KR101655663B1

KR101655663B1 - E-4wd 하이브리드 자동차의 전/후륜 토크 분배 제어 방법

Info

Publication number: KR101655663B1
Application number: KR1020150048788A
Authority: KR
Inventors: 이민수
Original assignee: 현대자동차주식회사
Priority date: 2015-04-07
Filing date: 2015-04-07
Publication date: 2016-09-22
Also published as: CN106043284A; CN106043284B; US9783182B2; US20160297440A1

Abstract

본 발명은 E-4WD(Electric 4 Wheel Drive) 하이브리드 자동차의 전/후륜 토크 분배 제어 방법에 관한 것으로서, E-4WD 하이브리드 자동차에서 전륜과 후륜의 휠속 차이, 운전자 급가속 의지, 차량의 핸들링 상황 등에 따라 전륜 및 후륜에 대한 최적의 토크 분배가 수행되도록 함으로써 차량의 주행 성능 및 안정성을 증대시킬 수 있는 토크 분배 제어 방법을 제공하는데 주된 목적이 있는 것이다. 상기한 목적을 달성하기 위해, 차량 상태 정보와 운전자의 운전 조작 입력 정보로부터 연비 최적화 모드와 4WD(4 Wheel Drive) 모드 중 하나의 구동모드를 결정하는 단계; 차량 상태 정보와 운전자의 운전 조작 입력 정보로부터 운전자 요구 총 토크량을 산출하는 단계; 차량 상태 정보와 운전 조작 입력 정보가 4WD 모드 조건을 만족하여 4WD 모드의 구동모드가 결정된 경우 차량 상태 정보와 운전 조작 입력 정보로부터 4WD용 후륜 휠 토크량을 산출하는 단계; 상기 운전자 요구 총 토크량과 4WD용 후륜 휠 토크량으로부터 4WD용 전륜 휠 토크량을 산출하는 단계; 상기 4WD용 전륜 휠 토크량으로부터 4WD용 전륜 엔진 토크량을 산출하는 단계; 및 상기 산출된 4WD용 전륜 엔진 토크량과 4WD용 후륜 휠 토크량에 따라 전륜 구동을 위한 엔진과 후륜 구동을 위한 구동모터의 토크 출력을 제어하는 단계를 포함하는 E-4WD 하이브리드 자동차의 전/후륜 토크 분배 제어 방법이 개시된다.

Description

E-4WD 하이브리드 자동차의 전/후륜 토크 분배 제어 방법{Control method for front wheel and rear wheel torque distribution of electric 4 wheel drive hybrid electric vehicle}

본 발명은 하이브리드 자동차의 전/후륜 토크 분배 제어 방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 E-4WD(Electric 4 Wheel Drive) 하이브리드 자동차에서 전륜과 후륜의 휠속 차이, 운전자 급가속 의지, 차량의 핸들링 상황 등에 따라 전륜 및 후륜에 대한 최적의 토크 분배가 수행되도록 함으로써 차량의 주행 성능 및 안정성을 증대시킬 수 있는 토크 분배 제어 방법에 관한 것이다.

일반적으로 하이브리드 자동차는 화석연료를 사용하는 내연기관(엔진)과 전기에너지를 사용하는 모터를 구동원으로 사용하여 주행하는 차량으로서, 주행을 위해 화석연료의 에너지와 전기에너지를 함께 이용하므로 배기가스 저감 및 연비 향상을 도모할 수 있는 친환경자동차이다.

하이브리드 자동차의 파워트레인 형태로는 구동모터가 변속기 측에 배치된 TMED(Transmission Mounted Electric Device) 방식이 잘 알려져 있고, 통상의 TMED 방식에서는 구동원이 되는 엔진과 구동모터 사이에 엔진클러치가 개재되고, 구동모터의 출력 측에 변속기가 배치되어, 엔진클러치의 결합 상태에서 엔진과 구동모터의 동력이 변속기를 통해 구동륜인 전륜에 전달된다.

또한, TMED 방식의 하이브리드 자동차에서는 구동륜인 전륜 측에 엔진과 구동모터가 함께 배치되어, 변속기 이전에 엔진과 구동모터의 토크를 오버레이(overlay)하여 변속기를 통해 전달하는 방식으로 전륜의 구동토크만을 제어한다.

이와 달리 미국 등록특허 US7,517,298에는 4륜 구동(4WD:4 Wheel Drive) 차량의 효율 향상을 위해 기계적 동력장치 부분인 프로펠러 샤프트를 제거하고 후륜에 구동모터를 적용한 E-4WD(Electric-4WD) 형태가 개시되어 있다.

이러한 E-4WD 시스템이 적용된 하이브리드 자동차에서는 전륜과 후륜에 각각 독립적인 구동수단이 적용되는데, 전륜의 구동수단으로는 내연기관인 엔진(ICE:Internal Combustion Engine)이, 후륜의 구동수단으로는 구동모터가 적용될 수 있고, 각각의 구동수단이 운전 환경의 조건에 따라 독립적으로 구동되거나 함께 구동될 수 있다.

통상의 E-4WD 하이브리드 자동차에서는 전륜 및 후륜 중 어느 한 축만을 구동륜으로 하여 주행하는 2WD(2 Wheel Drive) 모드 구동이 기본적인 구동으로 실행되고, 구동력이 부족할 경우 휴지 상태에 있는 나머지 다른 한 축을 활용하는 4WD 모드 구동이 실행된다.

또한, 4WD 시스템에서는 연비 향상을 위해 주행 상황에 따라 구동모드를 다르게 하고 있는데, 예를 들면 발진이나 미끄러운 도로, 모래땅이나 가파른 언덕, 진흙길 등에서의 운행으로 슬립이 발생하고 큰 구동력이 필요한 경우 4WD 모드로 구동하고, 일반적인 고속 주행시에는 2WD 모드로 구동한다.

차량이 4WD 모드로 구동되는 경우 차량의 자세 제어나 조종성, 등판 성능, 험로 탈출 면에서 유리하나 2WD 모드에 비해 연비가 떨어지고, 차량이 2WD 모드로 구동되는 경우 주행토크가 작고 조종 안정성 측면에서 무리가 없지만 빗길이나 눈길, 결빙 구간에서는 노면 마찰계수가 감소하므로 타이어의 마찰력 한계가 줄어들어 차량의 자세를 제어하는데 어려움이 따른다.

한편, E-4WD 하이브리드 자동차가 4WD 모드로 구동될 때 전술한 바와 같이 후륜 측의 구동모터가 차량에 필요한 구동력을 보조하게 되므로 엔진의 출력토크와 구동모터의 출력토크를 효율적으로 분배하는 것이 필요하다.

종래의 경우 전륜 측의 엔진과 후륜 측의 구동모터에 동력을 분배하는 방법으로 각각 고정된 비율로 동력을 배분하는 고정 배분식이 적용되고 있으나, 고정 배분식은 한정된 배터리의 전기에너지를 효율적으로 사용할 수 없고, 배터리의 에너지 관리가 효율적으로 이루어지지 못하는 단점을 가지고 있다.

또한, 전/후륜의 휠속 차이, 운전자의 급가속 의지, 차량의 핸들링 상황 등에 따른 차량 안정화를 위한 전/후륜 토크 제어, 전륜과 후륜의 효율적인 토크 분배 제어 등에 대해서는 연구가 미진한 상황이다.

US7,517,298(2009. 04. 14)

따라서, 본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 창출한 것으로서, E-4WD 하이브리드 자동차에서 전륜과 후륜의 휠속 차이, 운전자 급가속 의지, 차량의 핸들링 상황 등에 따라 전륜 및 후륜에 대한 최적의 토크 분배가 수행되도록 함으로써 차량의 주행 성능 및 안정성을 증대시킬 수 있는 토크 분배 제어 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.

상기한 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에 따르면, 차량 상태 정보와 운전자의 운전 조작 입력 정보로부터 연비 최적화 모드와 4WD(4 Wheel Drive) 모드 중 하나의 구동모드를 결정하는 단계; 차량 상태 정보와 운전자의 운전 조작 입력 정보로부터 운전자 요구 총 토크량을 산출하는 단계; 차량 상태 정보와 운전 조작 입력 정보가 4WD 모드 조건을 만족하여 4WD 모드의 구동모드가 결정된 경우 차량 상태 정보와 운전 조작 입력 정보로부터 4WD용 후륜 휠 토크량을 산출하는 단계; 상기 운전자 요구 총 토크량과 4WD용 후륜 휠 토크량으로부터 4WD용 전륜 휠 토크량을 산출하는 단계; 상기 4WD용 전륜 휠 토크량으로부터 4WD용 전륜 엔진 토크량을 산출하는 단계; 및 상기 산출된 4WD용 전륜 엔진 토크량과 4WD용 후륜 휠 토크량에 따라 전륜 구동을 위한 엔진과 후륜 구동을 위한 구동모터의 토크 출력을 제어하는 단계를 포함하는 E-4WD 하이브리드 자동차의 전/후륜 토크 분배 제어 방법을 제공한다.

바람직한 실시예에서, 상기 구동모드 결정 과정의 4WD 모드 조건으로서, 요레이트 센서에 의해 검출된 실제 요레이트 값과 차량 요레이트 제어를 위한 목표 요레이트 값의 차이로 계산되는 요레이트 에러 값이 정해진 기준값1 이상인 조건; 전륜과 후륜의 휠속 차이가 정해진 기준값2 이상인 조건; 및 운전자의 액셀페달 조작에 따른 액셀페달 가속도 값이 정해진 기준값3 이상인 조건 중 어느 하나를 만족하는 경우 4WD 모드로 결정하는 것을 특징으로 한다.

여기서, 상기 운전자 요구 총 토크량은 운전자 액셀페달 조작량에 따른 요구 엔진 토크량, 엔진 출력 측 토크 컨버터의 감속비, 엔진 출력 측 변속기의 감속비, 전륜의 차동기어 감속비, 및 차량의 구동계 총 효율로부터 구해지는 것을 특징으로 한다.

또한, 운전자의 액셀페달 조작에 따른 액셀페달 가속도 값이 정해진 기준값3 이상인 조건을 만족하여 4WD 모드가 결정되면, 엔진 출력 측 변속기의 출력토크, 전륜의 종감속 기어비, 및 차량의 하중 배분비로부터 구해지는 급가속 제어토크를 4WD용 후륜 휠 토크량으로 결정하는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 차량의 하중 배분비(R_ratio)는 후륜 작용 하중(W_r)과 차량 정하중(W)으로부터

의 식에 의해 구해지고, 상기 후륜 작용 하중(W_r)은

의 식에 의해 구해지는 것을 특징으로 한다(여기서, W_rs는 후륜 정하중, a_x는 차량의 종가속도, g는 중력가속도, h는 차량의 무게중심 높이, L은 차량의 휠베이스임).

또한, 전륜과 후륜의 휠속 차이가 정해진 기준값2 이상인 조건을 만족하여 4WD 모드가 결정되면, 전륜과 후륜의 휠속 차이로부터

의 식에 의해 구해지는 슬립 제어토크(T_slipcontrol)를 4WD용 후륜 휠 토크량으로 결정하는 것을 특징으로 한다(여기서, K_P, K_I는 P, I 제어 게인, Δω는 전륜과 후륜의 휠속 차이, t는 시간임).

또한, 요레이트 센서에 의해 검출된 실제 요레이트 값과 차량 요레이트 제어를 위한 목표 요레이트 값의 차이로 계산되는 요레이트 에러 값이 정해진 기준값1 이상인 조건을 만족하여 4WD 모드가 결정되면, 요레이트 에러 값(γ_error)으로부터

의 식에 의해 구해지는 핸들링 제어토크(T_handling)를 4WD용 후륜 휠 토크량으로 결정하는 것을 특징으로 한다(여기서, K_P는 P 제어 게인임).

또한, 상기 목표 요레이트 값은 차속(V)과 조향각(δ)으로부터

의 식에 의해 구해지는 것을 특징으로 한다(여기서, V_ch는 차량 고유의 핸들링 특성 속도, L은 차량의 휠베이스임).

또한, 상기 4WD용 전륜 휠 토크량(T_{FWheel_4WD})은 운전자 요구 총 토크량(T_TotalDriver)에서 4WD용 후륜 휠 토크량(T_{RWheel_4WD})을 뺀 값으로 구해지는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 4WD용 전륜 엔진 토크량(TQI_4WD)은 4WD용 전륜 휠 토크량(T_FWheel _{_4} _WD)으로부터

의 식에 의해 구해지는 것을 특징으로 한다(여기서, R_TC는 엔진 출력 측 토크 컨버터의 감속비, R_Trans는 엔진 출력 측 변속기의 감속비, R_Diff는 전륜의 차동기어 감속비, η_total는 차량의 구동계 총 효율임).

또한, 본 발명에 따른 전/후륜 토크 분배 제어 방법은, 상기 4WD 모드 조건을 만족하지 않아 연비 최적화 모드가 결정된 경우 차량 상태 정보와 운전 조작 입력 정보에 기초하여 최적 연비 맵으로부터 최적 엔진 토크량을 산출하는 단계;

상기 최적 엔진 토크량에 상응하는 전륜 최적 휠 토크량이 산출되는 단계;

상기 운전자 요구 총 토크량과 전륜 최적 휠 토크량으로부터 후륜 휠 토크량이 산출되는 단계; 및

상기 산출된 최적 엔진 토크량과 후륜 휠 토크량에 따라 전륜 구동을 위한 엔진과 후륜 구동을 위한 구동모터의 토크 출력을 제어하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 최적 엔진 토크량은 변속단, 운전 조작에 따른 액셀페달량, 및 엔진 속도로부터 최적 연비 맵을 이용하여 구해지는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 전륜 최적 휠 토크량(T_{FWheel_Fuel})은 최적 엔진 토크량(TQI_optimal)으로부터 T_FWheel _{_} _Fuel = TQI_optimal × R_TC × R_Trans × R_Diff × η_total의 식에 의해 구해지는 것을 특징으로 한다(여기서, R_TC는 엔진 출력 측 토크 컨버터의 감속비, R_Trans는 엔진 출력 측 변속기의 감속비, R_Diff는 전륜의 차동기어 감속비, η_total는 차량의 구동계 총 효율임).

또한, 상기 후륜 휠 토크량은 운전자 요구 총 토크량으로부터 전륜 최적 휠 토크량을 뺀 값으로 구해지는 것을 특징으로 한다.

이로써, 본 발명에 따른 E-4WD 하이브리드 자동차의 전/후륜 토크 분배 제어 방법에 의하면, 전/후륜의 휠속 차이, 운전자 급가속 의지, 차량 핸들링 상황 등에 따라 연비 향상에 중점을 둔 토크 분배가 수행되거나 전/후륜 슬립 발생 개선, 급가속 성능 확보, 핸들링 상황 개선을 개선하기 위한 4WD 모드의 토크 분배 제어가 수행됨으로써 차량의 주행 성능 및 안정성이 증대될 수 있게 된다.

도 1은 본 발명에 따른 제어 방법을 나타내는 순서도이다.
도 2는 본 발명에서 구동모드 결정 방법을 나타내는 순서도이다.
도 3은 본 발명에서 최적 엔진 토크량 산출 방법을 설명하기 위한 도면이다.

이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 대해 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명하기로 한다.

본 발명은 E-4WD 하이브리드 자동차에서 전륜(엔진)과 후륜(구동모터)에 대한 토크 분배 제어 방법에 관한 것이다.

특히, 본 발명은 E-4WD 하이브리드 자동차에서 전륜과 후륜의 휠속 차이, 운전자 급가속 의지, 차량의 핸들링 상황 등에 따라 전륜 및 후륜에 대한 최적의 토크 분배가 수행되도록 함으로써 차량의 주행 성능 및 안정성을 증대시킬 수 있는 토크 분배 제어 방법을 제공하고자 하는 것이다.

도 1은 본 발명에 따른 제어 방법을 나타내는 순서도이고, 도 2는 본 발명에서 구동모드 결정 방법을 나타내는 순서도이며, 도 3은 본 발명에서 최적 엔진 토크량 산출 방법을 설명하기 위한 도면이다.

먼저, 본 발명의 전/후륜 토크 분배 제어 과정은 차량의 최상위 제어기인 하이브리드 제어기(HCU:Hybrid Control Unit), 엔진 구동을 제어하는 엔진 제어기(EMS:Engine Management System), 모터 구동을 제어하는 모터 제어기(MCU:Motor Control Unit)의 협조 제어에 의해 수행될 수 있다.

예를 들어, 도 1에서 S10, S20, S31, S32, S41, S42, S43 단계, 및 도 2에서 S11 ~ S14 단계의 제어 주체는 하이브리드 제어기가 될 수 있고, 도 1에서 S33 단계의 제어 주체는 엔진 제어기가 될 수 있으며, 도 1에서 S44 단계의 제어 주체는 모터 제어기가 될 수 있다.

도 1에 나타낸 바와 같이, 본 발명에서는 연비 최적화 모드와 4WD 모드 중 하나의 구동모드를 결정하고(S10), 운전자의 운전 조작 입력 정보에 기초하여 차량 주행 중 운전자가 요구하는 차량 전체 구동 휠 토크, 즉 운전자 요구 총 토크량(T_TotalDriver)을 산출한 뒤(S20), 연비 최적화 모드와 4WD 모드에 따라 전, 후륜 구동토크의 분배량을 제어하게 된다.

여기서, 연비 최적화 모드는 HEV(Hybrid Electric Vehicle) 모드의 4륜 구동(4WD)을 포함하여 EV(Electric Vehicle) 모드(모터 단독 모드) 및 엔진 단독 모드와 같은 2륜 구동(2WD) 모드 등에서의 연비 향상을 위한 구동모드이고, 4WD(4륜 구동) 모드는 발진 및 가속 성능 향상, 등판 보조, 험로 탈출, 핸들링 성능 향상 등을 위한 4WD 성능을 구현하는 구동모드이다.

상기 연비 최적화 모드는 연비 향상에 중점을 둔 엔진과 구동모터의 토크 분배(HEV 4WD 구동)와 더불어, 순수 전기차 모드로서 구동모터의 동력만을 이용하는 EV 모드에서의 구동모터 토크 제어, 엔진의 동력만을 이용하는 엔진 단독 모드에서의 엔진 토크 제어를 포함하는 개념의 구동모드이다.

또한, 4WD 모드는 연비 향상보다는 일정 수준 이상의 전/후륜 슬립으로 인해 전/후륜 횔속 차이가 크게 발생한 경우, 운전자의 급가속 의지가 있는 경우, 또는 핸들링 불량 상황인 경우에, 전/후륜의 휠속 차이를 적게 하거나, 급가속이 가능하도록 후륜 구동량을 증가시키거나, 핸들링 상황을 개선하고 차량 안정화를 도모하고자 하는 4륜 구동모드이다.

먼저, 구동모드 결정 단계(S10)에서는 도 2에 나타낸 바와 같이 주행 중 차량 상태 정보와 운전자의 운전 조작 입력 정보에 기초하여 구동모드를 결정하는데, 여기서 차량 상태 정보는 차량의 핸들링 상황을 나타내는 요레이트(yaw rate) 정보 및 차륜의 슬립 상태를 나타내는 전/후륜 휠속 정보가 될 수 있고, 운전 조작 입력 정보는 운전자의 가속 의지를 나타내는 액셀페달 조작 정보가 될 수 있다.

또한, 상기 요레이트 정보는 목표 요레이트와 실제 요레이트 값의 차이를 나타내는 요레이트 에러 값이 될 수 있고, 목표 요레이트는 차량 핸들링 제어를 위한 목표값이고, 실제 요레이트 값은 차량의 요레이트 센서에 의해 취득되는 센서 검출값이다.

또한, 전/후륜 횔속 정보는 휠속 센서에 의해 취득되는 전륜 휠속과 후륜 휠속 간의 차이, 즉 전/후륜 휠속 차이 값이 될 수 있고, 액셀페달 조작 정보는 APS(Accel Position Sensor) 신호로부터 구해지는 운전자 액셀페달 조작의 가속도 값(액셀페달 가속도 값)이 될 수 있다.

본 발명에서는 정해진 4WD 모드 조건, 예를 들면, 도 2에 나타낸 바와 같이, 차량의 요레이트 에러 값이 미리 정해진 기준값1 이상인 조건, 전/후륜 휠속 차이 값이 미리 정해진 기준값2 이상인 조건, 그리고 액셀페달 가속도 값이 미리 정해진 기준값3 이상인 조건 중 어느 하나를 만족할 경우 4WD 모드로 결정하고, 상기 조건을 모두 만족하지 않을 경우 연비 최적화 모드로 결정한다.

이어 차량 상태 정보와 운전자의 운전 조작 입력 정보를 바탕으로 운전자 요구 총 토크량(T_TotalDriver)을 산출한다(S20).

상기 운전자 요구 총 토크량(T_TotalDriver)은 통상의 E-4WD 하이브리드 자동차에서 구동 제어를 위해 산출되는 값으로, 그 산출 방식으로는 다양한 방식이 알려져 있으나, 일례로 액셀페달량(즉, 액셀페달 조작량, APS 신호 값)에 따른 요구 엔진 토크량(TQI), 엔진 출력 측 토크 컨버터의 감속비(R_TC), 엔진 출력 측 변속기의 감속비(R_Trans), 전륜의 차동기어 감속비(디프 감속비)(R_Diff), 차량의 구동계 총 효율(η_total)로부터 구해질 수 있고, 아래의 수학식 1은 운전자 요구 총 토크량을 산출하기 위한 산출식을 나타낸다.

[수학식 1]

T_TotalDriver = TQI × R_TC × R_Trans × R_Diff × η_total

본 발명에서 운전자 요구 총 토크량을 산출함에 있어 상기의 수학식으로 한정되는 것은 아니며, 알려진 여러 산출 방식 중 하나가 채택될 수 있고, 차량 상태 정보로서 차속이나 요레이트, 휠속, 변속상태(변속단) 등의 정보와, 운전 조작 입력 정보로서 조향각이나 브레이크 페달 조작 값 등의 정보를 반영하도록 산출식이 설정될 수도 있다.

상기와 같이 운전자 요구 총 토크량이 산출되면, 구동모드에 따라 전륜 및 후륜 토크량을 산출하고 산출된 토크량에 따라 엔진 토크 제어(엔진 단독 모드, 2WD 모드), 또는 구동모터 토크 제어(EV 모드, 2WD 모드), 또는 엔진과 구동모터의 토크 제어(HEV 모드, 4WD 모드)를 실시한다.

먼저, 구동모드 결정 단계에서 연비 최적화 모드로 결정되면, 최적 엔진 토크량(TQI_optimal) 산출 단계, 후륜 휠 토크량(T_RWheel _{_} _Fuel) 산출 단계, 산출된 토크량, 즉 최적 엔진 토크량(TQI_optimal)과 후륜 휠 토크량(T_{RWheel_Fuel})에 따라 전륜 구동을 위한 엔진과 후륜 구동을 위한 구동모터의 토크 출력을 제어하는 연비 최적화 토크 제어 단계를 실행한다(S31,S32,S33,S44).

연비 최적화 모드에서는 운전자 요구 총 토크량 등을 기반으로 최적의 전륜 및 후륜 토크 분배량을 산출하고, 분배량에 따라 전륜은 엔진 토크 제어, 후륜은 모터 토크 제어를 통해 운전자 요구 총 토크량을 만족시킬 수 있도록 한다.

상기 최적 엔진 토크량 산출 단계(S31)에서는 차량 상태 정보와 운전자의 운전 조작 입력 정보에 기초하여 연비 최적화를 위한 최적 엔진 토크량(TQI_optimal)을 산출하게 된다.

즉, 도 3에 나타낸 바와 같이, 최적 연비 맵을 이용하여 변속상태(변속단), 운전 조작에 따른 액셀페달량, 엔진 속도(RPM)로부터 최적 엔진 토크량(TQI_optimal)이 구해질 수 있다.

상기 최적 연비 맵에는 엔진별 연료 소모량이 가장 적은 최적 운전 구간이 선정되어 반영되어 있는바, 현재의 차량 상태 정보와 운전 조작 입력 정보를 바탕으로 최적점에 해당하는 엔진 토크량이 구해질 수 있다.

상기 후륜 휠 토크량 산출 단계(S32)에서는 최적 엔진 토크량(TQI_optimal)에 상응하는 전륜 최적 휠 토크량(T_FWheel _{_} _Fuel)이 구해지고, 앞서 구해진 운전자 요구 총 토크량(T_TotalDriver)과 전륜 최적 휠 토크량(T_{FWheel_Fuel})으로부터 후륜 휠 토크량(T_{RWheel_Fuel})이 산출된다.

상기 전륜 최적 휠 토크량(T_{FWheel_Fuel})은 최적 엔진 토크량(TQI_optimal), 엔진 출력측 토크 컨버터의 감속비(R_TC), 엔진 출력 측 변속기의 감속비(R_Trans), 전륜의 차동기어 감속비(디프 감속비)(R_Diff), 차량의 구동계 총 효율(η_total)로부터 구해질 수 있고, 아래의 수학식 2는 최적 엔진 토크량(TQI_optimal)에 상응하는 전륜 최적 휠 토크량(T_{FWheel_Fuel})을 산출하기 위한 산출식을 나타낸다.

[수학식 2]

T_FWheel _{_} _Fuel = TQI_optimal × R_TC × R_Trans × R_Diff × η_total

결국, 운전자 요구 총 토크량(T_TotalDriver)으로부터 전륜 최적 휠 토크량(T_FWheel _{_} _Fuel)을 뺀 값으로 후륜 휠 토크량(T_{RWheel_Fuel})이 산출될 수 있다(T_RWheel _{_} _Fuel = T_TotalDriver - T_FWheel _{_} _Fuel).

이어 토크 제어 단계에서는 상기와 같이 구해진 최적 엔진 토크량(TQI_optimal)과 후륜 휠 토크량(T_{RWheel_Fuel})에 따라 엔진의 출력토크와 구동모터의 출력토크를 제어함으로써 엔진(전륜)과 구동모터(후륜)에 대한 구동력 분배가 이루어지게 된다.

엔진의 토크 제어는 엔진 제어기(EMS)가 최적 엔진 토크량(TQI_optimal)을 지령값으로 하여 엔진 구동을 제어함으로써 실행될 수 있고, 구동모터의 토크 제어는 후륜 휠 토크량(T_{RWheel_Fuel})을 모터 토크(T_RearMotor)로 변환하고 변환된 모터 토크를 지령값으로 하여 모터 제어기(MCU)가 인버터를 통해 모터 구동을 제어함으로써 실행될 수 있다.

상기 후륜 휠 토크량(T_{RWheel_Fuel})을 모터 토크(T_RearMotor)로 변환하기 위한 산출식으로는 아래의 수학식 3이 이용될 수 있다.

[수학식 3]

T_RearMotor = T_RWheel _{_} _Fuel ÷ R_Reduction

여기서, R_Reduction은 후륜 측의 구동모터에 연결되어 있는 모터 감속기의 기어비를 나타낸다.

다음으로, 구동모드 결정 단계에서 4WD 모드로 결정되면, 4WD용 전/후륜 휠 토크량(T_RWheel _{_4} _WD,T_FWheel _{_4} _WD) 산출 단계(S41), 4WD용 전륜 엔진 토크량(TQI_4WD) 산출 단계(S42), 산출된 토크량, 즉 4WD용 후륜 휠 토크량(T_{RWheel_4WD})과 4WD용 전륜 엔진 토크량(TQI_4WD)에 따라 전륜 구동을 위한 엔진과 후륜 구동을 위한 구동모터의 토크 출력을 제어하는 4WD 토크 제어 단계를 실행한다(S33,S43,S44).

4WD 모드에서는 전/후륜 휠속 차이가 크게 발생하면 휠속 차이를 적게 하는 방향으로 제어가 실행되고, 운전자의 급가속 의지 여부가 인지되면 급가속이 가능하도록 후륜 구동량을 증가시키는 제어가 실행되며, 핸들링 상황에서 요레이트 에러 값에 따라 차량의 안정화를 위한 전륜 및 후륜의 휠 토크량을 산출하여 전륜의 엔진 토크 제어와 후륜의 모터 토크 제어를 실시한다.

상기 4WD용 전/후륜 휠 토크량 산출 단계에서는 4WD용 후륜 휠 토크량(T_RWheel _{_4} _WD)을 먼저 산출한 뒤, 운전자 요구 총 토크량(T_TotalDriver)에서 4WD용 후륜 휠 토크량(T_{RWheel_4WD})을 뺀 값으로 4WD용 전륜 휠 토크량(T_{FWheel_4WD})을 산출한다.

여기서, 4WD용 후륜 휠 토크량(T_{RWheel_4WD})이 산출되는 과정에 대해 설명하면 다음과 같다.

먼저, 액셀페달 가속도가 기준값3 이상이 되도록 운전자가 액셀페달을 급하게 조작하여 4WD 모드가 결정된 경우(도 2의 S13 단계 참조), 운전자의 급가속 의지가 있는 것으로 판단하여 차량 급가속이 이루어질 수 있도록 후륜의 구동력을 증가시키고, 이를 위해 아래의 수학식 4로부터 구해지는 급가속 제어토크(T_Accel)가 4WD용 후륜 휠 토크량(T_{RWheel_4WD})으로 결정되어 사용된다.

[수학식 4]

T_Accel = T_TM×G_f×R_ratio

여기서, T_Accel은 구하고자 하는 4WD용 후륜 휠 토크량에 해당하는 값으로, 운전자 급가속 의지 판단시에는 T_Accel 값이 4WD용 후륜 휠 토크량 값으로 사용되고, T_TM은 변속기 출력토크를, G_f는 전륜의 종감속 기어비를, R_ratio는 차량의 하중 배분비를 나타낸다.

상기 변속기 출력토크(T_TM)는 주행 중 차량의 엔진 출력토크에 현재 변속단의 기어비를 곱한 값으로 계산될 수 있다.

또한, 하중 배분비(R_ratio)는 하기 수학식 5로부터 구해질 수 있다.

[수학식 5]

여기서, W_r는 하기 수학식 6으로부터 구해지는 후륜 작용 하중을 나타내고, W는 차량 정하중을 나타낸다.

[수학식 6]

여기서, W_rs는 후륜 정하중을 나타내고, W는 차량 정하중, a_x는 센서에 의해 검출된 차량의 종가속도, g는 중력가속도, h는 차량의 무게중심 높이, L은 차량의 휠베이스를 각각 나타낸다.

다음으로, 전륜과 후륜의 휠속 차이가 기준값2 이상이 되어 4WD 모드가 결정된 경우(도 2의 S12 단계 참조), 전륜과 후륜의 휠속 차이를 줄이기 위해 아래의 수학식 7로부터 구해지는 슬립 제어토크(T_slipcontrol) 값이 4WD용 후륜 휠 토크량(T_RWheel _{_4} _WD)으로 결정되어 사용된다.

[수학식 7]

여기서, K_P, K_I는 P, I 제어 게인을 나타내고, Δω는 전륜과 후륜의 휠속 차이, t는 시간을 나타낸다.

상기 전/후륜 휠속 차이(Δω) 값은 하기 수학식 8과 같이 전륜의 좌측륜과 우측륜의 휠속 평균값과 후륜의 좌측륜과 우측륜의 휠속 평균값의 차이 값으로 구해질 수 있다.

[수학식 8]

여기서, ω_fl, ω_fr, ω_rl, ω_rr은 횔속 센서에 의해 검출되는 각 차륜의 휠 속도로서, 전륜의 좌측륜, 전륜의 우측륜, 후륜의 좌측륜, 후륜의 우측륜의 휠속을 각각 나타낸다.

한편, 요레이트 에러가 기준값1 이상이 되어 4WD 모드가 결정된 경우(도 2의 S11 단계 참조), 요레이트 에러 값으로부터 아래의 수학식 9에 의해 구해지는 핸들링 제어토크(T_handling) 값이 4WD용 후륜 휠 토크량(T_{RWheel_4WD})으로 결정되어 사용된다.

[수학식 9]

여기서, K_P는 P 제어 게인을 나타내고, γ_error는 하기 수학식 10으로부터 구해지는 요레이트 에러 값을 나타낸다.

[수학식 10]

수학식 10에서 γ_real은 차량의 요레이트 센서에 의해 검출되는 실제 요레이트 값을 나타내고, γ_ref는 하기 수학식 11로부터 구해지는 목표 요레이트 값을 나타낸다.

[수학식 11]

여기서, V는 차속을, V_ch는 차량 고유의 핸들링 특성 속도를 나타내고, δ는 조향각 센서에 의해 검출되는 조향각을 나타내며, L은 차량의 휠베이스를 나타낸다.

한편, 차량 상태 정보 및 운전 조작 입력 정보에 따라 상기와 같이 4WD용 후륜 휠 토크량(T_{RWheel_4WD})이 구해지면, 운전자 요구 총 토크량(T_TotalDriver)과 4WD용 후륜 휠 토크량(T_{RWheel_4WD})으로부터 4WD용 전륜 휠 토크량(T_{FWheel_4WD})이 결정될 수 있고(S41), 이어 4WD용 전륜 휠 토크량(T_{FWheel_4WD})으로부터 하기 수학식 12에 의해 4WD용 전륜 엔진 토크량(TQI_4WD)이 산출될 수 있다(S42).

[수학식 12]

여기서, R_TC는 엔진 출력 측 토크 컨버터의 감속비, R_Trans는 엔진 출력 측 변속기의 감속비, R_Diff는 전륜의 차동기어 감속비(디프 감속비), η_total는 차량의 구동계 총 효율을 나타낸다.

상기와 같이 4WD용 전륜 엔진 토크량(TQI_4WD)이 구해지고 나면, 4WD 모드에서도 앞서 구해진 토크 값에 따라 엔진(전륜)과 구동모터(후륜)에 대한 토크 제어가 실행되며, 토크 제어 단계에서는 상기와 같이 구해진 4WD용 전륜 엔진 토크량(TQI_4WD)과 4WD용 후륜 휠 토크량(T_{RWheel_4WD})에 따라 엔진의 출력토크와 구동모터의 출력토크를 제어함으로써 엔진(전륜)과 구동모터(후륜)에 대한 구동력 분배가 이루어지게 된다(S33,S43,S44).

엔진의 토크 제어는 엔진 제어기(EMS)가 4WD용 전륜 엔진 토크량(TQI_4WD)을 지령값으로 하여 엔진 구동을 제어함으로써 실행될 수 있고(S33), 구동모터의 토크 제어는 4WD용 후륜 휠 토크량(T_{RWheel_4WD})을 모터 토크(T_RearMotor)로 변환하고(S43) 변환된 모터 토크를 지령값으로 하여 모터 제어기(MCU)가 인버터를 통해 모터 구동을 제어함으로써 실행될 수 있다(S44).

상기 4WD용 후륜 휠 토크량(T_{RWheel_4WD})을 모터 토크(T_RearMotor)로 변환하기 위한 산출식으로는 아래의 수학식 13이 이용될 수 있다.

[수학식 13]

T_RearMotor = T_RWheel _{_4} _WD ÷ R_Reduction

이상으로 본 발명의 실시예에 대하여 상세하게 설명하였는바, 본 발명의 권리범위가 이에 한정되는 것이 아니며, 다음의 특허청구범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당 업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 발명의 권리범위에 포함된다.

Claims

차량 상태 정보와 운전자의 운전 조작 입력 정보로부터 연비 최적화 모드와 4WD(4 Wheel Drive) 모드 중 하나의 구동모드를 결정하는 단계;
차량 상태 정보와 운전자의 운전 조작 입력 정보로부터 운전자 요구 총 토크량을 산출하는 단계;
차량 상태 정보와 운전 조작 입력 정보가 4WD 모드 조건을 만족하여 4WD 모드의 구동모드가 결정된 경우 차량 상태 정보와 운전 조작 입력 정보로부터 4WD용 후륜 휠 토크량을 산출하는 단계;
상기 운전자 요구 총 토크량과 4WD용 후륜 휠 토크량으로부터 4WD용 전륜 휠 토크량을 산출하는 단계;
상기 4WD용 전륜 휠 토크량으로부터 4WD용 전륜 엔진 토크량을 산출하는 단계; 및
상기 산출된 4WD용 전륜 엔진 토크량과 4WD용 후륜 휠 토크량에 따라 전륜 구동을 위한 엔진과 후륜 구동을 위한 구동모터의 토크 출력을 제어하는 단계를 포함하는 E-4WD 하이브리드 자동차의 전/후륜 토크 분배 제어 방법.
청구항 1에 있어서,
상기 구동모드 결정 과정의 4WD 모드 조건으로서,
요레이트 센서에 의해 검출된 실제 요레이트 값과 차량 핸들링 제어를 위한 목표 요레이트 값의 차이로 계산되는 요레이트 에러 값이 정해진 기준값1 이상인 조건;
전륜과 후륜의 휠속 차이가 정해진 기준값2 이상인 조건; 및
운전자의 액셀페달 조작에 따른 액셀페달 가속도 값이 정해진 기준값3 이상인 조건 중 어느 하나를 만족하는 경우 4WD 모드로 결정하는 것을 특징으로 하는 E-4WD 하이브리드 자동차의 전/후륜 토크 분배 제어 방법.
청구항 1에 있어서,
상기 운전자 요구 총 토크량은 운전자 액셀페달 조작량에 따른 요구 엔진 토크량, 엔진 출력 측 토크 컨버터의 감속비, 엔진 출력 측 변속기의 감속비, 전륜의 차동기어 감속비, 및 차량의 구동계 총 효율로부터 구해지는 것을 특징으로 하는 E-4WD 하이브리드 자동차의 전/후륜 토크 분배 제어 방법.
청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,
운전자의 액셀페달 조작에 따른 액셀페달 가속도 값이 정해진 기준값3 이상인 조건을 만족하여 4WD 모드가 결정되면, 엔진 출력 측 변속기의 출력토크, 전륜의 종감속 기어비, 및 차량의 하중 배분비로부터 구해지는 급가속 제어토크를 4WD용 후륜 휠 토크량으로 결정하는 것을 특징으로 하는 E-4WD 하이브리드 자동차의 전/후륜 토크 분배 제어 방법.
청구항 4에 있어서,
상기 차량의 하중 배분비(R_ratio)는 후륜 작용 하중(W_r)과 차량 정하중(W)으로부터
의 식에 의해 구해지고, 상기 후륜 작용 하중(W_r)은
의 식에 의해 구해지는 것을 특징으로 하는 E-4WD 하이브리드 자동차의 전/후륜 토크 분배 제어 방법.
(여기서, W_rs는 후륜 정하중, a_x는 차량의 종가속도, g는 중력가속도, h는 차량의 무게중심 높이, L은 차량의 휠베이스임)
청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,
전륜과 후륜의 휠속 차이가 정해진 기준값2 이상인 조건을 만족하여 4WD 모드가 결정되면, 전륜과 후륜의 휠속 차이로부터
의 식에 의해 구해지는 슬립 제어토크(T_slipcontrol)를 4WD용 후륜 휠 토크량으로 결정하는 것을 특징으로 하는 E-4WD 하이브리드 자동차의 전/후륜 토크 분배 제어 방법.
(여기서, K_P, K_I는 P, I 제어 게인, Δω는 전륜과 후륜의 휠속 차이, t는 시간임)
청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,
요레이트 센서에 의해 검출된 실제 요레이트 값과 차량 요레이트 제어를 위한 목표 요레이트 값의 차이로 계산되는 요레이트 에러 값이 정해진 기준값1 이상인 조건을 만족하여 4WD 모드가 결정되면, 요레이트 에러 값(γ_error)으로부터
의 식에 의해 구해지는 핸들링 제어토크(T_handling)를 4WD용 후륜 휠 토크량으로 결정하는 것을 특징으로 하는 E-4WD 하이브리드 자동차의 전/후륜 토크 분배 제어 방법.
(여기서, K_P는 P 제어 게인임)
청구항 7에 있어서,
상기 목표 요레이트 값은 차속(V)과 조향각(δ)으로부터
의 식에 의해 구해지는 것을 특징으로 하는 E-4WD 하이브리드 자동차의 전/후륜 토크 분배 제어 방법.
(여기서, V_ch는 차량 고유의 핸들링 특성 속도, L은 차량의 휠베이스임)
청구항 1에 있어서,
상기 4WD용 전륜 휠 토크량(T_{FWheel_4WD})은 운전자 요구 총 토크량(T_TotalDriver)에서 4WD용 후륜 휠 토크량(T_{RWheel_4WD})을 뺀 값으로 구해지는 것을 특징으로 하는 E-4WD 하이브리드 자동차의 전/후륜 토크 분배 제어 방법.
청구항 1에 있어서,
상기 4WD용 전륜 엔진 토크량(TQI_4WD)은 4WD용 전륜 휠 토크량(T_{FWheel_4WD})으로부터
의 식에 의해 구해지는 것을 특징으로 하는 E-4WD 하이브리드 자동차의 전/후륜 토크 분배 제어 방법.
(여기서, R_TC는 엔진 출력 측 토크 컨버터의 감속비, R_Trans는 엔진 출력 측 변속기의 감속비, R_Diff는 전륜의 차동기어 감속비, η_total는 차량의 구동계 총 효율임)
청구항 1에 있어서,
상기 4WD 모드 조건을 만족하지 않아 연비 최적화 모드가 결정된 경우 차량 상태 정보와 운전 조작 입력 정보에 기초하여 최적 연비 맵으로부터 최적 엔진 토크량을 산출하는 단계;
상기 최적 엔진 토크량에 상응하는 전륜 최적 휠 토크량이 산출되는 단계;
상기 운전자 요구 총 토크량과 전륜 최적 휠 토크량으로부터 후륜 휠 토크량이 산출되는 단계; 및
상기 산출된 최적 엔진 토크량과 후륜 휠 토크량에 따라 전륜 구동을 위한 엔진과 후륜 구동을 위한 구동모터의 토크 출력을 제어하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 E-4WD 하이브리드 자동차의 전/후륜 토크 분배 제어 방법.
청구항 11에 있어서,
상기 최적 엔진 토크량은 변속단, 운전 조작에 따른 액셀페달량, 및 엔진 속도로부터 최적 연비 맵을 이용하여 구해지는 것을 특징으로 하는 E-4WD 하이브리드 자동차의 전/후륜 토크 분배 제어 방법.
청구항 11에 있어서,
상기 전륜 최적 휠 토크량(T_{FWheel_Fuel})은 최적 엔진 토크량(TQI_optimal)으로부터 T_{FWheel_Fuel} = TQI_optimal × R_TC × R_Trans × R_Diff × η_total의 식에 의해 구해지는 것을 특징으로 하는 E-4WD 하이브리드 자동차의 전/후륜 토크 분배 제어 방법.
(여기서, R_TC는 엔진 출력 측 토크 컨버터의 감속비, R_Trans는 엔진 출력 측 변속기의 감속비, R_Diff는 전륜의 차동기어 감속비, η_total는 차량의 구동계 총 효율임)
청구항 11에 있어서,
상기 후륜 휠 토크량은 운전자 요구 총 토크량으로부터 전륜 최적 휠 토크량을 뺀 값으로 구해지는 것을 특징으로 하는 E-4WD 하이브리드 자동차의 전/후륜 토크 분배 제어 방법.