KR20170083490A

KR20170083490A - 하이브리드 차량의 출력 제어 시스템 및 방법

Info

Publication number: KR20170083490A
Application number: KR1020170000433A
Authority: KR
Inventors: 배수현; 박홍극; 김성규; 곽무신
Original assignee: 현대자동차주식회사
Priority date: 2016-01-07
Filing date: 2017-01-02
Publication date: 2017-07-18
Also published as: US10293807B2; US20170369049A1; KR101988095B1

Abstract

충방전이 가능한 고전압 배터리; 제1모터 및 제2모터; 제1모터에 연결된 제1인버터; 제2 모터에 연결된 제2인버터; 일측이 배터리와 연결되고 타측에 제1인버터 및 제2인버터가 병렬로 연결된 컨버터; 컨버터의 일측과 타측에서 컨버터와 병렬로 연결되는 다이오드; 및 고전압 배터리의 전력이 다이오드를 통해 바이패스되어 제1인버터 또는 제2인버터에 직접 공급되도록 컨버터, 제1 및 제2 인버터를 제어하는 제어부를 포함하는 하이브리드 차량의 출력 제어 시스템이 개시된다.

Description

하이브리드 차량의 출력 제어 시스템 및 방법{POWER CONTROL SYSTEM AND METHOD FOR HYBRID VEHICLE}

본 발명은 컨버터의 제한 용량 이상으로 모터의 구동출력을 발생시킬 수 있음으로써 이용하여 하이브리드 차량의 연비를 향상시킬 수 있는 하이브리드 차량의 출력 제어 시스템 및 방법에 관한 것이다.

최근 환경오염의 대두 및 자원고갈 문제등으로 인하여 친환경 자동차에 대한 기술개발이 활발히 이루어지고 있다. 특히 자동차에 대해 강화된 배기가스의 규제를 만족시키고, 향상된 연비를 제공하기 위하여 하이브리드 자동차가 개발되어 운행되고 있다.

하이브리드 자동차는 감속시에 모터를 역회전시키는 회생제동을 통해 전기를 생성하여 배터리를 충전하며, 정차시에는 엔진을 시동 오프하고 출발시 모터로 엔진을 재시동시키는 아이들 스탑 앤 고(Idle Stop and Go) 제어를 통해 연비 향상 및 배기가스의 안정화를 제공한다.

따라서 하이브리드 자동차에 있어서 차량 상태에 맞추어 적절하게 차량의 운전모드를 제어하는 것이 가장 핵심적인 기술이라고 할 수 있다. 특히 엔진의 도움 없이 주행하는 EV(Electric Vehicle) 모드에서 더 높은 출력을 낼 수 있는 기술에 대하여 많은 연구가 이루어지고 있다. 그리하여 현 상황에서는 점차 증가하는 EV모드 주행중 출력사양을 만족시키기 위해서 컨버터의 출력성능을 상향시켜 대응하려고 하고 있다.

일본 공개특허공보 2007-097287 "모터 제어 장치"에서도 컨버터에 다이오드와 저항기를 병렬 연결하여 회생시 발생하는 돌입전류를 억제하고, 커패시터의 전압이 일정값을 초과하면 저항기를 통해 회생 에너지를 처리하고, 커패시터의 전압이 일정값 이하이면 다이오드와 저항기를 통해 회생 에너지를 처리하는 장치를 제공함으로써 컨버터의 효율을 높이고자 하고 있다.

그러나 컨버터의 출력성능을 향상시키게 되면 컨버터에 흐르는 전류양이 많아지게 되고 결국 이에 따라 컨버터와 연계되는 인덕터, 파워모듈, 냉각장치 등의 사이즈도 커져야 하며 이는 결국 컨버터의 원가상승과 중량 및 부피증가로 이어졌다.

상기의 배경기술로서 설명된 사항들은 본 발명의 배경에 대한 이해 증진을 위한 것일 뿐, 이 기술분야에서 통상의 지식을 가진자에게 이미 알려진 종래기술에 해당함을 인정하는 것으로 받아들여져서는 안 될 것이다.

JP 2007-097287 A

본 발명은 하이브리드 차량의 전기차(Electric vehicle: EV) 모드에서 컨버터의 출력 제한에 영향을 받지 않고 컨버터의 출력 제한 이상으로 모터룰 구동시킴으로써 하이브리드 차량의 연비를 현저하게 향상시킬 수 있는 하이브리드 차량의 출력 제어 시스템 및 방법을 제공하는데 목적이 있다.

상기의 목적을 달성하기 위한 수단으로서 본 발명은,

충방전이 가능한 고전압 배터리;

제1모터와 제2 모터;

제1모터에 연결된 제1인버터;

제2 모터에 연결된 제2인버터;

일측이 배터리와 연결되고 타측에 제1인버터 및 제2인버터가 병렬로 연결된 컨버터;

컨버터의 일측과 타측에서 컨버터와 병렬로 연결되는 다이오드; 및

고전압 배터리의 전력이 다이오드를 통해 바이패스되어 제1인버터 또는 제2인버터에 직접 공급되도록 컨버터, 제1 및 제2 인버터를 제어하는 제어부;를 포함하는 하이브리드 차량의 출력 제어 시스템을 제공한다.

본 발명의 일 실시형태에서, 다이오드는, 배터리의 양극단자에 애노드가 연결되고 제1인버터 및 제2인버터의 입력단자에 캐소드가 연결될 수 있다.

본 발명의 일 실시형태에서, 하이브리드 차량이 엔진 구동 없이 전기차 모드로 구동되는 경우, 제어부에서 컨버터 내 스위치의 상태를 조절하여 다이오드를 통하여 바이패스된 고전압 배터리의 전력이 제1인버터 및 제2인버터에 직접 공급되도록 제어할 수 있다.

본 발명의 일 실시형태에서, 전기차 모드 시 하이브리드 차량의 요구 출력값이 컨버터의 출력제한을 초과하는 경우, 제어부에서 컨버터 내 스위치의 상태를 조절하여 다이오드를 통하여 바이패스된 고전압 배터리의 전력이 제1인버터 및 제2인버터에 직접 공급되도록 제어할 수 있다.

본 발명의 일 실시형태에서, 컨버터는 배터리에 일단이 연결된 인덕터와, 인덕터의 타단과 제1 인버터 및 제2 인버터의 입력단 사이에 연결된 스위칭 소자를 포함하며, 하이브리드 차량의 전기차 모드 시 요구 출력값이 컨버터의 출력 제한을 초과하는 경우 제어부는 스위칭 소자를 온 상태로 유지하여 다이오드 및 컨버터 내의 스위칭 소자를 통과한 전류를 제1 인버터 및 제2 인버터로 제공할 수 있다.

본 발명의 일 실시형태에서, 제1 모터는 하이브리드 차량에 마련된 변속 시스템 내 유성 기어 세트의 제1 기어 요소에 연결되고, 제2 모터는 유성 기어 세트의 제2 기어 요소에 연결되며, 엔진은 유성 기어 세트의 제3 기어 요소에 연결되며, 하이브리드 차량의 구동축은 제2 기어 요소에 연결되고, 하이브리드 차량의 전기차 모드시 제3 기어 요소의 구동이 단속될 수 있다.

본 발명의 일 실시형태에서, 전기차 모드시 하이브리드 차량의 요구 출력값이 컨버터의 출력제한을 초과하는 경우, 제어부에서 컨버터 내 스위치의 상태를 조절하여 다이오드를 통하여 바이패스된 고전압 배터리의 전력이 제2인버터에 직접 공급되도록 제어하여 제2 모터를 구동시키고, 제3 기어 요소의 구동이 단속됨에 따라 제1 기어 요소에 연결된 제1 모터에 의한 토크 및 속도가 음의 값으로 발생함으로써 제1 모터에 의한 출력이 제2 모터의 출력에 부가될 수 있다.

본 발명의 일 실시형태에서, 제1 기어 요소는 선기어이고 제2 기어 요소는 링기어이며, 제3 기어 요소는 캐리어일 수 있다.

상기 목적을 달성하기 위한 다른 수단으로서 본 발명은,

배터리;

배터리의 전압 레벨을 변환하는 컨버터;

컨버터의 출력을 입력 받도록 컨버터에 병렬 관계로 연결되는 제1 인버터 및 제2 인버터;

컨버터를 바이패스 하는 경로를 형성하도록, 배터리와 컨버터의 연결단 및 컨버터와 제1 인버터의 연결단에 각각 양단이 각각 연결된 다이오드;

제1 인버터와 연결되며 하이브리드 차량 변속 시스템에 마련된 유성 기어 세트의 제1 기어 요소에 연결되는 제1 모터;

제2 인버터와 연결되며 유성 기어 세트의 제2 기어 요소에 연결되는 제2 모터;

유성 기어 세트의 제3 기어 요소에 연결되는 엔진; 및

제2 기어 요소는 하이브리드 차량의 구동축에 연결되며,

하이브리드 차량의 전기차 모드시, 제3 기어 요소의 구동을 단속시키고 컨버터 내 스위치의 상태를 조절하여 다이오드를 통하여 바이패스된 고전압 배터리의 전력이 제2인버터에 직접 공급되도록 제어하여 제2 모터를 구동시키고, 제3 기어 요소의 구동이 단속됨에 따라 제1 기어 요소에 연결된 제1 모터에 의한 토크 및 속도가 음의 값으로 발생함으로써 제1 모터에 의한 출력이 제2 모터의 출력에 부가되는 것을 특징으로 하는 하이브리드 차량의 출력 제어 시스템을 제공한다.

본 발명의 일 실시형태에서, 컨버터는 배터리에 일단이 연결된 인덕터와, 인덕터의 타단과 제1 인버터 및 제2 인버터의 입력단 사이에 연결된 스위칭 소자를 포함하며, 하이브리드 차량의 전기차 모드 시 제어부는 스위칭 소자를 온 상태로 유지하여 다이오드 및 컨버터 내의 스위칭 소자를 통과한 전류를 제1 인버터 및 제2 인버터로 제공할 수 있다.

상기 목적을 달성하기 위한 또 다른 수단으로서 본 발명은,

제어부에서 하이브리드 차량 전기차 모드 시 요구 출력을 도출하는 요구 출력 도출단계;

도출한 요구 출력이 모터 구동 전력을 제공하는 전원인 배터리의 전압 레벨을 변환하는 컨버터의 출력제한과 비교하는 출력비교단계; 및

요구 출력이 출력제한 이상인 경우 컨버터의 전압 레벨 변환을 중단하고, 배터리의 전력을 직접 제1 인버터 또는 제2 인버터로 제공하여 제1 인버터에 연결된 제1 모터 및 제2 인버터에 연결된 제2 모터를 구동하는 전력 공급 단계를 포함하는 차량의 출력 제어 방법을 제공한다.

본 발명의 일 실시형태에서, 전력 공급 단계는, 컨버터를 바이패스 하는 경로를 형성하도록 배터리와 컨버터의 연결단 및 컨버터와 제1 인버터 또는 제2 인버터의 연결단에 각각 양단이 각각 연결된 다이오드를 통해 제1 인버터 및 제2 인버터에 전력을 제공할 수 있다.

본 발명의 일 실시형태에서, 제1 모터는 차량 변속 시스템에 마련된 유성 기어 세트의 제1 기어 요소에 연결되고, 제2 모터는 유성 기어 세트의 제2 기어 요소에 연결되고, 하이브리드 차량의 엔진은 유성 기어 세트의 제3 기어 요소에 연결되고, 제2 기어요소는 하이브리드 차량의 구동축에 연결되며, 전력 공급 단계는, 제3 기어 요소의 구동을 단속시키고 컨버터 내 스위치의 상태를 조절하여 다이오드를 통하여 바이패스된 고전압 배터리의 전력이 제2인버터에 직접 공급하여 제2 모터를 구동시키고, 제3 기어 요소의 구동이 단속됨에 따라 제1 기어 요소에 연결된 제1 모터에 의한 토크 및 속도가 음의 값으로 발생함으로써 제1 모터에 의한 출력이 제2 모터의 출력에 부가되게 할 수 있다.

상술한 바와 같이 이용하면 아래와 같은 효과를 얻을 수 있다.

첫째, 하이브리드 차량에서 컨버터의 출력 제한과는 상관 없이 컨버터에 연결된 모든 모터들을 동시에 구동할 수 있으므로 EV 모드에서의 차량 최대출력을 향상시킬 수 있다.

둘째, 컨버터에 의한 승압된 전압을 이용하지 않고도 다수의 모터를 구동하여 원하는 차량 출력을 확보할 수 있으므로 컨버터 구동에 따른 열손실 등이 발생하지 않는다.

셋째, 컨버터의 내부 회로를 이용하지 않고 컨버터를 바이패스 시킬 수 있는 다이오드를 통해 인버터에 배터리의 전력이 직접적으로 인가되므로 EV 모드뿐만 아니라 하이브리드 모드에서도 차량의 출력 제어 시스템의 효율이 향상된다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 하이브리드 차량의 출력 제어 시스템의 구성도.
도 2는 도 1의 하이브리드 차량의 출력 제어 시스템에 구비된 모터 및 엔진과 유성 기어 세트의 연결관계의 일례를 도시한 도면.
도 3은 도 2의 유성 기어 세트의 연결관계에 따른 모터 및 엔진의 구동 관계를 설명한 도면.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 하이브리드 차량의 출력 제어 방법의 순서도
도 5 내지 도 8은 도 1의 하이브리드 차량의 출력 제어 시스템에 구비된 모터 및 엔진과 유성 기어 세트의 연결관계의 다른 예들을 도시한 도면.
도 9는 도 8의 유성 기어 세트의 연결관계에 따른 모터 및 엔진의 구동 관계를 설명한 도면.

이하에서는 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 다양한 실시예에 대하여 살펴본다.

본 발명에 따른 하이브리드 차량의 출력 제어 시스템은 도 1에서 도시한 바와 같이 충방전이 가능한 고전압 배터리(100); 제1모터(200)와 제2모터(300); 제1모터(200)에 연결된 제1인버터(400); 제2 모터에 연결된 제2인버터(500); 일측이 배터리(100)와 연결되고 타측이 제1인버터(400) 및 제2인버터(500)에 함께 연결된 컨버터(600); 컨버터(600)의 일측과 타측에서 컨버터(600)와 병렬로 연결되는 다이오드(700); 및 컨버터(600) 및 인버터 게이트 전압을 조절함으로써 고전압 배터리(100)의 전력이 다이오드(700)를 통해 컨버터를 바이패스 하여 제1인버터(400) 및 제2인버터(500)에 직접 공급되도록 제어하는 제어부(800);를 포함한다.

컨버터(600)와 병렬로 연결되는 다이오드(700)는 구체적으로 애노드는 배터리(100)의 양극단자에 연결되고 캐소드는 제1인버터(400) 및 제2인버터(500)의 입력단자에 연결됨으로써 전류의 방향 및 컨버터(600)를 구성하고 있는 스위칭 소자의 게이트에 인가되는 전압에 따라 컨버터(600)에 흐르는 전류의 양을 결정하게 된다.

본 시스템의 목적은 하이브리드 차량이 전기차 모드(EV(Electric Vehicle) 모드)로 주행함에 있어서 컨버터(600)의 설계 사양에 따른 최대 출력에 제한되지 않고 모터를 구동시킴으로써 차량의 출력을 향상시킬 수 있도록 하는 것이다. 즉, 본 발명에 따른 시스템은, 제어부(800)가 컨버터(600) 내의 스위칭 소자의 온/오프 상태를 제어함에 따라서 컨버터(600)와 병렬로 연결되는 다이오드(700)를 통해 고전압 배터리(100)에 의한 전력이 컨버터(600)를 경유하지 않고 인버터(400, 500)에 제공되게 함으로써 컨버터(600)의 출력 제한과 상관없이 모터를 구동할 수 있게하는 것이다. 이에 따라, 고전압배터리(100)로부터의 전류흐름이 컨버터(600)에 포함되어 있는 인덕터와 스위칭 소자의 온오프에 의한 기생성분의 영향을 받지 않고 다이오드(700)를 통해 바이패스 됨으로써 기존 스위칭 소자의 스위칭 시 인덕터와 커패시터에 의하여 발생하는 공진회피가 가능해지고 기생성분 등에 의한 전력손실이 감소되는 바 시스템의 효율이 증가할 수 있다.

또한 하이브리드 차량의 EV모드시에 다이오드(700)를 통해 전류가 흐르도록 제어하는 것만으로도 본 발명에 목적을 충분히 달성할 수 있으나, 이상적인 다이오드(700)는 존재하지 않으므로 다이오드(700) 내에도 어느 정도의 전압강하가 일어나기 때문에, 다이오드(700) 존재만으로 고전압배터리(100)에서 인버터로 인가되는 전류가 모두 다이오드(700)를 통해서만 인가되지 않는다. 따라서, 이러한 경우를 방지하고자 본 발명에서는 하이브리드 차량이 전기차 모드시에 제어부(800)에서 컨버터(600) 내에 구비되는 스위칭 소자의 게이트를 제어하여 고전압 배터리(100)의 전력이 컨버터(600)의 전압 레벨 변환을 거치지 않고 컨버터(600)를 통과하도록 함으로써 제1인버터(400) 및 제2인버터(500)에 추가적으로 전류가 공급되도록 제어할 수도 있다. 컨버터(600)의 기본 구조는, 도 1에 도시된 바와 같이, IGBT와 같은 스위칭 소자를 포함하고 있다. 특히 컨버터(600)의 입출력단 사이의 전기적 연결 상태를 결정하는 IGBT의 게이트 전압을 제어하여 IGBT가 온 상태가 유지되도록 제어하면 컨버터(600)에 의한 전압레벨 변환 없이 컨버터(600) 내의 인덕터와 스위칭 소자를 통과하여 제1인버터(400) 및 제2인버터(500)에 배터리의 전류가 공급되도록 할 수도 있다.

결국 본 발명에 따를 경우 하이브리드 차량이 전기차 모드 시에 고전압 배터리(100)의 전력이 컨버터(600)의 전압 레벨 변환을 거치지 않고 인버터에 전달되므로, 스위칭에 의해 컨버터(600) 내부의 인덕터로 인한 공진이 발생하지 않으며, 컨버터(600) 내부저항으로 인하여 전력손실이 발생하는 경우가 발생하지 않는다. 또한 일반적으로 하이브리드 차량의 컨버터(600)는 고전압배터리(100)의 전압을 승압시키는 역할을 하므로 컨버터(600) 승압시에 많은 열이 발생하나, 본 발명에 따를 경우 컨버터(600)의 승압을 이용하지 않기 때문에 열이 발생하지 않아 파워모듈의 방열측면에서도 효율적이다.

본 발명의 실시에 따른 하이브리드 차량의 전기차 모드에 있어서, 일반적인 경우 다이오드(700)를 통하여 바이패스된 고전압 배터리(100)의 전력이 제1인버터(400)에 직접 공급되도록 제어부(800)에서 인버터 내 스위칭 소자의 게이트 전압을 제어하도록 한다. 제1인버터(400)와 연결된 제1모터(200)만으로 충분히 차량의 요구 출력을 만족하는 경우에는, 제2인버터(500) 및 제2모터(300)를 구동시킬 필요가 없을 수도 있다. 따라서 이 경우에 제어부(800)는 다이오드(700)를 통하여 바이패스된 고전압 배터리(100)의 전력이 제2인버터(500)에는 인가되지 않도록 제2인버터(500)의 게이트 전압을 조절하여 제2인버터(500) 스위치를 오프시킴으로써 제2인버터(500)와 연결되는 제2모터(300)는 구동시키지 않도록 제어할 수도 있다. 물론, 이 경우에 컨버터(600)의 승압을 통해 전력을 제공하는 것이 더 효율적이라고 판단되는 경우에는 컨버터(600)에 의한 승압이 이루어지도록 컨버터(600) 내의 스위칭 소자를 온/오프 듀티 제어할 수도 있다.

한편, 하이브리드 차량의 요구 출력이 컨버터(600)가 갖는 출력 제한을 초과하는 경우에는 상황이 다르다. 이 경우에는 차량의 요구 출력을 만족시키기 위해 추가적인 출력이 필요한데, 종래에는 컨버터(600)가 더 이상의 출력을 발생시킬 수 없으므로 차량의 엔진을 구동시켜 전기차 모드의 운전에서 하이브리드 모드로 운전 모드를 변경하여야 했다. 이러한 종래의 기술은 엔진을 가동시켜야 하였으므로 결국 화석 연료를 이용하여야 하므로 차량의 연비를 저하시키는 원인이 되었다.

또한, 엔진 구동을 억제하여 전기차 모드를 유지하기 위해서, 종래에는 컨버터(600)의 출력제한을 높이는 수 밖에 없었다. 그러나, 이러한 컨버터(600)의 출력 제한을 향상시키도록 컨버터(600)를 변경하는 것은 빈번하게 발생하지 않는 높은 출력 요구 상황을 위해 컨버터(600)의 승압 성능을 향상시켜야 하는 것으로, 컨버터(600)의 승압 성능을 높이기 위해 고가의 고성능 컨버터를 채용하는데 따른 효용성이 현저하게 떨어진다. 즉, 빈번하지 않은 요구 출력 초과 상황을 대비해 굳이 고성능의 컨버터를 채용하는 것은 차량의 단가나 효율면에서 바람직하지 못한 것이다. 하지만, 본 발명에 따를 경우 컨버터(600)를 이용하지 않고 고전압배터리(100)로부터 전달된 전력을 제1인버터(400)와 병렬로 연결되어 구성되는 제2인버터(500)에도 전달하여 제2모터(300)를 구동시킴으로써 추가 출력을 얻을 수 있다.

물론, 제2 인버터(500)를 통해 제2 모터(300)를 구동하는 것은 반드시 출력 초과 상황에서만 구현되는 것은 아니다. 예를 들어, 컨버터(600)의 승압을 통해 전력을 제공하여 제1 모터(200) 만 구동하거나 컨버터(600)를 바이패스하여 다이오드를 통해 전력을 제공하여 제1 모터(200)를 구동하여도 차량이 요구하는 출력을 만족시킬 수 있는 경우에도, 다이오드를 통해 바이패스된 전력을 이용하여 두 개의 모터(200, 300)를 구동시키는 것이 효율적인 측면에서 더욱 유리하다고 판단되는 경우에는 요구 출력과 상관 없이 두 개의 모터(200, 300)를 구동시킬 수도 있다.

전술한 것과 같은 제1 모터(200)와 제2 모터(300)를 동시 구동하여 출력을 발생시키는 작동은 하이브리드 차량의 모터 및 엔진과 변속기의 연결 구조에 의해 달성될 수 있다. 이하의 설명에서는 제2 모터(300)가 제1 모터(200)에 비해 더 큰 출력을 갖는 메인 모터인 것으로 가정하여 설명하기로 한다.

본 발명에서는 하이브리드 차량의 요구 출력값이 제어부(800)에 미리 설정해 둔 컨버터(600)의 출력제한을 초과하는 경우, 제어부(800)에서 인버터 내의 스위칭 소자의 게이트를 제어하여 다이오드(700)를 통하여 컨버터(600)를 바이패스한 고전압 배터리(100)의 전력이 제1인버터(400) 및 제2인버터(500)에 직접 공급되도록 제어하도록 하고 있다. 다이오드(700)를 통하여 바이패스된 고전압 배터리(100)의 전력은 도 1에서 확인할 수 있듯이 제2인버터(500)와 제2인버터(500)와 병렬로 연결된 제1인버터(400)에 동일한 전압을 전달하게 되고, 제어부(800)는 제2인버터(500)와 제1인버터(400) 내의 스위칭 소자들의 게이트 전압을 적절하게 제어하여 고전압 배터리(100)의 전력이 제1모터(200)와 제2모터(300)에 모두 전달될 수 있게 한다. 여기서, 제1모터(200), 제2모터(300)의 동작은 하이브리드 차량의 변속기 시스템(900)과 모터 및 엔진의 연결 관계에 따라 결정될 수 있다.

하이브리드 차량은 차량을 구동시키는 엔진(950); 및 엔진(950), 제1 모터(200) 및 제2모터(300)와 연결되어 엔진(950), 제1 모터(200) 및 제2모터(300)의 구동력을 차륜에 전달하는 변속기 시스템(900)을 포함한다.

도 2는 도 1의 하이브리드 차량의 출력 제어 시스템에 구비된 모터 및 엔진과 유성 기어 세트의 연결관계의 일례를 도시한 도면이고, 도 3은 도 2의 유성 기어 세트의 연결관계에 따른 모터 및 엔진의 구동 관계를 설명한 도면이다.

도 2에 도시된 것과 같이, 본 발명에서는 제1모터(200)가 변속기 시스템(900) 내의 유성 기어 세트(910)의 선기어(911)에 연결되고, 제2모터(300)가 유성 기어 세트(910)의 링기어(912)에 연결되고 엔진(950)은 유성 기어 세트(910)의 캐리어(913)과 연결될 수 있다. 특히, 엔진에 연결되는 캐리어(913)는 구동을 단속할 수 있는 원웨이 클러치(OWC) 또는 투웨이 클러치(TWC) 또는 브레이크에 연결된다. 본 발명은 하이브리드 차량의 전기차 모드 시 캐리어(913)의 구동이 단속된다. 여기서, 메인 모터인 제2 모터(300)가 연결된 링기어(912)가 차량의 구동축에 연결될 수 있다.

이러한, 유성 기어 세트(910)와 모터(200, 300) 및 엔진(950)의 연결 관계는 도 3과 같은 레벨선도로 설명될 수 있다. 본 발명에 따른 하이브리드 차량 출력 제어 시스템에서는 엔진(930)과 연결된 캐리어(913)가 중앙에 위치한 상태에서 구동이 단속되므로 캐리어(913)을 중심으로 제1모터(200)와 제2모터(300)의 구동이 반대로 나타난다. 즉, 모터로 동작하는 제2모터(300)의 속도가 양의 방향으로 증가할수록 제1모터(200)의 속도는 음의 방향으로 증가한다. 즉, 제1 모터(200)의 속도에 대응되는 음의 토크를 제1 모터(200)에 인가하게 되면 음의 값을 갖는 속도와 음의 값을 갖는 토크의 곱으로 양의 출력이 생성되는 것이다. 즉, 도 1에 도시된 것과 같은 회로적인 측면에서 고려할 때, 제1 모터(200)에 전력을 인가하는 것을 통해 선기어(911)에 연결된 제1 모터(200)의 출력은 도 3에서 더욱 하부로 이동하게 되고 이는 제2 모터(300)에 의한 출력을 향상시키는 작용을 하게 된다. 즉, 다이오드(700)를 통해 컨버터(600)를 바이패스하여 제1 인버터(400)로 전달된 배터리의 전력에 의해 제1 모터(200)를 구동함으로써, 제1 모터(200)에 의한 출력이 메인 모터인 제2 모터(300)의 출력에 부가됨으로써 전기차 모드에서 하이브리드 차량 전체의 출력이 향상될 수 있다. 전술한 것과 같은 하이브리드 차량의 출력 제어 시스템에 의해 구현되는 하이브리드 차량의 출력 제어 방법은 도 4에서 그 순서도가 도시된다. 도 4를 참조하면, 본 발명의 하이브리드 차량의 출력 제어 방법은 제어부에서 하이브리드 차량 전기차 모드 시 요구 출력을 도출하는 요구 출력 도출단계(S100)와, 도출한 요구 출력이 모터 구동 전력을 제공하는 전원인 배터리의 전압 레벨을 변환하는 컨버터의 출력제한과 비교하는 출력비교단계(S200) 및 요구 출력이 출력제한 이상인 경우 컨버터의 전압 레벨 변환을 중단하고, 배터리의 전력을 직접 제1 인버터 또는 제2 인버터로 제공하여 제1 인버터에 연결된 제1 모터 및 제2 인버터에 연결된 제2 모터를 구동하는 전력 공급 단계(S300)을 포함할 수 있다.

전술한 것과 같은 동작은, 제2 모터가 음의 방향의 속도(예를 들어, 차량 후진)를 갖는 경우에도 마찬가지로 적용될 수 있다. 즉, 제2 모터가 음의 방향의 속도를 갖는 경우 제2 모터는 이 음의 방향에 해당하는 음의 토크가 인가되도록 하고, 제1 모터는 양의 방향에 해당하는 양의 토크가 인가되도록 하면, 제1 모터에 의한 출력이 제2 모터의 출력에 부가되어 출력이 상승하는 효과를 갖게 된다.

이는 앞서 언급한 하이브리드 차량의 전기차 모드에서 컨버터(600)의 출력제한에 의해 차량의 요구출력을 만족시킬 수 없는 경우의 출력 제어 시스템에서 구현되는 제어 방법으로써, 하이브리드 차량의 변속 시스템에 마련된 유성 기어 세트의 캐리어에 연결된 엔진의 회전을 단속시키고 선기어에 연결된 제1 모터(200)와 링기어에 연결된 제2 모터(300) 모두 구동시켜, 컨버터의 출력 제한에 무관하게 하이브리드 차량의 출력을 증가시키는 제어기법이다.

한편, 하이브리드 차량의 요구출력이 경우에는 제2모터(300)만을 구동시키는 것이 가장 효율적이므로 제어부(800)에서 제1인버터(400)와 제2인버터(500)에 포함된 스위칭 소자의 게이트 전압을 조절하여 제1인버터(400)는 오프시키고 제2인버터(500)는 온시킴으로써 제2모터(300)만을 구동시키게 할 수도 있다(S400).

한편, 본 발명의 하이브리드 차량의 출력 제어 시스템에 구비된 모터 및 엔진은 도 2에 도시된 예 이외에도 다양하게 차량의 구동계와 연결관계를 형성할 수 있다. 도 5 내지 도 8은 이러한 다양한 연결관계를 도시한 도면이다.

도 5 내지 도 7에 도시된 예는 다양한 방식으로 모터와 엔진 및 유성기어 세트가 연결관계를 형성하는 예를 도시한 것이나, 도 2에 도시된 것과 같이, 제1모터(200)가 변속기 시스템(900) 내의 유성 기어 세트(910)의 선기어(911)에 연결되고, 제2모터(300)가 유성 기어 세트(910)의 링기어(912)에 연결되고 엔진(950)은 유성 기어 세트(910)의 캐리어(913)과 연결되고, 링기어(912)가 차량의 출력축과 연결을 형성한다. 도 5 내지 도 7에서 참조부호 '970'은 오버드라이브/브레이크를 나타낸다.

도 8에 도시된 예는 두 개의 유성 기어 세트(980, 990)이 적용된 예를 도시한 것이다. 도 8의 예에서, 제1 모터(200)는 제1 유성 기어 세트(980)의 선기어(981)에 연결되고 엔진(950)은 제1 유성 기어 세트(980)의 캐리어(983)에 연결되며, 제1 유성 기어 세트(980)의 링기어(982)는 제2 유성 기어 세트(990)의 캐리어(993)에 연결된다. 또한, 제2 모터(300)는 제2 유성 기어 세트(990)의 선기어(991)에 연결되며, 제2 모터(300)의 링기어(992)는 고정된다.

도 9는 도 8 의 유성 기어 세트의 연결관계에 따른 모터 및 엔진의 구동 관계를 설명한 도면이다.

도 9에 도시된 것과 같이, 제2 유성 기어 세트(990)의 링기어(992)는 고정되고 제1 유성 기어 세트(980)의 링기어(912)는 제2 유성 기어 세트(990)의 캐리어(993)에 연결되므로, 제1 유성 기어 세트(980)의 캐리어(983)에 연결된 엔진(950)의 회전이 단속된 EV 모드에서 제2 모터(300)와 제1 모터(200)의 회전속도 및 토크가 반대 방향으로 증가하는 관계, 즉 도 2를 통해 설명한 것과 같은 관계를 갖게 된다. 따라서, 도 2를 통해 설명한 것과 같이, 제1 모터(200)에 전력을 인가하는 것을 통해 제2 모터(300)에 의한 출력을 향상시키는 작용을 하게 된다.

본 발명은 특정한 실시예에 관련하여 도시하고 설명하였지만, 이하의 청구범위에 의해 제공되는 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 한도 내에서, 본 발명이 다양하게 개량 및 변화될 수 있다는 것은 당 업계에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어서 자명할 것이다.

100: 고전압 배터리 200: 제1모터
300: 제2모터 400: 제1인버터
500: 제2인버터 600: 컨버터
700: 다이오드 800: 제어부
900: 변속기 910: 유성 기어 세트
911: 선기어 912: 링기어
913: 캐리어 950: 엔진
S100: 요구출력 도출단계 S300: 제1 전력공급단계
S400: 제2 전력공급단계

Claims

충방전이 가능한 고전압 배터리;
제1모터 및 제2모터;
제1모터에 연결된 제1인버터;
제2 모터에 연결된 제2인버터;
일측이 배터리와 연결되고 타측에 제1인버터 및 제2인버터가 병렬로 연결된 컨버터;
컨버터의 일측과 타측에서 컨버터와 병렬로 연결되는 다이오드; 및
고전압 배터리의 전력이 다이오드를 통해 바이패스되어 제1인버터 또는 제2인버터에 직접 공급되도록 컨버터, 제1 및 제2 인버터를 제어하는 제어부;를 포함하는 하이브리드 차량의 출력 제어 시스템.
청구항 1에 있어서,
다이오드는,
배터리의 양극단자에 애노드가 연결되고 제1인버터 및 제2인버터의 입력단자에 캐소드가 연결되는 것을 특징으로 하는 하이브리드 차량의 출력 제어 시스템.
청구항 1에 있어서,
하이브리드 차량이 엔진 구동 없이 전기차 모드로 구동되는 경우,
제어부에서 컨버터 내 스위치의 상태를 조절하여 다이오드를 통하여 바이패스된 고전압 배터리의 전력이 제1인버터 및 제2인버터에 직접 공급되도록 제어하는 것을 특징으로 하는 하이브리드 차량의 출력 제어 시스템.
청구항 3에 있어서,
전기차 모드 시 하이브리드 차량의 요구 출력값이 컨버터의 출력제한을 초과하는 경우,
제어부에서 컨버터 내 스위치의 상태를 조절하여 다이오드를 통하여 바이패스된 고전압 배터리의 전력이 제1인버터 및 제2인버터에 직접 공급되도록 제어하는 것을 특징으로 하는 하이브리드 차량의 출력 제어 방법.
청구항 4에 있어서,
컨버터는 배터리에 일단이 연결된 인덕터와, 인덕터의 타단과 제1 인버터 및 제2 인버터의 입력단 사이에 연결된 스위칭 소자를 포함하며,
하이브리드 차량의 전기차 모드 시 요구 출력값이 컨버터의 출력 제한을 초과하는 경우 제어부는 스위칭 소자를 온 상태로 유지하여 다이오드 및 컨버터 내의 스위칭 소자를 통과한 전류를 제1 인버터 및 제2 인버터로 제공하는 것을 특징으로 하는 하이브리드 차량의 출력 제어 시스템.
청구항 1에 있어서,
제1 모터는 하이브리드 차량에 마련된 변속 시스템 내 유성 기어 세트의 제1 기어 요소에 연결되고, 제2 모터는 유성 기어 세트의 제2 기어 요소에 연결되며, 엔진은 유성 기어 세트의 제3 기어 요소에 연결되며,
하이브리드 차량의 구동축은 제2 기어 요소에 연결되고, 하이브리드 차량의 전기차 모드시 제3 기어 요소의 구동이 단속되는 것을 특징으로 하는 하이브리드 차량의 출력 제어 시스템.
청구항 6에 있어서,
전기차 모드시 하이브리드 차량의 요구 출력값이 컨버터의 출력제한을 초과하는 경우, 제어부에서 컨버터 내 스위치의 상태를 조절하여 다이오드를 통하여 바이패스된 고전압 배터리의 전력이 제2인버터에 직접 공급되도록 제어하여 제2 모터를 구동시키고, 제3 기어 요소의 구동이 단속됨에 따라 제1 기어 요소에 연결된 제1 모터에 의한 토크 및 속도가 각각 제2 모터의 토크 및 속도와 반대 방향의 값으로 발생함으로써 제1 모터에 의한 출력이 제2 모터의 출력에 부가되는 것을 특징으로 하는 하이브리드 차량의 출력 제어 시스템.
청구항 6 또는 청구항 7에 있어서,
제1 기어 요소는 선기어이고 제2 기어 요소는 링기어이며, 제3 기어 요소는 캐리어인 것을 특징으로 하는 하이브리드 차량의 출력 제어 시스템.
배터리;
배터리의 전압 레벨을 변환하는 컨버터;
컨버터의 출력을 입력 받도록 컨버터에 병렬 관계로 연결되는 제1 인버터 및 제2 인버터;
컨버터를 바이패스 하는 경로를 형성하도록, 배터리와 컨버터의 연결단 및 컨버터와 제1 인버터의 연결단에 각각 양단이 각각 연결된 다이오드;
제1 인버터와 연결되며 하이브리드 차량 변속 시스템에 마련된 유성 기어 세트의 제1 기어 요소에 연결되는 제1 모터;
제2 인버터와 연결되며 유성 기어 세트의 제2 기어 요소에 연결되는 제2 모터;
유성 기어 세트의 제3 기어 요소에 연결되는 엔진; 및
제2 기어 요소는 하이브리드 차량의 구동축에 연결되며,
하이브리드 차량의 전기차 모드시, 제3 기어 요소의 구동을 단속시키고 컨버터 내 스위치의 상태를 조절하여 다이오드를 통하여 바이패스된 고전압 배터리의 전력이 제2인버터에 직접 공급되도록 제어하여 제2 모터를 구동시키고, 제3 기어 요소의 구동이 단속됨에 따라 제1 기어 요소에 연결된 제1 모터에 의한 토크 및 속도가 각각 제2 모터의 의한 토크 및 속도와 반대 방향의 값으로 발생함으로써 제1 모터에 의한 출력이 제2 모터의 출력에 부가되는 것을 특징으로 하는 하이브리드 차량의 출력 제어 시스템.
청구항 9에 있어서,
컨버터는 배터리에 일단이 연결된 인덕터와, 인덕터의 타단과 제1 인버터 및 제2 인버터의 입력단 사이에 연결된 스위칭 소자를 포함하며,
하이브리드 차량의 전기차 모드 시 제어부는 스위칭 소자를 온 상태로 유지하여 다이오드 및 컨버터 내의 스위칭 소자를 통과한 전류를 제1 인버터 및 제2 인버터로 제공하는 것을 특징으로 하는 하이브리드 차량의 출력 제어 시스템.
청구항 9 또는 청구항 10에 있어서,
제1 기어 요소는 선기어이고 제2 기어 요소는 링기어이며, 제3 기어 요소는 캐리어인 것을 특징으로 하는 하이브리드 차량의 출력 제어 시스템.
제어부에서 하이브리드 차량의 전기차 모드 구동 시, 하이브리드 차량의 요구 출력을 도출하는 요구 출력 도출단계;
도출한 요구 출력이 모터 구동 전력을 제공하는 전원인 배터리의 전압 레벨을 변환하는 컨버터의 출력제한과 비교하는 출력비교단계; 및
요구 출력이 출력제한 이상인 경우 컨버터의 전압 레벨 변환을 중단하고, 배터리의 전력을 직접 제1 인버터 또는 제2 인버터로 제공하여 제1 인버터에 연결된 제1 모터 및 제2 인버터에 연결된 제2 모터를 구동하는 전력 공급 단계를 포함하는 차량의 출력 제어 방법.
청구항 12에 있어서,
전력 공급 단계는, 컨버터를 바이패스 하는 경로를 형성하도록 배터리와 컨버터의 연결단 및 컨버터와 제1 인버터 또는 제2 인버터의 연결단에 각각 양단이 각각 연결된 다이오드를 통해 제1 인버터 및 제2 인버터에 전력을 제공하는 것을 특징으로 하는 차량의 출력 제어 방법.
청구항 13에 있어서,
제1 모터는 차량 변속 시스템에 마련된 유성 기어 세트의 제1 기어 요소에 연결되고, 제2 모터는 유성 기어 세트의 제2 기어 요소에 연결되고, 하이브리드 차량의 엔진은 유성 기어 세트의 제3 기어 요소에 연결되고, 제2 기어요소는 하이브리드 차량의 구동축에 연결되며,
전력 공급 단계는, 제3 기어 요소의 구동을 단속시키고 컨버터 내 스위치의 상태를 조절하여 다이오드를 통하여 바이패스된 고전압 배터리의 전력이 제2인버터에 직접 공급하여 제2 모터를 구동시키고, 제3 기어 요소의 구동이 단속됨에 따라 제1 기어 요소에 연결된 제1 모터에 의한 토크 및 속도가 각각 제2 모터에 의한 토크 및 속도와 반대 방향의 값으로 발생함으로써 제1 모터에 의한 출력이 제2 모터의 출력에 부가되게 하는 것을 특징으로 하는 차량의 출력 제어 방법.
청구항 14에 있어서,
제1 기어 요소는 선기어이고 제2 기어 요소는 링기어이며, 제3 기어 요소는 캐리어인 것을 특징으로 하는 하이브리드 차량의 출력 제어 방법.