KR20140071593A - 하이브리드 차량의 충전 제어 방법 - Google Patents

하이브리드 차량의 충전 제어 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 엔진 출력이 차량 요구 출력보다 높을 경우 엔진의 여분 출력을 이용하여 배터리를 충전함으로써, 배터리 충전 효과를 극대화할 수 있는 하이브리드 차량의 충전 제어 방법에 관한 것이다.

Description

하이브리드 차량의 충전 제어 방법{Charge control method for hybrid electric vehicle}
본 발명은 하이브리드 차량의 연비를 향상시킬 수 있는 하이브리드 차량의 충전 제어 방법에 관한 것이다.
하이브리드 차량은 엔진과 모터를 동력원으로 사용한다.
또한, 하이브리드 차량은 엔진이 비효율적인 주행 환경일 때 모터에 의한 배터리의 충방전으로 효율성을 높이고, 감속시 모터의 역회전을 통한 회생제동으로 전기를 생산하여 배터리에 저장함으로써 연비를 향상시킨다.
상기한 하이브리드 차량의 기능, 예를 들어 EV(electric vehicle) 주행(전기모터만을 동력원으로 사용), 엔진 아이들 스탑(Idle stop), 파워어시스트 등을 원활하게 유지하고 차량의 연비 향상을 위해 일정 수준의 고전압 배터리 에너지 상태를 유지하여야 한다.
따라서, 배터리 충전 상태(SOC;State Of Charge)가 낮은 상태이거나 일반적인 주행 상황에서 일정 수준의 SOC 유지 및 차량의 연비 향상을 위해 배터리 충전 전략이 필요하다.
상기 배터리를 충전 전략을 예를 들어 설명하면, 감속 시 회생제동에 의한 에너지를 회수하거나, 차량 주행 시 SOC가 일정 전압 이하로 떨어지면 강제로 엔진을 구동시켜 모터를 발전기로 동작시키고 모터의 발전 동작을 통해 SOC를 상승시킬 수 있다.
특히, 배터리 충전 전략 중 차량의 연비를 극대화하기 위해 엔진을 이용한 충전 시 시스템 구성을 적절히 활용한 최적의 충전 방안이 필요하다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 발명한 것으로서, 엔진 출력이 차량 요구 출력보다 높을 경우 엔진의 여분 출력을 이용하여 차량 구동용 전기모터나 엔진 기동용 모터(HSG)가 단독 혹은 동시에 작동하는 방식으로 배터리를 충전함으로써 배터리 충전 효과를 극대화할 수 있는 하이브리드 차량의 충전 제어 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위해 본 발명에 따른 하이브리드 차량의 충전 제어 방법은 엔진 출력 및 차량 주행 시 요구 출력을 검출하는 단계; 상기 엔진 출력과 차량 주행 시 요구 출력을 서로 비교하는 단계; 상기 엔진 출력이 차량 주행 시 요구 출력보다 더 큰 경우에 엔진의 여분 출력을 이용하여 차량 구동용 전기모터나 엔진 기동용 HSG(Hybrid Starter Generator)가 단독 혹은 동시에 작동하는 방식으로 배터리를 충전하는 단계를 포함하여 배터리 충전 효과를 극대화할 수 있는 것을 특징으로 한다.
특히, 상기 배터리에 충전에너지를 저장하는 단계는 차량 구동용 전기모터 및 엔진 기동용 HSG의 용량 차이 및 시스템 효율을 고려하고 최적의 차량 구동용 전기모터 충전토크와 HSG 충전토크를 조합하여 설정하는 단계를 포함하고, 각 상황별로 최대의 충전 출력을 나타낼 수 있도록 한 것을 특징으로 한다.
상기 차량 구동용 전기모터 충전토크와 HSG 충전토크의 조합을 통해 최대의 충전 에너지를 발생시킬 수 있는 충전 파워는 하기 식에 의해 산출되며, 상기 식은 충전 파워(P) = Tm.motor×Wm.motor×충전효율.motor+(1/R1)×(Teng.charg-Tm.motor)×Wm.hsg×충전효율.hsg이고, Tm.motor는 차량 구동용 전기모터(13)의 충전토크이고, Wm.motor는 모터속도이고, 충전효율.motor는 모터의 충전효율이고, Teng.charg는 엔진의 여분 토크이고, Wm.hsg는 HSG의 속도이고, 충전효율.hsg는 HSG의 충전효율인 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 하이브리드 차량의 충전 제어 방법의 장점을 설명하면 다음과 같다.
첫째로, 엔진 운전 출력이 차량 주행 시 요구 출력보다 높은 경우 구동용 전기모터나 HSG를 이용하여 엔진의 여분 출력을 배터리에 충전함으로써, 재료비 상승 없이 제어만으로 연비를 향상시킬 수 있을 뿐만 아니라 최대의 충전 효과를 얻을 수 있다.
둘째로, 엔진의 여분 출력을 이용하여 배터리 충전 시 구동용 전기모터나 HSG의 용량 및 시스템 효율을 고려하여 최적의 충전점을 산출하는 방식으로 각 상황별로 최대의 충전출력을 나타낼 수 있도록 함으로써, 배터리 충전량을 극대화할 수 있다.
도 1은 하이브리드 차량의 시스템 구성도
도 2는 본 발명에 따른 엔진 운전점 및 차량 주행시 요구 출력을 보여주는 그래프
도 3은 본 발명에 따른 엔진 여분 출력을 이용한 하이브리드 차량의 충전제어방법을 보여주는 개략도
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세하게 설명하기로 한다.
첨부한 도 1은 하이브리드 차량의 시스템 구성도이고, 도 2는 본 발명에 따른 엔진 운전점 및 차량 주행시 요구 출력을 보여주는 그래프이고, 도 3은 본 발명에 따른 엔진 여분 출력을 이용한 하이브리드 차량의 충전제어방법을 보여주는 개략도이다.
하이브리드 차량에서 전기모터는 도 1에 도시한 바와 같이 차량 구동용 대용량 전기모터(13)와 엔진 기동을 위한 소용량 HSG(11)(Hybrid Starter Generator)로 구성된다.
하이브리드 차량에서 엔진(10)은 도 2에 도시한 바와 같이 연비 향상을 위해 차량 주행에 요구되는 출력(B)에서 운전되는 것이 아니라 엔진(10)의 고효율 점(A)에서 작동된다.
본 발명에 따른 하이브리드 차량의 배터리 충전 제어방법은 엔진(10)의 고효율 점(A)에서의 출력이 차량 주행에 요구되는 출력(B)에 비해 더 큰 경우에 엔진(10)의 여분 출력을 이용하여 고전압 배터리(14)를 충전시킬 수 있다.
상기 엔진(10)의 여분 출력은 엔진(10)의 고효율 점(A)에서의 출력과 차량 주행에 요구되는 출력(B)의 차이이며, 다음 식과 같다.
Teng.charg=Teng-Treq.
상기 Teng.charg는 엔진 여분 출력(토크)이고, Teng는 엔진 운전점 A에서 엔진토크이고, Treq.는 차량 주행 시 요구 출력(B)이다.
이때, 상기 엔진 여분 출력을 이용하여 배터리(14) 충전 시 구동용 전기모터(13)나 HSG(11)가 단독 혹은 동시에 작동하여 배터리를 충전할 수 있으나, 두 전기모터(13,11)의 용량 차이 및 시스템 효율 특성에 따라 주어진 출력에서 충전할 수 있는 에너지량은 매우 다르게 나타날 수 있다.
따라서, 주어진 엔진(10)의 여분 출력에 대해 두 개의 모터 용량과 시스템 효율을 고려하여 각 상황별로 최대의 충전량을 나타낼 수 있는 구동용 전기모터(13) 충전토크 및 HSG(11) 충전토크의 조합을 설정하는 것이 바람직하다.
상기 최대의 충전량을 나타낼 수 있는 구동용 전기모터(13)의 충전토크와 HSG(11)의 충전 토크의 조합을 설정하기 위해 엔진 여분 출력(토크) Teng.charg는 아래의 식과 같이 구동용 전기모터(13)의 충전토크와 HSG(11) 충전토크의 합으로 표현가능하다.
Teng.charg=Tm.motor+Tm.hsg×R1
상기 Tm.motor는 구동용 전기모터(13) 충전토크이고, Tm.hsg는 HSG(11) 충전토크이고, R1은 엔진(10)과 HSG(11)의 연결 기어비이다.
상기 식에서 Tm.hsg×R1>0이므로, 0≤｜Tm.motor｜≤Teng.charg이다.
최대의 충전 에너지를 발생시키기 위해 충전 파워 산출은 아래와 같이 표현이 가능하다.
충전 파워(P) = Tm.motor×Wm.motor×충전효율.motor+Tm.hsg×Wm.hsg×충전효율.hsg = Tm.motor×Wm.motor×충전효율.motor+(1/R1)×(Teng.charg-Tm.motor)×Wm.hsg×충전효율.hsg
이때, Wm.motor는 모터속도이고, 충전효율.motor는 모터의 충전효율이고, Wm.hsg는 HSG(11)의 속도이고, 충전효율.hsg는 HSG(11)의 충전효율이다.
그리고, ｜Tm.motor｜= [0,｜Tm.motor1｜,｜Tm.motor2｜,......,｜Teng.charg｜] 일때, 충전 파워 P = [0,P1,P2,......P(Teng.charg)]이다.
상기 식에서 다양한 ｜Tm.motor｜에 대해 최대의 충전 파워를 발생할 수 있는 구동용 전기모터(13)의 충전토크 Tm.motor를 선정한다.
또한, 구동용 전기모터(13) 충전 토크(Tm.motor)에 대응되는 최적의 HSG(11) 충전토크는 다음 식에 의해 산출된다.
Tm.hsg = (1/R1)×(Teng.charg-Tm.motor)
상기한 바와 같이 한 상황에서 최적의 구동용 전기모터(13) 충전토크와 HSG(11) 충전토크의 조합을 선정하여 최대의 충전에너지를 발생시킬 수 있다.
또한, 도 3에 도시한 바와 같이 본 발명의 일실시예는 엔진(10)의 여분 출력에 해당하는 토크(Teng.charg)와 엔진속도를 기반으로 이루어지는 맵을 제어기에 저장하여 최적의 충전 제어를 수행할 수 있다.
상기한 맵을 통해 주행 상황에서 해당되는 엔진(10)의 여분 충전토크(Teng.charg)와 엔진속도에서 최적의 충전에너지를 발생시킬 수 있는 구동용 전기모터(13) 충전토크(Tmot.charg)와 HSG(11) 충전토크(Thsg.charg)를 출력시킴으로써, 개발 시 제어기의 연산 부담을 억제하여 불필요한 제어기 용량 증대를 방지할 수 있으며, 개발 시 차량 캘리브레이션을 용이하게 수행할 수 있는 데이터 처리가 가능하다.
따라서, 본 발명에 의하면 엔진(10) 운전 출력이 차량 주행 시 요구 출력보다 높은 경우 구동용 전기모터(13)나 HSG(11)를 이용하여 엔진(10)의 여분 출력을 배터리(14)에 충전함으로써, 재료비 상승 없이 제어만으로 연비를 향상시킬 수 있을 뿐만 아니라 최대의 충전 효과를 얻을 수 있다.
또한, 엔진(10)의 여분 출력을 이용하여 배터리(14) 충전 시 구동용 전기모터(13)나 HSG(11)의 용량 및 시스템 효율을 고려하여 최적의 충전점을 산출하여 각 상황별로 최대의 충전출력을 나타낼 수 있도록 함으로써, 배터리(14) 충전량을 극대화할 수 있다.
10 : 엔진
11 : HSG
12 : 클러치
13 : 구동용 전기모터
14 : 배터리
15 : 변속기

Claims (3)

  1. 엔진(10) 출력 및 차량 주행 시 요구 출력을 검출하는 단계;
    상기 엔진(10) 출력과 차량 주행 시 요구 출력을 서로 비교하는 단계;
    상기 엔진(10) 출력이 차량 주행 시 요구 출력보다 더 큰 경우에 차량 엔진(10)의 여분 출력을 이용하여 구동용 전기모터(13)나 엔진 기동용 HSG(11)(Hybrid Starter Generator)가 단독 혹은 동시에 작동하는 방식으로 배터리를 충전하는 단계;
    로 이루어지는 것을 특징으로 하는 하이브리드 차량의 충전 제어 방법.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 배터리(14)에 충전에너지를 저장하는 단계는 차량 구동용 전기모터(13) 및 엔진 기동용 HSG(11)의 용량 차이 및 시스템 효율을 고려하고 최적의 차량 구동용 전기모터(13) 충전토크와 HSG(11) 충전토크를 조합하여 설정하는 단계를 포함하고, 각 상황별로 최대의 충전 출력을 나타낼 수 있도록 한 것을 특징으로 하는 하이브리드 차량의 충전 제어 방법.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 차량 구동용 전기모터(13) 충전토크와 HSG(11) 충전토크의 조합을 통해 최대의 충전 에너지를 발생시킬 수 있는 충전 파워는 하기 식에 의해 산출되며,
    상기 식은 충전 파워(P) = Tm.motor×Wm.motor×충전효율.motor+(1/R1)×(Teng.charg-Tm.motor)×Wm.hsg×충전효율.hsg이고, Tm.motor는 차량 구동용 전기모터(13)의 충전토크이고, Wm.motor는 모터속도이고, 충전효율.motor는 모터의 충전효율이고, Teng.charg는 엔진(10)의 여분 토크이고, Wm.hsg는 HSG(11)의 속도이고, 충전효율.hsg는 HSG(11)의 충전효율인 것을 특징으로 하는 하이브리드 차량의 충전 제어 방법.
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