KR20200063414A - 하이브리드 자동차 및 그를 위한 주행 제어 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 엔진과 모터가 서로 다른 휠축에 동력을 전달하는 하이브리드 자동차 및 그를 위한 주행 제어 방법에 관한 것이다. 본 발명의 일 실시예에 따른 제1 휠축이 모터의 동력으로 구동되고, 제2 휠축이 엔진의 동력으로 구동되는 하이브리드 자동차의 제어 방법은, 연비 주행 모드의 설정 여부를 판단하는 단계; 상기 연비 주행 모드가 설정된 경우, 상기 제1 휠축과 상기 모터를 연결하거나 분리시키는 모터 클러치에 대하여 상기 모터의 동작 필요성에 따라 선택적으로 체결 제어 또는 해제 제어를 수행하는 단계; 및 상기 연비 주행 모드가 설정되지 않은 경우, 상기 체결 제어를 통해 상기 모터 클러치를 체결 상태로 유지하는 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 엔진과 모터가 서로 다른 휠축에 동력을 전달하는 하이브리드 자동차 및 그를 위한 주행 제어 방법에 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 가동하는 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.
먼저, 도 1을 참조하여 하이브리드 자동차 구조를 설명한다. 도 1은 일반적인 병렬형 하이브리드 자동차의 파워 트레인 구조의 일례를 나타낸다.
도 1을 참조하면, 전륜은 엔진(110)의 동력으로 구동되고, 후륜은 모터(140)의 동력으로 구동될 수 있다. 따라서, 엔진(110)과 모터(140)를 동시에 구동시킬 경우 사륜 구동이 되어, 이러한 형태의 하이브리드 시스템을 e4WD라 칭하기도 한다.
구체적으로, 전륜의 파워 트레인은 엔진(110), 시동발전모터(120, HSG: Hybrid Starter Generator) 및 변속기(130)를 포함할 수 있다. 도 1에서 변속기(130)는 듀얼클러치 변속기(DCT)로 도시되었으나, 일반적인 자동 변속기(AT)로 대체될 수도 있음은 물론이다. 시동발전모터(120)는 엔진의 시동시에는 스타트 모터로 동작하며, 필요에 따라 엔진(110)의 동력을 이용하여 발전을 수행할 수도 있다.
후륜의 파워트레인은 모터(140), 모터에 전력을 공급하는 배터리(150), 일정 기어비로 모터의 회전수를 낮추는 감속기(160), 감속기(160)의 출력단과 후륜휠축 간의 연결 또는 분리를 수행하는 모터 클러치(170, 또는 후륜 클러치)를 포함할 수 있다.
이러한 하이브리드 자동차의 구동 모드는 엔진(110) 단독 구동 모드, 모터(140)만 구동하는 EV 모드 및 엔진과 모터(및/또는 HSG)를 함께 구동하는 HEV 모드를 포함할 수 있다.
그런데, 일반적으로 엔진(110) 단독 구동 모드에서는 모터(140)의 무부하 회전에 의한 저항 손실을 줄이고자 모터 클러치(170)를 해제하여 모터(140)를 휠에서 분리하고 회전시키지 않는다.
한편, 모터(140)를 정지상태에서 다시 구동에 참여시키고자 할 때는 모터의 속도제어를 통해 감속기(160)의 출력단 속도와 휠속도를 동기화된 후 모터 클러치(170)의 체결을 수행한다.
그런데, 모터(140)는 휠에 감속기를 통해 직접 결합 되어 있기 때문에, 변속기(130)와 체결된 엔진(110) 대비 차량에 빠른 토크 응답성을 제공할 수 있지만, 모터 클러치(170)의 체결에는 동기화 시간이 소요되므로 모터(140)가 정지상태인 경우에는 바로 토크 응답성을 제공할 수 없는 문제점이 있다.
본 발명은 보다 향상된 운전성 및 가속 반응성을 제공할 수 있는 하이브리드 자동차 및 그 제어 방법을 제공하기 위한 것이다.
특히, 본 발명은 모터와 엔진이 서로 다른 휠축에 동력을 제공하는 하이브리드 차량에서 연비와 운전성을 함께 향상시킬 수 있는 제어 방법을 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 제1 휠축이 모터의 동력으로 구동되고, 제2 휠축이 엔진의 동력으로 구동되는 하이브리드 자동차의 제어 방법은, 연비 주행 모드의 설정 여부를 판단하는 단계; 상기 연비 주행 모드가 설정된 경우, 상기 제1 휠축과 상기 모터를 연결하거나 분리시키는 모터 클러치에 대하여 상기 모터의 동작 필요성에 따라 선택적으로 체결 제어 또는 해제 제어를 수행하는 단계; 및 상기 연비 주행 모드가 설정되지 않은 경우, 상기 체결 제어를 통해 상기 모터 클러치를 체결 상태로 유지하는 단계를 포함할 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 하이브리드 자동차는, 제1 휠축을 구동하는 모터; 상기 제1 휠축과 상기 모터를 연결하거나 분리시키는 모터 클러치; 제2 휠축을 구동하는 엔진; 및 하이브리드 제어기를 포함하되, 상기 하이브리드 제어기는, 연비 주행 모드가 설정된 경우 상기 모터 클러치에 대하여 상기 모터의 동작 필요성에 따라 선택적으로 체결 제어 또는 해제 제어를 수행하고, 상기 연비 주행 모드가 설정되지 않은 경우 상기 체결 제어를 통해 상기 모터 클러치를 체결 상태로 유지할 수 있다.
상기와 같이 구성되는 본 발명의 적어도 하나의 실시예에 관련된 하이브리드 자동차는 보다 향상된 운전성 및 가속 반응성을 제공할 수 있다.
특히, 본 발명의 실시예들에 의하면, 상황에 따라 모터 클러치의 체결 및 해제 제어가 수행되므로 평시에는 높은 연비를 얻을 수 있으며, 전륜 휠토크 상황에 따라 모터 클러치가 체결되므로 신속한 토크 응답성을 얻을 수 잇다.
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 본 발명의 실시예들이 적용될 수 있는 하이브리드 자동차의 제어 계통의 일례를 나타내는 블럭도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 하이브리드 자동차의 주행 모드 제어 과정의 일례를 나타내는 순서도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 하이브리드 자동차의 요구 토크에 따른 모드 전환 기준의 일례를 나타낸다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 하이브리드 자동차의 배터리 상태에 따른 모드 전환 기준의 일례를 나타낸다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 하이브리드 자동차에서 모터 어시스트를 통한 토크 보상이 수행되는 형태의 일례를 나타낸다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 하이브리드 자동차에서 모터 어시스트를 통한 토크 보상이 수행되는 형태의 다른 일례를 나타낸다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 하이브리드 자동차에서 모터 클러치가 체결되는 과정을 설명하기 위한 그래프이다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 하이브리드 자동차에서 모터 클러치의 체결 제어 과정의 일례를 나타내는 순서도이다.
도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 하이브리드 자동차에서 모터 클러치의 해제 제어 과정의 일례를 나타내는 순서도이다.
도 11은 본 발명의 일 실시예에 따른 모터 목표속도 프로파일의 일례를 나타낸다.
도 12는 본 발명의 일 실시예에 따른 모터 속도 제어를 위한 피드백 모델의 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 실시예에 따른 상황별 모터 클러치 체결 및 해제를 통한 주행 모드 제어가 가능한 하이브리드 자동차 및 그 제어 방법을 설명하기 앞서, 실시예들에 적용 가능한 하이브리드 차량의 제어 계통을 먼저 설명한다. 본 발명의 실시예들에 적용될 수 있는 기본적인 하이브리드 차량의 파워트레인 구조는 도 1에 도시된 구조일 수 있다. 이러한 파워 트레인이 적용되는 차량에서 제어기 간의 상호관계가 도 2에 도시된다.
도 2는 본 발명의 실시예들이 적용될 수 있는 하이브리드 자동차의 제어 계통의 일례를 나타내는 블럭도이다.
도 2를 참조하면, 본 발명의 실시예들이 적용될 수 있는 하이브리드 자동차에서 내연기관(110)은 엔진 제어기(210)가 제어하고, 모터(140)는 모터 제어기(MCU: Motor Control Unit, 220)에 의해 토크가 제어될 수 있으며, 모터 클러치(170)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(130)는 변속기 제어기(240)가 제어하게 된다.
경우에 따라, 모터 제어기(220)가 시동발전 모터(120)를 함께 제어할 수도 있고, 시동발전 모터(120)를 위한 제어기가 별도로 구비될 수도 있다.
각 제어기는 그 상위 제어기로서 모드 전환 과정 전반을 제어하는 하이브리드 제어기(HCU: Hybrid Controller Unit, 250)와 연결되어, 하이브리드 제어기(250)의 제어에 따라 주행 모드 변경에 필요한 정보를 하이브리드 제어기(250)에 제공하거나 제어 신호에 따른 동작을 수행할 수 있다.
예를 들어, 하이브리드 제어기(250)는 차량의 운행 상태에 따라 모드 전환 수행 여부를 결정하며, 그에 따라 모터 클러치(170)의 해제 또는 체결 시점을 판단하고, 판단된 시점에 모터 클러치(170)를 제어하는 클러치 제어기(230)에 체결 요청이나 해제 요청을 전달할 수 있다. 또한, 하이브리드 제어기(250)는 엔진(110)의 토크 저감이 예측되는 시점에 모터(140)를 통해 저감분에 해당하는 토크 보상(즉, 토크 어시스트)가 출력되도록 제어할 수도 있다.
물론, 상술한 제어기간 연결관계 및 각 제어기의 기능/구분은 예시적인 것으로 그 명칭에도 제한되지 아니함은 당업자에 자명하다. 예를 들어, 하이브리드 제어기(250)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. 다시 말해, 상술한 도 2의 구성은 하이브리드 자동차의 일 구성례일 뿐, 실시예에 적용 가능한 하이브리드 자동차는 이러한 구조에 한정되지 아니함은 당업자에 자명하다 할 것이다.
본 발명의 일 실시예에서는 상황별 모터 클러치 체결 및 해제를 통한 주행 모드 제어가 수행되도록 할 것을 제안한다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 하이브리드 자동차의 주행 모드 제어 과정의 일례를 나타내는 순서도이다.
도 3을 참조하면, 주행 모드 제어에 있어 먼저 배터리의 충전 상태(SOC: State Of Charge)가 기 설정된 일정값 이하인지 여부가 판단될 수 있다(S310). 여기서 일정값은 연비 주행이나 신속한 요구 토크 추종 등 주행 목적에 따라 최적의 주행 모드를 선택함에 있어 배터리에 확보되어야 할 최소한의 SOC를 의미할 수 있으며, 차량에 따라 상이하게 설정될 수 있다.
SOC가 일정값 이하인 경우(S310의 yes), 배터리의 충전이 우선시되므로 하이브리드 제어기(250)는 TTR(Through The Road) 모드로의 천이를 결정하고, 그에 대응되도록 엔진과 모터의 동력 분배를 수행할 수 있다(S320A). 여기서 TTR 모드란, 엔진(110)의 동력을 이용하여 HSG(120)와 모터(140) 모두를 통해 충전을 수행하는 모드를 의미한다. 이때, HSG(120)로 전달되는 동력은 엔진(110)에 연결된 풀리를 통해 직접 전달되는 것이 일반적이나, 모터(140)는 엔진(110)과 직접적으로 연결되지 않으므로, 전륜 휠축을 통해 전륜에 전달된 엔진(110)의 출력이 지면(Road)을 거쳐 후륜을 통해 다시 모터(140)로 전달되므로 본 모드는 TTR이란 명칭을 사용한다. 본 모드에서는 두 개의 모터(120, 140)를 통해 충전이 함께 수행되므로 가장 충전량이 높은 모드가 된다.
한편, SOC가 일정값보다 큰 경우(S310의 no), 일반(Normal) 모드에 따른 엔진과 모터의 동력 분배가 수행될 수 있다(S320B). 여기서 일반 모드란, 실시예에 따른 하이브리드 자동차에서 제공하는 복수의 모드 중 TTR 모드를 제외한 나머지 모드를 의미하며, EV 모드, HEV 1/2/3 모드 및 엔진 단독 모드를 포함할 수 있다. HEV 1 모드는 엔진(110)의 동력 외에 HSG(120)와 모터(140) 모두가 구동력을 출력(즉, 토크 어시스트)하는 모드이며, HEV 2 모드는 모터(140)는 구동력을 출력하되, HSG(120)는 선택적으로 충전을 수행하는 모드이다. 또한, HEV 3 모드는 엔진(110) 구동력의 일부를 이용하여 HSG(120)가 충전을 수행하는 모드를 의미할 수 있다.
상술한 다양한 주행 모드를 진입 조건별로 정리하면 도 4 및 도 5와 같다. 도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 하이브리드 자동차의 요구 토크에 따른 모드 전환 기준의 일례, 도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 하이브리드 자동차의 배터리 상태에 따른 모드 전환 기준의 일례를 각각 나타낸다.
먼저 도 4를 참조하면, 실시예에 따른 하이브리드 자동차는 요구토크가 커질수록 순차적으로 EV 모드, 엔진 단독 모드, HEV 모드 순으로 전환될 수 있다. 이때, 각 모드별 전환 기준이 되는 요구 토크의 크기는 차량마다 상이할 수 있다. 다음으로 도 5를 참조하면, 실시예에 따른 하이브리드 자동차는 SOC가 일정값 이하인 경우에는 TTR 모드로 진입하며, 그렇지 않은 경우에는 노멀 모드로 진입할 수 있다. 이때, 노멀 모드에 해당하는 SOC 범위에서도 SOC가 상대적으로 낮은 경우 하이브리드 자동차는 엔진 단독 모드나 HEV 3 모드를 통해 SOC를 유지시키거나 일부 충전할 수 있다. 이와 달리 SOC가 상대적으로 높은 경우 하이브리드 자동차는 EV 모드, HEV 1 모드 또는 HEV 2 모드로 동작하여 요구 토크에 따라 SOC를 소모할 수 있다.
다시 도 3으로 복귀하여, 하이브리드 제어기(250)는 현재 연비 주행 모드가 활성화되어 있는지 여부를 판단할 수 있다(S330). 여기서 연비 주행 모드란, 전술한 엔진(110)과 모터(140)의 구동 여부와 동작에 따른 주행 모드와는 상이한 의미로, 고연비 달성을 목표로 필요에 따라 전술한 복수의 주행 모드간의 천이를 수행하는 모드를 의미한다. 연비 주행 모드에서는 불필요한 에너지 손실을 방지하기 위하여, 모터(140)가 사용되지 않을 경우 모터 클러치(170)를 해제된 상태로 두어 모터(140)의 무부하 회전시 발생하는 회전 저항에 의한 손실을 방지하며, 모터(140)의 구동력이 필요하거나 회생 제동이 수행될 필요가 있을 때에만 선택적으로 모터 클러치(170)가 접합될 수 있다.
따라서, 연비 주행 모드에서 하이브리드 제어기(250)는 모터(140)의 구동이나 회생 제동이 필요한지 여부를 판단할 수 있다(S340).
판단 결과, 모터(140)의 구동이나 회생 제동이 필요한 경우, 하이브리드 제어기(250)는 모터 클러치(170)를 체결시키기 위한 체결 제어를 수행할 수 있다(S350A). 이를 위해, 모터(140)는 모터 클러치(170)의 출력단 속도가 후륜 휠축의 속도와 동기화될 수 있으며, 동기화가 완료된 후 모터 클러치(170)가 체결될 수 있다. 이와 달리, 모터(140)의 구동이나 회생 제동이 필요하지 않은 경우, 하이브리드 제어기(250)는 모터 클러치(170)를 해제 상태로 유지하기 위한 해제 제어를 수행할 수 있다(S350B). 이를 위해, 모터 클러치(170)가 먼저 해제되며 모터(140)는 정지 속도로 제어될 수 있다.
모터 클러치(170)의 체결 제어 및 해제 제어는 도 8 내지 도 12를 참조하여 보다 상세히 후술하기로 한다.
한편, 하이브리드 제어기(250)는 현재 연비 주행 모드가 활성화되지 않은 경우(S330의 No), 모터(140)를 통해 즉각적인 토크 어시스트 출력이 가능하도록 모터 클러치 체결 제어를 통해 모터 클러치(170)가 체결된 상태로 유지할 수 있다(S360).
이후 하이브리드 제어기는 APS 값에 따른 요구토크 중 전륜을 통해 감당될 요구 전륜휠토크의 크기와 전륜휠을 통해 출력될 예측 전륜휠토크의 차이가 기 설정된 토크 값보다 큰지 여부를 판단할 수 있다(S370). 여기서 기 설정된 토크 값은 운전성 저하(즉, 운전자의 요구 가속도 추종 불가)를 야기하는 값일 수 있으나, 반드시 이에 한정되는 것은 아니며 차량마다 상이할 수 있다. 또한, 예측 전륜휠토크가 요구 전륜휠토크보다 저감되는 경우는 변속 등에 의한 엔진 토크의 단절 및 드롭(drop) 상황일 수 있다.
만일, 요구 전륜휠토크의 크기와 전륜휠을 통해 출력될 예측 전륜휠토크의 차이가 기 설정된 토크 값보다 큰 경우, 하이브리지 제어기(250)는 요구 전륜휠토크가 실제 전륜휠토크보다 작은 구간동안 천이 구간동안 실제 전륜휠토크의 부족분에 해당하는 토크가 모터(140)를 통해 출력되도록 제어할 수 있다(S380)
천이 구간의 모터 어시스트 형태는 도 6 및 도 7을 참조하여 설명한다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 하이브리드 자동차에서 모터 어시스트를 통한 토크 보상이 수행되는 형태의 일례를, 도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 하이브리드 자동차에서 모터 어시스트를 통한 토크 보상이 수행되는 형태의 다른 일례를 각각 나타낸다.
도 6을 참조하면, 변속 상황에서 시간의 흐름에 따른 토크 변화가 도시된다. 보다 상세히, 도 6에서는 시간의 흐름에 따라 차속이 증가하여 순차적으로 고단으로 기어 변속이 수행되는 경우를 가정한다. 도 6을 참조하면, 차속 증가와 상단 변속이 반복되면서 휠토크는 단계적으로 하락하나, 변속간에는 변속 인터벤션 제어로 인해 엔진축 휠 발생토크가 일시적으로 저하된다. 미리 모터 클러치(170)가 체결되어 있을 경우, 이러한 시점에 모터 어시스트에 의한 모터축 휠토크를 통해 엔진축 휠 발생토크의 저하분이 즉각적으로 보완될 경우, 변속에도 불구하고 엔진축 요구휠토크의 추종이 가능하다.
이때, 모터축 휠토크는 모터 어시스트 토크에 감속기(160)의 기어비를 곱한 값이 될 수 있다. 보다 상세히, 모터 어시스트 토크(Tmotor)는 "Teng_wheel _reqT wheel_act) / Greduction"와 같이 구해질 수 있다. 여기서, Teng_wheel _req는 엔진축의 요구휠토크를, T wheel_act는 엔진 축의 예측 휠토크를, Greduction은 감속기 기어비를 각각 의미한다.
다음으로, 도 7을 참조하면, 급격한 APS 증가 상황이 도시된다. APS 값의 급격한 상승에 따라 엔진축 요구 휠토크도 그에 상응하여 상승하나, 엔진축 휠 발생토크가 엔진(110)의 출력 한계로 인한 응답 지연, 하단 변속 등의 시스템 제한으로 인해 엔진축 요구 휠토크를 만족하지 못할 수 있다. 이러한 경우 미리 모터 클러치(170)가 체결되어 있다면 모터 어시스트에 의한 모터축 휠토크를 통해 엔진축 휠 발생토크의 부족분이 즉각적으로 보완되어 가속 응답성이 향상된다.
이하에서는 도 8 내지 도 12를 참조하여 모터 클러치(170)의 체결 및 해제 제어 과정을 설명한다.
먼저, 도 8 및 도 9를 함께 참조하여 모터 클러치(170)의 체결 과정을 먼저 설명한다. 도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 하이브리드 자동차에서 모터 클러치가 체결되는 과정을 설명하기 위한 그래프이고, 도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 하이브리드 자동차에서 모터 클러치의 체결 제어 과정의 일례를 나타내는 순서도이다. 다만, 도 8에서는 APS 해제로 요구 토크가 감소되면서 모터를 통한 회생 또는 EV 모드 전환을 위해 모터 클러치가 체결되는 상황을 가정한다.
먼저, 하이브리드 제어기(250)에서 모터 클러치 체결요청이 있는 경우(S910), 모터 클러치 상태가 판단될 수 있다(S920). 모터 클러치(170) 상태는 해제(Open) 상태, 액츄에이터가 동작하여 클러치판간 접합이 발생하는 프로세싱(Processing) 상태, 체결이 완료된 락(Lock) 상태를 포함할 수 있다.
모터 클리치(170)가 락 상태가 아닌 경우(S920의 Yes), 모터 속도 제어 요청에 따라(S930) 모터의 목표 속도가 결정될 수 있다(S940). 목표 속도는 후륜 휠축 속도와 감속기 기어비를 고려하여 결정될 수 있으며 목표 속도가 결정되면, 목표 속도 도달을 의한 모터 속도 제어가 수행될 수 있다(S950). 이때, 모터 속도 제어는 속도 제어토크를 피드백과 피드포워드를 결합하여 결정하는 형태가 될 수 있으며, 수행은 하이브리드 제어기(250)가 모터 제어기(220)에 토크 지령을 전달하는 형태일 수 있다. 또한, 모터 속도 제어시 모터(140)는 실질적으로 무부하 상태이므로 기 설정된 속도 변동률에 대한 제한이 풀릴 수 있다. 구체적인 목표 속도의 설정 형태는 도 11을, 피드백 및 피드포워드를 통한 속도 제어토크 결정을 위한 제어 모델은 도 12를 참조하여 보다 상세히 후술하기로 한다.
이후 모터 속도가 목표 속도에 도달하여 안정화되면(S960), 하이브리드 제어기(250)는 클러치 제어기(230)에 체결 명령(즉, 모터클러치 상태명령 = Lock)을 전달할 수 있다(S970). 이때, 안정화 여부는 모터 속도(또는 모터 클러치 입력축 속도)와 목표 속도의 차가 제1 값 이내이고, 모터 가속도(또는 모터 토크)가 제2 값 이내인 상태가 제3 시간 동안 유지되면 안정화가 완료된 것으로 판단될 수 있으며, 제1 값, 제2 값 및 제3 시간은 차량마다 다양하게 설정될 수 있으므로, 본 발명은 각 값의 범위에 제한되지 아니한다.
체결 명령에 따라 모터 클러치는 오픈 상태에서 프로세싱 상태를 거쳐 락 상태가 되며, 하이브리드 제어기(250)는 모터 클러치 상태가 락 상태임을 확인하면(S980의 Yes), 모터 속도제어 요청을 해제하고 엔진 토크와의 토크 블렌딩을 거쳐 주행 모드에 따라 모터(140)에 분배되는 토크를 추종하기 위한 모터 토크 제어를 개시할 수 있다.
지금까지 설명한 과정에서, S910 및 S920 단계는 도 8의 체결판단 구간에 해당할 수 있으며, S930 내지 S960 단계는 도 8의 속도제어 구간에 해당할 수 있고, S970 단계는 도 8의 체결제어 구간에 해당할 수 있다. 또한, 체결판단 구간, 속도제어 구간 및 체결제어 구간의 총 길이가 모터의 출력이 후륜 휠축을 통해 출력되기까지의 응답 지연 시간에 해당할 수 있다. 이러한 응답 지연 시간이 발생하기 때문에 본 실시예에서는 연비 주행 모드가 아닌 경우 빠른 응답성을 위해 모터 클러치를 체결 상태로 유지한다.
다음으로, 도 10을 참조하여 모터 클러치의 해제 제어 과정을 설명한다. 도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 하이브리드 자동차에서 모터 클러치의 해제 제어 과정의 일례를 나타내는 순서도이다.
먼저, 하이브리드 제어기(250)에서 모터 클러치 해제요청이 있는 경우(S1010), 하이브리드 제어기(250)는 클러치 제어기(230)에 해제 명령(즉, 모터클러치 상태명령 = Open)을 전달할 수 있다(S1020).
이후 하이브리드 제어기(250)는 모터 클러치 상태를 판단할 수 있다(S1030).
모터 클리치(170)가 락 상태가 아닌 경우(S1030의 Yes), 하이브리드 제어기는 모터의 목표 속도를 0으로 결정한다(S1040). 그에 따라 목표 속도 도달을 의한 모터 속도 제어가 수행될 수 있다(S1050). 이때, 모터 속도 제어는 속도 제어토크를 피드백과 피드포워드를 결합하여 결정하는 형태가 될 수 있으며, 수행은 하이브리드 제어기(250)가 모터 제어기(220)에 토크 지령을 전달하는 형태일 수 있다. 피드백 및 피드포워드를 통한 속도 제어토크 결정을 위한 제어 모델은 도 12를 참조하여 보다 상세히 후술하기로 한다.
이후 하이브리드 제어기(250)는 모터 속도가 목표 속도에 도달하여 안정화되었는지 여부를 판단하고(S1060), 안정화된 경우 모터 토크를 0으로 제어할 수 있다(S1070). 이때, 안정화 여부는 모터 속도(또는 모터 클러치 입력축 속도)와 목표 속도의 차가 제1 값 이내이고, 모터 가속도(또는 모터 토크)가 제2 값 이내인 상태가 제3 시간 동안 유지되면 안정화가 완료된 것으로 판단될 수 있으며, 제1 값, 제2 값 및 제3 시간은 차량마다 다양하게 설정될 수 있으므로, 본 발명은 각 값의 범위에 제한되지 아니한다.
다음으로, 도 11 및 도 12를 참조하여 목표 속도 형태 및 제어 모델 형태를 각각 설명한다.
전술한 바와 같이, 모터 클러치 체결 제어 중에 모터 목표속도(Wdes)는 모터측 휠속도(Wwhl)와 감속기어비(Greduciton)를 통해 계산될 수 있다. 보다 구체적으로, 모터 목표속도(Wdes)는 모터측 휠속도(Wwhl)에 감속기(160)의 기어비(Greduciton)를 곱한 후 오프셋(Offset)을 더하는 방법으로 구해질 수 있다. 여기서, 오프셋 값은 클러치 엑츄에이터 응답성 및 특성을 고려해 캘리브레이션을 통해 결정될 수 있다. 이와 같이 결정된 모터 목표속도(Wdes)는 시간의 변화에 따라 도 11과 같은 형태를 가질 수 있다.
도 11은 본 발명의 일 실시예에 따른 모터 목표속도 프로파일 형태의 일례를 나타낸다. 도 11을 참조하면, 모터 목표속도 프로파일은 도 11의 (a)와 같이 상승폭이 점차 감소하면서 수렴하는 형태가 될 수도 있고, 도 11의 (b)와 같이 상승폭이 완만히 증가하여 선형 증가를 거쳐 수렴하는 형태가 될 수도 있다. 도 11의 모터 목표속도 프로파일은 예시적인 것으로 응답성과 제어성능을 고려하여 이와 상이한 형태도 가능함은 물론이다.
도 12는 본 발명의 일 실시예에 따른 모터 속도 제어를 위한 제어 모델의 일례를 나타낸다.
도 12를 참조하면, 모터 속도 제어는 피드 포워드부(FF)와 피드백부(FB)를 포함할 수 있다.
피드 포워드부(FF)는 모터 목표속도(Wdes)를 입력값으로 하여 피드포워드 토크(TFF)를 출력값으로 한다. 보다 상세히, 피드 포워드부(FF)는 모터의 드래그 토크와, 모터관성이 모터 목표속도 프로파일을 추종하기 위한 이론적인 토크값을 합산하는 형태로 구성될 수 있다.
또한, 피드백부(FB)는 모터 목표속도(Wdes)와 모터의 실제 속도(Wact)를 입력값으로 하여 피드백 토크(TFB)를 출력값으로 한다. 보다 상세히, 피드백부(FB)는 속도 에러(즉, 목표 속도와 실제 속도의 차분, e=Wdes-Wact)의 미분값과 적분값을 이용하여 아래 수학식 1과 같이 구성될 수 있다.
Figure pat00001
결국, 최종적인 모터의 속도 제어 토크(Tmotor)는 TFF와 TFB의 합이 될 수 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. 제1 휠축이 모터의 동력으로 구동되고, 제2 휠축이 엔진의 동력으로 구동되는 하이브리드 자동차의 제어 방법에 있어서,
    연비 주행 모드의 설정 여부를 판단하는 단계;
    상기 연비 주행 모드가 설정된 경우, 상기 제1 휠축과 상기 모터를 연결하거나 분리시키는 모터 클러치에 대하여 상기 모터의 동작 필요성에 따라 선택적으로 체결 제어 또는 해제 제어를 수행하는 단계; 및
    상기 연비 주행 모드가 설정되지 않은 경우, 상기 체결 제어를 통해 상기 모터 클러치를 체결 상태로 유지하는 단계를 포함하는, 하이브리드 자동차의 제어 방법.
  2. 제1 항에 있어서,
    상기 체결 제어 또는 해제 제어를 수행하는 단계는,
    상기 모터를 통한 구동력 출력이나 회생이 필요한 경우 상기 체결 제어를 수행하는 단계; 및
    상기 구동력 출력이나 상기 회생이 필요하지 않은 경우 상기 해제 제어를 수행하는 단계를 포함하는, 하이브리드 자동차의 제어 방법.
  3. 제1 항에 있어서,
    상기 체결 상태로 유지하는 단계 이후,
    상기 제2 축의 요구 휠토크와 예측 휠토크의 차분이 기 설정된 값보다 큰 경우, 상기 차분에 해당하는 모터 토크를 출력하는 단계를 더 포함하는, 하이브리드 자동차의 제어 방법.
  4. 제3 항에 있어서,
    상기 차분이 발생하는 경우는,
    상기 엔진에 연결된 변속기에서 변속이 발생하는 경우 및 상기 엔진의 응답 지연 중 적어도 하나를 포함하는, 하이브리드 자동차의 제어 방법.
  5. 제1 항에 있어서,
    상기 체결 제어는,
    모터클러치 체결 요청에 따라 상기 모터 클러치의 상태를 확인하는 단계;
    상기 모터 클러치가 락 상태가 아닌 경우, 모터 목표속도를 결정하는 단계;
    상기 모터 목표속도를 추종하기 위한 모터속도 제어를 수행하는 단계; 및
    모터 속도가 상기 모터 목표속도에서 안정화되면 상기 모터 클러치가 상기 락 상태로 전환되는 단계를 포함하는, 하이브리드 자동차의 제어 방법.
  6. 제5 항에 있어서,
    상기 모터 목표속도는,
    적어도 상기 제1 휠축의 속도 및 상기 모터와 상기 제1 휠축 사이에 배치된 감속기의 기어비를 기반으로 결정되는, 하이브리드 자동차의 제어 방법.
  7. 제5 항에 있어서,
    상기 모터속도 제어를 수행하는 단계는,
    상기 모터 목표속도와 모터 드래그 토크를 기반으로 하는 피드포워드 제어와, 상기 모터 목표속도와 실제 모터 속도의 차분을 기반으로 하는 피드백 제어를 결합하여 수행되는, 하이브리드 자동차의 제어 방법.
  8. 제1 항에 있어서,
    상기 해제 제어는,
    모터클러치 해제 요청에 따라 상기 모터 클러치를 해제시키는 단계;
    상기 모터 클러치가 락 상태가 아닌 경우, 모터 목표속도를 0으로 결정하는 단계;
    상기 모터 목표속도를 추종하기 위한 모터속도 제어를 수행하는 단계; 및
    모터 속도가 상기 모터 목표속도에서 안정화되면 상기 모터의 토크를 0으로 제어하는 단계를 포함하는, 하이브리드 자동차의 제어 방법.
  9. 제1 항에 있어서,
    상기 모터에 전력을 공급하는 배터리의 충전 상태(SOC)가 일정 기준 이하인 경우, 상기 제2 휠축으로 출력된 상기 엔진의 동력을 상기 제1 휠축을 거쳐 상기 모터에 전달하여 충전을 수행하는 모드로 진입하는 단계를 더 포함하는, 하이브리드 자동차의 제어 방법.
  10. 제1 항 내지 제9 항 중 어느 한 항에 따른 하이브리드 자동차의 제어 방법을 실행시키기 위한 프로그램을 기록한 컴퓨터 해독 가능 기록 매체.
  11. 제1 휠축을 구동하는 모터;
    상기 제1 휠축과 상기 모터를 연결하거나 분리시키는 모터 클러치;
    제2 휠축을 구동하는 엔진; 및
    하이브리드 제어기를 포함하되,
    상기 하이브리드 제어기는,
    연비 주행 모드가 설정된 경우 상기 모터 클러치에 대하여 상기 모터의 동작 필요성에 따라 선택적으로 체결 제어 또는 해제 제어를 수행하고, 상기 연비 주행 모드가 설정되지 않은 경우 상기 체결 제어를 통해 상기 모터 클러치를 체결 상태로 유지하는, 하이브리드 자동차.
  12. 제11 항에 있어서,
    상기 하이브리드 제어기는,
    상기 모터를 통한 구동력 출력이나 회생이 필요한 경우 상기 체결 제어를 수행하고, 상기 구동력 출력이나 상기 회생이 필요하지 않은 경우 상기 해제 제어를 수행하는, 하이브리드 자동차.
  13. 제11 항에 있어서,
    상기 하이브리드 제어기는 상기 모터 클러치가 상기 체결 상태로 유지될 때,
    상기 제2 축의 요구 휠토크와 예측 휠토크의 차분이 기 설정된 값보다 큰 경우, 상기 차분에 해당하는 모터 토크가 상기 모터를 통해 출력되도록 제어하는, 하이브리드 자동차.
  14. 제13 항에 있어서,
    상기 차분이 발생하는 경우는,
    상기 엔진에 연결된 변속기에서 변속이 발생하는 경우 및 상기 엔진의 응답 지연 중 적어도 하나를 포함하는, 하이브리드 자동차.
  15. 제11 항에 있어서,
    상기 하이브리드 제어기는 상기 체결 제어를 위해,
    모터클러치 체결 요청에 따라 상기 모터 클러치의 상태를 확인하고,
    상기 모터 클러치가 락 상태가 아닌 경우, 모터 목표속도를 결정하고,
    상기 모터 목표속도를 추종하기 위한 모터속도 제어를 수행하며,
    모터 속도가 상기 모터 목표속도에서 안정화되면 상기 모터 클러치가 상기 락 상태로 전환되도록 제어하는, 하이브리드 자동차.
  16. 제15 항에 있어서,
    상기 모터 목표속도는,
    적어도 상기 제1 휠축의 속도 및 상기 모터와 상기 제1 휠축 사이에 배치된 감속기의 기어비를 기반으로 결정되는, 하이브리드 자동차.
  17. 제15 항에 있어서,
    상기 모터속도 제어는,
    상기 모터 목표속도와 모터 드래그 토크를 기반으로 하는 피드포워드 제어와, 상기 모터 목표속도와 실제 모터 속도의 차분을 기반으로 하는 피드백 제어를 결합하여 수행되는, 하이브리드 자동차.
  18. 제11 항에 있어서,
    상기 하이브리드 제어기는 상기 해제 제어를 위해,
    모터클러치 해제 요청에 따라 상기 모터 클러치를 해제시키고,
    상기 모터 클러치가 락 상태가 아닌 경우, 모터 목표속도를 0으로 결정하고,
    상기 모터 목표속도를 추종하기 위한 모터속도 제어를 수행하며,
    모터 속도가 상기 모터 목표속도에서 안정화되면 상기 모터의 토크를 0으로 제어하는, 하이브리드 자동차.
  19. 제11 항에 있어서,
    상기 모터에 전력을 공급하는 배터리의 충전 상태(SOC)가 일정 기준 이하인 경우 상기 하이브리드 제어기는,
    상기 제2 휠축으로 출력된 상기 엔진의 동력을 상기 제1 휠축을 거쳐 상기 모터에 전달하여 충전을 수행하는 모드로 진입하는, 하이브리드 자동차.
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