KR20230010075A

KR20230010075A - 하이브리드 차량의 발진 제어 방법

Info

Publication number: KR20230010075A
Application number: KR1020210089431A
Authority: KR
Inventors: 정권채; 피재명; 이준혁; 박성익
Original assignee: 현대자동차주식회사; 기아 주식회사
Priority date: 2021-07-08
Filing date: 2021-07-08
Publication date: 2023-01-18

Abstract

본 발명은 하이브리드 차량의 발진 제어 방법에 관한 것으로서, 종래의 엔진 제어기에 의한 엔진 아이들 속도 제어 및 토크 출력 확보의 한계를 개선할 수 있고, 이를 통해 슬립 발진시의 운전성을 확보할 수 있는 것은 물론 등판 및 제한 상황에서 차량의 주행 성능을 개선할 수 있는 하이브리드 차량의 발진 제어 방법을 제공하는데 주된 목적이 있는 것이다. 상기한 목적을 달성하기 위해, 운전자의 가속 요구 검출시 차량에서 수집된 정보로부터 정해진 제어 진입 조건을 만족하는지를 판단하는 단계; 상기 제어 진입 조건을 만족하는 것으로 판단한 경우, 슬립 발진 및 시리즈 발진 통합 제어가 시작되고, 엔진에 동력 전달 가능하게 연결된 시동발전기의 충전 파워가 결정되는 단계; 상기 결정된 시동발전기 충전 파워를 기초로 엔진 통합 부하량이 결정되고, 상기 결정된 엔진 통합 부하량을 기초로 엔진 목표 운전 토크가 결정되는 단계; 엔진 토크를 상기 결정된 엔진 목표 운전 토크로 제어하는 엔진 토크 제어가 실시되고, 상기 시동발전기를 이용한 배터리 충전이 실시되는 단계; 시동발전기를 이용한 엔진 속도 제어가 실시되는 단계; 및 엔진 클러치에 조절된 유압이 인가되도록 하여 엔진 클러치 슬립 제어가 실시되는 단계를 포함하는 하이브리드 차량의 발진 제어 방법이 개시된다.

Description

하이브리드 차량의 발진 제어 방법{LAUNCH CONTROL METHOD FOR HYBRID VEHICLE}

본 발명은 하이브리드 차량의 발진 제어 방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 종래의 엔진 제어기에 의한 엔진 자체의 아이들 속도 제어 및 토크 출력 확보의 한계를 개선할 수 있고, 이를 통해 슬립 발진시의 운전성을 확보할 수 있는 것은 물론 등판 및 제한 상황에서 차량의 주행 성능을 개선할 수 있는 하이브리드 차량의 발진 제어 방법에 관한 것이다.

하이브리드 차량은 서로 다른 두 종류 이상의 구동원을 사용하는 차량을 의미하고, 일반적으로는 내연기관인 엔진(Internal Combustion Engine, ICE)과 전기회전모터에 의해 구동되는 차량을 의미한다. 하이브리드 차량은 주행 과정에서 엔진과 모터를 어떻게 조화롭게 작동시키느냐에 따라 최적의 토크를 출력할 수 있는 것은 물론 차량 연비의 극대화가 가능하다.

하이브리드 차량은 다양한 구조로 구동계를 구성할 수 있는데, 엔진과 모터를 엔진 클러치를 통해 연결하고 모터 출력측에 변속기를 연결한 TMED(Transmission Mounted Electric Device) 하이브리드 시스템이 알려져 있다. 도 1은 하이브리드 차량의 파워 트레인 구성을 예시한 도면으로, 모터(3)와 변속기(4)가 연결된 TMED 하이브리드 시스템의 구성을 예시하고 있다.

도시된 바와 같이, TMED 하이브리드 시스템에서는 엔진(1)과 변속기(4) 사이에 엔진 클러치(2)와 모터(3)가 배치된다. 여기서, 엔진 클러치(2)는 차량의 두 구동원인 엔진(1)과 모터(3) 사이에 배치된다. 또한, 모터(3)의 출력측에 변속기(4)가 장착되어 모터 출력축에 변속기 입력축이 연결되고, 이에 모터 속도가 변속기 입력축 회전속도(즉, 변속기 입력속도)가 된다.

구성을 살펴보면, TMED 하이브리드 시스템은 차량 주행을 위한 구동원인 엔진(1)과 모터(3), 엔진(1)과 모터(3) 사이에 개재된 엔진 클러치(2), 모터(3)의 출력측에 연결된 변속기(4), 모터(3)를 구동 및 제어하기 위한 인버터(5), 그리고 인버터(5)를 통해 모터(3)에 충/방전 가능하게 연결된 배터리(6)를 포함하여 구성된다.

엔진 클러치(2)는 선택적으로 결합 또는 분리 작동하여 엔진(1)과 모터(3) 사이를 동력 전달 가능하게 연결하거나 분리한다. 인버터(5)는 모터(3)의 구동을 위해 배터리(6)의 직류전류를 3상 교류전류로 변환하여 모터(3)에 인가한다.

변속기(4)는 모터(3)의 회전동력 또는 엔진(1)과 모터(3)의 복합 회전동력을 변속하여 구동축을 통해 구동륜으로 전달하며, 변속기(4)로는 자동변속기(Automatic Transmission, AT) 또는 듀얼 클러치 변속기(Dual Clutch Transmission, DCT) 등이 사용될 수 있다.

이에 더하여, TMED 하이브리드 시스템은 엔진(1)과 동력 전달 가능하게 연결되어 엔진을 시동하거나 엔진에서 전달되는 회전력으로 발전을 수행하는 시동발전기, 즉 HSG(Hybrid Starter and Generator)(7)를 더 포함할 수 있다. HSG(7)는 엔진(1)에 동력전달기구를 매개로 직접 연결된 모터이고, 상기 동력전달기구로는 풀리와 벨트가 주로 이용되고 있다.

상기 HSG(7) 또한 인버터(5)를 매개로 배터리(6)에 충/방전 가능하게 연결된다. 또한, HSG(7)는 배터리(6)의 전력을 공급받아 모터로 작동하거나 엔진(1)의 회전력을 전기에너지로 변환 및 회수하는 발전기로 작동하는데, 모터로 작동시 주로 엔진(1)을 시동하는데 이용되고, 엔진(1)과 상시 동력 전달 가능하게 연결되어 있으므로 엔진 속도를 제어하는데 이용될 수도 있다.

그리고, 하이브리드 차량에는 차량 작동의 전반을 제어하는 최상위 제어기로서 하이브리드 제어기(Hybrid Control Unit, HCU)가 탑재되고, 더불어 차량의 각종 장치를 제어하기 위한 여러 제어기들이 구비된다.

예를 들어, 엔진(1)의 작동을 제어하는 엔진 제어기(Engine Control Unit, ECU), 구동모터(3)와 HSG(7)의 작동을 제어하는 모터 제어기(Motor Control Unit, MCU), 변속기(4)의 작동을 제어하는 변속 제어기(Transmission Control Unit, TCU), 차량의 제동 제어를 수행하는 브레이크 제어기(Brake Control Unit, BCU), 배터리 상태 정보를 수집하고 배터리(6)를 관리하기 위한 제어를 수행하는 배터리 제어기(Battery Management System, BMS) 등이 구비된다.

그리고, 하이브리드 차량은 모터(3)의 동력만을 이용하는 순수 전기차 모드인 EV(Electric Vehicle) 모드, 또는 엔진(1)의 동력과 모터(3)의 동력을 복합적으로 이용하는 HEV(Hybrid Electric Vehicle) 모드로 주행할 수 있다.

또한, 차량의 제동시나 관성에 의한 타력 주행(coasting)시에는 차량의 운동에너지를 모터(3)를 통해 회수하여 배터리(6)를 충전하는 회생 모드가 수행될 수 있다. 회생 모드시에는 구동륜의 회전력을 모터(3)가 전달받고, 이때 모터(3)가 발전기로 작동하여 인버터(5)를 통해 배터리(6)를 충전하게 된다.

그리고, 하이브리드 차량에서는 주행 중 운전 조건에 따라 상기한 두 모드 간 전환이 이루어지며, 차량 발진(출발)은 일반적으로 EV 모드에서 수행된다. 그런데, 모터에 전력을 공급하는 배터리의 충전 상태(State Of Charge, SOC)가 일정량 이하로 떨어지거나 배터리 온도가 극저온(예, -20℃ 이하) 상태까지 떨어지면 배터리의 방전량 부족으로 인해 모터 구동을 통한 차량 발진이 불가능해진다. 이런 경우 차량 발진을 위해 엔진을 구동한 뒤 엔진 동력의 일부를 HSG 발전 및 배터리 충전에 사용하고, 나머지 동력을 엔진 클러치에 전달하게 된다.

이때, 엔진 토크가 충분하지 못한 상태(즉, 낮은 엔진 회전수 상태)에서 엔진 클러치가 결합되면, 엔진 클러치의 출력단에서 모터를 거쳐 변속기까지 이어지는 축의 회전 관성에 엔진의 관성이 훨씬 못미치기 때문에 시동이 꺼지는 등 문제가 발생할 수 있다. 따라서, 이러한 상태에서는 유압 제어를 통해 엔진 클러치를 슬립 상태로 제어하는 것이 보통이며, 이러한 방식의 발진을 "슬립 발진"이라 칭할 수 있다.

엔진 회전수(엔진 속도, RPM)가 낮을 때는 엔진 시동이 꺼지는 문제가 발생하고, 슬립 상태에서 엔진 회전수가 너무 커도 소음 발생의 문제 등이 수반될 수 있다. 결국, 엔진 회전수를 적정하게 유지하면서 차량이 발진할 수 있도록 엔진 클러치의 유압을 제어하는 것이 슬립 발진의 핵심이라 할 수 있다. 통상 엔진 회전수의 유지를 위해 엔진 제어기(ECU)는 속도 제어를 위한 토크에 마진을 둔다.

한편, TMED 방식의 하이브리드 차량에서 EV 모드 주행 중 HEV 모드로 전환하기 위해서는 엔진과 모터 사이의 엔진 클러치를 결합하여 엔진 동력이 구동축으로 전달 가능한 상태가 되도록 하는 과정이 필요하다. 또한, 엔진 클러치를 결합하기 위해서는 엔진 속도와 모터 속도를 동기화하는 과정이 필요하고, 속도 동기화가 이루어지지 않은 상태에서 엔진 클러치를 강제로 결합할 경우 충격이 발생한다.

모터의 가용 파워가 충분한 경우에는 EV 모드에서 모터 속도를 운전 상태가 유지될 수 있는 엔진 최저 속도까지 상승시키는 것이 가능하고, 속도 동기화가 이루어진 상태에서 엔진 클러치를 결합하는 것이 가능하다. 하지만, 전술한 바와 같이 배터리 온도나 충전 상태 등으로 인해 모터의 가용 파워가 제한되거나, 도로 구배도 증가 등으로 인해 주행 저항이 커서 모터의 파워만으로 발진감을 확보하기 어려운 경우 EV 주행만으로 운전 상태가 최소로 유지될 수 있는 엔진 속도까지 모터 속도를 상승시킬 수 없다.

따라서, 상기한 조건에서는 모터 토크를 사용하는 EV 주행과 함께 엔진 클러치 슬립을 통해 엔진 토크를 구동축으로 전달하여 사용하는 슬립 발진 주행이 필요하다. 종래의 하이브리드 차량(HEV,PHEV)에서 엔진 클러치 슬립 상태를 이용하는 슬립 발진시 유압 인가를 통해 엔진 클러치를 슬립 상태로 제어하여 구동축에 엔진 토크가 전달되도록 하고, 이때의 전달토크를 구동토크로 사용한다. 이와 동시에 엔진 클러치 슬립 구간에서 엔진측 부하가 증가함에 따라 엔진 스톨 방지와 안정적인 엔진 토크 출력 및 전달을 위하여 속도 변동이 발생하지 않도록 엔진 제어기(ECU)가 자체적으로 엔진 속도 제어를 수행한다.

이와 같은 엔진 속도 제어시 부하량(엔진 클러치 슬립 부하 + HSG 충전 부하)을 상위 제어기인 하이브리드 제어기(HCU)에서 연산하여 엔진 제어기(ECU)로 전달하고, 엔진 제어기에서는 엔진을 아이들 속도로 유지하기 위한 토크에 더하여 상기 하이브리드 제어기에서 전달된 부하량의 토크를 추가로 출력하기 위한 제어를 수행한다.

또한, 슬립 발진 제어를 이용하는 상황이 모터의 가용 파워가 제한 또는 부족한 상황이므로 모터 파워를 추가로 확보하는 제어가 필요한데, 종래에는 엔진 회전력으로 HSG를 발전기로 작동시켜 배터리를 충전함으로써 그 충전 파워를 모터 구동을 위한 파워로 이용한다. 이를 위한 제어를 "시리즈 발진 제어"라 칭할 수 있다.

상기한 시리즈(series) 발진 제어시에도 엔진 토크가 사용되기 때문에 추가되는 파워가 엔진측에 부하로 작용하는데, 엔진 속도 제어를 위해 하이브리드 제어기가 해당 부하량을 연산하여 엔진 제어기에 전달하고, 이에 엔진 제어기가 엔진을 제어하여 추가적인 토크를 확보한다.

한편, 종래 기술에 따른 하이브리드 차량의 발진 제어에는 다음과 같은 문제점이 있다.

먼저, 엔진 제어기가 엔진을 아이들 속도로 제어할 때 제어 강건성을 확보하는데 어려움이 있다. 종래의 아이들 속도 제어 및 엔진 클러치 슬립 발진 제어시에 발생하는 엔진측 부하량 급변이나 고지, 극저온 등 엔진 토크에 영향을 주는 환경요소에 따라 제어가 영향을 많이 받으며, 엔진 특성상 아이들 속도 제어 중 상기한 부하량 변화에 따른 반응성(reaction)이 부족하여 엔진 속도 유지가 어려운 경우가 많이 발생한다. 이 경우 속도 하락에 따른 출력 부족이나 엔진 스톨 발생, 속도 변화에 따른 NVH 성능 악화, 운전성 악화, 결국 그로 인한 차량 상품성 저하 등의 여러 문제가 발생할 수 있다.

다음으로, 엔진 제어기에 의한 아이들 속도 제어시 안정적인 토크 출력을 확보하는데 어려움이 있다. 즉, 아이들 속도 제어시 엔진 속도 변화에 따른 피드백 제어가 수행되는데, 속도 제어 중 슬립 발진을 위한 추가적인 엔진 토크 출력 요구시 속도 제어와 구동토크 확보를 위한 제어가 동시에 필요하여 제어성이 악화되는 것은 물론 안정적인 토크 출력을 확보하는데 어려움이 있다.

특히, 터보차저가 적용된 엔진을 사용하는 경우 아이들 속도 제어와 토크 확보를 위한 터보 부스팅(boosting) 제어를 동시에 수행해야 하기 때문에 속도 제어의 강건성 및 토크 출력 확보가 어려운 한계가 있다. 만약, 엔진 아이들 속도 제어의 강건성 확보를 위해 터보 부스팅 제어를 미사용할 경우, 하기 표 1의 엔진 속도 1200rpm에서 터보 미동작 토크 수준까지만 출력 확보가 가능하고, 결국 터보 동작 토크 대비 약 76% 수준의 출력만을 구동토크로 전달할 수 있으므로, 성능 측면에서 손실이 발생한다.

또한, 종래 기술에서는 시동발전기인 HSG를 이용한 모터 구동 파워 확보 제어와 엔진 클러치 슬립 발진 제어의 이원화로 인하여 제어요소가 크게 증가하는 문제가 있다. 상술한 HSG를 이용한 시리즈 발진 제어와 엔진 클러치 슬립 발진 제어의 진입 조건 및 제어 구조의 이원화로 인하여 구조적으로 제어 과정이 매우 복잡하고, 따라서 두 제어가 모두 성능 개선을 목적으로 하고 있지만 협조 제어가 어렵다.

그리고, 상기 두 가지 제어에 대한 제어요소들의 캘리브레이션(calibration)이 각각 필요하여 공수 측면에서 불리하다. 엔진 클러치 슬립 발진 제어가 모터 구동 파워 확보 및 지속적인 모터 파워 사용으로 인한 배터리 충전 상태 소모 최소화를 위한 HSG 시리즈 발진 제어와 동시에 적용되도록 구현하는 것이 유리하다.

따라서, 본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 창출한 것으로서, 종래의 엔진 제어기에 의한 엔진 아이들 속도 제어 및 토크 출력 확보의 한계를 개선할 수 있고, 이를 통해 슬립 발진시의 운전성을 확보할 수 있는 것은 물론 등판 및 제한 상황에서 차량의 주행 성능을 개선할 수 있는 하이브리드 차량의 발진 제어 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.

본 발명의 목적은 이상에서 언급된 목적으로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 다른 목적들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자(이하 '통상의 기술자')에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

상기한 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 실시예에 따르면, 제어기가 운전자의 가속 요구 검출시 차량에서 수집된 정보로부터 정해진 제어 진입 조건을 만족하는지를 판단하는 단계; 상기 제어 진입 조건을 만족하는 것으로 판단한 경우, 제어기에 의해 슬립 발진 및 시리즈 발진 통합 제어가 시작되고, 엔진에 동력 전달 가능하게 연결된 시동발전기의 충전 파워가 결정되는 단계; 제어기에서 상기 결정된 시동발전기 충전 파워를 기초로 엔진 통합 부하량이 결정되고, 상기 결정된 엔진 통합 부하량을 기초로 엔진 목표 운전 토크가 결정되는 단계; 제어기에 의해 엔진 토크를 상기 결정된 엔진 목표 운전 토크로 제어하는 엔진 토크 제어가 실시되고, 상기 시동발전기를 이용한 배터리 충전이 실시되는 단계; 제어기에 의해 시동발전기를 이용한 엔진 속도 제어가 실시되는 단계; 및 제어기에 의해 엔진 클러치에 조절된 유압이 인가되도록 하여 엔진 클러치 슬립 제어가 실시되는 단계를 포함하는 하이브리드 차량의 발진 제어 방법을 제공한다.

이로써, 본 발명에 따른 하이브리드 차량의 발진 제어 방법에 의하면, 종래의 엔진 제어기에 의한 엔진 아이들 속도 제어 및 토크 출력 확보의 한계를 개선할 수 있고, 이를 통해 슬립 발진시의 운전성을 확보할 수 있는 것은 물론 등판 및 제한 상황에서 차량의 주행 성능을 개선할 수 있는 효과가 있다.

도 1은 하이브리드 차량의 파워 트레인 구성을 예시한 도면이다.
도 2는 하이브리드 차량의 제어기 및 주요 장치 구성을 나타낸 도면이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 발진 제어의 전체 과정을 나타낸 순서도이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 슬립 발진 및 시리즈 발진 제어의 진입 조건과 HSG를 이용한 속도 제어 과정을 나타낸 순서도이다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 발진 제어 과정에서 엔진 통합 부하량 연산 및 엔진 목표 운전 토크 결정 과정을 나타낸 순서도이다.

발명의 실시예에서 제시되는 특정한 구조 내지 기능적 설명들은 단지 본 발명의 개념에 따른 실시예를 설명하기 위한 목적으로 예시된 것으로, 본 발명의 개념에 따른 실시예들은 다양한 형태로 실시될 수 있다. 또한, 본 명세서에 설명된 실시예들에 한정되는 것으로 해석되어서는 아니 되며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경물, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.

한편, 본 발명에서 제1 및/또는 제2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 한정되지는 않는다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소들과 구별하는 목적으로만, 예컨대 본 발명의 개념에 따른 권리 범위로부터 벗어나지 않는 범위 내에서, 제1구성요소는 제2구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2구성요소는 제1구성요소로도 명명될 수 있다.

어떠한 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다거나 "접속되어" 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떠한 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어" 있다거나 또는 "직접 접촉되어" 있다고 언급된 때에는, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다. 구성요소들 간의 관계를 설명하기 위한 다른 표현들, 즉 "~사이에"와 "바로 ~사이에" 또는 "~에 인접하는"과 "~에 직접 인접하는" 등의 표현도 마찬가지로 해석되어야 한다.

명세서 전체에 걸쳐서 동일한 참조번호들은 동일한 구성요소들을 나타낸다. 본 명세서에서 사용된 용어는 실시 예들을 설명하기 위한 것이며, 본 발명을 제한하고자 하는 것은 아니다. 본 명세서에서 단수형은 문구에서 특별히 언급되지 않는 한 복수형도 포함된다. 명세서에서 사용되는 "포함한다(comprises)" 및/또는 "포함하는(comprising)"은 언급된 구성요소, 단계, 동작 및/또는 소자가 하나 이상의 다른 구성요소, 단계, 동작 및/또는 소자의 존재 또는 추가를 배제하지 않는다.

도 2는 하이브리드 차량의 제어기 및 주요 장치 구성을 나타낸 도면이다. 이하 본 발명의 실시예를 설명함에 있어 하이브리드 차량의 제어기 및 장치 구성에 대해서는 도 1과 도 2를 참조하기로 한다.

본 발명은 종래의 엔진 제어기에 의한 엔진 아이들 속도 제어 및 토크 출력 확보의 한계를 개선할 수 있고, 이를 통해 슬립 발진시의 운전성을 확보할 수 있는 것은 물론 등판 및 제한 상황에서 차량의 주행 성능을 개선할 수 있는 하이브리드 차량의 발진 제어 방법을 제공하고자 하는 것이다.

본 발명의 제어 과정은 복수 개의 차량 내 제어기 사이에 이루어지는 협조 제어에 의해 수행될 수 있다. 즉, 도 2에 나타낸 바와 같이, 하이브리드 차량에는 운전정보 검출부(10)에 의해 검출되는 차량 운전 정보를 기초로 차량 작동의 전반을 제어하는 최상위 제어기인 하이브리드 제어기(이하 'HCU'라 칭함)(20)가 탑재되고, 더불어 차량의 각종 장치를 제어하기 위한 여러 제어기들이 구비된다.

예를 들어, 하이브리드 제어기(20)와 함께, 엔진(1)의 작동을 제어하는 엔진 제어기(이하 'ECU'라 칭함)(30), 구동모터(3)와 HSG(7)의 작동을 제어하는 모터 제어기(이하 'MCU'라 칭함)(40), 변속기(4)의 작동을 제어하는 변속 제어기(이하 'TCU'라 칭함)(50), 배터리 상태 정보를 수집하고 배터리(6)를 관리하기 위한 제어를 수행하는 배터리 제어기(이하 'BMS'라 칭함)(60)가 차량 네트워크를 통해서 서로 정보를 주고받으면서 차량 발진을 위한 협조 제어를 수행할 수 있다.

도 2의 장치 구성 중 엔진 클러치(2)는 HCU(20)에 의해 제어될 수 있고, 이때 HCU(20)가 출력하는 제어 명령에 따라 엔진 클러치(2)에 인가되는 유압이 제어된다.

또한, 도 2의 장치 구성 중 운전정보 검출부(10)는 엔진 속도(RPM)를 검출하는 엔진 속도 검출부, HSG(시동발전기) 속도를 검출하는 HSG 속도 검출부, 및 운전자의 가속 페달 입력값(APS 값)을 검출하는 가속페달 검출부를 포함한다. 상기 HSG 속도 검출부는 HSG(7)에 설치된 통상의 레졸버(resolver)일 수 있고, 가속페달 검출부는 가속페달에 설치되어 운전자의 가속페달 조작 상태에 따른 전기적인 신호를 출력하는 통상의 가속페달 센서(Accelerator Position Sensor, APS)일 수 있다.

이하의 설명에서 각 단계나 과정별 제어 주체가 상기한 제어기들인 것으로 설명하지만, 본 발명에 따른 발진 제어 과정은 복수 개의 제어기 대신 통합된 하나의 제어요소에 의해서도 수행될 수 있다. 복수 개의 제어기와 통합된 하나의 제어요소를 모두 제어기라 통칭할 수 있고, 이 제어기에 의해 본 발명의 발진 제어 과정이 수행된다 할 수 있다. 이하의 설명에서 제어기는 상기 통칭하는 제어기이거나 상기한 제어기들 중 하나를 지칭하는 것일 수 있다.

하기 표 2는 종래와 본 발명에 따른 발진 제어 과정에서 슬립 발진시 엔진 속도 제어의 주체를 예시한 것이다.

표 2에 나타낸 제어 주체 및 담당 제어는 예시적인 것으로, 본 발명이 이에 의해 한정되는 것은 아니며, 제어 주체 및 담당 제어는 해당 제어기가 통상적으로 수행하는 제어 기능으로부터 크게 벗어나지 않는 수준에서 적절히 변경 가능하다.

본 발명에서는 엔진 클러치(2)를 이용한 슬립 발진 제어와 HSG(7)를 이용한 시리즈 발진 제어를 통합한 제어 구성이 적용된다. 즉, 본 발명에서는 슬립 발진과 시리즈 발진의 통합 제어가 수행되며, 종래 기술에서 슬립 발진 제어와 시리즈 발진 제어별로 각각 진입 조건 설정 및 판단, 엔진 부하량의 연산 및 송출이 이루어지던 것을, 본 발명에서는 슬립 발진 제어와 시리즈 발진 제어의 동시 진입 및 엔진 통합 부하량의 연산으로 변경된다. 이를 위해 슬립 발진 및 시리즈 발진의 통합 제어를 시작하기 위한 제어 진입 조건이 제어기(HCU)에 설정된다.

이에 더하여, 본 발명에 따른 발진 제어 방법에서는 슬립 발진과 시리즈 발진시 HSG(7)를 이용한 엔진 속도 제어 과정이 추가된다. 즉, 종래에는 ECU(30)가 자체적으로 엔진에 대한 아이들 속도 제어를 실시하였으나, 본 발명에서는 표 2에 예시된 바와 같이 HCU(20)와 MCU(40)가 엔진 연결 모터인 시동발전기, 즉 HSG(7)를 이용한 엔진 속도 제어를 위한 협조 제어를 실시한다. 이때, HSG(7)에 대한 피드백 및 피드포워드 제어와 속도 발산시 엔진 토크 인터벤션(intervention, 토크 제한) 제어가 수행될 수 있다.

또한, 본 발명에 따른 발진 제어 방법은 슬립 발진 및 시리즈 발진시 엔진 토크의 운전점 결정 및 연산 과정을 포함하며, HCU(20)에서 HSG(7)에 의한 시리즈 충전량(HSG에 의한 배터리 충전량)과 엔진 클러치(2)의 슬립량을 고려하여 엔진(1)이 출력해야 하는 토크 및 운전점을 결정한다.

또한, 본 발명에 따른 발진 제어 방법에서는 HSG 출력 부족이나 고장 상황으로 인해 HSG(7)를 이용한 엔진 속도 제어의 수행이 불가하거나 제어 실패시에는 종래에 실시되던 엔진 속도 제어, 즉 ECU에 의한 자체 엔진 아이들 속도 제어 과정이 실시된다.

도 3은 본 발명의 실시예에 따른 발진 제어의 전체 과정을 나타낸 순서도이고, 도 4는 본 발명의 실시예에 따른 슬립 발진 및 시리즈 발진의 통합 제어 진입 조건과 HSG를 이용한 속도 제어 과정을 나타낸 순서도이다.

또한, 도 5는 본 발명의 실시예에 따른 발진 제어 과정에서 엔진 통합 부하량 연산 및 엔진 목표 운전 토크 결정 과정을 나타낸 순서도이다. 도 3 내지 도 5를 참조하여 제어 과정에 대해 더 상세히 설명하기로 한다.

본 발명에서는 전술한 바와 같이 슬립 발진 제어와 시리즈 발진 제어의 진입 조건이 동일하며, 정해진 진입 조건을 만족할 경우 슬립 발진 제어와 시리즈 발진 제어가 모두 수행된다. 즉, 운전자 가속 의지 검출이 있고 난 후 정해진 진입 조건을 만족하면 슬립 발진시 시리즈 발진 제어도 함께 시작 및 수행되는 것이며, 엔진(1)의 회전력으로 HSG(7)를 발전기로 구동시켜 HSG에 의한 배터리 충전 및 이를 통한 모터(1)의 가용 파워와 구동토크를 확보하게 된다. 이와 같이 본 발명에서는 엔진 클러치(2)를 이용한 슬립 발진 제어와 HSG(7)를 이용한 시리즈 발진 제어가 통합되므로 제어 간략화가 가능해진다.

도 3 및 도 4에 나타낸 바와 같이, 기본적으로 운전자 가속 의지가 있을 경우 차량의 발진(출발) 제어가 시작되는데(S20), 제어기(HCU)가 운전정보 검출부(10) 중 가속페달 검출부의 신호로부터 운전자 가속 의지가 있음을 판단하게 된다(운전자 가속 요구 검출)(S10).

또한, 운전자 가속 요구 검출 후 차량의 발진 제어가 시작되면(S20), 제어기(HCU)는 차량에서 수집된 정보를 기초로 현재 차량 상태가 미리 정해진 제어 진입 조건을 만족하는지를 판단한다. 여기서, 상기 제어 진입 조건을 만족하는 것으로 판단한 경우, 제어기는 슬립 발진과 시리즈 발진을 위한 통합 제어, 즉 슬립 발진 및 시리즈 발진 통합 제어를 시작한다(S30).

도 4를 참조하면, 상기 제어 진입 조건은 배터리 충/방전 파워(절대값)가 미리 설정된 제1 임계값(P_th)을 초과하는 조건(S22), 및 HSG 충/방전 토크 제한값(절대값)이 미리 설정된 제2 임계값(Tq_th)을 초과하는 조건(S23)을 포함할 수 있다. 이에 더하여, 고장 진단 결과로서 HSG의 구동을 제어하는 MCU(인버터 포함)의 고장 등이 미발생한 상태(MCU 정상 상태)인 조건(S21)을 더 포함할 수 있다.

상기 제어 진입 조건을 모두 만족하는 경우 전술한 바와 같이 슬립 발진 제어와 시리즈 발진 제어를 함께 수행하는 통합 제어, 즉 본 발명에서 제시되는 슬립 발진 및 시리즈 발진 통합 제어가 시작된다(S30,S31). 반면, 상기 제어 진입 조건 중 어느 하나라도 만족하지 않는 경우 ECU(30)에 의한 엔진 아이들 속도 제어 과정을 포함하는 종래의 슬립 발진 제어가 실시된다(S24).

상기 제어 진입 조건에서 제1 임계값(P_th)은 배터리 충/방전 파워 제한에 의해 HSG(7)를 이용한 엔진 속도 제어가 불가능해지는 파워 임계값으로 정해진 뒤 HCU(20)에 입력 및 저장되어 사용된다. 배터리 충/방전 파워 제한에 의해 HSG(7)에 의한 최소한의 엔진 속도 제어가 불가하여 목표 속도 유지가 불가하고 그로 인해 차량 발진이 불가해지는 상황을 방지하기 위해, 배터리 충/방전 파워가 제1 임계값(P_th) 이하인 경우 종래의 슬립 발진 제어(S24)로 천이된다.

상기 제1 임계값(P_th)은 고정값 아닌 에어컨 장치나 기타 차량 내 전장 부품 등의 소모 파워에 따라 가변될 수 있는 값이며, 제어기(HCU)에서 차량 내 전장 부품의 소모 파워로부터 그에 상응하는 제1 임계값(P_th)이 설정 정보에 의해 결정될 수 있다. 여기서, 설정 정보는 소모 파워와 제1 임계값(P_th)의 상관관계를 미리 정의해놓은 데이터로서, 소모 파워에 따른 값으로 제1 임계값(P_th)이 설정된 맵이나 테이블, 수식 등이 될 수 있다.

또한, 상기 제어 진입 조건에서 제2 임계값(Tq_th)은 HSG 충/ 방전 토크 제한에 의해 HSG(7)를 이용한 엔진 속도 제어가 불가능해지는 토크 임계값으로 정해진 뒤 HCU(20)에 입력 및 저장되어 사용된다. MCU(40) 및 인버터의 고장이나 배터리(6)의 저 SOC 상태에 의한 토크 제한시 속도 제어가 불가하므로 HSG 충/방전 토크를 모니터링하여 제2 임계값(Tq_th) 이하인 경우, 종래의 슬립 발진 제어(S24)로 천이된다.

상기 HSG 충/방전 토크 제한값에 대한 임계값인 상기 제2 임계값(Tq_th)은 상기 운전정보 검출부(10) 중 가속페달 검출부에 의해 검출되는 가속페달 입력값(APS 값)이나 운전자 요구 토크에 따라 가변될 수 있다. 가속페달 입력값 또는 운전자 요구 토크값이 클수록 엔진 클러치(2)의 슬립 사용량이 증가하고 큰 부하량에 의한 속도 제어 변동량이 커지므로, 제2 임계값(Tq_th)이 가속페달 임계값 또는 운전자 요구 토크에 따라 가변될 수 있도록 하는 것이다.

상기 운전자 요구 토크는 통상의 하이브리드 차량 제어 과정에서 가속페달 입력값 등의 차량 운전 정보로부터 결정되어 기 사용되고 있는 제어 변수이므로 본 명세서에서는 그 계산 방법 등에 대한 설명을 생략하기로 한다.

이와 같이 제어기(HCU)에서 제2 임계값(Tq_th)이 설정 정보에 의해 결정되도록 할 때, 상기 설정 정보는 가속페달 입력값 또는 운전자 요구 토크와 제2 임계값의 상관관계를 미리 정의해놓은 데이터로서, 가속페달 입력값 또는 운전자 요구 토크에 따른 값으로 제2 임계값(Tq_th)이 설정된 맵이나 테이블, 수식 등이 될 수 있다.

한편, 상기 제어 진입 조건을 모두 만족하여 슬립 발진 및 시리즈 발진 통합 제어가 시작되면(S30,S31) HCU(20)와 MCU(40)가 시리즈 발진을 위한 협조 제어를 실시한다. 이때, HCU(20)와 MCU(40)는 HSG 충전 파워를 결정한 후(S32), 상기 결정된 HSG 충전 파워를 이용하여 엔진 통합 부하량 연산 과정(S40)과 엔진 목표 운전 토크 결정 과정(S50)을 실시하고, 이와 더불어 HSG를 이용한 엔진 속도 제어를 실시한다(S70). 또한, ECU(30)는 슬립 발진을 위해 엔진 토크 제어를 실시한다.

슬립 발진 및 시리즈 발진 통합 제어 과정에 대해 좀 더 상세히 설명하면, 먼저 제어기(HCU)에서 HSG 충전 파워가 결정되는데(S32), 여기서 '충전'은 HSG에 의한 배터리 충전을 의미한다. 본 발명의 실시예에서 HSG 충전 파워는 HSG 스펙(Spec.)에 따라 연속 충전 가능한 최대 파워에서 HSG 속도 제어 마진 파워를 뺀 파워값으로 결정될 수 있다.

HSG 충전 파워는 제어의 안정성 및 발진 성능 등을 고려하여 엔진 목표 속도나 다른 외부 조건에 의해 가변될 수 있는 값으로서, HSG 스펙에 의해서 충전 가능한 최대 파워가 제한되어지기 때문에 HSG 스펙의 충전 가능 연속 정격을 기준을 참고하여 해당 값보다 마진 파워만큼 더 작은 값으로 결정되어 사용된다. 상기 HSG 속도 제어를 위한 마진 파워도 차량 조건에 따라 가변되는 값(예, HSG 파워를 기준으로 1kW)일 수 있다. HSG 충전 파워는 하이브리드 차량 제어에 있어서 기 사용되는 제어 변수 중 하나로서, 결정 방법에 대해서는 다양하게 알려져 있는바, 본 명세서에서 추가적인 설명은 생략하기로 한다.

상기와 같이 HSG 충전 파워가 결정되면, 이를 이용하여 슬립 발진 및 시리즈 발진시의 엔진 통합 부하량을 연산한다(S40). 본 발명의 실시예에서 엔진 통합 부하량을 연산하는 과정은 도 5에 나타낸 바와 같다.

엔진 통합 부하량을 연산하기 위해, 상기 결정된 HSG 충전 파워와 HSG 목표 속도를 이용하여 HSG 목표 충전 토크를 결정한다(S41). 여기서, HSG 목표 속도는 엔진 클러치 결합시의 엔진 목표 속도에 비례하는 값, 즉 상기 엔진 목표 속도에 미리 설정된 팩터 값이 곱해진 값으로 설정될 수 있다. 여기서, 팩터 값은 HSG 동력전달기구의 풀리비일 수 있다.

구체적으로는, 엔진(1)과 HSG(7)가 벨트 및 풀리를 포함하는 동력전달기구로 연결되어 있기 때문에, 'HSG 목표 속도 = 엔진 목표 속도 × HSG 동력전달기구의 풀리 비(pulley ratio)'의 식에 의해 HSG 목표 속도가 계산될 수 있다.

이때, 엔진 목표 속도는 엔진 클러치 결합시 운전 상태가 유지될 수 있는 엔진 최저 속도(RPM)로 설정되고, HSG 목표 속도는 상기 엔진 목표 속도에 풀리비를 곱한 값으로 설정될 수 있다.

본 발명의 실시예에서 제어기(HCU)에 HSG 목표 속도가 미리 설정되어 HSG 목표 충전 토크를 결정하는데 이용되거나, 제어기에 엔진 목표 속도와 풀리 비가 미리 설정 입력되어(엔진 목표 속도와 풀리 비의 곱이 HSG 목표 속도임) HSG 목표 충전 토크를 결정하는데 이용될 수 있다.

제어기(HCU)에서 HSG 목표 충전 토크는 상기 결정된 HSG 충전 파워와 HSG 목표 속도로부터 수식에 의해 계산될 수 있으며, HSG 목표 충전 토크를 계산하기 위한 수식은 하기 수학식 1과 같다.

[수학식 1]

HSG 목표 충전 토크 = [HSG 충전 파워/(HSG 목표 속도×2π/60)] - C

상기 수학식 1에서 'C'는 엔진 속도 오차 보상을 위한 보상 토크(이하 '엔진 속도 오차 보상 토크'라 칭함) 값으로서, HSG 목표 충전 토크를 계산하는데 이용되는 엔진 속도 오차 보상 토크는 이전 제어주기에서 결정된 값이다(이전 제어주기의 S45 단계에서 결정된 값임, 도 5 참조).

여기서, 엔진 속도 오차는 실제 엔진 속도와 엔진 목표 속도의 차이값이며, 상기 실제 엔진 속도는 운전정보 검출부 중 엔진 속도 검출부에 의해 검출되는 현재 엔진 속도이다. 또한, 상기 수학식 1에서 '2π/60'는 RPM을 Radius 값으로 변경하기 위한 상수이다.

이어 상기와 같이 HSG 목표 충전 토크가 구해지면, 제어기(HCU)에서는 HSG 목표 충전 토크에 비례하는 값, 즉 미리 정해진 팩터 값을 곱한 값으로 엔진측 HSG 충전 부하가 결정될 수 있다. 여기서, 팩터 값은 HSG 동력전달기구의 풀리비일 수 있다. 구체적으로는, 하기 수학식 2에 나타낸 바와 같이 HSG 목표 충전 토크와 HSG 동력전달기구의 풀리비를 곱한 값으로 엔진측 HSG 충전 부하가 결정될 수 있다(S42). 여기서, 부하는 토크값이다.

이어 제어기(HCU)에서는 하기 수학식 3에 나타낸 바와 같이 엔진측 HSG 충전 부하와 엔진 클러치 전달토크를 합산한 값으로 엔진 통합 부하량이 결정된다(S43).

[수학식 2]

엔진측 HSG 충전 부하 = HSG 목표 충전 토크 × 풀리비

[수학식 3]

엔진 통합 부하량 = 엔진측 HSG 충전 부하 + 엔진 클러치 전달토크

수학식 3에서 엔진 클러치 전달토크(T_CLT)는 예를 들어 'T_CLT = μ×A×P'의 식에 의해 구해질 수 있다. 여기서, 'μ'는 클러치 마찰계수, 'A'는 클러치의 유효 면적, 'P'는 클러치 유압을 나타낸다. 엔진 클러치 전달토크를 계산하는 식은 실제 차량에 적용된 클러치의 스펙(Spec.) 및 구조에 따라 변경 가능하다. 엔진 클러치 전달토크는 하이브리드 차량 제어에 있어서 기 사용되는 제어 변수 중 하나로서, 결정 방법에 대해서는 다양하게 알려져 있는바, 본 명세서에서 추가적인 설명은 생략하기로 한다.

또한, 제어기(HCU)에서 상기 수학식 2에 의해 결정된 엔진측 HSG 충전 부하와 속도 제어 피드백 토크(feedback)를 이용하여 HSG 출력 토크가 계산될 수 있고, 이때 HSG 출력 토크를 계산하기 위한 식은 하기 수학식 4와 같다.

[수학식 4]

HSG 출력 토크 = (엔진측 HSG 충전 부하/풀리비) + 속도 제어 피드백 토크

상기 수학식 4를 참조하면, 엔진측 HSG 충전 부하와 속도 제어 피드백 토크로부터 HSG 출력 토크가 계산됨을 알 수 있으며, 이때 HSG 동력전달기구의 풀리비가 함께 이용됨을 볼 수 있다. 여기서, 속도 제어 피드백 토크는 HSG(7)를 이용한 엔진 속도 제어 과정(S70)에서 후술하는 바와 같이 HSG 속도 검출부에 의해 검출되는 HSG 속도가 HSG 목표 속도를 추종하도록 하는 HSG 토크값이 될 수 있다. 상기 속도 제어 피드백 토크는 HSG 속도가 HSG 목표 속도를 추종할 수 있도록 현재 HSG 속도와 목표 속도의 오차를 참조하여 피드백 제어하도록 출력되는 HSG 토크를 의미한다.

이어 제어기(HCU)에서는 상기 계산된 HSG 출력 토크를 이용하여 엔진 속도 오차 보상 토크를 결정한다(S44). 이때 계산되는 엔진 속도 오차 보상 토크(C)는 다음 제어주기의 S41 단계에서 HSG 목표 충전 토크를 결정하는데 이용된다.

엔진 속도 오차 보상 토크를 결정하는 과정(S44)에 대해 더 상세히 설명하면, 제어기(HCU)에서 HSG 충전 제한 토크와 HSG 출력 토크, HSG 목표 충전 토크로부터 설정 정보를 이용하여 엔진 속도 오차 보상 토크가 결정되는데, 이때 설정 정보는 HSG 충전 제한 토크와 HSG 출력 토크, HSG 목표 충전 토크에 상응하는 엔진 속도 오차 보상 토크가 설정된 맵 또는 테이블이 될 수 있다. 또는 상기 설정 정보는 HSG 충전 제한 토크, 이전 제어 주기에서 결정된 HSG 출력 토크와 HSG 목표 충전 토크로부터 엔진 속도 오차 보상 토크를 계산할 수 있는 수식이 될 수 있다.

상기 HSG 충전 제한 토크는 HSG의 하드웨어 스펙(H/W Spec.)에 따른 값으로서, 이는 제어기에서 배터리 가용 파워와 HSG 속도를 입력 변수로 하여 맵(map)으로부터 결정되는 값일 수 있다. HSG를 허용 정격 이상 사용하지 않도록 하기 위하여 HSG 충전 파워 연속 정격 스펙(Spec.)을 현재 배터리 가용 파워와 HSG 속도에 따라 해당 시점에서 사용 가능한 최대 토크로 출력 및 제한할 수 있도록 결정되는 값이다.

하기 표 3은 HSG 충전 제한 토크(①)와 HSG 출력 토크(②), HSG 목표 충전 토크(③)로부터 그에 상응하는 엔진 속도 오차 보상 토크(C)가 결정될 수 있도록 한 맵을 예시한 것이다.

구체적으로, 상기 표 3은 HSG 목표 충전 토크(③)와 HSG 출력 토크(②)의 차이값(③-②)과, HSG 충전 제한 토크(①)와 HSG 출력 토크(②)의 차이값(①-②)에 상응하는 값으로 엔진 속도 오차 보상 토크(C)가 설정된 맵을 예시하고 있다.

표 3에서 ③-②의 값은 엔진 속도 오차량 판단과 관련된 값이고, ①-②의 값은 충전 제한을 고려하여 엔진 속도 오차에 대한 제어 마진을 추가로 확보하기 위해 고려되는 값이다. 상기 맵에서 ③-②와 ①-②의 수치 사이의 값에 해당하는 엔진 속도 오차 보상 토크값은 보간(interpolation)에 의해 결정될 수 있다.

본 발명의 실시예에서 표 3의 맵에 나타낸 바와 같이 ③-②의 값이 클수록, 그리고 (①-②)의 값이 클수록 엔진 속도 오차 보상 토크(C)값이 더 큰 값으로 설정될 수 있다.

그리고, 상기와 같이 수학식 3에 의해 엔진 통합 부하량이 결정되면, 도 3에 나타낸 바와 같이 제어기(HCU)에서는 상기 결정된 엔진 통합 부하량 정보를 이용하여 엔진 목표 운전 토크를 결정한다(S50).

도 5를 참조하여 설명하면, 제어기(HCU)에서는 먼저 실제 엔진 속도와 엔진 목표 속도의 차이값인 엔진 속도 오차를 계산한 뒤(S51), 엔진 속도 오차와 운전자 가속페달 입력값(APS 값) 또는 운전자 요구 토크로부터 설정 정보를 이용하여 엔진 토크 제한값(D)을 결정한다(S52). 상기 실제 엔진 속도는 운전정보 검출부(10) 중 엔진 속도 검출부에 의해 검출되는 차량 운전 정보이고, 가속페달 입력값은 운전정보 검출부 중 가속페달 검출부에 의해 검출되는 차량 운전 정보이다.

상기 엔진 토크 제한값은 엔진 속도 발산을 방지하기 위한 값으로서, 엔진 속도 오차와 가속페달 입력값 또는 운전자 요구 토크에 따라 가변된다. 본 발명에서 엔진 속도 오차와 가속페달 입력값 또는 운전자 요구 토크에 따른 값으로 엔진 토크 제한값(D)이 설정되어 있는 설정 정보가 이용되는데, 이 설정 정보는 맵이나 테이블, 수식이 될 수 있다.

하기 표 4는 엔진 속도 오차와 운전자 요구 토크로부터 엔진 토크 제한값이 결정될 수 있는 맵을 예시한 것으로, 이를 참조하면 엔진 속도 오차와 운전자 요구 토크에 상응하는 엔진 토크 제한값이 설정됨을 알 수 있다.

본 발명의 실시예에서 표 4에 나타낸 바와 같이 엔진 속도 오차가 클수록, 그리고 운전자 요구 토크값이 클수록 엔진 속도 발산 방지를 위한 엔진 토크 제한값이 더 큰 값으로 설정될 수 있다.

상기와 같이 엔진 토크 제한값이 결정되면, 제어기, 구체적으로 HCU(20)는 엔진 통합 부하량과 엔진 토크 제한값 중 작은 값을 엔진 목표 운전 토크로 최종 결정한다(S53). 이어 HCU(20)는 상기 최종 결정된 엔진 목표 운전 토크를 ECU(30)로 전달하고, 이에 ECU(30)는 HCU(20)로부터 전달된 최종 엔진 목표 운전 토크를 목표값으로 하여 엔진 토크를 제어한다(S60).

이와 같이 HCU(20)에서 엔진 목표 운전 토크가 최종 결정되면, ECU(30)에서 HCU(20)로부터 전달된 엔진 목표 운전 토크를 목표값으로 하여 엔진 토크를 제어할 수 있으나, 이와 달리 최종 엔진 목표 운전 토크가 ECU(30)에서 결정되도록 할 수도 있다.

즉, HCU(20)가 상기 결정된 엔진 통합 부하량을 엔진 목표 운전 토크값으로서 ECU(30)에 전달하고, 동시에 상기 결정된 엔진 토크 제한값을 ECU(30)로 전달한다. 이에 ECU(30)는 HCU(20)로부터 전달된 엔진 목표 운전 토크와 엔진 토크 제한값으로부터 엔진 목표 운전 토크를 최종 결정하고, 최종 결정된 엔진 목표 운전 토크를 목표값으로 하여 엔진 토크를 제어한다. ECU(30)에서 최종 엔진 목표 운전 토크값은 엔진 통합 부하량과 엔진 토크 제한값 중 작은 값으로 결정된다.

이와 같이 ECU(30)에서 엔진 통합 부하량을 엔진 목표 운전 토크값으로 이용하되, 엔진 통합 부하량이 엔진 속도 발산 방지를 위한 엔진 토크 제한값보다 큰 경우 상기 엔진 토크 제한값으로 엔진 목표 운전 토크값을 제한한다.

이로써, ECU(30)에서는 최종 결정된 엔진 목표 운전 토크값을 목표값으로 하여 엔진 토크를 제어할 수 있게 된다. 결국, 종래에는 ECU에서 엔진 속도 제어가 수행되었으나, 본 발명에서는 ECU에서 엔진 토크 제어가 수행되며, 이에 본 발명에서는 ECU에서의 엔진 속도 제어가 불필요해지는 것은 물론 엔진 최대 토크 출력 제어가 가능해진다.

본 발명에서 ECU(30)에 의한 엔진 토크 제어 과정에서는 순수 엔진 토크 제어시 필요했던 기존의 예비 토크가 불필요하므로 엔진 출력 변화량을 최소화하여 현재 엔진 최대 출력을 구동토크로 전량 사용 가능하고, 이와 더불어 모터 속도 제어를 통해 제어 강건성 및 빠른 응답성 확보가 가능해진다. 또한, 제어기 내에서 엔진 통합 부하량 연산 과정과 엔진 목표 운전 토크 결정 과정이 통합됨으로써 제어의 간략화가 가능해진다.

한편, 도 3에 나타낸 바와 같이, 슬립 발진 및 시리즈 발진 제어시 HCU(20)와 MCU(40)의 협조 제어에 의해 HSG(7)를 이용한 엔진 속도 제어가 실시된다(S70). 엔진(1)과 HSG(7) 사이에 풀리비(pulley ratio)에 상응하는 속도 차이가 존재하지만, HSG(7)가 벨트 및 풀리를 포함하는 동력전달기구에 의해 엔진(1)과 동력 전달 가능하게 연결되어 있기 때문에, HSG를 이용하여 엔진 속도를 목표 속도로 피드백(feedback) 제어하는 것이 가능하다.

본 발명에서는 차량 발진시 엔진 속도 제어를 위해 제어기가 HSG(7)를 이용하는데, HSG(7)를 이용하여 엔진 속도가 엔진 목표 속도를 추종하도록 제어한다. 이때, 엔진 속도가 엔진 목표 속도로 제어되도록 실제 엔진 속도를 제어하는 것이 아닌, 제어기(HCU 및 MCU)가 엔진(1)에 동력 전달 가능하게 연결된 HSG(7)의 속도를 제어하게 된다. 즉, HSG 속도가 HSG 목표 속도에 도달하도록 HSG의 구동을 피드백 제어하여 엔진 속도가 엔진 목표 속도로 유지되도록 하는 것이며, 여기서 HSG 목표 속도는 엔진 목표 속도로부터 구해진다.

전술한 바와 같이, HSG(7)가 엔진(1)에 상시 동력 전달 가능하게 연결되어 있기 때문에 HSG 목표 속도는 엔진 목표 속도와 관련되어 있으며, 'HSG 목표 속도 = 엔진 목표 속도×HSG 동력전달기구의 풀리 비(pulley ratio)'의 관계를 가진다. 이때, 엔진 목표 속도는 엔진 클러치 결합시 운전 상태가 유지될 수 있는 엔진 최저 속도(RPM)로 설정되고, HSG 목표 속도는 상기 엔진 목표 속도에 풀리비를 곱한 값으로 설정된다.

본 발명의 실시예에서 제어기(HCU 및 MCU)는 엔진 속도 제어 과정에서 HSG 실제 속도를 피드백 값으로 이용하여 HSG 속도가 HSG 목표 속도에 도달하도록 HSG 토크를 제어할 수 있다. 여기서, HSG 실제 속도는 운전정보 검출부(10) 중 HSG 속도 검출부에 의해 검출된 속도이다.

상기한 피드백 제어 과정에서 제어기는 HSG 실제 속도와 HSG 목표 속도의 차이값인 HSG 속도 오차값을 연산한 뒤 이 HSG 속도 오차값을 줄이는 방식으로 HSG 토크를 제어하는데, HSG 속도 오차에 P 게인을 적용하여 HSG 속도 오차를 줄이는 PI 제어가 적용 가능하다. 이와 같이 본 발명에서는 엔진 연결 모터인 HSG 속도를 피드백 제어하는 방식으로 엔진 속도를 제어함으로써 기존 ECU에 의한 엔진 속도 제어 방식에 비해 우수한 응답성 및 정확성의 확보가 가능해진다.

상기 HSG를 이용한 엔진 속도 제어 과정에서 HSG 속도를 HSG 목표 속도로 피드백 제어하기 위한 HSG 토크값(토크 명령값)은, S43 단계의 엔진 통합 부하량을 계산할 때 속도 제어 피드백 토크값으로 사용될 수 있다.

한편, HSG(7)를 이용한 엔진 속도 제어가 실시되고 나면, 제어기(HCU)는 엔진 클러치(2)에 조절된 유압을 인가하여 엔진 클러치를 슬립 제어한다(S81). 엔진 클러치의 슬립을 위한 유압 인가시에 운전자 가속의지를 나타내는 값인 운전자 요구 토크에 따라 유압 인가 기울기가 가변되도록 한다. 이때, 운전자 요구 토크가 클수록 더 큰 유압 인가 기울기가 사용되도록 하여 제어 응답성을 확보할 수 있다.

본 발명에서는 HSG 속도를 HSG 목표 속도로 제어하는 것에 의해 엔진 속도가 제어되므로 엔진 제어의 강건성이 확보될 수 있고, 종래 기술에 비해 엔진 부하에 민감하게 대응할 수 있기 때문에, 유압 인가 기울기를 더 상향시키는 것이 가능하고, 이를 통해 가속 응답 성능 및 등판 성능 등의 개선이 가능해진다.

또한, 본 발명에서 엔진 클러치의 슬립 제어를 위한 엔진 클러치 슬립 유압을 결정하는 방식 자체에 있어서는, 종래의 유압 결정 방식을 그대로 적용할 수 있다. 예를 들면, BMS(60)에서 제공하는 배터리 SOC 값과 운전자 가속페달 입력값(APS 값) 또는 운전자 요구 토크로부터 그에 상응하는 슬립 토크를 결정한 뒤, 상기 결정된 슬립 토크로부터 미리 정해진 수식을 이용하여 슬립 유압을 결정할 수 있다.

결국, 상기와 같이 결정된 슬립 유압이 엔진 클러치에 인가되도록 하여 엔진 클러치를 슬립 상태로 제어하며, 동시에 엔진 회전력에 의해 HSG(7)가 발전기로 작동되어 HSG(7)에 의한 배터리의 충전이 이루어지도록 한다(S81).

이후 배터리 충전에 의해 구동모터의 가용 파워가 증가하게 되는데, 결국 엔진(1)과 구동모터(3)의 속도 동기화 후 엔진에서 구동축으로의 전달토크가 발생하고(S81), 차량의 슬립 발진 및 시리즈 발진 주행이 가능해진다(슬립 발진 및 EV 주행거리 증대 가능)(S83).

이와 같이 하여, 본 발명에 따른 하이브리드 차량의 발진 제어 방법에 의하면, 엔진 클러치 슬립 발진 및 시리즈 발진의 통합 제어가 적용됨으로써 기존 ECU에 의한 엔진 아이들 속도 제어 및 토크 출력 확보의 한계를 개선할 수 있고, 이를 통해 슬립 발진시의 운전성을 확보할 수 있는 것은 물론 등판 및 제한 상황에서 차량의 주행 성능 및 상품성을 향상시킬 수 있게 된다.

좀 더 상세히 설명하면, 먼저, 본 발명에 의하면, 속도 제어의 강건성이 확보되므로 차량 상품성이 개선될 수 있다. 종래에는 엔진 클러치 슬립 발진 및 시리즈 발진시 ECU에 의한 엔진 자체의 속도 제어가 수행되므로 목표 속도 추종성 부족 및 엔진 스톨 발생의 문제가 있었으나, 본 발명에서는 엔진 연결 모터인 HSG를 이용한 속도 제어를 활용하여 외부 환경 조건의 영향을 최소화할 수 있다. 또한, 모터(HSG)를 통해 엔진 속도를 제어하므로 빠른 제어 응답이 가능하고, 목표 속도의 추종성 및 강건성 향상의 이점이 있게 된다. 또한, 엔진 스톨이나 슬립/시리즈 발진 성능의 저하 등 문제 없이 엔진의 최대 성능을 확보하는 것이 가능하므로 발진 성능의 개선이 이루어질 수 있다.

다음으로, 차량 발진시 최대 엔진 토크를 사용할 수 있게 되어 차량 상품성이 개선될 수 있다. 종래에는 엔진 속도 제어시 제어 응답을 위해 리저브(reserve) 토크를 확보할 필요가 있으며, 차량 구동에 사용할 수 없는 리저브 토크의 확보로 인해 출력의 손실이 발생하는 문제가 있었다. 반면, 본 발명에서는 HSG(모터)에 의한 속도 제어시 엔진에서의 리저브 토크를 확보할 필요가 없으며, 엔진의 토크 변동성을 최소화함으로써 엔진의 최대 토크를 온전히 안정적으로 사용 가능하다. 결국, 엔진의 최대 출력을 활용하는 것이 가능해짐으로써 발진 및 등판 성능의 개선이 가능해진다.

다음으로, 제어 통합을 통한 HCU 로직 구조의 간결화와 공수 최소화가 가능해진다. 종래에는 슬립 발진과 시리즈 발진 각각에 대하여 제어 진입 조건의 판단과 엔진 토크 운전점의 연산이 이루어지므로 그로 인해 제어의 복잡성 및 로직 개발의 공수가 과다한 문제가 있었다. 반면, 본 발명에서는 슬립 발진과 시리즈 발진의 통합 제어가 수행되도록 함으로서 불필요한 로직 삭제 및 로직의 간결화가 가능하고, 제어 공수의 최소화 및 강건성 확보가 가능해진다.

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.

1 : 엔진
2 : 엔진 클러치
3 : 모터
4 : 변속기
5 : 인버터
6 : 배터리
7 : HSG
10 : 운전정보 검출부
20 : 하이브리드 제어기(HCU)
30 : 엔진 제어기(ECU)
40 : 모터 제어기(MCU)
50 : 변속 제어기(TCU)
60 : 배터리 제어기(BMS)

Claims

제어기가 운전자의 가속 요구 검출시 차량에서 수집된 정보로부터 정해진 제어 진입 조건을 만족하는지를 판단하는 단계;
상기 제어 진입 조건을 만족하는 것으로 판단한 경우, 제어기에 의해 슬립 발진 및 시리즈 발진 통합 제어가 시작되고, 엔진에 동력 전달 가능하게 연결된 시동발전기의 충전 파워가 결정되는 단계;
제어기에서 상기 결정된 시동발전기 충전 파워를 기초로 엔진 통합 부하량이 결정되고, 상기 결정된 엔진 통합 부하량을 기초로 엔진 목표 운전 토크가 결정되는 단계;
제어기에 의해 엔진 토크를 상기 결정된 엔진 목표 운전 토크로 제어하는 엔진 토크 제어가 실시되고, 상기 시동발전기를 이용한 배터리 충전이 실시되는 단계;
제어기에 의해 시동발전기를 이용한 엔진 속도 제어가 실시되는 단계; 및
제어기에 의해 엔진 클러치에 조절된 유압이 인가되도록 하여 엔진 클러치 슬립 제어가 실시되는 단계를 포함하는 하이브리드 차량의 발진 제어 방법.
청구항 1에 있어서,
상기 제어 진입 조건은,
배터리 충/방전 파워가 미리 설정된 제1 임계값을 초과하는 조건; 및
상기 시동발전기의 충/방전 토크 제한값이 미리 설정된 제2 임계값을 초과하는 조건을 포함하는 것을 특징으로 하는 하이브리드 차량의 발진 제어 방법.
청구항 2에 있어서,
상기 제어 진입 조건은,
고장 진단 결과로서 시동발전기의 구동 및 제어를 위한 인버터 및 모터 제어기의 고장이 미발생한 조건을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 하이브리드 차량의 발진 제어 방법.
청구항 2에 있어서,
상기 제1 임계값은 제어기에서 설정 정보에 의해 차량 내 전장 부품의 소모 파워에 상응하여 가변되는 값으로 결정되는 것을 특징으로 하이브리드 차량의 발진 제어 방법.
청구항 2에 있어서,
상기 제2 임계값은 제어기에서 설정 정보에 의해 운전자 가속페달 입력값 또는 운전자 요구 토크에 상응하여 가변되는 값으로 결정되는 것을 특징으로 하는 하이브리드 차량의 발진 제어 방법.
청구항 1 내지 청구항 3 중 어느 하나의 항에 있어서,
상기 제어 진입 조건을 만족하지 않는 것으로 판단한 경우, 상기 제어기에 의해, 엔진 클러치 슬립을 통해 엔진 토크를 구동축으로 전달하는 슬립 발진 제어가 실시되고, 상기 슬립 발진 제어시 엔진 토크를 제어하여 엔진 속도를 아이들 속도로 제어하는 엔진 아이들 속도 제어가 실시되는 것을 특징으로 하는 하이브리드 차량의 발진 제어 방법.
청구항 1에 있어서,
상기 시동발전기 충전 파워가 결정하는 단계에서, 상기 시동발전기 충전 파워는 시동발전기의 연속 충전 가능한 최대 파워에서 미리 정해진 시동발전기 속도 제어 마진 파워를 뺀 값으로 결정되는 것을 특징으로 하는 하이브리드 차량의 발진 제어 방법.
청구항 1에 있어서,
상기 엔진 통합 부하량이 결정되는 단계는,
상기 결정된 시동발전기 충전 파워와 시동발전기 목표 속도를 기초로 시동발전기 목표 충전 토크가 결정되는 단계;
상기 결정된 시동발전기 목표 충전 토크로부터 엔진측의 시동발전기 충전 부하가 결정되는 단계; 및
상기 결정된 엔진측의 시동발전기 충전 부하와 엔진 클러치 전달토크를 합산한 값으로 엔진 통합 부하량이 결정되는 단계를 포함하는 하이브리드 차량의 발진 제어 방법.
청구항 8에 있어서,
상기 시동발전기 목표 충전 토크는 하기 수학식 1에 의해 결정되는 것을 특징으로 하는 하이브리드 차량의 발진 제어 방법.
수학식 1: 시동발전기 목표 충전 토크 = [시동발전기 충전 파워/(시동발전기 목표 속도×2π/60)] - C
여기서, C는 이전 제어 주기에서 결정된 값으로서, 엔진 속도 검출부에 의해 검출된 엔진 속도와 엔진 목표 속도의 차이값인 엔진 속도 오차를 보상하기 위한 보상 토크임.
청구항 8 또는 청구항 9에 있어서,
상기 시동발전기 목표 속도는 엔진 목표 속도에 미리 정해진 팩터 값을 곱한 값으로 정해지고, 상기 엔진 목표 속도는 엔진 클러치 결합시 운전 상태가 유지될 수 있는 엔진 최저 속도인 것을 특징으로 하는 하이브리드 차량의 발진 제어 방법.
청구항 9에 있어서,
상기 보상 토크는,
엔진측의 시동발전기 충전 부하와 속도 제어 피드백 토크로부터 미리 정해진 수식에 의해 시동발전기 출력 토크가 결정되면, 상기 결정된 시동발전기 출력 토크와 시동발전기 충전 제한 토크, 시동발전기 목표 충전 토크에 상응하는 값으로 제어기 내 설정 정보에 의해 결정되는 것을 특징으로 하는 하이브리드 차량의 발진 제어 방법.
청구항 11에 있어서,
상기 보상 토크를 결정하기 위한 상기 설정 정보는,
상기 시동발전기 목표 충전 토크(③)와 시동발전기 출력 토크(②)의 차이값(③-②)과, 상기 시동발전기 충전 제한 토크(①)와 시동발전기 출력 토크(②)의 차이값(①-②)에 상응하는 값으로 보상 토크가 설정된 맵인 것을 특징으로 하는 하이브리드 차량의 발진 제어 방법.
청구항 11에 있어서,
상기 속도 제어 피드백 토크는, 상기 시동발전기를 이용한 엔진 속도 제어가 실시되는 동안 시동발전기 속도 검출부에 의해 검출되는 시동발전기 속도가 시동발전기 목표 속도를 추종하도록 하는 시동발전기 토크값인 것을 특징으로 하는 하이브리드 차량의 발진 제어 방법.
청구항 8에 있어서,
상기 엔진측의 시동발전기 충전 부하는 상기 결정된 시동발전기 목표 충전 토크에 미리 정해진 팩터 값을 곱한 값으로 결정되는 것을 특징으로 하는 하이브리드 차량의 발진 제어 방법.
청구항 1에 있어서,
상기 엔진 목표 운전 토크가 결정되는 단계는,
엔진 속도 검출부에 의해 검출되는 엔진 속도와 엔진 목표 속도의 차이값인 엔진 속도 오차가 결정되는 단계;
상기 엔진 속도 오차와 운전자 가속페달 입력값 또는 운전자 요구 토크로부터 설정 정보에 의해 엔진 토크 제한값이 결정되는 단계; 및
상기 결정된 엔진 통합 부하량과 엔진 토크 제한값 중 작은 값이 엔진 목표 운전 토크로 결정되는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 하이브리드 차량의 발진 제어 방법.
청구항 1에 있어서,
상기 시동발전기를 이용한 엔진 속도 제어가 실시되는 단계에서,
상기 시동발전기 속도 검출부에 의해 검출되는 시동발전기 속도를 피드백 값으로 이용하여 시동발전기 속도가 정해진 시동발전기 목표 속도를 추종하도록 시동발전기에 대한 토크 제어를 수행하는 것을 특징으로 하는 하이브리드 차량의 발진 제어 방법.