KR102020909B1 - 직렬형 하이브리드 차량의 동력 제어 방법 - Google Patents

직렬형 하이브리드 차량의 동력 제어 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명에 따른 직렬형 하이브리드 차량의 동력 제어 장치는 엔진의 기계적 동력을 발전기를 통해 전기적 동력으로 변환하여 구동 모터를 구동하거나 배터리에 충전하는 직렬형 하이브리드 차량의 동력을 제어하는 방법에서, 보기류 모터 및 전장 부하에서 순시적으로 소모되는 소모 부하를 측정하는 단계, 상기 소모 부하와 상기 구동 모터의 소모 파워를 이용해서 차량에서 요구하는 요구 파워를 산출하는 단계, 상기 요구 파워를 이용해 차량에서 요구하는 총 요구 파워를 산출하는 단계, 그리고 상기 총 요구 파워를 이용해 발전기의 목표 발전량을 산출하는 단계를 포함한다.

Description

직렬형 하이브리드 차량의 동력 제어 방법{POWER CONTROL METHOD FOR A SERIAL HYBRID VEHICLE}
본 발명은 직렬형 하이브리드 차량의 동력 제어 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 순시적으로 변하는 차량의 요구 부하에 대응하여 발전기의 목표 발전량을 산출할 수 있는 직렬형 하이브리드 차량의 동력 제어 방법에 관한 것이다.
하이브리드 차량은 서로 다른 두 종류 이상의 동력원을 효율적으로 조합하여 차량을 구동시키는 것을 의미하나, 대부분의 경우는 연료(가솔린 등 화석연료)를 연소시켜 구동력을 얻는 엔진과 배터리 전력으로 구동력을 얻는 전기모터에 의해 구동하는 차량을 일컫는다.
하이브리드 차량은 엔진과 전기모터를 동력원으로 하여 다양한 구조를 형성할 수 있는데, 엔진의 기계적 동력을 바퀴에 직접 전달하고 필요할 때 배터리의 전력으로 구동되는 전기모터를 이용하여 도움 받는 차량을 병렬형 하이브리드 차량이라고 하고, 엔진의 기계적 동력을 발전기를 통해 전기적 동력으로 변환하여 전기모터를 구동하거나 배터리에 충전하는 차량을 직렬형 하이브리드 차량이라고 한다.
그러나, 종래의 직렬형 하이브리드 차량은 차량에서 순시적으로 요구하는 부하 와 동력 시스템에서 순시적으로 제공 가능한 동력에 기반한 동력 제어를 수행하지 못하고 있다.
이로 인해, 종래의 직렬형 하이브리드 차량은 배터리 및 엔진/발전기로 이루어진 동력 시스템에서 순시적으로 제공 가능한 동력보다 차량의 요구 부하가 클 경우 동력 시스템에 무리가 될 수 있다.
또한, 차량의 순시 요구 부하의 변화에 따라 엔진/발전기의 요구 동력의 변동이 요구되면, 종래의 직렬형 하이브리드 차량은 엔진/발전기의 동적 시정수(time constant)가 구동 모터 등으로 이루어진 차량 부하에서의 시정수 보다 크므로 엔진/발전기를 안정적으로 구동하는데 어려움이 있었다.
이 배경기술 부분에 기재된 사항은 발명의 배경에 대한 이해를 증진하기 위하여 작성된 것으로서, 이 기술이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 이미 알려진 종래기술이 아닌 사항을 포함할 수 있다.
본 발명은 이러한 문제점을 해결하고자 안출된 것으로, 본 발명의 목적은 불감시간 및 1차 지연의 시정수가 결합된 전달함수를 이용해 차량에서 요구하는 요구 파워를 산출하고, 배터리의 최대 허용 충전 파워 및 최대 방전 파워를 이용해 발전기의 목표 발전량을 산출함으로써, 차량의 요구 동력의 급격한 변화로 인한 엔진/발전기 운전점의 변화로 인한 불안정성을 제거하여 동력 시스템을 보호하며 직렬형 하이브리드 차량의 동력을 안정적으로 제어할 수 있는 환경을 제공하는 직렬형 하이브리드 차량의 동력 제어 방법을 제공하는 것이다.
또한, 본 발명의 목적은 순시적으로 변하는 차량의 요구 부하에 대응하여 발전기의 목표 발전량을 산출할 수 있는 직렬형 하이브리드 차량의 동력 제어 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 직렬형 하이브리드 차량의 동력 제어 방법은 엔진의 기계적 동력을 발전기를 통해 전기적 동력으로 변환하여 구동 모터를 구동하거나 배터리에 충전하는 직렬형 하이브리드 차량의 동력을 제어하는 방법에서,
보기류 모터 및 전장 부하에서 순시적으로 소모되는 소모 부하를 측정하는 단계,
상기 소모 부하와 상기 구동 모터의 최대 소모 파워를 이용해서 차량에서 요구하는 요구 파워를 산출하는 단계,
상기 요구 파워를 이용해 차량에서 요구하는 총 요구 파워를 산출하는 단계, 그리고
상기 총 요구 파워를 이용해 발전기의 목표 발전량을 산출하는 단계
를 포함하며,
상기 요구 파워를 산출하는 단계는,
상기 보기류 모터 및 전장 부하의 상기 소모 부하와 상기 구동 모터의 소모 파워의 합을 불감시간과 1차 지연시간의 시정수가 결합된 전달함수와 곱하여 상기 요구 파워를 산출하는 것을 특징으로 한다.

상기 최대 소모 파워를 산출하는 단계는,
상기 발전기의 최대 출력과 상기 배터리의 최대 방전 파워의 합에서 상기 보기류 모터 및 전장 부하의 상기 소모 부하를 차감하여 상기 구동 모터의 상기 최대 소모 파워를 산출할 수 있다.
상기 총 요구 파워를 산출하는 단계는, 상기 배터리가 충전할 수 있는 최대 허용 충전 파워와 상기 요구 파워를 합하여 상기 총 요구 파워를 산출할 수 있다.
상기 발전기의 목표 발전량을 산출하는 단계는, 상기 총 요구 파워에서 상기 배터리의 최대 방전 파워를 차감하여 상기 발전기의 목표 발전량을 산출할 수 있다.
본 발명에 따르면, 불감시간 및 1차 지연의 시정수가 결합된 전달함수를 이용해 차량에서 요구하는 요구 파워를 산출하고, 배터리의 최대 허용 충전 파워 및 최대 방전 파워를 이용해 발전기의 목표 발전량을 산출함으로써, 차량의 요구 동력의 급격한 변화로 인한 엔진/발전기 운전점의 변화로 인한 불안정성을 제거하여 동력 시스템을 보호하며 직렬형 하이브리드 차량의 동력을 안정적으로 제어할 수 있는 환경을 제공한다.
그 외에 본 발명의 실시 예로 인해 얻을 수 있거나 예측되는 효과에 대해서는 본 발명의 실시 예에 대한 상세한 설명에서 직접적 또는 암시적으로 개시하도록 한다. 즉 본 발명의 실시 예에 따라 예측되는 다양한 효과에 대해서는 후술될 상세한 설명 내에서 개시될 것이다.
도 1은 본 발명의 한 실시예에 따른 직렬형 하이브리드 차량에서 동력 제어 장치의 구성을 개념적으로 도시한 블록 구성도이다.
도 2는 본 발명의 한 실시예에 따른 직렬형 하이브리드 차량의 동력 제어 장치가 차량의 동력을 제어하는 로직을 도시한 블록도이다.
도 3은 본 발명의 한 실시예에 따른 직렬형 하이브리드 차량의 동력 제어 장치가 차량의 동력을 제어하는 과정을 간략히 도시한 흐름도이다.
아래에서는 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.
명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.
명세서 전체에 걸쳐서 동일한 참조번호로 표시된 부분들은 동일한 구성요소들을 의미한다.
본 명세서에서 사용된 "차량", "차", "차량의", "자동차" 또는 다른 유사한 용어들은 스포츠 실용차(sports utility vehicles; SUV), 버스, 트럭, 다양한 상용차를 포함하는 승용차, 다양한 종류의 보트나 선박을 포함하는 배, 항공기 및 이와 유사한 것을 포함하는 자동차를 포함하며, 하이브리드 차량, 전기 차량, 플러그 인 하이브리드 전기 차량, 수소연료 차량 및 다른 대체 연료(예를 들어, 석유 외의 자원으로부터 얻어지는 연료) 차량을 포함한다.
추가적으로, 몇몇 방법들은 적어도 하나의 제어기에 의하여 실행될 수 있다. 제어기라는 용어는 메모리와, 알고리즘 구조로 해석되는 하나 이상의 단계들을 실행하도록 된 프로세서를 포함하는 하드웨어 장치를 언급한다. 상기 메모리는 알고리즘 단계들을 저장하도록 되어 있고, 프로세서는 아래에서 기재하는 하나 이상의 프로세스들을 수행하기 위하여 상기 알고리즘 단계들을 특별히 실행하도록 되어 있다.
이제 도 1 내지 도 3를 참고하여 본 발명의 한 실시예에 따른 직렬형 하이브리드 차량의 동력 제어 장치에 대하여 상세하게 설명한다.
도 1은 본 발명의 한 실시예에 따른 직렬형 하이브리드 차량에서 동력 제어 장치의 구성을 개념적으로 도시한 블록 구성도이다. 이때, 직렬형 하이브리드 차량의 동력 제어 장치는 본 발명의 실시예에 따른 설명을 위해 필요한 개략적인 구성만을 도시할 뿐 이러한 구성에 국한되는 것은 아니다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 동력 제어 장치가 적용되는 직렬형 하이브리드 차량은, 엔진(10); 상기 엔진(10)의 기계적 동력을 전기적 동력으로 변환하는 발전기(20); 보기류 모터 및 전장 부하(30); 배터리(40); 상기 발전기(20) 및 상기 배터리(40)의 전기적 동력으로 구동력을 생성하는 구동 모터(50); 기어 박스(60); 차륜(70); 하이브리드 차량의 전체 동작을 제어하는 제어기(100);를 포함할 수 있다.
상기 제어기(100)는 제어 신호를 출력하여 상기 엔진(10), 상기 발전기(20), 상기 보기류 모터 및 전장 부하(30), 상기 배터리(40), 및 상기 구동 모터(50)를 제어한다. 상기 제어기(100)는 상기 발전기(20)의 출력 및 발전량, 상기 보기류 모터 및 전장 부하(30)의 소모 부하, 상기 배터리(40)의 충전 파워 및 방전 파워, 상기 구동 모터(50)의 소모 파워를 산출하고, 제어 신호를 통해 이를 제어할 수 있다.
상기 제어기(100)는 직렬형 하이브리드 차량에 구비되는 여러 제어기들간 협조 제어를 통해 후술할 본 발명의 실시예에 따른 직렬형 하이브리드 차량의 동력 제어 방법을 수행할 수 있다. 예를 들면, 최상위 제어기인 HCU(Hybrid Control Unit), 엔진 작동의 전반을 제어하는 ECU(Engine Control Unit), 구동모터 작동의 전반을 제어하는 MCU(Motor Control Unit), 및 배터리를 관리 제어하는 BCU (Battery Control Unit) 등이 이용될 수 있다.
따라서 설명의 편의상 본 명세서 및 특허청구범위에서는 하이브리드 차량에 구비되는 여러 제어기들을 통칭하여 제어기(100)로 지칭하기로 한다. 그리고, BCU는 배터리 관리 시스템(BMS; battery management system)으로 호칭될 수도 있다.
상기 제어기(100)는 상기 발전기(20)에서 순시적으로 공급 가능한 최대 출력을 산출하고, 상기 배터리(40)에서 순시적으로 공급 가능한 최대 방전 파워를 산출할 수 있다.
그리고, 상기 제어기(100)는 상기 발전기(20)의 상기 최대 출력과 상기 배터리(40)의 상기 최대 방전 파워의 합에서 보기류 모터 및 전장 부하(30)에서 소모하는 소모 부하를 차감하여 상기 구동 모터(50)의 상기 최대 소모 파워를 산출할 수 있다.
또한, 상기 제어기(100)는 상기 보기류 모터 및 전장 부하(30)의 소모 부하와 상기 구동 모터(50)의 소모 파워를 이용해서 차량에서 요구하는 요구 파워를 산출할 수 있다.
그리고, 상기 제어기(100)는 배터리(40)가 충전할 수 있는 최대 허용 충전 파워와 차량의 요구 파워를 합하여 총 요구 파워를 산출하고, 상기 총 요구 파워에서 상기 배터리(40)의 순시 허용 방전 파워를 차감하여 상기 발전기(20)의 목표 발전량을 산출할 수 있다.
그리고, 상기 제어기(100)는 상기 목표 발전량을 기초로 상기 엔진(10) 및 상기 발전기(20)의 동작을 제어할 수 있다.
이러한 목적을 위하여, 제어기(100)는 설정된 프로그램에 의하여 동작하는 하나 이상의 프로세서로 구현될 수 있으며, 상기 설정된 프로그램은 본 발명의 실시예에 따른 직렬형 하이브리드 차량의 동력 제어 방법의 각 단계를 수행하도록 프로그래밍 된 것일 수 있다.
도 2는 본 발명의 한 실시예에 따른 직렬형 하이브리드 차량의 동력 제어 장치가 차량의 동력을 제어하는 로직을 도시한 블록도이고, 도 3은 본 발명의 한 실시예에 따른 직렬형 하이브리드 차량의 동력 제어 장치가 차량의 동력을 제어하는 과정을 간략히 도시한 흐름도이다. 이하의 흐름도는 도 1의 구성과 연계하여 동일한 도면부호를 사용하여 설명한다.
도 2 및 도 3을 참조하면, 본 발명의 한 실시예에 따른 직렬형 하이브리드 차량의 동력 제어 장치는 구동모터(50)가 소모할 수 있는 최대 소모 허용 파워와 엔진(10) 및 발전기(20)에서 순시적으로 공급하여야 할 목표 발전 파워를 산출한다.
그리고, 본 발명의 한 실시예에 따른 직렬형 하이브리드 차량의 동력 제어 장치는 보기류 모터 및 전장 부하(30)에서 소모하는 소모 부하(Paux)를 측정하고(S102), 상기 구동 모터(50)가 순시적으로 소모하고 있는 소모파워를 모터제어기(MCU) 로부터 통신으로 전달 받거나 측정한다(S104).
여기서, 본 발명의 한 실시예에 따른 직렬형 하이브리드 차량의 동력 제어 장치는, 하기 수학식 1과 같이, 상기 발전기(20)의 최대 출력과 상기 배터리(40)의 최대 방전 파워의 합에서 상기 보기류 모터 및 전장 부하(30)의 소모 부하를 차감하여 상기 구동 모터(50)의 최대 소모 파워를 산출할 수 있다.
Figure 112018044454778-pat00001
또한, 본 발명의 한 실시예에 따른 직렬형 하이브리드 차량의 동력 제어 장치는 상기 보기류 모터 및 전장 부하(30)의 소모 부하와 상기 구동 모터(50)의 소모 파워를 이용해서 차량에서 요구하는 요구 파워(Pload_request)를 산출한다(S110).
이때, 본 발명의 한 실시예에 따른 직렬형 하이브리드 차량의 동력 제어 장치는 하기 수학식 2를 통해 차량에서 요구하는 상기 요구 파워를 산출할 수 있다.
Figure 112018044454778-pat00002
그리고, 본 발명의 한 실시예에 따른 직렬형 하이브리드 차량의 동력 제어 장치는 상기 보기류 모터 및 전장 부하(30)의 소모 부하와 상기 구동 모터(50)의 소모 파워의 합을 불감시간 (Dead Time) (td)과 1차 지연의 시정수(Time Constant) (tm )가 결합된 전달함수(
Figure 112018044454778-pat00003
)와 곱하여 상기 요구 파워를 산출할 수 있다.
여기서, 전달함수(
Figure 112018044454778-pat00004
)는 차량의 요구동력의 급격한 변화로 인한 엔진/발전기의 운전점 변화로 인한 불안정성을 제거하기 위한 것이다. 그리고, 불감시간은 엔진/발전기에 제어 신호가 인가된 후 엔진/발전기가 구동되기까지 걸리는 시간을 포함할 수 있다.
그리고, 본 발명의 한 실시예에 따른 직렬형 하이브리드 차량의 동력 제어 장치는 배터리의 최대 허용 충전 파워(Pbat,max_charge)와 상기 요구 파워(Pload_request)를 합하여 총 요구 파워(P* total_request)를 산출한다(S112). 이때, 본 발명의 한 실시예에 따른 직렬형 하이브리드 차량의 동력 제어 장치는 배터리의 충전상태 (SOC; state of chage)에 관계없이 BCU에서 전달받은 배터리의 최대 허용 충전 파워만으로 배터리의 충전 요구량을 결정할 수 있다.
또한, 본 발명의 한 실시예에 따른 직렬형 하이브리드 차량의 동력 제어 장치는 하기 수학식 3을 통해 상기 총 요구 파워를 산출할 수 있다.
Figure 112018044454778-pat00005
그리고, 본 발명의 한 실시예에 따른 직렬형 하이브리드 차량의 동력 제어 장치는 산출된 상기 총 요구 파워를 기초로 상기 엔진(10) 및 상기 발전기(20)의 동작을 제어할 수 있다.
이와 같이, 본 발명의 한 실시예에 따른 직렬형 하이브리드 차량의 동력 제어 방법은 불감시간 및 1차 지연의 시정수가 결합된 전달함수를 이용해 차량에서 요구하는 요구 파워를 산출하고, 배터리의 최대 허용 충전 파워 및 최대 방전 파워를 이용해 발전기의 목표 발전량을 산출함으로써, 차량의 요구 동력의 급격한 변화로 인한 엔진/발전기 운전점의 변화로 인한 불안정성을 제거하여 동력 시스템을 보호하며 직렬형 하이브리드 차량의 동력을 안정적으로 제어할 수 있는 환경을 제공한다.
이상에서 설명한 본 발명의 실시예는 장치 및 방법을 통해서만 구현이 되는 것은 아니며, 본 발명의 실시예의 구성에 대응하는 기능을 실현하는 프로그램 또는 그 프로그램이 기록된 기록 매체를 통해 구현될 수도 있다.
이상에서 본 발명의 실시예에 대하여 상세하게 설명하였지만 본 발명의 권리범위는 이에 한정되는 것은 아니고 다음의 청구범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 발명의 권리범위에 속하는 것이다.
10 : 엔진
20 : 발전기
30 : 보기류모터 및 전장부하
40 : 배터리
50 : 구동모터

Claims (5)

  1. 엔진의 기계적 동력을 발전기를 통해 전기적 동력으로 변환하여 구동 모터를 구동하거나 배터리에 충전하는 직렬형 하이브리드 차량의 동력을 제어하는 방법에서,
    보기류 모터 및 전장 부하에서 순시적으로 소모되는 소모 부하를 측정하는 단계,
    상기 소모 부하와 상기 구동 모터의 최대 소모 파워를 이용해서 차량에서 요구하는 요구 파워를 산출하는 단계,
    상기 요구 파워를 이용해 차량에서 요구하는 총 요구 파워를 산출하는 단계, 그리고
    상기 총 요구 파워를 이용해 발전기의 목표 발전량을 산출하는 단계
    를 포함하며,
    상기 요구 파워를 산출하는 단계는,
    상기 보기류 모터 및 전장 부하의 상기 소모 부하와 상기 구동 모터의 소모 파워의 합을 불감시간과 1차 지연시간의 시정수가 결합된 전달함수와 곱하여 상기 요구 파워를 산출하는 직렬형 하이브리드 차량의 동력 제어 방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 최대 소모 파워를 산출하는 단계는,
    상기 발전기의 최대 출력과 상기 배터리의 최대 방전 파워의 합에서 상기 보기류 모터 및 전장 부하의 상기 소모 부하를 차감하여 상기 구동 모터의 상기 최대 소모 파워를 산출하는 직렬형 하이브리드 차량의 동력 제어 방법.
  3. 삭제
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 총 요구 파워를 산출하는 단계는,
    상기 배터리가 충전할 수 있는 최대 허용 충전 파워와 상기 요구 파워를 합하여 상기 총 요구 파워를 산출하는 직렬형 하이브리드 차량의 동력 제어 방법.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 발전기의 목표 발전량을 산출하는 단계는,
    상기 총 요구 파워에서 상기 배터리의 최대 방전 파워를 차감하여 상기 발전기의 목표 발전량을 산출하는 직렬형 하이브리드 차량의 동력 제어 방법.
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