KR100579925B1 - 4륜 하이브리드 전기자동차의 슬립 제어장치 및 방법 - Google Patents

4륜 하이브리드 전기자동차의 슬립 제어장치 및 방법 Download PDF

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Abstract

4륜 하이브리드 전기자동차에서 전/후륜에서 발생하는 슬립을 제어하도록 하는 것으로,
주행 상태에서 전륜과 후륜의 속도를 연산하는 과정과, 연산된 전륜과 후륜의 속도에 현재의 주행속도를 적용한 연산으로 슬립이 발생되고 있는지 판단하는 과정과, 슬립이 발생되고 있는 상태이면 시스템의 상태 및 차량의 주행 상태가 트랙션 제어 조건을 만족하는지 판단하는 과정과, 트랙션 제어 조건을 만족하면 슬립 제어를 위한 트랙션 제어 토크량(T1)과 엔진 토크에 따른 엔진 꺼짐 방지 토크량(T2)을 결정하는 과정과, 트랙션 제어 토크량(T1)과 엔진 꺼짐 방지 토크량(T2)으로부터 최종 트랙션 제어 토크량(T3)을 결정하는 과정과, 전륜/후륜의 트랙션 제어 동일화 펙터값(K2)을 결정하는 과정 및 최종 트랙션 제어 토크량(T3)에 트랙션 제어 동일화 팩터값(K2)을 적용하여 전륜 및 후륜 모터에 토크 부가하여 슬립 발생을 제거하는 과정을 포함한다.
4륜 하이브리드 전기자동차, 전/후륜 모터, 슬립, 토크 제어

Description

4륜 하이브리드 전기자동차의 슬립 제어장치 및 방법{A SLIP CONTROL SYSTEM FOR 4 WHEEL HYBRID ELECTRIC VEHICLE AND METHOD THEREOF}
도 1은 본 발명에 따른 4륜 하이브리드 전기자동차의 슬립 제어장치에 대한 구성도.
도 2는 본 발명에 따른 4륜 하이브리드 전기자동차에서 슬립 제어에 대한 일 실시예의 흐름도.
본 발명은 4륜 하이브리드 전기자동차에 관한 것으로, 더 상세하게는 전/후륜에서 슬립(Slip)이 발생하는 경우 전/후륜 모터의 토크 제어로 슬립 발생 없이 안정된 주행성을 확보하도록 하는 4륜 하이브리드 전기자동차의 슬립 제어장치 및 방법에 관한 것이다.
일반적으로, 하이브리드 전기자동차는 엔진과 모터로 이루어지는 동력원이 구비되며, 전륜에 상기의 동력원을 적절히 조합한 구조를 적용하여 차량의 출발시나 가속시에 배터리의 전압에 의해 동작되는 모터의 동력 보조로 연비 향상을 유도한다.
또한, 4륜(4 Wheel Drive) 하이브리드 전기자동차는 차량의 전륜에 엔진과 모터의 조합으로 구성되고, 후륜에 별도의 모터가 장착되어 구성된다.
상기 후륜에 장착되는 모터는 독립적인 모터 시스템으로 적용되어 전륜과는 별개로 독립 구동이 가능하다.
따라서, 주행 상황에 따라 후륜에 장착된 모터로만 차량을 구동하는 전기차 모드와 전륜의 엔진만이 동작하는 주행모드, 전륜의 엔진이 주 동력원으로 작용하고 전륜의 모터가 동력을 보조하는 하이브리드 모드 및 전륜의 엔진과 모터 그리고 후륜의 모터가 모두 작동되도록 하는 4륜 하이브리드 주행모드의 구현이 가능하다.
일반적으로 4륜 차량이 눈길 또는 비포장 도로와 같은 미끄러운 노면을 주행하는 경우 전/후륜에서 슬립이 발생하게 된다.
이때, 센터 디퍼렌셜(Center Differential) 기구 또는 토크 스플릿(Torque Split) 기구 등을 제어함으로써, 전/후륜의 슬립 차이를 제거하여 차량의 주행 성능을 향상시킨다.
그러나, 4륜 하이브리드 전기자동차에서는 일반 4륜 차량과는 달리 주행중에 전/후륜에서 슬립이 발생하는 경우 이에 따라 전륜과 후륜에 각각 장착되는 독립적인 모터의 출력 토크를 제어하는 방법이 제시되고 있지 않아 주행 성능을 저하시키고, 배터리의 전기 에너지의 사용에 있어 효율성이 저하되는 단점이 있다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 발명한 것으로, 그 목적은 4륜 하이브리드 전기자동차에서 주행중에 전/후륜에서 슬립이 발생하는 경우 전류 량의 제어를 통해 전/후륜 모터의 토크를 제어함으로써, 슬립을 제거하여 운전성을 향상시키고, 이에 따라 한정된 배터리의 에너지를 효율적으로 사용하며 배터리의 SOC(State Of Charge)관리에 효율성을 제공하도록 한 것이다.
상기와 같은 목적을 실현하기 위한 본 발명은 4륜 하이브리드 전기자동차에 있어서, 주행 상태에서 전륜과 후륜의 속도를 연산하는 과정과; 상기 연산된 전륜과 후륜의 속도에 현재의 주행속도를 적용한 연산으로 슬립이 발생되고 있는지 판단하는 과정과; 상기에서 슬립이 발생되고 있는 상태이면 시스템의 상태 및 차량의 주행 상태가 트랙션 제어 조건을 만족하는지 판단하는 과정과; 트랙션 제어 조건을 만족하면 슬립 제어를 위한 트랙션 제어 토크량(T1)과 엔진 토크에 따른 엔진 꺼짐 방지 토크량(T2)을 결정하는 과정과; 상기 트랙션 제어 토크량(T1)과 엔진 꺼짐 방지 토크량(T2)으로부터 최종 트랙션 제어 토크량(T3)을 결정하는 과정과; 전륜/후륜의 트랙션 제어 동일화 펙터값(K2)을 결정하는 과정 및; 상기 최종 트랙션 제어 토크량(T3)에 트랙션 제어 동일화 팩터값(K2)을 적용하여 전륜 및 후륜 모터에 토크 부가하여 슬립 발생을 제거하는 과정을 포함하는 것을 특징으로 하는 4륜 하이브리드 전기자동차의 슬립 제어방법을 제공한다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 일 실시예를 상세하게 설명하면 다음과 같다.
도 1은 본 발명에 따른 4륜 하이브리드 전기자동차의 슬립 제어장치의 구성에 대한 일 실시예로, 운전정보 검출부(10)와, ECU(Electric Control Unit ; 20), TCU(Torque Control Unit ; 30), HCU(Hybrid Control Unit ; 40), 배터리(50), BMS(Battery Management System ; 70), MCU(Motor Control Unit ; 80), 엔진(80), 제1인버터(90), 제2인버터(100), 제1모터(110), 제2모터(120) 및 감속기(130)로 구성된다.
운전정보 검출부(10)는 운전자의 출발 및 가속 요구에 대한 APS(Accel Position Sensor) 신호와 제동 제어하는 브레이크 페달 신호, 변속단 선택에 대한 인히비터 스위치의 신호 등 운전자의 운전 요구신호를 검출한다.
ECU(20)는 운전자의 운행 요구 신호와 냉각수온, 엔진 토크 등의 엔진 상태 정보 및 상위 제어기인 HCU(40)의 제어에 따라 엔진(80)의 동작에 대한 제반적인 동작을 제어한다.
TCU(30)는 현재의 차속, 기어비, 클러치 상태 등의 정보를 검출하여 상위 제어기(40)의 제어에 따라 감속기(130)의 출력 토크 조절에 대한 전반적인 동작을 제어한다.
HCU(70)는 상위 제어기로 각 제어기들을 통합 제어하며, 전륜 및 후륜의 속도로부터 슬립이 발생되고 있는지의 여부를 판단하고, 슬립이 발생되는 경우 슬립율에 따른 트랙션 제어 토크량(T1)을 비례적분으로 추출하여 전륜 혹은 후륜 모터에 공급되는 전류량을 제어하여 슬립이 발생되지 않도록 한다.
이때, 슬립 제어를 위해 추출되는 트랙션 제어 토크량(T1)이 전륜 모터(110) 및 후륜 모터(120)의 최대 토크량 이상이거나 음의 값으로 출력되는 경우 적분 이득에 의해 수행되는 부분을 리셋시켜 빠른 응답성이 제공되도록 한다.
또한, 비례적분 제어를 통해 연산되는 트랙션 제어 토크량과 엔진 꺼짐 방지토크량(T2)을 비교하여 그 값중 작은 값을 트랙션 제어 토크량으로 결정한다.
배터리(50)는 전륜 모터(110) 및 후륜 모터(120)에 구동 전압을 공급하는 고용량 고전압이 배터리로 구성되며, 제동 제어시 발생되는 회생 에너지 및 엔진(80)의 출력에 의해 충전된다.
BMS(60)는 상기 배터리(50)의 전압, 전류, 온도 등의 정보를 종합 검출하여 배터리의 SOC 상태를 관리 제어하며, 출력되는 전류량을 제어한다.
MCU(70)는 상위 제어기인 HCU(40)의 제어에 따라 전륜모터(110) 및 후륜모터(120)의 동력을 배분하여 그에 따른 토크를 제어하며, 4륜 구동모드에서 전륜 및 후륜간의 슬립 변화율 및 슬립 에러의 크기에 따라 전륜 모터(110) 및 후륜 모터(120)에 공급되는 전류량을 제한 제어한다.
엔진(80)은 상기 ECU(20)의 제어에 의해 동작되며, 출력 샤프트가 전륜 모터(110)를 통해 CVT(130)에 직결된다.
제1인버터(90)는 MCU(70)의 제어에 따라 배터리(50)에서 인가되는 DC 전압을 스위칭 수단인 IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)를 통해 교류 3상 전압으로 변환하여 엔진(80)의 출력 샤프트에 직결되는 전륜 모터(110)를 구동시킨다.
제2인버터(100)는 MCU(70)의 제어에 따라 배터리(50)에서 인가되는 DC 전압을 스위칭 수단인 IGBT를 통해 교류 3상 전압으로 변환하여 후륜 모터(120)를 구동시킨다.
전술한 바와 같은 기능을 포함하는 본 발명에 따른 4륜 하이브리드 전기자동 차에서 슬립 제어를 실행하는 동작에 대하여 도 2를 참조하여 설명한다.
4륜 하이브리드 전기자동차가 4륜 모드로 주행하게 되면, 최상위 제어기인 HCU(40)는 전륜 좌우측과 후륜 좌우측의 휠 속도를 검출하여 전륜과 후륜의 휠 속도를 연산한다(S101).
이후, 연산된 전륜 및 후륜의 휠 속도와 차량의 주행 속도로부터 슬립 에러(S.E)를 계산한다(S102).
이때, 슬립 에러의 계산에서 휠의 속도를 차량의 주행속도로 나누어 산출하며, 이는 차량 속도에 대한 영향을 없애기 위함이다.
상기 S102의 계산 결과로부터 전륜 혹은 후륜에서 슬립이 발생되고 있는지를 판단한다(S103).
상기 S103의 판단 결과 슬립이 발생되고 있는 상태이면, 전륜과 후륜의 속도차로부터 슬립 에러의 변화율과 슬립 에러의 크기로부터 슬립 제어 제어 영역을 판단한다.
이후, HCU(40)는 시스템의 상태 및 차량의 주행 상태를 체크하여(S104), 트랙션 제어조건을 만족하는지를 판단한다(S105).
상기 시스템의 상태 및 차량의 주행상태는 모든 센서와 전기모터를 기동할 수 있는 제어기들의 상태 및 차량상태의 정보로, 스로틀 밸브의 정보, 클러치의 정보, 주행 변속단에 대한 정보, 브레이크 페달에 대한 정보를 포함한다.
상기 S105의 판단에서 트랙셕 제어조건을 만족하고 있는 것으로 판단되면 연산된 슬립 에러(S.E)를 바탕으로 비례 적분을 통해 트랙션 제어 토크량(T1)을 계산 한다(S106).
이때, 계산되는 트랙션 제어의 토크량(T1)이 모터의 최대 토크 제한치 이상이거나 음의 토크로 산출되면 적분 이득(I)에 의해 수행되는 부분을 리셋시켜 슬립 에러(S.E)의 비례제어만 수행되도록 하여 빠른 응답을 유도한다.
이후, 전륜에는 엔진과 전기모터가 직접 연결이 되어 있어 현재의 엔진출력토크보다 전기모터의 부하토크가 크다면 엔진은 의도하지 않은 꺼짐 현상이 발생하게 된다.
따라서, 이를 방지하기 위해 엔진 토크에 안전계수(K1)를 적용한 엔진 꺼짐 방지 토크(T2)를 결정한다(S107).
상기와 같이 트랙션 제어를 위한 토크량(T1)과 엔진 꺼짐 방지 토크(T2)가 결정되면 이중에서 작은 값을 선택하여 슬립 제어를 위한 최종 토크(T3)로 결정한다(S108).
그리고, 전륜과 후륜에 부가되는 트랙션 제어량(Traction Force)이 일정하여야만 차량 전체의 트랙션 제어에 영향이 없기 때문에 전륜의 변속기 변속비와 후륜 감속기의 감속비 및 전달 효율을 고려하여 전륜 및 후륜의 트랙션이 동일화되는 펙터값(K2)을 선정한다(S109).
이후, 엔진과 모터의 조합으로 이루어진 전륜에 트랙션 제어량을 줄이고 후륜에는 트랙션 제어량을 높여주기 위하여, 전륜 모터에는 상기 S108에서 산출된 최종 토크(T3)를 음의 토크(-T3)로 하여 전륜 모터의 요구 토크량으로 하고, 후륜 모터에는 상기 S108에서 산출된 최종 토크(T3)에 트랙션 제어의 동일화 팩터값(K2)을 연산하여(K2*T3)는 후륜 모터의 요구 토크량으로 출력한다.
따라서, 전륜 모터(110) 및 후륜 모터(120)는 상기의 요구 토크량에 따른 거동 제어로 전륜 및 후륜간의 슬립 발생이 제어된다.
이상에서 설명한 바와 같이 본 발명은 4륜 하이브리드 전기자동차에서 전륜 및 후륜간의 슬립이 발생하는 경우 전륜 모터 및 후륜 모터의 토크량을 제어함으로써, 슬립 발생이 제어되어 운전성 및 주행 성능이 향상된다.
그리고, 불필요한 슬립의 제거로 인한 연비 향상과 이에 따라 한정된 배터리의 에너지를 효율적으로 사용하며 배터리의 SOC 관리에 효율성을 제공하고, 연비 성능을 향상시킨다.

Claims (8)

  1. 엔진과 전/후륜 모터 및 배터리를 구비하는 4륜 하이브리드 전기자동차에 있어서,
    운전 요구신호를 검출하는 운전정보 검출부;
    엔진의 전반적인 동작을 제어하는 ECU;
    차속, 기어비에 따라 CVT의 출력 토크를 조절하는 TCU;
    배터리의 전압, 전류, 온도를 검출하여 SOC를 관리하며, 출력되는 전류량을 제어하는 BMS;
    전륜/후륜 휠의 슬립 발생을 검출하여 주행속도와의 연산으로 슬립 에러를 검출하고, 차량의 조건에 따라 트랙션 제어 토크량(T1)과 엔진 꺼짐 방지 토크량(T2)을 결정한 다음 최종 트랙션 제어 토크량(T3)을 결정하고, 전륜/후륜의 트랙션 제어 동일화 펙터값을 적용하여 슬립 발생 제거를 위한 전륜/후륜 모터의 토크를 제어하는 HCU;
    상기 HCU의 제어에 따라 전/후륜 모터의 구동을 제어하는 MCU;
    MCU의 제어에 따라 배터리의 DC 전압을 교류 3상 전압으로 변환시켜 전륜 모터에 인가하는 제1인버터 및;
    MCU의 제어에 따라 배터리의 DC 전압을 교류 3상 전압으로 변환하여 후륜 모터에 인가하는 제2인버터를 포함하는 것을 특징으로 하는 4륜 하이브리드 전기자동차의 슬립 제어장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 HCU는 차량의 조건에 따라 결정되는 트랙션 제어 토크량(T1)과 엔진 꺼짐 방지 토크량(T2)중에서 작은 값에 대하여 슬립 제어를 위한 최종 트랙션 제어 토크량으로 결정하는 것을 특징으로 하는 4륜 하이브리드 전기자동차의 슬립 제어장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 HCU는 전륜 및 후륜에 대한 트랙션 제어 동일화 펙터값(K2)을 전륜 변속단 기어비와 전륜 종감속 기어비, 후륜 감속 기어비 및 기어 전달 효율을 적용하여 산출하는 것을 특징으로 하는 4륜 하이브리드 전기자동차의 슬립 제어장치.
  4. 4륜 하이브리드 전기자동차에 있어서,
    주행 상태에서 전륜과 후륜의 속도를 연산하는 과정과;
    상기 연산된 전륜과 후륜의 속도에 현재의 주행속도를 적용한 연산으로 슬립이 발생되고 있는지 판단하는 과정과;
    상기에서 슬립이 발생되고 있는 상태이면 시스템의 상태 및 차량의 주행 상태가 트랙션 제어 조건을 만족하는지 판단하는 과정과;
    트랙션 제어 조건을 만족하면 슬립 제어를 위한 트랙션 제어 토크량(T1)과 엔진 토크에 따른 엔진 꺼짐 방지 토크량(T2)을 결정하는 과정과;
    상기 트랙션 제어 토크량(T1)과 엔진 꺼짐 방지 토크량(T2)으로부터 최종 트랙션 제어 토크량(T3)을 결정하는 과정과;
    전륜/후륜의 트랙션 제어 동일화 펙터값(K2)을 결정하는 과정 및;
    상기 최종 트랙션 제어 토크량(T3)에 트랙션 제어 동일화 팩터값(K2)을 적용하여 전륜 및 후륜 모터에 토크 부가하여 슬립 발생을 제거하는 과정을 포함하는 것을 특징으로 하는 4륜 하이브리드 전기자동차의 슬립 제어방법.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 슬립 제어를 위한 트랙션 제어 토크량(T1)은 슬립 에러율에 대한 비례 적분 연산으로 산출되는 것을 특징으로 하는 4륜 하이브리드 전기자동차의 슬립 제어방법.
  6. 제4항에 있어서,
    상기 최종 트랙션 제어 토크량(T3)은 비례 적분 연산으로 결정되는 트랙션 제어 토크량(T1)과 엔진 꺼짐 방지 토크량(T2) 중에서 작은 값으로 결정되는 것을 특징으로 하는 4륜 하이브리드 전기자동차의 슬립 제어방법.
  7. 제4항에 있어서,
    상기 전륜/후륜의 트랙션 제어 동일화 펙터값(K2)은 전륜 변속단의 기어비와 전륜 종감속 기어비, 후륜 감속 기어비 및 기어 전달 효율로부터 결정되는 것을 특 징으로 하는 4륜 하이브리드 전기자동차의 슬립 제어방법.
  8. 제4항에 있어서,
    상기 슬립 방지 제어를 위해 전륜 모터 및 후륜 모터에 공급되는 부가 토크는 전륜 모터에 대해서는 결정된 최종 트랙션 제어 토크량(T3)의 음의 값(-T3)으로 적용되고, 후륜 모터에는 상기 동일화 펙터값(K2)과 최종 트랙션 제어 토크량(T3)의 연산(K2×T3)으로 적용되는 것을 특징으로 하는 4륜 하이브리드 전기자동차의 슬립 제어방법.
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