KR20040030430A - 차량의 하이브리드 시스템 - Google Patents

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KR20040030430A
KR20040030430A KR10-2003-7005261A KR20037005261A KR20040030430A KR 20040030430 A KR20040030430 A KR 20040030430A KR 20037005261 A KR20037005261 A KR 20037005261A KR 20040030430 A KR20040030430 A KR 20040030430A
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clutch
engine
rotational speed
input shaft
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KR10-2003-7005261A
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노쯔이꾸로오
오까자끼아끼히또
사사끼마사까즈
니시까와쇼오고
니시나미쯔히로
고오다히데아끼
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닛산 디젤 고교 가부시끼가이샤
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Abstract

엔진(1)과, 변속기(4)와, 엔진(1)과 변속기(4) 사이를 단속하는 클러치(3)와, 회전 전기 기계(2)와, 회전 전기 기계(2)의 회전을 변속기로 입력하는 동력 전달 기구(5)와, 회전 전기 기계(2)로부터 공급된 전력을 축적하는 축전 요소(7)를 구비한다. 제어 유닛(20)이 변속기(4)의 변속 지령을 판정하고, 변속 지령의 판정시 클러치(3)를 절단하고, 변속기 입력축 회전 속도를 변속 동작시에 요구되는 목표 회전 속도로 되도록 회전 전기 기계(2)의 회전을 제어한다.

Description

차량의 하이브리드 시스템 {HYBRID VEHICLE SYSTEM}
병렬 방식의 하이브리드 시스템으로서, 엔진과, 입력축의 회전을 변속하여 출력축으로부터 차륜으로 전달하는 변속기와, 엔진의 출력축과 변속기의 입력축을 단속하는 클러치와, 전동기와 발전기를 겸하는 회전 전기 기계와, 회전 전기 기계의 입출력축과 변속기의 입력축을 연결하는 동력 전달 기구와, 회전 전기 기계로부터 공급된 전력을 축적하는 축전 요소를 구비하는 것이 일본 특허 출원 특원 평11-160759호에 제안되어 있다.
이러한 선원예에 있어서는 변속기의 입력축에 동력 전달 기구를 개입시켜 회전 전기 기계의 마찰이나 관성력이 작용하기 때문에, 변속시에 싱크로 기구의 부담이 크고, 변속 시간(싱크로 시간)이 길게 되는 것을 생각할 수 있다.
본 발명은 차량의 동력원으로 엔진과 회전 전기 기계(모터 제너레이터)를 구비한 소위 병렬 방식의 하이브리드 시스템에 관한 것이다.
도1은 본 발명의 실시 형태를 나타낸 시스템 개요도이다.
도2는 상기 시스템의 동작 설명도이다.
도3은 상기 시스템의 동작 설명도이다.
도4는 상기 시스템의 동작 설명도이다.
도5는 상기 시스템의 동작 설명도이다.
도6은 상기 시스템의 동작 설명도이다.
도7은 상기 시스템의 동작 설명도이다.
도8은 상기 시스템의 제어 내용을 설명하는 플로우 차트이다.
도9는 상기 시스템의 엔진과 모터의 출력 분담을 나타낸 맵이다.
도10은 상기 시스템의 제어 내용을 설명하는 플로우 차트이다.
도11은 상기 시스템의 제어 내용을 설명하는 플로우 차트이다.
본 발명은 하이브리드 시스템의 변속기에 있어서, 변속 동작이 원활하고 또 신속하게 행해지도록 하는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 차량의 하이브리드 시스템은 엔진과, 입력축의 회전을 변속하여출력축으로부터 차륜으로 전달하는 변속기와, 엔진의 출력축과 변속기의 입력축을 단속하는 클러치와, 전동기 및 발전기를 겸하는 회전 전기 기계와, 회전 전기 기계의 입출력축과 변속기의 입력축을 연결하는 동력 전달 기구와, 회전 전기 기계로부터 공급된 전력을 축적하는 축전 요소를 구비한다. 또한, 변속기의 변속 지령을 판정하는 수단과, 변속 지령의 판정시에 클러치를 절단하는 수단과, 변속기 입력축 회전 속도를 변속 동작에 요구되는 목표 회전 속도가 되도록 상기 회전 전기 기계의 회전을 제어하는 수단을 구비한다.
따라서, 본 발명에서는 회전 전기 기계의 회전 제어에 의해 변속기의 입력축의 회전 속도가 목표 회전 속도로 수렴되어 목표단의 회전 속도가 신속하게 동기 영역으로 들어가기 때문에 싱크로 시간의 단축 및 싱크로 기구의 부하 경감을 도모할 수 있다.
도1과 같이, 차량의 파워트레인은 엔진(1)과, 트랜스미션(4, 변속기)과, 엔진(1)의 출력축(12, 크랭크 샤프트)과 트랜스미션(4)의 입력축(41) 사이에 개재되는 클러치(3)를 구비한다.
엔진(1)의 출력은 클러치(3)를 거쳐 트랜스미션(4)의 입력축(41)으로 전해져 차량의 주행시에 트랜스미션(4)의 출력축(42)으로부터 도시되지 않은 프로펠러 샤프트, 디퍼렌셜 기어, 드라이브 샤프트를 거쳐 좌우의 차륜으로 전달된다.
엔진(1)은 디젤 엔진 또는 CNG 엔진(압축 천연 가스를 연료로 함)으로 구성된다. 엔진(1)의 출력은 엔진 전자 제어 유니트(ECU, 10)에 의해 후술하는 바와 같이 제어된다.
상기 클러치(3)는 클러치 액츄에이터(31)에 의해 단속 제어되고, 또한 트랜스미션(4)은 후술하는 바와 같이 운전자의 변속 지령에 기초하여 클러치(3)를 단속시키면서, 기어 쉬프트 액츄에이터(43)에 의해 기어의 절환이 행해진다. 트랜스미션(4)은 클러치 부착 변속기이지만, 그 변속 동작은 운전자가 조작하는 변속용 체인징 레버의 위치에 대응하는 기어 위치 지령을 발생하는 체인지 레버 유니트(23)로부터의 변속 조작 신호에 기초하여 기어 쉬프트 액츄에이터(43)에 의해 변속 동작이 행해지는 것이다.
차량의 파워트레인은 또한 모터 제너레이터(2)와, 모터 제너레이터(2)의 입출력축(21)과 트랜스미션(4)의 입력축(41)을 연결하는 동력 전달 기구(5)와, 모터 제너레이터(2)와 동력 전달 기구(5) 사이를 단속하는 모터 클러치(제2 클러치, 60)를 구비한다.
모터 제너레이터(2)는 고효율 및 소형 경량화의 면에서 영구 자석형 동기 전동기(IPM 동기 모터)가 사용된다. 모터 제너레이터(2)는 인버터(6)를 거쳐서 축전 요소(7)에 접속된다.
인버터(6)는 축전 요소(7)의 충전 전력(직류 전력)을 교류 전력으로 변환하여 모터 제너레이터(2)에 공급하고, 전동기로서 구동한다. 또한, 인버터(6)는 모터 제너레이터(2)의 발전 전력(교류 전력)을 직류 전력으로 변환하여 축전 요소(7)를 충전한다.
축전 요소(7)에는 브레이크 에너지를 단시간에 낭비 없이 고효율로 회생하기 위해서 차량의 전지 허용 질량에 대하여 필요한 출력 밀도를 확보하기 쉬운 전기 이중층 캐패시터가 사용된다.
동력 전달 기구(5)는 모터 제너레이터(2)의 입출력축(21)에 연결된 드라이브 샤프트(51)와, 트랜스미션(4)의 입력축(41)에 연결된 드라이빙 기어(53)와, 이들에 맞물리는 아이들러 기어(52)로 구성된다.
모터 제너레이터(2)의 출력 회전은 동력 전달 기구(5)를 거쳐서 감속되어 트랜스미션(4)의 입력축(41)으로 전달된다. 또한, 차량의 에너지 회생시에는 트랜스미션(4)의 입력축(41)의 회전은 동력 전달 기구(5)를 거쳐서 증속되어 모터 제너레이터(2)의 입출력축(21)으로 전달되어 발전 작용을 한다.
상기 클러치(3), 트랜스미션(4), 인버터(6), 엔진 ECU(10) 등을 제어하기 위하여 하이브리드 ECU(20)가 구비된다.
하이브리드 ECU(20)에는 변속용 체인지 레버의 위치에 대응하는 기어 위치 지령을 발생하는 체인지 레버 유니트(23), 가속 페달의 답입량(가속 요구량)을 검출하는 가속 개도 센서(22), 브레이크 조작량(브레이크 요구량)을 검출하는 브레이크 센서(26), 트랜스미션(4)의 출력 회전 속도를 검출하는 센서(44), 동력 전달 기구(5)의 기어 회전 속도를 검출하는 센서[54, 트랜스미션(4)의 입력 회전 속도 센서], 클러치(3)의 단속을 검출하는 클러치 위치 센서(29), 또는 도시하지는 않았지만, 트랜스미션(4)의 샤프트 위치를 검출하는 기어 위치 센서, 축전 요소(7)의 축전량(SOC)을 검출하는 잔량계 등으로부터의 각 신호가 입력된다. 또한, 엔진 ECU(10I)에 입력되는 엔진 회전 센서(13)의 검출 신호도 공급된다.
또한, 하이브리드 ECU(20)는 이러한 각종 신호 및 엔진 ECU(10)로부터의 정보 신호에 기초하여 클러치 액츄에이터(31), 기어 샤프트 액츄에이터(43), 인버터(6)를 제어함과 동시에 엔진 ECU(10)로 엔진 출력의 요구 신호를 송신한다.
또한 하이브리드 ECU(20)과 엔진 ECU(10) 사이에는 통신 제어 수단을 거쳐 쌍방향으로 접속되어 후술하는 바와 같이 각종의 협조 제어를 하게 되어 있다.
이 하이브리드 ECU(20)에 의한 제어 내용을 설명한다.
모터 제너레이터(2)의 출력만으로 차량의 발진 및 주행을 행할 때에는 클러치(3)를 절단한 상태에 있어서 가속 조작량에 대응하는 출력이 모터 제너레이터(2)로부터 얻어지도록 인버터(6)를 제어한다. 모터 제너레이터(2)의 출력은 도2에 도시된 바와 같이 동력 전달 기구(5)를 거쳐서 트랜스미션(4)의 입력축(41)으로 전해져 트랜스미션(4)의 출력축(42)으로부터 프로펠러 샤프트로 회전이 전달된다.
엔진(1)의 출력만에 의한 주행을 행할 때는, 엔진 ECU(10)에 출력 요구 신호를 송신하는 동시에 클러치(3)를 접속한 상태에 있어서 모터 제너레이터(2)의 회전을 정지한다. 엔진 ECU(10)는 가속 조작량에 대응한 출력이 얻어지도록 엔진(1)의 연료 공급량을 제어하고, 이 엔진(1)의 출력은 도3과 같이 클러치(3)를 거쳐서 트랜스미션(4)의 입력축(41)으로 전해져 트랜스미션(4)의 출력축(42)으로부터 프로펠러 샤프트(49)로 전해진다.
차량의 주행에 모터 제너레이터(2)의 출력 및 엔진(1)의 출력을 병용할 때는, 클러치(3)를 접속한 상태에 있어서, 엔진 ECU(10)에 출력 요구 신호를 송신하는 동시에 모터 제너레이터(2)로부터도 출력이 얻어지도록 인버터(6)를 제어한다. 모터 제너레이터(2)의 출력은 도4와 같이 동력 전달 기구(5)를 거쳐 트랜스미션(4)의 입력축(41)으로 전해져, 엔진(1)으로부터 클러치(3)를 거쳐 전달되는 출력과 함께, 그 때의 변속 기어를 통하여 트랜스미션(4)의 출력축(42)으로부터 프로펠러 샤프트(49)로 전해진다.
차량의 제동시는, 축전 요소(7)로의 충전이 가능한 한, 브레이크 조작에 수반하는 회생 제동력으로 모터 제너레이터(2)를 발전시키도록 인버터(6)를 제어한다. 차량의 회전은 도5와 같이 프로펠러 샤프트로부터 트랜스미션(4)의 출력축(42)으로부터 입력축(41), 또한 동력 전달 기구(5)를 거쳐 모터제너레이터(2)의 입출력축(21)으로 전해진다. 이것에 의해, 모터 제너레이터(2)의 회생 발전이 행해져, 그 전력은 인버터(6)를 거쳐 축전 요소(7)에 충전된다. 즉, 감속시의 차량 에너지는 모터 제너레이터(2)의 발전에 의해 전기 에너지로 변환되어 축전 요소(7)에 회수된다. 또한, 브레이크 요구량의 부족분은 전자 제어 브레이크(도시 생략)에 의한 제동력 등으로 보충할 수 있다.
차량의 정지시에 축전 요소(7)로의 충전을 행할 때는, 트랜스미션(4)이 중립시에 클러치(3)를 접속한다. 엔진(1)의 회전은 도6과 같이 클러치(3)로부터 트랜스미션(4)의 입력축(41) 및 동력 전달 기구(5) 및 모터 제너레이터(2)의 입출력축(21)으로 전해진다. 따라서, 엔진(1)의 출력에 의해 모터 제너레이터(2)의 발전이 행해지고 그 전력은 축전 요소(7)에 충전된다.
엔진(1)의 출력 만으로의 주행 상태(도3 참조)에 있어서, 축전 요소(7)로의 충전을 행할 때는, 모터 제너레이터(2)를 발전기로서 작동시킨다. 엔진(1)의 출력은 도7과 같이 클러치(3)를 경유하여 트랜스미션(4)의 입력축(41)으로 전해져, 트랜스미션(4)의 출력축(42)을 거쳐서 프로펠러 샤프트(49)로 전해지는 것 외에, 동력 전달 기구(5)를 거쳐 모터 제너레이터(2)의 입출력축(21)으로 전해진다.
그런데, 하이브리드 ECU(20)는 상기한 바와 같이 차량의 발진시나 주행시 등, 클러치(3)를 절단하여 모터 제너레이터(2)에 의해서만 필요한 구동력을 발생하지만, 축전 요소(7)의 축전량이 저하한 때는, 엔진(1)으로부터의 출력을 구동력에 가함으로써 효율 좋은 운전을 행하도록 되어 있다.
도8은 이 제어를 위한 흐름도이며, 하이브리드 ECU(20)에 있어서, 소정의 제어 주기마다 실행된다.
스텝 1에 있어서는 축전 요소(7)의 축전량이 소정치 이하인지를 판정한다. 이 판정이 "아니오"이면, 즉, 축전량이 충분히 있는 경우는 스텝 2로 진행하여, 클러치(3)를 절단한 상태에 있어서, 모터 제너레이터(2)의 출력만에 의해 주행을 행한다. 이때는 가속 조작량에 상당하는 출력이 모터 제너레이터(2)로부터 얻어질 수 있도록 인버터(6)를 제어한다.
스텝 1에 축전량이 소정치 이하이면, 스텝 3 내지 스텝 6으로 이행한다.
스텝 3에서는 클러치(3)를 접속하여 엔진(1)으로부터 동력의 전달이 가능한 상태로 한다. 계속해서 스텝 4에서는 축전 요소(7)의 축전량에 기초하여 도9의 맵으로부터 엔진(1)의 출력 분담비 및 모터 제너레이터(2)의 출력 분담비를 구한다.
이 맵은 축전 요소(7)의 축전량(SOC)을 파라미터로 엔진(1)의 출력과 모터 제너레이터(2)의 출력과의 분담비가 설정되어 있고, 축전량이 크면 모터 제너레이터(2)의 출력 분담비가 커지고, 축전량이 작으면 엔진(1)의 출력 분담비율이 높다.
스텝 5에서는 이와 같이 구한 분담비와, 그 때의 가속 조작량에 기초하여, 실제 엔진(1)의 출력 및 모터 제너레이터(2)의 출력을 결정한다. 그리고, 스텝 6에서, 엔진 ECU(10)에 엔진(1)의 분담 출력에 상당하는 출력 요구 신호를 송신함과 동시에, 모터 제너레이터(2)의 분담 출력이 얻어지도록 인버터(6)를 제어한다.
이러한 방식으로, 축전 요소(7)의 축전량(SOC)이 충분한 경우에는 클러치(3)가 절단된 상태에서, 모터 제너레이터(2)의 출력만에 의해 발진 및 주행이 행해진다.
이에 대하여, 모터 제너레이터(2)의 구동 운전에 의해 전력이 소비되어, 축전량이 기정치 이하로 저하되면, 클러치(3)를 접속하여 엔진(1)으로부터 출력을 보충함으로써 차량의 요구 구동 특성을 만족시키며, 모터 제너레이터(2)에 의한 운전 영역을 확대할 수 있다. 또한, 축전량이 저하하는데 따라 모터 제너레이터(2)의 출력 분담을 줄이기 때문에 축전 요소(7)가 완전하게 방전되는 것을 방지할 수 있다.
그런데, 엔진(1)의 출력에 의해 차량을 구동하고 있는 운전 상태(도3 참조)에서는, 운전자가 조작하는 변속용의 체인지 레버의 위치에 대응하는 기어 위치 지령을 발생하는 체인지 레버 유닛(23)으로부터의 변속 조작 신호에 기초하여 기어 쉬프트 액츄에이터(43)에 의해 변속 동작이 행해지지만, 이때의 트랜스미션(4)의 입력축(41)에는 구동 전달 기구(5)나, 모터 제너레이터(2)의 마찰 또는 관성력이 작용하기 때문에 변속시에 싱크로 기구의 부담이 크고, 변속 시간(싱크로 시간)이 길게 된다.
따라서 본 발명에서는 이 변속 동작을 단축하기 위하여, 하이브리드 ECU(20)는 변속시에 모터 제너레이터(2)에 의한 입력축(41)의 회전을 제어하여, 트랜스미션(4)의 싱크로 동작을 지원한다.
이 제어 동작에 관해서 도10의 흐름도에 따라 설명한다.
우선, 스텝 1에 있어서, 체인지 레버 유닛(23)의 기어 위치 지령에 기초하여, 변속 지령(기어 위치 지령의 변화)이 발생하였는지를 판정한다. 이 판정이 "아니오"이면 종료로 간다.
스텝 1의 판정이 "예"이면, 즉, 변속 지령이 발생한 때는, 스텝 2 내지 스텝 8을 순차로 처리한다.
스텝 2 및 스텝 3에 있어서는, 클러치(3)를 절단함과 동시에, 트랜스미션(4)을 중립으로 설정(기어 빼기)한다.
스텝 4에 있어서는, 체인지 레버 유닛(23)의 기어 위치 지령에 상당하는 목표단의 기어비와, 트랜스미션(4)의 출력 회전 속도[회전 센서(44)의 검출 신호]로부터 트랜스미션(4)의 입력축(41)의 목표 회전 속도를 구한다.
또한, 스텝 5에서는 트랜스미션(4)의 입력축(41)의 회전 속도[회전 센서(54)의 검출 신호에 기초하여 구해짐]를 목표 회전 속도와 일치시키도록 모터 제너레이터(2)의 회전을 제어한다.
스텝 6에 있어서는, 트랜스미션(4)의 입력축(41)의 회전 속도가 목표 회전 속도에 대한 동기 영역에 들어갔는지를 판정한다. 이 판정이 "예"이면 스텝 7 및 스텝 8로 진행하여, 목표단으로의 기어 넣기를 행함과 동시에 클러치(3)를 접속하고, 클러치(3)의 접속 후에 모터 제너레이터(2)의 회전 제어를 정지한다.
이와 같이, 트랜스미션(4)의 변속 제어에 있어서, 모터 제너레이터(2)를 이용하여, 회전 제어를 행하는 것에 의해, 트랜스미션(4)의 입력축(41)의 회전 속도가 목표 회전 속도에 대한 동기 영역으로 신속하게 수렴되기 때문에, 싱크로 시간의 단축 및 싱크로 기구의 부담 경감을 큰 폭으로 촉진할 수 있다는 효과가 얻어진다.
다음으로, 상기 모터 제너레이터(2)와 구동 기구(5) 사이에 개재된 제2 클러치(60)에 대하여 설명한다.
도11은 제2 클러치를 제어하기 위한 흐름도이고, 하이브리드 ECU(20)에 있어서, 소정의 제어 주기마다 실행된다.
스텝 1에 있어서는, 모터 제너레이터(2)의 구동 요구가 있는지를 판정한다. 이 판정 결과가 "예"이면, 스텝 2로 진행하고, 제2 클러치(60, 모터 클러치)를 접속한다. 스텝 3에서 모터 제너레이터(2)를 구동하여 출력 회전시킨다.
이 모터 제너레이터(2)의 구동 요구는 상기 트랜스미션(4)의 변속 동작시에 한하지 않고, 위에 설명된 모터 제너레이터(2)에 의해서만 차량을 구동할 때, 또는 엔진(1) 및 모터 제너레이터(2)를 병용하여 차량을 구동할 때, 엔진(1)에 의해 모터 제너레이터(2)를 구동하여 발전 동작시킬 때, 차량이 갖는 주행 에너지를 감속시 회생하기 위해서 모터 제너레이터(2)를 발전 동작시킬 때 등에 출력된다.
이에 대하여, 구동 요구가 없을 때, 즉, 스텝 1의 판정이 "아니오"이면, 스텝 4에 있어서 제2 클러치(60)를 절단한다.
이러한 방식으로 모터 제너레이터(2)의 회전 정지시에 있어서, 제2 클러치(60)를 절단해둠으로써, 엔진(1)의 출력만으로 주행할 때 등, 모터 제너레이터(2)의 관성 질량이나 마찰력만큼, 구동계의 부하가 경감되고, 엔진(1)의 연비 향상을 촉진할 수 있다. 또한, 운전자의 조작에 의해 트랜스미션(4)의 변속 동작을 행할 때는 제2 클러치(60)를 접속하여 모터 제너레이터(2)에 의해 싱크로 동작을 지원할 수 있다.
또한, 제2 클러치(60)는 트랜스미션(4)의 입력축(41)과 동력 전달 기구(5)사이에 개재하더라도 좋다.
본 발명은 차량의 구동원으로서 이용할 수 있는 병렬 하이브리드 구동 시스템이다.

Claims (3)

  1. 엔진과, 입력축의 회전을 변속하여 출력축으로부터 차륜으로 전달하는 변속기와, 엔진의 출력축 및 변속기의 입력축을 단속하는 클러치와, 전동기 및 발전기를 겸하는 회전 전기 기계와, 회전 전기 기계의 입출력축 및 변속기의 입력축을 연결하는 동력 전달 기구와, 회전 전기 기계로부터 공급되는 전력을 축적하는 축전 요소를 구비한 차량의 하이브리드 시스템에 있어서,
    변속기의 변속 지령을 판정하는 수단과,
    변속 지령의 판정시에 클러치를 절단하는 수단과,
    변속기 입력축 회전 속도를 변속 동작에 요구되는 목표 회전 속도로 되도록 상기 회전 전기 기계의 회전을 제어하는 수단을 구비하는 것을 특징으로 하는 차량의 하이브리드 시스템.
  2. 제1항에 있어서, 상기 제어 수단은 변속 지령에 기초하여 목표 기어와 변속 기 출력축 회전 속도로부터 변속기 입력축 목표 회전 속도를 구하여, 변속기 입력축의 회전 속도를 이 목표 회전 속도에 거의 일치시키도록 상기 회전 전기 기계의 회전 속도를 제어하는 것을 특징으로 하는 차량의 하이브리드 시스템.
  3. 제1항에 있어서, 상기 회전 전기 기계와 동력 전달 기구 사이 또는 동력 전달 기구와 변속기 사이에 제2 클러치를 개재하고, 상기 제어 수단은 상기 회전 전기 기계의 구동 요구가 없을 때에 제2 클러치를 절단하는 것을 특징으로 하는 차량의 하이브리드 시스템.
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