KR101655644B1

KR101655644B1 - 하이브리드 차량의 선회 안정성 유지 방법

Info

Publication number: KR101655644B1
Application number: KR1020150009258A
Authority: KR
Inventors: 최무룡
Original assignee: 현대자동차주식회사
Priority date: 2015-01-20
Filing date: 2015-01-20
Publication date: 2016-09-07
Also published as: KR20160089704A

Abstract

본 발명의 하이브리드 차량의 선회 안정성 유지 방법은 횡방향부하를 발생하는 차량의 선회 중 상기 횡방향부하의 감소를 가져오는 발전부하를 컨트롤러가 검출하면, 횡방향부하 감소량이 보상되도록 좌우 후륜에 대한 휠 토크분배로 발전부하가 생성한 종방향 부하를 변화시켜주는 발전선회안정모드; 가 수행됨으로써 선회 주행 중 엔진 및 전,후륜 측의 추가적인 토크 생성 조건에서도 선회 안정성이 유지되는 특징을 구현한다.

Description

하이브리드 차량의 선회 안정성 유지 방법{Method for maintaining lateral Stability of Hybrid Vehicle}

본 발명은 하이브리드 차량에 관한 것으로, 특히 전,후륜 독립 구동이 가능한 TTR(Through the road)방식의 하이브리드 차량이 발전 선회에서도 선회 안정성을 유지하는 방법에 관한 것이다.

일반적으로 하이브리드 차량은 내연기관 엔진과 함께 모터제너레이터를 이용해 주행 동력을 발생한다. 이러한 하이브리드 차량 중 TTR(Through the road)방식은 엔진의 전륜연결과 모터제너레이터의 후륜연결 또는 모터제너레이터의 전륜연결과 엔진의 후륜연결을 적용한 하이브리드 차량이다.

그러므로, TTR방식 하이브리드 차량은 엔진이 발생시킨 동력을 지면을 통하여 모터제너레이터에 전달시킴으로써 배터리를 충전하거나 엔진 로드(Load)를 조절할 수 있는 장점이 있다. 또한, 방식 하이브리드 차량은 차량 시스템 구조가 간단하여 개발 비용이 적게 들 뿐만 아니라 기존의 가솔린 차량에 모터제너레이터와 배터리를 추가함으로써 손쉽게 하이브리드 차량으로 제조된다는 장점이 있다.

국내특허공개 10-2014-0052846(2014.5.7)

하지만, 충전중인 TTR방식 하이브리드 차량은 전,후륜에 특정 부하가 걸려 있는 상황이 유지되어야 충전이 가능하므로, 기존 4WD 차량에 적용된 차량이 가고자하는 궤적과 실제 궤적 차이를 피드백하여 전 후륜에 토크를 능동 분배하는 선회안정화 방법이 적용될 수 없다.

이에 상기와 같은 점을 감안한 본 발명은 선회 주행 중 모터제너레이터를 이용한 충전 시 좌,우 후륜에 걸리는 음의 방향 토크를 분배함으로써 엔진 및 전,후륜 측의 추가적인 토크 생성 조건에서도 선회 안정성을 유지하는 하이브리드 차량의 선회 안정성 유지 방법의 제공에 목적이 있다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 하이브리드 차량의 선회 안정성 유지 방법은 발전선회안정모드로 구현되고, 상기 발전선회안정모드는 (a) 차량의 선회 중 발전 필요 시 컨트롤러에 의해 타이어에 인가되는 종방향 부하 계산과, 상기 종방향 부하로 인해 줄어들게 되는 타이어 횡방향 부하 계산이 이루어지고, 주어진 주행 조건에서 상기 종방향 부하의 줄어든 값에 따라 차량이 내게 되는 발전부하 선회요율이 검출되고, (b) 상기 발전부하 선회요율을 발전부하 전 검출된 발전무부하 선회요율과 비교해 선회요율변화값으로 검출되고, (c) 상기 선회요율변화값으로 상기 발전부하 선회요율이 상기 발전무부하 선회요율과 같아지기 위한 필요모멘트가 계산되며, (d) 상기 필요모멘트로 좌우 후륜에 대한 토크 분배 값이 나누어지고, (e) 상기 컨트롤러가 상기 토크 분배 값에 맞춰 상기 좌우 후륜에 각각 연결된 모터제너레이터로 상기 좌우후륜의 각각에 대해 상기 휠 토크분배를 수행하며, (f) 상기 컨트롤러가 상기 휠 토크분배 후 검출된 선회요율을 상기 발전무부하 선회요율과 동일하도록 제어함으로써 상기 횡방향부하 감소량이 보상되도록 상기 종방향 부하를 변화시켜주는 것을 특징으로 한다.

상기 차량은 상기 좌우 후륜에 모터제너레이터가 연결되고, 좌우 전륜에는 엔진이 연결된 TTR(Through the road)방식으로 구성되며, 상기 모터제너레이터에 의한 상기 좌우 후륜의 토크 분배로 상기 발전선회안정모드를 구현한다.

이러한 본 발명의 TTR방식 하이브리드 차량은 선회 주행 시 좌,우 후륜에 걸리는 음의 방향 토크 분배로 배터리 충전과 선회 안정성유지를 동시에 달성함으로써 안정적인 차량 선회가 구현될 수 있다.

또한, 본 발명의 TTR방식 하이브리드 차량은 주행중 발전 및 간단한 시스템 구조와 같은 기존 장점은 그대로 유지하면서 선회 시 발전중 선회안정성유지와 같은 장점이 더 구현됨으로써 TTR방식 하이브리드 차량의 성능개선 및 품질개선이 이루어지는 효과가 있다.

도 1은 본 발명에 따른 하이브리드 차량의 선회 안정성 유지 방법 순서도이고, 도 2는 본 발명에 따른 선회 안정성 유지 방법이 적용되는 하이브리드 차량의 선회 주행의 예이며, 도 3 및 도 4는 본 발명에 따른 선회 안정성 유지를 위해 적용되는 타이어 압력 추정모델의 예이고, 도 5는 본 발명에 따른 좌,우 후륜의 음 방향 토크(Negative Directional Torque)부여로 선회 안정성이 유지되는 상태이다.

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 선회 안정성 유지 방법 순서도를 나타낸다.

도시된 바와 같이, S10내지 S100을 통해 구현되는 선회 안정성 유지 방법은 횡방향부하를 발생하는 차량의 선회 중 상기 횡방향부하의 감소를 가져오는 발전부하를 컨트롤러가 검출하면, 횡방향부하 감소량이 보상되도록 좌우 후륜에 대한 휠 토크분배로 발전부하가 생성한 종방향 부하를 변화시켜주는 발전선회안정모드에 특징이 있고, 특히 상기 발전선회안정모드에서는 좌,우 휠에 걸리는 음의 방향 토크 분배를 위한 요율(yaw rate)의 계산이 이루어짐으로써 모터제너레이터를 이용한 발전 시 엔진 및 전,후륜 측의 추가적인 토크 생성 조건에서도 선회 안정성이 유지됨에 특징이 있다. 이하에서 설명되는 요율(yaw rate)의 계산, 휠의 토크 분배 등은 모두 하이브리드 차량에 탑재된 HCU(Hybrid Control Unit)으로 구현되나 기타 탑재된 컨트롤러로고 구현될 수 있다. 그러므로, 이하의 컨트롤러는 HCU와 같은 컨트롤러를 의미한다.

구체적으로, 컨트롤러가 S10과 같이 차량의 선회를 인식함으로써 발전선회안정모드를 개시한다. 그러면, 컨트롤러는 S20과 같이 현재 선회중인 차량의 선회요율(yaw rate)을 검출한 후, S30과 같이 모터제너레이터의 발전이 이루어지는 상태를 판단한다. 이때, 발전여부는 엔진 및 전,후륜 측의 추가적인 토크 생성 조건으로 판단된다.

이러한 상태는 도 2를 통해 예시된다. 도시된 바와 같이, 하이브리드 차량(1)은 엔진(3), 배터리(4), 제1,2 모터제너레이터(5-1,5-2)를 포함한다. 특히, 엔진(3)은 좌,우 전륜(7-1,7-2)에 연결되고, 제1,2 모터제너레이터(5-1,5-2)는 좌,우 후륜(9-1,9-2)에 연결되며, 배터리(4)는 제1,2 모터제너레이터(5-1,5-2)로 전류를 공급하거나 발전에 의한 충전이 이루어진다. 그러므로, 상기 하이브리드 차량(1)은 전,후륜 독립 구동이 가능한 TTR(Through the road)방식의 하이브리드 차량이다.

도 2의 목표차량선회방향(A)은 하이브리드 차량(1)이 가고자 하는 선회 방향으로서, 선회로 인해 좌,우 전륜(7-1,7-2)에는 전륜횡방향힘(F_{yi_front})이 작용하고, 좌,우 후륜(9-1,9-2)에는 후륜횡방향힘(F_{yi_rear})이 작용한다. 이때, 선회요율(yaw rate)이 컨트롤러에 의해 검출 또는 계산된다.

반면, 도 2의 목표이탈차량선회방향(B)은 목표차량선회방향(A)으로 선회중인 하이브리드 차량(1)이 발전을 수행하고, 발전으로 인해 좌,우 전륜(7-1,7-2)의 추가 부하 및 좌,우 후륜(9-1,9-2)의 발전부하에 의한 종방향 부하가 발생됨으로써 횡방향 힘이 줄어들 수밖에 없다. 구체적으로, 좌,우 전륜(7-1,7-2)에는 전륜종방향힘(F_{xi_front})이 작용하고, 좌,우 후륜(9-1,9-2)에는 후륜종방향힘(F_{xi_rear})이 작용함으로써 전륜횡방향힘(F_{yi_front}) > 변화된 전륜횡방향힘(F'_{yi_front}), 후륜횡방향힘(F_{yi_rear}) > 변화된 후륜횡방향힘(F'_{yi_rear})으로 줄어든다. 여기서, ">"은 두 힘의 크기관계를 나타내므로 변화된 전륜횡방향힘(F'_{yi_front})은 전륜횡방향힘(F_{yi_front})보다 작은 값이고, 변화된 후륜횡방향힘(F'_{yi_rear})은 후륜횡방향힘(F_{yi_rear})보다 작은 값을 의미한다.

그 결과, 하이브리드 차량(1)은 목표차량선회방향(A)에서 목표이탈차량선회방향(B)으로 변화되고, 변화는 궤적차이를 가져옴으로써 차량은 선회 안정성을 잃을 수도 있는 상황에 빠질 수 있다. 그러나, 선회 안정성 유지 방법에서는 하이브리드 차량(1)에 대한 목표차량선회방향(A)과 목표이탈차량선회방향(B)사이의 궤적 차이를 보정함으로써 선회 안정성이 유지될 수 있다.

도 1의 S30내지 S70은 선회 안정성을 위한 보정절차를 나타낸다. S30에서 발전으로 판단한 컨트롤러는 S40과 같이 선회요율변경값을 계산하고, S50과 같이 필요선회요율을 내기 위한 필요모멘트의 계산이 이루어지며, S60과 같이 부하증대 및 감소 쪽 휠을 선택한 후 S70과 같이 좌,우 휠에 필요 모멘트를 각각 인가하여준다. 그 결과 하이브리드 차량(1)은 목표차량선회방향(A)과 목표이탈차량선회방향(B)사이의 궤적 차이가 보정됨으로써 선회 안정성을 유지할 수 있다.

도 3은 도 1의 S30내지 S70을 통해 구현되는 궤적 차이 보정 및 선회 안정성 유지에 대한 원리가 예시된 모델이며, 이를 통해 수학식 1내지 수학식 6이 산출된다.

수학식1 :

, 여기서 △F_y는 횡방향 부하 △F_x는 종방향 부하이다. 그러므로, 수학식1은 차량의 자전거 모델로서 타이어에 종방향 부하가 걸렸을 때 줄어드는 타이어의 횡방향 힘의 관계를 나타낸 함수이다.

수학식2 :

여기서,

은 각각 타이어 슬립각 수직하중 노면 마찰계수 타이어 유효 반지름 휠속도 타이어 중심의 속도이고, 타이어 파라메터

와 수직하중 F_z가 정해지면 추가적인 종방향 타이어 힘에 의해 생기는 횡바향 힘의 변화를 함수관계로 나타내는 것이 가능하다. 그러므로, 상기 수학식2는 타이어의 종방향 힘과 횡방향 힘의 관계를 나타낸다.

수학식3:

여기서,

은 전륜과 후륜의 코너링 스티프니스, 차량 질량, 차량의 yaw 방향 관성 질량, 종방향 속도를 각각 나타낸다.

은 값은 타이어 모델을 이용하여 추정되고, 그 계산은 수학식4로 표현된다.

수학식4 :

여기서,

는 조향각이고, 정상 상태에서의 차량의 yaw rate가 side slip angle을 알기 위해

으로 놓고 자전거모델을 r에 관해 전개한

의 선형식이다. 그러므로, 상기 수학식 4는

을 구할 수 있다. 또한, TTR 방식 충전이 되지 않을 때 타이어 모델로 부터

의 값을 계산해 낼 수 있고 주어진 조향각에서의 정상상태 yaw rate,

값을 구해 낼 수 있다.

반면, TTR 방식으로 충전을 하게 될 경우 종방향 부하가 전륜과 후륜에 생기면서

의 값이 바뀌게 된다. 또한,

의 값이 영(zero)으로 될 경우 주어진 조향각에서

의 값 또한 바뀌게 된다. 이 경우, 종방향 부하가 있을 때의 정상사태 yaw rate 은 수학식 5로 나타낼 수 있다.

수학식5:

그러므로, 상기 수학식4,5를 이용함으로써 종방향 부하가 없을 때 정상상태에서의

의 값과 부하가 있을 때인

^*의 값이 같아지는

의 값은 다음 수학식6으로 구할 수 있다.

수학식6 :

그 결과, 도 4와 같이 계산된 모멘트를 차량에 적용 시킬 때는 뒷바퀴(좌,우 후륜(9-1,9-2))의 토크를 수학식7을 통해 분배 할 수 있다.

수학식7 :

,

여기서, F_x _-sum은 후륜 두 바퀴가 충전을 위해 내야하는 종방향 힘의 크기이고, F_x _,3, F_x _,4는 차량의 좌, 우의 종방향 힘이므로, F_x _,3, F_x _,4는 수학식7을 만족하는 크기로 결정될 수 있다. 이때, F_x _,3, F_x _,4의 각각은 좌측의 후륜종방향힘(F_{xi_rear_inside})와 우측의 후륜종방향힘(F_{xi_rear_outside})를 의미한다.

그러므로, 이렇게 제어를 함으로써 차량이 충전 전에 내고 있던 yaw rate 같은 yaw rate를 내면서 선회를 하는 것이 가능하고, 차량의 주행 안정성을 확보하면서 운전자에게 선회중 이질감을 느끼지 않게 하는 것이 가능하다.

다시 도 1을 참조하면, 컨트롤러는 S80과 같이 검출된 선회요율을 선회요율 과 비교하고, S90과 같이 필요 시 S70에서 산출된 필요 모멘트 인가를 지속한 다음, S100과 같이 선회를 종료한다. 이를 위해, 컨트롤러는 선회 yaw rate = 검출된 yaw rate을 적용한다. 여기서, "="은 두 값이 같음을 나타낸다. 선회 yaw rate은 전륜횡방향힘(F_{yi_front}) 및 후륜횡방향힘(F_{yi_rear})에서 계산된 요율(Y_{rate_now})이며, 검출된 yaw rate은 수학식7에서 산출된 좌,우후륜종방향힘(F_{xi_rear_inside},F_{xi_rear_outside})에서 계산된 요율(Y_{rate_change})이다. 그러므로, 선회 yaw rate = 검출된 yaw rate을 만족함은 하이브리드 차량(1)이 목표차량선회방향(A)을 유지함을 의미한다.

이러한 상태는 도 5를 통해 예시된다. 도시된 바와 같이, 목표추종차량선회방향(A-1)은 하이브리드 차량(1)이 가고자 하는 목표차량선회방향(A)을 추종하는 선회 방향이다. 이러한 결과는 좌측 후륜의 후륜종방향힘(F_{xi_rear_inside})과 우측 후륜의 후륜종방향힘(F_{xi_rear_outside})이 서로 차이가 남으로써 하이브리드 차량(1)은 모터측의 한쪽 바퀴에만 더 큰 부하를 생성하는 상태(C)로 전환되고, 이러한 힘의 차이로 하이브리드 차량(1)에 + 요 모멘트(positive yaw moment)가 생성됨으로써 발전부하에 의한 횡방향 부하 감소량(F'_{yi_front},F'_{yi_rear})을 보정해 구현된다.

전술된 바와 같이, 본 실시예에 따른 하이브리드 차량의 선회 안정성 유지 방법은 횡방향부하를 발생하는 차량의 선회 중 상기 횡방향부하의 감소를 가져오는 발전부하를 컨트롤러가 검출하면, 횡방향부하 감소량이 보상되도록 좌우 후륜에 대한 휠 토크분배로 발전부하가 생성한 종방향 부하를 변화시켜주는 발전선회안정모드; 가 수행됨으로써 선회 주행 중 엔진 및 전,후륜 측의 추가적인 토크 생성 조건에서도 선회 안정성이 유지된다.

1 : 하이브리드 차량 3 : 엔진
4 : 배터리 5-1,5-2 : 제1,2 모터제너레이터
7-1,7-2 : 좌,우 전륜 9-1,9-2 : 좌,우 후륜

Claims

횡방향부하를 발생하는 차량의 선회 중 상기 횡방향부하의 감소를 가져오는 발전부하를 컨트롤러가 검출하면, 횡방향부하 감소량이 보상되도록 좌우 후륜에 대한 휠 토크분배로 발전부하가 생성한 종방향 부하를 변화시켜주는 발전선회안정모드;
가 수행되는 것을 특징으로 하는 하이브리드 차량의 선회 안정성 유지 방법.
청구항 1에 있어서, 상기 차량은 상기 좌우 후륜에 모터제너레이터가 연결되고, 좌우 전륜에는 엔진이 연결된 TTR(Through the road)방식으로 구성되며, 상기 모터제너레이터에 의한 상기 좌우 후륜의 토크 분배로 상기 발전선회안정모드를 구현하는 것을 특징으로 하는 하이브리드 차량의 선회 안정성 유지 방법.
청구항 1에 있어서, 상기 발전부하 검출은 엔진의 추가적인 토크로 이루어지는 것을 특징으로 하는 하이브리드 차량의 선회 안정성 유지 방법.
청구항 1에 있어서, 상기 발전선회안정모드는, (a) 상기 컨트롤러에 의해 발전부하로 인한 발전부하 선회요율이 검출되고, (b) 상기 발전부하 선회요율을 발전부하 전 검출된 발전무부하 선회요율과 비교해 선회요율변화값으로 검출되고, (c) 상기 선회요율변화값으로 상기 발전부하 선회요율이 상기 발전무부하 선회요율과 같아지기 위한 필요모멘트가 계산되며, (d) 상기 필요모멘트로 좌우후륜에 대한 토크 분배 값이 나누어지고, (e) 상기 컨트롤러가 상기 토크 분배 값에 맞춰 상기 좌우후륜에 각각 연결된 모터제너레이터로 상기 좌우후륜의 각각에 대해 상기 휠 토크분배를 수행하는 것을 특징으로 하는 하이브리드 차량의 선회 안정성 유지 방법.
청구항 4에 있어서, 상기 발전선회안정모드는, (f) 상기 컨트롤러가 상기 휠 토크분배 후 검출된 선회요율을 상기 발전무부하 선회요율과 동일하도록 제어해주는 것을 특징으로 하는 하이브리드 차량의 선회 안정성 유지 방법.
청구항 4에 있어서, 상기 필요모멘트는
관계식을 적용해 산출되며, △F_x는 종방향 부하이고, △F_y는 상기 종방향 부하 시 줄어드는 타이어의 횡방향 부하인 것을 특징으로 하는 하이브리드 차량의 선회 안정성 유지 방법.