KR102005272B1

KR102005272B1 - 하이브리드 전기차량 모터 성능 분석 방법

Info

Publication number: KR102005272B1
Application number: KR1020180056447A
Authority: KR
Inventors: 김엘레나
Original assignee: 현대위아(주)
Priority date: 2018-05-17
Filing date: 2018-05-17
Publication date: 2019-10-01

Abstract

본 발명은 하이브리드 전기차량의 초기 개발 시 모델 기반 시뮬레이션으로 모터의 요구 사양을 선정할 수 있는, 하이브리드 전기차량의 모터 성능 분석방법에 관한 것이다.

Description

하이브리드 전기차량 모터 성능 분석 방법{Motor Efficiency Analysis Method for Hybrid Electric Vehicle}

일반적으로 하이브리드 전기차량(HEV)은 연소엔진과, 발전기로서 작용할 수 있는 모터(electric motor)를 가진다. 이러한 HEV형태 차량은 동력원으로, 앞서 언급한 연소엔진과 모터 모두를 포함하며, 주행 상황에 따라 엔진과 모터의 특성이 발휘되어 에너지 효율을 높이고 배기가스를 절감 할 수 있다. 즉, 두 동력원이 어떻게 조화롭게 작동되느냐에 따라 추가적인 연비 향상을 도모할 수 있다.

이러한 차량의 주요 기능부 가운데 하나인 모터의 적정한 사양을 결정하기 위해 실제로 구동하여 시험할 경우 많은 인력과 장비가 투입된다. 일단 모터의 설계가 완료되더라도 시제품을 제작하고 차량에 탑재하여 차량의 전반적인 동력성능과 연비 등을 검사하고 문제점을 보완하여 수차례 설계를 변경하는 과정을 반복하게 된다. 또한, 개발과정에서 수집되는 크고 작은 중요 정보들이 제대로 관리되지 않기 때문에 개발이 일시 중단된 후 재개되는 경우에는 동일한 시행착오가 반복될 수 있다. 따라서, 개발과정에서 실차 실험에 앞서 모터의 성능을 판단함으로써 개발기간을 단축하고 개발비용을 절감하는 시뮬레이션이 필수적이다.

그러나 종래에는 하이브리드 전기차량 연구에 있어서 이러한 모터 사양의 선정과 검증 기법에 관한 연구는 진전이 적은 실정이다.

본 발명은 상술한 바와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로서, 하이브리드 전기차량의 초기 개발 시 가상 환경 기반 시뮬레이션으로 모터의 요구 사양을 선정할 수 있는 성능분석을 통해, 차량 시스템의 모터 사양 선정 과정의 확립 및 차량 설계의 강건성(robustness) 확보를 목적으로 한다

상술한 바와 같은 과제를 해결하기 위해 본 발명은 하이브리드 전기차량용 엔진, 하이브리드 전기차량용 변속기, 드라이버 모델, 차량모델, 주행모드, e-Axle인 배터리와 모터를 포함하여 구성되는 하이브리드 전기차량 시뮬레이션 모델로 이루어진다.

상술한 하이브리드 전기차량 시뮬레이션 모델로 주행 모드(Driving cycle mode)의 모터 용량과 가속 모드의 모터 용량을 비교하여 더 큰 모터 용량을 판단하여 선정하고, 앞서 선정된 모터 용량과 추월성능 모드의 모터 용량을 비교하여 더 큰 모터 용량을 판단하여 선정하고, 앞서 선정된 모터 용량과 등판 성능 모드의 모터 용량을 비교하여 더 큰 모터 용량을 판단하여 선정하고, 앞서 선정된 모터 용량과 롤러레인 탈출 모드의 모터 용량을 비교하여 더 큰 모터 용량을 판단하는 것을 포함하여, 하이브리드 전기차량 모터 성능 분석 시험방법이 이루어진다.

또한, 주행 모드 시험은 연비모드 주행조건으로 기준으로 시작하여, 차량 모델의 차량 요구 속도와 차량 속도를 감지하고, 가속 시 속도 변화를 요구 속도로 나누어 연산하고, 차량 속도의 요구값 대비 추정성 5%이내 기준으로 주행 성능에 대한 적합성을 판단하고, 상기 판단에 만족하는 결과이면 모터의 용량을 산출한다.

또한, 가속 모드 시험은, 차량모델이 0~100 km/h까지 도달하는 가속 성능이며, 요구하는 속도까지 도달하는데 목표하는 도달시간과 시험에 따른 가속시간을 비교하여, 가속시간이 도달시간의 이하가 되는지 판단하고, 상기 판단에 만족하는 결과이면 모터의 용량을 산출하며, 가속 속도 범위는 더 커질 수도, 작아질 수도 있다.

또한, 추월 성능시험은, 상기 추월 성능 모드는, 요구 사항에 따른 추월 차속별 차량 추월 성능을 여러 케이스로 나누고, 상기 케이스 별로 추월 시간에 대한 제한시간을 감지하고, 상기 추월성능 모드의 시험에 따른 상기 여러 케이스별 가속시간을 상기 제한시간 비교하여 같거나 작은지 판단하는 추월가속시간판단단계를 포함하고, 상기 판단에 만족하는 결과이면 모터의 용량을 상기 여러 케이스 중 최대값 모터의 용량으로 산출한다.

또한, 등판 성능시험은, 시작하여 최대 속도를 감지하고, 최대속도가 등판요구속도보다 크거나 같은지 판단하고, 상기 판단에 만족하는 결과이면 상기 등판성능 모드의 모터의 용량을 산출할 수 있다.

앞서 언급한 등판 성능시험은 차량의 경사길 주행 정도를 말하는 것으로, 차량이 최대 적재 상태에서 주행 도중 멈추었다가 다시 출발할 수 있는 능력을 말하며, 숫자가 클수록 급경사에 강하다.

또한, 롤러레인 탈출 시험은, 시작하여 사륜구동(엔진과 모터 동시) 주행중 모터 전달 구동력을 감지하고, 주 구동축의 바퀴가 롤러레인에서 발진시 사륜구동차량의 구동력이 적합한지 판단하고, 상기 판단에 만족하는 결과이면 모터의 용량을 산출한다.

본 발명의 하이브리드 전기차량의 모터 성능 분석 방법을 통해, 모터 개발 단계에서 최적의 모터 시스템과 사양을 선정하는 기법으로 하이브리드 전기차량의 모터 시스템 설계 단계부터 검증을 강화시켜, 하이브리드 전기차량 모델을 기반으로 한 모터 설계 검증 과정 구축으로 모터 설계의 신뢰성 및 강건성을 확보할 수 있다.

도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 하이브리드 전기차량 시뮬레이션 모델의 구성도이다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 하이브리드 전기차량 모터 성능 분석방법 A흐름도.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 하이브리드 전기차량 모터 성능 분석방법 B흐름도.
도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 주행 시뮬레이션 점검항목도표.
도 5a, 도 5b, 도 5c, 도 5d, 도 5e, 도 5f, 도 5g, 도 5h, 도 5i는 본 발명의 일실시예에 따른 주행 시뮬레이션 예시 그래프이다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 일실시예에 따른 하이브리드 전기차량 모터 성능 분석 방법에 대하여 상세히 설명한다.

도 2와 도 3을 참조하여 설명하자면 본 발명의 하이브리드 전기차량 시뮬레이션 모델은 하이브리드 전기차량용 엔진, 하이브리드 전기차량용 변속기, 드라이버 모델, 차량모델, 주행모드, 배터리와 모터로 구성되는 e-Axle으로 구성된다.

앞서 언급한 시뮬레이션 모델로 이루어지는 방법은, 먼저 주행 모드(100)시험인 경우, 가령 연비모드(FTP75, WLTC) 또는 실제 주행 모드(100)(Real Driving Cycle mode) 가운데 연비모드를 기준으로 주행한다고 했을 때, 차량 모델(10)이 목표하는 차량 요구속도(Vreq)와 주행에 따른 차량 속도(V)를 통해 추정 성능을 감지하고, 차량 요구속도 대비 추정성 5%이내 기준으로 주행 성능에 대한 적합성을 판단하는 속도추정성판단(S100)단계가 이루어지고, 앞선 판단에 만족하는 결과이면 주행 모드(100)의 모터의 용량(Pcyc)을 산출한다.

이때 주행 모드(100)는 운전자가 차량의 다양한 기능과 여러 운전 상황에 맞는 설정에 신속하게 접근할 수 있게 한다.

가속 모드(200) 시험에서 차량 모델(10)이, 가속 모드(200) 기준 0~100 km/h까지 도달하는데 걸리는 시간인 가속시간(T)이 목표로 하는 도달시간(Treq1)의 이하가 되는지 판단하는 가속시간판단(S110)을 하고, 앞선 판단에 만족하는 결과이면 가속 모드(200) 모터의 용량(Pacc)을 선정한다.

추월 성능(300)시험에 있어서 차량 모델(10)의 요구 사항에 따른 추월 차속별(Vstart_i → Vend_i, i=1,2,…n)차량 추월 성능을 n 케이스 별로 추월 시간에 대한 제한값(Treq2)을 감지고 추월가속시간이 요구 속도 도달시간의 제한값과 같거나 작은지 판단하는 추월가속시간판단(S120)을 하고, 앞선 판단에 만족하는 결과이면 모터의 용량을 n 케이스 중 최대값 모터의 용량(Pov)으로 산출한다.

30% 등판 성능(400)시험에 있어서 차량 모델(10)의 최대 속도(Vmax)를 감지하고, 최대속도(Vmax)가 등판요구속도(Vreq2)인 30 km/h와 같거나, 큰지 판단하는 속도판단(S130)을 하고, 앞선 판단에 만족하는 결과이면 30%등판성능 모드 모터의 용량(Pop)을 산출한다.

롤러레인 탈출(500)시험에 있어서 사륜구동(4WD)으로 엔진과 모터 모두를 사용하는 주행 중 모터 전달 구동력을 감지하고, 주 구동축의 바퀴가 롤러레인에서 발진 시 사륜구동 차량의 구동력이 적합한지 판단하는 4WD구동력판단(S140)을 하고, 앞선 판단에 만족하는 결과이면 모드 모터의 용량(Prol)을 산출한다.

앞서 산출된 모터의 용량들에 대하여 모터 사양 선정을 하게 되는데, 먼저 주행 모드(100)와 가속 모드(200)의 모터사양인 주행 모드(100)의 사양(Pcyc)와 가속 모드(200)의 사양(Pacc)을 비교하여 큰 값을 모터의 사양(P)으로 선정하는 제1 모터사양판단을 하고, 앞서 선정된 사양(P)과 추월 성능(300) 모드의 모터의 사양(Pov)을 비교하여 큰 값을 모터의 사양(Popt)으로 선정하는 제2 모터사양판단을 하고, 앞서 선정된 모터의 사양(Pop)과 30% 등판 성능(400) 시험의 모터의 사양(Psl)을 비교하여 큰 값을 모터의 사양(Popt')으로 선정하는 제3 모터사양판단을 하고, 마지막으로 앞서 선정된 모터의 사양(Pot')과 롤러레인 탈출(500) 시험의 모터의 사양(Prol)을 비교하여 큰 값을 선정하는 제4 모터사양판단을 하여, 최종 모터의 사양(Pf)으로 선정하는 시뮬레이션이 종료되는 것을 포함하여 이루어진다.

또한, 각 운전 모드별 최종 모터 용량 산출을 할 때 모터의 용량이 부족할 경우 더 큰 용량으로 선정하고 다시 시작한다.

이에 대한 예로, 도 4의 시뮬레이션 기반 차량 주행 성능시험의 점검항목에 대한 도표를 바탕으로 3가지 속도 케이스의 경우, 도 5의 그래프를 작성하였는데 보다상세히 설명하면 다음과 같다.

임의로 선정한 모터 사양이 각기 다른 케이스1(case1), 케이스2(case2), 케이스3(case3)이 있다. 이때, 주행 모드(100)의 연비 모드 가운데 FTP75를 기준으로 차속을 제어하는 주행 조건으로 차량의 추정성 5% 이내인 사양을 선정할 때, 도 5a의 시간-속도 그래프를 통해 케이스3의 경우가 케이스1에 대비하여 목표 차속 추정성에 근접하고, 도 5b의 시간-토크 그래프에서 모터 토크는 케이스 1, 2의 한계치를 넘어서므로, 케이스3 사양을 선정할 필요가 있다.

가속 모드(200) 시험의 0~100km/h의 주행조건과 Treq1의 시간 내 점검에서, 가속시간 Treq1 기준으로 케이스3에 비해 케이스1과 케이스2가 도 5c 그래프 상에서 가속 성능이 떨어지는 것을 볼 수 있고, 이에 모터 성능이 부족하여 케이스3으로 모터 사양을 선정할 필요가 있다.

추월 성능(300)시험에서 시작속도(Vsatrt)에서 종료속도(Vend)까지 속도를 변화하는데 걸리는 시간(Treq2)이 케이스3에 비해 케이스1과 케이스2가 도 5d 그래프 상에서 시간이 더 걸리는 것을 볼 수 있고, 이에 모터 성능이 부족하여 케이스3으로 모터 사양을 선정할 필요가 있다.

30% 등판 성능(400)시험의 경우 TPS(Throttle Position Sensor) 100%인 주행 조건과 최대 차속이 30km/h 이상인 것을 만족하는 조건에서, 도 5e, 도 5f의 그래프 상에서 케이스3의 모터 사양 대비 케이스2의 모터 적용시 가속 성능이 동등하나, 케이스1의 경우 모터 사양은 케이스 3에 비해 발진 성능이 부족한 것을 알수 있다.

롤러레인 탈출(500)시험의 경우 12% 롤러 탈출 시험으로, 사륜구동차량일 때 TPS 100%인 주행 조건과 차속 및 발진 시간을 만족해야 하는데, 도 5g, 도 5i의 그래프 상에서 전륜 슬립 구간에서 케이스3의 모터 사양 대비 케이스2의 차량 탈출 성능 동등 수준 확보를 예상할 수 있으나, 도 5h의 후륜토크와 휠속도 그래프를 통해 케이스1의 후륜의 구동력 및 탈출 성능이 부족한 것을 알수 있다.

상술한 성능시험에 관한 그래프를 통해서 하이브리드 전기차량용 모터의 성능시험 분석결과 케이스3의 모터 사양이 앞서 수행한 모든 조건의 시뮬레이션 사양에 적절하므로 최종 선정되어야 한다.

본 발명은 도면에 도시된 실시예를 참고로 하여 설명되었으나, 당해 기술이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서 본 발명의 기술적 보호범위는 아래의 특허청구범위에 의해서 정해져야 할 것이다.

10: 차량 모델
S100: 속도추정성판단
S110: 가속시간판단
S120: 추월가속시간판단
S130: 속도판단
S140: 4WD구동력판단
S200: 제1 모터사양판단
S210: 제2 모터사양판단
S220: 제3 모터사양판단
S230: 제4 모터사양판단
100: 주행 모드
200: 가속 모드
300: 추월 성능
400: 30% 등판 성능
500: 롤러레인 탈출

Claims

주행 모드의 모터 용량과 가속 모드의 모터 용량을 비교하여 더 큰 모터 용량을 판단하는 제1 모터 사양 판단 단계를 포함하고,
선정된 상기 모터 용량과 추월성능 모드의 모터 용량을 비교하여 더 큰 모터 용량을 판단하는 제2 모터 사양 판단 단계를 포함하고,
선정된 상기 모터 용량과 등판성능 모드의 모터 용량을 비교하여 더 큰 모터 용량을 판단하는 제3 모터 사양 판단 단계를 포함하고,
선정된 상기 모터 용량과 롤러레인 탈출 모드의 모터 용량을 비교하여 더 큰 모터 용량을 판단하는 제4 모터 사양 판단 단계를 포함하는 하이브리드 전기차량 모터 성능시험 방법.
제1항에 있어서,
각 모드에 따른 최종 모터 용량 산출시, 모터의 용량이 부족할 경우 더 큰 용량으로 선정하고 다시 시작하는 것을 특징으로 하는 하이브리드 전기차량 모터 성능 시험 방법.
제1항에 있어서,
상기 주행 모드는 연비모드 주행조건을 기준으로 시작하여 차량모델의 차량 요구속도와 차량 속도를 감지하고, 차량 요구속도 대비 추정성 5%이내 기준으로 주행 성능에 대한 적합성을 판단하는 속도추정성 판단단계를 포함하고, 상기 판단에 만족하는 결과이면 모터의 용량을 산출하는 것을 특징으로 하는 하이브리드 전기차량 모터 성능시험 방법.
제1항에 있어서,
상기 가속 모드는, 기준 주행조건이 0~100 km/h가속 성능이며, 시작하여 요구하는 속도까지 도달하는데 걸리는 요구속도 도달시간과, 시험에 따른 가속시간을 비교하여, 가속시간이 요구속도 도달시간의 이하가 되는지 판단하는 요구속도 가속시간판단단계를 포함하고, 상기 판단에 만족하는 결과이면 모터의 용량을 산출하는 것을 특징으로 하는 하이브리드 전기차량 모터 성능시험 방법.
제1항에 있어서,
상기 추월 성능 모드는, 요구 사항에 따른 추월 차속별 차량 추월 성능을 여러 케이스로 나누고, 상기 케이스 별로 추월 시간에 대한 제한시간을 감지하고, 상기 추월성능 모드의 시험에 따른 상기 여러 케이스별 가속시간을 상기 제한시간 비교하여 같거나 작은지 판단하는 추월가속시간판단단계를 포함하고,
상기 판단에 만족하는 결과이면 모터의 용량을 상기 여러 케이스 중 최대값 모터의 용량으로 산출하는 것
을 특징으로 하는 하이브리드 전기차량 모터 성능시험 방법.
제1항에 있어서,
상기 등판 성능 모드는, 시험에 따른 최대 속도를 감지하고, 최대 속도가 등판 요구속도보다 크거나 같은지 판단하는 속도판단단계를 포함하고, 상기 판단에 만족하는 결과이면 상기 등판성능 모드의 모터의 용량을 산출하는 것을 특징으로 하는 하이브리드 전기차량 모터 성능시험 방법.
제1항에 있어서,
상기 롤러레인 탈출 모드는 사륜구동 주행중 모터 전달 구동력을 감지하고, 주 구동축의 바퀴가 롤러레인에서 발진시 사륜구동차량의 구동력이 적합한지 판단하는 구동력판단단계를 포함하고,
상기 판단에 만족하는 결과이면 모터의 용량을 산출하는 것을 특징으로 하는 하이브리드 전기차량 모터 성능시험 방법.