KR102033990B1 - 열기관의 토크를 추정하는 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 적어도 하나의 열기관 및 하나의 전기 기계를 포함하는 차량의 하이브리드 변속기에서 열기관의 토크를 추정하는 방법으로서, 상기 적어도 하나의 열기관 및 하나의 전기 기계는 공동으로 또는 개별적으로 상기 차량의 휠들을 향해 열 토크(Tth) 및 전기 토크(Tem)를 공급하며, 상기 열기관의 추정된 토크(Tth)는 상기 변속기에 의해 상기 휠들에게 공급되는 총 토크의 추정치(
Figure 112017001397619-pct00072
) 및 상기 변속기의 전체 저항 토크의 추정치(
Figure 112017001397619-pct00073
)의 합인 것을 특징으로 하는, 토크 추정 방법에 관한 것이다.

Description

열기관의 토크를 추정하는 방법 {Method for estimating the torque of a heat engine}
본 발명은 열기관 제어 분야에 관한 것이다.
더 구체적으로, 본 발명의 주제(subject)는 적어도 하나의 열기관 및 전기 기계를 포함하는 차량의 하이브리드 변속기에서 열기관의 토크를 추정하는 방법으로서, 상기 열기관 및 전기 기계는 함께 또는 개별적으로 상기 차량의 휠들 쪽으로 열 토크 및 전기 토크를 공급하는, 방법이다.
이 방법은 변속기의 비율을 맞추기 위해 동기화되어야하는 두 개의 회전 샤프트들(또는 피니언들)을 갖는 임의의 열기관 또는 하이브리드 파워트레인에 적용될 수 있다.
하이브리드 또는 비-하이브리드 차량의 열기관의 토크 제어는 차량의 전반적인 성능 및 그 구동 능력을 향상시키는 데 있어 중요하다.
상기 열기관과 연관된 기어박스가 상기 휠들에게 구동 토크(motive torque)를 전달하기 위해 동력원에 연결된 적어도 하나의 주 샤프트 및 상기 주 샤프트에 의해 구동되는 보조 샤프트를 포함하는 평행 샤프트들 기어박스일 때, 기어비의 변화 후에 토크가 다시 적용됨에 따른 토크 곡선의 잠재적 급격한 움직임(jerkiness)을 피하기 위해 (열 및/또는 전기) 토크에 대한 양호한 제어가 필요하다. 기어비의 변화 동안의 상기 구동 토크에 대한 제어는 기어비를 맞추기 전에 상기 열기관에 두 개의 기어 샤프트들의 동기화가 할당되는 특정 하이브리드 아키텍처들에서 특히 중요하다.
그러나 열기관의 토크의 측정은 움직이는 차량에서 바로 사용할 수 없다. 이러한 토크 값을 획득하기 위한 한 가지 방법은 크랭크샤프트의 각(angular) 회전 속도의 측정들로부터 간접적으로 토크의 값을 추정(재구성)하는 것이다.
공개공보 FR 2 681 425는 엔진 플라이휠 링 기어(flywheel ring gear)와 연관된 센서에 의해 생성된 신호를 사용하여 내연 열기관의 토크를 측정하는 방법을 개시한다. 이 방법은 상기 엔진의 각각의 실린더에서 가스 혼합물의 각각의 연소에 의해 생성된 평균 토크를 계산할 수 있게 한다. 산출된 값들은 엔진 작동을 지속적으로 개선하고 그것의 결함들을 모니터하는데 사용될 수 있다. 엔진 관리 컴퓨터는 상기 플라이휠 링 기어로부터 취해진 경험적 측정값들에 적응할 수 있다. 연소 성능의 지속적인 향상은 연소 시스템들의 동역학(dynamics) 및 그 반응 시간에 대한 충분한 지식을 가정한 연소 파라미터들의 루프 제어에 의해 수행된다.
이 방법은 하이브리드 아키텍처들과 같은 복잡한 환경에서는 파워트레인 내의 관성 및 마찰의 결합된 효과들 때문에 다소 만족스럽지 않다. 각각의 원동력원, 열기관 및 전기 기계는 실제로 제어 명령들에 고유한 자신만의 응답 수준 및 동역학(dynamics)을 갖는다.
커플링되는 두 개의 샤프트들(피니언들)이 열기관을 통해 동기화될 때, 열기관은 토크에 대한 운전자의 요구 또한 충족시킬 필요가 있다. 이에 따라, 상기 제어 시스템은 열기관 토크의 순간 값에 관한 매우 정확한 정보를 요구한다. 속도 차이가 가능한 한 작으면서 기어시프트가 허용될 수 있도록, 특히 동기화될 샤프트들 간의 속도의 차이(discrepancy)가 분당 30 회전의 범위로 매우 빠르게 수렴될 필요가 있다. 또한 상기 두 개의 샤프트들의 커플링 다음으로 이어지는 단계(토크의 재적용)는 명백(transparent)하여야 한다. 즉, 가능한 한 적은 양의 급격한 움직임(jerkiness)으로 발생하여야 한다.
본 발명의 목적은 기어시프트 제어 부재들 및 휠들로의 전달을 고려하여 열기관에 의해 생성된 토크 신호를 재구성하는 것이다.
특히, 본 발명은 이러한 동기화가 상기 열기관에 의해 수행될 때, 기어비의 맞춤(engaging) 전에 동기화 단계 동안 엔진 속도에 대한 로버스트 제어를 허용하고자 한다. 상기 추정된 토크 신호는 기어시프트들이 사용자에게 명백한 방식으로 수행될 수 있도록 충분히 정확하여야 한다.
이를 위해, 본 발명은 변속기에 의해 휠들에게 공급되는 총 토크의 추정치 및 상기 변속기의 전체 저항 토크의 추정치의 합으로부터 열기관 토크를 추정하는 것을 제안한다.
바람직하게는, 이 방법은 열기관의 속도의 측정치, 열기관 기준 토크 값, 그리고 전기 기계 토크 값을 사용한다.
본 발명의 효과는 본 명세서에 해당되는 부분들에 개별적으로 명시되어 있다.
본 발명은 본 발명의 비제한적인 일실시예에 대한 다음의 설명을 읽고 첨부된 도면을 참조함으로써 더 잘 이해될 것이며, 단일 도면은 본 방법의 주요 단계들을 도시한다.
열기관과 전기 기계를 포함하는 하이브리드 파워트레인에 역학(mechanics)의 기본 원리를 적용함으로써, 다음의 동역학 모델이 획득된다 :
- 열기관에 대해 :
Figure 112017001397619-pct00001
- 전기 모터에 대해 :
Figure 112017001397619-pct00002
- 휠에 대해 :
Figure 112017001397619-pct00003
이 때 :
- ωth: 상기 열기관의 속도
- T th : 상기 열기관의 토크
-
Figure 112017001397619-pct00004
: 상기 열기관의 저항 토크
- Jth : 상기 열기관의 관성
- ωem : 상기 전기 모터의 속도
- Tem : 상기 전기 모터의 토크
-
Figure 112017001397619-pct00005
: 상기 전기 모터의 저항 토크
- Jem : 상기 전기 모터의 관성
- ωr: 상기 휠의 속도
- Tr : 상기 휠에 인가되는 토크
-
Figure 112017001397619-pct00006
: 상기 휠에 인가되는 저항 토크(외부에서 유래된 미지의 입력)
- Jr : 상기 휠의 관성
상기 열기관의 토크 Tth는 항상 운전자의 토크 요구(기준 토크)
Figure 112017001397619-pct00007
에 대한 응답이다. τ가 기준 토크
Figure 112017001397619-pct00008
를 달성하는 것에 대한 상기 열기관의 응답성을 나타내는 상기 열기관의 시간 상수에 대해 사용된 심볼이라면(τ는 τmin 와 τmax 사이임), 이는 다음과 같이 표현될 수 있다 :
Figure 112017001397619-pct00009
상기 변속기의 운동학적 모드가 어떻든 간에, 상기 열기관은 “변속기 등가 관성” 또는 “열기관에 대한 변속기 등가 관성”Jeq-th이라는 개념 그리고 등가 저항 토크
Figure 112019050321432-pct00010
라는 개념을 도입함으로써 상기 파워트레인의 전체 관성을 참조할 수 있다.
상기 변속기의 구동 토크 및 저항 토크의 합에 적용되는 동역학의 기본 원리는 다음과 같이 쓸 수 있다 :
Figure 112017001397619-pct00011
. 이 때, α 및 β은 열기관 샤프트 및 휠들 간의 감속기어비(stepdown gear ratio)들에 의존한다. β은 특히 기어박스의 감속 기어비들, 그리고 상기 차량의 축 어셈블리에 의존한다.
이러한 유형의 관계로부터, 상기 열기관에 대한 변속기의 등가 관성값 Jeq - th을 결정할 수 있다. 상기 등가 저항 토크는 상기 휠에 인가된 저항 토크
Figure 112017001397619-pct00012
이거나 엔진 또는 모터의 저항 토크일 수 있다. 이 방정식으로부터, 본 발명은
Figure 112017001397619-pct00013
의 “강건함(robustness)”을 보장하면서, 상기 열기관 속도의 추정치
Figure 112017001397619-pct00014
, 상기 열기관에 의해 인가되는 토크 Tth의 추정치
Figure 112017001397619-pct00015
, 그리고 상기 등가 저항 토크
Figure 112017001397619-pct00016
의 추정치
Figure 112017001397619-pct00017
를 결정할 수 있게 하는 “관찰자”를 구성하는 것을 제안한다.
상기 방법은 도 1에 도시되어 있다. 상기 방법은 적어도 열기관 및 전기 기계를 포함하는 차량의 하이브리드 변속기에서 열기관의 토크를 추정할 수 있게 하며, 이 때, 상기 열기관 및 전기 기계는 함께 또는 개별적으로 상기 차량의 휠들을 위한 열기관 토크 Tth 및 전기 토크 Tem를 공급한다. 상기 출력 신호들
Figure 112017001397619-pct00018
,
Figure 112017001397619-pct00019
,
Figure 112017001397619-pct00020
은 총 토크의 추정치
Figure 112017001397619-pct00021
와 함께 도 1에서 볼 수 있다. 상기 열기관의 추정된 토크
Figure 112017001397619-pct00022
는
Figure 112017001397619-pct00023
및
Figure 112017001397619-pct00024
의 대수합이다. 이러한 추정치들은 상기 관측자에 의해 사용되는 세 개의 입력들만으로부터 산출된다 : 상기 열기관의 속도 ωth의 측정치 , 상기 열기관 기준 토크
Figure 112017001397619-pct00025
의 값, 그리고 상기 전기 기계 토크 Tem의 값.
M0, M1, k1 및 k2은 보정될 필요가 있는 게인들이다. 제1 게인 M0 또는 “드리프트 보상”은 차이(ωth -
Figure 112017001397619-pct00026
)의 부호를 할당받아 상기 곱 α
Figure 112017001397619-pct00027
Tem에 더해진다. 이러한 합은 적분되며 상기 등가 관성 Jeq - th의 역수와 상기 적분 값의 곱에 의해 루프 보정되어 상기 엔진 속도의 추정치
Figure 112017001397619-pct00028
를 제공한다. (ωth -
Figure 112017001397619-pct00029
) 의 부호를 할당받은 M0는 상기 게인 k1의 역수와 곱해진다. 이 곱은 적분되며, 그 다음 그 적분의 결과값 x1로 보정된다. 요약하면, 상기 엔진 속도의 추정치
Figure 112017001397619-pct00030
는 상기 곱 α
Figure 112017001397619-pct00031
Tem 및 상기 차이 (ωth -
Figure 112017001397619-pct00032
)의 부호를 할당받은 교정된 게인 M0의 합을 적분함으로써 그것의 측정치 ω m 로부터 획득된다.
x1의 부호는 제2 게인 M1에 부과되며, 차후 단계들에서 토크 추정치들
Figure 112017001397619-pct00033
,
Figure 112017001397619-pct00034
및
Figure 112017001397619-pct00035
을 산출하는데 사용된다. 항 M1
Figure 112017001397619-pct00036
sign(x1)은 상기 기준 토크
Figure 112017001397619-pct00037
에 더해져서, 적분을 통해, 상기 총 토크의 추정치
Figure 112017001397619-pct00038
를 제공한다. 항 M1
Figure 112017001397619-pct00039
sign(x1)은 상기 게인 k2의 역수에 의해, 그리고 상기 엔진 시간 상수 τ의 역수에 의해 잇따라 곱해진 후 이중 적분된다. 상기 등가 저항 토크의 추정치
Figure 112017001397619-pct00040
는 그 결과물을 상술된 파라미터 β의 역수와 곱함으로써 획득된다. 도면에 표시된 바와 같이, 상기 열기관 토크의 추정치
Figure 112017001397619-pct00041
는 상기 총 토크의 추정치
Figure 112017001397619-pct00042
및 상기 등가 저항 토크의 추정치
Figure 112017001397619-pct00043
의 합이다.
따라서, 상기 토크를 추정하기 위해 제안된 방법은 크게 두 가지 주요 단계들로 나뉜다 :
- 상기 열기관의 속도
Figure 112017001397619-pct00044
, 상기 총 인가된 토크
Figure 112017001397619-pct00045
및 상기 등가 저항 토크
Figure 112017001397619-pct00046
를 추정하는 단계를 포함하는 제1 단계; 및
- 상기 총 인가된 토크
Figure 112017001397619-pct00047
및 상기 등가 저항 토크
Figure 112017001397619-pct00048
로부터 상기 열기관의 인가된 토크
Figure 112017001397619-pct00049
를 추정하는 단계를 포함하는 제2 단계.
상기 열기관의 속도
Figure 112017001397619-pct00050
, 상기 총 인가된 토크
Figure 112017001397619-pct00051
및 상기 등가 저항 토크
Figure 112017001397619-pct00052
를 추정하기 위해, 상기 관찰자는 오직 상기 열기관 속도 측정치 ωth, 상기 기준 토크
Figure 112017001397619-pct00053
및 상기 전기 기계 토크 Tem만을 사용할 수 있다.
상기 제2 단계에서, 상기 등가 저항 토크
Figure 112017001397619-pct00054
에는 상기 파라미터 β가 곱해진다.
마지막으로, 본 발명은 하이브리드 파워트레인 또는 열기관이 구비된 차량에 대한 토크를 추정하기 위한 견고한 방법을 제안한다. 상기 관찰자는 상기 열기관의 인가된 토크
Figure 112017001397619-pct00055
, 상기 총 인가된 토크
Figure 112017001397619-pct00056
, 그리고 상기 등가 저항 토크
Figure 112017001397619-pct00057
가 추정될 수 있게 한다. 이러한 추정은 다음 단계인, 두 개의 샤프트들을 연결하는 것(토크의 재적용 또는 토크 스위치오버)을 명백하게 만들어줌으로써, 토크 곡선의 급격한 움직임(jerkiness)을 상당히 줄일 수 있다. 상기 방법은 열기관을 사용하여 두 개의 샤프트들이 동기화되는 동안 토크 곡선이 얼마나 잘 따르는지를 더 잘 제어할 수 있게 한다. 마지막으로, 상기 추정된 속도
Figure 112017001397619-pct00058
의 상기 측정된 속도 ωth로의 수렴은 액추에이터의 관성 및 응답 시간, 또는 존재할 수 있는 임의의 지연들과 같은 시스템의 파라미터들의 변화에 다소 둔감하며, 이로써, 이 관찰자는 특히 강인하다.

Claims (6)

  1. 차량의 휠에 열기관 토크(Tth)를 공급하는 적어도 하나의 열기관과 전기 토크(Tem)를 공급하는 하나의 전기 기계를 포함하는 상기 차량의 하이브리드 변속기의 상기 열기관의 토크 추정 방법으로서,
    상기 열기관의 속도(ωth)와, 상기 전기 기계의 토크(Tem)와, 상기 열기관에 대한 등가 관성(Jeq－th)과, 상기 열기관의 샤프트와 상기 휠 간의 감속기어비에 의존하는 파라미터 α에기초하여, 상기 열기관의 속도 추정치(
    Figure 112019077867155-pct00078
    )를 취득하는 것과,
    상기 열기관의 속도 추정치(
    Figure 112019077867155-pct00079
    )에 기초하여, 상기 하이브리드 변속기의 등가 저항 토크의 추정치(
    Figure 112019077867155-pct00080
    )를 취득하는 것과,
    상기 열기관의 속도 추정치(
    Figure 112019077867155-pct00081
    )와 상기 열기관의 토크 임계값(
    Figure 112019077867155-pct00082
    )에 기초하여, 총 토크 추정치(
    Figure 112019077867155-pct00083
    )를 취득하는 것과,
    상기 열기관의 샤프트와 상기 휠 사이의 감속기어비에 의존하는 파라미터(β)로 보정된 상기 등가 저항 토크의 추정치(
    Figure 112019077867155-pct00084
    )와, 상기 총 토크의 추정치(
    Figure 112019077867155-pct00085
    )를 가산함으로써, 상기 열기관의 토크 추정치(
    Figure 112019077867155-pct00086
    )를 취득하는 것을 구비하는, 토크의 추정 방법.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 등가 관성(Jeq－th)은 관계식
    Figure 112019077867155-pct00087

    으로부터 결정되는, 토크 추정 방법.
  3. 청구항 2에 있어서,
    상기 열기관의 속도 추정치(
    Figure 112019077867155-pct00088
    )를 취득하는 것은, 상기 곱(α·Tem) 및 차이(ωth -
    Figure 112019077867155-pct00089
    )의 부호를 할당받은 교정된 게인(M0)의 합을 적분하는 것을 포함하는, 토크 추정 방법.
  4. 청구항 3에 있어서,
    상기 적분된 항은 상기 등가 관성값(Jeq-th)의 역수와 상기 적분된 항의 곱에 의해 루프 보정되는 것을 특징으로 하는, 토크 추정 방법.
  5. 삭제
  6. 삭제
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