KR20120100372A - 직렬형 하이브리드 전기자동차의 동력분배방법 - Google Patents

직렬형 하이브리드 전기자동차의 동력분배방법 Download PDF

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Abstract

본 발명에 따른 직렬형 하이브리드 전기자동차의 동력분배방법은 직렬형 하이브리드 전기자동차의 동력계통을 구성하는 엔진-발전기, 모터 및 배터리 사이에 동력을 분배하는 방법에 있어서, 상기 엔진-발전기의 요구 파워에 대한 실제 연료 소모량을 구하는 단계; 상기 배터리의 요구 파워에 대한 상기 배터리 방전시 또는 충전시의 등가 연료를 구하는 단계; 및 상기 엔진-발전기의 요구 파워에 대한 실제 연료 소모량과 상기 배터리의 요구 파워에 대한 등가 연료의 합이 최소가 되는 분배 비율을 구하는 단계;를 포함하며, 상기 등가 연료를 구하는 단계는 상기 배터리의 요구 파워에 대한 등가 연료를 최소하는 최적화 기법을 적용하고, 상기 분배 비율을 구하는 단계는 상기 엔진-발전기의 요구 파워와 상기 배터리의 요구 파워에 대한 총 연료 소모량을 최소화하는 최적화 기법을 적용할 수 있다. 이로 인해 미래의 주행 속도가 주어지지 않은 상황에서도 연비를 향상시킬 수 있다.

Description

직렬형 하이브리드 전기자동차의 동력분배방법 {POWER DISTRIBUTION METHOD FOR SERIES HYBRID ELECTRIC VEHICLE}
본 발명은 직렬형 하이브리드 전기자동차의 동력분배방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 특정 주행 사이클에 특성화 되어 있지 않고 미래의 주행 사이클을 모르는 경우에 적용할 수 있는 직렬형 하이브리드 전기자동차의 동력분배방법에 관한 것이다.
하이브리드 차량 또는 하이브리드 전기자동차(Hybrid Electric Vehicle)은 가솔린, 디젤 또는 가스만을 사용하는 석유연료 차량에서의 배기가스 문제와, 배터리만을 사용하는 전기 차량에서의 배터리 사용시간 단축 등의 문제를 해결하기 위하여 석유연료 차량과 전기 차량의 기능을 복합적으로 구성한 차량이다.
최근에 자동차 연비 향상 요구와 각국의 배출 규제의 강화에 따라 친환경 자동차에 대한 요구가 증가되고 있으며, 이에 대한 현실적인 대안으로 하이브리드 전기자동차가 주목을 받고 있는 실정이다.
하이브리드 전기자동차에는 직렬형 하이브리드 전기자동차(SHEV; Series Hybrid Electric Vehicle), 병렬형 하이브리드 전기자동차(PHEV; Parallel Hybrid Electric Vehicle) 등이 있다.
하이브리드 차량은 주행 구동원으로서 엔진 및 모터가 직결되어 있고, 동력 전달을 위한 클러치 및 변속기, 엔진 및 모터 등의 구동을 위한 인버터, DC/DC컨버터, 고전압배터리 등을 포함하며, 또한 이들의 제어수단으로서 서로 캔 통신에 의하여 통신이 가능하게 연결되는 하이브리드 제어기(HCU; Hybrid Control Unit), 모터제어기(MCU; Motor Control Unit), 배터리 제어기(BMS; Battery Management System) 등을 포함할 수 있다.
도 1은 일반적인 직렬형 하이브리드 전기자동차의 동력전달 구성을 개념적으로 도시한 도면이다. 직렬형 하이브리드 전기자동차(100)는 도 1에 도시된 바와 같이, 엔진(110)이 직접 구동축을 구동하지 않고 전기를 발생시키는 발전기(120)와 모터(130)를 통하여 간접적으로 차량의 휠(150)에 연결될 수 있다. 여기서, 엔진(110)과 발전기(120)는 하나의 세트(set)로서 모터(130)와 배터리(140)에 공통적으로 연결될 수 있다. 이러한 직렬형 하이브리드 전기자동차(100)는 구조가 간단하고 제어가 용이하며, 최적점(Optimal Operating Point)에서 엔진이 운전되기 때문에 유해 배출가스가 적은 장점이 있다. 반면에 자동차 구동을 위해서 엔진의 출력을 직접 사용하지 못하고 엔진에 의해 충전된 배터리의 전원을 모터가 사용하기 때문에 동력전달 효율이 나쁜 단점이 있다.
따라서, 하이브리드 전기자동차를 제어하는 하이브리드 제어기(HCU)에서 엔진-발전기와 배터리 사이에 파워(또는 동력)의 분배 비율을 결정하는 것은 연비향상과 직접적으로 연관되어 있는 가장 핵심적이고 필수적인 제어전략 중 하나라고 할 수 있다.
직렬형 하이브리드 전기자동차(SHEV)가 처음 개발된 배경에는 배터리를 주 파워 소스로 하고 엔진은 드라이브 라인과 기계적으로 분리시켜 에너지 변환 효율이 높은 지점에서 작동시키면서 발전기로 에너지를 발생시켜 배터리를 충전시키거나 직접적으로 구동모터에 에너지를 공급하는 역할을 담당하도록 하였다. 이 같은 배경에는 작동점에 따라 효율의 변화가 큰 엔진의 작동 효율을 높이는 것이 발전기를 거쳐 배터리에 충전되는 에너지 손실보다 이득이라는 생각 때문이었다. 하지만 에너지 변환과정에서 나타나는 손실 또한 작지 않기 때문에 엔진-발전기와 배터리간의 효율적인 파워 분배 비율을 고려하지 않을 수 없다.
도 2는 직렬형 하이브리드 전기자동차의 파워 시스템의 에너지 흐름을 도시한 도면이다. 도 2를 참조하면, 엔진-발전기는 한 방향으로 배터리와 모터에 에너지를 전달하고 배터리는 모터와 양방향으로 에너지 전달이 가능하다. 모터에서 배터리로 에너지가 전달되는 경우는 제동에 의한 회생 에너지가 배터리에 충전될 때이다.
파워 시스템에서 파워를 엔진-발전기와 배터리 간에 분배하는 문제는 다음 [수학식 1]을 만족시켜야 한다.
Figure pat00001
즉, 엔진-발전기의 출력 파워(PEG)와 배터리 출력 파워(PB)의 합은 요구 파워(PR)라는 조건을 만족시키면서 분배 비율이 정해져야 한다.
직렬형 하이브리드 전기자동차의 동력을 분배하는 기존의 방식에는 룰 베이스(rule base) 방식의 Thermostat Control Strategy (TCS)와 Power-Follower Control Strategy (PFCS)가 있고, 최근에는 최적화 기법을 적용하여 총 소모 연료를 추정하고 매 순간 총 소모 연료가 최소가 되도록 분배하는 Equivalent Fuel Consumption Optimal Control Strategy (EFCOCS)가 제안되었다. 이 중 TCS는 엔진-발전기를 항상 최적 효율 지점에서 작동시키고, PFCS는 배터리의 SOC(State Of Charge)를 특정 SOC에 추종하도록 하면서 엔진-발전기를 고효율 지점에서 작동시킨다.
On-off 제어 전략으로도 불리는 TCS는 엔진이 켜질 때, 항상 최고 효율 지점에서 작동하도록 한다. 엔진-발전기의 on-off는 이전의 상태를 유지하는 것을 기본으로 하면서 SOC가 상향 제한 지점과 하향 제한 지점에서 바뀌게 된다. SOC가 상향 제한 지점에 도달하면 엔진-발전기는 꺼지고 이 상태를 SOC가 하향 제한 지점에 도달할 때까지 지속한다. 배터리 방전에 의해 SOC가 하향 제한 지점에 도달하면 엔진 발전기는 다시 켜지면서 최적 효율점에서 작동한다. 즉, TCS의 경우는 SOC가 상향 제한 지점과 하향 제한 지점을 순회화게 된다. 이와 같이, TCS는 엔진의 효율을 극대화 하는 장점이 있지만 엔진이 꺼져 있을 때에는 배터리만으로 요구 파워를 공급해야 하는 부담과 SOC가 상향 제한과 하향 제한 값을 순회하여 배터리의 효율은 고려가 되지 않은 단점이 있다.
한편, PFCS는 TCS의 단점을 보완하기 위해 배터리의 효율을 고려하여 제어 전략을 설계하였다. PFCS는 엔진-발전기의 동작 범위를 제한하면서 배터리의 SOC를 목표 SOC에 추종시켜 배터리 효율을 높인다는 점에서 의미가 있다. 하지만 PFCS는 배터리의 효율을 높게 하는 이점이 있지만 연비 성능을 향상시키는 엔진-발전기의 상향, 하향제한 값을 설정하기 어렵고 최적화 기법이 적용되지 않아 동력 시스템의 손실이 적지 않다는 문제가 있다.
또한, TCS와 PFCS는 최적화 기법이 적용되지 않아 연비 성능이 좋지 않고, 연비 성능을 개선한 EFCOCS는 특정 주행 사이클에 최적화되어 있는 등가연료 변환 상수를 사전에 최적화 프로그램을 이용해 도출해야만 실시간 적용이 가능한 단점이 있다.
본 발명은 실시간으로 적용할 수 있는 직렬형 하이브리드 전기자동차의 동력분배방법을 제공한다.
본 발명은 특정 주행 사이클에 제한되지 않고 모든 주행 사이클에 적용될 수 있는 직렬형 하이브리드 전기자동차의 동력분배방법을 제공한다.
본 발명은 총 소모 연료량을 최소화할 수 있는 직렬형 하이브리드 전기자동차의 동력분배방법을 제공한다.
본 발명은 등가 연료 변환 상수를 미리 도출해야 하는 번거로움을 피할 수 있는 직렬형 하이브리드 전기자동차의 동력분배방법을 제공한다.
상기한 과제를 달성하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 직렬형 하이브리드 전기자동차의 동력분배방법은 직렬형 하이브리드 전기자동차의 동력계통을 구성하는 엔진-발전기, 모터 및 배터리 사이에 동력을 분배하는 방법에 있어서, 상기 엔진-발전기의 요구 파워에 대한 실제 연료 소모량을 구하는 단계; 상기 배터리의 요구 파워에 대한 상기 배터리 방전시 또는 충전시의 등가 연료를 구하는 단계; 및 상기 엔진-발전기의 요구 파워에 대한 실제 연료 소모량과 상기 배터리의 요구 파워에 대한 등가 연료의 합이 최소가 되는 분배 비율을 구하는 단계;를 포함하며, 상기 등가 연료를 구하는 단계는 상기 배터리의 요구 파워에 대한 등가 연료를 최소하는 최적화 기법을 적용하고, 상기 분배 비율을 구하는 단계는 상기 엔진-발전기의 요구 파워와 상기 배터리의 요구 파워에 대한 총 연료 소모량을 최소화하는 최적화 기법을 적용할 수 있다.
상기 실제 연료 소모량을 구하는 단계는 상기 엔진-발전기의 요구 파워를 갖도록 하는 엔진 및 발전기의 토크와 속도 집합 중에서 상기 엔진-발전기에서 실제로 소모된 연료를 최소화하는 토크 및 속도를 산출하여 최적화할 수 있다.
상기 배터리의 요구 파워에 대한 상기 배터리 방전시 또는 충전시의 등가 연료를 구하는 단계에서 상기 배터리의 방전시의 등가 연료는 상기 배터리에서 실제로 소모되는 파워를 구하는 단계, 현재 SOC(state of charge)에서의 손실을 고려하여 상기 배터리에서 실제로 소모되는 파워를 충전할 수 있는 외부 입력 파워를 구하는 단계 및 상기 배터리의 방전시 파워에 대한 등가 연료를 상기 엔진-발전기의 보상 개념으로 구하는 단계에 의해서 구해질 수 있다.
상기 배터리에서 실제로 소모되는 파워를 구하는 단계는 상기 배터리의 파워 손실 또는 효율로 인해서 상기 배터리에서 실제로 소모되는 파워를 구할 수 있다.
상기 배터리의 방전시 파워에 대한 등가 연료를 상기 엔진-발전기의 보상 개념으로 구하는 단계는 상기 엔진-발전기의 동작점을 자유롭게 제어할 수 있기 때문에 상기 외부 입력 파워를 상기 엔진-발전기의 최적 동작점에서 보상한다고 가정할 수 있다.
상기 배터리의 요구 파워에 대한 상기 배터리 방전시 또는 충전시의 등가 연료를 구하는 단계에서 상기 배터리의 충전시의 등가 연료는 상기 배터리의 현재 SOC에 대해 상기 배터리에 실제 충전되는 파워를 구하는 단계, 상기 배터리에 실제 충전되는 파워에 대한 방전 가능 파워를 구하는 단계 및 상기 엔진-발전기가 상기 방전 가능 파워를 발전하는 경우 중 최소 연료 소모량을 구하는 단계에 의해서 구해질 수 있다.
상기 배터리에 실제 충전되는 파워를 구하는 단계는 상기 배터리의 현재 SOC가 주어질 때 외부 입력에 의해서 전체 요구 파워(PR)와 상기 엔진-발전기의 요구 파워(PEG)의 차이에 해당하는 파워가 충전 파워로 가해질 수 있다.
상기 배터리에 실제 충전되는 파워를 구하는 단계는 에너지 손실을 고려하여 상기 배터리에 실제 충전되는 파워를 구할 수 있다.
상기 배터리에 실제 충전되는 파워에 대한 방전 가능 파워를 구하는 단계는 상기 배터리에 실제로 충전되는 파워를 현재 SOC를 기준으로 다시 방전시키는 경우의 파워를 구할 수 있다.
상기 엔진-발전기가 상기 방전 가능 파워를 발전하는 경우 중 최소 연료 소모량을 구하는 단계는 상기 방전 가능 파워를 상기 엔진-발전기가 출력하는 경우에 소모된 연료량을 등가 연료로 가정할 수 있다.
상기 배터리의 요구 파워에 대한 상기 배터리 방전시 또는 충전시의 등가 연료를 구하는 단계에서 상기 배터리의 방전시의 등가 연료는 상기 배터리의 요구 파워에 대한 등가 연료는 실제 소모되는 파워를 소정 시간 경과 후 상기 엔진-발전기의 최적점으로 보상하는 것으로 가정하고 구해질 수 있다.
이상 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 직렬형 하이브리드 전기자동차의 동력분배방법은 특정 주행 사이클에 특성화되어 있지 않고 모든 사이클에도 적용될 수 있으며 실시간으로 적용할 수 있다.
본 발명에 따른 직렬형 하이브리드 전기자동차의 동력분배방법은 미래의 주행 사이클을 모르는 경우에도 적용할 수 있다.
본 발명에 따른 직렬형 하이브리드 전기자동차의 동력분배방법은 엔진-발전기의 동작 효율과 배터리의 충방전 효율로 매 순간의 총 소모 연료를 추정하고 이를 최소화하여 연비 성능을 향상시킬 수 있다.
본 발명에 따른 직렬형 하이브리드 전기자동차의 동력분배방법은 최적화 프로그램을 이용하거나 등가연료 변환상수를 사전에 도출해야 하는 절차를 생략할 수 있다.
본 발명에 따른 직렬형 하이브리드 전기자동차의 동력분배방법은 주행 사이클 마다 최적화된 제어 파라미터 값을 구할 필요가 없다.
도 1은 일반적인 직렬형 하이브리드 전기자동차의 동력전달 구성을 개념적으로 도시한 도면이다.
도 2는 직렬형 하이브리드 전기자동차의 파워 시스템의 에너지 흐름을 도시한 도면이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 직렬형 하이브리드 전기자동차의 동력분배방법을 나타내는 순서도이다.
도 4는 도 3에 따른 방법 중 배터리 방전시의 등가 연료를 구하는 방법을 나타내는 순서도이다.
도 5는 도 3에 따른 방법 중 배터리 충전시의 등가 연료를 구하는 방법을 나타내는 순서도이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 동력분배방법을 적용하여 표준 속도 프로파일에서 시뮬레이션한 결과를 보여주는 그래프이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 동력분배방법과 종래의 방법으로 시뮬레이션한 경우 SOC의 변화를 보여주는 그래프이다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 동력분배방법과 종래의 방법을 적용한 경우 동력 분배 결과를 보여주는 그래프이다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 동력분배방법과 종래의 방법을 적용한 경우 엔진-발전기의 동작점을 보여주는 그래프이다.
이하에서, 본 발명에 따른 실시예들을 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다. 그러나, 본 발명이 실시예들에 의해 제한되거나 한정되는 것은 아니다. 각 도면에 제시된 동일한 참조 부호는 동일한 부재를 나타낸다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 직렬형 하이브리드 전기자동차의 동력분배방법을 나타내는 순서도, 도 4는 도 3에 따른 방법 중 배터리 방전시의 등가 연료를 구하는 방법을 나타내는 순서도, 도 5는 도 3에 따른 방법 중 배터리 충전시의 등가 연료를 구하는 방법을 나타내는 순서도, 도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 동력분배방법을 적용하여 표준 속도 프로파일에서 시뮬레이션한 결과를 보여주는 그래프, 도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 동력분배방법과 종래의 방법으로 시뮬레이션한 경우 SOC의 변화를 보여주는 그래프, 도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 동력분배방법과 종래의 방법을 적용한 경우 동력 분배 결과를 보여주는 그래프, 도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 동력분배방법과 종래의 방법을 적용한 경우 엔진-발전기의 동작점을 보여주는 그래프이다.
도 3을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 직렬형 하이브리드 전기자동차의 동력분배방법은 직렬형 하이브리드 전기자동차의 동력계통을 구성하는 엔진-발전기, 모터 및 배터리 사이에 동력을 분배하는 방법에 있어서, 상기 엔진-발전기의 요구 파워(PEG)에 대한 실제 연료 소모량을 구하는 단계(1100), 상기 배터리의 요구 파워(PB)에 대한 상기 배터리 방전시 또는 충전시의 등가 연료를 구하는 단계(1200) 및 상기 엔진-발전기의 요구 파워(PEG)에 대한 실제 연료 소모량과 상기 배터리의 요구 파워(PB)에 대한 등가 연료의 합이 최소가 되는 분배 비율을 구하는 단계(1300)를 포함할 수 있다.
여기서, 엔진-발전기, 모터, 배터리 등의 동력 전달 관계는 도 1과 동일하므로 반복적인 설명은 생략하며, 설명의 편의를 위해 동일한 도면 부호를 부여한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 직렬형 하이브리드 전기자동차의 동력분배방법은 등가 연료 소비 최소화 전략 (Equivalent Consumption Minimization Strategy, ECMS)을 기반으로 최적화 기법을 적용한 알고리즘이다. ECMS 방법은 엔진-발전기의 요구 파워(PEG)에 대한 실제 소모 연료량을 구하고(1100), 배터리의 요구파워(PB)에 대한 등가연료를 구한다(1200). 그리고 실제 소모 연료량과 등가연료의 합이 최소가 되는 분배 비율을 도출한다(1300).
여기서, 상기 등가 연료를 구하는 단계(1200)는 상기 배터리의 요구 파워(PB)에 대한 등가 연료를 최소하는 최적화 기법을 적용하고, 상기 분배 비율을 구하는 단계(1300)는 상기 엔진-발전기의 요구 파워(PEG)와 상기 배터리의 요구 파워(PB)에 대한 총 연료 소모량을 최소화하는 최적화 기법을 적용할 수 있다. 즉, 본 발명의 일 실시예에 따른 직렬형 하이브리드 전기자동차의 동력분배방법은 배터리 요구 파워(PB)에 대한 등가연료를 최소화하는 첫 번째 최적화 과정(1200)과 총 연료 소모량을 최소화하는 두 번째 최적화 과정(1300)을 포함하는 이차 최적화 연산을 실시간으로 적용할 수 있다.
한편, ECMS의 기본적인 식은 하기의 [수학식 2]와 같이 나타낼 수 있다.
Figure pat00002
[수학식 2]에서
Figure pat00003
는 엔진-발전기의 요구 파워(PEG)에 대한 실제 연료 소모량이고,
Figure pat00004
는 배터리의 요구 파워(PB)에 대한 등가 연료이다.
Figure pat00005
와
Figure pat00006
를 구하는 방법이 본 발명의 일 실시예에 따른 직렬형 하이브리드 전기자동차의 동력분배방법의 기술적 특징 중 하나라고 할 수 있다.
상기 엔진-발전기의 요구 파워(PEG)에 대한 실제 연료 소모량(
Figure pat00007
)을 구하는 단계(1100)는 다음 [수학식 3]에 의해 실제로 소모한 연료량(
Figure pat00008
)을 구할 수 있다.
Figure pat00009
[수학식 3]에 의하면, 상기 실제 연료 소모량(
Figure pat00010
)을 구하는 단계(1100)는 상기 엔진-발전기의 요구 파워(PEG)를 갖도록 하는 엔진 및 발전기의 토크와 속도 집합 중에서 상기 엔진-발전기에서 실제로 소모된 연료를 최소화하는 토크 및 속도를 산출하여 최적화할 수 있다. 즉, 엔진-발전기의 출력 파워(PEG)를 갖도록 하는 엔진(110)과 발전기(120)의 토크와 속도 집합에서 실제 소모 연료를 최소화 하는 토크(
Figure pat00011
)와 속도(
Figure pat00012
)를 산출함으로써 엔진-발전기의 요구 파워(PEG)에 대한 첫 번째 최적화 과정이 이루어질 수 있다.
한편, 상기 배터리의 요구 파워(PB)에 대한 상기 배터리 방전시 또는 충전시의 등가 연료를 구하는 단계(1200)는
Figure pat00013
를 구하는 과정이라고 할 수 있다. 배터리의 요구 파워(PB)에 대한 등가 연료(
Figure pat00014
)는 배터리 방전시 산출 방법과 배터리 충전시 산출 방법이 다르다. 즉,
Figure pat00015
경우 배터리 방전시 산출 방법과
Figure pat00016
경우 배터리 충전시 산출 방법이 다르다.
도 4에 도시된 바와 같이, 상기 배터리의 요구 파워(PB)에 대한 상기 배터리 방전시 또는 충전시의 등가 연료를 구하는 단계(1200)에서 상기 배터리의 방전시의 등가 연료는 상기 배터리에서 실제로 소모되는 파워를 구하는 단계(1210), 현재 SOC(state of charge)에서의 손실을 고려하여 상기 배터리에서 실제로 소모되는 파워를 충전할 수 있는 외부 입력 파워를 구하는 단계(1220) 및 상기 배터리의 방전시 파워에 대한 등가 연료를 상기 엔진-발전기의 보상 개념으로 구하는 단계(1230)에 의해서 구해질 수 있다.
여기서, 배터리 방전시에 배터리의 파워 손실에 의해 실제로 배터리에서 소모되는 파워는
Figure pat00017
이며 [수학식 4]에서 구할 수 있다.
Figure pat00018
상기 배터리에서 실제로 소모되는 파워를 구하는 단계(1210)는 상기 배터리의 파워 손실 또는 효율로 인해서 상기 배터리에서 실제로 소모되는 파워를 구할 수 있다. 즉, 실제로 배터리의 효율이 100%가 아니기 때문에 이러한 배터리의 효율 또는 파워 손실을 고려하여 실제로 배터리에서 소모되는 파워를 구하는 것이 바람직하다.
또한, 현재 SOC(state of charge)에서의 손실을 고려하여 상기 배터리에서 실제로 소모되는 파워를 충전할 수 있는 외부 입력 파워를 구하는 단계(1220)는 다음의 [수학식 5]에 의해서 현재의 SOC에서의 손실을 고려하여 실제 배터리에서 소모되는 파워(
Figure pat00019
)를 충전할 수 있는 외부 입력 파워(
Figure pat00020
)를 구할 수 있다.
Figure pat00021
상기 배터리의 방전시 파워에 대한 등가 연료를 상기 엔진-발전기의 보상 개념으로 구하는 단계(1230)는 상기 엔진-발전기의 동작점을 자유롭게 제어할 수 있기 때문에 상기 외부 입력 파워를 상기 엔진-발전기의 최적 동작점에서 보상한다고 가정할 수 있다. 직렬형 하이브리드 전기자동차는 엔진-발전기의 동작점을 자유롭게 제어할 수 있기 때문에 외부 입력 파워(
Figure pat00022
)를 엔진-발전기의 최적 동작점(OOP; Optimal Operating Point)에서 보상해준다고 가정하면 [수학식 6]에 의해 배터리 방전 파워에 대한 등가연료(
Figure pat00023
)를 엔진-발전기의 보상 개념으로 구할 수 있다.
Figure pat00024
한편, 도 5에 도시된 바와 같이, 상기 배터리의 요구 파워에 대한 상기 배터리 방전시 또는 충전시의 등가 연료를 구하는 단계(1200)에서 상기 배터리의 충전시의 등가 연료는 상기 배터리의 현재 SOC에 대해 상기 배터리에 실제 충전되는 파워를 구하는 단계(1260), 상기 배터리에 실제 충전되는 파워에 대한 방전 가능 파워를 구하는 단계(1270) 및 상기 엔진-발전기가 상기 방전 가능 파워를 발전하는 경우 중 최소 연료 소모량을 구하는 단계(1280)에 의해서 구해질 수 있다.
배터리가 충전되는
Figure pat00025
의 경우 충전 파워에 대한 등가 연료는 다음의 [수학식 7] 내지 [수학식 9]를 통해서 구할 수 있다.
우선 상기 배터리에 실제 충전되는 파워를 구하는 단계(1260)는 상기 배터리의 현재 SOC가 주어질 때 외부 입력에 의해서 전체 요구 파워(PR)와 상기 엔진-발전기의 요구 파워(PEG)의 차이에 해당하는 파워가 충전 파워로 가해질 수 있다. 즉, 현재 배터리의 SOC가 주어졌을 때 외부 입력으로서 PR-PEG가 충전 파워로 가해지면 에너지 손실에 의해 실제 배터리에 충전되는 파워는 [수학식 7]에서 얻어지는
Figure pat00026
이다.
Figure pat00027
그 다음으로, 상기 배터리에 실제 충전되는 파워를 구하는 단계는 에너지 손실을 고려하여 상기 배터리에 실제 충전되는 파워를 구할 수 있다.
상기 배터리에 실제 충전되는 파워에 대한 방전 가능 파워를 구하는 단계(1270)는 상기 배터리에 실제로 충전되는 파워를 현재 SOC를 기준으로 다시 방전시키는 경우의 파워를 구할 수 있다. 실제 충전되는 배터리 파워(
Figure pat00028
)를 현재 SOC를 기준으로 다시 방전시킨다면 방전 가능 파워(
Figure pat00029
)는 [수학식 8]로부터 구할 수 있다.
Figure pat00030
상기 엔진-발전기가 상기 방전 가능 파워를 발전하는 경우 중 최소 연료 소모량을 구하는 단계(1280)는 상기 방전 가능 파워를 상기 엔진-발전기가 출력하는 경우에 소모된 연료량을 등가 연료로 가정할 수 있다. 방전 가능 파워(
Figure pat00031
)를 엔진-발전기가 대신 출력할 경우 소모된 연료량을 등가연료라고 가정하고 엔진-발전기가 방전 가능 파워(
Figure pat00032
)를 발전하는 경우 중에서 최소 연료 소모량(
Figure pat00033
)은 [수학식 9]로 계산할 수 있다.
Figure pat00034
[수학식 9]에서 구한 연료 소모량(
Figure pat00035
)은 배터리 충전시 PR-PEG에 대한 배터리 등가 연료 소모량이다.
이로서 배터리 요구파워(PB)에 대한 등가 연료를 충전과 방전의 경우로 나누어 도출하였고 ECMS의 기본공식인 [수학식 2]를 아래의 [수학식 10]으로 나타낼 수 있다.
Figure pat00036
[수학식 10]을 이용하면 총 연료 소모량을 최소화하는 엔진-발전기와 배터리간의 파워 분배 비율 값을 도출할 수 있다. 종래 기술의 경우에 복잡하게 구했던 배터리의 충/방전 등가연료는 배터리의 SOC에 따른 충/방전 효율 맵을 이용하면 등가적으로 [수학식 11] 및 [수학식 12]와 같이 간소화시킬 수 있다.
Figure pat00037
Figure pat00038
이와 같이 cost function에서 최적의 파워 분배 비율을 찾는 문제는 배터리 요구 파워에 대한 등가연료를 최소화하는 첫 번째 최적화 과정과 총 연료 소모량을 최소화하는 두 번째 최적화 과정으로 요약된다. 본 발명의 동력분배방법에 따른 이러한 이차 최적화 연산은 실시간으로 적용 가능하고 기존의 ECMS 방식이 시내주행, 고속도로 주행 등 주행 사이클별로 미리 등가연료 변환상수를 정해놓아야 했던 번거로움을 실시간 동력 시스템의 효율을 고려함으로써 합리적으로 대체할 수 있다.
또한, 배터리 효율 맵, 엔진 Specific Fuel Consumption (SFC) 맵, 발전기 효율 맵이 주어지면 구현이 용이한 장점이 있다. 본 발명에 따른 동력분배방법은 미래의 정보로부터 독립시키기 위해 회생제동 에너지를 고려하지 않았는데 만일 시내와 고속도로 주행에서의 회생제동 에너지량이 주어진다면 각 주행 사이클에 최적화 된 분배 비율을 도출할 수 있다.
본 발명에 따른 동력분배방법 중 등가연료를 계산하는 단계에서 배터리를 방전하는 경우의 배터리 요구파워에 대한 등가연료는 실제 소모되는 파워를 미래에 엔진-발전기의 최적점으로 보상한다는 가정으로 알고리즘을 도출하고 이러한 가정은 결과적으로 볼 때 배터리가 엔진-발전기의 최적점 근처에서 보상되기 때문에 가능한 가정이다. 즉, 상기 배터리의 요구 파워에 대한 상기 배터리 방전시 또는 충전시의 등가 연료를 구하는 단계(1200)에서 상기 배터리의 방전시의 등가 연료는 상기 배터리의 요구 파워에 대한 등가 연료는 실제 소모되는 파워를 소정 시간 경과 후 상기 엔진-발전기의 최적점(OOP)으로 보상하는 것으로 가정하고 구해질 수 있다.
또한, 배터리를 충전하는 경우에는 배터리에서 충전 받은 파워를 바로 방전할 경우 가능한 출력 파워를 계산하고 이 파워를 엔진-발전기가 출력할 때 최소로 소모되는 연료량이 등가연료를 의미한다.
이하에서는 도면을 참조하여, 본 발명의 일 실시예에 따른 직렬형 하이브리드 전기자동차의 동력분배방법과 종래의 TCS, PFCS의 효율 등에 대해서 비교 설명한다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 동력분배방법을 적용하여 표준 속도 프로파일에서 시뮬레이션한 결과를 보여주는 그래프이다. 도 6에는 본 발명의 일 실시예에 따른 동력분배방법에 의한 최적 파워 분배 비율을 적용하여 표준 속도 프로파일에서 시뮬레이션한 결과 그래프로서, 표준 속도 프로파일은 미국의 도시 주행 속도를 모사한 FTP(Federal Test Procedure)-72 cycle이다. 도 6을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 동력분배방법은 FTP-72 cycle을 속도 이탈 없이 잘 추종함을 알 수 있다. 즉, 도 6의 그래프에 도시된 바와 같이 FTP-72 cycle의 표준 속도 프로파일과 본 발명의 일 실시예에 따른 동력분배방법에 의한 속도 결과가 거의 일치함을 알 수 있다. FTP-72 cycle 속도 프로파일은 도시 주행이기 때문에 전반적으로 낮은 속도로 주행하며 신호등 때문에 가다 서다를 반복하는 경향을 나타낸다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 동력분배방법과 종래의 방법으로 시뮬레이션한 경우 SOC의 변화를 보여주는 그래프이다. 도 7은 FTP-72 cycle에서 TCS, PFCS, 본 발명의 일 실시예에 따른 동력분배방법으로 시뮬레이션한 경우 SOC history 결과를 보여주는 그래프이다. 도 7을 참조하면, TCS가 가장 큰 SOC 순환범위를 보이고 다음으로 PFCS가 작은 범위를 보이며, 본 발명의 일 실시예에 따른 동력분배방법(도 7에서 ECMS로 표시된 그래프 참조)이 가장 좁은 SOC 순환범위를 보임을 알 수 있다. 이러한 결과는 속도의 분포가 도시주행과 같이 다양하게 분포하면 본 발명에 따른 동력분배방법의 경우 배터리의 잦은 충전 및 방전으로 인해 초기의 SOC를 크게 벗어나지 않기 때문이다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 동력분배방법과 종래의 방법을 적용한 경우 동력 분배 결과를 보여주는 그래프이다. 도 8에서 본 발명의 일 실시예에 따른 동력분배방법은 맨 아래쪽에 New Equivalent Consumption Minimization Strategy로 표시된 그래프이다. 또한, 도 8에서 Req Pw는 전체 요구 파워, Gen Pw는 엔진-발전기의 요구 파워, Bat Pw는 배터리 요구 파워이다.
도 8을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 동력분배방법의 경우는 동력 분배를 결정하는 인터섹션 파워(intersection power)가 전체 요구 파워 보다 작으면, 배터리 요구 파워가 전기자동차를 구동하기 위해 완전히 사용된다. 이는 배터리의 효율이 엔진-발전기의 효율 보다 좋음을 의미한다.
또한, 도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 동력분배방법과 종래의 방법을 적용한 경우 엔진-발전기의 동작점을 보여주는 그래프이다. 도 9를 참조하면, TCS(도 9의 Thermostat control 그래프 참조)는 엔진-발전기가 최적 동작점에서 작동하며 한번 켜지면 SOC가 상향 제한 지점에 도달할 때까지 켜진 상태를 유지한다. PFCS(도 9의 Power-follower control 참조)는 엔진-발전기의 최소 출력값과 최대 출력값이 정해져 있어 PFCS의 동작점을 보면 엔진-발전기의 최소 출력을 내는 토크와 속도에서 주로 동작함을 알 수 있다. 그러므로, PFCS는 최소 출력값과 최대 출력값의 범위를 정하는 것 또한 연비 성능에 큰 영향을 미친다고 할 수 있다. 본 발명의 일 실시예에 따른 동력분배방법(도 9의 ECMS control 참조)은 총 요구 파워가 낮을 때는 배터리만 사용하고 총 요구 파워가 임계값 보다 커지면 엔진-발전기가 켜지는 것을 볼 수 있다. 본 발명에 따른 동력분배방법의 경우 엔진-발전기의 온-오프(on-off) 스위칭으로 인한 손실을 분석하여 엔진-발전기가 켜지거나 꺼졌을 때 일정 시간 이상 상태를 유지하는 히스테리시스(hysteresis)가 필요할 수 있다.
상기에서 설명한 바와 같이, 본 발명은 실시간 적용이 가능할 만큼 간소하면서도 미래의 주행 속도가 주어지지 않은 상황에서 뛰어난 연비 효과가 있는 직렬형 하이브리드 전기자동차의 동력분배방법을 제시한다. 본 발명의 일 실시예에 따른 직렬형 하이브리드 전기자동차의 동력분배방법은 ECMS를 기반으로 엔진-발전기와 배터리의 파워 분배에 따른 총 연료 소모량을 추정하고, 매 순간 총 연료 소모량이 최소가 되도록 파워 분배 비율을 결정할 수 있다. 본 발명의 일 실시예에 따른 동력분배방법은 주행 사이클 마다 최적화된 제어 파라미터 값을 구할 필요가 없으며 엔진-발전기의 효율 맵과 배터리의 효율 맵만으로 간소화된 ECMS를 구현할 수 있다.
이상과 같이 본 발명의 일실시예에서는 구체적인 구성 요소 등과 같은 특정 사항들과 한정된 실시예 및 도면에 의해 설명되었으나 이는 본 발명의 보다 전반적인 이해를 돕기 위해서 제공된 것일 뿐, 본 발명은 상기의 실시예에 한정되는 것은 아니며, 본 발명이 속하는 분야에서 통상적인 지식을 가진 자라면 이러한 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다. 따라서, 본 발명의 사상은 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 아니 되며, 후술하는 특허청구범위뿐 아니라 이 특허청구범위와 균등하거나 등가적 변형이 있는 모든 것들은 본 발명 사상의 범주에 속한다고 할 것이다.
100: 직렬형 하이브리드 전기자동차 110: 엔진
120: 발전기 130: 모터
140: 배터리 150: 휠

Claims (11)

  1. 직렬형 하이브리드 전기자동차의 동력계통을 구성하는 엔진-발전기, 모터 및 배터리 사이에 동력을 분배하는 방법에 있어서,
    상기 엔진-발전기의 요구 파워에 대한 실제 연료 소모량을 구하는 단계;
    상기 배터리의 요구 파워에 대한 상기 배터리 방전시 또는 충전시의 등가 연료를 구하는 단계; 및
    상기 엔진-발전기의 요구 파워에 대한 실제 연료 소모량과 상기 배터리의 요구 파워에 대한 등가 연료의 합이 최소가 되는 분배 비율을 구하는 단계;를 포함하며,
    상기 등가 연료를 구하는 단계는 상기 배터리의 요구 파워에 대한 등가 연료를 최소하는 최적화 기법을 적용하고,
    상기 분배 비율을 구하는 단계는 상기 엔진-발전기의 요구 파워와 상기 배터리의 요구 파워에 대한 총 연료 소모량을 최소화하는 최적화 기법을 적용하는 것을 특징으로 하는, 직렬형 하이브리드 전기자동차의 동력분배방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 실제 연료 소모량을 구하는 단계는 상기 엔진-발전기의 요구 파워를 갖도록 하는 엔진 및 발전기의 토크와 속도 집합 중에서 상기 엔진-발전기에서 실제로 소모된 연료를 최소화하는 토크 및 속도를 산출하여 최적화하는 것을 특징으로 하는 직렬형 하이브리드 전기자동차의 동력분배방법.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 배터리의 요구 파워에 대한 상기 배터리 방전시 또는 충전시의 등가 연료를 구하는 단계에서 상기 배터리의 방전시의 등가 연료는,
    상기 배터리에서 실제로 소모되는 파워를 구하는 단계, 현재 SOC(state of charge)에서의 손실을 고려하여 상기 배터리에서 실제로 소모되는 파워를 충전할 수 있는 외부 입력 파워를 구하는 단계 및 상기 배터리의 방전시 파워에 대한 등가 연료를 상기 엔진-발전기의 보상 개념으로 구하는 단계에 의해서 구해지는 것을 특징으로 하는 직렬형 하이브리드 전기자동차의 동력분배방법.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 배터리에서 실제로 소모되는 파워를 구하는 단계는 상기 배터리의 파워 손실 또는 효율로 인해서 상기 배터리에서 실제로 소모되는 파워를 구하는 것을 특징으로 하는 직렬형 하이브리드 전기자동차의 동력분배방법.
  5. 제3항에 있어서,
    상기 배터리의 방전시 파워에 대한 등가 연료를 상기 엔진-발전기의 보상 개념으로 구하는 단계는 상기 엔진-발전기의 동작점을 자유롭게 제어할 수 있기 때문에 상기 외부 입력 파워를 상기 엔진-발전기의 최적 동작점에서 보상한다고 가정하는 것을 특징으로 하는 직렬형 하이브리드 전기자동차의 동력분배방법.
  6. 제3항에 있어서,
    상기 배터리의 요구 파워에 대한 상기 배터리 방전시 또는 충전시의 등가 연료를 구하는 단계에서 상기 배터리의 충전시의 등가 연료는,
    상기 배터리의 현재 SOC에 대해 상기 배터리에 실제 충전되는 파워를 구하는 단계, 상기 배터리에 실제 충전되는 파워에 대한 방전 가능 파워를 구하는 단계 및 상기 엔진-발전기가 상기 방전 가능 파워를 발전하는 경우 중 최소 연료 소모량을 구하는 단계에 의해서 구해지는 것을 특징으로 하는 직렬형 하이브리드 전기자동차의 동력분배방법.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 배터리에 실제 충전되는 파워를 구하는 단계는 상기 배터리의 현재 SOC가 주어질 때 외부 입력에 의해서 전체 요구 파워(PR)와 상기 엔진-발전기의 요구 파워(PEG)의 차이에 해당하는 파워가 충전 파워로 가해지는 것을 특징으로 하는 직렬형 하이브리드 전기자동차의 동력분배방법.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 배터리에 실제 충전되는 파워를 구하는 단계는 에너지 손실을 고려하여 상기 배터리에 실제 충전되는 파워를 구하는 것을 특징으로 하는 직렬형 하이브리드 전기자동차의 동력분배방법.
  9. 제7항에 있어서,
    상기 배터리에 실제 충전되는 파워에 대한 방전 가능 파워를 구하는 단계는 상기 배터리에 실제로 충전되는 파워를 현재 SOC를 기준으로 다시 방전시키는 경우의 파워를 구하는 것을 특징으로 하는 직렬형 하이브리드 전기자동차의 동력분배방법.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 엔진-발전기가 상기 방전 가능 파워를 발전하는 경우 중 최소 연료 소모량을 구하는 단계는 상기 방전 가능 파워를 상기 엔진-발전기가 출력하는 경우에 소모된 연료량을 등가 연료로 가정하는 것을 특징으로 하는 직렬형 하이브리드 전기자동차의 동력분배방법.
  11. 제3항 내지 제10항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 배터리의 요구 파워에 대한 상기 배터리 방전시 또는 충전시의 등가 연료를 구하는 단계에서 상기 배터리의 방전시의 등가 연료는 상기 배터리의 요구 파워에 대한 등가 연료는 실제 소모되는 파워를 소정 시간 경과 후 상기 엔진-발전기의 최적점으로 보상하는 것으로 가정하고 구해지는 것을 특징으로 하는 직렬형 하이브리드 전기자동차의 동력분배방법.
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