KR20220027308A

KR20220027308A - 하이브리드 차량의 동력 분배 장치 및 방법

Info

Publication number: KR20220027308A
Application number: KR1020200107513A
Authority: KR
Inventors: 우동현
Original assignee: 현대자동차주식회사; 기아 주식회사
Priority date: 2020-08-26
Filing date: 2020-08-26
Publication date: 2022-03-08

Abstract

본 발명은 하이브리드 차량의 동력 분배 방법에 관한 것으로서, 제어 알고리즘의 단순화 및 알고리즘 개발 시간의 단축이 가능하고, 에너지 소비의 최적성 보장, 에너지 손실 저감 및 배터리 수명 향상 등을 달성할 수 있는 하이브리드 차량의 동력 분배 방법을 제공하는데 주된 목적이 있는 것이다. 상기한 목적을 달성하기 위해, 차량에서 취득 가능한 미래 교통 정보 및 도로 정보(주행 경로 상 전방의 교통 정보 및 도로 정보)를 이용하여 미래 주행 정보를 예측하고, 등가 연비 최소화 전략에 따라 최적의 동력 분배 값을 결정하는 하이브리드 차량의 동력 분배 장치 및 방법이 개시된다.

Description

하이브리드 차량의 동력 분배 장치 및 방법{A system and method for power split of hybrid electric vehicle}

본 발명은 하이브리드 차량의 동력 분배 장치 및 방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 제어 알고리즘의 단순화 및 알고리즘 개발 시간의 단축이 가능하고, 에너지 소비의 최적성 보장, 에너지 손실 저감 및 배터리 수명 향상 등을 달성할 수 있는 하이브리드 차량의 동력 분배 장치 및 방법에 관한 것이다.

하이브리드 차량은 엔진(내연기관)과 모터를 구동원으로 이용하여 주행하는 차량이다. 하이브리드 차량의 일반적인 파워트레인 형태로 엔진과 모터 사이에 엔진 클러치를 배치한 TMED(Transmission Mounted Electric Device) 타입의 하이브리드 시스템이 알려져 있다.

TMED 타입의 하이브리드 시스템에서는 엔진과 모터 사이에 엔진 클러치가 연결되고, 모터 출력 측에 변속기가 연결되어 있다. 또한, 모터를 구동 및 제어하기 위한 인버터가 차량에 탑재되고, 모터가 인버터를 통해 차량 내 고전압 메인 배터리에 충, 방전 가능하게 연결된다.

인버터는 모터 구동 시 배터리로부터 공급되는 직류(DC) 전류를 교류(AC) 전류로 변환하여 전력케이블을 통해 모터에 인가하고, 모터 회생 시에는 모터에서 생성된 교류 전류를 직류 전류로 변환하여 배터리에 공급한다.

또한, 엔진과 동력 전달 가능하게 연결되어 엔진을 시동하거나 엔진에서 전달되는 회전력으로 발전을 수행하는 HSG(Hybrid Starter and Generator)가 차량에 구비된다. HSG 또한 별도 인버터를 통해 배터리에 충, 방전 가능하게 연결된다.

또한, 하이브리드 차량을 포함하여 모터로 주행하는 전동화 차량, 예를 들어 순수 전기 차량이나 연료전지 차량 등 친환경 차량에서는, 타행 주행 시나 제동 시에 차량 운동에너지를 모터 발전을 통해 전기에너지로 회수하여 배터리를 충전하는 회생 모드가 수행된다. 전동화 차량에서 차량 효율 증대 및 연비 향상을 위해 회생 모드의 기능은 필수적이다.

또한, 하이브리드 차량에서는 연료 소비를 최소화하고 차량 연비를 향상시키기 위해 엔진과 모터의 적절한 동력 분배가 요구된다. 기존 하이브리드 차량에서의 동력 분배는 맵 데이터와 복잡한 알고리즘을 이용한다.

최근 엔진과 모터의 동력 분배 제어를 포함한 하이브리드 차량의 제어에 있어 제어 알고리즘은 더욱 복잡해지고 있으며, 따라서 제어 알고리즘의 단순화가 요구되고 있다. 또한, 알고리즘의 단순화를 통해 차량 제어 알고리즘의 개발 시간을 단축하는 것이 필요하게 되었다.

이에 더하여 기존의 복잡한 알고리즘 기반의 동력 분배 결정에 비해 에너지 소비에 대한 최적성을 보장할 수 있고, 주행 시 적절한 배터리 이용을 통해 과충전 및 과방전으로 발생하는 에너지 손실을 줄이면서 배터리 수명을 향상시킬 수 있는 개선된 동력 분배 기술이 요구되고 있다.

따라서, 본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 창출한 것으로서, 제어 알고리즘의 단순화 및 알고리즘 개발 시간의 단축이 가능하고, 에너지 소비의 최적성 보장, 에너지 손실 저감 및 배터리 수명 향상 등을 달성할 수 있는 하이브리드 차량의 동력 분배 장치 및 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.

상기한 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 실시예에 따르면, 제어기가 차량의 현재 위치로부터 목적지까지의 주행 경로 상 도로 정보 및 교통 정보를 입력 받고, 주행 동안 차량 상태 정보를 입력받는 단계; 상기 제어기에 의해, 상기 입력된 주행 경로 상 도로 정보 및 교통 정보를 기초로 미래의 주행 에너지가 결정되고, 상기 입력된 차량 상태 정보 중 현재의 배터리 충전 상태로부터 미래의 배터리 충전 상태가 결정되는 단계; 상기 제어기에 의해, 상기 결정된 미래의 주행 에너지와 미래의 배터리 충전 상태 정보를 기초로 주행 경로 상 임의의 위치에 따른 등가 계수가 결정되는 단계; 상기 제어기에 의해, 차량 주행 동안 입력되는 차량 상태 정보로부터 운전자 요구 동력이 결정되는 단계; 상기 제어기에 의해, 상기 결정된 등가 계수를 기초로 차량의 전력 소비량이 연료 소비량으로 등가화되어 주행 중 소모되는 차량의 등가 소비량이 결정되는 단계; 및 상기 제어기에 의해, 상기 결정된 등가 소비량에 기초하여 상기 운전자 요구 동력을 만족하는 엔진과 모터의 최적 동력 분배 값이 결정되는 단계를 포함하는 하이브리드 차량의 동력 분배 방법을 제공한다.

본 발명의 실시예에서, 상기 제어기는, 상기 입력된 주행 경로 상의 도로 정보를 기초로 주행 경로를 나누어 복수 개의 구간을 설정한 뒤, 상기 설정된 구간별 도로 경사각을 결정하고, 상기 입력된 주행 경로 상의 교통 정보로부터 구간별 교통 차속을 결정하며, 상기 결정된 구간별 도로 경사각과 구간별 교통 차속을 이용하여 주행 경로 상의 미래 주행 에너지를 결정할 수 있다.

또한, 본 발명의 실시예에서, 상기 제어기는, 주행 경로 상 차량의 미래 주행 저항을 기초로 상기 주행 경로 상의 미래 주행 에너지를 결정하고, 상기 결정된 구간별 교통 차속을 기초로 계산되는 차량의 공기 저항과, 상기 결정된 구간별 도로 경사각을 기초로 계산되는 구배 저항을 합산한 값으로 상기 주행 경로 상 차량의 미래 주행 저항을 결정할 수 있다.

또한, 본 발명의 실시예에서, 상기 제어기는, 현재 위치와 목적지 사이의 거리, 목적지에서의 설정된 목표 배터리 충전 상태와 현재의 배터리 충전 상태 정보를 이용하여 주행 경로 상의 임의의 위치에서의 미래 배터리 충전 상태를 결정할 수 있다.

또한, 본 발명의 실시예에서, 상기 제어기는 차량의 전력 소비량으로부터 상기 결정된 등가 계수를 이용하여 등가화한 연료 소비량과 실제 엔진의 연료 소비량을 합산한 값으로 상기 차량의 등가 소비량을 결정할 수 있다.

또한, 본 발명의 실시예에서, 상기 최적 동력 분배 값이 결정되는 단계에서, 상기 제어기에 의해, 차량 주행 동안 입력되는 차량 상태 정보 중 엔진과 모터의 현재 상태에서 운전자 요구 동력을 만족하는 엔진과 모터의 동력 분배 후보군이 결정되고, 상기 엔진과 모터의 동력 분배 후보군 중 상기 등가 소비량이 최소화되는 엔진과 모터의 최적 동력 분배 값이 선택되어 결정될 수 있다.

또한, 본 발명의 실시예에서, 상기 엔진과 모터의 동력 분배 후보군을 구성하는 동력 분배 후보는 엔진과 모터의 현재 상태에서 운전자 요구 동력을 만족하는 엔진 토크 값과 모터 토크 값의 조합일 수 있다.

또한, 본 발명의 실시예에서, 상기 엔진과 모터의 현재 상태는 엔진 속도와 모터 속도일 수 있다.

또한, 본 발명의 실시예에 따른 하이브리드 차량의 동력 분배 방법은, 상기 제어기가 상기 결정된 엔진과 모터의 최적 동력 분배 값에 따라 엔진과 모터의 작동이 제어되도록 하는 단계를 더 포함할 수 있다.

그리고, 본 발명의 실시예에 따르면, 차량에서 현재 위치로부터 목적지까지의 주행 경로 상 도로 정보 및 교통 정보를 수신하는 정보 수신부; 차량 주행 동안 차량 상태 정보를 검출하는 차량 상태 검출부; 상기 정보 수신부로부터 입력된 상기 주행 경로 상 도로 정보 및 교통 정보를 기초로 미래의 주행 에너지를 결정하는 주행 에너지 예측부; 상기 차량 상태 검출부로부터 입력된 상기 차량 상태 정보 중 현재의 배터리 충전 상태로부터 미래의 배터리 충전 상태를 결정하는 배터리 상태 예측부; 상기 결정된 미래의 주행 에너지와 미래의 배터리 충전 상태 정보를 기초로 주행 경로 상 임의의 위치에 따른 등가 계수를 결정하는 등가 계수 예측부; 상기 차량 상태 검출부로부터 차량 주행 동안 입력되는 차량 상태 정보로부터 운전자 요구 동력을 결정하고 상기 결정된 등가 계수를 기초로 차량의 전력 소비량을 연료 소비량으로 등가화하여 주행 중 소모되는 차량의 등가 소비량을 결정하는 운전자 요구 동력 계산부; 및 상기 결정된 등가 소비량에 기초하여 상기 운전자 요구 동력을 만족하는 엔진과 모터의 최적 동력 분배 값을 결정하는 순간 최적화 연산부를 포함하는 하이브리드 차량의 동력 분배 장치를 제공한다.

또한, 본 발명의 실시예에서, 상기 주행 에너지 예측부는, 상기 입력된 주행 경로 상의 도로 정보를 기초로 주행 경로를 나누어 복수 개의 구간을 설정한 뒤, 상기 설정된 구간별 도로 경사각을 결정하고, 상기 입력된 주행 경로 상의 교통 정보로부터 구간별 교통 차속을 결정하며, 상기 결정된 구간별 도로 경사각과 구간별 교통 차속을 이용하여 주행 경로 상의 미래 주행 에너지를 결정할 수 있다.

또한, 본 발명의 실시예에서, 상기 주행 에너지 예측부는, 주행 경로 상 차량의 미래 주행 저항을 기초로 상기 주행 경로 상의 미래 주행 에너지를 결정하고, 상기 결정된 구간별 교통 차속을 기초로 계산되는 차량의 공기 저항과, 상기 결정된 구간별 도로 경사각을 기초로 계산되는 구배 저항을 합산한 값으로 상기 주행 경로 상 차량의 미래 주행 저항을 결정할 수 있다.

또한, 본 발명의 실시예에서, 상기 배터리 상태 예측부는, 현재 위치와 목적지 사이의 거리, 목적지에서의 설정된 목표 배터리 충전 상태와 현재의 배터리 충전 상태 정보를 이용하여 주행 경로 상의 임의의 위치에서의 미래 배터리 충전 상태를 결정할 수 있다.

또한, 본 발명의 실시예에서, 상기 운전자 요구 동력 계산부는 차량의 전력 소비량으로부터 상기 결정된 등가 계수를 이용하여 등가화한 연료 소비량과 실제 엔진의 연료 소비량을 합산한 값으로 상기 차량의 등가 소비량을 결정할 수 있다.

또한, 본 발명의 실시예에서, 상기 운전자 요구 동력부는 차량 주행 동안 입력되는 차량 상태 정보 중 엔진과 모터의 현재 상태에서 운전자 요구 동력을 만족하는 엔진과 모터의 동력 분배 후보군을 결정하고, 상기 순간 최적화 연산부는 상기 엔진과 모터의 동력 분배 후보군 중 상기 등가 소비량이 최소화되는 엔진과 모터의 최적 동력 분배 값을 선택하여 결정할 수 있다.

또한, 본 발명의 실시예에서, 상기 순간 최적화 연산부는 엔진과 모터의 동력 분배 후보군을 구성하는 동력 분배 후보는 엔진과 모터의 현재 상태에서 운전자 요구 동력을 만족하는 엔진 토크 값과 모터 토크 값의 조합일 수 있다.

이로써, 본 발명에 따른 하이브리드 차량의 동력 분배 장치 및 방법에 의하면, 엔진과 모터에 대한 최적의 동력 분배 값을 결정하기 위해 등가 연비 최소화 기법을 기반으로 차량 운전 중 소비되는 전체 에너지를 최소화하는 제어 전략을 이용함으로써 차량의 연비를 향상시키는 효과가 있다.

또한, 기존 복잡한 알고리즘 기반의 동력 분배 결정에 비해 에너지 소비에 대한 최적성을 보장할 수 있고, 알고리즘 단순화를 통해 하이브리드 차량의 제어 알고리즘 개발 시간을 단축할 수 있다. 또한, 주행 시 적절한 배터리 전력 사용이 가능해짐에 따라 과충전 및 과방전으로 인한 에너지 손실을 줄일 수 있고, 배터리의 수명을 향상시킬 수 있다.

도 1은 본 발명에 따른 하이브리드 차량의 동력 분배를 수행하는 장치 구성을 나타내는 블록도이다.
도 2는 본 발명에 따른 하이브리드 차량의 동력 분배 과정을 나타내는 순서도이다.
도 3은 본 발명의 이해를 돕기 위하여 차량의 현재 위치와 목적지 위치, 그리고 두 지점 사이의 위치를 표시한 도면이다.
도 4는 본 발명에서 등가 계수 예측부가 등가 계수를 예측하기 위해 이용하는 장단기 메모리의 네트워크 구성을 예시한 도면이다.
도 5는 본 발명에서 등가 계수의 적용 예시를 나타내는 도면이다.
도 6은 본 발명에서 배터리 충전 상태에 따른 등가 계수의 예를 나타내는 도면이다.
도 7은 본 발명에서 도로 경사각에 따른 등가 계수의 예를 나타내는 도면이다.

이하에서는 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 대해 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명하기로 한다. 그러나 본 발명은 여기서 설명되는 실시예에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다.

명세서 전체에서 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.

본 발명은 제어 알고리즘의 단순화 및 알고리즘 개발 시간의 단축이 가능하고, 에너지 소비의 최적성 보장, 에너지 손실 저감 및 배터리 수명 향상 등을 달성할 수 있는 하이브리드 차량의 동력 분배 장치 및 방법을 제공하고자 하는 것이다.

본 발명에서는 하이브리드 차량의 연비 향상을 위해 차량에서 취득 가능한 미래 교통 정보 및 도로 정보(주행 경로 상 전방의 교통 정보 및 도로 정보)를 이용하여 미래 주행 정보를 예측하고, 등가 연비 최소화 전략에 따라 최적의 동력 분배 값을 결정한다.

도 1은 본 발명에 따른 하이브리드 차량의 동력 분배를 수행하는 장치 구성을 나타내는 블록도이고, 도 2는 본 발명에 따른 하이브리드 차량의 동력 분배 과정을 나타내는 순서도이다.

본 발명에 따른 동력 분배 시스템은, 도시된 바와 같이, 정보 수신부(11), 차량 상태 검출부(12), 및 차량 내 제어기(20)를 포함하여 구성된다. 여기서, 차량 내 제어기(20)는 미래 주행 정보 예측부(21)와 동력 분배 결정부(25)를 포함하여 구성되고, 미래 주행 정보 예측부(21)는 주행 에너지 예측부(22), 배터리 상태 예측부(23), 및 등가 계수 예측부(24)를 포함하여 구성된다. 또한, 동력 분배 결정부(25)는 운전자 요구 동력 계산부(26)와 순간 최적화 연산부(27)를 포함하여 구성된다.

상기 정보 수신부(11)는 내비게이션 장치가 제공하는 내비게이션 정보 및 3D 맵 정보로부터 목적지까지의 도로 정보를 추출하여 제어기(20)에 입력한다. 또한, 정보 수신부(11)는 지능형 교통 시스템(Intelligent Transportation System, ITS)이 제공하는 주행 경로 상의 교통 정보를 수신하여 제어기(20)에 입력한다.

차량의 내비게이션 장치(미도시)에서 목적지까지의 주행 경로가 설정된 상태일 때, 상기 제어기(20)는 정보 수신부(11)를 통해 주행 경로 상의 도로 정보와 교통 정보를 입력받는다.

여기서, 도로 정보는 주행 경로 상의 고도에 대한 정보일 수 있다. 이때, 제어기(20)는 상기 고도에 대한 정보를 기초로 주행 경로를 복수 개의 구간으로 나눌 수 있다. 구체적으로, 제어기(20)는 상기 고도의 극점들을 추출하여 상기 고도를 선형화할 수 있고, 각 구간별 거리(즉, 극점들 사이의 거리)를 계산할 수 있으며, 상기 선형화된 고도를 기초로 구간별 도로 경사각(구간별 평균 유효 구배)을 계산할 수 있다.

또한, 주행 경로 상의 교통 정보는 교통 차속을 포함하고, 제어기(20)는 이 교통 차속으로부터 구간별 교통 차속 정보를 취득할 수 있다. 이때, 구간별 교통 차속은 주행 경로 상에서 도로 구간별 실시간 교통량에 따라 정해지는 차량들의 평균속도일 수 있다.

차량 상태 검출부(12)는 현재의 차량 상태 정보를 취득하기 위한 것으로서, 차량에 구비된 센서를 포함하여 구성될 수 있다. 본 발명에서 상기 차량 상태 검출부(12)에 의해 취득되는 현재의 차량 상태 정보는, 실시간 정보인 현재의 배터리 충전 상태, 엔진 속도, 모터 속도, 및 가속페달 입력값을 포함할 수 있다.

여기서, 현재의 배터리 충전 상태(State of Charge, SOC)는 센서나 회로 등의 검출요소에 의해 검출되는 배터리 전압 등의 정보로부터 추정될 수 있다. 이 배터리 충전 상태는 제어기(20)가 차량 상태 검출부(12)의 검출 정보로부터 추정하도록 할 수 있으나, 제어기(20)가 타 제어기, 예컨대 배터리 제어기(Battery Management System, BMS)로부터 현재의 배터리 충전 상태 정보를 수신하도록 구비될 수도 있다.

또한, 엔진 속도와 모터 속도는 각각 센서에 의해 검출되는 센서 검출 정보이며, 가속페달 입력값은 가속페달 센서(Accelerator Position Sensor, APS)에 의해 검출될 수 있는 것으로, 이 가속페달 센서는 운전자의 가속페달 조작 상태에 따른 전기적인 신호를 출력한다.

한편, 제어기(20)는 하이브리드 차량의 동력 분배 제어를 수행하는 제어요소로서, 이는 통상의 하이브리드 차량에서 운전 조작 및 입력에 따른 운전자 요구 동력을 결정하고 동력 분배를 통해 각 구동장치(구동원)에 대한 지령 값을 생성 및 출력하는 공지의 하이브리드 제어기(Hybrid Control Unit, HCU)가 될 수 있다.

도 1에 예시하지는 않았으나, 하이브리드 제어기는 엔진 제어기와 모터 제어기 등 타 제어기와의 협조 제어를 통해 상기 지령 값에 따라 각 구동장치가 작동할 수 있도록 한다. 여기서, 구동장치는 차량 구동원, 즉 차량을 구동하는 엔진과 모터이고, 본 발명에서 동력 분배는 엔진과 모터를 대상으로 하는 동력 분배를 의미한다.

제어기(20)에서 미래 주행 정보 예측부(21)는 정보 수신부(11)를 통해 제공되는 도로 정보 및 교통 정보를 이용하여 동력 분배 최적화에 필요한 파라미터 값인 미래의 등가 계수(equivalent factor, p)를 예측 및 결정한다.

미래 주행 정보 예측부(21)의 구성 중 주행 에너지 예측부(22)는, 상기 제공되는 도로 정보 및 교통 정보를 이용하여 주행에 필요한 미래의 주행 에너지를 계산한다. 또한, 배터리 상태 예측부(23)는 차량 상태 정보로부터 미래의 배터리 상태를 결정한다. 여기서, 배터리 상태는 배터리 충전 상태(SOC)를 의미하고, 상기 미래의 배터리 상태를 결정하기 위한 차량 상태 정보는 현재의 배터리 충전 상태를 포함한다.

또한, 등가 계수 예측부(24)는 주행 에너지 예측부(22)에서 계산된 미래의 주행 에너지와, 배터리 상태 예측부(23)에서 결정된 미래의 배터리 상태 정보를 이용하여 최적화에 필요한 파라미터 값인 등가 계수(p)를 기계학습 알고리즘을 통해 결정한다.

상기와 같이 미래 주행 정보 예측부(21)는 현재 위치에서 목적지까지 차량이 주행하는 동안 사용하게 될 미래의 주행 에너지와 미래의 배터리 상태 정보를 이용하여 최적 동력 분배를 위해 이용할 미래의 등가 계수(p(x_k))를 예측한다. 등가 계수(p(x_k))는 현재 위치에서 목적지까지의 주행 경로 상 위치(x_k)에 따라 구해지는 파라미터로서, 도 3은 본 발명의 이해를 돕기 위해 현재 위치(x_current)와 목적지 위치(x_final), 그리고 두 지점 사이의 위치(x_k)를 예시한 도면이다.

미래 주행 정보 예측부(21)의 각 구성별로 좀 더 상세히 설명하면, 주행 에너지 예측부(22)는, 정보 수신부(11)를 통해 취득된 주행 경로 상의 구간별 교통 정보 및 도로 경사각 정보로부터 차량의 미래 주행 저항(F_road _load)을 계산하고, 상기 계산된 미래 주행 저항으로부터 미래 주행 에너지(E_future)를 계산한다.

차량의 미래 주행 저항(F_road _load)을 계산하기 위한 식은 하기 수학식 1과 같으며, 차량의 미래 주행 에너지(E_future)를 계산하기 위한 식은 하기 수학식 2와 같다.

수학식 1을 참조하면, 주행 경로 상 임의의 위치(x_k)에서의 미래 주행 저항(F_{road load}(d))이 차량의 공기 저항(F_aero(d))과 구배 저항(도로 경사각으로 인한 저항, F_slope(d))을 합산한 값으로 구해지고, 교통 정보인 교통 차속(

)과 도로 경사각(θ) 정보가 이용됨을 볼 수 있다.

수학식 2를 참조하면, 차량의 미래 주행 에너지가 주행 경로 상 위치(x_k)로부터 목적지 위치까지 미래 주행 저항(F_{road load}(d))을 적분한 값으로 구해짐을 알 수 있다.

또한, 미래 주행 정보 예측부(21)에서 배터리 상태 예측부(23)는, 현재 위치(x_current)에서 목적지 위치(x_final)까지의 거리 및 현재 배터리 상태(SOC_current)로부터, 이후 배터리 상태 변화의 경향을 반영하기 위해, 주행 경로 상의 위치 x_k에서의 배터리 상태, 즉 미래의 배터리 상태(SOC_Future(x_k)) 값을 계산한다.

하기 수학식 3은 미래 배터리 상태(SOC_Future(x_k)) 값을 산출하기 위한 식이다. 전술한 바와 같이, 배터리 상태는 배터리 충전 상태(SOC)를 의미한다.

수학식 3을 참조하면, 주행 경로 상 임의의 위치(x_k)에서의 미래 배터리 상태(SOC_Future(x_k))는, 현재 위치(x_Ccurrent)와 목적지 위치(x_final) 사이의 거리, 목적지에서의 목표 배터리 충전 상태(SOC_final)와 현재의 배터리 충전 상태(SOC_current) 정보를 이용하여 계산되고 있다.

상기 목적지에서의 목표 배터리 충전 상태는 미래 주행 정보 예측부(21)에서 미래의 배터리 상태 값을 계산할 수 있도록 미리 정해지는 임의의 값이 될 수 있고, 또는 출발시의 배터리 충전 상태와 동일한 값으로 정해질 수도 있다.

수학식 1 내지 3에서 각 기호에 대한 정의는 아래의 표 1과 같다.

상기 미래 주행 정보 예측부(21)에서 등가 계수 예측부(24)는, 미래의 연속적인 입력 데이터 간의 관계를 반영하여 미래의 등가 계수(p)를 예측하기 위해 장단기 메모리 네트워크를 활용할 수 있다.

도 4는 본 발명에서 등가 계수 예측부(24)가 등가 계수(p)를 예측하기 위해 이용하는 장단기 메모리(Long-Short Term Memory, LSTM)의 네트워크 구성을 예시한 도면이다.

도 5는 본 발명에서 등가 계수의 적용 예시를 나타내는 도면으로서, 등가 계수(p)에 따라 배터리 충전 상태(SOC) 거동(SOC trajectory)이 변화하는 것을 보여주고 있다. 도 5에서 종축은 배터리 충전 상태(SOC) 값을 나타내고 횡축은 시간(t)을 나타낸다.

배터리의 과충전 및 과방전을 방지하기 위해서는 적절한 등가 계수(p(x))가 이용되어야 한다. 본 발명에서 주행 경로 상의 등가 계수(p)는 미래의 도로 경사각(θ)과 미래의 배터리 상태(SOC) 값에 따라 변화한다. 즉, 현재 위치로부터 목적지까지의 주행 경로 상 위치마다 해당 위치에서의 도로 경사각(θ)과 배터리 상태(SOC) 값에 따라 등가 계수가 달라지는 것이다.

수학식 1에서 미래의 도로 경사각(θ)은 미래의 주행 저항(F_{road load}(d))을 계산하는데 이용되고, 미래의 주행 저항으로부터 미래의 주행 에너지(E_future)가 계산되므로, 결국 미래의 도로 경사각은 미래의 주행 에너지와 관련되는 파라미터이다. 따라서, 등가 계수(p)가 미래의 도로 경사각(θ)에 따라 달라진다는 것은, 미래의 주행 에너지에 기초하여 등가 계수(p)가 결정될 수 있음을 보여주는 것이다.

도 6은 본 발명에서 배터리 충전 상태에 따른 등가 계수(equivalent factor)의 예를 나타내는 도면이고, 도 7은 본 발명에서 도로 경사각에 따른 등가 계수의 예를 나타내는 도면이다. 도 6에서는 배터리 상태(SOC) 값에 따라 등가 계수가 달라짐을 볼 수 있고, 도 7에서는 도로 경사각(road slope, θ)에 따라 등가 계수가 달라짐을 볼 수 있다.

본 발명에서 도로 경사각이 작을수록 모터의 회생제동으로 얻는 전력량을 소비해야 하기 때문에 주 동력원이 모터가 되고, 결국 높은 등가 계수로 배터리 전력을 사용해야 한다. 또한, 초기 배터리 SOC가 작을수록 모터보다는 엔진을 주 동력원으로 이용하여 배터리를 충전하며, 따라서 낮은 등가 계수로 연료를 사용한다. 요컨대, 도로 경사각이 작을수록 등가 계수가 큰 값으로 구해지고, 배터리 SOC가 작을수록 등가 계수가 작은 값으로 구해진다.

한편, 동력 분배 결정부(25)는 미래 주행 정보 예측부(21)에서 결정된 등가 계수(p)를 이용하여 최적의 동력 분배 값(

,

)을 결정한다. 여기서, 동력 분배 값은 차량 구동원인 엔진과 모터에 대해 분배되는 동력 값을 의미하고, 여기서 엔진과 모터에 대해 분배되는 동력 값은 후술하는 바와 같이 엔진과 모터의 현재 상태에서 운전자 요구 동력(운전자 요구 토크)를 만족하는 토크 분배 값을 의미한다.

이러한 동력 분배 결정부(25)의 구성 중에서 운전자 요구 동력 계산부(26)는, 차량 상태 검출부(12)에 의해 검출되는 현재의 차량 상태 정보로부터 차량 구동원인 엔진과 모터의 현재 상태를 판단한다. 여기서, 차량 상태 정보는 엔진과 모터의 현재 상태를 나타내는 엔진 속도와 모터 속도일 수 있다.

운전자 요구 동력 계산부(26)는 차량 상태 정보 중 가속페달 입력값으로부터 운전자 요구 동력을 결정할 수 있으며, 여기서 운전자 요구 동력은 통상의 하이브리드 차량에서 운전자의 운전 조작 및 입력(가속페달 입력 등)에 따라 결정되는 운전자 요구 토크일 수 있다. 하이브리드 차량에서 운전자 요구 토크를 결정하는 과정 및 방법에 대해서는 공지의 기술사항이므로 본 명세서에서 상세한 설명은 생략하기로 한다.

이에 더하여 운전자 요구 동력 계산부(26)는 엔진과 모터의 현재 상태 정보와, 상기 결정된 운전자 요구 동력 값을 기초로 엔진과 모터에서 작동 가능한 동력 분배 후보군을 선정하고, 상기 선정된 각 동력 분배 후보에 대하여 발생되는 에너지 소비량(연료 소비량과 전력 소비량)을 계산한다.

여기서, 상기 동력 분배 후보군을 결정한다는 것은, 현재의 엔진과 모터 상태에서 운전자 요구 동력을 만족하는 복수 개의 엔진 토크와 모터 토크 값의 조합을 결정하는 것을 의미한다. 즉, 상기 동력 분배 후보군 정보는 현재의 엔진과 모터 상태에서 운전자 요구 동력을 만족하는 복수 개의 엔진 토크와 모터 토크 값의 조합을 포함하는 것이라 할 수 있다. 이때, 상기 동력 분배 후보군을 구성하는 각 동력 분배 후보는 운전자 요구 토크를 만족하도록 분배된 엔진 토크 값와 모터 토크 값의 조합이 된다. 여기서, 엔진 토크와 모터 토크는 모두 토크 지령 값, 즉 엔진 토크 지령(

)과 모터 토크 지령(

)을 의미하는 것일 수 있다.

상기와 같이 동력 분배 후보군을 선정할 때, 상기 운전자 요구 동력 계산부(26)는 현재의 엔진 속도와 모터 속도에서 엔진과 모터가 각각 낼 수 있는 최대 토크 이내의 토크 값 중 운전자 요구 동력을 만족하는 복수 개의 엔진 토크와 모터 토크의 조합을 선정한다.

이어 순간 최적화 연산부(27)는 등가 계수 예측부(24)에서 결정된 등가 계수(p)와 운전자 요구 동력 계산부(26)에서 결정된 동력 분배 후보군(U)를 이용하여 최적 동력 분배 값을 도출한다. 이때, 동력 분배 후보군(U) 중에서 전체 등가 비용이 최소화되는 하나의 최적 동력 분배 값을 선택한다. 여기서, 전체 등가 비용이 최소화되는 최적 동력 분배 값은 운전자 요구 동력 계산부(26)에서 결정된 복수 개의 동력 분배 후보군(U) 중 발생된 순간 등가 소비량을 최소로 하는 엔진과 모터의 동력 분배 값을 의미한다.

또한, 전체 등가 비용이 최소화된다는 것은 등가 소비량(

)이 최소화된다는 것을 의미하고, 최적 동력 분배 값은 엔진과 모터의 현재 상태에서 운전자 요구 동력을 만족하는 최적의 동력 분배 값으로서, 운전자 요구 토크 값으로부터 분배된 엔진 토크 값(지령 값)(

)과 모터 토크 값(지령 값)(

)을 의미한다.

좀 더 설명하면, 순간 최적화 연산부(27)에서 등가 계수(p(x_k))는 연비의 순간 최적화 기법인 ECMS(Equivalent Consumption Minimization Strategy)를 이용하는데 필요하다. 여기서, ECMS는 등가 연비 최소화 방법을 일컫는 것으로서, 배터리에서 소모되는 에너지를 엔진의 연료 소모에 따른 에너지와 등가화하여 차량 운전 중 소비되는 전체 에너지를 최소화함으로써 차량 연비를 향상시키는 제어 전략이다. 이러한 ECMS를 이용함에 있어서 전력 소비량을 연료 기준의 소비량으로 환산하는데 등가 계수(p)가 이용된다.

동력 분배 결정부(25)에서는 등가 계수(p)를 이용하여 전력 소비량(P_batt)을 연료 소비량으로 등가화(환산)한 뒤, 실제 엔진의 연료 소비량(

)과 전력 소비량(등가화한 연료소비량)을 함께 반영한 등가 소비량(

)을 계산한다. 즉, 등가 소비량을 계산하는데 전력 소비량으로부터 환산한 연료 소비량(등가화한 연료소비량)을 이용하는 것이며, 실제 엔진의 연료 소비량(

)과 등가화한 연료 소비량을 합산하여 등가 소비량(

)을 구하게 된다.

등가화된 연료 소비량은 전력 소비량(P_Batt)을 연료 기준의 소비량으로 환산한 것으로, 전력 소비량(P_Batt)을 연료 소비량으로 등가화한다는 것은 전력 소비량을 연료 기준의 소비량으로 환산하는 것을 의미한다. 여기서, 전력 소비량(P_Batt)을 연료 기준의 소비량으로 환산하여 등가화한 연료 소비량을 계산하는데 등가 계수(p)가 이용된다. 이때, 상기 등가화한 연료 소비량은 전력 소비량(P_Batt)에 등가 계수(p)를 곱한 값으로 계산될 수 있다.

하기 수학식 4는 엔진의 연료 소비량(

)과 등가화한 연료 소비량으로부터 등가 소비량(

)을 계산하는 식이다.

또한, 순간 최적 연산부(28)는 운전자 요구 동력 계산부(26)에서 구해진 동력 분배 후보군(U) 중에서 순간 등가 소비량(

)을 최소로 하는 엔진과 모터의 동력 분배 값을 결정한다. 여기서, 상기 결정되는 엔진과 모터의 동력 분배 값은 운전자 요구 토크를 만족하도록 분배된 토크 값, 즉 분배된 엔진 토크 값(지령 값)(

)과 모터 토크 값(지령 값)(

)의 조합이 된다.

하기 수학식 5는 운전자 요구 동력 계산부(26)에서 구해진 동력 분배 후보군(U) 중에서 순간 등가 소비량(

)을 최소로 하는 엔진과 모터의 동력 분배 값(

,

)을 구하는 식을 나타낸다. 상기 수학식 4와 하기 수학식 5는 ECMS 기반의 최적화 프로세스를 통해 동력 분배 값을 구하는 식이다.

수학식 5를 참조하면, 운전자 요구 동력 계산부(26)에서 구해진 동력 분배 후보군(U)과, 순간 최적 연산부(28)에서 계산된 순간 등가 소비량(

)을 이용하여 동력 분배 값(

,

)이 결정되고 있음을 보여주고 있다. 특히, 순간 등가 소비량(

)을 최소로 하는 동력 분배 값이 구해짐을 보여주고 있다.

결국, 차량이 현재 위치에서 목적지까지의 주행 경로를 따라 주행하는 동안 상기한 과정을 통해 임의의 위치에서의 동력 분배 값이 결정되면, 제어기는 상기 결정된 동력 분배 값에 따라 엔진과 모터의 작동이 제어될 수 있도록 한다.

이와 같이 하여, 본 발명에 따른 하이브리드 차량의 동력 분배 장치 및 방법에서는 차량의 동력 분배 값을 결정하기 위해 등가 연비 최소화 전략을 기반으로 차량 운전 중 소비되는 전체 에너지를 최소화할 수 있고, 이로써 차량 연비를 향상시킬 수 있다.

또한, 기존의 복잡한 알고리즘 기반의 동력 분배 결정에 비해 에너지 소비에 대한 최적성을 보장할 수 있고, 알고리즘 단순화를 통해 하이브리드 차량의 제어 알고리즘 개발 시간을 단축할 수 있다. 또한, 주행 시 적절한 배터리 전력 사용이 가능해짐에 따라 과충전 및 과방전으로 인한 에너지 손실을 줄일 수 있고, 배터리의 수명을 향상시킬 수 있다.

이상으로 본 발명의 실시예에 대하여 상세하게 설명하였지만, 본 발명의 권리범위가 이에 한정되는 것은 아니며, 다음의 특허청구범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당 업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 발명의 권리범위에 포함된다.

11 : 정보 수신부
12 : 차량 상태 검출부
20 : 제어기
21 : 미래 주행 정보 예측부
22 : 주행 에너지 예측부
23 : 배터리 상태 예측부
24 : 등가 계수 예측부
25 : 동력 분배 결정부
26 : 운전자 요구 동력 계산부
27 : 순간 최적화 연산부

Claims

제어기가 차량의 현재 위치로부터 목적지까지의 주행 경로 상 도로 정보 및 교통 정보를 입력 받고, 주행 동안 차량 상태 정보를 입력받는 단계;
상기 제어기에 의해, 상기 입력된 주행 경로 상 도로 정보 및 교통 정보를 기초로 미래의 주행 에너지가 결정되고, 상기 입력된 차량 상태 정보 중 현재의 배터리 충전 상태로부터 미래의 배터리 충전 상태가 결정되는 단계;
상기 제어기에 의해, 상기 결정된 미래의 주행 에너지와 미래의 배터리 충전 상태 정보를 기초로 주행 경로 상 임의의 위치에 따른 등가 계수가 결정되는 단계;
상기 제어기에 의해, 차량 주행 동안 입력되는 차량 상태 정보로부터 운전자 요구 동력이 결정되는 단계; 및
상기 제어기에 의해, 상기 결정된 등가 계수를 기초로 차량의 전력 소비량이 연료 소비량으로 등가화되어 주행 중 소모되는 차량의 등가 소비량이 결정되는 단계; 및
상기 제어기에 의해, 상기 결정된 등가 소비량에 기초하여 상기 운전자 요구 동력을 만족하는 엔진과 모터의 최적 동력 분배 값이 결정되는 단계를 포함하는 하이브리드 차량의 동력 분배 방법.
청구항 1에 있어서,
상기 제어기는,
상기 입력된 주행 경로 상의 도로 정보를 기초로 주행 경로를 나누어 복수 개의 구간을 설정한 뒤, 상기 설정된 구간별 도로 경사각을 결정하고,
상기 입력된 주행 경로 상의 교통 정보로부터 구간별 교통 차속을 결정하며,
상기 결정된 구간별 도로 경사각과 구간별 교통 차속을 이용하여 주행 경로 상의 미래 주행 에너지를 결정하는 것을 특징으로 하는 하이브리드 차량의 동력 분배 방법.
청구항 2에 있어서,
상기 제어기는,
주행 경로 상 차량의 미래 주행 저항을 기초로 상기 주행 경로 상의 미래 주행 에너지를 결정하고,
상기 결정된 구간별 교통 차속을 기초로 계산되는 차량의 공기 저항과, 상기 결정된 구간별 도로 경사각을 기초로 계산되는 구배 저항을 합산한 값으로 상기 주행 경로 상 차량의 미래 주행 저항을 결정하는 것을 특징으로 하는 하이브리드 차량의 동력 분배 방법.
청구항 1에 있어서,
상기 제어기는,
현재 위치와 목적지 사이의 거리, 목적지에서의 설정된 목표 배터리 충전 상태와 현재의 배터리 충전 상태 정보를 이용하여 주행 경로 상의 임의의 위치에서의 미래 배터리 충전 상태를 결정하는 것을 특징으로 하는 하이브리드 차량의 동력 분배 방법.
청구항 1에 있어서,
상기 제어기는 차량의 전력 소비량으로부터 상기 결정된 등가 계수를 이용하여 등가화한 연료 소비량과 실제 엔진의 연료 소비량을 합산한 값으로 상기 차량의 등가 소비량을 결정하는 것을 특징으로 하는 하이브리드 차량의 동력 분배 방법.
청구항 1에 있어서,
상기 최적 동력 분배 값이 결정되는 단계에서,
상기 제어기에 의해,
차량 주행 동안 입력되는 차량 상태 정보 중 엔진과 모터의 현재 상태에서 운전자 요구 동력을 만족하는 엔진과 모터의 동력 분배 후보군이 결정되고,
상기 엔진과 모터의 동력 분배 후보군 중 상기 등가 소비량이 최소화되는 엔진과 모터의 최적 동력 분배 값이 선택되어 결정되는 것을 포함하는 하이브리드 차량의 동력 분배 방법.
청구항 6에 있어서,
상기 엔진과 모터의 동력 분배 후보군을 구성하는 동력 분배 후보는 엔진과 모터의 현재 상태에서 운전자 요구 동력을 만족하는 엔진 토크 값과 모터 토크 값의 조합인 것을 특징으로 하는 하이브리드 차량의 동력 분배 방법.
청구항 6에 있어서,
상기 엔진과 모터의 현재 상태는 엔진 속도와 모터 속도인 것을 특징으로 하는 하이브리드 차량의 동력 분배 방법.
청구항 1에 있어서,
상기 제어기가 상기 결정된 엔진과 모터의 최적 동력 분배 값에 따라 엔진과 모터의 작동이 제어되도록 하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 하이브리드 차량의 동력 분배 방법.
차량에서 현재 위치로부터 목적지까지의 주행 경로 상 도로 정보 및 교통 정보를 수신하는 정보 수신부;
차량 주행 동안 차량 상태 정보를 검출하는 차량 상태 검출부; 및
상기 정보 수신부로부터 입력된 상기 주행 경로 상 도로 정보 및 교통 정보를 기초로 미래의 주행 에너지를 결정하는 주행 에너지 예측부;
상기 차량 상태 검출부로부터 입력된 상기 차량 상태 정보 중 현재의 배터리 충전 상태로부터 미래의 배터리 충전 상태를 결정하는 배터리 상태 예측부;
상기 결정된 미래의 주행 에너지와 미래의 배터리 충전 상태 정보를 기초로 주행 경로 상 임의의 위치에 따른 등가 계수를 결정하는 등가 계수 예측부;
상기 차량 상태 검출부로부터 차량 주행 동안 입력되는 차량 상태 정보로부터 운전자 요구 동력을 결정하고 상기 결정된 등가 계수를 기초로 차량의 전력 소비량을 연료 소비량으로 등가화하여 주행 중 소모되는 차량의 등가 소비량을 결정하는 운전자 요구 동력 계산부; 및
상기 결정된 등가 소비량에 기초하여 상기 운전자 요구 동력을 만족하는 엔진과 모터의 최적 동력 분배 값을 결정하는 순간 최적화 연산부를 포함하는 하이브리드 차량의 동력 분배 장치.
청구항 10에 있어서,
상기 주행 에너지 예측부는,
상기 입력된 주행 경로 상의 도로 정보를 기초로 주행 경로를 나누어 복수 개의 구간을 설정한 뒤, 상기 설정된 구간별 도로 경사각을 결정하고,
상기 입력된 주행 경로 상의 교통 정보로부터 구간별 교통 차속을 결정하며,
상기 결정된 구간별 도로 경사각과 구간별 교통 차속을 이용하여 주행 경로 상의 미래 주행 에너지를 결정하는 것을 특징으로 하는 하이브리드 차량의 동력 분배 장치.
청구항 11에 있어서,
상기 주행 에너지 예측부는,
주행 경로 상 차량의 미래 주행 저항을 기초로 상기 주행 경로 상의 미래 주행 에너지를 결정하고,
상기 결정된 구간별 교통 차속을 기초로 계산되는 차량의 공기 저항과, 상기 결정된 구간별 도로 경사각을 기초로 계산되는 구배 저항을 합산한 값으로 상기 주행 경로 상 차량의 미래 주행 저항을 결정하는 것을 특징으로 하는 하이브리드 차량의 동력 분배 장치.
청구항 10에 있어서,
상기 배터리 상태 예측부는,
현재 위치와 목적지 사이의 거리, 목적지에서의 설정된 목표 배터리 충전 상태와 현재의 배터리 충전 상태 정보를 이용하여 주행 경로 상의 임의의 위치에서의 미래 배터리 충전 상태를 결정하는 것을 특징으로 하는 하이브리드 차량의 동력 분배 장치.
청구항 10에 있어서,
상기 운전자 요구 동력 계산부는 차량의 전력 소비량으로부터 상기 결정된 등가 계수를 이용하여 등가화한 연료 소비량과 실제 엔진의 연료 소비량을 합산한 값으로 상기 차량의 등가 소비량을 결정하는 것을 특징으로 하는 하이브리드 차량의 동력 분배 장치.
청구항 10에 있어서,
상기 운전자 요구 동력부는 차량 주행 동안 입력되는 차량 상태 정보 중 엔진과 모터의 현재 상태에서 운전자 요구 동력을 만족하는 엔진과 모터의 동력 분배 후보군을 결정하고,
상기 순간 최적화 연산부는 상기 엔진과 모터의 동력 분배 후보군 중 상기 등가 소비량이 최소화되는 엔진과 모터의 최적 동력 분배 값을 선택하여 결정하는 것을 포함하는 하이브리드 차량의 동력 분배 장치.
청구항 15에 있어서,
상기 순간 최적화 연산부는 엔진과 모터의 동력 분배 후보군을 구성하는 동력 분배 후보는 엔진과 모터의 현재 상태에서 운전자 요구 동력을 만족하는 엔진 토크 값과 모터 토크 값의 조합인 것을 특징으로 하는 하이브리드 차량의 동력 분배 장치.
청구항 15에 있어서,
상기 엔진과 모터의 현재 상태는 엔진 속도와 모터 속도인 것을 특징으로 하는 하이브리드 차량의 동력 분배 장치.