KR20150102947A - 하이브리드 구동 트레인을 제어하는 방법 - Google Patents

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알렉산더 드레어
마리안 프라이스너
마르쿠스 린하르트
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섀플러 테크놀로지스 아게 운트 코. 카게
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Abstract

본 발명은 크랭크축을 포함한 내연기관 및 상기 내연기관의 벨트 풀리 평면 내에 배열되고 시프트 가능한 유성 기어 장치에 의해 크랭크축과 작동 연결된 전기 모터를 구비한 하이브리드 구동 트레인의 제어 방법에 관한 것으로, 상기 유성 기어 장치는 내연기관 시동 과정 중에, 유성 기어의 링 기어와, 회전 고정식으로 배치된 하우징 사이에 배열된 브레이크를 작동시키는 액추에이터에 의해 액추에이터 경로를 통해 사전 설정된 폐쇄 위치로 제어된다. 액추에이터와 브레이크의 과부하를 방지하기 위해, 상기 폐쇄 위치는, 액추에이터의 전기적 제어 변수 및 액추에이터의 이동 속도를 토대로 검출된 구배 변화에 의해 결정된, 링 기어와 하우징 사이의 접촉점과 비교되고, 상기 접촉점에 따라 조정된다.

Description

하이브리드 구동 트레인을 제어하는 방법{METHOD FOR CONTROLLING A HYBRID DRIVE TRAIN}
본 발명은 크랭크축을 포함한 내연기관과, 상기 내연기관의 벨트 풀리 평면 내에 배치되어 시프트 가능한 유성 기어 장치에 의해 크랭크축과 작동 연결된 전기 모터를 구비한 하이브리드 구동 트레인의 제어 방법에 관한 것이며, 상기 유성 기어 장치는 내연기관의 시동 과정 중에 유성 기어 장치의 링 기어와, 회전 고정식으로 배치된 하우징 사이에 배열된 브레이크를 작동시키는 액추에이터에 의해 액추에이터 경로를 통해 사전 설정된 폐쇄 위치로 제어된다.
내연기관의 벨트 풀리 내에 일체된 전기 모터를 구비한 하이브리드 구동 트레인은 예를 들어 DE 10 2011087 697 A1호로부터 공지되어 있다. 여기서는 전기 모터가 시프트 가능한 유성 기어 장치에 의해 벨트 구동부 내에 통합됨으로써, 상기 전기 모터가 유성 기어 장치의 감속 모드에서 정지중인 내연기관을 시동시킬 수 있으며, 예를 들어 작동 상황에 따라 비감속 모드 또는 감속 모드에서, 작동중인 내연기관의 구동을 지원하고, 내연기관이 정지중일 때, 예를 들어 밸브의 개방 시, 회생 제동을 실시하며, 상응하는 구동 트레인을 구비한 자동차를 전기로 구동하며, 그리고/또는 예를 들어 공조시스템 압축기와 같은 보조 유닛을 구동할 수 있다. 유성 기어는 브레이크를 이용하여 전환되는데, 상기 브레이크는 액추에이터에 의해 액추에이터 경로를 따라 작동되며, 이때 유성 기어 장치의 링 기어를 고정된 하우징 부품과 마찰 결합식으로 연결한다. 이 경우, 최대로 전달 가능한 제동 토크에서 브레이크의 일 폐쇄 위치에 사전 설정된 액추에이터 경로가 할당된다. 작동 상황에 따라, 예를 들어 온도가 변동할 때, 작동 기간 중에 발생하는 마모 등이 상기 폐쇄 위치를 변화시킴으로써, 브레이크의 폐쇄 시 브레이크의 마찰 라이닝의 높은 마모를 야기하는 슬립이 발생할 수 있거나, 또는 액추에이터, 액추에이터 기구 및 브레이크의 높은 하중을 유발하는 과압착이 발생할 수 있다.
본 발명의 과제는 범용 하이브리드 구동 트레인이 브레이크의 마찰 라이닝의 마모 없이 그리고 액추에이터의 과하중 없이 지속적으로 작동될 수 있도록 하는 것이다.
상기 과제는 청구항 제1항의 특징에 의해 해결된다. 종속 청구항들은 바람직한 실시예를 설명한다.
제안된 방법은, 크랭크축을 포함한 내연기관과, 상기 내연기관의 벨트 풀리 평면 내에 배치되어 시프트 가능한 유성 기어 장치에 의해 크랭크축과 작동 연결된 전기 모터를 구비한 하이브리드 구동 트레인의 제어에 사용된다. 여기서 유성 기어 장치는, 내연기관의 시동 과정 중에 유성 기어 장치의 링 기어와 회전 고정식으로 배치된 하우징 사이에 배열된 브레이크를 작동시키는 액추에이터에 의해 액추에이터 경로를 통해 마찰 결합식으로 연결된다. 제안된 방법에서, 시동 과정은 바람직하게 폐쇄된 브레이크에서 실행된다. 브레이크의 폐쇄 위치는 액추에이터 경로를 따른 액추에이터 또는 액추에이터 기구의 이동에 의해 조정된다. 액추에이터, 액추에이터 기구 및 브레이크의 과부하를 방지하기 위해, 폐쇄 위치는 액추에이터의 전기적 제어 변수 및 액추에이터의 이동 속도로부터 산출된 구배 변화를 이용하여 결정된, 링 기어와 하우징 사이의 접촉점과 비교되어 상기 접촉점에 따라 조정된다. 이때, 구배 변화는 액추에이터 경로를 따라, 액추에이터, 액추에이터 기구 및 이들에 의해 작동되는 브레이크 구성 부품의 마찰과 같은 내부 저항에 기인하는 에어 갭 힘과, 브레이크의 마찰 결합의 형성 시 브레이크의 가동 구성 부품이 하우징에 대해 압착됨으로 인해 형성되는 압착력이 교차하는 변곡점에서 산출된다. 이때, 에어 갭 힘 및 압착력에 의해 형성된 변곡점은 접촉점에 할당될 수 있다. 이러한 산출은 축방향 경로를 따르는 에어 갭 힘과 압착력의 접선들의 교차점에 의해 수행될 수 있다.
본 방법의 한 바람직한 실시예에 따르면, 접촉점은 액추에이터의 이동 속도가 일정할 때, 그리고 전기적 제어 변수, 예를 들어 전압 또는 전류의 구배 변화 시 결정될 수 있다. 이 경우, 액추에이터의 전기 모터는 일반적으로, 폐쇄 위치까지 축방향 경로를 이동하기 위해, 예를 들어 펄스폭 변조를 이용하여, 제어될 수 있다. 이 경우, 일정한 이동 속도로 제어되며 전기적 제어 변수의 변동이 검출된다. 상기 제어 변수를 토대로, 에어 갭 힘으로부터 압착력으로의 전환 시의 구배 변화가 결정되어 접촉점으로서 규정된다. 액추에이터 경로에 걸쳐 나타나는 압착력의 가파른 특성 곡선으로 인해, 결정된 구배 변화에 기초하여 변곡점이 더 빠르고 간단하게 검출되어 접촉점으로서 규정될 수 있다.
본 방법의 한 대안적 실시예에서, 접촉점은 전기적 변수가 일정할 때, 그리고 이동 속도의 구배 변화 시에 결정될 수 있다. 이때, 전기적 변수, 예를 들어 전류, 전압 또는 전압의 펄스폭이 일정하게 사전 설정된다. 에어 갭 영역 및 브레이크 작동 영역에 걸쳐 상이한 부하로 인해, 경로에 걸쳐 에어 갭과 브레이크 작동 경로 사이의 변곡점에서 이동 속도의 구배 변화를 야기하는 상이한 이동 속도가 조정된다. 상기 변곡점은 접촉점에 할당된다.
바람직하게는, 액추에이터와 브레이크 사이의 기계적 강도를 알 경우, 결정된 접촉점에 따라 폐쇄 위치가 최대 압착력으로 한정될 수 있다. 액추에이터 경로에 걸친 강성의 관계에 의해, 예를 들어 접촉점에서 시작하여 마모 과정들 및 브레이크의 마찰값의 변동과는 무관한 힘 특성 곡선을 토대로, 액추에이터 경로에 걸쳐 발생하는 압착력이 검출될 수 있고, 과부하의 감소를 위해 폐쇄 위치가 최대 압착력으로 제한될 수 있다. 이 경우, 폐쇄 위치는 최대 압착력 이내에서 링 기어와 하우징 사이의 사전 설정된 슬립으로 조정될 수 있다. 이때, 액추에이터는 슬립 제어식으로 제어될 수 있다. 대안적으로, 액추에이터는 경로 제어식으로 작동될 수 있으며, 이때 폐쇄 위치에서 상응하게 제어되는 액추에이터 경로는, 압착력이 최대일 때 동일하거나 더 짧은 최대 액추에이터 경로로 제어된다. 폐쇄 위치의 제어를 위해 제어될 액추에이터 경로는 접촉점과, 폐쇄 위치에 상응하는 경로 지점 사이의 사전 설정된 적응 가능한 경로 편차일 수 있다.
또한, 더 긴 시간에 걸쳐 일정한 폐쇄 위치에서 액추에이터 및 액추에이터 기구의 수축을 방지하기 위해, 최대 압착력에서의 폐쇄 위치 미만으로 슬립이 사전 설정된 경우, 예를 들어 규칙적으로 사전 설정된 시점들에서 폐쇄 위치는 최대 압착력에서의 폐쇄 위치로 조정될 수 있다.
바람직하게는, 접촉점과, 액추에이터 경로에 걸친 압착력의 브레이크 특성 곡선과, 내연기관의 시동 토크를 이용하여 링 기어와 하우징 사이에 배치된 브레이크 라이닝의 마찰값이 결정될 수 있다. 이 마찰값을 토대로 다시, 사전 설정된 액추에이터 경로에서 예측되는 슬립이 결정됨에 따라 상응하게 결정된 슬립을 갖는 폐쇄 위치가 목표되고, 그럼으로써 더 빨리 시동될 수 있다. 이는, 내연기관 시동 시간을 매우 가속화할 수 있다. 시동 토크는 내연기관의 특성 맵, 상기 특성 맵의설계 매개변수, 외부 온도 및/또는 냉각수 온도 및/또는 기타 등등을 이용하여 결정되거나 모델링될 수 있다.
또한, 브레이크의 마찰 라이닝의 활성화를 위해, 사전 설정된 액추에이터 경로를 이용하여 링 기어와 하우징 사이의 사전 설정된 슬립으로 조정된 폐쇄 위치는, 브레이크 라이닝에 도입된 마찰 에너지의 증가를 위해 더 짧은 액추에이터 경로에서 적어도 잠시 동안 더 큰 슬립으로 작동될 수 있다. 마찰 라이닝으로 증가된 에너지가 도입됨으로써, 표면적으로 강화된 마찰 라이닝이 다시 활성화되어 더 높은 마찰 계수를 가질 수 있다. 이에 의해, 전체적으로 브레이크의 제동 거동이 개선되고 압착력이 감소한다.
도 1 및 도 2에 도시된, 본원 방법의 실시예들을 참조로 본 발명을 더 상세히 설명한다.
도 1은 하이브리드 구동 트레인의 기본 회로도이다.
도 2는 액추에이터 경로에 걸친 다양한 작동 변수들의 그래프이다.
도 1은 내연기관(2)과, 전기 모터(3)와, 내연기관(2)의 크랭크축(4)과 전기 모터(3)의 로터(5) 사이에서 작용하도록 배치되고 시프트 가능한 유성 기어 장치(7)를 갖는 벨트 구동 수단(6)를 포함하는 하이브리드 구동 트레인(1)의 시스템 도면이다. 도시된 실시예에서, 캐리어(8)는 유성 기어 장치(7)의 유성 기어들(9)과 함께 크랭크축과 작용 연결되며, 선 기어(10)는 벨트(11)를 통해 로터(5)와 작용 연결된다. 링 기어(12)는, 액추에이터(13)에 의해 액추에이터 경로(x)를 따라 작동하는 브레이크(14)에 의해 하우징(15)에 대해 제동되고, 그로 인해 유성 기어 장치(7)가 두 개의 기어단으로 시프트된다. 벨트 구동 수단(6) 내에는, 선택적으로 그리고 유성 기어의 시프팅에 따라 전기 모터(3)에 의해 또는 내연기관(2)에 의해 구동될 수 있는 도시되지 않은 추가의 보조 유닛이 수용될 수 있다. 또한, 전기 모터(3)는 브레이크(14)가 닫힐 때 정지되는 내연기관(2)을 시동한다. 이때, 크랭크축(4) 및 로터(5)가 정지한 상태에서의 키 시동과, 로터(5)는 회전하고 크랭크축(4)은 정지해 있을 때의 펄스 시동이 구별된다. 두 가지 시동 상태에 따라, 한편으로 액추에이터(13)의 높은 부하를 갖는 과압착을 모니터링하고, 다른 한편으로 브레이크(14)가 닫힐 때 브레이크(14)의 마찰 라이닝의 높은 마모에 의한 링 기어(12)와 하우징(15) 사이의 높은 회전수 편차를 모니터링하여, 경우에 따라 조정하기 위해, 상이한 작동 매개변수를 이용하여 브레이크(14)의 액추에이터(13)에 의해 강요된 액추에이터 경로(x)가 검사된다. 링 기어(12)와 하우징(15) 사이의 회전수 편차는 도시된 실시예에서 로터(5)의 로터 회전수에 기초하여 유성 기어 장치(7)의 변속비를 고려하여 결정됨으로써, 추가의 센서가 생략될 수 있다.
액추에이터(13)의 전기 모터는, 예를 들어 스핀들로서 형성된 로터로서, 브레이크(14)의 브레이크 라이닝과 같은 마찰 라이닝을 수용하는 비틀림 방지 스핀들 너트 내에서 회전하는 로터를 갖는다. 브레이크(14)의 작동을 위해 로터가 상응하는 전기적 변수에 의해 통전됨으로써, 브레이크 라이닝이 액추에이터 경로(x)를 따라 변위되고, 링 기어(12)가 하우징(15)에 대해 제동된다. 이 경우, 먼저 에어 갭 힘이 점차 소모되면서 페달 자유 간극이 마찰 결합이 발생하는 접촉점까지 이동된다. 브레이크 라이닝, 액추에이터 기구 및 하우징의 탄성 및 기계적 강성으로 인해, 접촉점에 비해 경로가 증가하면, 슬립은 감소하고 액추에이터(13)로부터 인가되는 압착력은 증가하는 마찰 결합이 구현된다. 액추에이터 경로(x)에 걸쳐 에어 갭 힘 및 압착력의 매우 상이한 경사도로 인해, 에어 갭 힘과 압착력 사이에 조정되는 접선들의 변곡점에서 상기 변곡점에서의 접촉점이 결정될 수 있다. 상기 접촉점을 기초로 하여, 후속 축방향 경로에 걸쳐 그리고 액추에이터 기하구조 및 브레이크 기하구조의 강성을 이용하여, 최대 압착력에서의 브레이크(14)의 폐쇄 위치가 결정될 수 있다. 바람직하게 브레이크(14)는 최대 압착력 미만에서의 폐쇄점까지만 폐쇄된다. 상기 폐쇄 위치는 사전 설정된 슬립에 따라 최대 압착력 미만에서의 폐쇄 위치를 준수하여 조정될 수 있다.
도 2는 이러한 관계를 그래프(16)의 부분 그래프(I, II, III)를 참조하여 도시한다. 부분 그래프(I)는 액추에이터 경로(x)에 걸친 작동력(F)을 도시하며, 부분 그래프(II)는 일정한 이동 속도에서 액추에이터 경로(x)에 걸친 액추에이터(13)의 작동을 위한 전압(U) 형태의 전기적 변수를 도시하며, 부분 그래프(III)는 일정한 전압에서 액추에이터 경로(x)에 걸친 이동 속도(v)를 도시한 것이다. 에어 갭(xL)을 따라, 실질적으로 상기 에어 갭에 걸쳐 일정한 에어 갭 힘(FL)이 요구되며, 이러한 에어 갭 힘은 이동 속도(vL)가 일정할 때 일정한 에너지 및 그와 더불어 일정한 전압(UL)을 요구하거나, 개방 토크의 극복 후에 액추에이터(13)의 일정한 이동 속도(vL)를 제공한다. 접촉점(x0)에서 브레이크(14)의 마찰 상대, 예를 들어 2개의 브레이크 라이닝, 또는 1개의 브레이크 라이닝과 1개의 금속 대응 마찰면이 서로 마찰 결합됨에 따라, 액추에이터 경로(x)가 증가하면 함께 증가하는 제동 토크가 발생한다. 접촉점(x0)에 비해 액추에이터 경로(x)가 증가함에 따라, 압착 경로(xA)에 걸쳐 증가하는 압착력(FA)으로 인해 작동력이 상승한다. 상기 압착력(FA)을 제한하기 위해, 그리고 액추에이터(13) 및 브레이크(14)의 과부하를 방지하기 위해, 에어 갭 힘(FL) 및 압착력(FA)의 구배 변화를 토대로 접촉점(x0)이 결정되며, 이때, 상기 에어 갭 힘 및 압착력의 변곡점이 결정된다. 접촉점(x0)의 위치에 따라, 액추에이터(13), 액추에이터 기구 및 브레이크(14)의 사전 설정된 강성의 고려 하에 최대 폐쇄 위치(Smax)가 예를 들어 고정된 경로 편차로서 결정된다. 이때, 에어 갭 힘(FL) 및 압착력(FA)의 구배 변화는 부분 그래프(II)에 상응하게 일정한 이동 속도(v)에서의 액추에이터(13)의 전압(U)의 구배 변화로부터 결정될 수 있고, 부분 그래프(III)에 상응하게 액추에이터 경로(x)에 걸쳐 일정한 전압(U)에서 이동 속도(v)의 구배 변화로부터 결정될 수 있으며, 이 경우 각각의 최대 전압(Umax) 또는 최소 이동 속도(vmin)는 최대 압착력(Fmax)에 상응한다. 브레이크(14)의 효과적인 폐쇄를 위해, 예를 들어 슬립 의존적으로, 또는 경로 의존적으로, 또는 다른 방식으로 조정된 폐쇄 위치(S)는 접촉점(x0) 및 최대 폐쇄 위치(Smax) 사이의 압착 경로(xA)에서 충분한 제동 토크로 조정된다.
1: 구동 트레인
2: 내연기관
3: 전기 모터
4: 크랭크축
5: 로터
6: 벨트 구동 수단
7: 유성 기어 장치
8: 캐리어
9: 유성 기어
10: 선 기어
11: 벨트
12: 링 기어
13: 액추에이터
14: 브레이크
15: 하우징
16: 그래프
I: 부분 그래프
II: 부분 그래프
III: 부분 그래프
F: 작동력
FA: 압착력
FL: 에어 갭 힘
Fmax: 최대 압착력
v: 이동 속도
vL: 일정한 이동 속도
vmin: 최소 이동 속도
S: 폐쇄 위치
Smax: 최대 폐쇄 위치
U: 전압
UL: 일정한 전압
Umax: 최대 전압
x: 액추에이터
xO: 접촉점
xA: 압착 경로
xL: 에어 갭

Claims (9)

  1. 크랭크축(4)을 포함한 내연기관(2)과, 상기 내연기관(2)의 벨트 풀리 평면 내에 배치되어 시프트 가능한 유성 기어 장치(7)에 의해 크랭크축(4)과 작동 연결된 전기 모터(3)를 구비한 하이브리드 구동 트레인(1)의 제어 방법으로서, 상기 유성 기어 장치(7)는, 내연기관의 시동 과정 중에 유성 기어 장치(7)의 링 기어(12)와 회전 고정식으로 배치된 하우징(15) 사이에 배열된 브레이크(14)를 작동시키는 액추에이터(13)에 의해 액추에이터 경로(x)를 통해 사전 설정된 폐쇄 위치(S)로 제어되는, 하이브리드 구동 트레인 제어 방법에 있어서,
    폐쇄 위치(S)는, 액추에이터(13)의 전기적 제어 변수 및 액추에이터(13)의 이동 속도를 토대로 검출된 구배 변화에 의해 결정된, 링 기어(12)와 하우징(15) 사이의 접촉점(x0)과 비교되어, 상기 접촉점에 따라 조정되는 것을 특징으로 하는, 하이브리드 구동 트레인 제어 방법.
  2. 제1항에 있어서, 접촉점(x0)은, 브레이크(14)가 작동하지 않을 때 액추에이터 경로(x)를 따라 발생하는 에어 갭 힘(FL)과, 브레이크(14)의 마찰 접촉의 형성에 따라 발생하는 압착력(FA)의 일 변곡점에 할당되는 것을 특징으로 하는, 하이브리드 구동 트레인 제어 방법.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 접촉점(x0)은 액추에이터(13)의 이동 속도(v)가 일정할 때, 그리고 전기적 제어 변수의 구배 변화 시에 결정되는 것을 특징으로 하는, 하이브리드 구동 트레인 제어 방법.
  4. 제1항 또는 제2항에 있어서, 접촉점(x0)은 전기적 변수가 일정할 때, 그리고 이동 속도(v)의 구배 변화 시에 결정되는 것을 특징으로 하는, 하이브리드 구동 트레인 제어 방법.
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 액추에이터(13)와 브레이크(14) 사이의 기계적 강도를 알 경우, 결정된 접촉점(x0)에 따라 폐쇄 위치(S)가 최대 압착력(Fmax)으로 한정되는 것을 특징으로 하는, 하이브리드 구동 트레인 제어 방법.
  6. 제5항에 있어서, 폐쇄 위치(S)는 최대 압착력(FA) 이내에서 링 기어(12)와 하우징(15) 사이의 사전 설정된 슬립으로 조정되는 것을 특징으로 하는, 하이브리드 구동 트레인 제어 방법.
  7. 제5항 또는 제6항에 있어서, 슬립이 최대 압착력(FA)에서의 최대 폐쇄 위치(Smax) 미만으로 사전 설정된 경우, 사전 설정된 시점들에서 폐쇄 위치(S)가 최대 폐쇄 위치(Smax)로 조정되는 것을 특징으로 하는, 하이브리드 구동 트레인 제어 방법.
  8. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서, 접촉점(x0), 액추에이터 경로(x)에 걸친 압착력(FA)의 브레이크 특성 곡선, 및 내연기관의 시동 토크에 기초하여, 링 기어(12)와 하우징(15) 사이에 배열된 브레이크 라이닝의 마찰값이 결정되는 것을 특징으로 하는, 하이브리드 구동 트레인 제어 방법.
  9. 제8항에 있어서, 사전 설정된 액추에이터 경로(x)를 이용하여 링 기어(12)와 하우징(15) 사이의 사전 설정된 슬립으로 조정된 폐쇄 위치(S)는, 브레이크 라이닝에 도입된 마찰 에너지의 증가를 위해 더 짧은 액추에이터 경로(x)에서 적어도 잠시 동안 더 큰 슬립으로 작동되는 것을 특징으로 하는, 하이브리드 구동 트레인 제어 방법.
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