KR20190028121A - E-4wd 하이브리드 차량의 제어 방법 - Google Patents

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Abstract

E-4WD 하이브리드 차량의 제어 방법은, 제어기가 운전자의 요구 토크에 대응하는 E-4WD 하이브리드 차량의 종방향 가속도를 수신하는 단계와, 제어기가 상기 수신된 종방향 가속도에 대응하는 E-4WD 하이브리드 차량의 하중 이동 비율에 근거하여 E-4WD 하이브리드 차량의 전륜 구동 토크 및 후륜 구동 토크 사이의 구동 토크 분배 비율을 결정하는 단계를 포함한다.

Description

E-4WD 하이브리드 차량의 제어 방법{METHOD FOR CONTROLLING E-4WD HYBRID VEHICLE}
본 발명은 친환경 차량에 관한 것으로서, 보다 상세하게는, E-4WD(electric four wheel drive) 하이브리드 차량(또는 하이브리드 전기차(hybrid electric vehicle))의 제어 방법에 관한 것이다.
친환경 자동차는 연료전지 자동차, 전기자동차, 플러그인 전기자동차, 및 하이브리드 자동차를 포괄하는 것으로, 통상적으로 구동력 발생을 위한 모터를 구비한다.
이러한 친환경 자동차의 일례인 하이브리드 자동차(hybrid vehicle)는 내연기관 엔진(internal combustion engine)과 배터리 전원을 함께 사용한다. 즉, 하이브리드 자동차는 내연기관 엔진의 동력과 모터의 동력을 효율적으로 조합하여 사용한다.
하이브리드 자동차는, 엔진, 모터, 엔진과 모터 사이에서 동력을 단속하는 엔진 클러치, 변속기, 차동기어장치, 배터리, 상기 엔진을 시동하거나 엔진의 출력에 의해 발전을 하는 시동 발전기, 및 차륜으로 구성될 수 있다.
또한, 하이브리드 자동차는, 하이브리드 자동차의 전체 동작을 제어하는 하이브리드 제어기(hybrid control unit), 엔진의 동작을 제어하는 엔진 제어기(engine control unit), 모터의 동작을 제어하는 모터 제어기(motor control unit), 변속기의 동작을 제어하는 변속 제어기(transmission control unit), 및 배터리를 제어하고 관리하는 배터리 제어기(battery control unit)로 구성될 수 있다.
상기 배터리 제어기는 배터리 관리 시스템(battery management system)으로 호칭될 수 있다. 상기 시동 발전기는 ISG(integrated starter & generator) 또는 HSG(hybrid starter & generator)라 호칭되기도 한다.
상기와 같은 하이브리드 자동차는 모터의 동력만을 이용하는 순수 전기자동차 모드인 EV 모드(electric vehicle mode), 엔진의 회전력을 주동력으로 하면서 모터의 회전력을 보조동력으로 이용하는 HEV 모드(hybrid electric vehicle mode), 자동차의 제동 혹은 관성에 의한 주행 시 제동 및 관성 에너지를 모터의 발전을 통해 회수하여 배터리에 충전하는 회생제동 모드(regenerative braking mode) 등의 주행모드로 운행할 수 있다.
E-4WD 시스템이 적용된 하이브리드 자동차에서는 전륜과 후륜에 각각 독립적인 구동수단(구동 장치)이 적용되는 데, 전륜의 구동수단으로는 내연기관인 엔진(ICE:Internal Combustion Engine)이, 후륜의 구동수단으로는 구동모터가 적용될 수 있고, 각각의 구동수단이 차량의 운전 환경의 조건에 따라 독립적으로 구동되거나 함께 구동될 수 있다.
E-4WD 하이브리드 자동차에서는 전륜 및 후륜 중 어느 한 축만을 구동륜으로 하여 주행하는 2WD(2 Wheel Drive) 모드 구동이 기본적인 구동으로 실행되고, 구동력이 부족할 경우 휴지 상태에 있는 나머지 다른 한 축을 활용하는 4WD 모드 구동이 실행된다.
또한, 4WD 시스템에서는 연비 향상을 위해 주행 상황에 따라 구동모드를 다르게 하고 있는데, 예를 들면 발진이나 미끄러운 도로, 모래땅이나 가파른 언덕, 진흙길 등에서의 운행으로 슬립이 발생하고 큰 구동력이 필요한 경우 4WD 모드로 구동하고, 일반적인 고속 주행시에는 2WD 모드로 구동한다.
차량이 4WD 모드로 구동되는 경우 차량의 자세 제어나 조종성, 등판 성능, 험로 탈출 면에서 유리하나 2WD 모드에 비해 연비가 떨어지고, 차량이 2WD 모드로 구동되는 경우 주행토크가 작고 조종 안정성 측면에서 무리가 없지만 빗길이나 눈길, 결빙 구간에서는 노면 마찰계수가 감소하므로 타이어의 마찰력 한계가 줄어들어 차량의 자세를 제어하는데 어려움이 따른다.
이 배경기술 부분에 기재된 사항은 발명의 배경에 대한 이해를 증진하기 위하여 작성된 것으로서, 이 기술이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 이미 알려진 종래기술이 아닌 사항을 포함할 수 있다.
본 발명이 해결하려는 기술적 과제(목적)는, E-4WD 시스템이 장착된 하이브리드 차량의 전륜 구동 토크(Front wheel drive torque)와 후륜 구동 토크 사이의 구동 토크 분배 제어를 수행하고 상기 구동 토크 분배 제어 후 엔진 운전점(operating point)을 제어할 수 있는, E-4WD 하이브리드 차량의 제어 방법을 제공하는 것이다.
상기 과제를 해결(달성)하기 위하여, 본 발명의 실시예에 따른 E-4WD 하이브리드 차량의 제어 방법은, 제어기가 운전자의 요구 토크에 대응하는 E-4WD 하이브리드 차량의 종방향 가속도를 수신하는 단계와, 상기 제어기가 상기 수신된 종방향 가속도에 대응하는 상기 E-4WD 하이브리드 차량의 하중 이동 비율에 근거하여 상기 E-4WD 하이브리드 차량의 전륜 구동 토크 및 후륜 구동 토크 사이의 구동 토크 분배 비율을 결정하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 E-4WD 하이브리드 차량의 제어 방법은, 상기 종방향 가속도가 수신되기 전에, 상기 제어기는 상기 E-4WD 하이브리드 차량의 가속 또는 감속에 따른 전륜 하중과 후륜 하중 사이의 하중 이동 특성에 근거하여 상기 운전자의 요구 토크에 대응하는 상기 E-4WD 하이브리드 차량의 전륜 구동 토크 및 후륜 구동 토크 사이의 초기 구동 토크 분배 비율을 결정하는 단계를 더 포함할 수 있다.
상기 E-4WD 하이브리드 차량이 가속될 때 상기 초기 구동 토크 분배 비율에서 상기 후륜 구동 토크의 분배 비율이 상기 전륜 구동 토크의 분배 비율보다 크고 상기 E-4WD 하이브리드 차량이 감속될 때 상기 초기 구동 토크 분배 비율에서 상기 전륜 구동 토크의 분배 비율이 상기 후륜 구동 토크의 분배 비율보다 클 수 있다.
상기 E-4WD 하이브리드 차량의 제어 방법은, 상기 E-4WD 하이브리드 차량의 전륜의 휠 슬립(wheel slip)이 발생될 때, 상기 제어기가 상기 전륜의 구동 토크에서 상기 전륜의 휠 슬립이 발생하지 않도록 하는 값을 감산한 값이 상기 전륜에서 상기 E-4WD 하이브리드 차량의 후륜으로 이동하도록 제어하는 단계를 더 포함할 수 있다.
상기 E-4WD 하이브리드 차량의 제어 방법은, 상기 E-4WD 하이브리드 차량의 후륜의 휠 슬립(wheel slip)이 발생될 때, 상기 제어기가 상기 후륜의 구동 토크에서 상기 후륜의 휠 슬립이 발생하지 않도록 하는 값을 감산한 값이 상기 후륜에서 상기 상기 E-4WD 하이브리드 차량의 전륜으로 이동하도록 제어하는 단계를 더 포함할 수 있다.
상기 E-4WD 하이브리드 차량의 제어 방법은, 상기 제어기가 상기 E-4WD 하이브리드 차량의 전륜을 구동하는 제1 구동 모터에 의한 배터리의 충전량 및 상기 E-4WD 하이브리드 차량의 후륜을 구동하는 제2 구동 모터에 전원을 공급하는 상기 배터리의 방전량에 근거하여 상기 전륜을 구동하는 엔진의 운전점을 결정하는 단계를 더 포함할 수 있다.
상기 엔진의 운전점을 결정하는 단계는, 상기 전륜을 구동하는 제1 구동 모터에 의한 배터리의 충전량이 상기 후륜을 구동하는 제2 구동 모터에 전원을 공급하는 상기 배터리의 방전량과 동일하지 않을 때, 상기 제어기는 상기 엔진의 출력을 증가시켜 상기 배터리의 충전량을 증가시키고 상기 증가된 배터리의 충전량에 의해 상기 제2 구동 모터의 토크가 증가되도록 제어할 수 있다.
상기 전륜에는 상기 E-4WD 하이브리드 차량을 상기 엔진 또는 제1 구동 모터를 이용하여 주행시키는 하드(Hard) 타입 하이브리드 시스템이 설치되고, 상기 후륜에는 상기 E-4WD 하이브리드 차량을 주행시키는 제2 구동 모터가 설치될 수 있다.
전술한 본 발명의 실시예에 따른 E-4WD 하이브리드 차량의 제어 방법은, 차량의 전륜(front wheel) 및 후륜(rear wheel)에 구동 토크를 적절하게 분배하는 것에 의해 차량의 발진(start) 시 또는 가속 시 구동 휠(driving wheel)의 슬립(slip)을 줄여 차량의 발진 성능 또는 가속 성능을 향상시킬 수 있다.
본 발명의 실시예는 차량의 제동 시에 전륜과 후륜 사이의 회생제동(regenerative braking) 비율(즉, 상기 E-4WD 하이브리드 차량의 하중 이동 비율에 따른 전륜 구동 토크 및 후륜 구동 토크 사이의 구동 토크 분배 비율)에 근거하여 에너지 회수율을 높일 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예는 배터리의 충전 동작을 고려하여 엔진의 운전점을 결정하므로 차량의 연비를 향상시킬 수 있다.
본 발명의 상세한 설명에서 사용되는 도면을 보다 충분히 이해하기 위하여, 각 도면의 간단한 설명이 제공된다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 E-4WD 하이브리드 차량의 제어 방법이 적용되는 E-4WD 하이브리드 차량을 설명하는 도면이다.
도 2는 도 1에 도시된 차량의 가속 또는 감속 시 차량의 하중 이동을 설명하는 도면이다.
도 3은 도 1에 도시된 차량의 엔진 운전점 제어의 실시예를 설명하는 그래프(graph)이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 E-4WD 하이브리드 차량의 제어 방법을 설명하는 흐름도(flowchart)이다.
도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 E-4WD 하이브리드 차량의 제어 방법을 설명하는 흐름도(flowchart)이다.
본 발명, 및 본 발명의 실시에 의하여 달성되는 목적을 충분히 이해하기 위해서는, 본 발명의 실시예를 예시하는 첨부 도면 및 첨부 도면에 기재된 내용이 참조되어야 한다.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 설명하는 것에 의해, 본 발명을 상세히 설명한다. 본 발명을 설명함에 있어, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략한다. 각 도면에 제시된 동일한 참조 부호는 동일한 구성 요소를 나타낼 수 있다.
본 명세서에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 이 명세서에서, “포함하다” 또는 “가지다” 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
명세서 전체에서, 어떤 부분이 다른 부분과 "연결"되어 있다고 할 때, 이는 "직접적으로 연결"되어 있는 경우뿐 아니라 그 중간에 다른 구성요소를 사이에 두고 "전기적 또는 기계적으로 연결"되어 있는 경우도 포함한다.
다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 용어들은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자(통상의 기술자)에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가진 것으로 해석되어야 하며, 본 명세서에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
고전적인(일반적인) 기계식 4WD 시스템은 기계적인 작동 기구를 이용하여 차량의 전륜의 토크와 후륜의 토크를 분배한다. 기어비에 따라 고정적으로 50:50의 토크 분배율을 갖는 시스템이 있고, 최신의 기계식 시스템은 전륜과 후륜의 토크 비율을 능동적으로 제어할 수 있다. 최근에는 기계적인 작동기구를 삭제하고 차량의 후륜에 전기 모터를 장착하는 E-4WD 시스템이 대두되고 있다.
상기 기계식 4WD 시스템은 엔진에서 출력되는 구동력(driving force)을 주 구동륜에서 분기하여 부 구동륜으로 동력을 보내는 역할을 한다. 기존의 기계식 4WD 시스템은 기어비에 따라 차량의 전후륜 토크를 분배했다. 하지만, 최신의 기계식 4WD 시스템은 전후륜의 토크 분배비율을 제한된 범위 내에서 제어할 수 있다. 예를 들어, 전후륜의 토크 분배비를 40:60으로 유지하다가 특정 상황이 되면, 80:20으로 변경을 하는 등의 제어가 가능하다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 E-4WD 하이브리드 차량의 제어 방법이 적용되는 E-4WD 하이브리드 차량을 설명하는 도면이다. 도 2는 도 1에 도시된 차량의 가속 또는 감속 시 차량의 하중 이동을 설명하는 도면이다. 도 3은 도 1에 도시된 차량의 엔진 운전점 제어의 실시예를 설명하는 그래프(graph)이다. 도 4는 본 발명의 실시예에 따른 E-4WD 하이브리드 차량의 제어 방법을 설명하는 흐름도(flowchart)이다.
도 1 내지 도 4를 참조하면, 모니터링 단계(205)에서 도 1에 도시된 E-4WD 하이브리드 차량(100)의 제어기(155)는 센서(150)가 E-4WD 하이브리드 차량(100)의 운전자의 요구 토크(TQ, torque)를 모니터링(monitoring)(또는 검출)하도록 제어할 수 있다. 센서(150)는 운전자의 가속 페달의 조작 또는 가속 페달의 위치값을 검출하는 가속 페달 센서(acceleration pedal position sensor, APS) 또는 운전자의 브레이크 페달의 조작 또는 브레이크 페달의 위치값을 검출하는 브레이크 페달 센서(Brake pedal Position Sensor, BPS)를 포함할 수 있다.
E-4WD 시스템인 E-4WD 하이브리드 차량(100)은, 상기 기계식 4WD 시스템과 달리, 전기모터(130)를 2WD차량의 비구동륜(145)에 장착하여 4WD시스템의 기능을 구현한 시스템일 수 있다. E-4WD 시스템(100)을 구현하기 위한 방법은 전기모터를 구동하기 위한 배터리를 별도로 장착하지 않고 엔진에 발전기가 장착되어 발전된 전기 에너지만을 사용하여 전기모터의 구동력을 발생시키는 방법, 대용량의 배터리가 차량에 장착되어 전기 모터에 HEV 모드를 위한 전원을 제공하는 방법, 또는 하드 타입(Hard Type) 하이브리드(HEV) 차량에 E-4WD 기능을 위한 모터를 장착하는 방법이 있을 수 있다.
E-4WD 하이브리드 차량(100)은 EV 모드(electric vehicle mode) 또는 HEV 모드(hybrid electric vehicle mode)로 주행할 수 있다. EV 모드는 전기 모터(110 또는 130)만을 사용하는 주행 모드를 의미할 수 있다. HEV 모드는 엔진(105)을 기동하여 엔진의 출력과 전기 모터(110)의 출력을 사용하여 주행을 하는 모드를 의미할 수 있다. HEV 모드에서 운전자의 요구 출력(또는 요구 파워(power))이 크지 않은 경우에는 엔진(105)은 최적 효율 운전점에서 구동하고, 모터(110)는 엔진 최적 효율 운전점의 토크와 운전자 요구 토크 사이의 차이를 출력할 수 있다. HEV 모드에서 대체적으로(주로) 모터(110)는 인버터(120)를 통해 배터리(125)에 전기 에너지를 충전할 수 있다.
E-4WD 하이브리드 차량(100)은 엔진(105), 제1 구동 모터(driving motor)(110), 변속기(115), 인버터(inverter)(120), 배터리(125), 제2 구동 모터(130), 차동기어 장치(differential gear device)(135), 전륜(140), 후륜(145), 센서(150), 및 제어기(155)를 포함한다.
제어기(155)는 예를 들어, 프로그램에 의하여 동작하는 하나 이상의 마이크로프로세서(microprocessor) 또는 상기 마이크로프로세서를 포함하는 하드웨어일 수 있고, 상기 프로그램은 본 발명의 실시예에 따른 E-4WD 하이브리드 차량의 제어 방법을 수행하기 위한 일련의 명령(instruction)을 포함할 수 있다. 상기 명령은 메모리(미도시)에 저장될 수 있다. 제어기(155)는 E-4WD 하이브리드 차량(100)의 전체 동작을 제어할 수 있다.
제어기(155)는 하이브리드 제어기(hybrid control unit, HCU), 엔진(105)의 동작을 제어하는 엔진 제어기(engine control unit, ECU), 및 제1 구동 모터(110)의 동작 및 제2 구동 모터(130)의 동작을 제어하는 모터 제어기(motor control unit, MCU)를 포함할 수 있다. HCU는 최상위 제어기로서 차량 네트워크(network)인 CAN(Controller Area Network)와 같은 네트워크로 연결되는 ECU 및 MCU를 통합 제어할 수 있고, 차량(100)의 전체 동작을 제어할 수 있다.
제1 구동 모터(110)는 인버터(120)로부터 출력되는 3상 교류전압에 의해 동작되어 토크를 발생시키고, 타행 주행(coasting drive) 또는 회생 제동에서 발전기로 동작되어 회생에너지를 배터리(125)에 공급할 수 있다. 제1 구동 모터(110)는 엔진(105)에 의해 발전기로 동작할 수 있다.
제2 구동 모터(130)는 인버터(120)로부터 출력되는 3상 교류전압에 의해 동작되어 토크를 발생시키고, 타행 주행(coasting drive) 또는 회생 제동에서 발전기로 동작되어 회생에너지를 배터리(125)에 공급할 수 있다.
인버터(120)는 배터리(125)에서 공급되는 DC 전압(직류 전압)을 3상 교류 전압으로 변환시켜 제1 구동 모터(110) 및 제2 구동 모터(130)를 구동할 수 있다.
배터리(125)는 다수개의 단위 셀(unit cell)들로 이루어지며, 제1 구동 모터(110) 및 제2 구동모터(130)에 전압을 제공하기 위한, 예를 들어, 직류 350(Volt) 내지 450V의 고전압이 저장될 수 있다.
전륜(140)에는 엔진(105), 제1 구동 모터(110)가 설치된 변속기(115), 및 엔진(105)과 제1 구동 모터(110)를 연결 또는 분리하는 엔진 클러치(Engine clutch)를 포함하는 TMED(Transmission Mounted Electric Device) 시스템이 설치될 수 있다. 본 발명의 다른 실시예에 있어서, 전륜(140)에는 엔진 또는 구동 모터를 이용하여 차량을 주행시키는(구동하는) 하드(Hard) 타입 하이브리드 시스템이 설치될 수 있다.
후륜(145)에는 E-4WD 하이브리드 차량(100)을 구동하는 제2 구동 모터(130)가 설치될 수 있다. 제2 구동 모터(130)는 차동기어 장치(135)를 통해 후륜(145)에 연결될 수 있다.
본 발명의 다른 실시예에 있어서, 전륜(140)에는 제2 구동 모터(130)가 설치될 수 있고 후륜(145)에는 하드(Hard) 타입 하이브리드 시스템이 설치될 수 있다.
결정 단계(210)에 따르면, 제어기(155)는 상기 검출된 센서 신호에 근거하여 E-4WD 하이브리드 차량(100)의 운전자의 요구 토크(TQ) 또는 요구 파워(power)를 결정할 수 있다.
분배 단계(215)에 따르면, 제어기(155)는 상기 결정된 운전자의 요구 토크에 대응하는 E-4WD 하이브리드 차량(100)의 전륜 구동 토크 및 후륜 구동 토크 사이의 초기 분배 비율(Initial distribution ratio)을 결정할 수 있다. 부연하여 설명하면, 정차 중 차량의 발진(start)의 상황 또는 차량의 감속의 상황에서 초기 토크 분배비인 상기 E-4WD 하이브리드 차량(100)의 전륜 구동 토크 및 후륜 구동 토크 사이의 초기 구동 토크 분배 비율은, Rule base(미리 정해진 규칙)인 도 2에 도시된 E-4WD 하이브리드 차량(100)의 가속 또는 감속에 따른 전륜의 하중과 후륜의 하중 사이의 하중 이동 특성에 근거하여 설정될 수 있다. 즉, 제어기(155)는 시험(test)에 의해 생성되는 맵 테이블(map table)(예, 메모리)에 근거한 피드포워드 제어(feedforward control)를 사용할 수 있다.
예를 들어, 정차 중 초기 발진 시의 전륜 구동 토크 및 후륜 구동 토크 사이의 분배 비율은 후륜의 구동 토크의 비율이 높아지는 분배 비율(예, 40:60)이 될 수 있다. 예를 들어, 감속 시의 전륜 구동 토크 및 후륜 구동 토크 사이의 분배 비율은 전륜의 구동 토크의 비율이 높아지는 분배 비율(예, 60:40)이 될 수 있다. 부연하여 설명하면, E-4WD 하이브리드 차량(100)이 가속될 때 상기 초기 구동 토크 분배 비율에서 상기 후륜 구동 토크의 분배 비율이 상기 전륜 구동 토크의 분배 비율보다 크고 E-4WD 하이브리드 차량(100)이 감속될 때 상기 초기 구동 토크 분배 비율에서 상기 전륜 구동 토크의 분배 비율이 상기 후륜 구동 토크의 분배 비율보다 클 수 있다.
모니터링 단계(220)에 따르면, 제어기(155)는 센서(150)가 E-4WD 하이브리드 차량(100)의 종방향 가속도를 모니터링(monitoring)(또는 검출)하도록 제어할 수 있다. 센서(150)는 가속도 센서(acceleration sensor) 또는 E-4WD 하이브리드 차량(100)의 차량 자세 제어 시스템인 트랙션 제어 시스템(TCS: Traction Control System) 또는 ESP(Electronic Stability Program)에 포함된 종방향 가속도 센서를 포함할 수 있다. 제어기(155)는 TCS 또는 ESP에 CAN을 통해 연결될 수 있다. 제어기(155)는 센서(150)로부터 운전자의 요구 토크에 대응하는 E-4WD 하이브리드 차량(100)의 종방향 가속도를 수신할 수 있다.
계산 단계(225)에 따르면, 제어기(155)는 상기 종방향 가속도로 인한 도 2의 E-4WD 하이브리드 차량(100)의 하중(무게) 이동 비율을 계산할 수 있다.
상기 하중 이동 비율 중 전륜 하중 분배 비율은 아래의 수학식으로 주어질 수 있다.
Figure pat00001
상기 수학식에서, WGVW는 E-4WD 하이브리드 차량(100)의 총 무게(Gross Vehicle Weight)이고, WGVW _ Rr는 WGVW 중 후륜(145) 하중이고, g는 중력 가속도이고, Ax는 종방향 가속도이고, CG_height는 E-4WD 하이브리드 차량(100)의 무게 중심 높이(Center of gravity height)이고, L은 E-4WD 하이브리드 차량(100)의 휠 베이스(wheel base)로서 전륜 축(앞바퀴축)과 후륜 축(뒤바퀴축)과의 거리일 수 있다. 상기 후륜 하중는 센서(150)에 포함된 무게 센서(Weight Sensor)에 의해 검출될 수 있다.
전륜 하중 분배 비율은 0 이상 1 이하의 값을 가질 수 있고, 전륜 하중 분배 비율이 1일 때 전륜이 E-4WD 하이브리드 차량(100)의 하중을 100(%) 부담할 수 있다.
상기 하중 이동 비율 중 후륜 하중 분배 비율은 아래의 수학식으로 주어질 수 있다.
Figure pat00002
상기 수학식에서, WGVW는 E-4WD 하이브리드 차량(100)의 총 무게(Gross Vehicle Weight)이고, WGVW _ Rr는 WGVW 중 후륜 하중이고, g는 중력 가속도이고, Ax는 종방향 가속도이고, CG_height는 E-4WD 하이브리드 차량(100)의 무게 중심 높이(Center of gravity height)이고, L은 E-4WD 하이브리드 차량(100)의 휠베이스일 수 있다.
후륜 하중 분배 비율은 0 이상 1 이하의 값을 가질 수 있고, 후륜 하중 분배 비율이 1일 때 후륜이 E-4WD 하이브리드 차량(100)의 하중을 100(%) 부담할 수 있다.
결정 단계(230)에 따르면, 제어기(155)는 상기 수신된 종방향 가속도에 대응하는 E-4WD 하이브리드 차량(100)의 하중 이동 비율에 근거하여 E-4WD 하이브리드 차량(100)의 전륜 구동 토크(또는 전륜 구동력) 및 후륜 구동 토크 사이의 구동 토크 분배 비율을 결정할 수 있다.
상기 전륜 구동 토크(또는 상기 전륜 토크)는 아래의 수학식으로 주어질 수 있다.
전륜 구동 토크 = E-4WD 하이브리드 차량(100)의 운전자의 요구 토크 x 전륜 하중 분배 비율 x α
상기 수학식에서, 상기 α는 조정 계수(Tuning Factor)로서 생략될 수 있다.
상기 후륜 구동 토크는 아래의 수학식으로 주어질 수 있다.
후륜 구동 토크 = E-4WD 하이브리드 차량(100)의 운전자의 요구 토크 x 후륜 하중 분배 비율 x (1-α)
상기 전륜 구동 토크 및 후륜 구동 토크는 제어기(155)의 피드백(Feedback) 제어 동작에 의해 계산될 수 있다.
E-4WD 하이브리드 차량(100)의 하중 이동에 따라 전륜 구동 토크와 후륜 구동 토크 사이의 분배비율을 달리 하는 이유는, 도 2에 도시된 바와 같이, E-4WD 하이브리드 차량의 감속 시 또는 가속 시 차량의 하중이 이동함에 따라 E-4WD 하이브리드 차량의 정지 마찰력(μMg)가 달라질 수 있기 때문이다. 도 2를 참조하면, 차량(100)의 가속 시 후륜의 하중이 크고 차량의 감속 시 전륜의 하중이 클 수 있다. 예를 들어, 차량(100)의 가속 시에 후륜으로 하중이 이동하고 후륜의 정지 마찰력이 높아지기 때문에 후륜은 높은 구동 토크를 출력할 수 있다. 따라서 전륜 구동 차량보다 전륜 구동 토크와 후륜 구동 토크가 분배되는 E-4WD 하이브리드 차량(100)이 더 높은 구동력에 의해 주행할 수 있다. 또한, 차량(100)의 하중 이동에 따른 구동 토크 분배 시 구동 휠(driving wheel)의 슬립 율(Slip rate)을 줄일 수 있기 때문에, 차량(100)의 구동 효율은 향상될 수 있다.
판단 단계(240)에 따르면, 제어기(155)는 구동 토크 분배 비율이 결정된 후 E-4WD 하이브리드 차량(100)의 전륜(140)의 휠 슬립(wheel slip)이 발생하는 지 여부를 판단할 수 있다. 상기 휠 슬립(wheel slip)은 센서(150)에 포함된 슬립 감지 센서 또는E-4WD 하이브리드 차량(100)에 포함된 트랙션 제어 시스템(TCS: Traction Control System)에 의해 검출되어 제어기(155)에 제공될 수 있다.
상기 TCS는 눈길 또는 빗길 따위의 미끄러지기 쉬운 노면에서 차량(100)을 출발하거나 가속할 때 과잉의 구동력이 발생하여 타이어(또는 휠)가 공회전하지 않도록(또는 타이어가 미끄러지지 않도록) 차량의 구동력을 제어하는 시스템으로서, 타이어가 미끄러질 때, 좌우 타이어의 회전수에 차이가 있을 때, 또는 타이어가 펑크날 때 작동할 수 있다. TCS는 구동 휠들(driving wheels)(140, 145)의 슬립(slip)을 방지할 수 있고, 차량(100)이 미끄러운 노면에서 출발하거나 가속시에 과잉의 구동력이 발생하여 타이어가 미끄러지는 경우 구동력을 제한하는 요구 토크(demand torque)를 출력하여 엔진 또는 구동 모터를 포함하는 동력원의 토크 저감을 제어기(155)에 요청할 수 있다.
전륜의 휠 슬립(wheel slip)이 발생될 때 프로세스(process)인 E-4WD 하이브리드 차량의 제어 방법은 이동 단계(245)로 진행할 수 있다. 전륜의 휠 슬립(wheel slip)이 발생되지 않을 때 프로세스(process)는 판단 단계(260)로 진행할 수 있다.
이동 단계(245)에 따르면, 제어기(155)는 전륜(140)의 구동 토크에서 전륜의 휠 슬립이 발생하지 않도록 하는 값을 감산(subtraction)한 값이 전륜에서 E-4WD 하이브리드 차량(100)의 후륜(145)으로 이동하도록 제어할 수 있다. 상기 전륜의 휠 슬립이 발생하지 않도록 하는 값은 TCS에 의한 제한 토크로도 언급될 수 있다. 부연하여 설명하면, 제어기(155)는 과도한 전륜 구동 토크로 인한 차량(100)의 휠 슬립 방지를 위해 구동 토크를 전륜(140) 및 후륜(145)에 재분배할 수 있다.
판단 단계(250)에 따르면, 이동 단계(245) 후, 제어기(155)는 E-4WD 하이브리드 차량(100)의 후륜(145)의 휠 슬립(wheel slip)이 발생하는 지 여부를 판단할 수 있다. 상기 휠 슬립(wheel slip)은 상기 슬립 감지 센서 또는 상기 TCS에 의해 검출되어 제어기(155)에 제공될 수 있다.
출력 단계(255)에 따르면, 후륜(145)의 휠 슬립(wheel slip)이 발생될 때, 제어기(155)는 TCS가 후륜의 구동 토크를 제한하도록 제어할 수 있다.
판단 단계(260)에 따르면, 제어기(155)는 E-4WD 하이브리드 차량(100)의 후륜(145)의 휠 슬립(wheel slip)이 발생하는 지 여부를 판단할 수 있다.
이동 단계(265)에 따르면, 후륜(145)의 휠 슬립(wheel slip)이 발생될 때, 제어기(155)는 후륜(145)의 구동 토크에서 후륜의 휠 슬립이 발생하지 않도록 하는 값을 감산(subtraction)한 값이 후륜에서 E-4WD 하이브리드 차량(100)의 전륜(140)으로 이동하도록 제어할 수 있다. 상기 후륜의 휠 슬립이 발생하지 않도록 하는 값은 TCS에 의한 제한 토크로도 언급될 수 있다.
판단 단계(270)에 따르면, 이동 단계(265) 후, 제어기(155)는 E-4WD 하이브리드 차량(100)의 전륜(140)의 휠 슬립(wheel slip)이 발생하는 지 여부를 판단할 수 있다. 상기 휠 슬립(wheel slip)은 상기 슬립 감지 센서 또는 상기 TCS에 의해 검출되어 제어기(155)에 제공될 수 있다.
출력 단계(280)에 따르면, 전륜(140)의 휠 슬립(wheel slip)이 발생될 때, 제어기(155)는 TCS가 전륜의 구동 토크를 제한하도록 제어할 수 있다.
도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 E-4WD 하이브리드 차량의 제어 방법을 설명하는 흐름도(flowchart)이다.
도 1, 도 2, 도 3, 및 도 5를 참조하면, 모니터링 단계(305)에서 E-4WD 하이브리드 차량(100)의 제어기(155)는 센서(150)가 E-4WD 하이브리드 차량(100)의 운전자의 요구 토크(TQ, torque)를 모니터링(monitoring)(또는 검출)하도록 제어할 수 있다.
결정 단계(310)에 따르면, 제어기(155)는 상기 검출된 센서 신호에 근거하여 E-4WD 하이브리드 차량(100)의 운전자의 요구 토크(TQ) 또는 요구 파워(power)를 결정할 수 있다.
분배 단계(315)에 따르면, 제어기(155)는 상기 결정된 운전자의 요구 토크에 대응하는 E-4WD 하이브리드 차량(100)의 전륜 구동 토크 및 후륜 구동 토크 사이의 초기 구동 토크 분배 비율을 결정할 수 있다. 상기 E-4WD 하이브리드 차량(100)의 전륜 구동 토크 및 후륜 구동 토크 사이의 초기 구동 토크 분배 비율은 도 2에 도시된 E-4WD 하이브리드 차량(100)의 가속 또는 감속에 따른 전륜의 하중과 후륜의 하중 사이의 하중 이동 특성에 근거하여 설정될 수 있다. 즉, 제어기(155)는 시험(test)에 의해 생성되는 맵 테이블에 근거한 피드포워드 제어(feedforward control)를 사용할 수 있다.
E-4WD 하이브리드 차량(100)이 가속될 때 상기 초기 구동 토크 분배 비율에서 상기 후륜 구동 토크의 분배 비율이 상기 전륜 구동 토크의 분배 비율보다 크고 E-4WD 하이브리드 차량(100)이 감속될 때 상기 초기 구동 토크 분배 비율에서 상기 전륜 구동 토크의 분배 비율이 상기 후륜 구동 토크의 분배 비율보다 클 수 있다.
모니터링 단계(320)에 따르면, 제어기(155)는 센서(150)가 E-4WD 하이브리드 차량(100)의 종방향 가속도를 모니터링(monitoring)(또는 검출)하도록 제어할 수 있다. 제어기(155)는 센서(150)로부터 운전자의 요구 토크에 대응하는 E-4WD 하이브리드 차량(100)의 종방향 가속도를 수신할 수 있다.
계산 단계(325)에 따르면, 제어기(155)는 상기 종방향 가속도로 인한 도 2의 E-4WD 하이브리드 차량(100)의 하중(무게) 이동 비율을 계산할 수 있다.
상기 하중 이동 비율 중 전륜 하중 분배 비율은 아래의 수학식으로 주어질 수 있다.
Figure pat00003
상기 하중 이동 비율 중 후륜 하중 분배 비율은 아래의 수학식으로 주어질 수 있다.
Figure pat00004
결정 단계(330)에 따르면, 제어기(155)는 상기 수신된 종방향 가속도에 대응하는 E-4WD 하이브리드 차량(100)의 하중 이동 비율에 근거하여 E-4WD 하이브리드 차량(100)의 전륜 구동 토크 및 후륜 구동 토크 사이의 구동 토크 분배 비율을 결정할 수 있다.
상기 전륜 구동 토크는 아래의 수학식으로 주어질 수 있다.
전륜 구동 토크 = E-4WD 하이브리드 차량(100)의 운전자의 요구 토크 x 전륜 하중 분배 비율 x α
상기 후륜 구동 토크는 아래의 수학식으로 주어질 수 있다.
후륜 구동 토크 = E-4WD 하이브리드 차량(100)의 운전자의 요구 토크 x 후륜 하중 분배 비율 x (1-α)
상기 전륜 구동 토크 및 후륜 구동 토크는 제어기(155)의 피드백(Feedback) 제어 동작에 의해 계산될 수 있다.
판단 단계(335)에 따르면, 도 3에 도시된 바와 같이, 제어기(155)는 구동 토크 분배 비율이 결정된 후 전륜(140)을 구동하는 제1 구동 모터(110)에 의한 배터리(125)의 충전량이 후륜(145)을 구동하는 제2 구동 모터(130)에 전원을 공급하는 배터리(125)의 방전량과 동일한 지 여부를 판단할 수 있다. 판단 단계(335)에 의해 배터리(125)의 과도한 충전 동작이 방지될 수 있다.
배터리(125)의 충전량과 배터리(125)의 방전량이 동일할 때 프로세스(process)인 E-4WD 하이브리드 차량의 제어 방법은 출력 단계(340)로 진행할 수 있다. 배터리(125)의 충전량과 배터리(125)의 방전량이 동일하지 않을 때 프로세스(process)는 증가 단계(345)로 진행할 수 있다.
출력 단계(340)에 따르면, 제어기(155)는 전륜(140)에 상기 결정된 전륜 구동 토크 및 후륜 구동 토크가 출력되도록 제어할 수 있다.
증가 단계(345)에 따르면, 배터리(125)의 충전량과 배터리의 방전량을 동일하게 하기 위해, 제어기(155)는 엔진(105)의 출력을 증가시켜 배터리의 충전량이 증가되도록 제어할 수 있다. 부연하여 설명하면, 제어기(155)는 배터리(125)의 충전량 및 배터리의 방전량에 근거하여 E-4WD 하이브리드 차량(100)의 전륜(140)을 구동하는 엔진(105)의 운전점(operating point)을 결정할 수 있다.
출력 단계(350)에 따르면, 제어기(155)는 상기 증가된 배터리의 충전량에 의해 제2 구동 모터(130)의 토크가 증가되도록 제어하여 후륜(145)에 상기 증가된 후륜 구동 토크가 출력되고 전륜(140)에 상기 결정된 전륜 구동 토크가 출력되도록 제어할 수 있다.
본 발명의 실시예에서 사용되는 구성요소 또는 “~부(unit)” 또는 블록 또는 모듈은 메모리 상의 소정 영역에서 수행되는 태스크, 클래스, 서브 루틴, 프로세스, 오브젝트, 실행 쓰레드, 프로그램과 같은 소프트웨어(software)나, FPGA(field-programmable gate array)나 ASIC(application-specific integrated circuit)과 같은 하드웨어(hardware)로 구현될 수 있으며, 또한 상기 소프트웨어 및 하드웨어의 조합으로 이루어질 수도 있다. 상기 구성요소 또는 '~부' 등은 컴퓨터로 판독 가능한 저장 매체에 포함되어 있을 수도 있고, 복수의 컴퓨터에 그 일부가 분산되어 분포될 수도 있다.
이상에서와 같이, 도면과 명세서에서 실시예가 개시되었다. 여기서, 특정한 용어들이 사용되었으나, 이는 단지 본 발명을 설명하기 위한 목적에서 사용된 것이며 의미 한정이나 특허청구범위에 기재된 본 발명의 범위를 제한하기 위하여 사용된 것은 아니다. 그러므로 이 기술분야의 통상의 지식을 가진 자는 본 발명으로부터 다양한 변형 및 균등한 실시예가 가능하다는 점을 이해할 수 있을 것이다. 따라서 이 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의해 정해져야 할 것이다.
100: E-4WD 하이브리드 차량
105: 엔진
110: 제1 구동 모터
125: 배터리
130: 제2 구동 모터
140: 전륜
145: 후륜
150: 센서
155: 제어기

Claims (8)

  1. E-4WD 하이브리드 차량의 제어 방법에 있어서,
    제어기가 운전자의 요구 토크에 대응하는 E-4WD 하이브리드 차량의 종방향 가속도를 수신하는 단계; 및
    상기 제어기가 상기 수신된 종방향 가속도에 대응하는 상기 E-4WD 하이브리드 차량의 하중 이동 비율에 근거하여 상기 E-4WD 하이브리드 차량의 전륜 구동 토크 및 후륜 구동 토크 사이의 구동 토크 분배 비율을 결정하는 단계;
    를 포함하는 E-4WD 하이브리드 차량의 제어 방법.
  2. 제1항에 있어서, 상기 E-4WD 하이브리드 차량의 제어 방법은,
    상기 종방향 가속도가 수신되기 전에, 상기 제어기는 상기 E-4WD 하이브리드 차량의 가속 또는 감속에 따른 전륜 하중과 후륜 하중 사이의 하중 이동 특성에 근거하여 상기 운전자의 요구 토크에 대응하는 상기 E-4WD 하이브리드 차량의 전륜 구동 토크 및 후륜 구동 토크 사이의 초기 구동 토크 분배 비율을 결정하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 E-4WD 하이브리드 차량의 제어 방법.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 E-4WD 하이브리드 차량이 가속될 때 상기 초기 구동 토크 분배 비율에서 상기 후륜 구동 토크의 분배 비율이 상기 전륜 구동 토크의 분배 비율보다 크고 상기 E-4WD 하이브리드 차량이 감속될 때 상기 초기 구동 토크 분배 비율에서 상기 전륜 구동 토크의 분배 비율이 상기 후륜 구동 토크의 분배 비율보다 큰 것을 특징으로 하는 E-4WD 하이브리드 차량의 제어 방법.
  4. 제1항에 있어서, 상기 E-4WD 하이브리드 차량의 제어 방법은,
    상기 E-4WD 하이브리드 차량의 전륜의 휠 슬립(wheel slip)이 발생될 때, 상기 제어기가 상기 전륜의 구동 토크에서 상기 전륜의 휠 슬립이 발생하지 않도록 하는 값을 감산한 값이 상기 전륜에서 상기 E-4WD 하이브리드 차량의 후륜으로 이동하도록 제어하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 E-4WD 하이브리드 차량의 제어 방법.
  5. 제1항에 있어서, 상기 E-4WD 하이브리드 차량의 제어 방법은,
    상기 E-4WD 하이브리드 차량의 후륜의 휠 슬립(wheel slip)이 발생될 때, 상기 제어기가 상기 후륜의 구동 토크에서 상기 후륜의 휠 슬립이 발생하지 않도록 하는 값을 감산한 값이 상기 후륜에서 상기 E-4WD 하이브리드 차량의 전륜으로 이동하도록 제어하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 E-4WD 하이브리드 차량의 제어 방법.
  6. 제1항에 있어서, 상기 E-4WD 하이브리드 차량의 제어 방법은,
    상기 제어기가 상기 E-4WD 하이브리드 차량의 전륜을 구동하는 제1 구동 모터에 의한 배터리의 충전량 및 상기 E-4WD 하이브리드 차량의 후륜을 구동하는 제2 구동 모터에 전원을 공급하는 상기 배터리의 방전량에 근거하여 상기 전륜을 구동하는 엔진의 운전점을 결정하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 E-4WD 하이브리드 차량의 제어 방법.
  7. 제6항에 있어서, 상기 엔진의 운전점을 결정하는 단계는,
    상기 배터리의 충전량이 상기 배터리의 방전량과 동일하지 않을 때, 상기 제어기는 상기 엔진의 출력을 증가시켜 상기 배터리의 충전량을 증가시키고 상기 증가된 배터리의 충전량에 의해 상기 제2 구동 모터의 토크가 증가되도록 제어하는 것을 특징으로 하는 E-4WD 하이브리드 차량의 제어 방법.
  8. 제6항에 있어서,
    상기 전륜에는 상기 E-4WD 하이브리드 차량을 상기 엔진 또는 제1 구동 모터를 이용하여 주행시키는 하드(Hard) 타입 하이브리드 시스템이 설치되고,
    상기 후륜에는 상기 E-4WD 하이브리드 차량을 주행시키는 제2 구동 모터가 설치되는 것을 특징으로 하는 E-4WD 하이브리드 차량의 제어 방법.
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