KR20190049143A - 하이브리드 자동차 및 그를 위한 주행 모드 제어 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 하이브리드 자동차 및 그를 위한 주행 모드 제어 방법에 관한 것으로, 보다 상세히는 목적지까지의 경로 정보를 이용하여 배터리의 충전량 변동에 관련된 주행 모드 변경을 수행할 수 있는 하이브리드 자동차 및 그 제어방법에 관한 것이다. 본 발명의 일 실시예에 따른 하이브리드 자동차의 모드 전환 제어 방법은, 주행 경로 상에 배기가스 배출과 관련된 적어도 하나의 특정 지역이 존재하는 경우, 상기 적어도 하나의 특정 지역을 제1 주행모드로 주행하는데 소요되는 제1 에너지를 산출하는 단계; 상기 산출된 제1 에너지를 이용하여 상기 적어도 하나의 특정 지역을 배터리의 충전 상태 변동에 따라 제1 주행모드로 주행이 가능한지 여부를 판단하는 단계; 상기 판단 결과, 상기 제1 주행모드로 주행이 가능한 경우 상기 제1 에너지를 고려하여 상기 주행 경로를 제1 주행모드 또는 제2 주행모드로 주행하는 단계; 및 상기 판단 결과, 상기 제1 주행모드로 주행이 불가한 경우 적어도 하나의 충전 구간을 설정하는 단계를 포함할 수 있다.

Description

하이브리드 자동차 및 그를 위한 주행 모드 제어 방법{HYBRID VEHICLE AND METHOD OF CHANGING OPERATION MODE FOR THE SAME}
본 발명은 하이브리드 자동차 및 그를 위한 주행 모드 제어 방법에 관한 것으로, 보다 상세히는 목적지까지의 경로 정보를 이용하여 배터리의 충전량 변동에 관련된 주행 모드 변경을 수행할 수 있는 하이브리드 자동차 및 그 제어방법에 관한 것이다.
하이브리드 자동차(HEV: Hybrid Electric Vehicle)란 일반적으로 두 가지 동력원을 함께 사용하는 차를 말하며, 두 가지 동력원은 주로 엔진과 전기모터가 된다. 이러한 하이브리드 자동차는 내연기관만을 구비한 차량에 비해 연비가 우수하고 동력성능이 뛰어날 뿐만 아니라 배기가스 저감에도 유리하기 때문에 최근 많은 개발이 이루어지고 있다.
이러한 하이브리드 자동차는 어떠한 동력계통(Power Train)을 구동하느냐에 따라 두 가지 주행 모드로 동작할 수 있다. 그 중 하나는 전기모터만으로 주행하는 전기차(EV) 모드이고, 다른 하나는 전기모터와 엔진을 함께 가동하여 동력을 얻는 하이브리드 전기차(HEV) 모드이다. 하이브리드 자동차는 주행 중 조건에 따라 두 모드 간의 전환을 수행한다.
상술한 동력계통에 따른 주행 모드의 구분 외에, 특히 플러그인 하이브리드 자동차(PHEV)의 경우 배터리의 충전 상태(SOC: State Of Charge)의 변동을 기준으로, 방전(CD: Charge Depleting) 모드와 충전 유지(CS: Charge Sustaining) 모드로 주행 모드를 구분할 수도 있다. 일반적으로 CD 모드에서는 배터리의 전력으로 전기 모터를 구동하여 주행하게 되며, CS 모드에서는 배터리 SOC가 더 낮아지지 않도록 엔진의 동력을 주로 이용하게 된다.
일반적인 PHEV의 경우 주행 부하, 충전 가능 여부, 목적지까지의 거리 등 주행조건과 무관하게 CD 모드로 주행한 후 SOC 소진에 따라 CS 모드로 전환을 수행한다. 이를 도 1을 참조하여 설명한다.
도 1은 일반적인 플러그인 하이브리드 차량의 모드 전환이 수행되는 형태의 일례를 나타낸다.
도 1에서 가로축은 거리를, 상단 그래프의 세로축은 PHEV의 배터리 충전 상태(SOC)를, 하단 그래프의 세로축은 주행 부하를 각각 나타낸다.
도 1의 하단 그래프를 먼저 참조하면, 출발지와 목적지 사이에 도심, 국도, 고속도로 구간이 혼재하며, 고속도로-국도-도심 순으로 주행부하가 상대적으로 낮은 경로가 나타나 있다. 이러한 경로를 주행함에 있어 일반적인 PHEV는 주행 부하의 변동에 대한 고려 없이 출발시에는 CD 모드로 시작하여, SOC가 기 설정된 기준 밑으로 떨어지는 경우 CS 모드로의 전환을 수행한다.
그런데, CD 모드는 저속/저부하 주행시에, CS 모드는 고속/고부하 주행시에 상대적으로 유리한 효율을 보인다. 따라서, 상술한 바와 같이 SOC 값에만 기반하여 모드 전환을 수행하게 되는 경우, 주행 부하와 하이브리드 파워 트레인의 에너지 효율 특성이 고려되지 않기 때문에 경로에 따라 효율이 크게 떨어질 수 있다. 이러한 하이브리드 파워 트레인의 에너지 효율 특성을 도 2를 참조하여 설명한다.
도 2는 일반적인 하이브리드 차량의 파워트레인 에너지 효율 특성을 설명하기 위한 도면이다.
도 2에서 가로축은 파워트레인의 출력(POWER)을, 세로축은 파워트레인의 시스템 효율을 각각 나타낸다.
도 2를 참조하면, 출력이 낮은 구간에서는 전기 모터를 이용한 EV 모드 주행이 효과적이나, EV 모드의 효율과 HEV 모드의 효율이 서로 교차되는 지점(A) 이후로는 HEV 모드 주행이 더 효과적이다. 또한, 일반적으로 전기 모터는 엔진보다 최대 출력 지점(C)에 먼저 도달하게 된다.
따라서, (A) 지점이 CS 모드에서 엔진 기동의 기준이 될 수 있으며, HEV 모드의 효율이 최대가 되는 지점(B)이 CD 모드에서 엔진 기동의 기준이 될 수 있다.
상술한 효율 문제를 개선하기 위해 적응형 모드 전환(Adaptice CD/CS) 방식이 고려될 수 있다. 적응형 모드 전환 방식은 전기 모터만으로 주행 가능한 거리(AER: All Electric Range) 보다 장거리를 주행 하는 경우에 다음 충전 전까지의 주행거리(DUC: Distance Until Charge)와 EV 모드 주행가능거리(DTE: Drive To Empty) 및 주행조건 등을 이용하여 CD/CS모드를 최적 효율에 따라 자동 전환하는 제어 방식이다.
예컨대, 적응형 모드 전환 방식이 적용되는 경우, 차량은 주행 조건에 기반하여 현재의 주행부하가 일정값 이상인 경우 CS 모드로 주행하고, 주행 부하가 낮을 경우 CD 모드로 주행할 수 있다. 물론, 차량은 주행 부하가 큰 구간이라도 DUC≤DTE인 경우, CD 주행으로 SOC를 소진하여 DUC 내에서 SOC를 소진하도록 유도할 수도 있다. 이러한 적응형 모드 전환 방식을 도 3을 참조하여 설명한다.
도 3은 일반적인 플러그인 하이브리드 차량에서 적응형 모드 전환 방식이 적용된 경우 모드 전환이 수행되는 형태의 일례를 나타낸다. 도 3에서 가로축과 세로축의 의미 및 경로 구성은 도 1과 동일한 것으로 가정한다.
도 3을 참조하면, 처음 주행은 CD 모드로 시작되나, 기 설정된 주행 부하를 넘는 구간(여기서는 고속도로)에 진입하는 경우 SOC가 일정 값 이상이라도 CS 모드로 전환하게 되며, DUC≤DTE인 구간에서 다시 CD 모드로 전환되어 효율적인 주행이 가능하다.
다만, 상술한 제어 방식들은 친환경 차량의 운용에 있어서 효율성에만 치중한 것으로, 친환경 차량이 앞으로 나아가야 할 궁극적인 목표와는 거리가 있다. 예컨대, 효율성을 만족하면서도 법규, 환경, 안전, 보행자 밀도 등의 이유로 배출가스의 저감이 바람직한 지역에서 엔진 가동을 최소화할 수 있는 방안이 요구된다.
본 발명은 보다 효율적으로 모드 전환 제어를 수행하는 방법 및 그를 수행하는 하이브리드 차량을 제공하기 위한 것이다.
특히, 본 발명은 친환경 차량의 운행에 있어서 특정 지역에서 엔진 가동을 최소화할 수 있는 방법 및 그를 수행하는 차량을 제공하기 위한 것이다.
본 발명에서 이루고자 하는 기술적 과제들은 이상에서 언급한 기술적 과제들로 제한되지 않으며, 언급하지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
상기와 같은 기술적 과제를 해결하기 위하여, 본 발명의 일 실시예에 따른 하이브리드 자동차의 모드 전환 제어 방법은, 주행 경로 상에 배기가스 배출과 관련된 적어도 하나의 특정 지역이 존재하는 경우, 상기 적어도 하나의 특정 지역을 제1 주행모드로 주행하는데 소요되는 제1 에너지를 산출하는 단계; 상기 산출된 제1 에너지를 이용하여 상기 적어도 하나의 특정 지역을 배터리의 충전 상태 변동에 따라 제1 주행모드로 주행이 가능한지 여부를 판단하는 단계; 상기 판단 결과, 상기 제1 주행모드로 주행이 가능한 경우 상기 제1 에너지를 고려하여 상기 주행 경로를 제1 주행모드 또는 제2 주행모드로 주행하는 단계; 및 상기 판단 결과, 상기 제1 주행모드로 주행이 불가한 경우 적어도 하나의 충전 구간을 설정하는 단계를 포함할 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 하이브리드 자동차는, 주행 경로 상에 배기가스 배출과 관련된 적어도 하나의 특정 지역이 존재하는 경우, 상기 적어도 하나의 특정 지역을 포함한 상기 주행 경로에 대한 정보를 획득하는 제1 제어기; 및 상기 제1 제어기로부터 전달된 상기 정보를 이용하여 상기 적어도 하나의 특정 지역을 제1 주행모드로 주행하는데 소요되는 제1 에너지를 산출하고, 상기 산출된 제1 에너지를 이용하여 상기 적어도 하나의 특정 지역을 배터리의 충전 상태 변동에 따라 제1 주행모드로 주행이 가능한지 여부를 판단하며, 상기 판단 결과, 상기 제1 주행모드로 주행이 가능한 경우 상기 제1 에너지를 고려하여 상기 주행 경로를 제1 주행모드 또는 제2 주행모드로 주행하도록 제어하고, 상기 제1 주행모드로 주행이 불가한 경우 적어도 하나의 충전 구간을 설정하는 제2 제어기를 포함할 수 있다.
상기와 같이 구성되는 본 발명의 적어도 하나의 실시예에 관련된 하이브리드 자동차는 보다 효율적으로 모드 전환 제어를 수행할 수 있다.
특히, 운행 경로에 특정 지역이 포함된 경우, 해당 지역에서 CD 모드 주행이 최대한 수행되도록 운행 모드가 결정되기 때문에 특정 지역에서 엔진 가동을 최소화할 수 있다.
본 발명에서 얻을 수 있는 효과는 이상에서 언급한 효과들로 제한되지 않으며, 언급하지 않은 또 다른 효과들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
도 1은 일반적인 플러그인 하이브리드 차량의 모드 전환이 수행되는 형태의 일례를 나타낸다.
도 2는 일반적인 하이브리드 차량의 파워트레인 에너지 효율 특성을 설명하기 위한 도면이다.
도 3은 일반적인 플러그인 하이브리드 차량에서 적응형 모드 전환 방식이 적용된 경우 모드 전환이 수행되는 형태의 일례를 나타낸다.
도 4는 본 발명의 실시예들이 적용될 수 있는 특정 지역의 개념을 설명하기 위한 도면이다.
도 5는 본 발명의 실시예들이 적용될 수 있는 하이브리드 자동차의 파워 트레인 구조의 일례를 나타낸다.
도 6은 본 발명의 실시예들이 적용될 수 있는 하이브리드 자동차의 제어 계통의 일례를 나타내는 블럭도이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 그린존 필요 에너지를 판단하는 형태의 일례를 나타낸다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 그린존 필요 에너지와 총 배터리 에너지가 비교되는 형태의 일례를 나타낸다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 여유 에너지에 기반한 모드 전환 기준 설정이 수행되는 형태의 일례를 나타낸다.
도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 충전 구간이 결정되는 형태의 일례를 나타낸다.
도 11은 본 발명의 일 실시예에 따른 경로 상에 충전 구간이 할당된 형태의 일례를 나타낸다.
도 12는 본 발명의 일 실시예에 따른 모드 전환 제어 과정의 일례를 나타낸 순서도이다.
아래에서는 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시 예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시 예에 한정되지 않는다. 그리고 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다.
명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성 요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다. 또한, 명세서 전체에 걸쳐서 동일한 참조번호로 표시된 부분들은 동일한 구성요소들을 의미한다.
본 발명의 실시예에 따른 모드 전환 방법을 설명하기 앞서, 도 4를 참조하여 엔진 가동이 억제되어야 하는 지역의 개념을 설명한다.
도 4는 본 발명의 실시예들이 적용될 수 있는 특정 지역의 개념을 설명하기 위한 도면이다.
도 4를 참조하면, 본 발명의 실시예들에서는 목적지(410)와 도착지(420) 사이에 배기 가스 저감 또는 배출 금지가 요구되는 특정 지역(430)이 존재하는 경우를 가정한다. 이러한 특정 지역(430)은 미리 설정되어 있는 지역일 수도 있고, 현재/최근 상황에 따라 가변적으로 설정되는 것일 수도 있다. 여기서, 미리 설정되는 경우라 함은, 법규나 정부 정책 등에 의해 설정된 지역(예컨대, 런던이나 서울 등의 배출가스 관리 지역)일 수도 있고, 지역 특성에 의해 배출가스 저감이 필요한 지역(예컨대, 어린이 보호 구역, 실내 주차장, 주거지역 등) 등이 이에 해당할 수 있다. 또한, 가변적으로 설정되는 지역이라 함은, 텔레매틱스 등의 무선 정보를 통해 현재 설정 여부를 확인할 수 있는 지역, 차량에 구비된 화상(Vision) 정보 획득장치(ADAS 시스템 등)를 통해 판단된 보행자 밀집지역 등이 이에 해당할 수 있다. 구체적으로, 대기 환경 정보의 참조에 따른 특정 지역의 대기 상황이 악화된 경우, 스마트폰의 위치 정보를 활용한 빅데이터 기반으로 보행자가 밀집한 지역으로 판단된 경우, 텔레매틱스 서비스 등을 통해 수집된 차량 평균속도와 통행량을 기반으로 배출가스가 다량 발생할 것으로 추정되는 경우 등에 해당 지역이 특정 지역(430)으로 설정될 수 있다.
특정 지역(430)은 임의의 행정 구역 단위로 설정될 수도 있고, 경계점이 되는 복수의 좌표들을 잇는 구역으로 설정될 수도 있으며, 특정 시설 자체/일부 또는 특정 시설/좌표로부터 일정 반경 거리 내의 구역으로 설정될 수도 있다.
물론, 상술한 특정 지역의 설정례는 예시적인 것으로, 본 발명은 실시예들은 이러한 특정 지역의 설정 기준, 설정 범위, 설정 기간 등에 의해 한정되지 아니한다. 또한, 특정 지역(430)은 출발지(410)와 목적지(420) 사이에 위치함을 상정하나, 반드시 목적지(420)가 AVN(Audio/Video/Navigation) 시스템의 네비게이션 기능 상에서 명시적으로 사용자에 의해 설정될 것이 요구되는 것은 아니다. 예컨대, 목적지(420)는 운전자의 운행 패턴이나 미리 설정된 운행 조건(시간, 지역 등)에 따라 차량에서 임의로 설정한 것일 수도 있다. 다만, 이러한 특정 지역(430)의 경로 내 존재 여부 및 규모는 모드 분배를 위해 적어도 해당 지역에 진입하기 전에 차량에 획득되는 것이 바람직하다.
이하의 기재에서는 편의상 배기 가스 저감/배출 금지가 요구되는 특정 지역을 "그린존(Green Zone)"이라 칭하기로 한다.
다음으로, 도 5를 참조하여 본 발명의 실시예들이 적용될 수 있는 하이브리드 자동차 구조를 설명한다.
도 5는 본 발명의 실시예들이 적용될 수 있는 하이브리드 자동차의 파워 트레인 구조의 일례를 나타낸다.
도 5를 참조하면, 내연기관 엔진(ICE, 110)과 변속기(150) 사이에 전기 모터(또는 구동용 모터, 140)와 엔진클러치(EC: Engine Clutch, 130)를 장착한 병렬형(Parallel Type) 하이브리드 시스템을 채용한 하이브리드 자동차의 파워 트레인이 도시된다.
이러한 차량에서는 일반적으로 시동후 운전자가 엑셀레이터를 밟는 경우, 엔진 클러치(130)가 오픈된 상태에서 먼저 배터리의 전력을 이용하여 모터(140)가 구동되고, 모터의 동력이 변속기(150) 및 종감속기(FD: Final Drive, 160)를 거쳐 바퀴가 움직이게 된다(즉, EV 모드). 차량이 서서히 가속되면서 점차 더 큰 구동력이 필요하게 되면, 보조 모터(또는, 시동발전 모터, 120)가 동작하여 엔진(110)을 구동할 수 있다.
그에 따라 엔진(110)과 모터(140)의 회전속도가 동일해 지면 비로소 엔진 클러치(130)가 맞물려 엔진(110)과 모터(140)가 함께, 또는 엔진(110)이 차량를 구동하게 된다(즉, EV 모드에서 HEV 모드 천이). 차량이 감속되는 등 기 설정된 엔진 오프 조건이 만족되면, 엔진 클러치(130)가 오픈되고 엔진(110)은 정지된다(즉, HEV 모드에서 EV 모드 천이). 또한, 하이브리드 차량에서는 제동시 휠의 구동력을 전기 에너지로 변환하여 배터리를 충전할 수 있으며, 이를 제동에너지 회생, 또는 회생 제동이라 한다.
시동발전 모터(120)는 엔진에 시동이 걸릴 때에는 스타트 모터의 역할을 수행하며, 시동이 걸린 후 또는 시동 오프시 엔진의 회전 에너지 회수시에는 발전기로 동작하기 때문에 "하이브리드 스타트 제너레이터(HSG: Hybrid Start Generator)"라 칭할 수 있으며, 경우에 따라 "보조 모터"라 칭할 수도 있다.
상술한 파워 트레인이 적용되는 차량에서 제어기 간의 상호관계가 도 6에 도시된다.
도 6은 본 발명의 실시예들이 적용될 수 있는 하이브리드 자동차의 제어 계통의 일례를 나타내는 블럭도이다.
도 6을 참조하면, 본 발명의 실시예들이 적용될 수 있는 하이브리드 자동차에서 내연기관(110)은 엔진 제어기(210)가 제어하고, 시동발전 모터(120) 및 전기 모터(140)는 모터 제어기(MCU: Motor Control Unit, 220)에 의해 토크가 제어될 수 있으며, 엔진 클러치(130)는 클러치 제어기(230)가 각각 제어할 수 있다. 여기서 엔진 제어기(210)는 엔진 제어 시스템(EMS: Engine Management System)이라도 한다. 또한, 변속기(150)는 변속기 제어기(250)가 제어하게 된다. 경우에 따라, 시동발전 모터(120)의 제어기와 전기 모터(140) 각각을 위한 제어기가 별도로 구비될 수도 있다.
각 제어기는 그 상위 제어기로서 모드 전환 과정 전반을 제어하는 하이브리드 제어기(HCU: Hybrid Controller Unit, 240)와 연결되어, 하이브리드 제어기(240)의 제어에 따라 주행 모드 변경, 기어 변속시 엔진 클러치 제어에 필요한 정보, 및/또는 엔진 정지 제어에 필요한 정보를 그(240)에 제공하거나 제어 신호에 따른 동작을 수행할 수 있다.
보다 구체적으로, 하이브리드 제어기(240)는 차량의 운행 상태에 따라 모드 전환 수행 여부를 결정한다. 일례로, 하이브리드 제어기는 엔진 클러치(130)의 해제(Open) 시점을 판단하고, 해제시에 유압(습식 EC인 경우)제어나 토크 용량 제어(건식 EC인 경우)를 수행한다. 또한, 하이브리드 제어기(240)는 EC의 상태(Lock-up, Slip, Open 등)를 판단하고, 엔진(110)의 연료분사 중단 시점을 제어할 수 있다. 또한, 하이브리드 제어기는 엔진 정지 제어를 위해 시동발전 모터(120)의 토크를 제어하기 위한 토크 지령을 모터 제어기(220)로 전달하여 엔진 회전 에너지 회수를 제어할 수 있다. 아울러, 하이브리드 제어기(240)는 후술할 본 발명의 실시예들에 따른 적응형 모드 전환 제어시 모드 전환 조건의 판단 및 전환을 위한 하위 제어기의 제어가 가능하다.
물론, 상술한 제어기간 연결관계 및 각 제어기의 기능/구분은 예시적인 것으로 그 명칭에도 제한되지 아니함은 당업자에 자명하다. 예를 들어, 하이브리드 제어기(240)는 그를 제외한 다른 제어기들 중 어느 하나에서 해당 기능이 대체되어 제공되도록 구현될 수도 있고, 다른 제어기들 중 둘 이상에서 해당 기능이 분산되어 제공될 수도 있다.
이하에서는 상술한 차량 구조를 바탕으로, 본 발명의 일 실시예에 따른 보다 효율적인 모드 전환 제어 방법을 설명한다.
따라서, 본 발명의 일 실시예에서는 주행 경로 정보를 이용하여, 경로 상에 그린존이 존재하는 경우, 그린존 내에서 CD 모드로 주행이 수행될 수 있도록 모드 전환이 수행되도록 할 것을 제안한다.
본 실시예의 일 양상에 의하면, 주행 경로 정보는 네비게이션 정보일 수 있다. 여기서, 네비게이션 정보라 함은 그린존 여부, 도로의 종류, 경사도, 평균차속, 정체도(실시간 교통 정보) 중 적어도 하나를 포함할 수 있으며, 일반적으로 네비게이션 시스템, 즉, AVN(Audio/Video/Navigation) 시스템을 통해 획득될 수 있으나, 반드시 이에 한정되는 것은 아니다. 예컨대, 네비게이션 정보는 텔레매틱스 모뎀을 통해 텔레매틱스 센터로부터 획득되거나, 무선통신 모듈을 이용한 데이터 센터/서버/클라우드 접속을 통해 획득될 수도 있으며, 차속 정보 등은 차량 내의 다양한 센서를 통해 획득될 수도 있다.
또한, 본 실시예의 일 양상에 의하면, 그린존 내에서의 CD 모드 주행을 최대화하기 위하여, 경로상 파악된 그린존에서 CD 모드 주행에 필요한 에너지(이하, 편의상 "그린존 필요 에너지"라 칭함)를 판단하고, 이를 현재 배터리에 저장된 에너지 중 CD 모드 주행에 사용할 수 있는 총 에너지(이하, 편의상 "총 CD 주행 에너지"라 칭함)와 비교하도록 할 수 있다. 비교 결과에 따라, CD 모드 전환 기준이 설정되도록 하거나 CS 모드에서 추가적인 충전이 수행되도록 할 수 있다.
이하, 도 7 내지 도 13을 참조하여 본 실시예에 따른 모드 제어 방법을 상세히 설명한다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 그린존 필요 에너지를 판단하는 형태의 일례를 나타낸다. 도 7에서는 평균 차속과 경사도를 이용하여 해당 구간의 예상 소모 에너지를 구하는 것으로 가정하나, 본 실시예는 이에 한정되지 아니하고 도로 종류, 차속 변화율 등 예상 소모 에너지에 영향을 주는 다양한 인자들이 추가로 고려될 수 있음은 물론이다.
도 7을 참조하면, 네비게이션 정보에서 목적지까지 주행 경로 상에서 두 개의 그린존이 존재하며, 각 그린존에서 평균 차속 정보와 경사도 정보를 이용하여 각 그린존을 CD 모드로 주행할 때 소모될 것으로 예상되는 에너지, 즉, 그린존 필요 에너지가 배터리 SOC(State of Charge) 형태로 산출될 수 있다. 보다 상세히, 차속 정보와 경사도 정보에 따라 해당 구간에서의 평균 배터리 소모율이 획득될 수 있으며, 평균 배터리 소모율에 해당 구간의 길이를 곱하는 방법으로 그린존 필요 에너지가 산출될 수 있다. 여기서, 평균 배터리 소모율은 차속과 경사도 등 영향을 미치는 인자별로 미리 준비된 비교 기준 정보(예컨대, 룩업 테이블)를 참조하는 형태로 획득될 수도 있고, 소정의 공식에 대입하여 산출하는 방식으로 획득될 수도 있다. 또한, 해당 구간의 길이는 네비게이션 정보를 통해 획득될 수 있다.
전술된 바와 같이, 도 7과 같은 과정을 통해 구해진 그린존 필요 에너지는 총 CD 주행 에너지와 비교될 수 있다. 이를 도 8을 참조하여 설명한다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 그린존 필요 에너지와 총 CD 주행 에너지가 비교되는 형태의 일례를 나타낸다. 도 8에서, 비교의 대상은 총 배터리 에너지와, 주행 경로 상에 존재하는 적어도 하나의 그린존 각각에 대한 그린존 필요 에너지의 합이 된다.
도 8의 좌측은 총 배터리 에너지가 그린존 필요 에너지보다 큰 경우를, 우측은 총 배터리 에너지가 그린존 필요 에너지보다 작은 경우를 각각 나타낸다. 좌측의 경우에는 그린존 전체를 CD 모드만으로 주행할 수 있음을 의미하고, 우측의 경우 추가로 배터리 충전이 수행되지 않는 한, 현재 총 CD 주행 에너지로는 그린존 전체를 CD 모드만으로 주행하기에는 에너지가 부족함을 의미한다.
이하에서는 총 배터리 에너지와 그린존 필요 에너지의 비교 결과에 따른 주행 전략을 설명한다.
먼저, 총 CD 주행 에너지가 그린존 필요 에너지보다 큰 경우의 주행 전략을 설명한다.
총 CD 주행 에너지가 그린존 필요 에너지보다 큰 경우, 그린존 전체 구간에서 CD 모드 주행이 가능하게 된다. 따라서, 총 CD 주행 에너지에서 그린존 필요 에너지를 차감한 분량의 여유 에너지는 CS 모드 주행시 버퍼 역할로 남겨질 수도 있고, 적어도 일부가 주행 경로에서 그린존을 제외한 나머지 구간에서의 CD 모드 주행에 할당될 수 있다. 여유 에너지의 할당은 모드 전환을 위한 기준 SOC를 변경하는 형태로 수행될 수 있다. 이를 도 9를 참조하여 설명한다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 여유 에너지에 기반한 모드 전환 기준 설정이 수행되는 형태의 일례를 나타낸다.
도 9에서는 상단 그래프 2개와 하단 그래프 하나가 도시되며, 상단과 하단에 공통적으로 일부 배터리 SOC는 효율적인 CS 모드 주행을 위한 버퍼 기능 수행을 위해 리저브(reserve)되는 것으로 가정하며, 버퍼의 크기 만큼이 CD/CS 모드 전환을 위한 디폴트 또는 절대적 전환기준으로 설정되는 것을 가정한다. 즉, 디폴트 전환기준 또는 절대적 전환기준 이하로 배터리 SOC가 떨어지는 경우, 하이브리드 차량은 CS 모드로 천이하게 된다. 여기서 디폴트 또는 절대적 전환기준은 미리 설정된 값이며, 차량마다 가변적일 수 있다.
도 9의 상단을 먼저 참조하면, 그린존에 진입한 경우 차량은 CD 모드로 주행하기 때문에 CD 모드로 주행 가능한 에너지(즉, 총 CD 주행 에너지)는 그린존 주행에 사용한 에너지(910)만큼 차감된다.
한편, 그린존을 제외한 구간을 주행하는 경우에는 도 9의 하단 그래프와 같이 CD/CS 모드 전환 기준 SOC를 잔여 그린존 필요 에너지만큼 상향되도록 할 수 있다. 이러한 경우, 그린존에 도달하기 전에 CD 모드 주행이 수행되더라도, 그린존 필요 에너지를 온전히 남기고 CS 모드로 전환되기 때문에 그린존에서의 CD 모드 주행이 보장될 수 있다. 물론, 전체 SOC에서 그린존 필요 에너지와 CS 모드 주행영역 버퍼를 제외한 SOC(920)는 CD 모드 주행에 이용될 수 있으며, 이러한 SOC를 이용한 CD<->CS 모드간 전환은 전술한 SOC 기반의 모드 전환 방식이나 주행 부하 기반의 모드 전환 방식 중 어느 방식을 이용하여도 무방하다.
다음으로, 총 CD 주행 에너지가 그린존 필요 에너지보다 작은 경우의 주행 전략을 설명한다. 이러한 상황에서의 주행 전략은 전술한 총 CD 주행 에너지가 그린존 필요 에너지보다 큰 경우의 주행 전략과 기본적으로 유사하나, 그린존 이외의 구간에서 충전이 수행되는 차이점이 있다. 충전이 수행되기 위해, 그린존 이외의 구간에 대한 주행 경로 정보를 이용하여 충전 구간이 설정될 수 있다.
충전 구간은 평균 차속, 경사도, 도로 종류, 차속 변화율 등의 정보를 활용하여 구간별 평균 주행부하를 추정하고, 시스템 효율 특성에 따라 가장 충전에 적합한 평균 주행부하를 갖는 구간을 충전 구간으로 설정하는 방법이 적용될 수 있다. 이를 도 10을 참조하여 설명한다.
도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 충전 구간이 결정되는 형태의 일례를 나타낸다.
도 10을 참조하면, 평균 주행부하와 시스템 효율의 관계가 도시된다. 도 10에서는 충전의 효율성을 위해, CS 모드 주행에서 파워트레인 시스템이 최대 효율을 보이는 최적효율파워를 출력하는 운전점, 예컨대, 엔진의 최고 효율 운전점에서 항상 충전이 수행되는 경우를 가정한다.
최적효율파워에 근접할수록 충전량은 적으나, 경로 손실이 적기 때문에 (B)에 해당하는 평균 주행부하를 갖는 구간이 (A)에 해당하는 평균 주행부하를 갖는 구간보다 효율면에서 바람직하다. 또한, (C)에 해당하는 평균 주행부하를 갖는 구간은 최적효율파워보다 평균 주행부하가 더 크기 때문에 충전이 이루어질 수 없다. 따라서, 충전 구간은 최적효율파워가 평균 주행부하보다 큰 구간이되, 시스템 최적효율파워와 차이가 작을수록 높은 우선순위를 갖도록 선택되는 것이 바람직하다.
한편, 구간 예상 충전에너지는 구간 예상 충전파워와 구간거리의 곱이 되고, 다시 구간 예상 충전 파워는 시스템 최적효율파워에서 평균 주행부하를 차감한 값으로 구해질 수 있다. 따라서, 총 CD 주행 에너지와 구간 예상 충전에너지의 합이 그린존 필요 에너지 이상이 될 때까지 다음 순위의 충전 구간이 순차적으로 선택될 수 있다.
이러한 충전 구간이 할당된 형태의 일례가 도 11에 도시된다.
도 11은 본 발명의 일 실시예에 따른 경로 상에 충전 구간이 할당된 형태의 일례를 나타낸다.
도 11을 참조하면, 두 개의 그린존 바로 앞 구간이 상술한 충전 구간으로의 조건이 만족되어 각각 충전 구간으로 할당된 경우가 도시된다. 다만, 도 11에 도시된 충전 구간 할당 형태는 예시적인 것으로, 둘 이상의 충전 구간이 선택될 경우, 충전 구간 각각이 서로 인접할 필요도 없고 그린존과 인접해야 하는 것도 아니다. 다만, 임의의 그린존 진입 이전에 해당 그린존에 대한 필요 에너지 이상의 SOC가, 보다 바람직하게는 해당 그린존에 대한 필요 에너지 및 CS 모드 주행을 위한 버퍼 SOC의 합에 해당하는 SOC가 남아있도록 충전 구간이 설정되어야 한다.
지금까지 설명한 그린존을 고려한 모드 전환 제어 과정을 순서도로 나타내면 도 12와 같다.
도 12는 본 발명의 일 실시예에 따른 모드 전환 제어 과정의 일례를 나타낸 순서도이다.
도 12를 참조하면, 먼저 주행 경로상의 그린존이 파악될 수 있다(S1210). 여기서 파악된다고 함은, 경로 상에 적어도 하나의 그린존의 존재 여부, 존재하는 경우 각 그린존에 대한 그린존 필요 에너지가 산출됨을 의미할 수 있다. 전술된 바와 같이, 그린존 필요 에너지는 해당 그린존의 평균 배터리 소모율과 구간 거리의 곱으로 구해질 수 있으며, 평균 배터리 소모율은 다시 평균 차속, 경사도, 도로종류, 차속 변화율 중 적어도 하나를 이용하여 구해질 수 있다. 또한, 평균 배터리 소모율을 구하기 위한 각 정보는 네비게이션 정보를 통해 획득될 수 있다.
그린존이 파악되면, 현재 배터리 에너지, 즉, 총 CD 주행 에너지와 그린존 필요 에너지를 비교하여 그린존을 CD 모드로 주행할 수 있는지 여부가 판단된다(S1220).
비교 결과에 따라, 주행이 가능한 경우 그린존에 진입한 것으로 판단되면(S1230), 하이브리드 차량은 그린존 구간을 CD 모드로 주행할 수 있다(S1240A). 이때, 그린존 필요 에너지는 CD 모드 주행을 통해 소진된 만큼 차감하는 방식으로 업데이트될 수 있다. 또한, 하이브리드 차량은 그린존 구간을 CD 모드로 주행함에 있어, 그린존 진입전의 주행 모드와 무관하게 CD 모드로 주행할 수 있다. 예컨대, 하이브리드 차량은 그린존 진입전 CS 모드로 주행한 경우 CD 모드로 천이하고, 그린존 진입전 CD 모드로 주행한 경우 그린존을 주행하는 동안 CD 모드를 계속 유지할 수 있다.
총 CD 주행 에너지와 그린존 필요 에너지를 비교한 결과 그린존을 CD 모드로 주행할 수 있는 상황에서, 현재 위치가 그린존이 아닌 경우에는 그린존 필요 에너지를 고려하여 CD 모드 주행 또는 CS 모드 주행을 수행할 수 있다(S1240B). 구체적인 모드 전환 기준의 설정/변경 조건에 대해서는 도 9를 참조하여 전술한 바와 같으므로 중복되는 설명은 생략하기로 한다.
한편, 총 CD 주행 에너지보다 그린존 필요 에너지가 더 큰 경우에는, 충전 구간이 설정될 수 있다(S1250). 충전 구간이 설정되면, 설정된 충전 구간에서 충전될 것으로 기대되는 에너지인 구간 예상 충전에너지가 산출될 수 있다(S1260). 충전 구간의 설정 및 추가 할당 방법에 대해서는 도 10 및 도 11을 참조하여 전술한 바와 같으므로 중복되는 설명은 생략하기로 한다.
구간 예상 충전에너지가 산출되면, 충전 구간이 추가로 설정될 필요가 있는지 여부가 판단될 수 있다(S1270). 구체적으로, 구간 예상 충전에너지와 총 CD 주행 에너지의 합이 그린존 필요 에너지 이상이 되면, 충전 구간이 추가로 설정될 필요가 없으며, 그렇지 않으면 S1250 단계로 돌아가 충전 구간이 추가로 설정될 수 있다.
충전 구간 설정이 완료된 후 충전 구간에 진입하면(S1280), CS 모드로 주행하면서 배터리 SOC가 충전될 수 있으며(S1290), 충전 구간이 아닌 경우에는 다시 그린존인지 여부에 따라 주행 모드가 결정될 수 있다.
전술된 기재에서 각 단계의 판단 주체는 하나의 제어기일 수도 있고, 둘 이상의 제어기일 수도 있다. 예컨대, 그린존을 파악하는 단계(S1210), 그린존 진입 여부 판단(S1230), 충전 구간 진입 여부 판단(S1280) 등의 단계는 AVN(Audio/Video/Navigation) 시스템이 수행한 후 그 결과를 하이브리드 제어기로 전달하는 방법으로 수행될 수도 있고, 하이브리드 제어기가 GPS 모듈을 포함하는 AVN 시스템으로부터 해당 단계를 수행하기 위한 정보(예컨대, 그린존의 위치, 길이, 경사도, 도로 종류, 그린존 진입 여부, 정체도, 차속 변화, 현재 위치 등)만 수신한 후 연산/결정 등의 나머지 과정은 하이브리드 제어기에서 수행될 수도 있다.
전술한 본 발명은, 프로그램이 기록된 매체에 컴퓨터가 읽을 수 있는 코드로서 구현하는 것이 가능하다. 컴퓨터가 읽을 수 있는 매체는, 컴퓨터 시스템에 의하여 읽혀질 수 있는 데이터가 저장되는 모든 종류의 기록장치를 포함한다. 컴퓨터가 읽을 수 있는 매체의 예로는, HDD(Hard Disk Drive), SSD(Solid State Disk), SDD(Silicon Disk Drive), ROM, RAM, CD-ROM, 자기 테이프, 플로피 디스크, 광 데이터 저장 장치 등이 있다.
따라서, 상기의 상세한 설명은 모든 면에서 제한적으로 해석되어서는 아니되고 예시적인 것으로 고려되어야 한다. 본 발명의 범위는 첨부된 청구항의 합리적 해석에 의해 결정되어야 하고, 본 발명의 등가적 범위 내에서의 모든 변경은 본 발명의 범위에 포함된다.

Claims (19)

  1. 하이브리드 자동차의 모드 전환 제어 방법에 있어서,
    주행 경로 상에 배기가스 배출과 관련된 적어도 하나의 특정 지역이 존재하는 경우, 상기 적어도 하나의 특정 지역을 제1 주행모드로 주행하는데 소요되는 제1 에너지를 산출하는 단계;
    상기 산출된 제1 에너지를 이용하여 상기 적어도 하나의 특정 지역을 배터리의 충전 상태 변동에 따라 제1 주행모드로 주행이 가능한지 여부를 판단하는 단계;
    상기 판단 결과, 상기 제1 주행모드로 주행이 가능한 경우 상기 제1 에너지를 고려하여 상기 주행 경로를 제1 주행모드 또는 제2 주행모드로 주행하는 단계; 및
    상기 판단 결과, 상기 제1 주행모드로 주행이 불가한 경우 적어도 하나의 충전 구간을 설정하는 단계를 포함하는, 하이브리드 자동차의 모드 전환 제어 방법.
  2. 제1 항에 있어서,
    상기 판단하는 단계는,
    상기 배터리에 현재 저장된 에너지 중 상기 제1 주행모드에 이용할 수 있는 총 에너지인 제2 에너지와 상기 제1 에너지를 비교하는 단계;
    상기 비교 결과, 상기 제2 에너지가 상기 제1 에너지 이상이면 상기 제1 주행모드로 주행이 가능한 것으로 판단하는 단계; 및
    상기 비교 결과, 상기 제1 에너지가 상기 제2 에너지보다 크면 상기 제1 주행모드로 주행이 불가한 것으로 판단하는 단계를 포함하는, 하이브리드 자동차의 모드 전환 제어 방법.
  3. 제2 항에 있어서,
    상기 제2 에너지는, 상기 현재 저장된 에너지에서 상기 제2 주행모드로의 기 설정된 전환 기준이 되는 에너지를 차감하여 구해지는, 하이브리드 자동차의 모드 전환 제어 방법.
  4. 제1 항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 특정 지역에 진입하는 경우, 이전 주행모드와 무관하게 상기 제1 주행모드로 주행하는 단계를 더 포함하는, 하이브리드 자동차의 모드 전환 제어 방법.
  5. 제1 항에 있어서,
    상기 제1 주행모드 또는 제2 주행모드로 주행하는 단계는,
    상기 제2 주행모드로의 기 설정된 전환 기준이 되는 에너지에 상기 제1 에너지를 추가하여 상기 제2 주행모드로의 전환 기준을 설정하는 단계를 포함하는, 하이브리드 자동차의 모드 전환 제어 방법.
  6. 제1 항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 충전 구간을 설정하는 단계는,
    상기 주행 경로에서 평균 주행 부하 및 시스템 최적효율파워를 고려하여 제1 충전 구간을 설정하는 단계;
    상기 제1 충전 구간의 구간 거리를 이용하여 상기 제1 충전 구간에서의 구간 예상 충전에너지를 산출하는 단계;
    상기 제2 에너지, 상기 구간 예상 충전에너지 및 상기 제1 에너지를 이용하여 적어도 하나의 제2 충전 구간의 추가 필요성을 판단하는 단계를 포함하는, 하이브리드 자동차의 모드 전환 제어 방법.
  7. 제1 항에 있어서,
    상기 제1 에너지를 산출하는 단계는,
    상기 적어도 하나의 특정 지역 각각의 평균차속, 경사도, 정체도 및 도로 종류 중 적어도 하나를 이용하여 수행되는, 하이브리드 자동차의 모드 전환 제어 방법.
  8. 제1 항에 있어서,
    상기 제 1 모드는 방전(CD) 모드를 포함하고,
    상기 제 2 모드는 충전 유지(CS) 모드를 포함하는, 하이브리드 자동차의 모드 전환 제어 방법.
  9. 제1 항에 있어서,
    상기 특정 지역은,
    상기 배기가스 배출 저감이 강제 또는 권장되는 지역을 포함하는, 하이브리드 자동차의 모드 전환 제어 방법.
  10. 제1 항 내지 제9 항 중 어느 한 항에 따른 하이브리드 자동차의 모드 전환 제어 방법을 실행시키기 위한 프로그램을 기록한 컴퓨터 해독 가능 기록 매체.
  11. 하이브리드 자동차에 있어서,
    주행 경로 상에 배기가스 배출과 관련된 적어도 하나의 특정 지역이 존재하는 경우, 상기 적어도 하나의 특정 지역을 포함한 상기 주행 경로에 대한 정보를 획득하는 제1 제어기; 및
    상기 제1 제어기로부터 전달된 상기 정보를 이용하여 상기 적어도 하나의 특정 지역을 제1 주행모드로 주행하는데 소요되는 제1 에너지를 산출하고, 상기 산출된 제1 에너지를 이용하여 상기 적어도 하나의 특정 지역을 배터리의 충전 상태 변동에 따라 제1 주행모드로 주행이 가능한지 여부를 판단하며, 상기 판단 결과, 상기 제1 주행모드로 주행이 가능한 경우 상기 제1 에너지를 고려하여 상기 주행 경로를 제1 주행모드 또는 제2 주행모드로 주행하도록 제어하고, 상기 제1 주행모드로 주행이 불가한 경우 적어도 하나의 충전 구간을 설정하는 제2 제어기를 포함하는, 하이브리드 자동차.
  12. 제11 항에 있어서,
    상기 제2 제어기는,
    상기 배터리에 현재 저장된 에너지 중 상기 제1 주행모드에 이용할 수 있는 총 에너지인 제2 에너지와 상기 제1 에너지를 비교하고, 상기 비교 결과, 상기 제2 에너지가 상기 제1 에너지 이상이면 상기 제1 주행모드로 주행이 가능한 것으로 판단하며, 상기 제1 에너지가 상기 제2 에너지보다 크면 상기 제1 주행모드로 주행이 불가한 것으로 판단하는, 하이브리드 자동차.
  13. 제12 항에 있어서,
    상기 제2 에너지는, 상기 현재 저장된 에너지에서 상기 제2 주행모드로의 기 설정된 전환 기준이 되는 에너지를 차감하여 구해지는, 하이브리드 자동차.
  14. 제11 항에 있어서,
    상기 제2 제어기는,
    상기 적어도 하나의 특정 지역에 진입하는 경우, 이전 주행모드와 무관하게 상기 제1 주행모드로 주행하도록 제어하는, 하이브리드 자동차.
  15. 제11 항에 있어서,
    상기 제2 제어기는,
    상기 제2 주행모드로의 기 설정된 전환 기준이 되는 에너지에 상기 제1 에너지를 추가하여 상기 제2 주행모드로의 전환 기준을 설정하는, 하이브리드 자동차.
  16. 제11 항에 있어서,
    상기 제2 제어기는,
    상기 주행 경로에서 평균 주행 부하 및 시스템 최적효율파워를 고려하여 제1 충전 구간을 설정하고, 상기 제1 충전 구간의 구간 거리를 이용하여 상기 제1 충전 구간에서의 구간 예상 충전에너지를 산출하며, 상기 제2 에너지, 상기 구간 예상 충전에너지 및 상기 제1 에너지를 이용하여 적어도 하나의 제2 충전 구간의 추가 필요성을 판단하는, 하이브리드 자동차.
  17. 제11 항에 있어서,
    상기 제2 제어기는,
    상기 적어도 하나의 특정 지역 각각의 평균차속, 경사도, 정체도 및 도로 종류 중 적어도 하나를 이용하여 상기 제1 에너지를 산출하는, 하이브리드 자동차.
  18. 제11 항에 있어서,
    상기 제 1 모드는 방전(CD) 모드를 포함하고,
    상기 제 2 모드는 충전 유지(CS) 모드를 포함하는, 하이브리드 자동차.
  19. 제11 항에 있어서,
    상기 특정 지역은,
    상기 배기가스 배출 저감이 강제 또는 권장되는 지역을 포함하는, 하이브리드 자동차.
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