KR20090042276A

KR20090042276A - 하이브리드 구동기의 제어를 위한 제어 장치 및 방법

Info

Publication number: KR20090042276A
Application number: KR1020097003593A
Authority: KR
Inventors: 옌스-베르너 팔켄슈타인
Original assignee: 로베르트 보쉬 게엠베하
Priority date: 2006-08-22
Filing date: 2007-07-11
Publication date: 2009-04-29
Also published as: KR101376390B1; US8532852B2; DE102006039400A1; WO2008022846A1; JP2010501395A; EP2057052A1; US20100042278A1; EP2057052B1

Abstract

본 발명은, 그 토크들이 하나의 전체 토크로 결합되는 구동 기기들로서 하나 이상의 내연 기관과 하나 이상의 전동기를 구비한 하이브리드 구동기, 특히 차량의 하이브리드 구동기의 제어 장치에 관한 것이며, 구동 기기(2, 3)를 위한 회전수 제어를 위해 각각 하나의 제어 신호(DV, DE)를 생성하는 제어기(13)가 제공되고, 전동기(2)에 작용하는 제1 제어 신호(DE)는 내연 기관(3)에 작용하는 제2 제어 신호(DV)에 비해 더 높은 동특성을 갖는다. 또한 본 발명은 상응하는 제어 방법에 관한 것이다.

하이브리드 구동기, 제어 장치, 제어기, 제어 유닛, 제어 신호

Description

하이브리드 구동기의 제어를 위한 제어 장치 및 방법 {CONTROL APPARATUS AND METHOD FOR CONTROLLING A HYBRID DRIVE}

본 발명은, 그 토크들이 하나의 전체 토크로 결합되는 구동 기기로서 하나 이상의 내연 기관과 하나 이상의 전동기를 구비한 하이브리드 구동기, 특히 차량의 하이브리드 구동기의 제어 장치에 관한 것이다.

서두에 언급한 유형의 제어 장치들은 공지되어 있다. 이 경우 예컨대 하이브리드 구동기의 회전수와 토크 요구로부터 구동 기기를 위한 제어 변수를 생성하는 제어 기능 및 제어 알고리즘이 사용된다. 하이브리드 구동기의 회전수의 개회로/폐회로 제어 시, 제어 장치는 전동기와 내연 기관 사이에서 토크 요구를 분배해야 한다. 구동 기기들이 동시에 제어되면, 구동 기기들 각각에는 토크 요구 시 신속한 토크 형성 및 부하 변동에 대한 신속한 반응을 가능하게 하는 토크 여분(torque reserve)이 남아 있어야 한다. 내연 기관의 토크 여분은 예컨대 람다 = 1(균질)일 때 작동되는 오토 엔진의 공회전 시 공기 공급의 증가에 의해서, 점화각의 지연 조절과 연관되어 조정된다. 특정 회전수를 갖는 작동점에서 점화각의 조기 조절로 인해서 단시간에 호출될 수 있는, 내연 기관의 그러한 토크 여분은 회전수 제어를 위해 사용될 수 있지만, 연료 소비 증가 및 배기 가스 배출 증가와 결부 된다.

본 발명에 따른 제어 장치는 구동 기기를 위한 회전수 제어를 위해 각각 하나의 제어 신호를 생성하는 제어기를 포함하며, 이 경우 전동기에 작용하는 제1 제어 신호는 내연 기관에 작용하는 제2 제어 신호에 비해 더 높은 동특성을 갖는다. 상기 유형의 제어기에 의해, 신속하게 호출될 수 있는 내연 기관에서의 토크 여분이 지속되지 않고서도, 더 높은 품질의 조절로 하이브리드 구동기의 회전수가 조절될 수 있다. 구동 기기의 토크의 영향은, 전동기의 제어를 위한 제1 경로와 내연 기관의 제어를 위한 제2 경로로 다이내믹하게 분할되며, 제1 경로는 제2 경로보다 더 신속하게 반응한다. 이 경우 구동 기기(전동기와 내연 기관)의 토크는 구조적으로 보충되어야 한다. 제1 경로는 예컨대 장애로 인해서 발생한, 설정값에 대한 회전수 편차에 대해서 매우 다이내믹하게 반응해야 한다. 제2 경로는 상기 편차에 대해 덜 다이내믹하게 반응하지만, 사전 설정된 임계치까지 설정-회전수에 근접하도록 부정확도를 조절한다. 상기의 분할은, 현재의 전동기의 토크 제어부가 예컨대 균질 작동 모드에 있는 오토 엔진과 같은 내연 기관의 공기 공급부의 제어(흡입관 동특성)와 비교할 때 높은 동특성을 갖기 때문에 바람직하다.

본 발명의 한 개선예에 따라 제어기는 실제 회전수와 설정 회전수의 회전수 비교로부터 제1 제어 신호와 제2 제어 신호를 생성한다. 제어기는 예컨대 회전수 편차를 검출해서 상기 편차를 토대로 조정된 제어 변수를 구동 기기로 송출한다. 제어기와 하나 이상의 구동 기기 사이에는 제어기 또는 제어 장치의 제어 신호를 개별 구동 기기의 제어 변수로 변환하는 제어 소자가 배치될 수 있다. 회전수 편차는 설정 회전수와 실제 회전수 간의 회전수 차의 형성에 의해 검출된다.

특히 제1 제어 신호는 비제어 신호이며, 제2 제어 신호는 제어 부분과 비제어 부분으로 구성된다. 제1 제어 신호는, 회전수 편차(제어 편차)의 발생 시 전동기가 신속하고 짧게 상기 회전수 편차를 저지하도록 보다 다이내믹하게 제공된다. 제2 제어 신호는, 내연 기관과 제어기의 동특성에 의해서 사전 설정된 시간 프레임 내에서 내연 기관이 회전수 편차를 제어함으로써, 제어기가 더 이상 반응하지 않는 조절 임계치보다 상기 회전수 편차가 더 작도록 하는 데 제공되는 제어 부분을 갖는다. 제2 제어 신호는 제어 부분 외에, 제1 제어 신호보다 더 낮은 동특성을 가지며 회전수 편차를 제어할 수 없는 비제어 부분도 포함한다.

상기 제어기가 PI 제어기 및/또는 PID 제어기인 것이 바람직하다. 이와 같은 표준 제어기들은 예컨대 전자 부품들에 의해서 쉽게 구현될 수 있다. 상기 장치들의 제어 특성은 상응하는 모의 실험을 통해서 처음부터 측정될 수 있다. PI 제어기(비례 적분 제어기)와 PID 제어기(비례 적분 미분 제어기)는 제어 편차의 완전한 제어 또는 거의 완전한 제어와 신속한 반응 특성을 결합한다.

특히 제어 출력 신호의 적분 부분은 제어 부분이며, 제어 출력 신호의 비례 부분 및/또는 제어 출력 신호의 미분 부분은 비제어 부분이다. PI 제어기 또는 PID 제어기의 상이한 부분들(비례 부분, 적분 부분 및 미분 부분)은 제어기 에서 분리되어, 제어 신호로서 또는 제어 신호의 부분들로서 구동 기기들로 송출된다. 이 경우 비례 부분과 미분 부분은 높은 동특성을 보이며, 이때 미분 부분이 비례 부분보다 훨씬 더 신속하다. 제어 출력 신호의 적분 부분은 상대적으로 더 느리지만, 회전수 편차로서 생성된 제어 편차를 점근적으로 조절할 수 있다.

또한 제어기 후방에는, 제어 출력 신호의 비례 부분 및/또는 미분 부분을 제1 제어 신호로, 그리고 제2 제어 신호의 비제어 부분으로 분리하기 위해 다이플렉서가 연결되는데, 이때 제1 제어 신호는 제2 제어 신호의 비제어 부분보다 더 높은 동특성을 갖는다. 다이플렉서는 예컨대 고역 패스 필터(HP)와 저역 패스 필터(TP)로 구성된다. 고역 패스 필터가 한계 주파수보다 높은 신호 부분은 통과시키고 한계 주파수보다 더 낮은 주파수를 갖는 신호 부분은 억제하는 반면, 저역 패스 필터는 한계 주파수보다 더 낮은 주파수를 갖는 신호 부분은 통과시키고 한계 주파수보다 더 높은 주파수를 갖는 신호 부분은 억제한다. 고역 패스 필터를 통과한 신호 부분은 저역 패스 필터를 통과한 비례 부분의 신호 부분보다 더 높은 동특성을 갖는다.

본 발명의 한 개선예에 따라 토크 요구의 조회를 위한 조회 장치가 제공되며, 상기 장치는 토크 요구 시 제어 부분을 그의 현재 값에 고정하며, 음의 부호를 갖는 제어 부분의 크기로 비제어 부분을 제한한다. 상기의 조치에 의해 제어 장치는 가속 페달의 작동과 같은 토크 요구가 있을 경우, 구동 기기의 회전수 제어 모드로부터 하이브리드 구동기의 토크 제어 모드로의 연속 전환을 야기한다. 토크 요구 시 제2 제어 신호의 제어 부분은, 상기 부분이 토크 요구 시점 시의 값에 고정되기 때문에 반응하지 않을 수 있다. 비제어 부분이 고정된 제어 부분을 최대로 보상할 수 있으므로, 제어기는 실제 회전수가 충분히 높은 경우 회전수 보정 없이 토크 요구에 반응한다. 따라서 토크 요구 시 회전수 제어는 서서히 약화(해제)된다.

특히 제어기는 전동기의 제1 제어 유닛과 내연 기관의 제2 제어 유닛으로 분할되며, 이 경우 제1 유닛에서의 회전수 비교에 의해 제1 제어 신호가, 제2 유닛에서의 회전수 비교에 의해 제2 제어 신호가 생성된다. 최근의 제어 유닛들은 제어 알고리즘의 시간 동기식 또는 회전각 동기식 계산 주기를 갖는 샘플링 제어의 원리에 따라 작동한다. 제1 유닛의 계산 주기와 제2 유닛의 계산 주기는 대부분 서로 동기화되지 않는다. 제어 유닛들간의 통신은 버스 시스템에 의해서 수행되므로, 데이터 교환 시 시간 지연이 일어난다. 이 시간 지연은 제어 품질에 부정적으로 작용한다. 이러한 단점을 피하기 위해, 신속하게 변동하는 실제 회전수가 제1 유닛와 제2 유닛에서 각각 따로 측정되어 설정 회전수와 비교된다. 이를 위해 전동기 및 내연 기관 각각의 실제 회전수가 측정될 수 있다.

또한 희망 토크와 사전 제어 토크의 차에 따라 2개의 구동 기기 중 하나를 제어하는 토크 제어부가 제공된다. 희망 토크는 토크 요구와 실제 회전수로부터 산출되며, 사전 제어 토크는 전동기에 할당된, 배터리와 같은 축전지의 충전 전략과 전기공급 시스템의 에너지 요구량으로부터 산출된다.

또한 본 발명은, 그 토크들이 하나의 전체 토크로 결합되는 구동 기기들로서 하나 이상의 내연 기관과 하나 이상의 전동기를 구비한 하이브리드 구동기, 특히 차량의 하이브리드 구동기의 제어 방법에 관한 것이다. 하이브리드 구동기의 회전수 제어를 위해, 구동 기기들로 송출하기 위한 2개의 제어 신호가 결정되며, 이 경우 전동기에 작용하는 제1 제어 신호는 내연 기관에 작용하는 제2 제어 신호에 비해 더 높은 동특성을 갖는다. 회전수 제어는, 전동기는 회전수 제어를 위해 단시간에 토크 요구를 제공해야 하는 반면, 내연 기관은 회전수 비교 시에 검출된 회전수 차를 제어 편차로서 장시간에 걸쳐 그러나 정확히 제어하도록, 구동 기기들에 토크 요구를 분배한다. 상기의 방법에 의해 제어 품질이 더 높은 회전수 제어가 가능해지며, 신속하게 호출될 수 있는 내연 기관에서의 토크 여분의 지속이 방지되거나 최소화된다.

또한, 제1 제어 신호와 제2 제어 신호는 하이브리드 구동기의 실제 회전수와 설정 회전수의 회전수 비교로부터 도출된다. 회전수 비교 시, 두 회전수의 회전수 차가 형성됨으로써 회전수 편차가 검출된다.

특히 토크 요구 시 회전수 제어는 토크 제어에 의해서 완전히 해제된다. 회전수 제어에 의한 토크 요구가 토크 편차로서 "잘못 이해되지" 않고 계속해서 회전수가 제어되도록 하기 위해, 회전수 제어는 가속 페달의 작동 시와 같은 토크 요구 시 하이브리드 구동기의 제어에서 서서히 약화(억제)된다.

마지막으로 회전수 제어의 억제는, 토크 요구 시 제어 편차의 제어를 위한 제어 부분을 그의 현재 값에 고정하며, 비제어 부분을 음의 부호를 갖는 제어 부분의 크기로 제한하는 토크 요구의 조회에 의해서 수행된다. 상기 조치에 의해 제어 부분은, 실제 회전수를 장시간에 걸쳐 설정 회전수로 조절하지 못하게 된다. 비제어 부분의 제한에 의해 상기 비제어 부분은 제어 부분을 오직 보상할 수만 있고, 그로써 회전수 제어가 억제되도록 한다.

본 발명은 도면에 의해서 더 자세히 설명된다.

도 1은 제1 실시예에 따른 제어 장치를 구비한 하이브리드 구동기의 모의 실험의 블록선도이다.

도 2는 내연 기관 동특성의 모의 실험의 계단 응답이 도시된 도면이다.

도 3은 전동기 동특성의 모의 실험의 계단 응답이 도시된 도면이다.

도 4a 및 도 4b는 일시적으로 발생한 외란 토크에 대한 회전수 제어의 반응을 도시한 그래프이다.

도 5a 및 도 5b는 회전수 제어 모드로부터 토크 제어 모드로의 전환을 도시한 그래프이다.

도 6은 내연 기관과 전동기의 제어 유닛들로 분할된 제어기를 구비한 하이브리드 구동기의 모의 실험의 블록선도이다.

도 1에는 2개의 구동 기기를 구비한 하이브리드 구동기(1)의 모의 실험의 블록선도가 도시되며, 제1 구동 기기는 전동기(2)로서, 제2 구동 기기는 내연 기관(3)으로서 형성된다. 구동 기기들(2, 3)은, 제1 제어 신호(DE)를 출력부(5)를 통해 전동기(2)로 송출하고 제2 제어 신호(DV)를 출력부(6)를 통해 내연 기관(3)으로 송출하는 제어 장치(4)에 의해 제어된다. 구동 기기들(2, 3)은 각각 하나의 출력 샤프트(7, 8)를 포함하며, 내연 기관(3)의 출력 샤프트(8)와 전동기(2)의 출력 샤프트(7)는 변속기(9)에 의해서 서로 연결된다. 이 경우 전동기 토크(tE)와 내연 기관 토크(tV)가 가산되어 하이브리드 구동기(1)의 출력 토크(tS)를 형성한다. 하이브리드 구동기(1)의 구동 기기들(2, 3)의 하나의 공통 출력 샤프트(10)가 변속기(9)에 연결된다. 출력 샤프트(10)는 예컨대 차량의 차동 기어와 구동 휠들로 구성된 기계적 구동 유닛(11)에 연결된다. 기계적 구동 유닛(11), 예컨대 출력 샤프트(10)에서는 실제 회전수(n)가 나타나고, 상기 회전수는 회전수 검출 장치(12)에 의해 픽업된다. 공통의 출력 샤프트(10) 상에는 예컨대 구동 유닛(11)의 부품을 통해 외란 토크(tSt)가 작용할 수 있다. 제어 장치(4)는 PI 제어기(14)로서 형성된 제어기(13)를 포함한다. 제어기(13)는 2개의 입력부(15, 16)를 가지며, 입력부(15)는 설정 회전수(nS)를 송출하기 위한 출력 장치(17)에, 입력부(16)는 회전수 검출 장치(12)에 연결된다. 입력부들(15, 16)은 제어기(13) 내에서 비교 장치(18)에 연결되며, 비교 장치는 설정 회전수(nS)와 실제 회전수(n) 사이의 회전수 차(e)를 검출한다. PI 제어기(14)로서 형성된 제어기(13)는 제어의 비례 부분(P')이 측정되는 제1 제어 영역(19)을 포함한다. 이를 위해 회전수 차(e)가 제1 제어 영역의 계수(KP=비례이득)와 곱해져서 송출된다. 회전수 차(e)로부터 회전수 차(e)의 적분 부분(I)을 측정하는 제2 제어 영역(20)이 제1 제어 영역(19)에 대해 병렬로 접속된다. 적분 부분(I)은 분기되며, 제1 분기 시 제어기(13)의 가산 유닛(21)으로 송출된다. 제2 분기 시 적분 부분(I)의 부호는 인버터(28)에 의해서 반전되고, 이어서 음의 적분 부분(-I)이 비교 장치(29)에 의해서 비례 부분(P')과 비교된다. 이어서 비교 유닛은 비례 부분(P)보다 더 높은 값(P' 또는 -I)을 고역 패스 필터(22)와 저역 패스 필터(23)로 구성된 다이플렉서(24)를 통해서 상기 다이플렉서 의 출력부들(25, 26)로 송출한다. 저역 패스 필터(23)의 출력부(25)에서는 비례 부분(P)의 저주파 성분(PV)이 제어기(13)의 출력부(26')를 통해서 송출되고, 고역 패스 필터(22)의 출력부(26)에서는 비례 부분(P)의 고주파 성분(PE)이 송출된다. 비례 부분(P)과 적분 부분(I)의 저주파 성분은 가산 유닛(21)에서 더해져서 제어기(13)의 출력부(27)를 통해 제2 출력 신호(V)로서 송출된다. 이 경우 비례 부분(P)의 저주파 성분(PV)은 제2 제어 신호(DV)의 비제어 부분을, 적분 부분(I)은 제2 제어 신호(DV)의 제어 부분을, 비례 부분(P)의 고주파 성분(PE)은 제1 제어 신호(DE)를 결정한다.

제어 장치(4)는 제어기(13) 외에 토크 제어부(30)도 포함하며, 상기 토크 제어부는 가속 페달(32)의 위치(AP)와 회전수 검출 장치(12)의 실제 회전수(n)를 토대로 토크 측정 유닛(31)을 이용하여 운전자 희망 토크 신호(D)를 측정한다. 토크 측정 유닛(31)은 입력부 "33"을 통해 회전수 검출 장치(12)에 연결되고, 입력부 "34"를 통해 가속 페달(32)에 연결된다. 출력 장치(35)는 충전 전략에 따라 입력부(36)를 통해서 사전 제어 토크 신호(DS)를 송출하며, 상기 신호는 제어기(13)의 비례 부분(P)의 고주파 성분(PE)과 함께 가산 유닛(37)을 거쳐 제어 장치(4)의 출력부(5)로 제공된다. 감산 유닛(38)은 운전자 희망 토크 신호(D)를 사전 제어 토크 신호(DS)와 비교해서, 출력부(39)에 편차 토크 신호(DVS = D - DS)를 송출한다. 상기 편차 토크 신호(DVS)는 제어 장치(4)의 가산 유닛(40)에서 제어기(13)의 출력 신호(V)와 더해져서, 제어 장치(4)의 출력부(6)를 통해 제2 제어 신호(DV)로서 내연 기관(3)으로 송출된다. 조회 장치(41)는 가속 페달(32)의 위치(AP)를 조회해 서, 운전자가 가속 페달(32)을 작동할 경우 제어 신호(sTD)를 전달한다. 제어 편차(e)가 음이고, 이로써 실제 회전수(n)가 설정 회전수(nS)보다 크면, 제어 신호(sF)는 적분 부분(I)의 고정을 위해 제2 제어 영역(20)으로 전달된다. 요소(29)는 비례 부분(P')과, 인버터(28)에 의해서 음의 부호가 부여된 적분 부분(I)의 더 큰 값을 전달함으로써 비례 부분(P)이 제한되도록 한다.

하이브리드 구동기(1)의 모의 실험 시, 제어 장치의 신호들(DE, DV, P, I, PV, PE, V, DS, D 및 DVS)이 등가의 토크들(tDE, tDV, tP, tI, tPV, tPE, tV, tDS, tD 및 tDVS)로서 고려된다. 이하에서는 상기 변수들이 상응하는 토크로서 설명된다.

제어 장치(4)의 다음의 기능들을 갖는다: 내연 기관(3)과 전동기(2)의 공통의 실제 회전수(n)는 PI 제어기(14)에 의해서 조절된다. PI 제어기는 설정 회전수(nS)와 실제 회전수(n)로부터 제어 편차(e)를 산출한다. 충전 전략은 전기공급 시스템의 에너지 필요량에 따라 전동기(2)를 위한 사전 제어 토크(tDS)를 사전 설정하며, 이때 전동기(2)의 부하를 보상하기 위해 반대 부호를 갖는 사전 제어 토크(tDS)가 운전자 희망 토크(tD)에 더해진다. 가속 페달(32)의 위치와 실제 회전수(n)로부터, 출력 토크(tS)를 위한 운전자 희망 토크(tD)가 산출된다. 가속 페달(32)을 밟지 않은 경우 tD가 음이 됨으로써, 공회전 시 음의 운전자 희망 토크(tD)를 보상하는 양의 적분 부분(tI)이 생성된다. 그 외에, 내연 기관(3)에 작용하는 적분 부분(tI)이 부정확도와 결함을 준정적으로 보상하므로, 비례 부분(tP)의 평균값은 0이 된다. 시간 평균에서는 전동기(2)의 설정 토크(tDE)가 사전 제어 토크(tDS)에 상응하므로, 전기공급 시스템의 에너지 필요량이 충족된다.

제어 장치(4)의 기능을 모의 실험하기 위해, 내연 기관(3)의 동특성도 모의 실험된다. 내연 기관 설정 토크(tDV)로부터 내연 기관 토크(tV)로의 변환 특성은 80ms의 지연 시간을 갖는 지연 시간 요소(dead time element)와 200ms의 시상수를 갖는 PT1 요소가 직렬 접속됨으로써 근사치로 모의 실험된다. 상기 실시예에서는, 효율 때문에 점화각의 지연 조정이 실행되지 않으며, 변환 특성은 공기 공급 제어의 동특성에 의해 사전 설정된다. 전동기 토크(tE)로의 전동기 설정 토크(tDE)의 변환 특성은 30ms의 시상수를 갖는 PT1 요소에 의해 근사치로 모델화된다.

비례 부분(tP)은 다이플렉서(24)에 의해서 내연 기관(3)과 전동기(2)로 분배된다. 바람직하게 저역 패스 필터(23),

와 고역 패스 필터(22),

의 변환 함수[라플라스 변수(s)를 이용한 라플라스 변환]는, 전체 변환 함수 G_g(s),

에 대해 근사치로 적용되도록 선택된다.

이 경우,

는 내연 기관(3)의 토크 제어(공기 공급의 동특성)를 위한 변환 함수를 나타내고,

는 전동기(2)의 토크 제어를 위한 변환 함수를 나타낸다. 비례 부분(tP)은 전동기(2)와 내연 기관(3)으로 다이내믹하게 분배되며, 이때 내연 기관은 공기 공급 동특성(흡입관 동특성)과 저역 패스 필터(23)에 의해 지연되어 반응한다. 고역 패스 필터(22)에 의해 그리고 전동기(2)의 신속한 반응 시간에 의해 내연 기관(3)의 지연된 작용이 보상된다. 제1 제어 신호(DE)는, 전동기(2)가 결함에 대해 즉각적으로 반응함으로써 높은 제어 품질이 달성되도록 한다. 제어기(13)의 비례 부분은 증폭 인자(KP)를 이용하여 검출된다.

저역 패스 필터(23)는 공기 공급을 위한 제어 소자를 형성하는 스로틀 밸브의 운동을 약화하고 그리고/또는 내연 기관(3)의 공기 공급 시 동특성을 감소시키기는 데 이용되며, 그 결과 경우에 따라 배기 특성이 개선될 수 있다. 내연 기관의 토크 제어를 위한 변환 함수(4)는 작동점에의 의존도가 높기 때문에, 저역 패스 필터(23) 및/또는 고역 패스 필터(22)의 변환 함수[(1), (2)]를 현재 작동점(회전수, 부하 등)에 알맞게 조정하는 것이 바람직하다.

운전자가 가속 페달(32)을 작동할 경우 또는 그 외의 토크 요구(AP)가 있을 경우와, 실제 회전수(n)가 설정 회전수(nS) 이상에 놓이는 음의 제어 편차(e)의 경우, 적분 부분(tI)이 고정된다. 운전자 희망 토크(tD)는 가속 페달의 작동에 상응하게 높아진다. 운전자 희망 토크(tD)가 높아짐에 따라 회전수(n)가 증가하며, 그 결과 감소하는 음의 비례 부분(tP)이 나타난다. 비례 부분(P)의 저주파 성분(tPV) 역시 음의 값이 되고, 설정 회전수(nS)에 비해 실제 회전수(n)가 점차 증가할 경우 고정된 적분 부분(tI)을 보상한다. 비례 부분(tP)이 -1과 곱해진 적분 부분으로 제한되므로, 과보상이 방지된다. 실제 회전수(n)가 임의의 차 만큼 설정 회전수(nS)를 초과하면, 제어기(13)의 회전수 제어가 완전히 억제되고, 그 결과 토크 제어부(30)에 의한 토크 제어 모드가 실시된다. 저역 패스 필터(23)가 과도(transient) 상태에 있는 경우 "tPV = tP - tI"가 적용되므로, 제어기(13)의 제2 제어 토크(tV)에 대해서는 tV = 0이 적용된다. 고역 패스 필터(22)의 입력부(tP)는 -tI의 상수값을 취하며, 이 경우 고역 패스 필터(22)가 과도 상태에 놓이면 제어기(13)의 제1 제어 토크(tPE)에 대해서 tPE = 0이 적용된다.

가속 페달(32)의 작동이 종료되면, 앞서 고정되었던 적분 부분(tI)이 다시 이네이블되어 감소한다. I-부분의 제한은 다음번 회전수 제어 단계로의 진입 시 급격한 감소와 극심한 "회전수 언더슈트"를 방지한다. 이네이블된 적분 부분은 실제 회전수(n)가 높은 경우 비례 부분(tP)이 -tI으로 제한되기 때문에 상기 비례 부분에 작용한다. 고역 패스 필터(22)의 미분 작용으로 인해 전동기(2)의 설정 토크(tDE)의 바람직하지 못한 영향이 발생하며, 상기 영향은 예컨대 고역 패스 필 터(22)가 회전수에 따라 매개변수화됨으로써 방지될 수 있다.

도 2에는 시간에 따른 내연 기관 설정 토크(tDV) 및 내연 기관 토크(tV)가 기입된, 내연 기관(3)의 특성화에 대한 그래프가 도시된다. 시점 t = 4.5s일 때 내연 기관 설정 토크(tDV)의 점프가 발생한다. 모의 실험된 변환 특성에 따라, 내연 기관(3)은 내연 기관 토크(tV)의 상승 지연으로써 반응한다. 따라서 함수 45(tV)는 함수 46(tDV)에 비해 짧은 지연 시간 및 그에 뒤따르는, PT1 요소에 전형적인 최대값으로의 상승을 보인다.

도 3에는 전동기 설정 토크(tDE)의 점프에 대한 전동기 토크(tE)의 계단 응답으로서 전동기(2)의 변환 특성이 도시된다. 전동기 실제 토크(tE)는, t = 4.5s일 때의 전동기 설정 토크(tDE)의 점프(함수 47)를 지연 시간 없이 뒤따르며, 함수 48(tE)은 PT1 요소의 전형적인 상승 특성을 나타낸다.

도 4a에는 비례 부분(tP)과, 내연 기관 토크(tV)와, 전동기 토크(tE)와, 전체 토크(tS)의 함수들이 도시된 그래프가 도시되어 있으며, 횡좌표 상에는 시간이 초(s) 단위로, 종좌표 상에는 토크가 뉴턴미터(Nm) 단위로 기입되어 있다. 도 4b에는 시간에 따른 실제 회전수(n)의 함수를 도시한 그래프가 도시되어 있으며, 횡좌표 상에는 시간이 초 단위로, 종좌표 상에는 회전수가 U/min(분당 회전수) 단위로 기입되어 있다.

도 4a와 도 4b에는 시점 t = 10s일 때 0Nm에서 20Nm으로의 외란 토크(tSt) 점프에 대한 제어기(13)의 회전수 제어의 반응이 도시된다. 이 경우 설정 회전수 nS = 600U/min이다. 가속 페달(32)은 작동되지 않는다. 비례 부분(tP)(함수 49) 은 설정 회전수(nS)에 대한 실제 회전수(n)(함수 54)의 편차에 대해 즉각적으로 반응한다. 내연 기관 토크(tV)(함수 50)는 저역 패스 필터(23)와, 내연 기관(3)의 공기 경로의 동특성으로 인해 지연되는 방식으로만 반응한다. 전동기 토크(tE)(함수 51)는 고역 패스 필터(22)의 작용에 의해서 내연 기관(3)에서의 토크 형성 지연을 보상한다. 출력 토크(tS)(함수 52)와 비례 부분(tP)(함수 49)의 비교를 통해, 내연 기관(3)과 전동기(2)가 비례 부분(tP)을 공동으로 거의 변환한다는 것을 알 수 있으며, 이 경우 t = 10.25s일 때부터 더 큰 편차가 발생한다. 이 편차는 출력 토크(tS)에 추가로 작용하는 적분 부분(tI)에 기인한다.

도 5a에는 비례 부분(tP)과, 내연 기관 토크(tV)와, 전동기 실제 토크(tE)와, 전체 토크(tS)의 함수들이 도시된 그래프가 도시되어 있으며, 횡좌표 상에는 시간이, 종좌표 상에는 토크가 기입되어 있다. 도 5b에는 실제 회전수(n)의 함수를 도시하는 그래프가 도시되어 있으며, 횡좌표 상에는 시간이 초 단위로로, 종좌표 상에는 회전수가 U/min(분당 회전수)으로 기입되어 있다.

도 5a 및 도 5b에는 제어기(13)의 이네이블에 의해 가속 페달(32)이 작동될 경우 회전수 제어 모드로부터 토크 제어 모드로의 전환의 예가 도시되어 있다. 비례 부분(tP)의 함수(57)의 감소 영역으로부터, 전동기 토크(tE)의 함수(56) 곡선에서 언더슈트(55)가 나타난다. 언더슈트(55)를 제한하기 위해, 고역 패스 필터(22)의 매개변수는 가속 페달(32)의 위치 또는 조회 장치(41)의 출력 변수에 따라 전환된다. 함수(58)는 운전자 희망 토크(tD)가 상승할 때의 내연 기관 토크(tV)의 전형적인 상승 특성을 보여준다. 이에 비해 출력 토크(tS)(함수 59)는 언더슈트(55) 에 의해 야기된 짧은 지연을 보인다. 도 5b의 함수(60)는 그에 기인한 실제 회전수(n)의 상승을 보여준다.

최근의 제어 유닛들은 제어 알고리즘의 시간 동기식 또는 회전각 동기식 계산 주기로 실시되는 샘플링 제어의 원리에 따라 작동한다. 다양한 제어 유닛의 계산 주기들은 대부분 서로 동기화되지 않으며, 제어 유닛들은 버스 시스템을 통해 서로 통신한다. 그 결과, 데이터 교환 시 시간 지연이 일어난다. 안정성 여유(stability margin)가 일정한 경우, 시간 지연은 회전수 제어 시에 가능한 증폭을 감소시킨다. 따라서 버스 시스템에 의해 제어 회로가 폐쇄되면, 제어 품질이 제한된다. 도 6에는 상기의 단점을 피하는, 하이브리드 구동기(1)의 제어 장치(4)의 한 변형예가 도시되어 있다.

도 6은 실질적으로 도 1에 상응하므로, 여기서는 상이한 내용만을 언급하기로 한다. 여기서는 제어기가 전동기(2)의 제1 제어 유닛(42)과 내연 기관(3)의 제2 제어 유닛(43)으로 분할됨으로써, 제1 제어 유닛(42) 내의 비교 장치(18)의 회전수 비교에 의해서 제1 제어 신호가 생성되고 제2 제어 유닛(43) 내의 비교 장치(19)의 회전수 비교에 의해서 제2 제어 신호가 생성된다. 이를 위해, 실제 회전수(n)가 제1 제어 유닛(42)에서는 전동기(2)의 회전수(n')에 의해서 검출되며, 제2 제어 유닛(43)에서는 내연 기관(3)의 회전수(n")에 의해서 검출된다. 상기 변수들(n, n', n")의 크기는 측정 오차 범위 내에서 동일하다. 이로써 두 제어 유닛(42, 43) 내의 2개의 비례 부분(tP', tP")의 크기도 거의 동일하다. 이 2개의 비례 부분은 모두 적분 부분(tI)의 음의 값(-tI)으로 제한되며, 이로써 제어기(13)가 제1 제어 유 닛(42)과 제2 제어 유닛(43)으로 분할되어도 회전수 제어 모드로부터 토크 제어 모드로의 전환을 위한, 앞서 설명한 메카니즘이 가능하다. 이 경우 제어 유닛 "43"의 인버터(48)와 비교 장치(49)는 제어 유닛 "42"의 인버터(28)와 비교 장치(29)에 상응한다. 버스 시스템을 통해, 전동기(2)를 위한 사전 제어 토크(tDS)와, 설정 회전수(nS)와, 증폭 인자(KP)와, 적분 부분(tI)과, 조회 변수(sTD)와 같은 비교적 덜 시간 임계적인 변수들과, 선택적으로 추가의 매개변수가 전송된다. 실질적인 제어 루프(회전수 n'과 n"의 피드백)는 버스 시스템에 의해서 폐쇄되지 않으므로, 지연 시간이 방지된다. 이로써 높은 제어 품질이 달성될 수 있다.

Claims

그 토크들이 하나의 전체 토크로 결합되는 구동 기기들로서 하나 이상의 내연 기관과 하나 이상의 전동기를 구비한 하이브리드 구동기, 특히 차량의 하이브리드 구동기의 제어 장치에 있어서,

구동 기기(2, 3)를 위한 회전수 제어를 위해 각각 하나의 제어 신호(DV, DE)를 생성하는 제어기(13)가 제공되고, 전동기(2)에 작용하는 제1 제어 신호(DE)가 내연 기관(3)에 작용하는 제2 제어 신호(DV)에 비해 더 높은 동특성을 갖는 것을 특징으로 하는, 하이브리드 구동기의 제어 장치.
제1항에 있어서, 제어기(13)는 하이브리드 구동기(1)의 실제 회전수(n)와 설정 회전수(nS)의 회전수 비교로부터 제1 제어 신호(DE)와 제2 제어 신호(DV)를 생성하는 것을 특징으로 하는, 하이브리드 구동기의 제어 장치.
제1항 또는 제2항에 있어서, 제1 제어 신호(DE)는 비제어 신호이며, 제2 제어 신호(DV)는 제어 부분과 비제어 부분으로 구성되는 것을 특징으로 하는, 하이브리드 구동기의 제어 장치.
제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 제어기(13)는 PI 제어기(14) 및/또는 PID 제어기인 것을 특징으로 하는, 하이브리드 구동기의 제어 장치.
제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 제어 출력 신호의 적분 부분(I)은 제어 부분이며, 제어 출력 신호의 비례 부분(P) 및/또는 제어 출력 신호의 미분 부분은 비제어 부분인 것을 특징으로 하는, 하이브리드 구동기의 제어 장치.
제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서, 제어기(13) 후방에는, 제어 출력 신호의 비례 부분(P) 및/또는 미분 부분을 제1 제어 신호(DE)로, 그리고 제2 제어 신호(DV)의 비제어 부분(PV)으로 분리하기 위해 다이플렉서(24)가 연결되며, 제1 제어 신호(DE)는 제2 제어 신호(DV)의 비제어 부분(PV)보다 더 높은 동특성을 갖는 것을 특징으로 하는, 하이브리드 구동기의 제어 장치.
제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서, 토크 요구 시 제어 부분을 그의 현재 값에 고정하고, 비제어 부분을 음의 부호를 갖는 제어 부분의 크기로 제한하는, 토크 요구(AP)의 조회를 위한 조회 장치(40)가 제공되는 것을 특징으로 하는, 하이브리드 구동기의 제어 장치.
제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서, 제어기(13)는 전동기(2)의 제1 제어 유닛(44)과 내연 기관(3)의 제2 제어 유닛(45)로 분할되며, 제1 유닛(44)에서의 회전수 비교에 의해 제1 제어 신호(DE)가 생성되고, 제2 유닛(45)에서의 회전수 비교에 의해 제2 제어 신호(DV)가 생성되는 것을 특징으로 하는, 하이브리드 구동 기의 제어 장치.
제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서, 희망 토크(tD)와 사전 제어 토크로(tDS)의 편차에 따라 2개의 구동 기기(2, 3) 중 하나를 제어하는 토크 제어부(30)가 제공되는 것을 특징으로 하는, 하이브리드 구동기의 제어 장치.
그 토크들이 하나의 토크로 결합되는 구동 기기들로서 하나의 내연 기관과 하나 이상의 전동기를 구비한 하이브리드 구동기, 특히 차량의 하이브리드 구동기의 제어 방법에 있어서,

하이브리드 구동기의 회전수 제어를 위해, 구동 기기들로 송출하기 위한 2개의 제어 신호가 검출되며, 전동기에 작용하는 제1 제어 신호가 내연 기관에 작용하는 제2 제어 신호에 비해 더 높은 동특성을 갖는 것을 특징으로 하는, 하이브리드 구동기의 제어 방법.
제10항에 있어서, 제1 제어 신호와 제2 제어 신호가 하이브리드 구동기의 실제 회전수와 설정 회전수의 회전수 비교로부터 생성되는 것을 특징으로 하는, 하이브리드 구동기의 제어 방법.
제10항 또는 제11항에 있어서, 토크 요구 시 회전수 제어가 토크 제어에 의해 완전히 억제되는 것을 특징으로 하는, 하이브리드 구동기의 제어 방법.
제10항 내지 제12항 중 어느 한 항에 있어서, 회전수 제어의 억제는, 토크 요구 시 제어 편차의 제어를 위한 제어 부분을 그의 현재 값에 고정하고, 비제어 부분을 음의 부호를 갖는 제어 부분의 크기로 제한하는 토크 요구의 조회에 의해서 구현되는 것을 특징으로 하는, 하이브리드 구동기의 제어 방법.