KR20110139611A - 하이브리드 차량의 엔진 제어장치 및 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 하이브리드 차량에서 엔진의 운전점을 최적으로 제어하여 엔진과 모터의 동력 배분을 효율적으로 제공하는 것이다.
본 발명은 운전요구로부터 변속기 입력토크를 결정하는 과정, 변속기 입력토크와 엔진의 최소/최대 가용 효율라인을 비교하여 엔진의 운전점을 결정하는 과정, 운전점에 따라 엔진의 출력을 제어하는 과정을 포함한다.

Description

하이브리드 차량의 엔진 제어장치 및 방법{SYSTEM FOR ENGINE CONTROLLING OF HYBRID VEHICLE AND METHOD THEREOF}

본 발명은 하이브리드 차량에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 엔진의 운전점을 최적으로 제어하는 하이브리드 차량의 엔진 제어장치 및 방법에 관한 것이다.

차량에 대한 끊임없는 연비 향상의 요구와 각국의 배출가스 규제의 강화에 따라 친환경 자동차에 대한 요구가 증가하고 있으며, 이에 대한 현실적인 대안으로 하이브리드 차량이 주목받고 있다.

하이브리드 차량은 동력원으로 엔진과 모터가 적용되며, 주행 상황에 따라 엔진과 모터의 특성이 발휘되어 에너지 효율과 배기가스 절감을 제공한다.

하이브리드 차량은 동력 구조에 따라 직렬형, 병렬형, 복합형으로 구분된다.

직렬형은 주로 버스나 트럭 등의 대형차에 적용되며, 엔진으로 발전기를 구동시켜 전력을 생성하고, 생성된 전력으로 주행모드에 따라 모터를 구동하여 차량의 주행을 실행하며, 잉여 전력은 배터리 충전에 사용된다.

병렬형은 직렬형의 장점인 높은 발전 효율과 엔진과 모터의 동시 사용이라는 장점을 결합한 것으로, 엔진과 모터를 동시에 구동하여 차량의 주행을 실행하며, 모터의 회생제동모드 및 충전모드에서 발전기로 작동하여 배터리를 충전한다.

복합형은 높은 발전 효율을 갖는 직렬형의 장점과 엔진과 모터의 동시 사용이라는 병렬형의 장점을 결합한 것이다.

모터는 회생제동모드에서 발전기로 작동하여 배터리를 충전하고, 주행중에는 전용 발전기를 이용하여 배터리를 충전한다.

최근 들어 하이브리드 차량에는 원가 절감과 변속기에 전달되는 토크 손실을 최소화하기 위하여 토크 컨버터 대신에 엔진과 모터 사이에 클러치가 장착된다.

하이브리드 차량은 상황에 따라 엔진만의 동작으로 주행을 실행하는 엔진모드와 배터리 동력에 의한 모터의 동작으로 주행이 실행되는 모터모드(EV모드) 및 엔진과 모터의 동력원이 동시에 작동되는 하이브리드 모드로 동작된다.

따라서, 하이브리드 차량은 엔진과 모터라는 두 개의 동력원을 어떻게 조화롭게 동작시키느냐에 따라 추가적인 연비 향상을 도모할 수 있다.

엔진과 모터의 사용은 주로 엔진을 OOL(Optimal Operating Line)에 위치하도록 운전시키는 방식으로 이루어지나, 이는 주행 상황에 따라 능동적으로 대응하지 못하고, 경우에 따라 과도한 충전 상황을 야기할 수 있는 문제가 있다.

본 발명은 상기한 문제점을 해결하기 위하여 제안된 것으로서, 본 발명의 목적은 엔진의 운전점을 최적으로 제어하는데 있다.

상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명은 동력원으로 엔진과 모터가 구성되는 하이브리드 차량에 있어서, 운전자의 운전요구를 검출하는 운전요구검출부; 엔진의 동작을 제어하는 엔진제어수단; 운전요구를 분석하여 변속기의 입력토크를 결정하고, 입력토크에 따라 엔진제어수단을 통해 엔진의 운전점이 최소가용 효율라인과 최대가용 효율라인의 사이에 위치되도록 제어하는 하이브리드 제어기를 포함하는 하이브리드 차량의 엔진 제어장치를 제공한다.

본 발명에 따르면, 상기 하이브리드 제어기는 변속기의 입력토크가 엔진의 최소가용 효율라인 미만이면 엔진의 운전점을 최소가용 효율라인으로 제어하고, 모터를 발전기로 제어하여 엔진의 잉여 출력으로 배터리의 충전시키는 하이브리드 차량의 엔진 제어장치를 제공한다.

본 발명에 따르면, 상기 하이브리드 제어기는 변속기의 입력토크가 엔진의 최대가용 효율라인을 초과하면 엔진의 운전점을 최대가용 효율라인으로 제어하고, 모터를 작동시켜 토크 부족 분을 보조하는 것을 특징으로 하는 하이브리드 차량의 엔진 제어장치를 제공한다.

본 발명의 다른 실시예에 따르면, 운전요구로부터 변속기 입력토크를 결정하는 과정; 변속기 입력토크와 엔진의 최소/최대 가용 효율라인을 비교하여 엔진의 운전점을 결정하는 과정; 운전점에 따라 엔진의 출력을 제어하는 과정을 포함하는 하이브리드 차량의 엔진 제어방법을 제공한다.

본 발명에 따르면, 상기 변속기 입력토크가 엔진의 최소가용 효율라인 미만이면 엔진 운전점을 최소가용 효율라인에 위치시키고, 모터를 발전기로 작동시켜 잉여 토크로 배터리 충전을 실행하는 것을 특징으로 하이브리드 차량의 엔진 제어방법을 제공한다.

또한, 본 발명에 따르면, 상기 변속기 입력토크가 엔진의 최대가용 효율라인을 초과하면 엔진 운전점을 최대가용 효율라인에 위치시키고, 모터를 구동시켜 토크 부족 분을 지원시키는 것을 특징으로 하는 하이브리드 차량의 엔진 제어방법을 제공한다.

본 발명의 실시예에 따르면, 엔진이 설정된 일정영역 내에서 운전되도록 하면서 모터의 사용방식을 결정할 수 있어 최적의 동력 배분을 제공한다.

또한, 본 발명의 실시예에 따르면, 차량의 운전 상황에 대응하여 모터에 의한 충전 혹은 동력 보조를 결정하고, 일정영역 내에서는 엔진만의 동력으로 주행함으로써, 최적의 운전 효율을 제공한다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 하이브리드 차량의 엔진 제어장치를 도시한 도면이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 하이브리드 차량의 엔진 제어절차를 도시한 흐름도이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 하이브리드 차량에 적용되는 엔진 효율 맵을 도시한 도면이다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세하게 설명하면 다음과 같다.

본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으므로, 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않으며, 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위하여 설명과 관계없는 부분은 생략하였다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 하이브리드 차량의 엔진 제어장치를 도시한 도면이다.

도 1을 참조하면 본 발명의 일 실시예는 운전요구 검출부(101)와 ECU(Engine Control Unit : 102), TCU(Transmission Control Unit : 103), HCU(Hybrid Control Unit : 104), BMS(Battery Management System : 105), 표시부(106), PCU(Power Control Unit : 107), 배터리(108), 보호장치(110), 엔진(200), 클러치(210), 모터(300), 변속기(400)를 포함한다.

운전요구 검출부(101)는 운전자가 작동시키는 가속페달의 변위, 클러치 페달의 온/오프, 브레이크 페달의 온/오프, 인히비터 스위치 정보를 포함하는 운전요구를 검출하여 캔 네트워크를 통해 최상위 제어기인 HCU(104)에 제공한다.

ECU(102)는 상기 HCU(104)를 통해 인가되는 운전요구 정보에 따라 엔진(200)의 제반적인 동작을 제어한다.

상기 ECU(102)는 도 3에 도시된 바와 같이, HCU(104)의 제어에 따라 엔진(200)의 운전에 대한 최소가용 효율라인(A)과 최대가용 효율라인(B)이 맵으로 설정되며, 운전요구에 따라 엔진의 운전점이 최소가용 효율라인(A)과 최대가용 효율라인(B) 사이의 최점점에 위치되도록 제어한다.

TCU(103)는 상기 HCU(104)와 캔 네트워크를 통해 상호 통신하며, 현재의 차속과 기어비, 유온, 운전요구 등의 정보를 종합하여 변속기(400)의 출력토크 조절에 대한 전반적인 동작을 제어한다.

HCU(104)는 최상위 제어기로, 운전자의 주행요구에 따라 각각의 제어기들을 통합 제어하여 하이브리드 자동차의 전반적인 거동을 제어한다.

HCU(104)는 운전모드에 따라 클러치(210)를 작동시켜 엔진(200)과 모터(300)간의 동력을 연결하거나 차단시키는 동작을 실행하여, 상황에 따라 적절한 출력토크가 제공되도록 한다.

HCU(104)는 운전요구를 분석하여 변속기의 입력토크(Treq)를 결정하고, 변속기의 입력토크(Treq)가 엔진(200)의 최소가용 효율라인(A)과 최대가용 효율라인(B)의 사이에 위치되는지를 판정하여 ECU(102)를 통해 운전점이 최소가용 효율라인(A)과 최대가용 효율라인(B) 사이의 최점점에 위치되도록 제어한다.

상기 HCU(104)는 변속기의 입력토크(Treq)가 엔진(200)의 최소가용 효율라인(A) 보다 작은 상태이면 ECU(102)를 통해 엔진(200)의 운전점을 최소가용 효율라인으로 제어하고, 엔진(200)의 잉여 출력으로 발전되는 전압은 배터리(108)의 충전에 사용한다.

상기 HCU(104)는 변속기의 입력토크(Treq)가 엔진(200)의 최대가용 효율라인(B)을 초과하는 상태이면 ECU(102)를 통해 엔진(200)의 운전점을 최대가용 효율라인으로 제어하고, 토크 부족 분은 모터에 의한 동력 보조로 지원될 수 있도록 한다.

BMS(105)는 동력원이 저장되는 배터리(108)의 전압, 전류, 온도 등의 정보를 종합 검출하여 배터리(108)의 충전상태를 관리 제어하며, 배터리(108)의 충방전 전류량을 제어하여 한계전압 이하로 과방전되거나 한계전압 이상으로 과충전되지 않도록 한다.

표시부(106)는 클러스터에 구비되는 표시수단으로 운행에 따른 차량의 제반적인 상태정보를 설정된 방식으로 표시하며, BMS(105)에서 인가되는 배터리(104)의 충전상태를 게이지나 숫자 등을 포함하는 설정된 소정의 방식으로 표시한다.

PCU(107)는 MCU(Motor Control Unit)와 복수개의 전력 스위칭소자로 구성되는 인버터를 포함하며, 상기 HCU(104)에서 인가되는 제어신호에 따라 배터리(108)에서 공급되는 직류전압을 3상 교류전압으로 변환시켜 모터(300)를 구동시킨다.

또한, 상기 모터(300)를 발전기로 구동시켜 배터리(108)를 충전한다.

상기 전력 스위칭소자는 IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor), MOSFET, 트랜지스터 중 어느 하나로 구성되며, 예를 들어 IGBT로 구성된다.

배터리(108)는 엔진(200)의 출력을 보조하기 위하여 모터(300)에 전압을 공급하고, 모터(300)에서 발전되는 전압을 충전시킨다.

보호장치(110)는 PCU(107)와 배터리(108)의 사이에 장착되어 구동전원의 흐름을 감시하고, 차량의 추돌이나 충돌, 벼락 노출 등 다양한 원인에 의해 구동전원에 과전압, 과전류가 유입되는 경우 구동전원을 분산 혹은 차단시켜 하이브리드 자동차내의 제반 시스템을 보호한다.

엔진(200)은 ECU(102)의 제어에 따라 운전점이 최소가용 효율라인(A)과 최대가용 효율라인(B)의 사이에서 구동된다.

모터(300)는 PCU(107)의 제어에 따라 3상 교류전압으로 구동되어 엔진(200)의 출력토크를 지원하고, 엔진(200)의 출력에 잉여 토크가 있는 경우나 제동시 발전기로 동작된다.

클러치(210)는 HCU(104)의 제어에 따라 동작되어 엔진(200)과 모터(300)간의 동력을 연결하거나 차단시켜 운전상황에 따라 적절한 출력토크를 유지시킨다.

변속기(400)는 상기 TCU(103)의 제어에 따라 변속비가 조정되며, 클러치(210)를 통해 합산되어 인가되는 출력토크를 조정되는 변속비로 분배하여 구동륜(500)에 전달시켜 자동차가 주행될 수 있도록 한다.

상기 변속기(400)는 통상적으로 자동변속기 혹은 무단변속기로 적용된다.

상기한 기능을 포함하는 본 발명에 따른 하이브리드 차량에서 통상적인 동작은 종래의 하이브리드 자동차와 동일 내지 유사하게 실행되므로 이에 대한 구체적인 설명은 생략한다.

본 발명은 운전요구에 따라 엔진의 운전점이 동력 분배에서 최대의 효율을 갖도록 하는 것으로 이에 대한 동작에 대해서만 구체적으로 설명한다.

도 2는 본 발명의 실시예에 따른 하이브리드 차량의 엔진 제어절차를 도시한 흐름도이다.

도 2를 참조하면, 본 발명이 적용되는 하이브리드 차량의 운행이 개시되면 운전요구검출부(101)는 운전자가 작동하는 가속페달의 변위, 브레이크 페달의 온/오프, 클러치 페널의 온/오프 등을 포함하는 운전요구를 검출하여 캔 네트워크로 연결된 상위 제어기인 HCU(104)에 인가한다(S101).

HCU(104)는 인가되는 운전요구를 분석하여 변속기(400)의 입력토크(Treq)를 결정한다(S102).

이후, 상기 HCU(104)는 도 3과 같이 설정되는 엔진 효율 맵과 결정된 변속기(400)의 입력토크(Treq)를 비교하여 입력토크(Treq)가 엔진(200)의 최소 가용효율 라인(A)을 초과하는지 판단한다(S103).

상기 S103의 판단에서 입력토크(Treq)가 엔진(200)의 최소 가용효율 라인(A)을 초과하지 않는 상태, 즉 최소 가용효율 라인(A) 미만인 상태이면 ECU(102)를 통해 엔진(200)의 운전점을 최소 가용효율 라인(A)에 위치되도록 제어한다(S104).

즉, HCU(104)는 운전점을 조정시키는 제어신호를 ECU(102)에 출력하고, ECU(102)는 이에 따라 엔진(200)의 운전점을 최소 가용효율 라인(A)에 위치되도록 출력을 상승 제어한다.

이때, 엔진(200)의 과다 출력으로 인하여 잉여 토크가 발생되므로, HCU(104)는 PUC(107)를 통해 모터(300)를 발전기로 동작시켜 잉여 토크로 전압을 발전시키고, 발전된 전압을 배터리(108)에 충전한다(S105).

또한, 상기 S103의 판단에서 입력토크(Treq)가 엔진(200)의 최소 가용효율 라인을 초과하면 최대 가용효율 라인(B) 미만인지를 판단한다(S106).

상기 S106의 판단에서 입력토크(Treq)가 엔진(200)의 최대 가용효율 라인(B) 미만이 아니면, 즉 최대 가용효율 라인(B)을 초과한 상태이면 ECU(102)를 통해 엔진(200)의 운전점을 최대 가용효율 라인(B)에 위치되도록 제어한다(S107).

즉, HCU(104)는 운전점을 조정시키는 제어신호를 ECU(102)에 출력하고, ECU(102)는 이에 따라 엔진(200)의 운전점을 최대 가용효율 라인(B)에 위치되도록 출력을 하강 제어한다.

이때, 엔진(200)의 출력 하강에 따른 토크 부족이 발생하므로, HCU(104)는 PCU(107)를 통해 모터(300)를 작동시켜 토크 부족분에 대한 동력을 보조함으로써, 안정된 거동이 유지되도록 한다(S108).

또한, 상기 S103의 판단에서 입력토크(Treq)가 최소 가용효율 라인(A)을 초과하고, S106의 판단에서 최대 가용효율 라인(B) 미만이면 HCU(104)는 엔진(200)의 출력이 최적의 상태로 제어되는 것으로 판정하여(S109), ECU(102)를 통해 현재의 운전점을 유지시킨다(S110).

따라서, 차량의 운전 상황에 따라 엔진(200)의 운전점이 제어되어 하이브리드 차량의 효율을 극대화함으로써, 주행에 따른 연비 향상을 제공한다.

이상에서는 본 발명의 실시예에 대하여 설명하였으나, 본 발명의 사상은 본 명세서에 제시되는 실시 예에 제한되지 아니하며, 본 발명의 사상을 이해하는 당업자는 동일한 사상의 범위 내에서 구성요소의 부가, 변경, 추가, 삭제 등에 의해서 다른 실시 예를 용이하게 제안할 수 있을 것이나, 이 또한 본 발명의 사상범위 내에 포함된다고 할 것이다.

101 : 운전요구검출부 102 : ECU
103 : TCU 104 : HCU
105 : BMS 106 : 표시부
107 : PCU 108 : 배터리
110 : 보호장치 200 : 엔진
300 : 모터 400 : 변속기

Claims (7)

1. 동력원으로 엔진과 모터가 구성되는 하이브리드 차량에 있어서,
   운전자의 운전요구를 검출하는 운전요구검출부;
   엔진의 동작을 제어하는 엔진제어수단;
   운전요구를 분석하여 변속기의 입력토크를 결정하고, 입력토크에 따라 엔진제어수단을 통해 엔진의 운전점이 최소가용 효율라인과 최대가용 효율라인의 사이에 위치되도록 제어하는 하이브리드 제어기;
   를 포함하는 하이브리드 차량의 엔진 제어장치.
2. 제1항에 있어서,
   상기 하이브리드 제어기는 변속기의 입력토크가 엔진의 최소가용 효율라인 미만이면 엔진의 운전점을 최소가용 효율라인으로 제어하고, 모터를 발전기로 제어하여 엔진의 잉여 출력으로 배터리의 충전시키는 것을 특징으로 하는 하이브리드 차량의 엔진 제어장치.
3. 제1항에 있어서,
   상기 하이브리드 제어기는 변속기의 입력토크가 엔진의 최대가용 효율라인을 초과하면 엔진의 운전점을 최대가용 효율라인으로 제어하고, 모터를 작동시켜 토크 부족 분을 보조하는 것을 특징으로 하는 하이브리드 차량의 엔진 제어장치.
4. 운전요구로부터 변속기 입력토크를 결정하는 과정;
   변속기 입력토크와 엔진의 최소/최대 가용 효율라인을 비교하여 엔진의 운전점을 결정하는 과정;
   운전점에 따라 엔진의 출력을 제어하는 과정;
   을 포함하는 하이브리드 차량의 엔진 제어방법.
5. 제4항에 있어서,
   상기 변속기 입력토크가 엔진의 최소가용 효율라인 미만이면 엔진 운전점을 최소가용 효율라인에 위치시키고, 모터를 발전기로 작동시켜 잉여 토크로 배터리 충전을 실행하는 것을 특징으로 하이브리드 차량의 엔진 제어방법.
6. 제4항에 있어서,
   상기 변속기 입력토크가 엔진의 최대가용 효율라인을 초과하면 엔진 운전점을 최대가용 효율라인에 위치시키고, 모터를 구동시켜 토크 부족 분을 지원시키는 것을 특징으로 하는 하이브리드 차량의 엔진 제어방법.
7. 제4항에 있어서,
   상기 변속기 입력토크가 엔진의 최소/최대 가용 효율라인의 사이에 포함되면 현재의 운전점을 유지 제어시키는 것을 특징으로 하는 하이브리드 차량의 엔진 제어방법.

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