KR101509702B1 - 하이브리드 차량의 변속 제어 방법 및 시스템 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 운행 악조건 등에 의해 하이브리드 차량의 엔진클러치의 전달토크가 허용전달토크를 초과하여 발생하는 엔진클러치의 슬립을 변속 제어를 통해 방지할 수 있는 하이브리드 차량의 변속 제어 방법 및 시스템에 관한 것이다. 이를 위한 본 발명의 실시예는, 엔진 토크를 검출하는 단계, 상기 엔진 토크를 기초로 상기 하이브리드 차량의 엔진클러치의 입력 토크를 계산하는 단계, 상기 계산된 입력 토크와 상기 엔진클러치의 설정된 허용전달토크를 비교하는 단계, 상기 계산된 입력 토크가 상기 허용전달토크를 초과하면, 현재의 변속 시간을 설정된 값만큼 증가시켜 적용하는 단계를 포함할 수 있다.

Description

하이브리드 차량의 변속 제어 방법 및 시스템 {SHIFT CONTROL METHOD AND SYSTEM OF HYBRID VEHICLE}
본 발명은 하이브리드 차량의 변속 제어 방법 및 시스템에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 운행 악조건 등에 의해 하이브리드 차량의 엔진클러치의 전달토크가 허용전달토크를 초과하여 발생하는 엔진클러치의 슬립을 변속 시간 제어를 통해 방지할 수 있는 하이브리드 차량의 변속 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 회전력에 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.
이와 같은 하이브리드 차량이, 예를 들어 건식 엔진클러치를 사용하는 경우, 변속시 완전 결합(fully closed) 상태를 유지하여야 한다. 따라서, 상기 하이브리드 차량의 건식 엔진클러치의 허용전달토크는 모터, 엔진의 회전 관성, 각가속도 및 엔진 토크를 고려하여 결정된다.
그런데, 하이브리드 차량이 악조건 하에서 운행될 때, 전달토크가 허용전달토크를 넘어서 엔진클러치 슬립현상이 발생될 수 있다. 예를 들어, 하이브리드 차량이 외기온도 섭씨 -40도(극저온) 상황에서 운행될 때, 엔진 추가 토크에 따라 변속될 때, 엔진클러치에서 슬립이 발생할 수 있다.
즉, 상기와 같이 하이브리드 차량이 악조건 상황에서 운행 중, 변속이 이루어 질 때 모터와 엔진 사이의 동력 전달 장치인 엔진클러치의 허용전달토크 용량이 변속시 전달 토크를 감당하지 못하면 모터와 엔진의 회전 관성차에 의한 엔진클러치 슬립현상이 발생할 수 있는 것이다. 이러한 엔진클러치 슬립현상이 발생하면, 변속 안전성 및 차량 진동, 연비 등에 악영향이 있을 수 있다.
상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 엔진클러치의 허용전달토크를 증가시킬 수 있지만, 이는 엔진클러치의 사이즈 증대를 필요로 하고, 이에 따라 설치 공간상의 확보가 필요한 문제점이 있을 수 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, 운행 악조건 등에 의해 하이브리드 차량의 엔진클러치의 전달토크가 허용전달토크를 초과하여 발생하는 엔진클러치의 슬립을 변속 시간 제어를 통해 방지할 수 있는 하이브리드 차량의 변속 제어 방법 및 시스템을 제공하는 것이다.
상기 과제를 해결하기 위한 본 발명의 실시예에 따른 하이브리드 차량의 변속 제어 방법은: 엔진 토크를 검출하는 단계, 상기 엔진 토크를 기초로 상기 하이브리드 차량의 엔진클러치의 입력 토크를 계산하는 단계, 상기 계산된 입력 토크와 상기 엔진클러치의 설정된 허용전달토크를 비교하는 단계, 상기 계산된 입력 토크가 상기 허용전달토크를 초과하면, 현재의 변속 시간을 설정된 값만큼 증가시켜 적용하는 단계를 포함할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 하이브리드 차량의 변속 제어 방법은, 상기 설정된 값만큼 증가된 변속 시간이 적용된 후의 입력 토크를 다시 계산하여 상기 허용전달토크와 비교하는 단계; 및 상기 다시 계산된 입력 토크가 상기 허용전달토크를 초과하는 경우, 상기 변속 시간을 증가시키는 단계 및 그 이후의 단계를 반복 수행할 수 있다.
상기 입력 토크는 아래 공식에 의해 계산될 수 있다.
Tin = TE +(Iinput * α)
(Tin : 입력 토크, TE : 엔진 토크, Iinput : 입력 관성(inertia) 또는 엔진의 회전 관성, α : 각가속도)
상기 입력 토크는 상기 허용전달토크에 설정된 안전계수(예; 0.8)를 곱하여 계산할 수 있다.
상기 변속 시간의 증가는 설정된 비율로 증가될 수 있다.
상기 엔진 토크를 검출하는 단계 및 그 이후 단계들은 상기 하이브리드 차량이 설정된 악조건으로서 섭씨 -40도 이하에서 운행될 때 수행될 수 있다.
그리고, 상기 과제를 해결하기 위한 본 발명의 다른 실시예에 따른 하이브리드 차량의 변속 제어 시스템은: 엔진과 모터 사이에서 동력의 전달을 제어하는 건식 엔진클러치; 상기 엔진의 동작을 제어하기 위한 엔진제어장치(ECU; engine control unit); 상기 모터의 동작을 제어하기 위한 모터제어장치(MCU; motor control unit); 변속기의 동작을 제어하기 위한 변속제어장치(TCU; transmission control unit); 상기 하이브리드 차량의 전체 동작을 제어하기 위한 하이브리드 제어 장치(HCU; hybrid control unit); 및 엔진 토크, 엔진의 회전 관성(또는 엔진 클러치의 입력 관성) 및 엔진의 각가속도를 기초로 계산되는 상기 엔진클러치의 입력 토크가 상기 엔진클러치의 설정된 허용전달토크를 초과할 때 변속시간을 설정값 만큼 증가시키는 제어를 수행하는 제어기;를 포함하되, 상기 제어기는 상기 본 발명의 실시예에 따른 하이브리드 차량의 변속 제어 방법을 수행하기 위한 설정된 프로그램에 의해 동작할 수 있다.
상술한 바와 같이 본 발명의 실시예에 따르면, 운행 악조건 등에 의해 하이브리드 차량의 엔진클러치의 전달토크가 허용전달토크를 초과하여 발생하는 엔진클러치의 슬립을 변속 시간 제어를 통해 방지함으로써, 하이브리드 차량의 변속 안전성 및 연비 등을 을 향상시킬 수 있다.
도 1은 일반적인 하이브리드 차량을 개략적으로 도시한 블록 구성도이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 하이브리드 차량의 변속 제어 시스템을 도시한 블록 구성도이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 하이브리드 차량의 변속 제어 방법을 도시한 흐름도이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 하이브리드 차량의 변속 제어 방법 및 시스템의 동작을 설명하기 위한 그래프이다.
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 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 포함한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.
명세서 전체에 걸쳐서 동일한 참조번호로 표시된 부분들은 동일한 구성요소들을 의미한다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 하이브리드 차량의 변속 제어 시스템을 도시한 블록도이다.
본 발명의 실시예에 따른 하이브리드 차량의 변속 제어 시스템은, 하이브리드 차량의 엔진클러치의 입력 토크가 설정된 허용전달토크를 초과할 때 변속시간을 제어하는 시스템이다.
이러한 본 발명의 실시예에 따른 하이브리드 차량의 변속 제어 시스템은: 엔진(10)과 모터(20) 사이에서 동력의 전달을 제어하는 엔진클러치(30), 엔진(10)의 동작을 제어하기 위한 엔진제어장치(ECU; 110), 모터(20)의 동작을 제어하기 위한 모터제어장치(MCU; 120), 변속기(40)의 동작을 제어하기 위한 변속제어장치(TCU; 140), 및 엔진 토크, 엔진클러치(30)의 입력 관성 및 각가속도를 기초로 계산되는 엔진클러치(30)의 입력 토크가 엔진클러치(30)의 설정된 허용전달토크를 초과할 때 변속시간을 설정값 만큼 증가시키는 제어를 수행하는 제어기(300)를 포함할 수 있다.
상기한 엔진(10), 모터(20), 변속기(40), 엔진제어장치(110), 모터제어장치(120), 변속제어장치(140)은, 도 1에 도시한 바와 같은 기존의 하이브리드 차량에 장착되는 것들로 할 수 있다.
본 발명의 실시예에서 엔진클러치(30)는 바람직하게 건식 엔진클러치로 할 수 있다.
제어기(300)는 설정된 프로그램에 의하여 동작하는 하나 이상의 마이크로프로세서 및/또는 마이크로프로세서를 포함하는 하드웨어로서, 상기 설정된 프로그램은 후술할 본 발명의 실시예에 따른 하이브리드 차량의 변속 제어 방법을 수행하기 위한 일련의 명령으로 형성될 수 있다.
본 발명의 실시예에서는, 상기 제어기(300)는 도 1에 도시한 바와 같은 바람직하게 하이브리드 제어기의 역할을 수행할 수 있다. 즉, 상기 제어기(300)는 하이브리드 제어기를 포함하거나 또는 하이브리드 제어기에 포함될 수 있다.
이하에서는, 본 발명의 실시예에 따른 하이브리드 차량의 변속 제어 방법을 첨부된 도면을 참조로 상세히 설명한다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 하이브리드 차량의 변속 제어 방법을 도시한 흐름도이다.
도 3에 도시된 바와 같이, 제어기(300)는 하이브리드 차량의 운행 중에 엔진 토크를 검출한다(S110). 제어기(300)는 예를 들어 ECU(110)에 의해 검출된 엔진 토크를 이용할 수 있다. ECU(110)가 엔진 토크를 검출하는 것은, 해당 기술분야에 널리 공지된 사실이므로 이에 대한 상세한 기술은 생략한다.
상기 엔진 토크를 검출했으면, 제어기(300)는 엔진클러치(30)에 입력되는 입력 토크를 계산한다(S120). 제어기(300)는 상기 입력 토크를 계산할 때, 상기 엔진 토크를 이용할 수 있다. 예를 들면, 제어기(300)는 상기 입력 토크를 아래 공식에 따라 계산할 수 있다.
Tin = TE + (Iinput * α)
(Tin : 입력 토크, TE : 엔진 토크, Iinput : 입력 관성(inertia) 또는 엔진의 회전 관성, α : 각가속도)
제어기(300)는 상기 공식에 따라 입력 토크를 계산될 수 있지만, 본 발명의 보호범위가 반드시 이에 한정된 것으로 이해되어서는 안된다. 제어기(300)는 해당기술분야에서 이미 공지되어 있는 방법을 통해서 상기 입력 토크를 계산할 수 있다. 또는, 제어기(300)는 상기 입력 토크를 후술하는 엔진클러치의 허용전달토크에 설정된 안전계수(예; 0.8)를 곱하여 계산할 수 있다.
상기 공식에서 엔진클러치의 입력 관성, 각가속도 등은 해당기술분야에서 용이하게 계산하거나 검출할 수 있는 것이므로 이에 대한 상세한 설명은 생략한다.
상기 엔진클러치의 입력 관성은 엔진의 회전 관성으로 할 수 있다.
상기 입력 토크가 계산되었으면, 제어기(300)는 상기 입력 토크를 설정된 허용전달토크와 비교한다(S130).
상기 허용전달토크는 미리 설정된 값으로서 엔진클러치(30)의 사양에 기재된 값을 이용할 수 있다.
S130에서 상기 입력 토크와 상기 허용전달토크의 비교 결과, 상기 입력 토크가 상기 허용전달토크를 초과하면, 제어기(300)는 현재 설정되어 있는 변속 시간(예; 0.3초)을 증가시킨다(S140).
예를 들어, 제어기(300)는 상기 입력 토크가 상기 허용전달토크를 초과하면, 도 4에 도시되어 있는 바와 같이 현재 설정되어 있는 변속 시간, 0.3초를 0.7초로 증가시킬 수 있다.
상기 입력 토크가 상기 허용전달토크를 초과할 때, 종래에는 예를 들어 도 4 (A)에 도시한 바와 같이 변속 시간이 0.3초로 짧게 설정되어 있고, 엔진 속도 및/또는 모터 속도의 속도 변동량이 3000rpm/s 되기 때문에 엔진클러치(30)에서 슬립이 발생할 수 있다. 즉, 종래에는 입력 토크가 허용전달토크를 초과할 때에도 변속 시간이 짧게 그대로 유지되고 있다. 따라서, 모터(20)와 엔진(20)의 회전관성 차이에 의해 변속에 따른 속도 저감을 엔진(10)이 모터(20)를 따라가지 못하는 현상이 발생하게 되고, 이로 인해 엔진클러치(30)에서의 슬립이 발생하였다.
이에 반해, 본 발명의 실시예에서는 상기 입력 토크가 상기 허용전달토크를 초과할 때, 제어기(300)가 도 4 (B)에 도시한 바와 같이 변속 시간을 설정 시간 만큼 증가시켜, 예를 들어 0.7초로 증가시킴으로써 종래에 발생하였던 엔진클러치(30)의 슬립을 방지할 수 있다.
즉, 상기 입력 토크가 상기 허용전달토크를 초과할 때, 변속 시간을 0.7로 길게 하면, 엔진(10) 및/또는 모터(20)의 속도 변동량이 1740rpm/s로 되고, 이에 따라 다시 계산된 입력 토크도 줄어들고(S150), 엔진(10)과 모터(20)의 속도도 거의 일치하게 되어 엔진클러치(30)에서의 슬립이 발생하지 않게 된다.
상기와 같이 입력 토크가 상기 허용전달토크를 초과하는 경우는, 예를 들어 하이브리드 차량이 악조건에서 운행될 때, 예를 들면 섭씨 -40도 이하에서 운행될 때 발생할 수 있으므로, 제어기(300)는 설정된 악조건(예; 섭씨 -40도) 이하인 경우에만 본 발명의 실시예에 따른 변속 제어를 수행할 수 있지만, 본 발명의 보호범위가 반드시 이에 한정된 것으로 이해되어서는 안된다.
S140에서 증가된 변속 시간을 기초로 재계산된 입력 토크가 상기 허용전달토크를 여전히 초과하면(S160), 제어기(300)는 변속 시간을 증가시켜 입력 토크를 감소시키기 위한 과정, 즉 S140 이하의 과정을 다시 수행한다.
S140에서 변속 시간의 증가는 설정된 시간, 예를 들면 현재 설정되어 있는 시간의 100~250%씩 증가시킬 수 있다.
S130 및/또는 S160에서 상기 입력 토크가 상기 허용전달토크 이하이면, 제어기(300)는 이에 해당하는 변속 시간을 변속 시간으로 결정하여 변속에 적용한다(!70).
이로써, 본 발명의 실시예에 따르면, 변속 시간 변경(보상) 제어를 통해 엔진클러치의 사이즈 증대 없이 악조건 운행시 엔진클러치의 슬립 발생 문제를 해결할 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: 모터
30: 엔진클러치 110: 엔진제어장치
120: 모터제어장치 300: 제어기

Claims (6)

  1. 하이브리드 차량의 변속 제어 방법으로서,
    엔진 토크를 검출하는 단계;
    상기 엔진 토크를 기초로 상기 하이브리드 차량의 엔진클러치의 입력 토크를 계산하는 단계;
    상기 계산된 입력 토크와 상기 엔진클러치의 설정된 허용전달토크를 비교하는 단계;
    상기 계산된 입력 토크가 상기 허용전달토크를 초과하면, 현재의 변속 시간을 설정된 값만큼 증가시켜 적용하는 단계;
    상기 설정된 값만큼 증가된 변속 시간이 적용된 후의 입력 토크를 다시 계산하여 상기 허용전달토크와 비교하여, 비교결과에 따라 변속시간을 조정하여 적용하는 단계;
    를 포함하는 하이브리드 차량의 변속 제어 방법.
  2. 제1항에서,
    상기 다시 계산된 입력 토크가 상기 허용전달토크를 초과하는 경우, 상기 변속 시간을 증가시키는 단계 및 그 이후의 단계를 반복 수행하도록 된 것을 특징으로 하는 하이브리드 차량의 변속 제어 방법.
  3. 제1항에서,
    상기 입력 토크는 아래 공식에 의해 계산되는 것을 특징으로 하는 하이브리드 차량의 변속 제어 방법.
    Tin = TE + (Iinput * α)
    (Tin : 입력 토크, TE : 엔진 토크, Iinput : 입력 관성(inertia) 또는 엔진의 회전 관성, α : 각가속도)
  4. 제1항에서,
    상기 입력 토크는 상기 허용전달토크에 설정된 안전계수를 곱하여 계산하는 것을 특징으로 하는 하이브리드 차량의 변속 제어 방법.
  5. 제1항에서,
    상기 변속 시간의 증가는 설정된 비율로 증가되는 것을 특징으로 하는 하이브리드 차량의 변속 제어 방법.
  6. 하이브리드 차량의 변속 제어 시스템으로서,
    엔진과 모터 사이에서 동력의 전달을 제어하는 건식 엔진클러치;
    상기 엔진의 동작을 제어하기 위한 엔진제어장치(ECU; engine control unit);
    상기 모터의 동작을 제어하기 위한 모터제어장치(MCU; motor control unit);
    변속기의 동작을 제어하기 위한 변속제어장치(TCU; transmission control unit);
    상기 하이브리드 차량의 전체 동작을 제어하기 위한 하이브리드 제어 장치(HCU; hybrid control unit); 및
    엔진 토크, 상기 엔진클러치의 입력 관성 및 각가속도를 기초로 계산되는 상기 엔진클러치의 입력 토크가 상기 엔진클러치의 설정된 허용전달토크를 초과할 때 변속시간을 설정값 만큼 증가시키는 제어를 수행하는 변속 제어기;를 포함하되,
    상기 변속 제어기는 제1항 내지 제5항 중의 어느 한 항의 방법을 수행하기 위한 설정된 프로그램에 의해 동작하는 것을 특징으로 하는 하이브리드 차량의 변속 제어 시스템.
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