KR20200050494A - 하이브리드 자동차 및 그를 위한 주행 제어 방법 - Google Patents

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박준영
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Abstract

본 발명은 하이브리드 자동차 및 그를 위한 주행 모드 제어 방법에 관한 것으로, 보다 상세히는 우수한 재가속 응답성을 갖는 고성능 하이브리드 자동차 및 그 제어방법에 관한 것이다. 본 발명의 일 실시예에 따른 전기 모터와 엔진을 구비하는 하이브리드 자동차의 주행 제어 방법은, 소정 조건이 만족되는 상황에서 가속 페달의 조작에 의한 가속 요구와 브레이크 페달의 조작에 의한 감속 요구가 동시에 요구되는 경우, 상기 가속 요구는 상기 엔진의 토크로 구현하는 단계; 및 상기 감속 요구는 상기 전기 모터의 회생 제동 토크로 구현하는 단계를 포함할 수 있다.

Description

하이브리드 자동차 및 그를 위한 주행 제어 방법{HYBRID VEHICLE AND METHOD OF DRIVING CONTROL FOR THE SAME}
본 발명은 하이브리드 자동차 및 그를 위한 주행 모드 제어 방법에 관한 것으로, 보다 상세히는 우수한 재가속 응답성을 갖는 고성능 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.
이러한 주행 모드 간 전환은 파워트레인의 효율 특성에 따라, 연비 또는 구동 효율을 최대화하기 위한 목적으로 수행되는 것이 일반적이나, 효율성을 중점으로 개발되던 하이브리드 자동차는 최근 스포츠 주행이 가능한 주행 성능 관점에서의 개발도 이루어지고 있다.
한편, 스포츠 주행 스킬 중 코너링 상황 등에서 감속 후 신속한 재가속을 위하여, 감속시 가속 페달과 브레이크 페달을 동시에 조작하는 이른바 "힐앤토" 기법이 있다. 이는 주로 고성능 수동 트랜스미션(MT) 차량에서 구현되는 기술로, 한 발의 발가락 쪽으로 브레이크를 조작하면서 발뒤꿈치로는 가속 페달을 조작하기 때문에 붙은 명칭이다. 물론, 클러치 페달이 없는 차량의 운전자에 따라서는 한 발로 두 페달을 함께 조작하는 대신 오른발은 가속 페달을, 왼발은 브레이크 페달을 각각 조작하기도 하므로, 이러한 경우 "힐앤토" 대신 "왼발 브레이킹"이라 칭하기도 한다.
물론, 최근 출시되는 일반적인 차량은 브레이크 페달과 가속 페달이 동시에 조작되면 오조작으로 인한 사고 방지를 위해 엔진토크를 제한하는 "브레이크 오버라이드" (또는 "스마트 페달") 기능이 구현되어 있으나, 스포츠성을 중시하는 일부 차량은 특정 조건하에서(예컨대, 스포츠 모드에서 ECS/VDC 등 전자식 자세 제어 오프시) 브레이크 오버라이드 기능이 오프되고 힐앤토를 허용하기도 한다.
이하, 도 1 및 도 2를 참조하여 일반적인 감속후 재가속하는 경우와 힐앤토 기법으로 감속후 재가속하는 경우의 차이를 설명한다.
도 1은 일반적인 감속후 재가속시에서, 도 2는 힐앤토 기법으로 감속후 재가속시에서의 페달 조작과 구동력 인가 형태를 각각 나타낸다. 도 1과 2에서는 공통적으로 코너링을 앞두고 감속한 후 코너 탈출시 재가속하는 상황이 가정된다.
먼저, 도 1을 참조하면, 코너 진입 전에는 가속 페달이 조작되다가, 코너 진입을 앞두고 가속 페달이 해제됨과 함께 브레이크 페달이 조작된다. 충분한 감속이 이루어진 후 코너를 탈출할 때 다시 브레이크 페달이 해제되고 가속 페달이 조작되어 재가속이 이루어진다. 이때, 운전자는 재가속을 위해 브레이크 페달에서 발을 뗀 후 가속 페달로 발을 옮기므로, 브레이크 해제 딜레이(Break Release Delay)가 발생하며, 엔진은 감속 중에 가속 페달 조작이 해제된 상태였으므로 재가속 시작시에는 이미 RPM이 감소한 상태가 된다. 따라서 재가속을 하더라도 흡기 지연 등의 이유로 RPM이 상승에 시간이 요구되며, 그로 인해 일반적으로 고회전 영역에서 높은 토크를 내는 엔진 특성 상 토크 출력도 지연되므로 재가속이 느려진다.
반면에, 도 2와 같이 가속 페달 조작을 유지한 상태로 코너 진입시 브레이크 페달을 추가로 조작할 경우, 브레이크의 제동력으로 인해 감속되지만 엔진은 고회전 상태(즉, 높은 토크와 높은 출력)로 유지될 수 있다. 따라서, 코너 탈출시 흡기 지연으로 인한 토크 지연 등의 문제가 발생하지 않는다.
다만, 이러한 힐앤토 기법도 단점이 있다. 이를 도 3을 참조하여 설명한다. 도 3은 힐앤토 기법의 문제점을 설명하기 위한 도면이다.
도 3을 참조하면, 엔진 출력(Engine Force)과 브레이크의 제동력(Brake Force)가 중첩되는 만큼 엔진의 출력이 모두 브레이크의 마찰열로 버려지게 된다. 따라서, 브레이크 사용이 증가할 수록 엔진 구동력이 낭비된다. 또한, 효율 측면뿐만 아니라, 감속을 위해서는 엔진 출력 이상의 제동력을 브레이크가 내야 하므로 브레이크 시스템의 부담이 증가한다. 따라서, 이러한 형태의 감속을 반복적으로 사용할 경우 브레이크의 페이딩 현상이나 베이퍼 락(vapor lock) 현상이 발생하여 제동 성능이 급격히 저하될 수도 있다.
따라서, 고성능 하이브리드 자동차에서 엔진 출력을 유지하면서 감속할 경우 효율성 향상과 브레이크 시스템 보호가 가능한 방안이 요구된다.
본 발명은 엔진 출력을 유지하면서 감속할 경우 효율성 향상과 브레이크 시스템 보호가 가능한 주행 제어 방법 및 그를 수행하는 하이브리드 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 전기 모터와 엔진을 구비하는 하이브리드 자동차의 주행 제어 방법은, 소정 조건이 만족되는 상황에서 가속 페달의 조작에 의한 가속 요구와 브레이크 페달의 조작에 의한 감속 요구가 동시에 요구되는 경우, 상기 가속 요구는 상기 엔진의 토크로 구현하는 단계; 및 상기 감속 요구는 상기 전기 모터의 회생 제동 토크로 구현하는 단계를 포함할 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 엔진, 모터 및 배터리를 구비한 하이브리드 자동차의 주행 제어 방법은, 가속 페달의 조작에 기반하여 요구 가속력을 결정하고, 상기 엔진, 상기 모터 및 상기 배터리의 상태 및 차속을 포함하는 주행상태에 기반하여 상기 요구 가속력을 만족하기 위한 엔진 목표 토크, 상기 모터의 제1 목표 토크를 결정하는 단계; 브레이크 페달의 조작에 기반하여 요구 제동력을 결정하고, 유압제동시스템, 상기 배터리 및 상기 모터의 상태에 기반하여 상기 요구 제동력을 만족하기 위한 유압브레이크 목표 유압과 상기 모터의 제2 목표 토크를 결정하는 단계; 및 소정 조건하에서 상기 가속 페달과 상기 브레이크 페달이 동시에 조작될 경우, 상기 엔진은 상기 엔진 목표 토크를 유지한 상태에서, 상기 모터는 상기 요구 제동력을 구현하기 위한 제3 목표 토크를 결정하는 단계를 포함할 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 하이브리드 자동차는, 모터; 엔진; 및 소정 조건이 만족되는 상황에서 가속 페달의 조작에 의한 가속 요구와 브레이크 페달의 조작에 의한 감속 요구가 동시에 요구되는 경우, 상기 가속 요구는 상기 엔진의 토크로 구현되도록 하고, 상기 감속 요구는 상기 전기 모터의 회생 제동 토크로 구현되도록 제어하는 하이브리드 제어기를 포함할 수 있다.
아울러, 본 발명의 일 실시예에 따른 엔진, 모터 및 배터리를 구비한 하이브리드 자동차는, 가속 페달의 조작에 기반하여 요구 가속력을 결정하고, 상기 엔진, 상기 모터 및 상기 배터리의 상태 및 차속을 포함하는 주행상태에 기반하여 상기 요구 가속력을 만족하기 위한 엔진 목표 토크, 상기 모터의 제1 목표 토크를 결정하는 가속 운전점 결정부; 브레이크 페달의 조작에 기반하여 요구 제동력을 결정하고, 유압제동시스템, 상기 배터리 및 상기 모터의 상태에 기반하여 상기 요구 제동력을 만족하기 위한 유압브레이크 목표 유압과 상기 모터의 제2 목표 토크를 결정하는 제동력 결정부; 및 소정 조건하에서 상기 가속 페달과 상기 브레이크 페달이 동시에 조작될 경우, 상기 엔진은 상기 엔진 목표 토크를 유지한 상태에서, 상기 모터는 상기 요구 제동력을 구현하기 위한 제3 목표 토크를 결정하는 스포츠 운전점 결정부를 포함할 수 있다.
상기와 같이 구성되는 본 발명의 적어도 하나의 실시예에 관련된 하이브리드 자동차는 특정 방식으로 감속시 차량 상황에 따라 제동 방식을 차별화하여 효율성 향상과 브레이크 시스템 보호가 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 일반적인 감속후 재가속시에서, 도 2는 힐앤토 기법으로 감속후 재가속시에서의 페달 조작과 구동력 인가 형태를 각각 나타낸다.
도 3은 힐앤토 기법의 문제점을 설명하기 위한 도면이다.
도 4는 본 발명의 실시예들이 적용될 수 있는 하이브리드 자동차의 파워 트레인 구조의 일례를 나타낸다.
도 5는 본 발명의 실시예들이 적용될 수 있는 하이브리드 자동차의 제어 계통의 일례를 나타내는 블럭도이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 주행 제어를 수행하는 하이브리드 자동차 구조의 일례를 나타낸다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 주행 제어 과정의 일례를 내는 순서도이다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 모터 제동 가능량의 개념을 설명하기 위한 도면이다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 감속 모드 결정 과정의 일례를 나타내는 순서도이다.
도 10a 내지 도 10c는 본 발명의 일 실시예에 따른 각 감속 모드의 토크 제어 형태를 각각 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 실시예들에서는, 가속 페달과 브레이크 페달이 함께 조작되는 방식으로 감속될 경우, 차량 상황에 따라 제동력의 적어도 일부를 전기 모터의 회생 제동을 통해 구현하는 등 제동 방식을 차별화하여 효율성 향상과 브레이크 시스템 보호가 달성되도록 할 것을 제안한다.
이하, 소정 조건 하에서 신속한 재가속을 위해 가속 페달과 브레이크 페달이 함께 조작되는 감속 방식, 이른바 "힐앤토" 기법 또는 "왼발 브레이킹" 기법을 편의상 "스포츠 감속"이라 칭하기로 한다.
본 발명의 실시예에 따른 주행 제어 방법을 설명하기 앞서, 실시예들에 적용 가능한 하이브리드 차량의 구조와 제어 계통을 먼저 설명한다.
먼저, 도 4를 참조하여 본 발명의 실시예들이 적용될 수 있는 하이브리드 자동차 구조를 설명한다. 도 4는 본 발명의 실시예들이 적용될 수 있는 하이브리드 자동차의 파워 트레인 구조의 일례를 나타낸다.
도 4를 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 5에 도시된다.
도 5는 본 발명의 실시예들이 적용될 수 있는 하이브리드 자동차의 제어 계통의 일례를 나타내는 블럭도이다.
도 5를 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.
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.
상술한 도 4 및 도 5의 구성은 하이브리드 자동차의 일 구성례일 뿐, 실시예에 적용 가능한 하이브리드 자동차는 이러한 구조에 한정되지 아니하고 직렬식 또는 직/병렬식 파워트레인 구조에도 적용될 수 있음은 당업자에 자명하다.
이하에서는 도 6 및 도 7을 함께 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 주행 제어 과정을 설명한다. 도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 주행 제어를 수행하는 하이브리드 자동차 구조의 일례를 나타내고, 도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 주행 제어 과정의 일례를 내는 순서도이다.
먼저 도 6을 참조하면, 본 실시예에 따른 하이브리드 제어기(240)는 가속 운전점 결정부(241), 스포츠 감속 판단부(243) 및 스포츠 감속 운전점 결정부(245)를 포함할 수 있다.
여기서, 가속 운전점 결정부(241)는 가속 페달(Accel. Pedal) 값(APS)에 기반하여 요구 가속력을 결정하고, 엔진, 모터, 배터리 상태 및 차속을 포함하는 주행상태에 기반하여 요구 가속력을 만족하기 위한, 엔진 목표 토크(즉, 보정 전 엔진 목표 토크)와 모터 목표 토크(즉, 보정전 모터 목표 토크)를 결정할 수 있다.
스포츠 감속 판단부(243)는 브레이크 오버라이드 기능이 해제된 상태인지 여부(예컨대, VDC/ECS/ESP off, 스포츠 모드 선택 또는 스포츠 감속 활성화 전용 조작 장치 조작 여부 등)를 확인하고, 해제된 상태일 때 가속 페달 값(APS)이 그에 대하여 미리 설정된 제1 기준값보다 크고(즉, APS > Th1), 브레이크 페달 값(BPS)이 그에 대하여 미리 설정된 제2 기준값보다 큰 경우(즉, BPS > Th2) 스포츠 감속 상황으로 판단할 수 있다.
스포츠 감속 운전점 결정부(245)는, 엔진은 가속 운전점 결정부(241)에서 결정한 엔진 목표 토크를 유지한 상태에서, 후술할 브레이크 제어기(260)가 BPS 기반으로 산출한 요구제동력을 구현하기 위해 전기 모터, 엔진 및 유압 제동 중 어떠한 요소를 얼마나 적용할지 여부에 대한 감속 모드를 결정할 수 있다. 구체적인 감속 모드의 결정 방식에 대해서는 도 9 내지 도 10C를 참조하여 후술하기로 한다. 예컨대, 스포츠 감속 운전점 결정부(245)는 전기 모터를 이용하여 요구제동력의 적어도 일부를 구현하기로 판단한 경우, 모터가 출력할 모터 목표 토크를 결정할 수 있다. 이때의 모터 목표 토크는 가속 운전점 결정부(241)가 결정한 모터 목표 토크와 상이할 수 있다.
또한, 본 실시예에 따른 브레이크 제어기(240)는 제동력 결정부(261)를 포함할 수 있다. 제동력 결정부(261)는 브레이크 페달 값(BPS)에 기반하여 요구 제동력을 결정하고, 유압제동시스템(160), 배터리 및 모터의 상태에 기반하여 요구 제동력을 만족하기 위한 유압브레이크의 목표 유압과 모터의 모터 목표 토크를 결정할 수 있다. 여기서의 모터 목표 토크 또한 가속 운전점 결정부(241)나 스포츠 감속 운전점 결정부(245)에서 결정된 모터 목표 토크와는 상이할 수 있다.
이하에서는 도 6의 구성을 바탕으로 도 7을 참조하여 제어 과정을 설명한다.
도 7을 참조하면, 스포츠 감속 여부가 판단될 수 있다(S710). 스포츠 감속 여부의 판단은 스포츠 감속 판단부(243)와 관련하여 전술된 바와 같으므로 중복되는 기재는 생략하기로 한다.
스포츠 감속으로 판단된 경우, 브레이크 제어기(260)의 제동력 결정부(261)는 브레이크 페달 값(BPS)에 기반하여 총 요구 제동력을 결정할 수 있다(S720).
한편, 하이브리드 제어기(240)의 가속 운전점 결정부(241)는 스포츠 감속으로 판단된 경우, 운전자의 APS 입력, 배터리 충전상태(SOC) 및 차속에 기초하여 구동 요구 토크를 산출하고, 이를 실현하기 위한 구동원(즉, 엔진과 모터) 각각의 목표 토크를 결정할 수 있다(S730). 이때, 가속 운전점 결정부(241)는 동력성능, 연비 향상, 운전감, 배출가스 저감, 배터리 충전상태 유지 등의 목표를 이루기 위한 기 설정된 최적 알고리즘에 의해 각 구동원의 목표 토크를 결정할 수 있다.
또한, 하이브리드 제어기(240)는 모터 제동 (토크 구현) 가능량을 판단할 수 있다(S740). 이를 도 8을 참조하여 설명한다. 도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 모터 제동 가능량의 개념을 설명하기 위한 도면이다. 도 8을 참조하면, 스포츠 주행 중일 경우 전기 모터는 엔진 출력을 보조하는 토크 어시스트 모드로 동작하여 양의 토크를 출력중일 수 있다. 이러한 상황에서 스포츠 감속이 시작되면, 시작 시점의 모터 출력 토크를 기준으로 모터/인버터 등 전력전자(PE: Power Electronics) 시스템 보호 및 배터리 충전 가능량에 기반하여 모터 제동 가능량(또는 가용량)을 결정할 수 있다. 예컨대, 배터리의 충전 상태(SOC)가 최고치에 해당하는 경우 추가 배터리 충전이 불가하므로 0토크까지만 구현이 가능하다.
다시 도 7로 복귀하여, 하이브리드 제어기(240)의 스포츠 감속 운전점 결정부(245)는 모터 제동 가능량과 총 제동량에 기반하여 감속 모드를 결정할 수 있다(S750). 감속 모드는 총제동량 전체를 모터만으로 감당하는 제1 모드, 모터제동과 엔진의 신속한 토크 저감(예컨대, 점화각 지연)을 함께 이용하는 제2 모드, 엔진의 토크 저감(예컨대, 흡기/연료량 거감 또는 분사 중단) 후 재가속시 모터로 가속을 보조하는 제3 모드, 및 유압 제동으로 총제동량 전체를 감당하는 제4 모드를 포함할 수 있다. 각 모드의 선택 조건 및 토크 제어의 구체적인 형태는 도 9 내지 도 10c를 참조하여 후술하기로 한다. 이때, 감속 모드를 결정한다고 함은 결정된 감속 모드 하에서 엔진과 모터 각각의 목표 토크가 결정됨을 내포하는 개념이다.
감속 모드가 결정되면, 하이브리드 제어기(240)와 브레이크 제어기(260) 각각에서 제어량 보정이 수행될 수 있다(S760). 구체적으로, 하이브리드 제어기(240)는 엔진과 모터 각각에서 대하여 가속 운전점 결정부(241)가 결정한 최초 목표 토크에 감속 모드에 따른 목표 토크 보정량을 반영하여 최종 제어 요구량을 산출할 수 있다. 또한, 브레이크 제어기(260)는 총 요구 제동량에서 감속 모드에 따른 모터 및/또는 엔진에 의한 제동력 실행량을 차감한 제동량 부족분이 유압제동으로 구현되도록 제동력을 보정할 수 있다. 이때, 브레이크 제어기(260)는 제어 도중 제동력이 증가하거나 제한치 변동 등의 상황에 대비하여 소정의 마진을 유압 제동으로 구현될 수 있도록 대비할 수도 있다.
제어량 보정까지 완료되면, 최종 결정된 구동원의 운전점에 따라 하이브리드 제어기는 엔진 제어기(210)와 모터 제어기(220) 각각에 토크 지령을 전달할 수 있으며, 브레이크 제어기(260)는 제동 유압 시스템(160)에 제동 지령을 전달할 수 있다. 그에 따라 엔진, 모터, 브레이크 각각에서 제어 실행이 수행될 수 있다(S770).
이하에서는 도 9 내지 도 10c를 참조하여 감속 모드 결정 조건 및 제어 형태를 설명한다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 감속 모드 결정 과정의 일례를 나타내는 순서도이고, 도 10a 내지 도 10c는 본 발명의 일 실시예에 따른 각 감속 모드의 토크 제어 형태를 각각 나타낸다.
먼저, 도 7의 감속 모드 결정 단계(S750)는 도 9와 같이 구성될 수 있다. 도 9를 참조하면, 총 제동량(즉, 요구 제동량)에 소정 마진을 더한 값보다 모터 제동 토크 가능량이 더 큰 경우(S751의 Yes), 감속 모드는 모터만으로 총 제동량을 감당하는 제1 모드로 결정될 수 있다(S752). 예컨대, 도 10a에 도시된 바와 같이 APS 값이 유지된다면 엔진의 운전점은 유지되고, BPS 값에 따른 제동량에 대응되는 목표 브레이크 토크(Target Brake Torque)는 모터의 회생 제동 토크에 의해 구현될 수 있다.
이와 달리, 총 제동량에 소정 마진을 더한 값이 모터 제동 토크 가능량 이상이나(S751의 No), 모터 제동 토크 가능량에 엔진 토크 신속 저감량을 더한 값보다는 작을 경우(S753의 Yes), 감속 모드는 모터의 제동 토크와 엔진의 신속 토크 저감량을 함께 이용하는 제2 모드로 결정될 수 있다(S754). 이때, 엔진의 신속 토크 저감은 점화각 지연을 통해 구현될 수 있다. 예컨대, 도 10b에 도시된 바와 같이, 모터의 제동 토크 가용량이 모터 충전 한계로 목표 브레이크 토크를 만족하기 어려울 경우, 부족한 브레이크 토크는 점화각 지연을 통해 엔진의 토크 저감으로 충족될 수 있다.
한편, 하이브리드 제어기(240)는 총 제동량에 소정 마진을 더한 값이 모터 제동 토크 가능량에 엔진 토크 신속 저감량을 더한 값 이상인 경우에는 모터 방전 가능량과 배터리의 SOC를 확인한다(S755). 확인 결과, 모터 방전 가능량이 기 설정된 제3 기준값보다 크고(즉, 모터 방전 가능량 > Th3), SOC가 기 설정된 제4 기준값보다 큰 경우(즉, SOC > Th4)에는 흡기/연료량 저감을 통해 엔진 토크를 저감하여 제동량을 감당하고, 후에 재가속시 모터 어시스트를 이용하는 제3 모드가 감속 모드로 결정될 수 있다(S756). 여기서, 각 기준값(Th3, Th4)은 전기 모터의 출력과 배터리의 용량에 따라, 재가속시 전기 모터 이용에 무리가 없는 값으로 차량마다 다르게 결정될 수 있다. 예컨대, 도 10c에 도시된 바와 같이, 모터의 제동 토크 가용량이 모터 충전 한계로 목표 브레이크 토크를 만족하기 어려울 경우, 부족한 브레이크 토크는 엔진의 토크 저감을 통해 만족될 수 있다. 이때, 흡기/연료량 저감이나 분사 오프에 의한 엔진의 토크 저감 방식은 점화각 지연 방식 대비 저감되는 토크량은 크나, 반응속도가 늦다. 따라서, 재가속시 엔진 토크가 회복되는 속도도 늦은 편이나, 전기 모터의 빠른 반응 속도를 이용하여 재가속에 필요한 토크를 전기 모터가 출력하는 경우 전체적인 가속 응답성이 만족될 수 있다.
만일, 모터 재가속도 여의치 않을 경우에는(S755의 no), 유압 제동으로 제동량을 감당하는 제4 모드로 감속 모드가 결정될 수 있다(S757).
전술한 본 발명의 실시예들에 의하면, 모터, 배터리, 엔진 상태에 따라 적절한 스포츠 감속 제어를 선택함으로써 브레이크 과열에 의한 페이딩이나 베이퍼 락을 방지하여 최상의 브레이킹 능력이 유지될 수 있으며, 전기 모터에 의한 회생 제동이 발생함에 따라 감속시 배터리 충전이 발생하여 재가속시 모터 어시스트 능력이 확보될 수 있다. 또한, 유압 제동시 브레이크 마찰에 의해 연료 에너지가 열로 전환되어 낭비되는 비효율도 저감된다.
한편, 전술한 실시예들은 단순히 일반적인 하이브리드 자동차의 가속제어와 회생 제동의 결합이 아님을 유념하여야 한다. 구체적으로, 엔진과 전기 모터를 구비한 일반적인 하이브리드 자동차에서는 가속 구동력이 엔진과 전기 모터의 토크 합으로 결정되는데, 기본적으로는 엔진의 최적 운전점이 기준이 된다. 즉, 엔진의 최적 운전점에서 출력되는 토크보다 더 큰 토크가 요구되면 전기 모터가 출력을 보조하도록 제어되고, 최적 운전점에서 출력되는 토크보다 작은 토크가 요구되면 모터가 발전하는 방향으로 제어된다. 또한, 일반적인 하이브리드 자동차는 제동 관점에서 운전자의 BPS에 따라 제동량이 판단되면, 모터와 배터리의 상태에 따라 회생 제동량이 결정되고, 부족분이 유압 제동을 통해 구현된다.
결국, 일반적인 하이브리드 자동차에서는 가속과 감속제어에 모터/배터리 시스템을 공통적으로 사용하고 있어서, 기존제어 방식 그대로 두 가지 목적의 제어를 단순 결합하여 병행하여 구현하는 것은 구조적으로 불가능하다. 즉, 일반적인 하이브리드 자동차에서 브레이크 오버라이드 기능이 해제된 상태에서 APS와 BPS 값을 단순 합산하여 최종 출력 토크가 결정될 수 있다고 하더라도, 이러한 출력 토크는 결국 가속에 해당할 경우 일반적인 최적 효율 기반의 가속 제어를 따를 것이고, 감속에 해당할 경우 일반적인 감속 제어를 따를 뿐, 본 발명에서와 같이 신속한 재가속을 보장하면서도 유압 브레이크 시스템의 부하를 덜어주는 방향으로는 동작할 수 없다.
따라서, 본 발명은 일반적인 하이브리드 자동차의 스포츠 감속 시행 상황에 제동력만을 회생제동으로 치환한 의미를 넘어, 동 상황에서의 엔진과 모터의 분배 전략을 독창적으로 제시한 것임을 유념해야 한다.
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. 전기 모터와 엔진을 구비하는 하이브리드 자동차의 주행 제어 방법에 있어서,
    소정 조건이 만족되는 상황에서 가속 페달의 조작에 의한 가속 요구와 브레이크 페달의 조작에 의한 감속 요구가 동시에 요구되는 경우,
    상기 가속 요구는 상기 엔진의 토크로 구현하는 단계; 및
    상기 감속 요구는 상기 전기 모터의 회생 제동 토크로 구현하는 단계를 포함하는, 하이브리드 자동차의 주행 제어 방법.
  2. 제1 항에 있어서,
    상기 소정 조건은,
    상기 가속 페달과 상기 브레이크 페달이 동시에 조작될 때 구동력을 제한하는 기능이 해제된 상황을 포함하는, 하이브리드 자동차의 주행 제어 방법.
  3. 제1 항에 있어서,
    상기 회생 제동 토크가 상기 감속 요구를 전부 만족하지 못할 경우, 부족분을 상기 엔진의 점화각 지연에 의해 만족시키거나, 유압 제동을 통해 만족시키는 단계를 더 포함하는, 하이브리드 자동차의 주행 제어 방법.
  4. 제1 항에 있어서,
    상기 전기 모터를 구동하는 배터리의 충전 상태 조건이 만족될 경우, 분사량 제어를 통해 상기 엔진의 토크를 저감하여 상기 감속 요구를 만족시키는 단계; 및
    재가속시 가속 요구량을 상기 전기 모터의 토크로 보완하는 단계를 더 포함하는, 하이브리드 자동차의 주행 제어 방법.
  5. 엔진, 모터 및 배터리를 구비한 하이브리드 자동차의 주행 제어 방법에 있에서,
    가속 페달의 조작에 기반하여 요구 가속력을 결정하고, 상기 엔진, 상기 모터 및 상기 배터리의 상태 및 차속을 포함하는 주행상태에 기반하여 상기 요구 가속력을 만족하기 위한 엔진 목표 토크, 상기 모터의 제1 목표 토크를 결정하는 단계;
    브레이크 페달의 조작에 기반하여 요구 제동력을 결정하고, 유압제동시스템, 상기 배터리 및 상기 모터의 상태에 기반하여 상기 요구 제동력을 만족하기 위한 유압브레이크 목표 유압과 상기 모터의 제2 목표 토크를 결정하는 단계; 및
    소정 조건하에서 상기 가속 페달과 상기 브레이크 페달이 동시에 조작될 경우, 상기 엔진은 상기 엔진 목표 토크를 유지한 상태에서, 상기 모터는 상기 요구 제동력을 구현하기 위한 제3 목표 토크를 결정하는 단계를 포함하는, 하이브리드 자동차의 주행 제어 방법.
  6. 제5 항에 있어서,
    상기 가속 페달과 상기 브레이크 페달이 동시에 조작될 때, 상기 엔진 목표 토크 및 상기 제3 목표 토크에 따라 상기 엔진 및 상기 모터가 각각 구동되는 단계를 더 포함하는, 하이브리드 자동차의 주행 제어 방법.
  7. 제5 항에 있어서,
    상기 가속 페달만 입력되는 경우,
    상기 엔진 목표 토크 및 상기 제1 목표 토크에 따라 상기 엔진 및 상기 모터가 각각 구동되는 단계; 또는
    상기 브레이크 페달만 입력되는 경우,
    상기 유압브레이크 목표 유압과 상기 제2 목표 토크에 따라 상기 유압제동시스템 및 상기 모터가 각각 구동되는 단계를 더 포함하는, 하이브리드 자동차의 주행 제어 방법.
  8. 제5 항에 있어서,
    상기 소정 조건은,
    상기 가속 페달과 상기 브레이크 페달이 동시에 조작될 때 구동력을 제한하는 기능이 해제된 상황을 포함하는, 하이브리드 자동차의 주행 제어 방법.
  9. 제5 항에 있어서,
    상기 제3 목표 토크로 상기 요구 제동력을 전부 만족하지 못할 경우, 부족분을 상기 엔진의 점화각 지연에 의해 만족시키거나, 유압 제동을 통해 만족시키는 단계를 더 포함하는, 하이브리드 자동차의 주행 제어 방법.
  10. 제1 항 내지 제9 항 중 어느 한 항에 따른 하이브리드 자동차의 주행 제어 방법을 실행시키기 위한 프로그램을 기록한 컴퓨터 해독 가능 기록 매체.
  11. 모터;
    엔진; 및
    소정 조건이 만족되는 상황에서 가속 페달의 조작에 의한 가속 요구와 브레이크 페달의 조작에 의한 감속 요구가 동시에 요구되는 경우, 상기 가속 요구는 상기 엔진의 토크로 구현되도록 하고, 상기 감속 요구는 상기 전기 모터의 회생 제동 토크로 구현되도록 제어하는 하이브리드 제어기를 포함하는, 하이브리드 자동차.
  12. 제11 항에 있어서,
    상기 소정 조건은,
    상기 가속 페달과 상기 브레이크 페달이 동시에 조작될 때 구동력을 제한하는 기능이 해제된 상황을 포함하는, 하이브리드 자동차.
  13. 제11 항에 있어서,
    상기 하이브리드 제어기는,
    상기 회생 제동 토크가 상기 감속 요구를 전부 만족하지 못할 경우, 부족분을 상기 엔진의 점화각 지연에 의해 만족되도록 제어하는, 하이브리드 자동차.
  14. 제11 항에 있어서,
    상기 하이브리드 제어기는,
    상기 전기 모터를 구동하는 배터리의 충전 상태 조건이 만족될 경우, 분사량 제어를 통해 상기 엔진의 토크를 저감하여 상기 감속 요구가 만족되도록 하고, 재가속시 가속 요구량이 상기 전기 모터의 토크로 보완되도록 제어하는, 하이브리드 자동차.
  15. 엔진, 모터 및 배터리를 구비한 하이브리드 자동차에 있어서,
    가속 페달의 조작에 기반하여 요구 가속력을 결정하고, 상기 엔진, 상기 모터 및 상기 배터리의 상태 및 차속을 포함하는 주행상태에 기반하여 상기 요구 가속력을 만족하기 위한 엔진 목표 토크, 상기 모터의 제1 목표 토크를 결정하는 가속 운전점 결정부;
    브레이크 페달의 조작에 기반하여 요구 제동력을 결정하고, 유압제동시스템, 상기 배터리 및 상기 모터의 상태에 기반하여 상기 요구 제동력을 만족하기 위한 유압브레이크 목표 유압과 상기 모터의 제2 목표 토크를 결정하는 제동력 결정부; 및
    소정 조건하에서 상기 가속 페달과 상기 브레이크 페달이 동시에 조작될 경우, 상기 엔진은 상기 엔진 목표 토크를 유지한 상태에서, 상기 모터는 상기 요구 제동력을 구현하기 위한 제3 목표 토크를 결정하는 스포츠 운전점 결정부를 포함하는, 하이브리드 자동차.
  16. 제15 항에 있어서,
    상기 가속 페달만 입력되는 경우 상기 가속 운전점 결정부의 결정에 의해,
    상기 브레이크 페달만 입력되는 경우 상기 제동력 결정부의 결정에 의해,
    상기 가속 페달과 상기 브레이크 페달이 동시에 입력될 경우 상기 스포츠 운전점 결정부의 결정에 의해 상기 엔진 및 상기 모터의 운전점이 결정되는, 하이브리드 자동차.
  17. 제16 항에 있어서,
    상기 스포츠 운전점 결정부는,
    상기 모터만으로 상기 요구 제동력을 전부 만족하지 못할 경우, 부족분을 상기 엔진의 점화각 지연에 의해 만족시키도록 상기 엔진의 운전점을 결정하는, 하이브리드 자동차.
  18. 제17 항에 있어서,
    상기 스포츠 운전점 결정부는,
    상기 점화각 지연에 의해서도 상기 부족분이 만족되지 않는 경우, 유압 브레이크로 상기 부족분을 보충하도록 제어하는, 하이브리드 자동차.
  19. 제16 항에 있어서,
    상기 가속 페달과 상기 브레이크 페달이 동시에 입력될 경우, 상기 배터리의 충전량이 임계값 이상인 경우, 상기 제동력 결정부에 의해 결정된 운전점에 따라 상기 엔진 및 상기 모터의 운전점이 결정되는, 하이브리드 자동차.
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