KR20210064481A - 하이브리드 차량의 제어 장치 및 방법 - Google Patents

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KR20210064481A
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controlled
torque
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최용각
임현우
서범주
조진국
이관희
나승찬
박영섭
박지현
홍승우
한동희
강현진
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현대자동차주식회사
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Abstract

본 발명의 실시예에 따른 하이브리드 차량의 제어 장치는 연료의 연소에 의해 동력을 발생시키는 엔진(10); 상기 엔진(10)의 동력을 보조하고 선택적으로 발전기로 작동하여 전기 에너지를 생성하는 구동 모터(50); 상기 엔진(10)과 상기 구동 모터(50) 사이에 구비되는 클러치(60); 상기 구동 모터(50)에 전기 에너지를 공급하거나 상기 구동 모터(50)에서 생성된 전기 에너지를 충전하는 배터리(70); 상기 엔진(10)에서 배출되는 일부 배기 가스를 상기 엔진(10)으로 재공급하는 배기가스 재순환 장치; 상기 엔진(10)의 연소실(11)로 공급되는 외기가 흐르는 복수의 흡기 라인에 각각 설치되는 복수의 전동식 슈퍼차저; 및 운전자의 요구 토크와 상기 배터리(70)의 SOC(state of charge)에 기초하여 엔진(10) 운전점이 엔진(10)의 최적 운전점을 의미하는 최적 운전 라인(optimal operating line), 상기 배기가스 재순환 장치가 동작할 때의 최대 엔진(10) 토크를 의미하는 EGR 최대 라인(EGR max line), 촉매 컨버터(19)의 촉매 온도가 임계 온도에 도달할 때의 최대 엔진(10) 토크를 의미하는 촉매 보호 라인(catalyst protecting line), 상기 엔진(10)의 람다가 1보다 작을 때의 최대 엔진(10) 토크를 의미하는 부분 부하 최대 라인(part load max line), 및 상기 엔진(10)에서 출력 가능한 최대 토크를 의미하는 전 부하 최대 라인(full load max line) 중 어느 하나의 운전점으로 가변 제어하는 제어기(90)를 포함할 수 있다.

Description

하이브리드 차량의 제어 장치 및 방법 {APPARATUS FOR CONTROLLING OF HYBRID VEHICLE AND METHOD USING THE SAME}
본 발명은 하이브리드 차량의 제어 장치 및 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 복수의 전동식 슈퍼차저를 구비한 엔진을 포함하는 하이브리드 차량의 제어 장치 및 방법에 관한 것이다.
하이브리드 자동차는 두 가지 이상의 동력원을 사용하는 자동차로써, 일반적으로 엔진과 모터를 사용하여 구동되는 하이브리드 전기 자동차를 말한다. 하이브리드 전기 자동차는 엔진과 모터로 구성되는 두 가지 이상의 동력원을 사용하여 다양한 구조를 형성할 수 있다.
일반적으로 하이브리드 전기 자동차는 구동 모터와 변속기 및 구동축이 직렬 연결되어 있는 TMED(Transmission Mounted Electric Device) 방식의 파워 트레인이 사용되고 있다.
그리고 엔진과 모터의 사이에는 클러치가 구비되어, 클러치의 결합 여부에 따라 하이브리드 전기 자동차는 EV(Electric Vehicle) 모드, HEV(Hybrid Electric Vehicle) 모드, 또는 엔진 단독 모드로 운행된다. EV 모드는 구동 모터의 구동력만으로 차량이 주행하는 모드이고, HEV 모드는 구동 모터와 엔진의 구동력으로 차량이 주행하는 모드이며, 엔진 단독 모드는 엔진의 구동력만으로 차량이 주행하는 모드이다.
일반적으로, 이러한 하이브리드 차량의 운전점은 운전자의 요구 토크에 따라 결정되지만, 차량의 주행 상황에 따라 배터리의 충전 상태를 의미하는 SOC(state of charge)를 일정하게 유지하는 것이 매우 중요하다.
특히, 차량의 주행 부하가 매우 클 때(예를 들어, 차량이 고지를 주행하는 경우, 차량의 장강판 도로를 주행하는 경우, 차량에 큰 하중이 연결되는 경우, 외기온이 매우 높거나 낮아 배터리의 출력이 제한되는 경우 등) 엔진 운전점을 적절히 조절하지 못하면, 높은 엔진 RPM 영역에서 차량이 운행하게 되고, 이로 인해 엔진의 효율이 떨어져 연비가 악화되는 문제가 발생한다.
또한, 이러한 고부하 상황에서, 주행 조건을 만족시키기 위해 구동 모터를 통한 지속적으로 엔진 동력을 보조하게 되면, 배터리의 SOC가 급격히 하락하는 것을 방지하지 못하는 경우가 발생할 수 있다.
이 배경기술 부분에 기재된 사항은 발명의 배경에 대한 이해를 증진하기 위하여 작성된 것으로서, 이 기술이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 이미 알려진 종래기술이 아닌 사항을 포함할 수 있다.
본 발명은 상기한 바와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로, 차량의 주행 상황에 따라 엔진이 최적의 엔진 운전점에서 동작하도록 제어함으로써, 운전자의 요구 토크를 충족시키고 배터리의 SOC가 급격히 하락하는 것을 방지할 수 있는 하이브리드 차량의 제어 장치 및 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 실시예에 따른 하이브리드 차량의 제어 장치는 연료의 연소에 의해 동력을 발생시키는 엔진; 상기 엔진의 동력을 보조하고 선택적으로 발전기로 작동하여 전기 에너지를 생성하는 구동 모터; 상기 엔진을 시동시키고 선택적으로 발전기로 작동하여 전기 에너지를 생성하는 HSG(hybrid starter and generator); 상기 엔진과 상기 구동 모터 사이에 구비되는 클러치; 상기 구동 모터에 전기 에너지를 공급하거나 상기 구동 모터에서 생성된 전기 에너지를 충전하는 배터리; 상기 엔진에서 배출되는 일부 배기 가스를 상기 엔진으로 재공급하는 배기가스 재순환 장치; 상기 엔진의 연소실로 공급되는 외기가 흐르는 복수의 흡기 라인에 각각 설치되는 복수의 전동식 슈퍼차저; 및 운전자의 요구 토크와 상기 배터리의 SOC(state of charge)에 기초하여 상기 엔진과 상기 구동 모터를 통한 차량의 주행 모드, 엔진의 운전점, 상기 구동 모터와 상기 HSG를 통한 락업 충전 및 변속 패턴을 가변 제어하고, 상기 복수의 전동식 슈퍼차저의 소모 전력이 최소화되는 운전 모드를 결정하는 제어기;를 포함할 수 있다.
상기 배터리의 SOC가 고고영역(critical high region)이면, 상기 제어기는 상기 주행 모드가 EV 모드(electric vehicle)로 운전되도록 제어하고, 운전자의 요구 토크가 상기 구동 모터의 최대 토크를 초과하는 경우에만 상기 주행 모드가 HEV 모드(Hybrid Electric Vehicle)로 주행하도록 제어하며, 상기 주행 모드가 HEV 모드인 경우 엔진의 운전점은 엔진의 최적 운전점을 의미하는 최적 운전 라인(optimal operating line)보다 설정 범위 낮은 엔진 토크를 출력하도록 제어하고, 변속 패턴은 노멀 변속 패턴으로 결정하되, 촉매 컨버터의 촉매의 온도가 설정 온도 이상인 경우에만 변속 패턴이 촉매 보호 노멀 변속 패턴이 되도록 제어할 수 있다.
상기 배터리의 SOC가 고영역(high region)이면, 상기 제어기는 상기 주행 모드가 EV 모드(electric vehicle)로 운전되도록 제어하고, 운전자의 요구 토크가 상기 구동 모터의 최대 토크를 초과하는 경우에만 상기 주행 모드가 HEV 모드(Hybrid Electric Vehicle)로 주행하도록 제어하며, 상기 주행 모드가 HEV 모드인 경우 엔진의 운전점은 엔진의 최적 운전점을 의미하는 최적 운전 라인(optimal operating line)이 되도록 제어하고, 변속 패턴은 노멀 변속 패턴으로 결정하되, 촉매 컨버터의 촉매의 온도가 설정 온도 이상인 경우에만 변속 패턴이 촉매 보호 노멀 변속 패턴이 되도록 제어할 수 있다.
상기 배터리의 SOC가 노멀 방전 영역(normal discharge region)이면, 상기 제어기는 상기 주행 모드가 EV 모드가 HEV 모드보다 우선되도록 제어하고, 상기 주행 모드가 HEV 모드인 경우 엔진의 운전점은 최적 운전 라인이 되도록 제어하며, 타력 주행 상태에서의 락업 충전(lock charge)은 차량이 등판로를 주행하는 경우 이루어지고, 변속 패턴은 노멀 변속 패턴으로 결정하되, 촉매 컨버터의 촉매의 온도가 설정 온도 이상인 경우에만 변속 패턴이 촉매 보호 노멀 변속 패턴이 되도록 제어할 수 있다.
상기 배터리의 SOC가 노멀 충전 영역(normal charge region)이면, 상기 제어기는 상기 주행 모드가 HEV 모드가 EV 모드보다 우선되도록 제어하고, 상기 주행 모드가 HEV 모드인 경우 운전자의 요구 토크가 고토크 영역이면 엔진의 운전점은 EGR 최대 라인이 되도록 제어하고, 운전자의 요구 토크가 고토크 영역보다 낮은 저토크 영역이면 엔진의 운전점은 최적 운전 라인이 되도록 제어하며, 타력 주행 상태에서의 락업 충전(lock charge)은 차량이 평지 및 등판로를 주행하는 경우 이루어지고, 변속 패턴은 노멀 변속 패턴으로 결정하되, 촉매 컨버터의 촉매의 온도가 설정 온도 이상인 경우에만 변속 패턴이 촉매 보호 노멀 변속 패턴이 되도록 제어할 수 있다.
상기 배터리의 SOC가 저영역(low region)이면, 상기 제어기는 상기 주행 모드가 HEV 모드(hybrid electric vehicle)로 운전되도록 제어하고, 상기 주행 모드가 HEV 모드인 경우 운전자의 요구 토크가 고토크 영역이면 엔진의 운전점은 부분 부하 최대 라인이 되도록 제어하고, 운전자의 요구 토크가 고토크 영역보다 낮은 저토크 영역이면 엔진의 운전점은 최적 운전 라인이 되도록 제어하며, 타력 주행 상태에서의 락업 충전(lock charge)은 차량이 강판로, 평지 및 등판로를 주행하는 경우 이루어지고, 변속 패턴은 노멀 변속 패턴으로 결정하되, 촉매 컨버터의 촉매의 온도가 설정 온도 이상인 경우에만 변속 패턴이 촉매 보호 로우 변속 패턴이 되도록 제어할 수 있다.
상기 배터리의 SOC가 저영역(low region)이면, 상기 제어기는 상기 주행 모드가 HEV 모드(hybrid electric vehicle)로 운전되도록 제어하고, 상기 주행 모드가 HEV 모드인 경우 운전자의 요구 토크가 고토크 영역이면 엔진의 운전점은 부분 부하 최대 라인이 되도록 제어하고, 운전자의 요구 토크가 고토크 영역보다 낮은 저토크 영역이면 엔진의 운전점은 최적 운전 라인이 되도록 제어하되, 설정 시간 이상 동안 차량이 고부하 조건에서 주행하는 경우 엔진의 운전점은 촉매 보호 온도 라인이 되도록 제어하고, 타력 주행 상태에서의 락업 충전(lock charge)은 차량이 평지 및 등판로를 주행하는 경우 이루어지고, 변속 패턴은 노멀 변속 패턴으로 결정하되, 촉매 컨버터의 촉매의 온도가 설정 온도 이상인 경우에만 변속 패턴이 촉매 보호 로우 변속 패턴이 되도록 제어할 수 있다.
상기 배터리의 SOC가 저저영역(critical low region)이면, 상기 제어기는 상기 주행 모드가 HEV 모드가 되도록 제어하고, 운전자의 요구 토크가 고토크 영역이면 엔진의 운전점은 전 부하 최대 라인이 되도록 제어하며, 운전자의 요구 토크가 고토크 영역보다 낮은 저토크 영역이면 엔진의 운전점은 최적 운전 라인이 되도록 제어하고, 차량이 정지 중일 때 상기 엔진을 동작시켜 아이들 충전을 수행하며, 타력 주행 상태에서의 락업 충전(lock charge)은 항상 이루어지도록 제어하고, 변속 패턴은 노멀 변속 패턴으로 결정하되, 촉매 컨버터의 촉매의 온도가 설정 온도 이상인 경우에만 변속 패턴이 촉매 보호 로우 변속 패턴이 되도록 제어할 수 있다.
본 발명의 다른 실시 예에 따른 하이브리드 차량의 제어 방법은 배터리의 SOC와 운전자의 요구 토크를 결정하는 단계; 및 상기 배터리의 SOC와 상기 운전자의 요구 토크를 기초로 차량의 엔진과 구동 모터를 통한 차량의 주행 모드, 엔진의 운전점, 구동 모터와 HSG를 통한 락업 충전 조건, 및 변속 패턴을 가변 조절하고, 복수의 전동식 슈퍼차저의 소모 전력이 최소화되는 운전 모드를 결정하는 단계;를 포함할 수 있다.
상기 배터리의 SOC가 고고영역(critical high region)이면, 상기 주행 모드는 EV(electric vehicle)로 운전되도록 제어되고, 운전자의 요구 토크가 상기 구동 모터의 최대 토크를 초과하는 경우에만 상기 주행 모드가 HEV 모드(Hybrid Electric Vehicle)로 주행하도록 제어되며, 상기 주행 모드가 HEV 모드인 경우 엔진의 운전점은 엔진의 최적 운전점을 의미하는 최적 운전 라인(optimal operating line)보다 설정 범위 낮은 엔진 토크를 출력하도록 제어되고, 변속 패턴은 노멀 변속 패턴으로 결정하되, 촉매 컨버터의 촉매의 온도가 설정 온도 이상인 경우에만 변속 패턴이 촉매 보호 노멀 변속 패턴이 되도록 제어될 수 있다.
상기 배터리의 SOC가 고영역(high region)이면, 상기 주행 모드가 EV 모드(electric vehicle)로 운전되도록 제어되고, 운전자의 요구 토크가 상기 구동 모터의 최대 토크를 초과하는 경우에만 상기 주행 모드가 HEV 모드(Hybrid Electric Vehicle)로 주행하도록 제어되며, 상기 주행 모드가 HEV 모드인 경우 엔진의 운전점은 엔진의 최적 운전점을 의미하는 최적 운전 라인(optimal operating line)이 되도록 제어되고, 변속 패턴은 노멀 변속 패턴으로 결정하되, 촉매 컨버터의 촉매의 온도가 설정 온도 이상인 경우에만 변속 패턴이 촉매 보호 노멀 변속 패턴이 되도록 제어될 수 있다.
상기 배터리의 SOC가 노멀 방전 영역(normal discharge region)이면, 상기 주행 모드가 EV 모드가 HEV 모드보다 우선되도록 제어되고, 상기 주행 모드가 HEV 모드인 경우 엔진의 운전점은 최적 운전 라인이 되도록 제어되며, 타력 주행 상태에서의 락업 충전(lock charge)은 차량이 등판로를 주행하는 경우 이루어지고, 변속 패턴은 노멀 변속 패턴으로 결정하되, 촉매 컨버터의 촉매의 온도가 설정 온도 이상인 경우에만 변속 패턴이 촉매 보호 노멀 변속 패턴이 되도록 제어될 수 있다.
상기 배터리의 SOC가 노멀 충전 영역(normal charge region)이면, 상기 주행 모드가 HEV 모드가 EV 모드보다 우선되도록 제어되고, 상기 주행 모드가 HEV 모드인 경우 운전자의 요구 토크가 고토크 영역이면 엔진의 운전점은 EGR 최대 라인이 되도록 제어하고, 운전자의 요구 토크가 고토크 영역보다 낮은 저토크 영역이면 엔진의 운전점은 최적 운전 라인이 되도록 제어되며, 타력 주행 상태에서의 락업 충전(lock charge)은 차량이 평지 및 등판로를 주행하는 경우 이루어지고, 변속 패턴은 노멀 변속 패턴으로 결정하되, 촉매 컨버터의 촉매의 온도가 설정 온도 이상인 경우에만 변속 패턴이 촉매 보호 노멀 변속 패턴이 되도록 제어될 수 있다.
상기 배터리의 SOC가 저영역(low region)이면, 상기 주행 모드가 HEV 모드(hybrid electric vehicle)로 운전되도록 제어되고, 상기 주행 모드가 HEV 모드인 경우 운전자의 요구 토크가 고토크 영역이면 엔진의 운전점은 부분 부하 최대 라인이 되도록 제어되고, 운전자의 요구 토크가 고토크 영역보다 낮은 저토크 영역이면 엔진의 운전점은 최적 운전 라인이 되도록 제어되며, 타력 주행 상태에서의 락업 충전(lock charge)은 차량이 강판로, 평지 및 등판로를 주행하는 경우 이루어지고, 변속 패턴은 노멀 변속 패턴으로 결정하되, 촉매 컨버터의 촉매의 온도가 설정 온도 이상인 경우에만 변속 패턴이 촉매 보호 로우 변속 패턴이 되도록 제어될 수 있다.
상기 배터리의 SOC가 저영역(low region)이면, 상기 주행 모드가 HEV 모드(hybrid electric vehicle)로 운전되도록 제어되고, 상기 주행 모드가 HEV 모드인 경우 운전자의 요구 토크가 고토크 영역이면 엔진의 운전점은 부분 부하 최대 라인이 되도록 제어되고, 운전자의 요구 토크가 고토크 영역보다 낮은 저토크 영역이면 엔진의 운전점은 최적 운전 라인이 되도록 제어하되, 설정 시간 이상 동안 차량이 고부하 조건에서 주행하는 경우 엔진의 운전점은 촉매 보호 온도 라인이 되도록 제어되고, 타력 주행 상태에서의 락업 충전(lock charge)은 차량이 평지 및 등판로를 주행하는 경우 이루어지고, 변속 패턴은 노멀 변속 패턴으로 결정하되, 촉매 컨버터의 촉매의 온도가 설정 온도 이상인 경우에만 변속 패턴이 촉매 보호 로우 변속 패턴이 되도록 제어될 수 있다.
상기 배터리의 SOC가 저저영역(critical low region)이면, 상기 주행 모드가 HEV 모드가 되도록 제어되고, 운전자의 요구 토크가 고토크 영역이면 엔진의 운전점은 전 부하 최대 라인이 되도록 제어되며, 운전자의 요구 토크가 고토크 영역보다 낮은 저토크 영역이면 엔진의 운전점은 최적 운전 라인이 되도록 제어되고, 차량이 정지 중일 때 상기 엔진을 동작시켜 아이들 충전을 수행되며, 타력 주행 상태에서의 락업 충전(lock charge)은 항상 이루어지도록 제어되고, 변속 패턴은 노멀 변속 패턴으로 결정하되, 촉매 컨버터의 촉매의 온도가 설정 온도 이상인 경우에만 변속 패턴이 촉매 보호 로우 변속 패턴이 되도록 제어될 수 있다.
상기한 바와 같은 본 발명의 실시예에 의한 하이브리드 차량의 제어 장치 및 방법에 의하면, 배터리의 SOC와 운전자의 요구 토크를 기초로 엔진의 운전점을 가변 제어함으로써, 운전자의 요구 토크를 충족시키고 배터리의 SOC가 급격히 하락하는 것을 방지할 수 있다.
또한, 고부하 조건에서 엔진 속도를 낮은 RPM 영역으로 유지할 수 있어, 차량의 연비를 향상시킬 수 있다.
또한, 배터리의 SOC가 저영역으로 진입하는 것을 원천적으로 방지할 수 있어, 엔진의 운전점이 부분 부하 최대 라인으로 진입하는 것을 방지할 수 있고, 이로 인해 에미션을 저감시킬 수 있다.
또한, 엔진의 운전점이 촉매 보호 라인 이상으로 엔진이 동작하지 않도록 제어함으로써, 촉매가 열화되는 것을 방지할 수 있다.
또한, 배터리가 충전되는 상황에서 전동식 슈퍼차저를 이용하여 엔진의 출력을 상승시키고, 배터리가 방전되는 상황에서는 배터리의 전력을 전동식 슈퍼차저에 공급함으로써, 배터리의 충방전 효율을 향상시킬 수 있다.
이 도면들은 본 발명의 예시적인 실시예를 설명하는데 참조하기 위함이므로, 본 발명의 기술적 사상을 첨부한 도면에 한정해서 해석하여서는 아니된다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 하이브리드 차량의 제어 장치의 구성을 도시한 개념도이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 하이브리드 차량의 엔진과 전동식 슈퍼차저와의 관계를 도시한 개념도이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 하이브리드 차량의 제어 장치의 구성을 도시한 블록도이다.
도 4는 본 발명의 실시 예에 따른 배터리의 SOC 영역을 도시한 도면이다.
도 5는 본 발명의 실시 예에 따른 엔진의 운전점을 도시한 도면이다.
도 6은 본 발명의 실시 예에 따른 하이브리드 차량의 제어 방법을 도시한 순서도이다.
도 7은 본 발명의 실시 예에 따른 락업 충전을 설명하기 위한 도면이다.
도 8은 SOC가 노멀 하이 영역 및 노멀 방전 영역에서의 엔진의 운전점을 도시한 그래프이다.
도 9는 SOC가 노멀 충전 영역에서의 엔진의 운전점을 도시한 그래프이다.
도 10은 SOC가 저영역에서의 엔진의 운전점을 도시한 그래프이다.
도 11은 SOC가 저저영역에서의 엔진의 운전점을 도시한 그래프이다.
첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 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 실시예에 한정되지 않는다.
본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 동일 또는 유사한 구성요소에 대해서는 동일한 참조 부호를 붙이도록 한다.
또한, 도면에서 나타난 각 구성의 크기 및 두께는 설명의 편의를 위해 임의로 나타내었으므로, 본 발명이 반드시 도면에 도시된 바에 한정되지 않으며, 여러 부분 및 영역을 명확하게 표현하기 위하여 두께를 확대하여 나타내었다.
이하에서는 본 발명의 실시예에 의한 하이브리드 차량의 제어 장치에 대하여 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 하이브리드 차량의 제어 장치의 구성을 도시한 개념도이다. 도 2는 본 발명의 실시예에 따른 하이브리드 차량의 엔진과 전동식 슈퍼차저와의 관계를 도시한 개념도이다. 그리고 도 3은 본 발명의 실시예에 따른 하이브리드 차량의 제어 장치의 구성을 도시한 블록도이다.
이하에서 설명하는 본 발명의 실시예에 따른 하이브리드 차량은 TMED(Transmission Mounted Electric Device) 방식의 구조를 예를 들어 설명하도록 한다. 그러나 본 발명의 권리범위가 이에 한정하는 것은 아니며, 다른 방식의 하이브리드 전기 차량에도 적용될 수 있음은 물론이다.
도 1 내지 도 3에 도시된 바와 같이, 본 발명의 실시예에 의한 하이브리드 차량의 제어 장치가 적용되는 하이브리드 차량은 엔진(10), HSG(40), 구동 모터(50), 클러치(60), 배터리(70), 복수의 전동식 슈퍼차저, 가속 페달 센서, 및 제어기(90)를 포함할 수 있다.
먼저, 본 발명의 실시 예에 따른 하이브리드 차량의 제어 장치가 적용되는 엔진(10) 시스템의 구조에 대하여 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.
본 발명의 실시예에 의한 엔진(10) 시스템은 연료의 연소에 의해 구동력을 발생시키는 복수의 연소실(11)을 포함하는 엔진(10), 상기 연소실(11)로 공급되는 외기가 흐르는 복수의 흡기 라인 및 상기 복수의 흡기 라인에 각각 설치되는 전동식 슈퍼차저를 포함한다.
상기 엔진(10)의 연소실(11)로 공급되는 흡기는 상기 복수의 흡기 라인을 통해 공급되고, 상기 엔진(10)의 연소실(11)에서 배출되는 배기 가스는 배기 매니폴드(15)와 배기 라인(17)을 통해 외부로 배출된다. 이때, 상기 배기 라인(17)에는 배기 가스를 정화시키는 촉매를 포함하는 촉매 컨버터(19)가 설치된다.
상기 복수의 흡기 라인은 상기 연소실(11)로 공급되는 외기가 흐르는 제1 흡기 라인(21)과 상기 연소실(11)로 공급되는 외기가 흐르는 제2 흡기 라인(22)을 구성될 수 있다. 그러나 본 발명의 권리범위가 이에 한정되는 것은 아니다.
상기 제1 흡기 라인(21)과 상기 제2 흡기 라인(22)의 사이에는, 상기 제1 흡기 라인(21)과 상기 제2 흡기 라인(22)을 연결하는 연결 라인(23)이 설치된다. 즉, 상기 연결 라인(23)은 상기 제1 흡기 라인(21)에서 분기하여 상기 제2 흡기 라인(22)으로 합류한다.
상기 제1 흡기 라인(21)과 상기 제2 흡기 라인(22)에 각각 설치되는 전동식 슈퍼차저(electric supercharger)는 상기 연소실(11)로 과급 공기를 공급하기 위한 것으로, 모터와 전동식 컴프레서를 포함한다. 상기 전동식 컴프레서는 상기 모터에 의해 작동하여 운전 조건에 따라 외기를 압축하여 상기 연소실(11)로 공급한다.
상기 제1 흡기 라인(21)에는 제1 흡기 밸브(25)가 설치된다. 구체적으로, 상기 제1 흡기 밸브(25)는 상기 제1 흡기 라인(21)에 설치되는 제1 전동식 슈퍼차저(31)의 하류에 설치될 수 있다. 상기 제1 흡기 밸브(25)의 개도량에 의해 상기 제1 흡기 라인(21)을 통해 공급되는 흡기량이 조절된다.
상기 제2 흡기 라인(22)에는 제2 흡기 밸브(26)가 설치된다. 구체적으로, 상기 제2 흡기 밸브(26)는 상기 제2 흡기 라인(22)에 설치되는 제2 전동식 슈퍼차저(32)의 하류에 설치될 수 있다. 상기 제2 흡기 밸브(26)의 개도량에 의해 상기 제2 흡기 라인(22)을 통해 공급되는 흡기량이 조절된다.
상기 제1 흡기 라인(21)과 상기 제2 흡기 라인(22)은 메인 흡기 라인(24)으로 합류하고, 상기 메인 흡기 라인(24)에는 메인 인터쿨러(36)가 설치될 수 있다. 상기 메인 인터쿨러(36)에 의해 전동식 슈퍼차저에 의해 압축된 공기가 냉각된다.
상기 연결 라인(23)에는 연결 밸브(27)가 설치된다. 이때, 상기 연결 라인(23)에는 보조 인터쿨러(35)가 설치될 수 있다. 상기 보조 인터쿨러(35)에 의해 상기 제1 전동식 슈퍼차저(31)에 의해 압축된 공기가 냉각된다.
두 개의 전동식 슈퍼차저의 운전 모드는 두 개의 전동식 슈퍼차저 중 어느 하나의 전동식 슈퍼차저(예를 들어, 제1 전동식 슈퍼차저(31))에 의해 외기를 압축하여 엔진(10)의 연소실(11)로 공급하는 단일 모드, 각각의 전동식 슈퍼차저에 의해 외기를 압축하여 엔진(10)의 연소실(11)로 공급하는 병렬 모드, 및 어느 하나의 전동식 슈퍼차저에 의해 1차적으로 압축된 외기를 다른 하나의 전동식 슈퍼차저에 의해 추가로 압축하여 엔진(10)의 연소실(11)로 공급하는 직렬 모드를 포함할 수 있다.
단일 모드에서, 제1 흡기 밸브(25)는 개방되고, 제2 흡기 밸브(26)와 연결 밸브(27)는 차단되며, 제2 전동식 슈퍼차저(32)의 동작은 정지된다. 그리고 제1 전동식 슈퍼차저(31)의 동작에 의해 제1 흡기 라인(21)을 흐르는 외기가 압축되어 엔진(10)의 연소실(11)로 공급된다.
병렬 모드에서, 제1 흡기 밸브(25)와 제2 흡기 밸브(26)는 개방되고, 연결 밸브(27)는 차단된다. 그리고 제1 전동식 슈퍼차저(31)와 제2 전동식 슈퍼차저(32)의 동작에 의해 제1 흡기 라인(21)과 제2 흡기 라인(22)을 흐르는 외기가 각각 압축되어 엔진(10)의 연소실(11)로 공급된다.
직렬 모드에서, 제1 흡기 밸브(25)와 제2 흡기 밸브(26)는 차단되고, 연결 밸브(27)는 개방된다. 그리고 제1 흡기 라인(21)을 흐르는 외기는 제1 전동식 슈퍼차저(31)에 의해 1차적으로 압축되고 제2 전동식 슈퍼차저(32)에 의해 추가적으로 압축되어 엔진(10)의 연소실(11)로 공급된다.
상기 제1 흡기 라인(21)과 상기 제2 흡기 라인(22)의 입구에는 외부에서 유입되는 외기를 필터링하기 위한 에어 클리너(29)가 장착된다.
상기 제1 흡기 라인(21)과 상기 제2 흡기 라인(22)을 통해 유입되는 흡기는 흡기 매니폴드(13)를 통해 상기 연소실(11)로 공급된다. 상기 흡기 매니폴드(13)에는 스로틀 밸브(14)가 장착되어 상기 연소실(11)로 공급되는 공기량이 조절된다.
상기 HSG(40)는 상기 엔진(10)을 시동시키고 엔진(10)이 시동된 상태에서 선택적으로 발전기로 작동하여 전기 에너지를 생성한다.
상기 구동 모터(50)는 상기 엔진(10)의 동력을 보조하고 선택적으로 발전기로 작동하여 전기 에너지를 생성한다.
상기 구동 모터(50)는 배터리(70)에 충전된 전기 에너지를 이용하여 동작되고, 상기 구동 모터(50) 및 상기 HSG(40)에서 생성된 전기 에너지는 상기 배터리(70)에 충전된다.
본 발명의 실시 예에 따른 하이브리드 차량의 제어 장치는 배터리(70)의 SOC(state of charge)와 운전자의 요구 토크를 기초로 엔진(10)의 운전점, 주행 모드 및 변속 패턴을 가변시킨다.
배터리(70)의 SOC는 크게 세 개의 영역으로 구분될 수 있다. 도 4를 참조하면, 배터리(70)의 SOC 영역은 배터리(70)의 충전량에 따라 고영역(high region), 노멀 영역(normal region), 및 저영역(low region)으로 구분될 수 있다.
그리고 배터리(70)의 충전량에 따라 고영역은 크리티컬 하이(CH: critical high)와 노멀 하이(NH: normal high) 영역으로 구분될 수 있고, 노멀 영역은 노멀 방전 (ND: normal discharge)와 노멀 충전(NC: normal charge) 영역으로 구분될 수 있으며, 저영역은 노멀 로우(NL: normal low)와 크리티컬 로우(CL: critical low) 영역으로 구분될 수 있다.
상기 가속 페달 센서(APS: acceleration pedal sensor)는 가속 페달의 조작을 감지한다. 상기 가속 페달 센서에서 감지된 가속 페달 변화량은 상기 제어기(90)로 전송된다. 상기 제어기(90)는 상기 가속 페달 센서로부터 감지된 가속 페달 변화량으로부터 운전자의 가속 의지에 따른 요구 토크를 결정할 수 있고, 차량의 주행 모드는 EV 모드, HEV 모드, 및 엔진(10) 단독 모드로 선택적으로 전환될 수 있다.
변속 패턴은 노멀 변속 패턴(normal shifting pattern)과 촉매 보호 변속 패턴으로 구분될 수 있다.
SOC 노멀 변속 패턴은 차량의 현재 속도와 운전자의 요구 토크(예를 들어, 가속 페달의 변화량)에 따라 결정되고, 이러한 노멀 변속 패턴은 제어기에 맵 데이터 형태로 미리 저장될 수 있다.
촉매 보호 변속 패턴은 촉매의 온도가 과다하게 증가하는 것을 방지하기 위한 것으로, 배터리의 SOC 상태에 따라 촉매 보호 노멀 변속 패턴과 촉매 보호 로우 변속 패턴으로 구분될 수 있다. 촉매 보호 노멀 변속 패턴은 촉매 온도가 설정 온도 이상이고 배터리의 SOC가 노멀 영역 이상일 때의 변속 패턴을 의미하고, 촉매 보호 로우 변속 패턴은 촉매 온도가 설정 온도 이상이고 배터리의 SOC가 저영역일 때의 변속 패턴을 의미한다.
촉매 노멀 변속 패턴은 차량의 현재 속도와 운전자의 요구 토크(예를 들어, 가속 페달의 변화량), 배터리의 SOC, 및 촉매 컨버터의 촉매 온도에 따라 결정되고, 이러한 촉매 보호 변속 패턴은 제어기에 맵 데이터 형태로 미리 저장될 수 있다.
촉매 보호 노멀 변속 패턴은 SOC 노멀 변속 패턴과 비교하여, 변속단을 1단계 낮추어 주행 파워를 높이는 것을 의미하고, 촉매 보호 로우 변속 패턴은 노멀 변속 패턴과 비교하여, 변속단을 2단계 이상 낮추어 주행 파워를 높이는 것을 의미할 수 있다.
즉, 촉매 컨버터의 촉매 온도가 매우 높은 경우(예를 들어, 섭씨 500도), 촉매가 열화되는 문제가 발생할 수 있다. 촉매의 온도를 낮추기 위해서는 엔진 토크를 줄여야 한다. 엔진 토크를 줄이는 경우 엔진 속도를 높여 차량의 주행 파워를 대응하게 되는데, 이를 위해 변속 패턴을 이용하여 엔진 속도를 높이도록 하는 것이다.
배터리의 SOC가 저영역인 경우, 주행 부하를 대응하는 것보다 배터리의 SOC를 회복하는 것이 더욱 중요하기 때문에, 촉매 보호 로우 변속 패턴을 통해 엔진 토크를 더욱 낮추도록 한다.
상기 제어기(90)는 상기 엔진(10), HSG(40), 구동 모터(50), 전동식 슈퍼차저, 배터리(70), 클러치(60)를 포함하는 차량의 구성 요소를 제어한다.
이를 위해, 상기 제어기(90)는 설정된 프로그램에 의하여 작동하는 하나 이상의 프로세서로 구비될 수 있으며, 상기 설정된 프로그램은 본 발명의 실시예에 따른 하이브리드 차량의 제어 방법의 각 단계를 수행하도록 되어 있다.
상기 클러치(60)는 엔진(10)과 구동 모터(50) 사이에 구비되어, 클러치(60)의 결합 여부에 따를 하이브리드 차량은 엔진(10) 모드, EV(Electric Vehicle) 모드 또는 HEV(Hybrid Electric Vehicle) 모드로 운행된다. EV 모드는 모터의 구동력만으로 차량이 주행하는 모드이고, HEV 모드는 모터와 엔진(10)의 구동력으로 차량이 주행하는 모드이며, 엔진(10) 모드는 엔진(10)의 구동력만으로 차량이 주행하는 모드이다.
상기 엔진(10)과 구동 모터(50)에서 출력되는 구동 파워는 차량에 구비된 구동 휠로 전달된다. 이때, 클러치(60)와 구동 휠의 사이에는 변속기(80)가 구비된다. 상기 변속기(80)의 내부에는 변속 기어가 설치되어 변속 기어단에 따라 엔진(10)과 구동 모터(50)에서 출력되는 파워가 변경된다.
본 발명의 실시 예에 따른 하이브리드 차량은 배기가스 재순환 장치(120)를 더 포함할 수 있다. 배기 가스 재순환 장치(EGR: exhaust gas recirculation apparatus)(120)는 엔진(10)의 연소실(11)에서 배출되는 배기 가스의 일부를 엔진(10)의 연소실(11)로 재공급하는 장치로, 배기 라인(17)에서 분기하여 흡기 라인으로 합류하는 이지알 라인(121), 재순환 라인에 설치되어 재순환되는 배기 가스량을 조절하는 이지알 밸브(123), 및 재순환 라인에 설치되어 재순환되는 배기 가스를 냉각시키는 이지알 쿨러(125)를 포함할 수 있다.
엔진(10)에서 배출되는 배기가스는 촉매 컨버터(19)로 배출된다. 상기 촉매 컨버터(19)(55)는 질소 산화물을 정화하기 위한 LNT(lean NOx trap), 디젤 산화 촉매(diesel oxidation catalyst) 및 디젤 매연 필터(diesel particulate filter)를 포함할 수 있다. 또는, 상기 촉매 컨버터(19)(55)는 질소 산화물을 정화하기 위한 삼원촉매(three way catalyst)를 포함할 수 있다. 촉매 컨버터(19)에 구비되는 촉매의 온도는 온도 센서를 통해 감지되어, 상기 제어기(90)로 전송될 수 있다.
이하에서는, 본 발명의 실시 예에 따른 하이브리드 차량의 제어 방법에 관하여 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.
본 발명의 실시 예에 따른 하이브리드 차량의 엔진(10)은 배터리(70)의 SOC와 운전자의 요구 토크에 기초하여 엔진(10)의 운전점이 최적 운전 라인(OOL: optimal operating line), EGR 최대 라인(EGR max line), 촉매 보호 라인(catalyst protecting line), 부분 부하 최대 라인(part-load max line), 및 전 부하 최대 라인(full-load max line) 중 어느 하나의 운전점으로 제어될 수 있다.
최적 운전 라인(optimal operating line)은 엔진(10)의 최적 운전점을 의미하고, 연료 소모가 최소화되는 운전점을 의미할 수 있다.
EGR 최대 라인(EGR max line)은 배기가스 재순환 장치가 동작하여 엔진(10)의 연소실(11)로 배기가스가 재순환될 때, 엔진(10)이 출력할 수 있는 최대 엔진(10) 토크를 의미할 수 있다.
촉매 보호 라인(catalyst protecting line)은 장시간(예를 들어, 30분 이상) 차량이 고부하 조건에서 주행하는 경우, 배기 가스의 온도가 높아지면서 촉매 컨버터(19) 내의 촉매의 온도가 상승한다. 촉매의 온도가 지나치게 높아지면 촉매가 열화되는 문제가 발생하므로, 촉매의 온도가 과도하게 증가(예를 들어, 섭씨 500도)하는 것을 방지하기 위한 엔진(10) 토크를 의미할 수 있다. 촉매 보호 라인은 주로 SOC 저영역에서 사용되지만, SOC 노멀 영역이나 고영역에서도 사용될 수 있다.
부분 부하 최대 라인(part load max line)은 엔진(10)의 람다가 '1'보다 작을 때 엔진(10)이 출력할 수 있는 최대 토크 라인을 의미할 수 있다.
전 부하 최대 라인(full load max line)은 엔진(10)에서 출력 가능한 최대 토크를 의미할 수 있다.
본 발명의 실시 예에 따른 하이브리드 차량은 전동식 슈퍼차저를 통해 엔진(10)의 연소실(11)로 과급 공기를 공급할 수 있어, 종래의 자연 흡기 엔진(10)(natural aspiration engine)에 비해 높은 엔진(10) 토크를 출력할 수 있다.
먼저, 제어기(90)는 배터리(70)의 SOC 상태와 운전자의 요구 토크를 감지한다(S10). 배터리(70)의 SOC는 배터리(70) 관리 시스템(BMS: battery management system)으로부터 수신할 수 있고, 운전자의 요구 토크는 가속 페달 센서(APS)(100)의 눌림량으로부터 판단할 수 있다.
제어기(90)는 배터리(70)의 SOC 상태와 운전자의 요구 토크를 기초로 차량의 주행 모드, 엔진(10)의 운전점, 락업 충전 조건, 및 변속 패턴을 조절한다. 이하, SOC와 운전자의 요구 토크를 기초로 주행 모드, 운전점, 락업 충전 조건, 및 변속 패턴의 제어 방법에 대하여 구체적으로 설명하도록 한다.
먼저, 배터리(70)의 SOC 영역이 크리티컬 하이(CH) 영역이면, 제어기(90)는 차량의 주행 모드가 EV 모드(electric vehicle mode)로 주행되도록 제어한다. 이 경우, 엔진(10)의 동작이 정지되고, 클러치(60)는 해제되어, 구동 모터(50)의 구동력만으로 차량이 주행할 수 있다.
다만, 운전자의 요구 토크가 구동 모터(50)의 최대 토크를 초과하는 경우에만 엔진(10)이 동작하여 차량이 HEV 모드(hybrid vehicle mode)로 주행할 수 있다. SOC가 크리티컬 하이 영역이고 주행 모드가 HEV 모드의 경우, 엔진(10)의 운전점은 최적 운전 라인보다 설정 범위 낮은 엔진(10) 토크가 출력되도록 제어된다. 차량의 주행 모드가 HEV 모드일 때, 제어기(90)는 두 개의 전동식 슈퍼차저의 전력 효율이 최대가 되는 전동식 슈퍼차저의 운전 모드(예를 들어, 직렬 모드, 병렬 모드, 또는 단일 모드)를 결정하여 배터리(70)에 충전된 전력이 적정 수준에서 방전되도록 하여 엔진(10)의 연비를 최소화할 수 있다.
그리고 타력 주행 상황에서 락업 충전은 수행하지 않는다.
도 7을 참조하면, 락업 충전(lock charge)는 운전자가 가속 페달과 감속 페달을 모두 밟지 않은 타력 주행 상황에서 운전자가 재가속 하는 경우를 대비하여 클러치(60)를 해제하지 않고(즉, 클러치(60)가 결합된 상태에서) 엔진(10)을 동작시키고, 타력 주행 에너지(도 7의 실선 화살표 참조)와 엔진(10)에서 발생하는 에너지(도 7의 점선 화살표 참조)를 발전기로 동작하는 구동 모터(50)와 HSG(40)를 통해 배터리(70)를 충전하는 것을 의미한다.
락업 충전은 타력 주행 직후 재가속하는 상황에서 유리하다. 클러치(60)의 결합이 해제된 상태로 EV 모드로 차량이 주행하다가, 재가속에 의해 클러치(60)가 결합되면 클러치(60) 결합에 의해 연비 손실이 발생할 수 있다. 따라서, 락업 충전은 불필요한 클러치(60) 결합을 방지할 수 있기 때문에, SOC가 낮은 상황, 또는 차량이 재가속이 많은 등판로를 주행하는 경우 주로 사용된다.
락업 충전시에 두 개의 흡기 라인에 설치된 전동식 슈퍼차저를 사용하여 엔진(10) 토크를 증가시켜 배터리(70)를 빠르게 충전할 수 있다. 락업 충전은 구동 모터(50)와 HSG(40)를 모두 사용하여 배터리(70)를 충전시킬 수 있고, 또는 HSG(40)를 동작하지 않고 구동 모터(50)만을 사용하여 배터리(70)를 충전시킬 수 있다.
제어기(90)는 HSG(40)의 소모 전력, 구동 모터(50)의 소모 전력, 및 두 개의 전동식 슈퍼차저의 소모 전력을 모두 고려하여 시스템 소모 전력이 최소화되도록 락업 충전을 수행한다.
또한, 배터리(70)의 SOC가 크리티컬 하이(CH) 영역일 때, 제어기(90)는 변속 패턴이 노멀 변속 패턴(normal shifting pattern)으로 변속되도록 제어하고, 촉매 컨버터(19)의 촉매의 온도가 설정 온도 이상인 경우에만 변속 패턴이 촉매 보호 노멀 변속 패턴이 되도록 제어한다.
즉, 배터리(70)의 SOC가 크리티컬 하이 영역일 때 EV 모드에서는 배터리(70)에서 출력되는 전력을 통해 구동 모터(50)와 전장 부품을 동작시키고, HEV 모드에서는 두 개의 전동식 슈퍼차저를 작동시켜 배터리(70)의 SOC를 적정 수준으로 유지시킨다.
배터리(70)의 SOC가 노멀 하이 영역(normal high region)이면, 제어기(90)는 차량의 주행 모드가 EV 모드(electric vehicle mode)로 주행되도록 제어한다. 이 경우, 엔진(10)의 동작이 정지되고, 클러치(60)는 해제되어, 구동 모터(50)의 구동력만으로 차량이 주행할 수 있다.
다만, 운전자의 요구 토크가 구동 모터(50)의 최대 토크를 초과하는 경우에만 엔진(10)이 동작하여 차량이 HEV 모드(hybrid vehicle mode)로 주행할 수 있다. HEV 모드의 경우, 엔진(10)의 운전점은 최적 운전 라인(OOL)이 되도록 제어된다. 차량의 주행 모드가 HEV 모드일 때, 제어기(90)는 두 개의 전동식 슈퍼차저의 전력 효율이 최대가 되는 전동식 슈퍼차저의 운전 모드(예를 들어, 직렬 모드, 병렬 모드, 또는 단일 모드)를 결정하여 배터리(70)에 충전된 전력이 적정 수준에서 방전되도록 하여 엔진(10)의 연비를 최소화할 수 있다.
도 8에 도시된 바와 같이, 고토크 영역에서 운전자의 요구 토크가 최적 운전점을 초과하면, 운전자의 요구 토크와 최적 운전점에서의 토크의 차이는 배터리(70)의 방전을 통해 발생하는 구동 모터(50)의 토크를 통해 보조될 수 있다. 반면, 저토크 영역에서 운전자의 요구 토크가 최적 운전점에서의 토크보다 작으면, 최적 운전점에서의 출력 토크와 운전자의 요구 토크의 차는 구동 모터(50) 또는 HSG(40)를 통해 발전되어 배터리(70)에 저장될 수 있다.
그리고 타력 주행 상황에서 락업 충전은 수행하지 않는다.
또한, 제어기(90)는 변속 패턴이 노멀 변속 패턴(normal shifting pattern)으로 변속되도록 제어하고, 촉매 컨버터(19)의 촉매의 온도가 설정 온도 이상인 경우에만 변속 패턴이 촉매 보호 노멀 변속 패턴이 되도록 제어한다.
즉, 배터리(70)의 SOC가 노멀 하이 영역일 때 EV 모드에서는 배터리(70)에서 출력되는 전력을 통해 구동 모터(50)와 전장 부품을 동작시키고, HEV 모드에서는 두 개의 전동식 슈퍼차저를 작동시켜 배터리(70)의 SOC를 적정 수준으로 유지시킨다.
배터리(70)의 SOC가 노멀 방전 영역(normal discharge region)이면, 제어기(90)는 차량의 주행 모드가 EV 모드가 HEV 모드보다 우선되도록 제어한다. 예를 들어, EV 모드와 HEV 모드의 비율이 약 6:4가 되도록 주행 모드가 결정될 수 있다. EV 모드와 HEV 모드의 천이는 운전자의 요구 토크에 의해 결정될 수 있다.
HEV 모드에서 엔진(10)의 운전점은 최적 운전 라인(OOL)이 되도록 제어된다. 차량의 주행 모드가 HEV 모드일 때, 제어기(90)는 두 개의 전동식 슈퍼차저의 전력 효율이 최대가 되는 전동식 슈퍼차저의 운전 모드(예를 들어, 직렬 모드, 병렬 모드, 또는 단일 모드)를 결정하여 배터리(70)에 충전된 전력이 적정 수준에서 방전되도록 하여 엔진(10)의 연비를 최소화할 수 있다.
도 8에 도시된 바와 같이, 고토크 영역에서 운전자의 요구 토크가 최적 운전점에서의 토크를 초과하면, 운전자의 요구 토크와 최적 운전점에서의 토크 차이는 배터리(70)의 방전을 통해 발생하는 구동 모터(50)의 토크를 통해 보조된다. 반면, 저토크 영역에서 운전자의 요구 토크가 최적 운전점에서의 토크보다 작으면, 최적 운전점에서의 출력 토크와 운전자의 요구 토크의 차는 구동 모터(50) 또는 HSG(40)를 통해 발전되어 배터리(70)에 저장될 수 있다.
그리고 타력 주행 상황에서의 락업 충전은 차량이 등판로를 주행하는 경우에만 수행된다.
또한, 제어기(90)는 변속 패턴이 노멀 변속 패턴(normal shifting pattern)으로 변속되도록 제어하고, 촉매 컨버터(19)의 촉매의 온도가 설정 온도 이상인 경우에만 변속 패턴이 촉매 보호 노멀 변속 패턴이 되도록 제어한다.
배터리(70)의 SOC가 노멀 방전 영역일 때, EV 모드에서는 배터리(70)에서 출력되는 전력을 통해 구동 모터(50)와 전장 부품을 동작시키고, HEV 모드에서는 두 개의 전동식 슈퍼차저를 작동시켜 배터리(70)의 SOC를 적정 수준으로 유지시킨다.
배터리(70)의 SOC가 노멀 충전 영역(normal charge region)이면, 제어기(90)는 차량의 주행 모드가 HEV 모드가 EV 모드보다 우선되도록 제어한다. 예를 들어, HEV 모드와 EV 모드의 비율이 약 6:4가 되도록 주행 모드가 결정될 수 있다. EV 모드와 HEV 모드의 천이는 운전자의 요구 토크에 의해 결정될 수 있다.
HEV 모드에서 운전자의 요구 토크가 고토크 영역이면 엔진(10)의 운전점은 EGR 최대 라인이 되도록 제어되고, 운전자의 요구 토크가 고토크 영역보다 낮은 저토크 영역이면 엔진(10)의 운전점이 최적 운전 라인이 되도록 제어된다. 차량의 주행 모드가 HEV 모드일 때, 제어기(90)는 두 개의 전동식 슈퍼차저의 전력 효율이 최대가 되는 전동식 슈퍼차저의 운전 모드(예를 들어, 직렬 모드, 병렬 모드, 또는 단일 모드)를 결정하여 배터리(70)에 충전된 전력이 적정 수준에서 방전되도록 하여 엔진(10)의 연비를 최소화할 수 있다.
도 9에 도시된 바와 같이, 고토크 영역에서 운전자의 요구 토크가 EGR 최대 라인에서의 토크를 초과하면, 운전자의 요구 토크와 EGR 최대 라인에서의 토크 차이는 배터리(70)의 방전을 통해 발생하는 구동 모터(50)의 토크를 통해 보조된다. 반면, 저토크 영역에서 운전자의 요구 토크가 최적 운전점에서의 토크보다 작으면, 최적 운전점에서의 출력 토크와 운전자의 요구 토크의 차는 구동 모터(50) 또는 HSG(40)를 통해 발전되어 배터리(70)에 저장될 수 있다.
그리고 타력 주행 상황에서의 락업 충전은 차량이 평지와 등판로를 주행하는 경우에 수행된다.
또한, 제어기(90)는 변속 패턴이 노멀 변속 패턴(normal shifting pattern)으로 변속되도록 제어하고, 촉매 컨버터(19)의 촉매의 온도가 설정 온도 이상인 경우에만 변속 패턴이 촉매 보호 노멀 변속 패턴이 되도록 제어한다.
배터리(70)의 SOC가 노멀 충전 영역일 때, HEV 모드에서 엔진(10)에서 출력되는 일부 동력을 구동 모터(50)를 통해 배터리(70)에 일시적으로 저장하고, 일시적으로 배터리(70)에 저장된 전력으로 전동식 슈퍼차저와 전장 부품을 동작시킬 수 있다.
배터리(70)의 SOC가 저영역(low region)이면, 제어기(90)는 차량의 주행 모드가 HEV 모드(hybrid electric vehicle mode)로 주행되도록 제어한다.
HEV 모드에서 운전자의 요구 토크가 고토크 영역이면 엔진(10)의 운전점은 부분 부하 최대 라인(part load max line)이 되도록 제어되고, 운전자의 요구 토크가 고토크 영역보다 낮은 저토크 영역이면 엔진(10)의 운전점은 최적 운전 라인(OOL)이 되도록 제어된다. 차량의 주행 모드가 HEV 모드일 때, 제어기(90)는 두 개의 전동식 슈퍼차저의 전력 효율이 최대가 되는 전동식 슈퍼차저의 운전 모드(예를 들어, 직렬 모드, 병렬 모드, 또는 단일 모드)를 결정하여 배터리(70)에 충전된 전력이 적정 수준에서 방전되도록 하여 엔진(10)의 연비를 최소화할 수 있다.
도 10에 도시된 바와 같이, 고토크 영역에서 운전자의 요구 토크가 부분 부하 최대 라인에서의 토크를 초과하면, 운전자의 요구 토크와 부분 부하 최대 라인에서의 토크 차이(도 9의 좌측 점선 화살표 참조)는 배터리(70)의 방전을 통해 발생하는 구동 모터(50)의 토크를 통해 보조된다. 반면, 저토크 영역에서 운전자의 요구 토크가 최적 운전점에서의 토크보다 작으면, 최적 운전점에서의 출력 토크와 운전자의 요구 토크의 차는 구동 모터(50) 또는 HSG(40)를 통해 발전되어 배터리(70)에 저장될 수 있다.
다만, 차량의 설정된 시간(예를 들어, 30분 이상) 고부하 조건에서 주행되는 경우 엔진(10)의 운전점은 촉매 보호 라인이 되도록 제어될 수 있다. 장시간 동안 고부하 조건에서 차량이 운행하는 경우, 촉매의 온도가 과도하게 증가할 수 있으므로, 엔진(10)의 운전점이 촉매 보호 라인에서 운전되도록 함으로써, 촉매가 열화되는 것을 방지할 수 있다.
따라서, 도 10에 도시된 바와 같이, 고토크 영역에서 운전자의 요구 토크가 촉매 보호 라인에서의 토크를 초과하면, 운전자의 요구 토크와 촉매 보호 라인에서의 토크 차이(도 9의 좌측 실선 화살표 참조)는 배터리(70)의 방전을 통해 발생하는 구동 모터(50)의 토크를 통해 보조된다. 반면, 저토크 영역에서 운전자의 요구 토크가 최적 운전점에서의 토크보다 작으면, 최적 운전점에서의 출력 토크와 운전자의 요구 토크의 차는 구동 모터(50) 또는 HSG(40)를 통해 발전되어 배터리(70)에 저장될 수 있다.
그리고 타력 주행 상황에서의 락업 충전은 차량이 평지와 등판로를 주행하는 경우에 수행된다.
또한, 제어기(90)는 변속 패턴이 노멀 변속 패턴(normal shifting pattern)으로 변속되도록 제어하고, 촉매 컨버터(19)의 촉매의 온도가 설정 온도 이상인 경우에만 변속 패턴이 촉매 보호 로우 변속 패턴이 되도록 제어한다.
배터리(70)의 SOC가 저영역일 때, HEV 모드에서 엔진(10)에서 출력되는 일부 동력을 구동 모터(50)를 통해 배터리(70)에 일시적으로 저장하고, 일시적으로 배터리(70)에 저장된 전력으로 전동식 슈퍼차저와 전장 부품을 동작시킬 수 있다.
또는, 배터리(70)의 SOC가 저저영역(critical low region)이면, 제어기(90)는 차량의 주행 모드가 HEV 모드로 주행하도록 제어할 수도 있다.
HEV 모드에서 운전자의 요구 토크가 고토크 영역이면 엔진(10)의 운전점이 전 부하 최대 라인(full load max line)이 되도록 제어되고, 운전자의 요구 토크가 고토크 영역보다 낮은 저토크 영역이면 엔진(10)의 운전점이 최적 운전 라인(OOL)이 되도록 제어된다. 차량의 주행 모드가 HEV 모드일 때, 제어기(90)는 두 개의 전동식 슈퍼차저의 전력 효율이 최대가 되는 전동식 슈퍼차저의 운전 모드(예를 들어, 직렬 모드, 병렬 모드, 또는 단일 모드)를 결정하여 배터리(70)에 충전된 전력이 적정 수준에서 방전되도록 하여 엔진(10)의 연비를 최소화할 수 있다.
도 11에 도시된 바와 같이, 고토크 영역에서 운전자의 요구 토크가 전부하 최대 라인보다 작으면, 운전자의 요구 토크와 전부하 최대 라인에서의 토크 차이는 구동 모터(50) 또는 HSG(40)를 통해 발전되어 배터리(70)에 저장된다. 그리고 저토크 영역에서 운전자의 요구 토크가 최적 운전점에서의 토크보다 작으면, 최적 운전점에서의 출력 토크와 운전자의 요구 토크의 차는 구동 모터(50) 또는 HSG(40)를 통해 발전되어 배터리(70)에 저장될 수 있다.
그리고 타력 주행 상황에서의 락업 충전은 항상 수행된다.
또한, 제어기(90)는 변속 패턴이 노멀 변속 패턴(normal shifting pattern)으로 변속되도록 제어하고, 촉매 컨버터(19)의 촉매의 온도가 설정 온도 이상인 경우에만 변속 패턴이 촉매 보호 로우 변속 패턴이 되도록 제어한다.
이상을 통해 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 설명하였지만, 본 발명은 이에 한정되는 것이 아니고 특허청구범위와 발명의 상세한 설명 및 첨부한 도면의 범위 안에서 여러 가지로 변형하여 실시하는 것이 가능하고 이 또한 본 발명의 범위에 속하는 것은 당연하다.
10: 엔진
11: 연소실
13: 흡기 매니폴드
14: 스로틀 밸브
15: 배기 매니폴드
17: 배기 라인
19: 촉매 컨버터
21: 제1 흡기 라인
22: 제2 흡기 라인
23: 연결 라인
24: 메인 흡기 라인
25: 제1 흡기 밸브
26: 제2 흡기 밸브
27: 연결 밸브
29: 에어 클리너
31: 제1 전동식 슈퍼차저
32: 제2 전동식 슈퍼차저
35: 보조 인터쿨러
36: 메인 인터쿨러
40: HSG
50: 구동 모터
60: 클러치
70: 배터리
80: 변속기
90: 제어기
100: APS
110: BMS

Claims (16)

  1. 연료의 연소에 의해 동력을 발생시키는 엔진;
    상기 엔진의 동력을 보조하고 선택적으로 발전기로 작동하여 전기 에너지를 생성하는 구동 모터;
    상기 엔진을 시동시키고 선택적으로 발전기로 작동하여 전기 에너지를 생성하는 HSG(hybrid starter and generator);
    상기 엔진과 상기 구동 모터 사이에 구비되는 클러치;
    상기 구동 모터에 전기 에너지를 공급하거나 상기 구동 모터에서 생성된 전기 에너지를 충전하는 배터리;
    상기 엔진에서 배출되는 일부 배기 가스를 상기 엔진으로 재공급하는 배기가스 재순환 장치;
    상기 엔진의 연소실로 공급되는 외기가 흐르는 복수의 흡기 라인에 각각 설치되는 복수의 전동식 슈퍼차저; 및
    운전자의 요구 토크와 상기 배터리의 SOC(state of charge)에 기초하여 상기 엔진과 상기 구동 모터를 통한 차량의 주행 모드, 엔진의 운전점, 상기 구동 모터와 상기 HSG를 통한 락업 충전 및 변속 패턴을 가변 제어하고, 상기 복수의 전동식 슈퍼차저의 소모 전력이 최소화되는 운전 모드를 결정하는 제어기;
    를 포함하는 하이브리드 차량의 제어 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 배터리의 SOC가 고고영역(critical high region)이면,
    상기 제어기는
    상기 주행 모드가 EV 모드(electric vehicle)로 운전되도록 제어하고, 운전자의 요구 토크가 상기 구동 모터의 최대 토크를 초과하는 경우에만 상기 주행 모드가 HEV 모드(Hybrid Electric Vehicle)로 주행하도록 제어하며,
    상기 주행 모드가 HEV 모드인 경우 엔진의 운전점은 엔진의 최적 운전점을 의미하는 최적 운전 라인(optimal operating line)보다 설정 범위 낮은 엔진 토크를 출력하도록 제어하고,
    변속 패턴은 노멀 변속 패턴으로 결정하되, 촉매 컨버터의 촉매의 온도가 설정 온도 이상인 경우에만 변속 패턴이 촉매 보호 노멀 변속 패턴이 되도록 제어하는 하이브리드 차량의 제어 장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 배터리의 SOC가 고영역(high region)이면,
    상기 제어기는
    상기 주행 모드가 EV 모드(electric vehicle)로 운전되도록 제어하고, 운전자의 요구 토크가 상기 구동 모터의 최대 토크를 초과하는 경우에만 상기 주행 모드가 HEV 모드(Hybrid Electric Vehicle)로 주행하도록 제어하며,
    상기 주행 모드가 HEV 모드인 경우 엔진의 운전점은 엔진의 최적 운전점을 의미하는 최적 운전 라인(optimal operating line)이 되도록 제어하고,
    변속 패턴은 노멀 변속 패턴으로 결정하되, 촉매 컨버터의 촉매의 온도가 설정 온도 이상인 경우에만 변속 패턴이 촉매 보호 노멀 변속 패턴이 되도록 제어하는 하이브리드 차량의 제어 장치.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 배터리의 SOC가 노멀 방전 영역(normal discharge region)이면,
    상기 제어기는
    상기 주행 모드가 EV 모드가 HEV 모드보다 우선되도록 제어하고,
    상기 주행 모드가 HEV 모드인 경우 엔진의 운전점은 최적 운전 라인이 되도록 제어하며,
    타력 주행 상태에서의 락업 충전(lock charge)은 차량이 등판로를 주행하는 경우 이루어지고,
    변속 패턴은 노멀 변속 패턴으로 결정하되, 촉매 컨버터의 촉매의 온도가 설정 온도 이상인 경우에만 변속 패턴이 촉매 보호 노멀 변속 패턴이 되도록 제어하는 하이브리드 차량의 제어 장치.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 배터리의 SOC가 노멀 충전 영역(normal charge region)이면,
    상기 제어기는
    상기 주행 모드가 HEV 모드가 EV 모드보다 우선되도록 제어하고,
    상기 주행 모드가 HEV 모드인 경우 운전자의 요구 토크가 고토크 영역이면 엔진의 운전점은 EGR 최대 라인이 되도록 제어하고, 운전자의 요구 토크가 고토크 영역보다 낮은 저토크 영역이면 엔진의 운전점은 최적 운전 라인이 되도록 제어하며,
    타력 주행 상태에서의 락업 충전(lock charge)은 차량이 평지 및 등판로를 주행하는 경우 이루어지고,
    변속 패턴은 노멀 변속 패턴으로 결정하되, 촉매 컨버터의 촉매의 온도가 설정 온도 이상인 경우에만 변속 패턴이 촉매 보호 노멀 변속 패턴이 되도록 제어하는 하이브리드 차량의 제어 장치.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 배터리의 SOC가 저영역(low region)이면,
    상기 제어기는
    상기 주행 모드가 HEV 모드(hybrid electric vehicle)로 운전되도록 제어하고,
    상기 주행 모드가 HEV 모드인 경우 운전자의 요구 토크가 고토크 영역이면 엔진의 운전점은 부분 부하 최대 라인이 되도록 제어하고, 운전자의 요구 토크가 고토크 영역보다 낮은 저토크 영역이면 엔진의 운전점은 최적 운전 라인이 되도록 제어하며,
    타력 주행 상태에서의 락업 충전(lock charge)은 차량이 강판로, 평지 및 등판로를 주행하는 경우 이루어지고,
    변속 패턴은 노멀 변속 패턴으로 결정하되, 촉매 컨버터의 촉매의 온도가 설정 온도 이상인 경우에만 변속 패턴이 촉매 보호 로우 변속 패턴이 되도록 제어하는 하이브리드 차량의 제어 장치.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 배터리의 SOC가 저영역(low region)이면,
    상기 제어기는
    상기 주행 모드가 HEV 모드(hybrid electric vehicle)로 운전되도록 제어하고,
    상기 주행 모드가 HEV 모드인 경우 운전자의 요구 토크가 고토크 영역이면 엔진의 운전점은 부분 부하 최대 라인이 되도록 제어하고, 운전자의 요구 토크가 고토크 영역보다 낮은 저토크 영역이면 엔진의 운전점은 최적 운전 라인이 되도록 제어하되, 설정 시간 이상 동안 차량이 고부하 조건에서 주행하는 경우 엔진의 운전점은 촉매 보호 온도 라인이 되도록 제어하고,
    타력 주행 상태에서의 락업 충전(lock charge)은 차량이 평지 및 등판로를 주행하는 경우 이루어지고,
    변속 패턴은 노멀 변속 패턴으로 결정하되, 촉매 컨버터의 촉매의 온도가 설정 온도 이상인 경우에만 변속 패턴이 촉매 보호 로우 변속 패턴이 되도록 제어하는 하이브리드 차량의 제어 장치.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 배터리의 SOC가 저저영역(critical low region)이면,
    상기 제어기는
    상기 주행 모드가 HEV 모드가 되도록 제어하고,
    운전자의 요구 토크가 고토크 영역이면 엔진의 운전점은 전 부하 최대 라인이 되도록 제어하며, 운전자의 요구 토크가 고토크 영역보다 낮은 저토크 영역이면 엔진의 운전점은 최적 운전 라인이 되도록 제어하고,
    차량이 정지 중일 때 상기 엔진을 동작시켜 아이들 충전을 수행하며,
    타력 주행 상태에서의 락업 충전(lock charge)은 항상 이루어지도록 제어하고,
    변속 패턴은 노멀 변속 패턴으로 결정하되, 촉매 컨버터의 촉매의 온도가 설정 온도 이상인 경우에만 변속 패턴이 촉매 보호 로우 변속 패턴이 되도록 제어하는 하이브리드 차량의 제어 장치.
  9. 배터리의 SOC와 운전자의 요구 토크를 결정하는 단계; 및
    상기 배터리의 SOC와 상기 운전자의 요구 토크를 기초로 차량의 엔진과 구동 모터를 통한 차량의 주행 모드, 엔진의 운전점, 구동 모터와 HSG를 통한 락업 충전 조건, 및 변속 패턴을 가변 조절하고, 복수의 전동식 슈퍼차저의 소모 전력이 최소화되는 운전 모드를 결정하는 단계;
    를 포함하는 하이브리드 차량의 제어 방법.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 배터리의 SOC가 고고영역(critical high region)이면,
    상기 주행 모드는 EV(electric vehicle)로 운전되도록 제어되고, 운전자의 요구 토크가 상기 구동 모터의 최대 토크를 초과하는 경우에만 상기 주행 모드가 HEV 모드(Hybrid Electric Vehicle)로 주행하도록 제어되며,
    상기 주행 모드가 HEV 모드인 경우 엔진의 운전점은 엔진의 최적 운전점을 의미하는 최적 운전 라인(optimal operating line)보다 설정 범위 낮은 엔진 토크를 출력하도록 제어되고,
    변속 패턴은 노멀 변속 패턴으로 결정하되, 촉매 컨버터의 촉매의 온도가 설정 온도 이상인 경우에만 변속 패턴이 촉매 보호 노멀 변속 패턴이 되도록 제어하는 하이브리드 차량의 제어 방법.
  11. 제9항에 있어서,
    상기 배터리의 SOC가 고영역(high region)이면,
    상기 주행 모드가 EV 모드(electric vehicle)로 운전되도록 제어되고, 운전자의 요구 토크가 상기 구동 모터의 최대 토크를 초과하는 경우에만 상기 주행 모드가 HEV 모드(Hybrid Electric Vehicle)로 주행하도록 제어되며,
    상기 주행 모드가 HEV 모드인 경우 엔진의 운전점은 엔진의 최적 운전점을 의미하는 최적 운전 라인(optimal operating line)이 되도록 제어되고,
    변속 패턴은 노멀 변속 패턴으로 결정하되, 촉매 컨버터의 촉매의 온도가 설정 온도 이상인 경우에만 변속 패턴이 촉매 보호 노멀 변속 패턴이 되도록 제어되는 하이브리드 차량의 제어 방법.
  12. 제9항에 있어서,
    상기 배터리의 SOC가 노멀 방전 영역(normal discharge region)이면,
    상기 주행 모드가 EV 모드가 HEV 모드보다 우선되도록 제어되고,
    상기 주행 모드가 HEV 모드인 경우 엔진의 운전점은 최적 운전 라인이 되도록 제어되며,
    타력 주행 상태에서의 락업 충전(lock charge)은 차량이 등판로를 주행하는 경우 이루어지고,
    변속 패턴은 노멀 변속 패턴으로 결정하되, 촉매 컨버터의 촉매의 온도가 설정 온도 이상인 경우에만 변속 패턴이 촉매 보호 노멀 변속 패턴이 되도록 제어되는 하이브리드 차량의 제어 방법.
  13. 제9항에 있어서,
    상기 배터리의 SOC가 노멀 충전 영역(normal charge region)이면,
    상기 주행 모드가 HEV 모드가 EV 모드보다 우선되도록 제어되고,
    상기 주행 모드가 HEV 모드인 경우 운전자의 요구 토크가 고토크 영역이면 엔진의 운전점은 EGR 최대 라인이 되도록 제어하고, 운전자의 요구 토크가 고토크 영역보다 낮은 저토크 영역이면 엔진의 운전점은 최적 운전 라인이 되도록 제어되며,
    타력 주행 상태에서의 락업 충전(lock charge)은 차량이 평지 및 등판로를 주행하는 경우 이루어지고,
    변속 패턴은 노멀 변속 패턴으로 결정하되, 촉매 컨버터의 촉매의 온도가 설정 온도 이상인 경우에만 변속 패턴이 촉매 보호 노멀 변속 패턴이 되도록 제어되는 하이브리드 차량의 제어 방법.
  14. 제9항에 있어서,
    상기 배터리의 SOC가 저영역(low region)이면,
    상기 주행 모드가 HEV 모드(hybrid electric vehicle)로 운전되도록 제어되고,
    상기 주행 모드가 HEV 모드인 경우 운전자의 요구 토크가 고토크 영역이면 엔진의 운전점은 부분 부하 최대 라인이 되도록 제어되고, 운전자의 요구 토크가 고토크 영역보다 낮은 저토크 영역이면 엔진의 운전점은 최적 운전 라인이 되도록 제어되며,
    타력 주행 상태에서의 락업 충전(lock charge)은 차량이 강판로, 평지 및 등판로를 주행하는 경우 이루어지고,
    변속 패턴은 노멀 변속 패턴으로 결정하되, 촉매 컨버터의 촉매의 온도가 설정 온도 이상인 경우에만 변속 패턴이 촉매 보호 로우 변속 패턴이 되도록 제어되는 하이브리드 차량의 제어 방법.
  15. 제9항에 있어서,
    상기 배터리의 SOC가 저영역(low region)이면,
    상기 주행 모드가 HEV 모드(hybrid electric vehicle)로 운전되도록 제어되고,
    상기 주행 모드가 HEV 모드인 경우 운전자의 요구 토크가 고토크 영역이면 엔진의 운전점은 부분 부하 최대 라인이 되도록 제어되고, 운전자의 요구 토크가 고토크 영역보다 낮은 저토크 영역이면 엔진의 운전점은 최적 운전 라인이 되도록 제어하되, 설정 시간 이상 동안 차량이 고부하 조건에서 주행하는 경우 엔진의 운전점은 촉매 보호 온도 라인이 되도록 제어되고,
    타력 주행 상태에서의 락업 충전(lock charge)은 차량이 평지 및 등판로를 주행하는 경우 이루어지고,
    변속 패턴은 노멀 변속 패턴으로 결정하되, 촉매 컨버터의 촉매의 온도가 설정 온도 이상인 경우에만 변속 패턴이 촉매 보호 로우 변속 패턴이 되도록 제어되는 하이브리드 차량의 제어 방법.
  16. 제9항에 있어서,
    상기 배터리의 SOC가 저저영역(critical low region)이면,
    상기 주행 모드가 HEV 모드가 되도록 제어되고,
    운전자의 요구 토크가 고토크 영역이면 엔진의 운전점은 전 부하 최대 라인이 되도록 제어되며, 운전자의 요구 토크가 고토크 영역보다 낮은 저토크 영역이면 엔진의 운전점은 최적 운전 라인이 되도록 제어되고,
    차량이 정지 중일 때 상기 엔진을 동작시켜 아이들 충전을 수행되며,
    타력 주행 상태에서의 락업 충전(lock charge)은 항상 이루어지도록 제어되고,
    변속 패턴은 노멀 변속 패턴으로 결정하되, 촉매 컨버터의 촉매의 온도가 설정 온도 이상인 경우에만 변속 패턴이 촉매 보호 로우 변속 패턴이 되도록 제어되는 하이브리드 차량의 제어 방법.
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