KR100440117B1

KR100440117B1 - 하이브리드 차량의 배터리 충전 제어방법

Info

Publication number: KR100440117B1
Application number: KR10-2001-0053479A
Authority: KR
Inventors: 송성재
Original assignee: 현대자동차주식회사
Priority date: 2001-08-31
Filing date: 2001-08-31
Publication date: 2004-07-12
Also published as: KR20030018878A

Abstract

본 발명은 병렬형 하이브리드 차량의 주행 상태에 따라 적절한 동력보조와 운전감을 제공하도록 엔진에 의한 배터리의 충전을 제어할 수 있는 하이브리드 차량의 배터리 충전 제어방법에 관한 것이다. 본 발명은 배터리의 충전상태를 검출하는 배터리 충전 검출부와; 엔진의 회전속도를 검출하는 엔진 속도 검출부와; 차량의 액셀 페달 답입상태를 검출하여 그에 해당되는 전기적인 출력신호를 발생하는 가속 검출부와; 미리 설정된 기준 동력에 관련된 데이터값을 저장하는 메모리부와; 상기 각각의 검출부로부터 입력되는 값과 미리 설정된 기준 값을 비교 연산하여 배터리 충전에 관련된 전반적인 제어동작을 수행하는 제어부를 포함하는 하이브리드 차량의 배터리 충전 제어방법에 있어서, 상기 가속 검출부를 통해 입력되는 액셀 페달 위치에 따른 출력신호를 기준으로 상기 차량의 요구 동력(Preq)을 연산하는 단계와; 상기 연산된 요구 동력(Preq)과 설정된 기준 동력(Pset)을 비교하는 단계와; 상기 비교단계에서 연산된 요구 동력(Preq)과 설정된 기준 동력(Pset)의 차이에 따라 엔진 동력(Pe)을 설정하는 단계와; 상기 설정된 엔진 동력(Pe)으로 배터리 충전 제어동작을 수행하는 단계로 이루어진다.

Description

하이브리드 차량의 배터리 충전 제어방법{BATTERY CHARGE CONTROLLING METHOD OF HYBRID VEHICLE}

본 발명은 하이브리드 차량에 관한 것으로서, 특히 하이브리드 차량의 배터리 충전 제어방법에 관한 것이다.

통상적으로, 하이브리드 차량은 엔진과 전기 모터, 배터리의 구성으로 이루어지며, 가속시 전기 모터에 의한 동력보조로 엔진의 운전점을 연료 소모율이 최소인 최적의 동작 라인(OOL ; Optimal Operating Line) 가까운 곳으로 보내 연비 향상을 꾀한다.

하이브리드 차량은 엔진으로 발전기를 구동, 그 전력으로 전기 모터를 돌리는 직렬형 하이브리드 차량과, 엔진을 전기 모터로 보조하여 엔진의 부담을 경감시키는 병렬형 하이브리드 차량으로 구분된다.

여기서, 본 발명과 관련된 병렬형 하이브리드 차량을 예를 들어 설명한다.

병렬형 하이브리드 차량의 주행제어방법은 도 1에 도시된 바와 같이 가속 모드, 정속 모드, 감속 모드로 구분되어 있다.

병렬형 하이브리드 차량은 엔진의 크랭킹시 전기 모터에 의해 크랭킹이 이루어지며, 가속 모드에서 전기 에너지를 사용하여 동력보조를 한다. 이 구간이 바로 전기 에너지를 사용하는 구간이 된다. 따라서, 이 구간에서는 배터리의 충전상태 (SOC ; State Of Charge) 값이 점차 감소하게 된다.

감속 모드에서는 전기 모터가 발전기 역할을 하여 전기 에너지를 배터리에 저장시킨다. 따라서 도 1에 도시된 바와 같이 충전상태 값은 점차 증가하게 된다.

만약, 가속시 사용하는 전기 에너지와 감속시 회수되는 에너지의 양이 정확히 일치한다면 전기 에너지의 고갈을 막을 수 있지만, 전기 모터의 발전 효율이 전기 모터의 구동 효율보다 떨어지고, 가속시에 사용되는 전기 에너지가 감속시에 회수되는 전기 에너지의 양보다 크게 되면, 배터리의 전기 에너지 사용가능 상태를 나타내는 충전상태 값이 점차 떨어지게 된다.

이와 같이 배터리의 충전상태 값이 어느 한계 이상으로 떨어지게 되면, 전기 에너지원이 고갈되어 가속시 전기 모터에 의한 동력보조가 이루어질 수 없게 된다.

종래의 병렬형 하이브리드 차량의 주행제어방법에서 엔진에 의한 충전 로직은 적용되어있지 않아 가속 패턴이 많은 주행 모드(가속 모드)에서는 전기 에너지의 소모량이 많게 되어 배터리의 상태를 나타내는 충전상태 값은 점차 떨어지게 되며, 가속시 적정량의 동력보조가 이루어질 수 없게되어 어느 시점에서는 전기 에너지를 사용할 수 없는 한계상황에 도달하게 된다.

이러한 한계상황에 도달하게 되면, 주행 모드(가속, 정속, 감속)와는 상관없이 엔진에 의해 다시 전기 에너지를 사용할 수 있도록 설정된 충전상태 값 이상이 되도록 배터리를 충전시켜 주어야 한다.

이와 같은 이유로 인해 가속이 필요한 경우에는 전기 모터에 의한 동력보조 기능을 상실하게 되는 문제점을 발생시킨다. 또한, 운전자에게 매번 일정한 운전감을 제공하기 어려워지는 문제점이 있었다.

본 발명의 목적은 병렬형 하이브리드 차량의 주행 상태에 따라 적절한 동력보조와 운전감을 제공하도록 엔진에 의한 배터리의 충전을 제어할 수 있는 하이브리드 차량의 배터리 충전 제어방법을 제공하는데 있다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명은 배터리의 충전상태를 검출하는 배터리 충전 검출부와; 엔진의 회전속도를 검출하는 엔진 속도 검출부와; 차량의 액셀 페달 답입상태를 검출하여 그에 해당되는 전기적인 출력신호를 발생하는 가속 검출부와; 미리 설정된 기준 동력에 관련된 데이터값을 저장하는 메모리부와; 상기 각각의 검출부로부터 입력되는 값과 미리 설정된 기준 값을 비교 연산하여 배터리 충전에 관련된 전반적인 제어동작을 수행하는 제어부를 포함하는 하이브리드 차량의 배터리 충전 제어방법에 있어서, 상기 가속 검출부를 통해 입력되는 액셀 페달 위치에 따른 출력신호를 기준으로 상기 차량의 요구 동력(Preq)을 연산하는 단계와; 상기 연산된 요구 동력(Preq)과 설정된 기준 동력(Pset)을 비교하는 단계와; 상기 비교단계에서 연산된 요구 동력(Preq)과 설정된 기준 동력(Pset)의 차이에 따라 엔진 동력(Pe)을 설정하는 단계와; 상기 설정된 엔진 동력(Pe)으로 배터리 충전 제어동작을 수행하는 단계로 이루어지는 것을 특징으로 한다.

도 1은 일반적인 하이브리드 차량의 주행 모드와 배터리 충전상태의 관계를 도시한 도면.

도 2는 본 발명의 실시예에 따른 엔진 맵(Map)의 연료 소비율과 최적의 동작 라인의 관계를 도시한 도면.

도 3은 본 발명의 실시예에 따른 하이브리드 차량의 주행 모드와 배터리 충전상태의 관계를 도시한 도면.

도 4는 본 발명의 실시예에 따른 하이브리드 차량의 배터리 충전 제어장치의 구성을 도시한 블록 구성도.

도 5는 본 발명의 실시예에 따른 하이브리드 차량의 주행 패턴에서 엔진을 사용하여 배터리를 충전하는 제어방법을 도시한 흐름도.

도 6은 본 발명의 실시예에 따른 하이브리드 차량의 주행 패턴에서 엔진 회전수를 통해 발전 동력을 결정하는 제어방법을 도시한 흐름도.

이하 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부한 도면을 참조하여 상세히 설명한다. 하기 설명 및 첨부 도면과 같은 많은 특정 상세들이 본 발명의 보다 전반적인 이해를 제공하기 위해 나타나 있으나, 이들 특정 상세들은 본 발명의 설명을 위해 예시한 것으로 본 발명이 그들에 한정됨을 의미하는 것은 아니다. 그리고 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있는 공지 기능 및 구성에 대한 상세한 설명은 생략한다.

도 2 내지 도 6을 참조하여 본 발명의 실시예에 따른 하이브리드 차량의 배터리 충전 제어방법을 설명한다.

도 2는 엔진 맵(Map)의 연료 소비율과 OOL의 관계를 나타낸다.

도 2에 도시된 바와 같이 엔진의 운전점을 A에서 A'으로 이동했을 경우와 B에서 B'으로이동했을 경우, 동일하게 3KW 증가하였더라도 연료 소모량은 A에서 A'으로 이동했을 경우가 더 작다.

이는 도 2와 같이 최적의 동작 라인(OOL ; Optimal Operating Line)상에서 연료 소모량을 간단히 계산함으로써 알 수 있다.

도 3의 주행패턴에서는 정속 구간에서 요구 동력(Preq)이 기준 동력(Pset) 이하가 되는 어느 시점에서부터 엔진에 의한 배터리 충전이 시작된다.

본 발명의 실시예는 하이브리드 차량의 배터리 충전 제어방법을 위한 구성으로 도 4에 도시된 바와 같이, 배터리의 충전상태를 검출하는 배터리 충전 검출부(10)와; 엔진의 회전속도를 검출하는 엔진 속도 검출부(20)와; 차량의 액셀 페달 답입상태를 검출하여 그에 해당되는 전기적인 출력신호를 발생하는 가속 검출부(30)와; 미리 설정된 기준 동력에 관련된 데이터값을 저장하는 메모리부(50)와; 상기 각각의 검출부로부터 입력되는 값과 미리 설정된 기준 값을 비교 연산하여 배터리 충전에 관련된 전반적인 제어동작을 수행하는 제어부(40)를 포함하여 구성한다.

도 5는 차량의 주행 패턴에서 엔진을 사용하여 충전하는 알고리즘의 흐름도 (Flow Chart)이다.

도 5를 참조하면, 차량에 요구되는 동력은 운전자의 액셀 페달값의 신호에의해 정해지게 되면 이 신호를 판단기준으로 하여 요구 동력(Preq)이 계산된다.

요구 동력(Preq)이 일정 엔진 동력(Pe) 이하의 값(Pset)을 가진다면, 운전자의 의지를 반영한 요구 동력(Preq)과 발전 동력(Pgen)을 합한 동력을 엔진이 감당하게 된다.

요구 동력(Preq)이 상대적으로 큰 동력이라면, 엔진이 감당할 동력은 단지 요구 동력(Preq)만을 출력시킨다.

이는 앞에서 설명하였듯이 가능한 적은 연료량을 사용하여 동일한 동력으로 배터리를 충전시키고자 하기 위함이다.

도 5를 참조하여 제어부(40)의 제어동작을 설명한다.

먼저, 제어부(40)는 도 5의 (102)단계에서 가속 검출부(30)를 통해 입력되는 액셀 페달 위치에 따른 출력신호를 기준으로 차량의 요구 동력(Preq)을 연산한다.

이어서, 제어부(40)는 (104)단계로 진행하여 연산된 요구 동력(Preq)과 설정된 기준 동력(Pset)을 비교한다. 제어부(40)는 전술한 (104)단계에서 연산된 요구 동력(Preq)과 설정된 기준 동력(Pset)의 차이에 따라 엔진 동력(Pe)을 설정한다.

제어부(40)는 (104)단계에서 연산된 요구 동력(Preq)이 설정된 기준 동력(Pset) 미만이면 (106)단계로 진행하여 요구 동력(Preq)과 발전 동력(Pgen)을 합한 동력을 엔진 동력(Pe)으로 설정한다.

엔진 동력(Pe) = 요구 동력(Preq) + 발전 동력(Pgen)

한편, 제어부(40)는 (104)단계에서 연산된 요구 동력(Preq)이 설정된 기준 동력(Pset)을 초과하면 (110)단계로 진행하여 요구 동력(Preq)을 엔진 동력(Pe)으로 설정한다.

엔진 동력(Pe) = 발전 동력(Pgen)

상기한 바와 같이 설정된 엔진 동력(Pe)으로 제어부(40)는 (108)단계로 진행하여 배터리 충전 제어동작을 수행한다.

본 발명의 실시예에 따라 차량의 배터리 충전 제어동작을 수행하는 단계는 차량의 정속 모드 주행 상태에서 이루어진다.

즉, 차량의 배터리 충전 제어동작을 수행하는 단계는 차량의 정속 모드 주행 상태에서 차량의 엔진 운전점을 높여 운전자의 요구 동력(Preq)보다 높은 동력을 발생시킨 상태에서 이루어진다.

그 이유는 차량의 가속 시에는 전기 에너지를 사용하는 구간으로 배터리를 충전하기 위한 발전 로직을 적용하기는 매우 힘들기 때문이다.

도 3에 도시된 바와 같이 가속 구간에서 엔진 동력(Pe)이 급격히 증가하다가 정속 구간으로 갈수록 엔진의 동력은 떨어지게 된다.

엔진 동력(Pe)이 크게 되면 소모되는 연료량이 많아지게 되므로 엔진 동력(Pe)이 큰 부분에서 일정 동력을 증가시키는 것보다는 엔진 동력(Pe)이 작은 부분에서 일정 동력을 증가시키는 편이 연료 소모량 측면에서는 매우 유리하다.

따라서, 정속 구간이 되는 정속 모드에서 엔진의 운전점을 높여 운전자의 요구 동력(Preq)보다 높은 동력을 발생시켜 그 차이만큼의 동력을 이용하여 배터리를 충전하게 한다.

도 6의 흐름도는 전술한 바와 같이 엔진을 통해 발전 동력(Pgen)을 결정하는알고리즘이다.

본 발명의 실시예는 배터리의 상태를 나타내는 값인 배터리 충전상태 값에 따라 제어하는 방식이 달라진다.

먼저, 배터리 충전상태 값 상태가 노말(Normal) 상태라면, 현재 차량에서 요구하는 전기 에너지를 공급할 수 있는 구간으로 전기 모터(60)의 발전 효율을 고려하여 최적의 충전량을 얻을 수 있도록 제어가 이루어진다.

엔진과 전기 모터(60)가 직결되어 있는 병렬형 하이브리드 차량의 엔진 속도는 전기 모터(60) 속도와 동일하다.

전기 모터(60)는 토크 지령에 의해 제어가 이루어지므로, 현재의 엔진속도(전기 모터속도)에서 최대 효율을 갖는 토크를 결정하여 그만큼의 발전 동력(Pgen)을 엔진이 감당하게 된다.

즉, 항상 일정한 발전 동력(Pgen)을 요구하는 것이 아니라, 상황에 따라 발전 동력(Pgen)을 최적화시켜 발전 동력(Pgen)을 가변적으로 선택하는 방법으로 가능한 배터리 충전상태 값이 미리 설정된 최소값(SOC Low)이하로 떨어지는 것을 방지한다.

배터리 충전상태 값이 최소값(SOC Low : 35%) 이하라면, 배터리의 잔존 에너지가 부족한 상태로 가능한 빠른 시간 내에 많은 양을 충전시켜 주어야 한다.

이러한 경우에서는 전기 모터(60)의 발전 효율이 다소 나쁘더라도 배터리의 충전효율이 좋아 발전 동력(Pgen)을 일정하게 결정하여 빠른 시간 내에 배터리가 노말(Normal) 상태로 회복될 수 있도록 제어한다.

이와는 반대로, 배터리 충전상태 값이 최대값(SOC High : 70%) 이상이면 별도 엔진에 의한 발전을 하지 않는다.

이는 가용할 수 있는 전기 에너지가 충분한 상태이고, 배터리의 충전효율이 급속히 나빠지는 구간으로 연료를 소비해 가면서 발전할 이유가 없기 때문이다.

도 6을 참조하여 충전되는 배터리의 충전상태에 해당되는 값을 검출하여 연산되는 발전 동력(Pgen)으로 배터리 충전 제어동작을 수행하는 제어부(40)의 동작을 설명한다.

제어부(40)는 도 6의 (202)단계에서 배터리의 충전상태에 해당되는 값을 검출한다.

이어서, 제어부(40)는 (204)단계로 진행하여 검출된 배터리 충전상태 값이 미리 설정된 값의 범위 이내에 해당되는가를 비교한다.

제어부(40)는 전술한 (204)단계에서 검출된 배터리 충전상태 값이 미리 설정된 값의 범위 이내이면 (206)단계로 진행하여 엔진 속도 검출부(20)를 통해 차량의 엔진속도(We)를 검출한다.

제어부(40)는 (208)단계로 진행하여 검출된 엔진속도에서 최대 효율을 갖는 토크(Tm)를 메모리부(50)에 미리 설정된 테이블로부터 독출한다.

Tm= 테이블(n,max) at We

제어부(40)는 (210)단계로 진행하여 검출된 차량의 엔진속도와 토크를 연산하여 발전 동력(Pgen)을 연산한다.

발전 동력(Pgen) = Tm*We

제어부(40)는 (212)단계로 진행하여 연산된 발전 동력(Pgen)으로 배터리 충전 제어동작을 수행한다.

한편, 제어부(40)는 전술한 (204)단계에서 검출된 배터리 충전상태 값이 미리 설정된 값의 범위 이내가 아니면 (214)단계로 진행한다.

제어부(40)는 (214)단계에서 검출된 배터리 충전상태 값이 미리 설정된 최소값 이하이면, (216)단계로 진행하여 발전 동력(Pgen)을 미리 설정된 기준 발전 동력값으로 출력한다.

또한, 제어부(40)는 전술한 (214)단계에서 검출된 배터리 충전상태 값이 미리 설정된 최대값 이상이면 (218)단계로 진행하여 발전 동력의 출력을 차단한다.

발전 동력(Pgen) = 0

상술한 바와 같이 본 발명에 따른 하이브리드 차량의 배터리 충전 제어방법은 최소한의 연료량을 사용하여 동일한 동력으로 배터리를 충전시킬 수 있는 효과가 있다.

Claims

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배터리의 충전상태를 검출하는 배터리 충전 검출부와; 엔진의 회전속도를 검출하는 엔진 속도 검출부와; 차량의 액셀 페달 답입상태를 검출하여 그에 해당되는 전기적인 출력신호를 발생하는 가속 검출부와; 미리 설정된 기준 동력에 관련된 데이터값을 저장하는 메모리부와; 상기 각각의 검출부로부터 입력되는 값과 미리 설정된 기준 값을 비교 연산하여 배터리 충전에 관련된 전반적인 제어동작을 수행하는 제어부를 포함하는 하이브리드 차량의 배터리 충전 제어방법에 있어서,

상기 가속 검출부를 통해 입력되는 액셀 페달 위치에 따른 출력신호를 기준으로 상기 차량의 요구 동력(Preq)을 연산하는 단계와;

상기 연산된 요구 동력(Preq)과 설정된 기준 동력(Pset)을 비교하는 단계와;

상기 비교단계에서 연산된 요구 동력(Preq)이 설정된 기준 동력(Pset) 미만이면 요구 동력(Preq)과 발전 동력(Pgen)을 합한 동력을 엔진 동력(Pe)으로 설정하는 단계와;

상기 설정된 엔진 동력(Pe)으로 배터리 충전 제어동작을 수행하는 단계로 이루어지는 것을 특징으로 하는 하이브리드 차량의 배터리 충전 제어방법.
제4항에 있어서, 상기 비교단계에서 연산된 요구 동력(Preq)이 설정된 기준 동력(Pset)을 초과하면 요구 동력(Preq)을 엔진 동력(Pe)으로 설정하는 것을 특징으로 하는 하이브리드 차량의 배터리 충전 제어방법.
제4항에 있어서, 상기 충전되는 배터리의 충전상태(SOC)에 해당되는 값을 검출하여 연산되는 발전 동력으로 배터리 충전 제어동작을 수행하는 단계를 더 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 하이브리드 차량의 배터리 충전 제어방법.
제6항에 있어서, 상기 배터리 충전 제어동작을 수행하는 단계는

상기 검출된 배터리 충전상태 값이 미리 설정된 값의 범위 이내에 해당되는가를 비교하는 단계와;

상기 비교단계에서 검출된 배터리 충전상태 값이 미리 설정된 값의 범위 이내이면 상기 차량의 엔진속도(We)를 검출하는 단계와;

상기 검출된 엔진속도에서 최대 효율을 갖는 토크(Tm)를 미리 설정된 테이블로부터 독출하는 단계와;

상기 검출된 차량의 엔진속도와 토크를 연산하여 발전 동력을 연산하는 단계와;

상기 연산된 발전 동력으로 배터리 충전 제어동작을 수행하는 단계로 이루어지는 것을 특징으로 하는 하이브리드 차량의 배터리 충전 제어방법.
제7항에 있어서, 상기 검출된 배터리 충전상태 값이 미리 설정된 최소값 이하이면, 발전 동력을 미리 설정된 기준 발전 동력값으로 출력하는 단계를 더 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 하이브리드 차량의 배터리 충전 제어방법.
제7항에 있어서, 상기 검출된 배터리 충전상태 값이 미리 설정된 최대값 이상이면 발전 동력의 출력을 차단하는 단계를 더 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 하이브리드 차량의 배터리 충전 제어방법.