KR101040349B1

KR101040349B1 - 하이브리드 차량의 제어장치 및 방법

Info

Publication number: KR101040349B1
Application number: KR1020090093506A
Authority: KR
Inventors: 이희용; 김정철
Original assignee: 기아자동차주식회사; 현대자동차주식회사
Priority date: 2009-09-30
Filing date: 2009-09-30
Publication date: 2011-06-10
Also published as: KR20110035692A

Abstract

본 발명은 엔진 클러치가 적용되는 하이브리드 차량이 모터모드(EV)의 주행중에서 배터리 출력 제한조건에 진입되면 엔진 클러치를 결합하여 엔진이 시동 온을 유지하도록 함으로써, 가속 및 킥다운 변속시에 안정된 가속감을 제공한다.

본 발명은 모터모드 주행에서 배터리의 출력이 제한조건에 진입하였는지 판단하는 과정, 배터리 출력이 제한조건에 진입하였으면 엔진 클러치를 결합하여 엔진을 시동 온 상태로 유지하고, 연료차단제어를 유지하는 과정, 킥다운 변속, 가속이 요구되면 하이브리드 모드로 전환되어 엔진과 모터의 합산된 출력토크를 변속기에 제공하여 가속감을 확보하는 과정을 포함한다.

하이브리드 차량, 모터모드, 배터리, 출력제한, 엔진 클러치

Description

하이브리드 차량의 제어장치 및 방법{SYSTEM AND METHOD FOR CONTROL HYBRID ELECTRIC VEHICLE}

본 발명은 엔진 클러치가 적용되는 하이브리드 차량에 관한 것으로, 보다 상세하게는 배터리의 출력 제한조건에서 모터모드(EV)로 주행되는 경우 가속 및 킥다운 변속시에 안정된 가속감을 확보하여 주는 하이브리드 차량의 제어장치 및 방법에 관한 것이다.

하이브리드 차량은 동력원으로 엔진과 배터리로 동작되어 엔진의 출력토크를 보조하는 모터가 적용되며, 주행 상황에 따라 두 동력원이 각각의 특성을 발휘할 수 있는 영역에서 작동되어 높은 에너지 효율과 배기가스 절감을 제공한다.

하이브리드 차량은 엔진에 큰 부하가 걸리는 발진/가속 및 등판 주행에서는 하이브리드 모드로 동작되어 모터가 엔진의 출력 토크를 보조하고, 정속 주행에서는 엔진모드나 모터모드 혹은 하이브리드 모드로 동작되어 주행한다.

하이브리드 차량에는 운전의 편의성을 중요시하는 운전자의 요구에 따라 통상적으로 자동변속기 혹은 무단변속기(이하, "변속기" 라 한다.)가 장착된다.

하이브리드 차량은 주행 도중에 브레이크 페달에 의한 제동 제어가 실행되면 엔진의 출력토크를 보조하는 모터는 회생제동(REGENERATION) 모드로 진입되어 발전기로 전환되며, 제동제어에 따라 버려지는 감속에너지를 회생시켜 배터리를 충전시킨다.

하이브리드 차량은 원가 절감과 변속기에 전달되는 토크의 손실을 최소화하기 위하여 토크 컨버터 대신에 엔진과 모터의 사이에 엔진의 출력 토크를 단속하는 엔진 클러치가 장착된다.

따라서, 하이브리드 차량이 엔진모드로 동작되면 엔진 → 엔진 클러치 → 변속기 → 구동륜으로 동력전달이 연결되고, 하이브리드 모드(HEV)로 동작되면 엔진 → 엔진 클러치 → 모터 → 변속기 → 구동륜으로 동력전달이 연결되며, 모터모드(EV)로 동작되면 모터 → 변속기 → 구동륜으로 동력전달이 연결된다.

하이브리드 차량은 모터모드(EV)로 동작되는 경우 배터리의 출력이 허용하는 범위에서 모터의 출력만을 의지하여 발진, 가속, 킥다운 변속 등이 실행되며, 배터리가 냉간된 상태이거나 낮은 충전상태(LOW SOC)에서 모터모드(EV)로 동작되는 경우 배터리의 출력제한에 따라 모터의 출력 부족이 발생되어 발진불가, 킥다운 변속불가, 가속불가 등의 문제점이 발생된다.

배터리의 기본적인 성능 특성상 냉간시에 출력이 급격하게 저하되며 온도상승에도 상당한 시간이 소요되므로 배터리의 출력이 정상화되기 전까지 상당 시간동안 운전성이 매우 불량한 상황이 발생된다.

도 5에 도시된 바와 같이 배터리가 냉간된 상태이거나 낮은 충전상태(LOW SOC)를 유지하여 출력 제한조건인 상태에서 모터모드(EV)로 주행하는 중에 가속페 달의 정보가 3속에서 1속으로의 킥다운 변속 요구로 검출되는 경우 배터리의 출력 제한으로 모터가 충분한 출력토크를 발휘하지 못하며, 엔진 클러치가 해제된 상태이므로 엔진과 모터가 각각 독립적으로 동작되고 있어 킥다운 변속에 필요한 출력 토크를 확보할 수 없는 상태가 된다.

따라서, 킥다운 변속 요구가 검출된 이후 설정된 일정시간(t1), 대략적으로 3.5초 이후에 킥다운 변속을 강제 종료시킨다.

본 발명은 상기한 문제점을 해결하기 위하여 발명한 것으로, 그 목적은 하이브리드 차량이 배터리 출력 제한조건에서 모터모드(EV)로 주행하는 경우 엔진 클러치의 결합을 통해 엔진을 상시 온으로 유지시켜 가속 및 킥다운 변속시에 안정된 가속감을 확보할 수 있도록 하는 것이다.

상기한 목적을 실현하기 위한 본 발명은 엔진과 모터 사이에 엔진 클러치가 구비되는 하이브리드 차량에 있어서,

모터모드에서 배터리가 출력 제한조건에 진입되면 엔진 클러치를 결합시켜 킥다운 변속, 가속 요구에 하이브리드 모드로 제어하는 HCU/MCU를 포함한다.

또한, 본 발명의 특징에 따른 하이브리드 차량의 제어방법은, 모터모드 주행에서 배터리의 출력이 제한조건에 진입하였는지 판단하는 과정; 배터리 출력이 제한조건에 진입하였으면 엔진 클러치를 결합하여 엔진을 시동 온 상태로 유지하고, 연료차단제어를 유지하는 과정; 킥다운 변속, 가속이 요구되면 하이브리드 모드로 전환되어 엔진과 모터의 합산된 출력토크를 변속기에 제공하여 가속감을 확보하는 과정을 포함한다.

전술한 구성에 의하여 본 발명에 따른 하이브리드 차량은 배터리의 출력 제한에 관계없이 모터모드(EV)의 동작에서 발진, 가속, 킥다운 변속에 안정된 가속감을 제공하여 운전성 및 상품성을 향상시키는 효과가 제공된다.

아래에서는 첨부된 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다.

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 제어장치를 개략적으로 도시한 도면이다.

본 발명은 운전요구 검출부(10)와 ECU(Engine Control Unit : 20), TCU(Transmission Control Unit : 30), 배터리(40), BMS(Battery Management System : 50), HCU/MCU(Hybrid Control Unit/Motor Control Unit : 60), 인버터(70), 엔진(80), 엔진 클러치(90), 모터(100), 변속기(110)를 포함한다.

운전요구 검출부(10)는 APS(Accel Position Sensor)의 변위를 검출 분석하여 운전자의 발진요구, 가속 요구, 킥다운 변속요구 등의 정보를 캔 네트워크를 통해 HCU/MCU(60)에 제공한다.

ECU(20)는 캔 네트워크를 통해 상위 제어기인 HCU/MCU(60)에서 인가되는 제어신호에 따라 엔진(80)의 제반적인 동작을 제어한다.

상기 ECU(20)는 HCU/MCU(60)의 제어에 따라 배터리(40)의 출력 제한조건에서 엔진(80)의 상시 온을 유지하며, 상황에 따라 연료 정상 공급 및 연료 차단 제어가를 실행시킨다.

TCU(30)는 현재의 차속과 스로틀 밸브의 변위에 따라 목표 변속단을 결정하여 변속기(110)의 변속비를 제어하며, HCU/MCU(60)의 요청에 따라 모터모드(EV)로 주행되고 엔진(80)이 웜업 중이거나 배터리(40)의 충전이 진행되는 출력 제한조건에서 킥다운 변속 요구에 대하여 변속 지연을 실행한다.

배터리(40)는 하이브리드 모드(HEV) 및 모터모드(EV)에서 모터(100)에 전원을 공급하고, 브레이크 제동에 의한 회생제동 모드에서 모터(100)를 통해 회수되는 회생 에너지를 충전된다.

BMS(50)는 상기 배터리(40)의 전압, 전류, 온도 등의 정보를 종합 검출하여 SOC(State Of Charge) 상태 및 충방전 전류량을 관리 제어하며, 그에 대한 정보를 캔 네트워크를 통해 HCU/MCU(60)에 제공한다.

HCU/MCU(60)는 운전자의 주행요구 및 차량의 상태정보에 따라 캔 네트워크를 통해 각 제어기들을 통합 제어하여 엔진(80) 및 모터(100)의 출력 토크를 제어함으 로써 차량의 전반적인 거동을 제어한다.

상기 HCU/MCU(60)는 모터모드(EV)에서 배터리(40)가 출력 제한조건에 진입되는 경우 엔진 클러치(90)를 결합시켜 엔진(80)를 상시 온 상태로 유지하며, 발진이나 가속 혹은 킥다운 변속이 요구되는 경우 하이브리드 모드(HEV)로 동작되어 엔진(80)과 모터(100)의 합산된 출력토크로 안정된 가속감 및 변속감을 제공하여 준다.

상기 HCU/MCU(60)는 모터모드(EV)에서 엔진(80)이 웜업 중이거나 배터리(40)의 충전이 진행되고 있는 상태이면 ECU(20)를 통해 엔진(80)을 상시 온으로 제어하여 웜업 및 배터리(40)의 충전이 안정되게 이루어질 수 있도록 하고, 이 상태에서는 엔진 클러치(90)를 해제시켜 부하로부터 해방시킨다.

그리고, 상기와 같이 엔진(80)의 웜업이나 배터리(40)의 충전 상태에서 킥다운 변속이나 가속요구가 검출되는 경우 TCU(30)에 변속 지연 요구 신호를 출력하여 일정시간 동안 변속 지연이 발생되도록 하며, 변속 지연이 발생되는 동안 엔진 클러치(90)를 결합시켜 하이브리드 모드(HEV)로 동작되도록 한다.

따라서, 엔진(80)과 모터(100)의 합산된 출력토크에 의해 킥다운 변속 및 발진, 가속에 안정된 가속감 및 변속감을 제공하여 준다.

또한, 상기 HCU/MCU(60)는 모터모드(EV)에서 배터리(40)의 출력 제한조건이면 엔진 클러치(90)를 결합시켜 엔진(80)을 시동 온으로 유지하되, ECU(30)를 통해 연료차단제어를 실행한다.

상기와 같이 연료차단제어가 실행되는 엔진(80) 시동 온 상태에서 킥다운 변 속, 발진, 가속 등이 검출되면 하이브리드 모드(HEV)로 동작되어 엔진(80)과 모터(100)의 합산된 출력토크에 의해 킥다운 변속, 발진, 가속 등에 안정된 가속감 및 변속감을 제공하여 준다.

상기 배터리(40)의 방전 제한조건은 배터리(40)가 20KW 이하의 전력을 출력하는 조건이며, 엔진 클러치(90)의 결합으로 엔진(80)의 시동을 유지하는 영역은 대략적으로 10KPH 미만의 전영역에서 실행된다.

인버터(70)는 IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor) 스위치 소자로, 상기 HCU/MCU(60)에서 인가되는 PWM(Pulse Width Modulation) 제어신호에 따라 스위칭되어 배터리(40)의 직류 전압을 3상 교류 전압으로 변환시켜 모터(100)를 구동시킨다.

엔진(80)은 상위 제어기인 HCU/MCU(60)의 제어를 받는 ECU(20)의 제어에 의해 그 출력이 제어되며, 도시되지 않은 ETC(Electric Throttle Control)를 통해 흡입 공기량이 조정된다.

엔진 클러치(90)는 엔진(80)과 모터(100)의 사이에 배치되어, 엔진(80)의 출력토크를 단속한다.

모터(100)는 상기 인버터(70)를 통해 인가되는 배터리(40)의 전압에 의해 구동된다.

변속기(110)는 상기 TCU(30)의 제어에 따라 변속비를 조정하여 하이브리드 차량이 주행될 수 있도록 한다.

전술한 바와 같은 기능을 포함하여 구성되는 본 발명에 따른 하이브리드 차 량에서 일반적인 제어동작은 동일 내지 유사하게 이루어지므로, 이에 대한 동작 설명은 생략한다.

본 발명은 모터모드(EV)의 주행에서 배터리의 출력 제한에 따라 가속감을 확보하는 발명인 바, 이에 대해서만 설명한다.

하이브리드 차량이 배터리(40)의 전원에 의지하여 모터(100)의 출력만으로 주행하는 모터모드(EV)에서(S101) BMS(50)는 배터리(40)의 제반적인 상태를 모니터링하여 그에 대한 결과를 HCU/MCU(60)에 제공한다(S102).

HCU/MCU(60)는 BMS(50)의 정보 중에서 배터리(40)가 출력 제한조건인지를 판단하며(S103), 배터리(40)가 출력 제한조건이 아니면 현재의 운전 조건이 유지되도록 정상제어를 실행한다(S130).

그러나, 상기 S103의 판단에서 배터리(40)가 출력 제한조건이면 엔진(80)이 냉 시동 직후의 웜업 중인지 혹은 배터리(40)의 충전 중인지를 판단한다(S104).

상기 S104의 판단에서 엔진(80)이 웜업 중이거나 배터리(40)의 충전이 진행되고 있는 상태이면 HCU/MCU(60)는 엔진(80)의 신속한 웜업이나 배터리(40)의 충전을 제공하기 위하여 ECU(20)를 통해 엔진(80)을 상시 온으로 제어하여 정상적인 연소가 이루어질 수 있도록 한다(S105).

그리고, 엔진 클러치(90)는 해제 상태를 유지하여 엔진(80)에 미치는 부하를 해제하여 준다(S106).

상기와 같이 엔진(80)을 상시 온으로 제어하고, 엔진 클러치(90)를 해제시킨 상태에서 APS의 변위를 검출하는 운전요구검출부(10)로부터 킥다운 변속이나 가속 요구가 인가되면 HCU/MCU(60)는 TCU(30)에 변속지연을 요구하여 설정된 일정시간 동안 업/다운 변속이 일어나지 않도록 한다(S108).

동시에 엔진 클러치(90)를 제어하여 결합시킴으로써 엔진(80)의 출력과 모터(100)의 출력이 연결되는 하이브리드 모드(HEV)로 전환하고(S110), 하이브리드 모드(HEV)의 전환이 완료되면 변속지연을 해제한 다음 엔진(80)과 모터(100)의 출력이 합산된 출력토크를 변속기(110)에 제공함으로써, 정상적인 킥다운 변속, 가속 제어가 실행되도록 한다(S111).

즉, 도 3에 도시된 바와 같이 엔진(80)이 시동 온을 유지하고 있으나, 엔진 클러치(90)가 해제된 상태에서 예를 들어, 3속에서 1속으로의 킥다운 변속이 검출되면 엔진 클러치(90)의 결합을 위한 시간 동안 변속금지 제어를 실행하고, 엔진 클러치(90)의 결합이 완료되면 엔진(80)과 모터(100)의 출력이 합산된 출력토크가 제공되도록 한다.

또한, 상기 S104의 판단에서 엔진(80)이 충분하게 웜업이 되어 있고, 배터리(40)의 충전이 진행되지 않는 상태이면 HCU/MCU(60)는 엔진 클러치(90)를 결합 제어하여 모터(100)의 구동에 의해 엔진(80)이 시동 온을 유지되도록 하되, ECU(20)를 통해 연료차단제어를 실행한다(S121)(S122).

상기한 상태에서 APS의 변위를 검출하는 운전요구검출부(10)로부터 킥다운 변속이나 가속요구가 인가되면 HCU/MCU(60)는 모터모드(EV)에서 하이브리드 모드(HEV)로 전환하여(S124) 엔진(80)의 출력과 모터(100)의 출력이 합산된 출력토크를 변속기(110)에 제공함으로써, 안정된 킥다운 변속 및 가속감이 제공되는 주행을 제공한다(S125).

즉, 도 4에 도시된 바와 같이, 모터모드(EV)에서 배터리 출력 제한조건에 진입되는 경우 엔진 클러치(90)를 결합하여 엔진 시동 온이 유지되도록 하고, 킥다운 변속이나 가속 요구가 있는 경우 엔진(80)과 모터(100)의 출력이 합산된 출력토크로 킥다운 변속이나 가속요구에 안정된 가속감을 확보하여 준다.

이상에서 본 발명의 실시예에 대하여 상세하게 설명하였지만 본 발명의 권리범위는 이에 한정되는 것이 아니고 다음의 청구범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 발명의 권리범위에 포함된다.

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

도 3 및 도 4는 본 발명의 실시예에 따른 하이브리드 차량의 제어 타이밍을 도시한 그래프이다.

도 5는 종래의 하이브리드 차량의 제어 타이밍을 도시한 그래프이다.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

10 : 운전요구 검출부 20 : ECU

30 : TCU 40 : 배터리

50 : BMS 60 : HCU/MCU

70 : 인버터 80 : 엔진

90 : 엔진 클러치 100 : 모터

110 : 변속기

Claims

엔진과 모터 사이에 엔진 클러치가 구비되는 하이브리드 차량에 있어서,

모터모드에서 배터리가 출력 제한조건에 진입되면 엔진 클러치를 결합시켜 킥다운 변속, 가속 요구에 하이브리드 모드로 제어하는 HCU/MCU를 포함하는 하이브리드 차량의 제어장치.
제1항에 있어서,

상기 HCU/MCU는 배터리 출력 제한조건의 모터모드에서 엔진의 웜업이나 배터리 충전 중이면 엔진 클러치를 해제한 상태에서 엔진을 상시 온으로 제어하고,

킥다운 변속, 가속요구가 검출되면 변속 지연을 제어함과 동시에 엔진 클러치를 결합하며,

엔진 클러치 결합이 완료되면 킥다운 변속, 가속 제어를 실행하는 것을 특징으로 하는 하이브리드 차량의 제어장치.
제1항에 있어서,

상기 HCU/MCU는 배터리 출력 제한조건의 모터모드에서 엔진 클러치를 결합하여 엔진 시동 온을 유지하고,

ECU를 통해 연료차단제어를 실행하는 하이브리드 차량의 제어장치.
모터모드 주행에서 배터리의 출력이 제한조건에 진입하였는지 판단하는 과정;

배터리 출력이 제한조건에 진입하였으면 엔진 클러치를 결합하여 엔진을 시동 온 상태로 유지하고, 연료차단제어를 유지하는 과정;

킥다운 변속, 가속이 요구되면 하이브리드 모드로 전환되어 엔진과 모터의 합산된 출력토크를 변속기에 제공하여 가속감을 확보하는 과정;

을 포함하는 하이브리드 차량의 제어방법.
제4항에 있어서,

상기 배터리 출력 제한조건에서 엔진이 웜업 중이거나 배터리 충전이 진행되는 상태이면 엔진 클러치를 해제한 상태에서 엔진 시동 온을 제어하고,

킥다운 변속, 가속요구가 검출되면 엔진 클러치를 결합하는 동안 변속지연을 제어하며,

엔진 클러치의 결합이 완료되면 하이브리드 모드로 전환되어 엔진과 모터의 출력이 합산된 출력토크를 변속기에 제공하여 가속감을 확보하는 것을 특징으로 하는 하이브리드 차량의 제어방법.