KR20100011727A - 하이브리드 차량의 클러치 상태 판정 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 하이브리드 차량의 엔진 클러치 상태 판정 방법에 관한 것으로서, 클러치 유압과 리턴 스프링 반발압력, 클러치 양단의 속도차, 클러치 입력 토크 및 출력 토크, 클러치 토크 용량 등을 이용하여 오픈(Open), 슬립(Slip), 락-업(Lock-up) 상태로 구분되는 엔진 클러치의 현재 상태를 더욱 정확히 판정할 수 있도록 함으로써, 차량 제어기(HCU) 내에서 계산된 운전점의 정확한 구현과 클러치 제어를 포함한 기타 제어 시퀀스의 정확도 향상을 가능하게 하며, 이를 통해 각종 제어 효율성을 향상시킬 수 있는 하이브리드 차량의 클러치 상태 판정 방법에 관한 것이다.
하이브리드, 클러치, 오픈, 슬립, 락업, 클러치 유압, 리튼 스프링 반발압력, 델타 RPM, 클러치 토크 용량

Description

하이브리드 차량의 클러치 상태 판정 방법{Clutch state estimation method for hybrid electric vehicle}
본 발명은 하이브리드 차량의 엔진 클러치 상태 판정 방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 하이브리드 차량에서 오픈(Open), 슬립(Slip), 락-업(Lock-up) 상태로 구분되는 엔진 클러치의 현재 상태를 더욱 정확히 판정할 수 있는 방법에 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 연비 향상을 도모할 수 있는 미래형 차량으로, 연비를 개선하고 환경친화적인 제품을 개발해야 한다는 시대적 요청에 부응하여 더욱 활발한 연구가 진행되고 있다.
하이브리드 차량에서는, 도 1에 도시된 바와 같이, 엔진(10), 전기모터(구동모터)(20), 자동변속기(30)가 일렬로 배열되는 레이아웃을 가진다. 특히, 엔진(10)과 구동모터(20)는 엔진 클러치(50)를 개재한 상태로 동력 전달 가능하게 연결되고, 구동모터(20)와 자동변속기(30)는 서로 직결된다. 또한 시동시 엔진(10)으로 회전력을 제공하는(즉, 크랭킹 토크를 출력하는) 통합형 시동발전기, 즉 ISG(Integrated Starter & Generator)(40)가 상기 엔진(10)에 연결되어 구비된다.
이러한 구성에서 차량 출발시나 저속 주행시에는 구동모터(20)에 의해서만 구동력을 얻게 되는데, 초기 출발시에는 엔진 효율이 모터 효율에 비해 떨어지기 때문에 엔진(10)보다는 효율이 좋은 구동모터(20)를 사용하여 차량의 초기 출발(차량 발진)을 시작하는 것이 차량의 연비 측면에서 유리하다. 차량 출발 후에는 ISG(40)가 엔진(10)을 시동하여 엔진 출력과 모터 출력을 동시에 이용할 수 있도록 한다.
이와 같이 하이브리드 차량은 구동을 위해 구동모터(20)의 회전력만을 이용하는 순수 전기자동차 모드인 EV(Electric Vehicle) 모드, 및 엔진(10)의 회전력을 주동력으로 하면서 구동모터(20)의 회전력을 보조동력으로 이용하는 HEV(Hybrid Electric Vehicle) 모드 등의 운전모드로 주행하며, ISG(40)에 의한 엔진(10)의 시동(Cranking)으로 EV 모드에서 HEV 모드로의 모드 변환이 이루어진다.
하이브리드 차량에서 EV 모드와 HEV 모드 간의 모드 변환은 주요한 기능 중의 하나로서, 하이브리드 차량의 운전성, 연비, 동력성능에 영향을 끼치는 요소이 다. 특히, 엔진(10), 구동모터(20), 자동변속기(30), ISG(40), 클러치(50)가 포함된 하이브리드 시스템에서는 보다 정교한 모드 변환 제어가 필수적이며, 주행 상황에 맞는 최적의 모드 변환 알고리즘이 필요하다.
상기한 시스템의 모드 변환 제어는 클러치 제어가 주요한 요소이다. 예컨대, EV 모드에서 HEV 모드로의 변환시에 엔진 클러치의 슬립 및 동기화 등의 제어가 필요하며, 엔진 클러치의 정확한 제어는 하이브리드 차량의 운전성과 동력성능을 크게 좌우한다.
상기와 같이 클러치의 정확한 제어를 위해서는 현재의 클러치 상태를 정확히 감지하는 것이 무엇보다 중요하다. 수동변속기 차량의 경우에는 부하 판정을 위해 EMS(Engine Management System)에서 클러치 페달의 열림/닫힘 정도를 판단하고 있고, 슬립 상황은 운전자에 의해 임의로 만들어지는 상황이므로 제어기 자체의 판단은 필요 없다.
그러나, 자동변속기 차량의 경우에는 오픈(Open), 슬립(Slip), 락-업(Lock-up) 등 현재의 클러치 상태를 정확히 판정해야만 슬립 및 동기화 제어 등 클러치의 정확한 제어가 가능해진다.
클러치 상태를 판정하기 위한 선행기술로는 일본공개특허 2005-195170, 일본공개특허 2002-266895, 일본공개특허 평6-160242 등이 있다. 현재의 클러치 유압 및 클러치 양단의 입/출력 속도를 비교하여 판단하는 방법이 있으나, 압력센서 등과 같은 추가적인 하드웨어가 필요하며, 이는 원가 상승의 요인이 된다.
또한 유압의 절대량 및 클러치 양단의 속도 차이[델타(delta) RPM)]를 이용 하여 클러치 상태를 판정하는 방법이 있으나, 클러치 양단에 붙어 있는 작동기구(예, 리턴 스프링)의 특징에 따라 속도 떨림이 심하게 발생할 수 있고, 이러한 속도 떨림으로 인해 정확한 클러치 상태 판단이 불가하다. 예컨대, 클러치 양단의 설정압력(리턴 스프링의 반발압력)이 보다 낮은 범위에서도 락-업 상태가 감지될 수 있다.
따라서, 본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 발명한 것으로서, 하이브리드 차량에서 압력센서와 같은 부가적인 하드웨어의 추가 없이 오픈(Open), 슬립(Slip), 락-업(Lock-up) 상태로 구분되는 엔진 클러치의 현재 상태를 더욱 정확히 판정할 수 있는 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
상기한 목적을 달성하기 위해, 본 발명은,
하이브리드 차량에서 엔진 클러치의 현재 상태를 판정하기 위한 방법에 있어서,
현재의 클러치 유압, 클러치 양단의 작동기구인 리턴 스프링의 반발압력, 클러치 양단의 속도차, 클러치 입력 토크 및 출력 토크, 및 클러치 토크 용량을 기초로 하여 엔진 클러치의 오픈(Open), 슬립(Slip), 락-업(Lock-up) 상태를 판정하는 것을 특징으로 한다.
바람직한 실시예에서, 클러치의 오픈 상태에서 초기 충전상태로 실제 클러치 유압이 리턴 스프링 반발압력을 초과하게 될 경우 클러치 슬립 상태로 전환됨을 판정하는 것을 특징으로 한다.
또한 클러치의 슬립 상태에서 실제 클러치 유압이 리턴 스프링 반발압력 이하이고 이러한 상태가 미리 설정된 기준시간1 동안 유지되는 경우 클러치 오픈 상 태로 전환됨을 판정하는 것을 특징으로 한다.
또한 클러치의 슬립 상태에서 클러치 양단의 속도 차이(ΔRPM)가 미리 설정된 임계값1 이하인 조건, 실제 클러치 유압이 리턴 스프링 반발압력을 초과하는 조건, 및 클러치의 '입력 토크(Tq_in) - 출력 토크(Tq_out)'가 클러치 토크 용량(Tc) 이하인 조건을 모두 만족하면서 미리 설정된 기준시간2 동안 유지되는 경우 클러치 락-업 상태로 전환됨을 판정하는 것을 특징으로 한다.
또한 클러치의 락-업 상태에서 클러치 양단의 속도 차이(ΔRPM)가 미리 설정된 임계값1을 초과하거나, 실제 클러치 유압이 리턴 스프링 반발압력 이하이거나, 클러치의 '입력 토크(Tq_in) - 출력 토크(Tq_out)'가 클러치 토크 용량(Tc)을 초과하는 경우에는 슬립 상태로 전환됨을 판정하는 것을 특징으로 한다.
이에 따라, 본 발명에 따른 하이브리드 차량의 클러치 상태 판정 방법에 의하면, 클러치 유압과 리턴 스프링 반발압력, 클러치 양단의 속도차, 클러치 입력 토크 및 출력 토크, 클러치 토크 용량 등을 이용하여 엔진 클러치의 상태를 더욱 정확히 판정할 수 있게 됨으로써, 차량 제어기(HCU) 내에서 계산된 운전점의 정확한 구현과 더불어 클러치 제어를 포함한 기타 제어 시퀀스의 정확도 향상을 가능하게 하며, 이를 통해 각종 제어 효율성을 향상시킬 수 있게 된다. 특히, 압력센서와 같은 부가적인 하드웨어의 추가 없이 클러치의 정확한 상태 판정이 가능한 장점이 있다.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명에 대해 더욱 상세히 설명하면 다음과 같다.
본 발명은 하이브리드 차량의 클러치 상태 판정 방법에 관한 것으로서, 클러치 유압의 절대량, 클러치 양단의 속도 차이[델타(delta) RPM)]뿐만 아니라 클러치 전달 가능 토크 용량 계산 및 기타 추가적인 추정 알고리즘을 사용하여, 오픈(Open), 슬립(Slip), 락-업(Lock-up) 등의 엔진 클러치 상태를 정확히 판정할 수 있도록 한 하이브리드 차량의 클러치 상태 판정 방법에 관한 것이다.
이하, 본 발명의 명확한 이해를 위해 클러치 상태는 다음과 같이 정의하기로 한다.
- 클러치 오픈(Open) : 엔진 클러치 양단의 입력축과 출력축이 서로 간섭을 받지 않으며, 클러치가 물리적으로 떨어져 있는 상태.
- 슬립(Slip) : 클러치가 마찰을 시작하며, 클러치 양단의 속도 차이[델타(delta) RPM)]가 일정 값 이상이 되는 상태.
- 락-업(Lock-up) : 클러치 양단의 속도 차이가 없으며, 입력축으로 인가된 토크가 출력축으로 100% 전달되는 상태임.
엔진 클러치의 정확한 제어를 위해서는 오픈, 슬립, 락-업 등 현재의 클러치 상태를 정확히 인지해야 하며, 이를 위해 엔진 클러치의 상태 정의가 반드시 필요하다.
예를 들면, 클러치 슬립 없이 입/출력 속도를 동기화시켜 결합해야 하는 경우 현재 클러치 상태는 오픈 상태이어야 하고, 클러치 락-업이 판단된 경우에만 차량 제어기(Hybrid Control Unit, HCU)의 최적 운전 알고리즘에 의해 계산된 엔진 토크가 전달되도록 제어할 수 있다.
또한 기타 클러치 제어를 위한 스케줄링(Scheduling)을 위해서는 클러치의 정확한 현재 상태 정보가 필요하다. 이와 같이 클러치의 정확한 현재 상태 정보는 하이브리드 차량의 'EV 모드 ↔ HEV 모드' 간 변환 제어에 반드시 필요한 정보이다.
첨부한 도 2는 본 발명에 따른 클러치 상태 판정 방법을 나타내는 도면으로서, 우선 본 발명의 명확한 이해를 위해 사용되는 용어를 다음과 같이 설명하기로 한다.
- 리턴 스프링 반발압력 : 클러치 내 작동기구인 리턴 스프링의 반발력(Return Spring Force)으로서, 리턴 스프링 반발압력까지 압력을 인가하지 않는 경우에는 클러치 면 접촉이 일어나지 않는다.
- 초기 충전(Initial Fill) : 초기 클러치 피스톤의 빈 공간을 채우기 위해 최대 유압을 인가하는 제어 구간으로서, 최대 유압을 인가하나 클러치 면의 접촉은 일어나지 않는다. 초기 충전은 클러치가 오픈된 상태로 일정시간이 경과할 때 작동 유체가 구석구석 채워져 있지 않은 상태가 되는 것을 방지하여, 유압을 조금만 더 가하면 클러치가 마찰하기 시작하는 상태로 만드는 역할을 한다. 통상 클러치 유압 제어에 있어서 엔진 시동 동안 클러치 결합 요구 판단시에 클러치 제어기[또 는 변속기 제어기(TCU)]가 클러치의 빈 간격에 작동 유체를 적절히 채워넣는 초기 충전 제어를 수행한 뒤, 클러치 유압을 리턴 스프링 반발압력만큼 유지시킨다(클러치가 토크를 전달하기 직전인 리턴 스프링의 반발력만큼의 클러치 유압을 유지).
- 델타 RPM(Δrpm) : 클러치 양단의 속도 차이로서, 클러치 슬립량을 나타내며, We[엔진 속도]-Wm[모터 속도]로 계산될 수 있다. 클러치 양단에 붙어 있는 작동기구의 특징에 따라 속도 떨림이 심할 수 있는데, 이를 방지하기 위해 무빙 애버리지 알고리즘(Moving Average Algorithm)을 사용하여 속도 떨림을 방지할 수 있다.
- 클러치 토크 용량(Tc) : 클러치 전달 토크로서, 잘 알려진 클러치 전달 토크 계산식을 이용하여 계산될 수 있으며, 쿨롱마찰 전달 토크(Coulomb Friction Transfer Torque, Tc)가 사용될 수 있다. 쿨롱마찰 전달 토크는 아래의 수학식 1에 나타낸 바와 같다.
쿨롱마찰 전달 토크(Tc) = nf×mu×Ap×(Ps-Pn)×bar2N/㎡×Rm×sgn(Δrpm)
여기서, nf: 클러치 마찰판 갯수(Number of Friction Paltes)
mu: 마찰계수, f(Δrpm, ATF Temp)
Ap: 클러치에 작용하는 유압 피스톤 면적(Area of Piston, [㎡])
Ps: 유압 응답을 고려한 클러치 압력(Clutch Pressure considering hydraulic response[bar])
Pn : 클러치의 리턴 스프링 힘(리턴 스프링 반발압력)(Return Spring Force, [bar])
Rm : 클러치 유효반경(Clutch Effective Radius, [m])
bar2N/㎡ : 100000(압력 단위를 토크 단위로 변환하기 위한 것임)
이하, 도 2를 참조하여 본 발명에 따른 클러치 상태 판정 방법을 상세히 설명하기로 한다.
우선, 제어기는 클러치 오픈 상태에서 초기 충전상태로 실제 클러치 유압이 리턴 스프링 반발압력을 초과하게 될 경우 클러치 슬립 상태로 전환됨을 판정하게 된다.
또한 클러치 슬립 상태에서 실제 클러치 유압이 리턴 스프링 반발압력 이하이고 이러한 상태가 미리 설정된 기준시간1 동안 유지되는 경우 클러치 오픈 상태로 전환됨을 판정하게 된다.
또한 슬립 상태에서 델타 RPM이 미리 설정된 임계값1 이하인 조건, 실제 클러치 유압이 리턴 스프링 반발압력을 초과하는 조건, 및 클러치의 '입력 토크(Tq_in) - 출력 토크(Tq_out)'가 클러치 토크 용량(Tc) 이하인 조건이 미리 설정된 기준시간2 동안 유지되는 경우 클러치 락-업 상태로 전환됨을 판정하게 된다.
또한 락-업 상태에서 델타 RPM이 임계값1을 초과하거나 실제 클러치 유압이 리턴 스프링 반발압력 이하이거나 또는 클러치의 '입력 토크(Tq_in) - 출력 토크(Tq_out)'가 클러치 토크 용량(Tc)을 초과하는 경우에는 슬립 상태로 전환됨을 판정하게 된다. 클러치 접속 요소간 락-업 상태에서 입력 토크와 출력 토크의 차가 클러치 토크 용량보다 커지게 되면 락-업 상태를 유지하지 못하고 슬립이 일어나게 되며, 이에 슬립 상태 판정을 하게 되는 것이다.
여기서, 리턴 스프링 반발압력은 작동기구로 사용된 해당 리턴 스프링에 대한 값으로서 클러치 상태 판정을 위해 미리 입력되는 값이고, 임계값1은 일정 범위를 미리 시험하여 최적치로 산출된 값으로서 이 역시 미리 설정 입력되는 값이다.
또한 클러치 유압, 클러치 초기 충전 여부, 클러치 입력 토크 및 출력 토크 등은 엔진 토크 제어 및 클러치 제어 과정에서 이미 널리 활용되고 있는 제어 변수이므로, 제어기가 이들 제어 변수를 이용할 수 있음은 당업자라면 쉽게 이해가 가능하다.
이와 같이 하여, 본 발명에서는 실제 클러치 유압과 리턴 스프링 반발압력, 클러치 양단의 속도, 클러치 입력 토크 및 출력 토크, 클러치 토크 용량 등을 이용하여 클러치 오픈, 슬립, 락-업 상태 등 현재의 엔진 클러치 상태를 정확히 판정할 수 있도록 구성됨으로써, 차량 제어(HCU) 내에서 계산된 운전점의 정확한 구현과 클러치 제어 등 기타 제어 시퀀스에 있어서 정확도를 보다 향상시킬 수 있고, 클러치 상태의 정확한 판정을 통한 각종 제어 효율성의 향상을 기대할 수 있게 된다.
도 1은 하이브리드 차량의 구성을 설명하는 개략도,
도 2는 본 발명에 따른 클러치 상태 판정 방법을 나타내는 도면.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
10 : 엔진 20 : 구동모터
30 : 자동변속기 40 : ISG
50 : 엔진 클러치

Claims (5)

  1. 하이브리드 차량에서 엔진 클러치의 현재 상태를 판정하기 위한 방법에 있어서,
    현재의 클러치 유압, 클러치 양단의 작동기구인 리턴 스프링의 반발압력, 클러치 양단의 속도차, 클러치 입력 토크 및 출력 토크, 및 클러치 토크 용량을 기초로 하여 엔진 클러치의 오픈(Open), 슬립(Slip), 락-업(Lock-up) 상태를 판정하는 것을 특징으로 하는 하이브리드 차량의 클러치 판정 방법.
  2. 청구항 1에 있어서,
    클러치의 오픈 상태에서 초기 충전상태로 실제 클러치 유압이 리턴 스프링 반발압력을 초과하게 될 경우 클러치 슬립 상태로 전환됨을 판정하는 것을 특징으로 하는 하이브리드 차량의 클러치 상태 판정 방법.
  3. 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,
    클러치의 슬립 상태에서 실제 클러치 유압이 리턴 스프링 반발압력 이하이고 이러한 상태가 미리 설정된 기준시간1 동안 유지되는 경우 클러치 오픈 상태로 전환됨을 판정하는 것을 특징으로 하는 하이브리드 차량의 클러치 상태 판정 방법.
  4. 청구항 1에 있어서,
    클러치의 슬립 상태에서 클러치 양단의 속도 차이(ΔRPM)가 미리 설정된 임계값1 이하인 조건, 실제 클러치 유압이 리턴 스프링 반발압력을 초과하는 조건, 및 클러치의 '입력 토크(Tq_in) - 출력 토크(Tq_out)'가 클러치 토크 용량(Tc) 이하인 조건을 모두 만족하면서 미리 설정된 기준시간2 동안 유지되는 경우 클러치 락-업 상태로 전환됨을 판정하는 것을 특징으로 하는 하이브리드 차량의 클러치 상태 판정 방법.
  5. 청구항 1 또는 청구항 4에 있어서,
    클러치의 락-업 상태에서 클러치 양단의 속도 차이(ΔRPM)가 미리 설정된 임계값1을 초과하거나, 실제 클러치 유압이 리턴 스프링 반발압력 이하이거나, 클러치의 '입력 토크(Tq_in) - 출력 토크(Tq_out)'가 클러치 토크 용량(Tc)을 초과하는 경우에는 슬립 상태로 전환됨을 판정하는 것을 특징으로 하는 하이브리드 차량의 클러치 상태 판정 방법.
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