KR101882129B1 - 하이브리드 자동차의 변속 제어 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 하이브리드 자동차의 변속 제어 방법에 관한 것으로서, 본 발명에 따른 하이브리드 자동차의 변속 제어 방법은 엔진, 모터, 변속기, 클러치, ISG(Integrated Starter and Generator)를 구비하는 하이브리드 자동차의 변속 제어 방법에 있어서, 모터를 단독으로 구동하여 주행하는 EV(Electric Vehicle) 모드에서 엔진과 모터를 병합 구동하여 주행하는 HEV(Hybrid Electric Vehicle) 모드로 변환하는 조건에 해당하는지 판단하는 구동 모드 판단 단계; 상기 구동 모드 판단 단계에서 HEV 모드 변환 조건을 충족하는 경우에 상기 변속기의 업시프트 조건인지 판단하는 업시프트 판단 단계; 상기 업시프트 판단 단계에서 업시프트 조건을 충족하는 경우에는 변속기를 업시프트하고, 엔진이 모터와 클러치에 의하여 결합되도록 엔진을 구동시키는 제어단계;를 포함하며, 상기 제어단계에서는 상기 ISG를 이용한 엔진의 구동 시점을 제어하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따르면, 구동 모드 변환과 변속을 효율적으로 수행할 수 있는 하이브리드 자동차의 변속 제어 방법이 제공된다.

Description

하이브리드 자동차의 변속 제어 방법{SHIFTING CONTROL METHOD FOR HYBRID-VEHICLE}

본 발명은 하이브리드 자동차의 변속 제어 방법에 관한 것으로서, 구동 모드 변환과 변속을 보다 효율적으로 제어하는 하이브리드 자동차의 변속 제어 방법에 관한 것이다.

오늘날 차량에 대한 끊임없는 연비 향상의 요구와 각 나라의 배출가스 규제 강화에 따라 친환경 자동차에 대한 요구가 증가하고 있으며, 이에 대한 현실적인 대안으로 하이브리드 자동차가 제공되고 있다.

하이브리드 자동차는 서로 다른 두 종류 이상의 동력원을 효율적으로 조합하여 차량을 구동시키는 것을 의미하나, 대부분은 연료를 연소시켜 회전력을 얻는 엔진과 배터리의 전기에너지로 회전력을 얻는 모터에 의해 구동되는 자동차를 의미한다.

하이브리드 자동차에서는 엔진과 모터를 이용하여 다양한 동력전달구조를 구성할 수 있으며, 하이브리드 자동차의 대부분은 병렬형과 직렬형의 동력전달 구성중 하나를 채택하고 있다.

하이브리드 자동차는 엔진과 모터로 구성되는 두 개의 동력원으로 주행하는 과정에서 엔진과 모터를 어떻게 조화롭게 동작시키느냐에 따라 최적의 출력 토크를 낼 수 있다.

도 1은 하이브리드 자동차의 병렬형 구조를 개략적으로 도시한 것이다.

병렬형 하이브리드 자동차의 통상적인 구조는 엔진과 모터 사이에 한 개의 클러치를 갖는 TMED(Transmission Mounted) 타입으로, 도 1에 나타낸 바와 같이, 엔진, 엔진 기동 및 발전을 위한 시동발전기(ISG:Integrated Starter and Generator), 엔진과 모터 사이에 개재되는 클러치, 모터, 변속기가 차례로 배열된 구조를 가지며, 모터와 ISG는 인버터를 통해 배터리가 충방전 가능하게 연결된다.

이러한 구성의 하이브리드 자동차에서 모터는 차량 초기 출발시 구동되고, 이후 엔진 기동 조건이 되면 시동발전기가 엔진을 기동함과 더불어 클러치가 결합되어 엔진 출력과 모터 출력을 동시에 이용하는 주행이 이루어진다.

이와 같이 하이브리드 자동차의 주행모드는 클러치의 결합이 해제된 상태에서 모터의 동력만으로 차량이 구동되는 EV(Electric Vehicle) 모드와, 클러치가 결합된 상태에서 엔진의 동력과 모터의 동력이 구동축 및 구동륜에 전달되는 HEV(Hybrid Electric Vehicle) 모드로 대별된다.

요컨대, EV 모드로 동작되면 모터 → 변속기 → 구동륜의 동력전달구조를 갖게 되며, HEV 모드로 동작되면 엔진 + 모터 → 변속기 → 구동륜의 동력전달구조를 갖게 된다.

한편, 주행 중 모터의 전기에너지 소모로 인한 배터리의 일정 이하 방전을 억제하기 위하여 EV 모드에서 HEV 모드 변환이 발생한다. 이러한 모드변환은 EV 모드 주행 시 높은 토크와 고속의 주행 상황 시에서 빈번하게 이루어진다.

하이브리드 차량의 모드변환 시 (EV 모드에서 HEV 모드로 전환 시) 엔진과 모터의 신속한 속도 동기화를 위해서는 ISG의 전기에너지 소모 및 엔진의 연료 소모 등으로 클러치 접합을 위한 에너지 소모가 불가피하며, 이는 하이브리드 차량 시스템의 총 에너지 활용 및 효율 측면에서 중요 요인이다.

도 2는 종래의 하이브리드 자동차에서 구동 모드 변환과 변속이 동시에 발생하는 경우 엔진과 모터의 속도를 나타낸 것이다.

도 2에서와 같이, 구동 모드 변환과 업시프트 변속 상황이 동시에 발생하는 경우에, 변속기의 업시프트 변속 시 모터의 속도는 급감하게 되고, 차량의 제어부는 클러치 결합에 대응하여 엔진의 속도를 감소시킨다. 이러한 과정에서 엔진 클러치 동기화 소요시간이 지연되는 문제, 엔진 감속으로 인한 에너지 소모 문제, 충격 문제 등과 같은 다양한 문제가 발생할 수 있는데, 이러한 문제는 에너지 효율, 차량의 수명 등에 직접적으로 영향을 미치는 것으로서 반드시 해결할 필요가 있다.

따라서, 본 발명의 목적은 이와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 구동 모드 변환과 변속을 효율적으로 수행할 수 있는 하이브리드 자동차의 변속 제어 방법을 제공함에 있다.

상기 목적은, 본 발명에 따라, 엔진, 모터, 변속기, 클러치, ISG(Integrated Starter and Generator)를 구비하는 하이브리드 자동차의 변속 제어 방법에 있어서, 모터를 단독으로 구동하여 주행하는 EV(Electric Vehicle) 모드에서 엔진과 모터를 병합 구동하여 주행하는 HEV(Hybrid Electric Vehicle) 모드로 변환하는 조건에 해당하는지 판단하는 구동 모드 판단 단계; 상기 구동 모드 판단 단계에서 HEV 모드 변환 조건을 충족하는 경우에 상기 변속기의 업시프트 조건인지 판단하는 업시프트 판단 단계; 상기 업시프트 판단 단계에서 업시프트 조건을 충족하는 경우에는 변속기를 업시프트하고, 엔진이 모터와 클러치에 의하여 결합되도록 엔진을 구동시키는 제어단계;를 포함하며, 상기 제어단계에서는 상기 ISG를 이용한 엔진의 구동 시점을 제어하는 것을 특징으로 하는 하이브리드 자동차의 변속 제어 방법에 의해 달성된다.

또한, 상기 제어단계는, 엔진의 구동 시점을 결정하는 구동 시점 결정 단계; ISG를 이용하여 결정된 구동시점에 엔진을 구동하는 엔진 구동 단계; 변속기를 업시프트 제어하는 업시프트 단계; 클러치를 이용하여 엔진과 모터를 결합하여 동기화 구동하는 결합 단계;를 포함할 수 있다.

또한, 상기 구동 시점 결정 단계는, 상기 변속기 업시프트의 시점 또는 종점 중 적어도 하나에서의 모터 구동 속도를 예측하는 제1 예측단계; 상기 변속기의 업시프트의 시점 또는 종점 중 적어도 하나에서의 엔진 구동 속도를 예측하는 제2 예측단계; 상기 제1 예측단계에서 예측된 모터 구동 속도와 상기 제2 예측단계에서 엔진 구동 속도를 비교하여 엔진 구동 시점을 산출하는 산출단계;를 포함할 수 있다.

또한, 상기 산출단계에서는, 상기 제1 예측단계에서 예측된 모터 구동 속도와 상기 제2 예측단계에서 예측된 엔진 구동 속도의 차이가 미리 설정된 값 보다 큰 경우에 엔진의 구동시점을 미리 설정된 것보다 지연하여 재설정할 수 있다.

또한, 상기 산출단계에서 재설정된 엔진 구동 시점을 기반으로 상기 구동 시점 결정 단계를 반복 수행하여 최적의 엔진 구동 시점을 최종 결정할 수 있다.

본 발명에 따르면, 엔진의 구동 시점을 제어하여 구동 모드의 변환과 변속제어를 효율적으로 할 수 있는 하이브리드 자동차의 변속 제어 방법이 제공된다.

또한, 본 발명의 제어 방법에 의하면, 모드 변환에 소요되는 시간을 단축시키고, 모드 변환시 발생하는 충격을 최소화할 수 있다.

도 1은 하이브리드 자동차의 병렬형 구조를 개략적으로 도시한 것이고,
도 2는 종래의 하이브리드 자동차에서 구동 모드 변환과 변속이 동시에 발생하는 경우 엔진과 모터의 속도를 나타낸 것이고,
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 하이브리드 자동차의 변속 제어 방법의 제어 흐름도를 개략적으로 도시한 것이고,
도 4 내지 도 6은 본 발명의 일실시예에 따른 하이브리드 자동차의 변속 제어 방법에 의하여 제어된 다양한 케이스에서 모터와 엔진의 속도를 나타낸 것이다.

이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 일실시예에 따른 하이브리드 자동차의 변속 제어 방법에 대하여 상세하게 설명한다.

본 발명의 일실시예에 따른 하이브리드 자동차의 변속 제어 방법(S100)은 하이브리드 자동차가 주행중에 업시프트 변속 조건과 구동 모드 변환 조건을 모두 충족하는 경우, 즉, 두 가지 종류의 변환이 동시에 발생하여야 하는 경우, 이들을 효과적으로 제어하기 위한 방법에 관한 것이다.

먼저, 본 발명의 방법이 적용되는 하이브리드 자동차는, 도 1에 도시된 바와 같이, 엔진, 모터, ISG(Integrated Starter and Generator), 클러치, 제어장치 등의 구성을 포함하는 일반적인 자동차를 의미하며, 기술분야에서는 일반적인 것이므로 상세한 설명은 생략한다.

한편, 본 발명을 수행하기 위한 제어장치는, 차량 제어기(HCU:Hybrid Control Unit), 엔진 제어기(ECU:Engine Control Unit), 클러치 제어기(CCU:Clutch Control Unit), 변속기 제어기(TCU:Transmission Control Unit), 배터리 제어기(BMS:Battery Management System) 등을 포괄적으로 포함하는 구성일 수 있다.

여기서, 최상위 제어기인 차량 제어기는 배터리 제어기로부터 전달되는 배터리 상태 정보(SOC 등), 운전요구 검출부에 의해 검출되는 운전자 주행 요구 정보, 속도 검출부에 의해 검출되는 모터 속도 정보 등을 토대로 엔진 기동 여부 및 기동 시점, 엔진클러치 결합 필요 여부 및 결합 시점, 변속 필요 여부 및 결합 시점 등을 판단하고, 엔진 제어기, 클러치 제어기, 변속기 제어기를 통해 엔진 구동, 엔진과 클러치의 결합, 업시프트 변속 과정 등을 제어하게 된다.

또한, 클러치 제어기는 차량 제어기의 요구에 따라 엔진클러치의 액츄에이터를 제어하여 엔진클러치의 결합 혹은 결합해제를 실행하며, 변속기 제어기는 차량 제어기의 요구에 따라 변속기에 대한 변속 제어 과정을 실행한다.

물론, 기본적으로 하이브리드 자동차에서의 차량 제어기는 운전자 주행 요구가 충족될 수 있도록 엔진 제어기와 모터 제어기(MCU:Motor Control Unit)를 통해 엔진 토크 출력과 모터 토크 출력을 제어하고, 이 중에서 모터 제어기는 차량 제어기로부터 전달되는 토크 명령에 따라 모터 구동을 제어하게 된다.

이하에서는 상술한 하이브리드 자동차의 구조를 바탕으로, 본 발명의 일실시예에 따른 하이브리드 자동차의 변속 제어 방법에 대하여 단계별로 설명한다.

도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 하이브리드 자동차의 변속 제어 방법의 제어 흐름도를 개략적으로 도시한 것이다.

도 3에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일실시예에 따른 하이브리드 자동차의 변속 제어 방법(S100)은 구동 모드 판단 단계(S110)와 업시프트 판단 단계(S120)와 제어단계(S130)를 포함한다.

상기 구동 모드 판단 단계(S110)는 모터를 단독 구동원으로 주행하는 모드(EV 모드) 중에 모터와 엔진을 함께 구동원으로 이용하여 주행하는 모드(HEV)로 변환하는데 필요한 조건울 충족하였는지를 판단하는 단계이다.

본 단계에서 EV 모드에서 HEV 모드로의 변환은 차량의 현재 주행 상황 및 각 요소의 상태 등을 종합적으로 고려하여 결정된다.

상기 업시프트 판단 단계(S120)는 주행 중에 변속기를 저단 기어에서 고단 기어로 전환하여야 하는지를 판단하는 단계이다.

상기 제어단계(S130)는 상술한 구동 모드 판단 단계(S110)에서의 HEV 모드로 변환조건과 업시프트 판단 단계에서 업시프트 전환조건을 모두 충족한 경우에 이들을 효율적으로 제어하기 위한 단계로서, 구동 시점 결정 단계(S131)와 엔진 구동 단계(S135)와 업시프트 단계(S136)와 결합 단계(S137)를 포함한다.

상기 구동 시점 결정 단계(S131)는 엔진의 구동 시점을 결정하는 단계로서, 제1 예측단계(S132)와 제2 예측단계(S133)와 산출단계(S134)를 포함한다.

상기 제1 예측단계(S132)는 변속기의 업시프트 동작 중 모터의 구동 속도를 예측하는 단계이다. 즉, 본 단계에서는 실질적으로 변속기의 업시프트가 일어나는 시점과 종점에서의 모터 속도를 산출한다.

즉, 변속기의 업시프트는 특정 주행속도에서 변속이 이루어지게 되므로, 본 단계에서는 변속 유발 주행 속도, 변속 단의 정보, 기어, 구동 타이어 정보 등을 종합적으로 이용하여 모터의 속도를 예측할 수 있다.

상기 제2 예측단계(S133)는 변속기의 업시프트 동작 중 엔진의 구동 속도를 예측하는 단계이다. 본 단계에서는 미리 설정된 시점에 엔진을 구동하는 경우에 변속기의 업시프트가 일어나는 시점과 종점에서의 엔진의 속도를 예측한다.

즉, 본 단계에서는 엔진을 실질적으로 구동하기 전에, 업시프트 전후의 엔진 속도를 미리 예측하게 된다.

한편, 상술한 제1 예측단계(S132)와 제2 예측단계(S133)에서는 클러치 양단의 속도, 즉, 모터와 엔진의 속도를 미리 예측하는 것이다.

상기 산출단계(S134)는 제1 예측단계(S132)와 제2 예측단계(S133)에서 예측된 속도 정보를 이용하여 엔진의 구동 시점을 산출하는 단계이다.

즉, 본 단계에서는 아래의 [수식]에 따라 엔진의 구동 시점을 제어한다.

[수식]

|예측 모터 속도 - 예측 엔진 속도| < 설정된 값

예측 모터 속도와 예측 엔진 속도의 차이의 절대 값이 미리 설정된 값보다 작은 경우에는 미리 설정된 시점에 엔진을 구동한다.

다만, 예측 모터 속도와 예측 엔진 속도의 차이의 절대 값이 미리 설정된 값보다 큰 경우에는 엔진을 미리 설정된 시점보다 지연시켜 구동한다.

본 발명의 일실시예에서는 미리 정해진 값 만큼 지연된 시점에 엔진을 바로 구동할 수도 있고, 본 발명의 다른 실시예에서는 시간 지연이 적용되어 새롭게 설정된 엔진 구동 시점으로부터 상술한 제1 예측단계(S132), 제2 예측단계(S133), 산출단계(S134)를 반복적으로 수행하는 방식으로 최적의 엔진 구동 시점을 확보할 수도 있다.

상기 엔진 구동 단계(S135)는 HEV 모드 변환을 위하여 ISG를 이용하여 엔진을 구동하는 단계이다. 따라서, 본 단계에서는 최적의 구동 시점을 산출하여 엔진을 구동한다.

상기 업시프트 단계(S136)는 변속기를 업시프트 하는 단계이다. 본 단계에 의하여, 변속기가 업시프트 되면 모터의 속도가 일시적으로 급감하게 된다.

상기 결합 단계(S137)는 클러치를 이용하여 엔진과 모터를 결합하여 동기화 구동되도록 함으로써 HEV 모드 변환을 완료하는 단계이다.

아래에서는, 상술한 내용을 기반으로 본 발명의 제어방법이 적용된 예를 케이스 별로 설명한다.

1. 제1 케이스 - 동기화 후 업시프트

본 케이스는 미리 설정된 엔진 구동 시점(t₁)에서 엔진을 구동하여 변속기 업시프트 시점(t₂)에 엔진 속도와 모터 속도의 차이가 오차 범위 내인 것으로 판단되는 경우이다.

도 4에 도시된 바와 같이, 이러한 경우에는 클러치를 제어하여 엔진과 모터를 결합한 즉시 변속기의 업시프트 동작이 시작(t₂)된다.

2. 제2 케이스 - 업시프트 후 동기화

본 케이스는 미리 설정된 엔진 구동 시점(t₁)에서 엔진을 구동하여 변속기 업시프트 종점(t₃)에 엔진 속도와 모터 속도의 차이가 오차 범위 내인 것으로 판단되는 경우이다.

도 5에 도시된 바와 같이, 이러한 경우에는 업시프트가 완료되는 즉시(t₃) 클러치를 제어하여 엔진과 모터를 결합시킨다.

3. 제3 케이스 - 엔진 구동 지연 제어

본 케이스는 미리 설정된 엔진 구동 시점(t_1')에서 엔진을 구동하여 변속기 업시프트 종점(t₃)에 엔진 속도와 모터 속도의 차이가 오차 범위보다 큰 것으로 판단되는 경우이다. 설정된 엔진 구동 시점(t_1')을 재설정하지 않고 그대로 적용하는 경우에는, 엔진과 모터의 재결합은 t_4'에 완료된다.

따라서, 도 6에 도시된 바와 같이, 본 실시예에서는 이러한 경우에 엔진의 구동 시점(t₁)을 일정시간 지연시켜 재설정한다. 이러한 경우에는 업시프트가 완료(t₃)된 후, 즉, t₄ 에 엔진과 모터가 최종 동기화 연결된다.

따라서, 구동 모드 변환 및 변속에 소요되는 시간이 (t_4' - t₄) 만큼 절감될 수 있는 것이다.

상술한 내용을 기반으로, 본 발명의 하이브리드 자동차의 변속 제어 방법이 적용되는 경우와 적용되지 않는 경우에 각각 측정되는 실제 데이터는 아래의 [표 1]과 같이 나타난다.

	본원발명 미적용	본원발명 적용	향상도(%)
모드 변환 시간(sec)	0.55	0.44	20.8
가속변화량(G)	0.037	0.024	35.2
전기 에너지 소모량(kJ)	3.378	2.842	15.9

상기의 [표 1]에서 나타난 바와 같이, 상술한 본 발명에 의하면, 구동 모드 변환에 소요되는 시간을 최소화할 수 있다. 또한, 구동 모드 변환시 발생하는 불필요한 에너지 소모, 차량 가속도의 급변으로 인한 운전자의 이질감 발생 등의 문제를 감소시킬 수 있다.

본 발명의 권리범위는 상술한 실시예에 한정되는 것이 아니라 첨부된 특허청구범위 내에서 다양한 형태의 실시예로 구현될 수 있다. 특허청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 변형 가능한 다양한 범위까지 본 발명의 청구범위 기재의 범위 내에 있는 것으로 본다.

Claims (5)

1. 엔진, 모터, 변속기, 클러치, ISG(Integrated Starter and Generator)를 구비하는 하이브리드 자동차의 변속 제어 방법에 있어서,
   모터를 단독으로 구동하여 주행하는 EV(Electric Vehicle) 모드에서 엔진과 모터를 병합 구동하여 주행하는 HEV(Hybrid Electric Vehicle) 모드로 변환하는 조건에 해당하는지 판단하는 구동 모드 판단 단계;
   상기 구동 모드 판단 단계에서 HEV 모드 변환 조건을 충족하는 경우에 상기 변속기의 업시프트 조건인지 판단하는 업시프트 판단 단계;
   상기 업시프트 판단 단계에서 업시프트 조건을 충족하는 경우에는 변속기를 업시프트하고, 상기 ISG를 이용해 엔진의 구동 시점을 제어하여 엔진이 클러치에 의하여 모터와 결합되도록 엔진을 구동시키는 제어단계;를 포함하며,
   상기 제어단계는, 엔진의 구동 시점을 결정하는 구동 시점 결정 단계; ISG를 이용하여 결정된 구동시점에 엔진을 구동하는 엔진 구동 단계; 변속기를 업시프트 제어하는 업시프트 단계; 클러치를 이용하여 엔진과 모터를 결합하여 동기화 구동하는 결합 단계;를 포함하고,
   상기 구동 시점 결정 단계는, 상기 변속기의 업시프트의 시점 또는 종점 중 적어도 하나에서의 모터 구동 속도를 예측하는 제1 예측단계; 상기 변속기의 업시프트의 시점 또는 종점 중 적어도 하나에서의 엔진 구동 속도를 예측하는 제2 예측단계; 상기 제1 예측단계에서 예측된 모터 구동 속도와 상기 제2 예측단계에서 엔진 구동 속도를 비교하여 엔진 구동 시점을 산출하는 산출단계;를 포함하며,
   상기 산출단계에서는, 상기 제1 예측단계에서 예측된 모터 구동 속도와 상기 제2 예측단계에서 예측된 엔진 구동 속도의 차이가 미리 설정된 값 보다 큰 경우에 엔진의 구동시점을 미리 설정된 것보다 지연하여 재설정하는 것을 특징으로 하는 하이브리드 자동차의 변속 제어 방법.
   
2. 삭제
3. 삭제
4. 삭제
5. 청구항 1에 있어서,
   상기 산출단계에서 재설정된 엔진 구동 시점을 기반으로 상기 구동 시점 결정 단계를 반복 수행하여 최적의 엔진 구동 시점을 최종 결정하는 것을 특징으로 하는 하이브리드 자동차의 변속 제어 방법.

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