KR20120000951A - 하이브리드 차량의 발진 제어장치 및 방법 - Google Patents

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최승길
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현대자동차주식회사
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Abstract

본 발명은 하이브리드 차량의 발진시 강건한 운전성을 확보하여 주는 하이브리드 차량의 발진 제어에 관한 것이다.
본 발명에 따른 하이브리드 제어기는 발진 가속요구에 따라 요구 토크량을 결정하는 과정; 클러치의 결합 상태를 분석하는 과정; 클러치의 슬립으로 판정되면 클러치 슬립 토크량을 연산하는 과정; 클러치 슬립 토크량에 따른 엔진토크 보상을 엔진제어기에 요청하는 과정; 엔진제어기는 엔진토크 보상에 따라 공기량 제어 및 점화시기 피드백 제어로 엔진 출려토크를 보상하는 과정을 포함한다.

Description

하이브리드 차량의 발진 제어장치 및 방법{SYSTEM AND METHOD OF STARTING CONTROL FOR HYBRID VEHICLE}
본 발명은 하이브리드 차량의 발진시 강건한 운전성을 확보하여 주는 하이브리드 차량의 발진 제어장치 및 방법에 관한 것이다.
수동변속기 차량에는 변속기에 전달되는 엔진의 동력을 단속하는 다양한 형태의 클러치(건식/습식)가 엔진과 변속기의 사이에 장착된다.
수동변속기 차량의 발진시 운전자는 클러치 페달과 가속페달을 조작하여 엔진 출력토크와 변속기의 입력토크를 적절하게 조절하여 동기시킨다.
차량의 발진 초기에는 클러치 슬립 제어가 실행되는데, 이는 초기 발진을 가능하게 하고 발진 중에 발생될 수 있는 쇼크(Shock) 나 저크(Jerk) 및 클러치 저더를 저감시켜 부드러운 발진감을 제공하며, 갑작스런 엔진 부하에 따른 스톨(Stall)을 방지한다.
자동변속기에는 클러치 대신 유체 커플링을 제공하는 토크 컨버터가 적용되고 있으며, 토크 컨버터의 유체 커플링을 통한 구동력 전달은 토크 증배 효과는 있지만 전달 효율이 낮기 때문에 연비 저하를 발생시키는 단점이 있다.
최근 들어 연비 향상의 요구와 각 나라의 강화된 배출가스의 규제에 따라 친환경 차량으로 하이브리드 차량이 개발되어 운행되고 있다.
하이브리드 차량은 동력원으로 엔진과 모터가 적용되며, 주행 상황에 따라 엔진과 모터의 특성을 발휘되어 에너지 효율과 배기가스 절감을 제공한다.
하이브리드 차량에는 원가 절감과 토크 손실을 최소화하기 위하여 토크 컨버터 대신에 엔진과 모터 사이에 유체에 의해 작동되는 클러치가 장착된다.
상기 하이브리드 차량에 장착되는 클러치는 주행 상황에 따라 엔진과 모터를 연결하여 최적의 동력이 변속기에 전달되도록 한다.
그러나, 엔진과 모터의 동력 연결 과정에서 클러치 슬립 제어가 안정되게 실행되지 못하면 엔진의 과부하로 인한 스톨(Stall)/드롭(Drop)/플레어(Flare)를 발생시키고, 발진 쇽(Shock)을 유발시켜 발진 선형성을 저해시킨다.
또한, 클러치 슬립량에 편차가 발생하기 때문에 반복되는 발진 운전모드에서 강건한 운전성을 확보할 수 없으며, 과도한 클러치 슬립은 클러치 저더를 유발하여 운전성에 악영향을 제공한다.
본 발명은 상기한 문제점을 해결하기 위하여 제안된 것으로서, 본 발명의 목적은 제어기기간의 협조 제어를 통해 클러치의 슬립 제어를 실행하여 강건한 운전성을 제공하는데 있다.
상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 실시예에 따르면, 동력원인 엔진 및 모터; 동력 전달을 단속하는 클러치; 클러치의 동작을 제어하는 클러치 제어기를 포함하는 하이브리드 차량에 있어서,
발진 가속요구에 따라 클러치를 슬립 제어하고, 클러치의 슬립 토크량을 연산하여 엔진제어기에 엔진출력 토크 보정을 요청하는 하이브리드 제어기; 상기 하이브리드 제어기의 엔진출력 토크 보정에 따라 공기량 제어 및 점화시기 피드백 제어를 통해 목표 엔진속도를 추종시키는 엔진제어기를 포함하는 하이브리드 차량의 발진 제어장치를 제공한다.
또한, 엔진제어기는 네트워크를 통해 하이브리드 제어기에서 요청되는 토크 보정에 따라 클러치 슬립으로 손실되는 엔진의 출력토크를 공기량 제어 및 점화시기 피드백 제어로 보상하는 것을 특징으로 하는 하이브리드 차량의 발진 제어장치를 제공한다.
본 발명의 다른 실시예에 따르면, 하이브리드 제어기는 발진 가속요구에 따라 요구 토크량을 결정하는 과정; 클러치의 결합 상태를 분석하는 과정; 클러치의 슬립으로 판정되면 클러치 슬립 토크량을 연산하는 과정; 클러치 슬립 토크량에 따른 엔진토크 보상을 엔진제어기에 요청하는 과정; 엔진제어기는 엔진토크 보상에 따라 공기량 제어 및 점화시기 피드백 제어로 엔진 출려토크를 보상하는 과정을 포함하는 하이브리드 차량의 발진 제어장치를 제공한다.
상기에서 클러치가 완전 결합된 상태이면 발진 가속요구에 대한 요구 토크량을 엔진제어기에 요청하여 요구토크를 추종시키는 것을 특징으로 하는 하이브리드 차량의 발진 제어장치를 제공한다.
그리고, 클러치 슬립 상태에서 엔진제어기는 발진 가속요구에 따른 요구 토크량에 클러치 슬립에 따른 보상량을 적용하여 목표 엔진속도를 추종시키는 것을 특징으로 하는 하이브리드 차량의 발진 제어장치를 제공한다.
이와 같이 본 발명의 실시예에 따르면, 운전자의 발진 가속의지에 따른 클러치 슬립량을 연산하여 엔진출력 토크를 보상함으로써 엔진 스톨 및 드롭이 발생되지 않아 엔진의 동작에 안정성이 제공하며, 이에 따라 하이브리드 차량의 운행에 신뢰성을 제공할 수 있다.
또한, 운전자의 발진 가속의지에 따른 발진 응답성 및 초기 가속감을 확보할 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 하이브리드 차량의 발진 제어장치를 개략적으로 도시한 도면이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 하이브리드 차량의 발진 제어절차를 도시한 흐름도이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세하게 설명하면 다음과 같다.
본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으므로, 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않으며, 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위하여 설명과 관계없는 부분은 생략하였다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 하이브리드 차량의 발진 제어장치를 개략적으로 도시한 도면이다.
도 1에서 알 수 있는 바와 같이, 본 발명은 ECU(Engine Control Unit : 10), HCU(Hybrid Control Unit : 20), MCU(Motor Control Unit : 30), 배터리(40), BMS(Battery Management System : 50), CCU(Clutch Control Unit : 60), 모터(70), 엔진(80), ISG(81), 클러치(90), 변속기(100)를 포함한다.
ECU(10)는 네트워크를 통해 HCU(20)와 연결되며, HCU(20)와 연동하여 엔진(80)의 제반적인 동작을 제어한다.
HCU(20)는 주행요구 및 차량 상태에 따라 네트워크를 통해 각 제어기들을 통합 제어하여 엔진(80) 및 모터(70)의 출력 토크를 제어하고, 운전조건 및 배터리(40)의 상태에서 따라 클러치(90)를 제어하여 모터모드(EV), 하이브리드 모드(HEV) 및 엔진모드의 주행을 제어한다.
HCU(20)는 운전의 발진 요구가 검출되면 요구 토크량에 따라 CCU(60)를 통해 클러치(90)를 슬립 제어하며, 클러치(90)의 슬립 토크량을 연산하여 ECU(10)에 엔진(80)의 토크 보정을 요청한다.
MCU(30)는 HCU(30)의 제어에 따라 모터(70)의 구동을 제어하고, 회생제동 제어모드에서 모터(70)에서 발전되는 전기를 배터리(40)에 저장한다.
배터리(40)는 하이브리드 모드(HEV) 및 모터모드(EV)에서 모터(70)에 전원을 공급하고, 회생제동 제어모드에서 모터(70)를 통해 회수되는 전기를 충전된다.
BMS(50)는 상기 배터리(40)의 전압, 전류, 온도 등의 정보를 종합 검출하여 SOC(State Of Charge) 상태 및 충방전 전류량을 관리 제어하며, 그에 대한 정보를 네트워크를 통해 HCU(20)에 제공한다.
CCU(60)는 HCU(20)의 제어에 따라 변속기(100)에 구비되는 액추에이터를 제어하여 목표 변속단으로 변속을 제어하고, 클러치(90)에 공급되는 유압을 제어하여 클러치(90)의 결합 및 해제를 실행하며, 발진 가속요구에 따라 클러치(90)의 슬립량을 조정한다.
모터(70)는 상기 MCU(30)의 제어에 따라 구동토크가 조정된다.
엔진(80)은 ECU(20)의 제어에 의해 출력이 제어되며, 미도시된 ETC(Electric Throttle Control)를 통해 흡입 공기량이 조정된다.
ISG(81)는 차량의 운전상황에 따라 엔진(80)의 아이들 정지 및 재시동을 실행시킨다.
클러치(90)는 엔진(80)과 모터(70)의 사이에 배치되어 운전모드에 따라 엔진(80)과 모터(70)의 동력 연결을 단속한다.
변속기(100)는 HCU(20)와 네트워크로 연결되는 CCU(60)의 제어에 따라 목표 변속단을 결합한다.
또한, 상기 ECU(10)는 네트워크를 통해 HCU(20)에서 요청되는 토크 보정에 따라 공기량 조정 및 점화시기 제어를 통해 엔진(80)의 출력을 제어하여 목표 엔진속도를 유지한다.
상기 ECU(10)에 HCU(20)로부터 이상적이고 정확한 엔진 부하정보가 전달된다고 가정한다면 공기량 제어만으로도 목표 엔진속도를 제어할 수 있다.
하지만 현실적으로 HCU(20)가 클러치(90)의 슬립 토크량을 연산하는 과정에서 오차값이 상시적으로 존재하므로, 이에 대한 대응 방안으로 ECU(10)는 엔진속도를 제어하는 과정에서 점화시기 제어를 함께 적용하여 피드백 제어한다.
예를 들어, 클러치(90)를 작동시키는 유체의 온도에 따라 유압 응답성이 다른 특징을 지니고 있고 유압 과도구간에서는 유압 지령 대비 차이가 발생한다.
다시 말하면, 연산된 클러치(90)의 슬립 토크량(엔진 부하량) 대비 실제 엔진에 걸리는 부하에 차이가 발생할 수 있음으로 이를 보상하기 위해 점화시기 제어를 적용하여 피드백 제어를 실행한다.
상기 HCU(20)에서 연산되는 클러치(90)의 슬립량은 하기와 같이 결정되며, 마찰계수 편차 및 클러치 유압 추정치 편차에 따라 오차가 발생할 수 있다.
클러치 슬립량 = 클러치 유압 추정량/(μ × A × r × n)
상기에서 μ : 마찰계수, A : 접촉면적, r : 유효반경, n : 클러치매수를 의미한다.
상기 ECU(10)는 목표 엔진속도를 제어하는 과정에서 클러치(90)의 슬립 토크량의 정보 오차는 어떤 특정 범위 내에 존재해야 피드백 제어의 효과가 나타난다.
다시 말하면, 제어 가능한 오차 범위 내에서 클러치(90)의 슬립 토크량을 연산하여야 하므로, 클러치(90)에 공급되는 유압량을 검출하여 클러치(90)에 공급되는 유압 최대 허용량을 하기와 같이 결정된다.
유압 최대 허용량= 엔진가용토크/(μ × A × r × n)
상기에서 μ : 마찰계수, A : 접촉면적, r : 유효반경, n : 클러치매수를 의미한다.
상기에서 엔진가용토크는 냉각수온과 오일온도에 따라 달라지기 때문에 시험치를 통해 확보되어 진다.
전술한 바와 같은 기능을 포함하여 구성되는 본 발명에 따른 하이브리드 차량에서 운전자의 요구에 따라 발진 제어를 실행하는 동작을 도 2를 참조하여 설명하면 다음과 같다.
본 발명이 적용되는 하이브리드 차량이 정차 중이거나 모터모드(EV)로 운행되는 상태에서 HCU(20)는 운전자의 발진 가속요구를 검출하여(S101) 운전자의 발진 가속요구에 따른 요구 토크량을 산출한다(S102).
그리고, HCU(20)는 CCU(60)의 정보를 분석하여 현재의 클러치(90) 상태를 검출하며(S103), 클러치(90) 상태가 완전 결합되어 있는 상태인지를 판단한다(S104).
상기 S104에서 클러치(90)가 완전 결합을 유지하고 있는 상태이면 HCU(20)는 운전자의 발진 가속요구에 따라 산출된 전부하(F/L) 혹은 부분 부하(P/L)의 요구 토크량을 네트워크로 연결되는 ECU(10)에 전송한다(S105).
따라서, ECU(10)는 네트워크를 통해 HCU(10)로부터 인가되는 전부하(F/L) 혹은 부분 부하(P/L)의 요구 토크량에 따라 공기량 제어 및 점화시기 제어를 통해 엔진(80)의 출력 토크를 조정하여 요구 토크를 추종 제어한다(S106).
상기 S104에서 클러치(90)가 완전 결합을 유지하고 있지 않는 상태이면 클러치 슬립 상태로 판정하여(S107) 클러치(90) 슬립 토크량을 연산한다(S108).
상기 S108에서 클러치(90) 슬립 토크량이 연산되면 클러치(90)의 슬립으로 인한 엔진 부하의 손실을 보상하기 위하여 네트워크를 통해 ECU(10)에 엔진(80)의 출력 토크 제어를 요청한다(S109).
상기 HCU(20)에서 ECU(10)에 요청되는 토크 보정에는 발진 가속요구에 따른 요구 토크량과 함께 전송된다.
따라서, ECU(10)는 HCU(20)에서 요청되는 토크 보정값을 적용하여 공기량 제어 및 점화시기를 피드백 제어하여 목표 엔진속도를 추종시키다(S110).
상기에서 ECU(10)에 요청되는 토크 보정이 이상적이고 정확한 엔진 부하정보가 전달된다고 가정한다면 공기량 제어만으로도 목표 엔진속도를 제어할 수 있다.
그러나, HCU(20)가 클러치(90)의 슬립 토크량을 연산하는 과정에서 오차값이 발생되므로, ECU(10)는 엔진속도를 제어하는 과정에서 점화시기 제어를 함께 적용한다.
상기 클러치(90)를 작동시키는 유체의 온도에 따라 유압 응답성이 다른 특징을 지니고 있고 유압 과도구간에서는 유압 지령 대비 차이가 발생한다.
따라서, 클러치(90)의 슬립 토크와 실제 엔진에 걸리는 부하는 차이가 발생되므로 이를 보상하기 위하여 점화시기 제어를 적용하여 피드백 제어한다.
이때, 상기 HCU(20)에서 연산되는 클러치(90)의 슬립 토크량은 마찰계수 편차 및 클러치 유압 추정치 편차에 따라 오차가 발생되므로, ECU(10)는 목표 엔진속도를 추종시키는 제어를 특정 범위 내에 존재하는 경우에만 실행한다.
이상에서는 하이브리드 차량에 대하여 설명하였으나, 클러치가 적용되는 자동변속기(CVT, DCT, AMT 등)에 수평 전개할 수 있는 방법으로 토크 컨버터보다 효율성이 커 연비 개선 효과가 크고 원가 절감을 제공할 수 있다.
이상에서는 본 발명의 실시예에 대하여 설명하였으나, 본 발명의 사상은 본 명세서에 제시되는 실시 예에 제한되지 아니하며, 본 발명의 사상을 이해하는 당업자는 동일한 사상의 범위 내에서 구성요소의 부가, 변경, 추가, 삭제 등에 의해서 다른 실시 예를 용이하게 제안할 수 있을 것이나, 이 또한 본 발명의 사상범위 내에 포함된다고 할 것이다.
10 : ECU 20 : HCU
30 : MCU 60 : CCU
70 : 모터 80 : 엔진

Claims (5)

  1. 동력원인 엔진 및 모터; 동력 전달을 단속하는 클러치; 클러치의 동작을 제어하는 클러치 제어기를 포함하는 하이브리드 차량에 있어서,
    발진 가속요구에 따라 클러치를 슬립 제어하고, 클러치의 슬립 토크량을 연산하여 엔진제어기에 엔진출력 토크 보정을 요청하는 하이브리드 제어기;
    상기 하이브리드 제어기의 엔진출력 토크 보정에 따라 공기량 제어 및 점화시기 피드백 제어를 통해 목표 엔진속도를 추종시키는 엔진제어기;
    를 포함하는 하이브리드 차량의 발진 제어장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 엔진제어기는 네트워크를 통해 하이브리드 제어기에서 요청되는 토크 보정에 따라 클러치 슬립으로 손실되는 엔진의 출력토크를 공기량 제어 및 점화시기 피드백 제어로 보상하는 것을 특징으로 하는 하이브리드 차량의 발진 제어장치.
  3. 하이브리드 제어기는 발진 가속요구에 따라 요구 토크량을 결정하는 과정;
    클러치의 결합 상태를 분석하는 과정;
    클러치의 슬립으로 판정되면 클러치 슬립 토크량을 연산하는 과정;
    클러치 슬립 토크량에 따른 엔진토크 보상을 엔진제어기에 요청하는 과정;
    엔진제어기는 엔진토크 보상에 따라 공기량 제어 및 점화시기 피드백 제어로 엔진 출려토크를 보상하는 과정;
    을 포함하는 하이브리드 차량의 발진 제어방법.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 클러치가 완전 결합된 상태이면 발진 가속요구에 대한 요구 토크량을 엔진제어기에 요청하여 요구토크를 추종시키는 것을 특징으로 하는 하이브리드 차량의 발진 제어방법.
  5. 제3항에 있어서,
    상기 클러치 슬립 상태에서 엔진제어기는 발진 가속요구에 따른 요구 토크량에 클러치 슬립에 따른 보상량을 적용하여 목표 엔진속도를 추종시키는 것을 특징으로 하는 하이브리드 차량의 발진 제어방법.
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