KR20050070753A - 4륜 하이브리드 전기 자동차의 회생 제동 제어방법 - Google Patents

4륜 하이브리드 전기 자동차의 회생 제동 제어방법 Download PDF

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Abstract

비전자식 브레이크 시스템이 적용되는 4WD 하이브리드 전기 자동차의 제동시 전/후륜에 대한 제동 토크의 분배를 통해 전/후륜 모터로부터 적절한 회생 에너지를 회수할 수 있도록 하는 것으로,
제동 제어가 검출되면 현재의 차속을 검출하는 과정과, 현재의 차속 조건에서 가능한 최대 회생 제동 토크를 산출하는 과정과, 상기 산출된 회생 제동 토크를 차량의 안정성을 고려하여 전륜 모터 및 후륜 모터에 일정비로 분배하는 과정과, 상기 분배된 회생 제동 토크 및 모터 속도에 따른 전륜 모터 및 후륜 모터의 효율을 산출하여 배터리에 충전 가능한 최대 회생 제동 에너지량을 결정하는 과정 및 상기 결정된 회생 제동 에너지량을 배터리 충전 한계내에서 가장 큰 회생 제동 에너지를 얻을 수 있도록 전륜 모터 및 후륜 모터에 분배하여 회생 제동을 제어하는 과정을 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

4륜 하이브리드 전기 자동차의 회생 제동 제어방법{REGENERATION BRAKING CONTROL METHOD FOR 4 WHEEL HYBRID ELECTRIC VEHICLE}
본 발명은 4륜(4 Wheel Drive ; 이하 '4WD' 라 한다.) 하이브리드 전기 자동차에 관한 것으로, 더 상세하게는 비전자식 브레이크 시스템이 적용되는 4WD 하이브리드 전기 자동차의 제동시 전/후륜에 대한 제동 토크의 분배를 통해 전/후륜 모터로부터 적절한 회생 에너지를 회수할 수 있도록 하는 4륜 하이브리드 전기 자동차의 회생 제동 제어방법에 관한 것이다.
일반적으로, 하이브리드 전기 자동차는 엔진과 모터로 이루어지는 동력원이 장착되며, 전륜에 상기의 동력원을 적절히 조합한 구조를 적용하여 차량의 출발시나 가속시에 배터리의 전압에 의해 동작되는 모터의 동력 보조로 연비 향상을 유도한다.
4WD 하이브리드 전기 자동차는 차량의 전륜에 엔진과 모터가 장착되고, 후륜에 별도의 모터가 장착되어 구성된다.
따라서, 주행 상황에 따라 후륜에 장착된 모터로만 차량을 구동하는 전기차 모드와 전륜의 엔진만이 동작하는 주행모드, 전륜의 엔진이 주 동력원으로 작용하고 전륜의 모터가 동력을 보조하는 하이브리드 모드 및 전륜의 엔진과 모터 그리고 후륜의 모터가 모두 작동되도록 하는 4WD 하이브리드 주행모드의 구현이 가능하다.
상기한 바와 같은 하이브리드 전기 자동차는 제동시 회생 에너지를 회수하는 회생 제동 제어가 적용되고 있다.
상기의 회생 제동 제어는 하이브리드 전기 자동차의 주요 기술 중의 하나로, 일반 내연 기관 차량이 제동시에 차량의 운동 에너지를 모두 브레이크의 열로 소산되도록 하는 것과 달리 회생제동은 차량 감속시 하이브리드용 구동 모터를 발전기로 동작시켜 차량의 기계적 운동에너지를 전기에너지로 변환시켜 배터리에 저장함으로써, 차량의 연비증대 및 에너지 절감 효과 등을 가져올 수 있는 제동 방식이다.
따라서, 하이브리드 전기 자동차에서의 회생 제동 시스템의 설계는 매우 중요한 문제 중의 하나이다.
종래의 하이브리드 전기 자동차에서 제동 시스템으로 기존의 유압 마찰 제동 시스템을 그대로 이용하고 부가적으로 회생 제동을 적용하고 있는 경우, 즉 전자제어식 브레이크 및 브레이크 포지션 센서를 장착하지 않는 경우에는 회생 제동이 매우 제한적으로 이루어지게 되는 한계가 있다.
더욱이 전자제어식 브레이크 및 브레이크 포지션 센서가 장착되지 않은 전기식 4WD 하이브리드 전기 자동차에 대한 회생 제동 알고리듬에 대한 연구는 매우 미흡한 실정이므로, 전기식 4WD 하이브리드 전기 자동차에서 적극적으로 회생 제동 에너지를 회수하기 위해서는 이에 적합한 회생 제동 알고리듬에 대한 기술이 필수적이다.
기존의 회생 제동 제어는 브레이크 신호에 따라 단순히 차량의 속도를 기준으로 하여 일정한 회생 제동 토크를 부여하는 방식으로, 가능한 많은 양의 회생 제동을 끌어내야 한다는 목적을 우선하되, 운전자에게 지나친 제동감이 느껴지지 않도록 하여야 한다는 점을 고려하여 절충적으로 이루어진다.
그러나, 이러한 제어 방식에 의하는 상기의 전자제어식 브레이크 및 브레이크 포지션 센서가 장착되지 않은 전기식 4WD 하이브리드 전기 자동차의 경우는 일반의 유압 제동력에 회생 제동 토크가 더해지는 방식으로 회생 제동이 이루어지기 때문에 전/후륜에 걸리는 회생 제동 토크에 따라서 운전자에게 과도한 제동감이 느껴지거나 전/후륜 모터의 특성곡선상 전/후륜에 회생 제동 토크가 큰 차이를 두고 부여되어 전/후륜의 과도한 제동력 차이로 인한 차량의 스핀(Spin) 등 차량의 안정성을 해치게 되는 문제점이 발생한다.
또한, 차량이 고속에서 급감속하는 경우 등 배터리로 입력되는 회생 에너지의 양이 실제로 배터리에 충전될 수 있는 정격 전류의 양보다 더 많은 양의 에너지가 배터리로 입력되는 경우가 나타나게 되는데, 이때의 잉여에너지는 배터리 자체의 내부저항에 의한 열발생으로 나타나며 이렇게 발생하는 과도한 발열은 배터리의 수명 단축과 효율 저하 등의 문제를 야기한다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 발명한 것으로, 그 목적은 비전자식 브레이크 시스템이 적용되는 4WD 하이브리드 전기 자동차의 제동시 현재의 차속을 기준으로 전/후륜에 대한 제동 토크의 분배를 통해 전/후륜 모터로부터 적절한 회생 에너지를 회수할 수 있도록 한 것이다.
상기와 같은 목적을 실현하기 위한 본 발명은 4WD 하이브리드 전기 자동차에 있어서, 제동 제어가 검출되면 현재의 차속을 검출하는 과정과; 현재의 차속 조건에서 가능한 최대 회생 제동 토크를 산출하는 과정과; 상기 산출된 회생 제동 토크를 차량의 안정성을 고려하여 전륜 모터 및 후륜 모터에 일정비로 분배하는 과정과; 상기 분배된 회생 제동 토크 및 모터 속도에 따른 전륜 모터 및 후륜 모터의 효율을 산출하여 배터리에 충전 가능한 최대 회생 제동 에너지량을 결정하는 과정 및; 상기 결정된 회생 제동 에너지량을 배터리 충전 한계내에서 가장 큰 회생 제동 에너지를 얻을 수 있도록 전륜 모터 및 후륜 모터에 분배하여 회생 제동을 제어하는 과정을 포함하는 것을 특징으로 하는 4륜 하이브리드 전기 자동차의 회생 제동 제어방법을 제공한다.
즉, 4WD 하이브리드 전기 자동차의 제동시 현재의 차속을 기준으로 안정성을 고려하여 전/후륜의 총 제동력 비를 일정하게 유지할 수 있도록 전/후륜의 회생 제동 토크비를 분배하고, 배터리에 충전 가능한 최대 회생 제동 에너지에 맞추어 회생 제동 에너지량을 결정하여 전/후륜 모터의 회생 제동량을 분배하는 것을 특징으로 한다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 일 실시예를 상세하게 설명하면 다음과 같다.
도 1에서 알 수 있는 바와 같이 본 발명에 따른 4WD 하이브리드 전기 자동차의 회생 제동 제어장치는 운전 정보 검출부(10)와, ECU(Electric Control Unit ; 20), TCU(Torque Control Unit ; 30), HCU(Hybrid Control Unit ; 40), 배터리(50), BMS(Battery Management System ; 70), MCU(Motor Control Unit ; 80), 엔진(80), 제1인버터(90), 제2인버터(100), 제1모터(110), 제2모터(120) 및 CVT(Continuously Variable Transmission ; 30)로 구성된다.
운전 정보 검출부(10)는 운전자의 출발 및 가속 요구에 대한 APS(Accel Position Sensor) 신호와 제동 제어하는 브레이크 페달 신호, 변속단 선택에 대한 인히비터 스위치의 신호 등 운전자의 운전 요구신호를 검출한다.
ECU(20)는 운전자의 운행 요구 신호와 냉각수온, 엔진 토크 등의 엔진 상태 정보 및 상위 제어기인 HCU(40)의 제어에 따라 엔진(80)의 동작에 대한 제반적인 동작을 제어한다.
TCU(30)는 현재의 차속, 기어비, 클러치 상태 등의 정보를 검출하여 상위 제어기(40)의 제어에 따라 CVT(130)의 출력 토크 조절에 대한 전반적인 동작을 제어한다.
HCU(70)는 상위 제어기로 각 제어기들을 통합 제어하며, 제동 신호가 검출되는 경우 현재의 차속을 기준으로 차량의 안정성을 고려하여 전륜 및 후륜에 대하여 총 제동력가 비를 일정하게 유지될 수 있도록 회생 제동 토크를 계산하여 분배를 제어한다.
배터리(50)는 4WD 하이브리드 전기 자동차에서 동력 보조를 위해 전륜 모터(110) 및 후륜 모터(120)에 구동 전압을 공급하는 고용량 고전압이 배터리로 구성되며, 제동 제어시 전륜 및 후륜에서 회수되는 회생 에너지 및 엔진(80)의 출력에 의해 충전된다.
BMS(60)는 상기 배터리(50)의 전압, 전류, 온도 등의 정보를 종합 검출하여 배터리의 SOC 상태를 관리 제어와 출력되는 전류량을 제어하며, 회생 제동 에너지에 의한 배터리(50)의 충전을 제어한다.
MCU(70)는 상위 제어기인 HCU(40)의 제어에 따라 전륜 모터(110) 및 후륜 모터(120)의 회생 제동 토크를 분배 제어한다.
이때, 배터리(50)에 충전 가능한 최대 회생 제동 에너지에 맞추어 회생 제동 에너지량을 결정하여 전륜 모터(110) 및 후륜 모터(120)의 회생 제동량을 분배 제어한다.
엔진(80)은 상기 ECU(20)의 제어에 의해 동작되며, 출력 샤프트가 전륜 모터(110)를 통해 CVT(130)에 직결된다.
제1인버터(90)는 MCU(70)의 제어에 따라 배터리(50)에서 인가되는 DC 전압을 스위칭 수단인 IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)를 통해 교류 3상 전압으로 변환하여 엔진(80)의 출력 샤프트에 직결되는 전륜 모터(110)를 구동시키며, 전휸 모터(110)로부터 회수되는 회생 에너지를 배터리(50)에 충전 전압으로 공급한다.
제2인버터(100)는 MCU(70)의 제어에 따라 배터리(50)에서 인가되는 DC 전압을 스위칭 수단인 IGBT를 통해 교류 3상 전압으로 변환하여 후륜 모터(120)를 구동시키며, 후륜 모터(120)에서 회수되는 회생 에너지를 배터리(50)에 충전 전압으로 공급한다.
전술한 바와 같은 기능을 포함하는 본 발명에 따른 4WD 하이브리드 전기 자동차에서 전/후륜 모터로부터 회생 제동 에너지를 회수하는 동작에 대하여 도 2를 참조하여 설명하면 다음과 같다.
4WD 하이브리드 전기 자동차가 주행중인 상태에서 HCU(40)는 운전 정보 검출부(10)를 통해 제동 요구 신호가 검출되는지를 판단한다(S100).
이때, 제동 요구 신호가 검출되지 않으면 APS 신호와 변속단 선택에 대한 인히비터 스위치의 신호 등의 신호에 따라 차량의 거동을 유지하고, 제동 요구 신호가 검출되면 현재의 주행 차속을 판독한다(S110).
그리고, 전륜 모터(110)의 속도(W_f)와 후륜 모터(120)의 속도(W_r)를 판독하고(S111) 전륜 모터(110)의 회생 제동 토크를 초기값(R_f = 0)으로 설정한다(S112).
또한, 회생 제동 제어의 정밀도 및 제어기의 처리속도 등을 고려한 전륜 모터(110)의 회생 제동 토크의 증가량(D_R_f)를 결정하여(S113) 회생 제동 제어를 위한 전륜 모터(110)의 회생 제동 토크를 결정(R_f = R_f + D_R_f)한다(S114).
상기와 같이 전륜 모터(110)의 회생 제동 토크가 결정(R_f = R_f + D_R_f)되면, 후륜 모터(120)의 회생 제동 토크를 전륜의 기어비(i_f)와 후륜의 기어비(i_r), 안정성을 고려하여 선정된 전륜 및 후륜의 브레이크 토크비(A) 및 전륜 모터(110)의 회생 제동 토크(R_f)를 적용하여 후륜 모터(120)의 회생 제동 토크를 결정[R_r = (i_f/i_r) * A * R_f]한다(S115).
이후, 상기 결정된 후륜 모터(120)의 회생 제동 토크가 후륜 모터(120)에 설정되어 있는 최대 토크 보다 작은 값을 갖는지(R_r ≤ R_r_max)를 판단한다(S116).
상기에서 결정된 후륜 모터(120)의 회생 제동 토크가 최대 토크 보다 작은 값을 갖는 것으로 판단되면 전륜 모터(110)의 속도(W_f)와 회생 제동 토크(R_f)로부터 전륜 모터(110)의 효율[Eff_f(W_f,R_f)을 산출하고, 후륜 모터(120)의 속도(W_r)와 회생 제동 토크(R_r)로부터 후륜 모터(120)의 효율[Eff_r(W_r,R_r)을 산출한다(S117).
상기와 같이 전륜 모터(110)에 대한 효율[Eff_f(W_f,R_f)과 후륜 모터(120)에 대한 효율[Eff_r(W_r,R_r)이 결정되면 이로부터 회생 제동 전압(P = R_f * W_f * Eff_f + R_r * W_r * Eff_r)을 산출한다(S118).
상기 산출되는 회생 제동 전압(P)이 배터리 충전 한계 전압(P_L) 이하의 값을 갖는지(P ≤ P_L)를 판단한다(S119).
상기에서 회생 제동 전압(P)이 배터리의 충전 한계 전압(P_L) 이하의 값을 갖는 것으로 판단되면 전륜 모터(110)의 회생 제동 토크(R_f)와 후륜 모터(120)의 회생 제동 토크(R_r) 및 회생 제동 전압(P)을 설정한다(S120).
이후, 전륜 모터(110)의 회생 제동 토크(R_f)가 전륜 모터(110)에 설정된 최대 토크(R_f_max)값 이상의 값으로 결정되었는지(R_f 〉R_f_max)를 판단한다 (S121).
상기에서 전륜 모터(110)의 회생 제동 토크(R_f)가 최대 토크(R_f_max) 이하의 값을 갖는 것으로 판단되면 상기 S114의 과정으로 리턴하여 전술한 과정을 반복하고, 전륜 모터(110)의 회생 제동 토크(R_f)가 최대 토크(R_f_max) 이상으로 결정되어 있는 것으로 판단되면 상기 S120에서 설정한 회생 제동 전압(P)의 최대값을 찾아(S122) 전륜 모터(110) 및 후륜 모터(120)의 회생 제동 토크(R_f,R_r)로 결정하여 회생 제동 제어를 실행한다(S123).
상기 S116의 판단에서 후륜 모터(110)의 회생 제동 토크(R_r)가 후륜 모터(120)에 설정되어 있는 최대값 이상이거나 상기 S119에서 회생 제동 전압(P)이 배터리의 충전 한계 전압(P_L) 이상의 값을 갖는 경우 회생 제동 전압(P)을 '0'으로 설정한 다음 전술한 S120의 과정을 실행한다(S130).
전술한 바와 같이 본 발명은 제동 제어가 검출되는 경우 현재의 차속 조건에서 전륜 모터(110)에 걸리는 회생 제동 토크를 0에서부터 현재의 차속 조건에서 가능한 최대 회생 제동 토크까지 일정 간격으로 증가시키면서, 전륜 모터(110) 및 후륜 모터(120)의 총 회생 제동 에너지를 구하고, 이 중에서 배터리의 충전 한계 전압내로서 가장 큰 회생 제동 에너지를 얻을 수 있는 경우를 찾아 전륜 모터(110) 및 후륜 모터(120)의 회생 제동 토크를 제어한다.
따라서, 전/후륜에 걸리는 총 제동력의 비를 일반 엔진 차량의 경우와 같도록 하여 운전자의 감속감을 일반 엔진 차량 그대로 유지시켜 주며, 제동력의 과도한 차이에서 오는 차량의 안정성의 저하 문제를 해결할 수 있으며, 동시에 배터리에 과도하게 입력될 수 있는 허용 용량 이상의 회생 제동 에너지가 인가되지 않도록 하는 최적의 회생 제동 토크를 전/후 모터에 부여하여 회생 제동의 효율을 향상시킨다.
이상에서 설명한 바와 같이 본 발명은 4WD 하이브리드 전기 자동차의 회생 제동 제어시 전륜 모터 및 후륜 모터에 대한 회생 제동 토크의 분배와 회생 제동 에너지량을 결정하는 회생 제동량의 분배를 통해 차량의 거동에 안정성이 유지되는 최적의 회생 제동 효율을 제공한다.
도 1은 본 발명에 따른 4륜 하이브리드 전기 자동차의 회생 제동 제어장치에 대한 구성도.
도 2는 본 발명에 따른 4륜 하이브리드 전기 자동차에서 회생 제어 제어를 실행하는 실시예의 흐름도.

Claims (4)

  1. 4WD 하이브리드 전기 자동차에 있어서,
    제동 제어가 검출되면 현재의 차속을 검출하는 과정과;
    현재의 차속 조건에서 가능한 최대 회생 제동 토크를 산출하는 과정과;
    상기 산출된 회생 제동 토크를 차량의 안정성을 고려하여 전륜 모터 및 후륜 모터에 일정비로 분배하는 과정과;
    상기 분배된 회생 제동 토크 및 모터 속도에 따른 전륜 모터 및 후륜 모터의 효율을 산출하여 배터리에 충전 가능한 최대 회생 제동 에너지량을 결정하는 과정 및;
    상기 결정된 회생 제동 에너지량을 배터리 충전 한계내에서 가장 큰 회생 제동 에너지를 얻을 수 있도록 전륜 모터 및 후륜 모터에 분배하여 회생 제동을 제어하는 과정을 포함하는 것을 특징으로 하는 4륜 하이브리드 전기 자동차의 회생 제동 제어방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 현재의 차속 조건에서 가능한 최대 회생 제동 토크의 산출은 전륜 모터에 걸리는 회생 제동 토크에 제어기의 처리속도를 감안한 제동 토크의 증가율을 적용하여 산출하는 것을 특징으로 하는 4륜 하이브리드 전기 자동차의 회생 제동 제어방법.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 후륜 모터의 회생 제동 토크는 전륜의 기어비와 후륜의 기어비, 안정성을 고려하여 선정된 전륜 및 후륜의 브레이크 토크비 및 전륜 모터의 회생 제동 토크를 적용하여 산출하는 것을 특징으로 하는 4륜 하이브리드 전기 자동차의 회생 제동 제어방법.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 배터리 충전 가능 회생 제동 에너지량이 배터리의 충전 한계 이상의 값을 갖는 경우 상기 결정된 회생 제동 에너지량을 초기화하는 것을 특징으로 하는 4륜 하이브리드 전기 자동차의 회생 제동 제어방법.
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