KR20090101015A - 구동모터 과열 방지를 위한 하이브리드 차량의 토크 제어방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 하이브리드 차량의 토크 제어방법에 관한 것으로서, 구동모터의 온도가 일정 수준 이상으로 상승하면 동력 성능과 배터리 충전상태를 유지하는 범위 내에서 모터 사용량을 전략적으로 제한하여 구동모터의 과열을 방지하는 기술에 관한 것이다. 상기한 목적을 달성하기 위해, 구동모터의 온도를 모니터링하는 단계와; 상기 구동모터의 온도를 참조하여 최대 토크를 감소시키는 디레이팅 영역과 그 이전의 과도 구간으로 설정된 모터 보호 영역으로의 진입 여부를 판단하는 단계와; 상기 모터 보호 영역의 진입을 판단한 상태에서, 배터리 SOC가 최소 SOC 기준치 이상이면, 엔진 최대 토크 한도 내에서 엔진 토크로 운전자 요구토크를 충족시키도록 엔진 토크의 제어를 수행하는 동시에, 운전자 요구토크가 엔진 최대 토크를 초과하는 경우에서 토크 보조를 위한 모터 토크 제어를 수행하는 단계를 포함하는 구동모터 과열 방지를 위한 하이브리드 차량의 토크 제어 방법이 개시된다.

하이브리드 차량, 구동모터, 과열 방지, 토크 제어, 모터 보호 영역, 디레이팅, 모터 온도, SOC

Description

구동모터 과열 방지를 위한 하이브리드 차량의 토크 제어 방법{Method for conrolling torque of hybrid electric vehicle}

본 발명은 하이브리드 차량의 토크 제어 방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 구동모터의 온도가 일정 수준 이상으로 상승하면 동력 성능과 배터리 충전상태를 유지하는 범위 내에서 모터 사용량을 전략적으로 제한하여 구동모터의 과열을 방지하는 기술에 관한 것이다.

하이브리드 차량은 서로 다른 두 종류 이상의 동력원을 효율적으로 조합하여 차량을 구동시키는 것을 의미하나, 대부분의 경우는 연료(가솔린 등 화석연료)를 연소시켜 회전력을 얻는 엔진과 배터리 전력으로 회전력을 얻는 전기모터에 의해 구동하는 차량을 의미한다.

이러한 하이브리드 차량은 엔진뿐만 아니라 전기모터를 보조동력원으로 채택하여 배기가스 저감 및 연비향상을 도모할 수 있는 미래형 차량으로, 연비를 개선하고 환경친화적인 제품을 개발해야 한다는 시대적 요청에 부응하여 더욱 활발한 연구가 진행되고 있다.

하이브리드 차량은 전기모터(구동모터)의 동력만을 이용하는 순수 전기자동차 모드인 EV(Electric Vehicle) 모드, 엔진의 회전력을 주동력으로 하면서 구동모터의 회전력을 보조동력으로 이용하는 HEV(Hybrid Electric Vehicle) 모드, 차량의 제동 혹은 관성에 의한 주행시 제동 및 관성 에너지를 상기 구동모터의 발전을 통해 회수하여 배터리에 충전하는 회생제동(Regenerative Braking, RB) 모드 등의 주행모드로 주행한다.

이와 같이 엔진의 기계적 에너지와 배터리의 전기에너지를 함께 이용하고, 엔진과 구동모터의 최적 작동영역을 이용함은 물론 제동시에는 구동모터로 에너지를 회수하므로, 차량 연비 향상 및 효율적인 에너지 이용이 가능해진다.

한편, 하이브리드 차량의 토크 제어를 위해서는 운전자 의지가 정확히 반영된 운전자 요구토크가 연산되어야 하고, 운전점 결정부가 운전자 요구토크를 충족하면서 최적 운전모드의 주행이 이루어질 수 있도록 엔진 및 구동모터의 최적 운전점을 계산하여 그에 따른 엔진과 구동모터의 토크 분배 제어를 수행한다.

즉, 운전자 요구토크는 '엔진 토크 + 모터 토크'로 충족되므로, 통상 차량 제어기가 운전자 요구토크가 충족될 수 있도록 최적 운전점에 의거 엔진 및 구동모터의 토크 명령 값을 연산하여 출력함으로써 엔진 및 구동모터로부터 토크 명령에 상응하는 토크가 출력되도록 제어하고, 이를 통해 운전자 요구토크를 충족시킨다.

일 예로, 운전자가 가속페달을 크게 밟아 엔진 출력이 많이 요구될 때는, 엔진 출력을 최적 효율의 운전조건으로 유지시키고, 엔진으로 부족한 출력은 구동모 터를 구동시켜 '엔진 + 모터'의 출력을 얻는 바(모터 구동을 위해 배터리 방전), 이를 통해 운전자가 요구하는 만큼의 출력을 충족시키면서 엔진 효율을 좋은 조건으로 운전할 수 있게 된다.

또한 운전자가 가속페달을 작게 밟아 엔진이 효율이 낮은 저출력영역에서 운전될 때는, 엔진 출력을 효율이 좋은 영역으로 높이고, 차량을 움직이는데 필요한 출력 이외의 엔진 출력은 구동모터에서 발전하는데 사용되도록 하여, 에너지를 배터리에 충전시킨다(모터 발전에 의해 배터리 충전).

그런데 보조동력원으로 구동모터를 사용하는 하이브리드 차량에서는 구동모터의 구동 중에 모터 온도가 일정 수준 이상으로 상승하는 모터 과열이 발생할 수 있다.

모터의 운전영역은, 도 1에 나타낸 바와 같이, 순간 최대 정격과 연속 정격으로 구분되며, 연속 정격 이하에서는 '냉각용량 > 발열량'이므로 온도 상승 없이 지속적으로 운전이 가능하나, 연속 정격 이상의 영역에서는 장시간 운전하면 모터의 온도가 상승한다.

이에 모터 과열을 방지하기 위해 모터 온도를 실시간 모니터링하여 모터 온도가 일정 수준 이상으로 상승할 경우 운전 영역을 제한하여 과열에 의한 시스템 손상을 방지하는 기술이 적용되고 있다.

즉, 모터 온도가 임계점을 초과하면 최대 토크를 점진적으로 감소시켜 정격 출력을 낮추는 디레이팅(Derating) 영역으로 진입하며, 디레이팅 영역으로 진입한 상태에서는 모터 사용량이 급격히 줄기 때문에 추가적으로 온도 상승을 제한할 수 있게 된다.

도 2를 참조하면, 모터 온도가 임계점 이하인 정상 작동 영역에서는 정상의 최대 토크값에 따라 모터의 출력 토크를 제어하나, 모터 온도가 임계점을 초과하는 디레이팅 영역에서는 모터 최대 토크를 점진적으로 낮게 설정하여 모터 사용량을 제한한다.

하지만 모터의 최대 토크를 감소시키는 경우에는 모터의 가용 운전영역에 변화가 생기므로 차량의 동력 성능도 크게 감소하게 되며, 이는 운전자의 불만을 야기하게 된다.

따라서 본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 발명한 것으로서, 구동모터의 온도가 상승하면 동력 성능과 배터리 충전상태를 유지하는 범위 내에서 모터 사용량을 제한하여 구동모터의 과열을 방지할 수 있는 하이브리드 차량의 토크 제어 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.

상기한 목적을 달성하기 위해, 본 발명은, 구동모터의 온도를 모니터링하는 단계와; 상기 구동모터의 온도를 참조하여 최대 토크를 감소시키는 디레이팅 영역과 그 이전의 과도 구간으로 설정된 모터 보호 영역으로의 진입 여부를 판단하는 단계와; 상기 모터 보호 영역의 진입을 판단한 상태에서, 배터리 SOC가 최소 SOC 기준치 이상이면, 엔진 최대 토크 한도 내에서 엔진 토크로 운전자 요구토크를 충족시키도록 엔진 토크의 제어를 수행하는 동시에, 운전자 요구토크가 엔진 최대 토크를 초과하는 경우에서 토크 보조를 위한 모터 토크 제어를 수행하는 단계를 포함하는 구동모터 과열 방지를 위한 하이브리드 차량의 토크 제어 방법을 제공한다.

바람직한 실시예에서, 상기 모터 보호 영역의 진입 상태에서는 EV 모드의 진입을 금지하며, 상기 배터리 SOC가 최소 SOC 기준치 이상인 조건에서는 회생제동을 금지한다.

또한 본 발명은 상기 모터 보호 영역의 진입을 판단한 상태에서, 배터리 SOC 가 최소 SOC 기준치 미만인 저 충전상태이면, 엔진 최대 토크 한도 내에서 운전자 요구토크와 운전점 결정부의 토크 명령 중 최대값으로 엔진 토크를 제어하는 동시에, 운전자 요구토크가 엔진 최대 토크를 초과하는 경우에서 토크 보조, 및 엔진 토크가 운전자 요구토크를 초과하는 경우에서 충전을 위한 모터 토크 제어를 수행하는 단계를 더 포함할 수 있다.

이에 따라 본 발명의 토크 제어 방법에 의하면, 모터 보호 영역 설정 및 상기한 모터 보호 영역에서의 토크 제어를 통한 적극적 모터 온도 관리에 의해 모터 과열이 방지될 수 있고, 동력 성능의 저하 현상을 최대한 억제하여 운전성을 향상시킬 수 있게 된다.

이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 대해 상세히 설명하기로 한다.

첨부한 도 3은 본 발명에 따른 하이브리드 차량의 토크 제어 방법을 나타낸 순서도이고, 도 4는 본 발명에 따른 하이브리드 차량의 토크 제어 방법에서 모터 보호 영역의 설정 예를 보여주는 토크 제한 선도이다.

또한 첨부한 도 5a ~ 도 5c는 본 발명에 따른 하이브리드 차량의 토크 제어 방법에 의거 모터 온도 및 SOC 상태에 따라 엔진 토크 및 모터 토크가 제어되는 예 를 보여주는 토크 선도이다.

본 발명은 하이브리드 차량의 구동모터 온도가 일정 수준 이상으로 상승하면 동력 성능과 배터리 충전상태(SOC)를 유지하는 범위 내에서 모터 사용량을 전략적으로 제한하여 구동모터의 과열을 방지하는 기술에 관한 것이다. 특히 본 발명은 모터의 과열 방지를 위해서 모터 온도를 기준으로 최대 토크를 감소시키는 기존의 디레이팅(Derating) 영역과, 이 디레이팅 영역 이전의 특정 영역에서 모터 사용을 능동적으로 제한하는 것에 주안점이 있는 것이다.

우선 최대 토크의 디레이팅이 시작되는 임계 온도(이하, 디레이팅 임계 온도라 칭함) 도달 전에 모터 온도를 기준으로 배터리 충전상태에 따른 별도의 토크 분배 제어가 수행되는 온도 영역이 설정된다. 이 온도 영역과 디레이팅 영역에서는 동력 성능을 해치지 않는 범위 내에서 모터 과열 방지를 위해 모터 사용량을 줄이는 토크 제어를 수행한다.

이하, 본 명세서에서는 상기 온도 영역과 디레이팅 영역 전체를 모터 보호 영역이라 칭하기로 한다. 즉, 모터 보호 영역은 최대 토크를 감소시키는 기존의 디레이팅 영역과, 그 이전의 과도 구간이 되는 상기 온도 영역(모터 온도를 기준으로 정상 작동 영역과 기존의 디레이팅 영역 사이에 설정되는 과도 영역)으로 이루어지며, 후술하는 바와 같이 모터 과열을 방지하기 위한 본 발명의 엔진 및 모터 토크 제어가 수행되는 영역이 된다. 이와 같이 본 발명은 디레이팅 영역과 그 이전의 과도 구간으로 이루어지는 모터 보호 영역에서 엔진 및 모터의 토크를 제어하는 방법에 관한 것이다.

또한 차량 제어기가 실시간으로 모니터링되는 모터 온도를 토대로 모터 보호 영역을 인식할 수 있도록 본 발명에서는 모터 보호 영역의 진입 기준이 되는 임계 온도(이하, 모터 보호 임계 온도라 칭함)가 미리 설정되며, 모터 온도가 모터 보호 임계 온도를 초과하는 상태에서 모터 과열 방지를 위한 별도의 토크 제어가 수행된다.

도 3은 정상 작동 영역 및 모터 보호 영역, 디레이팅 영역이 설정된 상태를 보여주고 있으며, 모터 온도가 모터 보호 임계 온도를 초과할 경우 본 발명의 토크 제어가 수행되고, 이를 통해 기존의 디레이팅 영역은 물론 디레이팅 영역 진입 전에 모터 온도의 상승을 억제할 수 있게 되어 동력 성능의 감소를 최대한 회피할 수 있게 된다.

본 발명에서 상기한 모터 보호 영역에 진입하는 경우에는 모터의 사용량을 줄이기 위해 EV 모드 및 회생제동 진입이 금지되고, 운전자 요구토크를 엔진 토크 출력을 통해 우선 대응하게 된다. 단, 모터 보호 영역에서도 SOC가 일정 수준 이하의 매우 낮은 경우에는 모터에 의한 배터리 충전을 허용한다.

도 4와 도 5a ~ 도 5c를 참조하여 본 발명을 좀더 상세히 설명하면 다음과 같다.

모터 온도와 미리 설정된 모터 보호 임계 온도를 비교하여(S11), 모터 온도가 미리 설정된 모터 보호 임계 온도 이하가 되는 정상 작동 영역에서는, 도 5a에 나타낸 바와 같이, 최적 운전점에 의거 계산된 엔진 토크 명령과 엔진 최대 토크 중 최소값을 사용하여 엔진의 출력 토크를 제어하며(S17), 엔진 최대 토크 한도 내 에서 운전점 결정부의 토크 명령을 추종하는 엔진 토크 제어가 수행된다.

이때 엔진 토크 출력을 최적 효율의 운전조건으로 유지하는 상태에서 엔진으로 부족한 출력은 모터를 구동시켜 '엔진 + 모터'의 출력으로 운전자 요구토크를 충족시켜야 하므로, 모터에 대해서는 모터 최대 토크 한도 내에서 운전자 요구토크와 엔진 토크의 차이만큼을 보상하는 토크 제어가 수행된다(S18). 즉, 요구토크와 엔진 토크의 차이 값과 모터 최대 토크 중 최소값을 사용하여 모터의 출력 토크를 제어하는 것이다.

물론 최적 효율의 운전조건에 따라 제어되는 엔진 토크 출력에서 여분의 출력은 모터의 발전에 사용되며, 이때 생성된 전기에너지를 배터리에 충전시킨다. '엔진 토크 명령 > 요구토크'이면 충전상황, '엔진 토크 명령 < 요구토크'이면 방전상황(모터에 의한 토크 보조 수행)이 된다.

위의 설명에서 엔진 최대 토크는 현재 엔진 속도에서 낼 수 있는 최대 토크값이며, 모터 최대 토크는 현재 모터 속도에서 낼 수 있는 최대 토크값에 토크 제한율을 반영한 토크값(현재 모터 속도에서 낼 수 있는 최대 토크 ×토크 제한율/100, 여기서 토크 제한율은 모터 온도에 따라 설정된 백분율 값으로, 모터 보호를 위해 토크를 감소시키는 백분율임)이다.

상기 운전자 요구토크는 운전자 APS 입력에 따라 차량을 가속시키기 위해 엔진과 모터의 합으로 충족시켜야 하는 토크이며, 운전점 결정부의 엔진 토크 명령은 현재 차속, APS, 변속비, SOC 등의 정보를 종합하여 시스템을 가장 효율적으로 운용하기 위한 값으로 계산된다.

통상의 하이브리드 차량에서 운전자 요구토크는 차량 제어기의 운전자 요구토크 계산부가, 토크 명령은 운전점 결정부가 연산을 수행하고, 운전점 결정부에 의해 연산된 토크 명령이 전달되면 엔진 제어기와 모터 제어기가 차량 제어기와의 협조 제어하에 엔진 및 모터의 토크 제어를 수행하게 된다.

한편, 본 발명에서는 모터 온도가 미리 설정된 모터 보호 임계 온도를 초과하게 되면, 기본적으로 EV 모드로의 진입은 금지되고(S12), 이어 배터리 SOC에 따라 모터 보호 영역에서의 토크 제어가 달리 수행된다.

즉, 모터 온도를 기준으로 모터 보호 영역으로 진입한 상태에서, 현재의 SOC가 미리 설정된 최소 SOC 기준치 이상인 경우, 회생제동은 금지되고(S15), 도 5b에 나타낸 바와 같이, 엔진 최대 토크와 운전자 요구토크 중 최소값을 사용하여 엔진 출력 토크를 제어하며, 결국 엔진 최대 토크 한도 내에서 엔진 토크로 최대한 운전자 요구토크를 충족시키는 엔진 토크 제어가 수행된다(S16).

이때 모터에 대해서는 운전자 요구토크와 엔진 토크의 차이 값과 모터 최대 토크 중 최소값을 사용하여 모터의 출력 토크 제어가 수행되며(S18), 운전자 요구토크가 엔진 최대 토크를 초과하는 경우에서 모터가 엔진 토크로 충족시키지 못하는 요구토크만을 모터 최대 토크 한도 내에서 보조하게 된다(모터의 토크 보조).

이와 같이 모터 보호 영역에서 배터리 SOC가 임계치인 최소 SOC 기준치 이상인 상태에서는 엔진으로 요구토크를 최대한 만족시켜 모터에 의한 배터리 충전은 허용되지 않으며(배터리 충전 금지), 엔진 최대 토크 한도 내에서 운전자 요구토크를 만족시키지 못하는 경우에 대해서만 모터의 토크 보조를 허용하여 부족한 토크 를 충족시킨다.

반면, 모터 보호 영역에 진입한 상태에서, 현재의 배터리 SOC가 미리 설정된 최소 SOC 기준치 미만으로 낮은 저 충전상태인 경우, 도 5c에 나타낸 바와 같이, 엔진은 최대 토크 한도 내에서 운전자 요구토크와 운전점 결정부의 토크 명령(최적 운전점에 의거 계산된 토크 명령) 중 최대값을 취하여 엔진의 출력 토크를 제어한다(S14). 이때 운전자 요구토크가 엔진 최대 토크를 초과하는 경우에서 엔진 최대 토크로 엔진 토크를 제어하며, 이 경우에서만 모터의 토크 보조를 허용한다.

요컨대 운전자 요구토크와 운전점 결정부의 토크 명령 중 최대값과 엔진 최대 토크를 비교하여 이 중 최소값을 취하여 엔진의 출력 토크를 제어하는 것이며, 이를 식으로 표현하면 '엔진 토크 = min(엔진 최대 토크, max(운전자 요구토크, 운전점 결정부의 토크 명령))'이 된다.

모터에 대해서는 운전자 요구토크와 엔진 토크의 차이 값과 모터 최대 토크 중 최소값을 사용하여 모터의 출력 토크 제어가 수행된다(S18).

이때 모터는 최대 토크 한도 내에서 토크 보조(방전)와 충전을 수행하며, 운전자 요구토크가 엔진 최대 토크를 초과하는 경우에서 엔진 토크로 충족시키지 못하는 요구토크만을 모터 최대 토크 한도 내에서 토크 보조를 수행하고, 엔진의 출력 토크가 운전자 요구토크를 초과하는 경우에서 여분의 엔진 출력은 모터 발전에 사용되어 배터리를 충전시킨다.

이와 같이 모터 보호 영역에서 배터리의 저 충전상태에서는 최대한 엔진으로 요구토크를 만족시키되, 엔진 토크로 요구토크를 충족시키지 못하는 경우에서 부족 한 부분에 대한 토크 보조를 하도록 모터를 제어하고, 엔진 토크가 요구토크를 초과할 경우에는 여분의 엔진 출력으로 모터를 발전 구동시켜 배터리를 충전시킨다.

상기와 같은 모터 보호 영역에서의 토크 제어는 동력 성능 저하와는 무관한 것으로, 모터 보호 영역 설정 및 상기한 모터 보호 영역에서의 토크 제어를 통한 적극적 모터 온도 관리에 의해 모터 과열이 방지될 수 있고, 동력 성능의 저하 현상을 최대한 억제하여 운전성을 향상시킬 수 있게 된다.

도 1은 모터 토크의 순간 최대 정격과 연속 정격을 보여주는 도면,

도 2는 종래기술에서 임계 온도 초과시 최대 토크를 점진적으로 감소시키는 디레이팅(Derating) 영역을 나타낸 토크 제한 선도,

도 3은 본 발명에 따른 하이브리드 차량의 토크 제어 방법을 나타낸 순서도,

도 4는 본 발명에 따른 하이브리드 차량의 토크 제어 방법에서 모터 보호 영역의 설정 예를 보여주는 토크 제한 선도,

도 5a ~ 도 5c는 본 발명에 따른 하이브리드 차량의 토크 제어 방법에 의거 모터 온도 및 SOC 상태에 따라 엔진 토크 및 모터 토크가 제어되는 예를 보여주는 토크 선도.

Claims (4)

1. 구동모터의 온도를 모니터링하는 단계와;

   상기 구동모터의 온도를 참조하여 최대 토크를 감소시키는 디레이팅 영역과 그 이전의 과도 구간으로 설정된 모터 보호 영역으로의 진입 여부를 판단하는 단계와;

   상기 모터 보호 영역의 진입을 판단한 상태에서, 배터리 SOC가 최소 SOC 기준치 이상이면, 엔진 최대 토크 한도 내에서 엔진 토크로 운전자 요구토크를 충족시키도록 엔진 토크의 제어를 수행하는 동시에, 운전자 요구토크가 엔진 최대 토크를 초과하는 경우에서 토크 보조를 위한 모터 토크 제어를 수행하는 단계;

   를 포함하는 구동모터 과열 방지를 위한 하이브리드 차량의 토크 제어 방법.
2. 청구항 1에 있어서,

   상기 모터 보호 영역의 진입 상태에서 EV 모드의 진입을 금지하는 것을 특징으로 하는 구동모터 과열 방지를 위한 하이브리드 차량의 토크 제어 방법.
3. 청구항 1에 있어서,

   상기 배터리 SOC가 최소 SOC 기준치 이상인 조건에서는 회생제동을 금지하는 것을 특징으로 하는 구동모터 과열 방지를 위한 하이브리드 차량의 토크 제어 방법.
4. 청구항 1에 있어서,

   상기 모터 보호 영역의 진입을 판단한 상태에서, 배터리 SOC가 최소 SOC 기준치 미만인 저 충전상태이면, 엔진 최대 토크 한도 내에서 운전자 요구토크와 운전점 결정부의 토크 명령 중 최대값으로 엔진 토크를 제어하는 동시에, 운전자 요구토크가 엔진 최대 토크를 초과하는 경우에서 토크 보조, 및 엔진 토크가 운전자 요구토크를 초과하는 경우에서 충전을 위한 모터 토크 제어를 수행하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 구동모터 과열 방지를 위한 하이브리드 차량의 토크 제어 방법.

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