KR20220024927A - 하이브리드 드라이브 트레인의 제어 방법 및 드라이브 트레인 - Google Patents

하이브리드 드라이브 트레인의 제어 방법 및 드라이브 트레인 Download PDF

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KR20220024927A
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티모 엔데르스
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섀플러 테크놀로지스 아게 운트 코. 카게
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Abstract

본 발명은 내연 기관(3)과 제1 전기 기기(4)로 구성된 드라이브 유닛(2), 제2 전기 기기(13)를 갖는 단단 변속기(10) 및 상기 드라이브 유닛(2)과 변속기(10) 사이에 배치된 분리 클러치(7)를 구비한 자동차의 하이브리드 드라이브 트레인(1)을 제어하기 위한 방법 및 이 방법을 수행하기 위한 드라이브 트레인(1)에 관한 것이다. 특히, 가속 요청 시 더 많은 토크를 제공할 수 있도록 상기 분리 클러치(7)는 자동차의 가속 요청이 있을 때 슬립 모드로 작동된다.

Description

하이브리드 드라이브 트레인의 제어 방법 및 드라이브 트레인
본 발명은, 내연 기관과 제1 전기 기기(first electric machine)로 구성된 드라이브 유닛, 제2 전기 기기(second electric machine)를 갖는 단단 변속기(single stage transmission) 및 상기 드라이브 유닛과 변속기 사이에 배치된 분리 클러치를 구비한 자동차의 하이브리드 드라이브 트레인(hybrid drive train)을 제어하기 위한 방법 및 이 방법을 수행하기 위한 드라이브 트레인에 관한 것이다.
본 출원인의 예비 공개되지 않은 독일 특허 출원 No. 10 2018 130 775.6호 및 No. 10 2018 126 881.5호에는, 내연 기관과 제1 전기 기기로 구성된 드라이브 유닛 및 분리 클러치에 의해, 이러한 분리 클러치와 연결될 수 있는 제2 전기 기기를 포함하는 종래의 하이브리드 드라이브 트레인들 및 이들을 제어하기 위한 방법이 기술되어 있다. 이 경우 상기 분리 클러치는 내연 기관의 작동 상태에 관계없이 가속 과정 중에 완전히 체결되거나(10 2018 130 775.6호) 시동 과정이 2개의 전기 기기에 의해 전적으로 전기적으로 수행된다(10 2018 126 881.5호).
본 발명의 과제는 종래의 드라이브 트레인 및 이를 제어하기 위한 방법을 개선하는 것이다. 특히, 본 발명의 과제는 가속 요청 동안 더 높은 토크 또는 더 높은 출력을 제공하는 것이다.
상기 과제는 청구항 1 및 10의 대상들에 의해서 해결된다. 청구항 1에 종속된 청구항들은 청구항 1의 대상의 바람직한 실시 형태들을 재현한다.
제안된 방법은 자동차의 하이브리드 드라이브 트레인을 제어하는 데 사용된다. 상기 하이브리드 드라이브 트레인은 내연 기관과 제1 전기 기기로 구성된 드라이브 유닛을 포함한다. 상기 내연 기관 및/또는 상기 제1 전기 기기는 구동 토크를 개별적으로 또는 하이브리드 방식으로 전달할 수 있다. 제1 전기 기기는 내연 기관을 시동할 수 있다. 제1 전기 기기는 특히, 전기 에너지 저장 장치, 예를 들어 어큐뮬레이터 및/또는 전력용 콘덴서를 충전하기 위해 내연 기관에 의해 동적 구동되는 전류를 공급할 수 있다.
드라이브 유닛 뒤에는 단단 변속기가 장치되어 있으며, 이 경우 상기 단단 변속기에는 예를 들어, 2개 또는 4개의 구동 휠을 구동하기 위한 차동 장치 앞에, 예를 들면, 변속기의 기어 휠 상에 배치되거나 변속기 뒤에 장치되는 방식으로 제2 전기 기기가 할당되어 있다. 상기 제2 전기 기기는 제안된 드라이브 트레인을 구비한 자동차를 전적으로 전동식으로 또는 드라이브 유닛과 함께 구동할 수 있다. 변속기와 드라이브 유닛 사이에는 분리 클러치가 제공되어 있으며, 그 결과 분리 클러치, 예를 들어, 습식 또는 건식으로 동작하는, 자동 작동 마찰 클러치가 체결 해제될 때, 자동차는 제2 전기 기기에 의해서만 구동될 수 있고, 내연 기관은 제1 전기 기기에 의해 시동될 수 있으며, 그리고 전기 에너지 저장 장치는 상기 내연 기관에 의해 구동되는 제1 전기 기기에 의해 충전되고/충전되거나 제2 전기 기기에 의해 회복(recuperable)될 수 있다. 이에 따라 드라이브 트레인의 추가 작동 모드들이 제공될 수 있다.
분리 클러치는 시동 클러치로 제공될 수 있으므로 상기 분리 클러치가 체결되었거나 체결될 때 드라이브 유닛에 의해 그리고 필요한 경우 추가로 제2 전기 기기에 의해서도 시동될 수 있다.
단단 변속기의 고정 변속비와 같은 변속비는, 구동 휠들의 저속 또는 자동차의 속도가 바람직하게 제2 전기 기기에 의해 충족되고, 더 높은 속도가 대안적으로 또는 추가로 드라이브 유닛에 의해 충족되도록 설계될 수 있다. 예를 들어, 변속기의 변속비는, 분리 클러치의 슬립 없는(slip-free) 작동 시 내연 기관의 무부하 속도(idling speed)가 30 km/h와 70 km/h 사이, 바람직하게는 45 km/h와 55 km/h 사이의 속도 범위에 상응하도록 설계될 수 있다.
예를 들어, 운전자에 의한 자동차 또는 자율 주행 자동차의 제어 장치의 가속 요청이 있을 때 경우에 따라 원하는 자동차의 높은 가속도를 달성하기 위해서는, 내연 기관의 구동 토크와 2개의 전기 기기에 의해 가속된다. 또한, 더 높은 속도에서 증가된 토크 또는 내연 기관의 더 높은 출력을 달성하기 위해, 적합한 가속 요청 시 분리 클러치가 슬립 모드로 작동된다. 일반적인 엔진 특성에 따르면, 내연 기관의 경우 기설정된 속도 범위에서, 예를 들면 무부하 속도보다 높은 속도에서 더 높은 토크 또는 더 높은 출력이 사용되므로 분리 클러치의 슬립 모드에서는 내연 기관의 크랭크 샤프트와 구동 휠들의 더 높은 속도차 및 내연 기관의 더 높은 출력이 분리 클러치의 전달 가능성 범위에서 허용될 수 있다. 이와 달리 제1 전기 기기의 토크 또는 출력 전달은 상기 속도 범위에서 본질적으로 일정한 것으로 가정될 수 있다. 특수한 작동 모드에서, 예를 들면 전기 에너지 저장 장치가 불충분하게 충전된 경우, 제1 전기 기기는 가속 과정 동안 토크 기여(torque contribution)가 감소하거나 토크 기여 없이 작동될 수 있다. 대안적으로 또는 추가로, 제2 전기 기기는 상응하는 작동 모드에서 무전류 상태로 작동될 수 있다.
예를 들어, 가속 과정 동안 슬립 모드는 내연 기관이 무부하 속도에 도달하면 시작될 수 있다. 작동 모드에 따라, 슬립 모드가 시작되기 전에 예를 들면, 내연 기관이 정지 상태일 때 분리 클러치가 완전히 체결 해제되거나, 또는 분리 클러치가 완전히 해제될 수 있다.
슬립 모드는 내연 기관의 기설정된 속도까지 유지될 수 있다. 예를 들어, 슬립 모드는 내연 기관의 최대 토크 또는 기설정된 출력에 도달하면 정지될 수 있다.
예를 들어, 분리 클러치의 슬립 모드는 분리 클러치에 입력되는 에너지에 따라 제어될 수 있다. 이 경우 슬립, 즉 내연 기관의 크랭크 샤프트와 제1 전기 기기의 로터와 회전 고정 방식으로 연결된 분리 클러치의 입력부와 변속기의 변속기 입력 샤프트와 회전 고정 방식으로 연결된 분리 클러치의 출력부 사이의 속도차는, 분리 클러치를 통해 슬립 모드 동안 지속적으로 또는 단시간에 전달될 수 있는 분리 클러치의 클러치 토크가 무해하도록 제한된다. 이 경우 무해하게 전달될 수 있는 클러치 토크는 분리 클러치에 입력된 마찰 에너지, 분리 클러치의 클러치 온도 센서 또는 클러치 온도 모델 및/또는 이와 유사한 것 중 하나를 참고로 결정될 수 있다. 이 경우
분리 클러치에 제공되는 검출된 에너지 입력에 근거하여 슬립 모드가 완전히 켜지거나 꺼지고, 또는 슬립 속도가 분리 클러치에 제공되는 에너지 입력에 따라 제어될 수 있다. 이 경우 분리 클러치에 입력되는 기설정된 에너지가 초과되면, 감소된 가속도 감수 하에 분리 클러치가 완전히 체결될 수 있다. 대안적으로, 전기 기기들의 토크가 완전히 호출되지 않으면, 전기 에너지 저장 장치의 충전 상태에 따라, 전기 기기 중 하나 이상의 전기 기기가 가능한 한 더 높은 토크로 작동될 수 있다.
가속 요청은 예를 들어, 가속 페달의 킥다운 신호((Kick-Down-Signal)를 이용하여 운전자에 의해 수행될 수 있다. 이 경우 가속 페달의 해당 센서는, 임계값이 예를 들면 임계값 형태로 검출되는 가속도, 페달 각도 및/또는 페달의 정지를 감지할 수 있다. 이와 동시에 슬립 모드는 상기 임계값에 따라 작동되거나 시작된다. 대안적으로 임계값은 하이브리드 드라이브 트레인을 구비한 자동차의 자율 작동을 위한 제어 유닛에서 결정되고 출력될 수 있다. 임계값은 설정 가능하고, 예를 들면 보정 가능하고, 조정 가능하며 그리고/또는 이와 유사한 방식으로 형성될 수 있다. 예를 들어, 임계값은 운전자에 의해 원하는 기설정 가능한 작동 모드에 따라, 예를 들어 공정하게 또는 경제적으로 설정 가능하게 제공될 수 있다.
예를 들어 임계값이 미달됨으로써 가속 요청의 보정이 수행되면, 분리 클러치가 완전히 체결된다.
상기 과제는 또한, 내연 기관과 제1 전기 기기로 구성된 드라이브 유닛, 제2 전기 기기를 갖는 단단 변속기 및 상기 드라이브 유닛과 변속기 사이에 배치된 분리 클러치를 구비한 전술한 방법을 수행하기 위한 자동차용 드라이브 트레인에 의해서 해결된다.
본 발명은 도 1 내지 3에 도시된 실시예를 참조하여 보다 상세하게 설명된다.
도면부에서:
도 1은 하이브리드 드라이브 트레인의 개략도를 도시하며,
도 2는 도 1의 드라이브 트레인의 제어 방법의 흐름도를 도시하고,
그리고
도 3은 속도에 따라 도 1의 드라이브 트레인의 토크 및 출력 전달의 다이어그램을 도시한다.
도 1은 자동차용 하이브리드 드라이브 트레인(1)을 개략도로 도시한다. 드라이브 유닛(2)은 내연 기관(3)과 제1 전기 기기(4)로 형성되어 있다.
내연 기관(3)의 크랭크 샤프트(5)와 제1 전기 기기(4)의 로터(6)는 자동 작동 분리 클러치(7)의 입력부(8)와 회전 고정 방식으로 연결되어 있다. 분리 클러치(7)의 출력부(9)는 고정 변속비로 단단으로 형성된 변속기(10)의 변속기 입력 샤프트(11)와 회전 고정 방식으로 연결되어 있다. 변속기(10)의 변속기 출력 샤프트(12)는 제2 전기 기기(13)의 로터(14)와 회전 고정 방식으로 연결되어 있다. 변속기 출력 샤프트(12)는 상세하게 도시되지 않은 차동 장치에 의해, 구동 휠들(이 중 하나의 구동 휠(15)만 도시되어 있음)과 회전 결합 방식으로 연결되어 있다.
분리 클러치(7)가 완전히, 즉 슬립 없이 체결되면, 크랭크 샤프트(5)의 속도가 변속기 입력 샤프트(11)의 속도에 일치하고, 토크 또는 출력이 상기 변속기(10)와 차동 장치의 변속비에 따라 구동 휠(15)들에 전달된다 구동 휠(15)들의 속도 및 이와 이에 따라 드라이브 트레인을 구비한 자동차의 속도가 상응하게 낮으면, 내연 기관(3)은 자신의 기능 원리로 인해 저속일 때 낮은 토크와 낮은 출력만을 전달한다. 특히, 가속 요청 동안에 내연 기관(3)의 속도를 증가시키기 위해, 분리 클러치(7)는 슬립 모드로 작동되며, 그 결과 구동 휠(15)들의 기설정된 속도에서 크랭크 샤프트(5)의 속도가 증가되고, 모터 특성(motor characteristic)으로 인해 내연 기관(3)은 슬리핑 분리 클러치(7)를 통해 변속기 입력 샤프트(11)로 그리고 변속기(10)를 통해 변속기 출력 샤프트(12)와 자동차의 가속도를 높이는 구동 휠(15)들로 더 높은 토크와 더 높은 출력을 전달할 수 있다. 이와 동시에 예를 들면, 클러치 온도 및/또는 분리 클러치(7)의 입력부(8)와 출력부(9) 사이의 속도차로부터 분리 클러치(7)에 입력되는 에너지 입력을 검출함으로써 연속적으로, 슬립 모드가 검출되고 경우에 따라 분리 클러치(7)가 손상되기 전에 중단된다.
도 2는 가속 요청 동안, 내연 기관(3)의 출력을 증가시키기 위해 도 1의 드라이브 트레인(1)을 작동시키기 위한 흐름도(100)를 도시한다. 블록 101에서는, 예를 들면 제어 장치, 가령 분리 클러치(7)의 클러치 제어 장치에 저장될 수 있는 흐름도에 기재된 루틴이 호출되어 블록 102에서 초기화된다. 분기점 103에서는, 분리 클러치의 체결 명령이 있는지 여부가 조회된다. 체결 명령이 없는 경우 분기점 103으로 되돌아간다. 분리 클러치(7)의 체결 명령이 있는 경우, 분기점 104에서 예를 들면 운전자에 의한 가속 페달의 킥다운 임계값이 초과됨으로써 가속 요청이 있는지 여부가 조회된다. 상기 임계값이 초과되지 않고, 가속 요청이 없으면, 분기점 103으로 돌아간다.
가속 요청이 감지되면, 분기점 104에서 블록 105로 넘어가고, 이러한 블록 105에서는 분리 클러치 상에서 기설정된 슬립 속도가 조정된다. 슬립, 즉 크랭크 샤프트(5)와 변속기 입력 샤프트(11) 사이의 슬립 속도차의 크기는 분리 클러치(7)의 정적 또는 동적 에너지 흡수 용량에 따라 지정되고, 상기 에너지 흡수 용량 의해 결정 및 제한된다. 상기 정적 에너지 흡수 용량은 분리 클러치(7)의 적합한 설계로부터, 예를 들면 마찰 표면, 마찰 라이닝 두께 및 분리 클러치 유형(습식 또는 건식)에 의해 주어진다. 상기 동적 에너지 흡수 용량은 분리 클러치의 예비 시운전, 환경 조건 등으로부터 주어진다.
분기점 106에서는, 분리 클러치에 제공되는 최대 에너지 입력에 도달했는지, 또는 가속 요청 임계값에 미달했는지 여부가 조회된다.
두 조건 중 어느 것도 충족되지 않으면, 분기점 106으로 돌아가며, 즉 슬립 상태가 유지된다. 두 조건 중 하나가 충족되면, 블록 107에서 슬립 모드가 종료되고, 분리 클러치(7)가 완전히 체결되어 분기점 103으로 돌아간다.
도 3은 도 1을 참조하여 크랭크 샤프트(5)의 속도(n)에 대한 도 1의 내연 기관(3)의 출력(P) 또는 토크(M)의 다이어그램(200)을 도시한다.
곡선 201은 슬립 분리 클러치(7)가 없는 내연 기관(3)의 토크 곡선을 나타내고, 곡선 202는 슬립 모드에서 분리 클러치(7)가 있는 내연 기관(3)의 토크 곡선을 도시한다. 곡선 204는 슬립 분리 클러치(7)가 없는 내연 기관(3)의 출력 곡선을 나타내고, 곡선 203은 슬립 모드에서 분리 클러치(7)가 있는 내연 기관(3)의 출력 곡선을 도시한다. 내연 기관(3)의 속도 범위(Δn)에서, 분리 클러치(7)가 슬리핑될 경우 각각 내연 기관(3)의 증가된 속도로 인해 더 높은 출력 또는 더 높은 토크가 발생하고, 그 결과 속도 범위(Δn)에서 전환된 슬립 모드는, 상대적으로 더 낮은 속도에서, 예를 들면 무부하 속도(n1)와 기설정된 속도(n2) 사이에서 가속 요청 시 가속 증가를 나타낸다.
1: 드라이브 트레인
2: 드라이브 유닛
3: 내연 기관
4: 전기 기기
5: 크랭크 샤프트
6: 로터
7: 분리 클러치
8: 입력부
9: 출력부
10: 변속기
11: 변속기 입력 샤프트
12: 변속기 출력 샤프트
13: 전기 기기
14: 로터
15: 구동 휠
100: 흐름도
101: 블록
102: 블록
103: 분기점
104: 분기점
105: 블록
106: 분기점
107: 블록
200: 다이어그램
201: 곡선
202: 곡선
203: 곡선
204: 곡선
M: 토크
n: 속도
n1: 무부하 속도
n2: 속도
P: 출력
Δn: 속도 범위

Claims (10)

  1. 내연 기관(3)과 제1 전기 기기(4)로 구성된 드라이브 유닛(2), 제2 전기 기기(13)를 갖는 단단 변속기(10) 및 상기 드라이브 유닛(2)과 변속기(10) 사이에 배치된 분리 클러치(7)를 구비한 자동차의 하이브리드 드라이브 트레인(1)을 제어하기 위한 방법으로서, 상기 자동차의 가속 요청이 있을 때 상기 분리 클러치(7)가 슬립 모드로 작동되는 것을 특징으로 하는, 하이브리드 드라이브 트레인(1)의 제어 방법.
  2. 제1항에 있어서, 상기 내연 기관(3)이 무부하 속도(n1)에 도달할 때 상기 슬립 모드가 시작되는 것을 특징으로 하는, 하이브리드 드라이브 트레인(1)의 제어 방법.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 슬립 모드가 상기 내연 기관의 기설정된 속도(n2)까지 유지되는 것을 특징으로 하는, 하이브리드 드라이브 트레인(1)의 제어 방법.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 슬립 모드가 상기 분리 클러치(7)에 제공되는 에너지 입력에 따라 제어되는 것을 특징으로 하는, 하이브리드 드라이브 트레인(1)의 제어 방법.
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 슬립 속도가 상기 분리 클러치(7)에 제공되는 에너지 입력에 따라 제어되는 것을 특징으로 하는, 하이브리드 드라이브 트레인(1)의 제어 방법.
  6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 분리 클러치(7)에 제공되는 기설정된 에너지 입력이 초과되면 상기 분리 클러치(7)가 완전히 체결되는 것을 특징으로 하는, 하이브리드 드라이브 트레인(1)의 제어 방법.
  7. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 슬립 모드가 가속 페달의 작동을 위한 임계값에 따라 작동되는 것을 특징으로 하는, 하이브리드 드라이브 트레인(1)의 제어 방법.
  8. 제7항에 있어서, 상기 임계값이 설정 가능한 것을 특징으로 하는, 하이브리드 드라이브 트레인(1)의 제어 방법.
  9. 제7항 또는 제8항에 있어서, 상기 임계값이 미달되면 상기 분리 클러치(7)가 완전히 체결되는 것을 특징으로 하는 방법.
  10. 내연 기관(3)과 제1 전기 기기(4)로 구성된 드라이브 유닛(2), 제2 전기 기기(13)를 갖는 단단 변속기(10) 및 상기 드라이브 유닛(2)과 변속기(10) 사이에 배치된 분리 클러치(7)를 구비한, 제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 따른 방법을 수행하기 위한 자동차용 드라이브 트레인(1).
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