KR102474514B1 - 병렬형 하이브리드 차량의 페일 세이프 방법 - Google Patents

병렬형 하이브리드 차량의 페일 세이프 방법 Download PDF

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KR102474514B1
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motor
voltage battery
vehicle
clutch
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조진국
박지현
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현대자동차주식회사
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    • F16—ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
    • F16H—GEARING
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    • F16H59/44—Inputs being a function of speed dependent on machine speed of the machine, e.g. the vehicle
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    • F16—ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
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    • F16H61/02—Control functions within control units of change-speed- or reversing-gearings for conveying rotary motion ; Control of exclusively fluid gearing, friction gearing, gearings with endless flexible members or other particular types of gearing characterised by the signals used
    • F16H61/0202—Control functions within control units of change-speed- or reversing-gearings for conveying rotary motion ; Control of exclusively fluid gearing, friction gearing, gearings with endless flexible members or other particular types of gearing characterised by the signals used the signals being electric
    • F16H61/0204—Control functions within control units of change-speed- or reversing-gearings for conveying rotary motion ; Control of exclusively fluid gearing, friction gearing, gearings with endless flexible members or other particular types of gearing characterised by the signals used the signals being electric for gearshift control, e.g. control functions for performing shifting or generation of shift signal
    • F16H61/0213—Control functions within control units of change-speed- or reversing-gearings for conveying rotary motion ; Control of exclusively fluid gearing, friction gearing, gearings with endless flexible members or other particular types of gearing characterised by the signals used the signals being electric for gearshift control, e.g. control functions for performing shifting or generation of shift signal characterised by the method for generating shift signals
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F16—ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
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Abstract

본 발명은 병렬형 하이브리드 차량의 페일 세이프 방법에 관한 것으로, 상세하게는 주행 동력을 발생하는 모터의 구동이 불가한 모터 계통 고장이 발생하는 경우 차량의 페일 세이프 모드(fail-safe mode)에 해당하는 림프 홈(Limp Home) 모드로 천이하여 엔진 동력을 이용하여 모터의 역기전력을 발생함으로써 고전압 배터리의 방전을 최소화하고 과방전을 방지하여 주행 안전성을 확보하는 병렬형 하이브리드 차량의 페일 세이프 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.

Description

병렬형 하이브리드 차량의 페일 세이프 방법 {Fail safe method for parallel hybrid electric vehicle}
본 발명은 병렬형 하이브리드 차량의 페일 세이프 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 주행 동력을 발생하는 모터 계통 고장에 대응하여 주행 안전성을 확보하기 위한 병렬형 하이브리드 차량의 페일 세이프 방법에 관한 것이다.
일반적으로 하이브리드 차량은 2개 이상의 구동원을 사용하는 차량으로서 엔진과 모터를 구동원으로 사용하는 차량이 있으며, 엔진과 모터를 포함하는 다양한 동력 전달 구조를 구성할 수 있다.
하이브리드 차량의 동력 전달 구조로는 병렬형과 직렬형이 대표적이며, 직렬형은 엔진과 모터가 직결된 형태로서 병렬형에 비하여 상대적으로 구조가 간단하고 제어로직이 간단하다는 장점은 있으나, 엔진으로부터의 기계적 에너지를 배터리에 저장하였다 다시 모터를 이용하여 차량을 구동하여야 하기 때문에 에너지 변환시의 효율 측면에서 불리하다는 단점이 있다. 병렬형의 경우 직렬형보다 상대적으로 동력 전달 구조가 복잡하고 제어로직 또한 복잡하다는 단점이 있으나 엔진의 기계적 에너지와 배터리의 전기 에너지를 동시에 사용할 수 있어 에너지를 효율적으로 사용할 수 있다는 장점이 있다.
종래의 병렬형 하이브리드 차량의 시스템은 HSG(High voltage Start Generator) 또는 저전압 스타터(Low voltage Start)를 엔진 시동 기구로서 사용하는데, 저전압 스타터를 엔진 시동 기구로 채택하는 시스템의 경우 엔진룸의 패키지성 및 시스템 원가 절감에 유리한 이점이 있으나, HSG 사용 시스템 대비 주행 동력을 발생하는 모터 계통 고장에 대응하여 주행 안전성을 확보하는데 불리한 단점이 있다.
그 이유는, 상기 저전압 스타터를 사용하는 병렬형 하이브리드 시스템의 경우 차량에 탑재되어 있는 배터리 중에 상대적으로 고전압 전력을 출력하는 고전압 배터리를 주행 중에 충전할 수 있는 부품은 고전압 계통 부품인 모터가 유일한데, 모터 계통 고장이 발생하면 주행 중에 상기 고전압 배터리를 충전할 수 있는 유일한 방법이 사라지게 되어, 고전압 배터리는 LDC(Low voltage DC-DC Converter)에 전력을 공급하며 방전하다가 결국 과방전의 위험에 직면하게 되기 때문이다.
본 발명은 상기와 같은 점을 감안하여 안출한 것으로서, 주행 동력을 발생하는 모터의 구동이 불가한 모터 계통 고장이 발생하는 경우, 차량의 페일 세이프 모드(fail-safe mode)에 해당하는 림프 홈(Limp Home) 모드로 천이하여서 엔진 동력을 이용하여 모터의 역기전력을 발생함으로써 고전압 배터리의 방전을 최소화하고 과방전을 방지하여 주행 안전성을 확보하는 병렬형 하이브리드 차량의 페일 세이프 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
이에 본 발명에서는, 엔진과 변속기 사이에 모터가 설치되고 상기 엔진과 모터 사이에 엔진클러치가 설치되는 병렬형 하이브리드 차량의 페일 세이프 방법으로서, 차량의 시동 이후 모터의 동력을 이용하여 주행 가능한 조건에서 상기 모터의 구동을 불가능하게 하는 모터 계열 고장이 발생하면, 스타터를 이용하여 엔진을 구동하고 상기 엔진클러치를 접합하는 엔진 구동 단계; 가속페달의 개도율 및 차속에 따라 상기 변속기의 기어비를 변경 결정하는 변속맵을, 상기 모터 계열 고장이 발생하기 이전보다 더 높은 차속에서 기어비 변경이 일어나도록 구성된 변속맵으로 전환하는 변속맵 전환 단계; 상기 엔진클러치의 접합 상태에서 상기 엔진이 구동됨에 의해 발생하는 상기 모터의 역기전력으로 LDC(Low voltage DC-DC Converter)가 소모하는 고전압 배터리의 전력을 보조하는 전력 보조 단계;를 포함하는 병렬형 하이브리드 차량의 페일 세이프 방법을 제공한다.
여기서, 상기 스타터는 상기 LDC에 의해 충전되는 저전압 배터리의 전력을 사용하여 작동되는 엔진 시동 기구이다.
상기 페일 세이프 방법은, 상기 엔진클러치의 접합을 수행할 때 상기 모터와 연결된 변속기 입력축의 회전속도가 엔진의 아이들 속도보다 낮은 경우 상기 변속기 입력축에 연결된 변속기 입력 클러치를 슬립 제어하여 엔진의 스톨(stall)을 방지한다. 그리고, 상기 변속기 입력축의 회전속도가 엔진의 아이들 속도보다 낮은 경우, 상기 변속기 입력 클러치의 슬립 제어가 불가능하면 상기 엔진클러치를 슬립 모드로 제어하여 엔진의 스톨을 방지한다.
또한 상기 페일 세이프 방법은, 상기 엔진의 구동력에 의해 주행하는 중에 엔진 아이들 모드로 정차하게 되면 상기 엔진클러치를 접합하고 상기 모터의 출력축에 연결된 변속기 입력 클러치의 접합 모드를 해제함으로써 상기 엔진의 구동력에 의해 상기 모터의 역기전력을 발생하는 단계를 더 포함한다.
아울러 상기 페일 세이프 방법은, 상기 고전압 배터리의 잔존용량이 방전 하한치 이하이면 고전압 배터리의 방전을 제어하는 릴레이를 오프시켜 고전압 배터리의 방전을 차단하는 단계를 더 포함한다.
본 발명에 따른 병렬형 하이브리드 차량의 페일 세이프 방법에 의하면, 저전압 스타터를 사용하는 병렬형 하이브리드 시스템에서 모터 계통 고장(모터 또는 모터 제어용 인버터의 고장 등)이 발생하는 경우, 고전압 배터리의 방전을 최소화하고 과방전을 방지하여 고전압 배터리의 과방전으로 인한 차량 주행 불가를 방지하여 주행 안전성을 확보할 수 있다.
도 1은 본 발명에 따른 병렬형 하이브리드 차량의 페일 세이프 방법이 적용되는 병렬형 하이브리드 시스템을 나타낸 예시도
도 2는 본 발명에 따른 병렬형 하이브리드 차량의 페일 세이프 방법을 나타낸 흐름도
도 3은 본 발명에 따른 병렬형 하이브리드 차량의 페일 세이프 방법을 통해 발생한 모터 역기전력에 의해 LDC 전력을 보조하는 상태를 나타낸 도면
먼저, 도 1을 참조하여 병렬형 하이브리드 차량의 시스템 구조에 대해 간단히 설명하도록 한다.
도 1에 도시된 바와 같이, 병렬형 하이브리드 차량의 시스템은 그 일례로서, 엔진(10)과 변속기(14) 사이에 모터(13)가 설치되고 상기 엔진(10)과 모터(13) 사이에 엔진클러치(12)가 설치된다. 상기 엔진클러치(12)는 엔진(10)과 모터(13) 사이의 동력 연결을 제어하는 것으로서, 엔진클러치(12)에 의하여 엔진(10)과 모터(13)가 선택적으로 동력 전달가능하게 연결된다. 또한 상기 모터(13)에는 모터(13)를 이용한 충전이 이루어지는 고전압 배터리(15)가 연결되고, 엔진(10)에는 엔진 시동을 위한 기구로서 저전압 스타터(Low voltage Start)(11)가 설치된다.
상기 병렬형 하이브리드 시스템은 상기 저전압 스타터(11)에 전력을 공급하기 위한 저전압 배터리(16)가 연결되고, 상기 저전압 배터리(16)와 고전압 배터리(15)로부터 전력을 공급받을 수 있게 LDC(Low voltage DC-DC Converter)(17)가 저전압 배터리(16)와 고전압 배터리(15)에 연결 구성된다.
상기 LDC(17)는 고전압 배터리(15)에서 공급받은 전력을 변환하여 저전압 배터리(16)를 충전하는 역할, 및 고전압 배터리(15)와 저전압 배터리(16) 중 적어도 어느 하나에서 공급받은 전력을 이용하여 차량 전장부하(18)에 구동 전력을 공급하는 역학을 하며, 또한 상기 모터(13)에 전력을 공급받을 수 있게 연결된다.
여기서, 상기 저전압 배터리(16)와 고전압 배터리(15)는 병렬형 하이브리드 시스템에 구비되는 배터리로서, 고전압 배터리(15)가 저전압 배터리(16)보다 상대적으로 높은 전압의 전력을 출력하게 되며, 모터(13)의 경우 상기 고전압 배터리(15)가 출력하는 고전압의 전력을 이용하여 구동된다.
이러한 병렬형 하이브리드 시스템은 도 1에서 실선으로 연결된 부품들이 상대적으로 높은 전압의 전력을 공급하거나 소모하는 제1 전력 계통(혹은 고전압 계통이라고 함)을 구축하고, 도 1에서 점선으로 연결된 부품들이 상대적으로 낮은 전압의 전력을 공급하거나 소모하는 제2 전력 계통(혹은 저전압 계통이라고 함)을 구축하며, 이때 상기 제1 전력 계통의 전력 공급을 위한 고전압 배터리(15)를 제1 배터리라고 칭할 수 있으며, 상기 제2 전력 계통의 전력 공급을 위한 저전압 배터리(16)를 제2 배터리라고 칭할 수 있다.
이와 같이 구성되는 병렬형 하이브리드 시스템을 탑재한 차량의 경우, 저전압 배터리(16)의 전력을 사용하여 작동되는 저전압 스타터(11)를 엔진 시동 기구로 채택함에 따라 엔진룸의 패키지성 및 시스템 원가 절감에 유리한 이점이 있으나, HSG(High voltage Start Generator)를 엔진 시동을 위해 사용하는 기존 시스템 대비 차량의 시동 및 주행 가능 이후(구체적으로, 차량의 시동 이후 모터 동력만으로 주행 가능한 조건)에서 발생하는 모터 고장에 대응하여 주행 안전성을 확보하는데 불리한 단점이 있다.
이는 상기 저전압 스타터(11)를 사용하는 병렬형 하이브리드 시스템의 경우, 차량에 탑재되어 있는 배터리 중 상대적으로 고전압 전력을 출력하는 고전압 배터리(15)를 주행 중에 충전할 수 있는 부품은 고전압 계통 부품인 모터(13)가 유일한데, 모터 계열의 고장이 발생하면 주행 중에 상기 고전압 배터리(15)를 충전할 수 있는 유일한 방법이 사라지게 되고, 고전압 배터리(15)는 LDC(Low voltage DC-DC Converter)(17)에 전력을 공급하며 방전하다가 결국 과방전의 위험을 직면하게 되기 때문이다.
따라서, 저전압 스타터(11)를 적용하는 병렬형 하이브리드 시스템을 탑재한 차량의 경우, 차량의 시동 이후 모터 동력만으로 주행 가능한 조건(예를 들어, 저속 주행 시 등)에서 모터(13)의 구동이 불가하게 되는 모터 계열 고장(예를 들어, 모터 고장 또는 모터 제어용 인버터의 고장 등)이 발생하면 그로 인해 주행 불가 상황이 발생할 수 있다.
이에 본 발명에서는 차량의 시동 이후 모터 동력을 이용하여 주행 가능한 조건에서 모터(13)의 구동이 불가능한 모터 계열 고장이 발생하는 경우, 상기 모터 계열 고장으로 인해 주행 불가 상황이 발생하는 것을 방지하고 주행 안전성을 확보하기 위하여, 차량의 페일 세이프 모드(fail-safe mode)에 해당하는 림프 홈(Limp Home) 모드로 천이하여 모터(13)의 역기전력을 발생시킴으로써 LDC(17) 전력을 보조하여 고전압 배터리(15)의 방전을 최소화하고 과방전을 방지하여 고전압 배터리(15)의 과방전으로 인한 차량 주행 불가를 방지하고 차량 주행이 가능하도록 하여서 차량과 탑승객의 안전을 도모한다.
이때, 도 1과 같이 구성되는 병렬형 하이브리드 시스템에서 모터 구동 불가를 초래하는 모터 계열 고장이 발생하는 경우, 상기 모터 계열 고장은 상기 병렬형 하이브리드 시스템을 채택한 차량에 탑재되어 있는 제어기(미도시)에서 실시간으로 검출하여 진단하게 되며, 상기 제어기는 상기 고장을 검출하는 경우 림프 홈 모드로 차량 주행 모드를 천이시켜 후술하는 바와 같은 제어가 이루어지도록 한다.
일예로, 상기 제어기는 모터 계열의 고장이 발생하는 경우 고전압 배터리(15)의 릴레이(19)의 오프 요청을 수신하게 되며, 상기 릴레이(19)는 고전압 배터리(15)의 방전 및 충전을 제어할 수 있도록 고전압 배터리(15)와 LDC(17) 사이에 설치된 릴레이를 말한다.
첨부한 도 2는 본 발명에 따른 병렬형 하이브리드 차량의 페일 세이프 방법을 나타낸 흐름도이고, 도 3은 본 발명에 따른 병렬형 하이브리드 차량의 페일 세이프 방법을 통해 발생시킨 모터 역기전력을 이용하여 LDC(17)에 공급되는 전력을 보조하는 상태를 나타낸 도면이다.
도 2에 나타낸 바와 같이, 상기 제어기는 병렬형 하이브리드 시스템에서 차량의 주행 동력 발생을 위한 모터 계열의 고장이 발생하는지 여부를 모니터링하여 검출한다. 상기 모터 계열에는 차량의 구동력을 발생하는 모터(13)와 이 모터(13)의 제어를 위한 인버터 등이 포함된다.
차량의 시동 이후 모터(13)의 동력만으로 주행 가능한 조건에서 상기 모터 계열의 고장으로 인해 주행 동력 발생을 위한 모터(13)의 구동이 불가하게 되는 경우, 엔진(10)이 미구동 상태이므로 저전압 스타터(11)를 이용하여 엔진(10)을 구동하고, 엔진클러치(12)의 접합이 가능하도록 상기 엔진(10)의 속도를 제어하여 엔진(10)과 모터(13) 사이의 엔진클러치(12)를 동력 전달가능하게 접합한다.
이에 따라 엔진(10)의 구동력에 의해 차량 주행을 가능하게 하는 동시에, 엔진(10)의 회전 동력을 이용하여 모터(13)를 회전시킴으로써 모터(13)의 역기전력을 발생시킬 수 있게 된다. 그리고, 이때 발생하는 모터(13)의 역기전력이 LDC(17) 및 고전압 배터리(15)에 공급됨으로써 상기 LDC(17)가 소모하는 고전압 배터리(15)의 전력을 보조할 수 있게 된다.
상기 병렬형 하이브리드 시스템을 탑재한 차량은 모터 동력만으로 주행 가능한 조건에서는 통상 엔진클러치(12)를 접합해제 모드로 제어하고 주행을 하게 되나, 상기 모터 계열의 고장이 발생하는 경우 엔진클러치(12)의 접합 제어를 수행하여 엔진 동력을 이용한 모터(13)의 역기전력 발생이 가능하도록 한다.
상기 엔진클러치(12)는 엔진 속도가 설정된 일정속도 이하인 경우에 접합이 가능하므로, 모터(13) 구동이 불가한 모터 계열 고장이 발생하는 경우 엔진클러치(12)의 접합이 가능한 속도로 엔진 속도를 제어하여 엔진클러치(12)의 접합을 수행한다.
이렇게 엔진클러치(12)의 접합을 수행할 때 변속기 입력축(14a)의 회전속도가 엔진(10)의 아이들 속도보다 낮으면 엔진(10)의 스톨(stall)이 발생할 수 있다. 따라서 변속기 입력축(14a)의 회전속도가 엔진 아이들 속도보다 낮으면 변속기 입력 클러치(14b)를 슬립 모드로 제어하여 엔진 스톨(회전 정지)을 방지할 수 있도록 한다.
상기 아이들 속도는 엔진(10)이 공회전을 하게 되는 아이들 모드의 회전속도(rpm), 다시 말해 가속페달을 밟지 않은 상태에서 엔진(10)이 무부하로 회전하는 속도를 말한다. 그리고, 상기 변속기 입력 클러치(14b)는 슬립 모드 시에 모터(13)와 변속기(14)의 동력 연결을 해제하게 되며, 따라서 엔진(10)의 동력이 변속기(14)를 통해 차륜으로 전달되는 것을 차단하게 된다.
부연하면, 도 1에 보듯이, 변속기(14)는 변속기 입력축(14a)이 모터 출력축(13a)과 동력 전달가능하게 연결되고, 상기 변속기 입력축(14a)에는 변속기(14)에 내장되어 있는 변속기 입력 클러치(14b)가 연결되어서 상기 변속기 입력축(14a)을 통해 입력된 동력은 변속기 입력 클러치(14b)까지 전달되며, 변속기 입력 클러치(14b)와 연결된 변속기 출력축을 통해 차축으로 출력된다.
따라서, 상기 변속기 입력 클러치(14b)를 슬립 모드로 제어하게 되면, 변속기 입력 클러치(14b)의 부하가 변속기 입력축(14a)에 거의 영향을 미치지 않게 되고 결국 엔진 스톨을 방지할 수 있게 된다. 즉, 엔진(10)의 출력단에 연결되어 있는 상기 변속기 입력 클러치(14b)를 동력 전달이 이루어지지 않는 슬립 모드(혹은 접합해제 모드)로 제어하면, 엔진 속도가 변속기 입력축(14a)의 회전속도에 영향을 받지 않게 되고, 결과적으로 변속기 입력축(14a)의 회전속도에 따른 엔진 스톨이 방지된다.
다만, 변속기(14)의 특성에 따라 변속기 입력 클러치(14b)의 슬립 제어가 불가능한 경우가 있으므로, 이러한 경우에는 엔진클러치(12)를 슬립 모드로 제어하여 변속기 입력축(14a)의 부하로 인해 엔진 스톨이 발생하는 것을 방지한다. 다시 말해, 변속기 입력축(14a)의 회전속도가 엔진(10)의 아이들 속도보다 낮은 경우 변속기 입력 클러치(14b)의 슬립 제어가 불가능하면 엔진클러치(12)를 슬립 모드로 제어하여 엔진(10)의 스톨을 방지할 수 있도록 한다. 이때, 상기 엔진클러치(12)는 변속기 입력축(14a)의 회전속도가 엔진(10)의 아이들 속도 이상이 될 때까지 슬립 모드로 제어된다.
한편, 상기 엔진(10)의 구동력에 의해 주행하는 중에 차량이 엔진 아이들 모드로 정차하게 되면, 예를 들어 상기 엔진클러치(12)를 슬립 모드로 제어한 이후 변속기 입력축(14a)의 회전속도가 '0'이 되고 차량이 정차하게 되면, 엔진(10)의 구동력을 이용하여 모터(13)의 역기전력을 발생시키기 위해 엔진클러치(12)를 접합 모드로 전환하고 변속기 입력 클러치(14b)의 접합 모드를 해제하여 변속기 입력 클러치(14b)의 중립 상태를 유지하는 제어를 수행한다.
상기한 병렬형 하이브리드 시스템은 엔진(10)의 동력을 변속기(14)를 통해 차륜으로 전달할 수 있게 되면, 또는 엔진(10)의 동력으로 인해 모터(13)가 회전하게 되면, 상기 모터(13)는 엔진 동력에 의해 회전하게 되어 역기전력을 발생하게 된다. 그리고, 이때 발생하는 모터(13)의 역기전력이 LDC(17) 및 고전압 배터리(15)에 공급되어, 시스템의 저전압 계통으로 전력을 공급하면서 LDC(17)가 소모하게 되는 고전압 배터리(15)의 전력을 보조할 수 있다(도 3 참조). 예를 들어, 상기 LDC(17)는 시스템의 저전압 계통 중 저전압 전력을 소모하는 전장부하(18) 및 저전압 전력이 충전되는 저전압 배터리(16) 등에 전력을 공급한다.
도 3에 나타낸 바와 같이, 상기 모터(13)의 역기전력을 LDC(17) 및 고전압 배터리(15)에 공급하여 상기 LDC(17)가 시스템의 저전압 계통에 전력을 공급할 때 소모하는 전력을 보조하게 되면, 즉 상기 LDC(17)가 사용하는 고전압 배터리(15)의 전력을 모터(13)의 역기전력으로 보조하게 되면, 고전압 배터리(15)의 방전이 최소화되어 고전압 배터리(15)의 과방전으로 인해 초래되는 주행 불가 상황을 방지할 수 있다. 그 이유는 상기 LDC(17)가 고전압 배터리(15)의 고전압 전력을 저전압 전력으로 변환하여 저전압 배터리(16) 및 전장부하(18)를 포함하는 시스템의 저전압 계통에 저전압 전력을 공급하는 역할을 하기 때문이다.
따라서, 엔진클러치(12)의 접합 상태에서 발생하는 상기 모터(13)의 역기전력을 LDC(17) 및 고전압 배터리(15)에 공급함으로써 LDC(17)가 소모하는 고전압 배터리(15)의 전력을 보조하여 고전압 배터리(15)의 방전을 저감할 수 있다.
이때, 상기 모터(13)의 역기전력 전압이 LDC(17)의 출력 전압 및 고전압 배터리(15)의 출력 전압보다 낮으면 모터(13)의 역기전력이 LDC(17)의 전력을 보조할 수 없으며, 상기 모터(13)의 역기전력 전압은 모터(13)의 회전수와 연관된다.
따라서, 상기 모터(13)의 역기전력을 이용하여 LDC(17)가 사용하는 전력을 보조하기 위해서는, 모터 계통 고장이 발생한 이후의 엔진(10)의 단위시간당 회전수(고장 발생 이후의 엔진 회전속도)를 상기 모터 계통 고장이 일어나기 이전의 엔진(10)의 단위시간당 회전수(고장 발생 이전의 엔진 회전속도)보다 높게 사용하는 것이 필요하다.
상기한 병렬형 하이브리드 시스템은 엔진(10)의 회전속도를 조절하기 위한 가속페달의 개도율(%) 및 차속(km/h)에 따라 사전 설정된 값의 기어비(즉, 변속비)를 사용하는 변속기(14)를 적용하기 때문에 주행 중이나 엔진 아이들 모드로 정차 시에 엔진(10)의 회전속도를 상대적으로 높게 유지시키기 위해서는, 모터 계통의 고장이 없는(미발생한) 주행 상황과 모터 계통의 고장이 발생한 주행 상황에서 각기 다른 변속맵을 사용하는 것이 필요하다.
다시 말해, 상기 변속기(14)는 사전 구축된 변속맵에 따라 기어비가 결정되는 변속기이며, 상기 변속맵은 차량의 차속과 가속페달의 개도율(밟힘량)에 따라 기어비를 변경하거나 결정할 수 있도록 구성된 것이 사용된다. 따라서, 모터 계통의 고장이 없는 주행 상황과 모터 계통의 고장이 발생한 주행 상황에서 서로 다른 변속맵을 사용함으로써 모터 계통 고장이 발생한 경우 더 높은 차속에서 기어비 변경이 이루어지도록 할 수 있으며, 그에 따라 실시간 차속을 기준으로 엔진 회전속도를 높게 유지시킬 수 있게 된다.
따라서, 병렬형 하이브리드 시스템에 모터 계통 고장이 발생하게 되면 변속기(14)의 변속맵을 기준 변속맵에서 상기 림프 홈 모드용 변속맵으로 전환한다. 여기서, 모터 계통 고장이 발생하기 전 정상 주행 시에 변속기(14)의 기어비를 결정하는 변속맵을 '기준 변속맵'이라고 하고, 모터 계통 고장이 발생하는 경우 변속기(14)의 기어비를 결정하는 변속맵을 '림프 홈 모드용 변속맵(혹은 고장 대응 변속맵)'이라고 한다.
상기 림프 홈 모드용 변속맵은 차속과 가속페달의 개도율에 따라 발생하는 기어비의 업쉬프트(upshift) 및 다운쉬프트(downshift)가 기준 변속맵 대비 더 높은 차속에서 발생하도록 구성됨으로써 엔진(10)의 단위시간당 회전수(즉, 회전속도)를 모터 계통 고장이 발생하기 전보다 상대적으로 더 높게 유지할 수 있도록 한다.
따라서, 모터 계통 고장이 발생하는 경우 변속기(14)의 변속맵을 기준 변속맵에서 림프 홈 모드용 변속맵으로 전환함으로써 상기 모터 계통 고장이 발생한 이후의 엔진 회전수를 상기 모터 계통 고장이 발생하기 전보다 더 높게 유지할 수 있게 된다.
엔진클러치(12)의 접합 상태에서 엔진 회전수가 높게 유지되면 모터 회전수 또한 상승하게 되므로, 변속맵의 전환에 의해 엔진 회전수를 높게 유지함에 따라 모터 회전수도 높게 유지할 수 있게 된다.
이렇게 높은 회전수로 유지되는 엔진 회전 및 그에 따른 모터 회전에 의해 높은 모터 역기전력을 형성할 수 있게 되고, 이러한 모터 역기전력의 전압이 LDC(17)의 전력 보조가 가능한 전압으로서 LDC(17) 및 고전압 배터리(15)의 출력 전압보다 높게 형성되어 결국 LDC(17)가 사용하는 전력을 보조 가능하게 된다.
이와 같이 높은 전압을 형성하는 모터(13)의 역기전력을 기반으로 저전압 계통의 전력 보조는 가능하지만 고전압 배터리(15)가 방전되는 상황을 완벽하게(100%) 방지하기는 어렵기 때문에 고전압 배터리(15)의 과방전 위험이 존재할 수 있다.
따라서, 운전자가 안전한 장소에 정차를 할 때까지 LDC에 공급되는 전력을 보조하기 위한 상태를 최대한 유지하도록 상기한 제어를 수행하면서 고전압 배터리(15)의 잔존용량(SOC, State Of Charge)을 모니터링하여 고전압 배터리(15)의 과방전을 방지할 수 있도록 하는 것이 바람직하다.
이를 위하여, 운전자가 차량 시동을 오프할 때까지 상기한 바와 같이 LDC 전력을 보조하면서 고전압 배터리(15)의 잔존용량을 모니터링하고, 상기 고전압 배터리(15)의 잔존용량을 설정된 방전 하한치와 비교한다.
비교 결과, 고전압 배터리(15)의 잔존용량이 감소하여 방전 하한치 이하가 되면 고전압 배터리(15)의 방전을 제어하는 릴레이(19)를 오프시켜 고전압 배터리(15)의 방전을 차단하고, 상기 고전압 배터리(15)의 잔존용량이 방전 하한치를 초과하면 차량의 시동 오프 여부에 따라 선택적으로 상기 릴레이(19)를 오프시킨다. 도 1에 보듯이, 상기 릴레이(19)는 LDC(17)와 고전압 배터리(15) 사이에 설치되어 상기 고전압 배터리(15)의 전력이 LDC(17)에 공급되는 것을 차단할 수 있다.
부연하면, 상기 고전압 배터리(15)의 잔존용량이 방전 하한치를 초과하고 차량이 시동 온 상태이면 모터(13)의 역기전력을 이용하여 LDC 전력을 보조하는 제어를 유지하면서 고전압 배터리(15)의 잔존용량을 모니터링하고, 고전압 배터리(15)의 잔존용량이 방전 하한치를 초과하고 차량이 시동 오프 상태이면 상기 릴레이(19)를 오프하는 제어를 수행하여 고전압 배터리(15)의 과방전을 차단한다.
여기서, 상기 방전 하한치는 고전압 배터리(15)의 과방전을 방지하고 정상상태를 유지하기 위한 잔존용량의 최저치이다.
이와 같이 본 발명에서는 고정 기어비를 사용하는 변속기(14)를 채택한 병렬형 하이브리드 시스템에서 차량의 시동 이후 모터 동력만으로 주행 가능한 조건일 때 모터 계통 고장이 발생하는 경우 상기 고장이 발생하기 전보다 엔진 회전수(rpm)를 높게 유지시킬 수 있도록 하기 위하여, 변속기(14)의 기어비를 결정하는 변속맵을 림프 홈 모드용 변속맵으로 전환하여서, 모터 계통 고장이 발생하기 이전의 조건(상황)을 기준으로, 보다 높은 차속에서 업쉬프트(upshift)의 기어단 변경이 일어나도록 한다.
이때, 상기 림프 홈 모드용 변속맵은 기어단 변경이 발생하는 차속이 기준 변속맵과 다르게 설정된 것으로서 복수 개로 구성되어 병렬형 하이브리드 차량의 제어기에 저장될 수 있고, 상기 제어기에 저장된 각각의 림프 홈 모드용 변속맵은 기어단 변경이 서로 다른 차속에서 발생하도록 구성될 수 있다.
상기 모터 계통 고장이 발생하기 전보다 엔진 회전수를 높게 유지시키기 위하여, 제어기에 저장된 복수의 림프 홈 모드용 변속맵 중에, 모터 계통 고장이 발생한 때의 실시간 차속(현재 차속)을 기준으로, 모터(13)의 역기전력 전압이 LDC(17)의 출력 전압 및 고전압 배터리(15)의 출력 전압보다 높아지는 엔진 회전수를 유지할 수 있도록 기어비 변경 시점(차속)이 설정된 림프 홈 모드용 변속맵으로 선택하여 전환한다.
이렇게 변속기(14)의 기어비 변경을 위한 변속맵을 기준 변속맵에서 실시간 차속에 따라 적절한 림프 홈 모드용 변속맵으로 전환함으로써, 상기 모터 계통 고장이 발생하기 전보다 엔진 회전수가 일정 수준까지 상승해도 기어비 변경이 일어나지 않게 되어 엔진 회전수를 모터 계통 고장이 발생하기 전보다 높게 유지하는 것이 가능하게 되며, 이렇게 엔진 회전수를 모터 계통 고장이 발생하기 전보다 높게 유지시켜 모터(13)의 역기전력 전압을 고전압 배터리(15)의 전압 및 LDC(17) 전압보다 높게 발생할 수 있도록 함으로써 상기 모터(13)의 역기전력으로 LDC에 공급되는 전력을 보조할 수 있게 된다.
이상으로 본 발명의 실시예에 대해 상세히 설명하였는바, 본 발명의 권리범위는 상술한 실시예에 한정되지 않으며, 다음의 특허청구범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 또한 본 발명의 권리범위에 포함된다.
10 : 엔진 11 : 저전압 스타터
12 : 엔진클러치 13 : 모터
13a : 모터 출력축 14 : 변속기
14a : 변속기 입력축 14b : 변속기 입력 클러치
15 : 고전압 배터리 16 : 저전압 배터리
17 : LDC 19 : 릴레이

Claims (6)

  1. 엔진과 변속기 사이에 모터가 설치되고 상기 엔진과 모터 사이에 엔진클러치가 설치되는 병렬형 하이브리드 차량의 페일 세이프 방법으로서,
    차량의 시동 이후 모터의 동력을 이용하여 주행 가능한 조건에서 상기 모터의 구동을 불가능하게 하는 모터 계열 고장이 발생하면, 스타터를 이용하여 엔진을 구동하고 상기 엔진클러치를 접합하는 단계;
    가속페달의 개도율 및 차속에 따라 상기 변속기의 기어비를 변경 결정하는 변속맵을, 상기 모터 계열 고장이 발생하기 이전보다 더 높은 차속에서 기어비 변경이 일어나도록 구성된 변속맵으로 전환하는 단계;
    상기 엔진클러치의 접합 상태에서 상기 엔진이 구동됨에 의해 발생하는 상기 모터의 역기전력으로 LDC(Low voltage DC-DC Converter)가 소모하는 고전압 배터리의 전력을 보조하는 단계;를 포함하며,
    상기 엔진클러치의 접합 상태에서 상기 모터의 출력축에 연결된 변속기 입력 클러치를 슬립 제어하는 것을 특징으로 하는 병렬형 하이브리드 차량의 페일 세이프 방법.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 엔진의 구동력에 의해 주행하는 중에 엔진 아이들 모드로 정차하게 되면, 상기 엔진클러치를 접합하고 상기 변속기 입력 클러치의 접합 모드를 해제함으로써 상기 엔진의 구동력에 의해 상기 모터의 역기전력을 발생하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 병렬형 하이브리드 차량의 페일 세이프 방법.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 엔진클러치의 접합을 수행할 때 상기 모터와 연결된 변속기 입력축의 회전속도가 엔진의 아이들 속도보다 낮은 경우 상기 변속기 입력축에 연결된 변속기 입력 클러치를 슬립 제어하여 엔진의 스톨(stall)을 방지하는 것을 특징으로 하는 병렬형 하이브리드 차량의 페일 세이프 방법.
  4. 청구항 3에 있어서,
    상기 변속기 입력축의 회전속도가 엔진의 아이들 속도보다 낮은 경우 상기 변속기 입력 클러치의 슬립 제어가 불가능하면, 상기 엔진클러치를 슬립 모드로 제어하여 엔진의 스톨을 방지하는 것을 특징으로 하는 병렬형 하이브리드 차량의 페일 세이프 방법.
  5. 청구항 1에 있어서,
    상기 고전압 배터리의 잔존용량이 방전 하한치 이하이면 고전압 배터리의 방전을 제어하는 릴레이를 오프시켜 고전압 배터리의 방전을 차단하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 병렬형 하이브리드 차량의 페일 세이프 방법.
  6. 청구항 1에 있어서,
    상기 스타터는 LDC에 의해 충전되는 저전압 배터리의 전력을 사용하여 작동되는 엔진 시동 기구인 것을 특징으로 하는 병렬형 하이브리드 차량의 페일 세이프 방법.
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