KR101583973B1 - 하이브리드 차량의 엔진클러치 접합 제어 장치 및 방법 - Google Patents

하이브리드 차량의 엔진클러치 접합 제어 장치 및 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 하이브리드 차량의 엔진클러치 접합 제어 장치 및 방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 엔진의 운전점이 최적 작동 라인에 근접된 상태에서 엔진클러치 접합을 위한 엔진속도와 모터속도를 동기화시킬 수 있도록 함으로써, 연비 향상을 도모할 수 있도록 한 하이브리드 차량의 엔진클러치 접합 제어 장치 및 방법에 관한 것이다.
즉, 본 발명은 엔진클러치 접합 제어시, 엔진 토크를 최적 운전 라인에 가깝게 증대시키는 동시에 엔진 토크를 증대시킨 만큼 HSG가 충전토크(증대된 엔진토크와 반대방향 토크)를 출력하도록 하는 등, HSG에 대한 피드백 토크 제어와, HSG에 대한 제1피드포워트 토크 제어와, HSG 및 엔진에 대한 제2피드포워드 토크 제어를 동시에 실시함으로써, 엔진속도를 모터속도와 용이하게 동기화시킬 수 있음은 물론 연비 향상을 도모할 수 있도록 한 하이브리드 차량의 엔진클러치 접합 제어 장치 및 방법을 제공하고자 한 것이다.

Description

하이브리드 차량의 엔진클러치 접합 제어 장치 및 방법{System and method for controlling engine clutch lock-up of hybrid vehicle}
본 발명은 하이브리드 차량의 엔진클러치 접합 제어 장치 및 방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 엔진의 운전점이 최적 작동 라인에 근접된 상태에서 엔진클러치 접합을 위한 엔진속도와 모터속도를 동기화시킬 수 있도록 함으로써, 연비 향상을 도모할 수 있도록 한 하이브리드 차량의 엔진클러치 접합 제어 장치 및 방법에 관한 것이다.
친환경 차량 중 하이브리드 차량은 엔진 뿐만 아니라 모터를 동력원으로 채택하여, 배기가스 저감 및 연비 향상을 도모할 수 있는 차량으로서, 엔진 또는 모터 동력을 별로도 주행 휠로 전달하거나, 엔진 및 모터 동력을 함께 주행 휠로 전달하는 동력전달 시스템이 탑재되어 있다.
하이브리드 차량용 동력전달 시스템은 첨부한 도 1에 도시된 바와 같이, 서로 직렬로 배열되는 엔진(10) 및 모터(12), 엔진(10) 및 모터(12) 사이에 배열되어 엔진 동력을 전달 또는 단절시키는 엔진클러치(13)와, 모터 또는 모터 및 엔진 동력을 주행 휠로 변속하여 출력하는 자동변속기(14)와, 엔진의 크랭크 풀리와 동력 전달 가능하게 연결되어 엔진시동 및 발전을 하는 일종의 모터인 HSG(16, Hybrid Starter Generator)와, 모터 제어 및 발전 제어를 위한 인버터(18)와, 모터(12) 등에 전력을 제공하도록 인버터와 충방전 가능하게 연결되는 고전압 배터리(20) 등을 포함하여 구성되어 있다.
이러한 하이브리드 차량용 동력전달 시스템은 모터가 자동변속기쪽에 붙어 있는 타입으로서, TMED(Transmission Mounted Electric Device) 방식이라 불리우며, 모터 동력만을 이용하는 순수 전기자동차 모드인 EV(electric vehicle)모드와, 엔진을 주동력으로 하면서 모터를 보조동력으로 이용하는 HEV(hybrid electric vehicle)모드와, 차량의 제동 혹은 관성에 의한 주행시 차량의 제동 및 관성 에너지를 상기 모터에서 발전을 통하여 회수하여 배터리에 충전하는 회생제동(RB: Regenerative Braking)모드 등의 주행모드를 제공한다.
상기 HEV 모드시에는 엔진클러치의 접합(lock-up)과 동시에 엔진과 모터 출력토크의 합으로 차량이 주행하고, EV 모드시에는 엔진클러치의 접합 해제(open)와 동시에 모터의 출력토크에 의해서만 차량의 주행이 이루어진다.
한편, 상기 EV 모드에서 하이브리드 모드(HEV)로의 천이 시, 엔진 클러치의 원활한 접합을 위하여, 엔진 출력측과 연결된 엔진클러치 입력단의 속도와 모터 입력측과 연결된 엔진클러치 출력단의 속도, 즉 엔진속도와 모터속도를 동기화시켜야 하며, 그 이유는 엔진 클러치 접합시 엔진과 모터 간의 속도 차이에 따른 엔진 클러치 슬립을 방지하기 위함에 있다.
여기서, 종래의 엔진클러치 접합 제어 방법을 설명하면 다음과 같다.
종래에는 엔진클러치 접합 제어를 위하여, 엔진 토크 제어를 위한 피드포워드 토크 제어와 HSG 토크 제어를 위한 피드백 토크 제어가 함께 사용되고 있다.
상기 피드포워드 토크 제어는 첨부한 도 2에서 보듯이 엔진속도가 모터속도(=목표속도)에 수렴하도록 엔진을 저토크 영역에서 운전되도록 제어하는 동시에 엔진 마찰토크(엔진 구동시 각 섭동부에서 발생되는 토크)에 의하여 엔진 전체(Net) 토크가 제로(0)가 되도록 제어하는 것을 의미한다.
상기 피드백 토크 제어는 모터와 엔진속도의 동기화를 위하여 목표속도(=모터속도)와 엔진속도 간의 에러를 보정하고자, PID 제어를 통해 HSG 출력토크를 제어하는 것을 말한다.
그러나, 엔진의 운전 효율은 최적 작동 라인(OOL, Optimal Operating Line)에 근접해야 좋은 것으로 알려져 있지만(도 3 참조), 상기 피드포워드 토크 제어시 엔진의 저토크 영역은 최적 작동 라인에서 멀어진 운전점을 가지므로 엔진 운전 효율이 좋지 않은 단점이 있고, 엔진이 저토크 영역에서 작동 유지됨에 따라 연비가 저하되는 문제점이 따른다.
또한, 상기 피드백 토크 제어시, 목표속도(=모터속도)가 급변하는 경우 엔진의 크랭크축과 연결된 HSG의 응답성(엔진속도를 목표속도로 보정하기 위한 HSG 토크 응답성)이 저하되는 문제점이 있다.
본 발명은 상기와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위하여 안출한 것으로서, 엔진클러치 접합 제어시, 엔진 토크를 최적 운전 라인에 가깝게 증대시키는 동시에 엔진 토크를 증대시킨 만큼 HSG가 충전토크(증대된 엔진토크와 반대방향 토크)를 출력하도록 하는 등, HSG에 대한 피드백 토크 제어와, HSG에 대한 제1피드포워트 토크 제어와, HSG 및 엔진에 대한 제2피드포워드 토크 제어를 동시에 실시함으로써, 엔진속도를 모터속도와 용이하게 동기화시킬 수 있음은 물론 연비 향상을 도모할 수 있도록 한 하이브리드 차량의 엔진클러치 접합 제어 장치 및 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 구현예는: 엔진클러치 접합을 위한 모터속도와 엔진속도 간의 에러 보정용 HSG 제3토크를 출력 제어하는 피드백 토크 제어부와; 모터속도 변동에 따른 응답성을 확보하기 위한 HSG 제1토크를 연산하여 출력하는 제1피드포워드 토크 제어부와; 엔진 운전점이 최적 작동 라인에 가깝게 되도록 HSG 제2토크를 출력하는 동시에 엔진토크를 엔진 마찰토크보다 크면서 HSG 제2토크에 상응하는 수준으로 증대 제어하는 제2피드포워드 토크 제어부; 를 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 하이브리드 차량의 엔진클러치 접합 제어 장치를 제공한다.
상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 다른 구현예는: 엔진 크랭킹 단계와; 엔진클러치 접합을 위하여 엔진속도와 모터속도를 동기화시키기 위한 HSG 및 엔진 토크 제어 단계; 를 포함하는 것을 특징으로 하는 하이브리드 차량의 엔진클러치 접합 제어 방법을 제공한다.
본 발명의 다른 구현예에서, 상기 HSG 및 엔진 토크 제어 단계는: 엔진클러치 접합을 위한 모터속도와 엔진속도 간의 에러 보정용 HSG 제3토크를 출력 제어하는 피드백 토크 제어 단계와; 모터속도 변동에 따른 응답성을 확보하기 위한 HSG 제1토크를 연산하여 출력하는 제1피드포워드 토크 제어 단계와; 엔진 운전점이 최적 작동 라인에 가깝게 되도록 HSG 제2토크를 출력하는 동시에 엔진토크를 엔진 마찰토크보다 크면서 HSG 제2토크에 상응하는 수준으로 증대 제어하는 제2피드포워드 토크 제어 단계; 를 포함하고, 상기 HSG 최종 출력 토크는 HSG 제1토크와, HSG 제2토크와, HSG 제3토크의 합으로 출력되는 것을 특징으로 한다.
특히, 상기 HSG 제2토크는 HSG의 충전 토크로서 HSG가 엔진과 함께 (+)방향으로 회전하면서 생성하는 (-)토크이면서 HSG의 충전 제한 토크 범위내에서 일정 마진이 확보된 토크인 것을 특징으로 한다.
바람직하게는, 상기 엔진 토크는 HSG의 충전 제한 토크 범위 내에서 확보된 마진에 상응하는 수준이면서 엔진 마찰토크에 비하여 증대된 수준으로 출력되는 것을 특징으로 한다.
더욱 바람직하게는, 상기 엔진 토크는 HSG 제2토크에 상응하는 수준이면서 엔진 마찰토크에 비하여 증대된 수준으로 출력되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 HSG 제1토크는 엔진시스템의 관성모멘트와 목표속도 미분값의 곱으로 연산된 것임을 특징으로 한다.
본 발명의 다른 구현예에서, 상기 HSG 제1토크의 증가 및 감소에 따른 토크 변화부분에 대한 별도의 필터(filter) 처리 단계가 더 진행되는 것을 특징으로 한다.
상기한 과제 해결 수단을 통하여, 본 발명은 다음과 같은 효과를 제공한다.
본 발명에 따르면, HSG의 최종 출력토크를 엔진의 목표속도(모터속도) 변동에 따른 응답성 확보를 위한 피드포워드 토크인 HSG 제1토크와, 엔진 운전점을 상향하여 OOL(Optimal Operating Line)에 가깝게 하기 위한 피드포워드 토크인 HSG 제2토크(HSG 충전토크)와, 목표속도와 엔진속도의 에러를 보정하기 위한 피드백 토크(Feedback Torque)의 합으로 출력하고, 동시에 엔진토크를 HSG 충전 제한토크 범위내에서 일정 마진 확보한 토크 수준으로 상향 출력함으로써, 엔진속도를 모터속도와 용이하게 동기화시킬 수 있음은 물론 연비 향상을 도모할 수 있다.
도 1은 하이브리드 차량용 동력전달 시스템 구성을 나타낸 개략도,
도 2는 종래의 엔진클러치 접합 제어시 엔진속도와 모터속도가 동기화되는 예를 나타낸 그래프,
도 3은 하이브리드 차량의 엔진 최적 작동 라인을 나타낸 그래프,
도 4는 본 발명에 따른 하이브리드 차량의 엔진클러치 접합 제어 장치를 나타낸 제어도,
도 5는 본 발명에 따른 하이브리드 차량의 엔진클러치 접합 제어 방법의 일 실시예를 나타낸 그래프.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부도면을 참조로 상세하게 설명하기로 한다.
하이브리드 차량의 엔진은 그 특성 상 큰 토크 변화(예를 들어, 저토크 영역)시 연료 소모를 늘려 연비에 악영향을 미치므로 효율이 좋지 않고, 반면 엔진 운점점이 최적 작동 라인(OOL)에 가까울수록 엔진 효율이 좋은 것으로 알려져 있다.
또한, 하이브리드 차량의 엔진 크랭크 축과 연결된 HSG는 엔진에 비해 높은 운전효율을 가지고, 빠른 응답성을 가지는 특성이 있다.
본 발명은 위와 같은 엔진 및 HSG 특성을 고려한 엔진클러치 접합 제어 장치및 방법을 제공한다.
첨부한 도 4는 본 발명에 따른 하이브리드 차량의 엔진클러치 접합 제어 장치를 나타낸 제어도이고, 도 5는 본 발명에 따른 하이브리드 차량의 엔진클러치 접합 제어 방법의 일 실시예를 나타낸 그래프이다.
도 4에서 보듯이, 본 발명의 엔진클러치 접합 제어 장치는 피드백 토크 제어부(10)와, 제1피드포워드 토크 제어부(20)와, 제2피드포워드 토크 제어부(30)를 포함하여 구성된다.
상기 피드백 토크 제어부(10)는 목표속도(=모터속도)와 엔진속도의 동기화를 위하여 PID 제어를 통해 목표속도와 엔진속도 간의 에러를 보정하는 역할을 하고, 보정을 위한 HSG 제3토크를 출력한다.
상기 제1피드포워드 토크 제어부(20)는 목표속도 변동에 따른 응답성을 확보하기 위한 HSG 제1토크를 연산하여 출력하기 위한 것으로서, 엔진속도가 모터속도(목표속도)에 수렴하도록 HGS 제1토크의 기울기를 제어하며 출력하는 역할을 한다.
좀 더 상세하게는, 상기 제1피드포워드 토크 제어부(20)는 모터속도와 엔진속도 간의 차이가 크면 HSG 토크를 증가시키고, 모터속도와 엔진속도 간의 차이가 좁혀지면 HGS 토크를 점차 감소시키는 제어를 한다.
상기 제2피드포워드 토크 제어부(30)는 엔진 운전점이 저토크 영역에 비하여 최적 작동 라인에 가깝게 되도록 HSG 제2토크를 출력하는 동시에 엔진토크를 증대시키는 제어를 한다.
이때, 상기 제2피드포워 토크 제어부에 의하여 출력되는 HSG 제2토크는 HSG의 충전 토크로서 HSG가 엔진과 함께 (+)방향으로 회전하면서 생성하는 (-)토크이며, 그리고 피드백 토크 제어시 제어 성능 방지를 위하여 HSG의 충전 제한 토크 범위내에서 일정 마진이 확보된 토크를 말한다.
한편, 상기 엔진 토크는 엔진토크 지령부에서 출력되되, HSG의 충전 제한 토크 범위 내에서 확보된 마진에 상응하는 수준(엔진 마찰토크에 비하여 증대된 수준)으로 출력되도록 하고, 바람직하게는 상기 제2피드포워드 토크 제어부에서 출력하는 HSG 제2토크에 상응하는 수준으로 출력되도록 한다.
여기서, 본 발명의 엔진클러치 접합 제어 방법을 보다 상세하게 설명하면 다음과 같다.
먼저, 하이브리드 차량의 EV 모드에서 하이브리드 모드(HEV)로의 천이를 위하여 엔진이 크랭킹(Cranking)된다.
엔진 크랭킹 후, 곧바로 엔진속도와 모터속도를 동기화시켜 엔진클러치를 접합시키는 제어가 이루어지며, 엔진클러치 접합을 위하여 엔진클러치 입력축과 연결된 엔진의 토크를 제로(0)로 만들어주어야 한다.
이를 위해, HSG에 대한 피드백 토크 제어와, HSG에 대한 제1피드포워트 토크 제어와, HSG 및 엔진에 대한 제2피드포워드 토크 제어가 동시에 진행된다.
상기 피드백 토크 제어를 위한 피드백 토크 제어부(10)에서 통상의 PID 제어를 통해 목표속도와 엔진속도 간의 에러를 보정하기 위한 HSG 제3토크를 출력한다.
상기 제1피드포워드 토크 제어 및 제2피드포워드 토크 제어는 각각 제1피드포워드 토크 제어부(20)와 제2피드포워드 토크 제어부(30)에서 진행된다.
상기 제1피드포워드 토크 제어부(20)는 목표속도 변동에 따른 응답성을 확보하기 위한 HSG 제1토크를 연산하여 출력하는 바, 첨부한 도 5에서 보듯이 HSG 제1토크는 모터속도와 엔진속도 간의 차이가 크면 증가되고, 모터속도와 엔진속도 간의 차이가 좁혀져 동기화가 될때까지 점차 감소 출력된다.
이때, 상기 제1피드포워드 토크 제어부(20)에서 연산되는 HSG 제1토크는 엔진시스템의 관성모멘트와 목표속도 미분값의 곱으로 연산될 수 있다.
바람직하게는, 상기 HSG 제1토크의 증가 및 감소에 따른 토크 변화부분에 대한 별도의 필터(filter) 처리를 하여 토크 변화가 부드럽게 이루어질 수 있도록 한다.
상기 제2피드포워드 토크 제어부(30)에서 엔진 운전점이 저토크 영역에 비하여 최적 작동 라인에 가깝게 되도록 HSG 제2토크를 출력하는 동시에 엔진토크를 증대시키는 제어를 하게 되고, 상기와 같이 HSG 제2토크는 HSG의 충전 토크로서 HSG가 엔진과 함께 (+)방향으로 회전하면서 생성하는 (-)토크이면서 HSG의 충전 제한 토크 범위내에서 일정 마진이 확보된 토크를 말한다.
첨부한 도 5에서 보듯이, 상기 HSG 제2토크와 함께 출력되는 엔진 토크는 HSG의 충전 제한 토크 범위 내에서 확보된 마진에 상응하는 수준(엔진 마찰토크에 비하여 증대된 수준)으로 출력되고, 바람직하게는 상기 제2피드포워드 토크 제어부(30)에서 출력하는 HSG 제2토크에 상응하는 수준으로 출력된다.
한편, 엔진클러치 접합시 엔진클러치 입력축 토크가 제로가 되어야 슬립 발생없이 접합이 이루어지는데, 이를 위해 엔진클러치 입력축과 연결된 엔진의 토크를 제로(0)로 만들어주어야 한다.
따라서, 엔진클러치 접합을 위한 HSG 최종토크는 HSG 제1토크와, HSG 제2토크와, HSG 제3토크의 합으로 출력되고, 엔진토크는 HSG 제2토크에 상응하는 수준이면서 엔진 마찰토크에 비하여 증대되어 출력된다.
결과적으로, 엔진 토크를 증대시킴에도 불구하고 HSG 최종토크(HSG 제1토크 + HSG 제2토크 + HSG 제3토크)를 출력하여 엔진토크를 제로로 만들어주면서 엔진속도를 모터속도에 맞게 동기화시킬 수 있다.
또한, 엔진의 운전점을 OOL에 가깝게 되도록 엔진 토크를 엔진 마찰토크에 비하여 증대된 수준으로 출력함과 동시에 그 반대방향 토크이면서 동일 수준의 토크량인 HSG 제2토크를 출력함으로써, 엔진 토크는 엔진 마찰토크와 동등 수준이 되고, 결국 엔진 토크 및 엔진과 연결된 엔진클러치 입력축 토크가 제로가 된다.
이와 같이, 엔진클러치 입력축 토크가 제로이면서 엔진속도와 목표속도가 동기화된 상태에서 엔진클러치 접합이 슬립없이 원활하게 이루어질 수 있고, 특히 상기 엔진토크가 HSG 충전 제한토크 범위내에서 일정 마진 확보한 토크 수준을 가지면서 엔진 마찰토크에 비하여 높게 출력되도록 함으로써, 엔진이 OOL에 가까운 고효율 영역에서 운전될 수 있으므로, 연비 향상을 도모할 수 있다.
10 : 엔진
12 : 모터
13 : 엔진클러치
14 : 자동변속기
16 : HSG
18 : 인버터
20 : 배터리

Claims (8)

  1. 엔진 크랭킹 단계후, 엔진클러치 접합을 위하여 엔진속도와 모터속도를 동기화시키기 위한 HSG 및 엔진 토크 제어 단계를 위하여,
    엔진클러치 접합을 위한 모터속도와 엔진속도 간의 에러 보정용 HSG 제3토크를 출력 제어하는 피드백 토크 제어부와;
    모터속도 변동에 따른 응답성을 확보하기 위한 HSG 제1토크를 연산하여 출력하는 제1피드포워드 토크 제어부와;
    엔진 운전점이 최적 작동 라인에 가깝게 되도록 HSG 제2토크를 출력하는 동시에 엔진토크를 엔진 마찰토크보다 크면서 HSG 제2토크에 상응하는 수준으로 증대 제어하는 제2피드포워드 토크 제어부;
    를 포함하고,
    상기 HSG의 최종 출력 토크를 HSG 제1토크와, HSG 제2토크와, HSG 제3토크의 합으로 출력하는 것을 특징으로 하는 하이브리드 차량의 엔진클러치 접합 제어 장치.
  2. 삭제
  3. 엔진 크랭킹 단계와;
    엔진클러치 접합을 위하여 엔진속도와 모터속도를 동기화시키기 위한 HSG 및 엔진 토크 제어 단계;
    를 포함하되,
    상기 HSG 및 엔진 토크 제어 단계는:
    엔진클러치 접합을 위한 모터속도와 엔진속도 간의 에러 보정용 HSG 제3토크를 출력 제어하는 피드백 토크 제어 단계와;
    모터속도 변동에 따른 응답성을 확보하기 위한 HSG 제1토크를 연산하여 출력하는 제1피드포워드 토크 제어 단계와;
    엔진 운전점이 최적 작동 라인에 가깝게 되도록 HSG 제2토크를 출력하는 동시에 엔진토크를 엔진 마찰토크보다 크면서 HSG 제2토크에 상응하는 수준으로 증대 제어하는 제2피드포워드 토크 제어 단계;
    를 포함하고, HSG 최종 출력 토크는 HSG 제1토크와, HSG 제2토크와, HSG 제3토크의 합으로 출력되는 것을 특징으로 하는 하이브리드 차량의 엔진클러치 접합 제어 방법.
  4. 청구항 3에 있어서,
    상기 HSG 제2토크는 HSG의 충전 토크로서 HSG가 엔진과 함께 (+)방향으로 회전하면서 생성하는 (-)토크이면서 HSG의 충전 제한 토크 범위내에서 일정 마진이 확보된 토크인 것을 특징으로 하는 하이브리드 차량의 엔진클러치 접합 제어 방법.
  5. 청구항 3에 있어서,
    상기 엔진 토크는 HSG의 충전 제한 토크 범위 내에서 확보된 마진에 상응하는 수준이면서 엔진 마찰토크에 비하여 증대된 수준으로 출력되는 것을 특징으로 하는 하이브리드 차량의 엔진클러치 접합 제어 방법.
  6. 청구항 3에 있어서,
    상기 엔진 토크는 HSG 제2토크에 상응하는 수준이면서 엔진 마찰토크에 비하여 증대된 수준으로 출력되는 것을 특징으로 하는 하이브리드 차량의 엔진클러치 접합 제어 방법.
  7. 청구항 3에 있어서,
    상기 HSG 제1토크는 엔진시스템의 관성모멘트와 목표속도 미분값의 곱으로 연산된 것임을 특징으로 하는 하이브리드 차량의 엔진클러치 접합 제어 방법.
  8. 청구항 3에 있어서,
    상기 HSG 제1토크의 증가 및 감소에 따른 토크 변화부분에 대한 별도의 필터(filter) 처리 단계가 더 진행되는 것을 특징으로 하는 하이브리드 차량의 엔진클러치 접합 제어 방법.
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