KR20040001780A

KR20040001780A - 하이브리드 전기 자동차의 가속 제어방법

Info

Publication number: KR20040001780A
Application number: KR1020020037102A
Authority: KR
Inventors: 김달철
Original assignee: 현대자동차주식회사
Priority date: 2002-06-28
Filing date: 2002-06-28
Publication date: 2004-01-07
Also published as: KR100507071B1

Abstract

CVT 동력 전달효율과 유압손실 및 회전관성 동력을 고려하여 엔진 및 CVT 제어가 이루어지도록 함으로써, 엔진의 최적 운전과 가속성능을 향상시킬 수 있도록 한 하이브리드 전기 자동차의 가속 제어방법을 제공할 목적으로;

가속 페달 센서로부터 전달되는 신호에 의한 요구 차량 가속 동력을 계산하는 제1 단계와; 상기 차량 가속 동력에 CVT 동력 전달효율과, CVT 유압 손실과, CVT 변속비 변화에 의한 회전 관성 동력을 보상하여 최적 엔진 동력을 설정하는 제2 단계와; 상기 최적 엔진 동력에 의한 최적 엔진 토크와 엔진속도에 따라 최적의 운전점을 계산하는 제3 단계와; 상기 최적 운전점의 엔진 토크 출력을 위한 스로틀 개도를 계산하고, 상기 최적 운전점의 엔진속도 유지를 위한 CVT 변속비를 계산하는 제4 단계와; 상기 제4 단계에서 계산된 스로틀 개도와 CVT 변속비의 제어값을 출력하여 엔진 및 CVT 제어가 이루어지는 제5 단계를 포함하여 이루어지는 하이브리드 전기 자동차의 가속 제어방법을 제공한다.

Description

하이브리드 전기 자동차의 가속 제어방법 {ACCELERATION CONTROL METHOD FOR HBRID ELECTRIC VEHICLE}

본 발명은 하이브리드 전기 자동차(Hybrid Electric Vehicle)에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 CVT 동력 전달효율과 유압손실 및 회전관성 동력을 고려하여 엔진 및 CVT 제어가 이루어지도록 함으로써, 엔진의 최적 운전과 가속성능을 향상시킬 수 있도록 한 하이브리드 전기 자동차의 가속 제어방법에 관한 것이다.

예컨대, 하이브리드 자동차라고 함은 서로 다른 두 종류 이상의 동력원을 효율적으로 조합하여 차량을 구동하는 것을 의미하는 것으로, 대부분의 경우에는 연료를 사용하여 동력을 얻는 엔진과 전기로 구동되는 전기 모터로 구성된 시스템으로서, 일명 하이브리드 전기 자동차라고 일컬어지고 있다.

이러한 하이브리드 전기 자동차 구성의 일예를 살펴보면, 도 1에서와 같이, 엔진(2)의 출력측에 전기모터(4)를 두고 그 후측으로 발진 클러치(6)를 포함하는 무단 변속기(8)를 배치하고, 이의 무단 변속기(8)로부터 출력되는 동력으로 구동륜(10)을 구동시킬 수 있도록 구성하고 있다.

그리고 상기 전기모터(4)는 모터 컨트롤 유닛(MCU)을 통해 배터리(12)의 전원을 공급받으면서 제어되며, 하이브리드 전기 자동차를 전체적으로 총합 제어하는 하이브리드 제어유닛(HCU)은 엔진제어유닛(ECU)와 트랜스밋션 제어유닛(TCU), 그리고 배터리 관리 시스템(BMS)과 운전자가 직접 조작하는 가속 페달 센서(APS)등과 전기적으로 연결되어 현재의 차량 운전상태를 입력받아 모터 컨트롤 유닛(MCU)을 제어하게 되는 것이다.

이러한 하이브리드 전기 자동차는 시동을 걸때에는 전기모터를 이용하여 초기 연료 소모와 배기가스 발생을 최소화하고, 가속시에는 일정 시속동안 전기모터가 엔진의 동력을 보조하게 되는 것이다.

즉, 저속에서는 전기의 힘으로 중고속에서는 연료로 차가 움직이게 되는 것이며, 일반 주행시에도 일정 속도를 넘으면 연료는 전기에서 가솔린으로 바뀌게 됨으로써, 전기모터의 도움으로 엔진에 걸리는 부하 및 작동조건이 개선되고, 엔진의 배기가스 배출을 크게 줄일 수 있는 장점이 있는 것이다.

상기와 같은 하이브리드 전기 자동차의 가속 제어과정을 살펴보면, 종래에는 도 4에서와 같이, 운전자가 가속을 위하여 가속페달을 밟으면, 이의 신호가 하이브리드 컨트롤 유닛(HCU)으로 전달되며, 이 하이브리드 컨트롤 유닛(HCU)에서는 가속페달 센서(APS)로부터 측정된 값을 이용하여 운전자가 요구하는 차량 가속 동력을 계산하게 된다(S200).

그리고 상기 S200 단계에서 차량 가속 동력을 계산한 후에는 그 차량 가속 동력을 최적 엔진동력으로 설정하고(S210), 이의 최적 엔진 동력을 기준으로 최적 엔진 토크 및 엔진 속도를 출력하게 된다(S220).

상기 S220 단계에서 최적의 엔진 토크 및 엔진 속도가 출력되면, 이를 출력하기 위한 엔진의 운전점을 결정하게 된다(S230).

상기 엔진 운전점은 요구되는 동력을 출력시키면서 동시에 연료 소비량이 제일 적은 한점으로 결정하게 되는데, 이의 운전점 결정은 도5에서와 같이 결정된다.

즉, 가솔린 엔진에서 일정한 동력을 출력하는 경우(iso - power curve) 연료 소비량은 BSFC(Brake Specific Fuel Consumption)가 가장 작은 점에서 최소가 된다.

이에 따라 최적 운전곡선(OOL, Optimal Operating Line)은 이와 같은 점들을 연결한 곡선으로 엔진에서 특정한 동력이 요구되는 경우, 등동력선도와 OOL이 교차하는 곳에서 엔진을 운전시키면 요구되는 동력을 출력할 수 있을 뿐만 아니라 연료 소비량도 최소화할 수 있게 된다.

이와 같이 엔진의 운전점이 결정되면, 이점에 해당하는 유일한 엔진 토크(Optimal Engine Torque)와 엔진 속도(Optimal Engine Speed)가 결정된다.

이러한 상태에서 엔진 최적 운전점의 엔진 토크 출력을 위한 스로틀 개도 및엔진 최적 운전점의 엔진 속도 유지를 위한 CVT 변속비를 계산한다(S240).

상기 과정을 거쳐 스로틀 개도 및 CVT 변속비 제어값이 결정되면, 이의 제어값이 출력되면서 엔진 및 CVT 제어가 이루어진 후(S250)에 가속모드를 종료하게 되는 것이다.

상기 S240 단계에서 최적 엔진 스로틀 개도는 엔진 최적 운전점을 지나는 등스로틀 개도선도의 값으로 계산되고, CVT 변속비는 현재의 차속과 최적 엔진속도에 의하여 계산된다.

그러나 상기와 같은 제어방법에 있어서는, 차량의 과도 응답성능을 고려하지 않고 차량에서 요구되는 동력을 출력시키면서 최저연비 획득을 위한 엔진 최적 운전을 수행할 수 있도록 하고 있는 바, 가속시 엔진 동력 및 구동 토크의 저하로 가속 성능이 크게 저하된다는 문제점을 내포하고 있다.

따라서 본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 발명된 것으로서, 본 발명의 목적은 CVT 동력 전달효율과 유압손실 및 회전관성 동력을 고려하여 엔진 및 CVT 제어가 이루어지도록 함으로써, 엔진의 최적 운전과 가속성능을 향상시킬 수 있도록 한 하이브리드 전기 자동차의 가속 제어방법을 제공함에 있다.

도 1은 본 발명이 적용되는 하이브리드 전기 자동차의 구성 블록도.

도 2는 본 발명에 의한 작동 흐름도.

도 3의 (A)(B)(C)(D)는 본 발명의 작용효과를 설명하기 위한 그래프선도.

도 4는 종래에 의한 작동 흐름도.

도 5는 최적 곡선 및 최적 운전점을 설명하기 위한 도면이다.

이를 실현하기 위하여 본 발명은, 연료를 사용하는 엔진과 전기모터를 동시에 동력원으로 사용하고, CVT(무단변속기)를 적용하고 있는 하이브리드 전기 자동차에 있어서,

가속 페달 센서로부터 전달되는 신호에 의한 요구 차량 가속 동력을 계산하는 제1 단계와;

상기 차량 가속 동력에 CVT 동력 전달효율과, CVT 유압 손실과, CVT 변속비 변화에 의한 회전 관성 동력을 보상하여 최적 엔진 동력을 설정하는 제2 단계와;

상기 최적 엔진 동력에 의한 최적 엔진 토크와 엔진속도에 따라 최적의 운전점을 계산하는 제3 단계와;

상기 최적 운전점의 엔진 토크 출력을 위한 스로틀 개도를 계산하고, 상기 최적 운전점의 엔진속도 유지를 위한 CVT 변속비를 계산하는 제4 단계와;

상기 제4 단계에서 계산된 스로틀 개도와 CVT 변속비의 제어값을 출력하여 엔진 및 CVT 제어가 이루어지는 제5 단계를 포함하여 이루어지는 하이브리드 전기 자동차의 가속 제어방법을 제공한다.

이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부한 도면에 의거하여 상세히 설명하면 다음과 같다.

도 1은 본 발명이 적용되는 하이브리드 전기 자동차에 대한 구성 블록도로서, 상기에서 상세히 설명하고 있는 바, 실시예에서의 상세한 설명은 생략한다.

도 2는 본 발명에 의한 제어방법의 작동 흐름도로서, 운전자가 가속을 위하여 가속 페달을 밟으면, 이의 신호가 하이브리드 컨트롤 유닛(HCU)으로 전달된다.

그러면 하이브리드 컨트롤 유닛(HCU)에서는 이에 전달된 가속페달 센서(APS)로부터 측정된 값을 이용하여 운전자가 요구하는 차량 가속 동력을 계산하게 된다(S100).

상기 S100 단계에서 차량 가속 동력을 계산한 후에는 CVT 동력 전달효율과 CVT 유압손실, 그리고 회전 관성동력을 계산하고(S110), 이의 3가지 요소를 고려한 최전 엔진 동력을 설정하게 된다(S120).

즉, 엔진 - CVT - 구동계로 이루어지는 동력 전달계에서는 CVT의 동력 손실을 고려해야 하는데, CVT 동력 손실은 CVT의 벨트와 풀리 사이의 미끄럼 손실과 유압계 손실로 이루어지며, 상기 CVT 밸브와 풀리 사이의 미끄럼 손실은 벨트와 풀리 사이에 형성되어 있는 유막의 전단력에 의하여 발생된다.

실제 벨트와 풀리 사이의 마찰은 금속 대 금속 접촉과 유막 접촉이 섞여있는 경계마찰(boundary friction)리며, 전단 마찰력은 벨트와 풀리의 상대 미끄럼에 의하여 발생하게 되는 바, CVT의 속도 전달효율(η_ωcvt)과 토크 전달효율(η_tcvt)를 고려한 엔진 동력(P_{e optimal})은 P_{v desird}/ (η_ωcvtη_tcvt)로 계산된다.

따라서 CVT 유압계 동력 손실(P_hydless)은 엔진이 오일펌프를 구동하기 위하여 발생된 손실로서 펌프에서 공급되는 유량과 라인 압력 제어밸브에 의하여 형성되는 라인 압력에 의하여 다음과 같이 표시할 수 있다.

P_line은 라인압력, Q_pump는 펌프 토출유량, η_pump는 펌프 효율, D_pump는 펌프 변위라고 할 때, CVT 유압계 동력 손실(P_hydless)은 P_line* Q_pump가 되며, 펌프 토출유량(Q_pump)은 η_{pump *}D_pump* ω_e가 된다.

이에 따라 CVT의 동력 전달효율과 유압계 손실 동력을 고려한 엔진의동력(P_{e optimal})은 P_{v desird}/ (η_ωcvtη_tcvt) + (P_hydless) 가 된다.

또한, CVT 변속비 변화에 의한 회전 관성 토크는 차량 가속시에는 가속력을 감소시키고, 차량 감속시에는 감속력을 감소시키기 때문에 차량 속도 변화에 지연을 초래하는 요인으로 작용하는 바, 이의 변속비 변화에 의한 회전 관성토크를 고려한 제어가 요구된다.

이에 따른 CVT 변속비 변화에 의한 회전 관성동력(P_inertia)은 N_frg를 종감속 기어비라고 할 때 {η_{tcvt *}N_frgi(di / dt) * J_eq/ η_ωcvt} ω_{e *}ωv가 된다.

상기에서 i는 CVT의 변속비로서, 구동풀리 회전속도(Wp)와 종동 풀리 회전속도(Ws)의 비(Wp/Ws)로 정의되며, i(di / dt)는 변속비와 비속비 변화율을 의미하며, 상기 J_eq는 등가관성(Equivalealent Inertia)을 의미한다.

이에 따라 S120 단계에서 3가지의 요소를 고려한 최적 엔진 동력(P_{e optimal})은 P_{v desird}/ (η_ωcvtη_tcvt) + (P_hydless) + (P_inertia) 가 된다.

상기와 같은 과정으로 최적의 엔진 동력이 설정되면, 이의 최적 엔진 동력을 기준으로 최적 엔진 토크 및 엔진 속도를 출력하게 된다(S130).

상기 S130 단계에서 최적의 엔진 토크 및 엔진 속도가 출력되면, 이를 출력하기 위한 엔진의 운전점을 결정하게 된다(S140).

상기 엔진 운전점은 요구되는 동력을 출력시키면서 동시에 연료 소비량이 제일 적은 한 점으로 결정하게 되는데, 이의 운전점 결정은 도5에서와 같이 결정된다.

이러한 상태에서 엔진 최적 운전점의 엔진 토크 출력을 위한 스로틀 개도 및 엔진 최적 운전점의 엔진 속도 유지를 위한 CVT 변속비를 계산한다(S150).

상기 과정을 거쳐 스로틀 개도 및 CVT 변속비 제어값이 결정되면, 이의 제어값이 출력되면서 엔진 및 CVT 제어가 이루어진 후(S160)에 가속모드를 종료하게 되는 것이다.

상기 S1500 단계에서 최적 엔진 스로틀 개도는 엔진 최적 운전점을 지나는 등스로틀 개도선도의 값으로 계산되고, CVT 변속비는 현재의 차속과 최적 엔진속도에 의하여 계산된다.

즉, 본 발명은 최적 엔진의 동력을 CVT 동력전달 효율과 CVT 유압 손실, 그리고 회전 관성 동력을 고려하여 설정하고, 이로부터 엔진의 최적 운전을 위한 최전 엔진 토크와 엔진속도를 산출하여 제어함으로써, 가속성능을 상승시킬 수 있게 되는 것이다.

그리고 상기와 같이 가속 제어를 실시하는 경우, 가속 초기에는 도 3의 A와 B에서와 같이, 엔진 동력과 스로틀이 종래보다 큰 값을 보이고, 이에 따라 구동 토크도 크게 출력되어(도3의 C 참조) 차속이 기준 차속에 보다 근접 추종하게 됨을 알 수 있다(도 3의 D).

이상에서와 같이 본 발명에 의하면, CVT 동력 전달효율과 유압손실 및 회전관성 동력을 고려하여 엔진 및 CVT 제어가 이루어지도록 함으로써, 구동 초기 구동 토크가 크게 상승하여 엔진의 최적 운전과 가속 성능을 향상시킬 수 있는 발명인 것이다.

Claims

연료를 사용하는 엔진과 전기모터를 동시에 동력원으로 사용하고, CVT(무단변속기)를 적용하고 있는 하이브리드 전기 자동차에 있어서,

가속 페달 센서로부터 전달되는 신호에 의한 요구 차량 가속 동력을 계산하는 제1 단계와;

상기 차량 가속 동력에 CVT 동력 전달효율과, CVT 유압 손실과, CVT 변속비 변화에 의한 회전 관성 동력을 보상하여 최적 엔진 동력을 설정하는 제2 단계와;

상기 최적 엔진 동력에 의한 최적 엔진 토크와 엔진속도에 따라 최적의 운전점을 계산하는 제3 단계와;

상기 최적 운전점의 엔진 토크 출력을 위한 스로틀 개도를 계산하고, 상기 최적 운전점의 엔진속도 유지를 위한 CVT 변속비를 계산하는 제4 단계와;

상기 제4 단계에서 계산된 스로틀 개도와 CVT 변속비의 제어값을 출력하여 엔진 및 CVT 제어가 이루어지는 제5 단계를 포함하여 이루어짐을 특징으로 하는 하이브리드 전기 자동차의 가속 제어방법.
제1항에 있어서, η_ωcvt를 CVT 동력 손실효율, η_tcvt를 토크 전달 효율, P_{v desird}를 요구 가속 동력이라고 할 때,

동력전달효율을 고려한 엔진 동력(P_{e optimal})은 P_{v desird}/ (η_ωcvtη_tcvt)로 산출되고,

P_line은 라인압력, Q_pump는 펌프 토출유량이라고 할 때, CVT 유압계 동력 손실(P_hydless)은 P_line* Q_pump로 산출되어,

동력 전달효율과 CVT 유압계 동력 손실을 고려한 엔진의 동력(P_{e optimal})은 P_{v desird}/ (η_ωcvtη_tcvt) + (P_hydless) 로 산출되고,

CVT 변속비 변화에 의한 회전 관성동력(P_inertia)은 N_frg를 종감속 기어비라고 할 때, {η_{tcvt *}N_frgi(di / dt) * J_eq/ η_ωcvt} ω_{e *}ωv로 산출되어,

동력 전달효율과 유압계 동력 손실, 회전관성 동력을 고려한 최적 엔진 동력(P_{e optimal})은 P_{v desird}/ (η_ωcvtη_tcvt) + (P_hydless) + (P_inertia) 가 됨을 특징으로 하는 하이브리드 전기 자동차의 가속 제어방법.