KR20150115735A - 하이브리드 차량의 가속 부스트 토크의 에너지를 감소시키기 위한 방법 - Google Patents

하이브리드 차량의 가속 부스트 토크의 에너지를 감소시키기 위한 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 하이브리드 차량의 에너지 소비를 최적화하는 관리 규칙(management laws; EML)에 따라 토크를 휠에 공동으로 또는 개별로 출력할 수 있는 적어도 하나의 열 엔진 및 하나의 전기 기계를 포함하는 파워 트레인, 및 감속 중인 차량의 운동 에너지의 전부 또는 일부를 전기 에너지의 형태로 회수할 수 있으며 상기 열 엔진을 통하여 재충전될 수 있는 트랙션 배터리가 제공되는 상기 하이브리드 차량의 가속을 전기적으로 부스트(boosting)하기 위한 토크의 에너지를 감소시키기 위한 방법에 관한 것이다. 상기 방법은, 토크 부스트(torque boost)를 위하여 유보(reserved)된, 상기 배터리의 에너지 범위(energy range) 내에 남아있는 에너지 양에 따른 0 내지 1 사이의 감소 계수(C)에 따라, 상기 토크 부스트에 이용가능한 상기 전기적 부스트 토크가 감소되는 것을 특징으로 한다.

Description

하이브리드 차량의 가속 부스트 토크의 에너지를 감소시키기 위한 방법{Method for reducing the energy of the acceleration-boosting torque of a hybrid vehicle}
본 발명은 하이브리드 차량의 기술분야에 관한 것이고, 더 구체적으로는 하이브리드 차량의 에너지 관리의 기술분야에 관한 것이다.
본 발명의 대상물은, 하이브리드 차량의 에너지 소비를 최적화하는 관리 제어 규칙(the control of management laws) 하에 토크를 휠에 공동으로 또는 개별로 공급할 수 있는 적어도 하나의 열 엔진 및 하나의 트랙션 기계(traction machine)를 포함하는 파워 트레인, 및 감속 중 상기 차량의 운동 에너지의 적어도 일부를 전기 에너지의 형태로 회수할 수 있으며 상기 열 엔진을 통하여 재충전될 수 있는 트랙션 배터리가 설치된 상기 하이브리드 차량의 가속을 부스트(boosting)하기 위한 토크를 제한하기 위한 방법이다.
하이브리드 차량의 배터리의 에너지가 우선순위 관리(priority management) 또는 사용량 제한 없이 상기 차량의 모든 서비스들(services)에 이용가능하게 되는 때에는 상기 차량의 이용은 상기 배터리의 저장 용량에 의해 제한된다. 그러한 것은 특히 "마일드 하이브리드(mild hybrid)" 차량이라고 불리는, 전기적 네트워크 상에서 충전될 수 있는 차량의 경우인바, 상기 마일드 하이브리드 차량의 내장 에너지 용량은 현재로서는 여전히 꽤 낮은 수준에 머물러 있다.
그 응답에 관한 에너지 제한 없이 파워 트레인 제어 시스템은, 상기 트랙션 배터리를 완전히 소모시킬 위험을 안고서 운전자로부터 요청되는 토크를 항상 구현한다. 배터리 재충전 가능성이 감속 중 운동 에너지의 부분적 회수에 한정되는 때에는 배터리 재충전이 제한되고 느리며, 심지어 상기 배터리가 열 엔진에 의해 재충전될 수도 있더라도 그러하다. 따라서 상대적으로 "활동적인(active)" 이용자는 상기 배터리의 소비를 감소시키지 않은 채 상기 배터리를 급속히 소모시킬 것인바, 그 또는 그녀의 "빠르고 날렵한(sporty)" 운전에 의해 상기 하이브리드 차량에 내재하는 소비 이득(consumption gains)은 상쇄될 것이다. 이제, 하이브리드 차량 내에 에너지 소비 감소는 우선하는 목적이다.
하이브리드 차량 내에서 특별하게 평가되는 하나의 서비스는, 상기 열 엔진이 홀로 공급할 수 있는 것보다 더 많은 토크를 전기 기계의 도움으로 휠에 공급할 수 있는 가능성이다. 이는 "오버토크(overtorque)" 또는 전기적 토크 부스트라고 불린다. 운전자가 발을 내리누르는 때, 상기 열 엔진은 "엔진" 모드에서 작동하는 상기 전기 기계에 의해 부스트되어 상기 휠에 공급되는 토크가 최대화된다. 도 1에 도시되는 이 서비스는 많은 전기 에너지를 소비한다. 따라서 그 서비스에는 상기 트랙션 배터리를 급속히 소모시키는 위험이 있다. 그렇다면 에너지 관리 규칙(LGE)은 더 이상 완전히 적용될 수 없으므로 상기 파워 트레인의 전체 소비는 증가된다. 이 상황은 상기 배터리의 용량이 낮은 때에 더욱더 빈번하게 일어난다. 프랑스 특허 제2,902,705호를 통하여 자동차를 위한 마이크로 하이브리드 시스템(micro hybrid system)이 알려졌는바, 그 시스템에서 조종 시스템(piloting system)은 다양한 작동 모드를 정의(define)하고 가능하게 할 수 있는 수단을 포함하며, 상기 다양한 작동 모드에는 회전하는 전기 기계의 "회생" 제동 모드 및 그 회전하는 전기 기계의 토크 부스트 모드가 포함된다.
그러나 운전자에게 이용가능하게 되는 가속 시 부스트 토크를 제한하여 상기 트랙션 배터리의 이용을 최적화하는 것의 규정은 없다.
본 발명은, 상기 하이브리드 차량에 관련된 소비 이득이 불리하게 되지 않도록, 상기 토크 부스트에 연계된 에너지 소비를 포함하여 상기 파워 트레인의 전체 소비를 상기 파워 트레인의 에너지 용량의 함수로서 제어하는 것을 목표로 한다.
이를 위하여, 상기 토크 부스트를 위하여 유보(reserved)된 상기 배터리의 에너지 대역(energy band) 내에 남아있는 에너지 양에 따른 0 내지 1 사이의 제한 계수에 의해 상기 토크 부스트에 이용가능한 전기적 부스트 토크가 감소됨이 제안된다.
따라서 본 발명의 목적들 중 하나는, 운전자에게 이용가능하게 되는 토크 부스트를 제어하여, 상기 차량의 에너지 최적화에 관한 이 서비스의 영향(impact)을 제한하는 것이다.
이러한 규정들로 인하여, 상기 휠에 공급되는 토크에 대한 요구를 운전자로부터 관찰하는 것과 상기 파워 트레인의 소비를 감소시키는 것 사이의 우선순위 규칙들을 상기 차량의 에너지 관리에 도입하는 것이 가능해진다.
상기 제어에 도입되는 모니터링 메커니즘은, 가속을 향상시키도록 할당될 에너지 양을 동적으로 관리한다. 따라서 상기 파워 트레인의 성능 특성(performance characteristics)을 운전자가 자주 요구하더라도, 상기 모니터링 메커니즘은 계속해서 소비를 최적화한다.
본 발명의 다음 비한정적 실시례의 설명을 읽을 때 첨부된 도면들을 참조함으로써 본 발명의 다른 특징들 및 장점들이 더 확실히 분명해질 것인바, 그 첨부된 도면들 중에:
- 도 1에는 열 엔진으로부터의 최대 토크를 넘는 전기적 토크 부스트로부터의 추가 토크(extra torque)가 도시되며,
- 도 2에는 제안된 에너지 관리 모드가 도시되며,
- 도 3에는 이 관리 모드의 기초가 되는 회수된 에너지 분배의 계산이 도시되며,
- 도 4는 상기 전기적 토크 부스트를 제한하는 적분값(integral)을 계산하기 위한 체계이고,
- 도 5에는 얻어진 토크의 감소가 도 1과 비교되어 도시된다.
토크를 휠에 공동으로 또는 개별로 공급할 수 있는 적어도 하나의 열 엔진 및 하나의 전기 기계를 포함하는 파워 트레인을 갖춘 하이브리드 차량에서, 이 2개의 에너지원들은 상기 차량의 에너지 소비를 최적화하는 관리 제어 규칙(the control of management laws; LGE) 하에 놓인다. 트랙션 배터리는 일반적으로 감속 중 상기 차량의 운동 에너지의 적어도 일부를 전기 에너지의 형태로 회수할 수 있으며 상기 열 엔진을 통하여 재충전될 수 있으며, 상기 전기 기계에 전력을 공급한다.
따라서 하이브리드 차량은 상기 휠에 토크를 공급할 수 있는 적어도 2개의 액추에이터들을 구비한다: 따라서 운전자로부터의 토크 요구는, 상기 전기 기계에 의해 공급되는 토크 및 상기 열 엔진에 의해 공급되는 토크의 합에 의해 충족될 수 있다. 위에서 보인 바와 같이, 적절한 에너지 관리 규칙(LGE) 덕택에 상기 2개의 액추에이터들 사이의 토크 분배를 최적화함으로써 하이브리드 파워 트레인의 전체 소비가 개선되는 것이 가능하다. 그러나 이 규칙이 그 역할을 완전히 수행할 수 있도록, 상기 트랙션 배터리는 최적의 분배를 적용하기에 충분한 에너지 유보분(reserve of energy)을 항상(permanently) 구비하여야만 한다.
상기 파워 트레인의 최대 토크는, 상기 열 엔진에 의해 공급되는 최대 토크에 상기 전기 기계에 의해 공급되는 오버토크가 더해진 값에 기초하여 한정된다. 도 1의 곡선들(C1, C2)에는, 상기 열 엔진의 속력(ω)의 함수로서의 상기 열 엔진의 최대 토크의 추세(trend), 및 상기 전기적 토크 부스트가 추가된 상기 휠에 이용가능한 최대 토크 윤곽(maximum torque envelope)이 각각 보여진다. 상기 2개의 곡선들(C1 및 C2) 사이의 차이는 이용가능한 전기적 토크 부스트를 나타낸다. 강한 가속 국면에서 운전자의 에너지 소비를 제어하기 위하여, 상기 이용가능한 전기적 부스트 토크에 0 내지 1 사이에 놓이는 제한 계수(C)을 적용함으로써 상기 이용가능한 전기적 부스트 토크를 제한함이 제안된다. 따라서 상기 토크 부스트에 이용가능한 전기적 부스트 토크는, 상기 배터리의 에너지 대역 내에 남아있는, 상기 토크 부스트를 위하여 유보된 양에 따른 제한 계수(C)로써 감소된다. 상기 제한 계수(C)는 상기 토크 부스트를 위하여 유보되는 에너지 대역 내에 남아있는 에너지의 함수로서 계산된다. 제안된 방법에서, 상기 트랙션 배터리(B) 안에 저장된 에너지는, 전기적 토크 부스트가 있는 상기 파워 트레인의 에너지 관리 규칙의 적용, 및 상기 전기적 토크 부스트가 없는 상기 파워 트레인의 에너지 관리 규칙의 적용 각각을 위하여 개별적으로 유보된 2개의 에너지 대역들(B1, B2) 사이에 분배된다는 점이 사실 고려된다.
상기 2개의 에너지 대역들 사이의 구별은 도 2에 의해 도시된다: 그 상단 부분은 상기 차량의 트랙션 배터리(B)의 물리적 표현에 해당되는 반면에 그 하단 부분에는 2개의 가상적 배터리들의 구별이 있는 제안된 모니터링 모드가 도입되는바, 그 2개의 가상적 배터리들은: 상기 파워 트레인의 전체 소비를 감소시키기 위한 상기 에너지 관리 규칙에 유보 없이 수반되는 에너지를 가지는 제1 배터리(B1), 및 상기 토크 부스트를 위하여 유보되는 제2 배터리(B2)이다.
상기 대역(B2) 내에서 이용가능한 에너지 양을 계산하기 위하여, 토크 부스트 모드에서 상기 전기 기계에 의해 이미 공급된 전력이 적분된다. I로 이름지어진 이 적분값은 다음과 같이 계산된다:
Figure pct00001
여기에서:
Figure pct00002
는 토크 부스트 모드에서 소산되는 전력이며, ηElec는, 상기 전기 기계, 인버터, 및 상기 배터리의 효율을 포함하는 전체 전기 효율이며, PGMP는 운전자에 의하여 상기 파워 트레인에 요구되는 동력(power)이며, PMAXthermique는 상기 열 엔진이 공급할 수 있는 최대 동력이며,
Figure pct00003
은 회수된 전력이며, K는 물리적 배터리의 충전 상태의 함수로서 계산된 가중 계수이고, T는 미션(mission)에서 소비된 시간이다.
상기 계수(K)는, "발전기(generator)" 모드에서 상기 전기 기계에 의해 회수된 에너지를 배터리(B1) 또는 배터리(B2) 안에 배정(assign)할 수 있게 한다.
상기 토크 부스트를 위한 상기 에너지 유보분이 가득찬 때에, I = 0 [Wh]이다. 상기 에너지 유보분이 빈 때에, I = EMAX [Wh]인바, EMAX는 운전자에게 이용가능하게 된 에너지 양, 즉 가상적 배터리(B2)의 용량이다.
배터리(B1)가 에너지 최적화를 가능하게 하는 충분한 에너지를 담고 있다면, K = 1이다. 그렇다면 회수되는 모든 에너지는 배터리(B2)에 배정된다. 운전자는 전기적 토크 부스트 모드에서 그 회수된 에너지를 쓸 수 있다.
배터리(B1)가 상기 에너지 최적화를 가능하게 하는 충분한 에너지를 담고 있지 않다면, K = 0이다. 회수되는 모든 에너지는 배터리(B1)에 배정된다: 그 배터리는 회수되는 에너지로 재충전되며, 에너지는 가상적 배터리(B2)에 할당되지 않는다: 강한 가속 국면에서 운전자는 더 이상 상기 전기적 부스트로부터 혜택을 얻지 않는다. 따라서 우선순위가 상기 파워 트레인의 성능에 주어지기보다는 소비를 감소시키는 데에 주어진다. 운전자는 상기 전기적 부스트에 할당된 모든 에너지를 이미 소비했으므로 더 이상 상기 전기적 부스트의 모든 성능 특성을 가지지는 않는다.
상기 가중 계수(K)에 의해, 성능 또는 소비를 개선하기 위하여 배터리(B1)와 배터리(B2) 사이의 에너지 저장의 우선순위의 순서가 한정된다. 도 3의 체계에는 상기 배터리의 충전 비율인 SOC %의 함수로서 K를 결정하는 비한정적 방식이 도해된다. 제1 문턱값(S1) 아래에서 K는 영(0)이다. 상기 배터리 안에 회수된 모든 에너지는 상기 에너지 관리 규칙(LGE)에 따른다. S1과 그 S1보다 높은 제2 문턱값(S2) 사이에서 K는 선형적 증가를 보인다. S2로부터, K = 1이며, 상기 배터리 안에 회수된 모든 에너지는 상기 토크 부스트를 위하여 이용가능하다.
도 4에 따르면, 상기 배터리의 충전 상태(SOC)의 함수인 계수(K)에 의해 가중된, 제1 에너지 양과 제2 에너지 양 사이의 차이가 적분된다. 상기 에너지 대역(B2)에 배정된 에너지 양(I)은 토크 부스트 모드에서 상기 전기 기계에 의해 공급되는 전력을 적분함으로써 계산된다. 이 전력은 토크 부스트 모드에서 유효하게 소비되는 전력과 감속 중에 회수되거나 상기 열 엔진을 통하여 재충전되는 전력 사이의 차이에 의해 계산된다. 따라서 회수되는 전력은, 상기 트랙션 배터리의 충전 상태의 함수로서 계산되는 가중 계수(K)에 의해 가중된다.
상기 전기적 부스트를 위하여 유보되는 에너지 유보분에 해당되는 상기 적분값(I)은, 상기 전기적 부스트를 제한하는 제한 계수(C)를 맵핑(mapping)에 의해 얻을 수 있게 하는바, 그 제한 계수(C)는, 토크 부스트 모드에서 이용가능한 전력 설정점에 관한 루프 안으로 되돌려진다.
도 5에는, 도 1에서의 부스트에 이용가능한 전력의 제한이 도입된다. 이 예시에서, 가중 없는 전기적 토크 부스트가 추가된, 휠에 이용가능한 최대 토크의 윤곽(envelope)(곡선 C2)과 20% 대의 제한이 있는 채로 이용가능한 전기적 토크 부스트(곡선 C3)가 구별된다.
위에서 보인 바와 같이, 상기 적분값(I)이 EMAX에 도달되는 때에, 토크 부스트 모드에서의 전기적 토크는 영(0)이 된다. 다수의 예시들에 기초한 방법의 실시례가 다음 예시에서 도시된다.
30Wh의 적분값(I)(가상적 배터리 B2), 및 30Wh의 재충전된 물리적 배터리(B)가 있는 제1 상황에서, 그 충전 상태(SOC)는 높은 것으로 여겨지며, K = 1이다. 상기 에너지 관리 규칙(LGE)은 소비를 최적화할 충분한 에너지를 가진다. 회수된 30Wh는, 부스트 모드에서 완전히 소비되기 위하여 상기 가상적 배터리(B2)에 배정될 수 있다.
B2가 동일한 30Wh의 적분값(I)을 가지는 제2 상황에는, 예를 들어 상기 계수(K)가 0.33에 위치한 물리적 배터리의 낮은 충전 상태가 있다. 상기 LGE는 소비를 최적화할 충분한 에너지를 가지지 않는다. 부스트를 위하여 10Wh만큼만 상기 가상적 배터리(B2)를 방전시킴으로써 상기 가상적 배터리의 30Wh 중 20Wh는, 상기 LGE(배터리 B1)에 할당된다.
여전히 30Wh의 동일한 적분값을 가지는 제3 상황에는, 상기 물리적 배터리의 충전 상태에 의해 상기 계수(K)가 영(0) 값에 위치된다. 상기 LGE는 소비를 최적화할 충분한 에너지를 가지지 않는다. 따라서 회수되는 30Wh 전부가 상기 LGE(배터리 B1)에 할당될 것인바, 부스트를 위한 에너지가 배터리(B2)에 배정되지 않는다.
본 발명은 많은 장점들을 제공한다:
- 특히 적은 내장 에너지를 갖는 하이브리드 차량 상의 에너지 관리에 영향이 없도록, 운전자에게 이용가능하게 되는, 강한 가속을 위한 전기적 부스트 토크가 제한될 수 있으며,
- 성능의 목표 또는 소비의 목표 사이에서 상기 전기 기계의 유형 결정(typing; typage)이 촉진된다.

Claims (10)

  1. 하이브리드 차량의 에너지 소비를 최적화하는 관리 제어 규칙(the control of management laws; LGE) 하에 토크를 휠에 공동으로(jointly) 또는 개별로 공급할 수 있는 적어도 하나의 열 엔진 및 하나의 전기 기계를 포함하는 파워 트레인, 및 감속 중 상기 차량의 운동 에너지의 적어도 일부를 전기 에너지의 형태로 회수할 수 있으며 상기 열 엔진을 통하여 재충전될 수 있는 트랙션 배터리(R)가 설치된 상기 하이브리드 차량의 가속을 전기적으로 부스트(boosting)하기 위한 토크의 에너지를 제한하기 위한 방법으로서, 토크 부스트(torque boost)에 이용가능한 상기 전기적 부스트 토크는, 상기 토크 부스트를 위하여 유보(reserved)된 상기 배터리의 에너지 대역(energy band) 내에 남아있는 에너지 양에 따른 0 내지 1 사이의 제한 계수(C)로써 감소되는 것을 특징으로 하는, 에너지 제한 방법.
  2. 제1항에 있어서, 상기 제한 계수(C)는 상기 토크 부스트를 위하여 유보된 상기 배터리(B)의 에너지 대역(B2) 내에 남아있는 에너지의 함수로서 계산되는 것을 특징으로 하는, 에너지 제한 방법.
  3. 제2항에 있어서, 상기 트랙션 배터리 안에 저장된 에너지는, 전기적 토크 부스트가 있는 상기 파워 트레인의 에너지 관리 규칙(LGE)의 적용, 및 상기 전기적 토크 부스트가 없는 상기 파워 트레인의 에너지 관리 규칙의 적용을 위하여 각각 유보된 2개의 에너지 대역들(B1, B2)에 의해 분배되는 것을 특징으로 하는, 에너지 제한 방법.
  4. 제3항에 있어서, 상기 에너지 대역(B2)에 할당된 에너지 양(I)은 토크 부스트 모드에 있는 상기 전기 기계에 의해 공급되는 전력을 적분함으로써 계산되는 것을 특징으로 하는, 에너지 제한 방법.
  5. 제4항에 있어서, 토크 부스트 모드에 있는 상기 전기 기계에 의해 공급되는 전력은, 토크 부스트 모드에서 유효하게 소비되는 전력과 감속 중에 회수되거나 상기 열 엔진을 통하여 재충전되는 전력 사이의 차이에 의해 계산되는 것을 특징으로 하는, 에너지 제한 방법.
  6. 제5항에 있어서, 감속 중에 회수되거나 상기 열 엔진을 통하여 재충전되는 전력은, 상기 트랙션 배터리의 충전 상태의 함수로서 계산되는 가중 계수(K)에 의해 가중되는 것을 특징으로 하는, 에너지 제한 방법.
  7. 제6항에 있어서, 상기 가중 계수(K)는, 상기 배터리의 충전비율(percentage of charge; SOC%)의 제1 문턱값(S1) 아래에서는 영(zero)인 것을 특징으로 하는, 에너지 제한 방법.
  8. 제7항에 있어서, 상기 계수(K)는, 상기 제1 문턱값(S1)과 상기 제1 문턱값(S1)보다 큰 제2 문턱값(S2) 사이에서는 영 값으로부터 1 값으로 증가되는 것을 특징으로 하는, 에너지 제한 방법.
  9. 제4항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제한 계수(C)는 맵핑(mapping)에 의해 적분값(I)으로부터 얻어지는 것을 특징으로 하는, 에너지 제한 방법.
  10. 전기한 항들 중 어느 한 항에 있어서, 상기 전기적 부스트의 제한 계수(C)는 전기적 부스트 토크 설정점에 관한 루프(loop) 안으로 되돌려지는(returned) 것을 특징으로 하는, 에너지 제한 방법.
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