KR20220036318A - 하이브리드 차량의 제어 장치 및 방법 - Google Patents

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이종혁
한동희
강현진
이관희
박영섭
홍승우
최용각
오희창
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현대자동차주식회사
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Abstract

하이드리드 차량의 제어 장치 및 방법이 개시된다.
본 발명의 실시 예에 의한 하이브리드 차량의 제어 장치는 연료를 연소시켜 동력을 발생시키는 엔진; 상기 엔진의 동력을 보조하고 선택적으로 발전기로 작동하여 전기 에너지를 생성하는 구동 모터; 상기 구동 모터에 전기 에너지를 공급하거나 상기 구동 모터에서 생성된 전기 에너지를 충전하는 배터리; 상기 엔진의 연소실로 공급되는 외기가 흐르는 흡기 라인에 설치되는 전동식 슈퍼차저; 출발지로부터 목적지까지의 주행 경로와 주행 정보를 예측하는 네비게이션 장치; 및 상기 네비게이션 장치에서 예측한 주행 경로와 주행 정보로부터 주행 부하를 산출하고, 상기 주행 부하를 기초로 출발지에서 목적지까지의 구간별 최적 SOC(state of charge)를 결정하며, 운전자의 요구 토크와 상기 구간별 최적 SOC를 추종하기 위한 배터리의 운전 모드 기초로 차량의 운전 모드 및 엔진의 운전점을 결정하는 제어기를 포함할 수 있다.

Description

하이브리드 차량의 제어 장치 및 방법 {APPARATUS OF CONTROLLING HYBRID VEHICLE AND METHOD USING THE SAME}
본 발명은 하이브리드 차량의 제어 장치 및 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 차량의 주행 정보를 예측하여 배터리의 SOC를 안정적으로 관리할 수 있는 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.
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.
일반적으로, 하이브리드 차량은 엔진의 최적 운전점에서 주행하는데, 운전자의 요구 토크가 엔진의 최적 운전점보다 크면 요구 토크와 최적 운전점에서의 엔진 토크의 차이는 구동 모터를 통해 보조하고, 운전자의 요구 토크가 엔진의 최적 운전점보다 작으면 요구 토크와 최적 운전점에서의 엔진 토크의 차이는 구동 모터의 회생 제동을 통해 배터리에 충전된다.
그러나 SOC가 과다하게 부족하여 배터리를 충전하기 위해 엔진이 최적 운전점에서 운전되지 못하면, 차량의 연비가 악화되는 문제가 발생한다. 반면, 엔진이 지속적으로 최적 운전점에서 운전되면, 배터리의 충방전 손실이 발생한다.
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, 배터리의 충방전 손실을 최소화할 수 있는 하이브리드 차량의 제어 장치 및 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기한 바와 같은 문제를 해결하기 위한 본 발명의 실시 예에 따른 하이브리드 차량의 제어 장치는 연료를 연소시켜 동력을 발생시키는 엔진; 상기 엔진의 동력을 보조하고 선택적으로 발전기로 작동하여 전기 에너지를 생성하는 구동 모터; 상기 구동 모터에 전기 에너지를 공급하거나 상기 구동 모터에서 생성된 전기 에너지를 충전하는 배터리; 상기 엔진의 연소실로 공급되는 외기가 흐르는 흡기 라인에 설치되는 전동식 슈퍼차저; 출발지로부터 목적지까지의 주행 경로와 주행 정보를 예측하는 네비게이션 장치; 및 상기 네비게이션 장치에서 예측한 주행 경로와 주행 정보로부터 주행 부하를 산출하고, 상기 주행 부하를 기초로 출발지에서 목적지까지의 구간별 최적 SOC(state of charge)를 결정하며, 운전자의 요구 토크와 상기 구간별 최적 SOC를 추종하기 위한 배터리의 운전 모드 기초로 차량의 운전 모드를 결정하고및 엔진의 운전점을 조절하는 제어기를 포함할 수 있다.
상기 차량의 운전 모드는 상기 구동 모터의 동력만으로 차량이 주행하는 EV(electric vehicle) 모드; 상기 전동식 슈퍼차저의 과급 공기가 공급되지 않는 상기 엔진의 동력만으로 차량이 주행하는 엔진 단독 모드; 상기 전동식 슈퍼차저에 의해 과급 공기를 공급받아 상기 엔진의 동력만으로 차량이 주행하는 과급 엔진 모드; 상기 구동 모터의 동력과 상기 전동식 슈퍼차저의 과급 공기가 공급되지 않는 상기 엔진의 동력만으로 차량이 주행하는 노멀 HEV 모드; 및 상기 구동 모터의 동력과 상기 전동식 슈퍼차저에 의해 과급 공기를 공급받아 상기 엔진의 동력으로 차량이 주행하는 과급 HEV 모드를 포함할 수 있다.
운전자의 요구 토크가 엔진의 최적 운전 영역에서의 엔진 토크보다 작은 설정값보다 작고, 상기 배터리의 운전 모드가 방전 모드이면, 상기 제어기는 상기 차량의 운전 모드를 EV 모드로 결정할 수 있다.
운전자의 요구 토크가 엔진의 최적 운전 영역에서의 엔진 토크보다 작은 설정값보다 작고, 상기 배터리의 운전 모드가 충전 모드이면, 상기 제어기는 상기 차량의 운전 모드를 엔진 단독 모드로 결정할 수 있다.
운전자의 요구 토크가 최적 운전 영역 이내에서 기준 토크보다 작고, 상기 배터리의 운전 모드가 방전 모드이면, 상기 제어기는 차량의 운전 모드를 노멀 HEV 모드로 결정할 수 있다.
운전자의 요구 토크가 최적 운전 영역 이내에서 기준 토크보다 작고, 상기 배터리의 운전 모드가 충전 모드이면, 상기 제어기는 차량의 운전 모드를 노멀 HEV 모드로 결정할 수 있다.
운전자의 요구 토크가 최적 운전 영역 이내에서 기준 토크 이상이고, 상기 배터리의 운전 모드가 방전 모드이면, 상기 제어기는 차량의 운전 모드를 노멀 HEV 모드로 결정할 수 있다.
운전자의 요구 토크가 최적 운전 영역 이내에서 기준 토크 이상이고, 상기 배터리의 운전 모드가 충전 모드이면, 상기 제어기는 차량의 운전 모드를 과급 엔진 모드로 결정할 수 있다.
운전자의 요구 토크가 최적 운전 영역을 초과하고 상기 배터리의 운전 모드가 방전 모드이면, 상기 제어기는 차량의 운전 모드를 과급 HEV 모드로 결정할 수 있다.
운전자의 요구 토크가 최적 운전 영역을 초과하고 상기 배터리의 운전 모드가 충전 모드이면, 상기 제어기는 차량의 운전 모드를 과급 엔진 모드로 결정할 수 있다.
본 발명의 다른 실시 예에 따른 하이브리드 차량의 제어 방법은 전동식 슈퍼차저를 구비한 하이브리드 차량의 제어 방법으로서, 네비게이션 장치에 의해, 출발지로부터 목적지까지의 주행 경로와 주행 정보를 예측하는 단계; 제어기에 의해, 상기 네비게이션 장치에서 예측한 주행 경로와 주행 정보를 기초로 주행 부하를 산출하는 단계; 상기 제어기에 의해, 상기 주행 부하를 기초로 배터리의 구간별 최적 SOC를 산출하는 단계; 및 상기 제어기에 의해, 운전자의 요구 토크와 상기 구간별 최적 SOC를 추종하기 위한 배터리의 운전 모드를 기초로 차량의 운전 모드를 결정하고 엔진의 운전점을 조절하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 차량의 운전 모드는 상기 구동 모터의 동력만으로 차량이 주행하는 EV(electric vehicle) 모드; 상기 전동식 슈퍼차저의 과급 공기가 공급되지 않는 상기 엔진의 동력만으로 차량이 주행하는 엔진 단독 모드; 상기 전동식 슈퍼차저에 의해 과급 공기를 공급받아 상기 엔진의 동력만으로 차량이 주행하는 과급 엔진 모드; 상기 구동 모터의 동력과 상기 전동식 슈퍼차저의 과급 공기가 공급되지 않는 상기 엔진의 동력만으로 차량이 주행하는 노멀 HEV 모드; 및 상기 구동 모터의 동력과 상기 전동식 슈퍼차저에 의해 과급 공기를 공급받아 상기 엔진의 동력으로 차량이 주행하는 과급 HEV 모드를 포함할 수 있다.
운전자의 요구 토크가 엔진의 최적 운전 영역에서의 엔진 토크보다 작은 설정값보다 작고, 상기 배터리의 운전 모드가 방전 모드이면, 상기 차량의 운전 모드는 EV 모드로 결정될 수 있다.
운전자의 요구 토크가 엔진의 최적 운전 영역에서의 엔진 토크보다 작은 설정값보다 작고, 상기 배터리의 운전 모드가 충전 모드이면, 상기 차량의 운전 모드는 엔진 단독 모드로 결정될 수 있다.
운전자의 요구 토크가 최적 운전 영역 이내에서 기준 토크보다 작고, 상기 배터리의 운전 모드가 방전 모드이면, 차량의 운전 모드는 노멀 HEV 모드로 결정될 수 있다.
운전자의 요구 토크가 최적 운전 영역 이내에서 기준 토크보다 작고, 상기 배터리의 운전 모드가 충전 모드이면, 차량의 운전 모드는 노멀 HEV 모드로 결정될 수 있다.
운전자의 요구 토크가 최적 운전 영역 이내에서 기준 토크 이상이고, 상기 배터리의 운전 모드가 방전 모드이면, 차량의 운전 모드는 노멀 HEV 모드로 결정될 수 있다.
운전자의 요구 토크가 최적 운전 영역 이내에서 기준 토크 이상이고, 상기 배터리의 운전 모드가 충전 모드이면, 차량의 운전 모드는 과급 엔진 모드로 결정될 수 있다.
운전자의 요구 토크가 최적 운전 영역을 초과하고 상기 배터리의 운전 모드가 방전 모드이면, 차량의 운전 모드는 과급 HEV 모드로 결정될 수 있다.
운전자의 요구 토크가 최적 운전 영역을 초과하고 상기 배터리의 운전 모드가 충전 모드이면, 차량의 운전 모드는 과급 엔진 모드로 결정될 수 있다.
상기한 바와 같은 본 발명의 실시 예에 의한 하이브리드 차량의 제어 장치 및 방법에 의하면, 차량의 주행 부하에 구간별 최적 SOC 레벨을 추종하도록 함으로써, 배터리의 충방전 경로 손실을 최소화할 수 있다.
이 도면들은 본 발명의 예시적인 실시예를 설명하는데 참조하기 위함이므로, 본 발명의 기술적 사상을 첨부한 도면에 한정해서 해석하여서는 아니된다.
도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 하이브리드 차량의 제어 장치의 구성을 도시한 개념도이다.
도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 하이브리드 차량의 엔진과 전동식 슈퍼차저(31)와의 관계를 도시한 개념도이다.
도 3은 본 발명의 실시 예에 따른 하이브리드 차량의 제어 장치의 구성을 도시한 블록도이다.
도 4는 본 발명의 실시 예에 따른 하이브리드 차량의 제어 방법을 도시한 순서도이다.
도 5는 본 발명의 실시 예에 따른 구간별 최적 SOC를 도시한 그래프이다.
도 6은 본 발명의 실시 예에 따른 평균 충방전량을 산출하는 방법을 설명하기 위한 도면이다.
도 7 내지 도 11은 본 발명의 실시 예에 따른 차량의 운전 모드를 결정하는 방법을 설명하기 위한 도면들이다.
도 12 및 도 13은 본 발명의 실시 예에 따른 운전점을 보정하는 방법을 설명하기 위한 도면이다.
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.
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 슈퍼차저(31)와의 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, HSG(40), 구동 모터(50), 클러치(60), 배터리(70), 가속 페달 센서(100), 네비게이션 장치 및 제어기(90)를 포함할 수 있다.
상기 엔진은 연료를 연소시켜 차량의 주행에 필요한 동력을 발생시킨다.
도 2를 참조하면, 상기 엔진의 연소실(11)로 공급되는 흡기는 흡기 라인(21)을 통해 공급되고, 상기 엔진의 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 촉매 컨버터(19)가 설치된다.
상기 흡기 라인(21)에 설치되는 전동식 슈퍼차저(31)(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 흡기 라인(21)에는 인터쿨러(36)가 설치될 수 있다. 상기 인터쿨러(36)에 의해 전동식 슈퍼차저(31)에 의해 압축된 공기가 냉각된다.
상기 흡기 라인(21)의 입구에는 외부에서 유입되는 외기를 필터링하기 위한 에어 클리너(29)가 장착된다.
상기 흡기 라인(21)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.
다시 도 1을 참조하면, 상기 HSG(40)는 상기 엔진을 시동시키고 엔진이 시동된 상태에서 선택적으로 발전기로 작동하여 전기 에너지를 생성할 수 있다.
상기 구동 모터(50)는 상기 엔진의 동력을 보조하고 선택적으로 발전기로 작동하여 전기 에너지를 생성할 수 있다.
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 배터리(70)에 충전된다.
배터리 관리 시스템(BMS: battery management system)(71)은 전반적인 배터리(70)의 동작 및 상태를 관리하고, 배터리(70)의 상태(예를 들어, SOC)를 제어기(90)로 전송한다
상기 가속 페달 센서(100)는 운전자의 가속 페달의 조작을 감지한다. 상기 가속 페달 센서(100)에서 감지된 가속 페달의 위치는 상기 제어기(90)로 전송된다. 상기 제어기(90)는 상기 가속 페달 센서(100)로부터 감지된 가속 페달의 위치로부터 운전자의 가속 의지에 따른 요구 토크를 결정할 수 있고, 운전 모드는 EV 모드에서 HEV 모드로 선택적으로 전환될 수 있다.
상기 네비게이션 장치는 운전자로부터 출발지와 목적지를 입력 받아, 차량의 주행 경로를 산출하고, 주행 경로의 혼잡도와 경사도를 포함하는 주행 정보를 제어기(90)로 전송한다.
상기 제어기(90)는 상기 엔진, HSG(40), 구동 모터(50), 전동식 슈퍼차저(31), 배터리(70), 클러치(60)를 포함하는 차량의 구성 요소를 제어한다.
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 엔진과 구동 모터(50) 사이에 구비되어, 클러치(60)의 결합 여부에 따를 하이브리드 차량은 EV(Electric Vehicle) 모드 또는 HEV(Hybrid Electric Vehicle) 모드로 운행될 수 있다. EV 모드는 모터의 구동력만으로 차량이 주행하는 모드이고, HEV 모드는 모터와 엔진의 구동력으로 차량이 주행하는 모드이다.
본 발명의 실시 예에 따른 하이브리드 차량의 제어 장치의 운전 모드는 EV 모드, 엔진 단독 모드, 과급 엔진 모드, 노멀 HEV 모드, 및 과급 HEV 모드를 포함할 수 있다.
EV 모드는 앞에서 설명한 바와 같이, 모터의 구동력만으로 차량이 주행하는 운전 모드이다.
엔진 단독 모드는 구동 모터(50)의 동력보조 없이 엔진의 동력만으로 차량이 주행하는 운전 모드로, 일종의 NA(natural aspiration) 엔진 모드일 수 있다.
과급 엔진 모드는 전동식 슈퍼차저(31)에 과급 공기를 공급받아 엔진의 동력만으로 차량이 주행하는 운전 모드이다.
노멀 HEV 모드는 앞에서 설명한 바와 같이, 구동 모터(50)와 엔진의 동력으로 차량이 주행하는 운전 모드이다. 노멀 HEV 모드에서는 전동식 슈퍼차저(31)의 과급 공기가 엔진으로 공급되지 않는다.
과급 HEV 모드는 구동 모터(50)와 엔진의 동력으로 차량이 주행하는 운전 모드이다. 과급 HEV 모드에서는 전동식 슈퍼차저(31)의 과급 공기가 엔진으로 공급된다.
상기 엔진과 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 엔진과 구동 모터(50)에서 출력되는 파워가 변경된다.
이하에서는 본 발명의 실시 예에 따른 하이브리드 차량의 제어 방법에 관하여 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.
도 4는 본 발명의 실시 예에 따른 하이브리드 차량의 제어 방법을 도시한 순서도이다.
도 4에 도시된 바와 같이, 운전자가 출발지와 목적지를 네비게이션 장치에 입력하면, 네비게이션 장치는 목적지까지의 주행 경로를 산출 또는 예측하고, 주행 경로의 혼잡도와 경사도, 주행 거리, 및 목적지까지의 예상 소요 시간을 포함하는 주행 정보를 산출하여 제어기(90)로 전송한다(S10).
제어기(90)는 네비게이션 장치에서 전송된 주행 정보로부터 출발지에서 목적지까지의 배터리(70)의 구간별 최적 SOC(state of charge)를 결정한다(S20). 이때, 제어기(90)는 주행 경로의 혼잡도로부터 산출되는 구간별 차속, 주행 경로의 경사도, 주행 거리, 및 목적지까지의 예상 소요 시간으로부터 구간별 주행 부하를 산출할 수 있다. 그리고 제어기(90)는 구간별 주행 부하로부터 배터리(70)의 최적 SOC를 산출한다.
도 5에 도시된 바와 같이, 혼잡도가 낮고 평지 구간에서는 차속이 빠르기 때문에 최적 SOC는 완만하게 증가할 수 있다(도 5의 1구간 참조). 혼잡도가 보통이고 오르막 구간에서는 차속이 느리기 때문에 최적 SOC는 급격하게 감소할 수 있다(도 5의 2구간 참조). 혼잡도가 높고 평지 구간에서는 차속이 느리기 때문에 최적 SOC는 급격하게 증가할 수 있다(도 5의 3구간 참조). 혼잡도가 낮고 내리막 구간에서는 차속이 빠르기 때문에 최적 SOC는 완만하게 증가할 수 있다(도 5의 4구간 참조). 그리고 혼잡도가 낮고 오르막 구간에서는 차속이 상대적으로 2구간에 비해 빠르기 때문에 최적 SOC는 완만하게 감소할 수 있다. 최적 SOC는 반복적인 실험에 의해 결정될 수 있다.
차량이 주행을 시작하면, 제어기(90)는 가속 페달 센서(100)의 위치로부터 운전자의 요구 토크를 판단한다(S30).
제어기(90)는 운전자의 요구 토크와 최적 SOC를 추종하기 위한 배터리의 운전 모드인 충방전 모드를 기초로 차량의 운전 모드 및 엔진의 운전점을 결정한다(S40).
차량의 운전 모드는 앞에서 설명한 바와 같이, EV 모드, 엔진 단독 모드, 과급 엔진 모드, 노멀 HEV 모드, 및 과급 HEV 모드를 포함할 수 있다.
그리고 한편, 제어기(90)는 각 구간별 최적 SOC를 추종하기 위한 평균 충전량 및/또는 평균 방전량을 계산한다. 이때, 평균 충방전량은 단위 거리당 SOC의 변화량으로부터 계산될 수 있다. 일반적으로 SOC는 백분율로 표시되지만, 배터리의 출력 전압를 통해 환산되므로, SOC의 단위는 전압으로 표현될 수 있다.
도 6을 참조하면, 최적 SOC를 추종하기 위한 평균 충방전량은 다음의 수학식과 같이 결정될 수 있다.
[수학식 1]
수학식 1에서, Wref는 SOC 충방전량(kW)이고, d(SOC)/dL은 단위 거리당 SOC 변화량이며, I(SOC)는 배터리(70)로 공급되는 전류이다. 통상의 기술자에게 토크와 전력의 단위 변환은 자유롭게 변환될 수 있는 것으로, 본 발명의 명세서에서 토크와 전력의 단위는 혼용하여 사용하도록 한다.
차량의 운전 모드는 다음과 같이 결정될 수 있다.
도 7을 참조하면, 운전자의 요구 토크가 제1 설정값보다 작고, 최적 SOC를 추종하기 위해 배터리의 운전 모드가 방전 모드이면, 차량의 운전 모드는 EV 모드로 결정될 수 있다. 그리고 운전자의 요구 토크가 제1 설정값보다 작고, 최적 SOC를 추종하기 위해 배터리의 운전 모드가 충전 모드이면, 차량의 운전 모드는 엔진 단독 모드로 결정될 수 있다. 여기서, 제1 설정값은 운전자의 요구 토크가 엔진의 최적 운전 라인(OOL: optimal operating line) 또는 최적 운전 영역(OOR: optimal operating region)보다 작은 값일 수 있다.
배터리의 운전 모드가 방전 모드에서 차량이 EV 모드로 주행하면, 구동 모터에 의해 운전자의 요구 토크가 출력되고 배터리에 충전된 전력이 방전되면서, 최적 SOC를 추종한다. 이때, 구동 모터에 의해 출력되는 운전자의 요구 토크가 최적 SOC를 추종하기 위한 평균 방전량이 될 수 있다.
차량이 엔진 단독 모드로 주행하면, 엔진은 최적 운전점에서 운전되고, 최적 운전점에서의 엔진 토크와 요구 토크와의 차이에 해당하는 충전 토크는 배터리에 충전되면서 최적 SOC를 추종한다. 이때, 충전 토크가 최적 SOC를 추종하기 위한 평균 방전량이 될 수 있다.
도 8을 참조하면, 운전자의 요구 토크가 최적 운전 라인(OOL: optimal operating line) 또는 최적 운전 영역(OOR: optimal operating region) 이내에서 운전자의 요구 토크가 기준 토크 미만이고 배터리의 운전 모드가 방전 모드이면, 차량의 운전 모드는 노멀 HEV 모드로 결정될 수 있다.
그리고 운전자의 요구 토크가 최적 운전 라인(OOL: optimal operating line) 또는 최적 운전 영역(OOR: optimal operating region) 이내에서 운전자의 요구 토크가 기준 토크 이상이고 배터리의 운전 모드가 충전모드이면, 차량의 운전 모드는 엔진 단독 모드로 결정될 수 있다.
여기서, 기준 토크는 차량의 운전 모드가 엔진 단독 모드에서 과급 엔진 모드로 전환되기 위한 토크일 수 있다.
배터리의 운전 모드가 방전 모드에서 차량이 노멀 HEV 모드로 주행하면, 엔진은 요구 토크보다 작은 최적 운전점에서 운전되고, 최적 운전점에서의 엔진 토크와 요구 토크와의 차이인 방전 토크는 구동 모터를 통해 출력된다. 즉, HEV 모드에서는 엔진 토크는 요구 토크보다 작고, 엔진 토크와 요구 토크의 차이인 방전 토크는 구동 모터를 통해 보조되면서, 최적 SOC를 추종한다. 이때, 방전 토크가 최적 SOC를 추종하기 위한 평균 방전량이 될 수 있다.
배터리의 운전 모드가 충전 모드에서 차량이 엔진 단독 모드로 주행하면, 엔진은 운전자의 요구 토크보다 큰 최적 운전점에서 운전되고, 최적 운전점에서의 엔진 토크와 요구 토크의 차이인 충전 토크는 배터리에 충전되면서, 최적 SOC를 추종한다. 이때, 충전 토크가 최적 SOC를 추종하기 위한 평균 충전량이 될 수 있다.
도 9를 참조하면, 운전자의 요구 토크가 최적 운전 라인(OOL: optimal operating line) 또는 최적 운전 영역(OOR: optimal operating region) 이내에서 운전자의 요구 토크가 기준 토크 미만이고 배터리의 운전 모드가 방전모드이면, 차량의 운전 모드는 노멀 HEV 모드로 결정될 수 있다.
그리고 운전자의 요구 토크가 최적 운전 라인(OOL: optimal operating line) 또는 최적 운전 영역(OOR: optimal operating region) 이내에서 운전자의 요구 토크가 기준 토크 이상이고 배터리의 운전 모드가 충전모드이면, 차량의 운전 모드는 과급 엔진 모드로 결정될 수 있다.
배터리의 운전 모드가 방전 모드에서 차량이 HEV 모드로 주행하면, 엔진의 요구 토크보다 작은 최적 운전점에서 운전되고, 최적 운전점에서의 엔진 토크와 요구 토크의 차이인 방전 토크는 구동 모터를 통해 출력된다. 즉, HEV 모드에서는 엔진 토크는 요구 토크보다 작고, 엔진 토크와 요구 토크의 차이인 방전 토크는 구동 모터를 통해 보조되면서, 최적 SOC를 추종한다. 이때, 방전 토크가 최적 SOC를 추종하기 위한 평균 방전량이 될 수 있다.
그리고 배터리의 운전 모드가 충전 모드에서 차량이 과급 엔진 모드로 주행하면, 전동식 슈퍼차저의 동작에 의해 엔진은 운전자의 요구 토크보다 큰 최적 운전점에서 운전되고, 최적 운전점에서의 엔진 토크와 요구 토크의 차이인 충전 토크는 배터리에 충전되면서 최적 SOC를 추종한다. 이때, 충전 토크가 최적 SOC를 추종하기 위한 평균 충전량이 될 수 있다.
여기서, 엔진의 연비가 악화되는 것을 방지하기 위해, 엔진의 운전점이 최적 운전점을 초과하지 않도록 제한될 수 있다.
도 10 및 도 11을 참조하면, 운전자의 요구 토크가 최적 운전 라인(OOL: optimal operating line) 또는 최적 운전 영역(OOR: optimal operating region)을 초과하고 배터리의 운전 모드가 방전 모드이면, 차량의 운전 모드는 과급 HEV 모드로 결정될 수 있다(도 10 참조).
그리고 운전자의 운전자의 요구 토크가 최적 운전 라인(OOL: optimal operating line) 또는 최적 운전 영역(OOR: optimal operating region)을 초과하고 배터리의 운전 모드가 충전 모드이면, 차량의 운전 모드는 과급 엔진 모드로 결정될 수 있다(도 11 참조).
배터리의 운전 모드가 방전 모드에서 차량이 과급 HEV 모드로 주행하면, 전동식 슈퍼차저가 동작하고 엔진은 최적 운전 영역 상의 최대 토크를 출력하고, 엔진에서 출력되는 토크와 운전자의 요구 토크의 차이인 방전 토크는 구동 모터를 통해 보조되면서, 최적 SOC를 추종한다. 즉, 이 경우, 전동식 슈퍼차저의 구동 모터의 동작에 의해 배터리가 방전되면서 최적 SOC를 추종한다. 이때, 방전 토크가 최적 SOC를 추종하기 위한 평균 방전량이 될 수 있다.
그리고 배터리의 운전 모드가 충전 모드에서 차량이 과급 엔진 모드로 주행하면, 전동식 슈퍼 차저의 동작에 의해 엔진은 운전자의 요구 토크보다 큰 토크를 출력하고, 엔진 토크와 요구 토크와의 차이인 충전 토크는 배터리에 충전되면서 최적 SOC를 추종한다. 이때, 충전 토크가 최적 SOC를 추종하기 위한 평균 충전량이 될 수 있다.
한편, 운전자의 요구 토크가 순간적으로 변화하여 최적 SOC와 현재 SOC(또는, 측정된 SOC)와의 편차가 발생하면, 제어기(90)는 최적 SOC와 현재 SOC와의 편차를 보정하기 위해 엔진의 운전점을 조절한다(S50).
도 12 및 도 13을 참조하면, 운전자의 요구 토크가 순간적으로 감소하여 배터리의 방전량이 줄어들면(예를 들어, HEV 모드에서 구동 모터의 출력 토크가 감소하는 경우), 현재 SOC가 최적 SOC보다 작아져 현재 SOC와 최적 SOC와의 사이에 편차(dV1)가 발생할 수 있다. 이러한 경우, 엔진의 운전점은 배터리의 방전량을 증가시키기 위해 운전자의 요구 토크와 엔진 토크의 차이인 방전 토크를 증가시킬 수 있다. 따라서, 배터리(70)의 SOC가 감소하고 현재 SOC가 최적 SOC를 추종하게 된다.
이와 반대로, 운전자의 요구 토크가 순간적으로 증가하여 배터리의 방전량이 증가하면(예를 들어, HEV 모드에서 구동 모터의 출력 토크가 증가하는 경우), 현재 SOC가 최적 SOC보다 커져 현재 SOC와 최적 SOC와의 사이에 편차(dV2)가 발생할 수 있다. 이러한 경우, 엔진의 운전점은 배터리의 방전량을 감소시키기 위해 운전자의 요구 토크와 엔진 토크의 차이인 방전 토크를 감소시킬 수 있다. 따라서, 배터리(70)의 SOC가 증가하고 현재 SOC가 최적 SOC를 추종하게 된다.
이상을 통해 본 발명의 바람직한 실시 예에 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: 흡기 라인
29: 에어 클리너
31: 전동식 슈퍼차저
36: 인터쿨러
40: HSG
50: 구동 모터
60: 클러치
70: 배터리
80: 변속기
90: 제어기
100: 가속 페달 센서

Claims (20)

  1. 연료를 연소시켜 동력을 발생시키는 엔진;
    상기 엔진의 동력을 보조하고 선택적으로 발전기로 작동하여 전기 에너지를 생성하는 구동 모터;
    상기 구동 모터에 전기 에너지를 공급하거나 상기 구동 모터에서 생성된 전기 에너지를 충전하는 배터리;
    상기 엔진의 연소실로 공급되는 외기가 흐르는 흡기 라인에 설치되는 전동식 슈퍼차저;
    출발지로부터 목적지까지의 주행 경로와 주행 정보를 예측하는 네비게이션 장치; 및
    상기 네비게이션 장치에서 예측한 주행 경로와 주행 정보로부터 주행 부하를 산출하고, 상기 주행 부하를 기초로 출발지에서 목적지까지의 구간별 최적 SOC(state of charge)를 결정하며, 운전자의 요구 토크와 상기 구간별 최적 SOC를 추종하기 위한 배터리의 운전 모드 기초로 차량의 운전 모드를 결정하고 엔진의 운전점을 조절하는 제어기;
    를 포함하는 하이브리드 차량의 제어 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 차량의 운전 모드는
    상기 구동 모터의 동력만으로 차량이 주행하는 EV(electric vehicle) 모드;
    상기 전동식 슈퍼차저의 과급 공기가 공급되지 않는 상기 엔진의 동력만으로 차량이 주행하는 엔진 단독 모드;
    상기 전동식 슈퍼차저에 의해 과급 공기를 공급받아 상기 엔진의 동력만으로 차량이 주행하는 과급 엔진 모드;
    상기 구동 모터의 동력과 상기 전동식 슈퍼차저의 과급 공기가 공급되지 않는 상기 엔진의 동력만으로 차량이 주행하는 노멀 HEV 모드; 및
    상기 구동 모터의 동력과 상기 전동식 슈퍼차저에 의해 과급 공기를 공급받아 상기 엔진의 동력으로 차량이 주행하는 과급 HEV 모드;
    를 포함하는 하이브리드 차량의 제어 장치.
  3. 제2항에 있어서,
    운전자의 요구 토크가 엔진의 최적 운전 영역에서의 엔진 토크보다 작은 설정값보다 작고, 상기 배터리의 운전 모드가 방전 모드이면,
    상기 제어기는 상기 차량의 운전 모드를 EV 모드로 결정하는 하이브리드 차량의 제어 장치.
  4. 제2항에 있어서,
    운전자의 요구 토크가 엔진의 최적 운전 영역에서의 엔진 토크보다 작은 설정값보다 작고, 상기 배터리의 운전 모드가 충전 모드이면,
    상기 제어기는 상기 차량의 운전 모드를 엔진 단독 모드로 결정하는 하이브리드 차량의 제어 장치.
  5. 제2항에 있어서,
    운전자의 요구 토크가 최적 운전 영역 이내에서 기준 토크보다 작고, 상기 배터리의 운전 모드가 방전 모드이면,
    상기 제어기는 차량의 운전 모드를 노멀 HEV 모드로 결정하는 하이브리드 차량의 제어 장치.
  6. 제2항에 있어서,
    운전자의 요구 토크가 최적 운전 영역 이내에서 기준 토크보다 작고, 상기 배터리의 운전 모드가 충전 모드이면,
    상기 제어기는 차량의 운전 모드를 노멀 HEV 모드로 결정하는 하이브리드 차량의 제어 장치.
  7. 제2항에 있어서,
    운전자의 요구 토크가 최적 운전 영역 이내에서 기준 토크 이상이고, 상기 배터리의 운전 모드가 방전 모드이면,
    상기 제어기는 차량의 운전 모드를 노멀 HEV 모드로 결정하는 하이브리드 차량의 제어 장치.
  8. 제2항에 있어서,
    운전자의 요구 토크가 최적 운전 영역 이내에서 기준 토크 이상이고, 상기 배터리의 운전 모드가 충전 모드이면,
    상기 제어기는 차량의 운전 모드를 과급 엔진 모드로 결정하는 하이브리드 차량의 제어 장치.
  9. 제2항에 있어서,
    운전자의 요구 토크가 최적 운전 영역을 초과하고 상기 배터리의 운전 모드가 방전 모드이면,
    상기 제어기는 차량의 운전 모드를 과급 HEV 모드로 결정하는 하이브리드 차량의 제어 장치.
  10. 제2항에 있어서,
    운전자의 요구 토크가 최적 운전 영역을 초과하고 상기 배터리의 운전 모드가 충전 모드이면,
    상기 제어기는 차량의 운전 모드를 과급 엔진 모드로 결정하는 하이브리드 차량의 제어 장치.
  11. 전동식 슈퍼차저를 구비한 하이브리드 차량의 제어 방법으로서,
    네비게이션 장치에 의해, 출발지로부터 목적지까지의 주행 경로와 주행 정보를 예측하는 단계;
    제어기에 의해, 상기 네비게이션 장치에서 예측한 주행 경로와 주행 정보를 기초로 주행 부하를 산출하는 단계;
    상기 제어기에 의해, 상기 주행 부하를 기초로 배터리의 구간별 최적 SOC를 산출하는 단계; 및
    상기 제어기에 의해, 운전자의 요구 토크와 상기 구간별 최적 SOC를 추종하기 위한 배터리의 운전 모드를 기초로 차량의 운전 모드를 결정하고 엔진의 운전점을 조절하는 단계;
    를 포함하는 하이브리드 차량의 제어 방법.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 차량의 운전 모드는
    상기 구동 모터의 동력만으로 차량이 주행하는 EV(electric vehicle) 모드;
    상기 전동식 슈퍼차저의 과급 공기가 공급되지 않는 상기 엔진의 동력만으로 차량이 주행하는 엔진 단독 모드;
    상기 전동식 슈퍼차저에 의해 과급 공기를 공급받아 상기 엔진의 동력만으로 차량이 주행하는 과급 엔진 모드;
    상기 구동 모터의 동력과 상기 전동식 슈퍼차저의 과급 공기가 공급되지 않는 상기 엔진의 동력만으로 차량이 주행하는 노멀 HEV 모드; 및
    상기 구동 모터의 동력과 상기 전동식 슈퍼차저에 의해 과급 공기를 공급받아 상기 엔진의 동력으로 차량이 주행하는 과급 HEV 모드;
    를 포함하는 하이브리드 차량의 제어 방법.
  13. 제12항에 있어서,
    운전자의 요구 토크가 엔진의 최적 운전 영역에서의 엔진 토크보다 작은 설정값보다 작고, 상기 배터리의 운전 모드가 방전 모드이면,
    상기 차량의 운전 모드는 EV 모드로 결정되는 하이브리드 차량의 제어 방법.
  14. 제12항에 있어서,
    운전자의 요구 토크가 엔진의 최적 운전 영역에서의 엔진 토크보다 작은 설정값보다 작고, 상기 배터리의 운전 모드가 충전 모드이면,
    상기 차량의 운전 모드는 엔진 단독 모드로 결정되는 하이브리드 차량의 제어 방법.
  15. 제12항에 있어서,
    운전자의 요구 토크가 최적 운전 영역 이내에서 기준 토크보다 작고, 상기 배터리의 운전 모드가 방전 모드이면,
    차량의 운전 모드는 노멀 HEV 모드로 결정되는 하이브리드 차량의 제어 방법.
  16. 제12항에 있어서,
    운전자의 요구 토크가 최적 운전 영역 이내에서 기준 토크보다 작고, 상기 배터리의 운전 모드가 충전 모드이면,
    차량의 운전 모드는 노멀 HEV 모드로 결정되는 하이브리드 차량의 제어 방법.
  17. 제12항에 있어서,
    운전자의 요구 토크가 최적 운전 영역 이내에서 기준 토크 이상이고, 상기 배터리의 운전 모드가 방전 모드이면,
    차량의 운전 모드는 노멀 HEV 모드로 결정되는 하이브리드 차량의 제어 방법.
  18. 제12항에 있어서,
    운전자의 요구 토크가 최적 운전 영역 이내에서 기준 토크 이상이고, 상기 배터리의 운전 모드가 충전 모드이면,
    차량의 운전 모드는 과급 엔진 모드로 결정되는 하이브리드 차량의 제어 방법.
  19. 제12항에 있어서,
    운전자의 요구 토크가 최적 운전 영역을 초과하고 상기 배터리의 운전 모드가 방전 모드이면,
    차량의 운전 모드는 과급 HEV 모드로 결정되는 하이브리드 차량의 제어 방법.
  20. 제12항에 있어서,
    운전자의 요구 토크가 최적 운전 영역을 초과하고 상기 배터리의 운전 모드가 충전 모드이면,
    차량의 운전 모드는 과급 엔진 모드로 결정되는 하이브리드 차량의 제어 방법.
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