KR101339264B1 - 하이브리드 차량의 충방전 제어 방법 및 시스템 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 하이브리드 차량의 타력 주행(coasting) 시, 에너지 회수를 위한 구동모터의 발전전력을 배터리의 충전상태에 따라 시동 발전기(ISG; integrated starter & generator)에서 소비(방전)시키는 하이브리드 차량의 충방전 제어 방법 및 시스템에 관한 것이다. 이를 위한 본 발명은, 배터리 전원에 의해 구동되는 구동모터와, 엔진을 시동하거나 상기 엔진의 회전력에 의해 발전할 수 있는 시동 발전기(ISG; integrated starter & generator)를 구비하는 하이브리드 차량의 충방전 제어 방법으로서, 상기 하이브리드 차량의 타력 주행시, 주행 모드를 회생제동 모드로 전환하는 단계; 상기 회생제동 모드에 따라 상기 구동모터가 발전하는 단계; 상기 배터리의 충전상태(SOC; state of charge)가 충전제한 상태인지를 판단하는 단계; 상기 배터리가 충전제한 상태이면, 상기 구동모터의 발전전력으로 상기 시동 발전기를 구동하는 단계;를 포함할 수 있다.

Description

하이브리드 차량의 충방전 제어 방법 및 시스템 {Method and system for controlling charge and discharge for a hybrid electric vehicle}
본 발명은 하이브리드 차량의 타력 주행(coasting) 시, 에너지 회수를 위한 구동모터의 발전전력을 배터리의 충전상태에 따라 시동 발전기(ISG; integrated starter & generator)에서 소비(방전)시키는 하이브리드 차량의 충방전 제어 방법 및 시스템에 관한 것이다.
주지하는 바와 같이 하이브리드 차량(hybrid electric vehicle)은 내연기관 엔진(internal combustion engine)과 배터리 전원을 함께 사용한다. 즉, 하이브리드 차량은 내연기관 엔진의 동력과 구동모터의 동력을 효율적으로 조합하여 사용한다.
상기 하이브리드 차량은 일례로 도 1에 도시한 바와 같이, 엔진(10)과; 구동모터(20); 엔진(10)과 구동모터(20) 사이에서 동력을 단속하는 엔진클러치(30); 변속기(40); 차동기어장치(50); 배터리(60); 상기 엔진(10)를 시동하거나 상기 엔진(10)의 출력에 의해 발전을 하는 시동 발전기(70); 및 차륜(80)를 포함할 수 있다.
또한, 상기 하이브리드 차량은, 하이브리드 차량의 전체 동작을 제어하는 하이브리드 제어기(HCU; hybrid control unit)(200); 엔진(10)의 동작을 제어하는 엔진 제어기(ECU; engine control unit)(110); 구동모터(20)의 동작을 제어하는 모터 제어기(MCU; motor control unit)(120); 변속기(40)의 동작을 제어하는 변속 제어기(TCU; transmission control unit)(140); 및 배터리(60)를 제어하고 관리하는 배터리 제어기(BCU; battery control unit)(160);를 포함할 수 있다.
상기 배터리 제어기(160)는 배터리 관리 시스템(BMS; battery management system)으로 호칭될 수 있다. 상기 시동 발전기(70)는 ISG(integrated starter & generator) 또는 HSG(hybrid starter & generator)라 호칭되기도 한다.
상기와 같은 하이브리드 차량은 구동모터(20)의 동력만을 이용하는 순수 전기자동차 모드인 EV 모드(electric vehicle mode); 엔진(10)의 회전력을 주동력으로 하면서 구동모터(20)의 회전력을 보조동력으로 이용하는 HEV 모드(hybrid electric vehicle mode); 차량의 제동 혹은 관성에 의한 주행시 제동 및 관성 에너지를 상기 구동모터(20)의 발전을 통해 회수하여 배터리(60)에 충전하는 회생제동 모드(regenerative braking mode)(RB 모드); 등의 주행모드로 운행할 수 있다.
일반적으로, 상기 하이브리드 차량은 관성에 의해 주행을 하는 타력(타행) 주행(coasting) 시, 관성 에너지의 회수를 위해 구동모터를 발전기로 동작시킨다(회생제동).
즉, 도 2의 그래프에서와 같이 타력 주행시 차속에 따른 타력 주행 토크(마이너스 토크)를 구동모터에 설정함으로써 관성 에너지를 발전전력으로 회수할 수 있다.
상기 구동모터가 발전기로 동작할 때, 발생하는 전력은 통상 배터리에 충전된다.
그런데, 상기 배터리의 상태가, 충전이 제한되는 만충전 상태이거나 과온(over temperature) 상태이면, 상기 구동모터(20)의 발전전력은 상기 배터리에 충전될 수 없게 되는 문제가 발생한다.
이 같은 문제를 해결하기 위한 종래기술의 일실시예는, 타력 주행시 상기 배터리의 상태가 충전 제한 상태이면, 구동모터에 의한 회생제동 대신 도 3에 도시한 바와 같은 엔진의 마찰 토크(마이너스 토크)를 이용하기 위해 연료를 차단(fuel cut) 하는 방법을 사용하였다.
또 다른 종래기술의 실시예는, 타력 주행시 상기 배터리의 상태가 충전 제한 상태이면, 도 4에 도시한 바와 같이 회생 제동에 따른 구동모터(20)의 발전전력을 에어컨 또는 히터(90)에서 소비(방전)하는 방법을 사용하였다.
그런데, 상기 연료 차단 방법에 따르면, 연료 차단시 엔진의 마찰토크(마이너스 토크)가 엔진클러치를 통해 차축으로 전달되기 때문에 구동모터의 회생제동 시와 같은 운전감을 구현할 수 있다. 그러나, 상기 엔진의 마찰토크는 가변할 수 없고, 변속단이 바뀌면 운전감이 급격히 저하되는 문제점이 있다.
상기 발전전력을 에어컨 또는 히터에서 소비하는 방법에 따르면, 상기 에어컨 또는 히터의 불필요한 작동으로 인해 차 실내의 온도 유지가 곤란해지는 문제가 있다.
이 배경기술 부분에 기재된 사항은 발명의 배경에 대한 이해를 증진하기 위하여 작성된 것으로서, 이 기술이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 이미 알려진 종래기술이 아닌 사항을 포함할 수 있다.
따라서, 본 발명이 해결하려는 과제는, 하이브리드 차량의 타행 주행(coasting) 시, 에너지 회수를 위한 구동모터의 발전전력을 배터리의 충전상태에 따라 시동 발전기(ISG; integrated starter & generator)에서 소비(방전)시킴으로써 배터리를 보호하고 운전성을 향상시킬 수 있는 하이브리드 차량의 충방전 제어 방법 및 시스템을 제공하는 것이다.
상기 과제를 해결하기 위한 본 발명의 실시예에 따른 하이브리드 차량의 충방전 제어 방법은, 배터리 전원에 의해 구동되는 구동모터와, 엔진을 시동하거나 상기 엔진의 회전력에 의해 발전할 수 있는 시동 발전기(ISG; integrated starter & generator)를 구비하는 하이브리드 차량의 충방전 제어 방법으로서, 상기 하이브리드 차량의 타력 주행시, 주행 모드를 회생제동 모드로 전환하는 단계; 상기 회생제동 모드에 따라 상기 구동모터가 발전하는 단계; 상기 배터리의 충전상태(SOC; state of charge)가 충전제한 상태인지를 판단하는 단계; 상기 배터리가 충전제한 상태이면, 상기 구동모터의 발전전력으로 상기 시동 발전기를 구동하는 단계;를 포함할 수 있다.
상기 배터리의 충전상태가 충전제한 상태가 아니면, 상기 충전제한 상태까지 구동모터의 발전전력으로 상기 배터리를 충전하고, 그 이후에 상기 시동 발전기를 구동할 수 있다.
상기 구동모터의 발전전력으로 상기 시동 발전기를 구동할 때, 상기 시동 발전기의 속도를 상기 엔진의 속도 및 상기 엔진의 마찰 토크 맵을 토대로 결정할 수 있다.
상기 시동 발전기의 구동 시 상기 엔진과 상기 구동모터의 연결을 단속하는 엔진클러치는 오픈(open)된 상태에 있다.
그리고, 상기 과제를 해결하기 위한 본 발명의 실시예에 따른 하이브리드 차량의 충방전 제어 시스템은, 하이브리드 차량의 충방전 제어 시스템으로서, 배터리 전원에 의해 구동되는 구동모터; 엔진을 시동하거나 상기 엔진의 회전력에 의해 발전하는 시동 발전기(ISG; integrated starter & generator); 상기 엔진과 상기 구동모터의 연결을 단속하는 엔진클러치; 및 상기 하이브리드 차량이 타력 주행 상태이고, 상기 배터리가 충전제한 상태이면, 상기 타력 주행에 따른 상기 구동모터의 발전전력을 상기 시동 발전기의 구동을 통해 소비시키는 충방전 제어기;를 포함할 수 있다.
상기 충방전 제어기는, 가속페달 신호 및 브레이크 페달 신호를 기초로 타력 주행 여부를 판단하는 타력주행 판단부; 타력 주행시 하이브리드 차량을 회생제동 주행모드로 전환하는 회생제동 모드 전환부; 상기 배터리의 충전상태를 판단하는 배터리 충전상태 판단부; 상기 시동 발전기의 속도를 상기 엔진 속도 및 상기 엔진의 마찰 토크 맵을 기초로 제어하는 시동 발전기 속도 제어부; 및 상기 각 부의 신호를 기초로 상기 하이브리드 차량의 타력 주행시 충방전 제어를 수행하는 충방전 제어부;를 포함할 수 있다.
상술한 바와 같이 본 발명의 실시예에 따르면, 하이브리드 차량의 타행 주행(coasting) 시, 에너지 회수를 위한 구동모터의 발전전력을 배터리의 충전상태에 따라 시동 발전기(ISG; integrated starter & generator)에서 소비(방전)시킴으로써 배터리를 보호하고 운전성을 향상시킬 수 있다.
도 1은 일반적인 하이브리드 차량의 개략적인 블록 구성도이다.
도 2는 하이브리드 차량의 타력 주행 토크에 대응하는 모터의 마이너스 토크를 도시한 그래프이다.
도 3은 하이브리드 차량의 타력 주행 토크에 대응하는 엔진의 마이너스 토크를 도시한 그래프이다.
도 4는 종래기술의 실시예에 따른 타력 주행시 하이브리드 차량의 충방전 제어 시스템을 도시한 블록 구성도이다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 타력 주행시 하이브리드 차량의 충방전 제어 시스템의 구성도이다.
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 하이브리드 차량의 충방전 제어 시스템의 제어기의 상세 블록 구성도이다.
도 7은 본 발명의 실시예에 따른 타력 주행시 하이브리드 차량의 충방전 제어 방법의 흐름도이다.
이하에서는 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나, 본 발명은 여기서 설명되는 실시예에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다.
명세서 전체에 걸쳐서 동일한 참조번호로 표시된 부분들은 동일한 구성요소들을 의미한다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 타력 주행시의 충방전 제어 시스템이 적용되는 하이브리드 차량을 개략적으로 도시한 도면이다.
도 1에 도시된 바와 같이 본 발명의 실시예에 따른 타력 주행시의 충방전 제어 시스템이 적용되는 하이브리드 차량은, 엔진(10)과; 모터(20); 엔진(10)과 모터(20) 사이에서 동력을 단속하는 엔진클러치(30); 변속기(40); 차동기어장치(50); 배터리(60); 및 상기 엔진(10)를 시동하거나 상기 엔진(10)의 출력에 의해 발전을 하는 시동 발전기(70);를 포함할 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에 따른 시동 제어 시스템이 적용되는 하이브리드 차량은, 하이브리드 차량의 전체 동작을 제어하는 하이브리드 제어기(HCU)(200); 엔진(10)의 동작을 제어하는 엔진 제어기(ECU)(110); 모터(20)의 동작을 제어하는 모터 제어기(MCU)(120); 변속기(40)의 동작을 제어하는 변속 제어기(TCU)(140); 및 배터리(60)를 제어하고 관리하는 배터리 제어기(BCU)(160);를 포함할 수 있다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 하이브리드 차량의 충방전 제어 시스템을 도시한 블록도이다.
본 발명의 실시예에 따른 충방전 제어 시스템은, 하이브리드 차량의 타력 주행시 구동모터에 의한 회생제동 발전전력을 배터리의 충전제한 상태에 따라 시동 발전기에서 소비(방전)시키는 충방전 제어 시스템이다.
이러한 본 발명의 실시예에 따른 충방전 제어 시스템은, 배터리(60) 전원에 의해 구동되는 구동모터(20); 엔진(10)을 시동하거나 상기 엔진(10)의 회전력에 의해 발전하는 시동 발전기(ISG)(70); 상기 엔진(10)과 상기 구동모터(20) 사이에서 이들의 연결을 단속하는 엔진클러치(30); 및 상기 하이브리드 차량의 타력 주행시 상기 구동모터(20)에 의한 회생제동 발전전력을 배터리(60)의 충전제한 상태에 따라 상기 시동 발전기에서 소비(방전)시키기 위한 충방전 제어기(300)를 포함한다.
상기 엔진(10), 구동모터(20), 엔진클러치(30), 배터리(60) 및 시동 발전기(70)는 기존의 하이브리드 차량에 포함되는 구성요소들이므로, 이들에 대한 보다 상세한 설명은 생략한다.
상기 충방전 제어기(300)는 설정된 프로그램에 의하여 동작하는 하나 이상의 마이크로프로세서 또는 상기 마이크로프로세서를 포함하는 하드웨어로서, 상기 설정된 프로그램은 후술하는 본 발명의 실시예에 따른 충방전 제어 방법을 수행하기 위한 일련의 명령으로 형성된다.
본 발명의 실시예에서, 상기 충방전 제어기(300)는, 도 1에 도시한 바와 같은 하이브리드 차량의 엔진(10)을 제어하는 엔진 제어기(ECU)와; 구동모터(20)를 제어하는 모터 제어기(MCU); 배터리(60)를 제어하고 관리하는 배터리 제어기(BCU); 및 시동 발전기(70)를 제어하며, 하이브리드 차량의 전체 동작을 제어하는 하이브리드 제어기(HCU);를 포함할 수 있다.
후술하는 본 발명의 실시예에 따른 충방전 제어 방법에서, 그 일부 프로세스는 상기 엔진 제어기에 의하여, 다른 일부 프로세스는 모터 제어기에 의하여, 또 다른 일부 프로세스는 배터리 제어기에 의하여, 다른 일부 프로세스는 하이브리드 제어기에 의하여 수행되는 것으로 할 수 있다.
그러나 본 발명의 보호범위가 후술하는 실시에에서 설명되는 대로에 한정되는 것으로 이해되어서는 안된다. 본 발명의 실시예에서의 설명과 다른 조합으로 제어기를 구현할 수 있다. 또는 상기 엔진 제어기, 모터 제어기, 배터리 제어기 및 하이브리드 제어기가 실시예에서 설명된 것과는 다른 조합의 프로세스를 수행하는 것으로 할 수 있다.
상기 충방전 제어기(300)는, 도 6에 도시한 바와 같이 세부 블록으로 구성될 수 있다. 도 6에 도시된 세부 블록들은 하드웨어와 설정된 프로그램이 결합된 모듈로 구성될 수 있다. 상기 하드웨어에는 전기전자 부품 및/또는 마이크로프로세서 및/또는 마이크로컴퓨터 등이 포함될 수 있다.
상기 충방전 제어기(300)는, 가속페달의 조작에 따른 가속페달 신호와 브레이크 페달의 조작에 따른 브레이크 페달 신호를 기초로 타력 주행 여부를 판단하는 타력주행 판단부(320); 타력 주행시 하이브리드 차량을 회생제동 주행모드로 전환하는 회생제동 모드 전환부(330); 상기 배터리(60)의 충전상태(SOC; state of charge)를 판단하는 배터리 충전상태 판단부(340); 상기 시동 발전기(70)의 속도를 상기 엔진(10) 속도 및 상기 엔진(10)의 마찰 토크 맵을 기초로 제어하는 시동 발전기 속도 제어부(350); 및 상기 각 부(320, …, 350)의 신호를 기초로 상기 하이브리드 차량의 타력 주행시 충방전 제어를 수행하는 충방전 제어부(310);를 포함한다.
상기 타력주행 판단부(320)는, 본 발명의 실시예에서는 일례로 상기 가속페달 신호와 브레이크 페달 신호를 통해 상기 가속페달과 브레이크 페달 모두가 조작되지 않고 있을 때를 타력 주행으로 판단할 수 있지만, 본 발명의 보호범위가 반드시 이에 한정된 것으로 이해되어서는 안된다. 이와 다른 경우라도 실질적으로 관성에 의해 주행하는 타력 주행이라면 본 발명의 기술적 사상이 적용될 수 있다.
이하에서는, 본 발명의 실시예에 따른 타력 주행시 하이브리드 차량의 충방전 제어 방법을 첨부된 도면을 참조로 상세히 설명한다.
도 7은 본 발명의 실시예에 따른 타력 주행시 하이브리드 차량의 충방전 제어 방법을 도시한 흐름도이다.
도 7에 도시된 바와 같이, 충방전 제어기(300)는 타력주행 판단부(320)를 통해 하이브리드 차량이 타력 주행인지를 판단한다(S110).
상기 타력 주행의 판단은, 일례로 가속페달 신호와 브레이크 페달 신호를 기초로 가속페달 및 브레이크 페달 모두가 조작되지 않는 관성 주행일 때로 판단할 수 있다.
S110에서 타력 주행으로 판단되면, 충방전 제어기(300)는 회생제동 모드 전환부(330)를 통해 주행 모드를 회생제동 모드로 전환한다(S120).
상기 충방전 제어기(300)는 회생제동 모드로 전환시, 엔진클러치(30)를 오픈(open) 상태로 하여 회생제동이 적절하게 수행되도록 할 수 있다.
S120에서 회생제동 모드로 전환되었으면, 상기 회생제동 모드에 의해 구동모터(20)는 발전을 하게 된다(S130).
상기 충방전 제어기(300)는 상기 구동모터(20)의 발전전력을 배터리(60)에 충전하기 전에 상기 배터리(60)가 충전제한 상태인지를 판단한다(S140).
상기 충전제한 상태는 일례로 배터리(60)의 SOC(state of charge)가 90% 이상인 때로 할 수 있다.
상기 충전제한 상태의 판단은, 기존의 배터리 제어기(BCU;160)가 배터리(60)의 SOC(state of charge)를 확인하여 충전제한 상태 여부를 판단하는 프로세스를 따를 수 있다.
S140에서 배터리(60)가 충전제한 상태에 있지 않은 것으로 판단되면, 상기 충방전 제어기(300)는 상기 구동모터(20)의 발전전력을 상기 배터리(60)에 충전한다(S150).
상기 충방전 제어기(300)는 상기 구동모터(20)의 발전전력을 상기 배터리(60)에 충전하면서, 상기 배터리(60)가 충전제한 상태에 도달했는지를 계속적으로 모니터링한다.
상기 배터리(60)가 충전제한 상태에 도달하면, 상기 충방전 제어기(300)는 충방전 제어부(310)를 통해 상기 구동모터(20)의 발전전력을 시동 발전기(70)에서 소비시키기 위해 시동 발전기(70)를 구동 제어한다(S160).
상기 시동 발전기(70)의 구동 제어시, 상기 충방전 제어기(300)는 시동발전기 속도 제어부(350)를 통해 상기 구동모터(20)의 발전전력이 모두 소비되도록 상기 시동 발전기(70)의 속도 및/또는 토크를 제어한다.
상기 시동발전기 속도 제어부(350)는, 엔진(10)의 속도 및 기존의 엔진 제어기(110)에 미리 저장된 엔진 마찰토크 맵을 토대로 상기 시동 발전기(70)의 속도를 제어할 수 있다.
예를 들어, 배터리(60)가 충전제한 상태이고, 구동모터(20)의 발전전력이 5kW이면, 상기 충방전 제어기(300)는 시동발전기 속도 제어부(350)를 통해 상기 시동 발전기(70)에서 5kW가 모두 소비되도록 상기 시동 발전기(70)의 속도를 제어한다.
이로써, 본 발명의 실시예는, 하이브리드 차량의 타행 주행(coasting) 시, 에너지 회수를 위한 구동모터의 발전전력을 배터리의 충전상태에 따라 시동 발전기에서 소비시킬 수 있다.
이상에서 본 발명의 실시예에 대하여 상세하게 설명하였지만 본 발명의 권리범위는 이에 한정되는 것은 아니고 다음의 청구범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 발명의 권리범위에 속하는 것이다.
10: 엔진 20: 구동모터
30: 엔진클러치 60: 배터리
70: 시동 발전기(ISG) 300: 충방전 제어기
320: 타력주행 판단부 330: 회생제동 모드 전환부
340: 배터리 충전상태 판단부 350: 시동발전기 속도 제어부

Claims (6)

  1. 배터리 전원에 의해 구동되는 구동모터와, 엔진을 시동하거나 상기 엔진의 회전력에 의해 발전할 수 있는 시동 발전기(ISG; integrated starter & generator)를 구비하는 하이브리드 차량의 충방전 제어 방법으로서,
    상기 하이브리드 차량의 타력 주행시, 주행 모드를 회생제동 모드로 전환하는 단계;
    상기 회생제동 모드에 따라 상기 구동모터가 발전하는 단계;
    상기 배터리의 충전상태(SOC; state of charge)가 충전제한 상태인지를 판단하는 단계;
    상기 배터리가 충전제한 상태이면, 상기 구동모터의 발전전력으로 상기 시동 발전기를 구동하는 단계;
    를 포함하는 하이브리드 차량의 충방전 제어 방법.
  2. 제1항에서,
    상기 배터리의 충전상태가 충전제한 상태가 아니면, 상기 충전제한 상태까지 구동모터의 발전전력으로 상기 배터리를 충전하고, 그 이후에 상기 시동 발전기를 구동하는 것을 특징으로 하는 하이브리드 차량의 충방전 제어 방법.
  3. 제2항에서,
    상기 구동모터의 발전전력으로 상기 시동 발전기를 구동할 때, 상기 시동 발전기의 속도를 상기 엔진의 속도 및 상기 엔진의 마찰 토크 맵을 토대로 결정하는 것을 특징으로 하는 하이브리드 차량의 충방전 제어 방법.
  4. 제2항에서,
    상기 시동 발전기의 구동 시 상기 엔진과 상기 구동모터의 연결을 단속하는 엔진클러치는 오픈된 상태에 있는 것을 특징으로 하는 하이브리드 차량의 충방전 제어 방법.
  5. 하이브리드 차량의 충방전 제어 시스템으로서,
    배터리 전원에 의해 구동되는 구동모터;
    엔진을 시동하거나 상기 엔진의 회전력에 의해 발전하는 시동 발전기(ISG; integrated starter & generator);
    상기 엔진과 상기 구동모터의 연결을 단속하는 엔진클러치; 및
    상기 하이브리드 차량이 타력 주행 상태이고, 상기 배터리가 충전제한 상태이면, 상기 타력 주행에 따른 상기 구동모터의 발전전력을 상기 시동 발전기의 구동을 통해 소비시키는 충방전 제어기;
    를 포함하는 하이브리드 차량의 충방전 제어 시스템.
  6. 제5항에서,
    상기 충방전 제어기는,
    가속페달 신호 및 브레이크 페달 신호를 기초로 타력 주행 여부를 판단하는 타력주행 판단부;
    타력 주행시 하이브리드 차량을 회생제동 주행모드로 전환하는 회생제동 모드 전환부;
    상기 배터리의 충전상태를 판단하는 배터리 충전상태 판단부;
    상기 시동 발전기의 속도를 상기 엔진 속도 및 상기 엔진의 마찰 토크 맵을 기초로 제어하는 시동 발전기 속도 제어부; 및
    상기 각 부의 신호를 기초로 상기 하이브리드 차량의 타력 주행시 충방전 제어를 수행하는 충방전 제어부;
    를 포함하는 하이브리드 차량의 충방전 제어 시스템.
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