KR102364250B1 - 하이브리드 파워 트레인의 전기 견인 체인에 이용 가능한 동력을 제어하기 위한 방법 및 장치 - Google Patents

하이브리드 파워 트레인의 전기 견인 체인에 이용 가능한 동력을 제어하기 위한 방법 및 장치 Download PDF

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아메드 케트피-쉐리프
루도빅 메리엔느
마오 로 르
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르노 에스.아.에스.
닛산 지도우샤 가부시키가이샤
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Abstract

파워 트레인(GMP)의 전기 견인 체인에 이용 가능한 동력을 제어하기 위한 방법으로서, 파워 트레인(GMP)은, 상이한 변속 비율들로 이로부터의 토크를 휠에 전달할 수 있는 열 기관; 제1 전기 기계(ME); 파워 트레인(GMP)에서 제1 전기 기계(ME) 또는 열 기관의 입력 샤프트들에 교대로 연결된 제2 전기 기계(HSG); 및 전기 기계들에 동력을 공급하는 배터리로 구성되며, 배터리의 단자와 전기 기계들의 단자 사이에 배치된 DC/DC 전압 변환기(13)에 의해 전기 기계들의 공급 전압이 설정되어, 배터리의 전압과 동일한 전압(Ubat) 또는 사실상 이보다 더 높은 전압(Udc)을 이들에 부과할 수 있는 것을 특징으로 한다.

Description

하이브리드 파워 트레인의 전기 견인 체인에 이용 가능한 동력을 제어하기 위한 방법 및 장치
본 발명은 하이브리드 차량의 전기 견인 체인(electric traction chain)에 이용 가능한 동력 제어에 관한 것이다.
보다 정확하게는, 그 목적은, 다양한 변속 비율을 통해 이의 토크를 휠에 전달할 수 있는 연소 기관; 제1 전기 기계; 파워 트레인(powertrain)에서 제1 전기 기계 또는 연소 기관의 입력 샤프트들에 교대로 연결된 제2 전기 기계; 및 전기 기계들을 위한 공급 배터리로 구성되는 파워 트레인의 전기 견인 체인에 이용 가능한 동력을 제어하기 위한 방법이다.
공개 공보 WO 2014/207332는 전기, 연소 및 하이브리드인 몇 가지 비율들을 갖는 이러한 유형의 하이브리드 구동 장치를 기술하고 있으며, 여기서 연소 기관 및 적어도 하나의 전기 기계의 토크는 휠의 방향으로 부가된다. 연소-생성된 토크는 "연소" 변속 비율을 통해 휠로 전달되며, 이에 따라 주 전기 기계의 견인 토크는 "전기" 비율을 통해 수행된다. 하이브리드 모드(연소 및 전기 견인력들을 결합)에서 연소 변속 비율의 변경 동안에, 연소 기관의 토크는 중단된다. 그 다음, 주 전기 기계를 통해 휠에 토크를 제공하면서, 2차 전기 기계의 토크가 구동되어 연소 기관을 이의 새로운 비율과 동기화시킨다.
실제로, 특히 주 전기 기계에 이용 가능한 동력과 같은 차량의 전기적 구조는 이의 입력을 제한한다. 예를 들어, 최대 80 km/h와 같은 비교적 높은 속도까지 순수하게 전기 견인력을 유지시키는 것은 배터리의 전압 레벨에 의해 제한된다. 흔히 완전 충전시에도 전압이 너무 약해서 원하는 전체 견인 전력을 전개하지 못한다. 충전 상태가 저하됨에 따라 그 현상은 악화된다. 2개의 전기 기계의 동력이 결합될 수 있는 경우, 2차 전기 기계의 동력 입력에도 불구하고, 전기 견인 체인의 성능은 전압 레벨에 의해 제한되는 불충분한 상태로 유지된다.
더욱이, 연소 비율이 변경되는 동안에 연소 토크의 중단에 대한 보상이 거의 없는 경우, 차량의 운전자 및 탑승자는 토크 단절이 있는 자동식 변속기의 변속과 같은 그러한 변속을 느낀다.
따라서, 순수한 전기 주행을 위한 더 높은 동력을 갖도록 하기 위해, 그리고 연소 견인 체인에 대한 비율 변경 동안에 느껴지는 토크 단절을 완화하기 위해, 특히 비-충전식 하이브리드 차량에 대한 전기 견인 체인의 성능을 개선하는 것이 바람직하다.
본 발명의 목적은 전기 주행을 위해 달성 가능한 속도를 상승시키고, 연소 변속 비율이 변경되는 동안에 동력 갭을 완화하기 위해, 이용 가능한 동력을 증가시키는 것이다.
이를 위하여, 배터리의 단자와 전기 기계들의 단자 사이에 배치된 DC 전압 [ML1] 변환기에 의해 전기 기계들을 위한 공급 전압이 설정되어, 배터리의 전압과 동일한 전압 또는 이보다 더 큰 전압을 이들에 부과할 수 있도록 하는 것을 제안한다.
이러한 조치는 전기 견인 체인에 이용 가능한 동력을 특히 고속으로 증가시킬 수 있도록 한다.
본 발명의 특정 실시형태에서, 가속기 페달을 통한 운전자의 가속 요청이 약하게 유지되는 경우, 전압 변환기는 배터리의 전압을 전기 기계들에 부과하고, 운전자가 강한 가속을 요청하는 경우, 이보다 더 큰 전압을 이들에 부과한다.
배터리의 단자와 전기 기계들의 단자 사이에 배치된 DC 전압 [ML2] 변환기는 요구된 조건들에 따라, 배터리의 전압과 동일한 전압 또는 이보다 더 큰 전압을 부과할 수 있다.
본 발명은 예를 들어, 지상에서 전기 회로망을 통해 재충전할 수 없는 원동력 하이브리드 파워 트레인에서 직면하게 되는 2가지 인용된 기술적 문제점들을 약 200 V의 차상(on-board) 전압 및 수백 Wh의 비교적 낮은 용량으로 동시에 해결할 수 있게 한다.
본 발명의 바람직한 용도는, 다양한 변속 비율을 통해 이의 토크를 휠에 전달할 수 있는 제1 변속기 입력 샤프트에 연결된 연소 기관; 변속기의 제2 입력 샤프트에 연결된 제1 전기 기계; 및 변속기의 제1 입력 샤프트 또는 제2 입력 샤프트에 교대로 연결된 제2 전기 기계로 구성되는 파워 트레인에 사용하는 것이다.
본 발명은 첨부된 도면들을 참조하여 그 특정 실시형태의 이하의 설명을 읽었을 때 더 잘 이해될 것이며, 도면들로서:
도 1은 하이브리드 구조도이다;
도 2는 이의 변속 곡선들을 함께 그룹화한다;
도 3은 이러한 곡선들과 관련하여 요청된 비율들을 식별한다;
도 4는 전기 기계들의 회로의 개략도이다;
도 5는 강한 가속도의 경우의 속도 및 가속기 페달 누름 곡선들을 중첩한다;
도 6은 회로에서의 전압들의 해당 변동을 도시한다;
도 7은 동력들의 결합을 도시한다; 그리고
도 8은 연소 비율 변경에 대해 본 발명의 사용을 도시한다.
도 1의 변속기(1)는 예를 들어, "자동식" 타입으로서, 즉 그 조작은 수동 변속기의 조작이지만, 기어 변속은 자동화된다. 도면은 고형의 1차 샤프트(4) 상의 연소 기관(3), 및 HSG(고압 스타터 발전기를 의미함)(5)로 지칭되는 전기 기계를 도시한다. 제1 전기 기계보다 더 강력한 ME라고 지칭되는 다른 전기 기계(2)는 중공의 1차 샤프트(6) 상에 장착된다. 변속기의 2차 샤프트(7)는 차동 장치(도시되지 않음)에 연결된 다음, 차량의 휠에 연결된다.
2차 샤프트(7) 상에 위치된 제1 조오(jaw) 클러치(8)는 2개의 전기 비율(EV1 및 EV2)을 갖기 위해, 변속기의 나머지 부분과 무관하게, 전기 기계(ME)(2)의 비율을 변경할 수 있게 한다. 고형의 1차 샤프트(4) 상에 위치된 제2 조오 클러치(9)는 전기 비율과 무관하게 2개의 연소 비율(Th2 및 Th4)을 설정하기 위해, 전기 비율과 무관하게 연소 기관(3)의 비율을 변경할 수 있게 한다. 이송 샤프트(10) 상에 위치된 제3 조오 클러치(11)는 도면의 우측으로 이동하는 경우, 제3 연소 비율(Th3)을 설정할 수 있게 한다. 각각의 순간에, 제1 전기 기계(ME)(2)에 대해 요구되는 비율과 연소 기관 장치(Mth)(3) 및 제2 전기 기계(HSG)(5)에 요구되는 비율을 독립적으로 선택하는 것이 가능하다. 연소 비율과 전기 비율의 결합은 HEVxy로 표시되는 하이브리드 비율을 생성할 수 있게 하며, 여기서 x는 연소 기관의 비율이고, y는 ME의 비율이다.
변속기의 기어 변속 곡선들은 도 2에서 함께 그룹화된다. 변속기(1)는 "연소 비율" 및 "전기 비율"의 함수로서, 2개의 전기 비율(ZE1 및 ZE2) 및 4개의 하이브리드 비율(Hyb21, Hyb22, Hyb32, Hyb42)을 설정할 수 있게 한다. 곡선들은 속도의 함수로서, 전기 비율 및 하이브리드 비율에 대해 달성 가능한 최대 작용력들(뉴턴의 휠에서의 작용력)을 도시한다.
의도된 용도에서, 이러한 비율이 운전자의 토크 요청을 수행할 수 있게 하는 경우, 목표 비율은 항상(이동 속도와 관계없이) 전기 비율(ZEV)이라는 것에 동의하는 것이 가능하다. 기본적으로, 연동 비율은 최장 하이브리드 비율이 되어, 요청을 수행할 수 있게 한다. 이러한 상황 하에서, 요청된 비율들은 도 3의 그래프와 같은 그래프를 통해 분포될 수 있다. 본 도면은 통상적인 주행 중에 발생할 수 있는 비율 변화들을 식별할 수 있게 한다. 완전 가속시에, 125 km/h 주변에서 HEV22로부터 HEV32로의 전환이 있음을 알 수 있다. 이러한 변속에서, 연소 기관을 이의 새로운 비율과 동기화시키기 위해, 설정된 제2 연소 비율이 구동 장치로부터 연결 해제되어야 한다. 270 V의 배터리 전압으로, 제1 기계(ME)는 35 kW의 동력을 제공할 수 있다. 제2 기계(HSG)는 25 kW의 동력을 제공할 수 있는 반면에, 연소 기관(Mth)은 70 kW를 제공한다. 그리고, 변속 전에 변속기에 의해 휠에 제공된 총 동력은 105 kW이다. 변속 후에, 변속기는 실질적으로 동일한 동력을 제공한다(연소 기관의 동력에서의 변동을 주거나 받는다). 그러나, 변속 동안에, 연소 기관-및-HSG 조립체는 휠로부터 연결 해제된다. 그 다음, ME만이 동력(즉, 35 kW)을 휠에 공급한다.
파워 트레인은 이러한 기어 변속 동안에 동력 갭을 겪는다. 125 km/h에서, 차량의 공기 역학에 의해 흡수된 동력은 약 25 kW이다. 가속을 위해 이용 가능한 동력은 실제로 변속 동안에 80 kW로부터 10 kW로 전달된다. 이러한 가속 저하(87%의)는 주 전기 기계(ME)에 의해 제공된 토크에도 불구하고, 운전자의 차량이 더 이상 가속되지 않는다는 인상을 운전자에게 준다. 토크 단절이 있는 자동식 변속기가 공급된 차량 중 하나에서 그 느낌을 받는다.
이러한 문제에 대한 해결책은 이러한 원동력 파워 트레인의 전기 견인 체인에 이용 가능한 동력의 제어를 통해 이루어지며, 원동력 파워 트레인은 연소 기관(Mth), 2개의 전기 기계(ME 및 HSG), 및 전기 기계를 위한 공급 배터리로 주로 구성되며, 주 기계(ME)는 다양한 변속 비율을 통해 이의 토크를 휠에 전달할 수 있고, 2차 전기 기계(HSG)는 주 전기 기계(ME) 또는 연소 기관의 입력 샤프트들에 교대로 연결된다.
상술한 바와 같이, 그 의도는 특히 비-충전식 하이브리드 차량에 장착되는 경우에, 그러한 파워 트레인의 전기 견인 체인의 성능을 개선하는 것이다. 그 목적은 전기 견인력 하에서 장시간 주행 동안에 더 높은 동력을 갖게 하는 것이며, 연소 견인 체인에 대한 기어 변속 동안에 차량의 운전자 및 사용자가 느끼는 토크 단절을 완화하는 것이다.
이러한 이중 문제에 대한 해결책은 도 4에서 강조되어 있으며, 도 4는 차량의 견인 배터리(12)를 도시하며, 견인 배터리는 DC-DC 변환기(13)에 의해 2개의 전기 기계(ME, HSG)의 인버터들(14, 15)에 연결되고, 인버터들은 인버터 커패시터(16)와 함께 전기 회로망에 병렬로 장착된다. 제안된 제어 장치는 배터리(12)의 단자와 전기 기계들의 단자 사이에 배치된 DC 전압 [ML3] 변환기(13)를 포함한다. 이러한 변환기는 배터리의 전압과 동일한 전압(Ubat), 또는 이보다 더 높은 전압(Udc)을 이들에 부과할 수 있다. 이러한 장치에서, 전기 기계(ME, HSG)를 위한 공급 전압은 변환기(13)와 이의 입력 단자 사이에 배치된 인버터(14, 15)에 의해 조절되는 것이 바람직하다. 또한, 이는 변환기의 출력 단자들 사이에 커패시터(16)를 포함하는 것이 바람직하다. 본 도면에 따라, 본 발명은 견인 배터리와 2개의 전기 기계의 인버터 사이에, 특히 "승압(step up)" 타입의 DC-DC 전압 변환기를 부가하는 것을 제공한다.
도 5 내지 도 8은 본 발명이 "직렬 하이브리드" 모드로 장시간 전기 주행 중에 동력 문제를 해결하는 방식을 도시하며, 연소 기관에 의해 발전기로서 구동되는 2차 전기 기계는 주 전기 기계에 추가 전력을 제공한다.
가속기 페달을 통한 운전자의 요청이 약하게 유지되는 경우, 주 전기 기계(ME)는 배터리(12)의 전압으로 전력 공급됨으로써 차량의 견인력을 단독으로 제공할 수 있다. 이러한 상황에서, DC-DC 변환기(13)는 배터리의 전압(Ubat)을 전기 기계들에 부과한다. 2차 기계(HSG)는 동력을 제공하지 않는다.
운전자가 강한 가속을 요청하는 즉시(도 5 참조), 변환기(13)는 배터리 전압(Ubat)보다 더 높은 전압(Udc)을 전기 기계들의 회로에 부과한다. 전압 상승은 연소 기관에 의해 발전기로서 구동되는 즉시, 2차 기계(HSG)의 발전 동력 레벨(PHSG)(도 7)을 증가시킬 수 있게 한다. 그 다음, 주 전기 기계(ME)는 배터리의 전기 견인력(PBAT)과 2차 전기 기계의 전기 견인력(PHSG)의 합계와 동일한 전기 견인력(PM)을 제공한다.
또한, DC-DC 변환기(13)는 연소 비율이 변경되는 동안에, 배터리 전압(Ubat)보다 더 높은 전압(Udc)을 전기 기계들에 부과할 수 있다. 도 8은 연소 기관의 속도가 4500 rpm으로부터 약 3000 rpm으로 감소되는 HEV22-대-HEV32 비율 변속(도 2 및 도 3 참조) 동안에 차량의 동력 분포를 도시한다.
변속 동안에 적용되는 전략은 몇 가지 단계들로 나누어진다. 도면들에 도시된 제2 연소 비율로부터 제3 연소 비율로(Mth2로부터 Mth3로) 변속되는 경우를 참조하면, 이러한 단계들은 다음과 같다:
- 단계 1, 전압을 상승: 변속이 요청되는 즉시(t0에서), 변환기는 10 V를 약 400 V의 레벨로 조절한다;
- 단계 2, 토크를 이송: 변속 전에, 동력(PICE)은 주로 연소 기관에 의해 제공된다; 이러한 연소 동력 레벨은 t1으로부터 t2까지 HSG가 흡수할 수 있는 최대 레벨(여기서는 50 KW)로 감소된다: t1에서 시작하여, HSG는 연소 기관의 동력을 흡수할 때까지(t2로부터) 발전기로서 점진적으로 구동된다;
- 단계 3, 클러치 해제(declutching): t2에서, 휠에 제공된 모든 동력은 전기 모터에 의해 제공되고, 토크가 조오 클러치를 통해 전달되지 않으며, 비율(Th2)의 조오 클러치의 클러치 해제를 개시하는 것이 가능하다;
- 단계 4, 연소 기관 속도를 동기화: t3에서, 파워 트레인은 "직렬 하이브리드" 모드로 둔다; 연소 기관의 동력을 하향 제어함으로써, 1차 샤프트(연소 기관 + HSG)에 인가된 총 토크는 음이 되고 속도가 떨어진다;
- 단계 5, 클러치(clutching): t4에서, 기관 속도가 비율(Th3)에 해당하는 값에 도달한다; 그 다음, 해당하는 조오 클러치의 클러치가 개시된다;
- 단계 6, 토크를 복원: t5에서, 조오 클러치가 연결되었다면, HSG를 점진적으로 구동함으로써, 단계 2와 유사한 작동이 수행된다.
요약하면,
- 변환기(13)를 통해 전기 기계들의 회로 상에서 전압(Udc)의 증가가 있고,
- 이에 따라 발전기로서 구동되는 2차 전기 기계와 연소 기관 사이에 토크의 이송이 있으며,
- 연소 비율의 분리가 있고,
- 연동될 새로운 비율과 연소 기관 속도의 동기화가 있으며,
- 이의 새로운 비율과 연소 기관의 결합이 있고,
- 2차 전기 기계를 점진적으로 구동함으로써 연소 견인 체인에 대한 토크의 복원이 있으며, 그리고
- 변환기를 통해 전기 기계들의 회로 상에서 전압의 감소가 있다.
변속 동안에, HSG에 의해 제공된 전력은 주 전기 기계에 전달되어, 이를 휠의 견인을 위해 전적으로 사용한다. 변환기를 통해 전압을 증가시키지 않으면, ME가 이러한 에너지 입력을 가질 수 없었을 것이며, 가속 레벨은 다시 상승되기 전에, 변속 동안 연소 동력의 감소로 인해 떨어졌을 것이다. 전압이 일시적으로 증가함에 따라, 가속 레벨은 실질적으로 일정하게 유지된다.
전압 변환기는 ME 및 HSG 인버터들과 동일한 하우징 내에 통합될 수 있지만, 견인 배터리 팩 내에 통합될 수도 있다. 그리고, 변환기가 배터리를 망에 연결/연결 해제하는 기능을 제공할 수 있기 때문에, 배터리 연결 계전기들을 제거하는 것이 가능하다. 이러한 구성에서, 인버터들의 커패시터를 사전-충전(pre-charging)하는 것은 변환기에 의해 수행될 수 있다.
결론적으로, 본 발명은 기어 변속 동안에 고압(HV) 망의 전압을 일시적으로 상승시킨다. 본 발명으로 인해, 직렬 하이브리드 모드에서 그리고 연소 기관(Mth)의 변속 비율 변경 동안에, 제1 주 전기 기계(ME)에 의해 제공되는 동력은 제2 전기 기계(HSG)를 재생 모드로 작동시킴으로써 증가된다. 이의 모든 전력은 제1 주 전기 기계로 전달된다. 직렬 하이브리드 모드에서 전기 기계를 위한 이용 가능한 전력을 증가시키기 위해, 또는 연소 기관의 일시적인 분리로 인한 휠로의 토크 감소를 보상하기 위해, 이를 사용할 수 있다.

Claims (8)

  1. 파워 트레인의 전기 견인 체인에 이용 가능한 동력을 제어하기 위한 방법으로서,
    상기 파워 트레인은, 다양한 변속 비율을 통해 이의 토크를 휠에 전달할 수 있는 연소 기관; 제1 전기 기계(ME); 상기 파워 트레인에서 상기 제1 전기 기계(ME) 또는 상기 연소 기관의 입력 샤프트들에 교대로 연결된 제2 전기 기계(HSG); 및 상기 전기 기계들을 위한 공급 배터리(12)로 구성되며,
    공급 전압은 상기 배터리의 단자와 상기 전기 기계들의 단자 사이에 배치된 DC 전압 변환기(13)에 의해 설정되고,
    상기 변환기(13)는 운전자가 약한 가속을 요청하는 경우 상기 배터리의 전압(Ubat)을 상기 전기 기계들에 부과할 수 있고 운전자가 강한 가속을 요청하는 경우 그리고 연소 비율이 변경되는 동안에, 상기 배터리의 전압(Ubat)보다 더 큰 전압(Udc)을 상기 전기 기계들에 부과할 수 있는 것을 특징으로 하는, 동력 제어 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    이의 가속기 페달을 통한 상기 운전자의 가속 요청이 약한 경우, 상기 전압 변환기(13)는 상기 배터리의 전압(Ubat)을 상기 전기 기계들에 부과하는 것을 특징으로 하는, 동력 제어 방법.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 전기 기계들의 전압 상승은 상기 제2 전기 기계(HSG)가 상기 연소 기관에 의해 발전기로서 구동되는 경우, 상기 제2 전기 기계(HSG)에 의해 제공되는 전력(PHSG)을 증가시키는 것을 특징으로 하는, 동력 제어 방법.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 제1 전기 기계(ME)는 상기 배터리의 전기 견인력(PBAT)과 상기 제2 전기 기계의 전기 견인력(PHSG)의 합계와 동일한 전기 견인력(PM)을 제공하는 것을 특징으로 하는, 동력 제어 방법.
  5. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    - 상기 변환기(13)를 통해 상기 전기 기계들의 회로 상에서 상기 전압(Udc)을 증가시키는 단계;
    - 이에 따라 발전기로서 구동되는 상기 제2 전기 기계와 상기 연소 기관 사이에 토크를 이송하는 단계;
    - 상기 연소 비율을 분리시키는 단계;
    - 연동될 새로운 비율과 상기 연소 기관 속도를 동기화시키는 단계;
    - 이의 상기 새로운 비율에 상기 연소 기관을 결합하는 단계;
    - 상기 제2 전기 기계(HSG)를 점진적으로 구동함으로써 상기 전기 견인 체인에 대한 토크를 복원하는 단계; 및
    - 상기 변환기(13)를 통해 상기 전기 기계들의 회로 상에서 전압을 감소시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는, 동력 제어 방법.
  6. 파워 트레인의 전기 견인 체인에 이용 가능한 동력을 제어하기 위한 장치로서,
    상기 파워 트레인은, 다양한 변속 비율을 통해 이의 토크를 휠에 전달할 수 있는 연소 기관(3); 제1 전기 기계(ME); 상기 파워 트레인에서 상기 제1 전기 기계(ME) 또는 상기 연소 기관의 입력 샤프트들에 교대로 연결된 제2 전기 기계(HSG); 및 상기 전기 기계들을 위한 공급 배터리(12)로 구성되며,
    상기 배터리의 단자와 상기 전기 기계들의 단자 사이에 DC 전압 변환기(13)가 배치되고,
    상기 전압 변환기는 운전자가 약한 가속을 요청하는 경우 상기 배터리의 전압(Ubat)을 상기 전기 기계들에 부과할 수 있고 운전자가 강한 가속을 요청하는 경우 그리고 연소 비율이 변경되는 동안에, 상기 배터리의 전압(Ubat)보다 더 큰 전압(Udc)을 상기 전기 기계들에 부과할 수 있는 것을 특징으로 하는, 동력 제어 장치.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 전기 기계들(ME, HSG)을 위한 공급 전압은 상기 변환기(13)와 이의 입력 단자 사이에 배치된 인버터(14, 15)에 의해 조절되는 것을 특징으로 하는, 동력 제어 장치.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 변환기(13)의 출력 단자들 사이에 커패시터(16)를 포함하는 것을 특징으로 하는, 동력 제어 장치.
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