KR102335652B1 - 레트로핏 마이크로 하이브리드 시스템 및 이에 의한 하이브리드 시스템의 운영방법 - Google Patents

레트로핏 마이크로 하이브리드 시스템 및 이에 의한 하이브리드 시스템의 운영방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 엔진 출력과 모터 출력의 운용방식을 개선하여 기능을 향상할 수 있도록 하는 마이크로 하이브리드 시스템에 관한 것으로, 엔진이 구비되어 하나 이상의 휠을 구동시키는 기성의 차량에 장착될 수 있는 마이크로 하이브리드 시스템을 제공하며, 엔진의 출력을 보조하기 위하여 시동 및 구동부의 출력을 구동 동력으로 사용하되 사용자의 출력에 대한 의도에 적합한 출력을 분배할 수 있도록 할 수 있도록 하이브리드 컨트롤유닛이 구성된다.

Description

레트로핏 마이크로 하이브리드 시스템 및 이에 의한 하이브리드 시스템의 운영방법{RETROFIT MICRO HYBRID SYSTEM AND MANAGEMENT METHOD FOR HYBRID SYSTEM THEREBY}
본 발명은 자동차의 하이브리드 시스템과 관련된 것으로서, 보다 구체적으로는 엔진 출력만으로 구동할 수 있는 차량을 간단한 방식으로 개선하며 효율성과 조작감을 동시에 만족할 수 있도록 하는 마이크로 하이브리드 시스템 및 그 제어방법에 관한 것이다.
통상 하이브리드 차량(Hybrid electric vehicle)은 내연기관(Internal combustion engine)과 배터리 전력을 함께 동력원으로 사용하는 것을 말한다. 이러한 하이브리드 차량은 엔진의 기계적 에너지와 배터리의 전기 에너지를 함께 이용하고, 엔진과 모터의 최적 작동영역을 이용함은 물론 제동시에는 에너지를 회수하므로 연비가 향상되고 에너지의 효율적인 관리가 가능하다.
일반적인 하이브리드 차량은 엔진 클러치를 접합하거나 해제하여 모터의 토크만을 이용하는 EV 모드(electric vehicle mode), 엔진의 토크를 주토크로 하면서 모터의 토크를 보조 토크로 이용하는 HEV 모드(hybrid electric vehicle mode), 하이브리드 차량의 제동 혹은 관성에 의한 주행시 제동 및 관성 에너지를 상기 모터의 발전을 통해 회수하여 배터리를 충전하는 회생제동 모드(regenerative braking mode) 등의 주행모드의 운행을 제공한다.
상기와 같은 형태를 하드타입으로 구분하기도 하며, 이에 대비되어 마일드 하이브리드(Mild hybrid) 또는 마이크로 하이브리드(Micro hybrid)가 존재한다. 상기 마이크로 하이브리드의 경우 알터네이터 대신에 엔진을 시동하거나 상기 엔진의 출력에 의해 발전하는 시동 발전기(mild hybrid starter & generator; MHSG)가 구비된다. 이렇게 마이크로 하이브리드 차량은 모터의 토크만으로 차량을 구동시키는 주행 모드는 없지만, ISG(Idle Stop and Go) 내지 BSG(Belt driven integrated Starter Generator)를 이용하여 주행 상태에 따라 엔진 토크를 보조할 수 있으며, 회생제동을 통해 배터리(예를 들어, 48 V 배터리)를 충전할 수 있기 때문에 차량의 연비가 향상될 수 있다.
이렇게 하이브리드 차량은 전기차의 장점과 내연기관의 장점을 다 가지고 있기 때문에 친환경의 요구에 맞추어 수요와 공급이 증가하고 있는 추세이다. 하이브리드 완성차는 종래 전기차 시대로 넘어가기 전의 과도기적인 형태로 받아들여지기도 했으나 현재는 내연기관 자동차와 전기차의 단점을 보완할 수 있어 독자적인 시장이 형성되어 있다.
이에, 현재는 종래의 디젤이나 가솔린만을 원료로 하는 내연기관과, 순수하게 전기로만 구동하는 배터리 또는 연료전지를 이용하는 전기차와, 내연기관과 모터를 함께 사용하는 하이브리드차가 병존하고 있는 실정이다.
한편, 현재 운행 중인 내연기관 차량들은 제작된 시점의 배출가스규제가 적용되었기 때문에 시간이 흐를수록 강화되는 배출가스규제 정책을 만족하지 못하여 미세먼지(PM)나 SOX, NOX, CO2 등 환경오염을 야기하는 물질 저감에 대한 시대적인 요청에 부응하지 못하여 문제시된다.
그런데, 현재 전세계에 운행하는 차량 중에 내연기관 차량의 비율이 압도적으로 높기 때문에 환경오염 방지에 기여할 수 있는 전기차 또는 하이브리드 차량의 영향은 적은 실정이다. 각국별로 장기적인 전기차로의 전환 계획을 가지고 있기는 하나 장기간 순수 내연기관 차량의 병존은 불가피하고 에너지 효율과 배출가스 저감을 고려하면 하이브리드나 전기차의 보급 자체보다는 운행 중에 있는 내연기관 차량에 대한 대책이 더 시급하다.
기존의 내연기관 차량을 하이브리드 차량으로 개선하고자 하는 시도는 미미하나 일부 기술의 제시들이 있어왔으며, 한국 공개특허 제10-2016-0096855호는 이러한 종래기술의 하이브리드 키트를 공개한다. 도 1은 종래기술의 하이브리드 키트를 차량에 적용한 것을 나타내는 구성도이다.
이를 구체적으로 살펴보면, 제1스프라켓(110), 모터(120), 제2스프라켓(130), 동력전달체인(140)을 포함하고, 상기 제1스프라켓(110)은 차량에 설치된 바퀴 중, 내연기관(10)에 의한 구동력을 전달받지 아니하는 종동륜(60)과 동축상에 설치되어 상기 종동륜(60)과 일체로 회전되며, 외측둘레에 기어치가 형성될 수 있다. 그리고, 모터(120)는 차량에 설치되며, 차량에 설치된 배터리(42) 또는 발전기(미도시)로부터 전력을 공급받아 구동되도록 구비될 수 있다. 또한, 상기 모터(120)는 차량의 휠이나 너클(미도시)등에 지지되는 것이 아닌 차체(5)에 결합되어 지지되도록 구비될 수 있다. 즉, 상기 모터(120)는 차량의 현가장치(미도시)의 상측에 결합되어 현가상질량의 일부를 형성하도록 구비될 수 있다. 상기 제2스프라켓(130)은 상기 모터(120)에 의해 회전되도록 구비되며, 그 둘레에 기어치가 형성될 수 있다. 상기 동력전달체인(140)은 상기 제1스프라켓(110)과 제2스프라켓(130)에 걸치도록 배치되며, 상기 제1스프라켓(110)과 제2스프라켓(130)의 기어치에 치합되어 상기 제1스프라켓(110)과 제2스프라켓(130)의 상호 회전력을 전달하도록 구비될 수 있다. 따라서, 상기 모터(120)가 회전되면 상기 동력전달체인(140)을 통해 회전력이 제1스프라켓(110)을 통해 상기 종동륜(60)에 전달되어, 내연기관(10)에 의해 구동되는 구동륜(50)을 보조하거나 또는 단독으로 차량을 구동시킬수 있다.
그런데, 하이브리드 완성차의 경우는 엔진과 모터의 출력의 변환이나 조화를 어느 정도 조율하여 출고하기 때문에 운행에 큰 문제를 일으키지는 않으나, 상기와 같이 완성 내연기관차에 사후적으로 모터를 부가하는 경우 엔진과의 출력을 조화시키는 것은 매우 어려운 과제이다. 더군다나, 엔진만에 의한 주행 중 모터의 출력을 부가하거나 전환시키는 과정에 회전수와 토크를 맞추는 것은 도시된 체계로는 사실상 불가능하다.
이러한 이유로 실제 종래 내연기관에 하이브리드 시스템을 탑재하는 사례는 찾아볼 수 없으며, 운전자들도 동력계통의 불안정성과 이질감 때문에 장착을 시도하는 경우도 없는 것이다.
그러나, 종래의 내연기관 차량들이 여전히 운행하고 있는 현실을 고려하면 연비 향상을 통한 경제성의 달성과 배출가스 저감을 통한 공해방지의 목적의 달성을 위하여 하이브리드 시스템의 탑재가 필요하다.
본 발명은 상기 문제점을 해결하기 위하여 내연기관 완성차에 탑재가 가능하면서 동력계통의 조화가 이루어지고 운행의 이질감을 없앨 수 있도록 개선된 기능을 가지는 레트로핏 마이크로 하이브리드 시스템 및 이에 의한 하이브리드 시스템의 운영방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명은, 메인컨트롤러에 의하여 제어되는 엔진이 구비되어 휠을 구동시키는 기성의 차량에 장착될 수 있는 하이브리드 시스템을 제공한다.
본 발명은 시동 및 구동부(1010), 상기 시동 및 구동부에 전력을 제공하는 배터리부(1020) 및 요구되는 모터토크를 환산하여 상기 시동 및 구동부에 제어신호를 출력하는 하이브리드 컨트롤유닛(1100)을 포함하여 구성된다.
상기 하이브리드 컨트롤유닛은, 일실시예로서 페달의 답력신호를 수신하여 이에 대응되는 기대토크와 모터토크를 환산하고 최종 엔진토크를 연산하여 가상 페달신호를 메인컨트롤러로 전송할 수 있다.
또한, 상기 하이브리드 컨트롤유닛은, 페달 답력신호를 포함하는 주행정보를 수신하는 입력부(1110)와, 기대토크 및 모터토크를 환산하고 가상 페달신호를 생성하는 연산부(1200)와, 시동 및 구동부와 메인컨트롤러에 신호를 출력하는 출력부(1120)를 구비할 수 있다.
상기 하이브리드 컨트롤유닛은, 배터리부의 상태를 모니터링하고 충방전을 제어하는 배터리관리부(1130)를 더 구비하는 것이 바람직하다.
또한, 상기 연산부는 엔진의 토크가 데이터화된 엔진토크맵Data(1211)와, 모터의 토크가 데이터화된 모터토크맵Data(1212)와, 페달 답력신호에 대응한 기대토크를 엔진토크맵Data으로부터 환산하는 기대토크환산부(1220)와, 페달 답력신호에 대응되는 모터토크를 모터토크맵Data로부터 환산하고 최종 엔진토크를 연산하는 토크매칭부(1230)와, 상기 연산된 최종 엔진토크에 대응되는 가상 페달신호를 생성하는 페달가상화부(1240)를 구비하여 이루어지는 것이 바람직하다,
한편, 본 발명은, a) 입력부에서 페달 답력신호(Pθi)를 수신하는 단계; b) 배터리관리부에서 배터리부가 설정된 잔량 이상인지 판단하는 단계; c) 상기 b) 단계에서 설정된 잔량 이상인 경우 연산부가 페달 답력신호로부터 기대토크(Tc)를 환산하는 단계; d) 연산부가 차속에 대한 모터토크(Tm)를 환산하는 단계; e) 연산부에서 기대토크에 대한 모터토크의 차로 최종 엔진토크(Te)를 연산하는 단계; f) 출력부가 모터토크에 대응되는 제어신호를 시동 및 구동부로 전송하고, 가상 페달신호(Pθ연산)를 페달 출력신호(Pθe)로써 메인컨트롤러로 전송하는 단계;를 포함하는 마이크로 하이브리드 시스템의 운영방법을 제공한다.
본 발명에 따라, 하이브리드 시스템이 장착되지 않은 내연기관 완성차에서도 비교적 간단한 과정으로 설비하여 마이크로 하이브리드 시스템으로 운용이 가능하므로 경제성이 높은 효과가 있다.
또한, 사후적으로 BSG를 장착하면서도 엔진토크와 모터토크의 조화가 가능하기 때문에 운전자의 조작감을 해치지 않고 내연기관 차량의 운전감각으로 운전이 가능한 효과가 있다.
또한, 배출가스가 현저히 저감되어 전기차로 전환하기 전 과도기에 있는 전세계 도로에서 현재 운행 중인 내연기관 차량에 의한 환경오염을 저감시킬 수 있는 효과가 있다.
도 1은 종래기술의 하이브리드 키트를 차량에 적용한 것을 나타내는 구성도이다.
도 2는 본 발명의 개념에 따른 레트로핏 마이크로 하이브리드 시스템을 설명하기 위한 구성도이다.
도 3은 본 발명의 레트로핏 마이크로 하이브리드 시스템에서 하이브리드 컨트롤유닛을 설명하기 위한 블록도이다.
도 4는 하이브리드 컨트롤유닛의 출력부에 대한 실시예를 설명하기 위한 블록도이다.
도 5는 하이브리드 컨트롤유닛의 연산부를 설명하기 위한 블록도이다.
도 6은 본 발명의 레트로핏 마이크로 하이브리드 시스템의 운영방법을 나타내는 흐름도이다.
이하, 첨부도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 실시예의 레트로핏 마이크로 하이브리드 시스템 및 이에 의한 하이브리드 시스템의 운영방법을 상세히 설명한다.
다만, 이하에서 설명되는 실시예는 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 발명을 쉽게 실시할 수 있을 정도로 상세하게 설명하기 위한 것에 불과하며, 이로 인해 본 발명의 보호범위가 한정되는 것을 의미하지는 않는다.
이하 설명에서, 어떤 부분이 다른 부분과 '연결'되어 있다고 할 때, 이는 직접적으로 연결되어 있는 경우뿐만 아니라, 그 중간에 다른 소자나 장치를 사이에 두고 연결되어 있는 경우를 포함한다. 또한, 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 기본적으로 엔진이 구비되어 하나 이상의 휠을 구동시키는 완성 차량에 사후적으로 장착될 수 있는 마이크로 하이브리드 시스템을 제공하며, 엔진의 출력을 보조하기 위하여 시동 및 구동부의 출력을 구동 동력으로 사용하되 사용자의 출력에 대한 의도에 적합한 출력을 분배할 수 있도록 할 수 있도록 하이브리드 컨트롤유닛이 구성된다.
본 발명이 적용되는 차량의 유형은 제한되지 않으며, 차량의 주동력원으로서의 엔진에 사용되는 연료는 가솔린, 디젤, LPG 등일 수 있으며 본 발명의 개념을 제한하지는 않는다.
또한, 본 발명의 실시예에서는 프론트 엔진 및 프론트 휠 구동을 대상으로 설명하고 있으나 구동계통의 배치와 방식은 공지의 다양한 기술이 적용될 수 있을 것이다.
도 2는 본 발명의 개념에 따른 레트로핏 마이크로 하이브리드 시스템을 설명하기 위한 구성도이다.
내연기관 차량에서 엔진(210)과 휠 사이에는 트랜스미션(220)이 개재되며 차량의 기본적인 구성은 메인배터리(240)의 전력을 통하여 메인컨트롤러(ECU, 230)를 통하여 점화, 흡배기, 전장, 트랜스미션 등을 작동시킨다.
이렇게 일반적인 내연기관 차량에서 통상 엔진(210)측에는 시동 및/또는 충전을 위한 알터네이터를 구비하고 있으며 이러한 알터네이터와 관련하여서는 시동 효율이나 부피에 대한 개선이 있어왔다. 본 발명의 개념에서는 상기 알터네이터 및/또는 스타터모터를 대체하여 하이브리드 시스템을 구축하는바, 본 발명은 엔진의 동력만을 사용하였던 기성의 차량에 사후적으로 마이크로(마일드) 하이브리드 시스템(1000)을 장착하는 것이다. 다만, 본 발명의 개념에 따라 기성의 마일드 하리브리드 시스템을 장착하였던 차량에 하이브리드 컨트롤유닛(1100)을 장착하여 출력의 분배 효율을 늘리는 방향으로 개선하는 경우도 고려될 수 있음은 물론이다.
이에, 본 발명의 시동모터와 함께 구동력을 제공하는 일종의 마이크로 하이브리드 시스템일 수 있다. 참고로, 종래의 마이크로 하이브리드 차량은 엔진(210)과 트랜스미션(220)이 클러치(미도시)를 통해 연결 및 연결 해제되고, 상기 엔진(210)에 벨트를 통해 스타터 제너레이터가 연결되어 있다. 이를 통상 BSG(Belt driven integrated Starter Generator)라 정의한다. 본 발명은 사후 장착형의 마이크로 하이브리드 시스템을 제공하고 있으나 상기 명칭에 대해서는 통일하여 사용하기로 한다.
상기 엔진(210)의 출력을 제어하기 위하여 메인컨트롤러(230)가 적용되며, 사용자가 페달(250)을 작동시키면 상기 페달(250)에 구비되는 센서를 통하여 답력의 값을 수치화하고 소정의 요구치에 따라 점화시기, 스로틀 밸브, 트랜스미션 등을 제어하여 주행에 출력을 제공하고 있다.
기성의 마이크로 하이브리드 차량의 경우 상기 메인컨트롤러(230)가 통합 운영될 수 있도록 완성되어 있기 때문에 BSG와 엔진이 함께 조화를 이룰 수 있으나, 기성의 엔진구동 차량의 경우 메인컨트롤러(230)가 출력계통에서 엔진의 제어 로직만을 가지고 있기 때문에 단순히 시동 및 구동부(1010)를 장착하였다고 하여 원활하게 동력의 보조가 가능한 것은 아니며, 실제로 사후적 마이크로 하이브리드 시스템의 구축은 매우 어려움은 상기와 같다.
본 발명은 이를 해결하기 위하여 운전자에 의한 페달(250)의 입력을 하이브리드 컨트롤유닛(1100)에서 입력받아 이를 가공하는 방안을 제시하는바 이와 관련된 실시예는 후술하도록 한다. 여기서 페달(250)은 스로틀바디를 작동시키거나 연료분사량을 제어하는 등의 기능을 하는 악셀러레이터 페달(Accelerator Pedal)을 의미한다.
이러한 개념에 의하여 하이브리드 컨트롤유닛(1100)은 메인컨트롤러(230)와 정보를 교환할 수 있으며, 엔진(210)과 시동 및 구동부(1010)의 출력이 함께 운전자의 요구조건을 충족할 수 있도록 한다.
상기 하이브리드 컨트롤유닛(1100)은 시동 및 구동부(1010)의 작동을 제어하되, 동력의 보조를 통한 가속의 제어는 물론, 스탑앤 스타트 모드의 작동, 회생제동 감속제어 등을 위한 작동에 대해서 메인컨트롤러(230)와 통신을 수행할 수 있는데 이와 관련하여서는 공지의 스탑앤고(Stop and Go) 시스템이나 회생제동에 관한 기술이 적용될 수 있을 것이므로 구체적인 설명은 생략하도록 한다.
상기 시동 및 구동부(1010)의 작동을 위한 전력은 메인배터리(240)에서 공급될 수도 있을 것이나, 출력의 보조를 위하여서는 하이브리드 시스템의 작동을 위한 배터리부(1020)를 별도로 구성하는 것이 바람직하다. 본 발명이 마이크로 하이브리드 시스템을 구현하고 있기 때문에 배터리부(1020)의 전압은 48V인 것이 바람직하나, 상기 전압값은 36V, 24V, 12V 등 선택적이다.
도 3은 본 발명의 레트로핏 마이크로 하이브리드 시스템에서 하이브리드 컨트롤유닛을 설명하기 위한 블록도이다.
하이브리드 컨트롤유닛(1100)은 시동 및 구동부(1010)의 동작을 제어하는 기능을 수행하되 시동 및 구동부(1010)의 토크와 엔진(210)의 토크가 연동되어 조화롭게 작동될 수 있도록 기능한다.
이를 위하여 상기 하이브리드 컨트롤유닛(1100)은 페달(250)의 입력값을 수신하여 수치화하고 출력의 목표를 도출하며 엔진(210)과 시동 및 구동부(1010)의 출력을 유기적으로 연계시키는바, 이를 위하여 페달(250) 및/또는 메인컨트롤러(230)의 정보를 입력받는 입력부(1110)를 구비한다.
페달(250)의 답력을 계량하기 위하여 변위센서 또는 각도센서 등이 설치될 수 있으며 이러한 페달 답력에 대한 신호는 통상의 메인컨트롤러(230)로 전송될 것이나, 본 발명에서는 이를 중간에서 하이브리드 컨트롤유닛(1100)이 가공하여 메인컨트롤러로 전송할 수 있다.
따라서, 본 발명의 출력부(1120)는 메인컨트롤러(230)에서 엔진의 출력을 제어할 수 있도록 하는 가상 페달신호와, 시동 및 구동부(1010)를 제어할 수 있도록 하는 모터 제어신호를 함께 출력할 수 있다. 다만, 상기 신호의 전송은 선택적일 수도 있으며 이에 대한 실시예는 후술한다.
상기 가상 페달신호를 생성하기 위하여 연산부(1200)가 기능하며, 상기 연산부(1200)의 가상 페달신호를 연산하는 변수는 페달 답력신호일 수 있으며, 추가적으로 현재의 차속, 엔진의 회전수, 트랜스미션의 상태 등이 상기 변수에 적용될 수 있을 것이다.
또한, 하이브리드 컨트롤유닛(1100)은 배터리관리부(1130)를 더 포함하고, 상기 배터리관리부(1130)는 마이크로 하이브리드 운영을 위한 배터리부(1020)의 충방전을 제어하도록 기능할 수 있다. 또한, 상기 연산부(1200)에서 도출된 가상 페달신호가 적용될 수 있는 전제조건으로 배터리부(1020)가 동작 가능한 상태인지 모니터링하는 기능을 수행할 수 있다.
도 4는 하이브리드 컨트롤유닛의 출력부에 대한 실시예를 설명하기 위한 블록도이다.
상기한 바와 같이 본 발명에서는 단순히 시동 및 구동부(1010)의 모터만을 제어하는 것이 아닌 운전자의 의도에 맞추어 모터와 엔진의 동력을 조화시키기 때문에, 출력부(1120)는 페달신호출력부(1121)와 모터출력제어부(1122)로 구성된다.
상기 모터출력제어부(1122)는 연산부(1200)에서 환산된 모터토크에 기초하여 모터에 제어전압을 전송하도록 기능하며, 사용자의 페달 답력 또는 차속 또는 엔진 회전수 또는 미션의 위치 중의 어느 하나 이상의 요소에 기초하여 모터의 회전을 제어한다.
또한, 상기 페달신호출력부(1121)는 결정된 모터의 토크에 기초하여 엔진의 회전을 위한 가상의 페달신호를 메인컨트롤러(230)로 전송하는 기능을 수행할 수 있다. 다만, 경우에 따라 엔진의 회전을 위한 요소에만 메인컨트롤러(230)의 신호를 대체하고 나머지 구동요소에는 페달 답력신호에 맞는 메인컨트롤러(230)의 신호가 유효하도록 설정할 수 있음은 물론이다.
도 5는 하이브리드 컨트롤유닛의 연산부를 설명하기 위한 블록도이다.
상기한 바와 같이 입력부(1110)에서 수신된 페달(250)의 답력신호를 통해 연산부(1200)는 최종적으로 모터의 회전과 엔진의 회전을 위한 출력값을 결정한다.
이에, 연산부(1200)는 소정의 상황에 맞는 토크맵들을 미리 데이터화하여 저장하고 있으며, 엔진의 회전수별 토크에 관한 엔진토크맵Data(1211)와 모터의 회전수별 토크에 대한 모터토크맵Data(1212)를 구비한다. 상기 엔진토크맵Data(1211)와 모터토크맵Data(1212)는 장착시 엔진(210)과 시동 및 구동부(1010)의 사양에 맞추어 기설정된 값일 수 있으며, 사용자의 선택에 의하여 변경 가능할 것이다.
상기 모터토크맵Data(1212)은 회전수별 토크의 맵을 기본으로 하되, 각 토크별 전압의 관계도 함께 저장될 수 있으며, 모터토크가 결정된 경우 소정의 엔진토크맵으로부터 해당하는 전압값이 추출되어 출력부에서 BSG를 구동시킬 수 있는 것이다.
또한, 기대토크환산부(1220)는 페달(250)의 답력신호를 수치화-예를 들어 답력신호가 0V 에서 5V 까지 생성되어 입력부(1110)에 수신된 경우 이를 0°에서 80°의 각도로 변환-하여 페달 답력신호의 값에 따라 기대토크(Tc)를 환산한다.
이러한 기대토크는 최종적으로 실제 모터에서 발생하는 모터토크(Tm)와 엔진에서 발생하는 최종 엔진토크(Te)의 합으로 이루어지는데 아래에서 연산과정에 대해 더 구체적으로 살펴본다.
한편, 토크매칭부(1230)는 기대토크환산부(1220)에서 환산된 기대토크값에 부응하는 엔진토크와 모터토크를 매칭시킨다. 구체적으로, 상기 토크매칭부(1230)는 페달(250)의 답력신호에 부응하는 회전수와 기대토크의 위치를 엔진토크맵Data(1211)에서 추출하고, 차속에 대비한 시동 및 구동부(1010)의 토크(Tm)을 환산하여 이에 매칭시킨다. 그러면 최종적으로 메인컨트롤러(230)에 출력되어야 하는 최종 엔진토크(Te)가 연산된다.
상기 기대토크(Tc)가 환산된 상태에서 상기 기대토크(Tc)를 만족시킬 수 있는 모터토크(Tm)와 최종 엔진토크(Te)의 합은 다양하게 존재할 수 있으며, 이는 엔진의 회전수 또는 차량의 속도 등의 요소에 의하여 결정될 수 있을 것이다. 상기 토크매칭부(1230)는 두 개의 맵에서 최적 위치의 토크 발생 출력을 결정하는 기능을 수행할 수 있을 것이다. 또한, 경우에 따라 상기 모터토크(Tm)의 발생을 위한 모터제어신호의 정도는 배터리부(1020)의 잔량에 의하여서도 결정될 수 있을 것이다.
상기 연산된 최종 엔진토크(Te)를 기초로 페달가상화부(1240)는 가상 페달신호를 생성하며, 페달신호출력부(1121)는 메인컨트롤러(230)에 가상 페달신호를 전송하여 전체적인 하이브리드 시스템의 출력을 조화시킬 수 있는 것이다.
도 6은 본 발명의 레트로핏 마이크로 하이브리드 시스템의 작동을 나타내는 흐름도이다.
차량의 운행 또는 아이들링 상태에서 상기 입력부(1110)가 페달 답력신호(Pθi)를 포함하는 주행정보를 수신(S100)한다. 상기 수신된 주행정보는 엔진의 회전수, 차량의 속도, 미션의 위치, 클러치의 상태, 배터리부 또는 메인배터리의 전압 등 선택적일 수 있다.
가상 페달신호를 연산하기에 앞서 배터리의 가용여부(S200)에 대한 판단이 선행되는 것이 바람직하며, 배터리 가용여부(S200) 판단에서 잔량이 설정값 미만인 것으로 판단된 경우 모터토크의 보조를 위한 하이브리드 모드의 작동을 제한한다. 이에, 페달 출력신호(Pθe)는 페달 답력신호(Pθi)에 대응(S210)하여 운전자의 페달 입력이 바로 메인컨트롤러(230)의 출력이 된다.
본 발명에서는 하이브리드 컨트롤유닛(1100)이 페달의 답력신호를 일종의 인터셉트(intercept)를 통하여 연산부에서 가공된 페달신호가 정상적인 신호로 인식하도록 하는데, 상기 배터리 조건을 충족하지 못하는 경우에는 페달 답력신호의 재가공의 필요 없이 바로 메인컨트롤러(230)로 전송하는 것이 바람직할 수 있다. 이에, 상기 하이브리드 컨트롤유닛(1100)은 수신된 페달 답력신호를 데이터화하여 일시 저장하고, 상기 조건이 충족되지 않아 하이브리드 모드로 작동될 필요가 없는 경우 바이패스하여 바로 메인컨트롤러(230)로 우회하도록 할 수 있을 것이다.
상기 배터리 가용여부(S200) 판단에서 잔량이 설정값 이상인 경우 하이브리드 모드로 작동 가능한 상태인 것으로 판단하고, 기대토크(Tc)를 환산(S310)한다. 상기 기대토크(Tc)의 환산은 기대토크환산부(1220)에서 이루어지고 페달 답력신호(Pθi)를 수치화한 환산값에 대한 엔진회전수의 토크값을 엔진토크맵Data(1211)으로부터 추출하여 이루어질 수 있다.
예를 들어, 2,000rpm의 회전수에서 페달 답력신호(Pθi)의 환산값이 20°일때 엔진토크맵Data(1211)에서 추출된 기대토크(Tc)의 환산값은 100Nm일 수 있다.
상기와 같이 기대토크(Tc)가 환산되어 결정(S310)되면, 모터토크(Tm)에 대한 환산 및 매칭(S320)이 수행된다. 토크매칭부(1230)는 예를 들어 페달 답력신호(Pθi)의 환산값에 대한 차속의 모터토크(Tm)를 모터토크맵Data(1212)에 대비하여 환산되며, 상기 기대토크(Tc)에 부응하는 모터토크(Tm)를 위한 매칭이 수행될 수 있음은 상기와 같다.
상기의 예에서 대응되는 모터토크(Tm)는 50Nm일 수 있다.
이렇게 기대토크(Tc)와 모터토크(Tm)가 결정되면, 최종 엔진출력이 결정될 수 있으며 최종 엔진토크(Te)의 연산(S330)은 토크매칭부(1230)에서 이루어질 수 있고, 본 발명의 실시예에 따라 기대토크(Tc)에서 모터토크(Tm)를 뺀 값으로 결정할 수 있다.
본 실시예에서 상기와 같이 결정되는 최종 엔진토크(Te)는 기대토크(Tc) 100Nm에서 모터토크 50Nm를 차감한 50Nm일 수 있다.
이렇게 최종 엔진토크(Te)가 결정되면 출력부(1120)는 환산된 모터토크(Tm)에 대응되는 제어신호를 모터출력제어부(1122)에서 출력(S340)하고, 동시에 페달가상화부(1240)에서 연산된 최종 엔진토크(Te)에 대응되는 가상 페달신호(Pθ연산)를 생성하여 페달신호출력부(1121)에서 상기 가상 페달신호(Pθ연산)를 페달 출력신호(Pθe)로서 메인컨트롤러(230)에 전송할 수 있도록 한다.
가상 페달신호(Pθ연산)는 2,000rpm에서 50Nm일 때의 악셀페달에 해당하는 전압을 맵에서 추출한 것일 수 있다.
상술한 하이브리드 모드의 작동에 대한 판단은 시동 또는 주행과정에서 궤환적으로 수행될 수 있을 것이다.
상술된 본 발명에 의하여, 하이브리드 시스템이 장착되지 않은 내연기관 완성차에서도 비교적 간단한 과정으로 설비하여 마이크로 하이브리드 시스템으로 운용이 가능하여 경제성이 높은 효과가 있다.
또한, 사후적으로 BSG를 장착하면서도 엔진토크와 모터토크의 조화가 가능하기 때문에 운전자의 조작감을 해치지 않고 내연기관 차량의 운전감각으로 운전이 가능하여 자연스럽고, 배출가스가 현저히 저감되어 전기차로 전환하기 전 과도기에 있는 전세계 도로에서 현재 운행 중인 내연기관 차량에 의한 환경오염의 우려를 해소할 수 있다.
이상에서, 본 발명은 실시예 및 첨부도면에 기초하여 상세히 설명되었다. 그러나, 이상의 실시예들 및 도면에 의해 본 발명의 범위가 제한되지는 않으며, 본 발명의 범위는 후술한 특허청구범위에 기재된 내용에 의해서만 제한될 것이다.
210...엔진 220...트랜스미션
230...메인컨트롤러 240...메인배터리
1000...레트로핏 마이크로 하이브리드 시스템 1010...시동 및 구동부
1020...배터리부 1100...하이브리드 컨트롤유닛
1110...입력부 1120...출력부
1121...페달신호출력부 1122...모터출력제어부
1130...배터리관리부 1200...연산부
1211...엔진토크맵Data 1212...모터토크맵Data
1220...기대토크환산부 1230...토크매칭부
1240...페달가상화부

Claims (5)

  1. 메인컨트롤러에 의하여 제어되는 엔진이 구비되어 휠을 구동시키는 차량에 장착될 수 있는 하이브리드 시스템으로서,
    시동 및 구동부(1010);
    상기 시동 및 구동부에 전력을 제공하는 배터리부(1020); 및
    요구되는 모터토크를 환산하여 상기 시동 및 구동부에 제어신호를 출력하는 하이브리드 컨트롤유닛(1100);을 포함하되,
    상기 하이브리드 컨트롤유닛은,
    페달의 답력신호를 수신하여 이에 대응되는 기대토크와 모터토크를 환산하고 최종 엔진토크를 연산하여 가상 페달신호를 메인컨트롤러로 전송하는 레트로핏 마이크로 하이브리드 시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 하이브리드 컨트롤유닛은,
    페달 답력신호를 포함하는 주행정보를 수신하는 입력부(1110)와, 기대토크 및 모터토크를 환산하고 가상 페달신호를 생성하는 연산부(1200)와, 시동 및 구동부와 메인컨트롤러에 신호를 출력하는 출력부(1120)를 구비하는 레트로핏 마이크로 하이브리드 시스템.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 하이브리드 컨트롤유닛은,
    배터리부의 상태를 모니터링하고 충방전을 제어하는 배터리관리부(1130)를 더 구비하는 레트로핏 마이크로 하이브리드 시스템.
  4. 제2항에 있어서,
    상기 연산부는,
    엔진의 토크가 데이터화된 엔진토크맵Data(1211)와, 모터의 토크가 데이터화된 모터토크맵Data(1212)와, 페달 답력신호에 대응한 기대토크를 엔진토크맵Data으로부터 환산하는 기대토크환산부(1220)와, 페달 답력신호에 대응되는 모터토크를 모터토크맵Data로부터 환산하고 최종 엔진토크를 연산하는 토크매칭부(1230)와, 상기 연산된 최종 엔진토크에 대응되는 가상 페달신호를 생성하는 페달가상화부(1240)를 구비하는 레트로핏 마이크로 하이브리드 시스템.
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항의 레트로핏 마이크로 하이브리드 시스템에 의한 하이브리드 시스템의 운영방법으로서,
    a) 입력부에서 페달 답력신호(Pθi)를 수신하는 단계;
    b) 배터리관리부에서 배터리부가 설정된 잔량 이상인지 판단하는 단계;
    c) 상기 b) 단계에서 설정된 잔량 이상인 경우 연산부가 페달 답력신호로부터 기대토크(Tc)를 환산하는 단계;
    d) 연산부가 차속에 대한 모터토크(Tm)를 환산하는 단계;
    e) 연산부에서 기대토크에 대한 모터토크의 차로 최종 엔진토크(Te)를 연산하는 단계;
    f) 출력부가 모터토크에 대응되는 제어신호를 시동 및 구동부로 전송하고, 가상 페달신호(Pθ연산)를 페달 출력신호(Pθe)로 메인컨트롤러에 전송하는 단계;를 포함하는 마이크로 하이브리드 시스템의 운영방법.
KR1020210082510A 2021-06-24 2021-06-24 레트로핏 마이크로 하이브리드 시스템 및 이에 의한 하이브리드 시스템의 운영방법 KR102335652B1 (ko)

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