KR20140023138A - 시동발전기의 발전 출력 제어 방법 - Google Patents

시동발전기의 발전 출력 제어 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 시동발전기의 발전 출력 제어 방법에 관한 것으로서, 시동발전기의 발전 출력을 제어함에 있어 NVH 성능을 개선할 수 있고, NVH 성능 개선을 위한 추가 비용 발생을 방지하며, 원가 절감, 사이즈 및 중량 축소 등을 달성할 수 있는 시동발전기의 발전 출력 제어 방법을 제공하는데 주된 목적이 있는 것이다. 상기한 목적을 달성하기 위해, 본 발명은, 하이브리드 차량에서 엔진과 회전력 전달이 가능하도록 연결된 시동발전기의 발전 출력 제어 방법에 있어서, 차량 출발 후 제어기가 차량의 주행모드를 결정하기 위한 차량 상태 정보를 입력받고, 입력된 차량 상태 정보로부터 발전 출력의 상승이 요구되는 주행모드를 판단하는 과정; 주행모드로부터 발전 출력의 상승 요구가 있음을 판단하여 시동발전기에 대한 주행모드별 발전 출력 가변 제어 수행을 결정하는 과정; 상기 발전 출력 가변 제어를 위해 차량의 주행모드별 요구 출력에 해당하는 토크지령과 토크 인가시간을 결정하는 과정; 및 상기 결정된 토크지령을 인가시간 동안 인가하여 시동발전기의 발전 출력을 제어하는 과정;을 포함하는 것을 특징으로 하는 시동발전기의 발전 출력 제어 방법을 제공한다.

Description

시동발전기의 발전 출력 제어 방법{Output control method for hybrid starter and generator of hybrid electric vehicle}
본 발명은 하이브리드 차량의 시동발전기 발전 출력 제어 방법에 관한 것으로서, 시동발전기의 발전 출력을 제어함에 있어 NVH 성능을 개선할 수 있고, NVH 성능 개선을 위한 추가 비용 발생을 방지하며, 원가 절감, 사이즈 및 중량 축소 등을 달성할 수 있는 시동발전기의 발전 출력 제어 방법에 관한 것이다.
하이브리드 차량은 서로 다른 두 종류 이상의 동력원을 효율적으로 조합하여 차량을 구동시키는 것을 의미하나, 대부분의 경우는 연료(휘발유, 경유 등의 화석연료)를 연소시켜 회전력을 얻는 엔진과 배터리 전력으로 회전력을 얻는 전기모터에 의해 구동하는 차량을 의미하며, 이를 통상 하이브리드 전기 차량(Hybrid Electric Vehicle, HEV)이라 부르고 있다.
이러한 하이브리드 차량은 엔진뿐만 아니라 전기모터를 보조동력원으로 채택하여 연비 향상 및 배기가스 저감을 도모할 수 있는 미래형 차량으로, 연비를 개선하고 환경친화적인 제품을 개발해야 한다는 시대적 요청에 부응하여 더욱 활발한 연구가 진행되고 있다.
하이브리드 차량은 전기모터(구동모터)의 동력만을 이용하는 순수 전기자동차 모드인 EV(Electric Vehicle, EV) 모드, 엔진의 회전력을 주동력으로 하면서 구동모터의 회전력을 보조동력으로 이용하는 HEV(Hybrid Electric Vehicle, HEV) 모드, 차량의 제동 혹은 관성에 의한 주행시 제동 및 관성 에너지를 구동모터의 발전을 통해 회수하여 배터리에 충전하는 회생제동(Regenerative Braking, RB) 모드 등의 모드로 주행한다.
이와 같이 엔진의 기계에너지와 배터리의 전기에너지를 함께 이용하고 엔진과 구동모터의 최적 작동영역을 이용함은 물론 제동시에는 구동모터로 에너지를 회수하므로 차량 연비 향상 및 효율적인 에너지 이용이 가능해진다.
도 1은 하이브리드 시스템의 구성을 도시한 개략도로서, 도시된 바와 같이 하이브리드 차량에서 차량 구동을 하이브리드 시스템은 엔진(10), 구동모터(20), 변속기(30)가 일렬로 배열되는 레이아웃을 가진다.
또한 엔진(10)과 구동모터(20)는 엔진 클러치(50)를 개재한 상태로 동력 전달 가능하게 연결되고, 구동모터(20)와 변속기(30)는 서로 직결된다.
또한 시동시 엔진으로 회전력을 제공하는(크랭킹 토크를 출력하는) 하이브리드 시동발전기, 즉 HSG(Hybrid Starter and Generator)(40)가 엔진(10)에 연결되어 구비된다.
이러한 구성에서 엔진 클러치(50)가 오픈(Open)되어 있으면 구동모터(20)에 의해 차량의 구동축이 구동되고, 엔진 클러치(50)가 락(Lock)되어 있으면 엔진(10)과 구동모터(20)에 의해 차량의 구동축이 구동된다.
또한 전기동력부품들에는 차량의 주행 상태에 따라 엔진(10)과 구동모터(20) 중 어느 하나를 선택 또는 동력 분배 비율을 결정하는 HCU 기능, 고전압 배터리(HV BATT)(62)의 전압을 구동모터 구동용 전압으로 변환하는 HDC 기능, 및 구동모터(20)를 제어하는 MCU(인버터 포함) 기능을 수행하는 통합 제어기, 즉 HPCU(Hybrid Power Control Unit)(61)가 구비되고, 고전압 배터리(62)의 고전압을 저전압으로 낮추어 저전압 배터리(12V BATT)(64)를 통해 차량의 전기장치들에 공급하는 LDC(Low voltage DC/DC Converter)(63)가 구비된다.
더불어 도면부호 65는 전동식 오일 펌프를 나타낸다.
도 2는 하이브리드 시스템의 HSG의 일례를 도시한 사시도이다.
한편, HSG(40)는 엔진 시동과 연속 발전 기능을 갖는 하이브리드 차량의 핵심 부품으로, 고전압 배터리(62)를 충전하기 위한 발전 기능은 차량 주행모드에 따라 다양한 레인지의 출력(예, DC 2 ~ 8kW)을 요구한다.
하지만 최대 발전 출력을 만족하는 HSG(40)를 구성하려면 발열시 냉각을 위한 수냉 구조가 커지고, 코일의 내열 등급이 상승하여 재료비가 과도하게 증가하는 문제가 있게 된다.
따라서 현재 사용되고 있는 HSG는 통상 차량 모드별 요구 출력의 중간 정도(예, DC 5kW)의 출력을 낼 수 있는 장치로 구성되며, 필요시 엔진 아이들 회전수를 가변 제어(예, 아이들 회전수 1300rpm, DC 5kW에서 1700rpm, DC 8kW로 변경)하여 부족한 발전 출력을 보상하고 있다.
하지만 이러한 아이들 회전수 가변 제어는 아이들 회전수 상승으로 인한 실내 소음 및 진동 문제를 야기하며, 결국 추가적인 방음 및 방진 대책을 필요로 하게 된다.
즉 아이들 회전수 가변 제어 기법에서는 엔진 아이들 회전수를 높여 HSG의 배터리 충전량을 증대시키지만, 아이들시 주변 부품(엔진)을 가진시켜 NVH 성능을 악화시키는 단점을 가지며, 그 대책으로 HSG의 하우징 강성 보강, 회전자 스큐 등을 구현하는 것이 가능하나, 이는 제조 비용 및 원가 상승, 사이즈 및 중량 증대 등을 초래하게 된다.
따라서 본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 창출한 것으로서, 시동발전기의 발전 출력을 제어함에 있어 NVH 성능을 개선할 수 있고, NVH 성능 개선을 위한 추가 비용 발생을 방지하며, 원가 절감, 사이즈 및 중량 축소 등을 달성할 수 있는 시동발전기의 발전 출력 제어 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
상기한 목적을 달성하기 위해, 본 발명은, 차량 출발 후 제어기가 차량의 주행모드를 결정하기 위한 차량 상태 정보를 입력받고, 입력된 차량 상태 정보로부터 발전 출력의 상승이 요구되는 주행모드를 판단하는 과정; 주행모드로부터 발전 출력의 상승 요구가 있음을 판단하여 시동발전기에 대한 주행모드별 발전 출력 가변 제어 수행을 결정하는 과정; 상기 발전 출력 가변 제어를 위해 차량의 주행모드별 요구 출력에 해당하는 토크지령과 토크 인가시간을 결정하는 과정; 및 상기 결정된 토크지령을 인가시간 동안 인가하여 시동발전기의 발전 출력을 제어하는 과정;을 포함하는 것을 특징으로 하는 시동발전기의 발전 출력 제어 방법을 제공한다.
바람직한 실시예로, 상기 토크지령과 토크 인가시간을 결정함에 있어서 요구 출력에 따라 설정된 값으로 토크지령과 토크 인가시간이 정의된 제어맵을 이용하는 것을 특징으로 한다.
또한 본 발명의 발전 출력 제어 방법은, 시동발전기의 발전 출력을 제어하는 과정 동안 시동발전기의 코일 온도를 모니터링하는 과정; 및 시동발전기의 코일 온도가 정해진 기준온도 이상인 조건에서 주행모드별 시동발전기의 발전 출력 가변 제어를 종료하는 과정;을 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
여기서, 시동발전기의 코일 온도가 기준온도 이상인 조건이 설정시간 이상 지속될 경우 주행모드별 시동발전기의 발전 출력 가변 제어를 종료하도록 설정되는 것을 특징으로 한다.
이에 따라, 본 발명에 따른 시동발전기의 발전 출력 제어 방법에 의하면, 엔진 아이들 회전수를 실내 소음(및 진동)이 양호한 설정된 회전수로 고정 유지함과 동시에 차량의 주행모드 및 HSG의 코일 온도를 고려한 HSG의 발전 출력 가변 제어가 수행되도록 함으로써, 종래에 비해 NVH 성능을 개선할 수 있고, 장치 비용 및 원가의 절감, 사이즈 및 중량 축소 등을 달성할 수 있게 된다.
도 1은 하이브리드 시스템의 구성을 도시한 개략도이다.
도 2는 하이브리드 시스템의 HSG의 일례를 도시한 사시도이다.
도 3은 본 발명에 따른 시동발전기의 발전 출력 제어 과정을 나타내는 순서도이다.
도 4는 본 발명에서 제어맵의 일례를 나타내는 도면이다.
이하 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 대해 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명하기로 한다.
본 발명은 차량에서 요구되는 시동발전기의 발전 출력을 최적으로 제어하여 NVH 성능을 개선하고, NVH 성능 개선을 위한 추가 비용 발생을 방지하며, 원가 절감, 사이즈 및 중량 축소 등을 달성할 수 있는 시동발전기의 연속 발전 출력 가변 제어 방법에 관한 것이다.
특히 본 발명에 따른 시동발전기의 연속 발전 출력 가변 제어 방법은 하이브리드 차량에서 엔진 아이들 회전수를 차량 실내 소음이 양호한 수준(예를 들면, 아이들 회전수 1300rpm)으로 고정하되, 시동발전기(HSG)의 발전 출력을 차량의 주행 모드와 코일 온도를 고려하여 가변 제어하는 것에 주된 특징이 있는 것이다.
먼저 본 발명에 따른 시동발전기(이하 'HSG'라 칭함)의 발전 출력 제어 방법은, 차량의 주행모드(저속 장등판 모드, 정지 모드, 냉간 모드)에 따라 요구되는 HSG의 발전 출력을 결정하고, HSG의 코일 온도에 따라 제어맵을 참조하여 가능한 시간 동안만 HSG의 발전 출력을 주행모드별 요구 출력으로 제어하는 것으로 요약될 수 있다.
이러한 본 발명을 도 3을 참조하여 좀더 상세히 설명하기로 한다.
이하 설명에서 제어기는 하위 제어기들과 통신하여 HSG에 대한 발전 출력 제어를 수행하는 상위 제어기로서, HPCU 또는 HCU(Hybrid Control Unit)가 될 수 있으나, 본 발명에서 특정하게 한정하지는 않는다.
도 3은 본 발명에 따른 제어 과정을 나타내는 순서도로서, 차량이 출발한 후 제어기가 차량의 주행모드를 결정하기 위한 차량 상태 정보를 하위 제어기로부터 입력받는다.
즉 변속기 제어기(Transmission Control Unit, TCU)와 클러치 제어기(Clutch Control Unit, CCU)로부터 현재의 변속단 위치(변속 기어 위치) 정보와 클러치 작동 상태 정보(특히, 클러치 접합 상태)를 입력받는다.
이와 더불어 제어기는 휠 속도센서의 신호와 모터 속도센서의 신호를 입력받으며, 변속단 위치, 클러치 작동 상태, 휠 속도, 모터 속도 등의 정보에 기초하여 차량의 주행모드를 판단한다(S11,S12).
여기서 제어기는 발전 출력의 상승이 요구되는 주행모드, 예컨대 차량의 저속 장등판 모드나 정지 모드, 냉간 모드인 경우 발전 출력의 상승이 요구되는 것으로 판단하여 HSG의 발전 출력 가변 제어 수행을 결정한다(S13,S14).
이와 같이 HSG의 발전 출력 가변 제어 수행이 결정되면, 엔진 아이들 회전수를 고정한 상태(예, 아이들 회전수 1300rpm 고정, 여기서 아이들 회전수는 엔진별로 달라질 수 있음)에서, 제어기는 도 4에 예시한 바와 같은 제어맵을 참조하여 HSG의 발전 출력을 차량의 주행모드별 요구되는 출력으로 가변 제어하게 된다.
이때 제어맵으로부터 제어기는 주행모드별 요구 출력에 해당하는 토크지령과 토크 인가시간을 결정하는데, 이어 제어맵을 통해 구해진 토크지령을 상기 인가시간 동안 인가함으로써 요구 수준의 발전 출력이 이루어질 수 있게 HSG의 출력을 제어하게 된다(S15).
이와 동시에 제어기는 발전 출력 제어 동안 HSG에 설치된 온도센서를 통해 HSG의 코일 온도를 모니터링하는데(S16), 코일 온도가 미리 설정된 기준온도 이상인 조건이 설정시간 이상 지속되는 경우 HSG의 발전 출력 가변 제어를 종료하고, 발전 출력을 감소시킨다(S17~S20).
물론 HSG의 코일 온도가 기준온도 미만이거나 기준온도 이상이 설정시간 미만인 조건에서는 제어맵으로부터 구해진 인가시간 동안 요구 출력에 따른 토크지령을 계속 인가하여 HSG의 발전 출력을 제어한다.
본 발명에서 제어맵은 해당 차량에서 요구 출력을 입력으로 하여 토크지령 및 인가시간을 산출하도록 설정 및 저장되는 데이터로서, 동일 조건에서 시행한 선행 테스트(발전 출력 원리 시험)를 통해 구해진 시험 데이터를 이용(엔진 회전수에 따른 HSG의 전기 출력 데이터 등을 이용)하여 주행모드별 요구 출력에 따라 토크지령과 인가시간을 미리 정의해놓은 데이터이다.
이에 본 발명에서는 제어기가 발전 출력 가변 제어 조건임을 판단한 뒤, HSG의 발전 출력을 제어하는 과정에서 제어맵을 참조하여 주행모드별 요구 출력에 따른 토크지령 값과 토크 인가시간을 결정하고, 이어 결정된 토크지령을 인가시간 동안 인가하는 발전 출력 제어 과정을 수행하여 HSG로부터 필요한 출력이 이루어질 수 있도록 한다.
다만 코일 온도를 고려하여 기준온도 이상의 코일 온도가 설정시간 이상 지속된다면, 상기 제어맵을 기초로 수행되는 발전 출력 제어를 중지하고, 발전 출력을 감소시킨다.
이와 같이 하여, 본 발명에서는 엔진 아이들 회전수를 실내 소음(및 진동)이 양호한 설정된 회전수로 고정 유지함과 동시에 차량의 주행모드 및 HSG의 코일 온도를 고려하여 요구 출력에 따른 HSG의 발전 출력 가변 제어가 수행되도록 함으로써, 종래에 비해 NVH 성능을 개선할 수 있고, HSG의 비용 및 원가 절감, 사이즈 및 중량 축소 등을 달성할 수 있게 된다.
이상으로 본 발명의 실시예에 대해 상세히 설명하였는바, 본 발명의 권리범위는 상술한 실시예에 한정되지 않으며, 당해 발명이 속하는 기술분야의 통상의 기술자에 있어서 다음의 특허청구범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 발명의 권리범위에 포함된다.
10 : 엔진 20 : 구동모터
30 : 변속기 40 : 시동발전기(HSG)
50 : 엔진 클러치 61 : HPCU

Claims (4)

  1. 하이브리드 차량에서 엔진과 회전력 전달이 가능하도록 연결된 시동발전기의 발전 출력 제어 방법에 있어서,
    차량 출발 후 제어기가 차량의 주행모드를 결정하기 위한 차량 상태 정보를 입력받고, 입력된 차량 상태 정보로부터 발전 출력의 상승이 요구되는 주행모드를 판단하는 과정;
    주행모드로부터 발전 출력의 상승 요구가 있음을 판단하여 시동발전기에 대한 주행모드별 발전 출력 가변 제어 수행을 결정하는 과정;
    상기 발전 출력 가변 제어를 위해 차량의 주행모드별 요구 출력에 해당하는 토크지령과 토크 인가시간을 결정하는 과정; 및
    상기 결정된 토크지령을 인가시간 동안 인가하여 시동발전기의 발전 출력을 제어하는 과정;
    을 포함하는 것을 특징으로 하는 시동발전기의 발전 출력 제어 방법.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 토크지령과 토크 인가시간을 결정하는 과정에서 요구 출력에 따라 설정된 값으로 토크지령과 토크 인가시간이 정의된 제어맵이 이용되는 것을 특징으로 하는 시동발전기의 발전 출력 제어 방법.
  3. 청구항 1에 있어서,
    시동발전기의 발전 출력을 제어하는 과정 동안 시동발전기의 코일 온도를 모니터링하는 과정; 및
    시동발전기의 코일 온도가 정해진 기준온도 이상인 조건에서 주행모드별 시동발전기의 발전 출력 가변 제어를 종료하는 과정;
    을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 시동발전기의 발전 출력 제어 방법.
  4. 청구항 3에 있어서,
    시동발전기의 코일 온도가 기준온도 이상인 조건이 설정시간 이상 지속될 경우 주행모드별 시동발전기의 발전 출력 가변 제어를 종료하도록 설정되는 것을 특징으로 하는 시동발전기의 발전 출력 제어 방법.
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