KR20120015346A

KR20120015346A - 적어도 하나의 전기 모터가 제공된 차량의 휘일들에 적용되는 토크를 제어하는 시스템

Info

Publication number: KR20120015346A
Application number: KR1020117029608A
Authority: KR
Inventors: 장-마리 베스파시엥
Original assignee: 르노 에스.아.에스.
Priority date: 2009-05-11
Filing date: 2010-04-21
Publication date: 2012-02-21
Also published as: CN102458903B; IL216267A0; US20120109441A1; FR2945243A1; CN102458903A; JP2012527211A; WO2010130908A1; KR101746760B1; EP2429854A1; US8725334B2; FR2945243B1; EP2429854B1; JP5667623B2

Abstract

본 발명은 배터리(9)에 연결되고 적어도 하나의 구동 휘일(5)에 연결된 적어도 하나의 전기 모터(8)를 구비하는 차량의 휘일(3,5)들에 적용된 토크를 제어하는 방법에 관한 것이다. 차량이 느리게 주행할 때 모터는 배터리를 재충전시키는 발전기로서 작동될 수 있다. 제 1 브레이크 조절 이동 및 제 2 가속 조절 이동은 차량의 가속 페달(18)의 움직임에 적용되는데, 브레이크 조절 이동은 배터리의 충전에 대한 연속 감소 함수이다.

Description

적어도 하나의 전기 모터가 제공된 차량의 휘일들에 적용되는 토크를 제어하는 시스템{System for controlling the torque applied to the wheels of a vehicle provided with at least one electric motor}

본 발명은 하이브리드 연소 엔진/전기력을 가진 차량 또는 전기적으로 구동되는 차량의 재생 브레이크 작용을 제어하는 방법에 관한 것이다.

예를 들어 하이브리드 차량의 경우에, 제 1 차축 시스템(first axle system)에 연소 엔진의 구동력 또는 기동력을 적용하고, 차량의 제 2 차축 시스템에 전기 모터의 기동력을 적용하는 것이 알려져 있다. 전기력만을 이용하는 차량의 경우에, 차량은 예를 들어 차량의 하나의 차축 시스템에 연결된 단일 모터에 의하여 움직일 수 있거나, 또는 예를 들어 차량의 차축 시스템마다 하나씩 모터가 있는 몇 개의 모터들에 의해서, 또는 각각의 휘일과 결합된 모터에 의해서 움직일 수 있다. 모든 결합된 전동 구성 요소(클러치, 기어 박스)들과 함께 차량의 추진에 전용된 (전방 차축 시스템 또는 후방 차축 시스템상의) 모든 엔진 및/또는 모터들은 PT (예를 들어, 파워 트레인(power train))로 지칭될 것이다. 종래 기술에서 공지된 바에 따르면, 차량을 구동하는 모터로서 작용하는 전기적인 기계가 있어서 그 모터가 재생 브레이크 모드(regenerative braking mode)에서 작동될 때, 전기적인 관점에서 발전기와 같이 작용하는 상기 기계가 그것의 회전자에 가해진 기계적 에너지를 전류로 변환시켜서 그 전류가 전기 배터리를 충전시키는데 이용되는 전류로서 전기 기계 콘트롤러에서 조절될 수 있다. 이러한 작동 모드에서, 전기 전환에 의해 발생된 기계적 에너지의 소비는 브레이크 토크를 차량의 휘일에 적용한다. 이것이 의미하는 것은, 첫째 차량이 발전기로서 작동하는 전기 구동기를 이용하여 적어도 부분적으로 브레이크 작용을 받을 수 있고, 둘째 브레이크 작용에 의해 회수되는 동역학적 에너지가 전기적인 형태로 축전지 또는 배터리의 뱅크(bank) 안에 저장될 수 있어서, 그 에너지가 차후에 차량을 추진하거나 또는 보조적인 기능을 위하여 재사용될 수 있다는 것이다. 재생 브레이크는 실제 브레이크 국면 동안에 이용될 수 있고, 즉, 운전자가 브레이크 페달을 누를 때 이용될 수 있다. 이러한 재생 브레이크는 브레이크 작용이 없는 감속 국면 동안에 우선 작동하도록 개발되었는데, 즉, 운전자가 브레이크 페달을 작동시키지 않으면서 쓰로틀 페달로부터 "그의 발을 들어올리는" 때에 작동하도록 개발되었다. 따라서 "중립 지점(neutral point)"은 쓰로틀 페달의 이동에 있어서 PT(파워 트레인)에 의해 휘일로 전송되는 토크가 제로인 지점으로서 정의될 수 있다. 중립 지점을 지나면, PT 는 피구동 휘일들에 기동 토크를 공급한다. 중립 지점에 못 미치는 경우에, PT 는 저항 토크를 피구동 휘일들에 적용한다. 이러한 저항 토크는 모든 전기 차량의 경우에 (효율 손실을 주고 받으면서) 전기 에너지로 완전히 변환될 수 있다. 하이브리드 차량의 경우에, 그러한 저항 토크는 (기계 부분들의 마찰, 특히 연소 엔진의 실린더내의 피스톤의 마찰에 기인하는) 엔진 브레이크에 의해 발생된 토크 및, 전기 모터에 의하여 전기로 변환되는 재생 브레이크 토크(regenerative braking torque)로 나뉘어질 수 있다.

이용될 재생 브레이크 작용의 양은 활용 가능한 동력학적 에너지에 의존하며, 따라서 차량의 속도에 의존하고, 차량이 직접 소비에 의해서 흡수할 수 있거나 또는 배터리에 저장함으로써 흡수할 수 있는 변환된 전기 에너지에 의존한다. 이러한 변화를 고려하기 위하여, 특허 출원 US 2006/137925 는 쓰로틀 페달(이후의 명세서에서 "페달"로 간단히 지칭될 것이다)의 다양한 위치들과 결합된 기동 토크 또는 저항 토크를 수정(modify)하는 컴퓨터의 이용을 제안하며, 그러한 수정은 전기 장치 또는 유압 재생 장치의 작동 모드의 함수로서 이루어진다. 그러한 해법은 구현하는 것이 고가(高價)인데, 왜냐하면 페달과 PT 사이에 삽입된 특수 목적의 컴퓨터, 컴퓨터로부터 페달까지의 배선, 재생 시스템 및 PT 의 설치를 가정하기 때문이다. 상기 문헌은 페달이 거동하는 방법에 대한 수정(modification)에 있어서 어떻게 운전 원활성(drivability)을 고려할 것인지를 서술하지 않고 있다.

더욱이, 차량의 배터리는 그것의 최대 충전 레벨을 넘어서 재충전될 수 없다. 따라서 재생 브레이크 작용의 레벨은 배터리가 점진적으로 그것의 완전 충전 레벨에 접근할수록 제한되어야 하며, 배터리 충전이 감소될 때 재생 브레이크는 다시 증가되어야 한다. 상기 문헌은 이러한 변화를 배터리 충전 레벨의 함수로서 어떻게 관리하는지에 대해서도 제안하고 있지 않다.

본 발명의 목적은 쓰로틀 페달을 이용하여 휘일에서의 토크를 제어하기 위한 시스템을 제공하는 것으로서, 이것은 활용 가능한 저항 감속 토크를 차량 배터리 충전의 함수로서 동시에 변화시키면서, 운전자가 차량의 휘일에 적용되는 저항 토크 또는 기동 토크의 레벨을 측정할 수 있게 한다.

본 발명의 주제는 배터리에 연결되고 적어도 하나의 피구동 휘일에 연결된 적어도 하나의 전기 모터가 설치된 차량의 휘일에서 토크를 제어하는 방법에 관한 것으로서, 그 모터는 차량을 감속시키는 동안 배터리를 재충전시키는 발전기로서 작동될 수 있다. 제 1 브레이크 조절 이동 및 제 2 가속 조절 이동은 차량 쓰로틀 페달의 움직임에 부과되는데, 브레이크 조절 이동(braking reulating travel)은 배터리 충전의 연속적인 감소 함수이다. 따라서 브레이크 조절 이동은, 예를 들어 전체 페달 이동의 0.2 내지 0.4 배 사이의 최대값과, 예를 들어 이동이 없을 수있는 최소값 사이에서 배터리 충전의 함수로서 변화될 수 있다.

페달에 작용이 없을 때, 토크는 휘일에 적용될 수 있는데, 그것은 차량 속도 및 배터리 충전의 연속 함수인 최소 토크 함수이다. 이러한 함수는 기동 토크를 나타내거나 또는 한계 속도(limit speed)보다 낮은 속도의 범위에 걸쳐 제로인 토크를 나타내고, 그리고 이러한 함수는 제한 속도보다 높은 속도의 범위에 걸쳐 배터리 충전에 대하여 감소하는 절대값의, 적어도 하나의 지점에서의 제로가 아닌 저항 토크를 나타낸다.

유리하게는, 페달이 최대 이동 위치에 있을 때, 휘일들에 부과되는 토크는 차량 속도만의 함수로서 연속적으로 변화되는 기동 토크를 나타내는 최대 토크 함수이다.

바람직하게는, 최대 토크 함수는 절대값이 차량 속도와 함께 감소하는 함수이다.

한계 속도보다 높은 속도의 범위에 걸쳐서, 기동 토크도 저항 토크도 휘일에 가해지지 않는 페달의 움직임을 의미하는 페달의 중립 위치는, 배터리 충전과 함께 감소되는 제 1 연속 불포화 함수(continuous non-saturation function) 및, 속도와 함께 증가하는 제 2 연속 함수의 곱(product)일 수 있다.

바람직한 일 구현예에서, 최소 토크 함수는 기준 함수(reference function)로부터 얻어지는데, 그것은 쓰레숄드 재충전 토크와 같은 저항 토크 또는 제로 토크의 쓰레숄드(threshold)를 차량 속도의 함수에 부과함으로써 차량 속도의 함수로서 맵핑(mapping)된 것이며, 쓰레숄드 재충전 토크의 절대값은 배터리 충전의 감소 연속 함수(decreasing continuous function)이다.

불포화 함수는 기준 함수의 가장 높은 저항 토크 값에 의하여 분할된 쓰레숄드 재충전 토크의 몫(quotient)와 같도록 선택될 수 있다.

유리하게는, 한계 속도보다 높은 속도의 범위에 속하는 주어진 차량 속도에 대하여, 휘일에 부과된 토크의 값은, 중립 지점의 각 측에 있는 페달 움직임의 2 개 범위들 각각에서, 중립 지점으로부터의 페달의 거리의 선형 함수(linear function)로서 변화된다.

유리하게는, 한계 속도보다 낮은 주어진 차량 속도에 대하여, 휘일에 부과되는 토크의 값은 페달의 전체 이동에 걸쳐서 선형으로 변화된다.

다른 측면에서, 본 발명의 주제는 배터리에 연결되고 적어도 하나의 피구동 휘일에 연결된 적어도 하나의 전기 모터를 구비하는 차량의 바퀴들에서의 토크를 제어하는 시스템에 관한 것이다. 모터는 차량을 감속시키는 동안에 배터리를 재충전시키기 위하여 발전기로서 작동될 수 있다. 그 시스템은 전자 제어 유닛에 연결된 쓰로틀 페달을 포함한다. 전자 제어 유닛은, 페달의 위치에 따라서, 전기 모터를 구비하는 파워 트레인을 통하여 피구동 휘일에 기동 토크 또는 저항 토크를 부과하도록 구성된다. 전자 제어 유닛은 쓰로틀 페달의 움직임에 제 1 브레이크 조절 이동을 부과하고, 쓰로틀 페달의 움직임에 제 2 가속 조절 이동을 부과하며, 제 2 가속 조절 이동의 크기는 배터리 충전의 연속 증가 함수이다.

구현예의 대안의 형태에 따르면, 파워 트레인은 전기 모터들만을 포함한다.

구현예의 대안의 다른 형태에 따르면, 파워 트레인은 적어도 하나의 연소 엔진 및 적어도 하나의 전기 모터를 포함한다.

본 발명의 시스템은 차량의 에너지 계산 및 배터리 수명을 최적화시킬 수 있고, 따라서 전체적으로 탄소가 영향을 미치는 범위를 최적화시킬 수 있다. 그것은 차량의 직관적인 운전을 허용하며, 운전 원활성 및 보행자 안전에 기여한다.

본 발명은 도면에 도시되고 전적으로 비제한적인 예로서 취해진 일 구현예에 대한 상세한 설명을 읽음으로써 더 잘 이해될 것이다.
도 1 은 본 발명에 따른 제어 시스템이 설치된 하이브리드 차량의 개략적인 설명도이다.
도 2 는 도 1 의 제어 시스템에 의하여 이용되는 맵핑 곡선(mapped curve)의 예이다.
도 3 은 도 1 의 제어 시스템에 의해 이용된 맵으로부터 추론된 곡선의 예이다.
도 4 는 도 1 의 제어 시스템에 의해 이용된 최소 토크 설정점 함수의 3 차원 도면이다.
도 5 는 도 2 및 도 3 을 해석하는 하나의 방법을 도시한다.
도 6 은 도 1 의 제어 시스템에 의해 이용된 맵핑 곡선들의 예이다.
도 7 은 본 발명에 따른 제어 방법을 요약하는 다이아그램이다.

도 1 에 도시된 바와 같이, 하이브리드 차량(1)에는 2 개의 피구동 휘일(3)을 유지하는 전방 차축(front axle, 2)이 설치되고, 2 개의 피구동 휘일(5)을 유지하는 후방 차축(rear axle, 4)이 설치된다. 전방 휘일(3)의 회전은 연소 엔진(7)에 의하여 전동 시스템(transmission sytstem, 6)을 통해서 구동될 수 있으며, 전동 시스템은 특히 클러치 및 기어박스를 구비한다.

전기 모터(8)는 감속 기어박스(미도시)를 통하여 후방 휘일(5)과 함께 하나로서 회전하도록 만들어질 수 있는 방식으로 위치된다. 전기 모터(8)는 배터리(9)에 연결되고, 배터리로부터 전기 에너지를 받아서 기동 토크를 휘일(5)로 적용하거나 또는 모터가 "재생 브레이크 토크(regenerative braking torque)"로서 알려진 저항 토크를 휘일(5)로 적용할 때 발생되는 전류를 배터리로 보낼 수 있다. 배터리(9)는 배터리(9)의 충전 레벨을 표시하는 값(SCO; state of charge)을 계산할 수 있는 로컬 컴퓨터(local computer, 10)에 연결된다.

전자 제어 유닛(11)은 연결부(12,13)를 통하여 차량의 전방 휘일 차축 시스템 및 후방 휘일 차축 시스템으로 연소 엔진(7) 및 전기 모터(8)에 의해 적용되는 토크를 각각 제어한다. 통상적인 방식의 전자 제어 유닛은 마이크로프로세서 또는 중앙 처리 장치, 랜돔 액세스 메모리, 리드 온리 메모리, 아날로그-디지털 콘버터 및 다양한 입력 및 출력 인터페이스들을 포함한다.

전자 제어 유닛(11)은 연결부(14)를 통하여 충전 상태 컴퓨터(10)에 연결되고 연결부(15)에 의해 타코메터(rev-counter, 16)에 연결되는데, 타코메터는 차량 휘일 차축 시스템들중 하나에 위치되어 차량의 이동 속도(V)를 평가할 수 있게 한다. 전자 제어 유닛(11)은 또한 군집(group) 연결부(17)에 의해 사람-기계 인터페이스(19)에 연결되며, 상기 사람 기계 인터페이스는 특히 쓰로틀 페달(throttle pedal, 18)을 포함한다. 전자 제어 유닛(11)은 내부 메모리 또는 외부 메모리에 맵(map, 20, 21, 22, 23)을 포함하며, 그 맵에는 차량 속도(V) 및 배터리의 충전 또는 SOC 의 함수들이 맵핑(mapping)되어 있다. 전기 제어 유닛(11)은 연결부(17)를 통하여 쓰로틀 페달(18)의 위치를 나타내는 값(α)을 수신한다. 그 값(α)은 예를 들어 페달의 상대적인 각도 위치일 수 있으며, 페달이 자유로운 위치, 즉, 운전자가 발을 페달에 올리지 않은 위치를 원점의 위치 "0" 으로 취하고, 페달이 완전히 눌려진 위치에 값 "1"을 할당한다.

전자 제어 유닛은 연결부(14)를 통하여 배터리(9)의 충전 상태를 나타내는 SCO 값을 수신한다. 배터리의 충전 상태(SOC), 페달(18)의 각도 위치(α) 및, 타코메터(16)를 이용하여 측정된 차량 속도(V)의 값을 이용하고, 그리고 맵(20, 21,22, 23)을 이용하여, 전자 제어 유닛(11)은 엔진(7) 및 모터(8)에 의해 휘일들에 적용되어야 하는 휘일에서의 토크에 대한 설정점(C)을, 이후에 설명될 방법으로 결정한다. 만약 토크 설정점(C)이 양수(positive)의 값이어서 운전자가 휘일에서의 기동토크를 요청하고 있다는 것이 의미된다면, ECU 는 소망의 토크를 얻기 위하여 연소 엔진 또는 전기 모터 또는 그 둘 다를 동시에 작동시킨다.

엔진(들)과 모터(들) 사이의 추진 토크(C)의 분포는 예를 들어 이용 가능한 연료 보유량 및 전기 에너지에 의존할 수 있거나 (예를 들어, 연소 엔진(7)에 의해 전달된 토크로부터 에너지를 취함으로써 모터(8)가 전류 발전기로서 작용한다), 또는 (예를 들어 시내에서 전적으로 전기 모드로 운전하는 것과 같이) 사람-기계 인터페이스(19)를 이용하는 운전자로부터의 특정한 명령에 의존할 수 있다. 설정점 토크(C)가 음수(negative)여서 차량의 운전자가 브레이크 토크 또는 차량의 감속을 요청하는 것이 의미된다면, 저항 토크는 연소 엔진(7)에 의해 발생된 엔진 브레이크 토크의 합이 될 것이며, 특히 이는 엔진(7)의 실린더에서의 피스톤의 마찰 및 전기 모터(8)에 의해 전개된 재생 브레이크 토크에 의해 발생된 재생 브레이크 토크의 마찰에 대응하는 것으로서, 전류가 발생되어 배터리(9)로 보내지는 것을 허용한다.

전자 제어 유닛(11)은 연소 엔진(7)을 제어하여 엔진 브레이크 작용이 차량 속도에 맞도록 적합화시키고, 연소 모터(8)를 제어하여 보완의 저항 토크(comlementary resistive torque)를 전개하게 하여 전체적인 설정점 저항 토크(C)를 얻을 수 있게 한다.

도 2 는 도 1 의 시스템의 작동 곡선들중 하나를 도시하는데, 이것은 예를 들어 도 1 의 맵(22)에 대응할 수 있다. 도 2 는 쓰로틀 페달이 최대 움직임의 위치에 있을 때, 즉, α=1 일때 ECU 에 의해 전달된 엔진 토크 설정점(C)을 나타내는 곡선(Cmax)(선택된 부호 약정(sign convention)을 이용하여, 양수(positive)의 토크임)을 나타낸다. 이러한 엔진 토크 설정점은 차량 속도(V) 만의 함수이다. 이것은 정확히 양수(positive)이고 감소되는 속도(V)의 함수이다. 이러한 곡선에 의해 포괄되는 범위는 양수의 차량 속도를 포함하고 시간당 수 킬로미터인 음수(negative)의 속도로도 연장된다. 약간 음수의 속도는, 예를 들어 차량이 경사면 위의 전방향으로 움직이려고 시도하고 있을 때 양수의 기동 토크가 휘일들에 적용되고 있을지라도 차량이 뒤로 구르는 경우에 해당한다. 이러한 최대 토크 함수(Cmax)는 특히 전기적으로 동력을 받는 차량들의 경우에 잘 맞는다. 하이브리드 차량의 경우에, 전체적인 차량 속도 범위에 걸쳐 감소되는 함수가 아닌 최대 토크 함수를 생각할 수 있다.

도 3 은 도 1 의 시스템의 작동에 대한 곡선들을 나타내며, 이것은 예를 들어 도 1 의 맵(20,23)으로부터 구성될 수 있다. 이러한 도면(3)은 실선의 곡선을 도시하는데, 그것은 페달(18)이 완전히 상부 위치에 있을 때, 즉, α=1 일 때 전자 제어 유닛에 의해 전달된 설정점 토크(Cmin)를 나타낸다. 이러한 토크 설정점(Cmin)은 여기에서 배터리의 주어진 충전 상태(SOC)에 대하여 도시된 것이다. 각각의 충전 상태(SOC) 값에 대하여, 설정점 토크(Cmin)는 차량 속도(V)의 함수이다. 작은 값이거나 또는 약간 음수인 차량 속도 값에 대하여, 토크 설정점(Cmin)은 양수이며, 이는 기동 토크가 휘일들에 적용되는 것을 의미한다. 다음에 토크 설정점(Cmin)은 차량 속도의 함수로서 감소되고, 속도(V₀)에 대하여 제로가 되고, 속도(V₀) 보다 높은 값들에 대하여 음수로(저항 토크로) 남는다. V₀ 보다 높은 속도 범위에서, 우선적으로 토크(Cmin)는 속도와 함께 감소되고, 다음에 다시 증가하기 전에 최소를 통과하며, 이는 절대값과 관련하여 높은 차량 속도에 대해서 토크가 감소되는 것을 의미한다. 그렇게 정의된 거동 곡선(behavior curve)은 차량 속도의 함수로서 차량의 거동을 산출하는데, 그것은 연소 엔진이 설치된 차량 및 시퀀시얼 기어박스(sequential gearbox)가 거동하는 통상적인 방식과 유사하다.

배터리의 충전 상태(SOC)에 대응하는, 발이 떨어진(foot-off) 설정점 토크(Cmin)의 각각의 곡선은 점선으로 표시된 준선(directrix)의 곡선(Cmin₀)으로부터 추론될 수 있고 도 1 의 맵(23)에 저장된다. 배터리의 주어진 충전 상태(SOC)에 대응하는 최소 토크(Cmin)의 각각의 곡선은 배터리의 충전 상태의 함수인 저항 토크 값(Csat)에 의하여 절대값에서 곡선(Cmin₀)을 감소시켜서 얻어진다. 준선 곡선(directrix curve, Cmin₀)에서 읽혀질 수 있는 절대항들에서 가장 높은 값을 가진 저항 토크는 값(Csat_max)로 표시된다. 낮은 배터리 충전값들에 대하여, 값(Csat)은 곡선(Cmin₀)의 최소치(Csat_max)와 같다. 배터리 충전의 전류 레벨에 대응하는 설정점 토크(Cmin)의 곡선은 준선 곡선(Cmin₀)과 일치한다. 배터리 충전이 점진적으로 증가하면서, 전기 모터(8) 및 연소 엔진(7)으로 이루어진 파워 트레인(power train)이 차량(1)의 움직임에 반대로 발생시킬 수 있는 최대 저항 토크를 나타내는 값(Csat)은 절대값에서 감소된다. 배터리가 더이상 충전되지 않을 때, 엔진(7) 단독만으로부터의 엔진 브레이크 토크에 대응하는 저항 토크 값에 도달된다.

감소 값(Csat)은 배터리 충전의 값(SOC)의 함수로서 맵핑될 수 있다. 이러한 감소 값(Csat)은 충전 상태(SOC)의 연속적인 증가 함수(τ)인 포화 함수(saturation function,τ)를 통하여, 예를 들어 도 1 의 맵(20)에서 간접적으로 맵핑될 수도 있다. 이러한 함수(τ)는 예를 들어 배터리가 그것의 최소 충전 레벨에 있을 때 이용 가능한 가장 높은 저항 토크(Csat_max)와 현재의 배터리 충전에 대응하는 감소 토크(Csat) 사이 비율의 1 의 여수(complement)가 되도록 선택된다. 즉,

τ(SOC) = 1-Csat(SOC)/Csat_max 이다.

전자 제어 유닛(11)은 맵(20) 및 다음의 관계를 이용하여 감소 토크(Csat)를 추론할 수 있다.

Csat(SOC) = Csat(τ)=(1-τ)Csat_max

함수(τ)는 (최소 충전 레벨에서의 배터리에 대하여) 제로와 1 이하인 최대값(τ_max) 사이에서 증가되는 연속 함수이다. 값(τ_max)은 전적으로 전기 구동되는 차량의 경우에 1 과 같은데, 왜냐하면 그러한 차량은 연소 엔진으로부터 그 어떤 브레이크 토크도 가져오지 않기 때문이다. 포화 함수(τ)는 SOC 값 대신에 배터리 충전의 레벨을 나타내는 값으로서 이용될 수 있다. 컴퓨터(10)가 배터리의 충전 상태의 양을 재도록 값(τ)을 전달하는 본 발명의 대안의 형태들을 생각할 수 있다.

배터리 충전이 증가할수록 감소되는 절대값을 가지고 배터리 충전의 연속적인 함수로서 감소 값(Csat)을 변화시키도록 선택함으로써, 값(Cmin)의 영역이 얻어지는데, 그것은 페달(18)이 위에 있을 때 ECU 에 의해 전달되는 설정점 토크를 나타낸다. 도 4 에 도시되어 있는 그렇게 정의된 함수(Cmin)는 차량 속도(V) 및 배터리 충전의 연속적인 함수이며, 이것은 배터리 충전이 초기의 변수인 SOC 또는 포화 함수인 τ 로서 나타낼 수 있게 한다.

도 5 는 배터리의 주어진 SOC 에 대하여 차량 속도(V)의 함수로서 도 1 의 전자 제어 유닛(11)에 의해 휘일에 부과된 설정점 토크의 변화 범위를 그래프로 나타낸 것으로서, 포화 함수의 값(τ)을 특징으로 한다. 한계 속도(V₀) 보다 높은 차량 속도(V1)에 대하여, 페달에서의 설정점 토크의 범위는 직선 구획부(AB)에 의하여 한정된다. 점(A)은 페달이 완전히 눌려진 위치에 대응하며, 즉, α=1 에 대응한다. α=1 에 대하여, 휘일들에 가해지는 토크는 도 2 의 곡선(Cmax)으로부터 속도(V)의 함수로서 읽혀질 수 있는 값(Cmax₁)의 기동 토크(motive torque)이다. 지점(B)은 페달이 완전히 해제된 위치에 해당되며, 즉, α=0 이다. 휘일들에 부과되는 설정점 토크는 값(Cmin₁)의 저항 토크이며, 그것은 배터리 충전 레벨의 함수인 쓰레숄드 토크 값(Csat(τ))에 의해 감소된, V 의 함수로서의 준선 곡선(Cmin₀)으로부터 도 3 의 구조에서 추론될 수 있다. 2 개의 극단적인 각도 위치(α=1)과 (α=01) 사이에서, 설정점 토크는 문자(X)로 표시된 각도 위치에 대하여 소거된다.

V₀ 보다 낮은 속도 값들에 대하여, 설정점 토크는 정확히 양수인 토크 값(Cmax)과 양수이거나 또는 제로인 토크 값(Cmin) 사이에서 변화된다. 중립 지점(X)에서의 값은 다음에 약정에 의하여 제로와 같은 것으로 간주된다.

Vo 보다 높은 속도에 대하여, 운전자가 쓰로틀 페달을 해제시킴으로써 얻을 수 있는 최대 저항 토크(Csat(τ))는 배터리 충전과 함께 감소된다. 본 발명은 또한 배터리 충전이 증가할 때 감소되어야하는 저항 토크들에 할당된 페달 이동을 제안한다.

도 6 은 도 5 에서 한정된 중립 지점 함수(X)를 변화시킬 수 있는 한가지 방법을 나타낸다. 도 5 에 도시된 함수인 X(τ,V)는, 충전에 대하여 감소되며 배터리 충전 SOC 의 연속 함수인 함수(g) 및 연속 함수(f(V))의 곱(product)이다. 따라서 마찬가지 방식으로 포화 함수(τ)의 연속적이고 감소되는 함수라고 말할 수 있다. 예를 들어, 함수(g)는 포화 함수(τ)의 1 의 여수(complement)와 같게 선택될 수 있으며, 즉, g=1-τ이다.

도 6 에 도시된 예에서, 함수(f)는 한계 속도(V₀) 보다 낮은 속도에 대하여 제로 함수이다. 함수(f)는 속도(Vα_max) 보다 높은 속도에 대하여 한계 위치(α_max)와 같다. 함수(f)는 예를 들어 선형으로 V₀ 와 Vα_max 사이에서 증가한다. 값(α_max)은 브레이크 토크를 조절하는데 할당되도록 소망되는 최대의 페달 이동이다. 예를 들어 그것은 전체 페달 이동의 대략 3 분의 1 을 나타내며, 예를 들어 0.2 내지 0.4 사이이다. 차량 속도의 연속 함수인 함수(f) 및 배터리 충전의 연속 함수인 함수(g)의 곱(product)으로 정의되는 함수(X)는 따라서 속도 및 충전의 연속 함수이다.

속도(Vα_max)는 한계 속도(V₀)보다 높은, 수 km/h 이다. 이들 2 개의 속도들은 통상적으로 5 내지 15 km/h 사이에 있을 수 있으며, 예를 들어 V₀ 는 대략 7 내지 8 km/h 에 놓일 수 있고, Vα_max 는 대략 9 내지 11 km/h 에 있을 수 있다. V₀ 보다 낮은 속도는 차량이 서행하는 속도에 해당하며, 즉, 만약 운전자가 쓰로틀 페달로부터 발을 완전히 들어올릴지라도 차량이 전진하는 경향을 가지는 속도이다. 속도(Vα_max)는 천이 속도(transition speed)로서, 천이 속도를 지나면 운전자가 보다 직관적으로 페달을 이용할 수 있도록 중립 지점이 더 이상 속도의 함수로 변화되지 않는다.

속도(V₀)와 속도(Vα_max) 사이의 선형 변화는 차량이 움직이기 시작하는 것과 차량이 순행 속도(cruising speed)에 도달하는 순간 사이에서 차량이 작동하는 방식으로 연속성을 보장한다. 포화 레벨 τ=0 에 대하여, 즉, 충전이 안되거나 거의 안된 배터리에 대하여, 중립 지점은 함수 f(V) 로서 변화한다. 배터리가 점진적으로 충전되고 포화 레벨(τ)이 증가하면, 함수 X=f(V)*g(τ)는 감소된다. 배터리가 완전히 충전되었을 때, 포화 레벨(τ)은 차량에서 이용 가능한 엔진 브레이크 토크에 의존하는 값(τ_max)에 도달한다. 만약 엔진 브레이크가 낮으면, τ_max 는 값(1)에 근접할 것이며, 함수 X(τ,V)는 제로 함수에 근접할 것이다.

일단 중립 지점(X)의 위치가 배터리의 현재 충전 상태 및 차량의 현재 속도에 대하여 정의된다면, 휘일들에서의 토크에 대한 설정점(C)은 페달의 각각의 위치(α)와 관련된다. 이것은 페달이 완전히 눌려지는 위치(α=1)와 중립 지점 위치(α=X) 사이에서 휘일의 토크 변화가 연속적이고 정확히 증가하는 함수인 방식으로 이루어진다. 이것은 또한 페달의 최소 눌려짐의 위치 (α=0)와 중립 지점의 위치(α=X) 사이에서, 휘일의 토크 변화가 연속적이고 정확히 증가하는 방식으로 이루어지는 것이며, 즉, 절대값으로는 감소하는 것으로 이루어진다 (왜냐하면 토크는 저항 토크이며, 저항 토크는 선택된 부호 약정에서는 음수이기 때문이다).

예를 들어, 휘일에서의 토크는 다음에 한정된 함수를 이용하여 X 와 1 사이의 α에 대하여 그리고 V₀ 보다 높은 속도 값(V)에 대하여 중립 지점(α-X) 까지의 거리에 비례하여 변화하도록 될 수 있다.

V₀ 보다 높은 속도 값(V) 및 0 과 X 사이의 α 에 대하여, 토크(C)는 다음에 한정된 함수를 이용하여 중립 지점(α=X) 까지의 거리에 대하여 선형적으로 변화되도록 만들어질 수도 있다.

한계 속도(V₀) 보다 낮은 속도에 대하여, 중립 지점(X)은 약정(convention)에 의하여 제로와 같도록 취해지며, 2 개의 극단적인 페달 위치들 사이에서 설정점 토크의 부호 변화는 없다. 설정점 토크는 다음에 한정된 함수 C(α)를 이용하여 변화될 수 있다.

위에서 3 개의 범위들에 대하여 정의된 3 개의 한정된 함수들은 다음과 같이 표현되어 있는, 구분되게 한정된 연속 함수로 요약될 수 있다:

(방정식 1)

이것은 다음에 페달의 위치(α)들에 대하여 설정점 토크(C)에서의 연속적인 변화를 산출하는데, 이는 최대 토크 설정점(Cmax) 및 최소 토크 설정점(Cmin)의 값들과 중립 지점(X)의 위치를 나타낸다.

도 7 은 도 1 의 전자 제어 유닛(11)에 의하여, 휘일에서의 토크에 대한 설정점인 C(α)를 평가하는 방법을 요약한 다이아그램이다. 도 7 은 도 1 과 공통적인 요소들을 포함하며, 동일한 요소들은 동일한 참조 번호를 가진다. 연결부(15)를 통하여 전자 제어 유닛(11)은 차량 속도에 대응하는 값(V)을 수신한다. 만약 가속 페달이 완전히 눌려진 위치에 있었다면 그 차량 속도에 할당되었을 휘일에서의 속도에 대응하는 최대 토크 값(Cmax(V))을 맵(22)에서 찾도록 그 값(V)을 이용한다. 그 값(Cmax(V))은 평가기(evaluator, 32)의 하나의 입력으로 보내진다.

전자 제어 유닛(11)은, 만약 배터리가 그것의 최소 충전 레벨에 있었다면 페달이 동일한 속도(V)에 대하여 가졌을 중립 지점의 위치에 대응하는 값(f(V))을 맵(21)에서 찾도록 값(V)을 이용한다. 전자 제어 유닛(11)은 그 값(f(V))을 멀티플라이어(multiplier, 30)의 제 1 입력으로 보낸다.

전자 제어 유닛(11)은 마지막으로, 만약 쓰로틀 페달이 완전히 해제되고 그리고 만약 배터리가 그것의 최소 충전 레벨에 있었다면 동일한 속도(V)에서 휘일들에 부과되는 토크의 값이 되었을 값(Cmin₀(V))을 맵(23)에서 찾도록 차량 속도 값(V)을 이용한다. 그러한 값은 비교기(34)의 입력으로 보내진다.

연결부(14)을 통하여 전자 제어 유닛(11)은 배터리의 충전 상태를 나타내는 SCO 값을 수신한다. 이용 가능한 저항 토크의 포화 레벨을 나타내는 값(τ)을 맵(20)에서 찾도록 SOC 값이 이용된다. 이러한 값(τ)은 차감기(subtractor, 31)의 음수 입력으로 보내지며, 차감기는 양수 입력에서 값(1)을 수신한다. 값(1-τ)을 산출하는 차감기(31)로부터의 출력은 멀티플라이어(30)의 입력에 연결된다. 멀리플라이어(30)로부터의 출력은 중립 지점 값(X(τ,V))을 산출하는데, 그 중립 지점 값은 평가기(32)의 입력으로 보내진다.

차감기(31)로부터의 출력은 멀티플라이어(33)의 하나의 입력으로 연결되는데, 그것의 제 2 입력에서 멀티플라이어는 일정한 값(Csat_max)을 수신하며, 상기 일정한 값은 맵(23)의 곡선으로부터 읽을 수 있는 가장 높은 저항 토크에 대응하는 값이다.

멀티플라이어(33)로부터의 출력은 비교기(34)의 값(Csat(τ))을 산출하고, 그 값은 비교기(34)의 하나의 입력으로 보내진다.

비교기(34)는 2 개의 저항 토크(Csat(τ) 및 Cmin₀(V))들을 비교하고, 2 개의 토크들중 절대값과 관련하여 가장 작은 하나에 값(Cmin(τ,V))을 할당하고, 그 값을 평가기(32)의 하나의 입력으로 보낸다.

따라서 평가기(32)는 3 개의 제 1 입력, 최대 토크 값(Cmax(V)), 최소 토크 값(Cmin(τ,V) 및, 중립 지점 위치(X(τ,V))를 수신한다.

연결부(17)를 통하여 전자 제어 유닛(11)은 페달(18)의 위치를 나타내는 값(α)을 수신한다. 그 값(α)은 평가기(32)의 제 4 입력으로 보내지며, 값(α, Cmax(V), Cmin(τ,V) 및 X(τ,V)를 이용하여 평가기가 휘일에서의 설정점 토크(C(α))를 계산하도록 방정식(1)을 이용한다.

본 발명은 위에서 설명된 구현예들에만 제한되지 않으며 다양한 방법으로 변화될 수 있다. 쓰로틀 페달은 물론 등급별 설정점을 전송하기 위한 임의의 다른 등가 장치에 의해 대체될 수 있으며, 예를 들어 회전 손잡이 레버(rotary hand lever)에 의해 대체될 수 있고, 그리고/또는 각도 이동보다는 선형 이동을 검출할 수 있다.

차량의 거동의 연속성을 더욱 향상시키기 위하여, 시간에 걸쳐서 포화 함수(τ)를 매끄럽게 하는 것(smoothing)이 수행될 수 있는데, 이것은 전력을 많이 소비하는 장치들이 가동중일 때 페달의 거동(behavior)이 변화되는 것을 회피하기 위한 것이다.

본 발명의 방법에서 이용된 함수(Cmin 및 Cmax)는 모두 배터리 충전의 함수로서의 변수들일 수 있으며, 준선의 곡선(directrix curve)으로부터 다시 계산되기 보다는, 가능하게는 배터리 충전 및 차량 속도인 2 개의 변수들의 함수로서 직접적으로 맵핑될 수 있다.

중립 지점의 곡선(X_τ(V))도, (1-τ)가 아닌, 계수(g(τ))에 의해 곱해진 함수(f(V))의 곱으로서 정의될 수 있다. 함수(g(τ))는 τ 의 연속적인 감소 함수일 것이다. 이러한 경우에, 함수(g)는 배터리의 충전 상태(SOC)의 함수로서 또는 이용 가능한 저항 토크의 포화 레벨의 함수(τ)로서 특정 맵에 의해 포괄될 수 있다.

본 발명은 전적으로 전기 구동되는 차량에 적용될 뿐만 아니라 하이브리드 구동의 차량에도 적용될 수 있다. 모든 전기 자동차의 경우에, 배터리가 완전히 충전될 때, 임의의 엔진 브레이크나 임의의 재생 브레이크도 이용될 수 없다;τ 에는 값(1)이 할당되고 중립 지점은 전체 속도 범위에 걸쳐 발을 뗀 위치(X=0)와 일치되게 유지된다.

"일관된 거동(consistent behavior)"의 시스템 변형을 생각할 수 있으며, 그러한 변형에서 발을 떼는 토크 설정점(foot-off torque setpoint)은 항상 Cmin₀ 곡선을 따르며, 운전자는 항상 주어진 속도 및 주어진 쓰로틀 페달 위치에 대하여 동일한 토크를 얻는다. 다음에 시스템은, 적용되어야 하는 재생 브레이크 토크(또는, 하이브리드 동력원의 경우에, 재생 브레이크 토크 및 엔진 브레이크 토크의 합)를 결정하도록 이전에서와 같은 Cmin 곡선을 이용하고, 차량 배터리가 가득할 때 재생 브레이크에 추가되어야 하는 유압 브레이크의 보완(complement)을 계산하도록 곡선 Cmin₀ 을 이용한다. 이러한 변형예에서, 중립 지점의 위치는 차량 속도만의 함수이다.

차량은 몇개의 전기 모터 또는 몇개의 연소 엔진들을 포함할 수 있다. 본 발명에 따라서 ECU 에 의해 부과되는 토크는 휘일들에 적용되는 전체 토크일 것이다. 하이브리드 동력원의 경우에, 특정의 구성에서, 상기 토크는 배터리를 재충전시키기 위하여 동시에 적용되는 재생 브레이크 토크 및 연소 엔진에 의해 발생된 기동 토크의 합일 수 있다.

상기의 설명은 양수의 값(positive value)을 기동 토크에 할당하고 음수의 값(negative value)을 저항 토크에 할당한다는 약정에 기초한 것이라는 점이 주목되어야 한다. 본 발명에 따른 제어 시스템은 반대의 부호 약정을 이용하며, 따라서곡선의 변화 방향은 다시 정의될 필요가 있다. 마찬가지로, 차량 이동 방향의 속도를 음수가 되게 선택함으로써 차량 속도 부호에 대하여 반대의 약정이 선택될 수 있다. 곡선들의 부호 및 변화 방향에 대한 설명은 그에 따라서 적합화되어야 한다.

본 발명은 계산 유닛의 형태로 구성되었으며 그것은 물리적으로 독립적인 전자 구성부 또는 컴퓨터를 이용하여 이루어질 수 있거나, 또는 소프트웨어 형태로 설명된 모든 논리 유닛(logic unit) 또는 계산 유닛을 프로그래밍함으로써 이루어질 수 있다. 대응하는 프로그램 및 그것의 서브루틴(subroutine)은 하나 또는 그 이상의 컴퓨터들에 함입될 수 있고, 그 컴퓨터는 중앙 전자 제어 유닛에 포함되거나 포함되지 않을 수 있다.

본 발명에 따른 시스템은, "발을 떼는(foot-off)" 브레이크 작용이 이용될 수 있는 한, 운전자가 휘일에 적용할 필요가 있는 토크를 운전자가 직관적으로 계측하는 것을 허용한다. 차량의 거동이 전개되는 방식은 배터리 충전 상태의 함수로서 점진적으로 변화된다. 그것은 운전자가 토크의 갑작스러운 변화에 의하여 놀라게 되는 것을 방지하며 운전자가 현재의 거동 범위에 익숙해지게 되는 것을 허용한다. 이러한 "일관성 있는 거동"의 변형에서, 시스템은 사용자에게 명백해진다. 이러한 변형예에서, 시스템은 감속의 힘이 재생 브레이크(regenerative braking)와 소산되는 유압 브레이크(dissipative hydraulic braking) 사이에 분포되는 것을 허용하며, 그에 의하여 배터리의 재충전을 최적화시킨다.

시스템은 차량의 에너지 계산 및 배터리 수명을 최적화시킬 수 있고, 따라서 전체적으로 탄소가 영향을 미치는 범위를 최적화시킬 수 있다. 그것은 차량의 직관적인 운전을 허용하며, 그것은 운전 원활성 및 보행자 안전에 기여한다.

1. 하이브리드 차량 2. 전방 차축
3. 피구동 휘일 4. 후방 차축
5. 피구동 휘일 7. 연소 엔진

Claims

배터리(9)에 연결되고 적어도 하나의 피구동 휘일(5)에 연결된 적어도 하나의 전기 모터(8)가 구비된 차량(1)의 휘일(3,5)들에서의 토크를 제어하는 방법으로서, 모터는 차량을 감속시키는 동안 배터리를 재충전시키는 발전기로서 작동할 수 있고, 상기 방법에서 제 1 브레이크-조절 이동 및 제 2 가속-조절 이동이 차량 쓰로틀 페달(18)의 움직임에 부과되고, 브레이크-조절 이동은 배터리 충전의 연속적인 감소 함수(continuous decreasing function)인, 토크 제어 방법.
제 1 항에 있어서,
페달(18)에 아무런 작용이 없을 때, 배터리 충전(τ, SOC) 및 차량 속도(V)의 연속적인 함수인 최소 토크 함수(Cmin)인 토크(C)가 휘일들에 적용되고, 그 함수는 기동 토크를 나타내거나 또는 한계 속도(Vo) 보다 낮은 속도 범위에 걸쳐서 제로인 토크를 나타내며, 상기 함수는 한계 속도(Vo) 보다 높은 속도 범위에 걸쳐서 배터리 충전(τ, SOC)에 대하여 감소되는 절대값의 적어도 하나의 지점에서 제로가 아닌 저항 토크(resistive torque)를 나타내는, 토크 제어 방법.
전기한 항들중 어느 한 항에 있어서,
페달(18)이 최대 이동 위치에 있을 때, 휘일들에 부과되는 토크(C)는 차량 속도(V)만의 함수로서 연속적으로 변화되는 기동 토크를 나타내는 최대 토크 함수(Cmax)인, 토크 제어 방법.
전기한 항들중 어느 한 항에 있어서,
최대 토크 함수(Cmax)는 차량 속도(V)에 대하여 감소되는 절대값의 함수인, 토크 제어 방법.
전기한 항들중 어느 한 항에 있어서,
제한 속도(Vo)보다 높은 속도의 범위에 걸쳐서, 기동 토크도 저항 토크도 휘일에 적용되지 않는 페달(18)의 움직임을 의미하는 페달(18)의 중립 지점(X)은, 제 1 연속 불포화 함수(first continuous non-saturation function) 및 제 2 연속 함수(f(V))의 곱(product)이고, 제 1 연속 불포화 함수는 배터리 충전과 함께 감소하고, 제 2 연속 함수는 속도와 함께 증가하는, 토크 제어 방법.
전기한 항들중 어느 한 항에 있어서,
최소 토크 함수(Cmin)는 기준 함수(Cmin₀)로부터 얻어지고, 기준 함수는 쓰레숄드 재충전 토크와 같은 제로 토크 또는 저항 토크의 쓰레숄드(Csat)를 상기 함수(Cmin₀)에 부과함으로써 차량 속도(V)의 함수로서 맵핑(mapping)되고, 쓰레숄드 재충전 토크의 절대값은 배터리 충전(τ,SOC)의 감소되는 연속 함수인, 토크 제어 방법.
제 5 항 또는 제 6 항에 있어서,
불포화 함수는 기준 함수(Cmin₀)의 가장 높은 저항 토크 값(Csat_max)에 의해 나뉘어진 쓰레숄드 재충전 토크(Csat)의 몫(quotient)과 같은, 토크 제어 방법.
전기한 항들중 어느 한 항에 있어서,
한계 속도(Vo) 보다 높은 속도 범위에 속하는 주어진 차량 속도에 대하여, 휘일에 부과된 토크(C)의 값은, 중립 지점의 각각의 측에 있는 페달 움직임의 2 개 범위들 각각에서, 중립 위치(X)로부터의 페달(18) 거리의 선형 함수로서 변화되는, 토크 제어 방법.
전기한 항들중 어느 한 항에 있어서,
한계 속도(Vo) 보다 낮은 주어진 차량 속도에 대하여, 휘일에 부과되는 토크의 값은 페달(18)의 전체 이동에 걸쳐 선형적으로 변화되는, 토크 제어 방법.
배터리(9)에 연결되고 적어도 하나의 피구동 휘일(5)에 연결된 적어도 하나의 전기 모터(8)가 설치된 차량(1)의 휘일에서 토크를 제어하기 위한 시스템으로서, 차량을 감속시키는 동안 모터는 배터리를 재충전하기 위하여 발전기로서 작동될 수 있고, 시스템은 전자 제어 유닛(11)에 연결된 쓰로틀 페달(18)을 포함하고, 전자 제어 유닛은 페달의 위치에 따라서 전기 모터(8)를 구비하는 파워 트레인(power train)을 통하여 피구동 휘일에 저항 토크 또는 기동 토크를 부과하도록 구성되고,
전자 제어 유닛(11)은 쓰로틀 페달(18)의 움직임에 제 1 브레이크 조절 이동(first braking-regulating travel)을 부과하고, 쓰로틀 페달의 움직임에 제 2 가속 조절 이동을 부과하며, 제 2 가속 조절 이동의 크기(amplitude)는 배터리 충전의 연속적인 증가 함수인, 토크 제어 시스템.
제 10 항에 있어서,
파워 트레인은 전기 모터(8)만을 포함하는, 토크 제어 시스템.
제 11 항에 있어서,
파워 트레인은 적어도 하나의 연소 엔진(7) 및 적어도 하나의 전기 모터(8)를 포함하는, 토크 제어 시스템.