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KR101241224B1 - 하이브리드 자동차의 시동모터 제어방법 - Google Patents

하이브리드 자동차의 시동모터 제어방법 Download PDF

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KR101241224B1
KR101241224B1 KR1020110080320A KR20110080320A KR101241224B1 KR 101241224 B1 KR101241224 B1 KR 101241224B1 KR 1020110080320 A KR1020110080320 A KR 1020110080320A KR 20110080320 A KR20110080320 A KR 20110080320A KR 101241224 B1 KR101241224 B1 KR 101241224B1
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최용각
김상준
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기아자동차주식회사
현대자동차주식회사
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Abstract

본 발명은 엔진 시동 시 운전성을 향상시킬 수 있는 하이브리드 자동차의 시동모터 제어방법에 관한 것이다.
본 발명의 실시예에 따른 하이브리드 자동차의 시동모터 제어방법은, 자동차를 운행시키기 위한 구동모터 및 엔진을 시동시키기 위한 시동모터를 구비한 하이브리드 자동차의 시동모터 제어방법에 있어서, 정지된 엔진을 가속시키는 단계; 상기 엔진의 속도가 설정값보다 빠른지 판단하는 단계; 상기 엔진의 속도가 설정값보다 빠르면 상기 엔진 내부에 연료가 분사되는 단계; 상기 엔진의 목표속도에 따라 상기 시동모터의 토크를 결정하는 단계; 그리고 상기 결정된 시동모터의 토크에 따라 엔진의 속도를 제어하는 단계; 를 포함할 수 있다.

Description

하이브리드 자동차의 시동모터 제어방법{CONTROLLING METHOD OF STARTING MOTOR FOR HYBRID VEHICLE}
본 발명은 하이브리드 자동차의 시동모터 제어방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 엔진 시동 시 운전성을 향상시킬 수 있는 하이브리드 자동차의 시동모터 제어방법에 관한 것이다.
일반적으로, 하이브리드 자동차는 모터와 엔진을 포함한다. 그 중 시동모터(starting motor)를 별도로 구비하는 하이브리드 자동차에서는 시동모터, 구동모터 및 엔진이 적어도 하나 이상의 유성기어세트 및 다수의 마찰부재와 연결되어 하이브리드 자동차의 파워트레인이 구성된다. 또한, 유성기어세트 및 마찰부재의 연결구조에 따라 복수의 변속모드가 구현된다. 여기서, 시동모터는 크랭크축을 회전시켜 엔진의 시동을 수행하는 모터를 말하고, 구동모터는 직접적으로 자동차의 주행을 수행하는 모터를 말한다. 이러한, 시동모터 및 구동모터는 배터리로부터 전원을 전달받아 작동되고, 구동모터 및 엔진의 선택적인 작동에 의해 구동축(drive shaft)이 회전된다.
이와 같은 파워트레인을 구비한 하이브리드 자동차에서 변속기에 동력 절환 장치가 없어 엔진과 구동축을 분리할 수 없는 경우, 엔진정지 시 엔진 마찰 및 시동모터 토크에 의한 진동이 구동축으로 전달된다. 또한, 엔진시동 시 시동모터의 토크 값이 엔진 마찰보다 과도하게 크게 되면, 시동모터의 관성토크가 구동축으로 전달되어 진동이 발생된다.
따라서, 본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 창출된 것으로, 본 발명의 목적은 엔진시동 시 발생되는 진동을 최소화함으로써 운전성을 향상시킬 수 있는 하이브리드 자동차의 시동모터 제어방법을 제공하는 것이다.
이러한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 실시예에 따른 하이브리드 자동차의 시동모터 제어방법은, 자동차를 운행시키기 위한 구동모터 및 엔진을 시동시키기 위한 시동모터를 구비한 하이브리드 자동차의 시동모터 제어방법에 있어서, 정지된 엔진을 가속시키는 단계; 상기 엔진의 속도가 설정값보다 빠른지 판단하는 단계; 상기 엔진의 속도가 설정값보다 빠르면 상기 엔진 내부에 연료가 분사되는 단계; 상기 엔진의 목표속도에 따라 상기 시동모터의 토크를 결정하는 단계; 그리고 상기 결정된 시동모터의 토크에 따라 엔진의 속도를 제어하는 단계; 를 포함할 수 있다.
상기 정지된 엔진을 가속시키는 단계에서 상기 시동모터의 토크는 상기 엔진의 마찰토크에 의해서 결정될 수 있다.
상기 엔진의 마찰토크는 냉각수의 온도 및 엔진의 회전속도에 따른 상기 엔진의 상태에 따라 결정될 수 있다.
상기 엔진의 목표속도에 따른 시동모터의 토크는 상기 시동모터의 목표속도와 실제속도의 오차 및 상기 엔진의 마찰토크를 기초로 결정될 수 있다.
상기 시동모터의 목표속도는 상기 엔진의 목표속도에 의해 결정될 수 있다.
상기 엔진의 목표속도는 자동차의 주행상황에 관계없이 기설정된 속도profile을 적용하여 결정될 수 있다.
상기 엔진의 시동이 완료된 후 일정 시간동안 엔진의 속도가 일정하게 가속되며, 상기 엔진을 가속시키는 상기 시동모터의 토크는 기설정된 속도profile이 적용되는 상기 엔진의 목표속도에 따라 결정될 수 있다.
상술한 바와 같이 본 발명의 실시예에 따르면, 엔진시동 시 자동차의 주행상태에 따라 시동모터의 시동토크를 제어함으로써 구동축 및 차체에 전달되는 진동을 최소화하고 운전성을 향상시킬 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 하이브리드 자동차의 파워트레인 구성도이다.
도 2는 도 1의 파워트레인에서 부분별 속도 및 토크의 방향을 나타낸 레버선도이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 제어유닛과 구성요소 간의 관계를 나타낸 블록도이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 엔진실제속도 및 엔진목표속도를 단계별로 나타낸 그래프이다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 하이브리드 자동차의 시동모터 제어방법의 흐름도이다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부한 도면에 의거하여 상세하게 설명하면 다음과 같다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 하이브리드 자동차의 파워트레인 구성도이다.
도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 하이브리드 자동차의 파워트레인은 엔진(10), 시동모터(20), 구동모터(30), 제1,2 입력축(IS1, IS2), 출력축(OS), 제1,2 유성기어세트(PG1)(PG2)을 포함한다.
엔진(10)은 제1 입력축(IS1)에 동력을 전달한다.
시동모터(20)는 엔진(10)에 동력을 전달하여 엔진(10)을 시동시킨다.
구동모터(30)는 제2 입력축(IS2)에 동력을 전달한다.
시동모터(20) 및 구동모터(30)는 배터리(40)로부터 전원을 전달받아 작동하여 동력을 생성한다.
제1 입력축(IS1)은 엔진(10)의 선택적인 작동에 의해 전달받은 동력을 제1 유성기어세트(PG1)에 전달한다.
제2 입력축(IS2)은 구동모터(30)의 선택적인 작동에 의해 전달받은 동력을 제2 선기어(S2)에 전달한다.
출력축(OS)은 파워트레인으로부터 제2 유성기어세트(PG2)의 동력을 전달받아 출력한다.
제1 유성기어세트(PG1)는 제1 선기어(S1), 제1 유성캐리어(PC1), 그리고 제1 링기어(R1)를 그 작동부재로 포함하는 싱글 피니언 유성기어세트이다. 상기 제1 유성캐리어(PC1)는 제1 선기어(S1) 및 제1 링기어(R1)에 기어 결합하는 피니언기어(도시하지 않음)와 연결되어 회전한다.
제2 유성기어세트(PG2)는 제2 선기어(S2), 제2 유성캐리어(PC2), 그리고 제2 링기어(R2)를 그 작동부재로 포함하는 싱글 피니언 유성기어세트이다. 상기 제2 유성캐리어(PC2)는 제2 선기어(S2) 및 제2 링기어(R2)에 기어 결합하는 피니언기어(도시하지 않음)와 연결되어 회전한다.
제1 유성기어세트(PG1) 및 제2 유성기어세트(PG2)는 동일 축선상에 배치될 수 있다.
제1 선기어(S2)는 시동모터(20)에 고정적으로 연결되고, 변속기 케이스(50)에 선택적으로 연결된다.
제1 유성캐리어(PC1)는 엔진(10)에 고정적으로 연결되고, 제2 링기어(R2)에 선택적으로 연결된다.
제1 링기어(R1)는 제2 유성캐리어(PC2)에 고정적으로 연결된다.
제2 선기어(S2)는 구동모터(30)에 고정적으로 연결되고, 엔진(10)에 선택적으로 연결된다.
제2 유성캐리어(PC2)는 출력축(OS)에 고정적으로 연결된다.
제2 링기어(R2)는 상기 변속기 케이스(50)에 선택적으로 연결된다.
또한, 본 발명의 실시예에 따른 하이브리드 자동차의 파워트레인은 제1,2 유성기어세트(PG1, PG2)의 각 작동부재들을 선택적으로 상호 연결시키거나, 상기 변속기 케이스(50)에 연결시키는 복수개의 마찰부재들(CL1, CL2, BK1, BK2)을 포함한다.
제1 클러치(CL1)는 제1 유성캐리어(PC1)를 제2 링기어(R2)에 선택적으로 연결시키고, 제2 클러치(CL2)는 제2 선기어(S2)를 엔진(10)에 선택적으로 연결시킨다.
제1 브레이크(BK1)는 제1 선기어(S1)를 상기 변속기 케이스(50)에 선택적으로 연결시키고, 제2 브레이크(BK2)는 제2 링기어(R2)를 상기 변속기 케이스(50)에 선택적으로 연결시킨다.
도 2는 도 1의 파워트레인에서 부분별 속도 및 토크의 방향을 나타낸 레버선도이다.
도 2에 도시된 바와 같이, 시동모터(20), 엔진(10) 및 출력축(OS)의 회전속도는 각각 제1 선기어(S1), 제1 유성캐리어(PC1) 및 제1 링기어(R1)의 회전속도와 동일하다. 여기서, 도 1을 참조하면 시동모터(20), 엔진(10) 및 출력축(OS)은 각각 제1 선기어(S1), 제1 유성캐리어(PC1) 및 제2 유성캐리어(PC2)와 고정적으로 연결되어 있으며, 제2 유성캐리어(PC2)는 제1 링기어(R1)와 고정적으로 연결되어 있음을 알 수 있다. 즉, 도 2의 레버선도는 제1 유성기어세트(PG1)의 작동부재들의 레버선도이며, 이러한 레버선도는 구동모터(30)만으로 주행 중인 자동차에서 시동모터(20)에 의해 엔진(10)을 시동시킬 때 나타난다.
구동모터(30)에 의한 자동차의 주행은 제2 브레이크(BK2)가 폐쇄되고 구동모터(30)가 제2 선기어(S2)를 회전시킴에 따라 출력죽(OS)과 고정적으로 연결된 제2 유성캐리어(PC2)가 그에 상당한 속도로 회전됨으로써 수행된다. 또한, 엔진(10)의 시동은 시동모터(20)가 제1 선기어(S1)를 회전시키고 제1 링기어(R1)가 제2 유성캐리어(PC2)와 동일한 속도로 회전됨에 따라 엔진(10)과 고정적으로 연결된 제1 유성캐리어(PC1)가 그에 상당한 속도로 회전됨으로써 수행된다. 이 때, 마찰부재들(CL1, CL2, BK1, BK2)의 연결상태는 제2 브레이크(BK2)가 폐쇄되고, 제1 클러치(CL1), 제2 클러치(CL2) 및 제1 브레이크(BK1)는 개방된 상태이다.
상기 엔진(10)의 시동은 출력축(OS)이 회전토크 및 그에 상당하는 마찰토크에 의해 비교적 일정한 속도로 회전할 때, 시동모터(30)에 토크가 인가되어 엔진(10)을 회전시키는 것이다. 이 때, 시동모터(30)에 인가되는 토크를 시동토크라 한다. 또한, 상기 엔진(10)의 회전에 대한 마찰토크가 발생되며, 이를 엔진마찰토크라 한다. 도 2에서는 출력축(OS)의 회전토크 및 마찰토크, 상기 시동토크 그리고 상기 엔진마찰토크의 방향을 화살표로 도시하였다. 또한, 출력축(OS)에서 위 방향의 화살표가 회전토크를 나타내고, 아래 방향의 화살표가 마찰토크를 나타낸다. 상기 출력축(OS)의 회전토크 및 마찰토크는 같거나 유사할 수 있다. 따라서, 출력축(OS)은 비교적 일정한 속도로 회전될 수 있다.
한편, 상기 시동토크가 상기 엔진마찰토크보다 과도하게 클 경우, 엔진 시동 시 시동모터의 관성토크에 의해 진동이 발생될 수 있다. 따라서, 상기 시동토크를 제어함에 따라 상기 진동의 발생을 방지하거나 최소화시킬 수 있다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 제어유닛과 구성요소 간의 관계를 나타낸 블록도이다.
도 3에 도시된 바와 같이, 제어유닛(60)에 의해 엔진(10), 변속기(55) 및 모터(20, 30)가 제어된다. 또한, 제어유닛(60)은 각 구성요소들의 상황을 전달받아 필요한 제어를 판단하고 수행한다. 여기서, 상기 변속기(55)는 도 1의 제1,2 유성기어세트(PG1, PG2) 및 마찰부재들(CL1, CL2, BK1, BK2)로 구성된 변속기일 수 있다.
이하, 도 4를 참조로 상기 시동토크의 제어 값을 결정하는 방법에 대하여 자세히 설명한다. 상기된 바와 같이, 상기 시동토크의 제어는 제어유닛(60)에 의해 수행될 수 있다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 엔진실제속도 및 엔진목표속도를 단계별로 나타낸 그래프이다.
도 4에 도시된 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 엔진시동은 연료분사 및 시동완료를 기준으로 1, 2, 3단계로 구분된다.
1단계는 시동모터(20)를 구동하여 엔진(10)을 가속시키는 구간이다. 이 때, 상기 시동토크로는 상기 엔진마찰토크에 상당하는 토크가 인가됨으로써, 엔진(10)의 마찰력이 정지마찰력에서 운동마찰력으로 바뀌는 구간에서 과도한 시동토크에 의한 충격이 발생되는 것을 방지한다. 또한, 상기 엔진마찰토크에 상당하는 상기 시동토크의 결정은 엔진마찰토크의 테이블(table)을 사용한다. 상기 테이블(table)은 냉각수의 온도 및 엔진(10)의 회전속도에 따른 엔진(10)의 마찰력을 시험적으로 얻어낸 데이터(data)일 수 있다. 즉, 예측된 엔진(10)의 마찰토크를 적용하여 시동모터(20)의 토크를 연산하는 feedforward가 수행된다.
한편, 시동모터 속도의 목표값과 실제값의 오차(error)가 미미한 상기 1단계에서는 feedforward만이 사용되었지만, 1단계 이후 시동토크의 결정에는 엔진마찰토크를 예측하여 시동모터의 토크를 결정하는 feedforward와 시동모터 속도의 목표값과 실제값의 오차(error)를 이용하여 시동모터의 토크를 결정하는 feedback이 혼용된다. 즉, '시동토크=feedforward+feedback'으로 연산되며, 상기 feedforward와 상기 feedback의 연산식은 다음과 같다.
feedforward=-{b/(a+b)}
Figure 112011062316622-pat00001
엔진마찰토크
feedback=error
Figure 112011062316622-pat00002
Pgain+Igain
Figure 112011062316622-pat00003
∫(error)dt
error=target MG1속도-실제 MG1속도
target MG1속도={(a+b)
Figure 112011062316622-pat00004
엔진속도profile- MG2속도}/b
상기된 바와 같이, 상기 feedback의 연산은 비례적분제어(PI control)를 사용한다. 또한, 상기 연산식에서 a 및 b는 도 2에 도시된 a 및 b의 값이며, 시동모터(20), 엔진(10) 및 출력축(OS)의 속도가 변하더라도 a와 b의 비는 변하지 않는다. 나아가, Pgain과 Igain은 시동모터 속도의 목표값과 실제값의 오차(error)의 절대량 및 부호에 따른 함수이다. 여기서, Pgain 및 Igain는 당해 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 임의로 설정될 수 있다.
2단계는 엔진(10)의 시동완료 전 엔진속도 추종제어 구간이다. 상기 1단계에서 엔진(10)의 속도가 설정값보다 빠른 속도까지 가속되면, 연료분사가 수행되고 엔진속도 추종제어가 시작된다. 여기서, 설정값은 엔진(10)의 마찰력이 정지마찰력에서 운동마찰력으로 전환되는 시점의 엔진속도일 수 있다.
상기 엔진속도 추종제어란 엔진(10)의 엔진속도profile에 의해 시동모터(20) 속도의 목표값을 결정하고, 시동모터(20) 속도의 목표값과 실제값의 오차(error)를 연산한 후, 비례적분제어(PI control)에 의해 feedback을 연산하는 과정을 말한다. 즉, 2단계에서는 상기 '시동토크= feedforward+feedback'으로 시동토크가 결정된다. 여기서, 엔진속도profile은 엔진(10)의 목표속도이며, 주행상황에 관계없이 기설정된 동일한 엔진속도profile을 적용함으로써 균일한 운전성이 구현될 수 있다.
3단계는 엔진(10)의 시동완료 후 엔진속도 안정화 구간이다. 상기 1단계 및 상기 2단계를 거치며 엔진(10)의 시동이 완료되면, 일정 시간동안 일정 기울기로 엔진(10)의 속도를 상승시켜 운전성을 확보한다. 또한, 3단계에서도 엔진(10)을 가속시키는 시동모터(20)의 토크가 '시동토크=feedforward+feedback'에 의해 결정된다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 하이브리드 자동차의 시동모터 제어방법의 흐름도이다.
도 5에 도시된 바와 같이, 구동모터(30)의 동력을 이용한 자동차의 운행 중 엔진(10)의 동력이 필요하다고 판단되면, 엔진(10)의 시동이 수행된다. 또한, 엔진(10)의 시동은 시동모터(20)의 구동에 의해 엔진(10)의 속도가 상승되면서 시작된다(S110). 상기 엔진(10)의 속도를 상승시키는 상기 시동모터(20)의 시동토크는 엔진마찰토크를 대입하여 연산되는 상기 feedforward 연산식을 통해 결정된다. 또한, 상기 엔진마찰토크는 냉각수 온도 및 엔진(10)의 회전속도에 따라 시험적으로 얻은 테이블(table)을 따른다.
엔진(10)의 시동이 시작되고 엔진(10)의 속도가 상승되면, 제어유닛(60)은 엔진(10)의 속도가 설정값보다 빠른지 판단한다(S120). 여기서, 설정값은 엔진(10)의 마찰력이 정지마찰력에서 운동마찰력으로 전환 시점에서 엔진(10)의 속도이다.
만일, 엔진(10)의 속도가 설정값보다 빠르지 않은 것으로 판단되면, 엔진(10)의 속도를 계속해서 상승시킨다(S110).
만일, 엔진(10)의 속도가 설정값보다 빠른 것으로 판단되면, 엔진(10)에 연료분사가 시작된다(S130).
상기 연료분사가 시작되면, 시동모터(20)의 시동토크는 엔진속도 추종제어에 의해 결정된다(S140). 상기 엔진속도 추종제어는 시동모터(20) 속도의 실제값과 엔진속도profile에 의해 결정된 시동모터(20) 속도의 목표값의 오차(error)를 연산한 후, 비례적분제어(PI control)에 의해 feedback을 연산하는 과정을 말한다. 여기서, 상기 시동토크는 '시동토크=feedforward+feedback'에 의해 결정된다.
상기 결정된 시동토크에 의해 엔진(10)의 속도가 제어됨에 따라 엔진(10)의 시동이 완료된다(S150). 따라서, 엔진(10)의 속도는 상기 엔진(10)의 목표속도로 제어될 수 있다. 엔진(10)의 시동이 완료되면, 엔진(10)의 속도를 일정 시간동안 일정하게 가속한다(S160). 상기 가속에 사용되는 시동모터(20)의 토크 또한 상기 '시동토크=feedforward+feedback'에 의해 결정된다. 즉, 상기 S150 및 S160 단계는 S140 단계에서 결정된 시동모터(20)의 토크에 따라 엔진(10)의 속도를 제어하는 단계이다.
상술한 바와 같이 본 발명의 실시예에 따르면, 엔진(10)의 시동 시 시동모터(20)의 시동토크를 상기 feedforward 및 상기 feedback의 연산에 의해 결정함으로써, 상기 시동토크가 자동차의 주행상태에 따라 제어될 수 있다. 따라서, 구동축 및 차체에 전달되는 진동을 최소화하고 운전성을 향상시킬 수 있다.
이상으로 본 발명에 관한 바람직한 실시예를 설명하였으나, 본 발명은 상기 실시예에 한정되지 아니하며, 본 발명의 실시예로부터 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의한 용이하게 변경되어 균등하다고 인정되는 범위의 모든 변경을 포함한다.
10: 엔진 20: 시동모터
30: 구동모터 40: 배터리
50: 변속기 케이스 55: 변속기
60: 제어유닛
PG1: 제1 유성기어세트 S1: 제1 선기어
PC1: 제1 유성캐리어 R1: 제1 링기어
PG2: 제2 유성기어세트 S2: 제2 선기어
PC2: 제2 유성캐리어 R2: 제2 링기어
CL1: 제1 클러치 CL2: 제2 클러치
BK1: 제1 브레이크 BK2: 제2 브레이크
IS1: 제1 입력축 IS2: 제2 입력축
OS: 출력축

Claims (7)

  1. 자동차를 운행시키기 위한 구동모터 및 엔진을 시동시키기 위한 시동모터를 구비한 하이브리드 자동차의 시동모터 제어방법에 있어서,
    정지된 엔진을 가속시키는 단계;
    상기 엔진의 속도가 설정값보다 빠른지 판단하는 단계;
    상기 엔진의 속도가 설정값보다 빠르면 상기 엔진 내부에 연료가 분사되는 단계;
    상기 엔진의 목표속도에 따라 상기 시동모터의 토크를 결정하는 단계; 그리고
    상기 결정된 시동모터의 토크에 따라 엔진의 속도를 제어하는 단계;
    를 포함하는 하이브리드 자동차의 시동모터 제어방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 정지된 엔진을 가속시키는 단계에서 상기 시동모터의 토크는 상기 엔진의 마찰토크에 의해서 결정되는 것을 특징으로 하는 하이브리드 자동차의 시동모터 제어방법.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 엔진의 마찰토크는 냉각수의 온도 및 엔진의 회전속도에 따른 상기 엔진의 상태에 따라 결정되는 것을 특징으로 하는 하이브리드 자동차의 시동모터 제어방법.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 엔진의 목표속도에 따른 시동모터의 토크는 상기 시동모터의 목표속도와 실제속도의 오차 및 상기 엔진의 마찰토크를 기초로 결정되는 것을 특징으로 하는 하이브리드 자동차의 시동모터 제어방법.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 시동모터의 목표속도는 상기 엔진의 목표속도에 의해 결정되는 것을 특징으로 하는 하이브리드 자동차의 시동모터 제어방법.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 엔진의 목표속도는 자동차의 주행상황에 관계없이 기설정된 속도profile을 적용하여 결정되는 것을 특징으로 하는 하이브리드 자동차의 시동모터 제어방법.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 엔진의 시동이 완료된 후 일정 시간동안 엔진의 속도가 일정하게 가속되며, 상기 엔진을 가속시키는 상기 시동모터의 토크는 기설정된 속도profile이 적용되는 상기 엔진의 목표속도에 따라 결정되는 것을 특징으로 하는 하이브리드 자동차의 시동모터 제어방법.
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