KR20080091530A - 하이브리드 전기 차량의 주행 제어 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 차속, 구동축 요구 토크, 배터리 요구 파워로부터 최적운전점을 구하여 최적의 주행 연비를 얻을 수 있는 하이브리드 전기 차량의 주행 제어 방법에 관한 것으로서, 특히 종래와 같은 복잡한 맵 테이블을 이용하지 않고 간단한 선형 관계식을 기반으로 엔진 요구 토크를 계산하도록 제어로직을 개선한 하이브리드 전기 차량의 주행 제어 방법에 관한 것이다. 이러한 본 발명에서는 종래와 같은 다수의 고정된 맵 테이블의 이용 없이 간단한 선형 관계식을 기반으로 엔진 요구 토크를 계산함으로써, 종래와 같은 운전점 불연속 단절 문제를 개선할 수 있고, 그로부터 주행 연비를 더욱 개선할 수 있는 효과가 있게 된다. 또한 21개의 고정된 맵 테이블이 아닌 선형 관계식을 기반으로 결정된 엔진 토크와 모터 토크에 대하여 냉각수온 및 오일온도에 따른 보정을 수행하여 최종 토크 지령치를 산출하도록 개선됨으로써, 냉각수온 및 오일온도의 가변적 요소에 따른 요구 토크의 변동량 대응을 가능해지는 동시에 최적의 주행 연비를 얻을 수 있게 된다.

하이브리드 전기 차량, 최적운전점, 차속, 구동축 요구 토크, 배터리 파워

Description

하이브리드 전기 차량의 주행 제어 방법{Driving control method for hybrid electric vehicle}

도 1은 하이브리드 전기 차량의 주행 제어를 위한 종래의 맵 테이블을 도시한 도면,

도 2는 차량의 최적 연비 운전점과 종래의 제어로직상의 운전점을 비교하여 나타낸 도면,

도 3은 본 발명에 따른 하이브리드 전기 차량의 주행 제어 방법을 나타낸 개념도,

도 4는 본 발명에 따른 하이브리드 전기 차량의 주행 제어 과정을 나타낸 순서도,

도 5a 내지 도 5c는 차량의 구동축 요구 파워별로 필요 차속을 얻기 위한 배터리 요구 파워와 엔진 파워를 나타낸 그래프.

본 발명은 하이브리드 전기 차량의 주행 제어 방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 차속, 구동축 요구 토크, 배터리 요구 파워로부터 최적운전점을 구하여 최적의 주행 연비를 얻을 수 있는 하이브리드 전기 차량의 주행 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.

이 중에서 병렬형은 엔진이 배터리를 충전시키기도 하나 전기모터와 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.

그리고, 주지된 바와 같이, 하이브리드 전기 차량에는 기본적으로 차량 전반의 제어를 담당하는 차량 제어기(Hybrid Control Unit, HCU)가 탑재되어 있고, 또한 시스템을 구성하는 각 장치별로 제어기를 구비하고 있다.

예컨대, 엔진 작동의 전반을 제어하는 엔진 제어기(Engine Control Unit, ECU), 전기모터 작동의 전반을 제어하는 모터 제어기(Motor Control Unit, MCU), 변속기를 제어하는 변속기 제어기(Transmission Control Unit, TCU), 배터리의 작동을 제어하는 배터리 관리 시스템(Battery Management System, BMS), 실내 온도 제어를 담당하는 에어컨 제어기(Full Auto Temperature Controller, FATC) 등이 구비되어 있다.

이러한 제어기들은 HCU를 중심으로 고속 CAN 통신라인(예, 500kbps)으로 연결되어, 제어기들 상호 간에 정보를 주고받으면서 상위 제어기는 하위 제어기에 명령을 전달하도록 되어 있다.

이와 같이 하이브리드 전기 차량에서는 HCU를 상위 제어기로 하여 복수개의 제어기들이 상호 간에 협조제어를 수행한다.

HCU는 각 제어기들과 CAN 통신을 통해 상호 간 정보를 교환하고 또한 하위 제어기들을 제어하는데, ECU와의 사이에서는 HCU가 ECU로부터 엔진 토크 및 엔진 회전수 정보, 시동키 정보, 스로틀/엔진수온(냉각수온) 정보 등을 전달받도록 되어 있고, 또한 HCU가 ECU에 연료분사 명령, 엔진스톱 명령, 연료분사금지 명령, 전기 모터 시동 정보, 아이들 스탑(Idle Stop) 정보 등을 전달하도록 되어 있다.

또한 HCU는 MCU를 통해 전기모터의 구동을 실질적으로 제어하게 되는데, 이때 MCU는 상위 제어기인 HCU에서 인가되는 제어신호에 따라 구동원인 전기모터의 구동 토크와 구동 속도를 제어하여 주행성을 유지시키게 된다.

이와 같이 하이브리드 전기 차량에서는 제어기간의 협조제어가 매우 중요하며, 제어기간의 협조제어는 시동시부터 사용자가 시동키를 오프할 때까지 모든 경우에 수행되고 있다.

한편, 하이브리드 전기 차량에서는 가속시 전기모터에 의한 동력보조로 엔진의 운전점을 연료 소모율이 최소인 최적의 동작 라인(Optimal Operating Line, OOL) 가까운 곳으로 보내 연비 향상을 꾀한다.

첨부한 도 1은 하이브리드 전기 차량의 주행 제어를 위한 종래의 맵 테이블을 도시한 도면으로서, 종래에는 하이브리드 전기 차량의 차량 주행 제어를 위하여, 각 단품의 추정 성능치를 이용하여 오프라인 시뮬레이션(off-line simulation)을 통해 차속, 구동축 요구 토크 및 배터리 요구 파워를 기준으로 서로 다른 21개의 테이블을 생성한 후, 이를 주행제어로직에 추가하여 실제 차량 운전시의 운전점을 결정하는 방식을 사용하였다.

즉, 차속과 구동축 요구 토크, 배터리 요구 파워에 따라 21개의 주행상황을 테이블화하여 엔진 회전수와 출력 토크가 결정되도록 함으로써 적절한 연비를 얻도록 하고 있는 것이다.

그러나, 종래의 제어로직은 매우 복잡하고, 또한 각 단품의 운전점 설정을 위해 오프라인 시뮬레이션을 이용하여 구성한 21개의 맵 테이블을 이용하는 바, 적절한 연비를 얻을 수 있도록 하기 위해서는 차속과 구동축 요구 토크, 배터리 요구 파워에 따라 21개 맵 테이블의 주행상황이 연속적으로 이어져야 하지만, 실제 주행상황이 연속적으로 연결되지 못하는 문제점이 있었다.

즉, 맵 간의 운전점이 불연속으로 단절되기 때문에 정속 주행조건에서도 맵 이동에 따른 운전점 변경이 발생할 수밖에 없으며, 이와 같이 정속 주행조건에서도 주행상황의 연결이 단절되어 엔진 효율이 좋은 점에서 일정하게 운전되지 않게 되면서 연비 저하가 발생하게 된다.

또한 21개 맵 테이블의 주행상황은 이상적인 조건하에서 얻어진 것으로서, 오프라인 시뮬레이션 과정에서 각 단품의 성능치를 이용하여 구하기 때문에, 실제 사용환경에 따른 각 단품의 성능치와는 차이가 발생할 수밖에 없고, 이로 인해 실제 적용시에 연비 저하가 발생한다.

특히, 오프라인 시뮬레이션의 이상적인 조건하에서 계산으로 구한 맵 테이블을 운전점 설정에 이용하므로, 실제 시스템의 가변적인 요인, 예컨대 냉각수온, 흡기온도, 변속기오일온도 및 엔진오일온도 등과 같은 차량 주행성능에 영향을 주는 요인들에 대한 고려가 없었으며, 이를 완벽히 모사하는 것은 현실적으로 불가능하기 때문에 시뮬레이션 성능과 실제 시스템의 성능 차이가 발생할 수밖에 없었다.

이에 따라, 종래에는 실제 파워 트레인 시스템에서 측정한 최고 연비를 가지는 운전점과 맵 기반 모델의 운전점이 서로 상이하여 최적 연비를 가지지 못하였는 바, 첨부한 도 2를 참조하면, 실제 파워 트레인 시스템에서 측정한 최적 연비 운전 점과 종래의 제어로직상의 운전점을 비교하여 나타낸 것으로, 이와 같이 종래의 제어로직을 적용할 경우에는 엔진 효율이 낮은 곳에서 운전됨을 알 수 있다.

따라서, 본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 발명한 것으로서, 종래와 같은 다수의 고정된 맵 테이블의 이용 없이 간단한 선형 관계식을 기반으로 엔진 요구 토크를 계산함으로써, 종래와 같은 운전점 불연속 단절 문제를 개선할 수 있고, 그로부터 주행 연비를 더욱 개선할 수 있는 하이브리드 전기 차량의 주행 제어 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.

또한 본 발명은 21개의 고정된 맵 테이블이 아닌 선형 관계식을 기반으로 결정된 엔진 토크와 모터 토크에 대하여 냉각수온 및 오일온도에 따른 보정을 수행하여 최종 토크 지령치를 산출하도록 개선됨으로써, 냉각수온 및 오일온도의 가변적 요소에 따른 요구 토크의 변동량 대응을 가능해지는 동시에 최적의 주행 연비를 얻을 수 있는 하이브리드 전기 차량의 주행 제어 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.

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

상기한 목적을 달성하기 위해, 본 발명은, 차속, 구동축 요구 토크, 배터리 요구 파워를 입력받아, 차속을 얻기 위한 모터 회전수를 환산하고, 환산된 모터 회 전수로부터 최적운전맵을 통해 엔진 회전수를 결정하는 단계와; 배터리 요구 파워로부터 배터리 요구 토크를 결정하고, 구동축 요구 토크와 배터리 요구 토크로부터 전체 토크 요구량을 결정하는 단계와; 구동축 요구 토크와 배터리 요구 토크를 토대로 선형 관계식을 기반으로 하는 최적운전맵에서 엔진 토크를 결정하는 단계와; 전체 토크 요구량 및 엔진 토크, 그리고 미리 설정된 상관식으로부터 모터 토크를 결정하는 단계와; 엔진 회전수 지령치, 엔진 토크 지령치, 모터 토크 지령치가 출력되어 이를 토대로 차량 주행 제어가 이루어지는 단계;를 포함하는 하이브리드 전기 차량의 주행 제어 방법을 제공한다.

바람직하게는, 상기 엔진 토크 결정 단계 이후 엔진 토크에 대하여 냉각수온과 엔진 오일온도에 따른 보정식에 의해 보정하여 최종의 엔진 토크 지령치를 산출하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.

또한 상기 모터 토크 결정 단계 이후 모터 토크에 대하여 모터 오일온도에 따른 보정식에 의해 보정하여 최종의 모터 토크 지령치를 산출하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.

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

본 발명은 차속, 구동축 요구 토크, 배터리 요구 파워로부터 최적운전점을 구하여 최적의 주행 연비를 얻을 수 있는 하이브리드 전기 차량의 주행 제어 방법에 관한 것으로서, 특히 종래와 같은 21개의 고정된 맵 테이블을 이용하지 않고 간단한 선형 관계식을 기반으로 엔진 요구 토크를 계산하도록 제어로직을 개선한 것 이다.

또한 본 발명은 실제 시스템 작동 환경에 따른 가변적인 요인에 기인하는 최적운전점 변동이 가능하도록 제어로직을 개선한 것이며, 특히 기존 제어로직에서 수행할 수 없는 냉각수온, 오일온도의 가변적 요소에 의한 요구 토크 변동량 대응이 가능하도록 개선한 것이다.

첨부한 도 3은 본 발명에 따른 하이브리드 전기 차량의 주행 제어 방법을 나타낸 개념도이고, 도 4는 본 발명에 따른 하이브리드 전기 차량의 주행 제어 과정을 나타낸 순서도이다.

우선, 도 3에 도시한 바와 같이, 본 발명에서는 차속과 구동축(D/Shaft) 요구 토크, 배터리 요구 파워를 입력으로 하며, 이들로부터 엔진 요구 파워 선형 계산식과 냉각수온 및 오일온도에 따른 보정식을 사용하여 엔진 효율이 최적점인 출력 토크를 결정하도록 구성된다.

이러한 본 발명에 따른 제어 과정을 도 4를 참조하여 좀더 구체적으로 설명하면 다음과 같다.

우선, 차량 운전 상태에서, 차속, 구동축(D/Shaft) 회전을 위한 요구 토크, 배터리 요구 파워를 입력받아, 차속을 얻기 위한 모터 회전수를 환산하고, 환산된 모터 회전수로부터 최적운전맵을 통해 엔진 회전수를 결정한다.

그리고, 배터리 요구 파워로부터 배터리 요구 토크를 결정하고, 구동축 요구 토크와 배터리 요구 토크로부터 전체 토크 요구량을 결정한 뒤, 구동축 요구 토크와 배터리 요구 토크를 토대로 선형 관계식을 기반으로 하는 최적운전맵에서 엔진 토크를 결정한다.

이어 전체 토크 요구량 및 엔진 토크, 그리고 미리 설정된 상관식으로부터 모터 토크가 결정되고, 엔진 토크는 현재의 엔진 냉각수온/오일온도에 따라 보정이 수행되고, 모터 토크에 대해서도 현재의 모터 오일온도(변속기 내 모터 오일온도로서, 차량 구동을 위한 전기모터가 변속기 내에 장착된 차량에서는 변속기오일온도와 관계됨)에 따라 보정이 수행된다.

결국, 결정된 엔진 회전수와 보정된 엔진 토크 및 모터 토크에 따라서 엔진 회전수 지령, 엔진 토크 지령, 모터 토크 지령이 이루어지고, 이에 따라 최적운전점에서의 차량 주행 제어가 이루어지게 된다.

첨부한 도 5a 내지 도 5c는 차량의 구동축 요구 파워별로 필요 차속을 얻기 위한 배터리 요구 파워와 엔진 파워(파워는 회전수와 토크의 곱으로부터 얻어질 수 있음)를 나타낸 그래프로서, 이에 나타낸 바와 같이 배터리 요구 파워에 따라 엔진이 내야할 파워가 차속과 거의 무관하게 배터리 요구 파워에 따라 선형적인 관계가 있으며, 이를 표현하면 하기 수학식 1과 같다.

엔진 필요 파워 = -A×(Bat_Dmd_Pw) + B + C×(Ring_Dmd_Pw)

여기서, A는 기울기 값이고, B는 '계수(factor)×구동축 요구 파워'로 표현 가능한 y축 절편 값이며, C는 종감속비(FGR)에 따른 토크 증대 계수(factor)를 나타낸다.

또한 Bat_Dmd_Pw는 배터리 요구 파워를, Ring_Dmd_Pw는 구동축 요구 파워를 나타낸다.

이와 같이 엔진이 내야할 파워가 차속과 거의 무관하게 배터리 요구 파워에 따라 선형적인 관계가 있음을 고려할 때, 종래와 같은 21개의 복잡한 테이블을 이용하지 않고도 간단히 선형 관계식을 이용하여 엔진 토크를 결정할 수 있게 된다.

그리고, 본 발명의 제어 과정에서, 냉각수온 및 오일온도의 가변적 요소에 의해 요구 토크의 변동량 대응이 가능하도록, 엔진 토크와 모터 토크에 대한 각각의 토크 보정은 하기 수학식 2와 수학식 3의 예와 같이 수행될 수 있다.

다음의 수학식 2는 최종 엔진 토크 지령치를 계산하기 위한 보정식으로서, 정상상태의 최적운전점에서 결정된 엔진 토크를 냉각수온(엔진 온도)과 엔진 오일온도 변화에 따라 보정하는 일 예를 나타낸 것이다.

엔진 토크 지령치 = Eng_Tq_Ideal + Eng_Tq_Corr1 + Eng_Corr2

Eng_Tq_Corr1 = A + B×(Eng_Temp) + C×(Eng_Temp)²

Eng_Tq_Corr2 = A' + B'×(Eng_Oil_Temp) + C'×(Eng_Oil_Temp)²

여기서, Eng_Tq_Ideal은 정상상태 최적운전점에서의 엔진 토크를 나타내고, Eng_Tq_Corr1은 냉각수온 변화에 따른 보정 토크를, Eng_Tq_Corr2는 엔진 오일온도 변화에 따른 보정 토크를 나타낸다.

또한 A, A'은 엔진에 따른 옵셋(offset) 설정치이고, B, B'은 온도 변화에 따른 토크 변동 관계의 1차 기울기 성분을, C, C'은 온도 변화에 따른 토크 변동 관계의 2차 기울기 성분을 나타내는 설정치이다.

상기와 같이 본 발명의 제어 과정에서는 21개의 복잡한 맵 테이블이 아닌 선형 관계식을 기반으로 결정된 엔진 토크에 대하여 냉각수온 및 오일온도에 따른 보정을 수행하여 최종 엔진 토크 지령치를 산출하게 되며, 이를 통해 냉각수온 및 오일온도의 가변적 요소에 따른 요구 토크의 변동량 대응이 가능해지는 동시에 최적의 주행 연비를 얻을 수 있게 된다.

또한 다음의 수학식 3은 최종 모터 토크 지령치를 계산하기 위한 보정식으로서, 정상상태의 최적운전점에서 결정된 모터 토크를 모터 오일온도 변화에 따라 보정하는 일 예를 나타낸 것이다.

모터 토크 지령치 = Mot_Tq_Ideal + Mot_Tq_Corr

Mot_Tq_Corr = A" + B"×(Mot_Temp) + C"×(Mot_Temp)²

여기서, Mot_Tq_Ideal은 정상상태 최적운전점에서의 모터 토크를 나타내고, Mot_Tq_Corr은 오일온도 변화에 따른 보정 토크를 나타낸다.

또한 A"은 모터에 따른 옵셋 설정치이고, B"은 온도 변화에 따른 토크 변동 관계의 1차 기울기 성분이며, C"은 온도 변화에 따른 토크 변동 관계의 2차 기울기 성분을 나타낸다.

상기와 같이 본 발명의 제어 과정에서 모터 토크에 대하여 오일온도에 따른 보정을 수행하여 최종 모터 토크 지령치를 산출하게 되며, 이를 통해 오일온도의 가변적 요소에 따른 요구 토크의 변동량 대응이 가능해지게 된다.

이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 하이브리드 전기 차량의 주행 제어 방법에 의하면, 종래와 같은 21개의 고정된 맵 테이블을 이용하지 않고 간단한 선형 관계식을 기반으로 엔진 요구 토크를 계산하도록 제어로직을 개선함으로써, 종래와 같은 운전점 불연속 단절 문제를 개선할 수 있고, 이를 통해 주행 연비를 개선할 수 있는 효과가 있게 된다.

또한 21개의 고정된 맵 테이블이 아닌 선형 관계식을 기반으로 결정된 엔진 토크 및 모터 토크에 대하여 냉각수온 및 오일온도에 따른 보정을 수행하여 최종 토크 지령치를 산출하게 되며, 이를 통해 냉각수온 및 오일온도의 가변적 요소에 따른 요구 토크의 변동량 대응이 가능해지는 동시에 최적의 주행 연비를 얻을 수 있게 된다.

Claims (3)

1. 차속, 구동축 요구 토크, 배터리 요구 파워를 입력받아, 차속을 얻기 위한 모터 회전수를 환산하고, 환산된 모터 회전수로부터 최적운전맵을 통해 엔진 회전수를 결정하는 단계와;

   배터리 요구 파워로부터 배터리 요구 토크를 결정하고, 구동축 요구 토크와 배터리 요구 토크로부터 전체 토크 요구량을 결정하는 단계와;

   구동축 요구 토크와 배터리 요구 토크를 토대로 선형 관계식을 기반으로 하는 최적운전맵에서 엔진 토크를 결정하는 단계와;

   전체 토크 요구량 및 엔진 토크, 그리고 미리 설정된 상관식으로부터 모터 토크를 결정하는 단계와;

   엔진 회전수 지령치, 엔진 토크 지령치, 모터 토크 지령치가 출력되어 이를 토대로 차량 주행 제어가 이루어지는 단계;

   를 포함하는 하이브리드 전기 차량의 주행 제어 방법.
2. 청구항 1에 있어서,

   상기 엔진 토크 결정 단계 이후 엔진 토크에 대하여 냉각수온과 엔진 오일온도에 따른 보정식에 의해 보정하여 최종의 엔진 토크 지령치를 산출하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 하이브리드 전기 차량의 주행 제어 방법.
3. 청구항 1에 있어서,

   상기 모터 토크 결정 단계 이후 모터 토크에 대하여 모터 오일온도에 따른 보정식에 의해 보정하여 최종의 모터 토크 지령치를 산출하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 하이브리드 전기 차량의 주행 제어 방법.

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