기 발전기가 상기 산출된 발전기 출력 파워를 추종하도록 상기 발전기만을 구동시키는 엔진을 제어한다(S 560).
이때, 상기 배터리 충전 파워는 상기 배터리 SOC의 하한과 상한의 중간값 및 현재의 배터리 SOC와의 차이값이고, 상기 울트라 커패시터 충전 파워는 울트라 커패시터 SOC의 목표값과 현재의 울트라 커패시터 SOC의 차이값일 수 있다.
또한, 상기 산출된 발전기의 출력 파워는 엔진 효율맵에서 출력 상한값(OOL_max)과 출력 하한값(OOL_min)을 벗어나지 않는 범위 내에서 최적 효율선(OOL, Optimum Operating Line)을 추종할 수 있다(S 540). 엔진 효율맵에 의한 출력 제한에 해당하며 발전기 출력 파워을 산출한 이후에 이루어진다.
상기 발전기 출력 파워를 산출하는 단계와 엔진을 제어하는 단계 사이에서 상기 울트라 커패시터 충전 파워가 상기 각 전기 모터 구동에 필요한 소요 전력의 고주파 성분을 담당하도록 상기 하이브리드 제어부는 상기 DC/DC 컨버터를 제어하고, 나머지 상기 배터리 충전 파워가 상기 소요 전력의 저주파 성분을 담당하게 하는 출력분배 단계(S 550)를 더 포함할 수 있다.
상기 엔진을 제어하는 단계 이후에, 상기 각 차축에 가해지는 수직 하중을 감지하고, 상기 감지된 수직 하중에 차이가 있는 경우, 수직 하중이 높게 감지된 차축의 토크를 증가시키고, 수직 하중이 낮게 감지된 차축의 토크를 감소시키는 단계를 더 포함할 수 있다(S 560). 도 3의 토크 분배에 해당하며 엔진의 제어를 토크 분배 이후에 수행할 수도 있다.
이상의 과정은 운행이 중지될 때까지 반복된다(S 570). 운행의 중지는 차량의 시동이 오프됨으로써 파악될 수 있다.
앞에서 살펴본 4륜구동 하이브리드 차량의 추진 방법은 컴퓨터로 읽을 수 있는 기록 매체에 프로그램으로서 기록될 수 있다.
한편, 본 발명이 속하는 기술분야의 당업자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적인 것이 아닌 것으로서 이해해야만 한다. 본 발명의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 등가개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.
하이브리드 차량에 적용할 수 있다.
특히, 4륜구동임과 동시에 배터리의 수명을 연장시킬 필요가 있는 차량 또는 경사 변화가 심한 지형을 주로 운행하는 차량에 적용하는 것이 유리하다.
110...전륜 전기 모터 120...후륜 전기 모터
130...발전기 140...엔진
150...배터리 160...울트라 커패시터
167...DC/DC 컨버터 210...요구 파워 산출부
220...충전 상태 감시부 230...출력 파워 산출부
240...엔진 구동부

Claims (14)

  1. 전륜 차축에 전륜 감속기를 거쳐 연결되는 전륜 전기 모터;
    후륜 차축에 후륜 감속기를 거쳐 연결되는 후륜 전기 모터;
    상기 전륜 전기 모터와 상기 후륜 전기 모터의 전력 공급선에 전기적으로 연결되는 발전기;
    상기 발전기만을 구동시키는 엔진;
    상기 전력 공급선에 전기적으로 연결되는 배터리;
    DC/DC 컨버터를 통해 상기 전력 공급선에 전기적으로 연결되는 울트라 커패시터; 및,
    상기 엔진, 모터, 배터리, 울트라 커패시터 중 적어도 하나를 구동시키는 하이브리드 제어부(HCU, Hybrid Control Unit)를 포함하고,
    상기 하이브리드 제어부는, 가속 페달의 위치와 브레이크 페달의 위치를 측정하여 운전자의 요구 파워를 산출하는 요구 파워 산출부; 상기 배터리의 SOC(State of Charge)와 상기 울트라 커패시터의 SOC를 감시하는 충전 상태 감시부; 상기 배터리의 SOC(State of Charge)로부터 산출된 배터리 충전 파워와 상기 울트라 커패시터의 SOC로부터 산출된 울트라 커패시터 충전 파워 및 상기 산출된 요구 파워의 합으로 상기 발전기 출력 파워를 산출하는 출력 파워 산출부; 및 상기 산출된 발전기 출력 파워를 만족하도록 상기 엔진을 구동시키는 엔진 구동부;를 구비하며,
    상기 배터리 충전 파워(Pbat_soc)는 다음의 수학식에 의해 산출되는 것을 특징으로 하는 4륜구동 하이브리드 차량의 추진 장치.
    Figure 112012082648049-pat00009

    여기서, SOCbat_up은 배터리 SOC 상한값이고,
    SOCbat_down은 배터리 SOC 하한값이며,
    SOCbat는 배터리 SOC의 현재값이고,
    Kbat는 배터리 충전 파워 계수로서 시뮬레이션과 실험을 통하여 튜닝되는 값이다.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 울트라 커패시터 충전 파워(Pucap_soc)는 다음의 수학식에 의해 산출되는 것을 특징으로 하는 4륜구동 하이브리드 차량의 추진 장치.
    Figure 112012082648049-pat00010

    여기서, SOCucap_target은 울트라 커패시터 SOC의 목표값이고,
    SOCucap는 울트라 커패시터 SOC의 현재값이며,
    Kucap는 울트라 커패시터 충전 파워 계수로서 시뮬레이션과 실험을 통하여 튜닝되는 값이다.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 SOCucap _ target은 상기 각 차축의 회전 속도가 높아질수록 낮아지고 상기 차축의 회전 속도가 낮아질수록 높아지는 것을 특징으로 하는 4륜구동 하이브리드 차량의 추진 장치.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 HCU는 상기 발전기의 출력 파워가 엔진 효율맵에서 출력 상한값(OOL_max)과 출력 하한값(OOL_min)을 벗어나지 않는 범위 내에서 최적 효율선(OOL, Optimum Operating Line)을 추종하도록 상기 엔진을 구동시키는 것을 특징으로 하는 4륜구동 하이브리드 차량의 추진 장치.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 HCU는 상기 울트라 커패시터 충전 파워가 상기 각 전기 모터 구동에 필요한 소요 전력의 고주파 성분을 담당하도록 상기 DC/DC 컨버터를 제어하는 것을 특징으로 하는 4륜구동 하이브리드 차량의 추진 장치.
  8. 제 1 항 또는 제 4 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 각 차축에 가해지는 수직 하중을 감지하는 하중 감지부를 더 포함하고,
    상기 HCU는 상기 감지된 수직 하중에 차이가 있는 경우, 수직 하중이 높게 감지된 차축의 토크를 증가시키고, 수직 하중이 낮게 감지된 차축의 토크를 감소시키는 것을 특징으로 하는 4륜구동 하이브리드 차량의 추진 장치.
  9. 가속 페달의 위치와 브레이크 페달의 위치로부터 운전자의 요구 파워를 산출하는 단계;
    전륜 차축을 구동하는 전륜 전기 모터와 후륜 차축을 구동하는 후륜 전기 모터가 별도로 마련되고, 상기 각 전기 모터의 전력 공급선에 전기적으로 연결되는 배터리의 SOC(State of Charge)로부터 배터리 충전 파워를 산출하고, DC/DC 컨버터를 거쳐 상기 전력 공급선에 전기적으로 연결되는 울트라 커패시터의 SOC로부터 울트라 커패시터 충전 파워를 산출하는 단계;
    상기 요구 파워와 상기 배터리 충전 파워와 상기 울트라 커패시터 충전 파워의 합으로 상기 전력 공급선에 전기적으로 연결되는 발전기의 출력 파워를 산출하는 단계; 및
    상기 발전기가 상기 산출된 발전기 출력 파워를 추종하도록 상기 발전기만을 구동시키는 엔진을 제어하는 단계;
    를 포함하되,
    상기 배터리 충전 파워는 상기 배터리 SOC의 하한과 상한의 중간값 및 현재의 배터리 SOC와의 차이값이고, 상기 울트라 커패시터 충전 파워는 울트라 커패시터 SOC의 목표값과 현재의 울트라 커패시터 SOC의 차이값인 것을 특징으로 하는 4륜구동 하이브리드 차량의 추진 방법.
  10. 삭제
  11. 제 9 항에 있어서,
    상기 산출된 발전기의 출력 파워는 엔진 효율맵에서 출력 상한값(OOL_max)과 출력 하한값(OOL_min)을 벗어나지 않는 범위 내에서 최적 효율선(OOL, Optimum Operating Line)을 추종하는 것을 특징으로 하는 4륜구동 하이브리드 차량의 추진 방법.
  12. 제 9 항에 있어서,
    상기 발전기 출력 파워를 산출하는 단계와 엔진을 제어하는 단계 사이에 상기 울트라 커패시터 충전 파워가 상기 각 전기 모터 구동에 필요한 소요 전력의 고주파 성분을 담당하도록 상기 DC/DC 컨버터를 제어하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 4륜구동 하이브리드 차량의 추진 방법.
  13. 제 9 항에 있어서,
    상기 엔진을 제어하는 단계 이후에,
    상기 각 차축에 가해지는 수직 하중을 감지하고, 상기 감지된 수직 하중에 차이가 있는 경우, 수직 하중이 높게 감지된 차축의 토크를 증가시키고, 수직 하중이 낮게 감지된 차축의 토크를 감소시키는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 4륜구동 하이브리드 차량의 추진 방법.
  14. 제 9 항 또는 제 11항 내지 제 13 항 중 어느 한 항의 방법을 프로그램으로 기록한 컴퓨터로 읽을 수 있는 기록 매체.
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