KR101786320B1

KR101786320B1 - 배터리 충전 상태에 따라 가변 제어되는 비균등 배기량 엔진 제어 시스템 및 그 제어 방법

Info

Publication number: KR101786320B1
Application number: KR1020160043475A
Authority: KR
Inventors: 어정수; 김연복; 정연광; 김성재; 장영준
Original assignee: 현대자동차주식회사
Priority date: 2016-04-08
Filing date: 2016-04-08
Publication date: 2017-10-17

Abstract

본 발명에서는 실린더 별 배기량을 다르게 배치한 비균등 배기량 엔진를 포함하는 시스템에서, 모터를 활용한 제어를 실시함으로써, 운전상황에 따라 다른 배기량의 특성이 구현될 수 있을 뿐만 아니라, 모터에 의한 동력 보조 및 에너지 회생특성을 이용하여 비균등 배기량 엔진의 진동 및 소음 특성을 개선한 신개념의 비균등 배기량 엔진 제어 시스템 및 그 제어방법에 관한 것이다. 또한, 본 발명에 따르면, 배터리 충전 상태(SOC)에 따라 충전 지향 모드 또는 방전 지향 모드를 선택적으로 적용함으로써, 현재 배터리 상태에 따라 충전량 또는 방전량을 가변적으로 조절하도록 구성된 비균등 배기량 엔진 제어 시스템 및 그 제어 방법을 제공한다.

Description

배터리 충전 상태에 따라 가변 제어되는 비균등 배기량 엔진 제어 시스템 및 그 제어 방법{Non-uniform displacement engine control system with different control mode considering battery state of charge and method for the same}

본 발명은 배터리 충전 상태에 따라 가변 제어되는 비균등 배기량 엔진 제어 시스템 및 그 제어 방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 동일하지 않은 배기량의 실린더를 포함하는 엔진과 엔진 구동력을 보조하는 모터를 갖는 차량에서 배터리의 충전 상태(State Of Charge: SOC)를 고려하여 엔진 및 모터를 제어하는 시스템 및 그 방법에 대한 것이다.

종래의 내연기관 엔진은 흡/배기계의 분배특성을 맞추기 위한 실린더 별 균등 배기량 배분구조로 되어 있다. 이러한 균등 배기량 구조의 엔진은 공연비 제어 및 배기가스 제어가 비교적 수월한 장점이 있지만, 고정 배기량으로 인한 운전점 제어의 마진이 부족한 단점이 있다. 이로 인해, 특정 운전영역에서 운전성 및 연비 두 가지를 모두 만족시키기는 어려우며, 운전성과 연비의 트레이드 오프로서 문제점을 해결하고 있다.

또한, 고정 배기량 실린더를 갖는 엔진에서는, 아이들 안정성 확보를 위하여 비효율적인 기계적 에너지의 소모가 과다한 단점이 있다. 특히 진동 및 소음에 의한 제약들로 인해, 비효율적 운전점 제어가 불가피한 경우가 자주 발생된다.

이러한 문제점들은 종래 내연기관의 전 운전영역에 자주 발생되는 문제들로서 운전성, 연비 및 배기의 상호 트레이드 오프로서 문제점들을 극복하고 있다.

한편, 일본공개특허 제2007-162672호에서는 서로 다른 배기량의 실린더를 배치하여, 이들의 작동 조합에 따라 다단계의 배기량으로 조정하는 다단식 배기량 조절형 엔진의 실린더 배치 구조를 제안하고 있다.

그러나, 일본공개특허 제2007-162672호의 다단식 배기량 조절형 엔진의 실린더 배치 구조의 경우, 배기량을 다단계로 조절할 수 있어, 운전 영역 별로 엔진 작동을 제어함으로써 운전성과 연비 개선의 효과를 동시에 달성할 수 있는 효과는 있으나, 실린더 배기량의 불균형으로 인해 고질적인 진동 및 소음이 발생하는 고질적인 문제가 있어, 실제 양산 차량에 적용되기는 어려운 점이 있었다.

일본공개특허 제2007-162672호 (2007. 6. 28)

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로, 본 발명에서는 서로 다른 배기량의 실린더를 갖는 비균등 배기량 엔진에서 발생되는 진동 및 소음을 저감하는 한편, 엔진과 모터의 협조 제어에 의하여 주행 상황에 따른 다양한 동력 성능을 확보할 수 있는 비균등 배기량 엔진 제어 시스템 및 그 제어 방법을 제공하는 것으로, 특히 배터리 충전 상태(SOC)에 따라 충전 지향 모드 또는 방전 지향 모드를 선택적으로 이용할 수 있도록 구성하는 것에 목적이 있다.

상기한 목적을 달성하기 위해, 본 발명의 바람직한 일 실시예에서는 복수의 실린더로 구성되고, 상기 실린더는 적어도 2종류의 다른 배기량의 실린더로 구성되는 비균등 배기량 엔진; 엔진의 구동축에 연결되는 모터; 상기 모터에 전기에너지를 공급하는 배터리; 상기 모터를 제어하는 모터제어부;를 포함하며, 상기 모터제어부는 서로 다른 배기량의 실린더로 인한 토크 차이를 보상하여, 각 실린더의 폭발 구간에서 엔진 토크와 모터 토크의 합이 일정하도록 모터를 제어하고, 상기 모터제어부는 배터리 SOC에 따른 충전 지향 모드 또는 방전 지향 모드를 가지는 것을 특징으로 하는 배터리 충전 상태에 따라 가변 제어되는 비균등 배기량 엔진 제어 시스템을 제공한다.

또한, 상기 모터제어부는 상기 충전 지향 모드에서는 배터리 SOC에 따라 모터 구동에 의한 방전량의 크기를 감소시키고, 상기 방전 지향 모드에서는 에너지 회생에 의한 충전량의 크기를 감소시키도록 제어하는 것을 특징으로 하는 배터리 충전 상태에 따라 가변 제어되는 비균등 배기량 엔진 제어 시스템을 제공한다.

또한, 상기 충전 지향 모드 또는 상기 방전 지향 모드는 배터리 SOC가 미리 설정된 기준치에 도달할 때까지만 일시적으로 적용되는 것을 특징으로 하는 배터리 충전 상태에 따라 가변 제어되는 비균등 배기량 엔진 제어 시스템을 제공한다.

또한, 상기 모터 제어부에 의해, 상기 충전 지향 모드에서는 모터 구동 토크에 대한 보정 계수(α<1)를 적용하고, 상기 방전 지향 모드에서는 회생 토크에 대한 보정 계수(β<1)를 적용하는 것을 특징으로 하는 배터리 충전 상태에 따라 가변 제어되는 비균등 배기량 엔진 제어 시스템을 제공한다.

또한, 상기 보정 계수는 일정한 값이거나, 배터리 SOC에 따라 가변되도록 미리 설정된 값인 것을 특징으로 하는 배터리 충전 상태에 따라 가변 제어되는 비균등 배기량 엔진 제어 시스템을 제공한다.

또한, 상기 모터제어부에서는 배터리 SOC가 미리 설정된 상한치 이상인 경우, 방전 지향 모드에 따라 모터를 제어하고, 배터리 SOC가 미리 설정된 하한치 이하인 경우, 충전 지향 모드에 따라 모터를 제어하는 것을 특징으로 하는 배터리 충전 상태에 따라 가변 제어되는 비균등 배기량 엔진 제어 시스템을 제공한다.

또한, 상기 방전 지향 모드에서는 배터리 SOC가 미리 설정된 기준치까지 떨어진 경우 상기 방전 지향 모드를 종료하고, 상기 충전 지향 모드에서는 배터리 SOC가 미리 설정된 기준치를 회복한 경우 상기 충전 지향 모드를 종료하도록 상기 모터제어부에 의해 제어되고, 상기 방전 지향 모드 또는 상기 충전 지향 모드가 종료된 경우 엔진 토크와 모터 토크의 합이 일정하도록 모터를 제어하는 것을 특징으로 하는 배터리 충전 상태에 따라 가변 제어되는 비균등 배기량 엔진 제어 시스템을 제공한다.

또한, 상기 비균등 배기량 엔진은 동일한 배기량의 실린더 2개가 한 조를 이루는 2조의 실린더들로 구성되는 것을 특징으로 하는 배터리 충전 상태에 따라 가변 제어되는 비균등 배기량 엔진 제어 시스템을 제공한다.

또한, 상기 비균등 배기량 엔진은 1, 4번 실린더는 2, 3번 실린더에 비하여 고 배기량 실린더로 구성되며, 각 조의 실린더는 교대로 폭발하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 배터리 충전 상태에 따라 가변 제어되는 비균등 배기량 엔진 제어 시스템을 제공한다.

또한, 상기 비균등 배기량 엔진은 2종류의 다른 배기량을 갖는 실린더로 구성되고, 상기 모터 제어부는 고 배기량 실린더의 폭발 구간에서는 에너지 회생이 이루어지도록 모터를 제어하고, 저 배기량 실린더의 폭발 구간에서는 모터 토크에 의하여 동력 보조가 이루어지도록 모터를 제어함으로써, 각 실린더의 폭발 구간에서 엔진 토크와 모터 토크의 합이 일정하게 유지되도록 제어하는 모드를 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 충전 상태에 따라 가변 제어되는 비균등 배기량 엔진 제어 시스템을 제공한다.

한편, 본 발명에 따르면, 복수의 실린더로 구성되고, 상기 실린더는 적어도 2종류의 다른 배기량의 실린더로 구성되는 비균등 배기량 엔진; 및 엔진의 구동축에 연결되는 모터;를 포함하는 시스템의 제어 방법으로, (a) 비균등 배기량 엔진을 구동시키는 단계와; (b) 엔진 토크에 따라 모터 토크를 결정하는 단계; 및 (c) 결정된 모터 토크에 따라 모터를 제어하는 단계;를 포함하며, 상기 (b)단계에서는 서로 다른 배기량의 실린더로 인한 토크 차이를 보상하여, 각 실린더의 폭발 구간에서 엔진 토크와 모터 토크의 합이 일정하도록 모터를 제어하되, 배터리 SOC에 따른 충전 지향 모드 또는 방전 지향 모드를 가지는 것을 특징으로 하는 비균등 배기량 엔진 제어 시스템의 제어 방법을 제공한다.

또한, 상기 충전 지향 모드에서는 배터리 SOC에 따라 모터 구동에 의한 방전량의 크기를 감소시키고, 상기 방전 지향 모드에서는 에너지 회생에 의한 충전량의 크기를 감소시키도록 제어하는 것을 특징으로 하는 비균등 배기량 엔진 제어 시스템의 제어 방법을 제공한다.

또한, 상기 충전 지향 모드 또는 상기 방전 지향 모드는 배터리 SOC가 미리 설정된 기준치에 도달할 때까지만 일시적으로 적용되는 것을 특징으로 하는 비균등 배기량 엔진 제어 시스템의 제어 방법을 제공한다.

또한, 상기 충전 지향 모드에서는 모터 구동 토크에 대한 보정 계수(α<1)를 적용하고, 상기 방전 지향 모드에서는 회생 토크에 대한 보정 계수(β<1)를 적용하는 것을 특징으로 하는 비균등 배기량 엔진 제어 시스템의 제어 방법을 제공한다.

또한, 상기 보정 계수는 일정한 값이거나, 배터리 SOC에 따라 가변되도록 미리 설정된 값인 것을 특징으로 하는 비균등 배기량 엔진 제어 시스템의 제어 방법을 제공한다.

또한, 상기 (b)단계에서는 배터리 SOC가 미리 설정된 상한치 이상인 경우, 방전 지향 모드에 따라 모터를 제어하고, 배터리 SOC가 미리 설정된 하한치 이하인 경우, 충전 지향 모드에 따라 모터를 제어하는 것을 특징으로 하는 비균등 배기량 엔진 제어 시스템의 제어 방법을 제공한다.

또한, 상기 방전 지향 모드에서는 배터리 SOC가 미리 설정된 기준치까지 떨어진 경우 상기 방전 지향 모드를 종료하고, 상기 충전 지향 모드에서는 배터리 SOC가 미리 설정된 기준치를 회복한 경우 상기 충전 지향 모드를 종료하도록 제어되고, 상기 방전 지향 모드 또는 상기 충전 지향 모드가 종료된 경우 엔진 토크와 모터 토크의 합이 일정하도록 모터를 제어하는 것을 특징으로 하는 비균등 배기량 엔진 제어 시스템의 제어 방법을 제공한다.

또한, 상기 비균등 배기량 엔진은 2종류의 다른 배기량을 갖는 실린더로 구성되고, 상기 (b)단계에서는 고 배기량 실린더의 폭발 구간에서는 에너지 회생이 이루어지도록 모터를 제어하고, 저 배기량 실린더의 폭발 구간에서는 모터 토크에 의하여 동력 보조가 이루어지도록 모터를 제어함으로써, 각 실린더의 폭발 구간에서 엔진 토크와 모터 토크의 합이 일정하게 유지되도록 제어하는 모드를 포함하는 것을 특징으로 하는 비균등 배기량 엔진 제어 시스템의 제어 방법을 제공한다.

본 발명의 바람직한 구현예에 따르면, 하이브리드 자동차와 같이 엔진과 모터를 동력원으로 이용하는 차량에서의 가변 배기량 엔진 및 그 제어 시스템으로 활용할 수 있다.

또한, 본 발명의 바람직한 구현예에 따르면, 주행 상황에 따른 모드를 선택적으로 구현할 수 있는 바, 동력 성능을 우선적으로 발휘하거나, 연비 우선의 제어를 수행하는 것과 같이 운전영역 별로 제어의 다변화가 가능한 효과가 있다.

또한, 본 발명의 바람직한 구현예에 따르면, 하이브리드 차량의 제어 자유도를 증대시킬 수 있는 바, 하이브리드 차량의 구동 제어에 새로운 패러다임을 제시할 수 있다.

특히, 본 발명에 따르면, 설정된 가변범위 내에서 모터를 이용하여 정교한 배기량 가변제어가 가능하도록 구동 시스템을 구성할 수 있다.

또한, 비균등 배기량 엔진으로 인한 진동과 소음 문제를 해소하여 주행 성능을 개선할 수 있는 효과가 있다.

또한, 본 발명의 바람직한 구현예에 따르면, 배터리 충전상태에 따라 충전 지향 또는 방전 지향의 제어 모드를 선택적으로 적용할 수 있으므로, 현재 배터리 상태에 따라 충전량 또는 방전량의 가감 비율을 가변 제어하여 배터리 충전 상태를 일정한 수준으로 유지시킬 수 있다. 따라서, 배터리 성능 및 내구성을 향상시킬 수 있다.

도 1은 본 발명에 따른 비균등 배기량 엔진 제어 시스템의 개략적인 구성을 도시한 것이고,
도 2는 비균등 배기량 엔진의 동적 특성을 도시하고 있는 그래프이고,
도 3은 비균등 배기량 엔진에서 출력되는 토크를 보조하는 모터 토크 제어를 도시한 것이고,
도 4a 내지 도 4d는 본 발명에 따른 모터에 의하여 동력 보조되는 비균등 배기량 엔진 제어 시스템의 제어 방법을 각각 도시한 것이고,
도 5a 및 도 5b는 비균등 배기량 엔진 제어 시스템의 노말 제어와 보상 제어 방식을 각각 주파수 도메인에서 해석한 그래프이고,
도 6a은 본 발명의 바람직한 구현예에 따른 비균등 배기량 엔진 제어 시스템의 방전 지향 모드를 도시한 것이고,
도 6b는 본 발명의 바람직한 구현예에 따른 비균등 배기량 엔진 제어 시스템의 충전 지향 모드를 도시한 것이고,
도 7은 본 발명에 따른 비균등 배기량 엔진 제어 시스템의 제어 방법을 도시하고 있는 순서도이다.

본 발명에서는 실린더 별 배기량을 다르게 배치한 비균등 배기량 엔진를 포함하는 시스템에서, 모터를 활용한 제어를 실시함으로써, 운전상황에 따라 다른 배기량의 특성이 구현될 수 있는 신개념의 비균등 배기량 엔진 제어 시스템 및 그 제어방법을 제시한다. 특히, 본 발명에서는 종래 비효율적인 기계적 에너지 사용에 의존하던 시스템을 보다 효율적인 전기적 에너지를 활용하는 방식으로 구성하여, 전반적인 시스템 효율을 향상시키는 것에 또 다른 특징이 있다.

또한, 본 발명에 따르면, 배터리 충전 상태(SOC)에 따라 충전 지향 모드 또는 방전 지향 모드를 선택적으로 적용함으로써, 현재 배터리 상태에 따라 충전량 또는 방전량을 가변적으로 조절함에 따라 배터리 충전 상태를 일정한 수준으로 유지시키는 것에 또 다른 특징이 있다.

본 발명에서는 배기량이 높은 기통과 낮은 기통을 혼합 배치하여 운전상황에 따라 고배기량 특성 모드 및 저 배기량 특성 모드를 가변할 수 있도록 구성하며, 고 배기량의 포텐셜 에너지(Potential Energy) 및 키네틱 에너지(Kinetic Energy) 증분을 활용하여 연비 및 동력성능을 향상시킬 수 있다. 또한 진동/소음 발생 영역에서 모터를 활용한 제어 가능 영역이 증대되어 보다 유리한 운전점으로 회피 가능성을 높일 수 있다.

본 발명의 바람직한 구현예에서는 2종류의 서로 다른 배기량을 갖는 실린더 2조가 각각 2개씩 구성되는 4기통 엔진을 기준으로 설명되고 있으나, 본 발명에 따른 구현예는 이러한 실시예에 따른 기통 수 및 배기량 종류에 한정되지 아니하며, 본 발명의 기술 요지를 변경하지 않는 범위에서 확장 및 변경될 수 있는 것에 주목하여야 한다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여, 본 발명의 바람직한 구현예에 따른 모터에 의하여 동력 보조되는 비균등 배기량 엔진 제어 시스템 및 그 제어 방법을 상세하게 설명하기로 한다.

도 1은 본 발명에 따른 모터에 의하여 동력 보조되는 비균등 배기량 엔진 제어 시스템의 개략적인 구성을 도시한 것이다.

본 발명의 바람직한 구현예에 따른 시스템의 주요 구성을 살피면, 도 1에 도시된 바와 같이 차량을 구동시키기 위한 구동 토크를 제공하는 구동원으로, 엔진 및 모터를 포함하는 것을 특징으로 한다.

이러한 엔진 및 모터의 구동축들은 클러치와 같은 동력절환부에 의하여 상호 연결된다. 다만, 동력절환부에 의하여 연결되는 것은 하나의 예일 뿐이며, 동력절환부 없이 엔진과 모터의 직결 구조로 구성될 수 있다. 또한, 모터에 전기에너지를 공급하는 배터리가 포함되며, 모터의 구동을 제어하기 위한 모터제어부가 설치된다. 본 발명에서는 전기 에너지 공급 수단으로 배터리를 예시하고 있으나, 모터를 구동시키기 위한 전기 에너지를 공급할 수 있으며, 에너지 저장 상태를 나타낼 수 있는 구성이라면, 이에 한정되지 않는다.

또한, 도시되지는 않았으나, 엔진을 제어하기 위한 엔진제어부도 포함되며, 이러한 엔진제어부와 모터제어부는 상위제어기에 의하여 통합 제어될 수 있으며, 또한 단일의 제어기로도 구성될 수도 있다.

또한, 엔진 및 모터에 의한 구동 토크는 변속기를 통해 구동륜으로 전달된다.

한편, 도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 제어 시스템의 경우, 적어도 2종류의 다른 배기량의 실린더들이 복수 개 포함된 비균등 배기량 엔진을 포함하도록 구성된다.

이러한 비균등 배기량 엔진 구조는 기통별 배기량을 차별화하여 고배기량과 저배기량의 장단점을 제어적인 전략으로 선택하여 연비 및 동력성능 개선하는 것에 기여한다. 또한, 본 발명에 따르면, 모터에 의하여 동력 보조를 받는 시스템으로 구성되므로, 모터를 활용하여 기통별 특성을 보정하는 한편, 에너지 회생을 통하여 운전성 향상 및 에너지 효율 최적화가 가능하게 된다. 특히, 아이들 안정도를 확보하기 위한 기계적 에너지 소모가 과다해지는 종래 기술과는 달리, 모터의 전기적 에너지를 활용하여 아이들 안정도를 확보할 수 있다. 또한, 모터를 활용하여 진동 및 소음 특성을 개선할 수 있다.

예를 들어, 도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명의 바람직한 구현예에 따른 비균등 배기량 엔진의 경우, 2종류의 배기량을 갖는 실린더가 각각 2개 포함된 4기통 구조로 구성될 수 있다.

이때, 비균등 배기량의 설정 범위는 시스템의 특성에 따라 선정 가능하며, 점화(폭발) 순서에 대칭되게 배치하여 배기량의 차이로 유발되는 진동성분이 상호 상쇄될 수 있도록 구성한다.

즉, 1-3-4-2 또는, 1-2-4-3의 폭발 순서를 가질 때, 서로 대응되는 위치의 실린더, 즉, 1-4번 실린더와 2-3번 실린더는 서로 동일한 배기량을 가지되, 다른 그룹의 실린더와는 서로 다른 배기량을 갖도록 구성할 수 있다.

예를 들어, 1-4번 실린더는 고 배기량으로 구성하고, 2-3번 실린더를 1-4번 실린더에 비하여 저 배기량으로 구성할 수 있으며, 이 경우는 도 1에 도시된 구조와 같다.

이와 같은 실린더 배치 구조에 따르면, 대응되는 위치의 실린더 배치에 따라 진동 성분을 상쇄시킬 수 있어, 진동 및 소음 특성을 개선할 수 있다.

본 발명의 바람직한 예로써, 실시예 1은 1.5ℓ 4기통 내연기관으로 엔진을 구성하는 경우로, 1-4번 실린더는 고배기량인 기통 당 0.4ℓ로 구성하고, 2-3번 실린더는 저배기량인 기통 당 0.35ℓ로 구성한 것이다.

이러한 실시예 1에 따르면, 4기통 엔진의 점화 순번은 1-3-4-2로 구성되고, 각기 다른 배기량 기통의 배치는 위 점화 순번의 대항기통에 위치시킴으로써, 비균등 배기량으로 인해 유발될 수 있는 진동 성분이 상호 상쇄될 수 있도록 구성한다.

한편, 도 2는 실시예 1에 따른 비균등 배기량 엔진의 동적 특성을 도시하고 있는 그래프이다.

도 2에 도시된 것처럼, 고 배기량인 1, 4번 실린더는 폭발에 따라 생성되는 토크 및 크랭크축의 각속도가 2, 3번 실린더에 비하여 크게 나타난다. 즉, 각 실린더에 대한 폭발 구간을 기준으로, 각 폭발 구간별로 크랭크축 각속도 및 엔진 토크 곡선을 살피면, 저배기량 실리더에 대한 폭발 구간에 비하여 고배기량 실린더의 폭발 구간에서 상대적으로 큰 크랭크축 속도 및 엔진 토크가 검출된다.

여기서, 각 실린더에 대한 폭발 구간이란, 각 실린더의 폭발 시점 전후의 크랭크 각 또는 TDC로부터 설정된 피스톤 상단까지의 거리 등과 같이 동일한 기준에 따라 구분 설정된 구간을 의미한다.

따라서, 각 실린더의 배기량의 차이는 불균일한 엔진 구동을 야기하므로, 진동 및 소음의 원인이 된다.

한편, 본 발명의 바람직한 구현예에 따르면, 이러한 비균등 엔진 구동 특성을 보완하기 위한 모터 제어를 포함하는 것을 특징으로 한다.

도 3에서는 이러한 모터 제어의 예를 도시한 것으로, 비균등 배기량 엔진에서 출력되는 토크를 보조하는 모터 토크 제어의 예를 각각 도시하고 있다. 또한, 도 4A 내지 도 4D는 도 3의 모터 제어 ① 내지 ④의 예에 따른 모터 제어 방법을 각각 도시하고 있다.

도 3에서는 모터 제어 ① 내지 ④를 도시하고 있는데, 모터 제어 ①은 모터를 구동하지 않거나, 일정한 구동 토크를 생성하도록 모터를 제어하는 것을 해당되고, 모터 제어 ② 내지 ④는 비균등 배기량 엔진의 폭발 구간에 따라 서로 다른 모터 제어를 수행하는 방식의 모터 제어에 해당된다.

특히, 모터 제어 ①의 경우, 도 4A에서와 같이 모터를 구동하지 않거나, 일정한 구동 토크를 생성하도록 모터를 제어하게 되며, 고 배기량 실린더와 저 배기량 실린더의 맥동 성분을 활용하므로, 비균등 배기량 엔진의 고유한 주행 특성을 그대로 가지게 된다 (크랭크 축 각속도 그래프 변화 없음).

따라서, 고 배기량 기통의 키네틱 에너지 증가분을 활용하여 고효율점에서의 운전 및 연비를 향상시키고 포텐셜 에너지 증가분을 활용하여 과도상태 응답성 및 동력성능을 개선시킬 수 있다.

한편, 모터 제어 ② 내지 ④는 비균등 배기량 엔진의 폭발 구간 별로 다른 방식의 모터 제어를 수행하는 것으로, 모터 제어 ②는 진동성분 최소화를 위해 동력 보조 및 에너지 회생을 적절히 안분하는 제어 방식이고, 모터 제어 ③은 최대 파워로 주행 시에 이용될 수 있는 제어 모드이며, 제어 모드 ④는 최소 파워로 주행 필요 시 활용 가능한 모드이다.

즉, 이러한 모터 제어 ② 내지 ④는 모터제어부에 의하여 선택적으로 모터를 제어하는 방식으로 이용될 수 있으며, 바람직하게는, 서로 다른 배기량의 실린더로 인한 토크 차이를 보상하도록 모터 제어가 이루어진다. 따라서, 각 실린더의 폭발 구간에서 모터의 구동 또는 에너지 회생을 이용하여, 엔진 토크와 모터 토크의 합이 일정하도록 모터를 제어하도록 구성할 수 있다. 이러한 모터 제어 ② 내지 ④는 도 4B 내지 도 4D에 각각 도시되어 있으며, 토크 그래프에서 실선은 엔진 토크를 나타내고, 점선은 모터 토크를 나타낸다. 또한, 크랭크축 각속도에 관한 그래프에서는 도 4a와 비교할 때, 모터에 의한 동력 보조 또는 에너지 회생을 통해 일정한 크랭크축 각속도를 얻을 수 있음을 확인할 수 있다.

구체적으로, 모터 제어 ②는 목표 배기량을 설정하고, 목표 배기량에 따른 엔진 및 모터의 구동 토크를 결정함으로써, 각 폭발 구간 별로 일정한 출력 특성을 갖도록 제어한다. 도 4B에 도시된 것과 같이, 고 배기량 실린더의 폭발 구간에서는 모터의 에너지 회생을 통해 부토크가 생성되도록 제어하고, 저 배기량 실린더의 폭발 구간에서는 모터에 의하여 정토크를 생성하여 동력 보조가 이루어지도록 제어한다. 이 때, 각 폭발 구간에서는 일정한 출력 특성을 갖도록 제어하고, 따라서 비균등 배기량 엔진의 진동 성분을 최소화시킬 수 있다.

모터 제어 ③은 비균등 배기량 엔진에서 최대 파워 모드로 주행 필요시 활용하게 되는데, 저 배기량 실린더를 모터로 동력보조하여 주어진 비균등 배기량의 최대 파워가 구현될 수 있도록 제어한다. 이러한 모터 제어 ③에서는 저 배기량 실린더의 폭발 구간에서 모터에 의한 동력 보조를 통해 고 배기량 실린더의 폭발 구간에서와 동일한 출력 성능을 갖도록 제어될 수 있다. 따라서, 도 4C에 도시된 것과 같이, 고 배기량 실린더의 폭발 구간에서는 모터에 의한 동력 보조를 받지 않고, 저 배기량 실린더의 폭발 구간에서만 모터에 의한 동력 보조를 통해 고 배기량 실린더의 폭발 구간에서와 같이 최대 파워로 주행하도록 모터를 제어하게 된다.

한편, 모터 제어 ④의 경우, 비균등 배기량 엔진에서 최소 파워 모드로 주행 필요시 활용가능하며, 고 배기량 기통을 모터로 회생하여 주어진 비균등 배기량의 최소 파워가 구현일 될 수 있도록 제어한다. 이러한 모터 제어 ④는 모터 제어 ③과는 반대로, 도 4D에 도시된 것과 같이, 저 배기량 실린더의 폭발 구간에서는 모터에 의한 동력 보조를 받지 않도록 제어하고, 고 배기량 실린더의 폭발 구간에서는 에너지 회생을 통해 부토크를 생성하도록 제어하게 된다. 특히, 모터 제어 ④의 경우 저 배기량 실린더의 최소 파워를 기준으로 모터 동작을 제어하게 되므로, 저 배기량 실린더를 기준으로 일정한 최소 파워로 동작하게 된다.

이러한 제어 모드 ① 내지 ④는 모터제어부에 의하여 선택적으로 적용될 수 있으며, 바람직하게는 상기 모터 제어부에는 서로 다른 3가지 제어 모드 ② 내지 ④를 저장하고, 저장된 3가지 모드를 포함하는 제어 모드 그룹에서 하나를 선택하여 모터를 제어하도록 구성할 수 있다.

따라서, 이와 같은 본 발명의 바람직한 구현예에 따르면, 비균등 배기량 엔진의 고배기량 및 저배기량을 기준으로, 모터의 활용도에 따라 실질적인 차량의 구동 특성을 가변적으로 구성할 수 있으며, 특히, 전술한 바와 같은 모터에 대한 제어 모드를 이용함으로써 설정된 배기량 범위 내에서 정교한 배기량 가변 제어가 가능하게 된다.

도 5A 및 도 5B는 비균등 배기량 엔진 제어 시스템의 노말 제어와 보상 제어 방식을 각각 주파수 도메인에서 해석한 그래프로써, 진동 특성이 개선되는 것을 도시하고 있다. 즉, 도 5A의 예에서는 C1 성분이 크게 나타나고 있으나, 도 5B의 예에서는 위와 같은 제어 모드 ② 내지 ④를 통해 주파수 도메인의 C1 성분을 크게 감쇠시킬 수 있으며, 이를 통해 진동 및 소음을 크게 저감시킬 수 있음을 확인할 수 있다.

한편, 본 발명의 바람직한 구현예에 따르면, 상기 모터제어부는 배터리 SOC에 따른 충전 지향 모드 또는 방전 지향 모드를 가지도록 구성된다.

이러한 충전 지향 모드 또는 방전 지향 모드는 배터리 SOC에 따라 충전량 또는 방전량을 가변 제어하는 모드를 의미한다. 즉, 배터리 SOC가 높은 영역에서는 전기동력의 사용을 증가시키거나 또는 에너지 회생에 의한 배터리 충전량을 감소시킴에 따라 방전 지향적인 제어가 이루어지게 된다. 또한, 배터리 SOC가 낮은 영역에서는 에너지 회생에 의한 배터리 충전량을 증가시키거나 또는 전기동력의 사용을 감소시킴에 따라 충전 지향적인 제어가 이루어지게 된다.

도 6a 및 도 6b에서는 이러한 방전 지향 모드와 충전 지향 모드의 일례를 구체적으로 도시하고 있다.

도 6a 및 도 6b에서는 상술한 제어 모드 ②를 기반으로 제어가 이루어지는 것을 예시하고 있다. 따라서, 도 6a의 경우 제어 모드 ②에 따른 모터 제어가 이루어지는 과정에서 방전 지향 모드가 구현되는 것을 예시한 것이고, 도 6b는 제어 모드 ②에서 충전 지향 모드가 구현되는 것을 예시하고 있다.

도 6a의 예를 참조하면, 방전 지향 모드에서는 에너지 회생에 따른 배터리 충전이 이루어지는 구간, 즉, 고 배기량 실린더의 폭발 구간에서 에너지 회생량을 감소시키게 된다. 따라서, 방전 지향 모드에서는 에너지 회생에 의한 충전량의 크기를 감소시킬 수 있게 되어, 배터리 SOC를 소모하는 경향의 제어가 이루어지게 된다.

반면, 충전 지향 모드에서는 모터 구동에 의하여 배터리 방전이 이루어지는 구간, 즉, 저 배기량 실린더의 폭발 구간에서 모터 구동에 의한 방전량의 크기를 감소시키게 된다. 따라서, 상기 충전 지향 모드에서는 배터리 SOC에 따라 모터 구동에 의한 방전량의 크기를 감소시킬 수 있으므로, 배터리 SOC를 증가시키는 경향의 제어가 이루어지게 된다. 예를 들어, 도 6a에서와 같이 충전량을 감소(P₁→P₂)시키거나, 도 6b에서와 같이 방전량을 감소(P₃→P₄)시키는 제어를 통해 달성이 가능하다.

이러한 충방전량의 가변 제어는 충전 지향적 또는 방전 지향적인 제어 목적 및 설계치에 따라 충전량 또는 방전량의 가감 비율을 설정할 수 있다. 이러한 가감 비율은 배터리 SOC에 따라 설정될 수 있으며, 바람직하게는 도 6a 및 도 6b에서와 같이 가변 충전량 또는 가변 방전량이 배터리 SOC의 함수로 설정되어, 충방전의 가감 비율을 결정하도록 구현될 수 있다.

아울러, 도 6a 및 도 6b와는 달리, 방전 지향 모드에서는 방전량을 증가시키고 충전 지향 모드에서는 충전량을 증가시키는 제어 또한 고려할 수 있다. 다만, 모터 부하 및 제어의 안정성 측면에서, 도 6a 및 도 6b에서와 같이 충전량 또는 방전량을 감소시키는 방향으로 제어하는 것이 보다 바람직하다.

이 때, 충전량 또는 방전량의 감소는 모터에서 출력되는 토크값을 기준으로, 모터 토크값을 보정하기 위한 보정 계수를 적용함으로써 구현될 수 있다. 예를 들어, 상기 충전 지향 모드에서는 모터 구동 토크를 감소시키기 위한 충전 지향 모드의 보정 계수(α<1)를 적용하고, 상기 방전 지향 모드에서는 회생 토크에 대한 방전 지향 모드의 보정 계수(β<1)를 적용하도록 구성할 수 있다. 이러한 보정 계수는 고정된 상수값으로 적용할 수도 있으며, 배터리 SOC에 따라 가변되도록 미리 설정된 값일 수도 있다. 또한, 보정 계수(α)와 보정 계수(β)는 동일한 값일 수 있으며, 서로 다른 값으로 설정될 수도 있다.

제어 모드 ②의 경우, 모터 구동 및 에너지 회생 구간을 모두 포함하고 있으므로 충전 지향 모드 또는 방전 지향 모드를 적용하기에 적합하다. 물론, 제어 모드 ①, ③, ④의 경우에도 이러한 충전 지향 모드 또는 방전 지향 모드를 적용할 수도 있으나, 이 경우 각 제어 모드 간의 구별이 불분명해지며, 제어적인 복잡성을 야기시킬 수 있다. 예를 들어, 제어 모드 ①에서, 충전 지향 모드 또는 방전 지향 모드를 적용하여 충전량 또는 방전량을 변화시킬 경우, 실질적으로 제어 모드 ③ 또는 제어 모드 ④와 같이 제어되는 것과 큰 차이가 없기 때문이다. 마찬가지로, 제어 모드 ③ 또는 ④에서 충전 지향 모드 또는 방전 지향 모드를 적용할 경우, 제어 모드 ②와의 구분이 모호해질 수 있다. 따라서, 본 구현예에서와 같이, 제어 모드 ②에 한하여 충전 지향 모드 또는 방전 지향 모드를 적용하도록 구성함이 가장 바람직하다.

한편, 이러한 충전 지향 모드 또는 방전 지향 모드는 앞서 언급한 제어 모드 ① 내지 ④에 대한 서브 제어 모드로 적용되는 것이 바람직하다. 따라서, 상기 충전 지향 모드 또는 상기 방전 지향 모드는 배터리 SOC가 미리 설정된 기준치에 도달할 때까지만 일시적으로 적용되게 된다. 가령, 배터리 SOC의 기준치를 50%로 설정한 경우, 충전/방전 지향 모드에 따라 제어가 이루어진 후, 배터리 SOC가 기준치인 50%에 도달한 경우에는 해당 모드를 종료하고, 다시 기본 제어 모드인 제어 모드 ① 내지 ④로 회귀하도록 구성된다. 따라서, 제어 모드 ②에서만 충전 지향 모드 또는 방전 지향 모드를 적용하는 예에서는, 배터리 SOC가 기준치에 도달한 경우 제어 모드 ②로 다시 돌아가게 된다. 따라서, 상기 방전 지향 모드 또는 상기 충전 지향 모드가 종료된 경우 다시 엔진 토크와 모터 토크의 합이 일정하도록 모터를 제어하게 된다.

이와 관련된 구체적인 제어 순서는 도 7에 도시된 바와 같다.

도 7은 제어 모드 ②에 한하여 방전 지향 모드 또는 충전 지향 모드가 적용되는 예이다. 도 7에서와 같이, 제어 모드 2로 주행 중(S110), 배터리 SOC가 미리 설정된 상한치(예를 들어, 배터리 SOC가 70%인 상태) 이상인 경우, 방전 지향 모드로 진입한다(S130). 방전 지향 모드에 따라 배터리를 소모시키는 경향에 따라 모터 제어가 이루어진 후, 배터리 SOC가 미리 설정된 기준치(예를 들어, 50%)에 도달한 경우(S140), 방전 지향 모드를 종료하고, 제어 모드 ②로 회귀한다(S150).

한편, 단계 S120에서, 배터리 SOC가 상한치 미만인 경우, 배터리 SOC가 하한치(예를 들어, 30%) 이하인지를 확인한다(S160). 배터리 SOC가 하한치 이하인 경우, 충전 지향 모드로 진입하게 된다(S170). 충전 지향 모드에 따라 배터리를 충전시키는 경향에 따라 모터 제어가 이루어진 후, 배터리 SOC가 미리 설정된 기준치(50%)에 도달한 경우(S180)에는 제어 모드 ②로 복귀한다(S190).

이상과 같은 충전 지향 모드 또는 방전 지향 모드를 포함하는 비균등 배기량 엔진 제어 시스템의 제어 방법에 따르면, 비균등 배기량 엔진의 진동 및 소음을 충분히 억제할 수 있을 뿐만 아니라, 배터리 SOC를 효율적으로 관리할 수 있다.

본 발명은 바람직한 실시 예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술분야의 숙련된 당업자는 본 발명의 범위를 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명의 요소들에 대한 수정 및 변경의 가능함을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로, 본 발명은 본 발명의 바람직한 실시 예의 상세한 설명으로 제한되지 않으며, 첨부된 특허청구범위 내에서 모든 실시 예들을 포함할 것이다.

110: 비균등 배기량 엔진
120: 모터
130: 동력절환부
140: 배터리
150: 모터제어부
160: 변속기

Claims

복수의 실린더로 구성되고, 상기 실린더는 적어도 2종류의 다른 배기량의 실린더로 구성되는 비균등 배기량 엔진;
엔진의 구동축에 연결되는 모터;
상기 모터에 전기에너지를 공급하는 배터리;
상기 모터를 제어하는 모터제어부;를 포함하며,
상기 모터제어부는 서로 다른 배기량의 실린더로 인한 토크 차이를 보상하여, 각 실린더의 폭발 구간에서 엔진 토크와 모터 토크의 합인 총 토크가 일정하도록 모터를 제어하고, 상기 모터의 동력 보조량 및 에너지 회생량을 다르게 설정함으로써 서로 다른 총 토크를 갖는 적어도 2 이상의 다른 제어 모드를 가지며, 상기 모터제어부에서는 상기 2 이상의 다른 제어 모드에 의해 배기량 가변 제어를 수행하도록 구성되며,
상기 모터제어부는 배터리 SOC에 따른 충전 지향 모드 또는 방전 지향 모드를 가지는 것을 특징으로 하는 배터리 충전 상태에 따라 가변 제어되는 비균등 배기량 엔진 제어 시스템.
청구항 1에 있어서,
상기 모터제어부는 상기 충전 지향 모드에서는 배터리 SOC에 따라 모터 구동에 의한 방전량의 크기를 감소시키고, 상기 방전 지향 모드에서는 에너지 회생에 의한 충전량의 크기를 감소시키도록 제어하는 것을 특징으로 하는 배터리 충전 상태에 따라 가변 제어되는 비균등 배기량 엔진 제어 시스템.
청구항 1에 있어서,
상기 충전 지향 모드 또는 상기 방전 지향 모드는 배터리 SOC가 미리 설정된 기준치에 도달할 때까지만 일시적으로 적용되는 것을 특징으로 하는 배터리 충전 상태에 따라 가변 제어되는 비균등 배기량 엔진 제어 시스템.
청구항 1에 있어서,
상기 모터 제어부에 의해, 상기 충전 지향 모드에서는 모터 구동 토크에 대한 보정 계수(α<1)를 적용하고, 상기 방전 지향 모드에서는 회생 토크에 대한 보정 계수(β<1)를 적용하는 것을 특징으로 하는 배터리 충전 상태에 따라 가변 제어되는 비균등 배기량 엔진 제어 시스템.
청구항 4에 있어서,
상기 보정 계수는 일정한 값이거나, 배터리 SOC에 따라 가변되도록 미리 설정된 값인 것을 특징으로 하는 배터리 충전 상태에 따라 가변 제어되는 비균등 배기량 엔진 제어 시스템.
청구항 1에 있어서,
상기 모터제어부에서는 배터리 SOC가 미리 설정된 상한치 이상인 경우, 방전 지향 모드에 따라 모터를 제어하고, 배터리 SOC가 미리 설정된 하한치 이하인 경우, 충전 지향 모드에 따라 모터를 제어하는 것을 특징으로 하는 배터리 충전 상태에 따라 가변 제어되는 비균등 배기량 엔진 제어 시스템.
청구항 6에 있어서,
상기 방전 지향 모드에서는 배터리 SOC가 미리 설정된 기준치까지 떨어진 경우 상기 방전 지향 모드를 종료하고, 상기 충전 지향 모드에서는 배터리 SOC가 미리 설정된 기준치를 회복한 경우 상기 충전 지향 모드를 종료하도록 상기 모터제어부에 의해 제어되고, 상기 방전 지향 모드 또는 상기 충전 지향 모드가 종료된 경우 엔진 토크와 모터 토크의 합이 일정하도록 모터를 제어하는 것을 특징으로 하는 배터리 충전 상태에 따라 가변 제어되는 비균등 배기량 엔진 제어 시스템.
청구항 1에 있어서,
상기 비균등 배기량 엔진은 동일한 배기량의 실린더 2개가 한 조를 이루는 2조의 실린더들로 구성되는 것을 특징으로 하는 배터리 충전 상태에 따라 가변 제어되는 비균등 배기량 엔진 제어 시스템.
청구항 1에 있어서,
상기 비균등 배기량 엔진은 1, 4번 실린더는 2, 3번 실린더에 비하여 고 배기량 실린더로 구성되며, 각 조의 실린더는 교대로 폭발하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 배터리 충전 상태에 따라 가변 제어되는 비균등 배기량 엔진 제어 시스템.
청구항 1에 있어서,
상기 비균등 배기량 엔진은 2종류의 다른 배기량을 갖는 실린더로 구성되고,
상기 모터 제어부는 고 배기량 실린더의 폭발 구간에서는 에너지 회생이 이루어지도록 모터를 제어하고, 저 배기량 실린더의 폭발 구간에서는 모터 토크에 의하여 동력 보조가 이루어지도록 모터를 제어함으로써, 각 실린더의 폭발 구간에서 엔진 토크와 모터 토크의 합이 일정하게 유지되도록 제어하는 모드를 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 충전 상태에 따라 가변 제어되는 비균등 배기량 엔진 제어 시스템.
복수의 실린더로 구성되고, 상기 실린더는 적어도 2종류의 다른 배기량의 실린더로 구성되는 비균등 배기량 엔진; 및 엔진의 구동축에 연결되는 모터; 및 상기 모터를 제어하는 모터제어부;를 포함하는 시스템의 제어 방법으로,
(a) 비균등 배기량 엔진을 구동시키는 단계와;
(b) 엔진 토크에 따라 모터 토크를 결정하는 단계; 및
(c) 결정된 모터 토크에 따라 모터를 제어하는 단계;를 포함하며,
상기 모터제어부에서는, 서로 다른 배기량의 실린더로 인한 토크 차이를 보상하여, 각 실린더의 폭발 구간에서 엔진 토크와 모터 토크의 합인 총토크가 일정하도록 모터를 제어하고, 상기 모터의 동력 보조량 및 에너지 회생량을 다르게 설정함으로써 서로 다른 총 토크를 갖는 적어도 2 이상의 다른 제어 모드를 가지며, 상기 모터제어부에서는 상기 2 이상의 다른 제어 모드에 의해 배기량 가변 제어를 수행하도록 구성되며, 상기 모터제어부는 배터리 SOC에 따른 충전 지향 모드 또는 방전 지향 모드를 가지는 것을 특징으로 하는 비균등 배기량 엔진 제어 시스템의 제어 방법.
청구항 11에 있어서,
상기 충전 지향 모드에서는 배터리 SOC에 따라 모터 구동에 의한 방전량의 크기를 감소시키고, 상기 방전 지향 모드에서는 에너지 회생에 의한 충전량의 크기를 감소시키도록 제어하는 것을 특징으로 하는 비균등 배기량 엔진 제어 시스템의 제어 방법.
청구항 11에 있어서,
상기 충전 지향 모드 또는 상기 방전 지향 모드는 배터리 SOC가 미리 설정된 기준치에 도달할 때까지만 일시적으로 적용되는 것을 특징으로 하는 비균등 배기량 엔진 제어 시스템의 제어 방법.
청구항 11에 있어서,
상기 충전 지향 모드에서는 모터 구동 토크에 대한 보정 계수(α<1)를 적용하고, 상기 방전 지향 모드에서는 회생 토크에 대한 보정 계수(β<1)를 적용하는 것을 특징으로 하는 비균등 배기량 엔진 제어 시스템의 제어 방법.
청구항 14에 있어서,
상기 보정 계수는 일정한 값이거나, 배터리 SOC에 따라 가변되도록 미리 설정된 값인 것을 특징으로 하는 비균등 배기량 엔진 제어 시스템의 제어 방법.
청구항 11에 있어서,
상기 (b)단계에서는 배터리 SOC가 미리 설정된 상한치 이상인 경우, 방전 지향 모드에 따라 모터를 제어하고, 배터리 SOC가 미리 설정된 하한치 이하인 경우, 충전 지향 모드에 따라 모터를 제어하는 것을 특징으로 하는 비균등 배기량 엔진 제어 시스템의 제어 방법.
청구항 16에 있어서,
상기 방전 지향 모드에서는 배터리 SOC가 미리 설정된 기준치까지 떨어진 경우 상기 방전 지향 모드를 종료하고, 상기 충전 지향 모드에서는 배터리 SOC가 미리 설정된 기준치를 회복한 경우 상기 충전 지향 모드를 종료하도록 제어되고, 상기 방전 지향 모드 또는 상기 충전 지향 모드가 종료된 경우 엔진 토크와 모터 토크의 합이 일정하도록 모터를 제어하는 것을 특징으로 하는 비균등 배기량 엔진 제어 시스템의 제어 방법.
청구항 11에 있어서,
상기 비균등 배기량 엔진은 2종류의 다른 배기량을 갖는 실린더로 구성되고,
상기 (b)단계에서는 고 배기량 실린더의 폭발 구간에서는 에너지 회생이 이루어지도록 모터를 제어하고, 저 배기량 실린더의 폭발 구간에서는 모터 토크에 의하여 동력 보조가 이루어지도록 모터를 제어함으로써, 각 실린더의 폭발 구간에서 엔진 토크와 모터 토크의 합이 일정하게 유지되도록 제어하는 모드를 포함하는 것을 특징으로 하는 비균등 배기량 엔진 제어 시스템의 제어 방법.