KR20190009762A - 기어 변경 중에 하이브리드 차량에 이용 가능한 토크의 제어 방법 - Google Patents

기어 변경 중에 하이브리드 차량에 이용 가능한 토크의 제어 방법 Download PDF

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KR20190009762A
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KR
South Korea
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combustion engine
electric machine
torque
power
input shaft
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KR1020187035397A
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English (en)
Inventor
루도빅 메리엔느
아메드 케트피-셰리
Original Assignee
르노 에스.아.에스.
닛산 지도우샤 가부시키가이샤
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Publication date
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Abstract

상이한 변속비로 차륜들에 토크를 전달할 수 있는 기어박스(1)의 제1 입력 샤프트(4)에 연결되는 연소 엔진(CE), 제2 입력 샤프트(6)에 연결되는 제1 전기 기계(EM), 및 기어박스의 제1 또는 제2 입력 샤프트에 교번적으로 연결되는 제2 전기 기계(HSG)로 이루어진 파워 트레인의 비 변경 중에 이용 가능한 토크의 제어 방법에 있어서, 연소 엔진(CE)의 변속비의 변경 중에, 제2 전기 기계(HSG)는 회생 모드로 작동하여, 제1 전기 기계(EM)에 모든 전력을 전달하고, 전력은 비의 변경 중에 연소 엔진의 일시적인 결합해제에서 기인하는 구동된 차륜에서의 토크의 감소를 보상하는 데에 사용되는 것을 특징으로 하는 방법.

Description

기어 변경 중에 하이브리드 차량에 이용 가능한 토크의 제어 방법
본 발명은 기어 변속 중에 하이브리드 차량에 이용 가능한 토크의 제어에 관한 것이다.
보다 구체적으로, 본 발명은 상이한 변속비로 차륜들에 토크를 전달할 수 있는 기어박스의 제1 입력 샤프트에 연결되는 연소 엔진, 이러한 기어박스의 제2 입력 샤프트에 연결되는 제1 전기 기계, 및 박스의 제1 또는 제2 입력 샤프트에 교번적으로 연결되는 제2 전기 기계로 이루어진 파워 트레인의 기어 변속 중에 이용 가능한 토크의 제어 방법에 관한 것이다.
공개공보 WO　2014/207332에는, 다수의 전기적 연소 엔진 및 하이브리드 기어비를 갖는 이러한 유형의 하이브리드 변속기가 기재되어 있는데, 여기서 연소 엔진 및 적어도 하나의 전기 기계로부터의 토크가 결합되어 차륜들에 인가된다. 연소 엔진 유래의 토크는 "연소 엔진" 변속비로 차륜들에 전달되고, 주요 전기 기계로부터의 토크는 "전기 기계"비로 전달된다. 하이브리드 모드에서 연소 엔진 변속비의 변경 중에, 연소 엔진으로부터의 토크가 차단된다. 이후, 주요 전기 기계로부터의 토크는 연소 엔진을 새로운 기어비에 동기화시키는 동시에, 차륜에 토크를 공급하도록 제어된다.
실제로, 차량의 전기적 구조, 특히 주요 전기 기계에 이용 가능한 전력은 연소 엔진 기어 변경 중에 전기 기계의 기여를 제한한다. 연소 엔진 토크의 차단이 충분히 보상되지 않는 경우, 차량의 운전자 및 탑승자는 토크의 차단이 존재하는 반자동 기어박스를 사용하는 것처럼 이러한 기어 변속을 느끼게 된다.
그러므로, 기어 변속 중에 차량의 운전자 및 사용자가 느끼게 되는 토크의 차단을 성공적으로 완화하는 것이 바람직하다.
기어 변속의 시점에 이용 가능한 토크를 감소시키면, 이론적으로 이러한 문제가 해결된다. 그러나, 이와 같은 방안은 성능에 악영향을 미치기 때문에 용인 가능하지 않다. 따라서, 해결방안은 기어 변속 중에 차륜에서 토크를 증가시키는 것을 조사하는 데에 있다. 온보드 네트워크의 전압을 일시적으로 증가시키는 임의의 방안이 이와 관련하여 이점을 제공한다. 셀들을 직렬 또는 병렬로 배치하는 릴레이들을 사용하여 출력 전압을 조절하는 능력을 갖는 특정 배터리 시스템이 기어 변속 중에 느껴지는 전력 구멍(power hole)을 줄이는 데에 현저히 기여할 수 있다. 그러나, 이와 같은 시스템은 차량의 구조를 더 복잡하게 만들거나, 심지어 재가공이 필요하게 한다는 단점이 있다.
본 발명은 차량의 전기적 구조 또는 부품의 특별한 개작 없이 "전력 구멍"을 완화하기 위해 연소 엔진 기어 변경 중에, 특히 고속에서 이용 가능한 토크를 증가시키고자 한다.
이를 위해, 본 발명은, 연소 엔진 변속비의 변경 중에, 제2 전기 기계가 회생 모드(regenerative mode)로 작동하며 제1 전기 기계에 모든 전력을 전달하고, 전력은 이후 연소 엔진의 일시적인 결합해제에 의해 초래되는 차륜에서의 토크의 감소를 보상하는 데에 사용되어야 함을 제안한다.
연소 엔진 및 그 입력 샤프트의 결합해제 전에,
- 2개의 전기 기계의 토크를 상쇄하는 단계,
- 배터리 릴레이들을 개방하는 단계,
- 제2 전기 기계를 에너지 회수 모드로 전환하는 단계, 및
- 연소 엔진 자체의 전력이 제2 전기 기계에 의해 회수되는 전력과 균형을 이룰 때까지 연소 엔진의 토크를 감소시키는 단계가 바람직하게 수행된다.
본 발명은 첨부 도면을 참조하여 하나의 특정 구현예의 하기 설명을 숙독함으로써 더 잘 이해될 것이다.
도 1은 하이브리드 구조의 도면이다.
도 2는 그 기어 변속 곡선들을 함께 도시한다.
도 3은 이러한 곡선들과 관련하여 요구되는 기어비들을 식별한다.
도 4는 이러한 박스를 위한 전력 네트워크의 전기적 도면이다.
도 1의 기어박스(1)는 예를 들어 "반자동" 유형으로, 이는 그 작동이 수동 기어박스의 작동이지만, 기어 변속이 자동화됨을 의미한다. 도면은 하이브리드 시동 발전기(HSG)로 지칭되는 전기 기계(2), 중실 일차 샤프트(4) 상의 연소 엔진(3)을 나타낸다. 첫 번째 전기 기계보다 강력한, EM으로 지칭되는 다른 전기 기계(5)가 중공 일차 샤프트(6) 상에 장착된다. 기어박스의 이차 샤프트(7)는 차동(미표시)에 연결된 후 차량의 차륜들에 연결된다.
이차 샤프트(7) 상에 위치되는 제1 도그 클러치(8)는 전기 기계(EM; 5)의 기어비가 박스의 나머지 부분과 무관하게 수정될 수 있게 하여, 2개의 전기 기계 기어비(EV1, EV2)가 이용 가능하게 한다. 중실 일차 샤프트(4) 상에 위치되는 제2 도그 클러치(9)는 연소 엔진(3)의 기어비가 전기 기어비들과 무관하게 수정될 수 있게 하여, 전기 기계 기어비와 무관하게 2개의 연소 엔진비(CE2, CE4)를 형성한다. 전달 샤프트(10) 상에 위치되는 제3 도그 클러치(11)는, 도면에서 우측으로 이동될 때, 제3 연소 엔진 기어비(CE3)를 형성할 수 있게 한다. 언제든지, 제1 전기 기계(EM) 상에서 요구되는 비와 연소 엔진(CE) 유닛 및 제2 전기 기계(HSG;2) 상에서 요구되는 비를 독립적으로 선택할 수 있다. 연소 엔진비들 및 전기 기계비들의 조합은 HEVxy로 표시된 하이브리드 비들을 형성할 수 있게 하고, 여기서 x는 연소 엔진비, y는 EM비를 나타낸다.
도 2에는 기어박스를 위한 기어 변속 곡선들이 함께 도시되어 있다. 박스(1)는 "연소 엔진비" 및 "전기 기계비"에 따라 2개의 전기 기계비(ZE1, ZE2), 및 4개의 하이브리드 기어비(Hyb21, Hyb22, Hyb32, Hyb42)를 형성할 수 있게 한다. 곡선들은 속도의 함수로 전기 및 하이브리드 기어비에서 최대 달성 가능한 힘(차륜들에서의 힘, 뉴턴 단위)을 표시한다.
목표 응용에서, 관례상, 목표 비가 운전자의 토크 수요를 달성하는 한, 이러한 비는 항상 (이동 속도와 무관하게) 전기비(ZEV)라고 할 수 있다. 디폴트에 의해, 해당 비는 수요를 달성할 수 있게 하는 가장 긴 하이브리드 비가 된다. 이러한 가정에 기초하여, 요구되는 비들은 도 3과 같이 그래프에 분포될 수 있다. 이 도면은 종래 주행 중에 일어나기 쉬운 기어 변속들을 식별할 수 있게 한다. 예를 들어, 풋-다운 가속시, 약 125 km/h에서 HEV22로부터 HEV32로의 변속이 있음을 알 수 있다. 이러한 기어 변속의 경우, 제2 연소 엔진비는 변속기로부터 분리되어 새로운 연소 엔진비에 동기화될 필요가 있다. 270 V의 배터리 전압으로, 제1 기계(EM)는 예를 들어 35 kW의 전력을 공급할 수 있다. 제2 기계(HSG)는 25 kW의 전력을 공급할 수 있는 반면, 연소 엔진(CE)은 70 kW를 공급한다. 따라서, 기어 변속 전에 박스에 의해 차륜에 공급되는 전체 전력은 105 kW이다. 기어 변속 후에, 박스는 (엔진 전력의 변경의 차이는 있을지 몰라도 실질적으로 동일한 전력을 공급한다. 반대로, 기어 변속 중에, 연소 엔진 및 HSG 조립체는 차륜들로부터 분리된다. 이후, EM만이 차륜에 전력(즉, 35 kW)을 공급한다.
그러므로, 파워 트레인(PT)은 이러한 기어 변속 중에 "전력 구멍(power hole)"을 겪게 된다. 125 km/h에서, 차량의 공력에 의해 흡수되는 전력은 약 25 kW이다. 실제로 가속을 위해 이용 가능한 전력은 기어 변속 중에 80 kW에서 10 kW까지 하락한다. 이와 같은 가속도 하락(87%)은, 주요 전기 기계(EM)에 의해 공급되는 토크에도 불구하고, 운전자에게 차량이 더 이상 가속하고 있지 않다는 인상을 준다. 운전자는 토크의 차단이 있는 반자동 기어박스를 구비한 차량과 같은 느낌을 받게 된다.
도 4는 인버터용 커패시터(17)와 함께, 전기 네트워크 상에 병렬로 장착되는 2개의 전기 기계의 인버터들(14, 16)에 2개의 릴레이(13a, 13b)에 의해 연결되는 차량 배터리(12)를 도시한다.
제안된 해결방안은, 제2 전기 기계(HSG)가 회생 모드로 작동하게 함으로써, 연소 엔진(CE)의 변속비의 변경 중에 제1 주요 제1 전기 기계(EM)에 의해 공급되는 전력을 증가시키는 데에 있다. 이후, 모든 전력은 제1 전기 기계에 전달되고, 연소 엔진의 일시적인 결합해제에 의해 초래되는 차륜에서의 토크의 감소를 보상하는 데에 사용된다. 인버터들의 공급 전압은 이러한 목적을 위해 증가된다. 전술한 예에서, 200 V의 평균 전압 대신 450 V의 전력 공급이, 전기 네트워크의 종래 부품들을 사용하여, EM으로 하여금 약 70 kW를 공급할 수 있게 하고, HSG로 하여금 약 50 kW를 공급할 수 있게 한다. 따라서, 인버터들의 공급 전압은 기어 변경 중에 2개의 전기 기계에 의해 달성 가능한 전력을 증가시키기 위해 증가된다. 그러므로, 제1 전기 기계(EM)는 제2 전기 기계(HSG)에 의해 이에 전달된 모든 전력을 차륜에 공급한다.
제안된 방법은 도 1과 같은 기어박스에 적용될 수 있다(여기서 결합구들은 바람직하게는 도그 클러치 또는 물림 클러치이며, 그 구조가 도 4에 개략적으로 도시되어 있다. 이는 하기 단계들을 일정한 순서로 배열하는 데에 있다:
1. EM 및 HSG의 토크를 상쇄하는 단계,
2. 배터리 릴레이들을 개방하는 단계,
3. HSG를 회생 모드로 전환하는 단계: HSG는 인버터용 커패시터의 전압을 450 V로 조절하고, 그에 따라 연소 엔진의 샤프트에 (450 V에서 HSG의 최대 전력, 즉 약 50 kW로 제한되는) 음의 토크를 공급하고, 이는 차륜에서 양의 토크로 EM에 의해 즉시 복원된다.
4. 연소 엔진 및 HSG의 전력이 균형을 이룰 때까지 연소 엔진의 토크를 감소시킴으로써 일차 도그 클러치 상의 토크를 상쇄하는 단계: 전력(CE)　 = -전력(HSG),
5. 일차 샤프트 상의 폐기된 비를 위한 피니언을 맞물림해제하는 단계,
6. 일차 샤프트를 목표 비에 동기화하는 단계: 이것이 폐기된 비보다 긴 경우, 연소 엔진의 토크(CE 토크)를 추가로 감소시킴으로써 연소 엔진의 속도를 감소시킨다.
7. 새로운 비를 나타내는 피니언을 맞물리고, 연소 엔진의 토크를 최대 전력까지 증가시키는 단계,
8. 인버터용 커패시터의 전압을 감소시키기 위해 HSG 토크를 약간 더 빨리 상쇄함으로써, EM 및 HSG의 토크를 상쇄하는 단계,
9. 배터리 릴레이들을 재연결하는 단계,
10. 전체적으로 운전자의 토크 수요를 충족시키기 위해 EM 및 HSG의 토크를 복구하는 단계.
기어박스가 도그 클러치 또는 물림 클러치 기어박스일 때, 연소 엔진의 결합해제는 입력 샤프트의 피니언을 맞물림해제함으로써 수행된다. 새로운 기어비와의 결합은 입력 샤프트 상에 새로운 피니언을 맞물림으로써 수행된다.
그러므로, 제안된 방법은 연소 엔진 및 그 입력 샤프트의 결합해제 전에 하기 단계들을 포함한다:
- 2개의 전기 기계의 토크를 상쇄하는 단계,
- 배터리 릴레이들을 개방하는 단계,
- 제2 전기 기계를 에너지 회수 모드로 전환하는 단계,
- 연소 엔진 자체의 전력이 제2 전기 기계에 의해 회수되는 전력과 균형을 이룰 때까지 연소 엔진의 토크를 감소시키는 단계.
바람직하게는, 제2 전기 기계(HSG)의 토크는 제1 전기 기계(EM)의 토크보다 빠르게 상쇄되어, 인버터용 커패시터에 걸친 전압을 감소시킨다.
결합해제된 후에, 연소 엔진에 연결되는 입력 샤프트(4)는, 연소 엔진이 새로운 비로 입력 샤프트에 결합되기 전에, 연소 엔진(CE)의 토크를 제어함으로써, 목표 기어비에 동기화된다. 바람직하게는, 연소 엔진의 결합은 최대 전력까지의 토크의 증가로 이어진다.
기어 변속 중에, 기어박스(1)는 직렬 하이브리드 유형의 작동을 채택하는데, 여기서 제1 전기 기계(EM)는 정확히 HSG가 고압(high tension) 네트워크에 공급하는 전력을 차륜에 공급할 수 있다. 연소 엔진은 HSG의 속도를 유지한다. 배터리(12)의 릴레이들(13a, 13b)은 비의 변경 중에 개방된다. 이들의 개방은 간단한 방식으로 네트워크 상의 전압을 증가시켜서, 배터리가 HSG에 의해 공급되는 모든 전력을 흡수하는 것을 방지할 수 있게 한다. 그러므로, 배터리를 회로 밖으로 전환하는 것은 기어 변속 중에 달성될 수 있는 전력을 증가시킬 수 있게 한다.
도 5는 1단계에서 10단계까지의 고압(HT) 네트워크 전압 및 연소 엔진 속도의 대응하는 변화와 함께, 각각의 부품의 전력, EM 전력, HSG 전력, CE 전력, 및 차륜에서의 전력이 기어 변속 중에 어떻게 전개되는지 도시한다. 이러한 곡선들은 본 발명에 의해 제공되는 이점을 나타낸다. 기어 변경 중의 보상 없이, 차륜에서의 전력은 35 kW까지 하락할 것이다. 본 발명에 의해, 차륜에서의 전력은 3개의 단계 중에 70 kW, 하나의 단계 중에 50 kW로 유지된다. 따라서, "전력 구멍"은 50 % 이하로 남아있다. 가속도의 손실이 감소하는데, 이는 운전자가 항상 가속에 이용 가능한 전력을 보유하고 있다고 느끼게 되는 것을 의미한다.
게다가, 전력 구멍을 더욱더 감소시키기 위해, 네트워크의 전압을 여전히 증가시킬 수 있다. 그러나, 이와 같은 개작은 본 발명에 의해 제안된 간단한 제어 방안에 요구되지 않는, 시스템의 특정 부품들의 크기조정을 필요로 할 수 있다.
주요 전기 기계가 주로 "부스팅" 기능 또는 저속 주행을 위한 것인 "마일드 하이브리드" 범주의 차량의 경우, 배터리를 너무 빨리 소모시키지 않기 위해, 특히 풋-다운 가속의 발생시, 고속에서 이용 가능한 전력을 연소 엔진의 전력으로 제한하도록 정할 수 있다. 전술한 예에서, 기어 변경 중의 전력의 손실은 이제 20 kW 이하를 나타낸다(70 kW에 상응하는 CE의 최대 전력과의 차). 기어 변경 중의 최소 전력은 50 kW에 상응한다.
결론적으로, 본 발명은 기어 변속 중에 고압(HT) 네트워크의 전압의 일시적인 증가를 초래한다. 본 발명의 주요 이점은, 전술한 예에서 네트워크 상의 제한이 450 V로 유지되는 경우, 시스템의 추가를 요구하지 않는다는 것이다.

Claims (10)

  1. 상이한 변속비로 차륜들에 토크를 전달할 수 있는 기어박스의 제1 입력 샤프트(4)에 연결되는 연소 엔진(CE), 이러한 기어박스의 제2 입력 샤프트(6)에 연결되는 제1 전기 기계(EM), 및 상기 박스의 상기 제1 또는 제2 입력 샤프트에 교번적으로 연결되는 제2 전기 기계(HSG)로 이루어진 파워 트레인의 기어 변속 중에 이용 가능한 토크의 제어 방법에 있어서,
    연소 엔진(CE) 변속비의 변경 중에, 상기 제2 전기 기계(HSG)는 상기 연소 엔진이 결합해제되기 전에 회생 모드로 전환되어, 상기 제1 전기 기계(EM)에 모든 전력을 전달하고, 상기 전력은 상기 연소 엔진의 일시적인 결합해제에 의해 초래되는 상기 차륜에서의 토크의 감소를 보상하는 데에 사용되는 것을 특징으로 하는 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제1 전기 기계(EM)는 상기 제2 전기 기계(HSG)에 의해 이에 공급되는 전력을 상기 차륜에 공급하는 것을 특징으로 하는 토크의 제어 방법.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    차량 배터리(12)의 릴레이들(13a, 13b)이 기어 변속 중에 개방되는 것을 특징으로 하는 토크의 제어 방법.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 연소 엔진 및 그 입력 샤프트(4)의 결합해제 전에,
    - 상기 2개의 전기 기계(EM, HSG)의 토크를 상쇄하는 단계,
    - 상기 배터리 릴레이들을 개방하는 단계,
    - 상기 제2 전기 기계를 에너지 회수 모드로 전환하는 단계,
    - 상기 연소 엔진 자체의 전력이 상기 제2 전기 기계에 의해 회수되는 전력과 균형을 이룰 때까지 상기 연소 엔진의 토크를 감소시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 토크의 제어 방법.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 제2 전기 기계(HSG)의 토크는 상기 제1 전기 기계(EM)의 토크보다 빠르게 상쇄되어, 인버터용 커패시터에 걸친 전압을 감소시키는 것을 특징으로 하는 제어 방법.
  6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 연소 엔진의 결합해제는 상기 입력 샤프트(4)의 피니언을 맞물림해제함으로써 수행되는 것을 특징으로 하는 제어 방법.
  7. 제4항에 있어서,
    결합해제된 후에, 상기 연소 엔진에 연결되는 상기 입력 샤프트는 상기 연소 엔진(CE)의 토크를 제어함으로써 목표 기어비에 동기화되는 것을 특징으로 하는 토크의 제어 방법.
  8. 제5항에 있어서,
    상기 연소 엔진과 새로운 변속비의 결합은 상기 입력 샤프트(4) 상에 새로운 피니언을 맞물림으로써 수행되는 것을 특징으로 하는 토크의 제어 방법.
  9. 제7항 또는 제8항에 있어서,
    상기 연소 엔진의 결합은 최대 전력까지의 상기 연소 엔진(CE)의 토크의 증가로 이어지는 것을 특징으로 하는 토크의 제어 방법.
  10. 제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 인버터들의 공급 전압은 기어 변속 중에 상기 2개의 전기 기계에 의해 공급되는 전력을 증가시키기 위해 증가되는 것을 특징으로 하는 토크의 제어 방법.
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