KR101551120B1 - 연비향상을 위한 모터운영 방법이 적용된 하이브리드 차량 - Google Patents

연비향상을 위한 모터운영 방법이 적용된 하이브리드 차량 Download PDF

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    • B60K6/00—Arrangement or mounting of plural diverse prime-movers for mutual or common propulsion, e.g. hybrid propulsion systems comprising electric motors and internal combustion engines ; Control systems therefor, i.e. systems controlling two or more prime movers, or controlling one of these prime movers and any of the transmission, drive or drive units Informative references: mechanical gearings with secondary electric drive F16H3/72; arrangements for handling mechanical energy structurally associated with the dynamo-electric machine H02K7/00; machines comprising structurally interrelated motor and generator parts H02K51/00; dynamo-electric machines not otherwise provided for in H02K see H02K99/00
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Abstract

본 발명의 연비향상을 위한 모터운영 방법이 적용된 하이브리드 차량은 저/중속의 효율우세영역을 갖는 제1 모터제너레이터(Motor Generator)(10)와 중/고속의 효율우세영역을 갖는 제2 모터제너레이터(Motor Generator)(20)를 포함하고, 최상위제어기인 HCU(Hybrid Control Unit)에서 검출된 차량속도와 차량요구토크를 이용해 상대적으로 효율우세영역에 있는 제1 모터제너레이터(10)와 제2 모터제너레이터(20)를 판단하며, 효율우세영역에 있는 제1 모터제너레이터(10)나 제2 모터제너레이터(20)를 주동력으로 구동함으로써 저속 주행(도심지)과 고속주행(고속도로) 시 제1,2모터제너레이터(10,20)에 의한 연비향상이 이루어지는 특징을 갖는다.

Description

연비향상을 위한 모터운영 방법이 적용된 하이브리드 차량{Motor Operation Method for Improving Fuel Ratio and Hybrid Vehicle thereof}
본 발명은 하이브리드 차량에 관한 것으로, 특히 연비향상을 위한 모터운영 방법이 적용된 하이브리드 차량에 관한 것이다.
일반적으로 하이브리드 차량(또는 하이브리드 전기 차량)은 엔진과 모터를 사용하는 방식에 의해 TMED(Transmission Mounted Electric Device), FMED(Frywheel Mounted Electric Device), E-CVT(Electric-Continuously Variable Transmission), TTR(Through The Road), E-4WD등으로 구분된다.
이중 E-4WD 하이브리드 차량은 엔진과 변속기의 동력이 전륜에 연결되고, 엔진의 잉여 동력인 기계적 에너지를 전기 에너지를 변환시키는 발전기를 구비함으로써 차량의 후륜 측에는 발전기에서 제공되는 전기 에너지에 의해 구동되는 모터와 감속기가 장착되며, 모터와 감속기의 출력은 구동축를 통해 후륜에 전달될 수 있다.
그러므로, E-4WD 하이브리드 차량은 전륜 혹은 후륜 중 어느 한축만으로 주행하는 2WD(2 Wheel Drive)구동을 기본적인 구동으로 실행하고, 전륜 구동 방식(Front engine Front wheel drive)을 갖는 차량의 후륜을 모터로 구동하여 4WD 기능을 동시에 구현할 수 있다. 이를 위해, 모터는 영구자석형 동기기를 적용한다.
국내특허공개10-2010-0010954(2010년02월03일)
하지만, E-4WD 하이브리드 차량용 모터는 효율 분포가 저속(모터RPM)우세 특성을 갖는 영구자석형 동기기이고, 이를 전/후륜에 함께 적용함으로써 2개의 모터 운용을 통한 연비 개선이 기대될 수 없다는 한계를 가질 수밖에 없다.
특히, E-4WD 하이브리드 차량의 주행모드가 저속 주행(도심지)에서 고속주행(고속도로)으로 변화되고, 이러한 주행 모드에서 감가속의 명령에 따른 엔진과 모터 간 토크의 적절한 분배에 의한 에너지 손실방지로 연비 저하가 방지될 수 있음을 고려할 때 연비 개선을 위한 모터 운영이 더욱 요구되는 실정이다.
이에 상기와 같은 점을 감안한 본 발명은 효율 분포가 저속(모터RPM)우세 특성을 갖는 영구자석형 동기기와 함께 효율 분포가 고속(모터RPM)우세 특성을 갖는 유도기나 권선계자형 동기기나 스위치드 릴럭턴스 모터로 E-4WD가 구성됨으로써 저속 주행(도심지)과 고속주행(고속도로)에 따라 최적 효율을 갖는 모터 구동으로 연비향상이 이루어지는 모터제너레이터(Motor Generator)운영 방법이 적용된 하이브리드 차량의 제공에 목적이 있다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 하이브리드 차량은 엔진과 다단 변속기의 사이에 구비되어, 전륜으로 동력을 전달하는 제1 모터제너레이터; 후륜으로 동력을 전달하는 제2 모터제너레이터;를 포함하고, 토크(N/m)-속도(RPM)선도에서, 상기 제1 모터제너레이터의 효율우세영역은 저/중속인 반면 상기 제2 모터제너레이터의 효율우세영역은 중/고속인 것을 특징으로 한다.
상기 제1 모터제너레이터는 영구자석형 동기기 타입이고, 상기 제2 모터제너레이터는 유도기나 권선계자형 동기기나 스위치드 릴럭턴스타입이다.
상기 엔진에는 엔진 시동 시 엔진 회전수를 끌어 올리는 ISG(Ignition Starting Generator)와 엔진 동력을 상기 제1 모터제너레이터로 전달하거나 끊어주는 클러치가 더 포함되고; 상기 제1 모터제너레이터와 상기 제2 모터제너레이터는 배터리와 연계되고, 상기 제1 모터제너레이터와 상기 제2 모터제너레이터는 상기 배터리의 전원을 공급받거나 상기 배터리를 충전시킨다.
또한, 상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 하이브리드 차량의 연비향상을 위한 모터운영 방법은 (A) 하이브리드 차량의 주행을 인식한 최상위제어기가 차량속도와 차량요구토크를 검출하고, 전륜으로 동력을 전달하는 제1 모터제너레이터와 후륜으로 동력을 전달하는 제2 모터제너레이터의 효율우세영역을 판단하며; (B) 상기 제1 모터제너레이터와 상기 제2 모터제너레이터 중 상대적으로 효율우세영역인 모터제너레이터를 주동력으로 선택하여 구동하는 것을 특징으로 한다.
상기 (A)에서, 상기 효율우세영역의 판단에는 토크(N/m)-속도(RPM)선도를 이용한 효율 맵(Map)이 적용된다. 상기 효율 맵(Map)은 4000RPM이하의 저/중속영역과 150N/m 이상의 중/고토크영역, 4000RPM이상의 중/고속영역과 150N/m 이하의 저/중토크영역으로 구분된다.
상기 저/중속영역과 중/고토크영역에서 상기 제1 모터제너레이터가 주동력으로 구동되고, 상기 중/고속영역과 저/중토크영역에서 상기 제2 모터제너레이터가 주동력으로 구동된다.
이러한 본 발명의 E-4WD 하이브리드 차량은 효율 분포가 각각 저속(모터RPM)우세 및 고속(모터RPM)우세로 차이가 있는 2개의 모터 제너레이터를 적용함으로써 저속 주행(도심지)과 고속주행(고속도로) 시 개개 모터제너레이터의 효율적인 구동제어로 연비 개선이 이루어지는 효과가 있다.
또한, 본 발명의 E-4WD 하이브리드 차량은 저속(모터RPM)우세 효율 분포를 갖는 영구자석형 동기기로 전륜용 모터제너레이터를 구성하고, 고속(모터RPM)우세 효율 분포를 갖는 유도기나 권선계자형 동기기나 스위치드 릴럭턴스 모터로 후륜용 모터제너레이터를 구성함으로써 모터 구성이 매우 자유로운 효과가 있다.
도 1은 본 발명에 따른 효율이 다른 2개의 모터제너레이터를 갖춘 하이브리드 차량의 구성도이고, 도 2는 본 발명에 따른 하이브리드 차량의 연비향상을 위한 2개의 모터제너레이터 운영 방법 순서도이며, 도 3은 토크(N/m)-속도(RPM)선도를 이용해 본 발명에 따른 2개의 모터제너레이터의 효율 맵(Map)이고, 도 4,5는 본 발명에 따른 하이브리드 차량의 운전 모드별 연비향상을 위해 선택되는 2개의 모터제너레이터의 작동영역의 예이다.
이하 본 발명의 실시예를 첨부된 예시도면을 참조로 상세히 설명하며, 이러한 실시예는 일례로서 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으므로, 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다.
도 1은 본 실시예에 따른 하이브리드 차량의 구성을 나타낸다.
도시된 바와 같이, 하이브리드 차량은 E-4WD 하이브리드 차량으로서, ISG(Ignition Starting Generator)(2) 및 클러치(3)를 갖춘 엔진(1), 다단 변속기(5), 제1 모터제너레이터(Motor Generator)(10)(이하, MG1), 제2 모터제너레이터(Motor Generator)(20)(이하, MG2), 배터리(9)를 포함한다. 더불어, 상기 엔진(1), 상기 ISG(2), 상기 클러치(3), 상기 다단 변속기(5), 상기 MG1(10), 상기 MG2(20), 상기 배터리(9)는 최상위 제어기인 HCU(Hybrid Control Unit)와 네트워크로 연결되고, 상기 HCU는 클러치(3)를 제어함으로써 하이브리드 차량의 운전모드를 EV와 HEV모드로 제어한다.
구체적으로, 상기 엔진(1)은 연료로 구동되어 전륜으로 전달되는 동력을 발생시키는 내연기관이며, 연료는 가솔린, 디젤, LPG, LNG 등이 적용된다. 상기 ISG(2)는 엔진 시동 시 엔진 회전수를 끌어 올리는 역할을 하도록 엔진과 풀리로 연결된다. 상기 클러치(3)는 엔진(1)과 MG1(10)의 사이로 위치되어 엔진 동력을 MG1(10)로 전달하거나 또는 차단한다.
구체적으로, 상기 다단 변속기(5)는 전륜(7-1)의 액슬로 연결된다. 상기 다단 변속기(5)는 무단변속기(CVT)일 수 있다.
구체적으로, 상기 MG1(10)은 클러치(3)와 다단 변속기(5)의 사이로 위치되고, 배터리(9)로부터 전원을 공급받거나 배터리(9)를 충전시켜준다. 상기 MG2(20)는 후륜(7-2)의 액슬로 연결된 배터리(9)로부터 전원을 공급받거나 배터리(9)를 충전시켜준다. 특히, 상기 MG1(10)은 효율 분포가 저속(모터RPM)우세 특성을 갖는 영구자석형 동기기타입 모터인 반면, 상기 MG2(20)는 효율 분포가 고속(모터RPM)우세 특성을 갖는 유도기나 권선계자형 동기기나 스위치드 릴럭턴스타입 모터이다. 또한, 상기 MG1(10)과 MG2(20)의 모터 회전수는 0~12000RPM의 영역이고, 모터토크는 0~300N/m의 영역이다.
한편, 도 2는 본 실시예에 따른 하이브리드 차량의 연비향상을 위한 모터운영 방법 순서도로서, MG1(10)과 MG2(20) 중 효율우세모터가 하이브리드 차량의 주행조건에 맞춰 최적 효율로 제어됨으로써 하이브리드 차량의 연비향상이 MG1(10)과 MG2(20)에 의해 이루어짐을 나타낸다. 이러한 제어는 HCU로 구현된다.
구체적으로, S10-1 및 S10-2는 하이브리드 차량의 주행 시 차량주행조건을 판단하는 단계로서, 이를 위해 차량속도(S10-1)와 차량요구토크(S10-2)를 고려한다. 상기 차량속도의 저/중속 및 고속 구분은 통상적인 차량 속도 구분을 따르고, 차량요구토크의 저/중/고 토크는 통상적인 차량 토크 구분을 따른다.
S20은 MG1(10)과 MG2(20) 중 효율우세모터를 판단 및 결정하는 단계로서, 이를 위해 S30-1의 전륜모터효율맵과 S30-2의 후륜모터효율맵을 이용한다. 도 3은 MG1(10)과 MG2(20)의 토크(N/m)-속도(RPM)선도를 이용한 MG1(10)과 MG2(20)의 효율 맵(Map)으로서, 이로부터 MG1(10)의 효율우세영역(A)은 4000RPM이하의 저/중속영역과 150N/m 이상의 중/고토크영역인 반면 MG2(20)의 효율우세영역(B)은 4000RPM이상의 중/고속영역과 150N/m 이하의 저/중토크영역임을 알 수 있다.
S40은 MG1(10)이나 또는 MG2(20)가 구동모터로 사용되는 단계로서, 이는 MG1(10)이 사용됨으로써 하이브리드 차량이 저/중속으로 주행되거나 또는 MG2(20)가 사용됨으로써 하이브리드 차량이 중/고속으로 주행됨을 의미한다. 이때, MG1(10)나 MG2(20)의 개별적인 사용은 어느 하나의 사용중단을 의미할 수 있으나 통상 주동력으로 사용됨을 의미한다. 그러므로, MG1(10)과 MG2(20)는 각각 개별적으로 구동되거나 또는 MG1(10)이나 MG2(20)중 하나가 주동력일 때 다른 하나는 보조동력으로 사용된다. 일례로, MG1(10) 및 MG2(20)의 조합사용은 중속영역 및 중토크영역일 수 있다.
S50은 효율우세영역의 MG1(10) 또는 MG2(20)의 선택이 주행 시 지속됨을 의미한다.
한편, 도 4는 MG1(10)의 사용영역의 예로서, 이로부터 MG1(10)은 도심주행(UDDS)과 고속도로주행(HWY) 시 모두 사용될 수 있으나 특히 저속우세특성으로 저/중속 및 중/고부하영역인 도심주행(UDDS)에서 주로 사용됨을 나타낸다. 반면 도 5는 MG2(20)의 사용영역의 예로서, 이로부터 MG2(20)는 도심주행(UDDS)에서는 저속에서 중고속까지 넓게 사용될 수 있으나 특히 고속우세특성으로 중/고속영역 및 저/중부하영역인 고속도로주행(HWY)에서 주로 사용됨을 나타낸다.
전술된 바와 같이, 본 실시예에 따른 연비향상을 위한 모터운영 방법이 적용된 하이브리드 차량은 저/중속의 효율우세영역을 갖는 제1 모터제너레이터(Motor Generator)(10)와 중/고속의 효율우세영역을 갖는 제2 모터제너레이터(Motor Generator)(20)를 포함하고, 최상위제어기인 HCU(Hybrid Control Unit)에서 검출된 차량속도와 차량요구토크를 이용해 상대적으로 효율우세영역에 있는 제1 모터제너레이터(10)와 제2 모터제너레이터(20)를 판단하며, 효율우세영역에 있는 제1 모터제너레이터(10)나 제2 모터제너레이터(20)를 주동력으로 구동함으로써 저속 주행(도심지)과 고속주행(고속도로) 시 제1,2모터제너레이터(10,20)에 의한 연비향상이 이루어진다.
1 : 엔진 2 : ISG(Ignition Starting Generator)
3 : 클러치 5 : 다단 변속기
7-1 : 전륜 7-2 : 후륜
9 : 배터리 10 : 제1 모터 제너레이터
20 : 제2 모터 제너레이터

Claims (8)

  1. 엔진과 다단 변속기의 사이에 구비되어, 전륜으로 동력을 전달하는 제1 모터제너레이터(Motor Generator); 후륜으로 동력을 전달하는 제2 모터제너레이터(Motor Generator);를 포함하고,
    토크(N/m)-속도(RPM)선도에서, 상기 제1 모터제너레이터의 효율우세영역은 저/중속인 반면 상기 제2 모터제너레이터의 효율우세영역은 중/고속인 것을 특징으로 하는 하이브리드 차량.
  2. 청구항 1에 있어서, 상기 제1 모터제너레이터는 영구자석형 동기기 타입이고, 상기 제2 모터제너레이터는 유도기나 권선계자형 동기기나 스위치드 릴럭턴스타입인 것을 특징으로 하는 하이브리드 차량.
  3. 청구항 1에 있어서, 상기 엔진에는 엔진 시동 시 엔진 회전수를 끌어 올리는 ISG(Ignition Starting Generator)와 엔진 동력을 상기 제1 모터제너레이터로 전달하거나 끊어주는 클러치가 더 포함되고;
    상기 제1 모터제너레이터와 상기 제2 모터제너레이터는 배터리와 연계되고, 상기 제1 모터제너레이터와 상기 제2 모터제너레이터는 상기 배터리의 전원을 공급받거나 상기 배터리를 충전시키는 것을 특징으로 하는 하이브리드 차량.
  4. 청구항 1에 있어서, 상기 다단 변속기는 무단변속기인 것을 특징으로 하는 하이브리드 차량.
  5. (A) 하이브리드 차량의 주행을 인식한 최상위제어기가 차량속도와 차량요구토크를 검출하고, 전륜으로 동력을 전달하는 제1 모터제너레이터(Motor Generator)와 후륜으로 동력을 전달하는 제2 모터제너레이터(Motor Generator)의 효율우세영역을 판단하며;
    (B) 상기 제1 모터제너레이터와 상기 제2 모터제너레이터 중 상대적으로 효율우세영역인 모터제너레이터를 주동력으로 선택하여 구동하는
    것을 특징으로 하는 연비향상을 위한 모터운영 방법.
  6. 청구항 5에 있어서, 상기 (A)에서, 상기 효율우세영역의 판단에는 토크(N/m)-속도(RPM)선도를 이용한 효율 맵(Map)이 적용되는 것을 특징으로 하는 연비향상을 위한 모터운영 방법.
  7. 청구항 6에 있어서, 상기 효율 맵(Map)은 4000RPM이하의 저/중속영역과 150N/m 이상의 중/고토크영역, 4000RPM이상의 중/고속영역과 150N/m 이하의 저/중토크영역으로 구분된 것을 특징으로 하는 연비향상을 위한 모터운영 방법.
  8. 청구항 7에 있어서, 상기 저/중속영역과 중/고토크영역에서 상기 제1 모터제너레이터가 주동력으로 구동되고, 상기 중/고속영역과 저/중토크영역에서 상기 제2 모터제너레이터가 주동력으로 구동되는 것을 특징으로 하는 연비향상을 위한 모터운영 방법.
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