KR101382953B1

KR101382953B1 - 하이브리드 차량의 배터리 충방전량 제어방법

Info

Publication number: KR101382953B1
Application number: KR1020080123164A
Authority: KR
Inventors: 김달철; 전유광; 민병순; 김용기; 차석원; 김범수
Original assignee: 현대자동차주식회사
Priority date: 2008-12-05
Filing date: 2008-12-05
Publication date: 2014-04-09
Also published as: KR20100064642A

Abstract

본 발명은 하이브리드 차량의 배터리 충방전량 제어방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 차량 운전 조건 및 주행 상황을 예상하고 이에 따른 목표 SOC값을 설정한 경우에, 이 목표 SOC값에 따라 가변되는 모터토크 제어선도가 결정되며, 상기 모터토크 제어선도에 따라 현재 SOC에 대한 모터토크를 도출함으로써, 운전자가 지향하는 방향에 맞게 배터리가 최고의 효율점에서 운용될 수 있는 하이브리드 차량의 배터리 충방전량 제어방법에 관한 것이다.

이를 위해, 본 발명은 목표 SOC를 결정하는 단계; 상기 목표 SOC에 따라 모터토크 제어선도가 설정되는 단계; 상기 모터토크 제어선도에서 현재 SOC에 대한 보정모터토크를 도출하는 단계; 상기 보정모터토크를 현재 모터토크에 더하여 모터토크를 보정하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 하이브리드 차량의 배터리 충방전량 제어방법을 제공한다.

목표 SOC, 모터토크제어선도, 배터리, 충방전량

Description

하이브리드 차량의 배터리 충방전량 제어방법{Control method for batter SOC of HEV}

본 발명은 하이브리드 차량의 배터리 충방전량 제어방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 차량 운전 조건 및 주행 상황을 예상하고 이에 따른 목표 SOC를 설정한 후, 이 목표 SOC에 추종하도록 제어하여 에너지를 효율적으로 사용할 수 있는 하이브리드 차량의 배터리 충방전량 제어방법에 관한 것이다.

일반적으로, 하이브리드(Hybrid) 차량이란 두 개의 동력원을 이용하여 구동되는 차량을 말하며, 하이브리드 차량의 에너지 저장 장치로 배터리를 사용한다.

상기 하이브리드 자동차에 구비되는 배터리의 잔존 용량 제어는 하이브리드 차량의 연비 및 배기 성능을 좌우하는 중요한 변수로써 배터리 잔존 용량(SOC;State Of Charge)에 따라 어시스트(Assist)의 양과 회생 제동량이 결정될 수 있기 때문이다.

상기 배터리 잔존 용량을 제어하는데 있어서 가장 중요한 것은 배터리가 최 고 효율점에서 운용되도록 하는 것이며, 배터리의 특성상 배터리 잔존 용량에 따라 충방전 효율이 다양하게 나타난다.

상기 배터리 잔존 용량은 충방전 효율의 특성에 따라 3영역으로 나누어지며, 배터리 잔존 용량의 55% ~ 60%를 기준으로 ±5%의 영역에 해당되는 영역이 노말 영역이고, 상기한 노말 영역의 상위 단계인 배터리 잔존 용량의 65% 이상에 해당되는 영역이 과충전 영역이며, 노말 영역의 하위 단계인 55% 이하인 영역이 과방전 영역이다.

한편, 현존하는 하이브리드 차량의 배터리 충방전량 제어 전략은 능동적인 제어변수가 아닌 수동적인 상태변수로 간주된다. 따라서 정해진 작동영역 안에서 SOC를 유지 제어하는 전략 방법이 주로 채택되어 왔다.

대표적인 하이브리드 차량의 SOC 유지제어방법으로 최대 SOC 제어방법(Max SOC control), 서모스탯 방법(Thermostat control), 베이스라인 제어방법(Baseline control)이 있다.

위의 세가지 SOC 유지 전략의 경우 상태 변수인 SOC 값을 최대 및 최소의 한계 범위를 설정하고, 상기 한계범위 안에 존재하면 별다른 제어전략을 수행하지 않는다.

따라서 적극적인 배터리 SOC 제어전략을 통한 전기에너지의 활용방법이라고 볼 수 없다. 다만 위의 방법은 차량이 주행할 미래 상황을 예측할 수 없기 때문에 가장 현실적인 대안으로 볼 수 있으나, GPS 및 네비게이션 시스템을 이용한 주행 상황 예측이 가능하다면 현존 기술과는 다른 제어 전략이 가능하다.

본 발명은 상기와 같은 점을 감안하여 안출한 것으로서, 차량 운전 조건 및 주행 상황을 예상하고 이에 따른 목표 SOC값을 설정한 경우에, 이 목표 SOC값에 따라 가변되는 모터토크 제어선도가 결정되며, 상기 모터토크 제어선도에 따라 현재 SOC에 대한 모터토크를 도출함으로써, 운전자가 지향하는 방향에 맞게 배터리가 최고의 효율점에서 운용될 수 있는 하이브리드 차량의 배터리 충방전량 제어방법을 제공하는데 그 목적이 있다.

상기한 목적은 하이브리드 차량의 배터리 충방전량 제어방법에 있어서,

목표 SOC를 결정하는 단계; 상기 목표 SOC에 따라 모터토크 제어선도가 설정되는 단계; 상기 모터토크 제어선도에서 현재 SOC에 대한 보정모터토크를 도출하는 단계; 상기 보정모터토크를 현재 모터토크에 더하여 모터토크를 보정하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 하이브리드 차량의 배터리 충방전량 제어방법에 의해 달성된다.

바람직하게는, 상기 목표 SOC는 GPS, 네비게이션 및 지능형 교통시스템 중 선택된 어느 하나를 활용하여 차량의 미래 상황에 대한 예측이 가능하다는 조건 하에 주행시간에 따라 가변하면서 결정되는 것을 특징으로 한다.

상기 목표 SOC는 한계 최대 및 최소 범위에 다가갈 수록 기울기의 증가로 모 터에서 출력하는 보정모터토크의 크기가 증가한다.

본 발명의 다른 실시예에 따라, 상기 목표 SOC를 결정하는 단계는 최소 SOC 및 최대 SOC를 더 포함하여 결정한다.

또한, 상기 목표 SOC, 최소 SOC 및 최대 SOC는 GPS, 네비게이션 및 지능형 교통시스템 중 선택된 어느 하나를 활용하여 차량의 미래 상황에 대한 예측이 가능하다는 조건 하에 주행시간에 따라 가변하면서 결정된다.

상기 모터토크 제어선도는 목표 SOC, 최대 SOC 및 최소 SOC의 입력값에 따라 매순간마다 가변되면서 결정되며, 목표 SOC를 기준으로 최대 SOC와 최소 SOC 사이의 위치에 따라 서로 다른 기울기로 설정된다.

이에 따라 본 발명에 따른 하이브리드 차량의 배터리 충방전량 제어방법에 의하면, 차량의 미래 상황에 대한 예측가능한 목표 SOC를 설정한 후 이 목표 SOC에 따라 매 순간 설정되는 모터토크 제어선도에 의해 보정모터토크를 선택하여 현재의 모터토크를 보정함으로써, 능동적인 제어변수로 배터리 SOC를 제어하여 운전자가 지향하는 바에 맞도록 배터리가 최고 효율점에서 운용될 수 있다.

이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부도면을 참조로 상세하게 설명한다.

본 발명은 차량 운전 조건 및 주행 상황을 예상하고 이에 따른 목표 SOC값을 설정한 경우에, 이 목표 SOC값에 따라 가변되는 모터토크 제어선도가 결정되며, 상기 모터토크 제어선도에 의해 현재 SOC에 따른 모터토크를 도출함으로써, 운전자가 지향하는 방향에 맞게 SOC를 효율적으로 운영할 수 있는 하이브리드 차량의 배터리 충방전량 제어방법에 관한 것이다.

여기서, 상기 목표 SOC(Target SOC)는 GPS, 네비게이션 및 지능형 교통 시스템(ITS:Intelligent Transportation Systems) 등을 활용하여 차량의 미래 상황에 대한 예측이 가능하다는 조건 하에서 주행 시간에 따라 설정가능하다.

상기 목표 SOC는 가변되는 값이며, 이 목표 SOC에 따라 모터토크 제어선도가 정해지며, 이 모터토크 제어선도에서 X축변수의 현재 SOC에 대응하는 Y축 변수의 보정모터토크를 선택하여 해당 보정모터토크를 현재 모터토크에 부가(ADD)함으로써 현재의 모터토크를 보정하여 운전자가 원하는 방향으로 SOC를 제어할 수 있다.

도 1은 종래의 배터리 SOC 제어방법을 설명하기 위한 설명도이다.

도면에서 A~D는 각각 40, 48, 55, 62, 70%의 SOC를 나타내며, 이 값들은 고정된 값이고 선도 또한 고정되어 있다. 이때 SOC의 상태변화량에 따른 모터토크의 크기가 변하게 된다. 다만, 모터토크는 물리적인 의미에서 임의의 모터속도에서 모터가 낼 수 있는 최대 모터 토크값(±Tq Mot MAX)이하로 결정되어야 한다. 물론, 상기 A~D 값들은 모두 변경가능하다.

현재 SOC가 B~C 사이의 구간에 있는 경우에는 모터토크가 0을 나타내나, 이는 현재 모터토크가 0이라는 것을 의미하는 것이 아니고, 보정모터토크가 0이라는 의미이다. 따라서 보정할 모터토크가 0이므로 현재의 모터토크를 그대로 유지한다 는 의미이다.

만약 현재 SOC가 C~D 구간 사이에 있는 경우에는 모터 어시스트할 토크가 + 값을 가지므로, 상기 선도에서 SOC 상태에 따른 보정모터토크를 현재 모터토크에 부가하여 보정한다.

그리고, 현재 SOC가 A~B 구간에 있는 경우에는 모터에 의해 발전해야 할 토크가 -값을 가지므로, 상기 선도에서 SOC 상태에 따른 보정모터토크를 현재 모터토크에서 빼서 보정한다.

도 1의 모터토크 제어선도는 다음 식에 의해 구현된다.

상기 식에서 u1은 현재 SOC이고, u2는 최대 모터토크이고, A~D는 상수이다.

도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 배터리 SOC의 제어방법을 설명하기 위한 설명도이다.

목표 SOC는 GPS, 네비게이션, ITS 등을 활용하여 차량의 미래상황에 대한 예측이 가능하다는 조건하에서 주행시간에 따라 가변되는 값이며, 모터토크제어선도는 목표 SOC에 따라 매 순간 설정되게 된다.

도면에서 SOC 55%(이하, C'이라고 한다)에서 토크 0(Nm)를 지나는 선도를 기준으로 오른쪽과 왼쪽의 제어선도 중 어느하나가 선택되고, C'를 기준으로 오른 쪽(SOC 증가방향)에 목표 SOC가 설정되면 가운데 선을 기준으로 오른쪽의 모터토크 제어선도가 선택되며, C'를 기준으로 왼쪽(SOC 감소방향)에 목표 SOC가 설정되면 가운데 선을 기준으로 왼쪽의 모터토크 제어선도가 선택된다.

상기 목표 SOC에 따라 모터토크 제어선도가 가변되며, 도면에서 현재 SOC가 C'~C 구간에 있는 경우 보정모터토크(-값)를 현재 모터토크에 더하여 보정하고, 현재 SOC가 C~D 구간에 있는 경우 보정모터토크(+값)를 현재 모터토크에 더하여 보정한다.

도시한 바와 같이 목표 SOC가 한계 최대 및 최소 SOC에 다가갈 수록 모터에서 출력하는 토크 크기 또한 증가하게 된다.

도 2의 모터토크 제어선도는 다음 식에 의해 구현된다.

상기 식에서 u1은 목표 SOC이고, u2는 최대 모터토크이고, u3는 현재 SOC이고, A~D는 상수이다.

도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 배터리 SOC의 제어방법을 설명하기 위한 설명도이다.

목표 SOC, 최대 SOC 및 최소 SOC는 GPS, 네비게이션, ITS 등을 활용하여 차 량의 미래상황에 대한 예측이 가능하다는 조건하에서 주행시간에 따라 가변되는 값이며, 모터토크제어선도는 도 3과 같은 형태로 목표 SOC, 최대 SOC 및 최소 SOC에 따라 매 순간 설정되게 된다.

도 3의 모터토크제어선도는 상기 목표 SOC, 최대 SOC 및 최소 SOC의 세가지 입력값을 바탕으로 결정되고, 목표 SOC를 기준으로 최대 SOC과 최소 SOC 사이의 위치에 따라 서로 다른 기울기가 설정되므로, 도 2에 비해 보다 적극적인 SOC 제어방법이 된다.

예를 들어, 현재 SOC가 최소 SOC와 목표 SOC 사이에 있을 경우 모터토크제어선도에서 대응되는 보정모터토크(-값)를 현재 모터토크에 더하여 보정한다.

이와 같은 방법에 의해 차량의 미래 상황에 대한 예측가능한 목표 SOC를 설정한 후 이 목표 SOC에 따라 매 순간 설정되는 모터토크 제어선도에 의해 보정모터토크를 선택하여 현재의 모터토크를 보정함으로써, 능동적인 제어변수로 배터리 SOC를 제어할 수 있다.

상기 식에서 u1은 현재 SOC이고, u2는 목표 SOC이고, u3는 최대 SOC이고, u4는 최소 SOC이고, u5는 최대 모터토크이다.

도 1은 종래의 배터리 SOC 제어방법을 설명하기 위한 설명도,

도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 배터리 SOC의 제어방법을 설명하기 위한 설명도,

도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 배터리 SOC의 제어방법을 설명하기 위한 설명도,

도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 하이브리드 차량의 배터리 충방전량 제어방법을 나타내는 순서도이다.

Claims

하이브리드 차량의 배터리 충방전량 제어방법에 있어서,

목표 SOC를 결정하는 단계;

상기 목표 SOC에 따라 모터토크 제어선도가 설정되는 단계;

상기 모터토크 제어선도에서 현재 SOC에 대한 보정모터토크를 도출하는 단계;

상기 보정모터토크를 현재 모터토크에 더하여 모터토크를 보정하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 하이브리드 차량의 배터리 충방전량 제어방법.
청구항 1에 있어서,

상기 목표 SOC는 GPS, 네비게이션 및 지능형 교통시스템 중 선택된 어느 하나를 활용하여 차량의 미래 상황에 대한 예측이 가능하다는 조건 하에 주행시간에 따라 가변하면서 결정되는 것을 특징으로 하는 하이브리드 차량의 배터리 충방전량 제어방법.
청구항 1에 있어서,

상기 목표 SOC는 한계 최대 및 최소 범위에 다가갈 수록 기울기의 증가로 모 터에서 출력하는 보정모터토크의 크기가 증가하는 것을 특징으로 하는 하이브리드 차량의 배터리 충방전량 제어방법.
청구항 1에 있어서,

상기 목표 SOC를 결정하는 단계는 최소 SOC 및 최대 SOC를 더 포함하여 결정하는 것을 특징으로 하는 하이브리드 차량의 배터리 충방전량 제어방법.
청구항 4에 있어서,

상기 목표 SOC, 최소 SOC 및 최대 SOC는 GPS, 네비게이션 및 지능형 교통시스템 중 선택된 어느 하나를 활용하여 차량의 미래 상황에 대한 예측이 가능하다는 조건 하에 주행시간에 따라 가변하면서 결정되는 것을 특징으로 하는 하이브리드 차량의 배터리 충방전량 제어방법.
청구항 4에 있어서,

상기 모터토크 제어선도는 목표 SOC, 최대 SOC 및 최소 SOC의 입력값에 따라 매순간마다 가변되면서 결정되며, 목표 SOC를 기준으로 최대 SOC와 최소 SOC 사이의 위치에 따라 서로 다른 기울기로 설정되는 것을 특징으로 하는 하이브리드 차량 의 배터리 충방전량 제어방법.