KR102602227B1 - 친환경 자동차 및 그를 위한 충전량 안내 방법 - Google Patents

친환경 자동차 및 그를 위한 충전량 안내 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 구동 모터에 전력을 공급하는 배터리를 외부 전력으로 충전함에 있어 배터리의 충방전 효율을 고려하여 목표 충전량을 가이드할 수 있는 친환경 자동차 및 그를 위한 충전량 안내 방법에 관한 것이다. 본 발명의 일 실시예에 따른 친환경 자동차의 충전량 가이드 방법은, 주행 예상 경로를 기반으로 구간별 주행 에너지를 예측하는 단계; 상기 예측된 구간별 주행 에너지를 기반으로 구간별 배터리 입/출력 에너지를 연산하는 단계; 및 상기 구간별 배터리 입/출력 에너지에 구간별로 배터리의 충전 상태(SOC)에 따른 충/방전 효율을 적용하여, 상기 주행 예상 경로를 주행함에 있어 구간 순서에 따라 순차적으로 변화하는 상기 충전 상태의 총량을 최소화하는 최적 시작 충전 상태를 판단하는 단계를 포함할 수 있다.

Description

친환경 자동차 및 그를 위한 충전량 안내 방법{ECO-FRIENDLY VEHICLE AND METHOD OF PROVIDING CHARGING AMOUNT GUIDE}
본 발명은 구동 모터에 전력을 공급하는 배터리를 외부 전력으로 충전함에 있어 배터리의 충방전 효율을 고려하여 목표 충전량을 가이드할 수 있는 친환경 자동차 및 그를 위한 충전량 안내 방법에 관한 것이다.
환경에 대한 관심이 최근 높아지면서 전기 모터를 구동원으로 사용하는 하이브리드 자동차(HEV: Hybrid Electric Vehicle)나 전기 자동차(EV: Electric Vehicle)에 대한 많은 개발이 이루어지고 있다.
하이브리드 자동차(HEV: Hybrid Electric Vehicle)란 일반적으로 두 가지 동력원을 함께 사용하는 차를 말하며, 두 가지 동력원은 주로 엔진과 전기모터가 된다. 이러한 하이브리드 자동차는 내연기관만을 구비한 차량에 비해 연비가 우수하고 동력성능이 뛰어날 뿐만 아니라 배기가스 저감에도 유리하기 때문에 최근 많은 개발이 이루어지고 있다. 특히, 엔진의 동력이나 회생제동이 아닌 외부 전력을 플러그(Plug)를 통해 배터리를 충전할 수 있는 하이브리드 자동차를 플러그인(Plug-in) 하이브리드 자동차(PHEV)라 칭한다. 전기차(EV)의 경우에는 하이브리드 자동차와 달리 회생 제동을 제외하면 자체적으로 발전이 불가하므로, 외부 전력을 이용한 충전이 필수적이다.
구동 모터를 구비하는 친환경 자동차에 탑재되는 배터리는 SOC에 따라서 충방전 효율이 변화하는 특성을 갖는다. 따라서, 동일한 에너지가 구동 모터에 공급되도록 배터리가 방전되거나 동일한 에너지를 구동 모터로부터 공급받더라도, SOC 영역에 따라 충방전 효율이 상이하여 소모되거나 충전되는 SOC가 달라진다. 이를 도 1을 참조하여 설명한다.
도 1은 배터리의 충전 상태 영역별 충방전 효율을 설명하기 위한 도면이다.
도 1을 참조하면, 세로 방향은 배터리의 SOC를, 가로 방향은 배터리의 충방전 효율을 각각 나타낸다. 배터리의 충방전 효율은 배터리의 고유 특성으로 배터리마다 상이할 수는 있으나, 일반적인 친환경 차량에 탑재되는 리튬 이온 배터리는 약 60 내지 80% 사이의 SOC에서 가장 충방전 효율이 높다. 따라서, 동일한 에너지를 외부에 공급(즉, 방전)함에 있어 #1 구간에서 방전이 시작될 경우 #2 구간에서 방전이 시작될 경우보다 SOC 소모가 적다. 결국, 현재 SOC에서 일정량의 에너지가 외부에 공급되는 것보다 #1 구간의 충방전 효율이 적용될 수 있는 최적 SOC에서 방전이 시작되는 것이 효율적이므로, 최적 SOC까지 운전자가 배터리를 충전한 후 운행을 시작하는 것이 바람직하다.
그러나, 일반적인 친환경 자동차에서는 이러한 최적 SOC에 대한 가이드를 제공하지 않으며, 배터리의 사용 영역은 운전자의 충전 습관과 주행 경로에 의해 배터리 사용영역이 결정되는 것이 보통이다. 즉, 주행 거리가 비교적 짧으나 완충을 선호하는 사용자는 배터리의 높은 충전 상태(SOC: State Of Charge) 영역만 주로 사용하게 되며, 충전량이 적은 사용자는 배터리의 낮은 SOC 영역만 주로 사용하게 되어 비효율적으로 배터리를 사용하는 문제점이 있다.
본 발명은 보다 효율적인 목표 충전량을 가이드해줄 수 있는 친환경 자동차 및 그를 위한 충전량 안내 방법을 제공하기 위한 것이다.
특히, 본 발명은 주행 경로와 배터리의 충전 상태별 충방전 효율을 고려하여 목표 충전량을 가이드해줄 수 있는 친환경 자동차 및 그를 위한 충전량 안내 방법을 제공하기 위한 것이다.
본 발명에서 이루고자 하는 기술적 과제들은 이상에서 언급한 기술적 과제들로 제한되지 않으며, 언급하지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
상기와 같은 기술적 과제를 해결하기 위하여, 본 발명의 일 실시예에 따른 친환경 자동차의 충전량 가이드 방법은, 주행 예상 경로를 기반으로 구간별 주행 에너지를 예측하는 단계; 상기 예측된 구간별 주행 에너지를 기반으로 구간별 배터리 입/출력 에너지를 연산하는 단계; 및 상기 구간별 배터리 입/출력 에너지에 구간별로 배터리의 충전 상태(SOC)에 따른 충/방전 효율을 적용하여, 상기 주행 예상 경로를 주행함에 있어 구간 순서에 따라 순차적으로 변화하는 상기 충전 상태의 총량을 최소화하는 최적 시작 충전 상태를 판단하는 단계를 포함할 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 친환경 자동차의 제어기는, 주행 예상 경로를 기반으로 구간별 주행 에너지를 예측하는 주행 에너지 연산부; 상기 예측된 구간별 주행 에너지를 기반으로 구간별 배터리 입/출력 에너지를 연산하는 배터리 입/출력 에너지 연산부; 및 상기 구간별 배터리 입/출력 에너지에 구간별로 배터리의 충전 상태(SOC)에 따른 충/방전 효율을 적용하여, 상기 주행 예상 경로를 주행함에 있어 구간 순서에 따라 순차적으로 변화하는 상기 충전 상태의 총량을 최소화하는 최적 시작 충전 상태를 판단하는 충전 상태 결정부를 포함할 수 있다.
아울러, 본 발명의 일 실시예에 따른 친환경 자동차는, 주행 예상 경로를 기반으로 구간별 주행 에너지를 예측하고, 상기 예측된 구간별 주행 에너지를 기반으로 구간별 배터리 입/출력 에너지를 연산하여, 상기 구간별 배터리 입/출력 에너지에 구간별로 배터리의 충전 상태(SOC)에 따른 충/방전 효율을 적용하여, 상기 주행 예상 경로를 주행함에 있어 구간 순서에 따라 순차적으로 변화하는 상기 충전 상태의 총량을 최소화하는 최적 시작 충전 상태를 판단하는 제어기; 및 상기 최적 시작 충전 상태에 대한 정보를 출력하는 디스플레이를 포함할 수 있다.
상기와 같이 구성되는 본 발명의 적어도 하나의 실시예에 친환경 자동차는, 주어진 예정 경로를 주행함에 있어 최적의 충방전 효율을 갖는 충전 상태 구간을 이용할 수 있는 목표 충전량을 안내할 수 있다.
본 발명에서 얻을 수 있는 효과는 이상에서 언급한 효과들로 제한되지 않으며, 언급하지 않은 또 다른 효과들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
도 1은 배터리의 충전 상태 영역별 충방전 효율을 설명하기 위한 도면이다.
도 2는 본 발명의 실시예들에 적용될 수 있는 하이브리드 자동차 구성의 일례를 나타낸다.
도 3은 본 발명의 실시예들에 적용될 수 있는 하이브리드 자동차의 제어 계통의 일례를 나타내는 블럭도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 최적 목표 충전량을 결정하기 위한 제어기 구조의 일례를 나타낸다.
도 5는 일 실시예에 따른 차속 기반 주행 파워로 주행 예상 경로를 구분한 형태의 일례를 나타낸다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 구간별 사용 예측 에너지의 순차적 소모에 따른 배터리의 SOC 변화를 설명하기 위한 도면이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 최적 목표 충전량을 결정하기 위한 제어기 구조의 다른 일례를 나타낸다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 구간별 배터리 입/출력 에너지의 순차적 적용에 따른 배터리의 SOC 변화를 설명하기 위한 도면이다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 최적 시작 SOC를 기반으로 한 목표 충전량 가이드가 제공되는 형태의 일례를 나타낸다.
아래에서는 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시 예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시 예에 한정되지 않는다. 그리고 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다.
명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성 요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다. 또한, 명세서 전체에 걸쳐서 동일한 참조번호로 표시된 부분들은 동일한 구성요소들을 의미한다.
본 발명의 실시예에 따른 충전량 안내 방법을 설명하기 앞서, 도 2 및 도 3를 참조하여 실시예들에 적용될 수 있는 친환경 자동차의 일례로 하이브리드 자동차의 구조 및 제어 계통을 먼저 설명한다. 내연 기관과 관련된 부분을 제외하면, 도 2 및 도 3을 참조하여 후술되는 차량 구조는 전기차(EV)에도 유사하게 적용될 수 있음은 당업자에 자명하다.
도 2는 본 발명의 실시예들에 적용될 수 있는 하이브리드 자동차 구성의 일례를 나타낸다.
도 2를 참조하면, 일 실시예에 따른 하이브리드 자동차는 내연기관 엔진(ICE, 110)과 변속기(150) 사이에 전기 모터(또는 구동용 모터, 140)와 엔진클러치(EC: Engine Clutch, 130)를 장착한 병렬형(Parallel Type 또는 TMED: Transmission Mounted Electric Drive) 하이브리드 파워트레인을 구비할 수 있다.
이러한 차량에서는 일반적으로 시동후 운전자가 엑셀레이터를 밟는 경우, 엔진 클러치(130)가 오픈된 상태에서 먼저 배터리(170)의 전력을 이용하여 모터(140, 또는 구동 모터)가 구동되고, 모터의 동력이 변속기(150) 및 종감속기(FD: Final Drive, 160)를 거쳐 바퀴가 움직이게 된다(즉, EV 모드). 차량이 서서히 가속되면서 점차 더 큰 구동력이 필요하게 되면, 시동발전 모터(120)가 동작하여 엔진(110)을 구동할 수 있다.
그에 따라 엔진(110)과 모터(140)의 회전속도가 동일해 지면 비로소 엔진 클러치(130)가 맞물려 엔진(110)과 모터(140)가 함께, 또는 엔진(110)이 차량를 구동하게 된다(즉, EV 모드에서 HEV 모드 천이). 차량이 감속되는 등 기 설정된 엔진 오프 조건이 만족되면, 엔진 클러치(130)가 오픈되고 엔진(110)은 정지된다(즉, HEV 모드에서 EV 모드 천이). 또한, 하이브리드 차량에서는 제동시 휠의 구동력을 전기 에너지로 변환하여 배터리(170)를 충전할 수 있으며, 이를 제동에너지 회생, 또는 회생 제동이라 한다.
시동발전 모터(120)는 엔진에 시동이 걸릴 때에는 스타트 모터의 역할을 수행하며, 시동이 걸린 후 또는 시동 오프시 엔진의 회전 에너지 회수시에는 발전기로 동작하기 때문에 "하이브리드 스타터 제너레이터(HSG: Hybrid Starter Generator)"라 칭할 수 있으며, 경우에 따라 "보조 모터"라 칭할 수도 있다.
도 3은 본 발명의 본 발명의 실시예들에 적용될 수 있는 하이브리드 자동차의 제어 계통의 일례를 나타내는 블럭도이다. 도 3에 도시된 제어 계통은 도 2를 참조하여 상술한 파워 트레인이 적용되는 차량에 적용될 수 있다.
도 3을 참조하면, 본 발명의 실시예들이 적용될 수 있는 하이브리드 자동차에서 내연기관(110)은 엔진 제어기(210)가 제어하고, 시동발전 모터(120) 및 구동 모터(140)는 모터 제어기(MCU: Motor Control Unit, 220)에 의해 토크가 제어될 수 있으며, 엔진 클러치(130)는 클러치 제어기(230)가 각각 제어할 수 있다. 여기서 엔진 제어기(210)는 엔진 제어 시스템(EMS: Engine Management System)이라도 한다. 또한, 변속기(150)는 변속기 제어기(250)가 제어하게 된다. 경우에 따라, 시동발전 모터(120)의 제어기와 구동 모터(140) 각각을 위한 제어기가 별도로 구비될 수도 있다.
각 제어기는 그 상위 제어기로서 모드 전환 과정 전반을 제어하는 하이브리드 제어기(HCU: Hybrid Controller Unit, 240)와 연결되어, 하이브리드 제어기(240)의 제어에 따라 주행 모드 변경, 기어 변속시 엔진 클러치 제어에 필요한 정보, 및/또는 엔진 정지 제어에 필요한 정보를 하이브리드 제어기(240)에 제공하거나 제어 신호에 따른 동작을 수행할 수 있다.
예를 들어, 하이브리드 제어기(240)는 차량의 운행에 있어 전반적인 파워 트레인 제어를 수행할 수 있다. 일례로, 하이브리드 제어기는 엔진 클러치(130)의 해제(Open) 시점을 판단하고, 해제시에 유압(습식 EC인 경우)제어나 토크 용량 제어(건식 EC인 경우)를 수행한다. 또한, 하이브리드 제어기(240)는 EC의 상태(Lock-up, Slip, Open 등)를 판단하고, 엔진(110)의 연료분사 중단 시점을 제어할 수 있다. 또한, 하이브리드 제어기는 엔진 정지 제어를 위해 시동발전 모터(120)의 토크를 제어하기 위한 토크 지령을 모터 제어기(220)로 전달하여 엔진 회전 에너지 회수를 제어할 수 있다. 아울러, 하이브리드 제어기(240)는 후술할 본 발명의 실시예들에 따른 목표 충전량 안내를 위한 전방 경로를 주행함에 있어 배터리로 입력되거나 배터리로부터 방전되어야 하는 에너지를 판단하고, 판단된 에너지를 기반으로 최적의 충방전 효율을 갖는 구간을 이용할 수 있는 목표 충전량을 결정할 수 있다.
물론, 상술한 제어기간 연결관계 및 각 제어기의 기능/구분은 예시적인 것으로 그 명칭에도 제한되지 아니함은 당업자에 자명하다. 예를 들어, 하이브리드 제어기(240)는 그를 제외한 다른 제어기들 중 어느 하나에서 해당 기능이 대체되어 제공되도록 구현될 수도 있고, 다른 제어기들 중 둘 이상에서 해당 기능이 분산되어 제공될 수도 있다.
이하에서는 상술한 차량 구조를 바탕으로, 본 발명의 일 실시예에 따른 보다 효율적인 충전량 가이드 방법 및 이를 위한 차량 구조를 설명한다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 최적 목표 충전량을 결정하기 위한 제어기 구조의 일례를 나타낸다.
도 4를 포함한 이하의 도면 및 기재에서는 최적 목표 충전량을 결정하는 제어기가 하이브리드 제어기(240)인 것으로 가정한다. 다만, 이는 예시적인 것으로 반드시 이에 한정되는 것은 아니다. 예를 들어, 최적 목표 충전량을 결정하는 제어기는 AVN(Audio/Video/Navigation) 시스템일 수도 있고, 전기차(EV)의 경우 차량 제어기(VCU: Vehicle Control Unit)일 수도 있다.
도 4에 도시된 제어기 구조는 특히 하이브리드 자동차의 EV 모드나 방전(CD: Charge Depleting) 모드 또는 전기차에 적용될 수 있다. 도 4를 참조하면, 하이브리드 제어기(240)는 주행 에너지 연산부(241)와 SOC 결정부(243)를 포함할 수 있다.
주행 에너지 연산부(241)는 경로 정보 및 주행 이력 중 적어도 하나를 입력정보로 가질 수 있으며, 이들을 기반으로 주행 예상 경로를 주행하는데 소요되는 사용 에너지를 예측할 수 있다. 주행 에너지의 예측은 주행 예상 경로에 대한 관련 정보량에 따라 상이하게 수행될 수 있다. 예를 들어, 과거 주행 이력 데이터만 있는 경우, 예측 사용 에너지는 평균 주행 거리에 평균 전비를 곱하거나, 일 회 충전당 평균 사용 에너지가 될 수 있다. 다른 예로, 목적지 정보 또는 목적지까지의 거리에 대한 정보만 있는 경우, 예측 사용 에너지는 거리와 평균 전비의 곱이 될 수 있다. 또 다른 예로, 목적지와 부하 예측 정보(예컨대, 구간별 평균 속도, 구배)를 함께 아는 경우, 경로를 속도와 구배에 따른 (평균) 주행 부하에 따라 다수의 구간으로 분할한 후 구간별 예측 사용 에너지를 구간 속도, 구간 거리 및 구간 구배 정보 등을 기반으로 예측한 후 합산하는 방법이 적용될 수 있다.
차속에 따른 구간 분할 방법의 일례가 도 5에 도시된다. 도 5는 일 실시예에 따른 차속 기반 주행 파워로 주행 예상 경로를 구분한 형태의 일례를 나타낸다.
도 5에서 상단 그래프는 교통 정보에 따른 주행 예상 경로 상의 차속을, 하단 그래프는 차속을 주행 부하로 간주하여 해당 차속을 만족시키기 위한 평균 주행 파워로 주행 예상 경로를 복수의 구간으로 나눈 형태가 도시된다. 물론, 도 5에 도시된 구간 구분 형태는 차속만을 고려한 것으로, 구배까지 고려된다면 다른 형태가 될 수도 있음은 당업자에 자명하다.
주행 에너지 연산부(241)에서 주행 예상 경로에 대한 예측 사용 에너지가 구해지면, SOC 결정부(243)는 예측 사용 에너지를 기반으로 배터리의 충방전 효율이 가장 높은 SOC 구간을 사용할 수 있는 주행 시작시의 SOC, 즉, 최적 시작 SOC를 판단할 수 있다. 최적 시작 SOC는 최적 목표 충전량으로 사용자에 안내될 수 있다.
예를 들어, 주행 에너지 연산부(241)에서 주행 예상 경로에 대한 구간별 사용 예측 에너지를 구한 경우, SOC 결정부(243)는 해당 구간별 사용 예측 에너지가 순차적으로 배터리에서 방전될 때의 SOC 소모량을 시작 SOC를 변화시켜가며 연산하고, 그 중 가장 작은 SOC 소모량을 갖는 시작 SOC를 최적 시작 SOC로 판단할 수 있다. 이를 도 6을 참조하여 설명한다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 구간별 사용 예측 에너지의 순차적 소모에 따른 배터리의 SOC 변화를 설명하기 위한 도면이다.
도 6의 그래프에서 가로축은 시간을, 세로축은 구간별 주행 파워 및 배터리의 SOC를 각각 나타낸다. 여기서, SOCK는 K번째 구간이 종료될 때의 SOC를 나타내며, SOC0은 시작 SOC를 나타낸다. 따라서, SOCK-1은 K번째 구간이 시작될 때의 SOC에 해당할 수 있다. 또한, BattEk는 K번째 구간에서 배터리의 입출력 에너지를 나타낸다. 도 4에서의 가정과 같이, 주행 예상 경로를 주행함에 있어서 전기차 또는 하이브리드 자동차의 EV 모드가 가정되므로, 주행 파워는 바로 배터리의 출력 파워가 되며, 구간별 배터리 입출력 에너지(즉, 그래프에서 구간별 면적)는 배터리에서 방전되어 외부로 출력되는 에너지가 된다.
따라서, 배터리의 충방전 효율은 방전만 고려되므로, 배터리 입출력 에너지(BattEk)에 충방전 효율의 역수를 곱해야 해당 에너지를 외부로 방전시킬 때 실제 배터리에서 소모되는 에너지가 구해진다. 예컨대, K번째 구간에서 배터리의 충방전 효율이 80%라면, 1kWh의 에너지가 구동 모터에 공급되기 위해 실제 배터리에서 1.25kWh의 에너지에 해당하는 SOC가 소모된다.
정리하면, K번째 구간이 종료될 때의 SOC, 즉, SOCK는 이전 구간(K-1)이 종료될 때의 SOC인 SOCK-1에서 K번째 구간에서의 SOC 변화량을 합산한 값이 된다. 이때, K번째 구간에서의 SOC 변화량은 전술된 바와 같이 해당 구간의 배터리 입출력 에너지(BattEk)에 SOCK-1에 해당하는 충방전 효율의 역수를 곱한 값이 된다. 결국, SOCK는 아래 수학식 1과 같이 구해질 수 있다.
수학식 1에서 는 K번째 구간이 시작될 때의 SOC(즉, SOCK-1)에서의 충방전 효율 계수를 나타낸다. 전술된 바와 같이, 충방전 효율 계수는 배터리가 방전될 때에는 해당 SOC에서의 충방전 효율의 역수가 된다. 반대로, 충방전 효율 계수는 배터리가 충전될 때에는 해당 SOC에서의 충방전 효율에 대응될 수 있다. 아울러, BattEk는 방전시에는 양의 부호가 적용되고, 충전시에는 음의 부호가 적용된다.
한편, 주행 에너지 연산부(241)는 소모 SOC가 최소가 되는 시작 SOC(SOC0)를 구함에 있어, 아래 수학식 2를 최소로 하는 SOC0을 값을 최적 시작 SOC로 결정할 수 있다. 수학식 2는 주행 예상 구간을 주행함에 있어 구간별로 순차적으로 소모되는 SOC를 합산한 총 SOC 소모량을 나타낸다.
주행 에너지 연산부(241)는 수학식 2에 서로 다른 복수의 후보 SOC0값을 대입시키는 방법으로 최적 시작 SOC를 구할 수 있으며, 후보 SOC0값을 결정함에 있어 기 설정된 최저 SOC로 관리하는 값과 현재 SOC 중 큰 값에 해당하는 SOC를 소정 SOC 단위(예컨대, 1, 3, 5 등)로 변화시킬 수 있으나, 반드시 이에 한정되는 것은 아니다.
상술한 방법을 통해 최적 시작 SOC가 구해지면, 하이브리드 제어기(240)는 최적 시작 SOC가 운전자에게 안내될 수 있도록 출력 수단을 제어하는 제어기 또는 출력 수단으로 최적 시작 SOC 정보를 전달할 수 있다. 구체적인 출력 형태는 도 9를 참조하여 후술하기로 한다.
지금까지 도 4 내지 도 6을 참조하여 설명한 최적 시작 SOC 산출 방법은 배터리의 방전을 중심으로 기술되었다. 이하에서는 도 7 및 도 8을 참조하여, 충전과 방전 모두를 고려한 최적 시작 SOC 산출 방법을 설명한다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 최적 목표 충전량을 결정하기 위한 제어기 구조의 다른 일례를 나타낸다.
도 7에 도시된 제어기 구조는 배터리 입/출력 에너지 연산부(242)가 추가된 점을 제외하면 도 4와 유사하므로 차이점을 위주로 설명한다. 도 4에서는 하이브리드 자동차의 EV/CD 모드나 전기차의 경우를 상정하여 주행 예상 경로에서 배터리에서 지속적으로 방전이 일어나는 경우가 가정되었다. 이와 달리, 도 7에서는 하이브리드 자동차의 HEV 모드 주행을 통해, 엔진의 출력에서 주행 부하를 상회하는 부분은 모터를 통해 배터리를 충전하는 경우가 발생할 수 있으므로, 배터리가 충전되는 경우까지 가정한 구조가 도시된다.
도 7을 참조하면, 주행 에너지 연산부(241)의 기능은 도 4의 경우와 동일하다. 다만, 엔진의 동력으로 주행하는 구간이 있을 경우 구간별 주행 에너지가 바로 구간별 배터리 출력 에너지가 되는 것은 아니다. 예를 들어, 특정 구간에서 엔진과 함께 모터 어시스트 기능이 동작할 경우 일부 방전이 발생하며, 주행 에너지 전부가 엔진을 통해 감당될 경우 충/방전이 발생하지 않을 수도 있으며, 주행 에너지보다 엔진 출력이 큰 구간에서는 엔진 출력 중 주행 에너지 초과분으로 배터리가 충전될 수도 있다.
따라서, 배터리 입/출력 에너지 연산부(242)는 구간별 주행 에너지를 하이브리드 자동차의 파워트레인이 감당하는 과정에서 배터리에 입력되거나 출력되는 에너지를 구간별로 연산할 수 있다. 이를 위해, 배터리 입/출력 에너지 연산부(242)는 구간별 주행 에너지와 구배, 평균 속도, 교통량 등을 고려하여 구간별 주행 전략을 판단하고, 판단된 주행 전략에 따라 엔진 출력과 구간별 주행 파워의 차분을 통해 배터리 입/출력 파워를 연산하고, 이를 기반으로 배터리 입/출력 에너지를 연산할 수 있다.
SOC 결정부(243)는 도 4와 유사하게, 구간별 배터리 입/출력 에너지를 기반으로 전술된 바와 같이 주행 예상 경로에서 SOC 소모가 최소가 되는 시작 SOC, 즉 최적 시작 SOC를 결정할 수 있다. 이를 도 8을 참조하여 설명한다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 구간별 배터리 입/출력 에너지의 순차적 적용에 따른 배터리의 SOC 변화를 설명하기 위한 도면이다.
도 8의 그래프에서 가로축은 시간을, 세로축은 구간별 주행 파워 및 배터리의 SOC를 각각 나타낸다. 도 6과 달리, 세로축은 배터리의 입/출력 파워도 추가로 나타낸다. 여기서, SOCK는 K번째 구간이 종료될 때의 SOC를 나타내며, SOC0은 시작 SOC를 나타낸다. 따라서, SOCK-1은 K번째 구간이 시작될 때의 SOC에 해당할 수 있다. 또한, BattEk는 K번째 구간에서 배터리의 입출력 에너지를 나타낸다. 도 4에서의 가정과 달리, 주행 예상 경로를 주행함에 있어서 엔진의 기동을 통해 주행 파워의 적어도 일부가 실행될 수 있으므로, 주행 파워와 엔진출력의 차분이 배터리의 입/출력 파워가 되며, 구간별 배터리 입출력 에너지(즉, 그래프에서 구간별 면적)는 배터리에서 방전되어 외부로 출력되거나 배터리를 충전하기 위해 외부에서 배터리로 공급되는 에너지가 된다.
따라서, 배터리의 충방전 효율은 충전과 방전 모두가 고려된다. 방전시에는 전술된 바와 같이 배터리 입출력 에너지(BattEk)에 충방전 효율의 역수를 곱해야 해당 에너지를 외부로 방전시킬 때 실제 배터리에서 소모되는 에너지가 구해진다. 예컨대, K번째 구간에서 배터리의 충방전 효율이 80%라면, 1kWh의 에너지가 구동 모터에 공급되기 위해서는 실제 배터리에서 1.25kWh의 에너지에 해당하는 SOC가 소모된다. 반대로, 충전시에는 배터리 입출력 에너지(BattEk)에 충방전 효율을 곱해야 해당 에너지가 외부에서 공급될 때 실제 배터리에 충전되는 에너지가 구해진다. 예를 들어, 예컨대, K번째 구간에서 배터리의 충방전 효율이 80%라면, 1kWh의 에너지가 구동 모터로부터 배터리에 공급되면 실제 배터리에는 0.8kWh에 해당하는 SOC가 상승된다.
정리하면, K번째 구간이 종료될 때의 SOC, 즉, SOCK는 이전 구간(K-1)이 종료될 때의 SOC인 SOCK-1에서 K번째 구간에서의 SOC 변화량을 합산한 값이 된다. 이때, K번째 구간에서의 SOC 변화량은 전술된 바와 같이 해당 구간의 배터리 입출력 에너지(BattEk)에 SOCK-1에 해당하는 충방전 효율 계수(즉, 수학식 1에서의 에 해당)를 곱한 값이 된다. 충방전 효율 계수는 방전시에는 SOCK-1에 해당하는 충방전 효율의 역수가 되고, 방전시에는 SOCK-1에 해당하는 충방전 효율이 된다. 아울러, 수학식 1을 적용함에 있어 BattEk는 방전시에는 양의 부호가 적용되고, 충전시에는 음의 부호가 적용된다.
도 8에서 구간 K-2 및 구간 K에서는 엔진 출력이 구간 주행 파워를 상회하여 여분 출력으로 배터리가 충전되고, 나머지 구간에서는 방전이 일어나는 것으로 볼 수 있다. 또한, 구간 K-1, 구간 K+1 및 구간 K+2에서는 엔진과 모터가 함께 출력을 발생시키며(예컨대, 모터 어시스트), 마지막 구간에서는 모터만 구동력을 출력하도록 예측된 것으로 볼 수 있다. 이런 경우에도 수학식 2를 적용하여 SOC 결정부(243)는 주행 예상 경로에서 SOC 소모가 최소가 되는 시작 SOC, 즉 최적 시작 SOC를 결정할 수 있다.
이하에서는 도 9를 참조하여 결정된 최적 시작 SOC가 운전자가 확인 가능하도록 출력되는 구체적 형태를 설명한다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 최적 시작 SOC를 기반으로 한 목표 충전량 가이드가 제공되는 형태의 일례를 나타낸다.
도 9에 도시된 가이드 정보는 차량에 구비된 디스플레이 수단 중 적어도 하나를 통해 표시될 수 있다. 차량에 구비된 디스플레이 수단은 클러스터, AVN 시스템의 디스플레이, 헤드업 디스플레이(HUD) 등이 될 수 있으나, 반드시 이에 한정되는 것은 아니다.
도 9를 참조하면, SOC 바(901)를 중심으로 다양한 가이드 정보가 표시될 수 있다. 구체적으로, SOC 결정부(243)가 판단한 최적 SOC를 지시하는 제1 인디케이터(910)와 소비자(즉, 운전자)가 현재 또는 과거에 선택한 목표 충전 상태에 해당하는 SOC를 지시하는 제2 인디케이터(920)가 표시될 수 있다. 또한, 해당 인디케이터(910, 920)가 시작 SOC가 될 경우 주행 예상 경로에서 소모되는 SOC량(930, 940)도 각각 표시될 수 있다. 아울러, 만충 대비 최적 SOC까지 충전할 경우 소모 SOC에 대한 차액(950)과, 최적 SOC 대비 소비자 선택 SOC까지 충전할 경우 소모 SOC에 대한 차액(960)에 대한 정보도 표시될 수 있다. 즉, 도 9의 경우 만충할 경우보다 최적 SOC만큼 충전하여 주행 예상 경로를 주행할 경우 최적 배터리 충방전 효율 구간 사용에 의해 200원에 해당하는 SOC가 적게 소모되며, 소비자 선택 SOC만큼 충전하면 최적 SOC 대비 160원에 해당하는 SOC가 더 소모됨을 나타낸다. 차액은 "(최적 SOC 적용시 SOC 소모량- 소비자 선택(또는 만충) SOC 적용시 SOC 소모량) * SOC당 충전 금액"과 같이 구해질 수 있으나, 반드시 이에 한정되는 것은 아니다.
이러한 가이드를 통해 주행 예정 경로에 SOC 소모를 최적으로 하는 시작 SOC, 즉 목표 충전량에 대한 정보가 사용자에게 제공될 수 있으며, 사용자는 이를 기반으로 충전 요금 절약이 가능하다.
전술한 본 발명은, 프로그램이 기록된 매체에 컴퓨터가 읽을 수 있는 코드로서 구현하는 것이 가능하다. 컴퓨터가 읽을 수 있는 매체는, 컴퓨터 시스템에 의하여 읽혀질 수 있는 데이터가 저장되는 모든 종류의 기록장치를 포함한다. 컴퓨터가 읽을 수 있는 매체의 예로는, HDD(Hard Disk Drive), SSD(Solid State Disk), SDD(Silicon Disk Drive), ROM, RAM, CD-ROM, 자기 테이프, 플로피 디스크, 광 데이터 저장 장치 등이 있다.
따라서, 상기의 상세한 설명은 모든 면에서 제한적으로 해석되어서는 아니되고 예시적인 것으로 고려되어야 한다. 본 발명의 범위는 첨부된 청구항의 합리적 해석에 의해 결정되어야 하고, 본 발명의 등가적 범위 내에서의 모든 변경은 본 발명의 범위에 포함된다.

Claims (15)

  1. 주행 예상 경로를 기반으로 구간별 주행 에너지를 예측하는 단계;
    상기 예측된 구간별 주행 에너지를 기반으로 구간별 배터리 입/출력 에너지를 연산하는 단계; 및
    상기 구간별 배터리 입/출력 에너지에 구간별로 배터리의 충전 상태(SOC)에 따른 충/방전 효율을 적용하여, 상기 주행 예상 경로를 주행함에 있어 구간 순서에 따라 순차적으로 변화하는 상기 충전 상태의 총량을 최소화하는 최적 시작 충전 상태를 판단하는 단계를 포함하는, 친환경 자동차의 충전량 가이드 방법.
  2. 제1 항에 있어서,
    상기 연산하는 단계는,
    상기 구간별 주행 에너지에 대응되는 구간별 주행 파워와 엔진 출력의 차분으로 상기 구간별 배터리 입/출력 에너지를 연산하는 단계를 포함하는, 친환경 자동차의 충전량 가이드 방법.
  3. 제1 항에 있어서,
    상기 예측하는 단계는,
    목적지 정보, 교통정보 및 구배 정보 중 적어도 하나를 기반으로 복수의 구간으로 구분하는 단계; 및
    상기 복수의 구간 각각에 대하여 구간별 주행 에너지를 예측하는 단계를 포함하는, 친환경 자동차의 충전량 가이드 방법.
  4. 제3 항에 있어서,
    상기 판단하는 단계는,
    복수의 서로 다른 후보 시작 SOC 각각에 대하여 상기 충전 상태의 총량을 구하는 단계; 및
    상기 복수의 서로 다른 후보 시작 SOC 중 상기 충전 상태의 총량이 최소가 되는 후보 시작 SOC를 상기 최적 시작 충전 상태로 판단하는 단계를 포함하는, 친환경 자동차의 충전량 가이드 방법.
  5. 제4 항에 있어서,
    상기 판단하는 단계는,
    상기 복수의 구간 각각에 대하여, 이전 구간의 충전 상태에 대응되는 충/방전 효율 계수에 해당 구간의 배터리 입/출력 에너지를 곱하여 구간별 충전 상태 변화량을 구하는 단계를 더 포함하는, 친환경 자동차의 충전량 가이드 방법.
  6. 제5 항에 있어서,
    상기 판단하는 단계는,
    상기 구간별 충전 상태 변화량을 상기 구간 순서에 따라 합산하여 상기 충전 상태의 총량을 구하는 단계를 더 포함하는, 친환경 자동차의 충전량 가이드 방법.
  7. 제5 항에 있어서,
    상기 충/방전 효율 계수는,
    상기 해당 구간의 배터리 입/출력 에너지가 충전에 해당하면 상기 충/방전 효율에 대응되고, 상기 해당 구간의 배터리 입/출력 에너지가 방전에 해당하면 상기 충/방전 효율의 역수에 대응되는, 친환경 자동차의 충전량 가이드 방법.
  8. 제5 항에 있어서,
    상기 해당 구간의 배터리 입/출력 에너지는,
    충전에 해당하면 음수 부호를 갖고, 방전에 해당하면 양수 부호를 갖는, 친환경 자동차의 충전량 가이드 방법.
  9. 제1 항에 있어서,
    상기 최적 시작 충전 상태에 대한 정보를 소정의 디스플레이 수단을 통해 출력하는 단계를 더 포함하는, 친환경 자동차의 충전량 가이드 방법.
  10. 제9 항에 있어서,
    상기 최적 시작 충전 상태에 대한 정보는,
    상기 최적 시작 충전 상태를 지시하는 제1 정보, 상기 최적 시작 충전 상태로 충전 후 상기 주행 예상 경로를 주행할 때의 충전 상태 소모량을 지시하는 제2 정보, 만충시 대비 상기 최적 시작 충전 상태로 주행할 때의 충전 비용 차액을 지시하는 제3 정보 중 적어도 하나를 포함하는, 친환경 자동차의 충전량 가이드 방법.
  11. 제10 항에 있어서,
    상기 충전 비용 차액은,
    상기 최적 시작 충전 상태로 충전 후 상기 주행 예상 경로를 주행할 때의 충전 상태 소모량에서 상기 만충시에 상기 주행 예상 경로를 주행할 때의 충전 상태 소모량을 차감한 값에 충전 상태당 충전 금액을 곱하여 산출되는, 친환경 자동차의 충전량 가이드 방법.
  12. 제10 항에 있어서,
    상기 최적 시작 충전 상태에 대한 정보는,
    운전자가 선택한 목표 충전 상태를 지시하는 제4 정보, 상기 목표 충전 상태로 충전 후 상기 주행 예상 경로를 주행할 때의 충전 상태 소모량을 지시하는 제5 정보, 상기 최적 시작 충전 상태 대비 상기 목표 충전 상태로 주행할 때의 충전 비용 차액을 지시하는 제6 정보 중 적어도 하나를 더 포함하는, 친환경 자동차의 충전량 가이드 방법.
  13. 제1 항 내지 제12 항 중 어느 한 항에 따른 친환경 자동차의 충전량 가이드 방법을 실행시키기 위한 프로그램을 기록한 컴퓨터 해독 가능 기록 매체.
  14. 주행 예상 경로를 기반으로 구간별 주행 에너지를 예측하는 주행 에너지 연산부;
    상기 예측된 구간별 주행 에너지를 기반으로 구간별 배터리 입/출력 에너지를 연산하는 배터리 입/출력 에너지 연산부; 및
    상기 구간별 배터리 입/출력 에너지에 구간별로 배터리의 충전 상태(SOC)에 따른 충/방전 효율을 적용하여, 상기 주행 예상 경로를 주행함에 있어 구간 순서에 따라 순차적으로 변화하는 상기 충전 상태의 총량을 최소화하는 최적 시작 충전 상태를 판단하는 충전 상태 결정부를 포함하는, 친환경 자동차의 제어기.
  15. 주행 예상 경로를 기반으로 구간별 주행 에너지를 예측하고, 상기 예측된 구간별 주행 에너지를 기반으로 구간별 배터리 입/출력 에너지를 연산하여, 상기 구간별 배터리 입/출력 에너지에 구간별로 배터리의 충전 상태(SOC)에 따른 충/방전 효율을 적용하여, 상기 주행 예상 경로를 주행함에 있어 구간 순서에 따라 순차적으로 변화하는 상기 충전 상태의 총량을 최소화하는 최적 시작 충전 상태를 판단하는 제어기; 및
    상기 최적 시작 충전 상태에 대한 정보를 출력하는 디스플레이를 포함하는, 친환경 자동차.
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