KR20220063782A - 하이브리드 차량의 엔진 시동 시스템 및 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 하이브리드 차량의 시동발전기를 이용하여 엔진 크랭킹이 이루어질 때, 엔진 목표속도와 실제 엔진속도 간의 차이, 그리고 공칭모델의 모델속도와 실제 엔진속도 간의 속도오차를 이용하여 시동발전기의 엔진 크랭킹을 위한 토크를 보상할 수 있도록 함으로써, 엔진 폭발행정 시 발생하는 엔진의 토크 변화를 보상하여 시동시 엔진속도의 오버슛 현상을 방지할 수 있고, 그에 따라 오버슛 현상에 따른 소음 발생 등을 방지하여 NVH 성능을 향상시킬 수 있도록 한 하이브리드 차량의 엔진 시동 시스템 및 방법을 제공하고자 한 것이다.

Description

하이브리드 차량의 엔진 시동 시스템 및 방법{ENGINE CRANKING SYSTEM AND METHOD FOR HYBRID VEHICLE}
본 발명은 하이브리드 차량의 엔진 시동 시스템 및 방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 엔진 시동시 오버슛 현상을 방지하여 NVH(Noise, Vibration, Harshness) 성능을 향상시킬 수 있도록 한 하이브리드 차량의 엔진 시동 시스템 및 방법에 관한 것이다.
통상적인 내연기관 차량의 경우 스타트 모터를 이용하여 엔진 시동을 위한 크랭킹이 이루어지는 바, 엔진 크랭킹 시 스타트 모터에 최대 토크를 인가한 상태에서 연료분사를 수행함에 따라 엔진의 폭발 행정 이후 엔진 목표속도 수렴 시 엔진속도가 순간적으로 증가하는 오버슛(overshoot) 현상이 발생하고 있다.
하이브리드 차량의 파워트레인은 도 1에 도시된 바와 같이, 엔진(10) 및 모터(20), 엔진(10)과 모터(20) 사이에 배열되어 엔진 동력을 전달 또는 단절시키는 엔진 클러치(30)와, 동력을 주행용 구동축(60)으로 변속하여 출력하는 변속기(40)와, 상기 엔진(10)의 크랭크 풀리와 연결되어 엔진 시동 및 발전을 하는 일종의 모터인 시동발전기(50, HSG: Hybrid Starter Generator)와, 상기 모터(20) 및 시동발전기(50)에 인버터(80)를 매개로 충방전 가능하게 연결되는 배터리(70) 등을 포함하여 구성될 수 있다.
이러한 하이브리드 차량의 경우에는 엔진 크랭킹 제어시 내연기관과 달리 엔진 크랭킹시 용량이 큰 전기모터의 일종인 시동발전기를 이용할 수 있기 때문에, 엔진 크랭킹을 위한 정밀 제어가 가능한 장점이 있다.
그러나, 하이브리드 차량의 시동발전기에 의한 엔진 크랭킹시에도 도 2에 도시된 바와 같이 엔진 폭발행정에 의해 엔진 출력이 급격하게 증가함에 따라 엔진 목표속도 수렴시 순간적으로 엔진속도가 증가하는 오버슛(overshoot) 현상이 발생함으로써, 결국 엔진속도가 목표속도에 도달하기까지의 안정화 시간 동안 오버슛 현상에 의한 소음이 발생하는 문제점이 있다.
본 발명은 상기와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위하여 안출한 것으로서, 하이브리드 차량의 시동발전기를 이용하여 엔진 크랭킹이 이루어질 때, 엔진 목표속도와 실제 엔진속도 간의 차이, 그리고 공칭모델의 모델속도와 실제 엔진속도 간의 속도오차를 이용하여 시동발전기의 엔진 크랭킹을 위한 토크를 보상할 수 있도록 함으로써, 엔진 폭발행정 시 발생하는 엔진의 토크 변화를 보상하여 시동시 엔진속도의 오버슛 현상을 방지할 수 있고, 그에 따라 오버슛 현상에 따른 소음 발생 등을 방지하여 NVH 성능을 향상시킬 수 있도록 한 하이브리드 차량의 엔진 시동 시스템 및 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
상기한 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 일 구현예는: 엔진 및 모터, 엔진과 모터 사이에 배열되어 엔진 동력을 전달 또는 단절시키는 엔진 클러치와, 엔진의 크랭크 풀리와 연결되는 시동발전기를 포함하는 하이브리드 차량의 엔진 시동 시스템에 있어서,
엔진 시동 요청에 따른 엔진 목표속도를 설정하는 엔진 목표속도 설정부; 및 상기 엔진 목표속도 설정부에서 설정된 엔진 목표속도와 시동발전기에 의한 크랭킹시 엔진 실제속도 간의 속도오차를 이용하여 제어토크 지령치를 산출하고, 상기 엔진 실제속도와 공칭모델의 모델속도 간의 속도오차를 이용하여 엔진 목표속도 도달시까지 오버슛 방지가 가능한 보상토크 지령치를 산출한 후, 상기 제어토크 지령치를 보상토크 지령치로 보상한 최종 토크 지령치를 시동발전기에 인가하는 속도 제어기; 를 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 하이브리드 차량의 엔진 시동 시스템을 제공한다.
특히, 상기 속도 제어기는: 상기 엔진 목표속도와 엔진 실제속도 간의 속도오차를 이용하여 엔진 목표속도를 추종하기 위한 제어토크 지령치를 산출하는 토크 지령 제어기; 시동발전기와 엔진을 포함하는 엔진시스템을 수학적으로 모델링시킨 공칭 모델; 및 상기 엔진 실제속도와 상기 공칭 모델로부터 출력되는 모델 속도 간의 속도오차를 이용하여 엔진 목표속도 도달시까지 오버슛 방지가 가능한 보상토크 지령치를 산출한 후, 상기 제어토크 지령치를 보상토크 지령치로 보상한 최종 토크 지령치를 시동 발전기에 인가하는 토크 보상기; 로 구성되는 것을 특징으로 한다.
바람직하게는, 상기 엔진 목표속도 설정부는 상위 제어기로부터 수신되는 고전압 배터리의 충전량 정보와, 엔진 배기계의 촉매 온도 정보와, 시동발전기 및 엔진 효율 정보을 기반으로 엔진 목표속도를 스텝 형태로 설정하는 것을 특징으로 한다.
상기한 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 다른 구현예는: 엔진 및 모터, 엔진과 모터 사이에 배열되어 엔진 동력을 전달 또는 단절시키는 엔진 클러치와, 엔진의 크랭크 풀리와 연결되는 시동발전기를 포함하는 하이브리드 차량의 엔진 시동 방법에 있어서, 엔진 시동 요청에 따른 엔진 목표속도를 설정하는 단계; 설정된 엔진 목표속도와 크랭킹시 엔진 실제속도 간의 속도오차를 이용하여 제어토크 지령치를 산출하고, 엔진 실제속도와 공칭모델의 모델속도 간의 속도오차를 이용하여 엔진 목표속도 도달시까지 오버슛 방지가 가능한 보상토크 지령치를 산출한 다음, 상기 제어토크 지령치를 보상토크 지령치로 보상하여 최종 토크 지령치를 결정하는 단계; 및 결정된 최종 토크 지령치를 시동발전기에 인가하는 단계; 를 포함하는 것을 특징으로 하는 하이브리드 차량의 엔진 시동 방법을 제공한다.
특히, 상기 최종 토크 지령치를 결정하는 단계는: 엔진 목표속도와 엔진 실제속도 간의 속도오차를 이용하여 엔진 목표속도에 추종하는 제어토크 지령치를 산출하는 단계와; 시동발전기와 엔진을 포함하는 엔진시스템을 수학적으로 모델링시킨 공칭 모델로부터 모델 속도가 출력되는 단계; 상기 실제 엔진속도와 모델 속도 간의 오차를 이용하여 엔진 목표속도 도달시까지 오버슛 방지가 가능한 보상 토크 지령치를 산출하는 단계; 상기 제어토크 지령치를 보상토크 지령치로 보상하여 최종 토크 지령치를 결정하는 단계; 로 이루어지는 것을 특징으로 한다.
바람직하게는, 상기 엔진 목표속도 설정 단계에서, 상위 제어기로부터 수신되는 고전압 배터리의 충전량 정보와, 엔진 배기계의 촉매 온도 정보와, 시동발전기 및 엔진 효율 정보을 기반으로 엔진 목표속도가 스텝 형태로 설정되는 것을 특징으로 한다.
상기한 과제 해결 수단을 통하여 본 발명은 다음과 같은 효과를 제공한다.
본 발명에 따르면, 하이브리드 차량의 시동발전기를 이용하여 엔진 크랭킹이 이루어질 때, 시동발전기에 인가되는 토크를 오버슛 방지 가능한 토크로 보상하여 엔진속도의 오버슛 현상을 방지할 수 있고, 그에 따라 오버슛 현상에 따른 소음 발생 등을 방지하여 NVH 성능을 향상시킬 수 있다.
도 1은 하이브리드 차량의 파워드레인 구성을 도시한 구성도,
도 2는 기존의 하이브리드 차량의 엔진 시동시 오버슛 현상을 발생하는 것을 도시한 그래프,
도 3은 본 발명에 따른 하이브리드 차량의 엔진 시동 시스템을 도시한 구성도,
도 4는 본 발명에 따른 하이브리드 차량의 엔진 시동 시스템의 구성 중 속도 제어기의 구성을 상세하게 도시한 구성도,
도 5는 본 발명에 따른 하이브리드 차량의 엔진 시동 방법을 도시한 순서도,
도 6 및 도 7은 본 발명에 따른 하이브리드 차량의 엔진 시동 시스템을 통하여 오버슛이 방지될 수 있음을 보여주는 그래프.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부도면을 참조로 상세하게 설명하기로 한다.
본 발명은 도 1에 도시된 바와 같이, 엔진(10) 및 모터(20), 엔진(10)과 모터(20) 사이에 배열되어 엔진 동력을 전달 또는 단절시키는 엔진 클러치(30)와, 동력을 주행용 구동축(60)으로 변속하여 출력하는 변속기(40)와, 상기 엔진(10)의 크랭크 풀리와 연결되어 엔진 시동 및 발전을 하는 일종의 모터인 시동발전기(50, HSG: Hybrid Starter Generator)와, 상기 모터(20) 및 시동발전기(50)에 인버터(80)를 매개로 충방전 가능하게 연결되는 배터리(70) 등을 포함하는 하이브리드 차량에 있어서, 엔진 폭발행정에 의해 엔진 출력이 급격하게 증가함에 따라 엔진 목표속도 수렴시 순간적으로 엔진속도가 증가하는 오버슛(overshoot) 현상이 발생하는 것을 방지하고자 한 점에 주안점이 있다.
첨부한 도 3은 본 발명에 따른 하이브리드 차량의 엔진 시동 시스템을 도시한 구성도이고, 도 4는 본 발명에 따른 하이브리드 차량의 엔진 시동 시스템의 구성 중 속도 제어기의 구성을 상세하게 도시한 구성도이다.
도 3 및 도 4에 도시된 바와 같이, 본 발명의 엔진 시동 시스템은 엔진 목표속도를 출력하는 엔진 목표속도 설정부(100)와, 엔진 크랭킹을 위한 시동발전기에 오버슛을 방지할 수 있도록 보상된 토크를 인가하는 속도 제어기(200)를 포함하여 구성된다.
상기 엔진 목표속도 설정부(100)는 하이브리드 차량의 상위 제어기로부터 명령을 받은 엔진 제어기로부터 엔진 시동 요청이 있는 경우, 차량 상태에 따라 엔진 목표속도를 달리 설정하도록 구성된다.
바람직하게는, 상기 엔진 목표속도 설정부(100)는 하이브리드 차량의 상위 제어기로부터 수신되는 고전압 배터리의 충전량 정보와, 엔진 배기계의 촉매 온도 정보와, 시동발전기 및 엔진 효율 정보 등과 같은 차량 상태 정보를 기반으로 엔진 목표속도를 스텝 형태로 설정하도록 구성된다.
상기 속도 제어기(200)는 상기 엔진 목표속도 설정부(100)에서 설정된 엔진 목표속도와 시동발전기에 의한 엔진 크랭킹시 엔진 실제속도 간의 속도오차를 이용하여 시동발전기에 인가되는 제어토크 지령치를 산출하도록 구성된다.
또한, 상기 속도 제어기(200)는 상기 엔진 실제속도와 공칭모델의 모델속도 간의 속도오차를 이용하여 엔진 목표속도 도달시까지 오버슛 방지가 가능한 보상토크 지령치를 산출한 후, 상기 제어토크 지령치를 보상토크 지령치로 보상한 최종 토크 지령치를 시동발전기에 인가하도록 구성된다.
이를 위해, 상기 속도 제어기(200)는 시동발전기에 인가될 제어토크 지령치를 산출하는 토크 지령 제어기(210)와, 시동발전기와 엔진을 포함하는 엔진시스템을 수학적으로 모델링시킨 공칭 모델(220)과, 오버슛 방지가 가능한 보상토크 지령치를 산출한 후 제어토크 지령치를 보상토크 지령치로 보상한 최종 토크 지령치를 시동 발전기에 인가하는 토크 보상기(230)로 구성될 수 있다.
상기 토크 지령 제어기(210)는 상기 엔진 목표속도와 엔진 실제속도 간의 속도 오차를 이용하여 시동발전기에 인가될 제어토크 지령치 즉, 엔진 목표속도를 추종하기 위한 제어토크 지령치를 산출하도록 구성된다.
상기 공칭 모델(220)은 시동발전기와 엔진을 포함하는 실제 엔진시스템을 수학적으로 모사시켜 모델링한 것으로서, 실제 엔진시스템에서 출력되는 엔진 실제속도와 다른 모델 속도를 출력하도록 구성된다.
상기 토크 보상기(230)는 상기 엔진 실제속도와 상기 공칭 모델로부터 출력되는 모델 속도 간의 속도오차를 이용하여 엔진 목표속도 도달시까지 오버슛 방지가 가능한 보상토크 지령치를 산출한 후, 상기 실제토크 지령치를 보상토크 지령치로 보상한 최종 토크 지령치를 시동 발전기에 인가하도록 구성된다.
이때, 상기 엔진 목표속도와 엔진 실제속도 간의 속도 오차를 이용하여 제어토크 지령치를 산출하는 토크 지령 제어기(210, C)와, 상기 엔진 실제속도(y)와 상기 공칭 모델로부터 출력되는 모델 속도(r) 간의 속도오차를 이용하여 엔진 목표속도 도달시까지 오버슛 방지가 가능한 보상토크 지령치를 산출하는 공칭 모델(220, Gn)은 하나의 폐루프계로 구성되어 로우패스 필터(Low Pass Filter, LPF)와 같은 기능을 수행할 수 있고, 이 로우패스 필터의 기능을 위한 폐루프계를 전달함수로 표현하면 아래의 수학식 1과 같다.
Figure pat00001
또한, 상기 수학식 1에서 공칭모델(Gn)과 제어기(C)는 로우패스 필터를 구성하기 위하여 아래의 수학식 2 및 3으로 구성될 수 있다.
Figure pat00002
Figure pat00003
이에, 폐루프계로 구성되는 로우패스 필터는 아래의 수학식 4로 표현될 수 있다.
Figure pat00004
위의 수학식 4에서,
Figure pat00005
이다.
여기서, 상기한 구성을 기반으로 하는 본 발명의 하이브리드 차량용 엔진 시동 방법을 살펴보면 다음과 같다.
먼저, 엔진 목표속도가 설정된다(S101).
예를 들어, 하이브리드 차량의 상위 제어기로부터 명령을 받은 엔진 제어기로부터 엔진 시동 요청이 있는 경우, 상기 엔진 목표속도 설정부(100)는 하이브리드 차량의 상위 제어기로부터 수신되는 고전압 배터리의 충전량 정보와, 엔진 배기계의 촉매 온도 정보와, 시동발전기 및 엔진 효율 정보 등과 같은 차량 상태 정보를 기반으로 엔진 목표속도를 스텝 형태(도 6의 그래프 참조)로 설정한다.
이어서, 상기 시동 발전기에 의한 엔진 크랭킹이 시작되는 시점에서부터의 엔진 실제속도를 검출한다(S102).
연이어, 상기 속도 제어기(200)에 포함된 토크 지령 제어기(210)에서 상기 단계 S101에서 설정된 엔진 목표속도와 상기 단계 S102에서 검출된 엔진 실제속도 간의 속도오차를 산출하고(S103), 산출된 속도 오차를 이용하여 제어토크 지령치를 산출한다(S104).
이때, 상기 토크 지령 제어기(210)에서 산출되는 제어토크 지령치는 엔진 목표속도와 엔진 실제속도 간의 속도오차를 이용하여 엔진 실제속도가 엔진 목표속도에 추종하는 토크량으로 산출된 것을 말한다.
하지만, 상기 제어토크 지령치가 시동발전기에 인가되더라도, 시동발전기에 의하여 크랭킹되는 엔진의 폭발행정으로 인하여 엔진 출력이 급격하게 증가하는 동시에 엔진 목표속도 수렴시 순간적으로 엔진속도가 증가하는 오버슛(overshoot) 현상이 발생할 소지가 계속 존재할 수 있다.
이에, 상기 제어토크 지령치를 엔진 목표속도 도달시까지 오버슛 방지가 가능한 토크로 보상해주는 과정이 필요하다.
이를 위해, 상기 속도 제어기(200)에서 엔진 실제속도와 상기 공칭모델(220)의 모델속도 간의 속도오차를 산출하고(S105), 연이어 상기 토크 보상기(230)에서 단계 S105에서 산출된 속도오차를 이용하여 엔진 목표속도 도달시까지 오버슛 방지가 가능한 보상토크 지령치를 산출한다(S106).
즉, 시동발전기와 엔진을 포함하는 실제 엔진시스템을 수학적으로 모델링시킨 공칭 모델(220)로부터 모델 속도가 출력되면, 상기 토크 보상기(230)에서 모델 속도를 엔진 실제속도 간의 속도오차를 이용하여 엔진 목표속도 도달시까지 오버슛 방지가 가능한 보상 토크 지령치를 산출한다.
이어서, 상기 토크 보상기(230)에서 상기 제어토크 지령치를 보상토크 지령치로 보상하여 최종 토크 지령치를 결정하고(S107), 결정된 최종 토크 지령치를 시동발전기에 인가하게 된다.
이와 같이, 하이브리드 차량의 시동발전기를 이용하여 엔진 크랭킹이 이루어질 때, 엔진 목표속도와 실제 엔진속도 간의 차이, 그리고 공칭모델의 모델속도와 실제 엔진속도 간의 속도오차를 이용하여 시동발전기의 엔진 크랭킹을 위한 토크를 엔진속도의 오버슛 현상을 방지할 수 있는 토크로 보상해줌으로써, 도 6 및 도 7에서 보듯이 엔진 폭발행정시 엔진속도의 오버슛 현상이 발생하는 것을 방지할 수 있고, 그에 따라 오버슛 현상에 따른 소음 발생 등을 방지하여 NVH 성능을 향상시킬 수 있다.
10 : 엔진
20 : 모터
30 : 엔진 클러치
40 : 변속기
50 : 시동발전기
60 : 구동축
70 : 배터리
80 : 인버터
100 : 엔진 목표속도 설정부
200 : 속도 제어기
210 : 토크 지령 제어기
220 : 공칭 모델
230 : 토크 보상기

Claims (6)

  1. 엔진 및 모터, 엔진과 모터 사이에 배열되어 엔진 동력을 전달 또는 단절시키는 엔진 클러치와, 엔진의 크랭크 풀리와 연결되는 시동발전기를 포함하는 하이브리드 차량의 엔진 시동 시스템에 있어서,
    엔진 시동 요청에 따른 엔진 목표속도를 설정하는 엔진 목표속도 설정부; 및
    상기 엔진 목표속도 설정부에서 설정된 엔진 목표속도와 시동발전기에 의한 크랭킹시 엔진 실제속도 간의 속도오차를 이용하여 제어토크 지령치를 산출하고, 상기 엔진 실제속도와 공칭모델의 모델속도 간의 속도오차를 이용하여 엔진 목표속도 도달시까지 오버슛 방지가 가능한 보상토크 지령치를 산출한 후, 상기 제어토크 지령치를 보상토크 지령치로 보상한 최종 토크 지령치를 시동발전기에 인가하는 속도 제어기;
    를 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 하이브리드 차량의 엔진 시동 시스템.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 속도 제어기는:
    상기 엔진 목표속도와 엔진 실제속도 간의 속도오차를 이용하여 엔진 목표속도를 추종하기 위한 제어토크 지령치를 산출하는 토크 지령 제어기;
    시동발전기와 엔진을 포함하는 엔진시스템을 수학적으로 모델링시킨 공칭 모델; 및
    상기 엔진 실제속도와 상기 공칭 모델로부터 출력되는 모델 속도 간의 속도오차를 이용하여 엔진 목표속도 도달시까지 오버슛 방지가 가능한 보상토크 지령치를 산출한 후, 상기 제어토크 지령치를 보상토크 지령치로 보상한 최종 토크 지령치를 시동 발전기에 인가하는 토크 보상기;
    로 구성되는 것을 특징으로 하는 하이브리드 차량의 엔진 시동 시스템.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 엔진 목표속도 설정부는 상위 제어기로부터 수신되는 고전압 배터리의 충전량 정보와, 엔진 배기계의 촉매 온도 정보와, 시동발전기 및 엔진 효율 정보을 기반으로 엔진 목표속도를 스텝 형태로 설정하도록 구성된 것을 특징으로 하는 하는 하이브리드 차량의 엔진 시동 시스템.
  4. 엔진 및 모터, 엔진과 모터 사이에 배열되어 엔진 동력을 전달 또는 단절시키는 엔진 클러치와, 엔진의 크랭크 풀리와 연결되는 시동발전기를 포함하는 하이브리드 차량의 엔진 시동 방법에 있어서,
    엔진 시동 요청에 따른 엔진 목표속도를 설정하는 단계;
    설정된 엔진 목표속도와 크랭킹시 엔진 실제속도 간의 속도오차를 이용하여 제어토크 지령치를 산출하고, 엔진 실제속도와 공칭모델의 모델속도 간의 속도오차를 이용하여 엔진 목표속도 도달시까지 오버슛 방지가 가능한 보상토크 지령치를 산출한 다음, 상기 제어토크 지령치를 보상토크 지령치로 보상하여 최종 토크 지령치를 결정하는 단계; 및
    결정된 최종 토크 지령치를 시동발전기에 인가하는 단계;
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 하이브리드 차량의 엔진 시동 방법.
  5. 청구항 4에 있어서,
    상기 최종 토크 지령치를 결정하는 단계는:
    엔진 목표속도와 엔진 실제속도 간의 속도오차를 이용하여 엔진 목표속도에 추종하는 제어토크 지령치를 산출하는 단계와;
    시동발전기와 엔진을 포함하는 엔진시스템을 수학적으로 모델링시킨 공칭 모델로부터 모델 속도가 출력되는 단계와;
    상기 실제 엔진속도와 모델 속도 간의 오차를 이용하여 엔진 목표속도 도달시까지 오버슛 방지가 가능한 보상 토크 지령치를 산출하는 단계와;
    상기 제어토크 지령치를 보상토크 지령치로 보상하여 최종 토크 지령치를 결정하는 단계;
    로 이루어지는 것을 특징으로 하는 하이브리드 차량의 엔진 시동 방법.
  6. 청구항 4에 있어서,
    상기 엔진 목표속도 설정 단계에서, 상위 제어기로부터 수신되는 고전압 배터리의 충전량 정보와, 엔진 배기계의 촉매 온도 정보와, 시동발전기 및 엔진 효율 정보을 기반으로 엔진 목표속도가 스텝 형태로 설정되는 것을 특징으로 하는 하이브리드 차량의 엔진 시동 방법.
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