KR102508409B1 - 하이브리드 차량의 주행환경을 고려한 동력제어 방법 및 장치 - Google Patents

하이브리드 차량의 주행환경을 고려한 동력제어 방법 및 장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 하이브리드 차량의 주행환경을 고려한 동력제어 방법 및 장치에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 다양한 주행환경에 대해 적응성을 가지면서도 실시간 적용이 가능하도록 구현된 하이브리드 차량의 동력제어 방법 및 장치에 관한 것이다.
본 발명에 의하면, 하이브리드 차량에 대하여, 현재 주행환경을 실시간으로 고려한 동력제어를 통해, 어떠한 주행환경에서도 최적의 연비성능을 도출하도록 하는 동력제어 방법 및 장치를 제공한다.

Description

하이브리드 차량의 주행환경을 고려한 동력제어 방법 및 장치{Method and apparatus for controlling power of hybrid vehicle considering driving environment}
본 발명은 하이브리드 차량의 주행환경을 고려한 동력제어 방법 및 장치에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 다양한 주행환경에 대해 적응성을 가지면서도 실시간 적용이 가능하도록 구현된 하이브리드 차량의 동력제어 방법 및 장치에 관한 것이다.
하이브리드 차량은 엔진과 모터 2개의 동력원을 가지는데, 엔진은 중,고 출력에서 에너지당 연료소모량이 작으며, 모터는 구동영역 전반에 걸쳐 효율이 높다. 하이브리드 차량의 동력제어는 이와 같은 2개의 동력원의 효율 특성을 고려하여 수행되어야 하는데, 동력제어 전략은 차량의 연비 성능에 주요한 영향을 미치므로 최적의 연비성능을 위한 동력제어 전략 도출이 매우 중요하다. 종래 최적 동력제어 문제는, 주행환경에 정의된 모든 시간에 대해서 총 연료소모량을 최소화하고 총사용 배터리 에너지를 0으로 유지하며, 요구토크 조건, 즉, T=Te+Tm을 만족하는 엔진토크 Te를 찾는 것이다. 그러나 모든 시간에서의 요구토크 정보가 필요하므로, 위와 같은 최적 동력제어 문제는 주행환경이 미리 정의된 상황에서만 풀리는 문제이나, 일반적인 하이브리드 차량의 동력제어에서는 미래 주행정보를 알 수 없으므로, 그러한 위의 최적 동력제어 문제는 실시간으로 풀 수 없어, 동력제어 전략도출에 바로 활용될 수 없는 문제점이 있었다.
KR 10-2028064 B1 KR 10-2056212 B1
1. Sun, Chao, Fengchun Sun, and Hongwen He. "Investigating adaptive-ECMS with velocity forecast ability for hybrid electric vehicles."Applied Energy 185 (2017): 1644-1653. 2. Zhang, Shuo, and Rui Xiong. "Adaptive energy management of a plug-in hybrid electric vehicle based on driving pattern recognition and dynamic programming."Applied Energy 155 (2015): 68-78. 3. Lin, Xinyou, Binhao Zhou, and Yutian Xia. "Online Recursive Power Management Strategy based on the Reinforcement Learning Algorithm with Cosine Similarity and a Forgetting Factor."IEEE Transactions on Industrial Electronics (2020).
본 발명은 이와 같은 문제점을 해결하기 위해 창안된 것으로서, 하이브리드 차량에 대하여, 현재 주행환경을 실시간으로 고려한 동력제어를 통해, 어떠한 주행환경에서도 최적의 연비성능을 도출하도록 하는 동력제어 방법 및 장치를 제공하는데 그 목적이 있다.
이와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 하이브리드 차량의 주행환경을 고려한 동력제어 방법은, (a) 순간 연료소모량과 배터리파워의 가중치 합으로 정의되는 등가 연료소모에서, 배터리파워에 곱해지는 가중치(이하 '등가계수'라 한다)를 산출하는 단계; (b) 등가 연료소모가, 운전자 요구파워(이하 '요구파워'라 한다) 값의 특정 기준값을 경계로 다르게 정의되는 경우, 상기 특정 기준값(이하 '파워임계치'라 한다)을 산출하는 단계; (c) 상기 등가계수 및 상기 파워임계치를 이용하여 엔진 및 모터에 대한 토크 명령을 산출하는 단계; 및, (d) 상기 결정된 엔진 토크명령을 엔진 제어부(ECU, engine control unit)로, 모터 토크명령을 모터 제어부(MCU, motor control unit)로 송신하는 단계를 포함한다.
상기 단계(a)는, (a1) 직전 스텝(k=n-1)의 요구토크(Tk), 엔진속도(we,k) 및 배터리파워(Pb,k)를 각각 페달맵, 상기 엔진 제어부, 배터리 관리부(BMS, battery management system)로부터 입력받는 단계; (a2) 직전 스텝(k=n-1)의 연료마진(
Figure 112021009410539-pat00001
)을
Figure 112021009410539-pat00002
에 의해 산출하는 단계; (a3) 이전 모든 스텝(k=1 내지 k=n-1)의 연료마진(
Figure 112021009410539-pat00003
)을 합산하는 단계; (a4) 이전 모든 스텝(k=1 내지 k=n-1)의 배터리파워(Pb,k)를 합산하는 단계; 및, (a5) 상기 단계(a3) 및 단계(a4)의 합산된 값들로부터 현재 스텝(k=n)의 등가계수를 산출하는 단계를 포함를 포함할 수 있고, 상기
Figure 112021009410539-pat00004
는, 스텝 k에서의 엔진 토크명령이다.
상기 단계(a5)는,
Figure 112021009410539-pat00005
에 의해 산출될 수 있다.
상기 단계(a5)는,
Figure 112021009410539-pat00006
에 의해 산출될 수 있고, 상기
Figure 112021009410539-pat00007
는, 과거정보에 대한 가중치를 줄이기 위한 망각인자이다.
상기 직전 스텝의 요구토크(Tn-1), 엔진속도(we,n-1) 및 배터리파워(Pb,n-1) 및, 상기 직전 스텝의 연료마진(
Figure 112021009410539-pat00008
)은 저장장치에 저장될 수 있고, 상기 단계(2)에서의
Figure 112021009410539-pat00009
은, 상기 저장장치에 저장되어 있는 값을 사용할 수 있다.
상기 단계(b)는, (b1) 현재 스텝(k=n)의 SOC(state of charge) 오차를
Figure 112021009410539-pat00010
에 의해 산출하는 단계; 및, (b2) 상기
Figure 112021009410539-pat00011
을 이용하여, 배터리 에너지 조건을 만족시키는 현재 스텝의 파워임계치를 산출하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 배터리 에너지 조건은,
Figure 112021009410539-pat00012
또는 SOC(t0)=SOC(t)일 수 있다.
상기 단계(b2)에서 현재 스텝의 파워임계치는,
Figure 112021009410539-pat00013
에 의해 산출될 수 있고, 상기 Pth,0는, 파워임계치의 초기설정값, Kp, KI는 각각,
Figure 112021009410539-pat00014
,
Figure 112021009410539-pat00015
의 계수이다.
상기 단계(c)는, (c1) 상기 단계(a)에서 산출된 등가계수 및, 상기 단계(b)에서 산출된 파워임계치를 이용하여 현재 스텝의 최적 엔진토크를 산출하는 단계; (c2) 현재 스텝의 모터토크를 산출하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 단계(c1)의 현재 스텝(k=n)의 최적 엔진토크는,
Figure 112021009410539-pat00016
에 의하여, 현재 스텝의 등가 연료소모
Figure 112021009410539-pat00017
를 최소로 하는 엔진토크값으로 결정될 수 있고, 상기 wm,n은 현재 스텝의 모터속도, 상기 Pn은 현재 스텝의 운전자 요구파워이다.
상기 현재 스텝의 등가 연료소모
Figure 112021009410539-pat00018
는,
Figure 112021009410539-pat00019
에 의해 산출될 수 있다.
상기 단계(c1)과 단계(c2) 사이에, (c11) 결정된 엔진토크를 특정 범위 내로 제한하는 단계를 더 포함할 수 있고, 상기 단계(c11)에서 최종 엔진토크 명령은,
Figure 112021009410539-pat00020
에 의해 결정될 수 있으며, 여기서
Figure 112021009410539-pat00021
는 엔진토크의 최소기준값,
Figure 112021009410539-pat00022
은 엔진토크의 최대기준값이다.
상기 단계(c2)에서 현재 스텝의 모터토크 명령은,
Figure 112021009410539-pat00023
에 의해 산출될 수 있다.
본 발명의 다른 측면에 따르면, 하이브리드 차량의 주행환경을 고려하여 동력을 제어하는 장치는, 순간 연료소모량과 배터리파워의 가중치 합으로 정의되는 등가 연료소모에서, 배터리파워에 곱해지는 가중치(이하 '등가계수'라 한다)를 산출하는 등가계수 산출부; 등가 연료소모가, 운전자 요구파워(이하 '요구파워'라 한다) 값의 특정 기준값을 경계로 다르게 정의되는 경우, 상기 특정 기준값(이하 '파워임계치'라 한다)을 산출하는 파워임계치 산출부; 및, 상기 등가계수 및 상기 파워임계치를 이용하여 엔진 및 모터에 대한 토크 명령을 산출하고, 상기 결정된 엔진 토크명령을 엔진 제어부(ECU, engine control unit)로, 모터 토크명령을 모터 제어부(MCU, motor control unit)로 송신하는 동력제어 결정부를 포함한다.
본 발명의 또 다른 측면에 따르면, 하이브리드 차량의 주행환경을 고려하여 동력을 제어하는 장치는, 적어도 하나의 프로세서; 및 컴퓨터로 실행가능한 명령을 저장하는 적어도 하나의 메모리를 포함하되, 상기 적어도 하나의 메모리에 저장된 상기 컴퓨터로 실행가능한 명령은, 상기 적어도 하나의 프로세서에 의하여, (a) 순간 연료소모량과 배터리파워의 가중치 합으로 정의되는 등가 연료소모에서, 배터리파워에 곱해지는 가중치(이하 '등가계수'라 한다)를 산출하는 단계; (b) 등가 연료소모가, 운전자 요구파워(이하 '요구파워'라 한다) 값의 특정 기준값을 경계로 다르게 정의되는 경우, 상기 특정 기준값(이하 '파워임계치'라 한다)을 산출하는 단계; (c) 상기 등가계수 및 상기 파워임계치를 이용하여 엔진 및 모터에 대한 토크 명령을 산출하는 단계; 및, (d) 상기 결정된 엔진 토크명령을 엔진 제어부(ECU, engine control unit)로, 모터 토크명령을 모터 제어부(MCU, motor control unit)로 송신하는 단계가 실행되도록 한다.
본 발명의 또 다른 측면에 따르면, 하이브리드 차량의 주행환경을 고려하여 동력을 제어하기 위한 컴퓨터 프로그램은, 비일시적 저장 매체에 저장되며, 프로세서에 의하여, (a) 순간 연료소모량과 배터리파워의 가중치 합으로 정의되는 등가 연료소모에서, 배터리파워에 곱해지는 가중치(이하 '등가계수'라 한다)를 산출하는 단계; (b) 등가 연료소모가, 운전자 요구파워(이하 '요구파워'라 한다) 값의 특정 기준값을 경계로 다르게 정의되는 경우, 상기 특정 기준값(이하 '파워임계치'라 한다)을 산출하는 단계; (c) 상기 등가계수 및 상기 파워임계치를 이용하여 엔진 및 모터에 대한 토크 명령을 산출하는 단계; 및, (d) 상기 결정된 엔진 토크명령을 엔진 제어부(ECU, engine control unit)로, 모터 토크명령을 모터 제어부(MCU, motor control unit)로 송신하는 단계가 실행되도록 하는 명령을 포함한다.
본 발명에 의하면, 하이브리드 차량에 대하여, 현재 주행환경을 실시간으로 고려한 동력제어를 통해, 어떠한 주행환경에서도 최적의 연비성능을 도출하도록 하는 동력제어 방법 및 장치를 제공하는 효과가 있다.
도 1은 하이브리드 차량에서 엔진과 모터의 효율특성 및, 하이브리드 차량의 동력제어 전략별 연료소모량을 비교하여 예시한 도면.
도 2는 종래 SOC(state of charge)를 활용하여 등가계수를 계산하는 하이브리드 차량의 동력제어 장치의 구성을 나타내는 도면.
도 3은 등가계수 계산시 발산하는 경우를 예시한 그래프.
도 4는 본 발명의 하이브리드 차량의 주행환경을 고려한 동력제어 장치의 구성을 나타내는 도면.
도 5는 본 발명의 하이브리드 차량의 주행환경을 고려한 동력제어 방법을 수행하는 전체 과정을 나타내는 순서도.
도 6은 본 발명의 하이브리드 차량의 주행환경을 고려한 동력제어 장치의 등가계수 산출부의 등가계수 산출과정을 도시한 순서도.
도 7은 재충전(recharging) 모드에서의 토크마진과 연료마진 및 파워트레인 상태를 도시한 도면.
도 8은 본 발명의 하이브리드 차량의 주행환경을 고려한 동력제어 장치의 파워임계치 산출부의 파워임계치 산출과정을 도시한 순서도.
도 9는 본 발명의 하이브리드 차량의 주행환경을 고려한 동력제어 장치의 동력제어 결정부의 동력제어 결정과정을 도시한 순서도.
도 10은 공인주행 사이클과 소형 택배트럭의 실주행환경을 비교하여 도시한 도면.
이하 첨부된 도면을 참조로 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다. 이에 앞서, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다. 따라서, 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 일 실시예에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.
도 1은 하이브리드 차량에서 엔진과 모터의 효율특성 및, 하이브리드 차량의 동력제어 전략별 연료소모량을 비교하여 예시한 도면이다.
도 1(a)는 엔진연료 소모맵의 일 실시예이고, 도 1(b)는 모터 효율맵의 일 실시예이며, 도 1(c)는 하이브리드 차량의 동력제어 전략별 연료소모량을 비교하여 예시한 도면이다.
도 1(a)에 나타난 바와 같이 엔진은 주로 중,고 출력 영역에서 에너지당 연료소모량이 작음을 알 수 있고, 도 1(b)에 나타난 바와 같이 모터는 구동영역 전반에 걸쳐 효율이 높다. 또한 도 1(c)에 나타난 바와 같이, 동일 주행조건에서 동력제어 전략별로 연료 소모량에는 큰 차이가 발생함을 알 수 있으며, 따라서 최적의 연비 성능을 위하여는 동력제어에 대한 전략을 도출하는 것이 매우 중요함을 알 수 있다.
도 2는 종래 SOC(state of charge)를 활용하여 등가계수를 계산하는 하이브리드 차량의 동력제어 장치(200)의 구성을 나타내는 도면이고, 도 3은 등가계수 계산시 발산하는 경우를 예시한 그래프이다.
전술한 바와 같이, 종래 최적 동력제어 문제는 전역 최적화 문제이다. 즉, 주행환경에 정의된 모든 시간에 대해서 총 연료소모량을 최소화하고 총사용 배터리 에너지를 0으로 유지하며, 요구토크 조건, 즉, T=Te+Tm을 만족하는 엔진토크 Te를 찾는 것이나, 이 경우 모든 시간에서의 요구토크 정보가 필요하므로, 위와 같은 최적 동력제어 문제는 주행환경이 미리 정의된 상황에서만 풀리는 문제이다. 일반적인 하이브리드 차량의 동력제어에서는 미래 주행정보를 알 수 없으므로, 그러한 위의 최적 동력제어 문제는 실시간으로 풀 수 없어, 동력제어 전략도출에 바로 활용될 수 없음을 알 수 있다.
즉, 이러한 전역 최적화 문제를 '과제 1(problem 1)'이라 할 때, 과제 1은
Figure 112021009410539-pat00024
인 t에 대하여,
Figure 112021009410539-pat00025
를 최소화하는 Te(t)를 구하는 것이다. 이때
Figure 112021009410539-pat00026
이고 T(t)=Te(t) + Tm(t)이다.
이러한 과제 1을 순시 최적화 문제인 '과제 2(problem 2)'로 전환하여 풀 수 있는데, 과제 2는 동력제어 결정부(230)에 의해,
Figure 112021009410539-pat00027
를 최소화하는 Te(t)를 구하는 것이다. 이때 T(t)=Te(t) + Tm(t)이다. 과제 2는 순간 연료소모량과 배터리 파워의 가중치 합인 등가 연료소모
Figure 112021009410539-pat00028
의 최소화를 목적으로 하며, 배터리파워가 목적함수에 추가됨으로써 두 에너지원이 균형있게 사용되도록 한다. 이 장치를 통해 기존의 배터리 에너지 조건인
Figure 112021009410539-pat00029
는 간접적으로 고려된다.
과제 2 기반의 동력제어는 과제 1 기반의 동력제어와 대비하여 일반적으로 연비성능은 낮으나, 순간 연료소모량과 배터리 파워의 사용 비율을 결정해주는 등가계수 λ의 설정에 따라 과제 1과 유사한 결과를 얻을 수도 있다. 따라서 등가계수의 설정이 매우 중요하다.
등가계수 산출부(220)가 산출하는 등가계수는,
Figure 112021009410539-pat00030
로 구해질 수 있는데, 여기서 eSOC(t) = SOC(t)-SOC(t0)이며,
Figure 112021009410539-pat00031
이다.
이것은 배터리 충전량(State of Charge, SOC)이 초기치(SOC(t0))에서 크게 벗어나지 않도록 PI(proportional-integral) 제어를 통해 등가계수를 계산하는 방식이며, 이 계산방식을 통해 과제 1에 있던 배터리에너지 조건이 간접적으로 만족되게 할 수 있다. 주어진 주행환경에 대해 배터리에너지 조건을 만족시키는 상수인 등가계수는 유일하게 결정되므로, 이 계산방식으로 얻어진 등가계수는 주행환경에 대한 정보를 간접적으로 포함하고 있다고 볼 수 있다.
그러나, 도 3의 예시적 그래프에 나타나 있는 바와 같이, PI 제어기는 제어이득(Kp,KI)의 설정에 따라 발산의 위험성이 있으며, 배터리에너지 조건을 만족시키는 이상적인 등가계수는 주행환경에 따라 변하는데, PI 제어기의 제어이득 설정에 따라 그 변하는 값을 적절히 추종하지 못할 수 있다. 따라서, 이 계산방식은 등가계수의 정확한 계산을 보장할 수 없으며 주행환경의 정보를 직접적으로 고려하고 있지 못해 최적의 연비성능을 도출하기 어려운 문제점이 있다.
도 4는 본 발명의 하이브리드 차량의 주행환경을 고려한 동력제어 장치(300)의 구성을 나타내는 도면이고, 도 5는 본 발명의 하이브리드 차량의 주행환경을 고려한 동력제어 방법을 수행하는 전체 과정을 나타내는 순서도이다.
본 발명의 하이브리드 차량의 주행환경을 고려한 동력제어 방법은, 등가 연료소모 최소화 전략에 기반하고, 나아가 다양한 주행환경에 대해 적응성을 가지면서도 실시간 구현이 가능하도록 개선된 동력제어 방법이다. 본 발명은 두 개 이상의 동력원을 가지는 모든 종류의 하이브리드 차량, 즉, 하이브리드, 플러그인 하이브리드, 연료전지 하이브리드 자동차 등에 적용 가능한 동력제어 장치 및 방법이므로, 하이브리드 차량의 일반적인 동력제어 방법론으로써 활용될 수 있다.
본 발명의 핵심은 현재 주행환경을 분석하는 "주행환경 분석부"에 운전자의 요구토크(T) 정보를 활용하는 것이다. 운전자는 주행환경을 관측하면서 그에 따른 요구토크를 결정하고 이 요구치를 가속 또는 브레이크 페달에 인가하는데, 가속 또는 브레이크 페달로부터의 정보는 페달맵(310)을 통하여 요구토크(T)로 변환되고, 이러한 요구토크(T) 정보를 직접적으로 활용함으로써 현재 주행환경 특성을 정확하게 분석하게 된다.
주행환경의 특성은 주행환경 분석부(320)의 등가계수 산출부(321)에서 산출하는 등가계수(λ)와, 주행환경 분석부(320)의 파워임계치 산출부(322)에서 산출하는 파워임계치(Pth)라는 두 제어 파라미터로써 정의된다. 이 2개의 제어 파라미터와 운전자 요구토크 정보를 활용하여 "동력제어 결정부(330)"에서 모터와 엔진의 토크명령(
Figure 112021009410539-pat00032
,
Figure 112021009410539-pat00033
)을 결정한다.
도 5를 참조하면, 페달맵(310)의 요구토크(T) 정보로부터 등가계수 산출부(321)가 등가계수(λ)를 산출하고(S510), 파워임계치 산출부(322)에서는 파워임계치(Pth)를 산출한다(S520). 동력제어 결정부(330)에서는 산출된 등가계수(λ) 및 파워임계치(Pth)를 이용하여 모터에 대한 토크 및 엔진에 대한 토크를 산출하여 동력제어를 결정하고(S530), 산출된 토크로 제어할 것을 지시하는 모터 토크명령
Figure 112021009410539-pat00034
를 MCU(motor control unit)으로, 엔진 토크명령
Figure 112021009410539-pat00035
를 ECU(engine control unit)으로 보내어(S540), MCU 및 ECU에 의해 모터토크 및 엔진토크를 제어하도록 한다.
이하에서는 도 6 및 도 7을 참조하여 등가계수(λ) 산출 방법을 상세히 설명하고, 도 8을 참조하여서는 파워임계치(Pth) 산출 방법을 상세히 설명한다. 또한 도 9를 참조하여서는 등가계수(λ) 및 파워임계치(Pth)를 이용하여 모터에 대한 토크(
Figure 112021009410539-pat00036
) 및 엔진에 대한 토크(
Figure 112021009410539-pat00037
)를 산출하는 방법을 상세히 설명한다.
도 6은 본 발명의 하이브리드 차량의 주행환경을 고려한 동력제어 장치의 등가계수 산출부(321)의 등가계수 산출과정을 도시한 순서도이고, 도 7은 재충전(recharging) 모드에서의 토크마진과 연료마진 및 파워트레인 상태를 도시한 도면이다.
본 발명은 등가 연료소모를 재정의한다.
즉, 종래 등가 연료소모 최소화 전략에서는, 순간 연료소모량(
Figure 112021009410539-pat00038
)과 배터리파워(Pb)의 가중치(λ) 합으로써 등가 연료소모(
Figure 112021009410539-pat00039
)를 정의한다. 이를 식으로 나타내면 다음과 같다. 여기서 가중치 λ가 등가계수이다.
Figure 112021009410539-pat00040
이에 반해 본 발명에서는 운전자 요구파워(P)의 값에 따라 등가 연료소모를 다르게 정의하며, 이를 식으로 나타내면 다음과 같다.
[수학식 1]
Figure 112021009410539-pat00041
여기서 운전자 요구파워 P는, 운전자 요구토크 T와, 파워트레인 속도, 즉, 모터속도 Wm의 곱으로 정의되며, 이에 따라 P=T·Wm로 나타내어진다.
수학식 1에 따르면, 요구파워가 파워임계치(Pth) 이상일 경우 등가 연료소모는 종래 등가 연료소모와 동일(
Figure 112021009410539-pat00042
)하게 정의되고, 요구파워가 파워임계치(Pth) 미만일 경우 등가 연료소모는 순간 연료소모량(
Figure 112021009410539-pat00043
)으로만 정의된다.
하이브리드 동력제어의 핵심은 1) 전기에너지를 생산하고(회생제동 모드, 재충전(recharging) 모드), 2) 이 전기에너지를 최적으로 활용(EV 모드, assist 모드)하여 연료소모량을 최소화하는 것이다.
첫번째 핵심인 전기에너지 생산에 있어서, 회생제동 모드에서는 전기에너지를 차량 운동에너지로부터 대가없이 얻을 수 있다. 그러나 재충전 모드에서는 엔진 토크마진으로 전기에너지를 생산하므로 추가 연료소모를 야기하게 된다. 따라서 재충전 모드에서의 전기에너지 생산에 대해서는 에너지 관점의 손익 분석이 필요하다.
순간 연료소모량(
Figure 112021009410539-pat00044
)은 엔진속도(we)와 엔진토크(Te)의 함수로 표현될 수 있으며 엔진토크(Te)와 비례하는 경향을 보인다. 즉,
Figure 112021009410539-pat00045
가 된다.
[수학식 2]
Figure 112021009410539-pat00046
연료마진(
Figure 112021009410539-pat00047
)을 수학식 2와 같이 결정된 엔진토크(
Figure 112021009410539-pat00048
)에서의 순간 연료소모량(
Figure 112021009410539-pat00049
)과 요구토크(T)에서의 순간 연료소모량(
Figure 112021009410539-pat00050
)의 차이로 정의한다. 도 7(a)를 참조하면, 재충전(recharging) 모드에서의 양(positive)의 토크마진(△T>0))은 양(positive)의 연료마진(
Figure 112021009410539-pat00051
>0), 즉, 추가 연료소모를 야기한다. 도 7(b)를 참조하면, 모터는 토크마진에 해당하는 만큼 발전(Tm=-△T)하여 배터리에 Pb만큼의 전기파워를 충전한다.
이때 등가 연료소모는 수학식 3과 같이 표현된다.
[수학식 3]
Figure 112021009410539-pat00052
여기서
Figure 112021009410539-pat00053
이고,
Figure 112021009410539-pat00054
이다.
수학식 3에서,
Figure 112021009410539-pat00055
는 요구토크에 대한 등가 연료소모이고,
Figure 112021009410539-pat00056
는 재충전(recharging)에 의한 추가 등가 연료소모를 의미한다.
만약 재충전에 의한 추가 등가 연료소모가 0이라면 재충전에 의한 전기에너지 생산은 등가 연료소모 관점에서 에너지 손실 없이 수행되는 것이며, 이는 회생제동과 동일하게 대가없이 전기에너지 생산이 가능하다는 것을 의미하는 것이므로, 이 조건에서 도출되는 등가계수를 동력제어에 사용하도록 한다.
[수학식 4]
Figure 112021009410539-pat00057
[수학식 5]
Figure 112021009410539-pat00058
즉, 수학식 4 조건을 만족하도록 하여, 이로부터 수학식 5의 등가계수 λ가 산출된다. 이때 수학식 5는 하나의 구동조건에 계산된 등가계수를 나타내며, 주행 시작(k=1)부터 직전 스텝(k=n-1)까지의 주행환경을 모두 평균적으로 고려한 등가계수 계산 방법은 수학식 6과 같다.
[수학식 6]
Figure 112021009410539-pat00059
나아가, 등가계수가 주행환경 변화에 따라 적절하게 변하도록 하려면, 등가계수 계산에 과거정보에 대한 가중치를 줄이도록 망각인자(
Figure 112021009410539-pat00060
)를 적용하여 수학식 7과 같이 나타낼 수 있다.
[수학식 7]
Figure 112021009410539-pat00061
결국, 도 6의 순서도를 참조하여 수학식 6의 현재 스텝의 등가계수를 구하는 과정을 정리하면 다음과 같다.
직전 스텝(k=n-1)이 재충전(recharging) 모드였다면(S511), 직전 스텝의 요구토크(T), 엔진속도(we) 및 배터리파워(Pb)를 입력받는다(S512). 직전 스텝의 엔진 토크명령(
Figure 112021009410539-pat00062
)은 본 발명의 하이브리드 차량의 주행환경을 고려한 동력제어 장치(300)이 ECU에 지시한 명령으로서, 동력제어 장치(300)가 저장하고 있다. 이러한 요구토크(T), 엔진속도(we), 배터리파워(Pb) 및, 엔진 토크명령(
Figure 112021009410539-pat00063
)으로부터, 수학식 2를 이용하여 직전 스텝의 연료마진(
Figure 112021009410539-pat00064
)을 산출한다(S513). 이후, 이전 모든 스텝(k=1 ~ k=n-1)의 연료마진(
Figure 112021009410539-pat00065
)을 합산한다(S514). k=1 ~ k=n-2 스텝에서의 연료마진 값은 동력제어 장치(300) 내에 이미 저장하고 있다.
또한 입력받은 직전 스텝(k=n-1)의 배터리파워(Pb)와, 저장하고 있는 그 이전 스텝들(k=1 ~ k=n-2)의 배터리파워(Pb)를 합산한다(S515). 합산된(S514) 연료마진
Figure 112021009410539-pat00066
와 합산된(S515) 배터리파워
Figure 112021009410539-pat00067
로부터, 수학식 6에 의하여 현재 스텝(k=n)의 등가계수 λn을 산출한다.
또는 전술한 바와 같이, 등가계수가 주행환경 변화에 따라 적절하게 변하도록 하기 위해, 등가계수 계산에 과거정보에 대한 가중치를 줄이도록 망각인자(
Figure 112021009410539-pat00068
)를 적용하여 수학식 7에 의하여 현재 스텝(k=n)의 등가계수 λn을 산출할 수도 있다.
경우에 따라 BMS로부터는 전류, 전압 등의 값이 수신될 수도 있으나, 그렇더라도 이로부터 동력제어 장치(300)에 의해 간단히 배터리파워 Pb가 계산되는 것이므로, 도 4에서는 간략히 BMS로부터 Pb가 수신되는 것으로 정리하였다.
도 8은 본 발명의 하이브리드 차량의 주행환경을 고려한 동력제어 장치(300)의 파워임계치 산출부(322)의 파워임계치 산출과정을 도시한 순서도이다.
파워임계치가 높을수록 엔진개입 빈도가 줄어들어 배터리파워를 많이 사용하게 되며, 배터리 SOC가 평균적으로 하락하게 된다. 반대로 파워임계치가 낮을수록 엔진개입 빈도가 늘어나 배터리파워 사용이 줄어들며, 배터리 SOC가 평균적으로 증가하게 된다. 따라서 배터리에너지 조건인
Figure 112021009410539-pat00069
또는 SOC(t0)=SOC(t)을 만족하는 특정 파워임계치가 존재한다.
파워임계치는 전술한 바와 같은 배터리에너지 조건을 만족하도록 하는 어떠한 방법을 통해서도 계산할 수 있다. 그 일 실시예로서, SOC 기반 PI 제어로 파워임계치를 계산하는 방법을 들 수 있는데, 수학식 8과 같은 식에 의해 산출될 수 있다.
[수학식 8]
Figure 112021009410539-pat00070
여기서,
Figure 112021009410539-pat00071
이다.
수학식 8에서는, 현재 SOC가 클수록 SOC 오차 eSOC,n이 양(positive)으로 커지며, 이 경우에는 파워임계치 Pth,n 역시 함께 커지게 되어, 전술한 바와 같이 엔진개입 빈도가 줄어들게 되므로 배터리파워를 많이 사용하게 된다. 이에 따라 배터리 SOC가 평균적으로 하락하게 된다. 반대로 현재 SOC가 작을수록 eSOC,n이 작아지며, 이 경우에는 파워임계치 Pth,n 역시 함께 작아지게 되어, 전술한 바와 같이 엔진개입 빈도가 늘어나 배터리파워 사용이 줄어들게 된다. 이에 따라 배터리 SOC가 다시 평균적으로 증가하게 된다. 이것은 전술한 배터리에너지 조건인
Figure 112021009410539-pat00072
또는 SOC(t0)=SOC(t)을 만족하는 특정 파워임계치를 구할 수 있게 되는 것이다.
도 8을 참조하여 이와 같은 파워임계치 산출 방법을 정리하면, 먼저 현재 스텝의 SOC 오차(eSOC,n)을 산출하고(S521), 이 값으로부터 예를 들어 수학식 8과 같이 배터리에너지 조건을 만족시키는 현재 스텝의 파워임계치를 산출하게 된다(S522).
도 9는 본 발명의 하이브리드 차량의 주행환경을 고려한 동력제어 장치(300)의 동력제어 결정부(330)의 동력제어 결정과정을 도시한 순서도이다.
먼저, 동력제어 결정부(330)는, 등가계수 산출부(321)가 산출한 현재 스텝(k=n)의 등가계수 및, 파워임계치 산출부(322)가 산출한 현재 스텝의 파워임계치를 입력받는다(S531). 이로부터 현재 스텝의 최적 엔진토크를 산출한다(S532). 그 방법은 다음과 같다.
현재 스텝에서의 등가 연료소모는 수학식 9와 같이 표현된다.
[수학식 9]
Figure 112021009410539-pat00073
여기서,
Figure 112021009410539-pat00074
이다. Pn은 현재 스텝에서의 요구파워, Pth,n은 현재 스텝에서의 파워임계치, Pb,n은 현재 스텝에서의 배터리파워, λn은 현재 스텝에서의 등가계수, Tn은 현재 스텝에서의 요구토크, wm,n은 현재 스텝에서의 모터속도이고,
Figure 112021009410539-pat00075
은 현재 스텝에서의 순간 연료소모량이다.
수학식 10은 이러한 등가 연료소모량
Figure 112021009410539-pat00076
를 최소화하는, 최적의 엔진토크
Figure 112021009410539-pat00077
를 구하는 식이다.
[수학식 10]
Figure 112021009410539-pat00078
이때, 수학식 10에 의해 산출된(S532) 엔진토크 명령
Figure 112021009410539-pat00079
이 엔진토크의 최소기준값(
Figure 112021009410539-pat00080
)보다 작거나 최대기준값(
Figure 112021009410539-pat00081
)보다 큰 경우, 수학식 11과 같이 그 값들 이내로 제한한다(S533). 엔진토크의 최소값 및 최대값은 엔진토크와 모터토크의 제한범위에 의해 결정된다.
[수학식 11]
Figure 112021009410539-pat00082
모터토크 명령
Figure 112021009410539-pat00083
은 요구토크와 엔진토크 명령의 차로써 수학식 12에 의해 산출된다(S534).
[수학식 12]
Figure 112021009410539-pat00084
도 10은 공인주행 사이클과 소형 택배트럭의 실주행환경을 비교하여 도시한 도면이다.
소형 택배트럭은 (1) 빈번한 정차 및 가,감속, (2) 적재량 변화에 따른 실시간 부하 변동이라는 악조건에서 운행되고 있으며, 이 실주행환경(b)은 차량 연비성능을 평가하는 공인주행사이클(FTP75 등)(a)과는 큰 차이가 있다. 이렇게 주행환경의 변화가 심한 소형 택배트럭을 하이브리드화 하더라도, 종래 방법으로는 그 연비성능을 최적으로 이끌어내기 어렵다.
그러나 임의의 주행환경에 대해 실시간 적응성을 가지는 본 발명의 동력제어 장치(300)에 의한 동력제어 방법은 이와 같은 소형 하이브리드 택배트럭에서도 매우 효과적으로 사용될 수 있다.
10: 주행환경
100: 하이브리드 차량
110: 하이브리드 차량의 파워트레인
200: 종래 하이브리드 차량의 동력제어 장치
210: 페달맵
220: 등가계수 산출부
230: 동력제어 결정부
300: 본 발명의 하이브리드 차량의 주행환경을 고려한 동력제어 장치
310: 페달맵
320: 주행환경 분석부
321: 등가계수 산출부
322: 파워임계치 산출부
330: 동력제어 결정부

Claims (16)

  1. 하이브리드 차량의 주행환경을 고려한 동력제어 방법으로서,
    (a) 순간 연료소모량과 배터리파워의 가중치 합으로 정의되는 등가 연료소모에서, 배터리파워에 곱해지는 가중치(이하 '등가계수'라 한다)를 산출하는 단계;
    (b) 등가 연료소모가, 운전자 요구파워(이하 '요구파워'라 한다) 값의 특정 기준값을 경계로 다르게 정의되는 경우, 상기 특정 기준값(이하 '파워임계치'라 한다)을 산출하는 단계;
    (c) 상기 등가계수 및 상기 파워임계치를 이용하여 엔진 및 모터에 대한 토크 명령을 산출하는 단계; 및,
    (d) 상기 결정된 엔진 토크명령을 엔진 제어부(ECU, engine control unit)로, 모터 토크명령을 모터 제어부(MCU, motor control unit)로 송신하는 단계
    를 포함하는 하이브리드 차량의 주행환경을 고려한 동력제어 방법.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 단계(a)는,
    (a1) 직전 스텝(k=n-1)의 요구토크(Tk), 엔진속도(we,k) 및 배터리파워(Pb,k)를 각각 페달맵, 상기 엔진 제어부, 배터리 관리부(BMS, battery management system)로부터 입력받는 단계;
    (a2) 직전 스텝(k=n-1)의 연료마진(
    Figure 112021009410539-pat00085
    )을
    Figure 112021009410539-pat00086
    에 의해 산출하는 단계;
    (a3) 이전 모든 스텝(k=1 내지 k=n-1)의 연료마진(
    Figure 112021009410539-pat00087
    )을 합산하는 단계;
    (a4) 이전 모든 스텝(k=1 내지 k=n-1)의 배터리파워(Pb,k)를 합산하는 단계; 및,
    (a5) 상기 단계(a3) 및 단계(a4)의 합산된 값들로부터 현재 스텝(k=n)의 등가계수를 산출하는 단계
    를 포함하고,
    상기
    Figure 112021009410539-pat00088
    는,
    스텝 k에서의 엔진 토크명령인 것
    을 특징으로 하는 하이브리드 차량의 주행환경을 고려한 동력제어 방법.
  3. 청구항 2에 있어서,
    상기 단계(a5)는,
    Figure 112021009410539-pat00089

    에 의해 산출되는 것
    을 특징으로 하는 하이브리드 차량의 주행환경을 고려한 동력제어 방법.
  4. 청구항 2에 있어서,
    상기 단계(a5)는,
    Figure 112021009410539-pat00090

    에 의해 산출되고,
    상기
    Figure 112021009410539-pat00091
    는,
    과거정보에 대한 가중치를 줄이기 위한 망각인자인 것
    을 특징으로 하는 하이브리드 차량의 주행환경을 고려한 동력제어 방법.
  5. 청구항 2에 있어서,
    상기 직전 스텝의 요구토크(Tn-1), 엔진속도(we,n-1) 및 배터리파워(Pb,n-1) 및, 상기 직전 스텝의 연료마진(
    Figure 112021009410539-pat00092
    )은 저장장치에 저장되고,
    상기 단계(2)에서의
    Figure 112021009410539-pat00093
    은,
    상기 저장장치에 저장되어 있는 값을 사용하는 것
    을 특징으로 하는 하이브리드 차량의 주행환경을 고려한 동력제어 방법.
  6. 청구항 1에 있어서,
    상기 단계(b)는,
    (b1) 현재 스텝(k=n)의 SOC(state of charge) 오차를
    Figure 112021009410539-pat00094
    에 의해 산출하는 단계; 및,
    (b2) 상기
    Figure 112021009410539-pat00095
    을 이용하여, 배터리 에너지 조건을 만족시키는 현재 스텝의 파워임계치를 산출하는 단계
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 하이브리드 차량의 주행환경을 고려한 동력제어 방법.
  7. 청구항 6에 있어서,
    상기 배터리 에너지 조건은,
    Figure 112021009410539-pat00096
    또는 SOC(t0)=SOC(t)인 것
    을 특징으로 하는 하이브리드 차량의 주행환경을 고려한 동력제어 방법.
  8. 청구항 7에 있어서,
    상기 단계(b2)에서 현재 스텝의 파워임계치는,
    Figure 112021009410539-pat00097

    에 의해 산출되고,
    상기 Pth,0는, 파워임계치의 초기설정값, Kp, KI는 각각,
    Figure 112021009410539-pat00098
    ,
    Figure 112021009410539-pat00099
    의 계수인 것
    을 특징으로 하는 하이브리드 차량의 주행환경을 고려한 동력제어 방법.
  9. 청구항 1에 있어서,
    상기 단계(c)는,
    (c1) 상기 단계(a)에서 산출된 등가계수 및, 상기 단계(b)에서 산출된 파워임계치를 이용하여 현재 스텝의 최적 엔진토크를 산출하는 단계;
    (c2) 현재 스텝의 모터토크를 산출하는 단계
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 하이브리드 차량의 주행환경을 고려한 동력제어 방법.
  10. 청구항 9에 있어서,
    상기 단계(c1)의 현재 스텝(k=n)의 최적 엔진토크는,
    Figure 112021009410539-pat00100

    에 의하여, 현재 스텝의 등가 연료소모
    Figure 112021009410539-pat00101
    를 최소로 하는 엔진토크값으로 결정되며,
    상기 wm,n은 현재 스텝의 모터속도, 상기 Pn은 현재 스텝의 운전자 요구파워인 것
    을 특징으로 하는 하이브리드 차량의 주행환경을 고려한 동력제어 방법.
  11. 청구항 10에 있어서,
    상기 현재 스텝의 등가 연료소모
    Figure 112021009410539-pat00102
    는,
    Figure 112021009410539-pat00103

    에 의해 산출되는 것
    을 특징으로 하는 하이브리드 차량의 주행환경을 고려한 동력제어 방법.
  12. 청구항 9에 있어서,
    상기 단계(c1)과 단계(c2) 사이에,
    (c11) 결정된 엔진토크를 특정 범위 내로 제한하는 단계
    를 더 포함하고, 상기 단계(c11)에서 최종 엔진토크 명령은,
    Figure 112021009410539-pat00104

    에 의해 결정되고,
    여기서
    Figure 112021009410539-pat00105
    는 엔진토크의 최소기준값,
    Figure 112021009410539-pat00106
    은 엔진토크의 최대기준값인 것
    을 특징으로 하는 하이브리드 차량의 주행환경을 고려한 동력제어 방법.
  13. 청구항 9에 있어서,
    상기 단계(c2)에서 현재 스텝의 모터토크 명령은,
    Figure 112021009410539-pat00107

    에 의해 산출되는 것
    을 특징으로 하는 하이브리드 차량의 주행환경을 고려한 동력제어 방법.
  14. 하이브리드 차량의 주행환경을 고려하여 동력을 제어하는 장치로서,
    순간 연료소모량과 배터리파워의 가중치 합으로 정의되는 등가 연료소모에서, 배터리파워에 곱해지는 가중치(이하 '등가계수'라 한다)를 산출하는 등가계수 산출부;
    등가 연료소모가, 운전자 요구파워(이하 '요구파워'라 한다) 값의 특정 기준값을 경계로 다르게 정의되는 경우, 상기 특정 기준값(이하 '파워임계치'라 한다)을 산출하는 파워임계치 산출부; 및,
    상기 등가계수 및 상기 파워임계치를 이용하여 엔진 및 모터에 대한 토크 명령을 산출하고, 상기 결정된 엔진 토크명령을 엔진 제어부(ECU, engine control unit)로, 모터 토크명령을 모터 제어부(MCU, motor control unit)로 송신하는 동력제어 결정부
    를 포함하는 하이브리드 차량의 주행환경을 고려한 동력제어 장치.
  15. 하이브리드 차량의 주행환경을 고려하여 동력을 제어하는 장치로서,
    적어도 하나의 프로세서; 및
    컴퓨터로 실행가능한 명령을 저장하는 적어도 하나의 메모리를 포함하되,
    상기 적어도 하나의 메모리에 저장된 상기 컴퓨터로 실행가능한 명령은, 상기 적어도 하나의 프로세서에 의하여,
    (a) 순간 연료소모량과 배터리파워의 가중치 합으로 정의되는 등가 연료소모에서, 배터리파워에 곱해지는 가중치(이하 '등가계수'라 한다)를 산출하는 단계;
    (b) 등가 연료소모가, 운전자 요구파워(이하 '요구파워'라 한다) 값의 특정 기준값을 경계로 다르게 정의되는 경우, 상기 특정 기준값(이하 '파워임계치'라 한다)을 산출하는 단계;
    (c) 상기 등가계수 및 상기 파워임계치를 이용하여 엔진 및 모터에 대한 토크 명령을 산출하는 단계; 및,
    (d) 상기 결정된 엔진 토크명령을 엔진 제어부(ECU, engine control unit)로, 모터 토크명령을 모터 제어부(MCU, motor control unit)로 송신하는 단계
    가 실행되도록 하는,
    하이브리드 차량의 주행환경을 고려한 동력제어 장치.
  16. 하이브리드 차량의 주행환경을 고려하여 동력을 제어하기 위한 컴퓨터 프로그램으로서,
    비일시적 저장 매체에 저장되며, 프로세서에 의하여,
    (a) 순간 연료소모량과 배터리파워의 가중치 합으로 정의되는 등가 연료소모에서, 배터리파워에 곱해지는 가중치(이하 '등가계수'라 한다)를 산출하는 단계;
    (b) 등가 연료소모가, 운전자 요구파워(이하 '요구파워'라 한다) 값의 특정 기준값을 경계로 다르게 정의되는 경우, 상기 특정 기준값(이하 '파워임계치'라 한다)을 산출하는 단계;
    (c) 상기 등가계수 및 상기 파워임계치를 이용하여 엔진 및 모터에 대한 토크 명령을 산출하는 단계; 및,
    (d) 상기 결정된 엔진 토크명령을 엔진 제어부(ECU, engine control unit)로, 모터 토크명령을 모터 제어부(MCU, motor control unit)로 송신하는 단계
    가 실행되도록 하는 명령을 포함하는,
    하이브리드 차량의 주행환경을 고려한 동력제어를 구현하기 위한 컴퓨터 프로그램.
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