KR20190040622A - 하이브리드 차량의 제어 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 하이브리드 차량의 제어 방법에 관한 것으로서, 모터에 의한 배터리 충, 방전 과정에서 에너지 손실을 줄일 수 있는 보다 효율적인 운전점에서 엔진을 작동시킬 수 있고, 이를 통해 연료 소모 효율 및 차량 연비의 향상을 도모할 수 있는 하이브리드 차량의 제어 방법을 제공하는데 그 목적이 있다. 상기한 목적을 달성하기 위해, 운전자 입력 정보에 기초하여 운전자 요구 파워가 결정되는 단계; 토크 및 엔진 속도에 따른 파워 값이 맵핑된 파워 맵 상에서 상기 결정된 운전자 요구 파워에 해당하는 등파워선도가 설정되는 단계; 상기 파워 맵 상에서 등파워선도와 최적 운전 곡선의 교차점을 탐색하여 교차점을 기준 운전점으로 결정하는 단계; 및 현재의 배터리 SOC가 정해진 정상 범위 이내의 값인 경우, 상기 기준 운전점을 엔진 운전점으로 하여 엔진 작동을 제어하는 단계를 포함하는 하이브리드 차량의 제어 방법이 개시된다.

Description

하이브리드 차량의 제어 방법{Method for controlling hybrid electric vehicle}

본 발명은 하이브리드 차량의 제어 방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 모터에 의한 배터리 충, 방전 과정에서 에너지 손실을 줄일 수 있는 보다 효율적인 운전점에서 엔진을 작동시킬 수 있고, 이를 통해 연료 소모 효율 및 차량 연비의 향상을 도모할 수 있는 하이브리드 차량의 제어 방법에 관한 것이다.

하이브리드 차량은 서로 다른 두 종류 이상의 구동원을 사용하는 차량을 의미하나, 대부분의 경우 연료(가솔린 등 화석연료)를 연소시켜 회전력을 얻는 엔진과 배터리 전력으로 회전력을 얻는 모터에 의해 구동되는 차량을 의미한다.

하이브리드 차량은 엔진과 모터로 구성되는 두 종류의 구동원으로 주행하는 과정에서 엔진과 모터를 어떻게 조화롭게 작동시키느냐에 따라 최적의 토크를 출력할 수 있음은 물론 차량 연비를 극대화할 수 있다.

이러한 하이브리드 차량은 엔진과 모터를 사용하여 다양한 구조로 구동계를 구성할 수 있는데, 엔진과 모터를 엔진 클러치를 통해 연결하고 모터의 출력 측에 변속기를 연결한 TMED(Transmission Mounted Electric Device) 방식과, 모터가 엔진의 크랭크 축에 직접 연결되고 플라이 휠을 통해 변속기가 연결되는 FMED(Flywheel Mounted Electric Device) 방식이 있다.

또한, 하이브리드 차량은 시스템 효율을 높이기 위해 최대 시스템 효율을 나타내는 최적 운전 곡선(Optimal Operating Line, OOL)을 추종하도록 엔진 운전점이 선택되고, 최종 선택된 엔진 운전점에 해당하는 토크(Nm)와 속도(rpm)를 낼 수 있도록 엔진을 구동 및 제어한다.

특히, 최적 운전 곡선(OOL)을 따르는 엔진 운전점 중 스윗 스팟(Sweet Spot, SS)에 해당하는 운전점, 즉 기준 운전점에서 크게 벗어나지 않는 운전점(기준 운전점 또는 기준 운전점 주변의 운전점)을 최종 선택하여 엔진을 작동시킴으로써 엔진의 열 효율을 최대한 높이게 된다.

여기서, 기준 운전점(SS)은 등고선 형태의 연료 소모율 정보를 나타내는 BSFC(Brake Specific Fuel Consumption) 맵 상에서 최적 운전점이 되는 것으로서, BSFC 맵 상의 BSFC 값(연료 소모량)이 최소가 되는 운전점이 되며, BSFC 값과 엔진 효율은 반비례 관계가 있으므로, 기준 운전점은 하이브리드 차량에서 엔진 효율의 최대점이 된다.

또한, 하이브리드 차량에서 제어기는 가속페달 조작값(APS 값), 브레이크 페달 조작값(BPS 값) 등의 차량 운전 정보와, 기어단, 차속, 엔진 속도(RPM), 배터리 충전상태(state of charge, SOC) 등의 차량 상태 정보, 그리고 도로 등의 환경변수를 실시간으로 수집하고, 수집된 정보에 기초하여 운전자 요구 토크를 결정한다.

이와 같이 운전자 요구 토크가 결정되면, 운전자 요구 토크(운전자 요구 파워)를 만족하는 차량 구동 토크를 얻기 위하여, 엔진을 상기와 같이 최종 선택된 운전점으로 작동시키면서, 운전자 요구 토크가 엔진 토크보다 큰 경우 모터 토크(모터 구동토크)로 보상하여 운전자 요구 토크를 충족시킨다(방전, 모터 어시스트).

반면, 운전자 요구 토크가 기준 운전점의 엔진 토크(엔진 토크 기준값)보다 작은 경우 엔진에서 발생한 잉여의 출력만큼 모터를 발전기로 작동시켜 배터리를 충전한다(충전, 모터 회생).

이는 모터 대비 운전점에 따른 효율 변화가 급격한 엔진의 효율을 극대화하기 위한 전략이다.

도 1은 하이브리드 차량에서 최적 운전 곡선(OOL)을 따르는 운전점 중 기준 운전점으로 엔진 운전점이 결정될 때 운전자 요구 토크를 충족시키기 위해 모터 회생 및 모터 어시스트가 이루어짐을 보여주고 있다.

도 1에서 토크(torque, Nm)와 엔진 속도(engine speed, RPM)에 해당하는 각 수치는 파워(kW) 값을 나타낸다.

또한, 도 1에는 예로서 파워가 대략 10kW에 근접되는 운전점들을 연결한 10kW 등파워선도("등파워선도＠10kW"), 20kW에 근접되는 운전점들을 연결한 20kW 등파워선도("등파워선도＠20kW"), 30kW에 근접되는 운전점들을 연결한 30kW 등파워선도("등파워선도＠30kW")가 도시되어 있다.

운전자가 가속페달을 밟게 되면 가속페달 조작값, 즉 APS(Acceleration Position Sensor) 신호값 등에 상응하는 운전자 요구 파워가 결정되는데, 도 1은 운전자 요구 파워가 각각 10kW, 20kW, 30kW일 때 모터 회생 또는 모터 어시스트가 수행됨을 예시하고 있다.

도시된 바와 같이, 기준 운전점에 해당하는 토크(Nm)와 속도(rpm)를 내도록 엔진이 제어되고, 기준 운전점에서의 운전자 요구 토크와 엔진 토크의 차이가 모터 토크, 즉 모터 구동토크(방전, 모터 어시스트) 또는 모터 회생토크(충전, 모터 회생)에 의해 보상된다.

한편, 하이브리드 차량이 주행하는 동안 배터리 SOC(state of charge)는 적정의 정상 범위 내에서 관리될 필요가 있다.

즉, SOC가 정상 범위보다 높을 경우 모터에 의한 에너지 회생 조건을 만족함에도 에너지 회생을 수행하지 못하는 등의 제한(충전 제한)이 있게 되므로, 이를 회피하기 위해서는 모터 어시스트량을 늘리는 방전 지향 주행을 통해 SOC를 떨어뜨리는 것이 유리하다.

반면, SOC가 정상 범위보다 낮을 경우 SOC를 정상 범위 이내로 유지하기 위해 모터 회생량 및 배터리 충전량을 늘리는 충전 지향 주행을 통해 SOC를 상승시키는 것이 유리하다.

이와 같이 배터리 SOC가 정상 범위를 벗어나 있을 경우, SOC가 정상 범위 이내가 되도록 모터를 구동하여 배터리를 방전하거나(모터 어시스트), 모터를 발전기로 작동시켜 모터 역토크(즉 모터 회생토크)로 배터리를 충전한다(모터 회생).

전술한 바와 같이, 종래의 운전점 제어 방법에서는 엔진 운전점을 최대한 기준 운전점(Sweet Spot)에 가깝게 유지하는 것을 우선시하였으며, 이때 운전자 요구 출력에 비해 엔진 출력이 과하거나 부족한 부분에 대해서는 모터를 이용하여 에너지 회생을 수행하거나 동력을 어시스트하여 부하를 레벨링하는 방법(load leveling)이 이용되었다.

그러나, 이러한 방법은 운전자 요구 출력과 기준 운전점에 해당하는 엔진 출력 간의 차이가 클수록 전기동력계의 충, 방전 부하가 증가하게 되므로 전기동력계에서 손실이 많아진다는 단점이 있다.

특히, 엔진을 기준 운전점 부근에서 작동시킬 때, 적정 SOC를 유지하기 위한 모터 회생량 또는 모터 어시스트량이 과도한 경우 전기동력계에서 열로 손실되는 에너지의 소모가 크게 발생하므로 바람직하지 않다.

또한, SOC에 따라 충, 방전이 제한되어야 하는 상황에서는 상기한 방법의 적용이 어려울 수 있으며, 상기와 같은 로드 레벨링이 가능한 시스템 조건을 만들어주기 위해 EV 모드와 HEV 모드 간의 천이 과정을 위해 필요한 기구들, 즉 엔진 재시동을 위한 기구들(예, 시동 모터나 2차 모터 등) 및 엔진과 모터 간의 속도 차이를 제어할 수 있는 장치(예, 파워 스플릿(power-split) 유성기어나 엔진 클러치) 등이 반드시 필요하므로 단가 상승을 유발할 수 있다.

특히, 모터가 엔진의 크랭크 축에 직접 연결되어 모터와 엔진 사이의 동력 단절이 불가하고 모터와 엔진이 항상 같이 회전되는 FMED 시스템과 같은 비교적 간단한 하이브리드 구동계에서는 종래의 운전점 제어 방법을 통한 로드 레벨링이 불가능하다.

따라서, 본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 창출한 것으로서, 모터에 의한 배터리 충, 방전 과정에서 에너지 손실을 줄일 수 있는 보다 효율적인 운전점에서 엔진을 작동시킬 수 있고, 이를 통해 연료 소모 효율 및 차량 연비의 향상을 도모할 수 있는 하이브리드 차량의 제어 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.

또한, 본 발명은 모터와 엔진 사이의 동력 단절이 불가한 FMED 시스템에도 적용이 가능한 로드 레벨링 제어 방법을 제공하는데 또 다른 목적이 있다.

상기한 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 실시예에 따르면, 운전자 입력 정보에 기초하여 운전자 요구 파워가 결정되는 단계; 토크 및 엔진 속도에 따른 파워 값이 맵핑된 파워 맵 상에서 상기 결정된 운전자 요구 파워에 해당하는 등파워선도가 설정되는 단계; 상기 파워 맵 상에서 등파워선도와 최적 운전 곡선의 교차점을 탐색하여 교차점을 기준 운전점으로 결정하는 단계; 및 현재의 배터리 SOC가 정해진 정상 범위 이내의 값인 경우, 상기 기준 운전점을 엔진 운전점으로 하여 엔진 작동을 제어하는 단계를 포함하는 하이브리드 차량의 제어 방법을 제공한다.

또한, 본 발명의 실시예에 따른 하이브리드 차량의 제어 방법은, 현재의 배터리 SOC가 상기 정상 범위를 벗어난 경우, 상기 기준 운전점의 엔진 속도를 기준으로 기어단을 상향 및 하향 변경시 선택 가능한 엔진 속도들을 계산하는 단계; 상기 파워 맵 상에서 최적 운전 곡선을 따르는 것이면서 상기 계산된 엔진 속도들에 해당하는 운전점들 중, 현재의 배터리 SOC에 따라 운전점 후보들을 선정하는 단계; 상기 선정된 운전점 후보들 중 하나를 최종의 엔진 운전점으로 결정하는 단계를 더 포함할 수 있다.

바람직한 실시예로서, 상기 현재의 배터리 SOC에 따라 운전점 후보들을 선정하는 단계에서, 현재의 배터리 SOC가 정상 범위 이내가 되도록 하기 위해 배터리를 방전시켜야 하는 방전 지향 상태인지, 배터리를 충전시켜야 하는 충전 지향 상태인지를 판단하고, 현재의 배터리 SOC가 방전 지향 상태인 것으로 판단한 경우 모터 어시스트가 이루어지는 운전점 후보들을 선정하도록 할 수 있다.

또한, 상기 현재의 배터리 SOC에 따라 운전점 후보들을 선정하는 단계에서, 현재의 배터리 SOC가 정상 범위 이내가 되도록 하기 위해 배터리를 충전시켜야 하는 방전 지향 상태인지, 배터리를 충전시켜야 하는 충전 지향 상태인지를 판단하고, 현재의 배터리 SOC가 충전 지향 상태인 것으로 판단한 경우 모터 회생이 이루어지는 운전점 후보들을 선정하도록 할 수 있다.

또한, 상기 선정된 운전점 후보들 중 하나를 최종의 엔진 운전점으로 결정하는 단계에서, 상기 선정된 각 운전점 후보에 대해 엔진 및 전기구동계의 열손실을 계산하고, 총 열손실량이 최저값을 나타내는 운전점 후보를 상기 최종의 엔진 운전점으로 결정하도록 할 수 있다.

또한, 본 발명의 실시예에 따른 하이브리드 차량의 제어 방법은, 상기 결정된 최종의 엔진 운전점으로 엔진 작동을 제어하는 동시에, 기어단을 상기 최종의 엔진 운전점에 해당하는 엔진 속도의 기어단으로 변경하고, 운전자 요구 파워에 상응하는 운전자 요구 토크를 만족시키도록 모터 어시스트 제어 또는 모터 회생 제어를 수행하는 단계를 더 포함할 수 있다.

여기서, 모터 어시스트시에는 현재의 기어단을 상향 변속이 이루어지는 기어단으로 변경하고, 모터 회생시에는 현재의 기어단을 하향 변속이 이루어지는 기어단으로 변경할 수 있다.

또한, 상기 엔진 속도들을 계산하는 단계에서, 현재 기어단, 현재 기어단에서 1단 상향인 기어단, 및 현재 기어단에서 1단 하향인 기어단에서 각각 선택 가능한 엔진 속도들을 계산할 수 있다.

그리고, 본 발명의 실시예에 따른 하이브리드 차량의 제어 방법은, 현재의 배터리 SOC가 상기 정상 범위를 벗어난 경우, 무단 변속기의 현재 기어비를 기준으로 정해진 양만큼 기어비를 상향 및 하향으로 확장하여, 확장된 기어비 범위에서 선택 가능한 엔진 속도들을 계산하는 단계; 상기 파워 맵 상에서 최적 운전 곡선을 따르는 것이면서 상기 계산된 엔진 속도들에 해당하는 운전점들 중, 현재의 배터리 SOC에 따라 운전점 후보들을 선정하는 단계; 및 상기 선정된 운전점 후보들 중 하나를 최종의 엔진 운전점으로 결정하는 단계를 더 포함할 수 있다.

또한, 본 발명의 실시예에 따른 하이브리드 차량의 제어 방법은, 상기 결정된 최종의 엔진 운전점으로 엔진 작동을 제어하는 동시에, 기어비를 상기 최종의 엔진 운전점에 해당하는 엔진 속도의 기어비로 변경하고, 운전자 요구 파워에 상응하는 운전자 요구 토크를 만족시키도록 모터 어시스트 제어 또는 모터 회생 제어를 수행하는 단계를 더 포함할 수 있다.

여기서 모터 어시스트시에는 기어비를 상향 변속이 이루어지는 기어비로 변경하고, 모터 회생시에는 기어비를 하향 변속이 이루어지는 기어비로 변경할 수 있다.

또한, 상기 엔진 속도들을 계산하는 단계에서, 상기 기어비 범위에서 무단 변속기의 현재 기어비를 기준으로 하는 상향 변속의 폭과 하향 변속의 폭은, 정상 범위의 배터리 SOC와 현재 배터리 SOC 사이의 편차에 비례하는 값으로 선택되도록 할 수 있다.

이로써, 본 발명에 따른 하이브리드 차량의 제어 방법에 의하면, 운전자 요구 등파워선도와 최적 운전 곡선의 교차점을 기준 운전점으로 결정하고, 상기 기준 운전점을 기준으로 하여 배터리 SOC 및 기어비에 따라 운전점을 가변하여 최적의 운전점을 선택한 후, 상기 선택된 최적의 운전점으로 엔진을 제어하는 동시에 변속기의 기어비를 변경하고 운전자 요구 토크를 충족시키기 위한 모터 어시스트 제어 또는 모터 회생 제어를 수행함으로써, 에너지 손실을 줄일 수 있는 보다 효율적인 운전점에서 엔진을 운전시킬 수 있고, 연료 소모 효율 및 차량 연비를 향상시킬 수 있는 이점이 있게 된다.

또한, 본 발명을 적용할 경우 모터와 엔진 사이의 동력 단절이 불가한 FMED 시스템에서도 로드 레벨링이 가능해지게 된다.

도 1은 종래기술에 따른 엔진 운전점 및 로드 레벨링을 설명하기 위한 도면이다.
도 2는 본 발명에 따른 하이브리드 차량의 제어 방법을 나타내는 순서도이다.
도 3은 본 발명에 따른 하이브리드 차량의 제어 과정에서 기준 운전점을 결정하는 방법을 설명하기 위한 도면이다.
도 4는 본 발명에 따른 하이브리드 차량의 제어 과정에서 엔진 운전점을 가변하는 방법을 설명하기 위한 도면이다.
도 5는 본 발명에 따른 하이브리드 차량의 제어 방법에 따른 연비 개선 효과를 설명하기 위한 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.

본 발명은 모터에 의한 배터리 충, 방전(모터 어시스트, 모터 회생) 과정에서 에너지 손실을 줄일 수 있는 보다 효율적인 운전점에서 엔진을 작동시킬 수 있고, 이를 통해 연료 소모 효율 및 차량 연비의 향상을 도모할 수 있는 하이브리드 차량의 제어 방법을 제공하고자 하는 것이다.

본 발명에서는 엔진(내연기관)과 전기동력기구인 모터를 이용하는 하이브리드 차량에서 배터리 SOC를 적정의 정상 범위에서 유지 및 관리하기 위하여 모터에 의한 배터리 충, 방전이 이루어지도록 할 때 기어비 변경(변속)에 기반하여 엔진 운전점을 가변함으로써 연료 소모 효율 및 차량 연비를 향상시킨다.

이를 위해, 본 발명에 따른 하이브리드 차량의 제어 방법은 배터리 SOC 관리를 위한 로드 레벨링(load leveling) 과정에서 기어비 변경에 기반하여 엔진 운전점을 가변하는 운전점 가변 제어 과정을 포함한다.

이러한 본 발명의 제어 방법은 엔진과 모터 사이에 엔진 클러치를 개재하여 양측 간 선택적인 동력 단절이 가능(EV 모드 및 HEV 모드 간 천이가 가능)한 TMED 방식의 하이브리드 시스템은 물론, 엔진과 모터가 직결되어 동력 단절이 불가능한 FMED 방식의 하이브리드 시스템에서도 로드 레벨링을 가능하게 하며, 유단 변속기는 물론 무단 변속기를 탑재한 하이브리드 차량에 모두 적용 가능하다.

또한, 본 발명에 따른 하이브리드 차량의 제어 과정은 복수 개의 차량 내 제어기들이 협조 제어하여 수행할 수 있다.

하이브리드 차량에는 차량 작동의 전반을 제어하는 최상위 제어기로서 차량 제어기(Hybrid Control Unit, HCU)가 탑재되고, 더불어 차량 내 장치를 제어하는 복수 개의 제어기들이 구비된다.

예를 들어, 차량의 제동 제어를 수행하고 브레이크 장치(마찰제동장치,유압제동장치)의 작동을 제어하는 브레이크 제어기(Brake Control Unit, BCU), 엔진의 작동을 제어하는 엔진 제어기(Engine Control Unit, ECU), 모터의 작동을 제어하는 모터 제어기(Motor Control Unit, MCU), 변속기의 작동을 제어하는 변속 제어기(Transmission Control Unit, TCU), 배터리 상태 정보를 수집하여 배터리 충, 방전 제어에 이용하거나 타 제어기에 제공하고 배터리를 관리하기 위한 제어를 수행하는 배터리 제어기(Battery Management System, BMS) 등이 구비된다.

상기 차량 제어기(HCU)와 각 제어기들은 CAN 통신을 통해 상호 간에 정보를 주고받으면서 협조 제어를 수행하는데, 상위 제어기가 하위 제어기들로부터 각종 정보를 전달받아 수집하면서 제어명령을 하위 제어기에 전달하게 된다.

본 발명에서 각 제어기의 기본적인 역할과 기능, 작동 상태는 통상의 하이브리드 차량에서와 비교하여 차이가 없다.

예를 들면, 배터리 제어기가 배터리 SOC 정보를 차량 제어기에 송신하고, 변속 제어기가 변속 상태 정보(기어단 또는 기어비 정보)를 차량 제어기에 송신하며, 차량 제어기는 배터리 SOC 정보 및 변속 상태 정보 등을 이용하여 엔진 운전점을 결정한다.

또한, 모터 어시스트 및 회생 작동을 위해 차량 제어기, 배터리 제어기, 브레이크 제어기, 변속 제어기, 모터 제어기 등이 협조 제어를 수행하고, 이 과정에서 차량 제어기가 모터 토크 지령을 모터 제어기에 전달하고, 모터 제어기가 차량 제어기로부터 수신된 모터 토크 지령에 따라 모터 작동을 제어한다.

또한, 차량 제어기의 요청에 따라 변속 제어기가 기어비를 변경하는 변속을 실행한다.

또한, 차량 제어기는 운전자 입력 정보에 기초하여 운전자 요구 토크를 결정하는데, 예를 들어 가속페달 조작값(APS 값), 브레이크 페달 조작값(BPS 값) 등의 차량 운전 정보와, 기어단, 차속, 엔진 속도(RPM), 배터리 충전상태(state of charge, SOC) 등의 차량 상태 정보, 그리고 도로 등의 환경변수를 실시간으로 수집하여 수집된 정보에 기초하여 운전자 요구 토크를 결정할 수 있다.

또한, 차량 제어기는 엔진 운전점을 결정한 뒤 상기 결정된 엔진 운전점에서 엔진이 작동하도록 하기 위한 엔진 토크 지령을 생성하여 출력하고, 엔진 제어기가 차량 제어기로부터 수신된 엔진 토크 지령에 따라 엔진 작동을 제어한다.

물론, 통합된 하나의 전자제어유닛이 본 발명의 실시예에 따른 제어 과정을 수행하도록 구성될 수도 있다.

이하의 설명에서는 본 발명의 제어 과정을 수행하는 상기 통합된 하나의 전자제어유닛, 또는 본 발명의 제어 과정을 수행하기 위해 협조 제어하는 복수 개의 제어기들을 제어부로 통칭하기로 한다.

도면을 참조하여 본 발명에 따른 하이브리드 차량의 제어 방법에 대해 설명하기로 한다.

도 2는 본 발명에 따른 하이브리드 차량의 제어 방법을 나타내는 순서도이고, 도 3은 본 발명에 따른 하이브리드 차량의 제어 과정에서 기준 운전점을 결정하는 방법을 설명하기 위한 도면이다.

도 4는 본 발명에 따른 하이브리드 차량의 제어 과정에서 엔진 운전점을 가변하는 방법을 설명하기 위한 도면이다.

도 3 및 도 4는 토크(Nm)와 속도(rpm)에 따라 파워를 맵핑한 파워 맵을 예시한 것으로, 맵 값을 나타내는 각 수치들은 해당 토크와 속도에서의 파워(kW) 값을 나타낸다.

파워는 토크와 속도의 곱으로 계산될 수 있으므로, 도 3 및 도 4의 파워 맵에서 각 파워 값은 토크(Nm)와 속도(rpm)를 곱한 값을 kW 단위의 값으로 환산한 것이 될 수 있다.

먼저, 본 발명에서는 엔진 운전점으로서 최적 운전 곡선(OOL, 시스템 효율이 가장 좋은 운전점들을 연결한 곡선임)을 따르는 운전점 중에 하나가 선택되어 사용된다.

즉, 최적 운전 곡선(OOL)의 운전점 중 하나가 선택되어 엔진 작동을 제어하기 위한 운전점으로 사용되는 것이다.

본 발명에서 도 3 및 도 4와 같은 파워 맵과 이 파워 맵 상의 최적 운전 곡선(OOL)이 제어부(예를 들면, 차량 제어기)에 미리 입력 및 저장되어 설정되며, 이러한 파워 맵 및 최적 운전 곡선은 공지의 기술적 사항이므로 상세한 설명을 생략하기로 한다.

그리고, 본 발명에서는 도 3 및 도 4와 같은 파워 맵에서 최적 운전 곡선과 운전자 요구 파워에 해당하는 등파워선도(즉 운전자 요구 등파워선도)의 교차점이 운전점 후보 중 하나가 되는 기준 운전점으로 선택된다.

여기서, 등파워선도는 파워 맵 상에서 정확한 값에 있어서의 미차는 있으나 대체로 가장 근접한 수준 및 동일 수준의 파워 값을 가지는 엔진 속도별 운전점들을 연결한 선도로 정의할 수 있다.

종래에는 최적 운전 곡선(OOL)을 따르는 운전점 중 BSFC 값(연료 소모량)이 최소가 되는 운전점(Sweet Spot, SS)을 기준 운전점으로 선택하였으나, 본 발명에서는 상기와 같이 파워 맵 상의 최적 운전 곡선(OOL)과 상기한 등파워선도의 교차점을 기준 운전점으로 선택한다.

도 3에는 10kW 등파워선도와 20kW 등파워선도, 30kW 등파워선도가 예시되어 있으며, 각 등파워선도마다 최적 운전 곡선과의 교차점에 해당하는 기준 운전점이 표시되어 있다.

본 발명에서 제어부는 도 2에 나타낸 바와 같이 운전자 입력 정보에 기초하여 운전자 요구 파워를 결정하고, 운전자 요구 파워에 해당하는 등파워선도, 즉 운전자 요구 등파워선도를 도출 및 선택, 설정한다(S11).

운전자 입력 정보에 따른 운전 요구 토크 및 파워를 결정하는 것에 대해서는 공지의 기술적 사항이므로 상세한 설명을 생략하기로 한다.

만약, 운전자가 가속페달을 밝게 되면 가속페달 조작값(APS 값)에 상응하는 운전자 요구 파워가 결정되는데, 가속페달을 많이 밟을수록 운전자 요구 파워가 커지므로, 도 3의 예에서 가속페달을 많이 밟을수록 큰 등파워선도가 선택된다.

운전자의 운전 입력 값에 따라 운전자 요구 등파워선도가 결정되면, 제어부는 최적 운전 곡선(OOL)과 운전자 요구 등파워선도의 교차점을 탐색하여 기준 운전점을 결정한다(S12).

만약, 운전자 요구 파워가 10kW이면, 도 3의 예에서 10kW 등파워선도가 선택되고, 10kW 등파워선도와 최적 운전 곡선(OOL)의 교차점이 탐색되어 그 교차점이 기준 운전점("기준 운전점＠10kW")으로 설정된다.

마찬가지로, 운전자 요구 파워가 20kW이면, 도 3의 예에서 20kW 등파워선도가 선택되고, 20kW 등파워선도와 최적 운전 곡선(OOL)의 교차점이 탐색되어 그 교차점이 기준 운전점("기준 운전점＠20kW")으로 설정된다.

운전자 요구 파워가 30kW인 경우에도 동일한 방식으로 30kW 등파워선도와 최적 운전 곡선의 교차점이 기준 운전점("기준 운전점＠30kW")으로 설정된다.

상기와 같이 최적 운전 곡선과 등파워선도의 교차점으로 결정되는 각 기준 운전점은 전술한 바와 같이 최적 운전 곡선(OOL)을 따르는 운전점 중 하나의 운전점이 된다.

이러한 각 기준 운전점은 모터의 개입 없이도 최적 운전 곡선의 운전점으로 작동되는 엔진만으로 운전자 요구 토크를 만족시킬 수 있는 이상적인 운전점이 된다.

또한, 상기 기준 운전점은 엔진 작동을 제어하기 위한 엔진 운전점 후보 중 하나가 되는 것으로, 본 발명에서 엔진이 항상 기준 운전점으로 작동되는 것은 아니다.

모터 개입이 불필요한 조건일 때, 즉 모터 어시스트나 모터 회생이 불필요하고 배터리 SOC가 설정된 적정의 정상 범위 이내인 경우에는, 엔진 운전점으로 기준 운전점이 선택되고, 기준 운전점으로 엔진 작동이 제어된다.

반면, 모터 개입이 필요한 조건일 경우, 즉 모터 어시스트를 통한 방전으로 배터리 SOC를 설정된 정상 범위 이내가 되도록 낮춰야 할 필요가 있을 때나, 모터 회생을 통한 충전으로 배터리 SOC를 상기 정상 범위 이내가 되도록 높여야 할 필요가 있는 조건에서는, 최적 운전 곡선을 따르는 운전점들 중 상기 기준 운전점을 기준으로 변속시의 기어단 또는 기어비에 따라 선택되는 다른 운전점으로 엔진 운전점이 가변된다.

즉, 본 발명에서 현재의 배터리 상태 정보인 SOC 값에 따라 기준 운전점을 벗어난 다른 목표 운전점이 설정될 수가 있는 것이며, 이때 기어단을 변경하는 변속이 이루어진다.

유단 변속기를 탑재한 하이브리드 차량의 경우, 기어단(변속단)에 따라 기준 운전점 주변의 선택 가능한 운전점 영역들이 존재하며, 따라서 변속 시 목표 기어단 및 목표 엔진 속도(RPM)에 해당하는 기준 운전점 주변의 운전점 후보들이 선정된다.

또한, 유단 변속기가 적용된 경우에서 기어비가 허용하는 범위 내의 운전점 후보들 중 상기 기준 운전점과 가장 가까운 운전점이 최종 선택될 수 있고, 최종 선택된 운전점으로 엔진 작동을 제어할 수 있다.

보다 구체적으로 설명하면, 기준 운전점이 결정된 상태에서, 현재의 배터리 SOC가 정상 범위를 벗어난 상태인 경우, 유단 변속기가 탑재된 차량에서, 제어부는 차속을 유지하는 조건에서 현재 기어단수를 포함하여 그보다 높은 기어단수와 낮은 기어단수에서 선택 가능한 엔진 속도(RPM)를 결정한다.

이때, 기준 운전점의 엔진 속도를 기준으로 현재의 기어단을 목표 기어단으로 상향 및 하향 변경시 선택 가능한 엔진 속도들을 계산하게 된다.

현재 기어단수 외의 단수 선택시 엔진 속도들을 계산하는 방법, 즉 상기와 같이 현재 기어단수보다 높은 기어단수와 낮은 기어단수에서 선택 가능한 엔진 속도를 계산하는 방법은 당해 기술분야에서 이미 알려진 공지 기술로서, 유단 변속기 제어에서 널리 이용되고 있으므로, 본 명세서에서 상세한 설명은 생략하기로 한다.

다만, 간단히 설명하면, 현재 기어단수의 기어비와 현재 엔진 속도를 기반으로 하여 다른 기어단수의 기어비로 엔진 속도를 환산할 수 있으며, 예를 들어 현재 기어단이 1단이고 1단의 총기어비가 16이며 현재 엔진 속도가 3200rpm일 때, 목표 기어단인 2단의 총기어비가 10이면, 상기 목표 기어단인 2단에 해당하는 엔진 속도는 3200/16×10 = 2000rpm으로 계산될 수 있다.

바람직한 실시예에서, 현재 기어단 및 현재 기어단으로부터 ±1단에 해당하는 목표 기어단에서 선택 가능한 3점의 엔진 속도(RPM)를 계산하도록 설정될 수 있다(S13).

즉, 현재 차속을 유지하는 조건에서 현재의 기어단에서 선택 가능한 엔진 속도(RPM), 1단 만큼 상향 변속(upshift) 및 1단만큼 하향 변속(downshift) 한다고 할 때 선택 가능한 목표 엔진 속도(RPM)을 결정하는 것이다.

만약, 무단 변속기(Continuously Variable Transmission, CVT)를 탑재한 차량이라면, 상기와 같이 3점의 엔진 속도가 아닌, 제어부는, 현재 기어비를 기준으로 ± 양방향으로 정해진 양만큼 확장된 기어비 범위를 기준으로 상기 양방향 확장된 기어비 범위에서 선택 가능한 엔진 속도들을 계산하게 된다.

이때, 무단 변속기의 기어비 범위를 결정함에 있어서, 현재 기어비를 기준으로 기어비 범위를 규정하게 되는 상향(+) 및 하향(-) 변속의 폭이 정상 범위의 SOC 대비 현재 SOC의 편차에 비례하는 값으로 선택되도록 할 수 있다.

여기서, 편차는 정상 범위의 SOC 상한값과 현재 SOC 사이의 차이 및 정상 범위의 SOC 하한값과 현재 SOC 사이의 차이가 될 수 있다.

다음으로, 제어부는 상기와 같이 선택 가능한 3점(무단 변속기의 경우 기어비 범위)의 엔진 속도(RPM)들이 계산 및 도출되고 나면, 도출된 속도들에 대해 각각 SOC 지향성 충족 여부를 판단한다(S14).

즉, 최적 운전 곡선(OOL)을 따르는 운전점 중 상기 도출된 속도에 해당하는 운전점이 선택되고, 선택된 운전점의 토크와 운전자 요구 파워에 해당하는 토크 간의 편차를 모터가 보상할 때, SOC 변화의 방향이 희망하는 SOC 지향성과 일치하는지 여부를 판단하는 것이다.

만약, 제어부는 현재의 배터리 SOC가 정상 범위 이내인 경우 상기 기준 운전점을 엔진 작동을 제어하기 위한 목표 운전점으로 결정하고, 기준 운전점으로 엔진 작동을 제어한다.

반면, 제어부는 현재의 배터리 SOC가 정상 범위를 벗어난 경우, 즉 현재의 배터리 SOC가 상기 정상 범위의 SOC 상한값을 초과하거나, 상기 정상 범위의 SOC 하한값 미만인지를 판단하며, 현재의 배터리 SOC가 SOC 상한값을 초과하는 경우 방전 지향 상태인 것으로, 현재의 배터리 SOC가 SOC 하한값 미만인 경우 충전 지향 상태인 것으로 판단한다.

현재의 배터리 SOC가 상기 정상 범위의 SOC 상한값을 초과하여 방전 지향 상태인 것으로 판단한 경우, 최적 운전 곡선(OOL)을 따르는 운전점들인 동시에 상기 도출된 속도에 해당하는 운전점들 중에, 모터 어시스트(방전)가 이루어지는 운전점들이 후보로 선정된다.

반면, 현재의 배터리 SOC가 상기 정상 범위의 SOC 하한값 미만이어서 충전 지향 상태인 것으로 판단한 경우, 최적 운전 곡선(OOL)을 따르는 운전점들인 동시에 상기 도출된 속도에 해당하는 운전점들 중에, 모터 회생(충전)이 이루어지는 운전점들이 후보로 선정된다.

상기와 같이 SOC 지향성을 충족하는 운전점 후보들이 선정되고 나면, 제어부는 선정된 운전점 후보들에 대해 각각 엔진 및 전기구동계 열손실을 계산하고(S15), 총 열손실량이 최저값을 나타내는 운전점 후보를 최종의 엔진 운전점으로 결정한다(S16).

엔진을 특정 운전점으로 운전하는 동시에 운전자 요구 토크를 만족시키기 위해 모터로 토크 보상을 실시하는 동안 엔진 및 전기구동계의 열손실을 계산하는 방법에 대해서는 다양한 방법들이 알려져 있고, 그 계산 방법이 통상의 기술자에게 공지의 기술적 사항이므로 본 명세서에서는 상세한 설명을 생략하기로 한다.

이에 따라, 상기 최종의 엔진 운전점으로 운전점이 가변된 상태에서, 제어부가 상기 최종의 엔진 운전점에 해당하는 엔진 속도의 기어단 또는 기어비로 변경하는 변속 제어를 수행하고, 동시에 엔진이 최종의 엔진 운전점으로 작동될 수 있도록 엔진 제어를 수행한다(S16).

이와 함께 모터에 대해서는 운전자 요구 파워에 해당하는 토크(운전자 요구 토크)를 충족시킬 수 있도록 모터 어시스트 제어 또는 모터 회생 제어를 수행한다(S16).

도 4를 참조하면, 모터 어시스트시에는 상향 변속이 이루어지도록 기어단 또는 기어비를 변경하고, 모터 회생시에는 하향 변속이 이루어지도록 기어단 또는 기어비를 변경하고 있다.

결국, 본 발명에서 기준 운전점 대비 상향 변속(upshift)을 통해 낮은 출력을 생성하는 엔진 운전점을 선택할 수 있으며, 이 경우 도 4에 나타낸 바와 같이 모터 어시스트를 통해 목표 출력(운전자 요구 파워 및 토크)을 만족시킨다.

이러한 운전점 가변 제어는 현재의 배터리 SOC가 정상 범위에 비해 너무 높을 때 효과적이다.

반면, 기준 운전점 대비 하향 변속(downshift)을 통해 높은 출력을 생성하는 엔진 운전점을 선택할 수 있으며, 이 경우 도 4에 나타낸 바와 같이 모터 회생을 통해 목표 출력을 만족시킨다.

이러한 운전점 가변 제어는 현재의 배터리 SOC가 정상 범위에 비해 너무 낮을 때 효과적이다.

도 5는 본 발명에 따른 하이브리드 차량의 제어 방법에 따른 연비 개선 효과를 설명하기 위한 도면으로, 이를 참조하여 운전자 요구 파워가 7.5kW인 경우의 예를 들어 연비 개선 효과를 설명하기로 한다.

도 5는 토크(Nm)와 속도(rpm)에 따라 BSFC(연료 소모량)를 맵핑한 BSFC 맵을 예시한 것으로, 맵 값을 나타내는 각 수치들은 해당 토크와 속도에서의 BSFC 값을 나타낸다.

1번은 종래기술에 따른 것으로, 1번의 엔진 운전점은 BSFC(연료 소모량) 값이 최저를 나타내고 있으므로 스윗 스팟(SS)에 해당한다.

종래에는 스윗 스팟을 엔진 운전점으로 선택하여 엔진의 작동을 제어하고, 스윗 스팟의 엔진 파워가 25kW라면, 나머지 잉여의 엔진 파워(25-7.5=17.5kW)를 이용하여 모터를 발전기로 작동시켜 모터 회생이 이루어지도록 한다.

이때, 모터 회생에 의해 배터리가 충전되기는 하지만, 잉여의 엔진 파워인 17.5kW의 약 20%에 해당하는 전기구동계 손실(약 3.5kW 손실)이 발생하고, FMED 방식의 하이브리드 차량에서는 모터 회생시 엔진이 엔진 브레이크 작용을 하게 되므로 엔진 마찰 손실(α) 또한 발생한다.

결국, 전기구동계 손실과 엔진 마찰 손실이 발생하여 '(3.5kW+α)×213.84 g/h'의 손실이 발생한다.

반면, 하이브리드 차량이 아닌, 일반 엔진 차량의 경우 운전자 요구 파워(7.5kW)를 충족시키기 위하여 2번의 운전점이 선택되고, 이때는 '7.5kW×(310.795-213.84)=727.16g/h'의 손실이 발생한다.

그러나, 본 발명에서와 같이 등파워선도와 최적 운전 곡선의 교차점이 되는 기준 운전점 주변에서 3번의 운전점이 결정된다면, '7.5kW×(229.643-213.84)=118.52g/h'의 손실이 발생한다.

이때, 1번과 2번 사이의 BSFC의 차이가 45.3%이지만, 1번과 3번의 BSFC의 차이는 7.4% 정도에 불과하므로, 3번 운전점(본 발명에 따른 운전점임)이 1번 운전점에 비해 연료를 7.4% 정도 더 소모하기는 하지만, 손실 측면에서는 3번 운전점이 1번 및 2번 운전점에 비해 비교할 수 없을 정도의 낮은 손실을 나타내기 때문에, 3번 운전점을 이용하는 것이 월등히 효율적이라 할 수 있다.

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.

Claims (15)

1. 운전자 입력 정보에 기초하여 운전자 요구 파워가 결정되는 단계;
   토크 및 엔진 속도에 따른 파워 값이 맵핑된 파워 맵 상에서 상기 결정된 운전자 요구 파워에 해당하는 등파워선도가 설정되는 단계;
   상기 파워 맵 상에서 등파워선도와 최적 운전 곡선의 교차점을 탐색하여 교차점을 기준 운전점으로 결정하는 단계; 및
   현재의 배터리 SOC가 정해진 정상 범위 이내의 값인 경우, 상기 기준 운전점을 엔진 운전점으로 하여 엔진 작동을 제어하는 단계를 포함하는 하이브리드 차량의 제어 방법.
   
2. 청구항 1에 있어서,
   현재의 배터리 SOC가 상기 정상 범위를 벗어난 경우, 상기 기준 운전점의 엔진 속도를 기준으로 기어단을 상향 및 하향 변경시 선택 가능한 엔진 속도들을 계산하는 단계;
   상기 파워 맵 상에서 최적 운전 곡선을 따르는 것이면서 상기 계산된 엔진 속도들에 해당하는 운전점들 중, 현재의 배터리 SOC에 따라 운전점 후보들을 선정하는 단계;
   상기 선정된 운전점 후보들 중 하나를 최종의 엔진 운전점으로 결정하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 하이브리드 차량의 제어 방법.
   
3. 청구항 2에 있어서,
   상기 현재의 배터리 SOC에 따라 운전점 후보들을 선정하는 단계에서,
   현재의 배터리 SOC가 정상 범위 이내가 되도록 하기 위해 배터리를 방전시켜야 하는 방전 지향 상태인지, 배터리를 충전시켜야 하는 충전 지향 상태인지를 판단하고, 현재의 배터리 SOC가 방전 지향 상태인 것으로 판단한 경우 모터 어시스트가 이루어지는 운전점 후보들을 선정하는 것을 특징으로 하는 하이브리드 차량의 제어 방법.
   
4. 청구항 2에 있어서,
   상기 현재의 배터리 SOC에 따라 운전점 후보들을 선정하는 단계에서,
   현재의 배터리 SOC가 정상 범위 이내가 되도록 하기 위해 배터리를 충전시켜야 하는 방전 지향 상태인지, 배터리를 충전시켜야 하는 충전 지향 상태인지를 판단하고, 현재의 배터리 SOC가 충전 지향 상태인 것으로 판단한 경우 모터 회생이 이루어지는 운전점 후보들을 선정하는 것을 특징으로 하는 하이브리드 차량의 제어 방법.
   
5. 청구항 2에 있어서,
   상기 선정된 운전점 후보들 중 하나를 최종의 엔진 운전점으로 결정하는 단계에서,
   상기 선정된 각 운전점 후보에 대해 엔진 및 전기구동계의 열손실을 계산하고, 총 열손실량이 최저값을 나타내는 운전점 후보를 상기 최종의 엔진 운전점으로 결정하는 것을 특징으로 하는 하이브리드 차량의 제어 방법.
   
6. 청구항 2 내지 청구항 5 중 어느 하나의 항에 있어서,
   상기 결정된 최종의 엔진 운전점으로 엔진 작동을 제어하는 동시에, 기어단을 상기 최종의 엔진 운전점에 해당하는 엔진 속도의 기어단으로 변경하고, 운전자 요구 파워에 상응하는 운전자 요구 토크를 만족시키도록 모터 어시스트 제어 또는 모터 회생 제어를 수행하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 하이브리드 차량의 제어 방법.
   
7. 청구항 6에 있어서,
   모터 어시스트시에는 현재의 기어단을 상향 변속이 이루어지는 기어단으로 변경하고, 모터 회생시에는 현재의 기어단을 하향 변속이 이루어지는 기어단으로 변경하는 것을 특징으로 하는 하이브리드 차량의 제어 방법.
   
8. 청구항 2에 있어서,
   상기 엔진 속도들을 계산하는 단계에서,
   현재 기어단, 현재 기어단에서 1단 상향인 기어단, 및 현재 기어단에서 1단 하향인 기어단에서 각각 선택 가능한 엔진 속도들을 계산하는 것을 특징으로 하는 하이브리드 차량의 제어 방법.
   
9. 청구항 1에 있어서,
   현재의 배터리 SOC가 상기 정상 범위를 벗어난 경우, 무단 변속기의 현재 기어비를 기준으로 정해진 양만큼 기어비를 상향 및 하향으로 확장하여, 확장된 기어비 범위에서 선택 가능한 엔진 속도들을 계산하는 단계;
   상기 파워 맵 상에서 최적 운전 곡선을 따르는 것이면서 상기 계산된 엔진 속도들에 해당하는 운전점들 중, 현재의 배터리 SOC에 따라 운전점 후보들을 선정하는 단계; 및
   상기 선정된 운전점 후보들 중 하나를 최종의 엔진 운전점으로 결정하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 하이브리드 차량의 제어 방법.
   
10. 청구항 9에 있어서,
    상기 현재의 배터리 SOC에 따라 운전점 후보들을 선정하는 단계에서,
    현재의 배터리 SOC가 정상 범위 이내가 되도록 하기 위해 배터리를 방전시켜야 하는 방전 지향 상태인지, 배터리를 충전시켜야 하는 충전 지향 상태인지를 판단하고, 현재의 배터리 SOC가 방전 지향 상태인 것으로 판단한 경우 모터 어시스트가 이루어지는 운전점 후보들을 선정하는 것을 특징으로 하는 하이브리드 차량의 제어 방법.
    
11. 청구항 9에 있어서,
    상기 현재의 배터리 SOC에 따라 운전점 후보들을 선정하는 단계에서,
    현재의 배터리 SOC가 정상 범위 이내가 되도록 하기 위해 배터리를 충전시켜야 하는 방전 지향 상태인지, 배터리를 충전시켜야 하는 충전 지향 상태인지를 판단하고, 현재의 배터리 SOC가 충전 지향 상태인 것으로 판단한 경우 모터 회생이 이루어지는 운전점 후보들을 선정하는 것을 특징으로 하는 하이브리드 차량의 제어 방법.
    
12. 청구항 9에 있어서,
    상기 선정된 운전점 후보들 중 하나를 최종의 엔진 운전점으로 결정하는 단계에서,
    상기 선정된 각 운전점 후보에 대해 엔진 및 전기구동계의 열손실을 계산하고, 총 열손실량이 최저값을 나타내는 운전점 후보를 상기 최종의 엔진 운전점으로 결정하는 것을 특징으로 하는 하이브리드 차량의 제어 방법.
    
13. 청구항 9 내지 청구항 12 중 어느 하나의 항에 있어서,
    상기 결정된 최종의 엔진 운전점으로 엔진 작동을 제어하는 동시에, 기어비를 상기 최종의 엔진 운전점에 해당하는 엔진 속도의 기어비로 변경하고, 운전자 요구 파워에 상응하는 운전자 요구 토크를 만족시키도록 모터 어시스트 제어 또는 모터 회생 제어를 수행하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 하이브리드 차량의 제어 방법.
    
14. 청구항 13에 있어서,
    모터 어시스트시에는 기어비를 상향 변속이 이루어지는 기어비로 변경하고, 모터 회생시에는 기어비를 하향 변속이 이루어지는 기어비로 변경하는 것을 특징으로 하는 하이브리드 차량의 제어 방법.
    
15. 청구항 9에 있어서,
    상기 엔진 속도들을 계산하는 단계에서,
    상기 기어비 범위에서 무단 변속기의 현재 기어비를 기준으로 하는 상향 변속의 폭과 하향 변속의 폭은, 정상 범위의 배터리 SOC와 현재 배터리 SOC 사이의 편차에 비례하는 값으로 선택되는 것을 특징으로 하는 하이브리드 차량의 제어 방법.
    
    

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