KR102406065B1 - 마일드 하이브리드 차량의 에너지 회생 제어 방법 - Google Patents

마일드 하이브리드 차량의 에너지 회생 제어 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 영구자석 및 전자석을 구비한 로터를 포함하는 MHSG(Mild Hybrid Starter Generator) 및 상기 MHSG와 동력 전달 가능하도록 연결된 엔진을 구비한 마일드 하이브리드 차량의 에너지 회생 제어 방법에 관한 발명이다. 본 발명에서는 MHSG를 구동하기 위해 필요한 여자 전류와, 목표 발전 전류량의 차이가 미리 정해진 기준값 미만인지 여부를 판단하여, MHSG를 구동하기 위해 필요한 여자 전류와, 목표 발전 전류량의 차이가 미리 정해진 기준값 미만인 경우에는 회생 제동을 금지시켜, 안정적인 배터리 충전량 관리 및 운전 동력 성능 유지가 가능하도록 한 것을 특징으로 한다.

Description

마일드 하이브리드 차량의 에너지 회생 제어 방법{METHOD FOR CONTROLLING ENERGY REGENERATION OF MILD HYBRID VEHICLE}
본 발명은 마일드 하이브리드 차량의 에너지 회생 제어 방법에 관한 발명으로서, 보다 상세하게는 MHSG(Mild Hybrid Starter Generator) 장치의 여자 전류 및 목표 충전량의 관계를 고려하여 회생 제어 여부를 결정하는 마일드 하이브리드 차량의 에너지 회생 제어 방법에 관한 발명이다.
최근에는 연비 향상 및 환경 보호 등의 차원에서 하이브리드 차량의 연구 개발이 활발하게 진행되고 있다. 하이브리드 자동차는 그 충전 방식에 따라 마일드 하이브리드 자동차와 플 하이브리드 자동차로 크게 분류된다.
풀 하이브리드 차량(Full Hybrid Electronic Vehicle)의 경우, 모터가 구동력을 보조하면서, 충전된 전력을 이용하여 모터 만의 주행도 실시할 수 있다.
이와 달리, 마일드 하이브리드 시스템은, 특허문헌 1에서도 개시되어 있듯이, 구동모터만으로 차량이 구동하는 주행모드는 없지만, 차량의 정지상태에서 가속시, 또는 차량 주행중 추월 가속시에 순간적으로 높은 토크를 얻기 위해 엔진보다 응답성이 빠른 MHSG(Mild Hybrid Starter Generator)를 사용하여 주행에 필요한 토크를 공급하는 시스템을 말한다.
한편, 일반적인 풀 하이브리드 차량의 HSG에 구비된 모터의 로터가 영구자석형으로 이루어져 있는 것과 달리, 마일드 하이브리드 시스템의 MHSG에 구비된 모터의 로터는, 로터 축 위에 링 형상으로 여자 코일을 감은 다음 그 양단에 집게 모양의 자극편(claw pole)을 서로 맞물리게 하여 여자 코일을 감싸도록 하는 등과 같이, 영구자석과 여자 코일에 의한 전자석으로 이루어져 있기 때문에, MHSG를 구동하기 위해서는 별도의 여자 전류를 MHSG에 흘려주어 로터를 자화 시켜야 토크 보조 및 발전 동작을 수행할 수 있다.
따라서, 차량의 ECU 또는 HCU가 배터리 충전량(SOC)의 상태 만을 고려하여, 토크 보조 또는 발전 토크 결정 시 모터에 공급해야 하는 여자 전류를 고려하지 않으면, 시스템 효율 저하가 올 수 있다. MHSG의 구동 시 발전 충전량 및 토크 보조량과는 상관 없이 여자 전류는 항상 소모 되므로, 여자 전류를 고려하지 않으면 미량의 전류 발전 시 오히려 SOC 저하가 오는 문제가 발생 할 수 있다.
특허문헌 1: 대한민국 등록특허공보 제10-1583971호 (2016.1.21)
본 발명은 상기한 과제를 해결하기 위해 안출된 것으로서, MHSG의 여자 전류량을 고려하여 회생 제어 모드의 실시 여부를 결정함으로써, 효율적인 에너지 회생 제어가 이루어질 수 있는 마일드 하이브리드 차량의 에너지 회생 제어 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기한 과제를 해결하기 위한 본 발명은, 영구자석 및 전자석을 구비한 로터를 포함하는 MHSG(Mild Hybrid Starter Generator) 및 상기 MHSG와 동력 전달 가능하도록 연결된 엔진을 구비한 마일드 하이브리드 차량의 에너지 회생 제어 방법으로서, MHSG를 구동하기 위해 필요한 여자 전류와, 목표 발전 전류량의 차이가 미리 정해진 기준값 미만인지 여부를 판단하는 단계; MHSG를 구동하기 위해 필요한 여자 전류와, 목표 발전 전류량의 차이가 미리 정해진 기준값 미만인 경우에는 회생 제동을 금지하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
바람직하게는 상기 목표 발전 전류량은 차량의 운행 정보를 통해 계산되는 예측 발전 전류량이다.
바람직하게는, 상기 예측 발전 전류량은, 네비게이션 정보 및 브레이크 압력 신호를 이용하여 누적 브레이킹 시간을 예측하는 단계; 예측된 누적 브레이킹 시간과 차량의 배터리의 충전량(SOC)를 이용하여 발전 전류량을 예측하는 단계;에 의해서 계산된다.
바람직하게는, 상기 네비게이션 정보는, 경로 정보, 교통 상황 정보 및 경로 상의 구배 정보 중 적어도 어느 하나 이상을 포함한다.
바람직하게는, 상기 운행 정보는, 브레이크 동작과 관련되어 미리 학습되어 저장된 운전자의 운전 특성 정보를 포함한다.
본 발명에 따르면, 배터리 SOC 관리 시의 비효율적은 측면을 제거하고, 빈번한 MHSG의 모드 변경을 억제함으로써, 안정적인 배터리 SOC 관리를 가능하게 한다.
또한, 일정한 배터리 SOC에서 빈번한 머신의 모드 변경를 억제하고, 잦은 모드 변경으로 인한 벨트/모터/인버터 내구 문제 방지 및 운전 모드를 안정적인 상태로 유지 할 수 있어 안정적인 동력 성능을 구현 할 수 있다.
도 1은 본 발명에 따른 마일드 하이브리드 차량의 에너지 회생 제어 방법이 적용될 수 있는 마일드 하이브리드 시스템의 개략적인 구성도를 도시한 도면.
도 2는 본 발명에 따른 마일드 하이브리드 차량의 에너지 회생 제어 방법을 도시한 순서도.
이하 첨부된 도면을 참고로 하여 본 발명에 따른 마일드 하이브리드 차량의 에너지 회생 제어 시스템 및 제어 방법의 바람직한 실시예를 상세하게 설명한다.
도 1은 본 발명의 실시예에가 적용될 수 있는 마일드 하이브리드 시스템의 개략적인 구성도이다.
도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명의 실시예가 적용될 수 있는 마일드 하이브리드 자동차용 충전장치는, 엔진(10)과, 엔진(10)을 구동하거나 또는 회생 제동에 의해 교류 전력을 발전하는 마일드 하이브리드 장치(MHSG, Mild Hybrid Start Generator, 20)와, MHSG(20)로부터 발생된 교류 전력을 직류 전력으로 변환하여 배터리에 공급하거나 배터리의 직류 전력을 교류 전력으로 변환하여 MHSG(20)에 공급하는 인버터(30)와 인버터(30)로부터 직류 전력을 제공받아 충전되거나 또는 충전된 직류 전력을 인버터(30)에 공급하는 48V 고전압 배터리(40)와, 배터리 전압 관리 및 전압 부스트 기능을 수행하는 DC/DC 컨버터(50)와, DC/DC 컨버터(50)로부터 직류 전력을 제공받아 충전되는 12V 저전압 배터리(60) 및 48V 고전압 배터리(40)로 구성된다.
엔진(10)은 그 크랭크 축 풀리가 MHSG 구동 벨트(11)에 의해 MHSG(20)의 모터 출력축의 풀리와 연결되어, 시동 시에는 MHSG(20)로부터 구동력을 받아 시동하는 한편, 시동 후에는 MHSG(20)에 동력을 제공하는 역할을 수행한다. 또한 엔진(10) 사이에는 동력 전달을 절환할 수 있는 엔진 클러치(12)가 구비된다.
MHSG(20)는 엔진(10)의 시동시에는 인버터(30)를 통해 48V 고전압 배터리(40)로부터 전력을 공급 받아 엔진을 시동시키는 스타터의 역할을 수행하고, 시동 후에는 차량의 감속시 휠(70)의 회전운동에너지를 전기에너지로 변환하여 교류 전력을 발전하며, 주행 중 MHSG(20)의 모터의 구동력을 이용하여 엔진(10)의 토크를 보조한다.
한편, MHSG(20)에 구비된 모터의 경우, 풀 하이브리드에 구비되는 HSG의 모터와 달리 로터 타입이 영구자석형 및 전자석 형으로 이루어져 있기 때문에, MHSG(20)를 구동하기 위해세는 별도의 여자 전류를 흘려주어 로터를 자화시켜주어야 토크 보조 및 발전 동작 등을 포함한 구동이 가능하게 된다.
인버터(30)는 48V 고전압 배터리(40)의 직류 전력을 교류 전력으로 변환하여 MHSG(20)에 공급하거나, 또는 MHSG(20)에서 발전된 교류 전력을 직류 전력으로 변환하여 48V 고전압 배터리(40) 또는 DC/DC 컨버터(50)에 공급하는 역할을 수행한다.
48V 고전압 배터리(40)는 엔진(10)의 시동 시 및 주행 중 엔진 토크 보조 시에 인버터(30)에 직류 전력을 공급하여 MHSG(20)로 하여금 엔진(10)에 구동력을 전달할 수 있도록 하는 한편, 회생 제동 시 발전된 교류 전력이 인버터(30)에 의해 직류 전력으로 변환될 때에 이를 충전하는 역할을 한다. 또한, 48V 고전압 배터리(40)는 충전된 전력을 12V 저전압 배터리(60) 또는 전장 시스템에 전력을 제공하는 역할을 한다.
DC/DC 컨버터(50)는 인버터(30), 48V 고전압 배터리(40)에 전기적으로 연결되고, 인버터(30) 또는 고전압 배터리(40)의 직류 전력을 저전압 배터리(60) 충전 전압 범위를 만족하도록 강압하여 저전압 배터리(60)에 공급한다.
또한, HCU(80)는 MHSG(20)에 의한 엔진 토크 보조 및 회생 제동을 위한 목표 토크량을 결정하고, 엔진 토크 보조 또는 회생 제동을 위한 목표 토크량 출력되도록 MHSG(20)에 지령을 내려 제어하는 역할을 수행한다.
또한, HCU(80)는 목표 충전 전류량과 MHSG(20)의 자화로 손실되는 전류량을 비교하여 회생 제동 여부를 판단하는 역할을 수행한다. 구체적으로는 현재의 48V 고전압 배터리(40)의 충전량을 근거로 목표 충전량을 설정하고, 목표 충전량을 MHSG(20)의 구동을 위해 필요한 여자 전류량과 대비하여, 그 차이가 미리 정해진 기준값을 초과한 경우에 한해, 회생 제동의 실시를 허용하고, 기준값 이하일 경우에는 회생 제동의 수행을 금지한다.
또한, 바람직하게는, HCU(80)는 도시되지 않은 네비게이션 장치와 같은 운전 보조 시스템으로부터 운행 정보를 전달받아, 발전 전류량을 예측하고, 이를 목표 충전량으로서, 자화로 손실되는 전류량과 비교하여 앞서 살펴본 바와 같이, 회생 제동 여부를 판단하는 역할을 수행한다.
도 2는 본 발명에 따른 마일드 하이브리드 차량의 에너지 회생 제어 방법의 바람직한 실시예를 도시한 순서도이다. 도 1과 관련하여 앞서 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 마일드 하이브리드 차량의 에너지 회생 제어 방법에서는 목표 충전량을 현재의 48V 고전압 배터리(40)의 충전량을 근거로 목표 충전량을 설정하고, 목표 충전량을 MHSG(20)의 구동을 위해 필요한 여자 전류량과 대비하여, 그 차이가 미리 정해진 기준값을 초과하였는지 여부에 따라 회생 제동 여부를 결정한다. 그리고 바람직한 실시예에서는, 도 2를 참조하여 후술하는 바와 같이, 목표 충전량은 운행 정보를 통해 예측되는 예측 발전 전류량으로 치환될 수 있다.
도 2에서 도시된 바와 같이, HCU(80)는 차량 운행 정보를 이용하여 누적 브레이킹 시간을 예측한다(S100). 이를 위해서 HCU(80)는 네비게이션 등 운행 보조 장치로부터 데이터를 전달받아 예측 브레이킹 시간을 계산한다.
이때의 운행 정보로서는, 네비게이션 장치로부터 전달되는 경로 정보, 교통 상황 정보 및 경로 상의 구배 정보 중 적어도 어느 하나 이상의 데이터 등이 있다. 운행 예정 경로가 고속도로인지 시내의 간선 도로인지 여부에 따라 예측되는 브레이킹 회수는 달라질 수 있다. 또한 운행 예정 경로의 현재 교통 상황, 즉 교통량의 많고 적음에 따라 예측되는 브레이킹 회수도 달라질 수 있다. 그리고, 운행 예정인 경로 상의 고저의 차이(구배)에 따라서도 운전자에 의한 브레이킹 회수가 달라질 수 있다. 이러한 각 운행 상황에 따라 미리 정해진 변수를 저장해 놓고, 운행 경로가 결정되면, 해당 운행 경로와 관련된 데이터와 실제 APS 센서로부터 전달되는 브레이크 압력 신호 등으로부터 예측 브레이킹 회수 및 시간을 결정할 수 있다.
또한, 바람직하게는 운행 정보는, 브레이크 동작과 관련되어 미리 학습되어 저장된 운전자의 운전 특성 정보를 포함할 수 있다. 운전자에 따라 다양한 운전 습관이 존재할 수 있으며, 동일 경로에 대해 브레이킹 회수는 운전자의 운전 습관별로 달라질 수 있다. 따라서, HCU(80)와 같은 제어 장치에서는 브레이크 동작과 관련하여 등록된 운전자의 운전 습관을 소정 시간 동안 학습하여, 그 결과를 브레이크 회수 및 시간 예측에 활용할 수 있다. 학습은 차량에 설치된 APS 센서로부터 전달되는 데이터를 활용할 수 있으며, 바람직하게는 특정 경로의 특성 별로 운전자의 운전 습관을 구분하여 별도로 학습하는 것이 좋다. 복수의 운전자에 의해 사용되는 차량이 경우, 사전에 복수의 운전자 정보를 각각 등록해 놓고 운전자 별로 학습을 구분하여 실시하는 것이 바람직하다.
다음으로는 예측된 브레이킹 시간 및 회수로부터, 현재의 48V 고전압 배터리(40)의 충전량을 고려하여 발전 전류량을 예측할 수 있다(S200). 즉, 현재의 48V 고전압 배터리(40)의 충전 상태와 위 예측된 브레이킹 시간 및 회수로부터 운행 예정 경로 상에서 회생 제동을 실시하는 경우에 예측되는 발전 전류량을 계산해 낼 수 있다.
앞서 도 1을 참조하여 설명한 바와 같이, 본 발명의 바람직한 실시예에서는, HCU(80)가 목표 충전량을 현재의 48V 고전압 배터리(40)의 충전량을 근거로 목표 충전량을 설정하고, 목표 충전량을 MHSG(20)의 구동을 위해 필요한 여자 전류량과 대비하여, 그 차이가 미리 정해진 기준값을 초과하였는지 여부에 따라 회생 제동 여부를 결정한다. 한편, 도 2에서의 바람직한 실시예에서는 목표 충전량은 앞서 단계 S200에서 계산된 예측 발전 전류량으로 치환된다. 따라서, 도 2에서의 바람직한 실시예에서는, 단계 S200에서 계산된 예측 발전 전류량을 MHSG(20)의 구동을 위해 필요한 여자 전류량과 대비하여, 그 차이가 미리 정해진 기준값을 초과하였는지 여부에 따라 회생 제동 여부를 결정한다(S300). 여기서의 기준값은, 효율적인 배터리 관리 및 잦은 모드 변경에 따른 벨트/모터/인버터의 내구 문제 발생을 고려하여 미리 결정된 값이다.
단계 S200에서 계산된 예측 발전 전류량을 MHSG(20)의 구동을 위해 필요한 여자 전류량과 대비하여, 그 차이가 미리 정해진 기준값 이하인 경우에는, 회생 제동을 수행하는 경우, 여자 전류에 의한 손실에 의해 오히려 배터리 충전 상태가 더욱 악화될 수 있으므로, 회생 제동을 금지한다(S500).
그리고, 단계 S200에서 계산된 예측 발전 전류량을 MHSG(20)의 구동을 위해 필요한 여자 전류량과 대비하여, 그 차이가 미리 정해진 기준값을 초과한 경우에는, 해당 경로를 주행하면서 회생 제동을 실시하는 경우에도 안정적인 배터리 SOC 관리가 가능하므로, 회생 제동을 허용한다(S400).
상기한 본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 운행 예상 경로를 주행하면서 MHSG(20)를 통해 발전되는 전류량을 미리 예측하고, 이를 동일 경로 주행 시의 MHSG(20)의 구동을 위한 여자 전류량과 대비하여, 안정적인 배터리 SOC를 유지할 수 있는 조건인 경우에만 회생 제동을 허용한다. 이를 통해, 배터리의 충전량 관리가 효율적으로 되고, 안정적인 운전 동력 성능 및 내구성을 갖출 수 있다.
10: 엔진 11: MHSG 구동 벨트
12: 클러치 20: 마일드 하이브리드 장치(MHSG)
30: 인버터 40: 고전압 배터리
50: DC/DC 컨버터 60: 저전압 배터리
70: 휠 80: HCU

Claims (5)

  1. 영구자석 및 전자석을 구비한 로터를 포함하는 MHSG(Mild Hybrid Starter Generator) 및 상기 MHSG와 동력 전달 가능하도록 연결된 엔진을 구비한 마일드 하이브리드 차량의 에너지 회생 제어 방법으로서,
    MHSG를 구동하기 위해 필요한 여자 전류와, 목표 발전 전류량의 차이가 미리 정해진 기준값 미만인지 여부를 판단하는 단계;
    MHSG를 구동하기 위해 필요한 여자 전류와, 목표 발전 전류량의 차이가 미리 정해진 기준값 미만인 경우에는 회생 제동을 금지하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 마일드 하이브리드 차량의 에너지 회생 제어 방법.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 목표 발전 전류량은 차량의 운행 정보를 통해 계산되는 예측 발전 전류량인 것인, 마일드 하이브리드 차량의 에너지 회생 제어 방법.
  3. 청구항 2에 있어서,
    상기 예측 발전 전류량은,
    네비게이션 정보 및 브레이크 압력 신호를 이용하여 누적 브레이킹 시간을 예측하는 단계;
    예측된 누적 브레이킹 시간과 차량의 배터리의 충전량(SOC)를 이용하여 발전 전류량을 예측하는 단계;에 의해서 계산되는 것을 특징으로 하는, 마일드 하이브리드 차량의 에너지 회생 제어 방법.
  4. 청구항 3에 있어서,
    상기 네비게이션 정보는, 경로 정보, 교통 상황 정보 및 경로 상의 구배 정보 중 적어도 어느 하나 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는 마일드 하이브리드 차량의 에너지 회생 제어 방법.
  5. 청구항 2에 있어서,
    상기 운행 정보는, 브레이크 동작과 관련되어 미리 학습되어 저장된 운전자의 운전 특성 정보를 포함하는 것을 특징으로 하는 마일드 하이브리드 차량의 에너지 회생 제어 방법.
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