KR20180067837A - 하이브리드 차량의 제어 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 하이브리드 차량의 제어 방법에 관한 것으로서, 하이브리드 차량에서 회생 제동 중 다운시프트의 변속 시 종래의 제어 방법이 가지는 제동선형성의 문제점을 개선할 수 있는 모터 토크 제어 방법을 제공하는데 주된 목적이 있는 것이다. 상기한 목적을 달성하기 위해, 회생 제동 시 변속 중 토크(인터벤션 토크) 제어의 목표값으로서 목표 기어단의 모터 토크 지령을 계산한 뒤 목표값을 미리 인지한 상태에서 제어가 이루어지도록 하고, 인터벤션 토크가 목표값에 도달한 상태에서 토크 인터벤션 제어가 종료되도록 하는 하이브리드 차량의 제어 방법이 개시된다.

Description

하이브리드 차량의 제어 방법{Control method for hybrid electric vehicle}
본 발명은 하이브리드 차량의 제어 방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 하이브리드 차량에서 회생 제동 중 다운시프트의 변속 시 모터 토크 변동 및 그로 인한 제동선형성의 문제점을 개선할 수 있는 모터 토크 제어 방법에 관한 것이다.
하이브리드 차량(Hybrid Electric Vehicle, HEV)은 서로 다른 두 종류 이상의 구동원을 사용하는 차량으로서, 일반적으로 연료를 연소시켜 구동력을 생성하는 엔진과, 배터리의 전기에너지로 구동력을 생성하는 모터에 의해 구동되는 차량을 의미한다.
도 1은 하이브리드 차량의 파워 트레인 구성을 예시한 도면으로, 구동모터(3)와 변속기(4)가 붙어 있는 TMED(Transmission Mounted Electric Device) 방식의 파워 트레인 구성을 예시하고 있다.
도시된 바와 같이, TMED 하이브리드 시스템에서는 차량 주행을 위한 구동모터(3)의 출력 측에 변속기(4)가 장착되어 모터 출력축이 변속기 입력축과 연결되어 있고, 따라서 모터 속도가 변속기 입력속도가 된다.
구성을 좀더 살펴보면, TMED 하이브리드 차량은 차량 주행을 위한 구동원이 되는 엔진(1)과 모터(3), 엔진(1)과 모터(3) 사이에 개재되는 엔진 클러치(2), 모터(3)의 출력 측에 연결되는 변속기(4), 모터(3)를 구동시키기 위한 인버터(5), 및 모터(3)의 동력원(전력원)으로서 인버터(5)를 통해 모터(3)에 충, 방전 가능하게 연결된 배터리(6)를 구비하고 있다.
도 1에서 도면부호 7은 엔진(1)과 동력 전달 가능하게 연결되어 엔진을 시동하거나 엔진으로부터 전달되는 회전력으로 발전을 수행하는 모터, 즉 HSG(Hybrid Starter and Generator)를 나타낸다.
상기 HSG는 모터로 작동하거나 발전기로 작동하고, 벨트와 풀리 등의 동력전달장치를 통해 엔진과는 상시 동력 전달 가능하게 직결되어 있으므로 엔진 속도를 제어하는데 이용되기도 한다.
엔진 클러치(2)는 유압에 의해 결합(close) 또는 해제(open) 작동하여 엔진(1)과 모터(3) 사이를 동력 전달 가능하게 연결하거나 차단하고, 인버터(5)는 모터 구동을 위해 배터리(6)의 직류전류를 3상 교류전류로 변환하여 모터에 인가한다.
또한, 변속기(4)는 모터(3)의 동력 또는 엔진(1)과 모터(3)의 복합 동력을 변속하여 구동축을 통해 구동륜으로 전달하며, 하이브리드 차량의 변속기로는 자동변속기(Automatic Transmission, AT) 또는 DCT(Dual Clutch Transmission)가 사용될 수 있다.
이와 같은 구성의 하이브리드 차량은 모터(3)의 동력만을 이용하는 순수 전기차 모드인 EV(Electric Vehicle) 모드, 또는 엔진(1)의 동력과 모터(3)의 동력을 복합적으로 이용하는 HEV(Hybrid Electric Vehicle) 모드로 주행할 수 있다.
또한, 차량의 제동 시나 관성에 의한 타행 주행(coasting) 시에는 차량의 운동에너지를 모터를 통해 회수하여 배터리를 충전(모터 충전)하는 회생 모드가 수행된다.
회생 모드에서는 차량의 운동에너지를 전달받은 모터가 발전작동하여 인버터(5)를 통해 연결된 배터리(6)를 충전하게 된다.
또한, 하이브리드 차량에는 차량 작동의 전반을 제어하는 상위 제어기인 HCU(Hybrid Control Unit)가 탑재되고, 그 밖에 차량의 각종 장치를 제어하기 위한 다양한 제어기들이 구비된다.
예를 들어, 엔진의 작동을 제어하는 ECU(Engine Control Unit), 모터의 작동을 제어하는 MCU(Motor Control Unit), 변속기의 작동을 제어하는 TCU(Transmission Control Unit), 배터리 상태 정보를 수집하여 배터리 충, 방전 제어에 이용하거나 타 제어기에 제공하고 배터리를 관리하기 위한 제어를 수행하는 BMS(Battery Management System), 차량의 제동 제어를 수행하는 BCU(Brake Control Unit) 등이 구비된다.
상기 HCU와 각 제어기들은 CAN 통신을 통해 상호 간에 정보를 주고받으면서 차량 내 장치에 대한 협조 제어를 수행하는데, 상위 제어기가 하위 제어기들로부터 각종 정보를 수집하면서 제어 명령을 하위 제어기에 전달하게 된다.
한편, TMED 하이브리드 차량(HEV,PHEV)에서 변속 시에는 변속기 출력 측의 급격한 토크 변동으로 인해 나타나는 충격(shock)을 상쇄하기 위하여 변속기 입력 측으로 전달되는 모터 토크를 줄이는 토크 인터벤션(intervention) 제어가 수행된다.
또한, 운전자가 브레이크 페달을 밟아 회생 제동이 이루어지고 있는 동안의 변속, 즉 회생 제동 중에 변속기의 기어단을 하향으로 변경하는 다운시프트(downshift)의 변속이 이루어질 때에도 토크 인터벤션 제어가 수행된다.
그리고, 회생 제동 중 다운시프트의 변속 시 제어에 있어서, 종래에는 회생 제동을 수행하지 않는 일반 엔진 차량(conventional vehicle)의 토크 제어 방식을 이용하였다.
즉, 회생 제동 중 다운시프트 변속 시의 제어가 일반 엔진 차량을 제어하는 기준으로 제어 로직이 구현되어 있으며, 이러한 제어 로직은 일반 엔진 차량이 음의 방향((-) 방향)으로 토크를 사용하지 않으므로 회생 제동을 하는 하이브리드 차량의 제어에는 사용하기가 적합하지 않다
또한, 종래의 제어 방식에서는 다운시프트의 변속이 이루어질 때 변속 진행 상태에 따라 인터벤션 토크를 조절하며, 예로서 인터벤션 토크의 절대값을 변속 페이즈(phase)별 기울기 및 실 변속 진행률별 기울기로 점차 줄이게 된다.
이때, 회생 제동 시의 토크는 음의 토크가므로, 인터벤션 토크는 변속 진행 상태가 고려된 기울기로 절대값이 점차 감소하도록 결정되고, 이와 같이 변속 동안에는 변속 진행 상태에 따라 결정되는 인터벤션 토크를 모터 토크 지령으로 사용하여 모터의 회생 작동을 제어함으로써 모터 토크(음의 토크임)의 절대값을 줄이게 된다.
그러나, 상기한 종래기술에 따르면, 변속을 위한 토크 인터벤션 진입 시점부터 변속 페이즈별 기울기 및 실 변속 진행률별 기울기에 따라 결정되는 인터벤션 토크로 모터 토크가 피드포워드(feedforward) 제어되는 방식이 적용됨으로 인해, 변속 말기 또는 실 변속 완료 후 토크 인터벤션이 해제되면서 토크 변동이 크게 발생할 수 있고, 결국 제동 선형성이 나빠지는 문제점이 있다.
따라서, 본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 창출한 것으로서, 하이브리드 차량에서 회생 제동 중 다운시프트의 변속 시 종래의 제어 방법이 가지는 제동선형성의 문제점을 개선할 수 있는 모터 토크 제어 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
상기한 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 실시예에 따르면, 회생 제동 중 제어기에 의해 다운시프트 변속 요구가 검출되는 단계; 다운시프트 변속 요구 검출 시 제어기에 의해 목표 기어단이 결정되고, 토크 인터벤션 진입 시점의 변속 전 모터 토크 지령이 결정되는 단계; 제어기에 의해 목표 기어단의 모터 토크 지령이 결정되는 단계; 다운시프트 변속 제어 과정 동안 제어기에 의해 상기 변속 전 모터 토크 지령과 목표 기어단의 모터 토크 지령에 기초하여 인터벤션 토크가 결정되는 단계; 및 상기 결정된 인터벤션 토크에 따라 모터의 회생 작동이 제어되도록 하는 토크 인터벤션 제어 단계를 포함하고, 상기 인터벤션 토크가 결정되는 단계에서, 인터벤션 토크는 상기 목표 기어단의 모터 토크 지령을 목표값으로 하여 변속 제어 과정 동안 상기 변속 전 모터 토크 지령으로부터 상기 목표값까지 변화하도록 결정되는 것을 특징으로 하는 하이브리드 차량의 제어 방법을 제공한다.
이로써, 본 발명에 따른 하이브리드 차량의 제어 방법에 의하면, 회생 제동 시 변속 중 토크(인터벤션 토크) 제어의 목표값으로서 목표 기어단의 모터 토크 지령을 계산한 뒤 목표값을 미리 인지한 상태에서 제어가 이루어지도록 하고, 인터벤션 토크가 목표값에 도달한 상태에서 토크 인터벤션 제어가 종료되도록 함으로써, 실 변속 후 변속 말기에서의 토크 변동을 최소화할 수 있고, 결국 제동선형성의 문제점을 개선할 수 있게 된다.
도 1은 하이브리드 차량의 파워 트레인 구성을 개략적으로 도시한 도면이다.
도 2는 종래기술에서 회생 제동 중 다운시프트 변속 시 제어기 간의 협조 제어가 이루어지는 예를 나타낸 도면이다.
도 3은 종래기술에서 회생 제동 중 다운시프트 변속 시 모터 토크 제어 상태를 나타낸 도면이다.
도 4는 모터의 토크/파워 곡선을 나타내는 도면이다.
도 5는 본 발명이 적용되는 하이브리드 차량의 시스템 구성도이다.
도 6은 본 발명에 따른 회생 제동 중 다운시프트 변속 시의 모터 토크 제어 상태를 나타낸 도면이다.
도 7은 본 발명에서 회생 제동 중 다운시프트 변속 시 제어기 간의 협조 제어가 이루어지는 예를 나타낸 도면이다.
이하에서는 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 대해 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명하기로 한다. 그러나, 본 발명은 여기서 설명되는 실시예에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다.
명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.
우선, 본 발명의 이해를 돕기 위해 도 2와 도 3을 참조하여 종래기술에 따른 하이브리드 차량의 회생 제동 중 다운시프트 변속 시의 모터 토크 제어 방법에 대해 좀더 상세히 설명하기로 한다.
도 2는 회생 제동 중 다운시프트 변속 시 제어기 간의 협조 제어가 이루어지는 예를 나타낸 도면이고, 도 3은 회생 제동 중 다운시프트 변속 시 모터 토크 제어 상태를 나타낸 도면이다.
도시된 바와 같이, 회생 제동 중 다운시프트 변속 시 모터 토크 제어를 위해 상위 제어기인 HCU와 변속기를 제어하는 TCU, 제동 제어를 담당하는 BCU(Brake Control Unit)의 상호 협조 제어가 이루어진다.
또한, 도 2에는 나타내지 않았으나, 통상의 회생 제동 동안의 회생 토크는 HCU에서 배터리 상태 정보인 배터리 충전 가능 파워와, 모터 상태 정보인 모터 충전 가능 토크 등의 정보에 기초하여 결정되므로, 배터리 상태 정보를 수집하여 HCU에 제공하는 BMS와, 모터 상태 정보를 HCU에 제공하는 MCU가 회생 제동의 제어 과정에 관여한다.
또한, MCU는 HCU가 출력하는 회생 토크 지령(회생 제동 시 모터 토크 지령)에 따라 모터의 회생 작동을 제어하게 된다.
먼저, BCU는 운전자의 제동 입력 값에 따라 차량에서 요구되는 총 제동량을 결정하고, HCU는 배터리 충전 가능 파워와 모터 충전 가능 토크 등의 정보에 기초하여 회생제동 가능량을 결정하여 BCU에 전달한다.
여기서, 운전자의 제동 입력 값은 운전자의 브레이크 페달 조작 상태에 따른 값이 될 수 있고, 보다 상세하게는 BPS(Bake Pedal Sensor)의 신호 값인 브레이크 페달 조작 깊이(brake pedal depth, brake pedal stroke)가 될 수 있다.
이에 BCU은 회생제동 가능량에 기초하여 총 제동량을 마찰제동장치에 의한 마찰제동량(유압제동량)과 모터에 의한 회생제동량으로 분배하여(제동력 분배) 회생제동 허용량을 연산한다.
이어 BCU가 회생제동 허용량을 HCU에 전달하면, HCU가 회생제동 허용량에 따라 회생 토크 지령(모터 토크 지령)을 생성하여 출력하고, MCU는 HCU가 출력하는 회생 토크 지령에 따라 모터의 회생 작동을 제어한다.
이와 더불어, HCU는 TCU에서 수신되는 변속 상태 정보를 이용하여 변속 여부에 따른 회생제동 실행량을 계산하고, BCU가 HCU로부터 회생제동 실행량을 수신하여 총 제동량에서 회생제동 실행량을 뺀 마찰제동량을 최종 결정한다.
이어 BCU는 최종 결정된 마찰제동량에 상응하는 제동력을 발생시키도록 마찰제동장치의 작동을 제어하며, 결국 모터에 의한 회생제동력과 마찰제동장치에 의한 마찰제동력으로 운전자가 요구하는 총 제동력을 충족시킬 수 있게 된다.
한편, 회생 제동 중 변속이 이루어지는 동안에는 토크 인터벤션 제어가 수행되며, TCU에서 결정된 인터벤션 토크에 따라 모터의 회생 작동이 제어된다.
즉, 회생 제동 중 TCU가 차량의 운전 정보로부터 변속 패턴에 따른 다운시프트 변속 요구를 검출하면, 다운시프트 변속 요구 발생을 HCU에 전달하고, HCU는 변속 전의 기어단(현재의 기어단) 상태에서 결정된 인터벤션 전 토크, 즉 배터리 충전 가능 파워와 모터 충전 가능 토크 등의 파워 제한이 고려된 상기 회생 토크 지령(모터 토크 지령)을 TCU에 전달한다.
또한, TCU는 상기 회생 토크 지령을 기준으로 하여 변속 진행 상태에 따른 인터벤션 토크를 결정하여 HCU에 전달하고, HCU는 TCU에 의한 변속 제어 동안 인터벤션 토크의 지령값을 MCU에 출력하는바, MCU가 인터벤션 토크 지령에 따라 모터의 회생 작동을 제어하게 된다.
도 3을 참조하여 종래기술에 따른 회생 제동 중 다운시프트 변속 시 모터 토크 제어 상태에 대해 좀더 설명하면, 통상적으로 TCU에서는 전체 변속 과정이 여러 구간으로 세분화되어 각 구간마다 정해진 변속 제어를 수행하며, 이때 각 구간은 다시 TCU의 사양에 따라 각각 정해진 변속 제어를 수행하는 여러 페이즈(phase)로 세분화될 수 있다.
다만, TCU의 사양에 따라 변속 페이즈가 다르게 세분화되거나 정의될 수 있지만, TCU에서 적어도 변속 준비 구간, 실 변속 구간, 변속 종료 구간의 세 변속 제어 구간만큼은 공통적으로 구분되어 이용되고 있다.
이 중에서 실 변속 구간은 유압 제어를 통해 실제 기어비 변경이 이루어지는 구간이며, 통상의 변속 제어 과정에서 TCU는 현재의 기어단 및 목표 기어단 등의 여러 정보를 이용하여 변속기 내부의 작동요소에 제어된 유압이 전달될 수 있도록 함으로써 기어비 변경이 이루어지도록 한다.
또한, TCU는 변속 제어 과정 동안 HCU 등에 현재의 변속 진행 상태 정보, 즉 변속 준비 구간과 실 변속 구간, 변속 종료 구간에 대한 정보(각 구간의 시작 및 종료 등의 정보)를 제공하고, 나아가 각 구간마다 세분화된 변속 페이즈 중 현재 진행 중인 변속 페이즈에 대한 정보를 제공할 수 있다.
이때, 변속 준비, 실 변속, 변속 종료의 각 변속 제어 구간마다 변속기의 각 마찰요소들이 미리 정해진 방식에 따라 선택적으로 해방 및 결합되고, 변속기의 마찰요소 중 정해진 마찰요소를 이용하여 유압의 배압 제어가 수행된다.
도 3을 참조하면, '변속 제어를 고려한 모터 토크' 선도가 도시되어 있으며, 이는 인터벤션 진입 후 모터 토크, 즉 인터벤션 토크를 나타내며, 이 인터벤션 토크는 TCU에서 각 변속 제어 구간의 변속 진행 상태에 따라 결정된 후, HCU로 전달된다.
또한, 도 3에는 '모터 토크 지령' 선도가 도시되어 있으며, 이는 HCU에서 결정되는 모터 토크 지령(회생 토크 지령)을 나타내고 있는 것으로, 토크 인터벤션을 고려하지 않은 인터벤션 전 토크를 나타내는 것이라 할 수 있다.
또한, 도 3에서 인터벤션 진입 후 모터 토크(변속 제어를 고려한 모터 토크)와 인터벤션을 고려하지 않은 모터 토크가 만나는 시점이 인-기어(in-gear) 주행을 위한 토크 인터벤션 해제 시점이 된다.
도시된 바와 같이, 운전자가 브레이크 페달을 조작하여 회생 제동이 이루어지는 동안 다운시프트 변속 요구가 있게 되면, 모터 토크의 절대값을 줄이는 토크 인터벤션 제어가 수행되고, 이때 모터 토크, 즉 인터벤션 토크는 다운시프트 변속을 위한 토크 인터벤션 진입 시점의 모터 토크 지령(회생 토크 지령으로서 음의 토크임)을 기준으로 변속 진행 상태별로 정해진 기울기에 따라서 절대값이 점차 감소하도록 결정된다.
여기서, 인터벤션 토크의 절대값이 감소함은 도 3에서와 같이 도면상에서 상기 기울기에 따라서 인터벤션 토크 선도('변속 제어를 고려한 모터 토크' 선도)가 상승함을 의미하고, 도 3에서 인터벤션 토크 선도는 토크 인터벤션 진입 시점의 모터 토크 지령을 기준으로 하여 점차 상승함을 볼 수 있다.
그리고, 종래에는 인터벤션 토크(절대값)가 변속 준비 구간과 실 변속 구간에서 변속 진행 상태에 따라 정해진 기울기로 감소(도면상에서는 상승)하도록 결정되어 피드포워드 제어되는 기울기 제어가 이루어진다.
이때, 변속 준비 구간에서는 변속 페이즈가 진행됨에 따라 각 페이즈별로 미리 정해진 기울기로 변화하도록 인터벤션 토크가 결정되고, 실 변속 구간에서는 실 변속 진행률별로 미리 정해진 기울기로 변화하도록 인터벤션 토크가 결정된다.
즉, 변속 준비 구간은 변속 페이즈별 기울기 제어 구간이라 할 수 있고, 실 변속 구간은 실 변속 진행률별 기울기 제어 구간이라 할 수 있다.
또한, HCU는 변속 제어 동안 TCU에서 결정되어 전달되는 인터벤션 토크(인터벤션 진입 후 모터 토크)를 토크 지령으로 사용하여 모터의 회생 작동이 제어될 수 있도록 하고, 인터벤션 후 토크와 인터벤션을 고려하지 않은 토크가 만나는 시점에서 토크 인터벤션 제어를 해제한다.
HCU에서 인터벤션 전 모터 토크, 즉 토크 인터벤션을 고려하지 않은 모터 토크 지령은, 변속 준비 구간과 실 변속 구간 동안에는 토크 인터벤션 진입 시점의 값으로 유지되다가, 변속 종료 구간에서 그 절대값이 감소(토크 선도상 상승)하도록 결정된다.
반면, 인터벤션 토크는 변속 페이즈별 기울기 및 변속 진행률별 기울기에 따라서만 계속해서 그 절대값이 감소(토크 선도상 상승)하도록 결정되므로, 최종 절대값의 최소값은 알 수가 없는 상황이며, 따라서 도 3에서와 같이 토크 인터벤션 해제 시점 전후로 토크 변동이 크게 발생할 수 있다.
결국, 인터벤션 후 토크와 인터벤션을 고려하지 않은 토크가 만난 시점에서 토크 인터벤션 제어 해제가 이루어짐에 따라 실 변속 완료 후 변속 종료 구간에서 도 3과 같이 토크 변동이 과도하게 발생하고, 그로 인해 제동 중 당김 후 밀림감이 발생하는 제동선형성의 문제가 나타나게 된다.
또한, 가속 시의 파워-온 업/다운시프트(power-on up/downshift)의 경우 변속 완료 후 요구 토크 수준을 파악하는 것이 가능하나, 회생 제동 중 다운시프트의 경우 변속 완료 후의 목표 토크를 알기 어려우므로, 변속 진행 상태에 따라 정해진 기울기를 이용하여 인터벤션 토크를 결정한 후 피드포워드 방식으로 제어하고 있으며, 상기 기울기(피드포워드 토크 기울기)에 의해서만 토크 변화를 주고 있다.
결국, 차량 개발 단계에서 제동선형성의 문제점을 시험을 통한 방법 외에는 개선할 수 없게 되어 많은 시간과 노력이 필요하고, 차량 반복 시험에 의한 기울기 등 데이터의 맵핑 과정이 필요하므로 개발 기간이 오래 걸리게 된다.
즉, 하이브리드 차량(HEV) 및 플러그인 하이브리드 차량(PHEV)을 개발하는 과정에서 회생 제동 중의 변속감 및 제동선형성을 개선하기 위해 많은 시간과 노력을 들여 반복적인 차량 시험을 실시해야 하고, 반복 시험의 결과로부터 변속 페이즈 및 진행률별로 피드포워드 토크 제어를 위한 기울기 및 토크 인터벤션 수준을 결정해야 하는 것이다.
도 4는 모터의 토크/파워 곡선을 나타내는 도면으로서, 모터는 운전 속도(rpm)에 따라 크게 정토크 영역과 정파워 영역으로 나뉘며, 이때 두 운전 영역을 결정하는 모터 속도를 기저속도(base rpm)라 한다.
도 4에서 알 수 있듯이, 모터는 기저속도 이하의 운전 영역에서 정토크 특성을 가지며, 정토크 영역에서는 모터 토크는 일정하고, 모터 파워(= 모터 토크×모터 속도)의 절대값은 모터 속도에 비례하여 일정하게 증가한다.
또한, 모터는 기저속도 이상의 운전 영역에서 정파워 특성을 가지며, 정파워 영역에서 모터 파워는 일정하고, 모터 토크(= 모터 파워/모터 속도)의 절대값은 모터 속도에 반비례하여 감소한다.
통상적으로 정토크 영역과 정파워 영역이 근접하는 모터 속도(rpm) 영역(모터 효율이 가장 좋은 영역임)에서 회생 제동 중 변속이 일어나는 시점이 될 수 있도록 변속 패턴이 설정된다.
그러나, 이와 같이 변속 패턴이 설정되면 현재 기어단(변속 전 기어단)과 목표 기어단(변속 후 기어단)의 모터 토크 차이가 발생할 수 있고, 이러한 차이로 인해 실 변속 완료 시점에서 모터 토크 변화가 발생하여 제동선형성의 문제가 나타날 수 있다.
따라서, 본 발명은 하이브리드 차량에서 회생 제동 중 다운시프트의 변속 시 종래의 제어 방법이 가지는 제동선형성의 문제점을 개선할 수 있는 모터 토크 제어 방법을 제시한다.
도 5는 본 발명이 적용되는 하이브리드 차량의 시스템 구성도이다.
도시된 바와 같이, 하이브리드 차량은, 차량 주행을 위한 구동원이 되는 엔진(90)과 모터(110), 엔진(90)과 모터(110) 사이에 개재되는 엔진 클러치(100), 모터(110)의 출력 측에 연결되는 변속기(120), 모터(110)의 구동 및 제어를 위한 인버터를 포함하는 MCU(60), 및 모터(110)의 동력원(전력원)으로서 MCU(60) 내 인버터를 통해 모터(110)에 충, 방전 가능하게 연결되는 배터리(70)를 구비하고 있다.
도 5에서 도면부호 10은 운전 정보 검출부로서, APS(Accelerator Position Sensor), BPS(Bake Pedal Sensor), 차속검출부 등을 포함하는 구성이 될 수 있고, 최상위 제어기인 HCU(20), BCU(30), TCU(40)에 검출값 입력이 가능하도록 연결될 수 있다.
엔진 클러치(100)는 유압에 의해 결합(close) 또는 해제(open) 작동하여 엔진(90)과 모터(110) 사이를 동력 전달 가능하게 연결하거나 차단하고, MCU(60) 내 인버터가 모터 구동을 위해 배터리(70)의 직류전류를 3상 교류전류로 변환하여 모터(110)에 인가한다.
또한, 변속기(120)는 모터(110)의 동력 또는 엔진(90)과 모터(110)의 복합 동력을 변속하여 구동축을 통해 구동륜으로 전달하며, 상기 변속기로는 자동변속기(AT) 또는 DCT가 사용될 수 있다.
또한, 하이브리드 차량에는 차량 작동의 전반을 제어하는 상위 제어기인 HCU(20)가 탑재되고, 그 밖에 차량의 각종 장치를 제어하기 위한 다양한 제어기들이 구비된다.
예를 들어, 엔진의 작동을 제어하는 ECU(80), 모터(110)의 구동 및 회생 작동을 제어하는 MCU(60), 변속기(120)의 작동을 제어하는 TCU(40), 배터리 상태 정보를 수집하여 배터리(70)의 충, 방전 제어에 이용하거나 타 제어기에 제공하고 배터리(70)를 관리하기 위한 제어를 수행하는 BMS(50) 등이 구비된다.
상기 HCU와 각 제어기들은 CAN 통신을 통해 상호 간에 정보를 주고받으면서 차량 내 장치에 대한 협조 제어를 수행하는데, 상위 제어기가 하위 제어기들로부터 각종 정보를 수집하면서 제어 명령을 하위 제어기에 전달하게 된다.
또한, 본 발명의 제어 과정은 HCU(20), BCU(30), TCU(40), BMS(50), MCU(60) 등 복수 개의 제어기가 협조 제어하여 수행될 수 있으며, 이들 제어기의 통합된 기능을 가지는 하나의 제어기에 의해 수행될 수도 있다.
이하, 본 발명의 회생 제동 중 다운시프트 변속 시의 모터 토크 제어 방법에 대해 도면을 참조하여 구체적으로 설명하면 다음과 같다.
도 6은 본 발명에 따른 회생 제동 중 다운시프트 변속 시의 모터 토크 제어 상태를 예시한 도면이고, 도 7은 본 발명에서 회생 제동 중 다운시프트 변속 시 제어기 간의 협조 제어가 이루어지는 예를 나타낸 도면이다.
먼저, BCU(30)는 운전 정보 검출부(10)에 의해 검출된 운전자의 제동 입력 값에 따라 차량에서 요구되는 총 제동량(즉 총 제동 토크)을 결정하고, HCU(20)는 BMS(50)로부터 수신된 배터리 충전 가능 파워와 MCU(60)로부터 수신된 모터 충전 가능 토크 등의 정보에 기초하여 회생제동 가능량(회생제동 가능 토크)을 결정한 후 BCU(30)에 전달한다.
여기서, 운전자의 제동 입력 값은 운전자의 브레이크 페달 조작 상태에 따른 값이 될 수 있고, 보다 상세하게는 BPS(Bake Pedal Sensor)의 신호 값인 브레이크 페달 조작 깊이(brake pedal depth, brake pedal stroke)가 될 수 있다.
이에 BCU(30)은 회생제동 가능량을 기초로 총 제동량을 마찰제동장치(유압제동장치, 미도시)에 의한 마찰제동량(유압제동량)과 모터(110)에 의한 회생제동량으로 분배하여(제동력 분배) 회생제동 허용량(토크 값이 될 수 있음)을 연산한다.
이어 BCU(30)가 회생제동 허용량을 HCU(20)에 전달하면, HCU(20)가 회생제동 허용량에 따라 회생 토크 지령(모터 토크 지령)을 생성하여 출력하고, MCU(60)는 HCU(20)가 출력하는 회생 토크 지령에 따라 모터(110)의 회생 작동을 제어한다.
이와 더불어, HCU(20)는 TCU(40)에서 수신되는 변속 상태 정보를 이용하여 회생 토크 지령으로부터 변속 여부에 따른 회생제동 실행량을 계산하고, BCU(30)가 HCU(20)로부터 회생제동 실행량을 수신하여 총 제동량에서 회생제동 실행량을 뺀 마찰제동량을 최종 결정한다.
이어 BCU(30)는 최종 결정된 마찰제동량에 상응하는 제동력을 발생시키도록 마찰제동장치의 작동을 제어하며, 결국 모터(110)에 의한 회생제동력과 마찰제동장치에 의한 마찰제동력으로 운전자가 요구하는 총 제동력을 충족시킬 수 있게 된다.
한편, 회생 제동 중 변속이 이루어지는 동안에는 토크 인터벤션 제어가 수행되며, TCU(40)에서 결정된 인터벤션 토크에 따라 모터(110)의 회생 작동이 제어된다.
여기서, 다운시프트 변속을 위한 토크 인터벤션 진입 시점은 변속 준비 구간의 정해진 변속 페이즈에 도달한 시점으로 한다.
즉, 회생 제동 중 TCU(40)가 운전 정보 검출부(10)에 의해 검출된 운전 정보로부터 변속 패턴에 따른 다운시프트 변속 요구를 검출하면, 다운시프트 변속 요구 발생을 HCU(20)에 전달하고, HCU(20)는 토크 인터벤션 진입 시점에 결정된 변속 전 기어단(현재의 기어단)의 모터 토크 지령, 즉 배터리 충전 가능 파워와 모터 충전 가능 토크 등의 충전 파워 제한이 고려된 인터벤션 전 회생 토크 지령을 TCU(40)에 전달한다.
여기서, 인터벤션 전 회생 토크 지령은 인터벤션 진입 시점의 모터 토크 지령을 의미한다.
또한, TCU(40)는 다운시프트 변속 요구 검출 시(즉, 다운시프트 변속이 요구됨을 판단한 경우), 운전 정보 검출부(10)의 차속검출부에서 입력된 현재의 주행 차속과, BPS에서 입력된 브레이크 페달 조작 깊이 등의 운전 정보에 따라, 변속 후 목표로 하는 기어단, 즉 목표 기어단을 결정한다.
여기서, 목표 기어단 결정 과정은 통상의 다운시프트 변속 제어 과정에서와 차이가 없으므로 상세한 설명을 생략하기로 한다.
또한, TCU(40)는 목표 기어단 정보를 HCU(20)에 전달하고, HCU(20)은 목표 기어단의 기어비와 회생제동 실행량에 기초하여 변속 후 기어단의 모터 토크 지령, 즉 목표 기어단에서의 회생 토크 지령을 결정한다.
이하에서는 변속 후 기어단의 모터 토크 지령을 '목표 기어단의 모터 토크 지령'이라 칭하기로 하며, 이는 파워 제한이 고려된 목표 기어단에서의 모터 토크 지령 값이 된다.
운전자의 브레이크 페달 조작으로 요구되는 총 제동량이 제동 시 휠에서 발생시켜야 하는 전체 제동 토크가므로, 총 제동량에서 분배된 회생제동 실행량, 즉 총 제동량에서 마찰제동량을 뺀 나머지 회생제동 실행량이 모터 회생 작동에 의해 생성되어야 하는 회생 제동 토크가 된다.
따라서, 목표 기어단에서 회생 제동 토크를 발생시키기 위한 모터 토크 지령(회생 토크 지령)은 회생제동 실행량으로부터 계산될 수 있고, 보다 상세하게는 회생제동 실행량과 목표 기어단의 기어비로부터 구해질 수 있다.
바람직하게는 목표 기어단의 모터 토크 지령(회생 토크 지령)이 회생제동 실행량 및 목표 기어단의 기어비와 함께 변속기 효율을 추가로 이용하여 구해지도록 할 수 있다.
일례로, 목표 기어단의 모터 토크 지령은 회생제동 실행량을 목표 기어단의 기어비와 변속기 효율로 나눈 값으로 계산될 수 있다.
상기와 같이 HCU(20)에서 목표 기어단의 모터 토크 지령이 결정되면, HCU(20)가 목표 기어단의 모터 토크 지령을 TCU(40)에 전달하고, TCU(40)는 HCU(20)에서 수신된 변속 전 현재 기어단에서의 모터 토크 지령(인터벤션 진입 시점의 모터 토크 지령이며 회생 토크 지령임)과 목표 기어단의 모터 토크 지령에 기초하여 변속 제어 동안의 인터벤션 토크를 결정하여 HCU(20)에 전달한다.
즉, TCU(40)는 변속 준비 구간의 정해진 변속 페이즈에 도달하면 토크 인터벤션 진입 시점으로 판단하고, 이후 토크 인터벤션 진입 시점부터 목표 기어단의 모터 토크 지령을 목표값으로 하여 절대값이 점차 감소하는 값으로 인터벤션 토크를 결정한다.
이때, 현재 기어단의 모터 토크 지령을 기준으로 절대값이 점차 감소하는 값으로 인터벤션 토크가 구해지며, 정해진 기울기로 절대값이 감소하도록 인터벤션 토크가 구해질 수 있다.
바람직하게는, 변속 준비 구간, 또는 변속 준비 구간 및 실 변속 구간의 정해진 변속 페이즈까지 진행되는 동안 각 페이즈별로 정해진 기울기가 이용될 수 있고, 정해진 기울기에 따라 인터벤션 토크의 절대값을 감소(도 6의 선도상으로 상승)시킨다.
단, 본 발명에서는 절대값을 줄이는 인터벤션 토크에 대한 최종 목표값이 정해져 있고, 이 목표값이 목표 기어단의 모터 토크 지령으로 정해지므로, 인터벤션 토크가 목표 기어단의 모터 토크 지령에 도달하면, 이후 인터벤션 토크는 상기 목표 기어단의 모터 토크 지령으로 결정되어 유지된다.
도 6은 변속 준비 구간 동안 인터벤션 토크가 목표값에 도달한 예를 나타내고 있으나, 변속 준비 구간과 실 변속 구간의 일부 또는 전부, 나아가 변속 종료 구간의 일부까지 인터벤션 토크의 절대값을 목표값에 도달하도록 감소시키는 인터벤션 토크 결정 과정이 진행될 수 있다.
상기와 같이 변속 제어 과정이 수행되는 동안, TCU(40)는 실시간으로 구해지는 인터벤션 토크를 HCU(20)에 전달하고, HCU(20)는 변속 제어 동안 인터벤션 토크의 지령값을 MCU(60)에 출력하는바, MCU(60)가 인터벤션 토크 지령에 따라 모터의 회생 작동을 제어하게 된다.
또한, HCU(20)는 실 변속 완료 후 변속 종료 구간에서 TCU(40)에서 수신된 인터벤션 토크가 목표 기어단의 모터 토크 지령에 도달한 상태일 때, 바람직하게는 인터벤션 토크와 목표 기어단의 모터 토크 지령이 정해진 차이 이내가 될 때 토크 인터벤션 제어를 해제 및 종료한다.
토크 인터벤션 제어가 해제되는 시점에서의 모터 토크 지령(회생 토크 지령) 값은 상기 목표 기어단의 모터 토크 지령 값이 된다.
결국, 본 발명에서는 회생 제동 시 변속 중 토크(인터벤션 토크) 제어의 목표값으로서 목표 기어단의 모터 토크 지령을 계산한 뒤 목표값을 미리 인지한 상태에서 제어가 이루어지도록 하고, 인터벤션 토크가 목표값에 도달한 상태에서 토크 인터벤션 제어가 종료되도록 함으로써, 실 변속 후 변속 말기에서의 토크 변동을 최소화할 수 있고, 결국 제동선형성의 문제점을 개선할 수 있게 된다.
도 6을 참조하면, '목표 기어단의 모터 토크 지령' 선도가 도시되어 있으며, 이는 전술한 바와 같이 HCU(20)가 휠에 요구되는 총 제동 토크 및 회생제동 실행량 토크, 목표 기어단의 기어비 등으로부터 구해진다.
또한, 도 6을 참조하면, '변속 제어를 고려한 모터 토크' 선도가 도시되어 있으며, 이는 인터벤션 진입 후 모터 토크, 즉 인터벤션 토크를 나타내며, 이 인터벤션 토크는 TCU(40)에서 변속 제어 구간 동안 목표 기어단의 모터 토크 지령을 목표값으로 하여 결정되는 값으로, 토크 인터벤션 제어를 위해 HCU(20)로 전달된다.
또한, 도 6에는 '모터 토크 지령' 선도가 도시되어 있으며, 이는 HCU(20)에서 결정되는 모터 토크 지령(회생 토크 지령)을 나타내고 있는 것으로, 토크 인터벤션을 고려하지 않은 토크를 나타내는 것이라 할 수 있다.
또한, 도 6에는 인-기어(in-gear) 주행을 위한 토크 인터벤션 해제 시점이, 실 변속 완료 후 변속 종료 구간에서, 인터벤션 토크(변속 제어를 고려한 모터 토크)가 목표 기어단의 모터 토크 지령에 도달한 시점임을 나타내고 있다.
본 발명에서 운전자가 브레이크 페달을 조작하여 회생 제동이 이루어지는 동안 다운시프트 변속 요구가 있게 되면 모터 토크의 절대값을 줄이는 토크 인터벤션 제어가 수행되는데, 인터벤션 토크는 목표 기어단의 모터 토크 지령 값에 도달할 때까지 그 절대값이 감소하도록 결정된다.
여기서, 인터벤션 토크의 절대값이 감소함은 도 6에서와 같이 도면상에서 토크 선도('변속 제어를 고려한 모터 토크' 선도)가 상승함을 의미한다.
이상으로 본 발명의 실시예에 대하여 상세하게 설명하였지만, 본 발명의 권리범위가 이에 한정되는 것은 아니며, 다음의 특허청구범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당 업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 발명의 권리범위에 포함된다.
10 : 운전 정보 검출부 20 : HCU
30 : BCU 40 : TCU
50 : BMS 60 : MCU
70 : 배터리 80 : ECU
90 : 엔진 100 : 엔진 클러치
110 : 모터 120 : 변속기

Claims (10)

  1. 회생 제동 중 제어기에 의해 다운시프트 변속 요구가 검출되는 단계;
    다운시프트 변속 요구 검출 시 제어기에 의해 목표 기어단이 결정되고, 토크 인터벤션 진입 시점의 변속 전 모터 토크 지령이 결정되는 단계;
    제어기에 의해 목표 기어단의 모터 토크 지령이 결정되는 단계;
    다운시프트 변속 제어 과정 동안 제어기에 의해 상기 변속 전 모터 토크 지령과 목표 기어단의 모터 토크 지령에 기초하여 인터벤션 토크가 결정되는 단계; 및
    상기 결정된 인터벤션 토크에 따라 모터의 회생 작동이 제어되도록 하는 토크 인터벤션 제어 단계를 포함하고,
    상기 인터벤션 토크가 결정되는 단계에서, 인터벤션 토크는 상기 목표 기어단의 모터 토크 지령을 목표값으로 하여 변속 제어 과정 동안 상기 변속 전 모터 토크 지령으로부터 상기 목표값까지 변화하도록 결정되는 것을 특징으로 하는 하이브리드 차량의 제어 방법.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 변속 제어 과정의 실 변속 완료 후 상기 인터벤션 토크와 목표 기어단의 모터 토크 지령이 정해진 차이값 이내이면 상기 토크 인터벤션 제어를 종료하는 것을 특징으로 하는 하이브리드 차량의 제어 방법.
  3. 청구항 2에 있어서,
    회생 제동 중의 모터 토크 지령으로서, 상기 토크 인터벤션 제어가 종료되는 시점에서의 모터 토크 지령은, 상기 목표 기어단의 모터 토크 지령인 것을 특징으로 하는 하이브리드 차량의 제어 방법.
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 토크 인터벤션 진입 시점은 다운시프트 변속 제어 시의 변속 준비 구간 중 정해진 변속 페이즈에 도달한 시점인 것을 특징으로 하는 하이브리드 차량의 제어 방법.
  5. 청구항 1에 있어서,
    상기 회생 제동 동안 운전자의 브레이크 페달 조작에 따라 요구되는 총 제동량이 마찰제동량과 회생제동 실행량으로 분배되면, 상기 제어기에서 목표 기어단의 기어비와 변속기 효율, 회생제동 실행량에 기초하여 상기 목표 기어단의 모터 토크 지령이 구해지는 것을 특징으로 하는 하이브리드 차량의 제어 방법.
  6. 청구항 1에 있어서,
    상기 인터벤션 토크가 결정되는 단계에서,
    인터벤션 토크는 상기 변속 전 모터 토크 지령으로부터 상기 목표값까지 다운시프트 변속 제어 시의 변속 페이즈별로 정해진 기울기에 따라 변화하도록 결정되는 것을 특징으로 하는 하이브리드 차량의 제어 방법.
  7. 청구항 6에 있어서,
    상기 인터벤션 토크는 변속 제어 과정에서 상기 목표값에 도달하면 목표값으로 유지되도록 결정되는 것을 특징으로 하는 하이브리드 차량의 제어 방법.
  8. 청구항 1에 있어서,
    상기 인터벤션 토크가 결정되는 단계에서,
    인터벤션 토크는 다운시프트 변속 제어 시의 변속 준비 구간 동안 상기 변속 전 모터 토크 지령으로부터 상기 목표값까지 변화하도록 결정되는 것을 특징으로 하는 하이브리드 차량의 제어 방법.
  9. 청구항 8에 있어서,
    상기 인터벤션 토크는 상기 변속 준비 구간 동안 정해진 기울기로 변화하도록 결정되는 것을 특징으로 하는 하이브리드 차량의 제어 방법.
  10. 청구항 9에 있어서,
    상기 인터벤션 토크는 상기 변속 준비 구간 동안 변속 페이즈별로 정해진 기울기에 따라 변화하도록 결정되는 것을 특징으로 하는 하이브리드 차량의 제어 방법.
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