KR20230143264A - 하이브리드 자동차 및 그를 위한 주행 제어 방법 - Google Patents

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KR20230143264A
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KR
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torque
motor
engine
operating point
hybrid vehicle
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KR1020220041752A
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English (en)
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피재명
오종범
손승완
이수방
이슬기
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현대자동차주식회사
기아 주식회사
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Abstract

본 발명은 보다 효율적으로 구동원별로 구동력을 분배할 수 있는 하이브리드 자동차 및 그를 위한 주행 제어 방법에 관한 것이다. 본 발명의 일 실시예에 따른 하이브리드 자동차의 제어 방법은, HEV(Hybrid Electric Vehicle) 모드에서 엔진 운전점을 결정하는 단계; 및 상기 엔진 운전점에 따른 엔진 토크, 요구 토크 및 변속기 입력단의 속도를 기반으로 제1 모터에 대한 제1 토크 및 제2 모터에 대한 제2 토크를 각각 결정하는 단계를 포함하되, 상기 제1 모터와 상기 엔진은 직결되고, 상기 제2 모터는 상기 변속기 입력단과 직결되며, 상기 제1 모터와 상기 제2 모터는 상기 엔진의 구동력을 이용하는 특정 주행 모드에서 연결될 수 있다.

Description

하이브리드 자동차 및 그를 위한 주행 제어 방법{HYBRID ELECTRIC VEHICLE AND METHOD OF DRIVING CONTROL FOR THE SAME}
본 발명은 보다 효율적으로 구동원별로 구동력을 분배할 수 있는 하이브리드 자동차 및 그를 위한 주행 제어 방법에 관한 것이다.
최근 환경에 대한 관심이 높아짐과 함께, 전기 모터를 동력원으로 구비한 친환경 차량이 증가하는 추세이다. 친환경 차량은 전동화 차량이라고도 하며, 대표적인 예로 하이브리드 자동차(HEV: Hybrid Electric Vehicle)나 전기차(EV: Electric Vehicle)를 들 수 있다.
그 중 하이브리드 자동차는 주행 상황에 따라 모터만 구동하는 EV 모드와 엔진을 구동하면서 모터를 선택적으로 이용하는 HEV 모드 사이에서 모드 전환을 수행하면서 연비를 향상시킬 수 있다.
하이브리드 자동차에는 두 개의 전기 모터가 이용되기도 하는데, 이러한 경우 하나는 휠로 구동력을 전달하는 구동 모터로 사용되고, 나머지 하나는 엔진의 시동이나 엔진의 동력을 이용한 발전에 주로 사용되어 시동 발전 모터(HSG: Hybrid Starter Generator)로 칭하기도 한다. 시동 발전 모터는 풀리와 벨트를 통해 엔진과 연결되어 전술한 시동과 발전 기능 외에 엔진 속도 제어 등 제한적인 용도로만 사용되고 휠에 구동력을 전달하지 않는 것이 일반적이다. 이는 풀리에서 벨트 슬립이 발생할 수 있기 때문에 응답성과 내구성이 떨어지며, 정교한 제어가 어려울뿐 아니라 엔진축의 풀리 대비 모터축의 풀리가 작아 엔진 RPM 대비 모터 RPM이 높으므로 엔진 RPM이 높은 상황에서는 실질적으로 시동 발전 모터가 출력을 내기 어려웠기 때문이다.
따라서, 두 모터의 동력을 효율적으로 이용할 수 있는 하이브리드 자동차 및 그 주행 제어 방법이 요구된다.
본 발명은 보다 효율적으로 모터의 동력을 이용할 수 있는 하이브리드 자동차 및 그를 위한 주행 제어 방법을 제공하기 위한 것이다.
특히, 본 발명은 HEV 모드에서 보다 효율적으로 구동원별로 구동력을 분배할 수 있는 하이브리드 자동차 및 그를 위한 주행 제어 방법을 제공하기 위한 것이다.
본 발명에서 이루고자 하는 기술적 과제들은 이상에서 언급한 기술적 과제들로 제한되지 않으며, 언급하지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
상기한 과제를 실현하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 하이브리드 자동차의 제어 방법은, HEV(Hybrid Electric Vehicle) 모드에서 엔진 운전점을 결정하는 단계; 및 상기 엔진 운전점에 따른 엔진 토크, 요구 토크 및 변속기 입력단의 속도를 기반으로 제1 모터에 대한 제1 토크 및 제2 모터에 대한 제2 토크를 각각 결정하는 단계를 포함하되, 상기 제1 모터와 상기 엔진은 직결되고, 상기 제2 모터는 상기 변속기 입력단과 직결되며, 상기 제1 모터와 상기 제2 모터는 상기 엔진의 구동력을 이용하는 특정 주행 모드에서 연결될 수 있다.
예를 들어, 상기 제1 토크 및 상기 제2 토크를 각각 결정하는 단계는, 상기 요구 토크에서 상기 엔진 운전점에 따른 엔진 토크를 차감한 값이 상기 제1 토크와 상기 제2 토크의 합이 되도록 상기 제1 토크 및 상기 제2 토크를 결정하는 단계를 포함할 수 있다.
예를 들어, 상기 제1 토크 및 상기 제2 토크를 결정하는 단계는, 시스템 효율이 최대가 되도록 상기 제1 토크 및 상기 제2 토크를 결정하도록 수행될 수 있다.
예를 들어, 상기 제1 토크 및 상기 제2 토크를 결정하는 단계는, 상기 제1 모터의 최적 운전점에 대응되도록 상기 제1 토크를 결정하는 단계; 및 상기 최적 운전점에 대응되도록 결정된 제1 토크에 따라 상기 제2 토크를 결정하는 단계를 포함할 수 있다.
예를 들어, 상기 방법은 상기 제1 모터 및 상기 제2 모터 중 어느 하나의 모터에 출력 제한이 적용될 경우, 상기 제1 모터 및 상기 제2 모터 중 나머지 하나의 모터에 대한 운전점 보정을 수행하는 단계를 더 포함할 수 있다.
예를 들어, 상기 출력 제한은 최대 토크 제한을 포함하고, 상기 운전점 보정을 수행하는 단계는, 상기 요구 토크에서 상기 엔진 토크, 상기 나머지 하나의 모터의 토크 및 상기 어느 하나의 모터의 최대 토크를 차감한 값과 0 중 큰 값을 상기 나머지 하나의 모터의 토크에 적용하는 단계를 포함할 수 있다.
예를 들어, 상기 출력 제한은 최소 토크 제한을 포함하고, 상기 운전점 보정을 수행하는 단계는, 상기 요구 토크에서 상기 엔진 토크, 상기 나머지 하나의 모터의 토크 및 상기 어느 하나의 모터의 최소 토크를 차감한 값과 0 중 작은 값을 상기 나머지 하나의 모터의 토크에 적용하는 단계를 포함할 수 있다.
예를 들어, 시스템 제한이 적용될 경우, 상기 방법은 상기 시스템 제한에 따른 총 보상 필요 토크를 기 설정된 보상 비율에 따라 상기 제1 토크 및 상기 제2 토크에 적용하는 단계; 및 상기 총 보상 필요 필요 토크를 기반으로 상기 엔진 토크를 조정하는 단계를 더 포함할 수 있다.
예를 들어, 상기 엔진 운전점을 결정하는 단계는, 상기 요구 토크 및 상기 변속기 입력단의 속도에 따른 최적 운전점을 상기 엔진 운전점으로 결정하는 단계를 포함할 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 하이브리드 자동차는, 엔진; 상기 엔진과 직결된 제1 모터; 상기 엔진의 구동력을 이용하는 특정 주행 모드에서 상기 제1 모터와 연결되는 제2 모터; 입력단이 상기 제2 모터와 직결된 변속기; 및 상기 특정 주행 모드에서 엔진 운전점을 결정하고, 상기 엔진 운전점에 따른 엔진 토크, 요구 토크 및 상기 입력단의 속도를 기반으로 제1 모터에 대한 제1 토크 및 제2 모터에 대한 제2 토크를 각각 결정하는 제어기를 포함할 수 있다.
예를 들어, 상기 제어기는, 상기 요구 토크에서 상기 엔진 운전점에 따른 엔진 토크를 차감한 값이 상기 제1 토크와 상기 제2 토크의 합이 되도록 상기 제1 토크 및 상기 제2 토크를 결정할 수 있다.
예를 들어, 상기 제어기는, 시스템 효율이 최대가 되도록 상기 제1 토크 및 상기 제2 토크를 결정할 수 있다.
예를 들어, 상기 제어기는, 상기 제1 모터의 최적 운전점에 대응되도록 상기 제1 토크를 결정하고, 상기 최적 운전점에 대응되도록 결정된 제1 토크에 따라 상기 제2 토크를 결정할 수 있다.
예를 들어, 상기 제1 모터 및 상기 제2 모터 중 어느 하나의 모터에 출력 제한이 적용될 경우, 상기 제어기는, 상기 제1 모터 및 상기 제2 모터 중 나머지 하나의 모터에 대한 운전점 보정을 수행할 수 있다.
예를 들어, 상기 출력 제한은 최대 토크 제한을 포함하고, 상기 제어기는 상기 요구 토크에서 상기 엔진 토크, 상기 나머지 하나의 모터의 토크 및 상기 어느 하나의 모터의 최대 토크를 차감한 값과 0 중 큰 값을 상기 나머지 하나의 모터의 토크에 적용할 수 있다.
예를 들어, 상기 출력 제한은 최소 토크 제한을 포함하고, 상기 제어기는 상기 요구 토크에서 상기 엔진 토크, 상기 나머지 하나의 모터의 토크 및 상기 어느 하나의 모터의 최소 토크를 차감한 값과 0 중 작은 값을 상기 나머지 하나의 모터의 토크에 적용할 수 있다.
예를 들어, 시스템 제한이 적용될 경우, 상기 제어기는 상기 시스템 제한에 따른 총 보상 필요 토크를 기 설정된 보상 비율에 따라 상기 제1 토크 및 상기 제2 토크에 적용하고, 상기 총 보상 필요 필요 토크를 기반으로 상기 엔진 토크를 조정할 수 있다.
예를 들어, 상기 제어기는, 상기 요구 토크 및 상기 변속기 입력단의 속도에 따른 최적 운전점을 상기 엔진 운전점으로 결정할 수 있다.
예를 들어, 상기 하이브리드 자동차는 상기 제1 모터와 상기 제2 모터 사이에 배치되는 엔진 클러치를 더 포함할 수 있다.
상술한 바와 같은 본 발명의 다양한 실시 예에 의해, 보다 효율적인 주행이 가능하다.
특히, 본 발명은 제1 모터가 엔진과 직결되므로 높은 응답성을 가지며 엔진이 비교적 높은 RPM을 갖더라도 토크 출력이 가능하다. 따라서, 제1 모터와 제2 모터가 상황에 따라 모두 구동력을 출력할 수 있을뿐 아니라, 시스템 효율과 구동원별 토크 제한을 고려하여 구동원별 운전점 결정이 가능하다.
본 발명에서 얻은 수 있는 효과는 이상에서 언급한 효과들로 제한되지 않으며, 언급하지 않은 또 다른 효과들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 하이브리드 자동차의 파워 트레인 구성의 일례를 나타낸다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 하이브리드 자동차의 제어 계통 구성의 일례를 나타낸다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 하이브리드 자동차에서 구동원별 토크 분배 형태의 일례를 나타낸다.
도 4는 일반적인 모터 효율 특성을 나타낸 RPM-토크 그래프의 일례이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 제2 모터의 토크 제한에 따른 제1 모터의 운전점 보정 형태의 일례를 나타낸다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 시스템 제한에 따른 모터별 보상 토크 적용 형태의 일례를 나타낸다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 하이브리드 자동차에서 요구 토크 만족을 위한 토크 분배 제어가 수행되는 과정의 일례를 나타내는 순서도이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 명세서에 개시된 실시 예를 상세히 설명하되, 도면 부호에 관계없이 동일하거나 유사한 구성요소는 동일한 참조 번호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다. 이하의 설명에서 사용되는 구성요소에 대한 접미사 "모듈" 및 "부"는 명세서 작성의 용이함만이 고려되어 부여되거나 혼용되는 것으로서, 그 자체로 서로 구별되는 의미 또는 역할을 갖는 것은 아니다. 또한, 본 명세서에 개시된 실시 예를 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 명세서에 개시된 실시 예의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다. 또한, 첨부된 도면은 본 명세서에 개시된 실시 예를 쉽게 이해할 수 있도록 하기 위한 것일 뿐, 첨부된 도면에 의해 본 명세서에 개시된 기술적 사상이 제한되지 않으며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
제1, 제2 등과 같이 서수를 포함하는 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되지는 않는다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다.
어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다거나 "접속되어" 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어" 있다거나 "직접 접속되어" 있다고 언급된 때에는, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다.
단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다.
본 명세서에서, "포함한다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
또한, 모터 제어기(MCU: Motor Control Unit), 하이브리드 제어기(HCU: Hybrid Control Unit) 등의 명칭에 포함된 유닛(Unit) 또는 제어 유닛(Control Unit)은 차량 특정 기능을 제어하는 제어 장치(Controller)의 명명에 널리 사용되는 용어일 뿐, 보편적 기능 유닛(Generic function unit)을 의미하는 것은 아니다. 예컨대, 각 제어기는 담당하는 기능의 제어를 위해 다른 제어기나 센서와 통신하는 통신 장치, 운영체제나 로직 명령어와 입출력 정보 등을 저장하는 메모리 및 담당 기능 제어에 필요한 판단, 연산, 결정 등을 수행하는 하나 이상의 프로세서를 포함할 수 있다.
본 발명의 실시예들에 따른 하이브리드 자동차의 제어 방법을 설명하기 앞서, 실시예들에 적용 가능한 하이브리드 자동차의 구조 및 제어 계통을 먼저 설명한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 하이브리드 자동차의 파워 트레인 구성의 일례를 나타낸다.
도 1을 참조하면, 엔진(ICE: Internal Combustion Engine, 110)과 변속기(150) 사이에 두 개의 모터(120, 140)와 엔진클러치(130)를 장착한 병렬형(Parallel Type) 하이브리드 시스템을 채용한 하이브리드 자동차의 파워 트레인이 도시된다. 이러한 병렬형 하이브리드 시스템은 모터(140)가 변속기(150)의 입력단에 상시 연결되므로 TMED(Transmission Mounted Electric Drive) 하이브리드 시스템이라 칭하기도 한다.
여기서, 두 개의 모터(120, 140) 중 제1 모터(120)는 엔진(110)과 엔진 클러치(130)의 일단 사이에 배치되며, 엔진(110)의 엔진축과 제1 모터(120)의 제1 모터축은 상호 직결되어 상시 함께 회전할 수 있다.
제2 모터(140)의 제2 모터축의 일단은 엔진 클러치(130)의 타단과 연결되며, 제2 모터축의 타단은 변속기(150)의 입력단과 직결될 수 있다.
제1 모터(120) 대비 제2 모터(140)가 더 큰 출력을 가지며, 제2 모터(140)가 구동 모터의 역할을 수행할 수 있다. 또한, 제1 모터(120)는 엔진(110)의 시동 시에는 엔진(110)을 크랭킹하는 시동 모터의 기능을 수행하며, 엔진 오프시에는 발전을 통해 엔진(110)의 회전 에너지를 회수할 수 있으며, 엔진(110)이 기동 중인 상태에서 엔진(110)의 동력으로 발전을 수행할 수도 있다.
도 1에 도시된 바와 같은 파워트레인을 구비한 하이브리드 자동차에서 시동(예컨대, HEV Ready) 후 운전자가 가속 페달을 밟는 경우, 엔진 클러치(130)가 오픈된 상태에서 먼저 배터리(미도시)의 전력을 이용하여 제2 모터(140)가 구동된다. 그에 따라 제2 모터(140)의 동력이 변속기(150) 및 종감속기(FD: Final Drive, 160)를 거쳐 바퀴가 움직이게 된다(즉, EV 모드). 차량이 서서히 가속되면서 점차 더 큰 구동력이 필요하게 되면, 제1 모터(120)가 동작하여 엔진(110)을 크랭킹할 수 있다.
엔진(110)에 시동이 걸린 후 엔진(110)과 제2 모터(140)의 회전속도 차이가 일정 범위 이내가 되면 비로소 엔진 클러치(130)가 맞물려 엔진(110)과 제2 모터(140)가 함께 회전하게 된다(즉, EV 모드에서 HEV 모드 천이). 그에 따라 토크 블렌딩 과정을 거치면서 제2 모터(140)의 출력은 낮아지고, 엔진(110)의 출력은 상승하면서 운전자의 요구 토크를 만족시킬 수 있다. HEV 모드에서는 요구 토크의 대부분을 엔진(110)이 만족시킬 수 있으며, 엔진 토크와 요구 토크의 차분은 제1 모터(120)와 제2 모터(140) 중 적어도 하나를 통해 보상될 수 있다. 예컨대, 엔진(110)의 효율을 고려하여 요구 토크보다 높은 토크를 엔진(110)이 출력할 경우, 제1 모터(120)나 제2 모터(140)가 엔진 토크 잉여분만큼 발전을 하게 되며, 엔진 토크가 요구 토크보다 부족한 경우 제1 모터(120)와 제2 모터(140) 중 적어도 하나가 부족분 토크를 출력할 수 있다.
차량이 감속되는 등 기 설정된 엔진 오프 조건이 만족되면, 엔진 클러치(130)가 오픈되고 엔진(110)은 정지된다(즉, HEV 모드에서 EV 모드 천이). 감속시에는 휠의 구동력을 이용하여 제2 모터(140)를 통해 배터리를 충전하며 이를 제동에너지 회생, 또는 회생 제동이라 한다.
일반적으로 변속기(150)는 유단 변속기나 다판클러치, 예컨대 듀얼클러치 변속기(DCT)가 사용될 수 있다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 하이브리드 자동차의 제어 계통 구성의 일례를 나타낸다.
도 2를 참조하면, 본 발명의 실시예들이 적용될 수 있는 하이브리드 자동차에서 내연기관(110)은 엔진 제어기(210)가 제어하고, 제1 모터(120) 및 제2 모터(140)는 모터 제어기(MCU, 220)에 의해 토크가 제어될 수 있으며, 엔진 클러치(130)는 클러치 제어기(230)가 각각 제어할 수 있다. 여기서 엔진 제어기(210)는 엔진 제어 시스템(EMS: Engine Management System)이라도 한다. 또한, 변속기(150)는 변속기 제어기(250)가 제어하게 된다.
모터 제어기(220)는 각 모터(120, 140)의 모터각, 상전압, 상전류, 요구 토크 등을 기반으로 게이트 구동 유닛(Gate Drive Unit, 미도시)을 펄스폭 변조(PWM) 형태의 제어 신호로 제어할 수 있으며, 게이트 구동 유닛은 그에 따라 각 모터(120, 140)를 구동하는 인버터(미도시)를 제어할 수 있다.
각 제어기는 그 상위 제어기로서 모드 전환 과정을 포함한 파워트레인 전반을 제어하는 하이브리드 제어기(HCU: Hybrid Controller Unit, 240)와 연결되어, 하이브리드 제어기(240)의 제어에 따라 주행 모드 변경, 기어 변속시 엔진 클러치 제어에 필요한 정보, 및/또는 엔진 정지 제어에 필요한 정보를 하이브리드 제어기(240)에 제공하거나 제어 신호에 따른 동작을 수행할 수 있다.
예를 들어, 하이브리드 제어기(240)는 차량의 운행 상태에 따라 EV-HEV 모드간 또는 CD-CS 모드(PHEV의 경우)간 전환 수행 여부를 결정한다. 이를 위해, 하이브리드 제어기는 엔진 클러치(130)의 해제(Open) 시점을 판단하고, 해제시에 유압제어를 수행한다. 또한, 하이브리드 제어기(240)는 엔진 클러치(130)의 상태(Lock-up, Slip, Open 등)를 판단하고, 엔진(110)의 연료분사 중단 시점을 제어할 수 있다. 또한, 하이브리드 제어기는 엔진 정지 제어를 위해 제1 모터(120)의 토크를 제어하기 위한 토크 지령을 모터 제어기(220)로 전달하여 엔진 회전 에너지 회수를 제어할 수 있다. 아울러, 하이브리드 제어기(240)는 요구 토크를 만족시키기 위해 각 구동원(110, 120, 140)의 상태를 판단하고 그에 따라 각 구동원(110, 120, 140)이 분담할 요구 구동력을 결정하여 각 구동원을 제어하는 제어기(210, 220)에 토크 지령을 전달할 수 있다.
물론, 상술한 제어기간 연결관계 및 각 제어기의 기능/구분은 예시적인 것으로 그 명칭에도 제한되지 아니함은 당업자에 자명하다. 예를 들어, 하이브리드 제어기(240)는 그를 제외한 다른 제어기들 중 어느 하나에서 해당 기능이 대체되어 제공되도록 구현될 수도 있고, 다른 제어기들 중 둘 이상에서 해당 기능이 분산되어 제공될 수도 있다.
상술한 도 1 및 도 2의 구성은 하이브리드 자동차의 일 구성례일 뿐, 실시예에 적용 가능한 하이브리드 자동차는 이러한 구조에 한정되지 아니함은 당업자에 자명하다 할 것이다.
본 발명의 일 실시예에서는 요구 토크와 엔진 운전점을 기반으로 모터별 최적 운전점을 판단하고, 모터별 토크 제한을 고려하여 판단된 운전점을 보정하며, 시스템 제한을 고려하여 보정된 운전점에 토크 보상을 수행함으로써 HEV 모드에서 모터별 운전점이 결정되도록 할 것을 제안한다.
먼저, 도 3을 참조하여 일 실시예에 따른 하이브리드 자동차에서 요구 토크를 만족시키기 위한 구동원별 토크 분배 형태의 일례를 설명한다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 하이브리드 자동차에서 구동원별 토크 분배 형태의 일례를 나타낸다.
하이브리드 제어기(240)는 운전자의 가속 페달 조작량(APS: Accelerator pedal Poistion Sensor 값)에 따라 요구 토크를 판단하고, 구동원별로 출력하는 토크를 합산한 값이 요구 토크가 되도록 구동원별 토크 분배를 수행한다. 예컨대, 도 3에 도시된 바와 같이 시간의 흐름에 따라 요구 토크가 증가하다가 감소하는 형태를 보일 경우, 엔진(110)의 운전점은 엔진속도에 따라 효율이 가장 좋은 최적 운전점으로 결정될 수 있다. 그에 따라 엔진 운전점에 따른 엔진 토크가 요구 토크보다 큰 경우(310) 모터들(120, 140)이 차분 만큼 발전을 수행해야 하며, 엔진 토크가 요구 토크보다 작은 경우(320) 부족분만큼 모터들(120, 140)이 구동력을 출력해야 한다. 여기서, 엔진(110)의 운전점을 먼저 결정하는 이유는 모터들(120, 140) 대비 엔진(110)의 효율이 상대적으로 나쁘기 때문에 효율이 나쁜 구동원이 먼저 최적 효율로 구동할 수 있도록 하여 시스템 효율을 전체적으로 상승시키기 위함이다.
다음으로, 모터의 효율 특성을 도 4를 참조하여 설명한다.
도 4는 일반적인 모터 효율 특성을 나타낸 RPM-토크 그래프의 일례이다.
종래의 하나의 구동 모터만 구동력을 출력 가능했던 하이브리드 시스템에서는 모터의 최대 토크에 가까운 토크(410)를 출력해야 할 경우 효율이 높지 못했다. 이와 달리, 도 1에 도시된 하이브리드 시스템에서는 제1 모터(120)와 제2 모터(140)가 구동력을 나누어 출력할 수 있게 되었다. 따라서, 각 모터(120, 140)가 토크를 유사하게 분담하여 동일한 합산 토크를 출력하더라도 상황에 따라 효율이 높은 운전점(420)으로 제어가 가능하게 된다. 결국, 본 발명의 일 실시예에 따른 하이브리드 시스템에서는 변속기 입력단 속도와 요구 토크에서 엔진 운전점에 따른 토크의 차분을 고려하여 제1 모터(120)와 제2 모터(140)의 운전점을 결정함으로써시스템 효율이 보다 최적화될 수 있다.
즉, 도 3과 도 4를 참조하여 전술한 내용을 정리하면, 먼저 하이브리드 제어기(240)는 HEV 모드에서 요구 토크와 변속기 입력단의 RPM을 고려하여 엔진 운전점을 먼저 결정하고, 요구 토크와 엔진 운전점에 따른 엔진 토크의 차분을 제1 모터(120)와 제2 모터(140)에 각각의 효율을 고려하여 시스템 효율이 최적이 되도록 분배할 수 있다. 이때, 제1 모터(120)나 제2 모터(140)에 토크 제한이 적용될 경우 하이브리드 제어기(240)는 토크 제한을 고려하여 각 모터의 운전점을 보정할 수 있다. 이하, 토크 제한에 따른 본 발명의 일 실시예에 따른 운전점 보정을 설명한다.
제1 모터(120)나 제2 모터(140)에는 모터 자체 또는 개별 모터를 구동하는 인버터의 고장이나 과온 등의 이유로 토크 제한이 적용될 수 있는데, 그에 따라 제한치에 해당하는 최대 또는 최소 토크를 출력하도록 하더라도 요구 토크를 만족할 수 없는 경우가 발생할 수 있다. 이러한 경우 운전성 저하나 운전자의 이질감 저감을 위해 운전점을 보정하여 요구 토크를 만족시킬 필요가 있다. 본 실시예에 따른 운전점 보정 방법은 다음과 같다.
먼저, 제2 모터(140)의 최대 토크가 제한될 경우, 그에 따른 토크 차분(일반적으로 부족분이 될 수 있다)은 제1 모터(120)가 보정해줘야 하므로, 제1 모터(120)의 보정 토크는 'Max({요구토크 - 엔진토크 - 제1 모터 최적 운전점 토크} - 제2 모터 최대토크, 0)'과 같이 구해질 수 있다. 즉, '{요구토크 - 엔진토크 - 제1 모터 최적 운전점 토크}'에 의해 제2 모터(140)가 정상 상태에서 분담할 토크가 결정되는데, 여기서 토크 제한에 따른 제2 모터(140)의 최대 토크를 차감하면 제1 모터(120)의 보정 토크가 구해질 수 있다. 만일, 차감 결과가 0보다 작으면 보정이 필요없다는 의미이므로 제1 모터(120)의 보정토크는 0이된다.
유사하게, 제2 모터(140)의 최소 토크가 제한될 경우, 그에 따른 토크 차분(일반적으로 초과분이 될 수 있다)은 제1 모터(120)가 보정해줘야 하므로, 제1 모터(120)의 보정 토크는 'Min({요구토크 - 엔진토크 - 제1 모터 최적 운전점 토크} - 제2 모터 최소토크, 0)'과 같이 구해질 수 있다. 즉, '{요구토크 - 엔진토크 - 제1 모터 최적 운전점 토크}'에 의해 제2 모터(140)가 정상 상태에서 분담할 토크가 결정되는데, 여기서 토크 제한에 따른 제2 모터(140)의 최소 토크를 차감하면 제1 모터(120)의 보정 토크가 구해질 수 있다. 만일, 차감 결과가 0보다 크면 보정이 필요없다는 의미이므로 제1 모터(120)의 보정토크는 0이된다.
반대로, 제1 모터(120)의 최대 토크가 제한될 경우, 그에 따른 토크 차분(일반적으로 부족분이 될 수 있다)은 제2 모터(140)가 보정해줘야 하므로, 제2 모터(140)의 보정 토크는 'Max({요구토크 - 엔진토크 - 제2 모터 최적 운전점 토크} - 제1 모터 최대토크, 0)'과 같이 구해질 수 있다. 즉, '{요구토크 - 엔진토크 - 제2 모터 최적 운전점 토크}'에 의해 제1 모터(120)가 정상 상태에서 분담할 토크가 결정되는데, 여기서 토크 제한에 따른 제1 모터(120)의 최대 토크를 차감하면 제2 모터(140)의 보정 토크가 구해질 수 있다. 만일, 차감 결과가 0보다 작으면 보정이 필요없다는 의미이므로 제2 모터(140)의 보정토크는 0이된다.
유사하게, 제1 모터(120)의 최소 토크가 제한될 경우, 그에 따른 토크 차분(일반적으로 초과분이 될 수 있다)은 제2 모터(140)가 보정해줘야 하므로, 제2 모터(140)의 보정 토크는 'Min({요구토크 - 엔진토크 - 제2 모터 최적 운전점 토크} - 제1 모터 최소토크, 0)'과 같이 구해질 수 있다. 즉, '{요구토크 - 엔진토크 - 제2 모터 최적 운전점 토크}'에 의해 제1 모터(120)가 정상 상태에서 분담할 토크가 결정되는데, 여기서 토크 제한에 따른 제1 모터(120)의 최소 토크를 차감하면 제2 모터(140)의 보정 토크가 구해질 수 있다. 만일, 차감 결과가 0보다 크면 보정이 필요없다는 의미이므로 제2 모터(140)의 보정토크는 0이된다.
이러한 토크 제한에 따른 보정의 구체적인 예를 도 5를 참조하여 설명한다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 제2 모터의 토크 제한에 따른 제1 모터의 운전점 보정 형태의 일례를 나타낸다.
도 5를 참조하면, 요구 토크가 300Nm인 상황에서 변속기 입력축의 현재 속도에 따른 엔진(110)의 최적운전점에 대응되는 토크가 150Nm라 가정한다. 이러한 상황에서 제1 모터(120)와 제2 모터(140)의 합산 토크가 150Nm가 되어야 요구 토크가 만족될 수 있다. 그런데, 어느 모터에도 토크 제한이 발생하지 않은 경우에는 제1 모터(120)의 최적 효율 운전점에 대응되는 토크가 40Nm라면 하이브리드 제어기(240)는 제2 모터(140)에 110Nm의 토크를 분배하면 된다. 그러나, 제2 모터(140)에 토크 제한이 발생하여 최대 토크가 100Nm인 상황이하면, 전술한 바와 같이 제1 모터(120)의 보정 토크를 'Max({요구토크 - 엔진토크 - 제1 모터 최적 운전점 토크} - 제2 모터 최대토크, 0)'와 같이 구하게 된다. 즉, 'Max({300 - 150 - 40} - 100, 0)'이므로, 'Max(10, 0)'이 되어 제1 모터(120)의 보정 토크는 10Nm가 된다.
결국, 제1 모터는 기존 40Nm에 보정토크인 10Nm를 더 분담하게 되어 요구 토크 중 총 50Nm를 분담하게 된다.
한편, 본 발명의 일 실시예에서는 시스템 제한에 따른 토크 보상도 적용될 수 있다. 여기서, 시스템 제한이라 함은 개별 모터의 상황에 따른 제한이 아닌, 배터리 충전 상태(SOC: State Of Charge)가 저하되어 배터리 방전량이 제한되는 등 두 모터(120, 140)에 공통적으로 영향을 주는 제한 상황을 의미할 수 있다.
이러한 경우, 하이브리드 제어기(240)는 제1 모터(120)와 제2 모터(140) 각각에 기 설정된 보상 비율에 따라 총 보상 필요 토크를 분담하여 저감하게 되며, 두 모터에서 합산하여 차감되는 총 보상 필요 토크는 엔진(110)에 분담시킬 수 있다. 예컨대, k를 토크 보상 비율(이때, 0<k<1)이라 할 때, 각 모터의 보상 토크는 다음과 같다.
제1 모터(120)의 보상토크 = k*{총 보상 필요 토크}
제2 모터(140)의 보상토크 = (1-k)*{총 보상 필요 토크}
이러한 시스템 제한에 따른 보상의 구체적인 예를 도 6을 참조하여 설명한다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 시스템 제한에 따른 모터별 보상 토크 적용 형태의 일례를 나타낸다.
도 6을 참조하면, 요구 토크가 300Nm인 상황에서 변속기 입력축의 현재 속도에 따른 엔진(110)의 최적운전점에 대응되는 토크가 150Nm라 가정한다. 이러한 상황에서 제1 모터(120)와 제2 모터(140)의 합산 토크가 150Nm가 되어야 요구 토크가 만족될 수 있다. 어떠한 제한도 발생하지 않은 경우에는 제1 모터(120)의 최적 효율 운전점에 대응되는 토크가 50Nm라면 하이브리드 제어기(240)는 제2 모터(140)에 100Nm의 토크를 분배하면 된다.
그런데, 시스템 제한에 의해 50Nm의 총 보상 필요 토크가 발생했으며, k가 0.5로 설정된 경우, 각 모터의 보상 토크는 전술한 판단 방법에 따라 25Nm가 된다. 따라서, 제1 모터(120)의 최종 토크는 보상 토크를 차감한 25Nm가 되고, 제2 모터(140)의 최종 토크는 보상 토크를 차감한 75Nm가 된다.
한편, 시스템 제한에 의해 총 보상 필요 토크만큼 제1 모터(120) 및 제2 모터(140)가 함께 분담할 토크가 감소했으므로, 엔진(110)이 총 보상 필요 토크를 더 담당하게 되어 엔진(110)의 최종 토크는 200Nm가 될 수 있다.
지금까지 설명한 하이브리드 자동차의 제어 방법을 순서도로 정리하면 도 7과 같다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 하이브리드 자동차에서 요구 토크 만족을 위한 토크 분배 제어가 수행되는 과정의 일례를 나타내는 순서도이다.
도 7을 참조하면, 하이브리드 제어기(240)는 HEV 모드로 주행하는 상황에서(S701) 변속기 입력단 속도와 요구 토크를 기반으로 엔진 운전점을 결정할 수 있다(S702).
요구 토크에서 엔진 운전점에 따른 토크를 차감하면 제1 모터(120)와 제2 모터에 분배될 토크가 구해질 수 있다. 이러한 상황에서 하이브리드 제어기(240)는 제1 모터(120)를 요구 토크 만족을 위해 사용할지 여부를 판단할 수 있다(S703).
예를 들어, 하이브리드 제어기(240)는 배터리 SOC가 낮은 등의 이유로 제1 모터(120)가 엔진의 구동력으로 발전을 수행하고 있던 경우 제1 모터(120)를 요구 토크 만족을 위해 사용하지 않도록 결정할 수 있으나, 이는 예시적인 것으로 반드시 이에 한정되는 것은 아니다.
하이브리드 제어기(240)가 제1 모터(120)를 사용하지 않도록 결정한 경우(S703의 No), 제2 모터(140)로만 요구 토크를 만족시키는 디폴트 제어를 수행할 수 있다(S704).
이와 달리, 제1 모터(120)를 사용하는 경우, 하이브리드 제어기(240)는 요구토크에서 엔진 운전점에 따른 엔진 토크를 차감한 값과 변속기 입력단 속도를 기반으로 모터별 최적 운전점을 결정할 수 있다(S705). 예를 들어, 하이브리드 제어기(240)는 시스템 효율이 최대가 되도록 각 모터의 운전점을 결정할 수도 있고, 어느 하나의 모터(예컨대, 제1 모터)의 최적 효율 운전점을 먼저 선택한 후 남은 토크를 다른 모터에 분배할 수도 있다.
만일, 어느 하나의 모터에 토크 제한이 발생한 경우에는(S706의 Yes), 토크 제한량을 기반으로 전술한 바와 같이 토크 제한이 발생하지 않은 모터에 대한 운전점 보정이 수행될 수 있다(S707).
또한, 시스템 제한이 발생한 경우에는 총 보상 필요 토크만큼 엔진의 운전점을 조정하고, 모터별로 보상 비율에 따라 보상 토크를 분배할 수 있다(S709).
이후, 구동원별로 최종 결정된 토크가 출력될 수 있다(S710). 이를 위해, 하이브리드 제어기(240)는 엔진 제어기(210)에 엔진 운전점에 따른 토크 지령을 전달하고, 모터 제어기(220)에 각 모터별 토크 지령을 전달할 수 있다.
지금까지 설명한 본 발명의 실시예들에 의하면, 두 개의 서로 다른 모터에 토크 분배가 가능하며, 이때 최적 운전점은 물론 토크 제한이나 시스템 제한까지 고려되므로 시스템 효율이 향상될 수 있다.
한편, 전술한 본 발명은, 프로그램이 기록된 매체에 컴퓨터가 읽을 수 있는 코드로서 구현하는 것이 가능하다. 컴퓨터가 읽을 수 있는 매체는, 컴퓨터 시스템에 의하여 읽혀질 수 있는 데이터가 저장되는 모든 종류의 기록장치를 포함한다. 컴퓨터가 읽을 수 있는 매체의 예로는, HDD(Hard Disk Drive), SSD(Solid State Disk), SDD(Silicon Disk Drive), ROM, RAM, CD-ROM, 자기 테이프, 플로피 디스크, 광 데이터 저장 장치 등이 있다. 따라서, 상기의 상세한 설명은 모든 면에서 제한적으로 해석되어서는 아니되고 예시적인 것으로 고려되어야 한다. 본 발명의 범위는 첨부된 청구항의 합리적 해석에 의해 결정되어야 하고, 본 발명의 등가적 범위 내에서의 모든 변경은 본 발명의 범위에 포함된다.

Claims (20)

  1. 특정 주행 모드에서 엔진 운전점을 결정하는 단계; 및
    상기 엔진 운전점에 따른 엔진 토크, 요구 토크 및 변속기 입력단의 속도를 기반으로 제1 모터에 대한 제1 토크 및 제2 모터에 대한 제2 토크를 각각 결정하는 단계를 포함하되,
    상기 제1 모터와 상기 엔진은 직결되고, 상기 제2 모터는 상기 변속기 입력단과 직결되며, 상기 제1 모터와 상기 제2 모터는 상기 엔진의 구동력을 이용하는 특정 주행 모드에서 연결되는, 하이브리드 자동차의 제어 방법.
  2. 제1 항에 있어서,
    상기 제1 토크 및 상기 제2 토크를 각각 결정하는 단계는,
    상기 요구 토크에서 상기 엔진 운전점에 따른 엔진 토크를 차감한 값이 상기 제1 토크와 상기 제2 토크의 합이 되도록 상기 제1 토크 및 상기 제2 토크를 결정하는 단계를 포함하는, 하이브리드 자동차의 제어 방법.
  3. 제2 항에 있어서,
    상기 제1 토크 및 상기 제2 토크를 결정하는 단계는,
    시스템 효율이 최대가 되도록 상기 제1 토크 및 상기 제2 토크를 결정하도록 수행되는, 하이브리드 자동차의 제어 방법.
  4. 제2 항에 있어서,
    상기 제1 토크 및 상기 제2 토크를 결정하는 단계는,
    상기 제1 모터의 최적 운전점에 대응되도록 상기 제1 토크를 결정하는 단계; 및
    상기 최적 운전점에 대응되도록 결정된 제1 토크에 따라 상기 제2 토크를 결정하는 단계를 포함하는, 하이브리드 자동차의 제어 방법.
  5. 제1 항에 있어서,
    상기 제1 모터 및 상기 제2 모터 중 어느 하나의 모터에 출력 제한이 적용될 경우, 상기 제1 모터 및 상기 제2 모터 중 나머지 하나의 모터에 대한 운전점 보정을 수행하는 단계를 더 포함하는, 하이브리드 자동차의 제어 방법.
  6. 제5 항에 있어서,
    상기 출력 제한은 최대 토크 제한을 포함하고,
    상기 운전점 보정을 수행하는 단계는,
    상기 요구 토크에서 상기 엔진 토크, 상기 나머지 하나의 모터의 토크 및 상기 어느 하나의 모터의 최대 토크를 차감한 값과 0 중 큰 값을 상기 나머지 하나의 모터의 토크에 적용하는 단계를 포함하는, 하이브리드 자동차의 제어 방법.
  7. 제5 항에 있어서,
    상기 출력 제한은 최소 토크 제한을 포함하고,
    상기 운전점 보정을 수행하는 단계는,
    상기 요구 토크에서 상기 엔진 토크, 상기 나머지 하나의 모터의 토크 및 상기 어느 하나의 모터의 최소 토크를 차감한 값과 0 중 작은 값을 상기 나머지 하나의 모터의 토크에 적용하는 단계를 포함하는, 하이브리드 자동차의 제어 방법.
  8. 제1 항에 있어서,
    시스템 제한이 적용될 경우,
    상기 시스템 제한에 따른 총 보상 필요 토크를 기 설정된 보상 비율에 따라 상기 제1 토크 및 상기 제2 토크에 적용하는 단계; 및
    상기 총 보상 필요 필요 토크를 기반으로 상기 엔진 토크를 조정하는 단계를 더 포함하는, 하이브리드 자동차의 제어 방법.
  9. 제1 항에 있어서,
    상기 엔진 운전점을 결정하는 단계는,
    상기 요구 토크 및 상기 변속기 입력단의 속도에 따른 최적 운전점을 상기 엔진 운전점으로 결정하는 단계를 포함하는, 하이브리드 자동차의 제어 방법.
  10. 제1 항 내지 제9 항 중 어느 한 항에 따른 하이브리드 자동차의 제어 방법을 실행시키기 위한 프로그램을 기록한 컴퓨터 해독 가능 기록 매체.
  11. 엔진;
    상기 엔진과 직결된 제1 모터;
    상기 엔진의 구동력을 이용하는 특정 주행 모드에서 상기 제1 모터와 연결되는 제2 모터;
    입력단이 상기 제2 모터와 직결된 변속기; 및
    상기 특정 주행 모드에서 엔진 운전점을 결정하고, 상기 엔진 운전점에 따른 엔진 토크, 요구 토크 및 상기 입력단의 속도를 기반으로 제1 모터에 대한 제1 토크 및 제2 모터에 대한 제2 토크를 각각 결정하는 제어기를 포함하는 하이브리드 자동차.
  12. 제11 항에 있어서,
    상기 제어기는,
    상기 요구 토크에서 상기 엔진 운전점에 따른 엔진 토크를 차감한 값이 상기 제1 토크와 상기 제2 토크의 합이 되도록 상기 제1 토크 및 상기 제2 토크를 결정하는, 하이브리드 자동차.
  13. 제12 항에 있어서,
    상기 제어기는,
    시스템 효율이 최대가 되도록 상기 제1 토크 및 상기 제2 토크를 결정하는, 하이브리드 자동차.
  14. 제12 항에 있어서,
    상기 제어기는,
    상기 제1 모터의 최적 운전점에 대응되도록 상기 제1 토크를 결정하고, 상기 최적 운전점에 대응되도록 결정된 제1 토크에 따라 상기 제2 토크를 결정하는, 하이브리드 자동차.
  15. 제11 항에 있어서,
    상기 제1 모터 및 상기 제2 모터 중 어느 하나의 모터에 출력 제한이 적용될 경우, 상기 제어기는,
    상기 제1 모터 및 상기 제2 모터 중 나머지 하나의 모터에 대한 운전점 보정을 수행하는, 하이브리드 자동차.
  16. 제15 항에 있어서,
    상기 출력 제한은 최대 토크 제한을 포함하고,
    상기 제어기는,
    상기 요구 토크에서 상기 엔진 토크, 상기 나머지 하나의 모터의 토크 및 상기 어느 하나의 모터의 최대 토크를 차감한 값과 0 중 큰 값을 상기 나머지 하나의 모터의 토크에 적용하는, 하이브리드 자동차.
  17. 제15 항에 있어서,
    상기 출력 제한은 최소 토크 제한을 포함하고,
    상기 제어기는,
    상기 요구 토크에서 상기 엔진 토크, 상기 나머지 하나의 모터의 토크 및 상기 어느 하나의 모터의 최소 토크를 차감한 값과 0 중 작은 값을 상기 나머지 하나의 모터의 토크에 적용하는, 하이브리드 자동차.
  18. 제11 항에 있어서,
    시스템 제한이 적용될 경우,
    상기 제어기는,
    상기 시스템 제한에 따른 총 보상 필요 토크를 기 설정된 보상 비율에 따라 상기 제1 토크 및 상기 제2 토크에 적용하고, 상기 총 보상 필요 필요 토크를 기반으로 상기 엔진 토크를 조정하는, 하이브리드 자동차.
  19. 제11 항에 있어서,
    상기 제어기는,
    상기 요구 토크 및 상기 변속기 입력단의 속도에 따른 최적 운전점을 상기 엔진 운전점으로 결정하는, 하이브리드 자동차.
  20. 제11 항에 있어서,
    상기 제1 모터와 상기 제2 모터 사이에 배치되는 엔진 클러치를 더 포함하는, 하이브리드 자동차.
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