KR102349568B1 - 하이브리드 전기 차량에서 회생 모드동안 전력을 관리하는 시스템 및 방법 - Google Patents

하이브리드 전기 차량에서 회생 모드동안 전력을 관리하는 시스템 및 방법 Download PDF

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Abstract

회생 모드동안 최적의 전력 레벨을 회생하기 위한 시스템 및 방법이 개시된다. 에너지 저장 시스템에 의해, 예를 들면 임의의 주어진 감속 상황에 대해 수신가능한 최적의 회생 전력 레벨을 결정하기 위한 방정식들이 구해지고 개시된다. 방정식들은 발전기 모드의 전기 모터 발전기의 효율성, 바람 저항, 회전 저항, 변속기 손실들, 엔진 손실들, 및 에너지 저장 시스템의 손실들과 같은 다양한 손실들을 고려한다. 또한 최적의 에너지 회생를 성취하도록 하이브리드 구동 시스템을 제어하기 위한 절차의 적어도 하나의 실시예가 개시된다.

Description

하이브리드 전기 차량에서 회생 모드동안 전력을 관리하는 시스템 및 방법{SYSTEM AND METHOD FOR POWER MANAGEMENT DURING REGENERATION MODE IN HYBRID ELECTRIC VEHICLES}
본 출원은 그 전체가 참조로 본 명세서에 포함되는, 2013년 3월 14일 출원된 미국 임시 출원 번호 61/782,103의 이득을 청구한다.
하이브리드 차량들은 일반적으로 차량 감속동안 에너지를 모으며, 이때 연료 소비를 감소시키기에 편리하고 쉽게 사용가능한 수단을 제공한다. 따라서, 감속동안 차량 운동 에너지를 전기 에너지로 얼마나 잘 변환시키는지 결정하는 것이 하이브리드 차량들에 유용하다. 너무 많은 에너지를 포획하도록 전기 모터 발전기를 제어하는 것은 에너지 저장 시스템에 부가적인 높은 열 손실들을 가져올 수 있다. 너무 적은 에너지를 포획하도록 전기 모터 발전기를 제어하는 것은 기생 차량 에너지 손실들에 빼앗긴 총 에너지를 증가시킨다. 어떠한 경우에서도, 주어진 감속 상황에 대해 최적의 전력 전송에 더 가까운 근사치를 결정하는 것에 의해 회피될 수 있는 불필요한 낭비가 생성된다. 그러나, 주어진 감속 상황에 대해 최적의 전송 전력을 결정하는 것은, 이것이 서로 관계가 있는 변수들의 복잡한 거미줄에 의존하며, 다른 변수들에 미치는 영향들을 주의깊게 고려하지 않은 채 하나의 변수를 조절하는 것은 회생 에너지 회생의 이득들을 완전히 부인할 수있는 의도치 않은 결과들을 가져올 수 있기 때문에, 어렵다.
하이브리드 전기 차량의 회생 모드동안, 예를 들면 차량 감속동안 전력을 관리하는 시스템 및 방법이 개시된다. 바람 저항, 회전 저항, 변속기 회전 및 마찰 손실들과 같은 차량 에너지 손실의 양태들 뿐만 아니라 엔진의 압축력 및 마찰력들으로부터 생성되는 운동 에너지의 예상 변화들에 의해 유발된 기생 차량 에너지 손실들의 미묘한 세트(nuanced set)를 고려하는 방정식들 및 절차들이 고려된다. 또한 에너지 저장 시스템의 저항 및 회생 전압 뿐만 아니라, 발전기 모드에서 동작하는 전기 모터 발전기의 추정된 효율성이 고려된다.
이러한 요인들이, 예측된 최대의 전기적 전력을 결정하도록 개시된 방정식들의 적어도 하나의 실시예를 수행하는 변속기/하이브리드 차량 제어 모듈에서 처리되며, 하이브리드 시스템은 감속 상황의 시작에서, 예를 들면 사용자가 가속기 페달을 들어올리고 브레이크를 밟기 전에 회생될 것으로 예상할 수 있다. 개시된 변속기/하이브리드 제어 모듈은 이후 전기 모터 발전기 또는 "이머신(eMachine)"에게 그가 임의의 주어진 시간에서 회생할 수 있는 최대 전력 레벨보다 적을 수 있는, 예측된 최대의 전기적 전력 레벨을 회생하도록 시그널링한다.
본 발명의 다른 형태들, 객체들, 특징들, 양태들, 이득들, 장점들, 및 실시예들이 상세한 설명과 함께 제공된 도면들로부터 명백하게 될 것이다.
도 1은 하이브리드 시스템의 한 예의 개략도를 도시한다.
도 2는 도 1의 하이브리드 시스템의 전기 통신 시스템의 일반도를 도시한다.
도 3은 차량 감속동안 최적의 전력 회생를 보이는 도 1의 하이브리드 시스템에 대한 일련의 동작들의 한 실시예를 도시한다.
본 발명의 원리들의 이해를 증진시키기 위하여, 도면들에서 설명된 실시예들에 참조 기호가 생성되며, 이를 설명하기 위하여 특정 언어가 사용될 것이다. 그럼에도 불구하고, 본 발명의 범위에는 제한이 없다고 의도되는 것으로 이해될 것이다. 여기서 설명된 바와 같은 본 발명의 원리들의 설명된 실시예들과 임의의 다른 응용들의 임의의 대안들과 다른 변경들은 본 발명이 관련된 업계의 숙련자에게는 일상적일 것으로 생각된다. 본 발명의 한 실시예가 매우 상세히 도시되나, 본 발명과 관련없는 일부 특성들은 명확성을 위해 도시되지 않을 수 있다는 것이 관련 분야의 숙련자에게 명백할 것이다.
다음 설명의 참조 번호들은 독자가 다양한 구성성분들이 먼저 도시되는 도면들을 빠르게 식별하는데 도움을 주도록 구성되었다. 특히, 소자가 먼저 나타나는 도면은 전형적으로 대응하는 참조 숫자에서 가장 왼쪽의 숫자(들)로 지시된다. 예를 들어, "100" 시리즈의 참조 숫자에 의해 식별된 소자는 도 1에 먼저 나타날 것이며, "200" 시리즈의 참조 숫자에 의해 식별된 소자는 도 2에 먼저 나타나는 등이다. 명세서, 초록, 및 청구항들의 섹션들을 참조함에 있어서, 단수 형태들인 "a", "an", "the", 등은 명백하게 다르게 논의되지 않는 한, 복수의 대상들을 포함한다는 것이 주의되어야 한다. 설명에서, "디바이스(a device)" 또는 "디바이스(the device)"로의 참조들은 이러한 디바이스들의 하나 또는 그 이상과 그의 동등물들을 포함한다.
도 1은 한 실시예에 따른 하이브리드 시스템(100)의 개략도를 도시한다. 도 1에 도시된 하이브리드 시스템(100)은 상용 단계의 트럭들 뿐만 아니라 다른 타입들의 차량들이나 운송 시스템들에서 사용하도록 적응되지만, 하이브리드 시스템(100)의 다양한 양태들이 다른 환경들로 포함될 수 있다고 여겨진다. 도시된 바와 같이, 하이브리드 시스템(100)은 엔진(102), 하이브리드 모듈(104), 자동 변속기(106), 및 변속기(106)로부터 바퀴들(110)로 전력을 전달하는 구동 트레인(108)을 포함한다. 하이브리드 모듈(104)은, 일반적으로 이머신(eMachine;112)이라고 불리는, 전기 모터 발전기 또는 전기 머신과, 엔진(102)을 이머신(112)과 변속기(106)로부터 동작적으로 연결하거나 연결해제하는 클러치(114)를 포함한다.
하이브리드 시스템(100)은 다양한 구성성분들의 동작들을 제어하기 위한 다수의 제어 시스템들을 포함한다. 예를 들어, 엔진(102)은 연료 주입 등과 같은 엔진(102)의 다양한 동작 특성들을 제어하는 엔진 제어 모듈(146)을 갖는다. 변속기/하이브리드 제어 모듈(TCM/HCM 또는 "제어기";148)은 종래의 변속기 제어 모듈을 대체하며, 변속기(106) 뿐만 아니라 하이브리드 모듈(104)의 동작도 모두 제어하도록 설계된다. 변속기/하이브리드 제어 모듈(148)과 엔진 제어 모듈(146)은 인버터(132), 에너지 저장 시스템(134)과 함께 도 1에 도시된 바와 같은 통신 링크를 따라 통신한다.
일반적인 기능성의 측면에서, 변속기/하이브리드 제어 모듈(148)은 에너지 저장 시스템(134)과 그 안의 다양한 에너지 저장 모듈들(136)로부터 전력 한계들, 용량, 사용가능한 전류, 전압, 온도, 충전 상태, 등급, 및 팬 속도 정보를 수신한다. 예시된 예에서, 에너지 저장 시스템(134)은 고전압 전력을 인버터(132)로 공급하기 위하여 함께 연결된, 예를 들면 병렬로 함께 연결된 3개의 에너지 저장 모듈들(136)을 포함한다. 변속기/하이브리드 제어 모듈(148)은 이후 다양한 에너지 저장 모듈들(136)을 연결하기 위한 명령들을 보내어, 인버터(132)로 및 그로부터 전압을 공급하게 된다. 인버터(132)로부터, 변속기/하이브리드 제어 모듈(148)은 사용가능한 모터/발전기 토크, 토크 한계들, 인버터의 전압 전류 및 실제 토크 속도와 같은 다수의 입력들을 수신한다. 인버터(132)로부터, 이는 또한 고전압 버스 전력과 소비 정보를 수신한다. 변속기/하이브리드 제어 모듈(148)은 또한 입력 전압과 전류 뿐만 아니라 출력 전압과 전류를 모니터링한다. 변속기/하이브리드 제어 모듈(148)은 또한 엔진 제어 모듈(146)과 통신하여 그로부터 정보를 수신하며, 이에 응답하여 엔진 제어 모듈(146)을 통해 엔진(102)의 토크와 속도를 제어한다.
전형적인 실시예에서, 변속기/하이브리드 제어 모듈(148)과 엔진 제어 모듈(146)은 각각 프로세서, 메모리, 그리고 입력/출력 연결들을 갖는 컴퓨터를 포함한다. 부가적으로, 인버터(132), 에너지 저장 시스템(134), DC-DC 컨버터 시스템(140), 및 다른 차량 서브시스템들이 또한 유사한 프로세서들, 메모리, 그리고 입력/출력 연결들을 갖는 컴퓨터들을 포함할 수 있다.
도 2는 하이브리드 시스템(100)에서 사용될 수 있는 통신 시스템(200)의 한 예의 도면을 도시한다. 한 예가 도시되었으나, 다른 실시예들의 통신 시스템(200)은 도시된 것과 상이하게 구성될 수 있다는 것이 인식되어야 한다. 통신 시스템(200)은 차량의 제어와 전기적 시스템들에 최소한의 영향을 끼치도록 구성된다. 현재의 차량 설계들의 보강을 용이하게 하기 위하여, 통신 시스템(200)은, 이를 통해 하이브리드 시스템(100)의 다양한 구성성분들의 대부분과 통신하는 하이브리드 데이터 링크(202)를 포함한다. 특히, 하이브리드 데이터 링크(202)는 변속기/하이브리드 제어 모듈(148)과 인버터(132) 및 에너지 저장 시스템(134) 사이의 통신을 용이하게 한다. 에너지 저장 시스템(134) 내에서, 에너지 저장 모듈 데이터 링크(204)는 다양한 에너지 저장 모듈들(136) 사이의 통신을 용이하게 한다. 하이브리드 시스템(100)의 다양한 구성성분들 뿐만 아니라 그들의 기능이 참조로 본 명세서에 포함되는, 2012년 6월 20일 출원된 미국 특허 출원 번호 13/527,953과, 2011년 9월 9일 출원된, WO 2012/034031 A2로 공개된, 국제 출원 번호 PCT/US/2011/051018에서 더욱 상세하게 논의된다.
다른 양태에서, 하이브리드 시스템(100)은 또한 배터리에 저장된 에너지를 최대화하는 회생 전력 레벨을 계산하는 것에 의해 총 회생된 에너지를 최대화하기 위해, 차량 감속동안 이머신(112)의 동작을 제어하도록 구성된다. 이러한 계산들을 하는 시작점으로서, 작은 고정 속도 변화(즉, 고정 운동 에너지 변화)에 대하여, 감속으로 인한 하이브리드 시스템(100)의 다양한 에너지 손실들은 항상 전력으로 고려될 수 있다는 것에 주의되어야 하며, 에너지 변화는 이하의 방정식 1에 도시된 바와 같이 표현될 수 있다:
Figure 112020104650901-pat00001
방정식 1
여기서 ΔE는 시간이 변화(Δt)에 따른 에너지의 총 변화이며, P engine 는 하나 이상의 엔진 손실들을 나타내고, P transmission 은 하나 이상의 변속기들의 손실들을 나타내며, P wind 는 차량 상에서 동작하는 바람 저항으로 인한 에너지의 손실을 나타내고, P rolling 은 회전 저항을 나타내며, P accessory 는 부속품 손실(accessory loss)이고, P ESS 는 현재의 회생 상황동안 에너지 저장 시스템(134)에서 회생된 전력이며, efficiency는 기계적 전력을 전기적 전력으로 변환시키는 것에 대한 이머신(112)의 전체적인 효율성을 나타낸다. 알고리즘은 P ESS 를 결정하기 위하여 찾으며, 회생된 에너지는 임의의 주어진 회생 제동 상황에서, 예를 들면 마찰 제동없는 홀로 감속을 포함하는 회생 상황들에서 최대화된다.
방정식 1에서 표시된 몇몇 차량 손실들은 차량 운동 에너지의 전반적으로 예측된 변화에 의해 유발된다. 이러한 손실들은 또한 임의의 주어진 시간에서 알려질 수 있으며, 또는 적어도, 많은 하이브리드 차량 시스템들에서 정밀한 근사들을 이용하여 잘 특정될 수 있다. 따라서, 그들이 운동 에너지의 예측된 변화의 결과이기 때문에, 그들이 개별적으로 다시 나중에 고려될 수 있을지라도, 이러한 차량 에너지 손실들은 최적의 전력 전송 솔루션을 해결하기 위하여 함께 그룹화될 수 있다. 예를 들어 한 실시예에서, P engine , P transmission , P wind , P rolling , 및 P accessory 는 이하에서 더욱 상세히 설명될 바와 같이, 센서들, 다양한 구성성분들의 제조자들에 의해 장착된 시스템 검색표들, 또는 동작 동안 하이브리드 시스템(100) 자신에 의해 장착된 검색표들과 같은 다양한 수단을 사용하여 하이브리드 시스템(100)에 의해 결정될 수 있다. 이러한 차량 에너지 손실들을 함께 그룹화하면 방정식 2가 된다:
Figure 112020104650901-pat00002
방정식 2
여기서 ΔE는 시간의 변화(Δt)에 대한 에너지의 총 변화이고, P Loss 는 P engine , P transmission , P wind , P rolling , 및 P accessory 의 합을 나타내며, P ESS 는 여전히 에너지 저장 시스템(134)에서 회생된 전력이고, efficiency는 이머신(112)의 효율성을 나타낸다.
언급된 바와 같이, P ESS 는 회생 상황동안 에너지 저장 시스템(134)으로 공급된 총 전기적 전력을 나타낸다. 그러나, 에너지 저장 시스템(134)으로 전송된 전력의 일부분은 전형적으로 열로서 전송시 손실된다. 예를 들어, 에너지 저장 시스템(134)의 한 예는 하나 이상의 배터리 셀들을 포함한다. 배터리 셀들의 상대적으로 낮은 저항을 통하여 지나가는 높은 전압 및 전류는 배터리 셀들을 일부 가열할 것이고, 전류가 너무 높을 때에는 아마도 과도하게 가열할 것이다. 에너지 저장 시스템(134)에서 유용할 수 있는 다른 에너지 저장 기술들은 열 또는 다른 소스들로 인하여 전송시 더 높거나 더 낮은 손실들을 가질 수 있다.
따라서, 에너지 저장 시스템(134)으로 공급된 총 전기적 전력은 방정식 3a에 도시된 바와 같이 충전 발생 구성성분과 손실 구성성분으로 구별될 수 있다:
Figure 112020104650901-pat00003
방정식 3a
여기서 P ESS 는 회생 상황시 에너지 저장 시스템(134)으로 공급된 총 전기적 전력이고, P heat 는 예측된 전기적 전력 손실이며, P charge 는 에너지 저장 시스템(134)으로 전송되어 나중의 사용을 위해 저장된 총 충전 생성 구성성분이다. P heat 는 I2R 손실로 처리될 수 있으며, 따라서 방정식 3b를 도출한다:
Figure 112020104650901-pat00004
방정식 3b
여기서 P heat 는 예측된 전기적 전력 손실이고, R ESS 는 에너지 저장 시스템의 저항이며, P ESS 는 회생 상황동안 에너지 저장 시스템(134)으로 공급된 총 전기적 전력이고, V regen 은 회생 상황동안 발전기로 동작하는 이머신(112)으로부터 에너지 저장 시스템(134)으로 공급된 전압이다.
앞서 주장된 바와 같이, 회생된 에너지가 작은 고정 속도 변화(즉, 고정 운동 에너지 변화)에 대해 고려될 때, 회생된 에너지는 에너지 저장 시스템(134)에서 포획된 전력(P charge )에 시간의 변화(Δt)를 곱한 것과 동일하게 된다(전력은 단위 시간당 에너지의 단위이며, 여기서는 시간에 의해 곱해져서 에너지를 산출한다). 따라서 Δt에 대하여 푸는 방정식 2를 사용하고, 차량 에너지 손실로부터 배터리 에너지 이득으로의 변화시 사인의 변화를 설명하면, 회생된 에너지가 방정식 4에 주어진다:
Figure 112020104650901-pat00005
방정식 4
여기서 P charge 는 일부 시간 주기(Δt)에 따라 에너지 저장 시스템(134)으로 전송된 충전 생성 구성성분이며, Energy Recovered는 에너지 저장 시스템(134)에서 회생된 에너지이고, ΔE는 시간 주기(Δt)동안의 에너지의 변화이며, P Loss 는 차량 에너지 손실들을 나타내고, P ESS 는 회생 상황동안 에너지 저장 시스템(134)으로 공급된 총 전기적 전력이고, efficiency는 이머신의 효율성을 나타낸다.
열 손실들을 뺀 총 배터리 전력으로서 P charge 를 표현하기 위하여 방정식 2를 사용하면 방정식 5를 산출한다:
Figure 112020104650901-pat00006
방정식 5
여기서 항들은 위의 이전 방정식들에서 표시된 바이다.
에너지 저장 시스템(134)으로 전송된 전력에 대한 최적의 에너지 회생를 찾기 위하여, 방정식 5를 사용하여 P ESS 에 대한 Energy Recovered의 부분 미분을 수행하고 이를 0에 대해 푸는 것에 의해 방정식 6을 만든다:
Figure 112020104650901-pat00007
방정식 6
여기서 항들은 위의 이전 방정식들에서 표시된 바이다. 방정식 6은 회생 상황동안, 예를 들면 감속동안 에너지 저장 시스템(134)으로 회생하는 전력의 최적 레벨을 결정하기 위한 넓은 범위의 요인들을 고려하는 수학적 해법을 표현한다.
이제 동작적 양태로 돌아가면, 하이브리드 시스템(100)은 개시된 이득들을 얻기 위하여 위에서 논의된 방정식들을 수행할 수 있다. 한 실시예에서, 변속기/하이브리드 제어 모듈(148)은 도 3의 300에 예시된 행동들을 수행할 수 있는 회로들을 갖도록 프로그램되거나 또는 다르게 설계된 프로세서 또는 유사한 논리 회로를 갖는다. 프로세싱은 301에서 시작하여 감속 상황이 진행중인지를 먼저 결정한다(303). 이러한 결정은 예를 들면, 변속기/하이브리드 제어 모듈(148)로 0의 입력 신호가 보내지도록 운전자가 가속기 페달에 아무런 압력을 가하지 않고, 또한 브레이크 페달에 대해서도 변속기/하이브리드 제어 모듈(148)로 두번째 0의 입력 신호가 보내지도록 브레이크 페달에도 또한 아무런 압력을 가하지 않을 때 만들어질 수 있다. 최종 결과는, 하이브리드 차량이 감속 상황을 시작하는 타행 주행에 있게 된다. 예시된 실시예에서, 브레이크 페달 또는 가속기 페달 중 하나에 압력을 가하면 브레이크 또는 가속기 중 하나에 0이 아닌 입력 신호가 가해지고, 이는 변속기/하이브리드 제어 모듈(148)에 의해 감속 상황이 발생하지 않는다는 지시로 여겨지게 되어(325), 300의 논리를 완전히 건너뛰게 한다. 그러나, 위에서 개시된 식들과 300에서 도시된 논리 프로세싱은 또한 마찰 제동을 포함하는 것으로 적응될 수 있다.
그러나, 감속 상황이 진행 중이라는 결정이 생성되면(303), 최적의 회생 계산들이 단계(304)에서 시작한다. 몇몇의 실행 경로들 또는 논리 경로들이 단계(304)로부터 분기한다는 것이 도 3으로부터 이해되어야 한다. 이는 변속기/하이브리드 제어 모듈(148) 내의 프로세서 또는 다른 제어 회로들에서 많은 동작들이 동시적으로 또는 비동시적으로 발생하도록 유익하게 프로그램될 수 있다는 것을 보여주는 예로 의도된다. 그러나, 도 3은 예시일 뿐이며, 예시된 동작들에 대하여, 특정한 수행의 상세한 설명들과 설계 제약들에 따라 동등한 결과를 얻기 위하여 이와 동일한 방식에서 차례대로, 또는 도시된 것과 다른 순서로 발생하게 하는 것이 유익할 수 있다는 것을 제한하는 것이 아니다.
한 양태에서, 최적의 회생 제동 계산들은 엔진의 마찰력 또는 압축력으로 인해 에너지가 손실될 것인지를 결정하는 것을 포함한다. 따라서, 변속기/하이브리드 제어 모듈(148)은 단계(315)에서 연결해제 클러치(114)를 통해 엔진(102)이 이머신(112)과 결합되는지를 결정한다. 그렇지 않다면, 엔진 관련 계산들이 처리되지 않으며 프로세싱은 엔진 계산들에 관한 단계(304)로 돌아간다. 그러나, 엔진(102)이 이머신(112)에 결합되면, 이후 전기적 에너지로 회생될 수 있는 차량의 운동 에너지의 일부가 하나 이상의 엔진 손실들에서 손실될 것이다. 이러한 손실들은 압축력들 및 마찰력들로 인한 엔진 손실들이 설명되는 단계들(317 및 318)에서 계산된다. 한 실시예에서, 이러한 계산들은 엔진 제조자에 의헤 제공된 검색표들을 사용하는 것에 의해 만들어진다. 동작동안 엔진 제어 모듈(146)에 의해 엔진 마찰 토크가 연속적으로 방송되고, 엔진 제조자에 의해 제공된 검색표들에서 추정된 엔진 손실들을 검색하도록 사용된다.
변속기/하이브리드 제어 모듈(148)은 단계들(312 및 314)에서 변속기(106)의 회전 관성으로 인한 변속기 손실들을 계산하기 위해 유사한 기술을 사용할 수 있다. 여기서 다시, 변속기의 회전부 또는 다르게 움직이는 부분들의 움직임으로 인한 마찰 또는 관성으로 인해 소비되거나 흡수된 에너지는 전기적 에너지로 변환되지 않을 소모성 에너지가 된다. 엔진 제조자들과 같은 변속기 제조자들은 현재의 기어, 변속기 오일 온도, 변속기의 다양한 부분들의 출력 축 속도들과 토크들 뿐만 아니라 다른 변속기 특정 변수들에 기초하여 변속기 손실들을 추정하기 위한 검색표들을 제공한다. 이러한 정보는 변속기(106)로부터 변속기/하이브리드 제어 모듈(148)로 사용가능하게 만들어지며, 회전 관성 및 마찰로 인한 손실들을 포함하는 변속기 손실을 계산하는데 사용된다.
구동라인 손실들에 더하여, 알고리즘은 또한 바람 저항(309)과 회전 저항(311)으로부터 발생하는 차량 에너지 손실들을 계산한다. 예를 들어, 고속으로부터 차량이 감속함에 따라, 차량이 이동하는 공기의 유체 특성들에 의해 유발된 전진 운동에 대한 저항이 에너지 저장 시스템(134)의 회생된 전기적 에너지로 변환되지 않는 속도의 감소를 가져온다. 이러한 손실들은, 한 실시예에서, 식 P wind =WV 3 에 따라 계산될 수 있는데, 여기서 P wind 는 바람 저항으로 인한 전력 손실이고, W는 차량의 모양과 공기역학에 관련된, 상대적으로 쉽게 공기를 통해 움직이는 공기역학적 또는 바람 상수이며, V는 차량의 속도이다.
유사하게, 회전 저항으로 인한 손실들은, 시스템이 회전 저항으로 인해 에너지 저장 시스템(134)으로 에너지를 회생하는 것을 실패하게 한다. 회전 저항은 차량의 질량과 차량의 속도와 주어진 차량에 대한 상대적인 회전 저항을 나타내는 로드 저항 상수를 곱하는 것에 의해 계산될 수 있다. 차량 질량은 엔진 제어 모듈(102), 변속기(106)로부터, 그리고 하이브리드 차량을 제어하도록 데이터를 처리하는 변속기/하이브리드 제어 모듈(148) 내의 다른 처리로부터 얻어진 정보를 포함하는 다양한 수단에 의해 변속기/하이브리드 제어 모듈(148)로 알려진다. 하이브리드 시스템(100)은 또한 일부 실시예들에서, 상당히 정적인, 예를 들면 그의 화물이 전체적인 차량 질량의 퍼센티지로서 매우 작게 변화하는 차량의 경우에, 시간에 따라 차량 질량을 적응적으로 추정하고 결정할 수 있다. 다른 경우들에서, 예를 들면 일터로 및 일터로부터 화물들을 왕복하는 덤프 트럭 또는 많은 배달들을 하는 배달 밴의 경우에, 차량 질량은 시간에 따라 상당히 변화할 수 있다.
시스템이 개별적인 기생 차량 손실들의 계산을 완료하였으면, 전체적인 차량 에너지 손실들이 계산될 수 있다(319). 실시예에서, 위에서 방정식들 2, 4, 5 및 6에 대하여 도시되고 설명된 PLoss는, 이러한 기생 차량 손실들이 에너지 저장 시스템(134)의 전기적 에너지로 회생되지 않을 조합된 차량 에너지 손실을 형성하도록 간단히 함께 더해진다. 그러나, 다른 실시예들에서, 전체적인 차량 에너지 손실의 각 요소에 인가된 가중치를 적응적으로 조절하기 위한 기회를 알고리즘에 주기 위하여, 가중 요인들 또는 오프셋들을 인가하는 것이 유익할 수 있다.
단계들(309 내지 319)에서 계산된 전체적인 차량 에너지 손실들 외에, 다른 효율성 관련 손실들이 또한 계산에 포함된다. 예를 들어, 방정식들 1, 2, 4, 5 및 6에서 "efficiency"로 도시되고 상기에서 "추정된 효율성"으로 논의된 이머신(112)의 예상된 전기 모터 동작 효율성과 관련되는 추정된 효율성이 단계(307 및 307)에서 계산된다. 이머신(112)이 회생 제동 모드에서 동작할 때, 이는 하이브리드 차량을 느리게 하고 운동 에너지를 흡수하여 운동 에너지의 일부를 전기적 에너지로 변환시키도록 제동력을 변속기(106), 구동라인(108), 및 휠들(110) 상에 가한다. 마찰, 열, 및 이머신(112)의 다른 기생 손실들로 인해 변환되지 않은 나머지의 운동 에너지가 손실된다. 단계(306)는 추정된 효율성 요인을 계산하고, 위의 방정식들에서 언급된 바와 같이 이를 계산에 포함시킨다. 추정된 효율성을 고려하는 한가지 방법은 생성된 전기적 전력을 회생 제동 모드의 구동 트레인에 의해 제공된 기계적 제동력으로 나눈 비율이다. 추정된 효율성의 이러한 실시예에서, 모든 가능한 기계적 제동력이 전기적 전력으로 변환되었으면, 이러한 비율은 1이 되며, 이는 100%의 효율성과 동일하다. 그러나, 이머신(112)의 일부 손실들이 사실상 불가피하기 때문에, 임의의 알려진 전기 모터 발전기와 같이, 이러한 비율은 1보다 작은 어떤 값이다. 또한, 이는 미래 성능의 추정이므로, 시간에 대한 차량의 이전 성능에 기초하여 추정된 효율성을 결정하는 것이 유익할 수 있다. 따라서, 변속기/하이브리드 제어 모듈(148)은 이전의 차량 정보를, 예를 들면 이전의 회생 상황들로부터의 모터 속도와 토크에 기초하여 검색표들에 유지하여, 다음 회생 상황에 대한 추정된 효율성의 결정에 도움을 준다. 현재의 회생 상황에 대한 예상된 전기 모터 동작 효율성을 계산하기 위해(306) 이러한 검색표들이 액세스된다(307).
이머신(112)과 관련된 효율성들을 계산하는 것에 더하여, 변속기/하이브리드 제어 모듈(148)은 또한 최적의 전력 전송을 계산하는데 사용된 배터리 저항과 회생 전압 정보(308)를 얻는데, 최적의 전력 전송은 에너지 저장 시스템(134)에서 매우 높게 되는 것이 회피된다. 짧은 시간동안 대량의 전력 전송으로 인해 과도한 열 손실들이 발생하면, 에너지 저장 모듈들(136) 내의 하나 이상의 배터리 셀들과 같은 에너지 저장 시스템(134) 내의 구성성분들의 수명을 단축시키는 것으로 인해 회생 제동을 이용하는 에너지 회생의 유익들이 무효화될 수 있다. 빠르게 충전될 때 실패를 경험할 수 있는 커패시터들 등과 같은 에너지 저장의 다른 형태들에서 유사한 난점들이 발생할 수 있다. 따라서, 변속기/하이브리드 제어 모듈(148)은 예를 들어, 에너지 저장 시스템(136)으로부터 배터리 저항 정보를 얻으며, 차량 질량과 속도와 같은 요인들을 고려하는 검색표들을 사용하여 회생 전압을 계산하거나 추정한다. 상기 예측된 전기적 전력 손실을 계산하는 단계는 상기 에너지 저장 시스템 내의 하나 이상의 구성성분의 온도의 예측된 변화를 계산하는 단계를 포함한다.
추정된 효율성을 계산하고(306), 배터리 저항과 추정된 회생 전압을 얻고(308), 조합된 기생 차량 에너지 손실들을 계산하였으면(319), 변속기/하이브리드 제어 모듈(148)은 이러한 특정의 감속 상황(303)에 대하여 에너지 저장 시스템(134)으로 만들어질 수 있는 최적의 전력 전송을 계산할 준비가 된다. 이러한 계산이 단계(321)에서 수행되며, 위에서 얻어진, 상세히 논의된 방정식 6을 포함할 수 있다. 예측된 최대의 전기적 전력 계산이 완료되면(322), 변속기/하이브리드 제어 모듈(184)은 에너지 저장 시스템(134)으로 들어가는 전력량을 만드는 예측된 최대의 전기적 전력을 회생하도록 이머신(전기 모터 발전기;112)을 제어하는데, 이는 예측된 최대의 전기적 전력과 실질적으로 동일하다. 프로세싱은 이후 종료한다(325).
예시된 실시예에서, 단계(321)가 예시된 바와 같이 많은 계산들이 동시에 수행될 수 있는 동기화 포인트로 동작한다는 것은 알릴만한 가치가 있다. 그러나, 단계(321)에서 에너지 저장 시스템(134)으로의 예측된 최대의 전기적 전력 전송을 계산하기 위하여, 이러한 계산은 예측된 최대의 전기적 전력의 최종 계산을 위해 사용가능하게 될 필요한 값들에 대해 적절하게 모두 먼저 완성되어야 한다. 그러나, 도 3은 단지 예시일 뿐이며, 단계들(304 내지 321)을 도시된 바와 같이 다소 병렬로보다는 순차적으로 실행하는 것에 의해 동일한 결과가 얻어질 수 있고, 따라서 단계들을 통한 동일한 결과의 성취는 다소 상이한 순서로 실행될 수 있다는 것이 이해되어야 한다.
본 발명이 도면들과 상기 설명에서 상세히 예시되고 설명되었으나, 이는 특징상 예시적인 것이며 제한적이 아닌 것으로 여겨지며, 참조 실시예가 도시되고 설명되었을 뿐이며, 다음 청구항들에 의해 정의된 발명들의 정신 내에 속하는 모든 변화들, 동등물들 및 변경들이 보호되는 것이 바람직한 것으로 이해된다. 본 명세서에서 인용된 모든 출판물들, 특허들, 및 특허 출원들은 각각의 개별적인 출판물, 특허, 또는 특허 출원이 분명하게 및 개별적으로 참조로 포함된다고 표현되고 그의 전부가 여기서 발표된 것처럼 참조로 포함된다.

Claims (28)

  1. 차량에서 회생 제동을 제어하는 방법으로서:
    상기 방법은,
    상기 차량이 감속 상황에 진입하여 감속되는 것을 검출하는 단계; 및
    차량 제어기를 사용하여 미래의 시간 주기 동안 에너지 저장 시스템으로 공급하기 위한 가장 적합한 전기적 전력의 양을 계산하는 단계;를 포함하고;
    상기 계산하는 단계는 상기 차량이 감속된 후에 그리고 전기 모터 발전기가 상기 차량 제어기에 의해 제어되어 전기적 전력 생성을 시작하기 전에 발생하고, 상기 미래의 시간 주기는 상기 계산이 완료된 때에 그리고 상기 전기 모터 발전기가 제어되어 전기적 전력 생성을 시작하기 전에 시작되고;
    상기 차량은 상기 차량의 감속시에 전기적 전력을 생성시키도록 동작가능한 전기 모터 발전기를 갖고;
    상기 전기 모터 발전기는 상기 에너지 저장 시스템에 전기적으로 연결되고;
    상기 가장 적합한 전기적 전력의 양은 상기 차량이 감속되는 동안 발생하는 것을 예측되는 추정된 미래의 차량 에너지 손실에 기초하여 계산되고;
    상기 계산하는 단계는 상기 에너지 저장 시스템에 전력의 전송 결과로서 상기 차량이 감속되는 때 상기 전기 모터 발전기가 전기적 전력을 생성하는 동안 손실될 전력의 양을 계산하는 단계를 포함하고;
    상기 방법은,
    상기 가장 적합한 전기적 전력의 양의 계산이 종료된 후에,
    상기 차량 제어기를 사용하여 상기 가장 적합한 전기적 전력의 양을 포착하기 위해 발전기로 동작하도록 상기 전기 모터 발전기를 제어하는 단계; 및
    상기 차량 제어기를 사용하여 상기 전기 모터 발전기가 상기 가장 적합한 전기적 전력의 양을 포착하는 때 전기적 전력을 생성하는 것을 중단하도록 상기 전기 모터 발전기를 제어하는 단계;를 또한 포함하는, 방법.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 에너지 저장 시스템으로 공급하기 위한 상기 가장 적합한 전기적 전력의 양은 상기 차량이 감속되는 동안 상기 전기 모터 발전기에 의해 회생 가능한 최대 에너지 양보다 적은, 방법.
  3. 제 2 항에 있어서, 상기 차량 제어기를 사용하여 예상된 전기 모터 발전기 동작 효율성을 계산하는 단계를 추가로 포함하고, 상기 예상된 전기 모터 발전기 동작 효율성을 계산하는 단계는 에너지 저장 시스템에 공급하기 위한 상기 가장 적합한 전기적 전력의 양을 계산하는 단계 전에 또는 동시에 실행되는, 방법.
  4. 제 2 항 또는 제 3 항에 있어서, 상기 검출하는 단계는 변속기로부터 상기 전기 모터 발전기로 제공되는 토크를 검출하는 단계를 포함하고, 상기 전기 모터 발전기는 상기 변속기에 결합되는, 방법.
  5. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 에너지 저장 시스템에 공급하기 위한 상기 가장 적합한 전기적 전력의 양을 계산하는 단계는 상기 차량이 감속되는 동안 차량 운동 에너지의 예상된 변화에 의해 유발된 손실들을 계산하는 단계를 포함하는, 방법.
  6. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 가장 적합한 전기적 전력의 양을 계산하는 단계는 상기 차량이 감속되는 동안 상기 에너지 저장 시스템으로 예측된 전기적 전력의 예상된 전송으로부터 초래되는 예측된 전기적 전력 손실을 계산하는 단계를 포함하는, 방법.
  7. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 가장 적합한 전기적 전력의 양을 계산하는 단계는 엔진 에너지 손실을 계산하는 단계를 포함하는, 방법.
  8. 제 7 항에 있어서, 상기 엔진 에너지 손실을 계산하는 단계는 엔진 압축력 손실을 계산하는 단계를 포함하는, 방법.
  9. 제 7 항에 있어서, 상기 엔진 에너지 손실을 계산하는 단계는 엔진 마찰력 손실을 계산하는 단계를 포함하는, 방법.
  10. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 추정된 미래의 차량 에너지 손실을 계산하는 단계는 상기 차량이 감속되는 동안 바람 저항 손실을 계산하는 단계를 포함하고, 상기 바람 저항 손실은 차량 속도와 차량의 공기역학 계수를 사용하여 상기 차량 제어기에 의해 계산되는, 방법.
  11. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 추정된 미래의 차량 에너지 손실을 계산하는 단계는 상기 차량이 감속되는 동안 회전 저항 손실을 계산하는 단계를 포함하고, 상기 회전 저항 손실은 차량 질량, 차량 속도, 및 차량 회전 저항 계수를 사용하여 상기 차량 제어기에 의해 계산되는, 방법.
  12. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 추정된 미래의 차량 에너지 손실을 계산하는 단계는 상기 차량이 감속되는 동안 차량 변속기 손실을 계산하는 단계를 포함하는, 방법.
  13. 제 12 항에 있어서, 상기 차량 변속기 손실은 상기 차량이 감속되는 동안 변속기 관성 손실과 변속기 마찰 손실을 사용하여 계산되는, 방법.
  14. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 추정된 미래의 차량 에너지 손실을 계산하는 단계는 상기 차량이 감속되는 동안 부속품 손실(accessory loss)을 계산하는 단계를 포함하는, 방법.
  15. 제 3 항에 있어서, 상기 예상된 전기 모터 발전기 동작 효율성을 계산하는 단계는 상기 차량 제어기의 메모리에 저장된 이전의 차량 활동을 액세스하는 단계와, 상기 이전의 차량 활동에 기초하여 상기 예상된 전기 모터 발전기 동작 효율성을 계산하는 단계를 포함하는, 방법.
  16. 제 3 항 또는 제 15 항에 있어서, 상기 예상된 전기 모터 발전기 동작 효율성을 계산하는 단계는 전기 모터 발전기 속도와 전기 모터 발전기 토크를 사용하여 계산되는, 방법.
  17. 제 1 항에 있어서, 상기 차량이 감속되는 동안 상기 예측된 전기적 전력 손실은 다음 방정식:
    Figure 112021110561977-pat00015

    에 의해 계산될 수 있으며, 여기서 Pheat 는 상기 차량이 감속되는 동안 상기 예측된 전기적 전력 손실이고, RESS 는 상기 에너지 저장 시스템의 저항이며, PESS 는 상기 에너지 저장 시스템으로 공급하기 위한 상기 예측된 전기적 전력이고, VESS 는 상기 에너지 저장 시스템으로 공급된 전압인, 방법.
  18. 제 3 항에 있어서, 상기 에너지 저장 시스템으로 공급하기 위한 상기 예측된 전기적 전력은 다음 방정식:
    Figure 112021110561977-pat00016

    에 의해 계산될 수 있으며, 여기서 PESS 는 상기 에너지 저장 시스템으로 공급하기 위한 상기 예측된 전기적 전력이고, efficiency는 상기 예상된 전기 모터 발전기 동작 효율성이며, PLoss 는 예측된 차량 운동 에너지 변화로부터 초래된 상기 차량이 감속되는 동안의 전력 손실이고, RESS 는 상기 에너지 저장 시스템의 저항이며, Vregen 은 발전기 모드에서 동작하는 상기 전기 모터 발전기로부터 상기 에너지 저장 시스템으로 공급되는 전압인, 방법.
  19. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 에너지 저장 시스템은 하나 이상의 배터리 셀을 포함하는, 방법.
  20. 제 2 항 또는 제 3 항에 있어서, 상기 검출하는 단계는 브레이크 페달 상의 0(zero)의 입력 신호와 가속기 페달 상의 0의 입력 신호를 검출하는 단계를 포함하는, 방법.
  21. 제 2 항 또는 제 3 항에 있어서, 상기 검출하는 단계는 상기 차량 제어기를 사용하여 브레이크 페달 입력 신호와 가속기 페달 입력 신호를 검출하는 단계를 추가로 포함하는, 방법.
  22. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 차량은 전기 모터 발전기와 내연기관을 포함하는, 방법.
  23. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 에너지 저장 시스템은 상기 전기 모터 발전기에 전기적으로 연결된 적어도 하나의 배터리 셀을 포함하는, 방법.
  24. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 추정된 미래의 차량 에너지 손실을 계산하는 단계는 상기 차량이 감속되는 동안 상기 에너지 저장 시스템 내의 하나 이상의 구성성분의 온도의 예측된 변화를 계산하는 단계를 포함하는, 방법.
  25. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서, 발전기 모드에서 동작하는 상기 전기 모터 발전기에 의해 수집된 회생 제동 전력을 상기 에너지 저장 시스템에 전달하는 단계를 추가로 포함하는, 방법.
  26. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 차량 제어기는 상기 에너지 저장 시스템과 상기 전기 모터 발전기에 전기적으로 연결되는, 방법.
  27. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 차량 제어기는 함께 전기적으로 연결된 프로세서와 메모리를 포함하는, 방법.
  28. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 차량 제어기는 서로 통신하는 복수의 프로세서들 및/또는 복수의 메모리들을 포함하는, 방법.
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