KR100992755B1 - 하이브리드 차량의 ｓｏｃ별 최적 운전점 결정 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 하이브리드 차량의 SOC별 최적 운전점 결정 방법에 관한 것이다.

본 발명은 엔진에 의해서 소모되는 연료량과, 모터에 의해서 소모되는 전기 에너지를 서로 정량적으로 비교할 수 있는 전환 인자(연료소모율 등가 지수)로서, 기준이 되는 초기 SOC별로 목적하는 최종 SOC를 달성토록 하는 지수를 찾고, 이 지수를 이용하여 차량의 현재 SOC에 따른 최적의 운전 상태를 결정할 수 있도록 함으로써, 궁극적으로는 연비를 향상시킬 수 있는 하이브리드 차량의 SOC별 최적 운전점 결정 방법을 제공하고자 한 것이다.

하이브리드, 운전점, SOC, 연료소모율 등가 지수, 엔진, 모터, 연비 향상

Description

하이브리드 차량의 ＳＯＣ별 최적 운전점 결정 방법{Method for determination optimum working point of HEV}

본 발명은 하이브리드 차량의 SOC별 최적 운전점 결정 방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 엔진에 의해서 소모되는 연료량과, 모터에 의해서 소모되는 전기 에너지를 서로 정량적으로 비교할 수 있는 전환 인자(연료소모율 등가 지수)에 있어서, 기준이 되는 초기 SOC별로, 목적하는 최종 SOC를 달성토록 하는 지수를 찾아 이를 이용함으로써, 차량의 현재 SOC에 따라 이를 고려한 최적의 운전 상태를 찾아낼 수 있도록 한 하이브리드 차량의 SOC별 최적 운전점 결정 방법에 관한 것이다.

최근에 끊임없는 자동차 연비 향상 요구와 각국의 배출 규제의 강화에 따라 친환경 자동차에 대한 요구가 증가하고 있으며, 이에 대한 현실적인 대안으로 하이브리드 전기자동차가 주목 받고 있다.

하이브리드(Hybrid) 자동차란 두 개의 동력원을 이용하여 구동되는 차량을 말하며, 하이브리드 차량의 에너지 저장 장치로는 고전압 배터리를 사용하고 있다.

하이브리드 차량은 주행 구동원으로서 엔진 및 모터가 직결되어 있고, 동력 전달을 위한 클러치 및 변속기(CVT), 엔진 및 모터 등의 구동을 위한 인버터, DC/DC컨버터, 고전압배터리 등을 포함하며, 또한 이들의 제어수단으로서 서로 캔 통신에 의하여 통신 가능하게 연결되는 하이브리드 제어기(HCU: Hybrid Control Unit)), 모터 제어기(MCU: Motor Control Unit), 배터리 제어기(BMS: Battery Management System) 등을 포함하고 있다.

이러한 구성들 중, 본 발명과 관련된 고전압배터리는 하이브리드 차량의 모터 및 DC/DC 컨버터를 구동하는 에너지원이며, 그 제어기인 배터리 제어기는 고전압배터리의 전압, 전류, 온도를 모니터링하여, 고전압배터리의 충전상태량(SOC[%](State of Charge))을 조절하는 기능을 한다.

상기 고전압배터리의 SOC 제어 기술은 고전압/대용량의 배터리를 안전하고 효율적으로 운용하기 위한 첫 번째 척도로서 그 중요성이 크기 때문이다.

즉, 상기한 하이브리드 전기자동차는 엔진 이외에 전기 에너지를 사용하는 모터를 함께 동력원으로 사용하는 관계로, 전기 에너지의 저장 장치인 배터리의 SOC(State of Charge) 관리가 중요한 의미를 가지게 된다.

그러나, SOC가 너무 낮거나 높은 경우, 단순히 모터 사용량을 줄이거나 늘리는 것은, 연비와의 관련성을 생각할 때, 바람직하지 않다고 할 수 있으며, SOC의 높고 낮은 상태를 고려하면서 동시에 최적의 연비 수준을 달성할 수 있는 운전 전략의 마련이 요구된다고 하겠다.

본 발명은 상기와 같은 점을 감안하여 안출한 것으로서, 엔진에 의해서 소모되는 연료량과, 모터에 의해서 소모되는 전기 에너지를 서로 정량적으로 비교할 수 있는 전환 인자(연료소모율 등가 지수)로서, 기준이 되는 초기 SOC별로 목적하는 최종 SOC를 달성토록 하는 지수를 찾고, 이 지수를 이용하여 차량의 현재 SOC에 따른 최적의 운전 상태를 결정할 수 있도록 함으로써, 궁극적으로는 연비를 향상시킬 수 있는 하이브리드 차량의 SOC별 최적 운전점 결정 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.

상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명은: 운전자 요구(액셀 페달 개도) 단계와; 현재 차속과, 운전자의 요구 동력과, 현재 SOC를 산출하는 현재 운행 상황 판단 단계와; SOC 단계를 결정하는 단계와; 결정된 SOC 단계에 따라, 엔진의 전체 운전 가능 영역을 격자화시킨 맵으로부터 엔진의 운전 가능한 다수의 후보점 및, 각 후보점에 대응하는 모터 운전점을 찾는 단계와; 엔진 및 모터 각각의 운전점에 대한 비용 산정 단계와; 비용이 최소가 되는 엔진 및 모터 운전점을 추출하는 단계와; 추출된 운전점에 의거, 엔진 및 모터에 출력 명령을 내리는 단계; 로 이루어지는 것을 특징으로 하는 하이브리드 차량의 SOC별 최적 운전점 결정 방법을 제공한다.

바람직한 일 구현예로서, 상기 SOC 단계를 결정하는 단계는, SOC의 충전 상태가 정상 상태(normal), 고충전 상태(high), 최고 충전 상태(very high), 저충전 상태(low), 최저 충전 상태(very low)로 나누고, 이들 충전 상태중 하나를 주어진 히스테리시스에 따라 결정하는 것을 특징으로 한다.

바람직한 다른 구현예로서, 상기 엔진 및 모터 각각의 운전점에 대한 비용 산정 단계는, 아래의 수학식에 의하여 구해지는 것을 특징으로 한다.

특히, 상기 연료소모율 등가 지수는 배터리의 전기 에너지 사용량을 엔진의 연료 소모율(fc_i)과 등가화시킨 것을 특징으로 한다.

상기한 과제 해결 수단을 통하여, 본 발명은 다음과 같은 효과를 제공할 수 있다.

하이브리드 전기자동차에 적용되는 엔진과 모터의 동력 배분 방식에 있어서, 엔진 연료소모량과 배터리 전기량의 등가화 지수를 채용하여, SOC의 변화에 따라, 그 단계별로, 엔진 및 모터 각 운전점에 대한 비용을 산정하여, 최소 비용의 운전점을 추출할 수 있고, 최소 비용의 운전점에서 엔진 및 모터가 거동되도록 함으로 써, 연비를 보다 더 향상시킬 수 있는 장점을 제공할 수 있다.

이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부도면을 참조로 상세하게 설명하기로 한다.

본 발명에 따른 하이브리드 차량의 ＳＯＣ별 최적 운전점 결정 방법은 하드 타입 또는 소프트 타입의 하이브리드 전기자동차에 모두 적용 가능한 것으로 이해해야 할 것이다.

본 발명의 목적 달성을 위해, 엔진에 의해서 소모되는 연료량과, 모터에 의해서 소모되는 전기 에너지를 서로 정량적으로 비교할 수 있는 전환 인자(연료소모율 등가 지수)로서, 기준이 되는 초기 SOC별로, 목적하는 최종 SOC를 달성토록 하는 지수를 찾는 단계가 선행되어야 한다.

먼저, 주어진 차량의 주행 모드(시간에 대한 차속 프로파일)를 기준으로 아래의 수학식 1과 같은 하이브리드 차량의 연료소모량에 대한 최적화 기본식을 정할 수 있다.

이때, 초기 SOC는 아래와 같이 구분될 수 있다.

SOC 정상상태의 경우(for Normal SOC), SOC_initial = SOC_target

SOC 고충전상태의 경우(for High SOC), SOC_initial = SOC_high

SOC 저충전상태의 경우(for low SOC), SOC_initial = SOC_low

위의 수학식 1에서,

FC : 연료소비량(g)

fC_i : 시간 i에 대한 연료 소모율(g/sec)

SOC : 하이브리드 차량용 배터리의 충전상태량(SOC[%](State of Charge))

SOC_final : 주행 모드 최종 SOC

SOC_target : 주행 모드 목표 SOC

SOC_initial : 주행 모드 초기 SOC

SOC_high : 높은 SOC 기준치

SOC_low : 낮은 SOC 기준치

여기서, 위와 같은 SOC와 관련한 제한 조건을 만족하면서, 연료 소모량(연비)를 최소화할 수 있는 방안, 즉 비용이 최소가 되는 엔진과 모터의 운전점을 산출하기 위하여 식으로서, 배터리의 전기 에너지 사용량을 연료 소모율과 등가화시킨 연료량 등가 지수를 포함하는 아래의 수학식 2로 표현될 수 있다.

위의 수학식 2에서,

cost_i : 시간 i에서의 비용(등가화된 연료 소모율)(g/sec)

FEF : 연료 소모율 등가 지수(g/s/W)

P_bat,i : 시간 i에서의 배터리의 출력(W)

이때, 상기 FEF는 아래와 같이 SOC 충전 상태별로 구분할 수 있다.

FEF_normal : SOC 정상상태의 경우(for Normal SOC), 연료 소모율 등가 지수(g/s/W)

FEF_high : SOC 고충전상태의 경우(for High SOC), 연료 소모율 등가 지수(g/s/W)

FEF_low : SOC 저충전상태의 경우(for low SOC), 연료 소모율 등가 지수(g/s/W)

이어서, 엔진의 전체 운전 가능 영역을 격자화시킨 엔진 BSFC 맵을 구성하고, 위의 수학식1 및 2를 기준으로 SOC의 각 단계별로, 비용이 최소가 되는 엔진과 모터의 운전점을 상기 맵으로부터 산출해 내면, 차량의 연비를 보다 높일 수 있는 최적 운전 상태를 얻을 수 있다.

이러한 과정을 통해, 엔진과 전기 모터의 조합으로 이루어진 하이브리드 차량에서 얻을 수 있는 연비 효과를 극대화하는 것이 가능해진다.

여기서, 본 발명의 이해를 돕기 위하여 최적 운전점 결정 방법을 순서대로 설명하면 다음과 같다.

본 발명의 최적 운전점 결정을 위한 제어는 하이브리드 제어기(HCU: Hybrid Control Unit)), 모터 제어기(MCU: Motor Control Unit), 배터리 제어기(BMS: Battery Management System) 간의 통신에 의한 신호 전달로 이루어질 수 있다는 것으로 이해해야 할 것이다.

먼저, 주지된 바와 같이 운전자 요구(액셀 페달 개도)에 따라, 현재 차속과, 운전자의 요구 동력과, 현재 SOC를 산출하며 현재 운행 상황을 판단하는 단계가 진행된다.

이어서, 비용이 최소로 소요되는 엔진 및 모터의 최적 운전점을 찾기 위하여 현재의 SOC 단계를 결정하게 되는데, SOC의 충전 상태를 정상 상태(normal), 고충전 상태(high), 최고 충전 상태(very high), 저충전 상태(low), 최저 충전 상태(very low)로 나누고, 이들 충전 상태중 하나를 주어진 히스테리시스에 따라 결정하게 된다.

다음으로, 결정된 SOC 단계에서, 엔진의 전체 운전 가능 영역을 격자화시킨 맵으로부터 엔진의 운전 가능한 다수의 후보점 및, 각 후보점에 대응하는 모터 운 전점을 찾고, 찾아진 엔진 및 모터 각각의 운전점에 대한 비용 산정을 한 후, 비용이 최소가 되는 엔진 및 모터 운전점을 추출하게 된다.

예를 들어, SOC 정상상태의 경우를 기준으로, 만일 현재 차속이 60km/h이고, 운전자가 30kW의 모터 출력을 요구하는 상황이라면, 첨부한 도 2에 도시된 바와 같이 엔진의 운전 가능한 다수의 후보점들을 추출한 후, 각 후보점에 대응하는 모터 운전점을 찾아낼 수 있으며, 이에 상기 수학식 1 및 2에 의하여 비용이 최소가 되는 엔진과 모터 각각의 운전점을 찾아낼 수 있다.

즉, 상기 맵을 통해, 엔진의 운전 가능한 다수의 후보점과, 각 후보점에 대응하는 모터 운전점에 대하여, 시간 i에서의 엔진 연료소모율(fc_i)과, 배터리의 전기에너지 사용량을 연료소모율(fc_i)과 등가화시킨 연료량(연료소모율) 등가지수(g/s/W)를 합하는 연산을 하게 되면, 각 후보점중 비용이 최소가 되는 엔진과 모터 운점점을 찾아낼 수 있다.

한편, SOC 고충전상태의 경우(for High SOC)와, SOC 저충전상태의 경우(for low SOC)에 대해서도 상기와 같은 동일한 과정으로 엔진과 모터 운전점을 찾아낼 수 있다.

이에, 최종적으로 추출된 운전점, 즉 비용이 최소가 되는 운전점에 의거, 엔진 및 모터에 출력 명령을 내리게 된다.

도 1은 본 발명에 따른 하이브리드 차량의 SOC별 최적 운전점 결정 방법을 순서대로 나타낸 흐름도,

도 2는 본 발명에 따른 하이브리드 차량의 SOC별 최적 운전점 결정 방법에 사용되는 맵,

도 3은 본 발명에 따른 하이브리드 차량의 SOC별 최적 운전점 결정 방법중 SOC 결정 단계를 설명하는 도면.

Claims (4)

1. 운전자 요구(액셀 페달 개도) 단계와;

   현재 차속과, 운전자의 요구 동력과, 현재 SOC를 산출하는 현재 운행 상황 판단 단계와;

   SOC 단계를 결정하는 단계와;

   결정된 SOC 단계에 따라, 엔진의 전체 운전 가능 영역을 격자화시킨 맵으로부터 엔진의 운전 가능한 다수의 후보점 및, 각 후보점에 대응하는 모터 운전점을 찾는 단계와;

   엔진 및 모터 각각의 운전점에 대한 비용 산정 단계와;

   비용이 최소가 되는 엔진 및 모터 운전점을 추출하는 단계와;

   추출된 운전점에 의거, 엔진 및 모터에 출력 명령을 내리는 단계;

   로 이루어지며,

   상기 엔진 및 모터 각각의 운전점에 대한 비용 산정 단계는 아래의 수학식에 의하여 구해지는 것을 특징으로 하는 하이브리드 차량의 SOC별 최적 운전점 결정 방법.

   

   cost_i : 시간 i에서의 비용(등가화된 연료 소모율)(g/sec)

   FEF : 연료 소모율 등가 지수(g/s/W)

   P_bat,i : 시간 i에서의 배터리의 출력(W)
2. 청구항 1에 있어서, 상기 SOC 단계를 결정하는 단계는,

   SOC의 충전 상태가 정상 상태(normal), 고충전 상태(high), 최고 충전 상태(very high), 저충전 상태(low), 최저 충전 상태(very low)로 나누고, 이들 충전 상태중 하나를 주어진 히스테리시스에 따라 결정하는 것을 특징으로 하는 하이브리 드 차량의 SOC별 최적 운전점 결정 방법.
3. 삭제
4. 청구항 1에 있어서, 상기 연료소모율 등가 지수는 배터리의 전기 에너지 사용량을 엔진의 연료 소모율(fc_i)과 등가화시킨 것을 특징으로 하는 하이브리드 차량의 SOC별 최적 운전점 결정 방법.

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