KR20090108325A - 하이브리드 자동차의 비상 구동장치 및 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 하이브리드 자동차의 운행 중에 연료가 고갈되는 경우 배터리의 충전상태(State Of Charge ; SOC)가 허용하는 한계전압으로 모터를 비상 구동시켜 급유에 필요한 강제 주행을 제공하는 것이다.

본 발명은 ECU에 의해 제어되는 주동력원인 엔진, 인버터의 3상 교류전압으로 동작되는 보조 동력원인 모터, 배터리의 충전상태 및 출력 전류량을 관리하는 BMS, 엔진 및 모터의 출력토크를 합산하여 TCU에 의해 제어되는 변속기에 인가하는 클러치를 포함하며, BMS의 제어에 따라 설정된 소정의 방식으로 배터리의 충전상태를 지시하는 표시부, 연료의 고갈로 엔진 시동이 불가능 조건에서 비상구동을 검출하는 비상구동선택부, 비상구동이 검출되면 상기 클러치를 단속하여 엔진과 모터의 동력 연결을 차단하고, 인버터를 통해 배터리의 전압만으로 모터를 동작시켜 비상주행을 실행하는 HCU/MCU를 더 포함한다.

하이브리드 자동차, 배터리 전압, 모터, 비상구동, 클러치

Description

하이브리드 자동차의 비상 구동장치 및 방법{Apparatus for emergency driving of hybrid electric vehicle and method thereof}

본 발명은 하이브리드 자동차에 관한 것으로, 더 상세하게는 운행 중에 연료가 고갈되는 경우 배터리의 충전상태(State Of Charge ; SOC)가 허용하는 한계전압으로 모터를 비상 구동시켜 급유에 필요한 강제 주행이 제공되는 하이브리드 자동차의 비상 구동장치 및 방법에 관한 것이다.

하이브리드 자동차는 주동력원으로 동작되는 엔진과 배터리로 동작되어 주동력원을 보조하는 모터가 적용되어 주행 상황에 따라 두 동력원이 각각의 특성을 발휘할 수 있는 영역에서 작동되어 높은 에너지 효율과 배기가스의 절감을 제공한다.

하이브리드 자동차는 엔진에 큰 부하가 걸리는 발진/가속 및 등판 주행에서는 하이브리드 모드로 동작되어 모터가 엔진의 출력토크를 보조한다.

그러나, 정속 주행에서는 엔진모드나 모터모드 혹은 하이브리드 모드로 동작되어 엔진만의 출력토크나 모터만의 출력토크 혹은 엔진과 모터의 출력토크의 합으로 주행된다.

하이브리드 자동차는 주행 중에서 브레이크 페달에 의한 제동 제어가 실행되 면 엔진의 출력토크를 보조하는 모터는 회생제동 모드(Regeneration Mode)로 진입되어 발전기로 전환되며, 제동 제어에 따라 버려지는 감속 에너지를 회생시켜 배터리를 충전시킨다.

하이브리드 자동차는 운전의 편의성을 중요시하는 운전자의 요구에 따라 통상적으로 자동변속기 혹은 무단변속기가 적용된다.

최근 들어 하이브리드 자동차에는 원가 절감과 변속기에 전달되는 토크의 손실을 최소화하기 위하여 토크 컨버터 대신에 엔진과 모터의 사이에 엔진의 출력 토크를 단속하는 엔진 클러치가 장착된다.

따라서, 하이브리드 자동차가 엔진모드로 동작되면 엔진 + 엔진 클러치 + 변속기 + 구동륜의 동력전달 구조를 갖고, 하이브리드 모드로 동작되면 엔진 + 엔진 클러치 + 모터 + 변속기 + 구동륜의 동력전달 구조를 갖는다.

상기한 특징을 갖는 하이브리드 자동차를 운행함에 있어 운전자의 실수로 연료를 충분하게 급유하지 않은 상태에서 운행하는 도중에 연료가 고갈되는 경우 더 이상의 운행이 불가하여 심각한 봉착하게 된다.

따라서, 이와 같이 주행 중에 연료가 고갈되면 자동차를 주차시킨 다음 주변에 위치되어 있는 주유소를 찾아 연료를 보충하거나 보험사 등에 연락하여 긴급 급유 서비스를 제공받고 있다.

그러나, 연료의 보충이 이루어지지 전까지는 실질적으로 운행이 불가능하여 운전자에게 많은 불편함과 안정성을 위협하는 문제점이 발생한다.

본 발명은 상기한 문제점을 해결하기 위하여 발명한 것으로, 그 목적은 운행 중에 연료가 고갈되어 엔진이 정지되면, 운전자에 의한 비상구동의 선택으로 배터리의 충전상태가 허용하는 전압의 한계에서 모터를 강제로 구동시켜 급유를 위한 비상 주행이 제공되도록 하는 것이다.

또한, 비상주행이 제공되는 상태에서 모터의 전압 소모량 및 배터리의 충전상태를 모니터링함으로써, 비상구동을 보다 안정적으로 선택 및 제어하는 것이다.

상기한 목적을 실현하기 위한 본 발명의 특징에 따른 하이브리드 자동차는,

ECU에 의해 제어되는 주동력원인 엔진과;

인버터의 3상 교류전압으로 동작되는 보조 동력원인 모터;

배터리의 충전상태 및 출력 전류량을 관리하는 BMS;

엔진 및 모터의 출력토크를 합산하여 TCU에 의해 제어되는 변속기에 인가하는 클러치를 포함하며,

BMS의 제어에 따라 설정된 소정의 방식으로 배터리의 충전상태를 지시하는 표시부;

연료의 고갈로 엔진 시동이 불가능 조건에서 비상구동을 검출하는 비상구동선택부;

비상구동이 검출되면 상기 클러치를 단속하여 엔진과 모터의 동력 연결을 차단하고, 인버터를 통해 배터리의 전압만으로 모터를 동작시켜 비상주행을 실행하는 HCU/MCU를 더 포함한다.

또한, 본 발명에 따른 하이브리드 자동차의 비상 구동방법은,

하이브리드 자동차가 엔진 시동이 불가능한 연료 고갈의 상태에서 비상구동이 선택되는지 판단하는 과정;

비상구동이 선택되면 엔진과 모터의 동력연결을 차단하고 배터리의 전압으로 모터를 동작시켜 비상 주행을 유지하는 과정을 포함한다.

전술한 구성에 의하여 본 발명은 하이브리드 자동차의 운행 중에 연료가 고갈되더라도 급유를 위한 비상 주행이 가능하고, 비상구동을 안정적으로 제어하여 운전자에게 안전과 편의성을 제공하는 효과를 기대할 수 있다.

아래에서는 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다.

본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으므로 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않으며, 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 하이브리드 자동차의 비상 구동장치를 도시한 블록도이다.

도시된 바와 같이, 본 발명은 운전요구 검출부(101)와 ECU(102), TCU(103), 배터리(104), BMS(105), 표시부(106), 인버터(107), HCU/MCU(108), 비상구동선택부(109), 엔진(200), 클러치(210), 모터(300), 변속기(400)를 포함한다.

운전요구 검출부(101)는 운전자에 의한 가속페달의 변위, 브레이크 페달의 변위, 인히비터 스위치의 위치를 포함하는 운행요구의 정보를 검출하여 최상위 제어기인 HCU/MCU(108)에 제공한다.

ECU(102)는 상기 HCU/MCU(108)를 통해 인가되는 운전요구 검출부(10)의 검출신호에 따라 엔진(90)의 제반적인 동작을 제어한다.

또한, 연료탱크에 수용된 연료량의 정보를 검출하여 표시부(106)에 구비되는 지시수단을 통해 현재의 연료량을 표시한다.

TCU(103)는 최상위 제어기인 HCU/MCU(108)와 상호 통신하며, 현재의 차속과 기어비, 유온, 운전요구 등의 정보를 종합하여 변속기(400)의 출력토크 조절에 대한 전반적인 동작을 제어한다.

배터리(104)는 하이브리드 모드에서 모터(300)에 전압을 공급하여 모터(300)의 동작을 통해 엔진(200)의 출력토크를 보조하며, 제동 제어에서 발전기로 동작하는 모터(300)의 회생 에너지를 회수하여 충전된다.

BMS(105)는 상기 배터리(104)의 전압, 전류, 온도 등의 정보를 종합 검출하여 배터리(104)의 충전상태를 관리 제어하며, 배터리(104)의 충방전 전류량을 제어하여 한계전압 이하로 과방전되거나 한계전압 이상으로 과충전되지 않도록 한다.

표시부(106)는 클러스터에 구비되는 표시수단으로 BMS(105)에서 인가되는 신호에 따라 배터리(104)의 충전상태를 게이지나 숫자 등을 포함하는 설정된 소정의 방식으로 표시한다.

인버터(107)는 IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor) 스위치 소자로, 최상위 제어기인 HCU/MCU(108)에서 인가되는 PWM(Pulse Width Modulation)신호에 따라 배터리(104)의 직류전압을 3상 교류전압으로 변환시켜 모터(300)를 구동시킨다.

HCU/MCU(108)는 운전자의 주행요구에 따라 각 제어기들을 통합 제어하여 엔진(200)과 모터(300)의 출력 토크를 제어하여 하이브리드 자동차의 전반적인 거동을 제어한다.

비상구동선택부(109)는 운전자에 의해 선택되는 비상 스위치로, 운행 중에 연료가 고갈되거나 비상 구동이 필요한 경우에 선택되어져 그에 대한 정보를 운전요구 검출부(101)에 제공한다.

상기 HCU/MCU(108)는 연료의 고갈에 따라 엔진(200)의 작동이 불가능한 상황에서 비상 스위치인 비상구동선택부(109)가 선택되면 클러치(210)를 작동시켜 엔진(200)과 모터(300)간의 동력 연결을 차단시키고, 인버터(107)를 제어하여 배터리(104)의 직류전압을 3상 교류전압으로 변환시켜 모터(300)에 공급함으로써, 모터(300)를 동작시켜 비상구동을 실행한다.

상기 HCU/MCU(108)는 모터(300)의 비상구동에 대하여 BMS(105)로 관리되는 배터리(104)의 충전상태에서 허용되는 한계전압으로 비상구동을 유지한다.

엔진(200)은 상위 제어기인 HCU/MCU(106)의 제어를 받는 ECU(102)의 제어에 의해 그 출력이 제어되며, 도시되지 않은 ETC(Electric Throttle Control)를 통해 흡입 공기량이 조정된다.

모터(300)는 상기 HCU/MCU(108)의 제어에 따라 인버터(107)를 통해 3상 교류전압으로 인가되는 배터리(104)의 전압에 의해 구동되어 엔진(200)의 출력 토크를 지원한다.

클러치(210)는 엔진(200)과 모터(300)의 사이에 배치되며, TCU(103)의 요청에 따라 HCU/MCU(108)의 제어에 의해 동작되어 엔진(200)의 출력토크와 모터(300)의 출력토크를 합산하여 변속기(400)에 인가한다.

변속기(400)는 상기 TCU(103)의 제어에 따라 변속비가 조정되며, 클러치(210)를 통해 합산되어 인가되는 출력토크를 조정되는 변속비로 분배하여 구동륜(500)에 전달시켜 자동차가 주행될 수 있도록 한다.

상기 변속기(400)는 통상적으로 자동변속기 혹은 무단변속기로 적용된다.

전술한 바와 같은 기능을 포함하여 구성되는 본 발명에 따른 하이브리드 자동차에서 비상구동에 대한 동작을 설명하면 다음과 같다.

도 2는 본 발명의 실시예에 따른 하이브리드 자동차에서 비상 구동을 제어하는 흐름도이다.

운전요구검출부(101)에 검출되는 운전요구에 따라 HCU/MCU(108)가 CAN통신으로 연결되는 하위 제어기들을 통합 제어하여 엔진(200) 및 모터(300)의 동작시킴으로써 운행상태를 유지한다(S101).

이때, ECU(102)는 도시되지 않은 연료탱크에 급유된 연료량을 검출하여(S102) 연료의 고갈로 인해 엔진(200)의 시동이 불가능하여 토크출력을 발생시킬수 없는 상태인지를 판단한다(S103).

상기 S103의 판단에서 연료탱크에 엔진(200)의 시동 유지가 가능한 연료량이 존재하는 상태이면 HCU/MCU(108)는 현재의 엔진모드 혹은 하이브리드 모드에 따라 엔진(200) 및 모터(300)의 출력토크를 제어하여 정상적인 운행을 유지한다(S111).

그러나, 상기 S103의 판단에서 연료탱크에 급유된 연료량이 고갈되어 엔진(200)의 시동이 불가능한 상태이면 HCU/MCU(108)는 운전요구 검출부(101)를 통해 인가되는 비상구동선택부(109)의 신호를 분석하여 비상구동이 선택되는지를 판단한다(S104).

상기 S104에서 비상구동선택부(109)의 비상구동이 선택되면 HCU/MCU(108)는 모터(300)만의 모드로 전환한 다음(S105) 클러치(210)를 제어하여 엔진(200)과 모터(300)간의 동력 연결을 차단한다(S106).

상기 클러치(210)의 동력 연결차단은 모터(300)의 작동으로 비상구동을 실행할 때 엔진(200)이 부하요소로 작동되지 않도록 하기 위함이다.

또한, 상기 HCU/MCU(108)는 TCU(103)를 통해 변속기(400)의 변속단을 1속으로 계합시킨다.

상기와 같이 엔진(200)과 모터(300)의 동력 연결을 차단하고, 변속기(400)의 변속단을 1속으로 계합시킨 상태에서 HCU/MCU(108)는 인터버(107)를 통해 배터리(104)의 직류전압을 3상교류전압으로 변환시켜 모터(300)를 작동시킨다(S107).

따라서, 배터리(104)의 전압으로 동작되는 모터(300)의 출력토크는 변속기(400)에 전달되어 구동륜(500)을 회전시키므로, 비상주행이 가능하게 된다.

이때, 모터(300)에 공급되는 배터리(104)의 전압은 BMS(105)의 관리에 따라 충전상태의 한계전압으로 공급되어 배터리(104)의 과방전 및 이에 따른 파손을 사전에 예방하여 준다.

또한, 상기 BMS(105)는 모터(300)를 동작시키는 배터리(104)의 충전상태를 표시부(106)에 설정된 방식으로 표시하여 운전자에게 지시한다(S108).

상기와 같이 모터(300)만의 동작으로 비상 주행이 유지되는 상태에서 ECU(102)는 연료보충이 이루어졌는지를 판단한다(S109).

상기 S109에서 연료의 보충이 이루어지지 않았으면 상기 S107의 과정으로 리턴하여 모터(300)에 의한 비상주행을 배터리(104)의 허용 한계전압의 범위에서 지속한다.

그러나, 연료의 보충이 이루어졌으면 HCU/MCU(108)는 하위 제어기들을 통합 제어하는 정상 동작으로 복귀하여 엔진(200)만의 출력토크로 주행을 유지하는 엔진모드 혹은 엔진(200) 및 모터(300)의 출력토크를 합산한 하이브리드 모드로 운행을 유지한다(S110).

이상에서 본 발명의 실시예에 대하여 상세하게 설명하였지만 본 발명의 권리범위는 이에 한정되는 것은 아니고 다음의 청구범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 발명의 권리범위에 포함된다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 하이브리드 자동차의 비상 구동장치를 도시한 구성도이다.

도 2는 본 발명의 실시예에 따른 하이브리드 자동차에서 비상 구동을 제어하는 흐름도이다.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

101 : 운전요구 검출부 102 : ECU

103 : TCU 104 : 배터리

105 : BMS 106 : 표시부

107 : 인버터 108 : HCU/MCU

109 : 비상구동선택부 200 : 엔진

210 : 클러치 300 : 모터

400 : 변속기 500 : 구동륜

Claims (7)

1. ECU에 의해 제어되는 주동력원인 엔진과;

   인버터의 3상 교류전압으로 동작되는 보조 동력원인 모터;

   배터리의 충전상태 및 출력 전류량을 관리하는 BMS;

   엔진 및 모터의 출력토크를 합산하여 TCU에 의해 제어되는 변속기에 인가하는 클러치를 포함하며,

   BMS의 제어에 따라 설정된 소정의 방식으로 배터리의 충전상태를 지시하는 표시부;

   연료의 고갈로 엔진 시동이 불가능 조건에서 비상구동을 검출하는 비상구동선택부;

   비상구동이 검출되면 상기 클러치를 단속하여 엔진과 모터의 동력 연결을 차단하고, 인버터를 통해 배터리의 전압만으로 모터를 동작시켜 비상주행을 실행하는 HCU/MCU를 더 포함하는 하이브리드 자동차의 비상 구동장치.
2. 제1항에 있어서,

   상기 HCU/MCU는 비상구동이 검출되면 TCU를 제어하여 변속단을 1속으로 계합시키는 하이브리드 자동차의 비상 구동장치.
3. 제1항에 있어서,

   상기 HCU/MCU는 배터리의 충전상태를 모니터링하여 허용 한계전압의 범위에서 모터의 비상구동을 제어하는 하이브리드 자동차의 비상 구동장치.
4. 하이브리드 자동차가 엔진 시동이 불가능한 연료 고갈의 상태에서 비상구동이 선택되는지 판단하는 과정;

   비상구동이 선택되면 엔진과 모터의 동력연결을 차단하고 배터리의 전압으로 모터를 동작시켜 비상 주행을 유지하는 과정을 포함하는 하이브리드 자동차의 비상 구동방법.
5. 제4항에 있어서,

   상기 모터의 동작으로 비상 주행이 유지되는 상태에서 배터리의 충전상태를 모니터링하여 표시부를 통해 지시하는 과정을 더 포함하는 하이브리드 자동차의 비상 구동방법.
6. 제4항에 있어서,

   상기 모터에 의한 비상주행은 배터리의 허용 한계전압의 범위내에서 실행되는 하이브리드 자동차의 비상 구동방법.
7. 하이브리드 차량에 있어서,

   연료고갈 상태에서 비상구동 선택을 검출하는 기능;

   비상구동 선택에 따라 엔진과 모터의 동력 연결을 차단하여 모터만의 모드로 전환하는 기능;

   배터리의 전압으로 모터를 강제 구동시키는 기능을 포함하는 프로그램이 HCU/MCU에 기록되는 하이브리드 자동차의 비상 구동방법.

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