KR20100056942A - 하이브리드 차량의 토크 저감 방법 - Google Patents

하이브리드 차량의 토크 저감 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 하이브리드 차량의 토크 저감 방법에 관한 것으로서, 변속시 또는 TCS 제어시 토크 저감을 수행함에 있어서 단일 동력원으로 토크 저감을 수행함에 의해 동력원 간 비동기에 의한 문제를 피할 수 있고, 토크 저감 결과를 보다 향상시킬 수 있는 하이브리드 차량의 토크 저감 방법에 관한 것이다. 이러한 본 발명은 TCU 및 TCS ECU 중 어느 하나 또는 둘로부터 토크 저감 신호를 입력받게 되면 클러치 상태를 판정하는 단계; 클러치가 오픈 상태이면, 상기 TCU 또는 TCS ECU의 토크 저감 신호를 참조하여 모터로 토크 저감을 수행하는 단계와; 클러치 오픈 상태가 아니면서 '토크 저감 신호 < ｜변속기 목표 입력 토크｜'이면 토크 저감을 수행하되, 여기서 '변속기 목표 입력 토크 > 0'이고 '토크 저감 신호 - 토크 저감 전 엔진 토크 명령'의 값이 모터 충전 제한 토크보다 크면, 모터로만 토크 저감을 수행하는 단계를 포함하여 구성된다.
하이브리드 차량, 토크 저감, 단일 동력원, TCU, TCS

Description

하이브리드 차량의 토크 저감 방법{Method for torque reduction of hybrid electric vehicle}
본 발명은 하이브리드 차량의 토크 저감 방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 변속시 또는 TCS 제어시 토크 저감을 수행함에 있어서 단일 동력원으로 토크 저감을 수행함에 의해 동력원 간 비동기에 의한 문제를 피할 수 있고, 토크 저감 결과를 보다 향상시킬 수 있는 하이브리드 차량의 토크 저감 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, 첨부한 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 엔진 클러치(50)가 오픈(Open)되어 있으면 구동모터(20)에 의해 구동축이 구동되고, 엔진 클러치(50)가 락(Lock)되어 있으면 엔진(10)과 구동모터(20)에 의해 구동축이 구동한다.
차량 출발시나 저속 주행시에는 구동모터에 의해서만 구동력을 얻게 되는데, 초기 출발시에는 엔진 효율이 모터 효율에 비해 떨어지기 때문에 엔진보다는 효율이 좋은 구동모터를 사용하여 차량의 초기 출발(차량 발진)을 시작하는 것이 차량의 연비 측면에서 유리하다. 차량 출발 후에는 ISG가 엔진을 시동하여 엔진 출력과 모터 출력을 동시에 이용할 수 있도록 한다.
이와 같이 하이브리드 차량은 구동을 위해 구동모터의 회전력만을 이용하는 순수 전기자동차 모드인 EV(Electric Vehicle) 모드, 및 엔진의 회전력을 주동력으로 하면서 구동모터의 회전력을 보조동력으로 이용하는 HEV(Hybrid Electric Vehicle) 모드 등의 운전모드로 주행하며, ISG에 의한 엔진의 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 요소이다. 특히, 엔진, 구동모터, 자동변속기, ISG, 클러치가 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.
그리고, 하이브리드 차량에는 하이브리드 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), 구동모터 작동의 전반을 제어하는 모터 제어기(Motor Control Unit, MCU)(인버터 포함), 변속기(CVT)를 제어하는 변속기 제어기(Transmission Control Unit, TCU), 배터리 상태를 감시하고 관리하는 배터리 제어기(Battery Management System, BMS), 실내 온도 제어를 담당하는 에어컨 제어기(Full Auto Temperature Controller, FATC) 등이 구비되어 있다.
여기서, HCU는 각 제어기들의 구동 제어 및 하이브리드 운전모드 설정, 그리고 차량 전반의 제어를 담당하는 최상위 제어기로서, 상기한 각 제어기들이 최상위 제어기인 HCU를 중심으로 고속 CAN 통신라인으로 연결되어, 제어기들 상호 간에 정보를 주고받으면서 상위 제어기는 하위 제어기에 명령을 전달하도록 되어 있다.
한편, TCU는 변속시 엔진 속도의 과도한 상승 또는 충격을 방지하고 변속기 보호 등을 위해 토크 저감(Torque Reduction)을 요청한다.
또한 TCS(Traction Control System, 구동력제어장치)는 눈길이나 빙판길 또는 비대칭 노면에서의 출발이나 가속시에 브레이크와 엔진을 자동으로 제어하여 바퀴가 헛도는 현상을 방지하고 조종 안정성을 향상시키는 안전 시스템으로, TCS가 장착된 차량에서 TCS ECU(제어기)는 미끄러운 노면에서 출발하거나 가속시에 과잉의 구동력이 발생하여 타이어가 미끄러질 때 토크 저감을 요청한다.
통상 토크 저감은 토크 감소분을 요청하는 것이 아니라 허용 토크를 요청하는 방식으로 이루어진다. 즉, 토크 저감을 요청하지 않을 때는 신호의 최대값을 주고, 토크 저감이 필요한 때에는 허용 토크 신호를 주어 토크 저감을 요청하는 것이다.
예컨대, 엔진과 모터의 최대 토크 합이 300Nm라 한다면 토크 저감이 필요하지 않은 경우에는 설정된 토크 저감 신호의 최대값 500Nm를 출력하여 엔진과 모터가 원래의 토크를 내도록 한다. 또한 엔진과 모터의 현재 토크 합이 100Nm인데 TCU가 변속을 위해 토크를 30Nm로 줄이고 싶으면 허용 토크 신호(토크 저감 신호) 30Nm를 주어 토크 저감을 요청하고, 이에 엔진과 모터가 30Nm의 토크 합을 출력하도록 한다.
그리고, 토크 저감 신호는 양수/음수 모두를 의미하는데, 예를 들어 토크 저 감 신호 50Nm는 엔진과 모터의 토크 합이 양수일 때는 +50Nm를 의미하고, 또한 엔진과 모터의 토크 합이 음수일 때는 -50Nm를 의미한다. 이는 하나의 CAN 신호로 양수, 음수 영역을 모두 포함하기 위함이다.
첨부한 도 2는 제어기 간 구성을 나타낸 블록도로서, 화살표는 CAN 신호 라인을 나타낸다.
상기와 같이 변속시나 TCS 제어시에 토크를 저감하는 방법에는 다양한 방법들이 존재할 수 있으며, 각 방법마다 장단점이 있을 수 있다. 쉬운 분류로 토크 저감을 엔진과 모터로 동시에 하는 방법이 있을 수 있고, 엔진 또는 모터 단독으로 하는 방법이 있을 수 있다. 그런데 엔진과 모터로 동시에 하는 경우에는 엔진과 모터의 비동기에 의해 토크 저감 결과가 좋지 않을 수 있다.
따라서, 본 발명은 상기와 같은 점을 고려하여 발명한 것으로서, 변속시 또는 TCS 제어시 토크 저감을 수행함에 있어서 단일 동력원으로 토크 저감을 수행함에 의해 동력원 간 비동기에 의한 문제를 피할 수 있고, 토크 저감 결과를 보다 향상시킬 수 있는 하이브리드 차량의 토크 저감 방법을 제공하는데 주된 목적이 있는 것이다.
상기한 목적을 달성하기 위해, 본 발명은, a) TCU 및 TCS ECU 중 어느 하나 또는 둘로부터 토크 저감 신호를 입력받게 되면 클러치 상태를 판정하는 단계와; b) 클러치가 오픈 상태이면, 상기 TCU 또는 TCS ECU의 토크 저감 신호를 참조하여 모터로 토크 저감을 수행하는 단계와; c) 클러치 오픈 상태가 아니면서 '토크 저감 신호 < ｜변속기 목표 입력 토크｜'이면 토크 저감을 수행하되, 여기서 '변속기 목표 입력 토크 > 0'이고 '토크 저감 신호 - 토크 저감 전 엔진 토크 명령'의 값이 모터 충전 제한 토크 이상이면, 모터로만 토크 저감을 수행하는 단계를 포함하는 하이브리드 차량의 토크 저감 방법을 제공한다.
바람직한 실시예로서, 상기 c) 단계에서, 모터 토크 명령을 '토크 저감 신호 - 토크 저감 전 엔진 토크 명령'의 값으로 설정하여 토크 저감을 수행하는 것을 특징으로 한다.
또한 상기 c) 단계에서, '변속기 목표 입력 토크 > 0'이고 '토크 저감 신호 - 토크 저감 전 엔진 토크 명령'이 모터 충전 제한 토크보다 작으면, 엔진으로만 토크 저감을 수행하는 것을 특징으로 하는 것을 특징으로 한다.
또한 엔진 토크 명령을 '토크 저감 신호 - 토크 저감 전 모터 토크 명령'의 값과 0 중에 최대값으로 설정하여 토크 저감을 수행하는 것을 특징으로 한다.
또한 상기 c) 단계에서, '변속기 목표 입력 토크 < 0'이면 모터로만 토크 저감을 수행하는 것을 특징으로 한다.
또한 모터 토크 명령을 '-토크 저감 신호 - 토크 저감 전 엔진 토크 명령'의 값으로 설정하여 토크 저감을 수행하는 것을 특징으로 한다.
이에 따라, 본 발명에 따른 하이브리드 차량의 토크 저감 방법에 의하면, 변속시 또는 TCS 제어시 토크 저감을 수행함에 있어서 단일 동력원으로 토크 저감을 수행함에 의해 동력원 간 비동기에 의한 문제를 피할 수 있고, 토크 저감 결과를 보다 향상시킬 수 있게 된다. 또한 응답속도 및 SOC 관리 차원에서도 유리한 장점이 있게 된다.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명에 대해 더욱 상세히 설명하면 다음과 같다.
본 발명은 하이브리드 차량에서 TCU 또는 TCS ECU(제어기)의 토크 저감 요청에 대해 단일 동력원으로 토크 저감을 수행하는 것에 주된 특징이 있는 것이다. 특히, 본 발명에서는 기본적으로 모터로 토크 저감을 수행하고, 모터의 토크 저감이 불가한 경우에만 엔진으로 토크 저감을 수행하도록 구성된다. 즉, 단일 동력원으로 토크 저감을 수행하되, 모터에 의한 토크 저감을 기본으로 하면서 모터의 토크 저감이 불가한 경우에만 엔진으로 토크 저감이 수행되는 것이다.
첨부한 도 3은 본 발명에 따른 토크 저감 방법을 나타낸 순서도로서, 도 3 및 하기 설명에서 본 발명의 명확한 설명을 위해 사용된 각 용어에 대해 아래와 같이 정의하기로 한다.
ㆍ TQ_TCU : TCU의 토크 저감 신호(저감 요청 토크값)
ㆍ TQ_TCS : TCS ECU의 토크 저감 신호(저감 요청 토크값)
ㆍ TQ_RED : 최종 토크 저감 신호(저감 요청 토크값)
ㆍ TQ_MOT_BCOR : 토크 저감 전 모터 토크 명령
ㆍ TQ_MOT_ACOR : 토크 저감 후 모터 토크 명령
ㆍ TQ_ENG_BCOR : 토크 저감 전 엔진 토크 명령
ㆍ TQ_ENG_ACOR : 토크 저감 후 엔진 토크 명령
ㆍ TQ_TM_IN : 변속기 목표 입력 토크(= TQ_ENG_BCOR + TQ_MOT_BCOR)
ㆍ TQ_DIF : TQ_RED-TQ_ENG_BCOR
ㆍ TQ_MOT_CHGLMT : 모터 충전 제한 토크
우선, 토크 저감은 변속시 또는 TCS 제어시에 필요하며, 토크 저감이 필요한 경우라면 TCU 또는 TCS ECU의 토크 저감 요청이 있게 된다.
본 발명에서는, TCU 및 TCS ECU의 단독 요청이 있거나 동시 요청이 있을 수 있으므로, TCU의 토크 저감 신호(TQ_TCU)와 TCS ECU의 토크 저감 신호(TQ_TCS) 중 작은 값을 최종의 토크 저감 신호로 선택한다(S10).
ㆍ TQ_RED = min(TQ_TCU, TQ_TCS)
이어 클러치의 상태를 판정하는데(S20), 클러치가 오픈 상태로 되어 있으면(FAC_CLT=0), 차량은 모터에 의해서만 구동되므로 토크 저감은 모터로만 수행하게 된다(S30,S40).
이때, 모터 토크 명령은 토크 저감 신호(저감 요청 토크값) TQ_RED(양의 신호로 요청됨)보다 작고 -TQ_RED보다 크면 된다. 즉, TQ_RED가 음수와 양수 영역을 모두 포괄하는 것이므로, 모터 토크 명령이 양수일 때는 저감 요청 토크값이 TQ_RED이 되고, 모터 토크 명령이 음수일 때는 허용되는 저감 요청 토크값이 -TQ_RED이 된다.
예컨대, 토크 저감 신호 30Nm는, 모터 토크 명령이 양수일 때는 +30Nm로의 저감 요청을 의미하고, 모터 토크 명령이 음수일 때는 -30Nm로의 저감 요청을 의미하는 것이다. 즉, 모터 토크 명령이 50Nm일 때 토크 저감 신호 30Nm는 30Nm로의 모터 토크 저감을 요청하는 것이고, 모터 토크 명령이 -50Nm일 때 토크 저감 신호 30Nm는 -30Nm로의 모터 토크 저감을 요청하는 것이다.
결국, 토크 저감 후 모터 토크 명령은 아래와 같이 나타낼 수 있다.
ㆍ TQ_MOT_ACOR = min(TQ_MOT_BCOR, TQ_RED)(S30)
ㆍ TQ_MOT_ACOR = max(TQ_MOT_ACOR,-TQ_RED)(S40)
한편, 클러치가 오픈되어 있지 않으면(FAC_CLT≠0), 차량은 모터와 엔진에 의해서 구동되므로, 변속기 목표 입력 토크는 TQ_TM_IN = TQ_ENG_BCOR + TQ_MOT_BCOR이 된다(S21). 이때, TQ_RED ≥ ｜TQ_TM_IN｜이면 토크 저감이 필요하지 않은 경우이다(S22'). 즉,
ㆍ TQ_MOT_ACOR = TQ_MOT_ACOR
ㆍ TQ_ENG_ACOR = TQ_ENG_ACO가 된다.
그리고, TQ_RED < ｜TQ_TM_IN｜이면, 토크 저감이 필요한 경우이며, 여기서 TQ_TM_IN > 0이면 포지티브 토크 저감(Positive Reduction)이라 하고, TQ_TM_IN < 0이면 네거티브 토크 저감(Negative Reduction)이라 한다. 포지티브 토크 저감인 경우 토크 저감의 우선 순위는 모터에 있다. 그 이유는 엔진에 비해 모터가 응답속도가 빠르며 SOC 관리 차원에서도 유리하기 때문이다. 일단 TQ_RED - TQ_ENG_BCOR을 계산하여 이를 TQ_DIF라 할 때, 이 TQ_DIF가 모터 충전 제한 토크 TQ_MOT_CHGLMT 이상이면, 모터로 토크 저감이 가능하다는 것이므로, 모터로 토크 저감을 수행한다(S22 ~ S26). 즉,
ㆍ TQ_MOT_ACOR = TQ_DIF = TQ_RED - TQ_ENG_BCOR
ㆍ TQ_ENG_ACOR = TQ_ENG_BCOR(엔진의 토크 저감 요청 없음)
반면, TQ_DIF가 모터 충전 제한 토크 TQ_MOT_CHGLMT보다 작으면, 예를 들어 TQ_DIF는 -50Nm인데 TQ_MOT_CHGLMT는 -30Nm인 경우에는, 모터로 토크 저감이 불가능한 경우이므로, 이때는 엔진으로 토크 저감을 수행한다(S26' ~ S28'). 그러나, 엔진은 모터와 달리 (-) 토크를 출력할 수 없으므로 0과의 MAX 값을 취한다. 이는 엔진의 특성상 불가피한 제한이다. 즉, 다음과 같다.
ㆍ TQ_MOT_ACOR = TQ_MOT_BCOR(모터의 토크 저감 요청 없음)
ㆍ TQ_ENG_ACOR = max(TQ_RED - TQ_MOT_BCOR, 0)
한편, 네거티브 토크 저감인 경우는 모터로 회생제동을 하는 경우로, 엔진은 퓨얼 컷(Fuel cut-off) 상태이므로, 아래와 같이 모터로만 토크 저감을 수행한다(S23', S27').
ㆍ TQ_MOT_ACOR = -TQ_RED - TQ_ENG_BCOR
ㆍ TQ_ENG_ACOR = TQ_ENG_BCOR(엔진의 토크 저감 없음)
결론적으로, 클러치가 오픈되어 있으면 모터로 토크 저감(포지티브/네거티브 토크 저감 모두)을 수행하고, 클러치 오픈이 아니면 네거티브 토크 저감은 모터로, 포지티브 토크 저감은 모터가 1순위이고 모터로 불가능한 경우 엔진으로 토크 저감을 수행한다.
이와 같이 하여, 본 발명에서는 단일 동력원으로 토크 저감을 수행함에 의해 동력원 간 비동기에 의한 문제를 피할 수 있고, 응답속도 및 SOC 관리 차원에서도 유리한 장점이 있게 된다.
도 1은 하이브리드 차량의 구성을 설명하는 개략도,
도 2는 제어기 간 구성을 나타낸 블록도,
도 3은 본 발명에 따른 토크 저감 방법을 나타낸 순서도.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
10 : 엔진 20 : 구동모터
30 : 자동변속기 40 : ISG
50 : 엔진 클러치

Claims (6)

  1. a) TCU 및 TCS ECU 중 어느 하나 또는 둘로부터 토크 저감 신호를 입력받게 되면 클러치 상태를 판정하는 단계와;
    b) 클러치가 오픈 상태이면, 상기 TCU 또는 TCS ECU의 토크 저감 신호를 참조하여 모터로 토크 저감을 수행하는 단계와;
    c) 클러치 오픈 상태가 아니면서 '토크 저감 신호 < ｜변속기 목표 입력 토크｜'이면 토크 저감을 수행하되, 여기서 '변속기 목표 입력 토크 > 0'이고 '토크 저감 신호 - 토크 저감 전 엔진 토크 명령'의 값이 모터 충전 제한 토크 이상이면, 모터로만 토크 저감을 수행하는 단계를 포함하는 하이브리드 차량의 토크 저감 방법.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 c) 단계에서, 모터 토크 명령을 '토크 저감 신호 - 토크 저감 전 엔진 토크 명령'의 값으로 설정하여 토크 저감을 수행하는 것을 특징으로 하는 하이브리드 차량의 토크 저감 방법.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 c) 단계에서, '변속기 목표 입력 토크 > 0'이고 '토크 저감 신호 - 토크 저감 전 엔진 토크 명령'이 모터 충전 제한 토크보다 작으면, 엔진으로만 토크 저감을 수행하는 것을 특징으로 하는 것을 특징으로 하는 하이브리드 차량의 토크 저감 방법.
  4. 청구항 3에 있어서,
    엔진 토크 명령을 '토크 저감 신호 - 토크 저감 전 모터 토크 명령'의 값과 0 중에 최대값으로 설정하여 토크 저감을 수행하는 것을 특징으로 하는 하이브리드 차량의 토크 저감 방법.
  5. 청구항 1에 있어서,
    상기 c) 단계에서, '변속기 목표 입력 토크 < 0'이면 모터로만 토크 저감을 수행하는 것을 특징으로 하는 하이브리드 차량의 토크 저감 방법.
  6. 청구항 5에 있어서,
    모터 토크 명령을 '-토크 저감 신호 - 토크 저감 전 엔진 토크 명령'의 값으로 설정하여 토크 저감을 수행하는 것을 특징으로 하는 하이브리드 차량의 토크 저 감 방법.
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