KR20120021093A - 하이브리드 차량의 변속 제어장치 및 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 모터의 동력으로 주행하는 EV모드에서 킥다운 변속이 요구되면 목표 변속단의 모터 회전속도에 따라 능동적인 킥다운 변속이 제공되도록 하는 하이브리드 차량의 변속 제어장치 및 방법이 개시된다.
본 발명은 EV모드에서 킥다운 변속 요구를 검출하는 과정, 킥다운 변속 요구가 검출되면 목표 변속단의 모터 회전수를 연산하는 과정, 목표 변속단의 모터 회전수와 기준 회전수를 비교하여 요구 토크의 만족 여부를 판정하고, 요구 토크의 만족 여부에 따라 EV모드 혹은 HEV모드에서 킥다운 변속을 실행하는 과정을 포함한다.

Description

하이브리드 차량의 변속 제어장치 및 방법{SHIFT CONTROL SYSTEM AND METHOD FOR HYBRID VEHICLE}
본 발명은 하이브리드 차량에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 모터의 동력으로 주행하는 EV모드에서 킥다운 변속이 요구되는 경우 목표 변속단의 모터 회전속도에 따라 능동적인 킥다운(Kick Down) 변속이 제공되도록 하는 하이브리드 차량의 변속 제어장치 및 방법에 관한 것이다.
차량에 대한 끊임없는 연비 향상의 요구와 각 나라의 배출가스 규제의 강화에 따라 친환경 자동차에 대한 요구가 증가하고 있으며, 이에 대한 현실적인 대안으로 하이브리드 차량이 주목받고 있다.
하이브리드 차량은 동력원으로 엔진과 모터가 적용되며, 토크 손실을 최소화하기 위하여 토크 컨버터 대신에 엔진과 모터 사이에 유체에 의해 작동되는 엔진클러치가 장착된다.
따라서, 하이브리드 차량은 주행 상황에 따라 엔진과 모터의 특성이 최적으로 발휘될 수 있도록 엔진클러치를 통해 엔진과 모터의 연결을 제어하여 최적의 동력이 변속기에 전달되도록 한다.
하이브리드 차량은 주행 상황에 따라 엔진의 동력으로 주행하는 엔진모드, 모터의 동력으로 주행하는 EV모드, 엔진과 모터의 동력을 동시에 사용하여 주행하는 HEV모드로 동작된다.
따라서, 하이브리드 차량은 엔진과 모터라는 두 개의 동력원을 어떻게 조화롭게 동작시키느냐에 따라 추가적인 연비 향상을 도모할 수 있게 된다.
하이브리드 차량이 모터의 동력으로 주행하는 EV모드에서 킥다운 변속이 요구되면 하이브리드 제어기(HCU)는 모터 구동 상태에서 킥다운 변속을 실행시킨다.
그러나, 첨부된 도 4에 도시된 모터의 토크 특성에서 알 수 있는 바와 같이, 모터는 회전수가 빨라질수록 토크는 저하되는 특성이 있기 때문에 기어비를 높여 입력 회전수를 상승시켜 가속감을 얻으려는 킥다운 변속의 가속 원리와 물리적으로 상충된다.
즉, 킥다운 변속에 의해 모터 회전수가 상승하면 오히려 토크는 하강되므로 가속감이 저하된다.
따라서, 하이브리드 차량은 EV모드에서 킥다운 변속이 발생되는 경우 입력 회전수(모터 회전수)가 상승되어 오히려 가속감이 저하되는 상황이 발생되며, 이에 따라 가속 지연감이 발생되어 가속 응답을 개선하는데 한계가 있는 문제점이 있다.
본 발명은 상기한 문제점을 해결하기 위하여 제안된 것으로서, 본 발명의 목적은 EV모드에서 킥다운 변속이 요구되면 목표 변속단의 기어비를 적용하여 연산한 목표 변속단의 모터 회전수가 요구 토크를 만족시킬 수 있는 경우에는 EV모드에서 킥다운 변속을 실시하고 킥다운 변속이 종료된 직후에 엔진클러치의 결합으로 HEV모드로 전환하여 가속 응답성이 제공되도록 하는 것이다.
또한, 본 발명의 목적은 EV모드에서 킥다운 변속이 발생하는 경우 목표 변속단의 기어비를 적용하여 연산한 목표 변속단의 모터 회전수가 요구 토크를 만족하지 못하는 경우는 킥다운 변속 전에 엔진클러치의 체결을 통해 HEV모드로 전환하여 엔진 토크에 의한 가속감을 미리 획득한 후 HEV모드에서 킥다운 변속이 실행되도록 함으로써, 최적의 가속 응답성이 제공되도록 하는 것이다.
본 발명의 실시예에 따르면, 동력원으로 엔진과 모터가 적용되는 하이브리드 차량에 있어서, 킥다운 변속요구를 검출하는 운전정보검출부; EV모드에서 킥다운 변속 요구가 검출되면 목표 변속단의 모터 회전수를 연산하고, 연산된 목표 변속단의 모터 회전수가 요구 토크를 만족하는지를 판단하여 EV모드 혹은 HEV모드에서 킥다운 변속을 실행시키는 하이브리드 제어기를 포함하는 하이브리드 차량의 변속 제어장치가 제공된다.
상기 하이브리드 제어기는 킥다운 변속 요구에 따른 목표 변속단의 모터 회전수를 하기의 연산을 통해 산출할 수 있다.
N(목표 변속단의 모터 회전수) = No(변속기 출력회전수) × R(목표 변속단 기어비)
상기 하이브리드 제어기는 킥다운 변속 요구에 따른 목표 변속단의 모터 회전수가 기준 회전수 미만으로 요구 토크를 만족시키는 상태이면 EV모드에서 킥다운 변속을 실행하고, 엔진클러치를 결합하여 HEV모드의 주행상태로 전환할 수 있다.
상기 하이브리드 제어기는 킥다운 변속 요구에 따른 목표 변속단의 모터 회전수가 기준 회전수를 초과하여 요구 토크를 만족시키는 못하는 상태이면 엔진을 시동 온 시키고, 엔진클러치를 결합하여 HEV모드로 전환시킨 다음 킥다운 변속을 실행할 수 있다.
본 발명의 다른 실시예에 따르면, EV모드에서 킥다운 변속 요구를 검출하는 과정; 킥다운 변속요구가 검출되면 목표 변속단의 모터 회전수를 연산하는 과정; 목표 변속단의 모터 회전수와 기준 회전수를 비교하여 요구 토크의 만족 여부를 판정하고, 요구 토크의 만족 여부에 따라 EV모드 혹은 HEV모드에서 킥다운 변속을 실행하는 과정을 포함하는 하이브리드 차량의 변속 제어장치가 제공될 수 있다.
상기에서 목표 변속단의 모터 회전수가 요구 토크를 만족시키는 기준 회전수 미만이면 EV모드에서 킥다운 변속을 실행하고, 킥다운 변속이 완료되면 HEV모드로 전환하여 가속성을 제공할 수 있다.
그리고, 상기에서 목표 변속단의 모터 회전수가 요구 토크를 만족시키는 못하는 기준 회전수 초과 상태이면 엔진을 시동 온 시킨 다음 엔진클러치를 결합시켜 HEV모드로 전환하고, HEV모드로 전환이 완료되면 HEV모드에서 킥다운 변속을 실행시킬 수 있다.
본 발명의 실시예에 따르는 하이브리드 차량은 EV모드의 킥다운 변속에 빠른 가속감을 제공할 수 있다.
또한, 킥다운 변속에서 모터 토크가 부족한 고속구간에서는 HEV모드 킥다운 변속을 제공함으로써, 가속 응답성을 확보하여 준다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 하이브리드 차량의 변속 제어장치를 도시한 도면이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 하이브리드 차량의 변속 제어절차를 도시한 흐름도이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 하이브리드 차량의 변속 제어절차를 도시한 타이밍도이다.
도 4는 하이브리드 차량에 통상적으로 적용되는 모터의 토크 특성을 도시한 도면이다.
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 변속 제어장치를 도시한 도면이다.
도 1을 참조하면, 본 발명에 따른 하이브리드 차량의 변속 제어장치는 운전정보검출부(101)와 ECU(Engine Control Unit : 102), HCU(Hybrid Control Unit : 103), CCU(Clutch Control Unit : 104), PCU(Power Control Unit : 105), 배터리(106), BMS(Battery Management System : 107), 엔진(200), 엔진클러치(250), 모터(300), 변속기(400)를 포함한다.
운전정보검출부(101)는 운전자가 요구하는 감가속 및 킥다운 요구의 정보를 검출하여 그에 대한 정보를 HCU(103)에 제공한다.
상기 운전정보검출부(101)는 브레이크 페달의 작동 여부를 검출하는 브레이크 페달센서, 가속페달의 작동 변위를 검출하는 APS(Accelerator Pedal Sensor)를 포함한다.
ECU(102)는 네트워크로 연결되는 HCU(103)와 연동하여 엔진(200)의 제반적인 동작을 제어하며, 엔진(200)의 동작 상태정보를 HCU(103)에 제공한다.
HCU(103)는 최상위 제어기로, 네트워크로 연결되는 하위 제어기들을 통합 제어하고, 각 하위 제어기들의 정보를 수집 분석하여 하이브리드 차량의 전반적인 거동을 제어한다.
상기 HCU(103)는 EV모드에서 킥다운 변속이 요구되면 목표 변속단의 기어비를 적용하여 목표 변속단의 모터 회전수를 연산하고, 연산된 모터 회전수가 기준회전수 보다 저속으로 요구 토크를 만족할 수 있는 상태이면 EV모드에서 킥다운 변속을 실행한 다음 엔진클러치의 결합으로 HEV모드로 전환하여 안정된 가속성이 제공되도록 한다.
상기 요구 토크는 킥다운 변속에 따른 가속 응답성을 제공할 수 있는 출력 토크를 의미한다.
또한, 상기 HCU(103)는 EV모드에서 킥다운 변속이 요구되면 목표 변속단의 기어비를 적용하여 모터 회전수를 연산하고, 연산된 모터 회전수가 기준 회전수 보다 고속으로 요구 토크를 만족할 수 없는 상태이면 엔진의 시동 상태를 판단하여 엔진 시동 온을 실행한 후 엔진클러치의 결합으로 HEV모드로 전환하고, HEV모드의 전환이 완료되면 킥다운 변속을 실행함으로써, 안정된 가속성을 제공한다.
CCU(104)는 네트워크로 연결되는 HCU(103)의 제어에 따라 변속기(400)에 구비되는 액추에이터를 제어하여 킥다운 변속에 따른 목표 변속단의 결합을 제어하고, 엔진클러치(250)에 공급되는 유체의 압력을 제어하여 엔진클러치(250)의 결합 및 해제를 실행함으로써, 엔진(200)의 동력 전달을 단속한다.
PCU(105)는 MCU(Motor Control Unit)와 복수개의 전력 스위칭소자로 구성되는 인버터 및 보호회로를 포함하며, 상기 HCU(104)에서 인가되는 제어신호에 따라 배터리(106)에서 공급되는 직류전압을 3상 교류전압으로 변환시켜 모터(300)를 구동을 제어한다.
상기 PCU(105)에 포함되는 전력 스위칭소자는 IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor), MOSFET, 트랜지스터, 릴레이 중 어느 하나로 구성될 수 있다.
그리고, 상기 PCU(105)에 포함되는 보호회로는 구동전원의 흐름을 감시하고, 차량의 추돌이나 충돌, 낙뢰 등 다양한 원인에 의해 구동전원에 과전압, 과전류가 유입되는 경우 구동전원을 분산 혹은 차단시켜 하이브리드 차량에 구비되는 제반 시스템을 보호하고, 탑승자를 고압으로부터 안정되게 보호한다.
배터리(106)는 HEV모드에서 엔진(200)의 출력을 보조하기 위하여 모터(300)에 전원을 공급하고, 모터(300)에서 발전되는 전압을 충전한다.
그리고, EV모드에서 모터(300)에 전원을 공급하고, 회생제동 제어시 발전기로 동작되는 모터(300)에서 생성되는 전압을 충전한다.
BMS(107)는 배터리(106)의 전압, 전류, 온도 등의 정보를 종합 검출하여 충전상태를 관리 제어하며, 배터리(106)의 충방전 전류량을 제어하여 한계전압 이하로 과방전되거나 한계전압 이상으로 과충전되지 않도록 한다.
엔진(200)은 ECU(102)의 제어에 따라 최적의 운전점으로 구동 제어된다.
ISG(210)는 차량의 운전상황에 따라 엔진(200)의 아이들 정지 및 재시동을 실행시킨다.
엔진클러치(250)는 엔진(200)과 모터(300)의 사이에 배치되고, CCU(104)의 제어에 따라 동작되어 엔진(200)과 모터(300)간의 동력 전달을 단속한다.
모터(300)는 PCU(105)를 통해 공급되는 3상 교류전압으로 구동되어 엔진(200)의 출력토크를 지원하고, 엔진(200)의 출력에 잉여 토크가 있는 경우나 제동시 발전기로 동작된다.
변속기(400)는 상기 CCU(104)의 제어에 따라 변속비가 조정되며, 운전모드에 따라 클러치(250)를 통해 합산되어 인가되는 출력토크를 변속비로 분배하여 구동륜에 전달시켜 자동차가 주행될 수 있도록 한다.
상기 변속기(400)는 자동변속기 혹은 무단변속기로 적용될 수 있다.
상기한 기능을 포함하는 본 발명에 따른 하이브리드 차량에서 통상적인 동작은 종래의 하이브리드 자동차와 동일 내지 유사하게 실행되므로 이에 대한 구체적인 설명은 생략한다.
본 발명은 EV모드에서 킥다운 변속을 제어하는 발명이므로, 이에 대한 동작에 대해서만 구체적으로 설명한다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 하이브리드 차량의 변속 제어절차를 도시한 흐름도이다.
본 발명이 적용되는 하이브리드 차량이 EV모드에서 운전정보검출부(101)는 운전자의 운전요구를 검출하여 최상위 제어기인 HCU(103)에 제공한다(S101).
이때, HCU(103)는 운전정보검출부(101)에서 제공되는 운전정보를 분석하여 킥다운 변속 요구가 검출되는지 판단한다(S102).
상기 S102의 판단에서 킥다운 변속 요구가 검출되지 않으면 S101의 과정으로 리턴하고, 킥다운 변속 요구가 검출되면 목표 변속단의 기어비를 적용하여 목표 변속단에서의 모터 회전수(회전속도)를 연산한다(S103).
상기 목표 변속단에서의 모터 회전수(는 다음과 같이 결정된다.
N(목표 변속단 모터 회전수) = No(변속기 출력회전수) × R(목표 변속단 기어비)
이후, 상기 S103에서 연산된 목표 변속단의 모터 회전수를 요구 토크 만족 여부를 판정하는 기준 회전수와 비교하여 기준 회전수를 초과하는지를 판단한다(S104).
상기 S104의 판단에서 킥다운 변속 요구에 대한 목표 변속단의 모터 회전수가 기준 회전수를 초과하는 상태이면 EV모드에서 킥다운 변속을 실행하는 경우 요구 토크를 만족시킬 수 없는 상태인 것으로 판정하여 킥다운 변속을 일시적으로 금지한다(S105).
이후, 엔진(200)의 시동 여부를 판정하여 시동 오프의 상태이면 ISG(210)를 제어하여 엔진(200)을 시동 온 실행한 다음(S106) CCU(104)를 통해 엔진클러치(250)의 결합을 제어한다(S107).
엔진클러치(250)의 결합이 완료되어(S108) EV모드에서 HEV모드로 전환되었으면 CCU(104)를 통해 변속기(400)에 구비되는 액추에이터를 작동시켜 목표 변속단으로 킥다운 변속을 실행시켜 안정된 가속성을 확보하여 준다.
상기한 동작은 도 3에서 알 수 있는 바와 같이, EV모드에서 APS의 급격한 변화에 따른 I변속단에서 i-n변속단으로 킥다운 변속이 요구되고, 목표변속단의 기어비를 적용하여 연산된 모터 회전수가 기준 회전수를 초과하여 충분한 요구 토크를 만족시킬 수 없는 상태인 경우 킥다운 변속의 실행을 일시 정지시킨 상태에서 ISG(210)를 통해 엔진(200)을 시동 온 시키고, 엔진클러치(250)를 체결시켜 엔진(200) 동력에 의해 1차 가속 응답을 얻은 다음 킥다운 변속을 실행하여 2차 가속 응답을 얻을 수 있도록 함으로써, 안정되고 신속한 가속감이 제공될 수 있도록 한다.
또한, 상기 S104의 판단에서 킥다운 변속 요구에 대한 목표 변속단의 모터 회전수가 기준 회전수 미만이면 EV모드에서 킥다운 변속을 실행하는 경우 요구 토크를 만족시킬 수 있는 상태인 것으로 판정하고, CCU(104)를 통해 변속기(400)에 구비되는 액추에이터를 작동시켜 현재의 주행모드인 EV모드에서 목표 변속단으로 킥다운 변속을 실행한다(S110).
이후, 킥다운 변속이 완료되면(S111) 엔진(200)의 시동 여부를 판정하여 시동 오프의 상태이면 ISG(210)를 제어하여 엔진(200)을 시동 온 실행한 다음 CCU(104)를 통해 엔진클러치(250)를 결합하여 HEV모드의 주행을 제공함으로써, 킥다운 변속에 안정된 가속성을 확보하여 준다.
이상에서는 본 발명의 실시예에 대하여 설명하였으나, 본 발명의 사상은 본 명세서에 제시되는 실시예에 제한되지 아니하며, 본 발명의 사상을 이해하는 당업자는 동일한 사상의 범위 내에서 구성요소의 부가, 변경, 추가, 삭제 등에 의해서 다른 실시예를 용이하게 제안할 수 있을 것이나, 이 또한 본 발명의 사상범위 내에 포함된다고 할 것이다.
101 : 운전정보검출부 102 : ECU
103 : HCU 104 : CCU
105 : PCU 106 : 배터리
107 : BMS 200 : 엔진
210 : ISG 250 : 엔진클러치
300 : 모터 400 : 변속기

Claims (7)

  1. 동력원으로 엔진과 모터가 적용되는 하이브리드 차량에 있어서,
    킥다운 변속요구를 검출하는 운전정보검출부;
    EV모드에서 킥다운 변속 요구가 검출되면 목표 변속단의 모터 회전수를 연산하고, 연산된 목표 변속단의 모터 회전수가 요구 토크를 만족하는지를 판단하여 EV모드 혹은 HEV모드에서 킥다운 변속을 실행시키는 하이브리드 제어기;
    를 포함하는 하이브리드 차량의 변속 제어장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 하이브리드 제어기는 킥다운 변속 요구에 따른 목표 변속단의 모터 회전수를 하기의 연산을 통해 산출하는 것을 특징으로 하는 하이브리드 차량의 변속 제어장치.
    N(목표 변속단의 모터 회전수) = No(변속기 출력회전수) × R(목표 변속단 기어비)
  3. 제1항에 있어서,
    상기 하이브리드 제어기는 킥다운 변속 요구에 따른 목표 변속단의 모터 회전수가 기준 회전수 미만으로 요구 토크를 만족시키는 상태이면 EV모드에서 킥다운 변속을 실행하고, 엔진클러치를 결합하여 HEV모드로 전환시키는 것을 특징으로 하는 하이브리드 차량의 변속 제어장치.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 하이브리드 제어기는 킥다운 변속 요구에 따른 목표 변속단의 모터 회전수가 기준 회전수를 초과하여 요구 토크를 만족시키는 못하는 상태이면 엔진을 시동 온 시키고, 엔진클러치를 결합하여 HEV모드로 전환시킨 다음 킥다운 변속을 실행시키는 것을 특징으로 하이브리드 차량의 변속 제어장치.
  5. EV모드에서 킥다운 변속 요구를 검출하는 과정;
    킥다운 변속요구가 검출되면 목표 변속단의 모터 회전수를 연산하는 과정;
    목표 변속단의 모터 회전수와 기준 회전수를 비교하여 요구 토크의 만족 여부를 판정하고, 요구 토크의 만족 여부에 따라 EV모드 혹은 HEV모드에서 킥다운 변속을 실행하는 과정;
    을 포함하는 하이브리드 차량의 변속 제어장치.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 목표 변속단의 모터 회전수가 요구 토크를 만족시키는 기준 회전수 미만이면 EV모드에서 킥다운 변속을 실행하고, 킥다운 변속이 완료되면 HEV모드로 전환하여 가속성을 제공하는 것을 특징으로 하는 하이브리드 차량의 변속 제어장치.
  7. 제5항에 있어서,
    상기 목표 변속단의 모터 회전수가 요구 토크를 만족시키는 못하는 기준 회전수 초과 상태이면 엔진을 시동 온 시킨 다음 엔진클러치를 결합시켜 HEV모드로 전환하고, HEV모드로 전환이 완료되면 HEV모드에서 킥다운 변속을 실행시키는 것을 특징으로 하는 하이브리드 차량의 변속 제어장치.
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