KR101976858B1 - 유단 변속기를 장착한 하이브리드 자동차의 제어 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 하이브리드 자동차의 제어 방법에 관한 것으로서, 유단 변속기를 장착한 하이브리드 자동차에서 엔진 기동 조건의 최적화를 통해 차량의 연비 및 발진 가속 성능을 향상시킬 수 있는 하이브리드 자동차의 제어 방법을 제공하는데 그 목적이 있다. 상기한 목적을 달성하기 위해, 본 발명은, 엔진과 모터를 갖는 하이브리드 자동차의 엔진 기동을 위한 제어 방법에 있어서, 모터 구동 상태에서 엔진 기동을 위해 배터리 상태와 운전자 주행 요구 정보로부터 엔진클러치 후결합 조건에 해당하는지를 판단하는 단계; 엔진클러치 후결합 조건인 경우 1단에서 2단으로의 업 시프트 변속을 위한 제어를 시작하는 단계; 변속 시작 후 엔진을 기동하는 단계; 및 이후 변속이 완료되면 엔진클러치를 결합하는 단계;를 포함하는 유단 변속기를 장착한 하이브리드 자동차의 제어 방법을 제공한다.

Description

유단 변속기를 장착한 하이브리드 자동차의 제어 방법{Control method for hybrid electric vehicle}

본 발명은 하이브리드 자동차의 제어 방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 유단 변속기를 장착한 하이브리드 자동차에서 엔진 기동 조건의 최적화를 통해 차량의 연비 및 발진 가속 성능을 향상시킬 수 있는 하이브리드 자동차의 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.

하이브리드 자동차의 통상적인 파워트레인 구조는 엔진과 모터 사이에 한 개의 클러치(엔진클러치)를 갖는 TMED(Transmission Mounted) 타입으로, 도 1에 나타낸 바와 같이, 엔진(10), 엔진 기동 및 발전을 위한 시동발전기(ISG:Integrated Startor & Generator)(20), 엔진(10)과 모터(40) 사이에 개재되는 엔진클러치(30), 모터(구동모터)(40), 변속기(50)가 차례로 배열된 구조를 가지며, 모터(40)와 시동발전기(20)에는 인버터를 통해 배터리(60)가 충방전 가능하게 연결된다.

이러한 구성의 하이브리드 자동차에서 모터(40)는 차량 초기 출발시 구동되고, 이후 엔진 기동 조건이 되면 시동발전기(20)가 엔진(10)을 기동함과 더불어 엔진클러치(30)가 결합되어 엔진 출력과 모터 출력을 동시에 이용하는 주행이 이루어진다.

이와 같이 하이브리드 자동차의 주행모드는 엔진클러치(30)의 결합이 해제된 상태에서 모터(40)의 동력만으로 차량이 구동되는 EV(Electric Vehicle) 모드와, 엔진클러치(30)가 결합된 상태에서 엔진(10)의 동력과 모터(40)의 동력이 구동축 및 구동륜(70)에 전달되는 HEV(Hybrid Electric Vehicle) 모드로 대별된다.

요컨대, EV 모드로 동작되면 모터(40) → 변속기(50) → 구동륜(70)의 동력전달구조를 갖게 되며, HEV 모드로 동작되면 엔진(10) + 엔진클러치(30) + 모터(50) → 변속기(50) → 구동륜(70)의 동력전달구조를 갖게 된다.

한편, 유단 자동변속기를 장착한 하이브리드 자동차에서는 자동변속기의 변속 중 엔진클러치를 결합하여 엔진의 동력을 전달할 수 없으므로 발진 가속을 할 경우에 1단→2단 업 시프트(Up Shift)의 변속 이전에 엔진클러치를 결합하여 그 동력을 전달할 수가 있다.

따라서, 종래에는 EV 모드에서 HEV 모드로 동작될 때, 배터리 잔여용량(충전상태, SOC:State of Charge), 배터리 방전 파워, 운전자 주행 요구(운전자 가속의지가 반영된 가속페달 조작량) 등에 따라 엔진 기동이 결정되고 나면, 1단에서 2단으로의 변속 진입 시점 이전에 미리 엔진을 기동하고, 이어 엔진클러치를 결합한 다음, 1단에서 2단으로의 업 시프트 변속 제어가 수행된다(1단 선결합-후변속).

도 2와 도 3은 이러한 종래기술을 설명하기 위한 도면으로, 운전자 주행 요구에 따라 발진 가속이 이루어질 때 모터 속도와 엔진 속도, 엔진 기동 시점, 1단→2단 업 시프트 변속 상태, 엔진 클러치 결합 완료 시점 등을 보여주고 있다.

종래에는 배터리의 충전상태(SOC) 및 방전 파워 제한치를 고려하여 운전자 주행 요구에 따른 3차원 맵으로부터 엔진의 기동 여부를 판단하고, 이어 도 2에 나타낸 바와 같이 엔진 기동 및 엔진클러치의 결합이 완료된 상태에서 1단→2단 업 시프트의 변속이 이루어지게 된다.

이때, 배터리의 SOC가 설정된 한계값 미만인 고갈 상태이거나, 저온으로 인해 배터리 방전 파워가 설정된 제한치로 제한되는 방전 제한 조건이거나, 가속페달 조작량이 기준치를 초과하는 조건(운전자 가속의지가 큰 영역)인 경우에만 실변속이 진행되기 이전에 엔진을 기동하고 엔진클러치를 선결합한 후 1단→2단 변속을 진행한다(도 2 참조).

단, 상기한 선결합 조건이 아닌 경우, 즉 배터리의 SOC가 한계값 이하이면서 방전 제한 조건이 아닌 경우, 그리고 가속페달 조작량이 기준치 이하인 경우에는 도 3에 나타낸 바와 같이 1단→2단 업 시프트 변속 완료 이후에 엔진클러치를 결합하는 2단 선변속-후결합의 제어 과정이 실행된다(도 3 참조).

그러나, 도 2 및 도 3의 경우 모두에서 엔진은 1단→2단 변속을 위한 실변속 시작 시점 이전에 기동되는데, 이러한 엔진 기동은 차량 연비를 저하시키는 문제를 초래하게 된다.

즉, 종래에는 1단→2단 변속 진입 이전에 미리 엔진이 기동되어 변속이 완료될 때까지 구동 상태로 대기하고 있으므로 차량 구동과는 상관없이 에너지를 낭비하는 문제가 있는 것이며(불필요한 엔진 구동으로 인해 연료를 소비하게 됨), 더불어 발진 가속시의 비선형감 개선이 어려운 문제를 가진다.

또한 3차원 맵에 의해서만 엔진 기동 여부를 판단하므로 운전자 가속페달 조작에 따라 변속 진행 이전에 엔진이 기동될 경우 엔진 기동 시점부터 엔진클러치 결합 완료 시점까지의 시간이 길어지는 엔진클러치 결합 지연이 발생한다.

따라서, 본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 창출한 것으로서, 장착한 하이브리드 자동차에서 엔진 기동 조건의 최적화를 통해 차량의 연비 및 발진 가속 성능을 향상시킬 수 있는 하이브리드 자동차의 제어 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.

상기한 목적을 달성하기 위해, 본 발명은, 엔진과 모터를 갖는 하이브리드 자동차의 엔진 기동을 위한 제어 방법에 있어서, 모터 구동 상태에서 엔진 기동을 위해 배터리 상태와 운전자 주행 요구 정보로부터 엔진클러치 후결합 조건에 해당하는지를 판단하는 단계; 엔진클러치 후결합 조건인 경우 1단에서 2단으로의 업 시프트 변속을 위한 제어를 시작하는 단계; 변속 시작 후 엔진을 기동하는 단계; 및 이후 변속이 완료되면 엔진클러치를 결합하는 단계;를 포함하는 유단 변속기를 장착한 하이브리드 자동차의 제어 방법을 제공한다.

이에 따라, 본 발명의 제어 방법에서는 최적화된 엔진 기동 제어에 의해 1단→2단 변속 시작 이전의 불필요한 엔진 기동을 방지하여 엔진클러치 결합 이전의 불필요한 연료 소모 및 낭비를 방지할 수 있으므로 차량의 연비 향상을 도모할 수 있게 된다.

또한 운전자 의지와 상관없는 불필요한 엔진 기동감을 방지할 수 있고, 보다 일관성 있는 엔진 기동 및 클러치 결합, 운전성 확보가 가능하여 발진 가속 성능이 향상되는 효과가 있다.

도 1은 하이브리드 자동차의 파워트레인 구성을 나타내는 개략도이다.
도 2와 도 3은 종래의 엔진 기동, 변속, 엔진클러치 결합 과정을 설명하기 위한 도면이다.
도 4는 본 발명에 따른 제어 상태를 설명하기 위한 도면이다.
도 5는 본 발명에서 변속 패턴과 가속페달 조작량에 따라 변속시작 모터 속도가 설정된 예를 나타내는 도면이다.

이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 대해 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명하기로 한다.

도 4는 본 발명에 따른 제어 상태(2단 선변속-후결합 상태)를 설명하기 위한 도면이다.

본 발명은 유단 변속기를 장착한 하이브리드 자동차에서 운전자 가속의지에 따라 EV 모드에서 HEV 모드로의 모드 변환이 이루어질 때 차량 연비 및 발진 가속 성능을 개선하고자 하는 것으로, 모드 변환을 위한 1단→2단 업 시프트 변속 과정에서 엔진 기동 및 엔진클러치의 결합을 최적 제어하기 위한 방법을 제공하고자 하는 것이다.

이러한 본 발명의 제어 과정은 통상의 하이브리드 자동차에서와 같이 복수의 제어기 간에 이루어지는 협조 제어하에 수행되고, 이때 각 제어기가 수행하는 기본적인 제어 역할은 공지이다.

하지만, 본 발명의 제어 과정에서 각 제어 단계의 제어 주체는 다양하게 변경 가능하고, 다음의 실시예는 그 예의 하나일 뿐, 본 발명이 실시예에 의해 한정되는 것은 아니다.

먼저, 본 발명의 제어 과정을 수행하기 위한 제어 장치는, 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)를 포함하는 구성이 될 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 기동, 엔진클러치의 결합, 1단→2단 업 시프트 변속 과정을 제어하게 된다.

여기서, 운전자 주행 요구 정보는 APS(Accel Positon Sensor)에 의해 검출되는 가속페달 조작량이 될 수 있으며, 엔진 제어기는 차량 제어기의 요구에 따라 엔진 기동(연료 분사 및 시동발전기 제어) 등 엔진의 제반적인 작동을 제어하게 된다.

또한 클러치 제어기는 차량 제어기의 요구에 따라 엔진클러치에 공급되는 유체의 압력을 제어하여 엔진클러치의 결합을 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.

이하, 본 발명의 제어 과정에 대해 설명하면, 배터리 충전상태(이하, 'SOC'라 칭함)와 배터리 방전 파워, 운전자 가속의지가 반영된 가속페달 조작량에 따라 두 가지의 제어 모드로 제어가 이루어진다.

먼저, 배터리 SOC 및 방전 파워 제한치를 고려하여 운전자 주행 요구(가속페달 조작량)에 따른 맵으로부터 엔진의 기동 여부가 결정되며, 엔진 기동이 결정된 조건에서 배터리 상태 정보 및 운전자 주행 요구 정보로부터 엔진클러치의 후결합 조건에 해당하는지를 판단한다.

만약, 엔진클러치의 후결합 조건이 아닌 선결합 조건에 해당하는 경우, 즉 배터리 SOC가 설정된 한계값 미만인 고갈 상태이거나, 저온으로 인해 배터리 방전 파워가 설정된 제한치로 제한되는 방전 제한 조건이거나, 가속페달 조작량이 기준치를 초과하는 조건(운전자 가속의지가 큰 영역)에서는, 종래와 마찬가지로 실변속이 진행되기 이전에 엔진을 기동하고 엔진클러치를 선결합한 후 1단→2단 업 시프트 변속을 진행한다(1단 선결합-후변속).

단, 상기한 선결합 가능 조건이 아닌 경우, 즉 배터리 SOC가 한계값 이하이면서 방전 제한 조건이 아닌 경우, 그리고 가속페달 조작량이 기준치 이하인 경우는, 선결합이 불가하여 2단 선변속, 후결합이 이루어져야 하는 엔진클러치의 후결합 조건에 해당하는 것으로, 도 4에 나타낸 바와 같이 1단→2단 변속을 위한 실변속 시작 시점 이후에 엔진을 기동하고 이어 변속 완료 후 엔진클러치를 결합하는 2단 선변속-후결합의 제어 과정이 실행된다.

이러한 도 4의 제어 과정을 위해, 본 발명에서는 현재 제어되고 있는 변속 패턴 및 가속페달 조작량으로부터 그에 상응하는 변속시작 모터 속도가 구해지며, 현재의 모터 속도가 변속시작 모터 속도에 도달하면 1단→2단 업 시프트의 변속을 위한 제어가 시작된다.

이때, 변속시작 모터 속도에 도달하기 전의 상태는 변속금지조건은 물론 엔진기동금지조건에 해당하며, 현재의 모터 속도가 변속시작 모터 속도에 도달하거나, 보다 바람직하게는 변속시작 모터 속도에 설정된 여유값을 두어 현재의 모터 속도가 '변속시작 모터 속도+여유값'에 도달한 경우(현재의 모터 속도가 변속시작 속도보다 설정값만큼 초과한 상태에서), 1단→2단 업 시프트 변속을 위한 제어가 시작된다.

도 4를 참조하면, 현재의 변속 패턴 및 가속페달 조작량에 따라 결정되는 변속시작 모터 속도와 미리 설정된 여유값에 따라 실변속 시작 시점이 정해짐을 볼 수 있다.

이때, 차량 제어기가 실변속 시작 시점에서 변속 명령을 변속기 제어기로 전달하고, 이에 변속기 제어기가 1단→2단 변속 제어를 시작하는바, 실변속 시작 시점부터 변속 진행이 이루어지는 설정시간 이후의 시점에서 차량 제어기가 엔진 제어기를 통하여 엔진 기동을 위한 제어(시동발전기 구동)를 수행하게 된다.

이에 엔진 기동 시작 시점은 실변속 시작 시점부터 설정시간이 경과한 시점이 되며, 이와 같은 엔진 기동 시작 시점은 현재의 모터 속도가 변속시작 모터 속도에 도달한 시점부터 일정 시간이 경과한 시점이기도 하다.

이와 같이 본 발명에서는 변속 패턴과 가속페달 조작량에 상응하는 변속시작 모터 속도에 도달하기 전의 속도 영역은 변속 금지 영역이 되고, 실변속 시작 후 설정시간이 경과하기 전까지의 시간 영역(변속 시작 후 일정 시간 이전의 영역)이 1단→2단 업 시프트 변속을 위한 엔진 기동 금지 영역이 되며, 이에 반드시 실변속 시작 후 상기 설정시간 경과 시점까지로 정해지는 엔진 기동 금지 영역을 벗어나는 시점에서 엔진 기동이 이루어지게 된다.

그리고, 본 발명에서 변속시작 모터 속도는 전술한 바와 같이 현재 제어되고 있는 변속 패턴과 운전자 주행 요구인 가속페달 조작량(APS 신호)으로부터 결정되는바, 이를 위해 각 변속 패턴마다 가속페달 조작량에 따른 값으로 변속시작 모터 속도가 미리 설정된다.

통상의 하이브리드 자동차에서 차량 주행 조건, 배터리 상태, 주행 도로 상태 등에 따라 경제 운전, 정상 주행, 고속도로 주행, 저 SOC(기준치 이하의 SOC 상태), 등판 주행 조건 등의 다양한 변속 패턴이 설정되어 변속 제어에 이용되고 있는바, 본 발명에서도 이러한 변속 패턴마다 가속페달 조작량에 따른 변속시작 모터 속도를 미리 설정하여 이용한다.

도 5는 본 발명에서 변속 패턴과 가속페달 조작량에 따라 변속시작 모터 속도가 설정되어 있는 예를 나타내는 도면으로, 현재 제어되고 있는 변속 패턴이 패턴2일 경우 도 5의 데이터에 의해 변속시작 모터 속도는 1600rpm으로 구해지게 된다.

도 5는 본 발명을 실시하기 위한 하나의 예를 나타내는 것일 뿐, 변속 패턴과 가속페달 조작량이 보다 다양하게 세분화될 수 있고, 각 조건에 상응하는 변속시작 모터 속도 역시 다양한 값으로 미리 설정될 수 있음을 밝혀둔다.

본 발명에서 상기와 같이 엔진 기동이 이루어지고 나면, 이어 변속기의 변속이 완료되고 난 뒤, 엔진클러치의 결합을 위한 클러치 유압 제어가 이루어지고, 이에 변속 후 엔진클러치가 결합되는 2단 선변속-후결합 과정이 완료된다.

이와 같이 하여, 본 발명에서는 엔진클러치의 선결합이 불가하여 선변속 및 후결합이 이루어지는 조건에서 변속 시작 이후 일정 변속 진행 시점에서 엔진을 기동하고, 이어 변속 완료 후 엔진클러치가 결합되도록 제어함으로써, 변속 발생 이전의 불필요한 엔진 기동을 방지할 수 있고, 불필요한 엔진 기동으로 인해 소모되는 연료의 낭비를 방지할 수 있으며, 결국 이를 통해 차량의 연비 향상을 도모할 수 있게 된다.

또한 적절한 차속과 운전자 주행 요구에 따라 변속 이전 선결합을 완료하여 변속 시점 이전의 엔진 구동력을 완전하게 전달할 수도 있으나, 이러한 기존의 제어 방법으로는 다양한 운전 조건 및 차량 제어 조건(SOC, 방전 파워, 주행조건-주행구배, 차량 적재량 등)에 따라 최적화된 제어가 불가하여 잉여 에너지의 낭비와 일관성 있는 발진 성능의 확보가 불가하다.

반면, 본 발명에서는 배터리 SOC가 부족하거나 저온으로 인해 배터리 방전 파워가 제한되고 있는 선결합 조건을 제외한 후결합 조건(선결합이 불가한 조건)에서 일정 실변속 구간 이후 항상 일관적인 엔진 기동 및 엔진클러치 결합이 가능하여 발진 가속 성능의 향상을 기대할 수 있다(운전자의 조작에 따라 일관성 있는 엔진 기동 및 엔진클러치 결합이 가능함).

이상으로 본 발명의 실시예에 대해 상세히 설명하였는바, 본 발명의 권리범위는 상술한 실시예에 한정되지 않으며, 다음의 특허청구범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 발명의 권리범위에 포함된다.

10 : 엔진 20 : 시동발전기
30 : 엔진클러치 40 : 모터
50 : 변속기 60 : 배터리
70 : 구동륜

Claims (5)

1. 엔진과 모터를 갖는 하이브리드 자동차의 엔진 기동을 위한 제어 방법에 있어서,
   모터 구동 상태에서 엔진 기동을 위해 배터리 상태와 운전자 주행 요구 정보로부터 엔진클러치 후결합 조건에 해당하는지를 판단하는 단계;
   엔진클러치 후결합 조건인 경우 1단에서 2단으로의 업 시프트 변속을 위한 제어를 시작하는 단계;
   변속 시작 후 엔진을 기동하는 단계; 및
   이후 변속이 완료되면 엔진클러치를 결합하는 단계를 포함하고,
   배터리 SOC가 설정된 한계값 미만인 고갈 상태인 조건, 배터리 방전 파워가 설정된 제한치로 제한되는 방전 제한 조건, 가속페달 조작량이 기준치를 초과하는 운전자 가속의지가 큰 조건을 모두 만족하지 않을 경우 엔진클러치 후결합 조건에 해당하는 것으로 판단하는 것을 특징으로 하는 유단 변속기를 장착한 하이브리드 자동차의 제어 방법.
   
2. 청구항 1에 있어서,
   변속 시작 후 일정 시간이 경과한 변속 진행 시점에서 엔진을 기동하는 것을 특징으로 하는 유단 변속기를 장착한 하이브리드 자동차의 제어 방법.
   
3. 청구항 2에 있어서,
   변속 패턴과 가속페달 조작량에 따라 변속시작 모터 속도가 미리 설정된 상태에서, 현재의 모터 속도가 현재 제어되고 있는 변속 패턴과 현재의 운전자 가속페달 조작량에 상응하는 변속시작 모터 속도에 도달하면, 상기 업 시프트 변속 제어를 시작하는 것을 특징으로 하는 유단 변속기를 장착한 하이브리드 자동차의 제어 방법.
   
4. 청구항 2에 있어서,
   변속 패턴과 가속페달 조작량에 따라 변속시작 모터 속도가 미리 설정된 상태에서, 현재의 모터 속도가 현재 제어되고 있는 변속 패턴과 현재의 운전자 가속페달 조작량에 상응하는 변속시작 모터 속도보다 설정값만큼 초과한 상태이면, 상기 업 시프트 변속 제어를 시작하는 것을 특징으로 하는 유단 변속기를 장착한 하이브리드 자동차의 제어 방법.
   
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