KR20200029204A - 친환경 자동차 및 그를 위한 방향 전환 제어 방법 - Google Patents

친환경 자동차 및 그를 위한 방향 전환 제어 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 친환경 자동차 및 그를 위한 방향 전환 제어 방법에 관한 것으로, 보다 상세히는 후진(R) 단이 생략된 변속기를 구비한 친환경 자동차에서 배터리 상태로 인한 주행단과 후진단 간의 전환 지연을 방지할 수 있는 친환경 자동차 및 그 제어방법에 관한 것이다. 본 발명의 일 실시예에 따른 후진단이 삭제된 변속기를 구비하는 친환경 자동차의 주행 방향 전환 제어 방법은, 주행단에서 후진단으로, 또는 상기 후진단에서 상기 주행단으로 변속단이 변경되는 경우, 전기 모터의 회전 방향 변경 과정에서 주행 방향 전환의 지연이 발생하는지 여부를 판단하는 단계; 및 상기 지연이 발생하는 경우, 상기 전기 모터를 구동하는 배터리의 충전 상태(SOC)를 저하시키는 단계를 포함할 수 있다.

Description

친환경 자동차 및 그를 위한 방향 전환 제어 방법{ECO-FRIENDLY VEHICLE AND METHOD OF CONTROLLING DIRECTION CHANGE FOR THE SAME}
본 발명은 친환경 자동차 및 그를 위한 방향 전환 제어 방법에 관한 것으로, 보다 상세히는 후진(R) 단이 생략된 변속기를 구비한 친환경 자동차에서 배터리 상태로 인한 주행단과 후진단 간의 전환 지연을 방지할 수 있는 친환경 자동차 및 그 제어방법에 관한 것이다.
최근 환경에 대한 관심이 높아지면서 친환경 자동차의 개발도 활발하게 이루어지고 있다. 친환경 자동차의 대표적인 예로는 전기차(EV: Electric Vehicle)와 하이브리드 자동차(HEV: Hybrid Electric Vehicle)를 들 수 있다.
하이브리드 자동차(HEV)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. 이러한 주행 모드 간 전환은 파워트레인의 효율 특성에 따라, 연비 또는 구동 효율을 최대화하기 위한 목적으로 수행되는 것이 일반적이다.
도 1은 일반적인 하이브리드 자동차의 파워 트레인 구조의 일례를 나타낸다.
도 1에서는 병렬형(Parallel Type 또는 TMED: Transmission Mounted Electric Drive) 방식이 적용된 하이브리드 자동차의 파워 트레인 구조가 도시된다.
도 1을 참조하면, 내연기관 엔진(ICE, 110)과 변속기(150) 사이에 전기 모터(또는 구동용 모터, 140)와 엔진클러치(EC: Engine Clutch, 130)가 배치된다.
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.
그런데, 엔진(110)과 달리 모터(140)는 회전 방향의 전환이 가능하기 때문에 후진이 필요할 경우 변속기(150)에 후진(R) 단 없이도 구동축의 역회전이 가능하다. 이를 도 2를 참조하여 설명한다.
도 2는 후진단이 삭제된 변속기가 적용될 때 하이브리드 자동차가 후진하는 형태를 설명하기 위한 도면이다. 도 2에서는 엔진 클러치가 오픈된 상태에서 하이브리드 자동차가 후진하는 경우를 가정한다.
먼저 도 2의 (a)를 참조하면, 변속기(150)에 R단이 구현된 경우에는 모터(140)가 정방향(즉, 엔진의 회전 방향과 동일한 방향)으로 회전하면, 변속기(150)가 R단에서 회전 방향을 역방향으로 전환하여 변속기(R)의 출력단은 역방향으로 회전하게 된다.
이와 달리, 도 2의 (b)와 같이 변속기(150')에 R단이 생략된 경우에는 모터가(140)가 역방향으로 회전하면, 변속기(150')의 입력단과 출력단 모두 역방향으로 회전하게 된다.
따라서, 변속기에 R단이 삭제되더라도 병렬형 하이브리드 차량에서는 후진이 가능하다.
그런데, 정지상태에서 후진하는 경우에는 문제가 없으나, 차량이 움직이던 중에 진행 방향이 변경될 경우 모터(140)를 구동하는 고전압 배터리의 충전 상태(SOC: State Of Charge)에 따라 방향 전환이 지연될 수 있다. 이를 도 3a 및 도 3b을 참조하여 설명한다.
도 3a는 후진단이 없는 변속기를 적용한 하이브리드 차량에서 변속단이 후진단에서 주행단으로 변경될 경우의 문제점을, 도 3b는 후진단이 없는 변속기를 적용한 하이브리드 차량에서 변속단이 주행단에서 후진단으로 변경될 경우의 문제점을 각각 설명하기 위한 도면이다. 도 3a와 도 3b에서 공통적으로 상단은 차량의 이동 상태를, 중단 그래프는 모터의 회전수와 방향을, 하단 그래프는 모터의 상황별 한계 토크를 각각 나타낸다. 이하의 기재에서 "R단"이라 함은, 실제 변속기에 R단이 구현되지 않으나 운전자가 후진을 희망하여 변속레버를 조작함에 따라 모터의 회전 방향이 엔진의 회전 방향과 반대로 구동됨을 의미할 수 있다.
먼저, 도 3a를 참조하면, R단 상태에서 차량이 후진하던 중 D단으로 변경되는 경우가 도시된다. 이러한 경우, 변속기에 R단이 삭제되었으므로 전기 모터의 회전 방향이 바뀌어야 한다. 여기서, D단으로 변경된 후 전기 모터의 회전 방향이 바뀌기 전에는 회전 방향과 토크의 방향이 반대이므로 전기 모터에서는 발전이 수행된다. 이때, 고전압 배터리의 SOC가 높은 경우(예컨대, 98% 이상)에는 배터리의 과충전 방지를 위해 발전 토크의 제한이 가해지므로 충분한 발전 토크가 가해질 수 없고, 그에 따라 방향 전환이 지연된다. 일례로, 도 3a와 같이 R단에서 D단으로 변경될 경우 발전 토크의 제한이 없을 때에는 150Nm의 발전 토크가 적용될 수 있으나, 발전 토크의 제약이 있을 때에는 10Nm로 발전 토크가 제약될 수 있다.
도 3b의 경우에도, 도 3a의 경우 대비 회전 방향과 토크 방향만 반대일 뿐 도 3a와 동일한 문제가 발생한다.
정리하면, 하이브리드 자동차의 변속기에 R 단이 삭제되더라도 후진의 구현 자체에는 문제가 없으나, 배터리의 SOC가 높은 경우 조향과 무관하게 전진에서 후진으로, 또는 후진에서 전진으로 차량의 진행 방향에 변화가 생길 경우 방향 전환에 시간 지연이 발생하는 문제점이 있다.
본 발명은 후진단이 생략된 변속기를 구비하는 친환경 자동차에서 방향 전환시 시간 지연을 저감할 수 있는 방법 및 그를 수행하는 친환경 자동차를 제공하기 위한 것이다.
특히, 본 발명은 전기 모터를 구동하는 배터리의 충전 상태로 인하여 전기 모터의 발전 토크가 제약될 때 신속한 진행 방향 전환이 가능한 방법 및 그를 수행하는 친환경 자동차를 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 후진단이 삭제된 변속기를 구비하는 친환경 자동차의 주행 방향 전환 제어 방법은, 주행단에서 후진단으로, 또는 상기 후진단에서 상기 주행단으로 변속단이 변경되는 경우, 전기 모터의 회전 방향 변경 과정에서 주행 방향 전환의 지연이 발생하는지 여부를 판단하는 단계; 및 상기 지연이 발생하는 경우, 상기 전기 모터를 구동하는 배터리의 충전 상태(SOC)를 저하시키는 단계를 포함할 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 후진단이 삭제된 변속기를 구비하는 친환경 자동차에 있어서, 전기 모터; 상기 전기 모터를 구동하는 배터리; 및 주행단에서 후진단으로, 또는 상기 후진단에서 상기 주행단으로 변속단이 변경되는 경우, 상기 전기 모터의 회전 방향 변경 과정에서 주행 방향 전환의 지연이 발생하는지 여부를 판단하고, 상기 지연이 발생하는 경우, 상기 배터리의 충전 상태(SOC)가 저하되도록 제어하는 제어기를 포함할 수 있다.
상기와 같이 구성되는 본 발명의 적어도 하나의 실시예에 관련된 친환경 자동차는 후진단이 생략된 변속기가 적용되더라도 진행 방향 전환시에 시간 지연이 저감될 수 있다.
특히, 본 발명은 전기 모터를 구동하는 배터리의 충전 상태로 인하여 전기 모터의 발전 토크가 제약될 때 이러한 상황에 대한 예측 및 진단을 통해 배터리의 방전을 유도함으로써 신속한 진행 방향 전환이 가능하다.
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 본 발명의 실시예들이 적용될 수 있는 하이브리드 자동차의 파워 트레인 구조의 일례를 나타낸다.
도 2는 후진단이 삭제된 변속기가 적용될 때 하이브리드 자동차가 후진하는 형태를 설명하기 위한 도면이다.
도 3(a)는 후진단이 없는 변속기를 적용한 하이브리드 차량에서 변속단이 후진단에서 주행단으로 변경될 경우의 문제점을, 도 3(b)는 후진단이 없는 변속기를 적용한 하이브리드 차량에서 변속단이 주행단에서 후진단으로 변경될 경우의 문제점을 각각 설명하기 위한 도면이다.
도 4는 본 발명의 실시예들이 적용될 수 있는 하이브리드 자동차의 제어 계통의 일례를 나타내는 블럭도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 하이브리드 제어기에서 방향 전환 발생 여부를 예측하는 과정의 일례를 나타낸다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 하이브리드 제어기에서 방향 전환 지연 발생 여부를 진단하는 과정의 일례를 나타낸다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 하이브리드 제어기에서 방향 전환 지연 단축 제어가 수행되는 형태의 일례를 나타낸다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 하이브리드 자동차에서 후진단에서 주행단으로 변경될 경우 방향 전환 단축 제어가 수행되는 형태의 일례를 나타낸다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 하이브리드 자동차에서 주행단에서 후진단으로 변경될 경우 방향 전환 단축 제어가 수행되는 형태의 일례를 나타낸다.
도 10은 하이브리드 차량의 전기 계통 구성의 일례를 나타낸다.
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 실시예들에 따른 진행 방향 전환 방법을 설명하기 앞서, 도 4를 참조하여 실시예들에 적용될 수 있는 하이브리드 자동차의 제어기 간의 상호관계를 설명한다.
도 4는 본 발명의 실시예들이 적용될 수 있는 하이브리드 자동차의 제어 계통의 일례를 나타내는 블럭도이다.
도 4를 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 주행 모드 전환 제어시 모드 전환 조건의 판단 및 전환을 위한 하위 제어기의 제어가 가능하다.
본 발명의 실시예들에 따른 주행 방향 전환을 위한 하이브리드 제어기(240)의 역할은 보다 상세히 후술하기로 한다.
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.
본 발명의 일 실시예에 의하면, 후진단이 생략된 변속기가 적용된 하이브리드 자동차에서 전기 모터를 구동하는 배터리의 충전 상태로 인하여 전기 모터의 발전 토크가 제약되는 상황을 방지하기 위하여, 방향 전환 지연 상황에 대한 예측 및 진단을 통해 배터리의 방전을 유도함으로써 신속한 진행 방향 전환이 수행되도록 할 것을 제안한다.
이를 위하여, 본 실시예에 따른 하이브리드 제어기는 방향 전환 지연의 i) 예측, ii) 진단 및 iii)방향 전환 단축 제어를 수행할 수 있다. 이하, 각 제어 과정을 도 5 내지 도 7을 참조하여 구체적으로 설명한다.
먼저, 도 5를 참조하여 예측 과정을 설명한다. 도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 하이브리드 제어기에서 방향 전환 발생 여부를 예측하는 과정의 일례를 나타낸다.
도 5를 참조하면, 방향 전환 예측 과정은 현재 변속단이 D 단인 경우와 R 단인 경우로 크게 구분될 수 있다.
D 단인 경우, 현재 차속이 D단의 최대 크립 주행 속도(Creep 주행 Max Speed)보다 작고, D 단의 최대 크립 토크(Creep Max Tq)보다 모터의 최대 충전 토크(Motor Charge Max Tq)가 작은 경우 R 단으로 방향 전환이 가능한 상황으로 예측될 수 있다(즉, 방향 전환 예측 on). 이러한 예측은 운전자의 가속 의지가 낮으므로 방향전환이 가능한 상황이며, D 단에서 R 단으로 변경될 경우 크립 토크에 상응하는 출력을 모터가 낼 수 없어 모터의 회전 방향 변경(즉, 주행 방향 변경)에 지연이 발생될 수 있는 상황임에 기반한 것이다.
반대로, 현재 변속단이 R 단인 경우, 현재 차속이 R 단의 최대 크립 주행 속도(Creep 주행 Max Speed)보다 작고, R 단의 최대 크립 토크(Creep Max Tq)보다 모터의 최대 충전 토크(Motor Charge Max Tq)가 작은 경우 D 단으로 방향 전환이 가능한 상황으로 예측될 수 있다(즉, 방향 전환 예측 on). 이러한 예측은 운전자의 가속 의지가 낮으므로 방향전환이 가능한 상황이며, R 단에서 D 단으로 변경될 경우 크립 토크에 상응하는 출력을 모터가 낼 수 없어 모터의 회전 방향 변경(즉, 주행 방향 변경)에 지연이 발생될 수 있는 상황임에 기반한 것이다.
다음으로, 도 6을 참조하여 진단 과정을 설명한다. 도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 하이브리드 제어기에서 방향 전환 지연 발생 여부를 진단하는 과정의 일례를 나타낸다.
도 6을 참조하면, 방향 전환 지연 진단 과정은 크게 i) 변속단과 차속 조건 및 ii) 모터의 토크와 가속도를 조건으로 한다.
먼저, 현재 변속단이 R단일 경우 현재차속이 0보다 크거나, 현재 변속단이 D단일 경우 현재 차속이 0보다 작은 경우(즉 변속단과 진행 방향이 서로 불일치되는 경우로 방향 전환의 과도기 상태), 변속단과 차속에 대한 방향 전환 지연 진단 조건이 만족된다.
다음으로, 모터의 요구토크(Motor Demand Tq)보다 출력 토크(Motor Output Tq)가 작고, 차량의 가속도도 요구 토크에서 기대되는 가속도(Am/s^2)보다 작으면서 운전자가 가속 페달을 밟은 경우(APS On)는, 운전자의 가속 의지를 차량이 만족시키지 못하고 있음을 의미하는 바, 모터의 토크와 가속도에 대한 방향 전환 지연 진단 조건이 만족된다. 여기서 요구 토크에서 기대되는 가속도(Am/s^2)는 "모터 요구 토크 / (변속기의 기어비 * 휠반경 * 차량질량)"으로 구해질 수 있다.
결국, i) 변속단 및 차속 조건과 ii) 모터의 토크 및 가속도 조건의 "AND"로 만족되면, 현재 방향 전환 지연이 발생중인 것으로 하이브리드 제어기가 판단할 수 있다.
다음으로, 전술한 예측과 진단에 따른 방향 전환 지연을 단축시키는 과정을 도 7을 참조하여 설명한다. 도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 하이브리드 제어기에서 방향 전환 지연 단축 제어가 수행되는 형태의 일례를 나타낸다.
도 7을 참조하면, 방향 전환 지연 단축 제어를 위해, 도 5를 참조하여 전술한 방향 전환 예측과 도 6을 참조하여 전술한 방향 전환 지연 진단의 결과가 참조된다.
구체적으로, 먼저 방향 전환이 발생할 것으로 예측되면(S710의 yes), 하이브리드 제어기(240)는 방향 전환에 엔진이 방해되지 않도록 클러치 제어기(230)에 엔진 클러치(130)를 오픈 상태로 제어할 것을 지시하고, 엔진 제어기(210)에 엔진(110)을 퓨얼컷(연료 분사 중단) 상태로 제어할 것을 지시할 수 있다(S720).
또한, 방향 전환 지연이 발생하는 것으로 진단되면(S730의 yes), 엔진 클러치(130)가 오픈된 상태이고 엔진에 연료 분사가 중단되어 있으면, 하이브리드 제어기는 모터 제어기(220)에 HSG(120)가 기 설정된 RPM과 토크로 동작하도록 지시할 수 있다(S740). 여기서 기 설정된 RPM은 엔진의 IDLE RPM(예컨대, 700 내지 1000RPM)에 해당하는 RPM일 수 있으며, 기 설정된 토크는 엔진의 공회전시 발생하는 내부 마찰력에 해당하는 토크(즉, 엔진의 공회전 토크가 HSG의 회전 부하가 됨)일 수 있으나, 반드시 이에 한정되는 것은 아니다. 이러한 제어는 엔진 클러치(130)가 오픈된 상태에서 HSG(120)를 가동하여 구동축에 영향을 주지 않는 상태로 고전압 배터리의 SOC 소모를 유도하기 위함이다. 이를 통해 고전압 배터리의 SOC가 소모될 경우 전기 모터의 발전 토크 한계가 제한되지 않기 때문에 신속한 방향전환이 가능하다.
또한, 현재 변속단이 D단인 경우(즉, R 단에서 D 단으로 전환된 경우)에는 엔진 클러치가 슬립상태로 제어될 수 있다(S750). 이는 현재 변속단이 D 단일 경우 엔진(110)의 회전 방향과 모터(140)의 회전 방향이 동일하므로 HSG(120)의 동력이 엔진 클러치를 통해 구동축에 전달되도록 하여 방향 전환을 돕기 위함이다.
정리하면, 주행 방향 전환 지연 문제의 주요원인은, R단에서 D단으로 또는 D단에서 R단으로 변경됨에 따른 주행방향 변경시 회생구간에서 배터리의 SOC가 높은 경우 모터의 충전 토크가 제한되기 때문이다. 따라서, 이러한 회생구간에서 HSG 기동을 통해 SOC를 소모하여 모터 충전 토크 제한을 완화시킴으로써 방향 전환 지연이 완화될 수 있는 것이다.
이하에서는 도 8 및 9를 참조하여 전술한 제어가 수행되는 구체적인 형태를 설명한다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 하이브리드 자동차에서 후진단에서 주행단으로 변경될 경우 방향 전환 단축 제어가 수행되는 형태의 일례를 나타낸다.
도 8에서, 좌측의 도면들은 차량의 거동을 위에서 아래 방향으로 시간순으로 나타낸다. 또한, 우측에는 순차적으로 상단 그래프는 모터의 회전수와 방향을, 중단 그래프는 모터의 상황별 한계 토크를, 하단 그래프는 엔진클러치 상태와 HSG의 소모 파워를 각각 나타낸다. 우측의 세 그래프는 공통적으로 가로축이 시간을 나타내며, 가로축의 동일 지점은 동일 시점을 나타낸다.
도 8을 참조하면, R단 상태에서 차량이 후진하던 중 D단으로 변경되는 경우, 변속기에 R 단이 삭제되었으므로 전기 모터의 회전 방향이 바뀌어야 한다. 여기서, D 단으로 변경된 후 전기 모터의 회전 방향이 바뀌기 전에는 회전 방향과 토크의 방향이 반대이므로 전기 모터에서는 발전이 수행(즉, 회생구간 발생)된다. 이때, 고전압 배터리의 SOC가 높은 경우(예컨대, 98% 이상)에는 배터리의 과충전 방지를 위해 발전 토크의 제한이 가해지는 상황을 방지하기 위해, 엔진 클러치가 오픈된 상태에서 HSG를 구동시키면 배터리의 SOC가 감소되므로 발전 토크의 제약이 완화된다. 따라서, 방향 전환 시간이 단축될 수 있다.
예컨대, HSG의 방전 파워는 다음과 같이 계산될 수 있다.
엔진의 마찰 토크(Engine Friction Tq)를 7Nm라 가정하고, 엔진 클러치 슬립을 통해 구동축에 전달되는 토크를 7Nm이라 가정하면, HSG의 총 출력 토크는 14Nm이 된다. 또한, HSG의 회전수는 엔진의 아이들(Idle) RPM에 풀리비를 곱하는 방식으로, 엔진의 Idle RPM을 1300이라 가정하고, 풀리비를 2.5라 가정하면 3250 RPM에 된다. HSG의 방전 파워는 토크와 RPM의 곱인 바, 45.5Kw가 된다. 여기서 가정한 수치는 예시적인 것으로 반드시 이에 한정되는 것은 아니며, SOC와 HSG의 용량, 모터 충전 토크 제한 값 등에 따라 다르게 설정될 수 있음은 당업자에 자명하다.
특히, R 단에서 D 단으로 변속되는 경우에는 전술한 바와 같이 엔진 클러치를 슬립 상태로 제어하여 HSG의 동력까지 구동축에 전달하여 방향 전환 시간이 더욱 단축될 수 있다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 하이브리드 자동차에서 주행단에서 후진단으로 변경될 경우 방향 전환 단축 제어가 수행되는 형태의 일례를 나타낸다.
도 9의 경우 D 단에서 R 단으로 변경되어 방향이 반대라는 점을 제외하면 기본적인 원리는 도 8과 동일하므로, 명세서의 간명함을 위해 중복되는 기재는 생략하고 차이점을 위주로 설명한다.
도 9에서는 도 8과 달리 R단 변경시 모터의 회전 방향이 엔진과 반대 방향이 되기 때문에, 엔진 클러치를 슬립제어할 수는 없다. 따라서, 주행 방향 변경에 있어 HSG의 토크를 엔진 클러치를 통해 전달받을 수는 없다.
따라서, 도 8의 경우와 동일한 가정이 적용될 때, HSG의 출력 파워는 엔진클러치 슬립을 통한 전달 토크가 빠지므로 도 8의 경우 대비 절반((14-7)*3250 = 22.75Kw) 수준이 된다.
한편, 본 발명의 다른 실시예에 의하면, HSG가 아닌 다른 부하를 통해서도 고전압 배터리의 SOC 감소를 유도할 수 있다. 이를 도 10을 참조하여 설명한다.
도 10은 하이브리드 차량의 전기 계통 구성의 일례를 나타낸다.
도 10을 참조하면, 하이브리드 차량의 전기 계통은 고전압 배터리, 고전압 배터리를 강압시켜 12V로 전환하는 직류 컨버터(LDC: Low DC-DC Converter), 12V 라인에 병렬 연결된 12V 보조 배터리와 각종 제어기 및 보조 전장 부하(Auxilary)를 포함할 수 있다. 보조 전장 부하에는 해드램프, 리어렘프, 방향지시등, 에어컨, 히터, 엔진 냉각팬, 브레이크유압 모터 등이 해당할 수 있으나, 반드시 이에 한정되는 것은 아니다.
이러한 구성 하에서 고전압 배터리의 SOC 소모를 위해서는 LDC의 구동을 유도하는 방안이 고려될 수 있다. 즉, 12V 라인에 병렬 연결된 각종 전장 부하의 사용 전력을 증대시킨다면 LDC가 구동되어 고전압 배터리의 SOC 소모를 유도할 수 있다.
구체적으로, 도 5 내지 도 9를 참조하여 전술한 HSG의 가동 시점에, HSG를 가동시키는 대신, 또는 HSG의 가동과 함께 임의로 에어컨, 히터, 엔진 냉각팬 사용량을 증대시키거나 브레이크유압 모터를 미리 구동할 수 있다. 이를 통해 차량의 주행 방향전환 시 필요한 모터 충전 토크가 제한되는 상황이 방지될 수 있다.
이러한 방식은 HSG의 구동을 필수 요건으로 하지 않는 바, HSG를 구비하지 않는 전기차(EV)에도 적용이 가능하다.
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. 후진단이 삭제된 변속기를 구비하는 친환경 자동차의 주행 방향 전환 제어 방법에 있어서,
    주행단에서 후진단으로, 또는 상기 후진단에서 상기 주행단으로 변속단이 변경되는 경우, 전기 모터의 회전 방향 변경 과정에서 주행 방향 전환의 지연이 발생하는지 여부를 판단하는 단계; 및
    상기 지연이 발생하는 경우, 상기 전기 모터를 구동하는 배터리의 충전 상태(SOC)를 저하시키는 단계를 포함하는, 친환경 자동차의 주행 방향 전환 제어 방법.
  2. 제1 항에 있어서,
    상기 판단하는 단계는,
    현재 차속과 현재 변속단의 방향의 일치 여부, 가속페달 조작 상황에서 전기 모터 토크 및 가속도 조건의 만족 여부를 기반으로 수행되는, 친환경 자동차의 주행 방향 전환 제어 방법.
  3. 제2 항에 있어서,
    상기 판단하는 단계는,
    상기 현재 차속과 상기 현재 변속단의 방향이 불일치하고,
    상기 가속 페달 조작 상황에서,
    상기 전기 모터의 출력 토크가 요구 토크보다 작으며, 차량 가속도가 상기 요구 토크에서 기대되는 가속도보다 작은 경우 상기 지연이 발생하는 것으로 판단되도록 수행되는, 친환경 자동차의 주행 방향 전환 제어 방법.
  4. 제1 항에 있어서,
    상기 변속단이 변경되기 전에,
    차속 조건과 전기 모터 토크 조건에 기반하여 상기 주행 방향 전환의 발생 여부를 예측하는 단계를 더 포함하는, 친환경 자동차의 주행 방향 전환 제어 방법.
  5. 제4 항에 있어서,
    상기 차속 조건은 현재 변속단 하에서의 최대 크립 주행 속도와 현재 차속의 상대적 크기를 포함하고,
    상기 전기 모터 토크 조건은 현재 변속단 하에서의 최대 크립 토크와 최대 모터 충전 토크의 상대적 크기를 포함하는, 친환경 자동차의 주행 방향 전환 제어 방법.
  6. 제4 항에 있어서,
    상기 예측 결과, 상기 주행 방향 전환의 발생이 예측되는 경우,
    엔진과 상기 전기 모터 사이에 배치되는 엔진 클러치를 오픈 상태로 제어하는 단계; 및
    상기 엔진을 연료 분사를 차단 상태로 제어하는 단계를 더 포함하는, 친환경 자동차의 주행 방향 전환 제어 방법.
  7. 제1 항에 있어서,
    상기 전기 모터를 구동하는 배터리의 SOC를 저하시키는 단계는,
    상기 배터리의 전압보다 낮은 전압을 사용하는 적어도 하나의 전장 부하의 사용 전력을 증대시키는 단계; 및
    상기 배터리의 전력을 상기 낮은 전압으로 변환하는 직류 컨버터(LDC: Low DC-DC Converter)를 활성화시키는 단계를 포함하는, 친환경 자동차의 주행 방향 전환 제어 방법.
  8. 제1 항에 있어서,
    상기 전기 모터를 구동하는 배터리의 충전 상태를 저하시키는 단계는,
    엔진에 연결된 시동 발전 모터를 구동하는 단계를 포함하는, 친환경 자동차의 주행 방향 전환 제어 방법.
  9. 제8 항에 있어서,
    상기 시동 발전 모터를 구동하는 단계는,
    상기 주행단에서 상기 후진단으로 상기 변속단이 변경되는 경우, 상기 엔진과 상기 전기 모터 사이에 배치된 엔진 클러치가 오픈된 상태에서 수행되고,
    상기 후진단에서 상기 주행단으로 상기 변속단이 변경되는 경우, 상기 엔진 클러치가 슬립 상태에서 수행되는, 친환경 자동차의 주행 방향 전환 제어 방법.
  10. 제1 항 내지 제9 항 중 어느 한 항에 따른 친환경 자동차의 주행 방향 전환 제어 방법을 실행시키기 위한 프로그램을 기록한 컴퓨터 해독 가능 기록 매체.
  11. 후진단이 삭제된 변속기를 구비하는 친환경 자동차에 있어서,
    전기 모터;
    상기 전기 모터를 구동하는 배터리; 및
    주행단에서 후진단으로, 또는 상기 후진단에서 상기 주행단으로 변속단이 변경되는 경우, 상기 전기 모터의 회전 방향 변경 과정에서 주행 방향 전환의 지연이 발생하는지 여부를 판단하고, 상기 지연이 발생하는 경우, 상기 배터리의 충전 상태(SOC)가 저하되도록 제어하는 제어기를 포함하는, 친환경 자동차.
  12. 제11 항에 있어서,
    상기 제어기는,
    현재 차속과 현재 변속단의 방향의 일치 여부, 가속페달 조작 상황에서 전기 모터 토크 및 가속도 조건의 만족 여부를 기반으로 상기 지연 여부를 판단하는, 친환경 자동차.
  13. 제12 항에 있어서,
    상기 제어기는,
    상기 현재 차속과 상기 현재 변속단의 방향이 불일치하고,
    상기 가속 페달 조작 상황에서,
    상기 전기 모터의 출력 토크가 요구 토크보다 작으며, 차량 가속도가 상기 요구 토크에서 기대되는 가속도보다 작은 경우 상기 지연이 발생하는 것으로 판단하는, 친환경 자동차.
  14. 제11 항에 있어서,
    상기 제어기는,
    상기 변속단이 변경되기 전에,
    차속 조건과 전기 모터 토크 조건에 기반하여 상기 주행 방향 전환의 발생 여부를 예측하는, 친환경 자동차.
  15. 제14 항에 있어서,
    상기 차속 조건은 현재 변속단 하에서의 최대 크립 주행 속도와 현재 차속의 상대적 크기를 포함하고,
    상기 전기 모터 토크 조건은 현재 변속단 하에서의 최대 크립 토크와 최대 모터 충전 토크의 상대적 크기를 포함하는, 친환경 자동차.
  16. 제14 항에 있어서,
    상기 제어기는,
    상기 예측 결과, 상기 주행 방향 전환의 발생이 예측되는 경우,
    엔진과 상기 전기 모터 사이에 배치되는 엔진 클러치를 오픈 상태로 제어하고, 상기 엔진을 연료 분사를 차단 상태로 제어하는, 친환경 자동차.
  17. 제11 항에 있어서,
    상기 제어기는,
    상기 배터리의 전압보다 낮은 전압을 사용하는 적어도 하나의 전장 부하의 사용 전력을 증대시키고, 상기 배터리의 전력을 상기 낮은 전압으로 변환하는 직류 컨버터(LDC: Low DC-DC Converter)를 활성화시키는, 친환경 자동차.
  18. 제11 항에 있어서,
    상기 제어기는,
    엔진에 연결된 시동 발전 모터를 구동하여 상기 배터리의 충전 상태를 저하시키는, 친환경 자동차.
  19. 제18 항에 있어서,
    상기 제어기는,
    상기 주행단에서 상기 후진단으로 상기 변속단이 변경되는 경우, 상기 시동 발전 모터가 구동될 때 상기 엔진과 상기 전기 모터 사이에 배치된 엔진 클러치가 오픈된 상태로 제어하고,
    상기 후진단에서 상기 주행단으로 상기 변속단이 변경되는 경우, 상기 시동 발전 모터가 구동될 때 상기 엔진 클러치가 슬립 상태로 제어하는, 친환경 자동차.
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