KR101510048B1 - 하이브리드 차량의 운전점 제어 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 하이브리드 차량의 운전점 제어 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 고속의 정속 주행시 배터리 SOC를 노말 상태로 유지하고 배터리의 SOC 밸런싱을 위한 에너지 재순환에 의한 손실 및 엔진 재시동에 의한 손실을 방지하여 연비를 향상시킬 수 있는 하이브리드 차량의 운전점 제어 방법을 제공하는데 목적이 있다.
이에 본 발명에서는, 하이브리드 차량이 고속의 정속 주행 중인지 여부를 판단하는 과정; 고속의 정속 주행시 배터리 SOC가 노멀 SOC 상태인지 여부를 판단하는 과정; 고속의 정속 주행시 배터리 SOC가 노멀 SOC 상태이면, 오토크루즈의 작동 여부를 판단하는 과정; 상기 오토크루즈의 작동시 오토크루즈의 목표차속과 현재차속 간에 차를 보정하기 위해 오토크루즈 요구토크를 피드백 제어하고, 엔진 운전점을 OOL(Optimal Operating line)보다 낮게 결정하는 과정;을 포함하는 것을 특징으로 하는 하이브리드 차량의 운전점 제어 방법을 제공한다.

Description

하이브리드 차량의 운전점 제어 방법 {Method for control operating point for HEV}

본 발명은 하이브리드 차량의 운전점 제어 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 고속의 정속 주행시 배터리 SOC를 노말 상태로 유지하고 배터리의 SOC 밸런싱을 위한 에너지 재순환에 의한 손실 및 엔진 재시동에 의한 손실을 방지하여 연비를 향상시킬 수 있는 하이브리드 차량의 운전점 제어 방법에 관한 것이다.

일반적으로 하이브리드 차량은 두 개의 동력원을 이용하여 구동되는 차량으로, 보통 엔진과 모터를 동력원으로 하여 다양한 동력 전달 구조를 구성할 수 있으며, 엔진 이외에 전기 에너지를 사용하는 모터를 함께 동력원으로 사용하는 관계로 전기 에너지의 저장 장치인 배터리의 SOC(State of Charge) 관리가 중요하다.

이러한 하이브리드 차량의 연비 향상을 위한 정확한 운전점 제어를 위해, 종래 내비게이션 연동을 통한 운전점 제어 방안이 다양하게 개발된바 있다.

종래의 내비게이션 연동을 통한 운전점 제어시에는, 네비게이션 연동을 통해 목적지 설정 시 설정된 목적지에 관련한 다양한 정보(지정 경로의 구배, 교통정보, 도로 정보 등)를 토대로 효율적인 엔진 기동/정지 시점(혹은 EV 모드와 HEV 모드 간 모드 변환) 제어 및 SOC 밸런싱(balancing) 제어를 수행하게 되는데, 이 경우 처리해야 할 데이터가 방대하여 이를 처리하기 위한 고성능의 컴퓨터가 별도로 존재해야 하며 고비용의 원가 문제가 발생한다.

종래 내비게이션의 미연동 상황에서는 고속의 정속 주행시 통상적으로 시스템 효율을 기반으로 엔진과 모터의 운전점을 선택하게 되고, 도 5에 보이듯 요구토크가 엔진 OOL(Optimal Operating line)을 밑돌기 때문에, 통상 엔진은 노멀 SOC 영역에서 엔진 OOL 상에서 운전되고 모터는 배터리 충전을 수행하게 된다.

이러한 운전 상황이 지속될 경우 배터리는 지속적으로 충전되어 배터리 SOC가 최대 SOC 영역에 도달하게 되고, 이후 SOC 밸런싱을 위해 SOC를 노멀(normal) 영역으로 떨어지도록 배터리 방전량을 증가시켜 다시 SOC가 감소하는 형태의 운전을 반복하게 된다(도 6 참조).

이러한 운전은 오히려 배터리에 충전한 에너지를 다시 방전하게 되는 에너지 재순환에 의한 경로 손실 문제가 발생할 수 있어 차량 연비에 악영향을 미치게 된다.

특히, 하이(High) SOC에서 엔진을 끄고 모터로만 구동할 경우 SOC 저하 시 엔진을 다시 켜게 되고, 엔진 시동을 위한 부가적인 에너지 소모가 일어날 수도 있어, 에너지 재순환 및 엔진 기동을 위한 불필요한 에너지 소모로 인해 구간 연비 측면에서 불리한 점이 있다.

본 발명은 상기와 같은 점을 감안하여 고안한 것으로서, 오토크루즈 및 내비게이션의 작동 여부 및 정보를 이용하여 고속의 정속 주행 시점을 판단하고, 고속의 정속 주행시 운전점 제어에 의해 모터의 충전량을 줄이고 엔진을 통해서만 차량 운행을 위한 동력을 사용하여, 배터리 SOC를 노말 상태로 유지하고 배터리의 SOC 밸런싱을 위한 에너지 재순환에 의한 손실 및 엔진 재시동에 의한 손실을 방지하여 연비를 향상시킬 수 있는 하이브리드 차량의 운전점 제어 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.

이에 본 발명에서는, 하이브리드 차량이 고속의 정속 주행 중인지 여부를 판단하는 과정; 고속의 정속 주행시 배터리 SOC가 노멀 SOC 상태인지 여부를 판단하는 과정; 고속의 정속 주행시 배터리 SOC가 노멀 SOC 상태이면, 오토크루즈의 작동 여부를 판단하는 과정; 상기 오토크루즈의 작동시 오토크루즈의 목표차속과 현재차속 간에 차를 보정하기 위해 오토크루즈 요구토크를 피드백 제어하고, 엔진 운전점을 OOL(Optimal Operating line)보다 낮게 결정하는 과정;을 포함하는 것을 특징으로 하는 하이브리드 차량의 운전점 제어 방법을 제공한다.

이때 상기 결정된 엔진 운전점에서 엔진토크는 오토크루즈 요구토크와 보조부하 소모량 보상토크의 합으로 결정된다.

또한 상기 하이브리드 차량의 운전점 제어 방법은, 상기 오토크루즈의 미작동시에는 주행부하와 운전자 요구토크 간에 편차가 설정값 이하이면 엔진 운전점을 OOL(Optimal Operating line)보다 낮게 결정하며, 상기 결정된 엔진 운전점에서 엔진토크는 운전자 요구토크와 보조부하 소모량 보상토크의 합으로 결정된다.

본 발명의 구현예에 의하면, 상기 고속의 정속 주행 여부를 판단하는 과정은, 오토크루즈의 작동 여부를 판단하는 과정; 상기 오토크루즈의 작동시 제어 차속이 설정값 이상이면 고속의 정속 주행 중인 것으로 판단하는 과정; 상기 오토크루즈의 미작동시 내비게이션의 작동 여부를 판단하는 과정; 상기 내비게이션의 작동시, 주행중인 도로의 유형이 고속의 정속 주행이 가능한 도로이고, 내비게이션의 현재 교통 정보에 따른 평균 차량 속도가 설정값 이상이면, 고속의 정속 주행 중인 것으로 판단하는 과정; 상기 내비게이션의 미작동시 평균 주행 차속이 설정값 이상이고 차속의 표준편차가 일정 범위 이내이면 고속의 정속 주행 중인 것으로 판단하는 과정;으로 이루어진다.

본 발명에 따른 하이브리드 차량의 운전점 제어 방법에 의하면, 고속의 정속 주행시 배터리 SOC를 노멀 영역으로 유지하여, 배터리의 에너지 재순환에 의한 손실을 방지하고, 엔진 재시동 등의 부가적인 에너지 소모로 인한 손실을 방지하여, 연비 향상을 도모할 수 있는 이점이 있다.

도 1 및 도 2는 본 발명에 따른 하이브리드 차량의 운전점 제어 방법을 설명하기 위한 도면
도 3은 본 발명에 따른 종래 하이브리드 차량의 운전점 제어시 결정된 엔진 운전점 및 모터 운전점을 개략적으로 나타낸 도면
도 4는 본 발명에 따른 하이브리드 차량의 운전점 제어시 고속의 정속 주행중 배터리 SOC 거동을 나타낸 도면
도 5는 종래 하이브리드 차량의 운전점 제어시 선택된 엔진 운전점 및 모터 운전점을 나타낸 도면
도 6은 종래 하이브리드 차량의 운전점 제어시 고속의 정속 주행중 배터리 SOC 거동을 나타낸 도면

이하, 본 발명을 해당 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 설명하기로 한다.

본 발명에서는 오토크루즈의 작동 여부 및 내비게이션 정보를 이용하여 고속의 정속 주행 시점을 판단하며, 고속의 정속 주행시 모터에 의한 배터리 충전량을 줄이고 엔진에 의해서만 차량을 구동하도록 하여 배터리 SOC를 노멀 상태로 유지하여 SOC 밸런싱을 위한 에너지 재순환 및 엔진 재시동에 의한 에너지 손실을 방지하고 연비 향상을 도모한다.

본 발명에 따른 하이브리드 차량의 운전점 제어를 위해, 먼저 차량이 고속의 정속 주행 중인지 여부를 판단한다.

도 1을 참조하여 설명하면, 차량이 고속의 정속 주행 중인지 여부를 판단하기 위해, 차량의 오토크루즈 작동 여부를 판단하는 과정(S100)이 수행된다.

상기 오토크루즈의 작동시에는 오토크루즈에 의한 제어 차속이 설정값(목표차속) 이상이면(S110) 고속의 정속 주행을 수행하는 것으로 판단되고(S120), 상기 제어 차속이 설정값 미만이면 일반 주행을 수행하는 것으로 판단된다(S130).

그리고, 상기 오토크루즈의 미작동시에는 내비게이션의 작동 여부를 판단하고(S140), 그 판단 결과에 따라 각각의 조건을 만족하는 경우 고속의 정속 주행 중인 것으로 판단된다.

상기 내비게이션의 작동시에는 내비게이션에서 수신한 GPS 정보를 통해 주행 상황을 판단하여 운전점 제어로의 진입 여부를 결정한다.

구체적으로, 내비게이션의 작동시에는 GPS 정보를 통해 현재 주행중인 도로의 유형(타입)이 고속의 정속 주행이 가능한 도로(예를 들면, 고속도로)인지 여부를 확인한 뒤, 고속의 정속 주행이 가능한 도로이면 내비게이션의 현재 교통 정보를 수신하여 평균 차량 속도를 획득한다. 획득한 평균 차량 속도가 설정값 이상이면(S150) 고속의 정속 주행 중인 것으로 판단된다(S160).

상기 내비게이션의 작동시 현재 주행중인 도로의 유형이 고속의 정속 주행이 가능한 도로인 조건과, 내비게이션의 현재 교통 정보를 통해 획득한 평균 차량 속도의 조건 중 어느 하나 이상을 불만족하는 경우 일반 주행 중인 것으로 판단된다(S170).

그리고, 상기 내비게이션의 미작동시(또는 차량에 내비게이션 미구비시)에는 고속의 정속 주행 여부를 판단하기 위한 조건으로 평균 주행 차속과 차속의 표준편차를 이용한다.

즉, 내비게이션의 미작동시에는 차량의 주행 차속을 일정 시간 동안 평균하여 산출한 평균 주행 차속이 설정값 이상이고, 차속의 표준편차가 일정 범위 이내이면(S180) 고속의 정속 주행 중인 것으로 판단된다(S190).

상기 하이브리드 차량은 고속의 정속 주행 중인 것으로 판단될 경우, 노멀 SOC 영역에서만 엔진 위주의 동력 분배를 수행하며, 다시 말해 배터리 SOC가 노멀 상태인 경우 엔진토크만 차량 동력으로 이용하며, 로우 SOC 및 하이 SOC에서는 기존의 SOC 밸런싱을 위한 운전점 제어 방식을 채택할 수 있다. 기존의 SOC 밸런싱을 위한 운전점 제어는 공지의 기술을 적용할 수 있으며, 이에 대한 구체적인 설명은 생략하기로 한다.

노멀 SOC 영역에서 차량 운행을 위한 엔진토크는 오토크루즈의 작동시와 미작동시로 구분하여 결정된다.

따라서, 도 2에 나타낸 바와 같이, 고속의 정속 주행시 배터리 SOC가 노멀 SOC 영역 내에 포함되는지 여부를 판단하여(S200) 배터리 SOC가 노멀 SOC 영역 내에 포함되면, 즉 고속의 정속 주행시 배터리 SOC가 노멀 SOC 상태이면 오토크루즈의 작동 여부를 판단한다(S210).

알려진 바와 같이, 오토크루즈는 운전자가 원하는 주행속도(목표차속)를 설정하면 가속 페달을 밟지 않아도 그 속도를 유지하면서 주행하는 정속 주행 장치로서, 주행시 목표차속과 현재차속 간에 차(에러)를 반복적으로 검출하여 상기 에러를 보정하기 위해 피드백 제어기에 의해 피드백 제어를 수행한다.

따라서 상기 판단 결과, 오토크루즈의 작동시에는 오토크루즈의 목표차속과 현재차속 간에 차를 보정하기 위해 오토크루즈 요구토크를 피드백 제어하고, 엔진 운전점을 OOL(Optimal Operating line)보다 낮게 선택 및 결정한다.

이때 상기 오토크루즈 요구토크에 포함된 차속 제어를 위한 피드백 성분은 피드백 제어시 엔진으로 피드백되거나, 또는 모터로 피드백되거나, 또는 엔진과 모터로 분할되어 피드백될 수 있다.

오토크루즈의 작동시에는 오토크루즈에 의해 차량의 현재 주행 속도가 제어되므로(오토크루즈 주행모드), 하이브리드 차량의 정속 주행을 위한 오토크루즈 요구토크는 보통 엔진토크와 모터토크의 합으로 계산 및 결정된다.

그리고, 상기 결정된 엔진 운전점에서 엔진토크는 오토크루즈 요구토크와 보조부하 소모량 보상토크의 합으로 결정된다.

구체적으로, 오토크루즈에 의한 고속의 정속 주행시 노멀 SOC 영역에서 하이브리드 차량은 엔진토크만 차량 동력으로 이용하여 운행되고, 상기 엔진토크는 차량 내 전장부하(예를 들면, 에어컨 등)의 에너지 소모량을 고려하여 결정되므로, 상기 결정된 엔진 운전점에서 엔진토크는 오토크루즈 요구토크와 전장부하의 에너지 소모를 보상하기 위한 보조부하 소모량 보상토크의 합으로 계산 및 결정된다.

따라서 상기 모터토크는 '-보조부하 소모량 보상토크'가 되고, 여기서 상기 보조부하 소모량 보상토크는 '보조부하 소모파워/모터충전효율/엔진회전수(rad/s) +안전계수'로 계산 및 결정된다. 또한 여기서, 상기 안전계수는 보조부하 소모파워와 같은 센싱값의 오차를 감안하여 설정되는 세이프티 마진(safety margin)이다.

도 3에 보이듯이, 엔진 운전점을 OOL(Optimal Operating line)보다 낮추게 되면, 오토크루즈 요구토크와 엔진 운전점(혹은 엔진토크) 간에 차가 감소하게 되고, 모터 운전점이 상승하게 되어 모터에 의한 배터리 충전량이 감소하여서, 결국 도 4에 보이듯이 배터리 SOC를 노멀 상태로 유지할 수 있게 된다.

일반적으로 운전자가 가속 페달을 조작하여 차량을 운행하는 경우, 정속 주행시 운전자 요구토크는 주행부하 부근에서 변동된다. 다시 말해, 정속 주행시 운전자 요구토크는 주행부하와 근사한 값을 가지게 된다.

따라서, 판단 결과, 오토크루즈의 미작동시에는 주행부하(주행저항토크)와 운전자 요구토크 간에 편차가 설정값 이하이면(S220), 도 3에 나타낸 바와 같이 엔진 운전점을 OOL(Optimal Operating line)보다 낮게 선택 및 결정한다.

상기 결정된 엔진 운전점에서 엔진토크는 운전자 요구토크와 차량 내 전장부하의 에너지 소모를 보상하기 위한 보조부하 소모량 보상토크의 합으로 결정된다.

상기 운전자 요구토크는 통상적으로 엔진토크와 모터토크의 합으로 결정되고, 엔진토크는 운전자 요구토크와 보조부하 소모량 보상토크의 합으로 결정되므로, 모터토크는 '-보조부하 소모량 보상토크'가 된다.

도 3에 보이듯, 엔진 운전점을 OOL(Optimal Operating line)보다 낮추게 되면, 운전자 요구토크와 엔진 운전점(혹은 엔진토크) 간에 차가 감소하게 되고, 모터 운전점이 상승하게 되어 모터에 의한 배터리 충전량이 감소하여서, 결국 도 4에 보이듯 배터리 SOC를 노멀 상태로 유지할 수 있게 된다.

여기서 상기 주행부하는 아래 식 1과 같이 구름저항과 공기저항 및 경사저항의 3가지 요소로 구분하여 연산되며, 연산시 통상적인 동역학 방정식에 의해 토크값으로 산출할 수 있다.

식 1 : 주행부하 = 구름저항 + 공기저항 + 경사저항

이때 상기 구름저항과 공기저항 및 경사저항의 연산시 사용되는 차량중량은 공차중량을 기준으로 설정할 수 있으며, 경사저항의 계산을 위해 종가속도 센서 등을 이용할 수 있다.

참고로, 상기와 같은 본 발명의 하이브리드 차량의 운전점 제어는 주 제어기(HCU: Hybrid Control Unit)를 중심으로 모터제어기(MCU: Motor Control Unit), 엔진제어기(EMS: Engine Management System) 등 각 세부 제어기에 대해 CAN 통신을 통해 속도 및 토크 등의 정보를 주고 받으며 이루어진다.

상기 주 제어기는 하이브리드 차량에서 전반적인 동작을 총괄 제어하는 상위 제어기로서, 하위 제어기인 모터 제어기와 소정의 방식으로 통신하여 구동원인 모터의 운전점 및 토크를 제어하고, 주 동력원으로 구동 및 발전을 위한 동력을 발생하는 엔진을 제어하는 ECU(Engine Control Unit)와 통신하여 운전점 및 토크 제어 등을 수행한다.

또한, 상기 주 제어기는 보조 동력원인 배터리의 SOC(State Of Charge)를 검출하여 배터리 충전상태가 하이 상태인지, 로우 상태인지, 노말 상태인지 판별한다.

Claims (5)

1. 하이브리드 차량이 고속의 정속 주행 중인지 여부를 판단하는 과정;
   고속의 정속 주행시 배터리 SOC가 노멀 SOC 상태인지 여부를 판단하는 과정;
   고속의 정속 주행시 배터리 SOC가 노멀 SOC 상태이면, 오토크루즈의 작동 여부를 판단하는 과정;
   상기 오토크루즈의 작동시 오토크루즈의 목표차속과 현재차속 간에 차를 보정하기 위해 오토크루즈 요구토크를 피드백 제어하고, 엔진 운전점을 OOL(Optimal Operating line)보다 낮게 결정하는 과정;
   을 포함하는 것을 특징으로 하는 하이브리드 차량의 운전점 제어 방법.
   
2. 청구항 1에 있어서,
   상기 오토크루즈의 미작동시에는 주행부하와 운전자 요구토크 간에 편차가 설정값 이하이면 엔진 운전점을 OOL(Optimal Operating line)보다 낮게 결정하는 것을 특징으로 하는 하이브리드 차량의 운전점 제어 방법.
   
3. 청구항 2에 있어서,
   상기 결정된 엔진 운전점에서 엔진토크는 운전자 요구토크와 보조부하 소모량 보상토크의 합으로 결정되는 것을 특징으로 하는 하이브리드 차량의 운전점 제어 방법.
   
4. 청구항 1에 있어서,
   상기 결정된 엔진 운전점에서 엔진토크는 오토크루즈 요구토크와 보조부하 소모량 보상토크의 합으로 결정되는 것을 특징으로 하는 하이브리드 차량의 운전점 제어 방법.
   
5. 청구항 1에 있어서,
   상기 고속의 정속 주행 여부를 판단하는 과정은,
   오토크루즈의 작동 여부를 판단하는 과정;
   상기 오토크루즈의 작동시 제어 차속이 설정값 이상이면 고속의 정속 주행 중인 것으로 판단하는 과정;
   상기 오토크루즈의 미작동시 내비게이션의 작동 여부를 판단하는 과정;
   상기 내비게이션의 작동시, 주행중인 도로의 유형이 고속의 정속 주행이 가능한 도로이고, 내비게이션의 현재 교통 정보에 따른 평균 차량 속도가 설정값 이상이면, 고속의 정속 주행 중인 것으로 판단하는 과정;
   상기 내비게이션의 미작동시 평균 주행 차속이 설정값 이상이고 차속의 표준편차가 일정 범위 이내이면 고속의 정속 주행 중인 것으로 판단하는 과정;
   으로 이루어진 것을 특징으로 하는 하이브리드 차량의 운전점 제어 방법.
   

Images