KR102304853B1 - 하이브리드 자동차 및 그 모터 제어 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 하이브리드 자동차 및 그 제어 방법에 관한 것으로, 보다 상세히는 전기 모터의 운전점을 제어하여 회생제동의 효율을 상승시킬 수 있는 하이브리드 자동차 및 그 제어방법에 관한 것이다. 본 발명의 일 실시예에 따른 하이브리드 자동차의 제어 방법은, 전기 모터의 발전 모드 동작을 위한 제1 토크가 결정되는 단계; 상기 전기 모터의 상기 제1 토크 및 속도가, 상기 발전 모드 동작을 통한 배터리 충전이 가능한 운전점에 해당하는지 여부를 판단하는 단계; 및 상기 판단 결과, 상기 배터리 충전이 불가능한 운전점에 해당하는 경우, 상기 제1 토크를 상기 배터리 충전이 가능한 운전점에 해당하는 제2 토크로 변경하는 단계를 포함할 수 있다.

Description

하이브리드 자동차 및 그 모터 제어 방법{HYBRID VEHICLE AND METHOD OF CONTROLLING ELECTRIC MOTOR OF THE SAME}
본 발명은 하이브리드 자동차 및 그 제어 방법에 관한 것으로, 보다 상세히는 전기 모터의 운전점을 제어하여 회생제동의 효율을 상승시킬 수 있는 하이브리드 자동차 및 그 제어방법에 관한 것이다.
하이브리드 자동차(HEV: Hybrid Electric Vehicle)란 일반적으로 두 가지 동력원을 함께 사용하는 차를 말하며, 두 가지 동력원은 주로 엔진과 전기모터가 된다. 이러한 하이브리드 자동차는 내연기관만을 구비한 차량에 비해 연비가 우수하고 동력성능이 뛰어날 뿐만 아니라 배기가스 저감에도 유리하기 때문에 최근 많은 개발이 이루어지고 있다.
도 1은 일반적인 하이브리드 자동차의 파워 트레인 구조의 일례를 나타낸다.
도 1을 참조하면, 내연기관 엔진(ICE, 110)과 변속기(150) 사이에 전기 모터(또는 구동용 모터, 140)와 엔진클러치(EC: Engine Clutch, 130)를 장착한 병렬형(Parallel Type) 하이브리드 시스템을 채용한 하이브리드 자동차의 파워 트레인이 도시된다. 특히, 전기 모터(140)가 바로 변속기(150)에 붙어 있는 구조로 인해, 이러한 구조를 TMED(Transmission Mounted Electric Device) 방식이라 칭하기도 한다.
이러한 차량에서는 일반적으로 시동후 운전자가 엑셀레이터를 밟는 경우, 엔진 클러치(130)가 오픈된 상태에서 먼저 고전압 배터리(160)의 전력을 이용하여 모터(140)가 구동되고, 모터의 동력이 변속기(150) 및 종감속기(FD: Final Drive, 미도시)를 거쳐 바퀴가 움직이게 된다(즉, EV 모드). 차량이 서서히 가속되면서 점차 더 큰 구동력이 필요하게 되면, 보조 모터(또는, 시동발전 모터, 120)가 동작하여 엔진(110)을 구동할 수 있다.
그에 따라 엔진(110)과 모터(140)의 회전속도가 동일해 지면 비로소 엔진 클러치(130)가 맞물려 엔진(110)과 모터(140)가 함께, 또는 엔진(110)이 차량를 구동하게 된다(즉, EV 모드에서 HEV 모드 천이). 차량이 감속되는 등 기 설정된 엔진 오프 조건이 만족되면, 엔진 클러치(130)가 오픈되고 엔진(110)은 정지된다(즉, HEV 모드에서 EV 모드 천이). 또한, 하이브리드 차량에서는 제동시 휠의 구동력을 전기 에너지로 변환하여 배터리를 충전할 수 있으며, 이를 제동에너지 회생, 또는 회생 제동이라 한다.
시동발전 모터(120)는 엔진에 시동이 걸릴 때에는 스타트 모터의 역할을 수행하며, 시동이 걸린 후 또는 시동 오프시 엔진의 회전 에너지 회수시에는 발전기로 동작하기 때문에 "하이브리드 스타트 제너레이터(HSG: Hybrid Start Generator)"라 칭할 수 있으며, 경우에 따라 "보조 모터"라 칭할 수도 있다.
HSG(120)와 전기 모터(140)의 전기 흐름 관점에서 설명하면, 고전압 배터리(160)는 DC 전압을 출력하며, DC 전압을 인버터(180)가 토크 지령과 전기 모터(140)의 속도에 따라 적절하게 AC로 변환한다. 변환된 AC 전압은 전기 모터(140)와 HSG(120)에 공급되어 차량을 구동하거나 엔진 시동을 수행할 수 있게 된다. 반대로, 인버터(180)는 주행 중인 차량의 구동력이나 회생 제동에 의한 전기 모터(140)/HSG(120)의 역기전력을 DC로 변환해줌으로써 고전압 배터리(160)가 충전되도록 할 수도 있다.
이하에서는 도 2를 참조하여 전기 모터의 충방전 여부에 따른 고전압 계통의 에너지 흐름을 설명한다.
도 2는 일반적인 하이브리드 차량에서 전기 모터의 동작에 따른 에너지 흐름을 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 2를 참조하면, 하이브리드 차량에서 전기 모터(140)가 방전 모드로 동작할 경우 구동을 위한 전기 에너지가 배터리(160)로부터 인버터(180)를 거쳐 전기 모터(140)로 전달된다. 반대로, 전기 모터(140)가 충전 모드로 동작할 경우 전기 모터(140)에서 발전된 충전 에너지가 인버터(180)를 거쳐 배터리(160)로 전달된다.
전기 모터(140)가 (+) 방향으로 일정한 속도로 회전한다고 가정할 때, 구동력을 발생시키는 방전 모드에서는 모터 토크가 (+) 값을 갖고, 충전 모드에서는 모터 토크가 (-) 값을 갖게 된다.
그런데, 모터의 동손(copper loss)을 포함한 에너지 전달 경로 상의 손실이, 발전에 의한 충전 에너지보다 크게 되는 일부 모터의 운전점에서 발생할 수 있다. 따라서, 운전자는 회생 제동이 발생하는 경우 배터리가 항시 충전될 것을 기대하나, 실제로는 모터의 운전점에 따라 방전이 되는 경우까지 발생할 수 있는 문제점이 있다.
본 발명은 보다 효율적인 주행이 가능한 하이브리드 차량 및 그 제어 방법을 제공하기 위한 것이다.
특히, 본 발명은 전기 모터가 충전 모드로 동작하는 상황에서 실제 충전이 불가한 경우, 충전이 가능하도록 제어하는 방법 및 그를 수행하는 차량을 제공하기 위한 것이다.
본 발명에서 이루고자 하는 기술적 과제들은 이상에서 언급한 기술적 과제들로 제한되지 않으며, 언급하지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
상기와 같은 기술적 과제를 해결하기 위하여, 본 발명의 일 실시예에 따른 하이브리드 자동차의 제어 방법은, 전기 모터의 발전 모드 동작을 위한 제1 토크가 결정되는 단계; 상기 전기 모터의 상기 제1 토크 및 속도가, 상기 발전 모드 동작을 통한 배터리 충전이 가능한 운전점에 해당하는지 여부를 판단하는 단계; 및 상기 판단 결과, 상기 배터리 충전이 불가능한 운전점에 해당하는 경우, 상기 제1 토크를 상기 배터리 충전이 가능한 운전점에 해당하는 제2 토크로 변경하는 단계를 포함할 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 하이브리드 차량은, 전기 모터; 및 상기 전기 모터의 발전 모드 동작을 위한 제1 토크를 결정하고, 상기 전기 모터의 상기 제1 토크 및 속도가, 상기 발전 모드 동작을 통한 배터리 충전이 가능한 운전점에 해당하는지 여부를 판단하여, 상기 판단 결과, 상기 배터리 충전이 불가능한 운전점에 해당하는 경우, 상기 제1 토크를 상기 배터리 충전이 가능한 운전점에 해당하는 제2 토크로 변경하는 하이브리드 제어기; 및 상기 제2 토크에 대응되는 토크 지령에 따라 상기 전기 모터를 제어하는 모터 제어기를 포함할 수 있다.
상기와 같이 구성되는 본 발명의 적어도 하나의 실시예에 관련된 하이브리드 자동차는 보다 효율적으로 전기 모터를 통해 배터리를 충전할 수 있다.
특히, 전기 모터가 충전 모드로 동작하는 상황에서 실제 충전 가능 여부를 판단하고, 불가능할 경우 전기 모터의 운전점을 변경하여 충전이 가능하도록 할 수 있다.
본 발명에서 얻을 수 있는 효과는 이상에서 언급한 효과들로 제한되지 않으며, 언급하지 않은 또 다른 효과들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
도 1은 일반적인 하이브리드 자동차의 파워 트레인 구조의 일례를 나타낸다.
도 2는 일반적인 하이브리드 차량에서 전기 모터의 동작에 따른 에너지 흐름을 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 하이브리드 차량에 제어 개념을 설명하기 위한 도면이다.
도 4는 도 3의 (A) 영역을, 도 5는 도 3의 (B) 영역을 각각 설명하기 위한 도면이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 충전 불가 영역을 확인하는 방법을 설명하기 위한 도면이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 충전 불가 영역 맵을 작성하는 과정의 일례를 나타내는 순서도이다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 충전 불가 영역 맵의 형태의 일례를 나타낸다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 하이브리드 자동차의 제어 과정의 일례를 나타낸다.
도 10은 본 발명의 실시예들이 적용될 수 있는 하이브리드 자동차의 제어 계통의 일례를 나타내는 블럭도이다.
도 11은 전기 모터의 현재 운전점이 (A) 영역에 해당할 경우, 도 12는 (B) 영역에 해당할 경우의 제동 토크 재분배에 따른 효과를 각각 설명하기 위한 도면이다.
아래에서는 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시 예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시 예에 한정되지 않는다. 그리고 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다.
명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성 요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다. 또한, 명세서 전체에 걸쳐서 동일한 참조번호로 표시된 부분들은 동일한 구성요소들을 의미한다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 하이브리드 차량에 제어 개념을 설명하기 위한 도면이다.
도 3을 참조하면, 하이브리드 차량에 구비되는 전기 모터의 운전점 그래프가 도시된다. 도 3에서 가로축은 전기 모터의 속도를, 세로축은 토크를 각각 나타낸다. 그래프에서 전기 모터가 한 방향으로 회전할 때(속도>0), 토크가 양의 값인 영역은 전기 모터가 방전 모드로 동작하는 구동 영역을 나타내고, 토크가 음의 값인 영역은 전기 모터가 충전 모드로 동작하는 충전 영역을 나타낸다.
충전 영역에는 속도가 비교적 낮은 영역에 충전 영역에 속함에도 불구하고 실제로 배터리가 충전되지 않는 영역(이하, 편의상 "충전 불가 영역"이라 칭함)인 (A) 영역과 (B) 영역이 존재한다. 즉, 전기 모터의 운전점이 (A) 영역이나 (B) 영역에 해당하는 경우에는 배터리가 충전되지 않는다.
따라서, 본 발명의 일 실시예에서는 전기 모터의 현재 운전점이 충전 불가 영역에 위치하는 경우, 운전점을 충전 불가 영역이 아닌 충전 영역으로 변경되도록 할 것을 제안한다. 여기서, "현재 운전점"이라 함은, 현재 모터의 속도와 초기 결정된 전기 모터의 토크로 정의되는 운전점을 의미한다. 또한, "초기 결정된 전기 모터의 토크"라 함은, 총 제동 요구 토크를 기 설정된 기준에 따라 브레이크와 전기 모터에 각각 분배된 제동 토크 중 전기 모터에 할당된 토크를 의미한다.
또한, 전기 모터의 운전점이 충전 불가 영역에 위치하는지 여부를 판단하기 위한 방법으로 미리 설정된 충전 불가 영역에 대한 정보를 참조할 것을 제안한다. 예컨대, 충전 불가 영역에 대한 정보는, 전기 모터의 속도와 토크에 따라 작성된 맵 형태일 수 있다.
또한, 충전 불가 영역에서 충전 불가 영역이 아닌 충전 영역으로 운전점을 변경함에 있어서는 토크를 변경하는 방법이 고려될 수 있다. 물론, 도 3에 도시된 형태로 충전 불가 영역이 발생하는 경우 전기 모터의 속도가 일정 값 이상이 되면 자연히 운전점이 충전 불가 영역에 해당하지 않게 되나, 전기 모터의 운전점이 충전 영역에 위치하는 경우는 회생 제동이 수행되는 경우가 많다. 따라서, 회생 제동으로 인한 감속에 의해 모터 회전 속도가 감소하게 되는 것이 일반적이며, 기어 변속이 발생하는 경우에도 모터의 회전 속도가 변동될 수 있기 때문에, 전기 모터의 속도보다는 비교적 회생 제동시 제어에 제약이 적은 토크를 제어하는 것이 바람직할 수 있다. 예컨대, 도 3에서 전기 모터의 현재 운전점이 (A) 영역에 위치하는 경우 토크의 절대값을 증대시키는 제어가, 현재 운전점이 (B) 영역에 위치하는 경우 토크의 절대값을 감소시키는 제어가 각각 수행된다면 운전점이 충전 불가 영역을 벗어날 수 있게 된다. 다만, 하이브리드 차량에서는 총 제동 토크(TALL)가 마찰 브레이크의 제동 토크(TB)와 전기 모터의 회생 제동 토크(TM)의 합이 된다. 따라서, 전기 모터의 회생 제동 토크를 제어함에 있어서는 총 제동 토크와 브레이크의 제동 토크가 함께 고려되어야 한다. 여기에 대해서는 보다 상세히 후술하기로 한다.
이하에서는 도 4 및 도 5를 참조하여 각 충전 불가 영역에 대하여 설명한다.
도 4는 도 3의 (A) 영역을, 도 5는 도 3의 (B) 영역을 각각 설명하기 위한 도면이다.
먼저, 도 4를 참조하여 (A) 영역을 설명한다.
전기 모터(140)의 운동 에너지(Pm: Mechanical Power)는 모터 속도(w)와 토크(T)의 곱으로 표현될 수 있는데, (A) 영역은 속도와 토크의 크기가 모두 낮은 영역에 위치한다(도 3 참조). 따라서, 기본적으로 전기 모터가 발전을 통해 전기 에너지로 전환할 수 있는 운동 에너지의 크기가 작다.
이러한 상황에서 전기 모터(140)의 동손은 물론, 인버터(180)를 거쳐 배터리(160)로 도달하는 과정에서 인버터 손실과 케이블 손실로 인하여 배터리(160)에 도달하는 발전 전력이 손실된다.
그런데, 충전이 가능하기 위해서는 배터리(160)에 도달하는 발전 파워가 배터리의 파워(Pe: Electrical Power, 배터리 전압과 배터리 전류의 곱)보다 커야 한다. 다시 말하면, Pm의 절대값에서 Pe의 절대값을 차감한 값이 전체 손실(즉, 인버터 손실과 케이블 손실의 합)보다 커야 한다.
결국, 전기 모터의 운전점이 충전 영역에 위치하더라도 Pm 값이 충분히 크지 못한 경우 배터리(160)가 충전될 수 없으며, 이러한 운전점들이 모여 (A) 영역을 이루게 된다.
다음으로, 도 5를 참조하여 (B) 영역을 설명한다.
도 5에서 가로축은 토크를, 세로축은 파워를 각각 나타낸다. 물론, 발전 파워의 전류는 토크에 비례하므로, 가로축은 전류에도 비례하는 것으로 볼 수 있다. 또한, 토크의 크기에 따라 전체 그래프가 세 개의 영역으로 구분될 수 있다. 영역 1은 전기 모터의 토크가 음의 값이라도 배터리 파워가 양의 값(즉, 방전)을 갖는 영역이고, 영역 2는 전기 모터의 토크가 음의 값이며 배터리 파워가 음의 값(즉, 충전)을 갖는 영역이다. 또한, 영역 3은 전기 모터의 토크가 양의 값이며 배터리 파워가 양의 값을 갖는 영역이다. 이러한 영역별 특성을 정리하면 아래 표 1과 같다.
영역1 영역2 영역3
Pm 충전파워 충전파워 방전파워
Pe 방전파워 충전파워 방전파워
손실과
입력 파워 관계		 Pm<손실 Pm>손실 Pe>손실
결국, 영역 1과 영역 2는 충전 영역에 속하며, 영역 3은 구동 영역에 속하나, 영역 1에서는 충전 영역임에도 배터리가 충전되지 않고 방전되기 때문에(Pe>0, Pm<손실) 영역 1은 (B) 영역에 해당하는 것으로 볼 수 있다.
(B) 영역은 도 3에 도시된 바와 같이, (A) 영역과 모터 속도 범위는 유사하나 상대적으로 토크가 큰 영역이다. 이러한 (B) 영역에서는 도 5에 도시된 바와 같이 토크가 커질수록 발전 파워의 전류도 커지며, 동손은 전류의 제곱에 비례하기 때문에 토크 상승에 따라 손실은 더욱 크게 되어, 배터리 충전이 불가해지는 것이다.
따라서, 전기 모터의 운전점이 영역 1에 있는 경우 토크의 크기를 감소시켜 영역 2로 운전점을 옮기는 경우 배터리가 충전될 수 있다.
상술한 바와 같이, 전기 모터의 현재 운전점이 충전 불가 영역에 해당하는 경우, 토크를 변경시켜 운전점이 충전 불가 영역을 이탈하도록 하면 배터리 충전이 가능해지나, 이를 위해서는 현재 운전점이 충전 불가 영역인지 먼저 판단될 필요가 있다. 또한, 충전 불가 영역 중에서도 (A) 영역인지 (B) 영역인지 여부가 판단되어야 토크를 증가시켜 충전 불가 영역을 이탈할지, 토크를 감소시켜 충전 불가 영역을 이탈할지 여부가 결정될 수 있다. 따라서, 본 발명의 일 실시예에서는 충전 불가 영역의 맵(이하, 편의상 "충전 불가 영역 맵"이라 칭함)을 작성하고, 이를 참조하여 현재 운전점과 충전 불가 영역 이탈을 위한 토크 조절 방향이 결정되도록 할 것을 제안한다.
충전 불가 영역 맵이 작성되기 위해서는 먼저 전기 모터의 현재 운전점이 충전 불가 영역인지 여부를 확인할 방법이 필요하며, 본 실시예에서는 다음과 같은 확인 방법이 적용될 수 있다.
먼저, 도 4와 관련하여 전술된 바와 같이 Pe, Pm과 손실의 관계식을 이용하는 방법이 있다. 다만, 이를 위해서는 손실이 계산되기 어렵다는 문제점이 있다. 따라서, 배터리/전기 모터의 파워와 손실을 함께 고려하는 대신 배터리의 전류값을 측정하는 방법이 적용될 수 있는데, 이를 도 6을 참조하여 설명한다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 충전 불가 영역을 확인하는 방법을 설명하기 위한 도면이다.
도 6을 참조하면, 전기 모터(140)의 파워(P_Mot)가 토크(T)와 속도(W)의 곱으로 구해질 수 있더라도, 실제 배터리에 전달되는 전력은 손실에 따라 상이하게 된다. 다만, 배터리의 파워(P_Bat)를 결정하는 요소인 DC 전류(I_DC)는 충전이 되는 경우 음수 값을 갖게 되고, 방전이 되는 경우 양수 값을 갖게 된다.
따라서, 도 7과 같은 방법으로 맵이 작성될 수 있다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 충전 불가 영역 맵을 작성하는 과정의 일례를 나타내는 순서도이다.
도 7을 참조하면, 먼저 전기 모터의 운전점이 충전 영역에 있을 경우(예컨대, 속도가 + 값이고, 토크가 - 값인 경우), 속도별, 토크별 DC 전류가 측정될 수 있다(S710).
측정 된 DC 전류 값의 부호에 따라(S720), (-)인 경우 해당 운전점(속도 및 토크)은 충전 가능 영역으로 기록되며(S730A), (+)인 경우 해당 운전점은 충전 불가 영역으로 맵에 기록될 수 있다(S730B).
도 7의 과정은 개별 하이브리드 차량에서 수행될 수도 있고, 실험실 환경에서 수행될 수도 있다. 개별 하이브리드 차량에서 수행되는 경우, 실도로 환경에서 인버터(180)의 DC단의 전류 값을 측정하거나, BMS(Battery Management System)가 관리하는 배터리의 DC 전류 값이 사용될 수 있다. 이와 달리, 차량 제조사의 실험실 환경에서 수행되는 경우, 배터리에 직접 전류 센서를 연결하는 방법도 적용될 수 있다. 물론, 이러한 측정 방식은 예시적인 것으로, 배터리의 DC 전류를 측정할 수 있다면 어떠한 방식에도 제한되지 아니한다. 개별 하이브리드 차량에서 맵 작성이 수행되는 경우, 본 절차는 일정 주기로 수행될 수도 있으며, 실험실 환경에서 작성되는 경우 작성된 맵을 차량 또는 관련 제어기 생산시에 주입하고, 진단통신이나 무선 업데이트 등을 통해 갱신하는 방법이 적용될 수도 있다.
전술된 과정을 통해 작성된 맵은 도 8과 같은 형태로 해석될 수 있다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 충전 불가 영역 맵의 형태의 일례를 나타낸다.
도 8을 참조하면, 속도와 토크를 각각의 축으로 하는 2차원 그래프 형태의 충전 불가 영역 맵이 도시된다. 전기 모터의 현재 토크와 속도에 따른 운전점(Tm)이 (A) 영역에 속하는 경우 토크의 크기를 증가시키는 제어가 수행되고, (B) 영역에 속하는 경우 토크의 크기를 감소시키는 제어가 수행됨에 따라 변경된 운전점(Tm_new)에서는 배터리 충전이 수행될 수 있다. 이때, 변경된 운전점(Tm_new)의 토크는 해당 속도에서 (A) 영역의 가장 큰 토크와 (B) 영역의 가장 작은 토크 사이에서 결정되되, 그 값이 클수록 충전량이 커질 수 있다.
물론, 도 8에 도시된 맵의 형태는 예시적인 것으로, 충전 불가 영역 맵은 반드시 그 용어에 한정되는 형태를 가질 필요는 없다. 예컨대, 충전 불가 영역 맵은 참조 테이블의 형태가 될 수도 있다.
한편, 운전자의 브레이크 페달 조작이나 첨단 운전 보조 시스템(ADAS)/스마트 크루즈 컨트롤(SCC) 등의 운전 보조 기능의 개입에 의해 제동 토크가 필요함에 따라 회생 제동이 수행될 경우 전기 모터의 운전점이 충전 영역으로 오게 되는 것이 보통이다. 따라서, 전기 모터 관점이 아닌 하이브리드 차량 전체 관점에서는 전술된 바와 같이 모터의 토크를 변경하는 데에는 총 제동 토크와 브레이크의 토크가 함께 고려되어야 한다.
전술한 기재를 바탕으로, 총 제동 토크와 브레이크 토크가 함께 고려될 때 하이브리드 차량의 전체 제동 제어 절차를 도 9를 참조하여 설명한다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 하이브리드 자동차의 제어 과정의 일례를 나타낸다.
도 9를 참조하면, 먼저 운전자 제동 토크가 발생한다(S910). 여기서 운전자 제동 토크가 발생한다고 함은, 운전자가 브레이크 페달을 조작함에 따라 조작량(즉, BPS 값)에 대응되는 제동 토크가 요청됨을 의미할 수 있다. 물론, 이러한 제동 토크는 브레이크 페달 조작이 없는 경우라도 다른 운전 보조 기능에 의해서도 요청될 수 있음은 전술된 바와 같다.
발생한 제동 토크는 브레이크 토크와 회생 제동에 따른 모터 토크의 합산 토크로 구성되므로, 총 제동 토크(Tall)라 칭할 수 있다. 총 제동 토크(Tall)가 BPS 값 등을 통해 결정되면, 총 제동 토크는 하이브리드 차량에 미리 설정된 기준에 따라 모터 토크(Tm)와 브레이크 토크(Tb)로 배분될 수 있다(S920). 여기서 미리 설정된 토크 분배 기준은 차량마다 상이하게 설정될 수 있음은 물론이다.
결정된 모터 토크(Tm)와 현재 모터 속도(즉, 전기 모터의 현재 운전점)를 미리 결정된 충전 불가 영역 맵에 적용하는 방법으로 현재 운전점이 (A) 영역, (B) 영역, 또는 그 외의 충전 영역에 해당하는지 여부가 판단될 수 있다(S930).
판단 결과, 현재 운전점이 (A) 영역에 해당하는 경우, 현재 모터 속도에서 모터가 충전 모드로 동작할 수 있는 최대 토크(Tm_max)가 판단될 수 있다(S940A). 이때, 최대 토크(Tm_max)는 현재 속도에 대한 (A) 영역의 최대 토크보다는 크되, 해당 모터에 현재 속도에서 허용된 최대 충전 토크와 (B) 영역이 시작되는 토크(즉, 현재 속도에 대한 (B) 영역의 최소 토크) 중 작은 값일 수 있다.
판단된 최대 토크(Tm_max)와 총 제동 토크(Tall)를 비교한 결과(S950), 총 제동 토크(Tall)가 더 크면 최종 모터 토크(Tm_new)가 판단된 최대 토크(Tm_max)로 증대된다(S960A).
모터 토크가 증가하나, 총 제동 토크를 만족시키기 위해서는 모터 토크 증가분만큼 브레이크 토크가 감소되어야 한다(S970A). 따라서, 모터 토크 변동에 따른 최종 브레이크 토크(Tb_new)는 총 제동 토크(Tall)에서 최종 모터 토크(Tm_new)를 차감한 값이 된다.
이와 달리, 판단된 최대 토크(Tm_max)와 총 제동 토크(Tall)를 비교한 결과(S950), 총 제동 토크(Tall)가 더 크지 않은 경우에는 총 제동 토크(Tall)가 최종 모터 토크(Tm_new)가 된다. 이러한 경우, 모터의 토크가 총 제동 토크를 모두 감당하게 되므로 최종 브레이크 토크(Tb_new)는 0이 된다(S970B).
이와 달리, S930 단계에서 현재 운전점이 (B) 영역으로 판단된 경우, 현재 모터 속도에서 모터가 충전 모드로 동작할 수 있는 최대 토크(Tm_max)가 판단될 수 있다(S940C). 이때, 최대 토크(Tm_max)는 현재 속도에 대한 (A) 영역의 최대 토크보다는 크되, (B) 영역이 시작되는 토크보다 작은 값일 수 있다.
다만, 본 경우는 (A) 영역의 경우와 달리, 모터 토크는 감소하는 방향으로만 작용하기 때문에 총 제동 토크(Tall)보다 최종 모터 토크(Tm_new)가 큰 경우는 발생하지 않는다. 따라서, (A) 영역의 경우 수행되는 S950 단계에 대응되는 과정이 생략된다.
최종 모터 토크(Tm_new)는 판단된 최대 토크(Tm_max)로 감소되며(S960C), 총 제동 토크를 만족시키기 위해서는 모터 토크 감소분만큼 브레이크 토크가 증대되어야 한다(S970C). 따라서, 모터 토크 변동에 따른 최종 브레이크 토크(Tb_new)는 총 제동 토크(Tall)에서 최종 모터 토크(Tm_new)를 차감한 값이 된다.
제동 토크 재분배(Tall = Tm_new + Tb_new)가 완료되면, 그에 따른 제동이 수행될 수 있다(S980).
한편, S930 단계에서 현재 운전점이 충전 불가 영역이 아닌 것으로 판단되면, 초기 배분된 제동량에 따라 제동이 수행될 수 있다(S990).
다음으로, 도 10을 참조하여 본 실시예에 따른 하이브리드 차량의 제어 계통을 설명한다.
도 10은 본 발명의 실시예들이 적용될 수 있는 하이브리드 자동차의 제어 계통의 일례를 나타내는 블럭도이다.
도 10을 참조하면, 본 발명의 실시예들이 적용될 수 있는 하이브리드 자동차에서 내연기관(110)은 엔진 제어기(210)가 제어하고, 시동발전 모터(120) 및 전기 모터(140)는 모터 제어기(MCU: Motor Control Unit, 220)에 의해 토크가 제어될 수 있으며, 엔진 클러치(130)는 클러치 제어기(230)가 각각 제어할 수 있다. 여기서 엔진 제어기(210)는 엔진 제어 시스템(EMS: Engine Management System)이라도 한다. 또한, 변속기(150)는 변속기 제어기(250)가 제어하게 된다. 경우에 따라, 모터 제어기(220)는 인버터(180)로 구현될 수 있으며, 시동발전 모터(120)의 제어기와 전기 모터(140) 각각을 위한 제어기가 별도로 구비될 수도 있다.
각 제어기는 그 상위 제어기로서 모드 전환 과정 전반을 제어하는 하이브리드 제어기(HCU: Hybrid Controller Unit, 240)와 연결되어, 하이브리드 제어기(240)의 제어에 따라 주행 모드 변경, 기어 변속시 엔진 클러치 제어에 필요한 정보, 회생 제동량 결정 및/또는 엔진 정지 제어에 필요한 정보를 그(240)에 제공하거나 제어 신호에 따른 동작을 수행할 수 있다.
보다 구체적으로, 하이브리드 제어기(240)는 차량의 운행 상태에 따라 모드 전환 수행 여부를 결정한다. 일례로, 하이브리드 제어기는 엔진 클러치(130)의 해제(Open) 시점을 판단하고, 해제시에 유압(습식 EC인 경우)제어나 토크 용량 제어(건식 EC인 경우)를 수행한다. 또한, 하이브리드 제어기(240)는 EC의 상태(Lock-up, Slip, Open 등)를 판단하고, 엔진(110)의 연료분사 중단 시점을 제어할 수 있다. 또한, 하이브리드 제어기는 엔진 정지 제어를 위해 시동발전 모터(120)의 토크를 제어하기 위한 토크 지령을 모터 제어기(220)로 전달하여 엔진 회전 에너지 회수를 제어할 수 있다. 아울러, 하이브리드 제어기(240)는 적응형 모드 전환 제어시 모드 전환 조건의 판단 및 전환을 위한 하위 제어기의 제어가 가능하다.
특히, 본 실시예와 관련하여 하이브리드 제어기(240)는 전술한 도 9에 도시된 제동 토크의 초기 분배 과정(S920), 모터 제어기(220)로부터 전달된 전기 모터의 속도 정보와 초기 분배된 토크를 이용한 충전 불가 영역 맵의 조회에 따른 현재 운전점 판단(S930) 등 제동 제어 절차에 관한 전반적인 판단을 수행할 수 있다.
이와 달리, S930 단계 내지 S960A, S970B 또는 S960C 단계까지는 모터 제어기(220)에서 수행될 수도 있다. 이러한 경우, 모터 제어기(220)는 최종 모터 토크(Tm_new)를 하이브리드 제어기(240)에 전달하며, 하이브리드 제어기(240)가 총 제동 토크(Tall)에서 전달받은 최종 모터 토크(Tm_new)를 차감하여 최종 브레이크 토크(Tb_new)를 결정하여 마찰 브레이크를 제어하는 제동 제어기(미도시)에 알려줄 수도 있다.
물론, 상술한 제어기간 연결관계 및 각 제어기의 기능/구분은 예시적인 것으로 그 명칭에도 제한되지 아니함은 당업자에 자명하다. 예를 들어, 하이브리드 제어기(240)는 그를 제외한 다른 제어기들 중 어느 하나에서 해당 기능이 대체되어 제공되도록 구현될 수도 있고, 다른 제어기들 중 둘 이상에서 해당 기능이 분산되어 제공될 수도 있다.
아울러, 본 발명은 TMED 방식의 하이브리드 차량을 상정하여 기술하였으나, 전기 모터를 통해 회생 제동을 수행할 수 있는 차량이라면, 어떠한 타입의 하이브리드 차량은 물론 전기차에도 적용될 수 있다.
상술한 본 실시예에 따른 제어의 효과를 도 11 및 도 12를 참조하여 설명한다.
도 11은 전기 모터의 현재 운전점이 (A) 영역에 해당할 경우, 도 12는 (B) 영역에 해당할 경우의 제동 토크 재분배에 따른 효과를 각각 설명하기 위한 도면이다.
도 11과 도 12에서 각 그래프들의 가로축은 공통적으로 시간을 나타내며, 좌측 그래프들는 일반적인 제어에 의한 결과를, 우측 그래프들 본 실시예에 따른 제어에 의한 결과를 각각 나타낸다. 또한, 도 11과 도 12에서 상단 그래프들은 제동 토크 변동을, 하단 그래프들은 배터리 전압 변동을 각각 나타낸다.
먼저, 도 11의 좌측 그래프를 참조하면, 제동 토크가 발생함에 따라 기 설정된 기준에 따라 회생 제동을 위한 모터 토크(Tm)와 브레이크 토크(Tb)가 분배되어 제동이 수행된다. 그런데, 속도가 감소함에 따라 모터의 운전점이 충전 불가 영역(A)에 위치하게 되는 시점부터는 회생 제동이 수행되더라도 배터리 전압이 떨어진다. 그러나, 우측 그래프와 같이 충전 불가 영역에 도달할 시점에 전기 모터의 토크가 증대되면, 토크가 기존 제어 대비 증대된 동안 배터리가 충전될 수 있다.
다음으로, 도 12의 좌측 그래프를 참조하면, 제동 토크가 발생함에 따라 기 설정된 기준에 따라 회생 제동을 위한 모터 토크(Tm)와 브레이크 토크(Tb)가 분배되어 제동이 수행된다. 그런데, 속도가 감소함에 따라 모터의 운전점이 충전 불가 영역(B)에 위치하게 되는 시점부터는 회생 제동이 수행되더라도 배터리 전압이 떨어진다. 그러나, 우측 그래프와 같이 충전 불가 영역에 도달할 시점에 전기 모터의 토크가 감소되면, 토크가 기존 제어 대비 감소된 동안 배터리가 충전될 수 있다.
전술한 본 발명은, 프로그램이 기록된 매체에 컴퓨터가 읽을 수 있는 코드로서 구현하는 것이 가능하다. 컴퓨터가 읽을 수 있는 매체는, 컴퓨터 시스템에 의하여 읽혀질 수 있는 데이터가 저장되는 모든 종류의 기록장치를 포함한다. 컴퓨터가 읽을 수 있는 매체의 예로는, HDD(Hard Disk Drive), SSD(Solid State Disk), SDD(Silicon Disk Drive), ROM, RAM, CD-ROM, 자기 테이프, 플로피 디스크, 광 데이터 저장 장치 등이 있다.
따라서, 상기의 상세한 설명은 모든 면에서 제한적으로 해석되어서는 아니되고 예시적인 것으로 고려되어야 한다. 본 발명의 범위는 첨부된 청구항의 합리적 해석에 의해 결정되어야 하고, 본 발명의 등가적 범위 내에서의 모든 변경은 본 발명의 범위에 포함된다.

Claims (19)

  1. 전기 모터의 발전 모드 동작을 위한 제1 토크가 결정되는 단계;
    상기 전기 모터의 상기 제1 토크 및 속도가, 상기 발전 모드 동작을 통한 배터리 충전이 가능한 운전점에 해당하는지 여부를 판단하는 단계; 및
    상기 판단 결과, 상기 배터리 충전이 불가능한 운전점에 해당하는 경우, 상기 제1 토크를 상기 배터리 충전이 가능한 운전점에 해당하는 제2 토크로 변경하는 단계를 포함하는, 하이브리드 차량의 제어 방법.
  2. 제1 항에 있어서,
    총 제동 토크가 결정되는 단계를 더 포함하되,
    상기 총 제동 토크를 상기 전기 모터의 회생 제동 토크와 마찰 제동 토크인 제3 토크로 분배하는 단계를 더 포함하되,
    상기 제1 토크는, 상기 회생 제동 토크에 대응되는, 하이브리드 차량의 제어 방법.
  3. 제2 항에 있어서,
    상기 제1 토크가 상기 제2 토크로 변경됨에 따라, 상기 총 제동 토크를 고려하여 상기 제3 토크를 제4 토크로 변경하는 단계를 더 포함하는, 하이브리드 차량의 제어 방법.
  4. 제1 항에 있어서,
    상기 판단하는 단계는,
    기 설정된 맵에 상기 제1 토크 및 상기 속도를 대응시키는 단계를 포함하되,
    상기 기 설정된 맵은,
    상기 전기 모터의 속도별, 토크별로 상기 발전 모드 동작을 통한 배터리 충전이 가능한 충전 가능 영역과, 상기 배터리 충전이 불가능한 적어도 하나의 충전 불가 영역을 포함하는, 하이브리드 차량의 제어 방법.
  5. 제4 항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 충전 불가 영역은,
    제1 충전 불가 영역 및 제2 충전 불가 영역을 포함하되,
    상기 제1 충전 불가 영역은 상기 제2 충전 불가 영역보다 더 작은 토크를 갖는 영역인, 하이브리드 차량의 제어 방법.
  6. 제5 항에 있어서,
    상기 변경하는 단계는,
    상기 제1 토크 및 상기 속도가 상기 제1 충전 불가 영역에 해당하는 경우, 상기 제2 토크를 상기 제1 토크보다 더 크되, 상기 제1 충전 불가 영역에 해당하지 않는 값으로 결정하는 단계를 포함하는, 하이브리드 차량의 제어 방법.
  7. 제6 항에 있어서,
    상기 제2 토크는,
    상기 속도에서 상기 제2 충전 불가 영역의 최소 토크보다 작은, 하이브리드 차량의 제어 방법.
  8. 제5 항에 있어서,
    상기 변경하는 단계는,
    상기 제1 토크 및 상기 속도가 상기 제2 충전 불가 영역에 해당하는 경우, 상기 제2 토크를 상기 제1 토크보다 더 작되, 상기 제2 충전 불가 영역에 해당하지 않는 값으로 결정하는 단계를 포함하는, 하이브리드 차량의 제어 방법.
  9. 제8 항에 있어서,
    상기 제2 토크는,
    상기 속도에서 상기 제1 충전 불가 영역의 최대 토크보다 큰, 하이브리드 차량의 제어 방법.
  10. 제1 항 내지 제9 항 중 어느 한 항에 따른 하이브리드 차량의 제어 방법을 실행시키기 위한 프로그램을 기록한 컴퓨터 해독 가능 기록 매체.
  11. 하이브리드 차량에 있어서,
    전기 모터; 및
    상기 전기 모터의 발전 모드 동작을 위한 제1 토크를 결정하고, 상기 전기 모터의 상기 제1 토크 및 속도가, 상기 발전 모드 동작을 통한 배터리 충전이 가능한 운전점에 해당하는지 여부를 판단하여, 상기 판단 결과, 상기 배터리 충전이 불가능한 운전점에 해당하는 경우, 상기 제1 토크를 상기 배터리 충전이 가능한 운전점에 해당하는 제2 토크로 변경하는 하이브리드 제어기; 및
    상기 제2 토크에 대응되는 토크 지령에 따라 상기 전기 모터를 제어하는 모터 제어기를 포함하는, 하이브리드 차량.
  12. 제11 항에 있어서,
    상기 하이브리드 제어기는,
    총 제동 토크를 상기 전기 모터의 회생 제동 토크와 마찰 제동 토크인 제3 토크로 분배하되,
    상기 제1 토크는, 상기 회생 제동 토크에 대응되는, 하이브리드 차량.
  13. 제12 항에 있어서,
    상기 하이브리드 제어기는,
    상기 제1 토크가 상기 제2 토크로 변경됨에 따라, 상기 총 제동 토크를 고려하여 상기 제3 토크를 제4 토크로 변경하는, 하이브리드 차량.
  14. 제11 항에 있어서,
    상기 하이브리드 제어기는,
    기 설정된 맵에 상기 제1 토크 및 상기 속도를 대응시켜 상기 발전 모드 동작을 통한 배터리 충전이 가능한 운전점에 해당하는지 여부를 판단하되,
    상기 기 설정된 맵은,
    상기 전기 모터의 속도별, 토크별로 상기 발전 모드 동작을 통한 배터리 충전이 가능한 충전 가능 영역과, 상기 배터리 충전이 불가능한 적어도 하나의 충전 불가 영역을 포함하는, 하이브리드 차량.
  15. 제14 항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 충전 불가 영역은,
    제1 충전 불가 영역 및 제2 충전 불가 영역을 포함하되,
    상기 제1 충전 불가 영역은 상기 제2 충전 불가 영역보다 더 작은 토크를 갖는 영역인, 하이브리드 차량.
  16. 제15 항에 있어서,
    상기 하이브리드 제어기는,
    상기 제1 토크 및 상기 속도가 상기 제1 충전 불가 영역에 해당하는 경우, 상기 제2 토크를 상기 제1 토크보다 더 크되, 상기 제1 충전 불가 영역에 해당하지 않는 값으로 결정하는, 하이브리드 차량.
  17. 제16 항에 있어서,
    상기 제2 토크는,
    상기 속도에서 상기 제2 충전 불가 영역의 최소 토크보다 작은, 하이브리드 차량.
  18. 제15 항에 있어서,
    상기 하이브리드 제어기는,
    상기 제1 토크 및 상기 속도가 상기 제2 충전 불가 영역에 해당하는 경우, 상기 제2 토크를 상기 제1 토크보다 더 작되, 상기 제2 충전 불가 영역에 해당하지 않는 값으로 결정하는, 하이브리드 차량.
  19. 제18 항에 있어서,
    상기 제2 토크는,
    상기 속도에서 상기 제1 충전 불가 영역의 최대 토크보다 큰, 하이브리드 차량.
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