KR20190049194A - 하이브리드 자동차 및 그를 위한 주행 모드 제어 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 하이브리드 자동차 및 그를 위한 주행 모드 제어 방법에 관한 것으로, 보다 상세히는 목적지까지의 경로 정보를 이용하여 배터리의 충전량 변동에 관련된 주행 모드 변경을 수행할 수 있는 하이브리드 자동차 및 그 제어방법에 관한 것이다. 본 발명의 일 실시예에 따른 엔진 기동 상황에 따른 공기 저항 계수 변경 수단을 구비하는 하이브리드 자동차의 모드 전환 제어 방법은, 주행 경로를 복수의 구간으로 구분하고, 상기 구분된 복수의 구간 각각에 대한 구간별 주행 부하를 연산하는 단계; 상기 연산된 구간별 주행 부하를 이용하여 배터리의 충전 상태의 변동에 따른 제1 주행 모드에서 제2 주행 모드로의 변경 기준이 되는 기준 주행 부하를 결정하는 단계; 및 상기 복수의 구간 중 상기 기준 주행 부하에 해당하는 구간에 대하여 제1 주행 모드 주행 구간 또는 상기 제1 주행 모드와 상기 제2 주행 모드가 병존하는 주행 구간으로 설정하는 단계를 포함할 수 있다. 여기서, 상기 설정하는 단계는 상기 주행 경로 상에서 상기 기준 주행 부하에 해당하는 구간과 그 다음 구간의 속력을 고려하여 수행될 수 있다.

Description

하이브리드 자동차 및 그를 위한 주행 모드 제어 방법{HYBRID VEHICLE AND METHOD OF CHANGING OPERATION MODE FOR THE SAME}
본 발명은 하이브리드 자동차 및 그를 위한 주행 모드 제어 방법에 관한 것으로, 보다 상세히는 목적지까지의 경로 정보를 이용하여 배터리의 충전량 변동에 관련된 주행 모드 변경을 수행할 수 있는 하이브리드 자동차 및 그 제어방법에 관한 것이다.
하이브리드 자동차(HEV: Hybrid Electric Vehicle)란 일반적으로 두 가지 동력원을 함께 사용하는 차를 말하며, 두 가지 동력원은 주로 엔진과 전기모터가 된다. 이러한 하이브리드 자동차는 내연기관만을 구비한 차량에 비해 연비가 우수하고 동력성능이 뛰어날 뿐만 아니라 배기가스 저감에도 유리하기 때문에 최근 많은 개발이 이루어지고 있다.
이러한 하이브리드 자동차는 어떠한 동력계통(Power Train)을 구동하느냐에 따라 두 가지 주행 모드로 동작할 수 있다. 그 중 하나는 전기모터만으로 주행하는 전기차(EV) 모드이고, 다른 하나는 전기모터와 엔진을 함께 가동하여 동력을 얻는 하이브리드 전기차(HEV) 모드이다. 하이브리드 자동차는 주행 중 조건에 따라 두 모드 간의 전환을 수행한다.
상술한 동력계통에 따른 주행 모드의 구분 외에, 특히 플러그인 하이브리드 자동차(PHEV)의 경우 배터리의 충전 상태(SOC: State Of Charge)의 변동을 기준으로, 방전(CD: Charge Depleting) 모드와 충전 유지(CS: Charge Sustaining) 모드로 주행 모드를 구분할 수도 있다. 일반적으로 CD 모드에서는 배터리의 전력으로 전기 모터를 구동하여 주행하게 되며, CS 모드에서는 배터리 SOC가 더 낮아지지 않도록 엔진의 동력을 주로 이용하게 된다.
일반적인 PHEV의 경우 주행 부하, 충전 가능 여부, 목적지까지의 거리 등 주행조건과 무관하게 CD 모드로 주행한 후 SOC 소진에 따라 CS 모드로 전환을 수행한다. 이를 도 1을 참조하여 설명한다.
도 1은 일반적인 플러그인 하이브리드 차량의 모드 전환이 수행되는 형태의 일례를 나타낸다.
도 1에서 가로축은 거리를, 상단 그래프의 세로축은 PHEV의 배터리 충전 상태(SOC)를, 하단 그래프의 세로축은 주행 부하를 각각 나타낸다.
도 1의 하단 그래프를 먼저 참조하면, 출발지와 목적지 사이에 도심, 국도, 고속도로 구간이 혼재하며, 고속도로-국도-도심 순으로 주행부하가 상대적으로 낮은 경로가 나타나 있다. 이러한 경로를 주행함에 있어 일반적인 PHEV는 주행 부하의 변동에 대한 고려 없이 출발시에는 CD 모드로 시작하여, SOC가 기 설정된 기준 밑으로 떨어지는 경우 CS 모드로의 전환을 수행한다.
그런데, CD 모드는 저속/저부하 주행시에, CS 모드는 고속/고부하 주행시에 상대적으로 유리한 효율을 보인다. 따라서, 상술한 바와 같이 SOC 값에만 기반하여 모드 전환을 수행하게 되는 경우, 주행 부하와 하이브리드 파워 트레인의 에너지 효율 특성이 고려되지 않기 때문에 경로에 따라 효율이 크게 떨어질 수 있다. 이러한 하이브리드 파워 트레인의 에너지 효율 특성을 도 2를 참조하여 설명한다.
도 2는 일반적인 하이브리드 차량의 파워트레인 에너지 효율 특성을 설명하기 위한 도면이다.
도 2에서 가로축은 파워트레인의 출력(POWER)을, 세로축은 파워트레인의 시스템 효율을 각각 나타낸다.
도 2를 참조하면, 출력이 낮은 구간에서는 전기 모터를 이용한 EV 모드 주행이 효과적이나, EV 모드의 효율과 HEV 모드의 효율이 서로 교차되는 지점(A) 이후로는 HEV 모드 주행이 더 효과적이다. 또한, 일반적으로 전기 모터는 엔진보다 최대 출력 지점(C)에 먼저 도달하게 된다.
따라서, (A) 지점이 CS 모드에서 엔진 기동의 기준이 될 수 있으며, HEV 모드의 효율이 최대가 되는 지점(B)이 CD 모드에서 엔진 기동의 기준이 될 수 있다.
상술한 효율 문제를 개선하기 위해 적응형 모드 전환(Adaptice CD/CS) 방식이 고려될 수 있다. 적응형 모드 전환 방식은 전기 모터만으로 주행 가능한 거리(AER: All Electric Range) 보다 장거리를 주행 하는 경우에 다음 충전 전까지의 주행거리(DUC: Distance Until Charge)와 EV 모드 주행가능거리(DTE: Drive To Empty) 및 주행조건 등을 이용하여 CD/CS모드를 최적 효율에 따라 자동 전환하는 제어 방식이다.
예컨대, 적응형 모드 전환 방식이 적용되는 경우, 차량은 주행 조건에 기반하여 현재의 주행부하가 일정값 이상인 경우 CS 모드로 주행하고, 주행 부하가 낮을 경우 CD 모드로 주행할 수 있다. 물론, 차량은 주행 부하가 큰 구간이라도 DUC≤DTE인 경우, CD 주행으로 SOC를 소진하여 DUC 내에서 SOC를 소진하도록 유도할 수도 있다. 이러한 적응형 모드 전환 방식을 도 3을 참조하여 설명한다.
도 3은 일반적인 플러그인 하이브리드 차량에서 적응형 모드 전환 방식이 적용된 경우 모드 전환이 수행되는 형태의 일례를 나타낸다. 도 3에서 가로축과 세로축의 의미 및 경로 구성은 도 1과 동일한 것으로 가정한다.
도 3을 참조하면, 처음 주행은 CD 모드로 시작되나, 기 설정된 주행 부하를 넘는 구간(여기서는 고속도로)에 진입하는 경우 SOC가 일정 값 이상이라도 CS 모드로 전환하게 되며, DUC≤DTE인 구간에서 다시 CD 모드로 전환되어 효율적인 주행이 가능하다.
한편, 차량 연비는 주행 부하와 직결되는데, 주행 부하의 하나로 공기 저항을 들 수 있다. 공기 저항은 속력의 제곱과 공기 저항 계수에 비례하는데, 속력은 운전자의 의지가 반영되므로 공기 저항을 낮추기 위해서는 공기 저항 계수를 낮추는 방안이 우선 고려된다. 이러한 방안의 하나로 하이브리드 차량과 같은 친환경 차량은 라디에이터 그릴과 라디에이터 사이에 개폐가 가능한 플랩인 액티브 애어 플랩(AAF: Active Air Flap)이 장착된다. 액티브 에어 플랩을 구비한 차량은 고속 주행시 플랩을 폐쇄하여 공기 저항을 낮추거나 엔진룸 내부 온도가 상승하면 이를 개방하여 정상적인 엔진룸 냉각이 수행되도록 할 수 있다.
그런데, 일반적인 적응형 모드 전환 방식은 모드별 주행 구간 설정에 있어서 주행 부하와 SOC는 고려하지만 공기 저항과 연관된 액티브 에어 플랩의 가동은 고려하지 않고 있다.
본 발명은 보다 효율적으로 모드 전환 제어를 수행하는 방법 및 그를 수행하는 하이브리드 차량을 제공하기 위한 것이다.
특히, 본 발명은 친환경 차량의 액티브 에어 플랩의 가동을 고려한 효율적인 주행 모드 전환 방법 및 그를 수행하는 차량을 제공하기 위한 것이다.
본 발명에서 이루고자 하는 기술적 과제들은 이상에서 언급한 기술적 과제들로 제한되지 않으며, 언급하지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
상기와 같은 기술적 과제를 해결하기 위하여, 본 발명의 일 실시예에 따른 엔진 기동 상황에 따른 공기 저항 계수 변경 수단을 구비하는 하이브리드 자동차의 모드 전환 제어 방법은, 주행 경로를 복수의 구간으로 구분하고, 상기 구분된 복수의 구간 각각에 대한 구간별 주행 부하를 연산하는 단계; 상기 연산된 구간별 주행 부하를 이용하여 배터리의 충전 상태의 변동에 따른 제1 주행 모드에서 제2 주행 모드로의 변경 기준이 되는 기준 주행 부하를 결정하는 단계; 및 상기 복수의 구간 중 상기 기준 주행 부하에 해당하는 구간에 대하여 제1 주행 모드 주행 구간 또는 상기 제1 주행 모드와 상기 제2 주행 모드가 병존하는 주행 구간으로 설정하는 단계를 포함할 수 있다. 여기서, 상기 설정하는 단계는 상기 주행 경로 상에서 상기 기준 주행 부하에 해당하는 구간과 그 다음 구간의 속력을 고려하여 수행될 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 엔진 기동 상황에 따른 공기 저항 계수 변경 수단을 구비하는 하이브리드 자동차는, 주행 경로에 대한 정보를 획득하는 제1 제어기; 및 주행 경로를 복수의 구간으로 구분하고, 상기 구분된 복수의 구간 각각에 대한 구간별 주행 부하를 연산하고, 상기 연산된 구간별 주행 부하를 이용하여 배터리의 충전 상태의 변동에 따른 제1 주행 모드에서 제2 주행 모드로의 변경 기준이 되는 기준 주행 부하를 결정하며, 상기 복수의 구간 중 상기 기준 주행 부하에 해당하는 구간에 대하여 제1 주행 모드 주행 구간 또는 상기 제1 주행 모드와 상기 제2 주행 모드가 병존하는 주행 구간으로 설정하는 제2 제어기를 포함할 수 있다. 여기서 상기 제2 제어기는, 상기 주행 경로 상에서 상기 기준 주행 부하에 해당하는 구간과 그 다음 구간의 속력을 고려하여 상기 설정을 수행할 수 있다.
상기와 같이 구성되는 본 발명의 적어도 하나의 실시예에 관련된 하이브리드 자동차는 보다 효율적으로 모드 전환 제어를 수행할 수 있다.
특히, 상대적으로 속도가 낮은 구간에서 액티브 에어 플랩이 개방될 수 있도록 적응적 모드 전환이 수행되므로 액티브 에어 플랩의 개방에 의한 공기 저장이 최소화될 수 있다.
본 발명에서 얻을 수 있는 효과는 이상에서 언급한 효과들로 제한되지 않으며, 언급하지 않은 또 다른 효과들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
도 1은 일반적인 플러그인 하이브리드 차량의 모드 전환이 수행되는 형태의 일례를 나타낸다.
도 2는 일반적인 하이브리드 차량의 파워트레인 에너지 효율 특성을 설명하기 위한 도면이다.
도 3은 일반적인 플러그인 하이브리드 차량에서 적응형 모드 전환 방식이 적용된 경우 모드 전환이 수행되는 형태의 일례를 나타낸다.
도 4는 본 발명의 실시예들이 적용될 수 있는 하이브리드 자동차의 파워 트레인 구조의 일례를 나타낸다.
도 5은 본 발명의 실시예들이 적용될 수 있는 하이브리드 자동차의 제어 계통의 일례를 나타내는 블럭도이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 CS 모드 주행 구간이 배치될 수 있는 구간을 설명하기 위한 도면이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 CS 모드 주행 구간이 상대적 고속 영역에 배치된 상황의 일례를 나타낸다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 CS 모드 주행 구간이 상대적 저속 영역에 배치된 상황의 일례를 나타낸다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 주행 구간의 주행 부하 연산 결과의 일례를 나타낸다.
도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 주행 구간을 재정렬한 결과의 일례를 나타낸다.
도 11은 도 10의 구간 배치를 다시 주행 경로 순으로 재정렬한 결과의 일례를 나타낸다.
도 12는 본 발명의 일 실시예에 따른 AAF 개방을 고려한 구간 할당 기준의 일례를 설명하기 위한 도면이다.
도 13은 본 발명의 일 실시예에 따른 주행 구간이 설정된 결과의 일례를 나타낸다.
도 14는 본 발명의 일 실시예에 따른 모드 전환 제어 과정의 일례를 나타낸 순서도이다.
아래에서는 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시 예에 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 실시 예에 한정되지 않는다. 그리고 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다.
명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성 요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다. 또한, 명세서 전체에 걸쳐서 동일한 참조번호로 표시된 부분들은 동일한 구성요소들을 의미한다.
본 발명의 실시예에 따른 모드 전환 방법을 설명하기 앞서, 도 4 및 도 5를 참조하여 본 발명의 실시예들에 적용될 수 있는 친환경 차량의 구조를 설명한다.
도 4는 본 발명의 실시예들이 적용될 수 있는 하이브리드 자동차의 파워 트레인 구조의 일례를 나타낸다.
도 4를 참조하면, 내연기관 엔진(ICE, 110)과 변속기(150) 사이에 전기 모터(또는 구동용 모터, 140)와 엔진클러치(EC: Engine Clutch, 130)를 장착한 병렬형(Parallel Type) 하이브리드 시스템을 채용한 하이브리드 자동차의 파워 트레인이 도시된다.
이러한 차량에서는 일반적으로 시동후 운전자가 엑셀레이터를 밟는 경우, 엔진 클러치(130)가 오픈된 상태에서 먼저 배터리의 전력을 이용하여 모터(140)가 구동되고, 모터의 동력이 변속기(150) 및 종감속기(FD: Final Drive, 160)를 거쳐 바퀴가 움직이게 된다(즉, EV 모드). 차량이 서서히 가속되면서 점차 더 큰 구동력이 필요하게 되면, 보조 모터(또는, 시동발전 모터, 120)가 동작하여 엔진(110)을 구동할 수 있다.
그에 따라 엔진(110)과 모터(140)의 회전속도가 동일해 지면 비로소 엔진 클러치(130)가 맞물려 엔진(110)과 모터(140)가 함께, 또는 엔진(110)이 차량를 구동하게 된다(즉, EV 모드에서 HEV 모드 천이). 차량이 감속되는 등 기 설정된 엔진 오프 조건이 만족되면, 엔진 클러치(130)가 오픈되고 엔진(110)은 정지된다(즉, HEV 모드에서 EV 모드 천이). 또한, 하이브리드 차량에서는 제동시 휠의 구동력을 전기 에너지로 변환하여 배터리를 충전할 수 있으며, 이를 제동에너지 회생, 또는 회생 제동이라 한다.
시동발전 모터(120)는 엔진에 시동이 걸릴 때에는 스타트 모터의 역할을 수행하며, 시동이 걸린 후 또는 시동 오프시 엔진의 회전 에너지 회수시에는 발전기로 동작하기 때문에 "하이브리드 스타트 제너레이터(HSG: Hybrid Start Generator)"라 칭할 수 있으며, 경우에 따라 "보조 모터"라 칭할 수도 있다.
상술한 파워 트레인이 적용되는 차량에서 제어기 간의 상호관계가 도 5에 도시된다.
도 5는 본 발명의 실시예들이 적용될 수 있는 하이브리드 자동차의 제어 계통의 일례를 나타내는 블럭도이다.
도 5를 참조하면, 본 발명의 실시예들이 적용될 수 있는 하이브리드 자동차에서 내연기관(110)은 엔진 제어기(210)가 제어하고, 시동발전 모터(120) 및 전기 모터(140)는 모터 제어기(MCU: Motor Control Unit, 220)에 의해 토크가 제어될 수 있으며, 엔진 클러치(130)는 클러치 제어기(230)가 각각 제어할 수 있다. 여기서 엔진 제어기(210)는 엔진 제어 시스템(EMS: Engine Management System)이라도 한다. 또한, 변속기(150)는 변속기 제어기(250)가 제어하게 된다. 경우에 따라, 시동발전 모터(120)의 제어기와 전기 모터(140) 각각을 위한 제어기가 별도로 구비될 수도 있다.
각 제어기는 그 상위 제어기로서 모드 전환 과정 전반을 제어하는 하이브리드 제어기(HCU: Hybrid Controller Unit, 240)와 연결되어, 하이브리드 제어기(240)의 제어에 따라 주행 모드 변경, 기어 변속시 엔진 클러치 제어에 필요한 정보, 및/또는 엔진 정지 제어에 필요한 정보를 그(240)에 제공하거나 제어 신호에 따른 동작을 수행할 수 있다.
보다 구체적으로, 하이브리드 제어기(240)는 차량의 운행 상태에 따라 모드 전환 수행 여부를 결정한다. 일례로, 하이브리드 제어기는 엔진 클러치(130)의 해제(Open) 시점을 판단하고, 해제시에 유압(습식 EC인 경우)제어나 토크 용량 제어(건식 EC인 경우)를 수행한다. 또한, 하이브리드 제어기(240)는 EC의 상태(Lock-up, Slip, Open 등)를 판단하고, 엔진(110)의 연료분사 중단 시점을 제어할 수 있다. 또한, 하이브리드 제어기는 엔진 정지 제어를 위해 시동발전 모터(120)의 토크를 제어하기 위한 토크 지령을 모터 제어기(220)로 전달하여 엔진 회전 에너지 회수를 제어할 수 있다. 아울러, 하이브리드 제어기(240)는 후술할 본 발명의 실시예들에 따른 적응형 모드 전환 제어시 모드 전환 조건의 판단 및 전환을 위한 하위 제어기의 제어가 가능하다.
물론, 상술한 제어기간 연결관계 및 각 제어기의 기능/구분은 예시적인 것으로 그 명칭에도 제한되지 아니함은 당업자에 자명하다. 예를 들어, 하이브리드 제어기(240)는 그를 제외한 다른 제어기들 중 어느 하나에서 해당 기능이 대체되어 제공되도록 구현될 수도 있고, 다른 제어기들 중 둘 이상에서 해당 기능이 분산되어 제공될 수도 있다.
이하에서는 상술한 차량 구조를 바탕으로, 본 발명의 일 실시예에 따른 보다 효율적인 모드 전환 제어 방법을 설명한다.
액티브 에어 플랩(이하, 편의상 "AAF"라 칭함)의 개방은 기본적으로 엔진 온도, 즉, 냉각 수온과 관련이 깊다. 예컨대, 냉각 수온이 기 설정된 제1 온도 이상이 되면 엔진룸의 원활한 공랭이 수행되도록 AAF가 개방 제어되고, 냉각 수온이 기 설정된 제2 온도 이하가 되면 다시 공기 저항 감소를 위한 AAF의 폐쇄 제어가 가능하다. 결국, 적응형 모드 전환 제어 과정에서 AAF가 개방되는 경우는 냉각 수온의 상승이 전제 조건이 되므로, CS 모드에서 엔진 가동이 수행된 후가 될 것이다. 그렇다면, 적응형 모드 전환 제어 과정에서 CS 모드 주행 구간이 주행 구간 중 어디에 배치되느냐에 따라 AAF의 개방 환경이 달라지게 된다. 이하에서는 도 6 내지 도 8을 참조하여 CS 모드 주행 구간의 배치 변경에 따른 AAF 개방의 영향을 설명한다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 CS 모드 주행 구간이 배치될 수 있는 구간을 설명하기 위한 도면이다.
도 6을 참조하면, 주행 경로 상에 도심, 국도, 고속도로, 도심 구간이 순서대로 위치하며, 주행 부하는 하단 그래프에 대응된다. 이때, 일반적인 경로 기반 적응적 모드 변경 방법이 적용되는 경우에는 도 6에 도시된 바와 같이 주행 부하가 상대적 부하 기준에 도달하면 바로 CS 모드로의 변경이 이루어진다. 그러나, 반드시 상대적 부하 기준에 도달하는 즉시 CS 모드로 천이되어야 하는 것은 아니고, 주행 부하 조건만 만족된다면 "천이 가능 구간" 내에서는 CS 모드 주행 구간이 상단 그래프와 상이하게 설정되어도 무방하다고 할 수 있다. 그런데, 전술한 바와 같이 CS 모드 주행 구간이 시작되면, 엔진 기동에 따른 냉각 수온 상승으로 곧 AAF가 개방제어될 것인 바, "천이 가능 구간" 내에서도 어디에 CS 모드 주행 구간을 설정하는 것이 AAF 개방에 유리한지를 알아볼 필요가 있다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 CS 모드 주행 구간이 상대적 고속 영역에 배치된 상황의 일례를 나타내고, 도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 CS 모드 주행 구간이 상대적 저속 영역에 배치된 상황의 일례를 나타낸다.
도 7과 도 8에서는 공통적으로 도 6에서 설명한 천이 가능 구간이 동일하게 적용되되, 주행 부하는 차속에 비례하는 것으로 가정한다. 또한, 도 7에서는 천이 가능 구간 중 상대적으로 차속이 높은 전반부에 CS 모드 주행 구간이 배치되고, 도 8에서는 천이 가능 구간 중 상대적으로 차속이 낮은 후반부에 CS 모드 주행 구간이 배치되는 것으로 가정한다.
도 7을 참조하면, 고속도로 진입 즉시 CS 모드 전환이 수행되며, CS 모드 전환 후 냉각 수온 상승에 의해 AAF가 고속일 때 개방된다. 이와 달리, 도 8에서는 상대적으로 AAF가 개방되는 구간의 차속이 도 7에 비해 낮다. 전술한 바와 같이, 공기 저항은 속도의 제곱과 공기 저항 계수에 비례하기 때문에, 고속에서 AAF의 개방에 의한 공기 저항 계수의 상승은 저속에서의 AAF 개방시 대비 더욱 큰 공기 저항을 야기한다.
결국, AAF는 저속 구간에서 개방되는 것이 바람직하므로, AAF의 개방을 고려한다면 천이 가능 구간 내에서도 저속 구간에 CS 구간을 할당하는 것이 바람직함을 알 수 있다.
따라서, 본 발명의 일 실시예에서는 주행 경로의 부하를 연산하고, 그에 따라 천이 가능 구간을 판단하며, 천이 가능 구간 내에서 AAF 개방에 따른 공기 저항 증대가 최소화되는 지점에 CS 모드 주행 구간이 배치되도록 할 것을 제안한다.
이하, 본 실시예에 따른 CS 모드 주행 구간 선정 과정을 도 9 내지 도 13을 참조하여 설명한다. 이하의 설명에서, 차량에는 기 설정된 방법(예컨대, 자주 주행하는 경로로 인식된 경우, 네비게이션을 통해 목적지가 입력된 경우 등)을 통해 목적지 정보 및 그에 따른 경로 정보(예컨대, 주행 부하를 산정하는데 필요한 정보)가 획득되어 있으며, 본 실시예에 따른 적응적 주행 모드 변경 제어가 활성화된 상황을 가정한다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 주행 구간의 주행 부하 연산 결과의 일례를 나타낸다.
도 9를 참조하면, 먼저 차량(예컨대, 하이브리드 제어기)에서 주행 경로를 소정의 기준에 따라 복수의 구간으로 구분하고, 각 구간별로 주행 부하를 산정할 수 있다. 그에 따라, 도 9에서는 목적지까지의 구간이 8개로 구분되며, 각 구간별 주행 부하가 산정된 상황이 도시되었다. 이때, 주행 부하의 연산은 다음의 수학식 1과 같이 연산될 수 있다.
[수학식 1]
Fload = ma + Faero + FR .R. + mgsinθ
수학식 1에서 Fload는 주행 부하를, ma는 차량 중량과 가속도의 곱을, Faero는 공기 저항을, FR .R.은 타이어의 구름 저항 등에 의한 주행 저항을, mgsinθ는 경사에 의한 저항을 각각 나타낸다. 여기서, 공기 저항은 아래 수학식 2화 같이 표현될 수 있다.
[수학식 2]
Faero=1/2·ρC d Af(V x +Vwind)2
수학식 2에서 ρ는 공기밀도, Cd는 공기 저항 계수, Vx는 차량 속도, Vwind는 풍속, Af는 차량의 전방 면적을 각각 나타낸다.
수학식 1 및 수학식 2에서 각 값은 차량에 따라 고정된 값을 갖거나, 경로에 관련된 정보로 직접적으로 또는 간접적 유추/산출이 가능한 수치이므로 구체적인 획득 방법에 대해서는 기술을 생략하기로 한다. 또한, 주행 부하 연산 방법으로 기술한 수학식 1 및 수학식 2의 수식 또한 예시적인 것으로, 다양한 주행 부하 연산 방법이 있음은 당업자에 자명한 바, 반드시 주행 부하의 연산을 수학식 1 및 수학식 2에 따라야 하는 것은 아니다.
구간 분할 및 구간별 주행 부하 연산이 완료되면, 기 설정된 기준에 따라 각 구간이 배치가 도 10과 같이 재정렬될 수 있다.
도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 주행 구간을 재정렬한 결과의 일례를 나타낸다. 구간이 재배치되는 기준은 도 2에 도시된 바와 같은 차량별 파워트레인의 주행 효율과 SOC가 함께 고려될 수 있으나, 설명의 편의를 위해 이하에서는 구간별 주행 부하가 정렬 기준인 것으로 가정한다.
도 10을 참조하면, 먼저 주행 부하가 가장 낮은 구간에서부터 SOC로부터 주행 부하를 차감하는 방식으로 AER이 산출될 수 있다. 이때, SOC가 0 또는 기 설정된 최소값(즉, CD 주행에 사용할 수 있는 에너지의 최대값을 SOC에서 차감한 값) 이 되는 지점을 포함하는 구간에 해당하는 주행 부하가 CS 모드 천이 기준이 된다.
결국, 그래프 최우측으로부터 AER 내에 완전히 포함되는 구간은 CD 모드로 주행하는 구간이 되고, 최좌측의 두 구간은 CS 모드로 주행하는 구간이 된다. 그런데, 도 10과 같이 CS 모드 천이 기준에 해당하는 구간이 두 개(1010, 1020)인 경우에는 어느 하나의 구간은 온전히 CS 모드로 주행하는 구간이 되고, 나머지 하나의 구간은 CS 모드 주행과 CS 모드 주행이 병존하는 구간이 된다. 따라서, 두 구간(1010, 1020)의 주행 모드를 어떻게 할당해야 보다 효율적인 주행이 가능한지가 문제된다.
도 10에 도시된 과정을 통해 CS 천이 기준 부하에 해당하는 구간이 결정된 후, 이를 다시 주행 경로 순서로 재배치한 결과가 도 11에 도시된다.
도 11은 도 10의 구간 배치를 다시 주행 경로 순으로 재정렬한 결과의 일례를 나타낸다. 즉, 도 11에 도시된 바와 같이 두 구간(1010, 1020) 중 어느 하나는 CS 모드 주행 구간이 되고, 나머지 하나는 CS 모드와 CD 모드가 병존하는 주행 구간이 되는데, 앞의 구간(1010)의 전후로는 모두 해당 구간(1010)보다 주행 부하가 높으며, 뒤의 구간(1020) 전후로는 모두 해당 구간(1020)보다 주행 부하가 낮다. 이러한 경우의 구간 할당을 위한 기준 원리를 도 12를 참조하여 설명한다.
도 12는 본 발명의 일 실시예에 따른 AAF 개방을 고려한 구간 할당 기준의 일례를 설명하기 위한 도면이다.
고려해야 할 점은, 도 7 및 도 8에 도시된 바와 같이, CS 구간이라고 해서 바로 AAF가 개방되는 것이 아니라는 점이다. 즉, AAF의 작동 기준으로 인해 CS 구간에서도 냉각 수온이 개방 기준 온도보다 낮다면 그 동안 AAF는 폐쇄되며, CD 구간에서도 AAF 폐쇄 기준 온도까지 냉각수온이 하락하지 않는 경우 AAF는 개방된 상태가 된다. 따라서 CD/CS 모드 천이에 따라 AAF를 통해 주행 부하에 영향을 줄 수 있는 부분은 CS 모드와 CD 모드가 공존하는 구간과, 그 뒷구간이 문제된다. 도 12에서 하나의 블럭은 주행 부하(파워:W)를 의미하는데, 주행부하는 대게 차량 속도에 비례하나 경사등에 의해서도 영향을 받으므로, 공기저항에 의해 사용된 에너지를 비교하기 위해서는 차량속도 프로파일을 고려해야한다.
수학식 2에서 상술한 바와 같이, 공기저항은 속도의 제곱에 비례하므로 공기저항을 이기기 위해 소모되는 에너지는 속도의 세제곱에 비례하게 된다.
즉, 공기 저항을 이기기 위해 소모되는 에너지를 "Eaero"라 하면, Eaero는 Faero의 적분값(Eaero=∫Faerods)이 되고, 이를 다시 표현하면 "∫FaeroVdt"가 되어, 결국 Eaero는 속도의 세제곱에 비례함을 알 수 있다. 결국, 나머지 팩터를 k로 치환하면 "Eaero=kV3"과 같이 표현되되, k에는 냉각수의 냉각에 필요한 시간(t)과 공기 저향 계수(Cd)를 포함하고 있다. 이때 냉각에 필요한 시간 t는 속도의 영향을 무시할 수 있으므로 "k=Cd*W"로 다시 정리하되, W는 k에서 t를 포함하되 Cd의 영향을 제외한 상수가 되며, 차량별 실험을 통해 얻어질 수 있다. 여기서, 속도의 영향을 무시 할 수 있는 이유는 다음과 같다. 열전달량을 Q라 할때, "Q=cmΔT"에서 (c: 엔진 냉각수와 라디에이터 그릴로 유입되는 외기간의 상대 비열, m: 열전달이 일어나는 두 물체간의 유효 질량, ΔT: 엔진 냉각수와 라디에이터 그릴로 유입되는 외기간의 온도차)라 할 수 있다. 차속이 매우 느릴 경우라면 엔진냉각수온에 의해 라디에이터 그릴로 유입되는 외기온이 상승하게 되는데, 이로 인해 ΔT가 감소하여 냉각에 필요한 시간 t가 달라질 수 있다. 그러나, 차속이 일정속도 이상이 되면 라디에이터 그릴로 유입되는 외기가 지속적으로 교체되기 때문에 외기온이 영향을 미칠만큼 상승할 수 없다. 따라서, 속도의 영향이 무시될 수 있는 것이다.
다시 소모 에너지의 관점에서, 도 12의 좌측과 같이 해당 구간 이후 속도가 높아지는 구간이 오는 경우와 해당 구간 이후 속도가 낮아지는 구간이 오는 경우의 에너지 비교는 다음과 같이 수행될 수 있다.
도 12의 좌측 경우와 우측 경우 각각에서 총 소모 에너지는 앞 구간의 소모 에너지(kfVf 3)와 뒷 구간의 소모 에너지(krVr 3)의 합이 되는데, kf에서 공기저항계수를 빼면 총 에너지는 "Cd(WfVf 3+WrVr 3)"와 같이 표현될 수 있다. 여기서, Vf, Vr은 CD/CS 모드 공존 구간과 그 뒷구간의 평균 속도를 각각 나타내며, Vf, Vr은 바람의 영향을 고려하여 V+Vwind로 보정 가능하다.
한편, AAF 개방시 공기 저항 계수는 AAF 폐쇄시 공기 저항 계수보다 크고 (즉, Cd/open>Cd/close), 도 12의 좌측 경우의 소모 에너지인 "Wf1Vf1 3+Wr1Vr1 3"가 우측 경우의 소모 에너지인 "Wf2Vf2 3+Wr2Vr2 3"보다 큰 경우(즉, Wf1Vf1 3+Wr1Vr1 3>Wf2Vf2 3+Wr2Vr2 3)에는 "Cd/open(Wf1Vf1 3+Wr1Vr1 3)+Cd/close(Wf2Vf2 3+Wr2Vr2 3)>Cd/close(Wf1Vf1 3+Wr1Vr1 3)+Cd/open(Wf2Vf2 3+Wr2Vr2 3)"이므로, WfVf 3+WrVr 3가 작은 영역에 CS 모드를 배정해야 에너지 소모가 적다는 결론을 얻을 수 있다. 이에 따른 구간 배정 결과는 도 13과 같다.
도 13은 본 발명의 일 실시예에 따른 주행 구간이 설정된 결과의 일례를 나타낸다.
도 13을 참조하면, 상술한 선정 방법에 따라 두 구간(1010, 1020) 중 앞 구간(1010)에 CS 모드에서 CD 구간으로 변경, 즉, 두 모드가 병존하는 구간으로 결정되고, 뒷 구간(1020)은 CS 모드 주행 구간으로 결정된다.
전술한 과정을 순서도로 정리하면 도 14와 같다.
도 14는 본 발명의 일 실시예에 따른 모드 전환 제어 과정의 일례를 나타낸 순서도이다. 도 14에서 각 단계의 세부적인 과정은 전술한 도 9 내지 도 13의 설명이 참조될 수 있으므로, 명세서의 간명함을 위해 중복되는 기재는 생략하기로 한다.
도 14를 참조하면, 먼저 본 실시예에 따른 AAF를 고려한 적응적 주행 모드 변경(AUTO 주행 모드 변경) 제어 및 목적지가 설정된 경우, 먼저 주행 경로 부하가 연산될 수 있다(S1410). 이때, 주행 경로 부하는 복수의 구간별로 수행될 수 있음은 전술한 바와 같다.
주행 경로 부하가 연산되면, CS 모드로의 천이 기준이 되는 부하가 결정될 수 있다(S1420). 기준 부하 결정 방법은 도 10을 참조하여 전술한 바와 같다.
기준 부하가 결정되면, 그에 따라 CS 모드로 주행할 구간과 CD 모드로 주행될 구간이 결정될 수 있다. 만일, 기준 부하에 해당하는 구간이 둘인 경우에는 도 12를 참조하여 설명한 방법으로 두 구간 중 하나는 두 모드가 공존하는 구간(즉, CS 모드 천이 구간)으로 결정하고, 나머지 구간은 CS 모드 주행 구간으로 결정한다(S1430).
구간 결정이 완료되면, 결정된 구간별 주행 모드에 따른 주행 모드 천이가 이루어지며, CS 모드 천이 구간에서는 잔여거리와 AER을 비교하여(S1440), 잔여거리가 큰 동안은 CS 모드 주행이 수행되며(S1450A), 그렇지 않은 구간에는 CD 모드 주행이 수행된다(S1450B). 이러한 과정은 주행 중 네비게이션 경로 재탐색 등 목적지나 주행 경로의 변화 여부에 따라(S1460), S1410 단계나 S1440 단계로 돌아가 반복 수행될 수 있다.
전술된 기재에서 각 단계의 판단 주체는 하나의 제어기일 수도 있고, 둘 이상의 제어기일 수도 있다. 예컨대, 주행 부하를 연산하는 단계(S1410)는 AVN(Audio/Video/Navigation) 시스템이 수행한 후 그 결과를 하이브리드 제어기로 전달하는 방법으로 수행될 수도 있고, 하이브리드 제어기가 GPS 모듈을 포함하는 AVN 시스템으로부터 해당 단계를 수행하기 위한 정보(예컨대, 경사도, 정체도, 도로 종류, 길이, 경사도, 차속 변화, 현재 위치 등)만 수신한 후 연산/결정 등의 나머지 과정은 하이브리드 제어기에서 수행될 수도 있다.
결국, 본 발명의 실시예들을 정리하면, 엔진의 냉각 필요 여부에 따라 차량의 공기저항을 가변 할 수 있는 장치와 엔진 이외의 동력원이 추가되어 주행 중 엔진 냉각이 불필요한 상황이 있는 하이브리드 차량에서, 주행 경로 부하의 연산과, 엔진 기동 기준 파워의 연산을 통해, 엔진 기동 구간을 정하도록 하되, 공기저항이 높은 영역에서 엔진 냉각을 피하여 연비 향상이 도모될 수 있다.
아울러, 전술한 기재에서는 AAF에 의해 공기 저항 계수가 변동되는 상황을 기준으로 설명하였으나, 이는 예시적인 것으로 AAF가 아닌 주행 모드에 따라 공기 저항 계수를 변경할 수 있는 수단이라면 본 발명의 실시예가 어떠한 장치에도 적용 가능함은 당업자에 자명하다.
전술한 본 발명은, 프로그램이 기록된 매체에 컴퓨터가 읽을 수 있는 코드로서 구현하는 것이 가능하다. 컴퓨터가 읽을 수 있는 매체는, 컴퓨터 시스템에 의하여 읽혀질 수 있는 데이터가 저장되는 모든 종류의 기록장치를 포함한다. 컴퓨터가 읽을 수 있는 매체의 예로는, HDD(Hard Disk Drive), SSD(Solid State Disk), SDD(Silicon Disk Drive), ROM, RAM, CD-ROM, 자기 테이프, 플로피 디스크, 광 데이터 저장 장치 등이 있다.
따라서, 상기의 상세한 설명은 모든 면에서 제한적으로 해석되어서는 아니되고 예시적인 것으로 고려되어야 한다. 본 발명의 범위는 첨부된 청구항의 합리적 해석에 의해 결정되어야 하고, 본 발명의 등가적 범위 내에서의 모든 변경은 본 발명의 범위에 포함된다.

Claims (17)

  1. 엔진 기동 상황에 따른 공기 저항 계수 변경 수단을 구비하는 하이브리드 자동차의 모드 전환 제어 방법에 있어서,
    주행 경로를 복수의 구간으로 구분하고, 상기 구분된 복수의 구간 각각에 대한 구간별 주행 부하를 연산하는 단계;
    상기 연산된 구간별 주행 부하를 이용하여 배터리의 충전 상태의 변동에 따른 제1 주행 모드에서 제2 주행 모드로의 변경 기준이 되는 기준 주행 부하를 결정하는 단계; 및
    상기 복수의 구간 중 상기 기준 주행 부하에 해당하는 구간에 대하여 제1 주행 모드 주행 구간 또는 상기 제1 주행 모드와 상기 제2 주행 모드가 병존하는 주행 구간으로 설정하는 단계를 포함하되,
    상기 설정하는 단계는,
    상기 주행 경로 상에서 상기 기준 주행 부하에 해당하는 구간과 그 다음 구간의 속력을 고려하여 수행되는, 하이브리드 자동차의 모드 전환 제어 방법.
  2. 제1 항에 있어서,
    상기 복수의 구간 중 상기 기준 주행 부하에 해당하는 구간이 둘인 경우, 상기 설정하는 단계는,
    상기 두 구간 중 어느 하나의 구간을 상기 제1 주행 모드 주행 구간으로 설정하는 단계; 및
    상기 두 구간 중 나머지 하나의 구간을 상기 제1 주행 모드와 상기 제2 주행 모드가 병존하는 주행 구간으로 설정하는 단계를 포함하는, 하이브리드 자동차의 모드 전환 제어 방법.
  3. 제2 항에 있어서,
    상기 설정하는 단계는,
    상기 두 구간 각각에 대하여 해당 구간 속도의 세제곱에 기 설정된 제1 상수를 곱한 값과, 상기 주행 경로 상에서 해당 구간의 다음 구간 속도의 세제곱에 기 설정된 제2 상수를 곱한 값의 합을 구하는 단계;
    상기 두 구간 각각에 대해 상기 구해진 합을 서로 비교하는 단계를 더 포함하되,
    상기 제1 주행 모드 주행 구간으로 설정하는 단계는, 상기 비교 결과 상기 구해진 합이 작은 구간을 상기 제1 주행 모드 주행 구간으로 설정하도록 수행되는, 하이브리드 자동차의 모드 전환 제어 방법.
  4. 제3 항에 있어서,
    상기 하이브리드 자동차는,
    상기 공기 저항 계수 변경 수단의 동작에 따라, 상기 엔진의 냉각이 필요한 상황에서의 제1 공기 저항 계수 및 상기 엔진의 냉각이 불필요한 상황에서의 제2 공기 저항 계수를 가지되,
    상기 제1 상수는 상기 제1 공기 저항 계수를 포함하고, 상기 제2 상수는 상기 제2 공기 저항 계수를 포함하는, 하이브리드 자동차의 모드 전환 제어 방법.
  5. 제1 항에 있어서,
    상기 제1 주행 모드와 상기 제2 주행 모드가 병존하는 주행 구간에 진입한 경우, 상기 주행 경로의 목적지까지의 잔여거리와 상기 제2 주행 모드로의 주행 가능 거리를 비교하는 단계를 더 포함하는, 하이브리드 자동차의 모드 전환 제어 방법.
  6. 제1 항에 있어서,
    상기 비교 결과, 상기 잔여거리가 큰 경우 상기 제1 주행 모드로 주행하는 단계; 및
    상기 비교 결과, 상기 주행 가능 거리가 큰 경우 상기 제2 주행 모드로 주행하는 단계를 더 포함하는, 하이브리드 자동차의 모드 전환 제어 방법.
  7. 제1 항에 있어서,
    상기 공기 저항 계수 변경 수단은, 액티브 에어 플랩(AAF)을 포함하는, 하이브리드 자동차의 모드 전환 제어 방법.
  8. 제1 항에 있어서,
    상기 제 1 모드는 충전 유지(CS) 모드를 포함하고,
    상기 제 2 모드는 방전(CD) 모드를 포함하는, 하이브리드 자동차의 모드 전환 제어 방법.
  9. 제1 항 내지 제8 항 중 어느 한 항에 따른 하이브리드 자동차의 모드 전환 제어 방법을 실행시키기 위한 프로그램을 기록한 컴퓨터 해독 가능 기록 매체.
  10. 엔진 기동 상황에 따른 공기 저항 계수 변경 수단을 구비하는 하이브리드 자동차에 있어서,
    주행 경로에 대한 정보를 획득하는 제1 제어기; 및
    주행 경로를 복수의 구간으로 구분하고, 상기 구분된 복수의 구간 각각에 대한 구간별 주행 부하를 연산하고, 상기 연산된 구간별 주행 부하를 이용하여 배터리의 충전 상태의 변동에 따른 제1 주행 모드에서 제2 주행 모드로의 변경 기준이 되는 기준 주행 부하를 결정하며, 상기 복수의 구간 중 상기 기준 주행 부하에 해당하는 구간에 대하여 제1 주행 모드 주행 구간 또는 상기 제1 주행 모드와 상기 제2 주행 모드가 병존하는 주행 구간으로 설정하는 제2 제어기를 포함하되,
    상기 제2 제어기는, 상기 주행 경로 상에서 상기 기준 주행 부하에 해당하는 구간과 그 다음 구간의 속력을 고려하여 상기 설정을 수행하는, 하이브리드 자동차.
  11. 제10 항에 있어서,
    상기 복수의 구간 중 상기 기준 주행 부하에 해당하는 구간이 둘인 경우, 상기 제2 제어기는,
    상기 두 구간 중 어느 하나의 구간을 상기 제1 주행 모드 주행 구간으로 설정하고, 상기 두 구간 중 나머지 하나의 구간을 상기 제1 주행 모드와 상기 제2 주행 모드가 병존하는 주행 구간으로 설정하는, 하이브리드 자동차.
  12. 제11 항에 있어서,
    상기 제2 제어기는,
    상기 두 구간 각각에 대하여 해당 구간 속도의 세제곱에 기 설정된 제1 상수를 곱한 값과, 상기 주행 경로 상에서 해당 구간의 다음 구간 속도의 세제곱에 기 설정된 제2 상수를 곱한 값의 합을 구하고, 상기 두 구간 각각에 대해 상기 구해진 합을 서로 비교하여, 상기 비교 결과 상기 구해진 합이 작은 구간을 상기 제1 주행 모드 주행 구간으로 설정하는, 하이브리드 자동차.
  13. 제12 항에 있어서,
    상기 하이브리드 자동차는,
    상기 공기 저항 계수 변경 수단의 동작에 따라, 상기 엔진의 냉각이 필요한 상황에서의 제1 공기 저항 계수 및 상기 엔진의 냉각이 불필요한 상황에서의 제2 공기 저항 계수를 가지되,
    상기 제1 상수는 상기 제1 공기 저항 계수를 포함하고, 상기 제2 상수는 상기 제2 공기 저항 계수를 포함하는, 하이브리드 자동차.
  14. 제10 항에 있어서,
    상기 제1 주행 모드와 상기 제2 주행 모드가 병존하는 주행 구간에 진입한 경우,
    상기 제2 제어기는,
    상기 주행 경로의 목적지까지의 잔여거리와 상기 제2 주행 모드로의 주행 가능 거리를 비교하는, 하이브리드 자동차.
  15. 제10 항에 있어서,
    상기 제2 제어기는,
    상기 비교 결과, 상기 잔여거리가 큰 경우 상기 제1 주행 모드로 주행이 수행되도록 제어하고, 상기 주행 가능 거리가 큰 경우 상기 제2 주행 모드로 주행이 수행되도록 제어하는, 하이브리드 자동차.
  16. 제10 항에 있어서,
    상기 공기 저항 계수 변경 수단은, 액티브 에어 플랩(AAF)을 포함하는, 하이브리드 자동차.
  17. 제10 항에 있어서,
    상기 제 1 모드는 충전 유지(CS) 모드를 포함하고,
    상기 제 2 모드는 방전(CD) 모드를 포함하는, 하이브리드 자동차.
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