KR20080054284A

KR20080054284A - 연료소비 절감을 위한 하이브리드 전기 차량의 구동 제어방법

Info

Publication number: KR20080054284A
Application number: KR1020060126631A
Authority: KR
Inventors: 정연재
Original assignee: 현대자동차주식회사
Priority date: 2006-12-12
Filing date: 2006-12-12
Publication date: 2008-06-17

Abstract

본 발명은 연료소비 절감을 위한 하이브리드 전기 차량의 구동 제어 방법에 관한 것으로서, 목적지가 설정되어 목적지까지의 운행모드(도심, 고속도로, 산악, 일반도로)가 결정되면 각 운행모드 구간에서 연료분사량을 최소로 하는 프로세스에 따라 에너지 흐름 모드가 결정되도록 함으로써, 연료소비량을 최소화할 수 있는 하이브리드 전기 차량의 구동 제어 방법에 관한 것이다.

특히, 본 발명에서는 종래에 배터리 출력 없이 엔진 출력으로만 주행하였던 정속주행시에 배터리 전압이 모터 정격전압보다 항상 높게 유지되는 조건(배터리 전압 > 모터 정격전압) 및 차량요구토크가 엔진 출력과 모터 출력(배터리 출력)으로 조합되는 조건(차량요구토크 = 엔진 출력 + 모터 출력)에서 연료분사량이 최소화되는 엔진 구동과 함께 전기모터를 구동시켜 차량이 주행되도록 함으로써, 연료손실을 최소화할 수 있게 된다.

하이브리드, 차량, HEV, 엔진, 모터, 연료소비절감

Description

연료소비 절감을 위한 하이브리드 전기 차량의 구동 제어 방법 {Drive control method of hybrid electric vehicle}

도 1a 내지 도 1d는 기존 하이브리드 전기 차량에서의 작동 모드에 따른 에너지 흐름을 나타낸 도면,

도 2는 본 발명에 따른 하이브리드 전기 차량의 구동 제어 방법을 나타낸 도면,

도 3은 본 발명에 따른 정속주행시 에너지 흐름 모드(작동 모드)를 나타낸 도면,

도 4는 본 발명에서 배터리 전압이 모터 정격전압보다 높게 유지되는 상태를 나타낸 도면.

본 발명은 연료소비 절감을 위한 하이브리드 전기 차량의 구동 제어 방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 목적지가 설정되어 목적지까지의 운행모드(도심, 고속도로, 산악, 일반도로)가 결정되면 각 운행모드 구간에서 연료분사량을 최소로 하는 프로세스에 따라 에너지 흐름 모드가 결정되도록 함으로써, 연료소비량을 최소화할 수 있는 하이브리드 전기 차량의 구동 제어 방법에 관한 것이다.

일반적으로 넓은 의미의 하이브리드 차량은 서로 다른 두 종류 이상의 동력원을 효율적으로 조합하여 차량을 구동시키는 것을 의미하나, 대부분의 경우는 연료를 사용하여 구동력을 얻는 엔진과 배터리의 전력으로 구동되는 전기모터에 의해 구동력을 얻는 차량을 의미하며, 이를 하이브리드 전기 차량, 즉 HEV(hybrid electric vehicle)라 부르고 있다.

최근 연비를 개선하고 보다 환경친화적인 제품을 개발해야 한다는 시대적 요청에 부응하여 하이브리드 전기 차량에 대한 연구가 더욱 활발히 진행되고 있다.

상기한 하이브리드 전기 차량은 엔진과 전기모터를 동력원으로 하여 다양한 구조를 형성할 수 있는데, 현재까지 연구되고 있는 대부분의 차량은 병렬형이나 직렬형 중에서 하나를 채택하고 있다.

직렬형은 일반적인 전기 차량과 유사한 구조로서, 직렬형 하이브리드 전기 차량에서는 엔진이 배터리를 충전시키는데 사용되고 이 배터리의 전력을 이용하여 작동되는 모터에 의하여 차량이 구동된다.

즉, 구동력은 전부 전기모터로부터 얻어지며, 엔진은 주행거리가 짧은 전기 차량의 단점을 보완하기 위한 발전용으로서 탑재될 뿐이다.

상기 직렬형은 병렬형에 비하여 상대적으로 구조가 간단하고 제어로직이 간단하다는 장점은 있으나, 엔진으로부터의 기계적 에너지를 배터리에 저장하였다가 다시 전기모터를 이용하여 차량을 구동하여야 하기 때문에 에너지 변환시의 효율 측면에서 불리하다는 문제점을 내포하고 있다.

이에 비하여 병렬형은 엔진이 배터리를 충전시키기도 하나 모터와 함께 차량을 직접 구동시키도록 되어 있는 것으로, 구조가 직렬형보다 상대적으로 복잡하고 제어로직이 복잡하다는 단점은 있지만, 엔진의 기계적 에너지와 배터리의 전기에너지를 동시에 사용할 수 있어 에너지를 효율적으로 사용할 수 있다는 장점 때문에 승용차 등에 널리 채택되고 있는 구조이다.

특히, 엔진과 전기모터의 최적 작동영역을 이용하므로 구동 시스템 전체의 연비를 향상시킴은 물론 제동시에는 전기모터로 에너지를 회수하므로 효율적인 에너지의 이용이 가능하다.

한편, 첨부한 도 1a 내지 도 1d는 기존 하이브리드 전기 차량에서의 작동 모드에 따른 에너지 흐름을 나타낸 도면으로서, 이를 설명하면 다음과 같다.

도 1a는 전기모터의 회전력만을 이용하는 순수 전기 자동차 모드인 EV(Electric Vehicle) 모드로, 출발시나 저속주행시(도심모드)에는 배터리의 전력으로 구동되는 전기모터에 의해서만 구동력을 얻게 된다.

특히, 초기 출발시에는 엔진의 효율이 전기모터의 효율에 비하여 떨어지기 때문에 효율이 좋은 전기모터를 사용하여 차량의 초기 출발을 시작하는 것이 차량의 연비 측면에서 유리하다.

도 1b는 엔진의 회전력을 이용하는 엔진 모드로, 정속주행시(일반도로모드)에는 도시한 바와 같이 엔진의 회전력으로 차량이 구동되며, 엔진이 구동되면 하이 브리드 전기 차량의 특성상 전기모터가 함께 구동되는 바, 이때 발전기로서 동작되는 전기모터에 의해 생산되는 전력은 배터리에 충전된다.

이와 같이 정속주행시의 엔진 모드에서는 배터리의 충전만이 이루어지고 배터리의 전력에 의해 전기모터가 구동되지는 않는다.

도 1c는 엔진의 회전력을 주동력으로 하고 배터리의 전력에 의해 구동되는 전기모터의 회전력을 보조동력으로 이용하는 보조모드인 HEV(Hybrid Electric Vehicle) 모드로, 가속운행시(고속도로모드, 산악모드)에는 전기모터가 발전기 및 배터리의 전력에 의해 최적의 작동조건으로 구동되어 엔진의 회전력을 보조하게 된다.

이때, 차량요구토크는 '엔진 출력 + 모터 출력(배터리 출력)'으로 충족된다.

그리고, 도 1d는 회생제동(Regenerative Braking;RB) 모드로, 차량의 제동 혹은 관성에 의한 타력 주행시에는 제동 및 관성에너지를 전기모터에서 발전을 통해 회수하여 배터리에 충전하게 된다.

하지만, 상기와 같은 기존의 하이브리드 전기 차량에서는 엔진 구동, 에너지 소비/회수(전기모터 구동) 등에 따른 에너지 흐름 및 각 작동 모드가 차량의 속력(운전 의지)에 의해서만 결정되었으며, 이렇게 속력에 의해서만 동력기와 전원단의 구동이 결정되다 보니 연료 소비의 최적화가 이루어지지 않아 연료소비량이 과다해지는 등 연비 문제가 발생하였다.

동력기와 전원단의 구동이 100% 사용자 의지와 행동에 의해 결정되어 외부 환경과 배터리의 효율을 고려하지 않으므로 엔진 연료 소비의 최적화가 이루어지지 않았고, 또한 연료분사량(연료소비량)이 엔진 출력에 2차 함수(F(V) = V² + bV + c) 형태로 증가하게 되어 연료소비량이 과다해질 수밖에 없었다.

따라서, 본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 발명한 것으로서, 속력에 의해서가 아니라 목적지가 설정되어 목적지까지의 운행모드(도심, 고속도로, 산악, 일반도로)가 결정되면 각 운행모드 구간에서 연료분사량을 최소로 하는 프로세스에 따라 에너지 흐름 모드가 결정되도록 함으로써, 연료소비를 효과적으로 절감할 수 있는 하이브리드 전기 차량의 구동 제어 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.

이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명을 상세히 설명하면 다음과 같다.

본 발명은, HCU가 네비게이션 장치로부터 목적지까지의 운행구간정보를 입력받는 단계와;

상기 HCU가 입력되는 운행구간정보로부터 목적지까지의 전 구간을 도로 특성에 맞게 도심 구간, 고속도로 구간, 산악지 구간, 일반도로 구간으로 분류하여 인식한 뒤 구간별 운행모드를 결정하는 단계와;

목적지까지의 전 구간이 도심모드, 고속도로모드, 산악모드, 일반도로모드 중 2개 이상의 운행모드로 조합됨을 판단한 경우, 각 운행모드 구간별로, 차량요구토크가 연료 분사에 의한 엔진 출력과 배터리 출력에 의한 전기모터 출력으로 조합되는 조건 및 배터리 전압(충전량)이 전기모터의 정격전압보다 항상 높게 유지되는 조건 하에서, 엔진의 연료분사량을 최소로 하는 프로세스를 수행하여 이때 구해진 엔진 출력과 모터 출력에 따라 차량 운행이 이루어지도록 하는 단계;

를 포함하는 것을 특징으로 하는 연료소비 절감을 위한 하이브리드 전기 차량의 구동 제어 방법을 제공한다.

여기서, 정속주행시에, 연료분사량을 최소로 하는 엔진 구동과 더불어, 배터리 전압(충전량)이 전기모터의 정격전압보다 항상 높게 유지되는 조건 하에서 배터리 출력에 의한 전기모터 구동이 이루어지도록 하는 것을 특징으로 한다.

이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명에 대해 더욱 상세히 설명하면 다음과 같다.

본 발명은 하이브리드 전기 차량에서 엔진 연료분사량의 최소화에 목적을 둔 것으로, 종래에는 속력에 따라 엔진 구동, 배터리 충/방전(모터 구동) 등의 에너지 흐름 모드가 결정되었으나, 본 발명에서는 속력에 의해서가 아니라 목적지가 설정되어 목적지까지의 운행모드(도심, 고속도로, 산악, 일반도로)가 결정되면 각 운행모드 구간에서 연료분사량을 최소로 하는 프로세스에 따라 에너지 흐름 모드가 결정되도록 한다.

특히, 본 발명에서는 정속주행 및 고속주행시에 모터 성능저하 및 수명단축 방지를 위해 배터리 전압을 모터 정격전압보다 항상 높게 유지하는 조건에서 연료 분사량을 최소화하는 동시에 모터의 활용도를 높이는 데에 주안점이 있다.

첨부한 도 2는 본 발명에 따른 하이브리드 전기 차량의 구동 제어 방법을 나타낸 도면으로서, 우선 운전자가 네비게이션 장치를 온(On) 시킨 상태에서 목적지를 설정하게 되면, HCU(Hybrid Control Unit)가 네비게이션 장치로부터 목적지까지의 운행구간정보를 입력받게 된다.

상기 HCU는 목적지까지의 운행구간정보를 입력받아 목적지까지의 전 구간을 도로 특성에 맞게 도심 구간, 고속도로 구간, 산악지 구간, 일반도로 구간으로 분류하여 인식하게 된다.

즉, 각 구간별로 도심모드, 고속도로모드, 산악모드, 일반도로모드의 4가지 운행모드 중에 도로 특성에 따라 어느 하나가 선택되어 결정된다.

여기서, 목적지까지의 전 구간이 동일한 운행모드인 경우, 다시 말해 단일 운행모드로 이루어진 경우라면 종래와 같은 방식으로, 즉 속력에 따라 에너지 흐름 모드(작동 모드)가 결정된다.

즉, 도심모드, 고속도로모드, 산악모드, 일반도로모드 중 해당되는 운행모드에 따라 도 1a ~ 도 1d 중 하나의 에너지 흐름 모드(작동 모드)가 선택되어 차량이 운행된다.

하지만, 도심모드 외에 목적지까지의 전 구간이 단일 운행모드로 결정되는 경우는 극히 드물다.

반면, 목적지까지의 전 구간이 2개 이상의 운행모드로 조합된 경우라면, 각 운행모드 구간별로 배터리 전압이 전기모터의 정격전압(이하, 모터 정격전압이라 함)보다 항상 높게 유지되는 조건 하에서 연료분사량을 최소로 하는 프로세스를 수행하여 구해진 해에 따라 엔진 구동 및 배터리 충/방전(전기모터 구동)을 결정하고, 그에 따라 차량이 운행되도록 한다.

특히, 종래에 배터리 출력 없이, 즉 배터리 전력 공급 및 모터 구동 없이 엔진의 회전력으로만 주행하였던 정속주행시의 경우에도, 본 발명에서는 '배터리 전압(충전량) > 모터 정격전압'이 되는 조건 하에서 차량요구토크가 충족되도록 엔진의 연료분사량이 최소화되는 엔진 출력 및 이에 조합되어 모터 출력을 구하여 구해진 엔진 출력 및 모터 출력으로 차량이 운행되도록 한다.

즉, 연료분사량이 최소화되도록 엔진이 구동되는 동시에 상기 조건 하에서 배터리 전력에 의해 전기모터를 함께 구동시켜 전기모터가 토크를 보조하도록 하는 것이다.

물론, 차량요구토크가 충족되도록 엔진과 전기모터를 함께 구동시키는 과정에서, 주지되어 있는 바와 같이, 엔진 토크 제어는 HCU의 명령을 전달받아 엔진 ECU가 수행하고, 전기모터 토크 제어는 HCU의 명령을 전달받아 MCU(Motor Control Unit)가 수행하게 된다.

또한 엔진 및 모터의 출력 제어를 위해 HCU를 상위 제어기로 하여 엔진 ECU, MCU, BMS(Battery Management System) 등 제어기들이 상호간 협조제어를 수행하는 바, 예컨대 HCU가 엔진 ECU로부터 엔진 토크 및 엔진 회전수 정보, 시동키 정보, 스로틀/엔진수온(냉각수온) 정보 등을 전달받고, 또한 HCU가 엔진 ECU에 연료분사명령, 엔진 스톱 명령, 연료분사금지 명령, 모터시동 정보, 아이들 스톱 정보 등을 전달한다.

또한 HCU는 MCU를 통해 모터 구동을 실질적으로 제어하며, 이때 MCU는 상위 제어기인 HCU에서 인가되는 제어신호에 따라 모터 구동 토크와 구동 속도를 제어한다.

또한 배터리 전압의 모니터링은 HCU가 BMS(Battery Management System)로부터 배터리 상태 및 전압을 전달받아 수행하게 된다.

첨부한 도 3은 본 발명에 따른 정속주행시 에너지 흐름 모드(작동 모드)를 나타낸 도면으로서, 연료분사량을 최소화하여 엔진으로부터 최소 동력이 제공되도록 하고, 더불어 부족한 토크량만큼 '배터리 전압 > 모터 정격전압'이 되는 조건 하에서 배터리 전력으로 전기모터를 구동시켜 차량요구토크를 충족시킨다.

이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에서는 가속주행시가 아니더라도 배터리 전압이 모터 정격전압보다 항상 높게 유지되는 조건(배터리 전압 > 모터 정격전압) 및 차량요구토크가 엔진 출력과 모터 출력(배터리 출력)으로 조합되는 조건(차량요구토크 = 엔진 출력 + 모터 출력)에서 엔진의 연료분사량이 최소화되는 엔진 출력 및 이에 조합되는 모터 출력을 구하여 구해진 엔진 출력 및 모터 출력으로 차량이 주행되도록 한다.

엔진과 전기모터를 동시에 구동시켜 각각의 출력으로 차량요구토크를 충족시키는 과정에서, '배터리 전압 > 모터 정격전압'의 조건에서 연료분사량을 최소로 하는 프로세스를 수행하여 구해진 해에 따라 엔진 출력 및 모터 출력을 제어하는 바, 연료분사량을 최소로 하는 프로세스 수행 과정을 설명하면 다음과 같다.

우선, 네비게이션 장치로부터 운행거리, 차량 운행상태, 거리상태 정보를 받는다.

저속주행구간을 6 ~ 40km/h, 정속주행구간을 시속 40 ~ 80km/h, 고속주행구간을 시속 80km/h 이상으로 설정하였을 때, 상기 저속주행구간에서의 평균속도를 V1, 상기 정속주행구간에서의 평균속도를 V2, 상기 고속주행구간에서의 평균속도를 V3라 한다.

그리고, 거리 정보를 통해 도착지까지의 거리를 x km라 하면, 종래 총 연료소비량은 다음의 식(1)과 같이 표현할 수 있었다.

(1)

그리고, 저속주행구간에서는 배터리만을 동력으로 이용하므로 V1(x)=0, 정속주행구간에서는 '출력 = 엔진 출력 + 배터리 출력(B_V2(x) = 0)'이므로 연료소비량=G_V2(x)이 된다.

여기서, G_V2(x)는 엔진 출력 연료소비량을, B_V2(x)는 배터리 출력을 나타낸다.

한편, 본 발명에서는 평균속도 V1 = 20, V2 = 60일 때

(식(2))를 만족하는 B_V2(x)를 찾으면 된다.

V1(x) = G_V1(x₁) + B_V1(x₁)이고, V2(x) = G_V2(x₂) + B_V2(x₂)이므로, 20 = G_V1(x₁) + B_V1(x₁), 60 = G_V2(x₂) + B_V2(x₂)이 되며, 여기서 G_V1(x₁), G_V2(x₂)는 다음과 같이 정 리될 수 있다.

G_V1(x₁) = 20 - B_V1(x₁) (3)

G_V2(x₂) = 60 - B_V2(x₂) (4)

상기 식(3)과 식(4)를 식(2)에 대입하여 풀면 B_V1(x₁), B_V2(x₂)가 구해진다.

따라서, 이 해가 구간별 배터리 출력을 나타내게 된다.

만약, 해가 없다면 제약조건인 '정격전압 < 배터리 전압'을 만족하지 못하므로 종래와 동일한 방식으로 운행되게 된다.

반면, 해가 존재하게 되면, V1(x) = G_V1(x₁) + B_V1(x₁), V2(x) = G_V2(x₂) + B_V2(x₂)에서, 구간별 배터리 출력(B_v(x))가 결정되게 되고, 저속주행이라 하더라도 엔진 출력을 이용하게 되는 경우가 있다.

이것은 앞서 말한 바와 같이 전체적으로 엔진의 연료소비량이 엔진 출력에 2차 함수적으로 증가하므로 정속주행시 등 속도가 증가된 구간에서 엔진 출력을 작게 함으로써 전체적으로는 엔진 연료 소비량을 낮추는 결과가 된다.

이와 같이 하여, 정속주행시 연료분사량이 최소화되는 엔진 출력 제어와 동시에, 배터리 전압이 모터 정격전압보다 높게 유지되는 조건 하에서 배터리 전력으로 전기모터를 구동시켜 모터 출력을 엔진 출력에 조합시킴으로써 차량요구토크를 충족시키는 바, 이러한 엔진 구동 및 모터 보조에 의해 연료소비의 최소화가 가능해지게 된다.

앞서 설명한 바와 같이, 배터리 전원을 인가하여 전기모터를 구동시키는데 있어서, 본 발명에서는 배터리 전압이 모터 정격전압보다 높게 유지되는 제약 조건을 주었으며, 이는 모터 성능저하와 수명단축을 방지하기 위함이다.

물론, 전기모터 구동 중에 배터리 전압이 모터 정격전압 이하인 상태가 발생한다면 배터리 출력을 즉시 정지시키며, 엔진 구동에 의해 전기모터가 발전기로 동작되면서 배터리를 충전시키는 충전모드로 전환된다.

배터리 전압이 모터 정격전압보다 높게 유지되는 상태는 첨부한 도 4에 나타낸 바와 같다.

종래에 배터리 상태를 30% ~ 80%의 충전상태로 운행하는 기술이 제시된 바 있으나, 이는 배터리의 효율을 고려하지 않은 임의적인 수치에 불과하며, 상기와 같이 본 발명에서는 전기모터의 성능저하나 수명단축을 방지하기 위해 배터리 충전량을 전 구간에서 모터 정격전압보다 높게 유지하는 제약조건을 주어 모터의 안정성이 확보되도록 하였다.

이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 하이브리드 전기 차량의 구동 제어 방법에 의하면, 배터리의 효율적 운용을 통하여 엔진의 가동률을 상대적으로 줄여 연료소비를 최소화할 수 있다.

특히, 종래 정속주행시에는 엔진 구동만으로 배터리를 충전하고 동력을 발생시키므로 연료소비량이 과다해지는 문제점이 있었으나, 본 발명에서는 운행구간정 보에 따라 정속주행시에서도 전기모터를 구동시키므로 연료손실을 최소화할 수 있게 된다.

또한 기존 하이브리드 전기 차량에서는 엔진 구동, 에너지 소비/회수(전기모터 구동) 등에 따른 에너지 흐름 및 작동 모드가 차량의 속력(운전 의지)에 의해 결정되어 엔진 연료분사량이 2차 함수 형태로 증가되면서 연료소비량이 과다하였으나, 본 발명에서는 속력에 관계없이 목적지까지 결정된 운행모드(도심, 고속도로, 산악, 일반도로)에 따라 에너지 흐름 모드(엔진 구동, 모터 구동, 배터리 충/방전)가 결정되므로 최소의 연료소비량으로 운행을 할 수 있게 된다.

이러한 본 발명은 모터의 용량증대를 하지 않고 모터의 활용빈도를 높여 연료소비량을 감소시키는 것이므로 모터로 인한 원가상승이나 중량증가가 없다.

또한 모터의 성능저하나 수명단축의 원인이 될 수 있으므로, 배터리 충전량을 전 구간에서 모터 정격전압보다 크게 유지하는 제약조건을 줌으로써, 모터의 안정성을 확보하는 바, 차량 경제성과 차량 시스템 안정성을 동시에 구현할 수 있다.

Claims

HCU가 네비게이션 장치로부터 목적지까지의 운행구간정보를 입력받는 단계와;

상기 HCU가 입력되는 운행구간정보로부터 목적지까지의 전 구간을 도로 특성에 맞게 도심 구간, 고속도로 구간, 산악지 구간, 일반도로 구간으로 분류하여 인식한 뒤 구간별 운행모드를 결정하는 단계와;

목적지까지의 전 구간이 도심모드, 고속도로모드, 산악모드, 일반도로모드 중 2개 이상의 운행모드로 조합됨을 판단한 경우, 각 운행모드 구간별로, 차량요구토크가 연료 분사에 의한 엔진 출력과 배터리 출력에 의한 전기모터 출력으로 조합되는 조건 및 배터리 전압(충전량)이 전기모터의 정격전압보다 항상 높게 유지되는 조건 하에서, 엔진의 연료분사량을 최소로 하는 프로세스를 수행하여 이때 구해진 엔진 출력과 모터 출력에 따라 차량 운행이 이루어지도록 하는 단계;

를 포함하는 것을 특징으로 하는 연료소비 절감을 위한 하이브리드 전기 차량의 구동 제어 방법.
청구항 1에 있어서,

정속주행시에, 연료분사량을 최소로 하는 엔진 구동과 더불어, 배터리 전압(충전량)이 전기모터의 정격전압보다 항상 높게 유지되는 조건 하에서 배터리 출력 에 의한 전기모터 구동이 이루어지도록 하는 것을 특징으로 하는 연료소비 절감을 위한 하이브리드 전기 차량의 구동 제어 방법.