KR102322569B1 - 하이브리드 차량의 변속 제어 방법 - Google Patents

하이브리드 차량의 변속 제어 방법 Download PDF

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어정수
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Abstract

본 발명은 하이브리드 차량의 변속 제어 방법에 관한 것으로서, 변속시간 단축 및 구동계 손실의 최소화, 연비 및 운전성 향상을 도모할 수 있고, 파워-온 업시프트 능동 변속 제어 중 운전자 가속페달 조작 시 운전자가 가속도의 변화를 느끼게 할 수 있는 하이브리드 차량의 변속 제어 방법을 제공하는데 주된 목적이 있는 것이다. 상기한 목적을 달성하기 위해, 파워-온 업시프트의 능동 변속 제어 시, 변속기 입력속도 변화율을 기반으로 한 차량 구동원의 속도 제어와, 운전자 요구 토크를 반영한 변속기 내 결합요소 클러치의 피드포워드 제어를 동시에 실시함으로써 운전자가 자신의 운전 조작에 따른 가속도의 변화를 느낄 수 있도록 하는 하이브리드 차량의 변속 제어 방법을 제공한다.

Description

하이브리드 차량의 변속 제어 방법{Shift control method for hybrid electric vehicle}
본 발명은 하이브리드 차량의 변속 제어 방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 변속시간 단축 및 구동계 손실의 최소화, 연비 및 운전성 향상을 도모할 수 있고, 파워-온 업시프트 능동 변속 제어 중 운전자 가속페달 조작 시 운전자가 가속도의 변화를 느끼게 할 수 있는 하이브리드 차량의 변속 제어 방법에 관한 것이다.
하이브리드 차량(Hybrid Electric Vehicle, HEV)은 서로 다른 두 종류 이상의 구동원을 사용하는 차량으로서, 일반적으로 연료를 연소시켜 구동력을 제공하는 엔진과, 배터리의 전력으로 작동하여 구동력을 제공하는 모터에 의해 구동되는 차량을 의미한다.
도 1은 하이브리드 차량의 파워 트레인 구성을 예시한 도면으로, 구동모터(3)와 변속기(4)가 붙어 있는 TMED(Transmission Mounted Electric Device) 타입의 파워 트레인 구성을 예시하고 있다.
도시된 바와 같이, TMED 타입의 하이브리드 시스템에서는 차량 주행을 위한 구동모터(3)의 출력 측에 변속기(4)가 장착되어 모터 출력축이 변속기 입력축과 연결되어 있고, 따라서 모터 속도가 변속기 입력속도(즉 변속기 입력축 회전속도)가 된다.
구성을 좀더 살펴보면, 하이브리드 차량은 차량 주행을 위한 구동원이 되는 엔진(1)과 모터(3), 엔진(1)과 모터(3) 사이에 개재되는 엔진 클러치(2), 모터(3)의 출력 측에 연결되는 변속기(4), 모터(3)를 구동시키기 위한 인버터(5), 및 모터(3)의 동력원(전력원)으로서 인버터(5)를 통해 모터(3)에 충, 방전 가능하게 연결된 배터리(6)를 구비하고 있다.
도 1에서 도면부호 7은 엔진(1)과 동력 전달 가능하게 연결되어 엔진을 시동하거나 엔진으로부터 전달되는 회전력으로 발전을 수행하는 모터, 즉 HSG(Hybrid Starter and Generator)를 나타낸다.
상기 HSG는 모터로 작동하거나 발전기로 작동하고, 벨트와 풀리 등의 동력전달장치를 통해 엔진과는 상시 동력 전달 가능하게 직결되어 있으므로 엔진 속도를 제어하는데 이용되기도 한다.
엔진 클러치(2)는 유압에 의해 접합(close) 또는 해제(open) 작동하여 엔진(1)과 모터(3) 사이를 동력 전달 가능하게 연결하거나 차단한다.
인버터(5)는 모터 구동을 위해 배터리(6)의 직류전류를 3상 교류전류로 변환하여 각 모터(3,7)에 인가한다.
변속기(4)는 모터(3)의 동력 또는 엔진(1)과 모터(3)의 복합 동력을 변속하여 구동축을 통해 구동륜으로 전달하며, 상기 변속기로는 자동변속기(Automatic Transmission, AT) 또는 DCT(Double Clutch Transmission)가 사용될 수 있다.
이와 같은 구성의 하이브리드 차량은 모터(3)의 동력만을 이용하는 순수 전기차 모드인 EV(Electric Vehicle) 모드, 또는 엔진(1)의 동력과 모터(3)의 동력을 복합적으로 이용하는 HEV(Hybrid Electric Vehicle) 모드로 주행할 수 있다.
또한, 차량의 제동 시나 관성에 의한 타행 주행(coasting) 시에는 차량의 운동에너지를 발전기로 작동하는 모터를 통해 회수하여 배터리를 충전(모터 충전)하는 회생 모드가 수행된다.
회생 모드에서는 차량의 운동에너지를 전달받은 모터가 발전작동하여 인버터(5)를 통해 연결된 배터리(6)를 충전하게 된다.
또한, 하이브리드 차량에는 차량 작동의 전반을 제어하는 상위 제어기인 하이브리드 제어기(Hybrid Control Unit, HCU)가 탑재되고, 그 밖에 차량의 각종 장치를 제어하기 위한 다양한 제어기들이 구비된다.
예를 들어, 엔진의 작동을 제어하는 엔진 제어기(Engine Control Unit, ECU), 모터의 작동을 제어하는 모터 제어기(Motor Control Unit, MCU), 변속기의 작동을 제어하는 변속 제어기(Transmission Control Unit, TCU), 배터리 상태 정보를 수집하여 배터리 충, 방전 제어에 이용하거나 타 제어기에 제공하고 배터리를 관리하기 위한 제어를 수행하는 배터리 제어기(Battery Management System, BMS), 차량의 제동 제어를 수행하는 브레이크 제어기 등이 구비될 수 있다.
상기 하이브리드 제어기와 각 제어기들은 CAN 통신을 통해 상호 간에 정보를 주고받으면서 차량 내 장치에 대한 협조 제어를 수행하는데, 상위 제어기가 하위 제어기들로부터 각종 정보를 수집하면서 제어 명령을 하위 제어기에 전달한다.
한편, 자동변속기(AT)나 DCT를 사용하는 TMED 타입의 하이브리드 시스템은 각 구동원의 속도 제어, 즉 차량을 구동하는 엔진과 모터의 개별 속도 제어가 가능하므로, 변속 제어 방법을 개선하거나 기존과 다른 방법을 이용하면 변속시간의 단축 및 구동계 손실의 최소화, 그리고 이를 통한 연비 향상 및 운전성 향상의 여지가 존재한다.
변속시간이 단축될 경우, 동력 전달 손실을 줄일 수 있고, 변속 시 유압을 이용하는 시스템에서 오일펌프의 부하를 낮출 수 있으므로, 차량의 연비를 향상시킬 수 있다.
따라서, 하이브리드 차량의 변속시간을 단축할 수 있는 변속 제어 기술이 필요하다.
또한, 종래 기술에 따르면, 파워-온 업시프트(power-on upshift) 시 모터 속도 제어를 이용한 능동 변속 제어를 적용한 경우, 변속 중 운전자가 가속페달을 조작하였을 때 운전자로 하여금 가속도의 변화를 느낄 수 있도록 하기가 어렵다.
따라서, 파워-온 업시프트 능동 변속 제어 동안 운전자 가속페달 조작 시 운전자에게 가속도의 변화를 전달할 수 있는 변속 제어 기술이 요구되고 있다.
따라서, 본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 창출한 것으로서, 변속시간 단축 및 구동계 손실의 최소화, 연비 및 운전성 향상을 도모할 수 있고, 파워-온 업시프트 능동 변속 제어 중 운전자 가속페달 조작 시 운전자에게 가속도의 변화를 전달할 수 있는 하이브리드 차량의 변속 제어 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
상기한 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 실시예에 따르면, 목표단으로의 파워-온 업시프트를 위한 변속 제어가 시작되는 단계; 상기 변속 제어 시작 후 변속기 내 해방요소의 슬립 발생을 판단하는 단계; 상기 해방요소의 슬립 발생으로 변속기 입력속도가 감소하는 속도 변화 구간에서 운전 정보 검출부에 의해 검출된 차량 운전 정보로부터 변속기 입력축 요구 토크 값을 연산하는 단계; 상기 연산된 변속기 입력축 요구 토크 값에 기초하여 변속기 내 결합요소의 클러치 토크를 제어하기 위한 지령 값을 연산하는 단계; 상기 속도 변화 구간에서 상기 연산된 지령 값에 따라 상기 결합요소의 클러치 토크가 제어되도록 하는 동시에, 변속기 입력속도 변화율이 목표변화율을 추종하도록 차량 구동원에 대한 속도 제어를 실시하는 단계; 및 상기 속도 제어에 의해 변속기 입력속도와 상기 목표단의 설정된 동기속도 사이의 동기화가 이루어지면, 상기 속도 제어를 중단하고 결합요소의 클러치 토크를 증가시키는 단계를 포함하는 하이브리드 차량의 변속 제어 방법을 제공한다.
이로써, 본 발명에 따른 하이브리드 차량의 변속 제어 방법에 의하면, 변속시간 단축 및 구동계 손실의 최소화, 연비 및 운전성 향상을 도모할 수 있는 것은 물론, 운전자 의지가 반영된 변속기 입력축 요구 토크 값을 기초로 하여 결합요소의 클러치 제어(클러치 토크 및 전달토크 제어)를 위한 토크 지령이 결정되고, 운전자 운전 조작 상태(즉 가속페달 조작 상태)를 반영하여 변속기 출력토크를 변화시키므로, 파워-온 업시프트 능동 변속 제어 중 운전 조작 상태에 따른 차량의 가감속이 이루어지도록 할 수 있고, 결국 운전자가 자신의 운전 조작에 따른 차량의 가감속 상태를 느낄 수 있게 된다.
즉, 본 발명에 따르면, 파워-온 업시프트 능동 변속 제어 중 속도 변화 구간에서 운전자 가감속 의지가 반영될 수 있으므로 가감속 운전성 향상이 가능해지는 것이다.
또한, 변속기 입력속도 피드백 제어를 구동원 속도 제어를 통해 이루어지도록 하고, 변속기 내 결합요소의 클러치 토크를 운전자 요구 토크에 비례하도록 피드포워드 제어하므로, 능동 변속 제어를 적용하지 않는 종래의 파워-온 업시프트 변속 제어에 비해서도, 변속기 입력속도 피드백 제어가 클러치 토크 제어를 통해 이루어짐으로써 차량의 가감속도가 운전자 요구 토크와 무관하게 형성되던 것과 달리, 운전자에게 자신의 의지 및 운전 조작 그대로 가속도 변화를 전달할 수 있게 된다.
도 1은 TMED 타입 하이브리드 차량의 파워 트레인 구성을 개략적으로 도시한 도면이다.
도 2는 종래 기술로서 자동변속기가 탑재된 TMED 타입 하이브리드 차량의 파워-온 업시프트 제어의 한 예를 보여주는 도면이다.
도 3은 종래 기술로서 자동변속기가 탑재된 TMED 타입 하이브리드 차량의 파워-온 업시프트 중 가속페달 조작 시 제어의 한 예를 보여주는 도면이다.
도 4는 종래 기술로서 자동변속기가 탑재된 TMED 타입 하이브리드 차량의 파워-온 업시프트 능동 변속 제어의 한 예를 보여주는 도면이다.
도 5는 종래 기술에 따른 파워-온 업시프트 능동 제어 변속 중 가속페달 조작 시 제어의 문제점을 설명하기 위한 도면이다.
도 6은 본 발명에 따른 변속 제어 방법이 적용되는 TMED 타입 하이브리드 차량의 시스템을 도시한 구성도이다.
도 7은 본 발명에서 차량 내 각 제어기가 수행하는 주요 기능을 나타낸 블록도이다.
도 8은 본 발명의 실시예에 따른 하이브리드 차량의 변속 제어 방법을 나타낸 순서도이다.
도 9는 본 발명의 실시예에 따른 하이브리드 차량의 파워-온 업시프트 제어의 한 예를 보여주는 도면이다.
이하에서는 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 대해 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명하기로 한다. 그러나, 본 발명은 여기서 설명되는 실시예에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다.
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.
본 발명은 변속시간 단축 및 구동계 손실의 최소화, 연비 및 운전성 향상을 도모할 수 있고, 파워-온 업시프트(power-on upshift)의 능동 변속 제어 중 운전자 가속페달 조작 시 운전자가 가속도의 변화를 느끼게 할 수 있는 하이브리드 차량의 변속 제어 방법을 제공하고자 하는 것이다.
이를 위해, 본 발명에서는 파워-온 업시프트의 능동 변속 제어 시, 변속기 입력속도 변화율을 기반으로 한 차량 구동원의 속도 제어와, 운전자 요구 토크를 반영한 변속기 내 결합요소 클러치의 피드포워드 제어를 동시에 실시함으로써 운전자가 자신의 운전 조작에 따른 가속도의 변화를 느낄 수 있도록 하는 하이브리드 차량의 파워-온 업시프트 능동 변속 제어 방법을 제시한다.
여기서, 파워-온 업시프트는 구동원의 최적 운전점 등을 고려하여 변속기 입력 속도를 낮추는 상향 변속을 의미하고, 본 발명은 상기한 파워-온 업시프트의 변속 요구가 있을 경우 수행되는 변속 제어 과정으로 적용 가능하다.
이하에서 설명되는 변속 제어 과정은 하이브리드 차량의 주행 모드 및 차량에 장착된 변속기의 종류와는 무관하게 적용 가능하다.
즉, 하이브리드 차량의 EV 모드와 HEV 모드에서 모두 적용 가능하며, 자동변속기(AT)가 장착되거나 DCT가 장착된 하이브리드 차량에 모두 적용 가능하다.
또한, 본 발명의 변속 제어 과정은 TMED 타입의 하이브리드 차량에 적용될 수 있으며, TMED 타입의 하이브리드 차량에서는 차량 주행을 위한 구동모터(도 2에서 도면부호 3, 도 6에서 도면부호 100임)의 출력 측에 변속기(도 2에서 도면부호 4, 도 6에서 도면부호 110임)가 장착되어 모터 출력축이 변속기 입력축과 연결되어 있고, 따라서 모터 속도가 변속기 입력속도(즉 변속기 입력축 회전속도)가 된다.
즉, 본 발명이 적용되는 TMED 타입의 하이브리드 차량에서는 모터가 구동하거나 모터와 엔진이 함께 구동할 때 모터 출력축 회전속도인 모터 속도가 변속기 입력축 회전속도인 변속기 입력속도와 동일하다.
또한, 본 발명의 변속 제어 과정은 하이브리드 제어기(HCU), 변속 제어기(TCU), 모터 제어기(MCU), 엔진 제어기(ECU) 등 복수 개의 제어기가 협조 제어하여 수행될 수 있으며, 이들 제어기의 통합된 기능을 가지는 하나의 제어기에 의해 수행될 수도 있다.
먼저, 본 발명의 이해를 돕기 위하여 종래 기술에 따른 하이브리드 차량의 파워-온 업시프트(power-on upshift)의 변속 제어 방법을 설명하면 다음과 같다.
도 2는 종래 기술로서 자동변속기가 탑재된 TMED 타입 하이브리드 차량의 파워-온 업시프트 제어의 한 예를 보여주는 도면으로, 종축은 회전속도(ω)와 토크(TQ)를 나타내고, 횡축은 시간을 나타낸다.
도 2에 기재된 도면부호의 정의는 아래와 같으며, 도 2를 포함하여 첨부한 도면 모두에서 아래 도면부호의 정의는 동일함을 밝혀둔다.
NM : 모터 속도
TA : 변속기 결합요소의 전달토크
TR : 변속기 해방요소의 전달토크
TCA : 변속기 결합요소의 클러치 토크
TCR : 변속기 해방요소의 클러치 토크
Ti : 변속기 입력토크(즉 변속기 입력축 토크)
To : 변속기 출력토크(즉 변속기 출력축 토크)
TMED 타입의 하이브리드 차량에서는 모터 속도(NM)가 변속기 입력속도(즉 변속기 입력축 회전속도)(Ni)와 동일하므로(NM=Ni) 첨부한 도면에서 도면부호 NM는 변속기 입력속도를 의미한다.
도 2는 구동원의 최적 운전점 등을 고려하여 변속기 입력 속도를 낮추는 상향 변속 시, 즉 파워-온 업시프트의 변속 시를 예시한 것이다.
도 2에서 시점 A는 변속 제어가 시작되는 시점을 나타내며, 제어기(TCU)가 현재의 차량 운전 정보로부터 변속 제어 진입 조건을 만족하는지를 판단하고, 시점 A에서 변속 제어 진입 조건을 만족하면 파워-온 업시프트를 위한 변속 제어가 시작된다.
즉, 제어기가 현재의 차량 운전 정보에 기초하여 파워-온 업시프트의 변속 요구를 검출하는데, 차량 운전 정보로부터 변속 패턴(shift pattern)에 따라 파워-온 업시프트의 변속 제어가 시작되어야 하는지를 판단한다.
예를 들면, 변속 제어 진입 조건으로서 시점 A에서 차량 운전 정보인 현재의 차속이 설정된 기준값보다 큰 조건을 만족하면, 파워-온 업시프트의 변속 요구가 있는 것으로 판단하여 파워-온 업시프트를 위한 변속 제어 과정으로 진입한다.
상기와 같이 변속 패턴에 의해 파워-온 업시프트가 결정되고, 도 2의 시점 A에서 변속 제어가 시작되면, 이때 제어기는 변속기 내 해방요소의 클러치 토크(TCR)를 감소시키고, 변속기 내 결합요소의 클러치 토크(TCA=TA)를 증가시켜, 클러치가 풀리도록 한다.
이상적으로 해방요소의 전달토크(TR)가 0 이하가 되면(TR≤0) 슬립(slip)이 발생한다.
도 2에서 알 수 있듯이, 시점 D 이전까지는, 또는 시점 A에서 변속 제어가 시작된 뒤 시점 B를 거쳐 적어도 시점 C까지는, 결합요소의 클러치 토크(TCA)는 결합요소의 전달토크(TA)와 같은 값을 나타낸다.
이어 시점 B에서 속도 변화 구간에 진입하는데, 시점 B는 변속기 내 해방요소의 클러치 슬립으로 인해 변속기 입력속도(즉 변속기 입력축 회전속도)(Ni=NM)의 감소가 감지되는 시점이다.
여기서, TMED 타입의 하이브리드 차량이므로, 상기 변속기 입력속도(Ni)는 모터 속도(NM)와 동일하다(Ni=NM).
이와 같이 제어기에 변속기 입력속도(Ni=NM)의 감소가 감지될 때 속도 변화 구간 진입 조건을 만족하는 것으로 설정되고, 제어기는 시점 B에서 변속기 입력속도(NM)의 감소가 감지되면, 시점 B에서 변속기 입력속도(즉 변속기 입력축 회전속도) 목표변화율을 결정하고, 시점 B에서부터 변속기 입력속도(NM)의 변화율(즉 모터 속도의 변화율)이 상기 목표변화율을 추종하도록 결합요소의 클러치 토크(TCA)를 피드백 제어한다.
이때, 변속기 내 결합요소의 클러치 토크(TCA)와 변속기 출력토크(즉 변속기 출력축 토크)(To) 간에는 To=γ(TCA)의 관계가 성립하며, 여기서 γ는 기어비로 결정되는 상수값이다.
변속기 입력토크(즉 변속기 입력축 토크)(Ti)가 큰 경우 변속기 입력속도(즉 변속기 입력축 회전속도)가 빠르게 변하지 않으므로 적은 클러치 토크로 빨리 제어하기 위하여, 그리고 적은 클러치 토크로 제어하여 변속 말기의 토크 단차를 줄이기 위하여, 변속기 입력토크 저감 제어를 적용하기도 한다.
이어 시점 C는 동기화가 이루어진 동기 구간으로 진입한 시점으로서, 예를 들어 시점 C에서 '｜변속기 입력속도(Ni) - 동기속도｜< 기준값'의 상태를 일정 시간 동안 연속으로 만족한다면, 제어기(TCU)는 동기화가 이루어진 것으로 판정하고, 동기 구간으로 진입하여 결합요소의 클러치 토크(TCA)를 증가시켜 변속을 마무리한다.
여기서, 상기 동기속도는 제어기(TCU)에 목표단에 따라 미리 설정되는 속도가 될 수 있다.
시점 D는 변속 완료 시점을 나타내며, 시점 D에서와 같이 결합요소의 클러치 토크(TCA)가 최대값(MAX.값)을 나타내는 동시에 해방요소의 클러치 토크(TCR)가 0이 된 경우, 또는 시점 C 이후 일정 시간이 경과한 경우, 제어기(TCU)가 변속이 완료된 것으로 판정한다.
그리고, 변속이 완료된 D 시점에서 제어기(TCU)는 변속기의 클러치 제어를 모두 종료한다.
다음으로, 종래 기술로서 파워-온 업시프트의 변속 중에 운전자가 가속페달을 조작할 경우(팁-인/팁-아웃(tip-in/tip-out) 시) 제어 방법에 대해 설명하기로 한다.
도 3은 자동변속기가 탑재된 TMED 타입 하이브리드 차량의 파워-온 업시프트 제어의 한 예를 보여주는 도면으로, 실 변속구간(B ~ C 구간) 중 팁-인 시 제어의 예를 나타내고 있으며, 종축은 회전속도(ω)와 APS(Accelerator Position Sensor) 값(%), 토크(TQ)를 나타내고, 횡축은 시간을 나타낸다.
도 3은 구동원의 최적 운전점 등을 고려하여 변속기 입력 속도를 낮추는 상향 변속, 즉 파워-온 업시프트 변속 중 운전자의 가속의지가 있는 경우, 즉 운전자가 가속페달을 조작하여 요구 토크가 발생한 경우의 예를 나타내고 있다.
시점 A와 시점 B 사이에 가속페달 조작이 있을 경우, 즉 A ~ B 구간에서의 팁-인(tip-in) 시를 설명하면, 시점 A의 클러치 토크(TC) 값은 분담비에 의해 변속기 입력토크(Ti)에 비례하고, 토크 변동이 없는 한 이 값을 기준으로 시점 B까지 클러치 토크를 상승 또는 하강을 시키기 때문에, 토크 지령 값으로서, 결합요소의 클러치 토크(TCA)(A ~ B 구간에서는 결합요소의 전달토크(TA)와 동일한 값임)와 해방요소의 클러치 토크(TCR)는, (TC)BASE + dTC×telapsed의 형태로 계산된다.
여기서, (TC)BASE는 보통 토크(TQ)를 축으로 가지거나 팩터(factor)를 곱하여 고려하는 형식이며, 유압시스템의 경우 응답 지연을 줄이기 위해 토크(TQ) 대신 APS 값을 참조하는 경우도 있고, 기울기 성분(dTC)도 복수의 항으로 이루어지기도 한다.
상기 (TC)BASE는 차량 운전 정보(예를 들면, 변속기 입력속도 및 변속기 입력토크)에 기초하여 결정되는 베이스 토크이고, telapaed는 시점 A에서부터 현 제어시점까지의 경과된 시간을 나타내며, dTC는 클러치 토크(TC)의 변화 기울기를 나타낸다.
이때, 시점 A와 시점 B 사이의 구간(즉 A ~ B 구간)에서 운전자가 가속페달을 조작하더라도 변속기 입력토크(Ti) 상승분만큼 (TC)BASE가 변화하여 결합요소 및 해방요소의 클러치 토크(TCA,TCR) 값의 균형이 맞아 변속감이 크게 틀어지지는 않는다.
반면, 시점 B와 시점 C 사이에 가속페달 조작이 있을 경우, 특히 도 3에서와 같이 B ~ C 구간에서의 팁-인(tip-in) 시를 설명하면, B ~ C 구간에서는 변속기 입력속도(즉 변속기 입력축 회전속도, 모터 속도)(NM)가 목표변화율을 추종하도록 차량 구동원(모터 또는 엔진 및 모터)에 대한 속도 제어를 실시한다.
이와 동시에 결합요소의 클러치 토크(TCA)(B ~ C 구간의 경우 결합요소의 전달토크(TA)와 동일한 값임)는 피드백 제어하는데, 시점 B에서의 토크를 시작 값으로 고정한 후 PID 제어를 수행하므로, 도 3에서와 같이, 변속기 입력토크(Ti)의 변화로 변속기 입력속도(NM)가 변화하면, 이에 따라 결합요소의 클러치 토크(TCA)가 변화하고, 변속기 출력토크(즉 변속기 출력축 토크)(To) 또한 변화하여 운전자가 변속이 아닌 상태처럼 가속도의 변화를 느낄 수 있다.
또한, 변속기 입력속도(NM)의 과도한 변화로 인한 소음 및 차량 가속도의 지나친 변화를 막기 위하여 주로 변속기 입력토크(Ti)를 일정 값만큼 저감시키는 제어가 적용될 수 있다(도 3에서 Ti를 점선(L1)에서 실선(L2)의 값으로 저감시킴).
다음으로, 종래 기술로서 파워-온 업시프트 능동 변속 제어 방법에 대해 설명하기로 한다.
도 4는 자동변속기가 탑재된 TMED 타입 하이브리드 차량의 파워-온 업시프트 능동 변속 제어의 한 예를 보여주는 도면으로, 종축은 회전속도(ω)와 토크(TQ)를 나타내고, 횡축은 시간을 나타낸다.
파워-온 업시프트 능동 변속 제어 동안에는 속도 변화 구간에서 구동원에 대한 속도 제어를 이용하여 변속시간을 단축한다.
도 4에서 시점 A는 변속 제어가 시작되는 시점을 나타내며, 제어기(TCU)가 현재의 차량 운전 정보로부터 변속 제어 진입 조건을 만족하는지를 판단하고, 시점 A에서 변속 제어 진입 조건을 만족하면 변속 제어가 시작된다.
이와 같이 시점 A에서 변속 제어 진입 조건을 만족하여 변속 제어가 시작되는 것은 도 2 및 도 3의 제어 과정에서와 동일하고, 변속 제어가 시작된 후 변속기 입력속도의 감소(NM)가 감지되는 시점 B에서 속도 변화 구간에 진입한다.
이와 같이 속도 변화 구간에 진입하는 진입 조건 또한 도 2 및 도 3의 제어 과정에서와 동일하게 설정될 수 있다.
시점 B에서 속도 변화 구간에 진입하면, 제어기(TCU)는 변속기 내 클러치 제어를 최소화하는 피드포워드(feedforward) 제어를 수행하여 변속기 입력속도 제어에 영향을 주지 않도록 한다.
이때, 제어기, 예를 들면 변속 제어기(TCU)는 클러치 토크 지령을 일정하게 유지하거나, 일정 기울기를 나타내는 클러치 토크 지령을 사용하여 클러치 제어를 최소화한다.
또한, 제어기, 예를 들면 하이브리드 제어기(HCU)는 시점 B서부터 변속기 입력속도 변화율이 목표변화율을 추종하도록 차량 구동원(즉 엔진과 모터)에 대한 속도 제어를 실시한다.
이어 시점 C는 동기화가 이루어진 동기 구간으로 진입한 시점으로서, 제어기(TCU)는 동기 판정 시 결합요소의 클러치 토크(TCA)를 증가시켜 변속을 마무리한다.
또한, 제어기(HCU)에 의해 변속기 출력토크(즉 변속기 출력축 토크)(To) 등의 토크 값이 운전자 요구 토크 수준으로 원복된다.
시점 D는 변속 완료 시점을 나타내며, 변속이 완료된 시점 D에서 제어기(TCU)는 변속기의 클러치 제어를 모두 종료한다.
도 4의 예에서, 시점 C에서의 동기화 판정 및 동기 구간 진입 후의 제어 과정은 도 2 및 도 3의 예와 비교하여 차이가 없으며, 시점 D에서 변속 완료를 판정하여 변속기의 클러치 제어를 종료하는 것 또한 도 2 및 도 3의 예와 동일하다.
다음으로, 종래 기술에 따른 변속 중 운전자 가속페달 조작 시(팁-인/팁-아웃 시) 제어의 문제점을 도 5를 참조하여 설명하기로 한다.
도 5는 종래 기술에 따른 변속 중 가속페달 조작 시 제어의 문제점을 설명하기 위한 도면으로서, 도 4와 같은 파워-온 업시프트 능동 변속 제어 동안 운전자가 가속페달을 조작하였을 때의 문제점을 설명하기 위한 도면이며, 종축은 회전속도(ω)와 APS(Accelerator Position Sensor) 값(%), 토크(TQ)를 나타내고, 횡축은 시간을 나타낸다.
시점 B와 시점 C 사이에서(B ~ C 구간 동안) 팁-인, 팁-아웃이 발생하면, 능동 변속 제어는 클러치 제어를 최소화하고 변속기 입력토크를 제어하기 때문에, 클러치 토크에 의해 영향을 받는 차량 가속도는 변화하지 않아 운전자는 자신의 가속페달 조작에도 불구하고 아무런 변화를 느끼지 못한다.
시점 C와 시점 D 사이의 구간(C ~ D 구간 동안)에서도 동기화 만족을 위해 변속기 입력토크를 올릴 수 없어 최종적으로 동기화가 완료될 때까지 기다려야 한다.
더욱이 시점 B와 시점 C 사이의 구간에서 종래와 같이 피드백 제어를 적용하면, 구동원 속도 제어와 맞물리게 되어 제어 강건성이 저하되고, 원하는 수준의 차량 가속도 생성을 보장할 수 없다.
이와 같이 종래 기술에 따르면, 파워-온 업시프트 시 변속시간 단축을 통한 연비 및 운전성 개선의 효과를 얻기 위해 능동 변속 제어를 적용한 경우에서 제어 동안 가속페달이 조작되더라도 차량의 가속도 변화가 나타나지 않으며, 결국 운전자가 가속페달을 조작했음에도 차량의 가속도 변화를 느낄 수 없는 문제점이 있다.
또한, 종래 기술에 따르면, 능동 변속 제어를 적용한 경우 변속시간이 짧으므로 변속이 종료되고 단시간에 요구 토크가 반영될 수 있으나, 여전히 응답성 측면에서 불리함이 있다.
도 5를 참조하면, 운전자가 B ~ C 구간에서 가속페달을 조작하였음에도 변속기 출력토크(To)와 변속기 내 결합요소의 전달토크(고정값 사용)가 변동 없이 일정한 값을 나타내고 있음을 볼 수 있으며, 이는 운전자의 가속페달 조작에도 불구하고 차량의 가속도 변화가 나타나지 않음을 의미한다.
이러한 문제점을 해결하기 위하여, 본 발명에서는 파워-온 업시프트의 능동 변속 제어 시 변속기 입력속도 변화율을 기반으로 한 차량 구동원의 속도 제어와, 운전자 요구 토크를 반영한 변속기 내 결합요소 클러치의 피드포워드 제어를 동시에 실시함으로써 운전자가 자신의 운전 조작에 따른 가속도의 변화를 느낄 수 있도록 한다.
특히, 본 발명에서는 시점 B 이후의 속도 변화 구간에서 운전자가 가속페달을 조작하였을 때 상기한 변속기 입력속도 기반의 차량 구동원의 속도 제어와 운전자 요구 토크를 반영한 결합요소 클러치의 피드포워드 제어를 실시하여 차량의 가속도 변화를 형성한다.
이하, 도 6 내지 도 9를 참조하여 본 발명의 실시예에 따른 하이브리드 차량의 파워-온 업시프트 시 변속 제어 방법에 대해 상세히 설명하면 다음과 같다.
도 6은 본 발명에 따른 변속 제어 방법이 적용되는 TMED 타입 하이브리드 차량의 시스템을 도시한 구성도로서, 하이브리드 차량은 차량 주행을 위한 구동원이 되는 엔진(80)과 모터(100), 엔진(80)과 모터(100) 사이에 개재되는 엔진 클러치(90), 모터(100)의 출력 측에 연결되는 변속기(110), 모터(100) 구동 및 제어를 위한 인버터를 포함하는 모터 제어기(MCU)(60), 모터(100)의 동력원(전력원)으로서 모터 제어기(MCU)(60) 내 인버터를 통해 모터(100)에 충, 방전 가능하게 연결된 배터리(70)를 구비하고 있다.
도 6에서 도면부호 10은 운전 정보 검출부로서, 가속페달 검출부(Accelerator Position Sensor, APS) 및 차속 검출부를 포함하는 구성이 될 수 있고, 최상위 제어기인 하이브리드 제어기(HCU)(20) 또는 변속 제어기(TCU)(40)에 검출값 입력이 가능하도록 연결될 수 있다.
그 밖에 차량 운전 정보는 후술하는 제어 과정에서 변수로 사용되는 정보를 더 포함할 수 있고, 예를 들면 변속기 입력속도(변속기 입력축 회전속도로서, 모터 속도와 동일함, Ni=NM), 변속기 입력토크(즉 변속기 입력축 토크)(Ti) 등의 정보를 포함할 수 있다.
후술하는 제어 과정에서 변수로 사용되는 정보는 센서 등의 검출요소에 의해 취득될 수 있으며, 따라서 상기한 운전 정보 검출부(10)는 이러한 센서 등의 검출요소를 포함하는 것이 될 수 있다.
엔진 클러치(90)는 유압에 의해 접합(close) 또는 해제(open) 작동하여 엔진(80)과 모터(100) 사이를 동력 전달 가능하게 연결하거나 차단하고, 모터 제어기(MCU)(60) 내 인버터는 모터를 구동하기 위해 배터리(70)의 직류전류를 3상 교류전류로 변환하여 모터(100)에 인가한다.
또한, 변속기(110)는 모터(100)의 동력 또는 엔진(80)과 모터(100)의 복합 동력을 변속하여 구동축을 통해 구동륜으로 전달하며, 변속기로는 자동변속기(Automatic Transmission, AT) 또는 DCT(Double Clutch Transmission)가 사용될 수 있다.
또한, 하이브리드 차량에는 차량 작동의 전반을 제어하는 상위 제어기인 하이브리드 제어기(HCU)(20)가 탑재되고, 그 밖에 차량의 각종 장치를 제어하기 위한 다양한 제어기들이 구비된다.
예를 들어, 엔진의 작동을 제어하는 엔진 제어기(ECU)(30), 모터(100)의 작동을 제어하는 모터 제어기(MCU)(60), 변속기(110)의 작동을 제어하는 변속 제어기(TCU)(40), 배터리(70)에 대한 상태 정보를 수집하여 배터리 충, 방전 제어에 이용하거나 타 제어기에 제공하고 배터리(70)를 관리하기 위한 제어를 수행하는 배터리 제어기(BMS)(50) 등이 구비된다.
상기 하이브리드 제어기와 각 제어기들은 CAN 통신을 통해 상호 간에 정보를 주고받으면서 차량 내 장치에 대한 협조 제어를 수행하는데, 상위 제어기가 하위 제어기들로부터 각종 정보를 수집하면서 제어 명령을 하위 제어기에 전달한다.
도 7은 본 발명에서 차량 내 각 제어기가 수행하는 주요 기능을 나타낸 블록도로서, 각 제어기에 대해 좀더 설명하면, 변속 제어기(TCU)(40)는 운전 정보 검출부(10)에 의해 검출된 차량 운전 정보로부터 파워-온 업시프트의 변속 요구가 있는지를 판단한다.
여기서, 변속 제어기(TCU)(40)는 차량 운전 정보로부터 파워-온 업시프트의 변속 요구를 검출한 경우, 즉 상기 파워-온 업시프트의 변속 요구가 있는 것으로 판단한 경우, 변속 과정에서 차량 구동원의 속도 제어가 이루어지는 동안 변속기의 클러치에 대한 피드포워드(feedforward) 제어를 수행한다.
하이브리드 제어기(HCU)(20)는 파워-온 업시프트의 변속 과정에서 모터 제어기(MCU)(60) 및 엔진 제어기(ECU)(30)와 협조하여 차량 구동원의 속도 제어를 수행하는데, 이때 변속기 입력속도 변화율을 기반으로 차량 구동원의 속도 제어를 위한 토크 지령을 출력한다.
모터 제어기(MCU)(60)는 하이브리드 제어기(HCU)(20)가 출력하는 모터 토크 지령에 따라 모터(100)를 구동하여(지령에 따른 모터 구동 제어) 모터 속도를 제어하고, 엔진 제어기(ECU)(30)는 하이브리드 제어기(HCU)(20)가 출력하는 엔진 토크 지령에 따라 엔진(80)을 구동하여(지령에 따른 엔진 구동 제어) 엔진 속도를 제어한다.
이하, 본 발명의 변속 제어 방법에 대해 도면을 참조하여 구체적으로 설명하면 다음과 같다.
도 8은 본 발명의 실시예에 따른 하이브리드 차량의 변속 제어 방법을 나타낸 순서도이고, 도 9는 본 발명의 실시예에 따른 하이브리드 차량의 파워-온 업시프트 제어의 한 예를 보여주는 도면이다.
도 9는 도 5와 같이 파워-온 업시프트 능동 변속 제어 동안 운전자가 가속페달을 조작하였을 때의 제어, 즉 파워-온 업시프트 능동 변속 제어 동안 팁-인(tip-in) 시의 제어를 예시한 것으로, 종축은 회전속도(ω)와 APS(Accelerator Position Sensor) 값(%), 토크(TQ)를 나타내고, 횡축은 시간을 나타낸다.
도 9의 예는 시점 A에서 파워-온 업시프트를 위한 변속 제어가 시작된 후 시점 B 이후의 속도 변화 구간에서 운전자가 가속페달을 밟은 팁-인 상황이 발생하였을 때의 예를 나타낸다.
먼저, 제어기(TCU)(40)가 운전 정보 검출부(10)에 의해 검출된 현재의 차량 운전 정보로부터 파워-온 업시프트의 변속 요구를 검출하며, 이는 앞서 설명한 종래 기술에서와 비교하여 차이가 없다.
즉, 도 9에서 시점 A는 목표단으로의 파워-온 업시프트를 위한 변속 제어가 시작되는 시점을 나타내며, 제어기(TCU)는, 변속 제어 진입 조건으로서, 운전 정보 검출부(10) 중 차속 검출부에 의해 검출되는 현재의 차속이 목표단의 설정된 기준값보다 큰 조건을 만족하는지를 판단하도록 설정될 수 있다.
이에 따라, 제어기(TCU)는 상기한 변속 제어 진입 조건을 만족하면, 즉 현재의 차속이 설정된 기준값보다 큰 조건을 만족하면, 파워-온 업시프트의 변속 요구가 있는 것으로 판단하고, 상기 조건을 만족한 시점 A에서 파워-온 업시프트를 위한 변속 제어 모드로 진입하여 제어기에 의한 변속 제어 과정이 시작된다.
다시 말해, 현재의 차속이 기준값보다 큰 조건을 만족하면, 변속 패턴에 따라 파워-온 업시프트의 변속 요구가 있는 것으로 판단하여 파워-온 업시프트를 위한 변속 제어를 시작하는 것이다.
상기와 같이 변속 패턴에 의해 파워-온 업시프트가 결정되고, 도 9의 시점 A에서 변속 제어가 시작되면, 이때 제어기(TCU)는 변속기 내 해방요소의 클러치 토크(TCR)를 감소시키고, 변속기 내 결합요소의 클러치 토크(TCA=TA)를 증가시켜, 클러치가 풀리도록 한다.
상기 결합요소의 클러치 토크(TCA)는 시점 A에서 변속 제어가 시작된 뒤 시점 B 및 C를 거쳐 적어도 시점 D까지는, 결합요소의 전달토크(TA)와 같은 값을 나타내는데, 도 9에 나타낸 바와 같이, 변속 제어가 시작되는 시점 A에서부터 시점 B까지 결합요소의 클러치 토크(TCA) 및 결합요소의 전달토크(TA)는 점차 증가시키며, 반면 해방요소의 클러치 토크(TCR) 및 해방요소의 전달토크(TR)는 점차 감소시킨다.
이상적으로는 시점 A 이후 시점 B 이전에 해방요소의 전달토크(TR)가 0 이하가 되면(TR≤0) 슬립이 발생하고, 후술하는 시점 B에서 시작되는 속도 변화 구간 및 그 이후부터는 해방요소의 클러치 토크(TCR) 및 전달토크(TR)가 0으로 유지되도록 한다.
또한, 시점 A 이후 후술하는 속도 변화 구간이 시작되는 시점 B(해방요소 슬립 발생 판단 시점)까지는 변속기 입력토크(즉 변속기 입력축 토크)(Ti)가 일정하게 유지될 수 있고, 이때 변속기 출력토크(즉 변속기 출력축 토크)(To)는 점차 감소된다.
상기와 같이 시점 A에서 파워-온 업시프트를 위한 변속 제어가 시작된 뒤 속도 변화 구간에 진입하는 시점 B까지의 제어 과정, 즉 A ~ B 구간에서의 제어 과정은 도 2 내지 도 5의 제어 과정과 비교하여 차이가 없다.
즉, 적어도 시점 B까지는, 결합요소의 클러치 토크(TCA) 뿐만 아니라, 해방요소의 클러치 토크(TCR), 변속기 출력토크(To), 변속기 입력토크(Ti), 해방요소의 전달토크(TR), 결합요소의 전달토크(TA)가 도 2 내지 도 5의 제어 시와 비교하여 차이가 없다.
도 9에서는 결합요소의 클러치 토크(TCA)에 대해서 도시를 생략하였는바, 결합요소의 클러치 토크(TCA)는 적어도 변속이 모두 완료되는 시점 D까지는 결합요소의 전달토크(TA)와 같은 값을 나타낸다.
본 발명에서 상기와 같이 변속 제어가 시작된 뒤 속도 변화 구간에 진입하기 전까지인 A ~ B 구간에서, 제어기, 예컨대 변속 제어기(TCU)(40)는 변속기 내 결합요소의 클러치 토크(= 전달토크(TA))는 증가시키고, 해방요소의 클러치 토크(TCR)는 감소시키는데, 이때 결합요소와 해방요소의 클러치 제어를 위한 토크 지령 값은 도 3을 참조로 설명한 종래 기술과 마찬가지로 (TC)BASE + dTC×telapsed의 형태로 계산될 수 있다.
여기서, (TC)BASE는 차량 운전 정보, 예를 들면 변속기 입력속도(NM) 및 변속기 입력토크(Ti)에 기초하여 결정되는 베이스 토크 지령 값이고, telapaed는 시점 A에서부터 현 제어시점까지의 경과된 시간을 나타내며, dTC는 A ~ B 구간에서의 결합요소의 클러치 토크(TC)의 변화 기울기이거나 해방요소의 클러치 토크(TC)의 변화 기울기를 나타낸다.
바람직하게는, A ~ B 구간에서 해방요소 및 결합요소의 토크 지령 값(TCA -B*)은 토크 지령 보정값((TC)COR)을 추가로 적용하여 하기 식 (1)에 의해 연산되도록 할 수 있다.
TCA -B* = (TC)BASE + (TC)COR + dTC×telapsed (1)
상기 베이스 토크 지령((TC)BASE) 값은 변속 제어기(TCU)(40)에서 현재의 변속기 입력속도(NM)와 변속기 입력토크(Ti)로부터 맵에 의해 결정될 수 있다.
상기 토크 지령 보정값((TC)COR)은 소정의 학습 과정에 따라 구해지는 학습 보정치 또는 소정의 온도 보정 로직에 따라 구해지는 온도 보정치를 포함하는 것으로서, 학습 보정치나 온도 보정치 등 여러 보정값들의 합으로 구해질 수 있다.
여기서, 상기 온도는 변속기 클러치 온도 특성을 대표할 수 있는 온도, 예컨대 센서에 의해 검출되는 변속기 클러치 온도가 될 수 있다.
변속기에서 클러치 접합 시 각 클러치의 마찰면 온도에 따라서 마찰 특성이 달라지므로 목표한 전달토크가 나오기 위해서는 상기 마찰면 온도에 있어서 상온의 기준 온도 대비 보정을 해야 하고, 여기서 온도 측정 부위는 변속기 시스템마다 다를 수 있다.
클러치에서 각각의 온도 측정이 불가능하면 한 부위의 온도 측정값을 상기 온도로서 대신 사용할 수 있고, 센서 설치 공간이 불비하여 원하는 측정 부위에서 센서를 통한 측정이 불가하면 주변 부위의 온도로 모델링한 온도를 상기 온도로서 사용할 수도 있으며, 습식 시스템에서는 변속기 오일의 온도를 상기 온도로서 사용할 수도 있다.
결국, 상기와 같이 변속 제어기(TCU)(40)가 토크 지령을 결정하여 출력하면, 변속기 제어기(TCU)로부터 출력되는 토크 지령에 따라 결합요소와 해방요소의 클러치 제어를 위한 액추에이터의 작동이 제어된다.
여기서, 액추에이터는 자동변속기(AT)에서 유압 제어를 위한 밸브이거나 DCT에서 클러치 제어를 위한 공지의 액추에이터가 될 수 있다.
한편, 파워-온 업시프트를 위한 변속 제어가 시작되고 난 뒤 시점 B에서 해방요소의 슬립 발생을 판단하여 속도 변화 구간에 진입하는데, 시점 B는 해방요소의 슬립이 발생한 것으로 판단한 시점이고, 해방요소의 슬립으로 인해 변속기 입력속도(즉 변속기 입력축 회전속도)(Ni)의 감소가 감지되는 시점이며, 여기서 TMED 타입의 하이브리드 차량이므로 상기 변속기 입력속도(Ni)는 모터 속도(NM)와 같다(Ni=NM).
이와 같이 변속기 입력속도(Ni=NM)의 감소가 감지될 때 속도 변화 구간 진입 조건을 만족하는 것으로 제어기에 설정되고, 시점 B에서 변속기 입력속도(NM)의 감소가 제어기에 의해 감지되면, 제어기는 해방요소의 슬립이 발생한 것으로 판단하여 속도 변화 구간의 제어를 시작한다.
속도 변화 구간에서는 파워-온 업시프트를 위해 시점 C의 동기 구간 진입시까지 변속기 입력속도(Ni=NM)를 감소시키게 된다.
또한, 도 9의 예에서, 예시된 APS 값(%)을 참조하면, 파워-온 업시프트의 변속 동안 시점 B와 시점 C 사이에서 APS 값이 상승한 뒤 유지되는 상태를 볼 수 있다.
이는 운전자가 시점 B 이후에 가속페달을 밟은 뒤 밟은 상태를 계속해서 유지하고 있음을 보여주는 것이다.
즉, 도 9의 예에서는, 시점 A에서 파워-온 업시프트의 변속 제어가 시작된 뒤, 시점 B 이후의 속도 변화 구간에서 운전자가 가속페달을 팁-인(tip-in) 조작한 뒤 가속페달을 밟고 있는 상태를 계속 유지하고 있는 것이다.
상기와 같이 시점 A에서 파워-온 업시프트의 변속 제어가 시작된 후, 시점 B에서 속도 변화 구간에 진입하면(즉 도 8에서 S11 단계의 조건을 만족하면), 제어기는 결합요소의 클러치를 피드포워드 제어하기 위한 토크 지령(즉 결합요소의 전달토크 지령, 결합요소의 클러치 토크 지령)을 결정한다(S13).
이 과정에 대해 좀더 상세히 설명하면, 하이브리드 제어기(HCU)(20)는 운전 정보 검출부(10)에 의해 검출된 차량 운전 정보로부터 운전자 의지가 반영된 변속기 입력축 요구 토크((Ti)DMD) 값을 연산하고, 상기 연산된 변속기 입력축 요구 토크((Ti)DMD) 값을 변속 제어기(TCU)(40)에 전달한다(S12).
여기서, 운전 정보 검출부(10)는 가속페달 검출부를 포함하는 것이 될 수 있고, 하이브리드 제어기(HCU)(20)가 가속페달 검출부에 의해 검출된 가속페달 조작 상태 정보(즉 APS 값)에 기초하여 상기 운전자 의지가 반영된 변속기 입력축 요구 토크((Ti)DMD) 값을 연산하도록 설정될 수 있다.
통상적인 하이브리드 차량의 제어 과정에서 운전자의 운전 조작 상태(예를 들면, 가속페달 조작 상태) 등에 따른 운전자 요구 토크, 즉 운전자 의지가 반영된 요구 토크가 연산되고, 이러한 운전자 요구 토크는 차량 구동을 위해 요구되는 토크이다.
상기한 운전자 요구 토크는 곧 차량 구동원인 EV 모드 시 모터에 의해 생성되거나 또는 HEV 모드 시 모터와 엔진에 의해 생성되어 변속기 입력축에 전달되어야 하는 변속기 입력축 요구 토크를 의미하며, 이러한 변속기 입력축 요구 토크는 변속기 입력축을 기준으로 하는 운전자 요구 토크라 할 수 있다.
상기와 같은 운전자 요구 토크, 즉 차량 구동원으로부터 변속기 입력축으로 전달되어야 하는 변속기 입력축 요구 토크((Ti)DMD) 값을 연산하는 것에 대해서는 통상적인 하이브리드 차량의 제어 과정에서 수행되고 있는 잘 알려진 공지의 연산 과정이므로 상세한 설명을 생략하기로 한다.
그리고, 상기 하이브리드 제어기(HCU)(20)는 변속기 입력속도 변화율이 목표변화율을 추종하도록 차량 구동원에 대한 속도 제어를 실시하는데(S15), EV 모드 시에는 모터에 대한 속도 제어를 실시하고, HEV 모드 시에는 모터와 엔진에 대한 속도 제어를 실시한다.
여기서, 상기 목표변화율, 보다 상세하게는 변속기 입력속도 목표변화율은 차량 운전 정보로부터 결정되는 것이 될 수 있다.
이를 위해, 하이브리드 제어기(HCU)(20)는 차량 운전 정보로부터 변속기 입력속도 목표변화율을 결정하도록 설정될 수 있는데, 예를 들면 하이브리드 제어기(HCU)(20)에서 현재의 변속기 입력속도(NM)와 변속기 입력토크(Ti)로부터 설정 데이터에 의해 결정되도록 할 수 있다.
여기서, 설정 데이터는 하이브리드 제어기(HCU)(20)에 미리 입력 및 저장된 맵이 될 수 있다.
상기 맵은 선행 시험 및 평가 과정을 거쳐 취득한 정보를 이용하여 변속기 입력속도(NM) 및 변속기 입력토크(Ti)와 변속기 입력속도 목표변화율의 상관 관계를 정의해놓은 것으로서, 변속기 입력속도 목표변화율이 변속기 입력속도(NM) 및 변속기 입력토크(Ti)에 따른 값으로 설정되어 있는 것이 될 수 있다.
또한, 시점 B 이후의 속도 변화 구간에서, 하이브리드 제어기(HCU)(20)에 의한 구동원 속도 제어와 동시에, 제어기, 예컨대 변속 제어기(TCU)(40)는 변속기 내 결합요소의 전달토크(TA)(= 결합요소의 클러치 토크(TCA))를 피드포워드(feedforward) 제어한다(S14).
이때, 결합요소의 전달토크(TA)를 피드포워드 제어하기 위하여, 변속 제어기(TCU)(40)는 하이브리드 제어기(HCU)(20)로부터 수신한 변속기 입력축 요구 토크((Ti)DMD) 값에 기초하여 결합요소의 클러치를 피드포워드 제어하기 위한 토크 지령 값을 결정 및 생성하여 출력한다(S13).
상기와 같이 변속 제어기(TCU)(40)가 지령 값을 출력하면, 변속기 제어기(TCU)로부터 출력되는 지령 값에 따라 결합요소의 클러치 제어를 위한 액추에이터의 작동이 제어된다(S14).
여기서, 액추에이터는 자동변속기(AT)에서 유압 제어를 위한 밸브이거나 DCT에서 클러치 제어를 위한 공지의 액추에이터가 될 수 있다.
본 발명에서 속도 변화 구간에서의 지령 값을 결정함에 있어서(도 8의 S13 단계에서), 보다 상세하게는 변속 제어기(TCU)(40)가 변속기 입력축 요구 토크((Ti)DMD) 값에 기초하여 베이스 토크 지령((TC)BASE＠( Ti ) DMD) 값을 결정하고, 이 베이스 토크 지령 값이 반영된 지령(TC*) 값을 결정하도록 설정될 수 있다.
여기서, 토크 지령(TC*) 값은 아래의 식 (2)로부터 연산될 수 있다.
TC* = (TC)BASE＠( Ti ) DMD + (TC)COR + dTC×ΔtA -B + dTCB×tB (2)
상기 식 (2)에서 (TC)BASE＠( Ti ) DMD는 하이브리드 제어기(HCU)(20)에서 연산된 변속기 입력축 요구 토크((Ti)DMD)에 해당하는 베이스 토크 지령 값을 나타내고, (TC)COR는 토크 지령 보정값을 나타낸다.
또한, dTC는 A ~ B 구간에서의 결합요소의 클러치 토크(TC)(= 전달토크(TA))의 변화 기울기를 나타내고, ΔtA -B는 A ~ B 구간의 시간, dTCB는 시점 B 이후의 결합요소 클러치 토크(TC)(= 전달토크(TA))의 변화 기울기, tB는 시점 A에서부터 현 제어시점까지의 경과된 시간을 나타낸다.
상기 베이스 토크 지령((TC)BASE＠( Ti ) DMD) 값은 변속 제어기(TCU)(40)에서 변속기 입력축 요구 토크((Ti)DMD)로부터 맵에 의해 결정되도록 할 수 있으며, 보다 바람직하게는 현재의 변속기 입력속도(NM)와 변속기 입력토크(Ti), 그리고 변속기 입력축 요구 토크((Ti)DMD)로부터 맵에 의해 결정되도록 할 수 있다.
상기 토크 지령 보정값((TC)COR)은 소정의 학습 과정에 따라 구해지는 학습 보정치 또는 소정의 온도 보정 로직에 따라 구해지는 온도 보정치를 포함하는 것으로서, A ~ B 구간에서의 토크 지령 보정값(즉 식 (1)에서의 토크 지령 보정값)과 같은 과정 또는 방법, 로직 등에 의해 구해지는 것이 될 수 있으며, 학습치나 온도 보정치 등 여러 보정값들의 합으로 구해질 수 있다.
또한, 식 (2)에서 dTC×ΔtA -B는 A ~ B 구간의 기울기 적산값, 그리고 dTCB×tB는 시점 B 이후 현 제어시점까지의 토크 증분값을 의미한다.
요약하면, 변속기 내 클러치 제어를 위한 토크 지령 값을 A ~ B 구간에서는 상기 식 (1)에 의해 연산된 값을 사용하고, B ~ C 구간에서는 상기 식 (2)에 의해 연산된 값을 사용한다.
이와 같이 본 발명에서는 결합요소의 클러치 제어를 위한 토크 지령 값을, 고정값으로 하거나 일정 기울기로 상승시키는 종래와 달리, B ~ C 구간에서 상기 식 (2)에 의해 연산된 값으로 결정하여 사용하는 것에 주된 특징이 있다.
특히, 베이스 토크 지령((TC)BASE＠( Ti ) DMD) 값이 운전자 의지가 반영된 변속기 입력축 요구 토크((Ti)DMD) 값에 따라 결정되므로, 상기 베이스 토크 지령((TC)BASE＠( Ti ) DMD) 값을 포함하여 식 (2)에 의해 계산되는 결합요소의 전체 토크 지령(TC*) 값에는 운전자 의지 및 운전 조작 상태가 반영된다.
결국, 종래 기술에서는 도 5에 나타낸 바와 같이 변속기 출력토크(To)와 결합요소의 전달토크(TA)가 모두 일정한 값이 되어, 제어 동안 가속페달이 조작되더라도 차량의 가속도 변화가 나타나지 않고, 결국 운전자가 가속페달을 조작했음에도 차량의 가속도 변화를 느낄 수 없는 문제점이 있는 반면, 본 발명에서는 도 9의 B ~ C 구간에서와 같이 운전자가 가속페달을 밟은 팁-인 상황에서 변속기 입력축 요구 토크(즉 요구되는 변속기 입력토크)((Ti)DMD) 값이 증가함에 따라, 변속기 출력토크(To)와 결합요소의 전달토크(TA)가 모두 증가하여, 차량의 가속도 변화가 나타남은 물론 운전자가 가속페달 조작 시의 차량 가속도 변화를 느낄 수 있게 된다.
즉, 본 발명에서는 운전자 가속페달 조작으로 인해 APS 값이 증가함에 따라서 베이스 토크 값, 및 이 베이스 토크 값을 반영하고 있는 결합요소의 클러치 토크(TC A )가 증가하여 변속기 출력토크(To)가 상승하는 결과를 얻을 수 있는 것이며, 이를 통해 종래의 능동 변속 제어에서 가속도 변화를 느낄 수 없었던 문제를 해결할 수 있고, 능동 변속 제어 적용 전에 비해서도 결합요소의 클러치 토크가 피드백 제어로 인해 낮아지는 경우가 발생하지 않으므로 더욱 바람직한 결과를 얻을 수 있다.
또한, 결합요소의 클러치 토크 변화로 인한 변속기 입력속도(NM)의 변화가 발생할 수 있으나, 본 발명에서는 하이브리드 제어기(HCU)(20)에서 변속기 입력속도 변화율이 목표 변화율을 추종하도록 차량 구동원의 속도를 피드백 제어한다.
예를 들어, 도 9의 팁-인(tip-in) 시점에서 변속기 입력축 요구 토크((Ti)DMD)에 따라 결합요소의 클러치 토크(TCA)(= 결합요소의 전달토크(TA))가 증가하면, 변속기 입력축의 회전 관성모멘트를 Ii, 변속기 입력속도 변화율을 αN이라고 할 때, Ti - TCA = Ii×αN의 관계에 의해 변속기 입력토크와 별개로 변속기 입력속도 변화율이 감소하고, 정해진 변속기 입력속도 목표변화율에 대해 입력토크를 제어하기 때문에, 본 발명에서와 같이 결합요소의 클러치 토크(TCA)가 증가하면, 변속기 입력토크(Ti)는 클러치 토크(TCA)가 고정되었을 때에 비해 큰 수준으로 형성되어 변속기 입력속도가 빠르게 감소하는 것을 방지할 수 있게 되고, 변속 말기의 충격을 최소화할 수 있게 된다.
다음으로, 시점 C는 종래 기술과 마찬가지로 동기화가 이루어진 동기 구간으로 진입한 시점을 나타내며, 제어기(TCU)(40)는 변속기 입력속도(NM)와 목표단의 설정된 동기속도 사이에 속도 동기화가 이루어졌는지를 판단한다.
예를 들어, 시점 C에서 '｜변속기 입력속도(Ni) - 동기속도｜< 기준값'의 조건을 일정 시간 동안 연속으로 만족한다면 목표단의 동기화가 이루어진 것으로 판정하고, 동기 구간으로 진입하여 결합요소의 클러치 토크(TCA)를 증가시켜 변속을 마무리한다(S16,S17).
여기서, 상기 동기속도는 제어기(TCU)(40)에 파워-온 업시프트의 목표단에 따라 미리 설정되는 속도가 될 수 있다.
이때, 하이브리드 제어기(HCU)(20)는 차량 구동원에 대한 속도 제어를 중단하고 요구 토크 값으로 출력이 이루어지도록 변경하되(S18), 토크 단차를 줄이기 위해 증분 제한 또는 필터링을 사용할 수 있다.
다음으로, 시점 D는 변속 완료 시점을 나타내며, 시점 D에서와 같이 결합요소의 클러치 토크(TCA)가 최대값(MAX.값)을 나타내는 동시에 해방요소의 클러치 토크(TCR)가 0이 된 경우, 또는 C 시점 이후 일정 시간이 경과한 경우 변속이 완료된 것으로 판정한다(S19).
변속이 완료된 D 시점에서 제어기(TCU)는 변속기의 클러치 제어를 모두 종료한다(S20).
도 9는 B ~ C 구간에서 운전자가 가속페달을 밟은 팁-인 상황이 발생한 예를 든 나타내는 것이나, 운전자가 가속페달의 가압 상태를 점차 해제하여 팁-아웃 상황이 발생한 경우에도, 운전자 의지가 반영된 변속기 입력축 요구 토크 값을 기초로 하여 결합요소의 클러치 제어(클러치 토크 및 전달토크 제어)를 위한 토크 지령이 결정되므로, 마찬가지로 차량의 가속도 변화가 나타날 수 있고, 운전자가 차량의 감속 상태를 느낄 수 있게 된다.
결국, 본 발명에 따르면, 파워-온 업시프트 능동 변속 제어 중 속도 변화 구간에서 운전자 가감속 의지가 반영될 수 있으므로 가감속 운전성 향상이 가능해진다.
이상으로 본 발명의 실시예에 대하여 상세하게 설명하였지만, 본 발명의 권리범위가 이에 한정되는 것은 아니며, 다음의 특허청구범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 발명의 권리범위에 포함된다.
10 : 운전 정보 검출부
20 : 하이브리드 제어기(HCU)
30 : 엔진 제어기(ECU)
40 : 변속 제어기(TCU)
50 : 배터리 제어기(BMS)
60 : 모터 제어기(MCU)
70 : 배터리
80 : 엔진
90 : 엔진 클러치
100 : 모터
110 : 변속기

Claims (9)

  1. 목표단으로의 파워-온 업시프트를 위한 변속 제어가 시작되는 단계;
    상기 변속 제어 시작 후 변속기 내 해방요소의 슬립 발생을 판단하는 단계;
    상기 해방요소의 슬립 발생으로 변속기 입력속도가 감소하는 속도 변화 구간에서 운전 정보 검출부에 의해 검출된 차량 운전 정보로부터 변속기 입력축 요구 토크 값을 연산하는 단계;
    상기 연산된 변속기 입력축 요구 토크 값에 기초하여 변속기 내 결합요소의 클러치 토크를 제어하기 위한 지령 값을 연산하는 단계;
    상기 속도 변화 구간에서 상기 연산된 지령 값에 따라 상기 결합요소의 클러치 토크가 제어되도록 하는 동시에, 변속기 입력속도 변화율이 목표변화율을 추종하도록 차량 구동원에 대한 속도 제어를 실시하는 단계; 및
    상기 속도 제어에 의해 변속기 입력속도와 상기 목표단의 설정된 동기속도 사이의 동기화가 이루어지면, 상기 속도 제어를 중단하고 결합요소의 클러치 토크를 증가시키는 단계를 포함하는 하이브리드 차량의 변속 제어 방법.
  2. 청구항 1에 있어서,
    현재의 차속이 상기 목표단의 설정된 기준값보다 크면, 상기 파워-온 업시프트를 위한 변속 제어가 시작되는 것을 특징으로 하는 하이브리드 차량의 변속 제어 방법.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 변속 제어가 시작되면, 상기 해방요소의 클러치 토크를 감소시키고, 상기 결합요소의 클러치 토크를 증가시키는 것을 특징으로 하는 하이브리드 차량의 변속 제어 방법.
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 해방요소의 슬립 발생을 판단하는 단계에서,
    변속기 입력속도의 감소가 감지되면 상기 해방요소의 슬립이 발생한 것으로 판단하는 것을 특징으로 하는 하이브리드 차량의 변속 제어 방법.
  5. 청구항 1에 있어서,
    상기 변속기 입력축 요구 토크 값을 연산하는 단계에서,
    가속페달 검출부에 의해 검출된 가속페달 조작 상태 정보에 기초하여 변속기 입력축 요구 토크 값을 연산하는 것을 특징으로 하는 하이브리드 차량의 변속 제어 방법.
  6. 청구항 1에 있어서,
    상기 차량 구동원에 대한 속도 제어를 실시하는 단계에서,
    상기 목표변화율은 현재의 변속기 입력속도와 변속기 입력토크에 해당하는 값으로 결정되는 것을 특징으로 하는 하이브리드 차량의 변속 제어 방법.
  7. 청구항 1에 있어서,
    상기 결합요소의 클러치 토크를 제어하기 위한 지령 값을 연산하는 단계는,
    상기 연산된 변속기 입력축 요구 토크 값에 해당하는 베이스 토크 지령 값을 결정하는 단계; 및
    상기 결정된 베이스 토크 지령 값을 이용하여 상기 결합요소의 클러치 토크를 제어하기 위한 지령 값을 연산하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 하이브리드 차량의 변속 제어 방법.
  8. 청구항 7에 있어서,
    상기 결합요소의 클러치 토크를 제어하기 위한 지령 값(TC*)은 하기 식에 의해 연산되는 것을 특징으로 하는 하이브리드 차량의 변속 제어 방법.
    식: TC* = (TC)BASE＠( Ti ) DMD + (TC)COR + dTC×ΔtA -B + dTCB×tB
    여기서, (TC)BASE＠( Ti ) DMD는 변속기 입력축 요구 토크 값에 해당하는 베이스 토크 지령 값, (TC)COR는 학습 로직 또는 온도 보정 로직에 따라 구해지는 학습 보정치 또는 온도 보정치를 포함하는 토크 지령 보정값, dTC는 변속 제어 시작 후 슬립 발생 판단 시까지 결합요소의 클러치 토크 변화 기울기, ΔtA -B는 변속 제어 시작 후 슬립 발생 판단 시까지의 시간, dTCB는 슬립 발생 후 결합요소의 클러치 토크 변화 기울기, tB는 슬립 발생 판단 시점부터 현 제어시점까지의 경과된 시간임.
  9. 청구항 7에 있어서,
    상기 베이스 토크 지령 값을 결정하는 단계에서,
    상기 베이스 토크 지령 값은 상기 연산된 변속기 입력축 요구 토크 값, 현재의 변속기 입력속도 및 변속기 입력토크로부터 맵에 의해 결정되는 것을 특징으로 하는 하이브리드 차량의 변속 제어 방법.
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