KR20030074696A - 하이브리드 전기차의 작동 특성들을 제어하는 방법 - Google Patents

하이브리드 전기차의 작동 특성들을 제어하는 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은, 특히, 전기모터(E/M)나 전기모터/발전기(E/MG), 배터리(20) 및 관련 제어기들이 엔진(12)과 연속 가변 또는 자동 변속기(24) 사이에 삽입되어 있는 구조에서, 소형 배터리 팩을 가진 전기 하이브리드 차량들의 내연기관(12)을 작동하는 제어 방법을 제공한다. 연소 엔진(12)과 배터리 작동 전기모터(16) 사이의 상호작용은 배터리를 충전하거나 또는 엔진을 쓰로틀링하는 효율성을 비교함으로써 제어된다.

Description

하이브리드 전기차의 작동 특성들을 제어하는 방법 {METHOD FOR CONTROLLING THE OPERATING CHARACTERISTICS OF A HYBRID ELECTRIC VEHICLE}
여기에 참조로서 합체되는 미국특허 제5,842,534호에서, 본 발명자는 가동 조건에 따라 개별적으로 또는 함께 하이브리드 전기차(hybrid electric vehicle: HEV)에서 전기 모터 및 내연기관과 같은 소형 보조 동력원을 작동시키기 위한 충전 소모 방법 및 장치를 설명하였다. 전기차와 보조 동력원의 작동은, 차가 HEV 모드로 작동하는 경우에서의 충전 임계(charge threshold)를 배터리의 방전 깊이가 초과하지 않는다면, 순항 임계(cruising threshold) 이하의 모든 속력에서 차가 제로 배출 차(zero emission vehicle: ZEV) 또는 전기차로서 작동하도록 조정된다. 또한, 차는 HEV 모드에서 순항 임계 이상의 속력으로 작동한다. 배터리는, 작은 보조 동력원에 실행 향상을 제공하기에 충분한 정도로만 그것이 충분되어 있는 긴급한 동안을 제외하고는, 작동 동안에 소모되고 보조 동력원에 의해 충전되지 않는다. 작동시, 차의 속력은 감지되고, 배터리의 방전 깊이의 수준이 감지되며, 차의 속도가 임계 속도 이상일 때에는, 차에 동력을 공급하도록 보조 동력원이 활성화되고 전기모터는 요구될 때에 보조 동력원을 지원하는데 사용되며, 차의 속력이 임계 속력 이하일 때에는, 보조 동력원 비활성화되고 전기모터가 차에 동력을 공급하는데 사용되며, 임계 속력은 상기 방전 깊이의 레벨의 함수로서 자동적으로 그리고동적으로 조절된다.
참조로서 여기에 합체되는 미국특허 제6,116,363호에서, 본 발명자는 소망하는 최저 연료 소모 및/또는 차 배출 특성에 기반한 보조 동력원에 대한 제어 정책의 함수로서 전기모터와 보조 동력원의 작동이 조정되는 또다른 충전 소모 방법 및 장치를 기재하였다. 작동시, 차의 속력이 감지되고 배터리의 방전 깊이가 감지됨으로써, 차의 속력이 임계 속도 이상일 때에는, 보조 동력원이 차에 동력을 공급하도록 활성화되고 전기모터는 요구될 때 보조 동력원을 지원하는데 사용되며, 차의 속력이 임계 속력 이하일 때에는, 보조 동력원은 비활성되고 전기모터가 차에 동력을 공급하는데 사용되며, 여기서 임계 속력와 임계 속력의 조절은 소망하는 연료 소모 및/또는 차 배출 특성들에 기반한 보조 동력원에 대한 제어 정책의 함수이다.
참조로서 여기에 합체되는, 국제공개 제WO 00/25417호로서 2000년 5월 4일에 공개된 PCT 국제출원 연속번호 제PCT/US99/09880호의 연속출원인 2000년 10월 2일에 출원된 본 발명자의 미국출원 연속번호 제09/677,288호에서, 본 발명자는 대형 배터리 팩 또는 고출력 배터리 팩으로 작동하도록 설계된 내연기관 전기 하이브리드 차에 대한 제어방법을 기재하였다. 이 내용은 참조로서 여기에 합체되는, 연속 가변 변속기(continuously variable transmission: CVT) 또는 자동 변속기(automatic transmission: AT)를 가지고 있는 차에서 내연기관의 출력을 제어하기 위한 방법 및 장치를 기재하고 있는 본 발명자의 미국특허 제6,054,844호에 기재되어 있는 방법의 개량형이다. 이들 방법에서, 모터/발전기는 하기 동적 식에서 항목의 부효과(negative effect)에 역대응(counteract)하도록 제어된다.
상기 동적 식은,= 드라이브 샤프트에 반향된(reflected) 차의 가속,=,= 엔진 관성,= 드라이브 샤프트에서의 차 관성,= 엔진 속력,= 드라이브 샤프트 속력,= 엔진 토크,= 토크 손실, 및= 드라이브 샤프트에서의 길 하중 토크인, 엔진/변속기 시스템을 나타낸다. 모터/발전기는, 동적 식에서 항목의 부효과에 역대응할 때, "와이드 오픈 쓰로틀(wide open throttle"(WOT)에서, 또는 최고 효율과 최저 배출을 위해 "이상적 토크/속력 작동선(Ideal Torque/Speed Operating Line"(IOL)을 따라, 또는 또다른 예정 작동선을 따라 엔진이 작동하도록 하는데 사용될 수 있다. 이러한 방식에서, 엔진은 에너지가 전기모터/발전기에 연결되어있는 배터리 에너지 저장 시스템 안으로 또는 그 밖으로 흐르는 동안에 연속적으로 움직일 수 있다. 차가 장거리를 달리기에 충분할 정도로 배터리가 크다면, 배터리 내부 저항이 낮기 때문에 배터리 안으로 또는 밖으로의 에너지 효율이 크다. 이러한 개념은, 배터리 팩이 정적 파워플랜트(stationary powerplant)로부터 충전되는, 본 발명자의 미국특허 제5,842,534호에 기재되어 있는 충전 소모 하이브리드 전기차에 대해서는 특히 바람직하다. 그러나, 소형 배터리 팩의 경우에는, 배터리 안으로 및 밖으로의 에너지 효율이 더 낮다. 따라서, 소형 배터리 팩을 사용할 때 특히 적합한 제어 방법에 대한 필요성이 있다.
관련출원들의 교차 참조
본 출원은, 참조로서 여기에 합체되는, 2001년 1월 3일에 출원된 미국 임시출원(provisional application) 연속번호 제60/259,662호의 우선권을 주장한다. 또한, 본 출원은, 1998년 4월 21일에 출원된 미국출원 연속번호 제09/063,993호(현재의 미국특허 제6,054,844호)의 일부 계속출원인, 2000년 10월 2일에 출원된 미국출원 연속번호 제09/677,288호의 일부 계속출원이다. 본 출원은 또한, 1998년 4월 21일에 출원된 미국출원 연속번호 제09/063,995호(현재의 미국특허 제6,116,363호)의 일부 계속출원이다. 따라서, 본 출원은 상기 출원들 각각에 대한 우선권을 주장한다.
연방 지원 연구 또는 개발에 관한 선언서
비적용(not applicable)
컴퓨터 프로그램 부록 참조
비적용
발명의 분야
본 발명은 전반적으로, 연속 가변 변속기 또는 적당한 떨어져 있는 다중-속력 변속기를 가지고 있는 드라이브 트레인(drive train)에 연결되어 있는 내연기관(내부 연소 엔진)의 작동 특성들을 제어하기 위한 향상된 방법에 속하며, 더욱 구체적으로는, 소형 배터리 팩을 사용하기에 적합한 부분적 충전 소모(charge depletion) 및 충전 유지(charge sustaining)의 제어 방법에 관한 것이다.
본 발명은 오직 설명의 목적인 하기 도면들을 참조하여 더욱 완벽하게 이해될 것이다.
도 1은 본 발명에 따른 엔진, 전기모터 발전기, CVT, 배터리 및 컴퓨터-제어 패러렐 하이브리드 파워트레인 구조의 블록 다이어그램이다.
도 2는 본 발명에 따라, 조합된 엔진과 전기모터 토크 - 속력 특성들 및 엔진 효율성을 보여주는 액셀레이터 페달로 배터리 상태가 제어되는 HEV 모드에서의 통상적인 가속/감속 사이클의 그래프이다.
도 3은 100%의 이상적 작동선(IOL), 65%의 IOL 및 0%의 IOL에서 본 발명에 따른 IOL 관련 엔진 쓰로틀 - 토크 - 속력 곡선들을 보여주는 그래프이다.
도 4는 도 3에 개시된 곡선들로부터 유도된, 본 발명에 따른 가속-감속 사이클 동안에 쓰로틀 스케줄을 보여주는 쓰로틀-속력 곡선들의 그래프이다.
도 5는 본 발명에 따라 방전 유지의 증가적 배터리 방전 깊이를 도시하고 있는 배터리 재생 제어 그래프이다.
도 6은 엔진 "턴 온" 속력이 어떻게 순환되어 주행 조건에 따라 주어진 상태에 대하여 DOD가 순환되도록 하는지를 보여주는 충전 소모 제어 시스템에 의해 교호적 충전 유지 제어를 도시하고 있는 그래프이다.
도 7은 본 발명에 따라 엔진, E/MG, 및 CVT나 다속 변속기의 제어에 의한 배터리 충전 유지를 위한 제어 다이어그램이다.
[발명의 바람직한 구현예]
이제 도 1 내지 도 7을 참조하면, 본 발명은, 특히, 전기모터(E/M)이나 전기모터/발전기(E/MG), 배터리 및 관련 제어기들이 엔진과 연속 가변 또는 자동 변속기 사이에 삽입되어 있는 구조에서, 소형 배터리 팩을 가진 내연기관 전기 하이브리드 차를 작동하기 위한 제어방법 및 시스템을 제공한다. 여기서, "배터리"라는 용어가 사용될 때, 이 용어는 울트라-캐피시터, 전기화학 배터리 등과 같이 어떠한 에너지 저장 장치도 포함할 수 있음을 이해하게 될 것이다.
1.언제 엔진을 쓰로틀링하고 주행중에 배터리의 재생을 제공할 지를 결정하는 최적 개념의 적용
본 발명의 제 1 목적은, 엔진, 전기모터/발전기, 연속 가변 변속기(CVT) 또는 적절히 떨어져있는 다속 자동 변속기, 파워트레인 시스템 컴퓨터 제어기, 및 특정한 배터리 팩이 주어져 있는 패러렐 하이브리드 전기 파워트레인에서 연료 소비 및 배출을 최소화하는 것이다. 이들 각각의 구성요소들은 작동시 손실을 가진다. 본 발명은 구성요소들의 손실의 합을 최소화하여 휠에서 액체 에너지로부터 구동 에너지로의 최대 전환 효율을 제공하는 것이다. 두 번째 목적은 배터리 팩의 충전을 재충전 또는 유지하기 위한 최대 효율을 제공하는 것이다. 작동 이론을 하기 내용과 도면에서 설명한다.
도 1은 본 발명에 따라 낮은 연료소비 및 배출과 높은 실행성을 위해 설계된 패러렐 하이브리드 전기 CVT 시스템(10)의 실시예에 대한 블록 다이어그램이다. 본 도면은 연료 서플라이(fuel supply: 14)에 의해 동력을 받는 내연기관(12)과,클러치(18) 또는 토크 변환기 등과 같은 다른 커플링 디바이스를 경유하여 엔진(12)에 연결되어 있는 전기모터 발전기(E/MG: 16)를 보여주고 있다. E/MG(16)는 배터리에 의해 동력을 받고, 배터리 에너지는 E/MG(16)에 의해 인가된 엔진(12) 상의 토크를 제어하는 E/MG 제어기(22)를 경유하여 제어된다. E/MG(16)는 CVT, 또는 입력시 엔진 토크(TE)와 모터 토크(TM)의 조합을 수령하는 다속 변속기(24)에 연결되어 있고, 그런 다음 드라이브 샤프트(28)에 연결되어 있다. 드라이브 샤프트(28)는 휠(34)에 연결되어 있는 축(32)을 회전시키는 최종 드라이브(30)에 연결되어 있다. 제어 컴퓨터(36)는 제어 변수들을 설정하고 시스템의 작동을 모니터링 한다. 제어 변수들에는, 예를 들어, 엔진 쓰로틀(38), CVT 또는 다속 변속기(24)의 단계율(ratio rate)(단계 변화의 속도: rate of change of ratio)의 변경(shift)(40), 및 제어기(22)에 대한 E/MG 토크 변수(42) 등이 포함된다. 모니터링 되는 작동 특성들에는, CVT 또는 다속 변속기(24)의 단계(ratio: 44), 엔진 속도(SE: 46), 배터리 모니터링 시스템(컴퓨터: 50)에 의해 제공되는 배터리의 방전 깊이(48), 차 속력(52), 및 주행자 입력(54)(예를 들어, 액셀레이터/브레이크 페달 동작) 등이 포함된다. 요구되는 정도로의 엔진 토크(TE)는 직접 측정되지는 않지만, 이상적 작동선(IOL)으로부터 유도된다.
도 2는 액셀레이터 페달에 의한 통상적인 가속과 감속의 사이클을 보여주고 있다. 정(positive: +) 토크(+TM)는 E/MG가 배터리로부터 에너지를 가져오는 것을의미하며, 부(negative: -) 토크(-TM)는 E/MG가 배터리를 재충전 또는 재생하는 발전기로서 작용하는 것을 의미한다. 사이클은 차가 특정 위치의 액셀레이터 페달로 평지길(level road)에서 일정한 상태(steady state)로 작동하는 것에서 시작된다. 주행자는 차를 가속시킬 필요가 있다고 갑자기 결정한다. 본 파워트레인 시스템에서 액셀레이터 페달은 "동력(power)"를 명령하고, 새로운 작동 위치로 갑작스럽게 움직임에 따라, 전기모터로부터의 토크는 요구된 파워에 순간적으로 도달하도록 증가하게 될 것이다. 그런 다음, 동력은 액셀레이터 페달 명령에 따라 유지되고, CVT 단계는 가솔린 엔진이 이상적 작동선(IOL)에 있도록 그 속력과 쓰로틀 위치를 변화시킴으로써 가솔린 엔진 동력을 증가시키도록 변경된다. 전기모터(E/MG) 토크는 E/MG 토크가 제로에 도달할 때까지 일정한 전체 동력 곡선을 유지하면서 감소된다. 엔진의 이상적 작동선(IOL)을 따라 새로운 높은 동력에 도달한다. 그렇게 하는데 요구되는 에너지는 배터리로부터 유래되어야 하고, 전기모터에 의해 지원된다. 따라서, 작동 지점 "A"로부터 출발하여, 엔진과 E/MG는 더많은 토크와 동력을 순간적으로 공급하는 지점 "B"로 움직이게 된다. E/MG 토크는 CVT의 단계가 새로운 작동 지점 "C"에 도달할 때까지 변경됨에 따라 일정한 동력 선(BC)을 따라 감소한다. 이러한 동력 수준과 엔진의 작동 지점은 액셀레이터 페달이 고정된 지점에 있는 한 유지될 것이다. CVT는 차가 가속됨에 따라 단계를 변경하게 될 것이다. 주행자가 지점 "A"(사이클이 시작되는 곳)에 상응하는 동력 수준으로 액셀레이터 페달을 되돌리기로 결정한다면, 전기모터 발전기는 "C"에서의 동력 수준을 선(AD)의 동력 수준으로 거의 순간적으로 낮추도록 부 토크를 제공하게 될 것이다. 그러면, 이러한 부 E/MG 토크는 엔진 속력이 IOL을 따라 지점 "E"까지 줄어들게 할 것이다. 엔진에 대한 하중(토크)이 높고 쓰로틀이 닫혀있지 않기 때문에, 엔진은 계속하여 높은 효율과 낮은 배출로 작동한다. E/MG는 엔진 속력을 "끌러내려"(drag down) 결과적으로 동력을 "E"로 낮추는데 사용된다. 그러면, 발생한 동력은 지점 "E"까지 배터리로 복원되고, 전기모터 토크는 제로로 감소되며, 엔진 쓰로틀은 "D"로부터 "A"까지의 곡선의 동력 수준으로 감소된다. 이러한 수준의 동력은 지점 "F"로 표시된다. 지점 "E"와 "F"는 엔진 쓰로틀이 배터리 전기모터 시스템을 통한 재생과 같거나 또는 그보다 더 효율적인 효율성의 계산에 의해 선택된다. (전기모터 발전기와 배터리 시스템 효율성은 약(.9G x.9B x.9BX x.9M) = 0.65일 수 있다). 따라서, 지점 "E"는 엔진의 브레이크 특정 연료 소모(brake specific fuel consumption)가 35% 이상으로 증가한 지점 "F"에서 소망되는 동력 감소를 이루는 시점에 의해 결정된다. 이러한 지점에서, E/MG 토크는 제로로 설정되고, 엔진의 쓰로틀은 동력 명령을 만족시키도록 감소된다.
도 3은 이상적 작동선(IOL)에 관련된 엔진 쓰로틀 곡선을 보여주고 있다. 도 3에는 100% IOL 라인, 65% IOL 라인 및 0% IOL 라인이 개시되어 있다. 이들 라인은 IOL에 관련된 엔진 효율성을 결정한다. 따라서, 65% IOL 라인은 100% IOL 작동선의 약 65%의 효율(또는 35% 더 높은 BSFC)에 해당한다. "E"에서 "F"로의 감속 토크는 30%로부터 18%로의 쓰로틀 변화 또는 배터리에 대해 재생된 에너지에 의해 달성될 수 있다. 재생은 대략 35%의 발전기-배터리-모터로 인한 에너지 손실을 가진다.
도 4의 쓰로틀/속력 곡선들은 도 3의 곡선들로부터 유도된다. 도 4는 액셀레이터 페달이 동력 "A"로부터 "B-C"로 증가되어 IOL 상에서 지점 "E"를 거쳐 "A"로 되돌아갈 때의 엔진 쓰로틀을 보여준다. 엔진 쓰로틀은 지점 "F"에서의 이러한 순간에 거의 65% IOL 라인으로 줄어든다. 이러한 지점 "E"는 쓰로트링(throttling)으로 인한 엔진 효율의 손실이 전기 시스템을 통한 손실보다 적은 곳이다. 지점 "F"로부터 "A"로의 동력은 "A"에 다시 도달될 때까지 엔진 쓰로틀 모듈레이션에 일정하게 유지된다. 전기모터 발전기 토크는 "F"로부터 "A"까지 제로로 설정된다.
도 5는 배터리 재생 제어 그래프와, 가솔린 엔진 토크 속력 궤도가 어떻게 변화되고 주 배터리 충전을 어떻게 증가시키는지 또는 방전 깊이(depth of discharge: DOD)를 어떻게 줄이는지를 보여주고 있다. 배터리에서의 충전은 작동이 그래프에서 오른쪽으로 움직임에 따라 증가한다.
도 6은 엔진이 속력 사이클을 어떻게 "턴온(turn on)"하는지와 DOD가 주행 조건에 따라 주어진 상태에 대해 어떻게 순환되도록 하는지를 보여주고 있다. 전제는 각각의 "평균" 작동 속력이 충전을 유지하게 될 "턴온" 속력을 가진다는 것이다. 그럴 경우, 우리는 경사 A"A, A"B, 또는 A"C에 따른 "턴온" 속력에 의해 배터리 충전 상태(battery state of charge: SOC)를 조절할 수 있다. 조절 충실도(regulation fidelity)는 A"C에서 최고이다. 추가적인 정보는 참조로서 여기에 합체되는 본 발명자의 미국특허 제5,842,534호 및 미국특허 제6,116,363호에서 확인할 수 있다.
2.배터리에서 충전을 유지하거나 또는 배터리를 높은 상태로 재충전하기 위하여 시스템의 작동 라인을 결정
본 발명의 두 번째 목적은 동시적으로 배터리 충전 상태를 유지하거나 또는 증가시키면서 차를 작동하기 위한 기술을 제공하는 것이다.
도 5를 다시 참조하면, 필요한 경우 액체 연료 엔진으로 배터리를 재생하기 위한 기술이 개시되어 있다. 재생 기간은 재충전 손실이 최소화되도록 상대적으로 긴 시간의 기간에 걸쳐 또는 낮은 전류로 일어나야 한다. 엔진은 IOL에서 계속 작동되고 있어야 하지만, 최대 실행 동력은 약간 줄어들 수 있다. 충전 속도는 낮아야 한다. 배터리 재생 동력 수준은 주행중에 차의 평균 동력에 대략 일치되도록 선택된다. 이러한 동력 설정이 평균 하중과 비교하여 낮다면, 배터리는 천천히 방전될 것이다. 설정이 평균에 대해 상대적으로 높다면, 충전 상태는 점진적으로 천천히 올라가게 될 것이다. 충전의 평균 상태가 주행자의 행동에 대해 상대적으로 낮은 빈도로 천천히 올라가고 내려가도록 충전 수준을 설정하는 것이 목적이다. 순환의 빈도는 액셀러레이터 페달에 대한 주행자의 행동 빈도의 1/10 배 이하이어야 한다. 순환 빈도(cycling frequency)는 배터리 팩 크기와 다른 시스템 변수들에 대해 상대적일 수 있다. 배터리 팩이 클수록, 이러한 충전 빈도 반응은 더 낮을 수 있고, 제어 시스템은 더 강건해질 수 있다. 또는, 에너지 관리의 대역폭(bandwidth of energy management)은 주행자 대역폭의 대략 1/10 배이어야한다. 주행자 대역폭은 CVT의 압력 제어기와 엔진 쓰로틀 제어기와 같은 내부 구성성분 제어기의 대략 1/10 배이어야 한다. 작동 빈도들의 이러한 구별은 차가 강건한 제어를 달성할 수 있도록 하여 준다. 예보(prediction) 또는 "퍼지"(fuzzy) 개념이 더욱 작은 배터리 팩에 요구될 수도 있다. 이러한 제어 빈도 범위는 중복될 수 있으므로, 예보를 필요하게 만든다. 이들 제어 범위의 경계들은 통상적인 것을 벗어나는 일부 방식으로의 시스템의 지나친 사용에 의해 항상 도달되어질 수 있다. 중요한 특징은 이들 경계들에 거의 도달되는 예가 없다는 점과, 그것에 도달할 때 주행자는 부족한 점을 바로 잡기 위하여 어떠한 대체적인 행동이 필요한지를 안다는 점이다.
예를 들어, 배터리가 방전되어가고 있고 재생 수준이 너무 낮다면, 주행자는 간단히 액셀레이터 페달에 더 쉽게 갈 수 있거나 또는 컴퓨터는 재충전 수준을 약간 높게 설정할 수 있으며, 이는 도 5에서의 배터리 재생 동력 수준이 더 높게 설정되는 것을 의미한다. 그러한 행동은 컴퓨터에 의해 취해질 수도 있고, 또는 시스템을 수동 제어로 만드는 주행자에 의해 수동으로 취해질 수도 있지만, 그러한 수동 제어는 일반적으로 필요치는 않으며 충전 수준이 특정한 주행자에 대해 일단 설정된다면 이는 다시 조정되지 못하게 할 수도 있다. 배터리 유지의 이러한 수준은 사람이 차를 주행하는 방식에 관련이 있다. 차는 평균 주행자로 설정될 수도 있으며, 주행자는 이러한 설정을 높이거나 낮출 수 있다. 차는 이러한 제어에 의해 어떠한 방식으로든 위험한 상태에 놓이게 되지는 않을 것이다. 오직 시스템 효율성만이 영향을 받게 된다.
배터리를 재생하는 동력이 "X" 킬로와트가 되도록 제어 컴퓨터에 의해 결정되는 경우, 가솔린 엔진은 차 속력을 유지하는데 요구되는 것보다 더 높은 동력 수준으로 작동되도록 설정된다. 앞서 설명한 바와 같이 보통의 평탄길 조건하에서 기재된 사이클이 도 2의 점(A)에서 시작한다면, 배터리 직접 충전 명령으로 인해, 엔진 작동점은 IOL을 따라 오른쪽으로 점(AC)로 움직인다. 따라서, 일정한 상태에서 순항점(AC)는 길 하중과 충전 하중 "X"를 제공한다. 차를 가속시키기 위하여 액셀레이터 페달이 갑자기 움직인다면, 작동점은 BC로 움직인다. 증가된 동력은 도 2에서와 동일하다. 따라서, 차의 가속은 보통의 작동하에서 영향을 받지 않는다. 배터리 충전 곡선은 간단히 오른쪽으로 점들(AC, BC, CC 및 DC)로 움직인다. 점들(E, F)은 동일하게 남아 있다. 부 동력의 수준이 A'에 도달함에 따라, 엔진 쓰로틀은 IOL 상에서 작동하도록 열리고, EMG는 이러한 예시적 사이클의 출발시 수준으로 배터리를 충전하도록 설정된다.
브레이크 페달이 눌려질 때, 본 발명자의 국제공개 제WO 00/25417호와 본 발명자의 미국특허 제5,842,534호, 미국특허 제6,054,844호 및 미국특허 제6,116,363호에 기재되어 있는 제동 정책이 설명될 수 있다.
충전의 배터리 상태를 유지하는데 요구되는 "충전 동력"(charge power)의 량은 시스템 제어 정책에 의해 설정된 이상적인 것으로부터의 결손 량에 의해 결정된다. 충전 동력 결손에서의 "이득"(gain)은 충전의 시간 상수를 결정한다. 이러한 충전 정책은, 미국특허 제5,842,534호의 충전 소모 정책(charge depletion policy)이 충전 소모로부터 충전 지속으로의 전이(transition)의 대부분을 책임지기 때문에 보통은 필요치 않다.
미국특허 제5,842,534호의 보통의 "충전 소모" 알고리즘은 그 특허의 도 4에 개시되어 있는 엔진 "턴온"(turn on) 속력의 제어에 의해 충전을 소모한다는 점을 주목하고자 한다. 이러한 속력이 높다면(예를 들어, "고속도로" 주행), 배터리는 차가 주행함에 따라 소모된다. 그러나, "시내" 주행의 경우에 있어서, 여기서 도 6은, DOD가 증가함에 따라, 주어진 주행 사이클에서 점들(A, B 또는 C)까지 차가 더 많은 가솔린 및 더 적은 전기 에너지를 사용하도록 하는 향상된 제어 정책을 보여준다. 여기서, 엔진, 모터, CVT 및 컴퓨터 제어기들은 컴퓨터내에서 DOD 설정을 유지하도록 엔진 "턴-온" 속력과 DOD 제어 라인을 제어하게 될 것이다. 도 6에서의 제어 라인들(A, B 및 C)은 특히 낮은 속력 주행 사이클에서 이러한 정책으로 유지될 수 있는 세 개의 예시적인 DOD를 나타내고 있다. 이러한 정책은 일관된 주행 사이클을 위한 "턴-온" 속도를 조정할 수 있어야 한다. 시스템은 각각 "턴-온" 정책들(A, B 또는 C)에 대응하는 DOD(1, 2 또는 3)으로 배터리를 소모하게 될 것이다. 더욱 적극적인 조정을 위해, "턴-온" 속력은 V MIN으로 낮아지고 DOD를 관찰할 수 있다. DOD가 각각 A', B' 및 C'로 감소한다면, 배터리는 충전된다. 이 점에서, 제어 컴퓨터는 "턴-온" 속력을 각각 A", B" 및 C"로 스위치시킬 수 있다. 그러면, DOD는 1 과 1' 또는 2 와 2' 또는 3 과 3' 사이에서 순환될 수 있다. 이러한 개념의 잇점은, 배터리 상태가 "직접적"(direct) 또는 의도적 충진에 의하지 않고 재생적 제동(regenerative braking)과 엔진 제어 에너지에 의해 유지된다는 점이다. 따라서, 효율성은 가능할 수 있는 최고이다. 이러한 방법의 사용이 DOD를 유지하는데 적절하기 않다면, 엔진 동력 제어의 상기 정책이 추가적으로 사용될 수 있다.
고속도로 순항 동안에, V MAX 이상의 높은 속도에서는, 충분한 에너지가 어떠한 DOD를 유지하기에 충분한 감속 상황들이 없을 수도 있다. 그 때에는, 도 5의 컴퓨터 제어 개념이, 상기 섹션 2의 두 번째 문단에 기재된 바와 같이, IOL을 따라 엔진을 작동시키면서, 엔진 속력을 증가시켜 엔진 동력 작동점을 증가시키는데 사용되게 될 것이다. 제어 컴퓨터는 DOD 에러에 좌우되는 충전 동력의 량, 충전 속도 및 주행 특성들에 의해 결정된 제어 루프 빈도를 결정하게 될 것이다. 주행자 액셀레이터 페달 빈도와 비교하여 상대적으로 낮은 빈도로 DOD를 유지하는 것이 바람직하다.
도 7의 블록 다이어그램은 앞서 설명한 정책들에 대한 전반적인 실행을 도시하고 있다. 정책들은 배터리 수명, 전기 에너지 사용, 및 기타 롱 텀의 요소들이나 정책들과 같은 요소들(100)에 의해 결정되며, 희망한다면, 선택적인 수동 제어(예를 들어, 오버라이드 스위치)(102)가 제공될 수 있다. 그런 다음, 방전의 바람직한 깊이(104)와 방전의 현재 평균 깊이(106)가 비교되고, 오류 신호(108)가 파워트레인 제어기(예를 들어, 엔진, 모터, CVT 또는 다속 변속기 제어 컴퓨터)(110)로 출력된다. 파워트레인 제어기(110)의 출력은 연료(116)와 함께 파워트레인 시스템(예를 들어, 엔진, 모터, CVT 또는 다속 변속기)(114)으로 입력되는 엔진 "턴-온" 속력 또는 충전 동력 설정(112)이다. 전기 에너지 사용(118)은 배터리 방전 깊이(122)가 실시간으로 결정되는 배터리 상태 컴퓨터(battery statuscomputer: 120)에 의해 모니터링 된다. 실시간 방전 깊이 측정은 현재의 평균 DOD(16)를 생성하는 평균화 프로그램(averaging program: 124)에서 시간 평균된다.
3.낮음에서 제로의 액셀레이터 페달 명령 작동
낮음에서 제로의 액셀레이터 페달 압축시, 엔진이 그것의 최저 속력으로 작동하도록 제어하기 위하여 CVT 또는 변속기를 사용하는 것이 바람직하다. 이러한 최저 속력은 닫힌 쓰로틀과 연료 차단에서 유지된다. 이러한 낮은 엔진 속력에서 부 동력은 낮고, "보통의"(normal) 조종성 느낌(driveability feeling)을 위해 감속의 자연적인 원천(natural source)을 제공한다. 또한, 부 동력이 낮기 때문에, 우수한 조종성을 위해 엔진 클러치는 개봉되지 않을 수 있다. 엔진 클러치 개봉은 위에서 논의된 기타 정책들에 의해 설정된 낮은 차 속력에서 일어나게 된다.
이러한 배터리 시스템이 더 이상 충전을 받아들일 수 없는 긴 산악 등급 감속(long mountain grade deceleration)을 위해서는, 산악 주행 모드(예를 들어, 변속기에서 D1 또는 D2와 같은 낮은 기어 선택)가 바람직할 수 있다. 이것은 최저 엔진 속력을 더 높게 설정함으로써 쉽게 달성됨으로써, 높은 또는 엔진 감속 동력과 닫힌 쓰로틀 및 제로 연료를 제공한다.
따라서, 본 발명은, 하기의 것으로 한정되지 않으며 그것을 포함한 다른 제어 방법들보다 수많은 잇점들을 제공한다.
1.낮은 속력 시내 주행을 위한 엔진 "턴-온" 속력의 사용에 의해 배터리 시스템의 DOD를 조정하는 것;
2.주행자의 행동과 비교하여 긴, 장기간에 걸쳐 DOD를 평균함으로써 배터리 시스템의 DOD를 조정하는 것;
3.배터리 수명, 범위 등을 최대화하기에 충분히 낮은 빈도 대역폭으로 하이브리드 전기차의 DOD를 조정하도록 닫힌 루프 시스템을 설정하는 것;
4.다이렉트 "월-플러그"(wall-plug) 전기차 추진 에너지를 제공하도록 배터리를 소모하지만 가솔린을 가지고 완전 충전으로 재충전하지는 않는 것. 엔진은 주행 사이클 내에서 모든 예상 에너지 요구들을 예측하기에 충분한 DOD의 수준을 유지하는데 사용된다; 및
5.주행 에너지 수요의 결정자(determinant)로서 차 속력을 사용하는 것. 예를 들어, 60 mph 이상은 고속도로 주행으로 간주된다. 60 mph 이하는 시내 주행으로 간주된다. 따라서, 제안된 제어 정책은 차 속력에 따라 달라진다. 주행 기록, 주행 상태에서의 시간 및 기타 요소와 같은 다른 제어 항목들이 이러한 제어를 실질적으로 실행하는데 사용될 수도 있음을 이해할 수 있다.
또한, 본 발명의 제어 방법들, 정책들 및/또는 알고리즘들이 종래의 프로그램화 기술을 사용하는 프로세서 제어하의 종래의 어떠한 컴퓨터 시스템에서도 실행될 수 있다는 것을 당업자라면 쉽게 이해하게 될 것이다.
상기의 기재가 많은 특정한 사항들을 포함하고 있다고 할지라도, 이들은 본 발명의 범주를 한정하지 않고 본 발명의 몇몇 바람직한 실시예들의 설명을 단순히 제공하는 것으로 해석되어야 한다. 따라서, 본 발명의 범주는 당업자들에게 자명할 수 있는 다른 실시예들을 완전히 내포한다는 것과, 따라서 본 발명의 범주는 오직 청구범위에 의해서만 한정되어야 한다는 것을 이해하게 될 것이며, 여기서, 단수로 되어있는 요소에 대한 참조는 명료하게 설명된 경우를 제외하고는 "하나 및 오직 하나"를 의미하는 것이 아니라 "하나 또는 그 이상"을 의미하는 것으로 의도되어 있다. 본 발명의 당업자들에게 공지되어 있는, 앞서 설명한 바람직한 실시예의 요소들에 대한 모든 구조적, 화학적 및 기능적 등가물들은 명백히 참조로서 여기에 합체되고 본 청구범위에 의해 내포되도록 의도된다. 또한, 장치나 방법이 본 발명에 의해 해결되도록 추구된 각각 및 모든 문제를 해소할 필요는 없으며, 그것이 본 청구범위에 의해 내포될 필요는 없다. 더욱이, 요소, 구성성분 또는 방법 단계들이 청구범위에 명백히 인용되고 있는지 여부에 관계없이, 본 명세서에서의 어떠한 요소, 구성성분 또는 방법 단계들도 일반에게 헌납되도록 의도되지 않는다. 여기서의 청구 요소가 문장 "~을 위한 수단"(means for)을 사용하여 명백히 인용되고 있지 않은 한, 어떠한 것도 35 U.S.C. 112, sixth paragraph의 규정에 따라 해석되는 것은 아니다.
본 발명은 특히, 전기모터(E/M)나 전기모터/발전기(E/MG), 배터리, 및 관련 제어기들이 엔진과 연속 가변 또는 자동 변속기 사이에 삽입되어 있는 구조에서, 소형 배터리 팩을 가진 내연기관 전기 하이브리드 차를 작동하는데 필요한 제어방법을 제공한다.
본 발명의 하나의 측면에 따르면, 연소 엔진과 배터리 작동 전기모터 사이의 상호작용은, 낮은 효율성으로 엔진을 쓰로틀링하고 엔진을 작동시키는 것보다 더 높은 연료 효율일 때에만 배터리 안으로 에너지를 가져감으로써 제어된다.
본 발명의 또다른 측면에 따르면, 배터리는 임의의 충전 상태로 충전되거나 특정한 충전 상태로 유지된다.
본 발명의 또다른 측면에 따르면, 엔진 "턴-온(turn-on)" 속력은, 시간의 기간에 걸쳐 평균 방전 깊이를 관찰하고 방전 깊이를 엔진으로 최대와 최소 사이로 유지함으로써, 배터리 시스템의 방전 깊이를 조정하는데 사용된다.
본 발명의 또다른 측면에 따르면, 배터리 시스템의 방전 깊이는 최대와 최소 사이로 방전 깊이를 유지하도록 엔진으로 순환되어 진다.
본 발명의 또다른 측면에 따르면, 평균 방전 깊이는 운전자 행동과 비교할 때 긴 시간의 기간에 걸쳐 유지되어 진다.
본 발명의 하나의 측면은, 밀폐 루프 시스템(closed loop system)이 배터리 수명, 차량 범위 및 조종성과 같은 예정된 작동 기준을 만족시키기에 충분한 빈도 대역폭으로 배터리의 방전 깊이를 조정하도록 설정되어 있는 배터리 제어 방법을 또한 포함한다.
본 발명의 또다른 측면은, 엔진으로 배터리를 완전히 충전하지 않으면서 기계적 CVT 하이브리드 전기차내에서 배터리 시스템의 방전 깊이를 조정하는 것이다.
본 발명의 또다른 측면은, 차량 에너지 수요의 결정자(determinant)로서 차량 속력을 사용하는 것이다.
본 발명의 또다른 측면은, CVT 파워트레인 시스템에 가속 및 감속 보상을 제공하기 위하여 전기모터 및 배터리를 사용함으로써, CVT 엔진-모터 패러렐 프라임 무버(parallel prime mover)용 차량 제어 시스템을 제공하는 것이다. 이러한 측면은 내연 CVT 단독으로 달성될 수 있는 것보다도 더 높은 수준의 순간 반응 및 더욱 우수한 연료 경제성을 제공한다.
본 발명의 또다른 측면은, 감속에 대한 엔진 쓰로틀 대 E/M 제어를 비교하여 E/M 배터리 시스템을 통한 순환 에너지를 고려함으로써, 전체 파워트레인 효율성을 최적화하는 것이다.
본 발명의 더 많은 측면들과 잇점들은 본 발명의 하기 내용에서 제공되게 될 것이고, 이러한 상세한 설명은 본 발명을 한정하지 않으면서 그것의 바람직한 실시예들을 완전히 개시할 목적으로 준비되었다.

Claims (24)

  1. 내연기관, 전기모터, 및 전기모터에 동력을 공급하기 위한 배터리 시스템을 가지고 있는 하이브리드 전기차에 있어서,
    낮은 효율성으로 엔진을 쓰로틀링하고 엔진을 작동할 때보다 더 높은 연료 효율일 때에만 배터리 시스템으로 에너지를 가져감으로써 내연기관과 전기모터 사이의 상호작용을 제어하는 것을 포함하는 구성으로 되어 있는 개선 방법.
  2. 제 1 항에 있어서, 배터리 시스템을 차량의 작동 중에 임의의 충전 상태로 충전하거나 또는 특정한 충전 상태로 유지하는 것을 더 포함하는 개선 방법.
  3. 낮은 효율성으로 엔진을 쓰로틀링하고 엔진을 작동할 때보다 더 높은 연료 효율일 때에만 배터리 시스템 안으로 에너지를 가져가는 것을 포함하는 것으로 구성되어 있는, 하이브리드 전기차 내에서 내연기관 및 배터리 시스템에 의해 작동되는 전기모터 사이의 상호작용을 제어하는 방법.
  4. 제 3 항에 있어서, 배터리 시스템을 차량의 작동 중에 임의의 충전 상태로 충전하거나 특정한 충전 상태로 유지하는 것을 더 포함하고 있는 방법.
  5. 컴퓨터; 및
    낮은 효율성으로 엔진을 쓰로틀링하고 엔진을 작동하는 보다 더 높은 연료 효율일 때에만 배터리 시스템안으로 에너지를 가져가기 위한, 상기 컴퓨터와 관련된 프로그래밍;
    을 포함하는 것으로 구성되어 있는, 하이브리드 전기차내에서 내연기관 및 배터리 시스템에 의해 작동되는 전기모터 사이의 상호작용을 제어하기 위한 장치.
  6. 제 5 항에 있어서, 배터리 시스템을 차량의 작동 중에 임의의 충전 상태로 충전하거나 특정한 충전 상태로 유기하기 위한, 상기 컴퓨터와 관련된 프로그래밍을 더 포함하는 것으로 구성되어 있는 장치.
  7. 내연기관, 전기모터, 및 전기모터에 동력을 공급하기 위한 배터리 시스템을 가지고 있는 하이브리드 전기차에 있어서,
    시간 기간에 걸쳐 배터리 시스템의 평균 방전 깊이를 관찰하고 엔진으로 방전 깊이를 최대와 최소 사이로 유지함으로써, 배터리 시스템의 방전 깊이를 조정하도록 엔진 "턴-온" 속력을 사용하는 것을 포함하는 것으로 구성되어 있는 개선방법.
  8. 시간 기간에 걸쳐 배터리 시스템의 평균 방전 깊이를 관찰하고 엔진으로 방전 깊이를 최대와 최소 사이로 유지함으로써, 배터리 시스템의 방전 깊이를 조정하도록 엔진 "턴-온" 속력을 사용하는 것을 포함하는 것으로 구성되어 있는, 내연기관, 전기모터 및 전기모터에 동력을 공급하기 위한 배터리 시스템을 가지고 있는 하이브리드 전기차의 배터리 제어 방법.
  9. 컴퓨터; 및
    시간 기간에 걸쳐 배터리 시스템의 평균 방전 깊이를 관찰하고 엔진으로 방전 깊이를 최대와 최소 사이로 유지함으로써, 배터리 시스템의 방전 깊이를 조정하도록 엔진 "턴-온" 속력을 사용하기 위한, 상기 컴퓨터와 관련된 프로그래밍;
    을 포함하는 것으로 구성되어 있는, 내연기관, 전기모터 및 전기모터에 동력을 공급하기 위한 배터리 시스템을 가지고 있는 하이브리드 전기차용 배터리 제어 장치.
  10. 내연기관, 전기모터 및 전기모터에 동력을 공급하기 위한 배터리 시스템을 가지고 있는 하이브리드 전기차에 있어서, 방전 깊이를 최대와 최소 사이로 유지하도록 엔진으로 배터리 시스템의 방전 깊이를 순환시키는 것을 포함하는 것으로 구성되어 있는 개선 방법.
  11. 방전 깊이를 최대와 최소 사이로 유지하도록 엔진으로 배터리 시스템의 방전 깊이를 순환시키는 것을 포함하는 것으로 구성되어 있는, 내연기관, 전기모터 및 전기모터에 동력을 공급하기 위한 배터리 시스템을 가지고 있는 하이브리드 전기차용 배터리 제어 방법.
  12. 컴퓨터; 및
    배터리 방전 깊이를 최대와 최소 사이로 유지하도록 엔진으로 배터리 시스템의 방전 깊이를 순환시키기 위한, 상기 컴퓨터와 관련된 프로그래밍;
    을 포함하는 것으로 구성되어 있는, 내연기관, 전기모터 및 전기모터에 동력을 공r급하기 위한 배터리 시스템을 가지고 있는 하이브리드 전기차용 배터리 제어 장치.
  13. 내연기관, 전기모터 및 전기모터에 동력을 공급하기 위한 배터리 시스템을 가지고 있는 하이브리드 전기차에 있어서,
    예정된 작동 기준을 만족시키기에 충분한 빈도 대역폭으로 배터리 시스템의 방전 깊이를 조정하도록 닫힌 루프 시스템을 설정하는 것을 포함하는 것으로 구성되어 있고, 상기 예정된 작동 기준은 본질적으로 배터리 수명, 차량 범위 및 조종성으로 이루어진 군에서 선택되는 개선 방법.
  14. 제 13 항에 있어서, 엔진으로 배터리 시스템을 완전히 충전하지 않으면서 배터리 시스템의 방전 깊이를 조정하는 것을 더 포함하는 것으로 구성되어 있는 개선 방법.
  15. 예정된 작동 기준을 만족시키기에 충분한 빈도 대역폭으로 배터리 시스템의 방전 깊이를 조정하도록 닫힌 루프 시스템을 설정하는 것을 포함하는 것으로 구성되어 있고, 상기 예정된 작동 기준은 본질적으로 배터리 수명, 차량 범위 및 조종성으로 이루어진 군에서 선택되는, 내연기관, 전기모터 및 전기모터에 동력을 공급하기 위한 배터리 시스템을 가지고 있는 하이브리드 전기차용 배터리 제어 방법.
  16. 제 15 항에 있어서, 엔진으로 배터리 시스템을 완전히 충전하지 않으면서 배터리 시스템의 방전 깊이를 조정하는 것을 더 포함하는 것으로 구성되어 있는 방법.
  17. 예정된 작동 기준을 만족시키기에 충분한 빈도 대역폭으로 배터리 시스템의 방전 깊이를 조정하도록 구성된 닫힌 루프 시스템을 포함하는 것으로 구성되어 있고, 상기 예정된 작동 기준은 배터리 수명, 차량 범위 및 조종성으로 이루어진 군에서 선택되는, 내연기관, 전기모터 및 전기모터에 동력을 공급하기 위한 배터리 시스템을 가지고 있는 하이브리드 전기차용 배터리 제어 장치.
  18. 제 17 항에 있어서,
    컴퓨터; 및
    엔진으로 배터리 시스템을 완전히 충전하지 않으면서 배터리 시스템의 방전 깊이를 조정하기 위한, 상기 컴퓨터와 관련된 프로그래밍;
    을 더 포함하고 있는 것으로 구성되어 있는 장치.
  19. 내연기관, 전기모터 및 전기모터에 동력을 공급하기 위한 배터리 시스템을가지고 있는 하이브리드 전기차에 있어서, 상기 배터리 시스템으로부터의 차량 에너지 수요의 결정자로서 차량 속력을 사용하는 것을 포함하는 것으로 구성되어 있는 개선 방법.
  20. 배터리 시스템으로부터의 차량 에너지 수요의 결정자로서 차량 속력을 사용하는 것을 포함하는 것으로 구성되어 있는, 내연기관, 전기모터 및 전기모터를 가동하기 위한 상기 배터리 시스템을 가지고 있는 하이브리드 전기차용 배터리 제어 방법.
  21. 컴퓨터; 및
    배터리 시스템으로부터의 차량 에너지 수요의 결정자로서 차량 속력을 사용하기 위한, 상기 컴퓨터와 관련된 프로그래밍;
    을 포함하는 것으로 구성되어 있는, 내연기관, 전기모터 및 전기모터에 동력을 공급하기 위한 배터리 시스템을 가지고 있는 하이브리드 전기차용 배터리 제어 장치.
  22. 내연기관, 전기모터, 전기모터에 동력을 공급하기 위한 배터리 시스템, 및 연속 가변 변속기(CVT) 파워트레인 시스템을 가지고 있는 하이브리드 전기차에 있어서,
    CVT 파워트레인 시스템 다이나믹스에 가속 및 감속 보상을 제공하기 위하여 전기모터와 배터리 시스템을 사용하는 것을 포함하는 것으로 구성되어 있는 개선방법.
  23. 연속 가변 변속기(CVT) 파워트레인 다이나믹스에 가속 및 감속 보상을 제공하기 위하여 전기모터 및 배터리 시스템을 사용하는 것을 포함하는 것으로 구성되어 있는, 내연기관, 전기모터, 전기모터에 동력을 공급하기 위한 배터리 시스템, 및 CVT 파워트레인 시스템을 가지고 있는 하이브리드 전기차의 제어 방법.
  24. 컴퓨터; 및
    연속 가변 변속기(CVT) 파워트레인 시스템 다이나믹스에 가속 및 감속 보상을 제공하기 위하여 전기모터 및 배터리 시스템을 사용하기 위한, 상기 컴퓨터와 관련된 프로그래밍;
    을 포함하는 것으로 구성되어 있는, 내연기관, 전기모터, 전기모터에 동력을 공급하기 위한 배터리 시스템, 및 CVT 파워트레인 시스템을 가지고 있는 하이브리드 전기차용 제어 장치.
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