KR20050118926A - 4륜 구동 하이브리드 전기 차량의 회생 제동 토크 맵제어방법 - Google Patents

4륜 구동 하이브리드 전기 차량의 회생 제동 토크 맵제어방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 이질적인 제동감의 발생을 최대한 억제하면서 회생 제동량을 극대화할 수 있는 4륜 구동 하이브리드 전기 차량의 회생 제동 토크 맵 제어방법에 관한 것으로, 전륜에 하이브리드 전기 차량 파워 트레인을 장비하고 후륜에 독립적으로 구동되는 별도의 모터 시스템을 장비하는 4륜 구동 하이브리드 전기 차량의 회생 제동 토크 맵을 생성하는 제어방법에 있어서, 차속 센서로부터 입력되는 신호를 분석하여 차속 범위를 결정하는 단계와; 가용 변속단을 결정하는 단계와; 회생 제동 제한조건을 확인하는 단계와; 회생 제동 제한조건을 만족하면, 회생 제동 토크를 계산하는 단계와; 제동 시와 타력 주행 시로 나누어 회생 제동 토크 맵을 결정하는 단계를 포함하여 이루어진다.

Description

4륜 구동 하이브리드 전기 차량의 회생 제동 토크 맵 제어방법{REGENERATION BRAKE TORQUE MAP CONTROLLING METHOD OF 4WD HYBRID ELECTRIC VEHICLE}
본 발명은 4륜 구동 하이브리드 전기 차량의 회생 제동 토크 맵 제어방법에 관한 것이다.
통상적으로, 회생 제동은 하이브리드 전기 차량에 있어 연비를 향상시킬 수 있는 주요 기술 중의 하나이다.
특히, 주행 중 충전 전략을 쓰지 않는 하이브리드 차량의 경우 회생 제동량은 곧 모터의 동력 보조(Power-Assist)량을 결정하기 때문에 회생 제동량을 극대화 하는 것은 매우 중요한 문제이다.
그러나, 전자 제어식 브레이크(EHB) 및 브레이크 포지션 센서(BPS)를 장착하지 않는 하이브리드 전기 차량은 운전자의 감속의지의 양을 판단할 수단이 없고, 기계식 제동량을 조절하여 차량 전체의 제동량의 균형을 맞추는 것이 불가능하기 때문에, 모터에 의한 회생 제동이 매우 제한적일 수밖에 없다.
따라서, 기존 차량에 부착된 센서만으로 이질적인 제동감 없이 회생 제동의 양을 증가시킬 수 있는 알고리즘의 개발은 매우 중요하다.
이미 하이브리드 전기 차량을 양산 발매하고 있는 일본 혼다(Honda)사 등에서도 이와 관련된 특허가 많이 나와 있으나 이는 주로 혼다사 엔진의 고유한 특징인 실린더 휴지기능과 더불어 구현 가능한 기술이라 기존 차량에 적용하기는 어렵다.
그 외 기존 출원된 특허에서도 주로 회생 제동 시의 모터 효율 극대화에 초점이 맞춰져 있으며, 이질적 제동감 감소에 대한 특허는 드문 실정이다.
본 발명의 목적은 이질적인 제동감의 발생을 최대한 억제하면서 회생 제동량을 극대화할 수 있는 4륜 구동 하이브리드 전기 차량의 회생 제동 토크 맵 제어방법을 제공하는데 있다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명은 전륜에 하이브리드 전기 차량 파워 트레인을 장비하고 후륜에 독립적으로 구동되는 별도의 모터 시스템을 장비하는 4륜 구동 하이브리드 전기 차량의 회생 제동 토크 맵을 생성하는 제어방법에 있어서, 차속 센서로부터 입력되는 신호를 분석하여 차속 범위를 결정하는 단계와; 가용 변속단을 결정하는 단계와; 회생 제동 제한조건을 확인하는 단계와; 회생 제동 제한조건을 만족하면, 회생 제동 토크를 계산하는 단계와; 제동 시와 타력 주행 시로 나누어 회생 제동 토크 맵을 결정하는 단계를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.
이하 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부한 도면을 참조하여 상세히 설명한다. 하기 설명 및 첨부 도면과 같은 많은 특정 상세들이 본 발명의 보다 전반적인 이해를 제공하기 위해 나타나 있으나, 이들 특정 상세들은 본 발명의 설명을 위해 예시한 것으로 본 발명이 그들에 한정됨을 의미하는 것은 아니다. 그리고 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있는 공지 기능 및 구성에 대한 상세한 설명은 생략한다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 4륜 구동 하이브리드 전기 차량의 구성을 도시한 도면이며, 도 2는 본 발명의 실시예에 따른 4륜 구동 하이브리드 전기 차량의 회생 제동 토크 맵 제어방법을 도시한 흐름도이다.
본 발명의 실시예에서는 기존 차량에 장착된 센서인 브레이크 스위치(Brake Switch) 및 차속 센서, 변속 단 정보만으로 이질적인 제동감을 최대로 억제하면서, 회생 제동량을 극대화할 수 있는 알고리즘을 제안하고자 한다.
본 발명의 실시예가 적용되는 4WD 하이브리드 전기 차량(HEV)은 기존의 기계식 4륜 구동(4WD) 및 2륜 구동(2WD) 하이브리드 전기 차량과는 달리 도 1에 도시된 바와 같이 전륜에 하이브리드 전기 차량 파워 트레인(HEV Power Train)을 장비하고 후륜에 독립적으로 구동되는 별도의 모터 시스템을 장비하고 있다.
변속기로는 수동 변속기를 장비하고 있다.
차량의 상태를 감지하기 위한 센서는 다음과 같다.
1) 가속 페달 센서(Accel Pedal Stroke Sensor)
2) 브레이크 스위치(Brake Switch)
3) 차속 센서(Vehicle Velocity Sensor)
4) 엔진 회전수 검출센서(Engine Velocity Sensor)
5) 클러치 검출 센서(Clutch On/Off Sensor)
도 2를 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 4륜 구동 하이브리드 전기 차량의 회생 제동 토크 맵을 생성하는 제어방법은 차속 센서로부터 입력되는 신호를 분석하여 차속 범위를 결정하는 단계와, 가용 변속단을 결정하는 단계와, 회생 제동 제한조건을 확인하는 단계와, 회생 제동 제한조건을 만족하면, 회생 제동 토크를 계산하는 단계와, 제동 시와 타력 주행 시로 나누어 회생 제동 토크 맵을 설정하는 단계로 이루어진다(S210~S226).
가용 변속단을 결정하는 단계는 본 발명의 실시예와 같이 수동 변속 차량의 경우 차속 센서와 엔진 회전수 검출센서의 두 가지 센서 신호로부터 입력되는 신호를 분석하여 엔진 제어부를 통해 현재의 변속 단을 추산할 수 있다(S212).
만약, 본 발명의 실시예를 자동 변속기 장착 차량에 적용한다면, 변속 단 정보는 변속 제어부(TCU)로부터 얻을 수 있다.
회생 제동 제한조건은 저속에서의 과다한 제동감을 막기 위해 일정 차속 이하에서는 회생 제동을 금지하며, 엔진의 스톨을 막기 위해서 일정 엔진 속도 이하에서는 회생 제동을 금지한다(S214).
본 발명의 실시예에 따른 특징은 이질적인 제동감의 발생을 최대한 억제하면서 회생 제동량을 극대화할 수 있는데 있다.
이를 구현하기 위해서 다음과 같이 차량의 회생 제동 토크를 결정한다.
총 회생 제동량은 다음의 5가지의 제한조건을 만족하는 최대치로 설정한다.
총 회생 제동량 결정을 위한 제한조건은 다음과 같다.
제한조건 ① : 모터 출력 성능에 의한 회생 제동량 제한
제한조건 ② : 배터리 최대 충전 파워량 제한에 의한 최대 회생 제동량 제한
제한조건 ③ : 기계식 브레이크의 총량 대비 회생 제동량 제한
제한조건 ④ : 차속에 의한 회생 제동 제한
제한조건 ⑤ : 엔진 속도에 의한 회생 제동 제한
여기서, 제한 조건 ③은 브레이크 스위치가 온(ON)시와 오프(OFF)시에 각각 설정치가 달라진다.
도 3은 전/후륜 모터 출력 특성에 의한 각 변속 단별 최대 회생 제동량 제한 상태를 도시한 도면이며, 도 4는 배터리 충전파워 제한에 의한 최대 회생 제동량 제한상태를 도시한 도면이다.
모터 출력 성능에 의한 회생 제동량 제한조건의 경우는 다음과 같다.
모터의 경우 도 3에 도시된 바와 같이 속도에 따라 최대 발전토크의 양이 달라지며, 이를 고려하여 회생 제동량을 제한하여야 한다.
변속 단에 따라 모터의 작동 속도가 달라지므로 각 차속별로 각 변속 단에 대응하는 전/후륜 모터의 최대 발전 토크를 전/후륜 휠에서 각각 계산하여 합산함으로써 모터 출력 성능에 의해 구현 가능한 차량의 최대 회생 제동량을 결정할 수 있다(S216).
배터리 최대 충전 파워량 제한에 의한 최대 회생 제동량 제한조건의 경우는 다음과 같다.
배터리는 도 4에 도시된 바와 같이 최대 충전 가능한 파워량에 제한이 있으며, 배터리 보호를 위해 충전시 배터리가 감당할 수 있는 최대 파워 치로 회생 제동량을 제한하여야 한다(S218).
회생 제동량은 토크로 계산되므로 이때 모터의 작동 속도를 계산하여 배터리에 인가되는 충전 파워를 계산한다.
따라서, 각 변속 단 별로 배터리 최대 충전 파워량 제한에 의한 최대 회생 제동량 제한 맵을 설정하여야 한다.
모터/인버터의 효율을 고려하여 최종적으로 배터리에 인가되는 충전 파워를 계산한다.
도 5는 풀 브레이크(Full Brake) 및 부분 브레이크(Part Brake, 10%)시 마찰 브레이크 토크 곡선 출력을 도시한 도면이며, 도 6은 브레이크 오프(Brake OFF)시 브레이크 토크 곡선을 도시한 도면이다.
도 7은 마찰 브레이크 10% 적용 시 차속/변속 단 별 기계식 브레이크 량을 도시한 도면이며, 도 8은 타력 주행 시 제동 이질감 방지를 위한 회생 제동 제한상태를 도시한 도면이고, 도 9는 제동 시 제동 이질감 방지를 위한 회생 제동 제한상태를 도시한 도면이다.
도 5 내지 도 9을 참조하면, 제동 이질감 방지를 위한 회생 제동량 제한조건(기계식 브레이크의 총량 대비 회생 제동량 제한조건)의 경우는 다음과 같다.
제동 시 회생 제동량의 추가로 인해 발생되는 이질적인 제동감을 최대한 억제하기 위해서는 기존 차량에서 제동감이 발생되는 원인을 분석하고 이와 유사한 특성을 갖도록 회생 제동량을 설정하여야 한다.
기존 차량에서의 기계식 브레이크의 총량은 마찰 브레이크 + 엔진 브레이크로 계산되며, 제동 시에는 마찰 브레이크 + 엔진 브레이크가 작동하고, 타력 주행 시에는 엔진 브레이크만 작동하게 된다.
제동과 타력 주행의 구분은 브레이크 스위치의 온/오프(On/Off)로 판단하게 된다(S220).
마찰 브레이크의 총량은 브레이크 특성 시험 자료에서 얻는다.
엔진 브레이크의 총량은 엔진의 모터링 특성 시험에서 얻는다.
제동 이질감 방지를 위하여 다음과 같이 타력 주행 시와 제동 시로 나누어 회생 제동량을 정한다.
(1) 브레이크 스위치 오프(OFF)시 최대 회생량 제한 조건(타력 주행 시)(S224)
마찰 브레이크가 전혀 작동하지 않으며 제동감을 고려하여 엔진 브레이크를 기준으로 기계식 브레이크의 총량 대비 회생 제동치 제한을 설정한다.
엔진 브레이크의 양은 각 단별로 달라지므로, 변속 단에 따른 맵 데이터 형태로 회생 제동치가 설정되게 된다.
회생 제동량은 다음의 식에 의해 제한되게 된다.
회생 제동량 = 엔진 브레이크 대비 회생 토크의 비율 * 엔진 브레이크
이때, 엔진 브레이크 대비 회생 토크의 비율은 제동 시험 후 튜닝을 통하여 결정한다.
타력 주행 시의 회생 제동 토크는 엔진 브레이크 제동량의 일정 비율을 넘지 않도록 설정한다.
(2) 브레이크 스위치 온(ON)시 최대 회생량 제한 조건(S222)
마찰 브레이크가 0~100%까지 작용하며 제동감을 고려하여 마찰 브레이크 + 엔진 브레이크를 기준으로 기계식 브레이크의 총량 대비 회생 제동치 제한을 설정한다.
일반적인 차량에서는 브레이크 위치 센서(BPS)가 없으므로 마찰 브레이크의 총량은 고정 값으로 선정한다.
회생 제동량은 다음 식에 의해 제한되게 된다.
회생 제동량 = 마찰 브레이크 대비 회생토크 비율 * 마찰 브레이크 총량 + 엔진 브레이크 대비 회생토크의 비율 * 엔진 브레이크
이때, 마찰 브레이크 대비 회생 제동 비율 및 엔진 브레이크 대비 회생 토크 비율은 제동 시험 후 튜닝을 통해서 결정한다.
제동 시의 회생 제동 토크는 기계식 제동 브레이크 + 엔진 브레이크 제동량의 일정 비율을 넘지 않도록 설정한다.
회생 제동 토크 맵을 결정하는 단계는 다음과 같다.
전/후륜 모터의 최대 발전 토크 맵을 구한 후 회생 제동 토크 맵이 모터의 최대 발전 토크 맵의 값을 넘지 않도록 정하며, 배터리의 최대 충전 한계 동력을 구한 후 결정된 회생 제동 토크 맵을 동력(Power)으로 환산한 값이 배터리 최대 충전 한계 동력(Power)을 넘지 않도록 정한다.
그리고, 변속 단/차량 속도에 대해 반복 계산한 후 맵 데이터 형식으로 회생 토크 맵을 생성한다(S226).
상기한 바와 같이 본 발명의 실시예는 이질적인 제동감의 발생을 최대한 억제하면서 회생 제동량을 극대화하는데 있다.
상술한 바와 같이 본 발명에 따른 4륜 구동 하이브리드 전기 차량의 회생 제동 토크 맵 제어방법은 제동 이질감을 최소로 하면서 전체 회생 에너지를 최대로 할 수 있는 하이브리드 전기 차량용 회생 제동 토크 맵 생성 알고리즘을 통해 회생 제동량 증대(전기 에너지 회수량 증대) 및 회생 제동 시 이질적 제동감을 감소시킬 수 있는 효과가 있다.
또한, 모터/배터리 보호 및 엔진 스톨을 방지하고 브레이크 교환 주기를 증대하며, 환경 차량 개발로 인한 차량 메이커 이미지를 향상시킬 수 있는 효과가 있다.
또한, 하이브리드 전기 차량 관련 특허 선 확보로 기존 하이브리드 양산 차량 메이커와의 특허 분쟁시 근거 자료를 확보할 수 있는 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 4륜 구동 하이브리드 전기 차량의 구성을 도시한 도면.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 4륜 구동 하이브리드 전기 차량의 회생 제동 토크 맵 제어방법을 도시한 흐름도.
도 3은 전/후륜 모터 출력 특성에 의한 각 변속 단별 최대 회생 제동량 제한 상태를 도시한 도면.
도 4는 배터리 충전파워 제한에 의한 최대 회생 제동량 제한상태를 도시한 도면.
도 5는 풀 브레이크(Full Brake) 및 부분 브레이크(Part Brake, 10%)시 마찰 브레이크 토크 곡선 출력을 도시한 도면.
도 6은 브레이크 오프(Brake OFF)시 브레이크 토크 곡선을 도시한 도면.
도 7은 마찰 브레이크 10% 적용 시 차속/변속 단 별 기계식 브레이크 량을 도시한 도면.
도 8은 타력 주행 시 제동 이질감 방지를 위한 회생 제동 제한상태를 도시한 도면.
도 9는 제동 시 제동 이질감 방지를 위한 회생 제동 제한상태를 도시한 도면.

Claims (17)

  1. 전륜에 하이브리드 전기 차량 파워 트레인을 장비하고 후륜에 독립적으로 구동되는 별도의 모터 시스템을 장비하는 4륜 구동 하이브리드 전기 차량의 회생 제동 토크 맵을 생성하는 제어방법에 있어서,
    차속 센서로부터 입력되는 신호를 분석하여 차속 범위를 결정하는 단계와;
    가용 변속단을 결정하는 단계와;
    회생 제동 제한조건을 확인하는 단계와;
    회생 제동 제한조건을 만족하면, 회생 제동 토크를 계산하는 단계와;
    제동 시와 타력 주행 시로 나누어 회생 제동 토크 맵을 결정하는 단계를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 4륜 구동 하이브리드 전기 차량의 회생 제동 토크 맵 제어방법.
  2. 제1항에 있어서,
    가용 변속단을 결정하는 단계는
    차속 센서와 엔진 회전수 검출센서의 두 가지 센서 신호로부터 입력되는 신호를 분석하여 엔진 제어부를 통해 현재의 변속 단을 추산하는 것을 특징으로 하는 4륜 구동 하이브리드 전기 차량의 회생 제동 토크 맵 제어방법.
  3. 제1항에 있어서,
    회생 제동 토크는 총 회생 제동량 결정을 위한 제한조건을 만족하는 최대치로 설정하는 것을 특징으로 하는 4륜 구동 하이브리드 전기 차량의 회생 제동 토크 맵 제어방법.
  4. 제3항에 있어서,
    총 회생 제동량 결정을 위한 제한조건은
    모터 출력 성능에 의한 회생 제동량 제한조건과;
    배터리 최대 충전 파워량 제한에 의한 최대 회생 제동량 제한조건과;
    기계식 브레이크의 총량 대비 회생 제동량 제한조건과;
    차속에 의한 회생 제동 제한조건과;
    엔진 속도에 의한 회생 제동 제한조건을 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 4륜 구동 하이브리드 전기 차량의 회생 제동 토크 맵 제어방법.
  5. 제4항에 있어서,
    모터 출력 성능에 의한 회생 제동량 제한조건은
    모터의 속도에 따라 최대 발전토크의 양이 달라지는 것을 고려하여 회생 제동량을 제한하며, 변속 단에 따른 각 차속별로 각 변속 단에 대응하는 전/후륜 모터의 최대 발전 토크를 전/후륜 휠에서 각각 계산하여 합산함으로써 모터 출력 성능에 의해 구현 가능한 차량의 최대 회생 제동량을 결정하는 것을 특징으로 하는 4륜 구동 하이브리드 전기 차량의 회생 제동 토크 맵 제어방법.
  6. 제4항에 있어서,
    배터리 최대 충전 파워량 제한에 의한 최대 회생 제동량 제한조건은
    최대 충전 가능한 파워량 제한을 고려하여, 배터리 보호를 위해 충전시 배터리가 감당할 수 있는 최대 파워 치로 회생 제동량을 제한하는 것을 특징으로 하는 4륜 구동 하이브리드 전기 차량의 회생 제동 토크 맵 제어방법.
  7. 제6항에 있어서,
    모터의 작동 속도를 계산하여 배터리에 인가되는 충전 파워를 계산하며, 각 변속 단 별로 배터리 최대 충전 파워량 제한에 의한 최대 회생 제동량 제한 맵을 결정하는 것을 특징으로 하는 4륜 구동 하이브리드 전기 차량의 회생 제동 토크 맵 제어방법.
  8. 제4항에 있어서,
    기계식 브레이크의 총량 대비 회생 제동량 제한 조건은 브레이크 스위치가 온(ON)시와 오프(OFF)시에 따라 제동 시 회생 제동량과 타력 주행시 회생 제동량을 결정하는 것을 특징으로 하는 4륜 구동 하이브리드 전기 차량의 회생 제동 토크 맵 제어방법.
  9. 제8항에 있어서,
    브레이크 스위치 오프(OFF)시 최대 회생량 제한 조건은
    엔진 브레이크를 기준으로 기계식 브레이크의 총량 대비 회생 제동치 제한을 설정하는 것을 특징으로 하는 4륜 구동 하이브리드 전기 차량의 회생 제동 토크 맵 제어방법.
    회생 제동량 = 엔진 브레이크 대비 회생 토크의 비율 * 엔진 브레이크
  10. 제9항에 있어서,
    엔진 브레이크 대비 회생 토크의 비율은 제동 시험 후 튜닝을 통하여 결정하는 것을 특징으로 하는 4륜 구동 하이브리드 전기 차량의 회생 제동 토크 맵 제어방법.
  11. 제9항에 있어서,
    타력 주행 시의 회생 제동 토크는 엔진 브레이크 제동량의 일정 비율을 넘지 않도록 설정하는 것을 특징으로 하는 4륜 구동 하이브리드 전기 차량의 회생 제동 토크 맵 제어방법.
  12. 제8항에 있어서,
    브레이크 스위치 온(ON)시 최대 회생량 제한 조건은
    마찰 브레이크와 엔진 브레이크를 기준으로 기계식 브레이크의 총량 대비 회생 제동치 제한을 설정하는 것을 특징으로 하는 4륜 구동 하이브리드 전기 차량의 회생 제동 토크 맵 제어방법.
    회생 제동량 = 마찰 브레이크 대비 회생 토크 비율 * 마찰 브레이크 총량 + 엔진 브레이크 대비 회생토크의 비율 * 엔진 브레이크
  13. 제12항에 있어서,
    마찰 브레이크 대비 회생 제동 비율 및 엔진 브레이크 대비 회생 토크 비율은 제동 시험 후 튜닝을 통해서 결정하는 것을 특징으로 하는 4륜 구동 하이브리드 전기 차량의 회생 제동 토크 맵 제어방법.
  14. 제12항에 있어서,
    제동 시의 회생 제동 토크는 기계식 제동 브레이크 + 엔진 브레이크 제동량의 일정 비율을 넘지 않도록 설정하는 것을 특징으로 하는 4륜 구동 하이브리드 전기 차량의 회생 제동 토크 맵 제어방법.
  15. 제5항 또는 제7항에 있어서,
    회생 제동 토크 맵을 결정하는 단계는
    전/후륜 모터의 최대 발전 토크 맵을 구한 후 회생 제동 토크 맵이 모터의 최대 발전 토크 맵의 값을 넘지 않도록 정하는 단계와;
    배터리의 최대 충전 한계 동력을 구한 후 결정된 회생 제동 토크 맵을 동력(Power)으로 환산한 값이 배터리 최대 충전 한계 동력(Power)을 넘지 않도록 정하는 단계와;
    변속 단/차량 속도에 대해 반복 계산한 후 맵 데이터 형식으로 회생 토크 맵을 생성하는 단계를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 4륜 구동 하이브리드 전기 차량의 회생 제동 토크 맵 제어방법.
  16. 제1항에 있어서,
    회생 제동 제한조건은
    저속에서의 과다한 제동감을 막기 위해 일정 차속 이하에서는 회생 제동을 금지하는 것을 특징으로 하는 4륜 구동 하이브리드 전기 차량의 회생 제동 토크 맵 제어방법.
  17. 제1항에 있어서,
    회생 제동 제한조건은
    엔진의 스톨을 막기 위해서 일정 엔진 속도 이하에서는 회생 제동을 금지하는 것을 특징으로 하는 4륜 구동 하이브리드 전기 차량의 회생 제동 토크 맵 제어방법.
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