KR101619212B1 - 하이브리드 차량의 제어 방법 - Google Patents

하이브리드 차량의 제어 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명의 실시예에 따른 하이브리드 차량의 제어 장치는, 연료를 연소시켜 동력을 발생시키는 엔진; 상기 엔진을 시동시키고 엔진이 시동된 상태에서 발전기로 작동하여 전기 에너지를 생성하는 HSG; 상기 엔진의 동력을 보조하고 제동시 발전기로 작동하여 전기 에너지를 생성하는 모터; 상기 HSG와 상기 모터에서 생성된 전기 에너지를 충전하는 배터리; 상기 엔진과 상기 모터의 사이에 구비되는 클러치; 가속 페달의 조작을 감지하는 가속 페달 센서; 및 상기 가속 페달 센서로부터 감지된 가속 페달 변화량을 이용하여, 상기 엔진, HSG, 모터, 배터리, 클러치를 제어하는 제어부;를 포함하는 하이브리드 차량의 제어 방법에 있어서, 상기 제어부는 가속 페달 센서로부터 감지된 가속 페달의 변화량이 설정 값보다 큰지 여부를 판단하는 단계; EV 모드에서 HEV 모드로 전환할 때, HSG를 통해 엔진을 시동시키는 단계; 상기 엔진에서 일정 토크가 출력되도록 제어하는 단계; 및 엔진 토크를 모터 토크와 동기화하여 클러치를 결합시키는 단계;를 포함하는 일련의 명령을 수행할 수 있다.

Description

하이브리드 차량의 제어 방법 {CONTROL MEHTOD OF HYBRID VEHICLE}
본 발명은 하이브리드 차량의 제어 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 운전자의 가속 의지에 따라 EV 모드에서 HEV 모드로 전환할 때, 연비를 개선하고 클러치 접합 시간을 줄일 수 있는 하이브리드 차량의 제어 방법에 관한 것이다.
하이브리드 자동차는 두 가지 이상의 동력원을 사용하는 자동차로써, 일반적으로 엔진과 모터를 사용하여 구동되는 하이브리드 전기 자동차를 말한다. 하이브리드 전기 자동차는 엔진과 모터로 구성되는 두 가지 이상의 동력원을 사용하여 다양한 구조를 형성할 수 있다.
일반적으로 하이브리드 전기 자동차는 모터와 변속기 및 구동축이 직렬 연결되어 있는 TMED(Transmission Mounted Electric Device) 방식의 파워 트레인이 사용되고 있다. 그리고 엔진과 모터의 사이에는 클러치가 구비되어, 클러치의 결합 여부에 따라 하이브리드 전기 자동차는 EV(Electric Vehicle) 모드 또는 HEV(Hybrid Electric Vehicle) 모드로 운행된다.
EV 모드는 모터의 구동력만으로 차량이 주행하는 모드이고, HEV 모드는 모터와 엔진의 구동력으로 차량이 주행하는 모드이다.
이러한 하이브리드 차량이 EV 모드에서 HEV 모드로 전환할 때, 엔진 토크를 모터 토크에 동기화한 후, 클러치를 접합한다. 엔진 토크와 모터 토크를 혼합하여 일정한 토크가 출력되도록 하는 것을 토크 블렌딩이라고 한다.
그러나 종래 기술에 의하면, EV 모드에서 HEV 모드로 전환할 때, 엔진을 일정 시간 영 토크 제어하면서 엔진 속도를 모터 속도에 동기화한 후에, 클러치를 접합시키기 때문에, 엔진 토크에 의해 클러치에 충격이 가해지고, 엔진 토크와 모터 토크를 혼합하여 목표 토크를 출력하는 토크 블렌딩 시간이 길어지는 문제가 발생하였다.
또한, 엔진을 일정 시간 동안 영 토크 제어하기 때문에, 차량의 연비가 저하되는 문제가 발생하였다.
본 발명은 상기한 바와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로, EV 모드에서 HEV 모드로 전환할 때, 엔진 토크에 의해 클러치에 충격이 가해지는 것을 방지하고, 엔진 토크와 모터 토크를 혼합하여 목표 토크를 출력하는 토크 블렌딩 시간을 최소화하는 하이브리드 차량의 제어 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
또한, EV 모드에서 HEV 모드로 전환할 때, 차량의 연비를 향상시킬 수 있는 하이브리드 차량의 제어 방법을 제공하는 것을 또 다른 목적으로 한다.
상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 실시예에 따른 하이브리드 차량의 제어 방법은, 연료를 연소시켜 동력을 발생시키는 엔진; 상기 엔진을 시동시키고 엔진이 시동된 상태에서 발전기로 작동하여 전기 에너지를 생성하는 HSG; 상기 엔진의 동력을 보조하고 제동시 발전기로 작동하여 전기 에너지를 생성하는 모터; 상기 HSG와 상기 모터에서 생성된 전기 에너지를 충전하는 배터리; 상기 엔진과 상기 모터의 사이에 구비되는 클러치; 가속 페달의 조작을 감지하는 가속 페달 센서; 및 상기 가속 페달 센서로부터 감지된 가속 페달 변화량을 이용하여, 상기 엔진, HSG, 모터, 배터리, 클러치를 제어하는 제어부;를 포함하는 하이브리드 차량의 제어 방법에 있어서, 상기 제어부는 가속 페달 센서로부터 감지된 변화량이 설정 값보다 큰지 여부를 판단하는 단계; EV 모드에서 HEV 모드로 전환할 때, HSG를 통해 엔진을 시동시키는 단계; 상기 엔진에서 일정 토크가 출력되도록 제어하는 단계; 및 엔진 토크를 모터 토크와 동기화하여 클러치를 결합시키는 단계;를 포함하는 일련의 명령을 수행할 수 있다.
상기 엔진에서 일정 토크가 출력되도록 제어하는 단계는, 상기 가속 페달 센서로부터 감지되는 변화량에 의해 결정되는 요구 토크에 따라 상기 엔진의 실린더로 유입되는 공기량, 연료량, 및 점화 시기로부터 정의되는 엔진 토크 맵으로부터 출력되는 엔진 토크 명령에 따라 상기 엔진을 제어하는 단계; 및 상기 엔진 토크 명령에 의한 엔진의 속도와 목표 엔진 속도의 차이는 상기 HSG를 통해 목표 엔진 속도를 추종하도록 제어하는 단계;를 포함할 수 있다.
상기 엔진 토크 명령은 요구 토크, 모터 속도, 상기 배터리의 상태, 상기 HSG의 상태, 엔진 속도 및 엔진 목표 속도를 고려하여 결정될 수 있다.
상기 엔진 토크 명령은 상기 요구 토크 및 모터 속도에 따라 정의된 엔진 토크 맵으로부터 출력되는 토크 명령, 상기 배터리의 충전 제한량과 엔진 목표 속도에 따라 정의된 배터리 맵으로부터 출력되는 토크 명령, 상기 HSG의 상태에 따라 정의된 HSG 맵으로부터 출력되는 토크 명령, 및 엔진 목표 속도와 엔진 속도의 차이에 의해 정의된 엔진 맵으로부터 출력되는 토크 명령, 중에서 가장 작은 값으로 결정될 수 있다.
상기 가속 페달 센서로부터 감지된 변화량이 설정 값보다 크면 EV 모드에서 HEV 모드로 전환할 수 있다.
상기 HSG를 통해 목표 엔진 속도를 추종하도록 제어하는 단계는, 상기 엔진 토크 명령을 입력으로 하여 피드 포워드 제어를 수행한 결과와, 엔진 속도와 목표 엔진 속도와의 차이를 비례 적분 제어를 수행한 결과를 입력으로 하여 HSG 토크 명령을 출력하여 제어할 수 있다.
상기한 바와 같은 본 발명의 실시예에 의한 하이브리드 차량의 제어 방법에 의하면, EV 모드에서 HEV 모드로 전환할 때, 일정 시간 동안 엔진에서 출력되는 토크를 HSG를 통해 모터로 공급함으로써, 배터리에서 소모되는 전력을 최소화하고 연비를 개선할 수 있다.
또한, EV 모드 구간에서 엔진이 일정 토크를 출력하도록 함으로써, 엔진 토크와 모터 토크를 혼합하여 일정한 토크를 출력하는 토크 블렌딩 시간을 최소화할 수 있다.
이 도면들은 본 발명의 예시적인 실시예를 설명하는데 참조하기 위함이므로, 본 발명의 기술적 사상을 첨부한 도면에 한정해서 해석하여서는 아니된다.
도 1은 본 발명의 실시예에 의한 하이브리드 차량의 제어 장치의 구성을 도시한 개념도이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 의한 하이브리드 차량의 제어 방법을 도시한 순서도이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 의한 하이브리드 차량의 제어 신호를 도시한 그래프이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 의한 하이브리드 엔진 토크 명령을 결정하는 방법을 도시한 블록도이다.
도 5는 본 발명의 실시예에 의한 하이브리드 차량의 엔진 속도 추정 제어를 위한 제어 로직을 도시한 블록도이다.
첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다.
본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 동일 또는 유사한 구성요소에 대해서는 동일한 참조 부호를 붙이도록 한다.
또한, 도면에서 나타난 각 구성의 크기 및 두께는 설명의 편의를 위해 임의로 나타내었으므로, 본 발명이 반드시 도면에 도시된 바에 한정되지 않으며, 여러 부분 및 영역을 명확하게 표현하기 위하여 두께를 확대하여 나타내었다.
이하에서는, 본 발명의 실시예에 의한 하이브리드 차량에 제어 장치에 대해 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.
이하에서 설명하는 본 발명의 실시예에 따른 하이브리드 차량은 TMED(Transmission Mounted Electric Device) 방식의 구조를 예를 들어 설명하도록 한다. 그러나 본 발명의 권리범위가 이에 한정하는 것은 아니며, 다른 방식의 하이브리드 전기 차량에도 적용될 수 있음은 물론이다.
본 발명의 실시예에 의한 하이브리드 차량의 제어 장치는, 엔진(10), HSG(12), 모터(30), 배터리, 클러치(20), 가속 페달 센서(90), 및 제어부(70)를 포함한다.
상기 엔진(10)은 연료를 연소시켜 동력을 발생시키는 발생시킨다. 상기 HSG(12)는 상기 엔진(10)을 시동시키고 엔진(10)이 시동된 상태에서 발전기로 작동하여 전기 에너지를 생성한다. 상기 모터(30)는 상기 엔진(10)의 동력을 보조하고 제동시 발전기로 작동하여 전기 에너지를 생성한다.
상기 모터(30)는 배터리에 충전된 전기 에너지를 이용하여 동작되고, 상기 모터(30) 및 상기 HSG(12)에서 생성된 전기 에너지는 상기 배터리에 충전된다.
상기 가속 페달 센서(90)는 가속 페달의 조작을 감지한다. 상기 가속 페달 센서(90)에서 감지된 가속 페달 변화량은 상기 제어부(70)로 제공된다. 상기 가속 페달 센서(90)로부터 감지된 가속 페달 변화량으로부터 운전자의 가속 의지를 판단하고, 운전자의 가속 의지에 따라 하이브리드 차량의 운전 모드는 EV 모드에서 HEV 모드로 전환된다.
상기 제어부(70)는 상기 엔진(10), HSG(12), 모터(30), 배터리, 클러치(20)를 포함하는 차량의 구성 요소를 제어한다.
상기 제어부(70)는 설정된 프로그램에 의하여 작동하는 하나 이상의 프로세서로 구비될 수 있으며, 상기 설정된 프로그램은 본 발명의 실시예에 따른 하이브리드 차량의 제어 방법의 각 단계를 수행하도록 되어 있다.
이하에서는, 본 발명의 실시예에 의한 하이브리드 차량의 제어 방법에 대해 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.
도 2는 본 발명의 실시예에 의한 하이브리드 차량의 제어 방법을 도시한 순서도이다. 그리고 도 3은 본 발명의 실시예에 의한 하이브리드 차량의 제어 신호를 도시한 그래프이다.
도 2 및 도 3에 도시된 바와 같이, 상기 가속 페달 감지 센서는 가속 페달의 변화량을 감지하고, 감지된 가속 페달의 변화량을 상기 제어부(70)로 제공한다(S10).
상기 제어부(70)는 상기 가속 페달 감지 센서에서 감지된 가속 페달의 변화량이 설정값보다 큰지 여부를 판단하고(S20), 가속 페달의 변화량이 설정값보다 크면, 운전 모드를 EV 모드에서 HEV 모드로 전환한다. 즉, 상기 가속 페달 센서(90)에서 감지된 가속 페달의 변위가 설정 값보다 크면, 운전자가 차량을 가속하려는 의지가 있는 것으로 판단하고, 차량의 운전 모드를 EV 모드에서 HEV 모드로 전환한다.
상기 제어부(70)는 하이브리드 차량의 운전 모드가 EV 모드에서 HEV 모드로 전환될 때, EV 모드 구간에서 상기 HSG(12)를 통해 상기 엔진(10)을 시동시킨다(S30).
상기 엔진(10)이 시동되면, 엔진 속도(RPM)이 상승하고, 상기 제어부(70)는 상기 엔진(10)에서 일정 토크가 출력되도록 제어한다. 그리고 상기 엔진(10)에서 출력되는 일정 토크는 상기 HSG(12)를 통해 상기 배터리로 제공된다(S40).
이와 같이, 운전 모드가 HEV 모드로 전환되기 전인 EV 모드에서 상기 엔진(10)에서 출력되는 일정 토크를 상기 배터리를 경유하지 않고, 상기 HSG(12)를 통해 상기 모터(30)로 제공한다. 따라서, 상기 배터리의 충전 및 방전에 의해 배터리의 효율이 저하되는 것을 방지하고, 상기 배터리의 출력을 상기 HSG(12)를 통해 보충할 수 있다.
그리고, 상기 제어부(70)는 상기 엔진(10)에서 출력되는 토크를 제어할 때, 부분 부하 제어(part-load control)를 통해 최적의 연비를 얻을 수 있다. 상기 부분 부하 제어에 대해서는 추후에 구체적으로 설명하도록 한다.
상기 제어부(70)는 상기 클러치(20)를 결합하기 위해 상기 엔진 속도를 증가시켜, 상기 엔진 속도를 모터 속도에 동기화한다(S50).
상기 엔진 속도가 모터 속도에 동기화되면(S60), 상기 제어부(70)는 상기 클러치(20)를 결합하여(S70), 상기 엔진 토크와 모터 토크를 혼합하여 구동축(60)에 출력한다(S80). 이때, 엔진 토크는 앞에서 언급한 부분 부하 제어 방법에 의해 제어된다.
이하에선, 상기 부분 부하 제어 방법에 대해 구체적으로 설명한다.
상기 제어부(70)는 상기 가속 페달 감지 센서로부터 감지된 가속 페달의 변화량으로부터 운전자의 요구 파워를 결정한다. 상기 요구 토크 및 모터 속도에 따라 상기 엔진(10)의 실린더로 유입되는 공기량, 연료량, 및 점화 시기로부터 정의되는 엔진 토크 맵으로부터 출력되는 엔진 토크 명령에 따라 상기 엔진(10)의 토크를 제어한다.
이때, 상기 엔진 토크 명령은 운전자 요구 토크, 모터 속도, 상기 배터리의 상태, 상기 HSG(12)의 상태, 엔진 속도 및 엔진 목표 속도를 고려하여 결정될 수 있다.
구체적으로, 도 4에 도시된 바와 같이, 상기 엔진 토크 명령은 엔진 토크 맵에서 출력되는 토크 명령, 배터리 맵에서 출력되는 토크 명령, HSG 맵에서 출력되는 토크 명령, 및 엔진 맵에서 출력되는 토크 명령 중에서 최소값으로 결정될 수 있다.
상기 엔진 토크 맵은, 앞에서 설명한 바와 같이, 운전자의 요구 토크 및 모터 속도에 따라 정의되는 맵으로, 상기 엔진 토크 명령의 기본 토크이다.
상기 배터리 맵은 상기 배터리의 충전 제한량과 엔진 목표 속도에 따라 정의되는 맵으로, 배터리의 상태를 고려하여 제어 가능한 엔진 출력 토크를 제한하기 위해 사용된다.
상기 HSG 맵은 상기 HSG(12)의 온도 상태에 따라 정의되는 맵으로, 상기 HSG(12)의 상태를 고려하여 제어 가능한 엔진 출력 토크를 제한하기 위해 사용된다.
그리고 상기 엔진 속도 맵은 엔진 목표 속도와 엔진 속도에 따라 정의되는 맵으로, 엔진 속도와 목표 속도의 차이가 큰 경우에 엔진 출력 토크를 제한하기 위해 사용된다.
이와 같이, 부분 부하 제어 방법을 이용하여 상기 엔진(10)을 제어할 때, 운전자의 요구 토크뿐만 아니라, 배터리의 상태, HSG(12)의 상태, 및 엔진 속도 등을 고려함으로써, 최적화된 엔진 제어를 구현할 수 있다.
그리고 상기 엔진 토크 명령에 의한 엔진 속도와 목표 엔진 속도의 차이는 상기 HSG(12)를 통해 목표 엔진 속도를 추종하도록 제어한다.
구체적으로, 도 5에 도시된 바와 같이, 상기 엔진 토크 명령을 입력으로 하여 피드 포워드 제어(feed-forward control)를 수행한 결과와, 엔진 속도와 목표 엔진 속도와의 차이(delta_w)를 비례 적분 제어(Proportional-Integral control)를 수행한 결과를 입력으로 하여 HSG 토크 명령으로 출력한다.
이와 같이, EV 모드 구간에서 엔진(10)이 일정 토크를 출력할 때, 또는 HEV 모드 구간에서 엔진 토크를 제어할 때, 상기 엔진 토크 맵으로부터 출력되는 엔진 토크 명령을 이용하여 제어하고, 엔진 속도와 목표 엔진 속도와의 차이는 상기 HSG(12)를 이용하여 목표 속도를 추종하도록 제어함으로써(이른바 부분 부하 제어), 연비를 향상시킬 수 있다.
또한, EV 모드 구간에서 엔진(10)이 일정 토크 출력되도록 함으로써, EV 모드에서 HEV 모드로 전환할 때, HEV 모드에서의 엔진 토크에 빨리 도달할 수 있게 된다. 즉, 엔진 토크와 모터 토크를 혼합하여 목표 토크를 출력하는 토크 블렌딩 시간을 최소화할 수 있다.
이상을 통해 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 설명하였지만, 본 발명은 이에 한정되는 것이 아니고 특허청구범위와 발명의 상세한 설명 및 첨부한 도면의 범위 안에서 여러 가지로 변형하여 실시하는 것이 가능하고 이 또한 본 발명의 범위에 속하는 것은 당연하다.
10: 엔진
12: HSG
20: 클러치
30: 모터
50: 변속기
60: 구동축
70: 제어부
90: 가속 페달 센서

Claims (6)

  1. 연료를 연소시켜 동력을 발생시키는 엔진;
    상기 엔진을 시동시키고 엔진이 시동된 상태에서 발전기로 작동하여 전기 에너지를 생성하는 HSG;
    상기 엔진의 동력을 보조하고 제동시 발전기로 작동하여 전기 에너지를 생성하는 모터;
    상기 HSG와 상기 모터에서 생성된 전기 에너지를 충전하는 배터리;
    상기 엔진과 상기 모터의 사이에 구비되는 클러치;
    가속 페달의 조작을 감지하는 가속 페달 센서; 및
    상기 가속 페달 센서로부터 감지된 가속 페달 변화량을 이용하여, 상기 엔진, HSG, 모터, 배터리, 클러치를 제어하는 제어부;
    를 포함하는 하이브리드 차량의 제어 방법에 있어서,
    상기 제어부는
    가속 페달 센서로부터 감지된 가속 페달의 변화량이 설정 값보다 큰지 여부를 판단하는 단계;
    EV 모드에서 HEV 모드로 전환할 때, HSG를 통해 엔진을 시동시키는 단계;
    상기 엔진에서 일정 토크가 출력되도록 제어하는 단계; 및
    엔진 속도를 모터 속도와 동기화하여 클러치를 결합시키는 단계;
    를 포함하는 일련의 명령을 수행하는 하이브리드 차량의 제어 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 엔진에서 일정 토크가 출력되도록 제어하는 단계는,
    상기 가속 페달 센서로부터 감지되는 변화량에 의해 결정되는 요구 토크에 따라 상기 엔진의 실린더로 유입되는 공기량, 연료량, 및 점화 시기로부터 정의되는 엔진 토크 맵으로부터 출력되는 엔진 토크 명령에 따라 상기 엔진을 제어하는 단계; 및
    상기 엔진 토크 명령에 의한 엔진의 속도와 목표 엔진 속도의 차이는 상기 HSG를 통해 목표 엔진 속도를 추종하도록 제어하는 단계;
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 하이브리드 차량의 제어 방법.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 엔진 토크 명령은
    요구 토크, 모터 속도, 상기 배터리의 상태, 상기 HSG의 상태, 엔진 속도 및 엔진 목표 속도를 고려하여 결정되는 것을 특징으로 하는 하이브리드 차량의 제어 방법.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 엔진 토크 명령은
    상기 요구 토크 및 모터 속도에 따라 정의된 엔진 토크 맵으로부터 출력되는 토크 명령,
    상기 배터리의 충전 제한량과 엔진 목표 속도에 따라 정의된 배터리 맵으로부터 출력되는 토크 명령,
    상기 HSG의 상태에 따라 정의된 HSG 맵으로부터 출력되는 토크 명령, 및
    엔진 목표 속도와 엔진 속도의 차이에 의해 정의된 엔진 맵으로부터 출력되는 토크 명령,
    중에서 가장 작은 값으로 결정되는 것을 특징으로 하는 하이브리드 차량의 제어 방법.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 가속 페달 센서로부터 감지된 변화량이 설정 값보다 크면 EV 모드에서 HEV 모드로 전환하는 것을 특징으로 하는 하이브리드 차량의 제어 방법.
  6. 제2항에 있어서,
    상기 HSG를 통해 목표 엔진 속도를 추종하도록 제어하는 단계는,
    상기 엔진 토크 명령을 입력으로 하여 피드 포워드 제어를 수행한 결과와, 엔진 속도와 목표 엔진 속도와의 차이를 비례 적분 제어를 수행한 결과를 입력으로 하여 HSG 토크 명령을 출력하여 제어하는 것을 특징으로 하는 하이브리드 차량의 제어 방법.
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