KR101634489B1 - 디젤 하이브리드 자동차의 과도상태 특성을 고려한 동력제어 장치 및 방법 - Google Patents

디젤 하이브리드 자동차의 과도상태 특성을 고려한 동력제어 장치 및 방법 Download PDF

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Abstract

디젤 하이브리드 자동차의 과도상태 특성을 고려한 동력제어 장치 및 방법을 개시한다. 동력제어 장치는 디젤엔진의 과도상태 연료소모 및 매연발생 특성을 가격함수 계산 과정에서 고려하고, 엔진의 흡기압력 측정/추정 값을 기반으로 과도상태 최대 엔진 출력제한 기준을 조정하여 가격함수 계산에 제한조건으로써 반영함으로써 최적제어의 결과가 운전자의 가속 요구동력을 항상 충족하는 방법을 제공한다.

Description

디젤 하이브리드 자동차의 과도상태 특성을 고려한 동력제어 장치 및 방법{POWER CONTROL APPARATUS AND METHOD CONSIDERING TRANSIENT STATE OF DIESEL HYDRID CARS}
본 발명은 디젤 하이브리드 자동차의 과도상태 특성을 고려한 동력제어 장치 및 방법에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 디젤엔진의 과도상태 연료소모 및 매연발생 특성을 가격함수 계산 과정에서 고려하고, 엔진의 흡기압력 측정/추정 값을 기반으로 과도상태 최대 엔진 출력제한 기준을 조정하여 가격함수 계산에 제한조건으로써 반영함으로써 최적제어의 결과가 운전자의 가속 요구동력을 항상 충족하도록 하는 동력제어 장치 및 방법에 관한 것이다.
최근 친환경 자동차에 대한 관심이 높아짐에 따라, 하이브리드 자동차 혹은 플러그인 하이브리드 자동차의 동력분배 제어와 관련된 연구가 지속되고 있다. 일반적으로 엔진과 전기모터의 두 가지 동력원을 사용하는 하이브리드 자동차의 동력제어 시스템은 다양한 성능지표를 만족시키기 위한 제어 방법을 최적화 혹은 최적제어를 통해 구현한다. 특히 디젤엔진 기반의 하이브리드 시스템에서는 디젤엔진의 연료소모 특성이나 매연배출 특성과 함께 고려하여 하이브리드 자동차의 동력을 최적으로 사용하기 위한 알고리즘이 개발되고 있다. 전역 최적화 방법 혹은 실시간/지역적 최적제어 방법은 연료 소모량과 매연 배출량의 가중합계로 정의된 가격함수를 최소화할 수 있는 동력분배 비율을 계산하도록 설계되었다. 특히, 디젤엔진은 가솔린 엔진과는 다른 매연배출 특성을 보이므로, 이러한 점을 고려하여 적절한 가격함수의 형태를 결정하고 있다.
디젤엔진의 매연배출 특성은 정상상태에서의 매연배출 특성과 출력의 변동이 있는 과도상태 매연배출 특성으로 나누어 확인할 수 있다. 그러나, 기존의 기술은 대부분 정상상태의 매연배출 특성만을 가격함수에 포함시켜 실시간 최적제어 방법을 적용하고 있다. 따라서, 디젤엔진 특유의 과도상태 매연증가분이 가격함수에 반영되지 않으므로, 실제 디젤 하이브리드 자동차에 기존의 기술이 적용될 경우, 매연 배출량이 최소화된다고 볼 수 없다.
또한, 디젤엔진이 일반적으로 포함하는 터보 과급기(Turbocharger) 기반의 과급시스템은 터보 과급기에 의한 흡기압력이 형성되기까지 시지연이 발생한다. 엔진의 속도 및 토크의 변동이 있는 과도상태에서는 정상상태 최대토크 대비 낮은 수준의 토크가 출력될 수 있다. 그러므로 전기모터와 디젤엔진의 출력 합계가 운전자의 주행동력 요구량과 상이할 수 있으며, 이는 운전감의 악화를 야기할 수 있다.
본 발명은 디젤 하이브리드 자동차의 과도상태 특성을 고려한 동력제어 장치 및 방법에 관한 것으로, 상기의 단점을 극복하기 위하여 과도상태 특성에 따른 매연특성을 수식화하여 가격함수에 포함시키고, 디젤엔진의 출력 제한조건을 흡기압 추정모델 혹은 측정값 기반으로 결정한 과도상태에 따라 가변시킴으로써, 실질적으로 출력 가능한 범위에서 엔진과 모터 사이의 동력분배가 이루어지게 하는 동력제어 장치 및 방법을 제공한다.
동력제어 장치가 수행하는 동력제어 방법에 있어서, 동력제어 장치는 엔진토크와 모터토크의 출력값 조합 중 엔진토크가 정상상태 및 과도상태 제한값 이내인 엔진토크 후보군을 설정하는 단계, 상기 설정된 후보군과 운전자 주행동력 요구량에 기초하여 모터토크 후보군을 설정하는 단계, 상기 설정된 엔진토크 후보군에 대한 각각의 엔진토크 별 정상상태 및 과도상태 연료소모분 가격군 및 매연발생분 가격군을 확인하는 단계, 상기 설정된 모터토크 후보군에 대한 각각의 모터토크 별 전기에너지 가격군을 결정하는 단계, 상기 확인된 연료소모분 가격군 및 매연발생분 가격군과 상기 결정된 전기에너지 가격군을 조합하여 각각의 동력분배 비율 별 순시 가격함수를 계산하는 단계 및 상기 계산된 순시 가격함수 중 최소값을 가지는 순시 가격함수에 해당하는 출력 가능한 엔진토크 및 모터토크의 조합을 명령토크로 판단하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 엔진토크 후보군은 흡기압 추정모델 또는 흡기압 측정값에 의해 출력이 제한될 수 있다.
상기 엔진토크와 모터토크의 출력값은 운전자가 가속페달 개도량을 통해 결정한 운전자 주행동력 요구량과 일치할 수 있다.
상기 운전자 주행동력 요구량은 엔진속도 및 가속페달 개도량에 따른 가속토크 맵을 통해 계산될 수 있다.
상기 확인하는 단계는 엔진속도, 엔진토크 및 흡기압력을 이용하여 정상상태 및 과도상태 연료소모분 가격군을 결정하고, 질소산화물 및 입자성 매연성분을 이용하여 정상상태 및 과도상태 매연발생분 가격군을 결정할 수 있다.
동력제어 장치는 엔진토크와 모터토크의 출력값 조합 중 엔진토크가 정상상태 및 과도상태 제한값 이내인 엔진토크 후보군을 설정하는 엔진토크 후보군 설정부 및 상기 설정한 후보군과 운전자 주행동력 요구량에 기초하여 모터토크 후보군을 설정하는 모터토크 후보군 설정부, 상기 설정된 엔진토크 후보군에 대한 각각의 엔진토크 별 정상상태 및 과도상태 연료소모분 가격을 확인하는 연료소모분 가격군 확인부 및 매연발생분 가격을 확인하는 매연발생분 가격군 확인부, 상기 설정된 모터토크 후보군에 대한 각각의 모터토크 별 전기에너지 가격을 결정하는 전기에너지 가격군 결정부, 상기 확인된 연료소모분 가격군 및 매연발생분 가격군과 상기 결정된 전기에너지 가격군을 조합하여 각각의 동력분배 비율 별 순시 가격함수를 계산하는 순시 가격함수 계산부 및 상기 계산된 순시 가격함수 중 최소값을 가지는 순시 가격함수에 해당하는 출력 가능한 엔진토크 및 모터토크의 조합을 명령토크로 판단하는 명령토크 판단부를 포함할 수 있다.
상기 엔진토크 후보군은 흡기압 추정모델 또는 흡기압 측정값에 의해 출력이 제한될 수 있다.
상기 엔진토크와 모터토크의 출력값은 운전자가 가속페달 위치를 통해 결정한 운전자 주행동력 요구량과 일치할 수 있다.
상기 운전자 주행동력 요구량은 엔진속도 및 가속페달 개도량에 따른 가속토크 맵을 통해 계산될 수 있다.
상기 연료소모분 가격군 확인부 및 매연발생분 가격군 확인부는 엔진속도, 엔진토크 및 흡기압력을 이용하여 정상상태 및 과도상태 연료소모분 가격군을 결정하고, 질소산화물 및 입자성 매연성분을 이용하여 정상상태 및 과도상태 매연발생분 가격군을 결정할 수 있다.
본 발명의 일실시예에 따르면, 과도상태 특성에 따른 매연특성을 수식화하여 가격함수에 포함시키고, 디젤엔진의 출력 제한조건을 흡기압 추정모델 혹은 측정값 기반으로 결정한 과도상태에 따라 가변시킴으로써, 디젤 하이브리드 자동차의 동력제어를 설계하는 과정에서 불필요한 튜닝과정을 줄일 수 있다.
본 발명의 일실시예에 따르면, 디젤 하이브리드 자동차의 동력제어에 있어서, 최적제어 관점에서 원하는 수준의 차량 성능지표를 명확하게 확보할 수 있다.
본 발명의 일실시예에 따르면, 운전자의 요구동력이 디젤엔진과 전기모터의 합계 동력과 불일치함으로 인해 운전자가 느낄 수 있는 이질적인 운전감을 방지할 수 있다.
도 1은 일실시예에 따른 동력제어 장치를 도시화한 것이다.
도 2는 일실시예에 따른 동력제어 과정을 순서대로 도시화한 것이다.
도 3은 일실시예에 따른 모터토크 별 전기 에너지 가격군을 계산하는 방법을 순서대로 도시화한 것이다.
도 4는 일실시예에 따른 엔진토크 별 연료소모분 가격군 및 매연발생분 가격군을 계산하는 방법을 순서대로 도시화한 것이다.
도 5는 일실시예에 따른 5개의 동력분배율에 대해 FTP72 사이클 주행을 시뮬레이션한 결과를 도시화한 것이다.
도 6은 일실시예에 따른 동력 분배 비율 별 순시 가격함수 계산을 통한 최적 명령토크를 결정하는 방법을 도시화한 것이다.
이하, 본 발명의 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.
도 1은 일실시예에 따른 동력제어 장치를 도시화한 것이다.
동력제어 장치(100)는 모터토크 후보군 설정부(110), 엔진토크 후보군 설정부(120), 전기에너지 가격군 결정부(130), 연료소모분 가격군 확인부(140), 매연발생분 가격군 확인부(150), 순시 가격함수 계산부(160) 및 명령토크 판단부(170)로 구성될 수 있다.
모터토크 후보군 설정부(110)는 운전자의 주행동력 요구량 및 출력 가능한 엔진토크 후보군을 이용하여 확인할 수 있다. 일반적으로 하이브리드 자동차의 엔진토크 및 모터토크 출력값의 합계는 운전자가 가속페달 위치를 통해 결정한 운전자의 주행동력 요구량과 일치한다. 따라서, 모터토크 후보군은 운전자의 주행동력 요구량에서 출력 가능한 엔진토크를 차감함으로써 결정될 수 있다.
엔진토크 후보군 설정부(120)는 현재 엔진속도 및 흡기압 추정모델 혹은 흡기압 측정값을 이용하여 확인할 수 있다. 디젤엔진이 일반적으로 포함하는 터보 과급기 기반의 과급시스템은 터보 과급기에 의한 흡기압력이 형성되기까지 시지연이 발생할 수 있다. 이때, 엔진속도 및 토크의 변동이 있는 과도상태에서는 정상상태 최대토크 대비 낮은 수준의 토크가 출력될 수 있다. 이에 흡기압 추정모델 혹은 흡기압 측정값을 기반으로 과도상태에 따른 디젤엔진의 출력 제한함으로써, 실질적으로 출력 가능한 범위에서 엔진과 모터 사이의 동력분배가 이루어지게 할 수 있다.
전기에너지 가격군 결정부(130)는 모터속도 및 출력 가능한 모터토크 후보군을 이용하여 확인할 수 있다. 다시 말해서, 현재 모터속도에서 출력 가능한 모터토크 후보군 벡터에 대한 전기에너지 가격벡터를 계산함으로써, 전기에너지 가격군을 결정할 수 있다.
단, 하이브리드 자동차에서는 배터리에서 방전되는 에너지는 엔진 출력을 통해 충전해야 하므로 효율을 고려하였을 경우 전기에너지 소모량은 연료소모량에 비해 가치가 높은 것으로 판단한다. 따라서, 1Joule의 전기 에너지를 일정 비율 s로 증가시킨 s*1Joule을 전기에너지 가격으로 산정한다. 이때 비율 s를 등가인자라고 하며, 하이브리드 자동차의 시뮬레이션을 통해 별도로 계산한다.
연료소모분 가격군 확인부(140)는 엔진속도 및 출력가능한 엔진토크 후보군을 이용하여 확인할 수 있다. 디젤엔진의 과도상태 연료소모 특성은 과도상태 특성을 정상상태 연료소모 맵에 반영함으로써 계산할 수 있다. 일반적으로 엔진의 연료소모량은 엔진속도 및 엔진토크를 이용하여 예상할 수 있다. 그러나 터보 과급기 기반의 디젤엔진에서는 흡기압에 따라 동일한 토크 출력이라도 연료소모량이 다를 수 있다. 따라서, 디젤엔진의 엔진토크 출력값 별 연료 소모량은 엔진속도, 엔진토크 및 흡기압을 이용하여 예상할 수 있다.
매연발생분 가격군 확인부(150)는 엔진속도 및 출력가능한 엔진토크 후보군을 이용하여 확인할 수 있다. 디젤엔진의 매연발생량은 질소산화물 발생량 및 입자성 매연성분 발생량의 합으로 결정될 수 있다. 그러나 디젤엔진의 매연발생량은 일반적으로 엔진토크의 급변 상황에서 다량으로 발생하기 때문에 순시 가격 함수를 위한 단위시간당 매연발생분 가격은 과도상태의 매연발생량을 고려하여야 한다.
그리고, 매연발생분 1g 은 반영비율 k에 의해 k*1g만큼의 매연발생분 가격으로 환산되는데, 이때, 비율 k는 매연배출량 절감수준 조정을 위해 사용된다. 즉, k값을 상승시키면 매연배출량의 절감수준은 높아지나 연료소모량이 증가할 수 있으며, k값을 하락시키면 매연배출량의 절감수준은 낮아지나 연료소모량은 감소시킬 수 있다.
순시 가격함수 계산부(160)는 일정 시점에서의 엔진 토크 및 모터 토크의 분배비율에 따른 가격함수를 계산할 수 있다. 이때, 순시 가격함수 계산부(160)는 전기에너지 가격군, 연료소모분 가격군 및 매연발생분 가격군을 이용하여 순시 가격함수를 결정할 수 있다.
명령토크 판단부(170)는 본 발명에서 제안하는 동력분배 비율 중 최적의 동력분배를 보여주는 엔진토크 및 모터토크를 판단할 수 있다. 이때, 명령토크 판단부(170)는 순시 가격함수 중 최소값을 가지는 가격함수에 따른 엔진토크 및 모터토크를 최적의 동력배분으로 판단할 수 있다.
도 2는 일실시예에 따른 동력제어 과정을 순서대로 도시화한 것이다.
본 발명에서 제시하는 디젤 하이브리드 자동차의 최적 동력제어를 위해서는 동력분배 비율 별 순시 가격함수 중 최소값을 가지는 순시 가격함수를 결정할 필요가 있다. 순시 가격함수는 전기에너지 가격군, 연료소모분 가격군 및 매연발생분 가격군을 이용하여 결정될 수 있다.
먼저 전기에너지 가격군을 획득하기 위하여 동력제어 장치(100)는 가속페달 조작센서(220) 및 엔진속도 측정센서(240)를 이용하여 운전자의 주행동력 요구량을 계산할 수 있다. 동력제어 장치(100)는 계산된 운전자의 주행동력 요구량과 출력 가능한 엔진토크 후보군을 이용하여 출력 가능한 모터토크 후보군을 결정할 수 있다. 동력제어 장치(100)는 결정된 출력 가능한 모터토크 후보군을 이용하여 모터토크 별 전기에너지 가격군을 계산할 수 있다.
두번째로, 동력제어 장치(100)는 연료소모분 가격군을 획득하기 위하여 흡기압 측정센서(230) 및 흡기압 추정모델과 엔진속도 측정센서(240)를 이용하여 출력 가능한 엔진토크 후보군을 결정할 수 있다. 동력제어 장치(100)는 결정된 출력 가능한 엔진토크 후보군과 엔진속도 측정센서(240)를 이용하여 엔진토크 별 연료소모분 가격군을 결정할 수 있다.
세번째로, 동력제어 장치(100)는 매연발생분 가격군을 획득하기 위하여 흡기압 측정센서(230) 및 흡기압 추정모델과 엔진속도 측정센서(240)를 이용하여 출력 가능한 엔진토크 후보군을 결정할 수 있다. 동력제어 장치(100)는 결정된 출력 가능한 엔진토크 후보군과 엔진속도 측정센서(240)를 이용하여 엔진토크 별 매연발생분 가격군을 결정할 수 있다.
마지막으로 동력제어 장치(100)는 상기 과정을 거쳐 획득한 모터토크 별 전기에너지 가격군, 엔진토크별 연료소모분 가격군 및 엔진토크별 매연발생분 가격군을 이용하여 순시 가격함수를 계산할 수 있다. 동력제어 장치(100)는 계산된 순시 가격함수를 이용하여 본 발명에서 제안하는 디젤 하이브리드 자동차의 최적 동력분배 비율을 결정할 수 있다.
도 3은 일실시예에 따른 모터토크 별 전기 에너지 가격군을 계산하는 방법을 순서대로 도시화한 것이다.
디젤 하이브리드 자동차의 최적 동력제어를 위해서는 모터토크 별 전기에너지 가격군의 확인이 필요하다. 단계(310)에서, 동력제어 장치(100)는 모터토크 별 전기 에너지 가격군을 계산하기 위하여 운전자의 주행동력 요구량을 계산할 수 있다. 운전자의 주행동력 요구량은 엔진속도 측정센서(240)를 통해 획득한 엔진속도 및 가속페달 조작센서(220)를 통해 획득한 가속페달 개도량에 따른 가속토크 맵을 통해 계산될 수 있다. 일반적으로 운전자의 주행동력 요구량에 따른 요구토크 맵은 가속페달 개도량(
Figure 112015010138036-pat00001
과 엔진속도(
Figure 112015010138036-pat00002
에 따른 정상상태 엔진 출력토크 맵(
Figure 112015010138036-pat00003
을 통해 계산될 수 있다. 이는 하이브리드 자동차라 하더라도 기존 엔진의 가속페달 조작특성은 운전자에게 동일한 느낌으로 전하기 위해서이다. 이를 수식으로 나타내면 아래의 수학식 1과 같다.
Figure 112015010138036-pat00004
보통의 경우 운전자의 주행동력 요구량에 따른 요구토크 맵은 스칼라 량으로 정의되나, 본 발명에서는 출력 가능한 엔진토크 후보군 벡터와의 연산을 위하여 원소는 1이고, 길이는 k 인 벡터([1 1 1 … 1], 길이 k)에 곱하여 사용할 수 있다.
단계(320)에서, 동력제어 장치(100)는 출력 가능한 모터토크 후보군을 추출할 수 있다. 일반적으로 하이브리드 자동차의 엔진토크 및 모터토크 출력값의 합계는 운전자가 가속페달 위치를 통해 결정한 운전자의 주행동력 요구량과 일치한다. 따라서, 출력 가능한 모터토크 후보군은 운전자의 주행동력 요구량에서 출력 가능한 엔진토크를 차감함으로써 결정될 수 있다.
단계(330)에서, 동력제어 장치(100)는 모터토크 별 전기에너지 가격군을 계산할 수 있다. 본 발명에서는 전기시스템 모델을 통해 현재 모터속도
Figure 112015010138036-pat00005
에서 출력 가능한 모터토크
Figure 112015010138036-pat00006
후보군 벡터에 대한 전기에너지
Figure 112015010138036-pat00007
가격벡터를 계산할 수 있다. 일반적으로 전기시스템의 소모에너지는 전기모터의 속도-토크 동작점에 대한 정상상태 특성을 따르게 된다. 따라서, 실험을 통해 도출된 전기모터-인버터의 정상상태 효율 맵
Figure 112015010138036-pat00008
과 배터리의 개방단자 저항 맵
Figure 112015010138036-pat00009
및 내부저항 맵
Figure 112015010138036-pat00010
을 이용하여 전기모터의 속도-토크에 대한 전기에너지 소모량을 계산할 수 있다. 배터리의 특성은 충전상태(SOC)의 함수로 나타낼 있으며, 하기의 수학식 2와 같이 정의된다.
Figure 112015010138036-pat00011
동력제어 장치(100)는 전기모터의 속도-토크에 대한 전기에너지 가격군을 계산하기 위하여 매 순간의 전기시스템 소모파워를 적분하며, 이는 전기모터의 파워에 배터리의 내부 손실파워를 더하여 계산할 수 있다. 상기의 내용을 수학식으로 나타내면 하기의 수학식 3과 같다.
Figure 112015010138036-pat00012
배터리 단자에서의 전압 및 전류 사이의 관계는 개방단자 전압 맵
Figure 112015010138036-pat00013
과 내부저항 맵
Figure 112015010138036-pat00014
을 기반으로 계산하며, 이를 전기시스템 소모파워 계산 시 사용할 수 있다. 이를 수학식을 나타내면 하기의 수학식 4와 같다.
Figure 112015010138036-pat00015
도 4는 일실시예에 따른 엔진토크 별 연료소모분 가격군 및 매연발생분 가격군을 계산하는 방법을 순서대로 도시화한 것이다.
단계(410)에서, 동력제어 장치(100)는 엔진토크 후보군을 설정할 수 있다. 일반적으로 하이브리드 자동차의 엔진토크 및 모터토크의 출력값의 합계는 운전자가 가속페달 위치를 통해 결정한 운전자의 주행동력 요구량과 일치한다. 동력제어 장치(100)는 이러한 관계를 만족시키는 엔진토크 및 모터토크의 출력값의 조합 중 엔진토크 후보군을 결정할 수 있다.
단계(420)에서, 동력제어 장치(100)는 출력 가능한 엔진토크 후보군을 추출할 수 있다. 동력제어 장치(100)는 상기 엔진토크 후보군 중 정상상태 및 과도상태 제한값 이내인 엔진토크를 출력 가능한 엔진토크 후보군으로 결정할 수 있다. 터보 과급기를 채용한 디젤 엔진은 일반적으로 흡기압에 따라 출력 가능한 최대 엔진토크의 제한이 일어난다. 본 발명에서도 매 순간의 엔진속도 및 흡기압에 대한 최대 엔진토크 제한값을 측정하여 맵 형태로 구성하였다. 이를 수학식으로 나타내면 하기의 수학식 5와 같다.
Figure 112015010138036-pat00016
일반적으로 최대 엔진토크는 과급기에 의한 도움 없이 대기압 상태에서 공기를 흡입하는 경우 가장 낮고, 과급기에 의해 흡기압이 증가될수록 높아진다. 이에 터보 과급기를 채용한 디젤 엔진의 최대 엔진토크는 두 가지 방식으로 구할 수 있다. 우선 첫번째는 자연흡기 상태
Figure 112015010138036-pat00017
로부터 최대 과급상태(
Figure 112015010138036-pat00018
)에 이르기까지 다양한 과급상태에 대한 최대 엔진토크 제한특성을 실험하여 최대 엔진 출력토크 맵
Figure 112015010138036-pat00019
을 작성할 수 있다. 그러나 이 경우에는 요구되는 실험 케이스가 증가하고 변인통제를 위해 엔진 제어기의 조작을 세밀하게 수행해야 하므로, 상기 방법을 이용하여 디젤 엔진의 최대 엔진토크를 구하는 것이 쉽지 않다.
두번째는 흡기압의 증가에 따른 최대 엔진토크의 증가 수준을 선형적 증가로 가정하여 최대 엔진 출력토크 맵
Figure 112015010138036-pat00020
을 작성하는 방법이 있다. 따라서, 자연흡기 상태에 따른 최대 엔진토크와 최대 과급상태에 따른 최대 엔진토크를 측정하여 두 최대 엔진토크 사이를 선형보간함으로써 최대 엔진 출력토크 맵
Figure 112015010138036-pat00021
을 작성할 수 있다. 즉, 측정된 흡기압이
Figure 112015010138036-pat00022
이면, 최대 엔진 출력토크 맵
Figure 112015010138036-pat00023
은 다음의 수학식 6과 같이 나타낼 수 있다.
Figure 112015010138036-pat00024
Figure 112015010138036-pat00025
따라서, 동력제어 장치(100)는 상기 방법을 터보 과급기를 채용한 디젤 엔진에서 흡기압에 따른 출력 가능한 최대 엔진토크를 결정할 수 있다. 이에, 단계(410)에서 설정한 엔진토크 후보군 중 터보 과급기에 의한 흡기압이 최대일 때의 최대 엔진토크 값을 기준으로 출력 가능한 엔진토크 후보군을 추출할 수 있다.
단계(430)에서, 동력제어 장치(100)는 엔진토크 별 연료소모분 가격군을 계산할 수 있다. 디젤 엔진의 과도상태 연료소모 특성은 과도상태 특성을 정상상태 맵에 반영함으로써 결정될 있다. 일반적으로 엔진의 연료소모량은 실험을 통해 맵으로 구성되는데 다음의 수학식 7과 같다.
Figure 112015010138036-pat00026
여기서 FC는 Fuel consumption을 의미하고, 단위는 g/s으로 나타낼 수 있다. 일반적인 가솔린 하이브리드 자동차에서는 상기 수식으로 매 순간의 특정 엔진토크 출력 시 예상되는 연료소모량을 예측할 수 있다. 그러나 터보 과급기를 채용한 디젤엔진의 경우 흡기압에 따라 동일한 엔진토크를 출력하더라도 연료소모량이 다를 수 있다. 따라서, 터보 과급기를 채용한 디젤엔진의 엔진토크 별 연료소모량은 하기의 수학식 8과 같이 흡기압을 고려하여 실험을 통해 도출하여야 한다.
Figure 112015010138036-pat00027
그러나 이와 같이 실험을 통해 매 순간의 엔진토크 별 연료소모량을 구하는 것은 쉽지 않다. 따라서, 최대 엔진 출력토크 맵을 작성하는 방법과 마찬가지로 선형 보간 방식을 활용한 근사적으로 연료소모량을 추정하는 방식을 사용할 수 있다. 선형 보간 방식을 활용한 연료소모량을 추정하는 방식은 하기의 수학식 9와 같다.
Figure 112015010138036-pat00028
Figure 112015010138036-pat00029
상기 수학식 9에 의하면 디젤 엔진의 연료소모량에 영향을 미치는 여러 요소 중, 터보 과급기에 의한 흡기압의 증가로 인한 효과는 변곡점 없이 단순증가로 볼 수 있다. 따라서 다소 오차가 발생할 수 있으나, 기존의 일반적인 가솔린 하이브리드 자동차에서 연료소모량을 추정할 때 사용하는 방식
Figure 112015010138036-pat00030
에 비해서 보다 정확한 값을 획득할 수 있다.
동력제어 장치(100)는 엔진토크 별 연료소모분 가격을 계산하기 위하여, 연료소모량을 에너지 단위(Joule)로 변환할 수 있다. 일반적으로 1g의 연료가 연소 시 어느 정도의 열량을 발산하는지의 기준을 Heating value로 정의한다. 이때, 연소 후 물(
Figure 112015010138036-pat00031
)의 상이 액체인 경우 High Heating Value
Figure 112015010138036-pat00032
기체인 경우
Figure 112015010138036-pat00033
로 정의할 수 있다. 엔진에서는 보통
Figure 112015010138036-pat00034
를 이용하여 연료소모량을 에너지 단위로 변환할 수 있다.
Figure 112015010138036-pat00035
보통 연료소모량에 대한 에너지는 연료소모분 가격에 별도의 상수 곱 없이 그대로 반영할 수 있다.
단계(440)에서, 동력제어 장치(100)는 엔진토크 별 매연발생분 가격군을 계산할 수 있다. 디젤엔진에서 매연발생량은 하기의 수학식 11과 같이 나타낼 수 있다.
Figure 112015010138036-pat00036
즉, 디젤엔진에서 매연발생량은 질소산화물의 매연발생량과 입자성 매연성분의 매연발생량의 합으로 결정할 수 있다. 그러나 질소산화물과 입자성 매연성분의 발생 특성이 엔진의 동작점 별로 상이하다. 그렇기 때문에 디젤엔진에서 매연발생분을 가격함수에 반영하기 위해서는 각각의 매연성분을 별도의 상수 곱을 통해 스케일링(Scailing)하여 반영하여야 한다. 따라서 일반적인 디젤엔진의 정상상태 매연발생분은 하기의 수학식 12와 같이 나타낼 수 있다. 매연발생분 가격은 추후 전기에너지 가격 및 연료소모분 가격과 함께 순시 가격함수에 의해 계산되므로, 상수 k에 의해 매연발생량이 줄(Joule)단위로 연산되도록 표현하였다.
Figure 112015010138036-pat00037
그러나, 디젤엔진의 경우 과도상태처럼 토크가 급변하는 상황에서는 매연이 다량 발생하게 된다. 따라서 순시 가격함수를 위한 단위시간당 매연발생분 가격은 과도상태의 매연발생량을 고려하여 하기의 수학식 13과 같이 나타낼 수 있다.
Figure 112015010138036-pat00038
여기서,
Figure 112015010138036-pat00039
와
Figure 112015010138036-pat00040
은 정상상태 매연발생량을 각 엔진 동작점 별로 실험을 통해 도출한 맵으로 g/s의 단위를 가진다. 이때, 과도상태에 따른 추가 매연발생량은
Figure 112015010138036-pat00041
와
Figure 112015010138036-pat00042
로 정의하였다. 이러한 과도상태 매연발생 맵은 실험을 통해 도출할 수 있으며, 이미 알려진 매연발생 모델을 이용하여 예측할 수 있다. 또한, 과도상태의 매연발생분은 추가적인 상수
Figure 112015010138036-pat00043
과
Figure 112015010138036-pat00044
에 의해 절감수준이 조정될 수 있다.
도 5는 일실시예에 따른 5개의 동력분배율에 대해 FTP72 사이클 주행을 시뮬레이션한 결과를 도시화한 것이다.
하이브리드 자동차에서는 배터리에서 방전되는 에너지는 엔진 출력을 통해 충전해야 하기 때문에 효율을 고려하였을 경우 전기에너지 소모량은 연료소모량에 비해 가치가 높은 것으로 판단한다. 따라서, 1Joule의 전기 에너지를 일정 비율 s로 증가시킨 s*1Joule을 전기에너지 가격으로 산정한다. 이때 비율 s를 등가인자라고 한다. 다시 말하면, 등가인자 s는 실제 전기에너지 소모량
Figure 112015010138036-pat00045
과 순시 가격함수 반영 분 사이의 비율로 엔진과 모터의 평균적인 동작효율을 의미할 수 있다. 일반적으로 자동차가 특정 주행 사이클에 대해 다양한 동력분배 비율을 유지한 상태로 주행실험을 수행하거나 시뮬레이션을 수행할 수 있다. 이때, 해당 사이클에서의 동력분배 비율 별 총 전기에너지 소모량
Figure 112015010138036-pat00046
과 연료소모량 환산 에너지
Figure 112015010138036-pat00047
의 u=0(엔진단독 주행) 상황을 기준으로 u가 증가하는 방향과 감소하는 방향 사이의 기울기
Figure 112015010138036-pat00048
로써 등가인자 s를 계산할 수 있다.
예를 들어, 도 5에서 u=0.19 인 경우, 사이클 전체 구간에서 운전자의 주행동력 요구량 중 19%를 모터를 통해 충당하도록 한 시뮬레이션 결과이다.
도 6은 일실시예에 따른 동력 분배 비율 별 순시 가격함수 계산을 통한 최적 명령토크를 결정하는 방법을 도시화한 것이다.
본 발명에서 최적 동력 분배는 순시 가격함수 계산을 통해 계산된 값 중 최소값을 가지는 순시 가격함수에 대한 엔진토크 및 모터토크의 분배 비율을 제안한다. 동력분배 비율 별 순시 가격함수(650)는 모터토크 별 전기에너지 가격군(610), 엔진토크 별 연료소모분 가격군(620) 및 엔진토크 별 매연발생분 가격군(630)을 이용하여 계산될 수 있다. 또한, 등가인자(640) s도 순시 가격함수 계산에 이용될 수 있다. 현재의 엔진속도
Figure 112015010138036-pat00049
및 모터속도
Figure 112015010138036-pat00050
에서 각 동력분배 후보군
Figure 112015010138036-pat00051
별 순시 가격함수는 하기의 수학식 14와 같이 정의된다.
Figure 112015010138036-pat00052
이때, 매연발생분 가격은 이미 그 자체에 절감율 조정 상수가 포함되어 있으므로, 순시 가격함수 내에서는 별도로 조정 상수를 포함시키지 않는다. 본 발명에서 제안하는 동력분배 방법은 동력분배 후보군
Figure 112015010138036-pat00053
에 대해 순시 가격함수
Figure 112015010138036-pat00054
를 매 제어주기마다 계산하여 그 중 최소값을 가지는 순시 가격함수
Figure 112015010138036-pat00055
에 해당하는 엔진토크 및 모터토크를 최적의 동력분배 비율에 따른 명령토크(660)를 선택할 수 있다.
이상에서 설명된 장치는 하드웨어 구성요소, 소프트웨어 구성요소, 및/또는 하드웨어 구성요소 및 소프트웨어 구성요소의 조합으로 구현될 수 있다. 예를 들어, 실시예들에서 설명된 장치 및 구성요소는, 예를 들어, 프로세서, 콘트롤러, ALU(arithmetic logic unit), 디지털 신호 프로세서(digital signal processor), 마이크로컴퓨터, FPA(field programmable array), PLU(programmable logic unit), 마이크로프로세서, 또는 명령(instruction)을 실행하고 응답할 수 있는 다른 어떠한 장치와 같이, 하나 이상의 범용 컴퓨터 또는 특수 목적 컴퓨터를 이용하여 구현될 수 있다. 처리 장치는 운영 체제(OS) 및 상기 운영 체제 상에서 수행되는 하나 이상의 소프트웨어 애플리케이션을 수행할 수 있다. 또한, 처리 장치는 소프트웨어의 실행에 응답하여, 데이터를 접근, 저장, 조작, 처리 및 생성할 수도 있다. 이해의 편의를 위하여, 처리 장치는 하나가 사용되는 것으로 설명된 경우도 있지만, 해당 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는, 처리 장치가 복수 개의 처리 요소(processing element) 및/또는 복수 유형의 처리 요소를 포함할 수 있음을 알 수 있다. 예를 들어, 처리 장치는 복수 개의 프로세서 또는 하나의 프로세서 및 하나의 콘트롤러를 포함할 수 있다. 또한, 병렬 프로세서(parallel processor)와 같은, 다른 처리 구성(processing configuration)도 가능하다.
소프트웨어는 컴퓨터 프로그램(computer program), 코드(code), 명령(instruction), 또는 이들 중 하나 이상의 조합을 포함할 수 있으며, 원하는 대로 동작하도록 처리 장치를 구성하거나 독립적으로 또는 결합적으로(collectively) 처리 장치를 명령할 수 있다. 소프트웨어 및/또는 데이터는, 처리 장치에 의하여 해석되거나 처리 장치에 명령 또는 데이터를 제공하기 위하여, 어떤 유형의 기계, 구성요소(component), 물리적 장치, 가상 장치(virtual equipment), 컴퓨터 저장 매체 또는 장치, 또는 전송되는 신호 파(signal wave)에 영구적으로, 또는 일시적으로 구체화(embody)될 수 있다. 소프트웨어는 네트워크로 연결된 컴퓨터 시스템 상에 분산되어서, 분산된 방법으로 저장되거나 실행될 수도 있다. 소프트웨어 및 데이터는 하나 이상의 컴퓨터 판독 가능 기록 매체에 저장될 수 있다.
실시예에 따른 방법은 다양한 컴퓨터 수단을 통하여 수행될 수 있는 프로그램 명령 형태로 구현되어 컴퓨터 판독 가능 매체에 기록될 수 있다. 상기 컴퓨터 판독 가능 매체는 프로그램 명령, 데이터 파일, 데이터 구조 등을 단독으로 또는 조합하여 포함할 수 있다. 상기 매체에 기록되는 프로그램 명령은 실시예를 위하여 특별히 설계되고 구성된 것들이거나 컴퓨터 소프트웨어 당업자에게 공지되어 사용 가능한 것일 수도 있다. 컴퓨터 판독 가능 기록 매체의 예에는 하드 디스크, 플로피 디스크 및 자기 테이프와 같은 자기 매체(magnetic media), CD-ROM, DVD와 같은 광기록 매체(optical media), 플롭티컬 디스크(floptical disk)와 같은 자기-광 매체(magneto-optical media), 및 롬(ROM), 램(RAM), 플래시 메모리 등과 같은 프로그램 명령을 저장하고 수행하도록 특별히 구성된 하드웨어 장치가 포함된다. 프로그램 명령의 예에는 컴파일러에 의해 만들어지는 것과 같은 기계어 코드뿐만 아니라 인터프리터 등을 사용해서 컴퓨터에 의해서 실행될 수 있는 고급 언어 코드를 포함한다. 상기된 하드웨어 장치는 실시예의 동작을 수행하기 위해 하나 이상의 소프트웨어 모듈로서 작동하도록 구성될 수 있으며, 그 역도 마찬가지이다.
이상과 같이 실시예들이 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 해당 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 상기의 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다. 예를 들어, 설명된 기술들이 설명된 방법과 다른 순서로 수행되거나, 및/또는 설명된 시스템, 구조, 장치, 회로 등의 구성요소들이 설명된 방법과 다른 형태로 결합 또는 조합되거나, 다른 구성요소 또는 균등물에 의하여 대치되거나 치환되더라도 적절한 결과가 달성될 수 있다. 그러므로, 다른 구현들, 다른 실시예들 및 특허청구범위와 균등한 것들도 후술하는 특허청구범위의 범위에 속한다.
100 : 동력제어 장치
110 : 모터토크 후보군 설정부
120 : 엔진토크 후보군 설정부
130 : 전기에너지 가격군 결정부
140 : 연료소모분 가격군 확인부
150 : 매연발생분 가격군 확인부
160 : 순시 가격함수 계산부
170 : 명령토크 판단부

Claims (10)

  1. 엔진토크와 모터토크의 출력값 조합 중 엔진토크가 정상상태 및 과도상태 제한값 이내인 엔진토크 후보군을 설정하는 단계;
    상기 설정된 엔진토크 후보군과 운전자 주행동력 요구량에 기초하여 모터토크 후보군을 설정하는 단계;
    상기 설정된 엔진토크 후보군에 대한 각각의 엔진토크 별 정상상태 및 과도상태 연료소모분 가격군 및 매연발생분 가격군을 확인하는 단계;
    상기 설정된 모터토크 후보군에 대한 각각의 모터토크 별 전기에너지 가격군을 결정하는 단계;
    상기 확인된 연료소모분 가격군 및 매연발생분 가격군과 상기 결정된 전기에너지 가격군을 조합하여 각각의 동력분배 비율 별 순시 가격함수를 계산하는 단계; 및
    상기 계산된 순시 가격함수 중 최소값을 가지는 순시 가격함수에 해당하는 출력 가능한 엔진토크 및 모터토크의 조합을 명령토크로 판단하는 단계
    를 포함하는 동력제어 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 엔진토크 후보군은,
    흡기압 추정모델 또는 흡기압 측정값에 의해 출력이 제한되는 동력제어 방법.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 엔진토크와 모터토크의 출력값은 운전자가 가속페달 개도량을 통해 결정한 운전자 주행동력 요구량과 일치하는 동력제어 방법.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 운전자 주행동력 요구량은,
    엔진속도 및 가속페달 개도량에 따른 가속토크 맵을 통해 계산되는 동력제어 방법.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 확인하는 단계는,
    엔진속도, 엔진토크 및 흡기압력을 이용하여 정상상태 및 과도상태 연료소모분 가격군을 결정하고, 질소산화물 및 입자성 매연성분을 이용하여 정상상태 및 과도상태 매연발생분 가격군을 결정하는 동력제어 방법.
  6. 엔진토크와 모터토크의 출력값 조합 중 엔진토크가 정상상태 및 과도상태 제한값 이내인 엔진토크 후보군을 설정하는 엔진토크 후보군 설정부;
    상기 설정된 엔진토크 후보군과 운전자 주행동력 요구량에 기초하여 모터토크 후보군을 설정하는 모터토크 후보군 설정부;
    상기 설정된 엔진토크 후보군에 대한 각각의 엔진토크 별 정상상태 및 과도상태 연료소모분 가격을 확인하는 연료소모분 가격군 확인부 및 매연발생분 가격을 확인하는 매연발생분 가격군 확인부;
    상기 설정된 모터토크 후보군에 대한 각각의 모터토크 별 전기에너지 가격을 결정하는 전기에너지 가격군 결정부;
    상기 확인된 연료소모분 가격군 및 매연발생분 가격군과 상기 결정된 전기에너지 가격군을 조합하여 각각의 동력분배 비율 별 순시 가격함수를 계산하는 순시 가격함수 계산부; 및
    상기 계산된 순시 가격함수 중 최소값을 가지는 순시 가격함수에 해당하는 출력 가능한 엔진토크 및 모터토크의 조합을 명령토크로 판단하는 명령토크 판단부
    를 포함하는 동력제어 장치.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 엔진토크 후보군은,
    흡기압 추정모델 또는 흡기압 측정값에 의해 출력이 제한되는 동력제어 장치.
  8. 제6항에 있어서,
    상기 엔진토크와 모터토크의 출력값은 운전자가 가속페달 위치를 통해 결정한 운전자 주행동력 요구량과 일치하는 동력제어 장치.
  9. 제6항에 있어서,
    상기 운전자 주행동력 요구량은,
    엔진속도 및 가속페달 개도량에 따른 가속토크 맵을 통해 계산되는 동력제어 장치.
  10. 제6항에 있어서,
    상기 연료소모분 가격군 확인부 및 매연발생분 가격군 확인부는,
    엔진속도, 엔진토크 및 흡기압력을 이용하여 정상상태 및 과도상태 연료소모분 가격군을 결정하고, 질소산화물 및 입자성 매연성분을 이용하여 정상상태 및 과도상태 매연발생분 가격군을 결정하는 동력제어 장치.
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