KR20090062421A - 하이브리드 차량의 모터 토크 제한 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 엔진의 역회전 및 손상 방지를 위한 하이브리드 차량의 모터 토크 제한 방법에 관한 것으로서, 엔진과 모터가 직결된 소프트 하이브리드 차량에서 엔진의 역회전을 야기시키는 모터 토크 출력을 금지시키고, 모터 정회전 회생구간에서도 회생토크제한 시작속도(엔진 아이들 속도를 고려한 파라미터) 및 현재의 모터속도를 고려하여 모터 토크 제한을 수행함으로써, 엔진의 역회전 및 그로 인한 엔진 손상을 방지할 수 있는 하이브리드 차량의 모터 토크 제한 방법에 관한 것이다.
하이브리드, 모터, 역회전 방지, 토크 제한, 모터 제어기

Description

하이브리드 차량의 모터 토크 제한 방법{Motor torque limit method of hybrid electric vehicle}
본 발명은 하이브리드 차량의 모터 토크 제한 방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 엔진과 모터가 직결된 소프트 하이브리드 차량에서 엔진의 역회전을 야기시키는 모터 토크 출력을 금지시키고, 이를 통해 엔진의 역회전 및 그로 인한 엔진 손상을 방지하기 위한 하이브리드 차량의 모터 토크 제한 방법에 관한 것이다.
일반적으로 넓은 의미의 하이브리드 차량은 서로 다른 두 종류 이상의 동력원을 효율적으로 조합하여 차량을 구동시키는 것을 의미하나, 대부분의 경우는 엔진과 전기모터에 의해 구동력을 얻는 차량을 의미하며, 이를 하이브리드 전기 차량(Hybrid Electric Vehicle, HEV)이라 부르고 있다.
최근 연비를 개선하고 보다 환경친화적인 제품을 개발해야 한다는 시대적 요청에 부응하여 하이브리드 차량에 대한 연구가 더욱 활발히 진행되고 있다.
하이브리드 차량에서 차량 구동용 전기모터는 차량에 탑재된 고전압 배터리 의 전력을 제공받아 구동되는데, 전기모터가 차량을 구동시키는 목적 이외에 회생제동(회생발전)을 하여 차량의 운동에너지를 전기에너지로 회수하는 역할을 하게 된다.
즉, 전기모터가 차량 운동에너지의 일부를 발전에 사용한 뒤 발전된 전기에너지를 배터리에 충전하여, 차량 주행속도에 의한 운동에너지의 일부를 발전에 필요한 에너지로 사용하며, 이를 통해 운동에너지의 저감(주행속도의 감소) 및 전기에너지의 발전을 동시에 구현한다.
한편, 소프트 하이브리드 차량의 경우, 첨부한 도 1에 도시된 바와 같이, 엔진(1)과 전기모터(구동모터)(2)가 직결되어 있고, 엔진 출력과 모터 출력이 더해져 변속기(3)를 통해 구동축에 전달되는 구조로 되어 있다.
이러한 구조에서 제어기(통상 모터 제어기로 구분함)(5)는 배터리(6)의 전력을 공급받아 구동하는 모터(2)의 구동을 제어한다.
상기와 같은 소프트 하이브리드 차량에서는 엔진(1)과 모터(2) 사이에 클러치가 없는 구조이므로 엔진의 단독 출력은 가능하나 모터의 단독 출력은 불가능하다.
이에 엔진이 회전을 하면 모터에서 출력되는 토크가 없어도 모터는 회전을 하게 되고, 반대로 모터가 토크를 출력하여 회전하면 엔진도 같이 회전을 하게 된다.
그러나, 상기와 같이 엔진과 모터가 직결된 소프트 하이브리드 차량에서는 모터의 역회전 토크에 의해 엔진의 역회전이 발생하면 엔진 손상이 발생하므로, 이 에 대한 대처방안이 절실한 실정이다.
이에 본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 발명한 것으로서, 엔진과 모터가 직결된 소프트 하이브리드 차량에서 엔진의 역회전을 야기시키는 모터 토크 출력을 금지시키고, 이를 통해 엔진의 역회전 및 그로 인한 엔진 손상을 방지하기 위한 하이브리드 차량의 모터 토크 제한 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
상기한 목적을 달성하기 위해, 본 발명은, 하이브리드 차량의 엔진 역회전을 방지하기 위한 모터 토크 제한 방법으로서, (a) 모터 토크 출력을 제어하는 과정에서, 모터링 모드 또는 발전 모드를 판단하는 단계; (b) 발전 모드인 경우, 현재의 모터속도를 차량 엔진 아이들 속도에 따라 설정된 회생토크제한 시작속도와 비교하는 단계; 및 (c) 발전 모드에서 상기 모터속도가 0 이상이면서 상기 회생토크제한 시작속도 이하인 경우, 회생 최대 토크와 상기 회생토크제한 시작속도, 상기 모터속도를 기초로 산출되는 토크값을 토크 지령값으로 하여 모터 토크 출력을 제한하는 단계를 포함하여 구성되는 하이브리드 차량의 모터 토크 제한 방법을 제공한다.
바람직하게는, 상기 (c) 단계에서, 모터속도가 0보다 작으면 토크 지령 0을 사용하여 모터 토크 출력이 금지되는 것을 특징으로 한다.
바람직하게는, (b') 모터링 모드인 경우, 현재의 모터속도를 미리 설정된 모터링 토크출력 금지속도와 비교하는 단계와; (c) 모터링 모드에서 상기 모터속도가 상기 모터링 토크출력 금지속도 이하인 경우, 토크 지령 0을 사용하여 모터 토크 출력이 금지되는 단계를 더 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.
상기와 같은 본 발명의 모터 토크 제한 방법에 의하면, 엔진의 역회전을 야기시키는 구간에서 모터 토크 인가를 금지하고, 모터 정회전 회생구간에서도 회생토크제한 시작속도(엔진 아이들 속도를 고려한 파라미터) 및 현재의 모터속도를 고려하여 모터 토크 제한을 수행함으로써, 역회전으로 인한 엔진 손상을 효과적으로 방지할 수 있게 된다.
특히, 변속기나 클러치 등의 하드웨어나 별도의 장치 추가 없이, 본 발명의 모터 토크 제한 로직, 즉 역회전 방지 로직만으로 역회전에 의한 엔진의 손상을 방지할 수 있다.
또한 본 발명의 역회전 방지 로직은 엔진과 모터의 동특성이 반영된 로직으로 오동작의 원인을 최소화할 수 있다.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명에 대해 더욱 상세히 설명하면 다음과 같다.
본 발명은 차량에서 엔진의 역회전 및 손상 방지를 위한 모터 토크 제한 방법에 관한 것으로서, 특히 엔진과 모터가 직결된 소프트 하이브리드 차량에서 엔진 의 역회전을 야기시키는 모터 토크 출력을 금지시키고, 이를 통해 엔진의 역회전 및 그로 인한 엔진 손상을 방지하고자 한 것이다.
첨부한 도 2는 본 발명의 모터 토크 제한이 적용된 모터 토크 제어의 예를 나타낸 토크-속도(모터속도) 선도로서, 본 발명의 모터 토크 제한이 수행되는 조건 및 상태를 보여주고 있으며, 도 3은 본 발명의 모터 토크 제한이 적용된 모터 토크 제어 방법을 나타낸 순서도이다.
본 발명이 적용되는 하이브리드 시스템의 구성은 도 1에 도시된 종래의 구성과 동일하며, 모터 제어기(5)가 토크 지령에 따라 모터 구동을 제어하게 된다.
통상적으로는 모터 제어기가 그 상위 제어기인 차량 제어기로부터 토크 지령을 전달받아 모터 구동을 제어하는데, 본 발명에서는 차량 제어기로부터 잘못된 토크 및 속도 지령(엔진 역회전을 야기시킬 수 있는 지령값)이 전달되더라도 모터 제어기가 모터 토크 제한을 수행하여 엔진의 역회전을 야기시키는 모터 토크 출력을 금지시키게 된다.
도 2에서, Ⅰ영역은 역회전 구간으로 모터링(motoring) 토크 인가 금지구간이고, Ⅱ 영역은 역회전 회생구간으로 회생(발전) 토크 인가 금지구간이며, Ⅲ 영역은 정회전 회생구간으로 회생토크제한 시작속도(엔진 아이들 속도를 고려한 파라미터) 및 현재의 모터속도를 고려하여 모터 토크의 제한이 수행되는 구간이다.
본 발명의 목적 달성을 위해서는, 원칙적으로 엔진의 역회전을 야기시키는 모터 토크 인가를 금지하여야 하는데, 도 2에서 모터의 실제 속도가 마이너스(-)가 되는 2, 3 사분면에서는 토크 인가를 금지하여야 한다.
다만, 엔진 기동시에는 엔진 특성상 짧은 시간 동안의 역회전이 발생 가능하므로, 도 2의 2 사분면에서 모터속도가 저속의 역회전일 때는 토크 인가가 가능하도록 하여야 한다.
또한 발전시 부(-)의 토크는 모터의 역회전을 야기시킬 수 있으므로, 모터속도가 제로("0")가 되는 점에서는 모터 토크가 제로가 되도록 해야 하고, 또한 도 2의 3 사분면에서도 모터 토크를 항상 0으로 제한하여야 한다.
또한 엔진의 역회전을 방지하면서 엔진의 과도적 동적 특성을 고려하여야 한다.
도 2를 참조하여 본 발명에 따른 모터 토크 제한에 대해 설명하면, 우선 양(+)의 토크 상태로서 정회전의 모터링 구간인 1 사분면 영역에서는 모터 제어기가 상위 제어기에서 전달되는 토크 지령에 따라 모터링 토크 출력(모터링 토크 곡선 참조)이 이루어지도록 모터 구동을 제어한다.
그리고, 모터 제어기는 양(+)의 토크 상태에서도 역회전 구간인 2 사분면의 영역에서는 모터 토크 인가를 금지하며, 다만 엔진 기동시 짧은 시간의 역회전이 발생하므로, 2 사분면의 역회전 구간에서 모터속도가 미리 설정된 모터링 토크출력 금지속도 이상인 저속 역회전인 경우(엔진 기동시의 일시적인 역회전 구간)에는 토크 인가가 가능하도록 하고, 이때 모터 토크 출력을 모터링 최대 토크로 제어한다.
또한 3 사분면의 역회전 회생구간, 즉 발전시 부(-)의 토크이고 모터속도 < 0인 구간에서는 회생토크 인가를 금지한다.
또한 4 사분면의 정회전 회생구간(발전 모드)에서는 회생토크제한 시작속도 (엔진 아이들 속도를 고려한 파라미터) 및 현재의 모터속도를 고려하여 모터 토크 출력 제한을 수행하여야 하며, 다만 이러한 회생토크 제한은 모터속도가 엔진 아이들 속도에 따라 설정된 회생토크제한 시작속도 이하에서 수행되어야 하고, 모터속도가 회생토크제한 시작속도를 초과하는 구간에서는 상위 제어기에서 전달되는 토크 지령에 따라 회생토크 출력이 이루어지도록 제어하여 회생토크 인가가 가능하도록 한다.
위에서 상기 모터링 토크출력 금지속도(Nrev ,limit)는 다음의 식(1)과 같이 정의될 수 있다.
Figure 112007089575689-PAT00001
(1)
여기서,
Figure 112007089575689-PAT00002
따라서, 모터링 토크출력 금지속도는 최종적으로 다음의 식(2)로부터 구해질 수 있다.
Figure 112007089575689-PAT00003
(2)
식(2)에서 ncylinder는 실린더 기통수이고, dt는 엔진 기동시의 초기화를 위해 발생하는 과도적 역회전 시간으로서 과도시간을 나타낸다.
엔진 초기화시에 크랭크축의 제 각을 찾아가는 과정에서 과도적 역회전이 발생하며, 4기통 경우의 예에서, 최대 1/8만큼의 이동이 발생하므로(45도), 과도시간을 100ms으로 가정할 경우, 모터링 토크출력 금지속도는 약 75rpm의 회전속도가 된다(식(2)에서 30(4×0.1)=75rpm).
그리고, 회생토크제한 시작속도(Nregen ,limit)는 차량의 엔진 아이들 속도로부터 설정될 수 있는데, 아이들 속도 이하 구간에서 과도한 발전토크(회생토크) 인가시에 엔진 스톨(stall)이 발생할 수 있으므로, 아이들 속도 제어의 허용 언더슛(permisive undershoot) 값을 50%로 가정할 경우, 아래 식(3)에서 구해지는 350rpm부터 발전토크(회생토크) 제한을 실시한다.
아래 식(3)은 회생토크제한 시작속도를 정의한 식이다.
Figure 112007089575689-PAT00004
(3)
그리고, 도 2의 4 사분면 영역 중에서 모터속도가 회생토크제한 시작속도 이하인 정회전 회생구간(발전 모드), 즉 도 2의 4 사분면 영역 중 Ⅲ 영역에서 토크 지령은 하기 식(4)로부터 산출될 수 있다.
Figure 112007089575689-PAT00005
(4)
여기서, Tmax는 회생 최대 토크를 나타낸다.
이와 같이 하여, 본 발명에서 회생토크제한 시작속도 이하인 Ⅲ 영역에서는 식(4)로부터 산출되는 토크 제한값을 기초로 하여 모터 제어기가 모터의 토크 출력 제한을 수행하게 된다.
예컨대, 회생토크제한 시작속도(Nregen ,limit)가 350rpm이라 할 때, 모터속도가 0rpm이면 토크 출력이 0이 되고, 모터속도 175rpm에서는 -Tmax/2가 되며, 모터속도 350rpm에서는 -Tmax가 된다.
한편, 도 2에 나타낸 본 발명의 모터 제한을 순서도로 표현하면 도 3과 같이 나타낼 수 있으며, 도 3을 참조하여 본 발명의 모터 토크 제한을 적용한 모터 제어 과정을 설명하면 다음과 같다.
우선, 현재 모드가 모터링 모드 또는 발전 모드인가를 판단한 뒤, 모터링 모드이면 모터속도를 모터링 토크출력 금지속도와 비교하고, 여기서 모터속도가 모터링 토크출력 금지속도보다 클 경우, 모터 제어기는 상위 제어기로부터 전달되는 토크 지령에 따라 토크 출력이 이루어지도록 모터 구동을 제어하게 된다.
반면, 모터속도가 모터링 토크출력 금지속도 이하인 경우, 모터 제어기는 본 발명의 토크 제한에 의해 토크 지령값 0을 사용하여 모터 토크 출력을 금지하게 된다.
그리고, 모터링 모드가 아닌 발전 모드인 경우, 모터속도를 회생토크제한 시작속도와 비교하여, 모터속도가 회생토크제한 시작속도 이하이면서 0보다 큰 경우, 본 발명의 토크 제한에 의해 식(4)로부터 산출되는 토크 지령(-Tmax/Nregen ,limit × 모터속도)을 사용하여 모터 토크 출력을 제어한다.. 식(4)에서 모터속도가 0인 경우 토크 지령은 0이 되므로, 이를 적용하여 모터 토크 인가가 금지된다.
반면, 모터속도가 0보다 작은 경우, 본 발명의 토크 제한에 의해 토크 지령 은 0이 되어 모터 토크 출력이 금지된다.
그리고, 모터속도가 회생토크제한 시작속도보다 큰 경우, 모터 제어기는 상위 제어기로부터 전달되는 토크 지령에 따라 토크 출력이 이루어지도록 모터 구동을 제어하게 된다.
이와 같이 하여, 본 발명에서는 엔진의 역회전을 야기시키는 구간에서 모터 토크 인가를 금지하고, 정회전 회생구간에서도 회생토크제한 시작속도(엔진 아이들 속도를 고려한 파라미터) 및 현재의 모터속도를 고려하여 모터 토크 제한을 수행함으로써, 역회전으로 인한 엔진 손상을 효과적으로 방지할 수 있게 된다.
특히, 변속기나 클러치 등의 하드웨어나 별도의 장치 추가 없이, 본 발명의 모터 토크 제한 로직, 즉 역회전 방지 로직만으로 역회전에 의한 엔진의 손상을 방지할 수 있다.
또한 본 발명의 역회전 방지 로직은 엔진과 모터의 동특성이 반영된 로직으로 오동작의 원인을 최소화할 수 있다.
도 1은 소프트 하이브리드 차량의 구동시스템을 도시한 구성도,
도 2는 본 발명의 모터 토크 제한이 적용된 모터 토크 제어의 예를 나타낸 토크-속도 선도,
도 3은 본 발명의 모터 토크 제한이 적용된 모터 토크 제어 방법을 나타낸 순서도.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
1 : 엔진 2 : 모터
3 : 변속기 5 : 모터 제어기

Claims (6)

  1. 하이브리드 차량의 엔진 역회전을 방지하기 위한 모터 토크 제한 방법으로서,
    (a) 모터 토크 출력을 제어하는 과정에서, 모터링 모드 또는 발전 모드를 판단하는 단계;
    (b) 발전 모드인 경우, 현재의 모터속도를 차량 엔진 아이들 속도에 따라 설정된 회생토크제한 시작속도와 비교하는 단계; 및
    (c) 발전 모드에서 상기 모터속도가 0 이상이면서 상기 회생토크제한 시작속도 이하인 경우, 회생 최대 토크와 상기 회생토크제한 시작속도, 상기 모터속도를 기초로 산출되는 토크값을 토크 지령값으로 하여 모터 토크 출력을 제한하는 단계;
    를 포함하여 구성되는 하이브리드 차량의 모터 토크 제한 방법.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 (c) 단계에서, 모터속도가 0보다 작으면 토크 지령 0을 사용하여 모터 토크 출력이 금지되는 것을 특징으로 하는 하이브리드 차량의 모터 토크 제한 방법.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 (c) 단계에서, 모터 토크 출력을 제한하기 위한 토크 지령값은 회생 최대 토크와 회생토크제한 시작속도, 모터속도로부터 하기 식(E1)에 의해 산출되는 것을 특징으로 하는 하이브리드 차량의 모터 토크 제한 방법.
    식(E1):
    Figure 112007089575689-PAT00006
    여기서, Tmax는 회생 최대 토크이고, Nregen ,limit은 회생토크제한 시작속도임.
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 회생토크제한 시작속도는 엔진 아이들 속도와 아이들 속도 제어의 허용 언더슛 값의 곱으로 정의되는 것을 특징으로 하는 하이브리드 차량의 모터 토크 제한 방법.
  5. 청구항 1에 있어서,
    (b') 모터링 모드인 경우, 현재의 모터속도를 미리 설정된 모터링 토크출력 금지속도와 비교하는 단계와;
    (c) 모터링 모드에서 상기 모터속도가 상기 모터링 토크출력 금지속도 이하인 경우, 토크 지령 0을 사용하여 모터 토크 출력이 금지되는 단계;
    를 더 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 하이브리드 차량의 모터 토크 제한 방법.
  6. 청구항 5에 있어서,
    상기 모터링 토크출력 금지속도는 엔진 실린더 기통수와 과도시간에 의해 하기 식(E2)에 의해 설정되는 것을 특징으로 하는 하이브리드 차량의 모터 토크 제한 방법.
    식(E2):
    Figure 112007089575689-PAT00007
    여기서, ncylinder는 실린더 기통수, dt는 엔진 기동시의 초기화를 위해 발생하는 과도적 역회전 시간으로서 상기 과도시간을 나타냄.
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