KR102048888B1

KR102048888B1 - 전기 또는 하이브리드 모터 차량의 회생 제동 제어 방법 및 시스템

Info

Publication number: KR102048888B1
Application number: KR1020167014999A
Authority: KR
Inventors: 로랑 퐁비에유; 엠마누엘 뷔; 브누와 베르베케
Original assignee: 르노 에스.아.에스.
Priority date: 2013-11-05
Filing date: 2014-11-05
Publication date: 2019-11-26
Also published as: US20160264144A1; JP2017500842A; FR3012781A1; EP3065987B1; KR20160084426A; FR3012781B1; WO2015067889A1; EP3065987A1; US9944290B2; CN105764765B; CN105764765A

Abstract

본 발명은 전기 또는 하이브리드 동력전달장치를 갖춘 모터 차량의 회생 제동을 제어하기 위한 시스템에 관한 것으로서, 그 입력부에서 운전 상태와 차량의 특징을 평가하기 위한 센서들 및/또는 수단의 세트(6)에 연결되어 보정 계수를 결정하기 위한 수단(5)과, 그 입력부에서 보정 계수를 결정하기 위한 결정 수단(5)과, 동력전달장치의 회전 속도에 따른 회생 제동 설정값들의 두 개의 맵(map)을 포함하는 메모리(8)에 연결되어, 실질적으로 0의 경사도와 차량의 기준 중량과 실질적으로 동일한 차량 중량에 관해, 제동 설정값을 결정하기 위한 결정 수단(7)을 포함한다.

Description

전기 또는 하이브리드 모터 차량의 회생 제동 제어 방법 및 시스템{Method and system for controlling the regenerative braking of an electric or hybrid motor vehicle}

본 발명의 기술 분야는 전기 또는 하이브리드 차량의 전기 동력전달장치의 제어에 관한 것이다.

모터 제어는 모든 센서들과 제어 소프트웨어 및 전자장치를 가지고 전기 모터를 관리하는 기술이다. 모든 명령과 제어법(소프트웨어 전략) 및 모터를 특징짓는 매개 변수들(교정(calibrations))은 전자제어장치(ECU: electronic control unit)로 지칭되는 컴퓨터 내에 들어 있다.

전기 또는 하이브리드 차량에 있어, 전기 모터 제어는 운전자(스로틀 및 브레이크 페달)의 욕구를 양 또는 음의 토크 설정값(setpoint)으로서 해석하는 것을 가능하게 한다. 모터에 의해 공급되는 토크를 위한 (양 또는 음의) 설정값은 그 다음에 전기적 설정값(전압 및 전류)을 위한 상응하는 크기를 계산하는 전력 전자장치(인버터, 초프(chopper) 등)로 전달된다. 전기 모터는 전력을 기계적 동력으로 변환하며, 기계적 동력은 가능하면 감속 기어박스를 통해 토크의 형태로 바퀴로 전달된다.

이러한 전기기계적 부품들의 집합은 운전자 설정 토크를 바퀴로 전달하며 이는 구동계(drivetrain)로서 지칭된다.

모터 차량 내에 전기 기계의 존재는 그 작동의 가역적 성질이 유용될 수 있다는 것을 의미한다. 제동(braking) 단계 중에, 기계적 동력을 배터리에 저장될 수 있는 전력으로 변환하는 것이 가능하다. 이러한 제동은 회생 제동(regenerative braking)으로 지칭되며, 차량의 자율성을 증가시키고 하이브리드 차량의 경우에 연료 소비를 감소시키는 것을 가능하게 한다.

종래 기술에 있어서, 전기 차량의 전기 기계를 위한 작동 구역은 두 개의 곡선, 즉 모터 모드에서 최대 토크의 곡선과 발전기 모드에서 최소 토크의 곡선에 의해 한계가 정해진다.

모터 모드에서 최대 토크의 곡선은 일정한 토크 구역(저속 구역)과 일정한 동력 구역(고속 구역)을 가진 구동계(drivetrain)의 최대 성능에 의해 정의된다.

발전기 모드에서 최소 토크의 곡선은 마찬가지로 구동계의 성능에 의해 부분적으로 정의되지만 또한 브레이크 페달의 위치에 따라서 조절된다. 구체적으로, 브레이크 페달에 압력이 인가되지 않았을 때, 최소 토크 설정값은 엔진이 제동된 것처럼 보이게 하는 것을 가능하게 한다. 브레이크 페달에 압력이 가해졌을 때, 토크 설정값은 발을 뗀 토크 설정값과 발전기 모드에서의 최소 토크의 곡선 사이에 있다. 브레이크 페달에 인가되는 압력이 커질수록, 토크 설정값은 더욱 발전기 모드에서의 최소 토크쪽으로 가는 경향이 있다.

브레이크 상에 압력이 없는 최소 토크의 곡선은, 차량이 기준 질량과 가까운 질량을 가지며 실질적으로 0의 경사도에서 기준 마찰력의 영향을 받을 때, 감속의 정도에 동조되도록 설계된다. 그 결과로서, 내리막에서 운전자가 스로틀(throttle)과 브레이크에 압력을 가하지 않았을 때, 회생 제동은 브레이크에 압력이 가해지지 않은 최소 토크의 곡선에 의해 제한되며, 이 효과는:

- 과도하게 가속되는 차량의 자율성을 제한하거나,

- 또는 운전자에 대해 브레이크 페달 상의 동작에 관하여 요구하는 것이다.

반대로, 오르막에서 운전자가 스로틀과 브레이크에 압력을 가하지 않았을 때, 회생 제동이 과도할 수 있다는 위험이 있으며, 이 효과는:

- 과도한 감속이 이루어지거나,

- 또는 운전자에 대해 스로틀 페달 상의 동작에 관하여 요구하는 것이다.

유추하여, 차량의 질량의 증가 또는 마찰의 감소는 내리막에 비유된다. 반대로, 차량의 질량의 감소 또는 마찰의 증가는 오르막에 비유된다.

문서 JP 3441552는 내리막에서 기계적 브레이크의 사용을 제한함으로써 그 마모를 제한할 수 있도록 속도의 제어에 기초하여 전기 차량의 회생 제동의 제어 방법을 개시하고 있다. 그러나, 이것은 단지 경사도만 고려한 것이다.

따라서, 종래 기술의 문서들에서, 회생 제동의 정도는 단지 실질적으로 0의 경사도에서 감속의 정도에 동조되도록 정의된다는 것을 알 수 있으며, 이러한 동조는 아래의 경우에 손실된다.

- 오르막과 내리막에서,

- 차량의 질량(예컨대, 승객의 수, 예인, 등)이 변할 때,

- 차량에 가해지는 마찰(예컨대, 타이어의 마모, 도로 표면의 상태, 등)이 변할 때.

또한, 어떤 문서들로부터, 회생 제동의 정도는 가속도의 정도에 따른 토크 증가를 추가하거나 제거하는 계산 루프를 통해 보정된다는 것을 알 수 있다. 이러한 보정은 계산 루프가 회생 제동을 위한 보정된 값 쪽으로 수렴될 수 있도록 하기 위해 가속도에 있어서의 차이가 관측될 필요가 있기 때문에 느리다.

결과적으로, 이러한 보정은 만약 증가가 너무 높으면 토크에 있어서의 등락(fluctuations)을 초래할 수 있는 위험이 있으며, 만약 고르지 않은 경사도 상에서 증가가 너무 느리면 가속도에 있어서 발생하는 변화의 등락을 초래할 수 있는 위험이 있다.

따라서, 브레이크 페달에 압력이 가해지지 않은 제동을 위한 설정값을 결정할 때 경사도, 차량의 질량 및 차량에 가해지는 어떠한 마찰도 고려할 수 있는 제어 방법과 시스템의 필요성이 있다.

본 발명의 하나의 주제는 전기 또는 하이브리드 동력전달장치(powertrain)를 갖춘 모터 차량의 회생 제동을 제어하기 위한 방법에 관한 것이다.

상기 방법은,

운전자가 스로틀(throttle) 페달과 브레이크 페달의 어느 것도 밟지 않았는지를 판단하는 단계,

모터에 의해 공급되는 토크(torque), 차량의 속도, 바퀴에서의 각속도, 경사도, 차량의 질량 및 마찰의 함수로서 보정 계수(correction coefficient)를 결정하는 단계, 및

다음으로, 실질적으로 0의 경사도와 상기 차량의 기준 질량과 실질적으로 동일한 차량 질량에 관해, 브레이크 페달에 압력이 가해지지 않은 회생 제동을 위한 설정값(setpoint)을 상기 보정 계수와, 상기 동력전달장치의 회전 속도의 함수로서의 토크의 두 개의 맵(map)의 함수로서 결정하는 단계를 포함한다.

상기 방법은 상기 보정 계수를 결정하는 단계와 상기 제동 설정값을 결정하는 단계의 사이에 조절 단계를 포함할 수 있으며, 상기 조절 단계 중에 상기 보정 계수는 주행 상태와 차량의 특성들로부터 유래된 적어도 하나의 값, 특히 경사도, 차량의 질량 또는 차량에 적용되는 마찰의 함수로서 조절된다.

상기 방법은 상기 보정 계수를 필터링하는 단계를 포함할 수 있다.

본 발명의 또 다른 주제는 전기 또는 하이브리드 동력전달장치를 갖춘 모터 차량의 회생 제동(regenerative braking)을 제어하기 위한 시스템에 관한 것이다. 상기 시스템은, 입력부에서 주행 상태와 차량의 특성을 평가하기 위한 센서들 및/또는 수단의 세트와 스로틀 페달과 브레이크 페달을 밟지 않았는지를 판단할 수 있는 판단 수단에 연결되어 보정 계수를 결정하는 결정 수단, 및 입력부에서 상기 보정 계수를 결정하는 상기 결정 수단과, 상기 동력전달장치의 회전 속도의 함수로서의 회생 제동 설정값들의 두 개의 맵(map)을 포함하는 메모리에 연결되어, 실질적으로 0의 경사도와 차량의 기준 질량과 실질적으로 동일한 차량 질량에 관해, 제동 설정값을 결정하기 위한 결정 수단을 포함한다.

상기 시스템은 상기 보정 계수를 주행 상태와 차량의 특성으로부터 유래된 적어도 하나의 값, 특히 경사도, 차량의 질량 또는 차량에 적용되는 마찰의 함수로서 조절하기 위해, 상기 보정 계수를 결정하는 상기 결정 수단과 상기 제동 설정값을 결정하는 상기 결정 수단 사이에 연결되는 조절 수단(modulating means)을 포함할 수 있다.

상기 시스템은 상기 보정 계수에 있어서의 변화의 진폭을 제한하기 위해, 상기 보정 계수를 결정하는 상기 결정 수단의 출력부에 배치되는 필터링 수단을 포함할 수 있다.

따라서 본 발명은 차량이 위치한 곳의 (상향 또는 하향) 경사도를 고려하여 브레이크 페달에 가해지는 압력이 없는 회생 제동을 결정하기 위한 새로운 원칙을 제안한다.

따라서 본 발명은, 설정값 보정이 경사도, 질량 및 마찰에 있어서의 변화들에 전적으로 의존하기 때문에 더 이상 반응 시간을 가지지 않는다는 이점을 제공한다.

게다가, 본 발명은 또한 토크에 있어서의 등락과 가속도에 있어서의 변화의 어느 것도 발생하지 않는다는 이점을 제공한다.

또한, 본 발명은 차량이 감속되는 상황에서도 질량, 경사도 및 마찰(바람 등)에 있어서의 변화들에 적응할 수 있다는 이점을 가진다.

본 발명의 추가적인 목적들, 특징들 및 이점들은 아래의 설명으로부터 명확하게 될 것이며, 아래의 설명들은 단지 비제한적인 예를 통해 주어지고 첨부된 도면들을 참조한다.
- 도 1은 전기 또는 하이브리드 모터 차량의 회생 제동을 제어하는 방법을 도시하며,
- 도 2는 전기 또는 하이브리드 차량의 회생 제동을 제어하는 시스템을 도시한다.

상기 제어 방법은 전체적으로 실질적으로 평탄한 지면 상에서 주행하는 차량에 관하여 경사도, 질량 또는 마찰에 있어서의 변화의 영향이 계속하여 결정되는 단계를 포함한다. 다음으로, 차량이 겪은 변화를 반영하는 보정 계수(correction factor)가 결정된다. 상기 방법은 그 다음에 회생 제동 설정값이 상기 보정 계수의 함수로서 결정되는 제2 단계를 포함한다.

경사도, 질량 또는 마찰에 있어서의 변화의 영향을 결정하기 위해, 역학 기본원칙(fundamental principle of dynamics)을 적용함으로써 차량에 작용하는 힘들의 균형(balance)이 계산된다. 이는 아래의 방정식으로 주어진다.

∑F = Mㆍγ (방정식 1)

여기서,

∑F: 차량에 적용되는 힘들의 합,

M: 차량의 질량,

γ: 차량의 가속도.

경사도가 없는 지면을 의미하는 실질적으로 평탄한 지면 상에서 주행하는 차량을 위해, 방정식 1은 그에 맞춰 다시 적을 수 있다.

∑F = F_friction + F_drive = Mㆍγ (방정식 2)

여기서,

F_Friction: 마찰력,

F_drive: 차량에 의해 발생되는 구동력.

경사도, 질량 또는 마찰에 있어서의 변화가 있는 경우에, 힘과 일치하는 보정 항 F_cor이 도입된다. 방정식 2는 아래와 같이 다시 적을 수 있다.

∑F = F_cor + F_friction + F_drive = Mㆍγ (방정식 3)

따라서 보정 항 F_cor을 위한 아래의 수식이 방정식 3으로부터 아래와 같이 추출될 수 있다.

F_cor = Mㆍγ - F_friction - F_drive (방정식 4)

바퀴와 지면의 접촉 포인트에서 방정식 4를 표현하고 전개하면 아래의 방정식이 산출된다.

F_cor = F_wheel - F_Friction - F_inertia (방정식 5)

여기서,

F_cor = 차량의 경사도 α_grad의 각도, 질량 및 마찰에 있어서의 변화의 함수로서 바퀴에 작용하는 보정된 힘,

F_wheel = 바퀴에서의 구동력,

F_Friction = 마찰 저항 부하, 특히 공기역학적 부하 및 타이어 마찰에 의해 야기되는 기준 힘(reference force),

F_inertia = 차량의 운동부, 특히 동력전달장치, 감속 기어박스 및 바퀴의 관성력에 기인한 힘.

상기 항 F_cor은 아래와 같이 표현될 수 있다.

F_cor = M_vhㆍgㆍsin(α_grad) (방정식 6)

여기서,

M_vh = 차량의 기준 질량,

g = 중력에 기인한 가속도,

α_grad = 경사도의 각도.

상기 항 F_wheel 은 아래와 같이 표현될 수 있다.

(방정식 7)

여기서,

C_pplant = 모터에 의해 공급되는 토크,

r_reduction = 동력전달장치와 바퀴 사이의 감속비,

R_wheel = 바퀴의 직경.

상기 항 F_friction 은 아래와 같이 표현될 수 있다.

(방정식 8)

여기서,

ρ_air ₍ _P,T ₎= 압력과 온도의 함수로서의 공기 밀도,

SC_x = 차량의 전면 면적에 항력 계수(coefficient of drag)를 곱한 산출값,

V_vh = 차량의 속도,

K = 타이어의 기준 마찰 계수.

상기 항 F_inertia 은 아래와 같이 표현될 수 있다.

(방정식 9)

여기서,

J_pplant = 동력전달장치의 관성력,

J_wheel = 바퀴의 관성력,

J_reduction = 동력전달장치와 바퀴 사이의 감속 시스템(= 감속 기어 또는 기어박스)의 관성력,

_wheel = 바퀴 속도의 도함수(derivative).

따라서, 상기 항 F_cor은, 사인 함수(sine function)의 일차 전개(first order development)를 고려할 때, 퍼센트로서 표현되는 도로의 경사도, 질량 및 마찰에 비례하여 변한다는 것을 알 수 있다.

동력전달장치에 의해 공급되는 힘 F_pplant과 바퀴의 회전속도 ω_wheel를 알면, 두 개의 항은 보정 힘 F_cor을 정의하는데 충분하다. 이 항들은 마찰력 F_friction과 관성력 F_inertia이다.

방정식 5 내지 9를 사용하면, 상기 항 F_cor을 -1과 +1 사이에서 변하도록 정규화(normalizing)함으로써, 보정 계수 Coeff_cor를 정의하는 것이 가능하다. 상기 보정 계수 Coeff_cor는 아래와 같이 표현된다.

(방정식 10)

여기서,

A: 단지 기어박스 비(gearbox ratio)와 바퀴의 직경에 의존하는 계수,

B와 C는 교정 테이블(calibration tables) 내에서 함께 그룹화된 계수들,

Coeff_cor: 내리막, 차량의 질량의 증가 또는 마찰의 감소를 위한 -100%로부터 오르막, 차량의 질량의 감소 또는 마찰의 증가를 위한 +100%까지 변하는 추정된 보정 계수(%).

도 1은 전기 또는 하이브리드 모터 차량의 회생 제동을 제어하는 방법을 도시한다. 상기 제어 방법의 제1 단계(1) 중에, 상기 보정 계수가 결정된다. 또한, 운전자가 브레이크와 스로틀 페달들을 밟지 않았는지가 결정된다.

제2 단계(2) 중에, 브레이크 페달 상에 가해지는 압력이 없는 회생 제동을 위한 설정값이 회생 제동의 두 개의 설정값 곡선들의 선형보간법(linear interpolation)에 의해 보정 계수의 함수로서 계산된다. 상기 설정값 곡선들은 실질적으로 0의 경사도와 기준 질량과 실질적으로 동일한 차량 질량에 관해 제동 토크를 위한 값을 동력전달장치의 회전 속도의 함수로서 제공한다.

제1 곡선은 보정 계수 Coeff_cor가 증가하는 동안, 브레이크 페달 상에 가해지는 압력이 없는 회생 제동을 위한 최대값을 정의한다.

제2 곡선은 보정 계수 Coeff_cor가 감소하는 동안, 브레이크 페달 상에 가해지는 압력이 없는 회생 제동을 위한 최대값을 정의한다.

따라서, 상기 회생 제동 설정값 C_br _{_} _sp은 아래와 같이 방정식 10의 적용에 의해 결정되는 보정 계수 Coeff_cor의 함수로서 계산된다.

(방정식 11)

여기서,

C_br _{_a_} _sp = 오르막에서 브레이크 페달에 압력이 가해지지 않은 회생 제동을 위한 설정값,

C_br _{_d_} _sp = 내리막에서 브레이크 페달에 압력이 가해지지 않은 회생 제동을 위한 설정값.

이러한 계산은 회생 제동에 있어서의 변화를 경사도, 질량 및 마찰에 있어서의 변화의 함수로서 이용하는 것을 가능하게 한다.

차량이 경험한 경사도에 비선형적으로 의존하는 보정 계수 Coeff_cor에 가중치를 부여하기 위한 가중 인자(weighting factor)를 고려함으로써 보정 계수의 재포맷된 값(reformatted value)을 결정하는 것이 가능하다는 것을 주목하여야 한다.

그 다음에 상기 보정 계수의 재포맷된 값은 방정식 11의 보정 계수 Coeff_cor의 값을 대신한다. 그래서 제3 단계(3)가 상기 제어 방법의 제1 단계(1)와 제2 단계(2) 사이에 개재될 수 있다.

게다가, 상기 보정 계수는 또한 경사도, 질량 및 마찰에 있어서 지나치게 큰 변화와 연관된 엔진 제동(engine braking)에 있어서의 지나치게 갑작스런 변화를 제한하기 위해 필터링 될 수 있다. 따라서, 제4 단계(4)가 상기 제어 방법의 제1 단계(1)와 제2 단계(2) 사이에 개재될 수 있으며, 제3 단계(3)와 함께 개재되는 것도 가능하다.

도 2는 전기 또는 하이브리드 차량의 회생 제동을 제어하기 위한 시스템을 도시한다. 상기 시스템은 보정 계수를 결정하는 수단(5)을 포함하며, 이는 차량의 주행 상태와 질량과 같은 차량의 특성을 평가하기 위한 센서들 또는 수단의 세트(6)와 연결된다. 상기 결정 수단(5)은 또한 입력부에서 스로틀 페달과 브레이크 페달을 밟지 않았는지를 결정할 수 있는 판단 수단(6a)에 연결된다.

보정 계수를 결정하기 위한 상기 결정 수단(5)은 보정 계수를 결정하기 위해 방정식 10을 적용한다.

상기 시스템은 또한 제동 설정값을 결정하기 위한 결정 수단(7)을 포함하며, 이는 입력부에서 보정 계수를 결정하는 상기 결정 수단(5)과 동력전달장치의 회전 속도의 함수로서 두 개의 회생 제동 설정값들의 맵(map)을 포함하는 메모리(8)에 연결된다.

상기 결정 수단(7)은 방정식 11을 적용함으로써 회생 제동 설정값을 보정 계수와 맵들의 함수로서 결정한다.

보정 계수를 주행 상태와 차량의 특성들로부터 파생된 적어도 하나의 값의 함수로서 조절하기 위해, 보정 계수를 결정하는 상기 결정 수단(5)과 제동 설정값을 결정하는 상기 결정 수단(7) 사이에 조절 수단(9)이 연결될 수 있다.

또한, 보정 계수에 있어서의 변화의 진폭을 제한하기 위해, 보정 계수를 결정하는 상기 결정 수단(5)의 출력부에 필터링 수단(10)이 배치될 수 있다. 상기 필터링 수단(10)은 상기 조절 수단(9)과 함께 결부될 수 있으며 또는 배타적으로 사용될 수도 있다.

Claims

전기 또는 하이브리드 동력전달장치를 갖춘 모터 차량의 회생 제동(regenerative braking)을 제어하기 위한 방법으로서,
운전자가 스로틀(throttle) 페달과 브레이크 페달의 어느 것도 밟지 않았는지를 판단하는 단계,
모터에 의해 공급되는 토크(torque), 차량의 속도, 바퀴에서의 각속도, 경사도, 차량의 질량 및 마찰의 함수로서 보정 계수(correction coefficient)를 결정하는 단계, 및
다음으로, 실질적으로 0의 경사도와 상기 차량의 기준 질량과 실질적으로 동일한 차량 질량에 관해, 브레이크 페달에 압력이 가해지지 않은 회생 제동을 위한 설정값(setpoint)을 상기 보정 계수와, 상기 동력전달장치의 회전 속도의 함수로서의 토크의 두 개의 맵(map)의 함수로서 결정하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 제어 방법.
제 1항에 있어서,
상기 보정 계수를 결정하는 단계와 상기 제동 설정값을 결정하는 단계의 사이에 조절 단계를 포함하며, 상기 조절 단계 중에 상기 보정 계수는 경사도, 차량의 질량 또는 차량에 적용되는 마찰을 포함하는 주행 상태와 차량의 특성들로부터 유래된 적어도 하나의 값의 함수로서 조절되는, 제어 방법.
제1항 또는 제2항에 있어서,
상기 보정 계수를 필터링하는 단계를 포함하는 제어 방법.
전기 또는 하이브리드 동력전달장치를 갖춘 모터 차량의 회생 제동(regenerative braking)을 제어하기 위한 시스템으로서,
입력부에서 주행 상태와 차량의 특성을 평가하기 위한 센서들 및/또는 수단의 세트(6)와 스로틀 페달과 브레이크 페달을 밟지 않았는지를 판단할 수 있는 판단 수단(6a)에 연결되어 보정 계수를 결정하는 결정 수단(5), 및
입력부에서 상기 보정 계수를 결정하는 상기 결정 수단(5)과, 상기 동력전달장치의 회전 속도의 함수로서의 회생 제동 설정값들의 두 개의 맵(map)을 포함하는 메모리(8)에 연결되어, 실질적으로 0의 경사도와 차량의 기준 질량과 실질적으로 동일한 차량 질량에 관해, 제동 설정값을 결정하기 위한 결정 수단(7)을 포함하는 것을 특징으로 하는 제어 시스템.
제 4항에 있어서,
상기 보정 계수를 경사도, 차량 질량 또는 차량에 적용되는 마찰을 포함하는 주행 상태와 차량의 특성으로부터 유래된 적어도 하나의 값의 함수로서 조절하기 위해, 상기 보정 계수를 결정하는 상기 결정 수단(5)과 상기 제동 설정값을 결정하는 상기 결정 수단(7) 사이에 연결되는 조절 수단(modulating means)(9)을 포함하는 제어 시스템.
제 4항 또는 제 5항에 있어서,
상기 보정 계수에 있어서의 변화의 진폭을 제한하기 위해, 상기 보정 계수를 결정하는 상기 결정 수단(5)의 출력부에 배치되는 필터링 수단(10)을 포함하는 제어 시스템.