KR101673797B1

KR101673797B1 - 하이브리드 자동차의 직렬 모드 제어 방법

Info

Publication number: KR101673797B1
Application number: KR1020150107771A
Authority: KR
Inventors: 방재성
Original assignee: 현대자동차주식회사
Priority date: 2015-07-30
Filing date: 2015-07-30
Publication date: 2016-11-07
Anticipated expiration: 2035-07-30

Abstract

본 발명은 하이브리드 자동차의 직렬 모드 제어 방법에 관한 것으로서, 직렬 모드 주행시 엔진의 아이들 속도 제어가 안정적으로 이루어질 수 있도록 함으로써 엔진의 진동 및 소음을 효과적으로 억제할 수 있고, 이를 통해 차량 주행시의 정숙성을 향상시킬 수 있는 하이브리드 자동차의 직렬 모드 제어 방법을 제공하는데 주된 목적이 있는 것이다. 상기한 목적을 달성하기 위해, 차량을 구동하는 엔진 및 제1모터, 그리고 엔진에 동력 전달 가능하게 연결되어 차량의 직렬 모드 주행시 엔진 토크를 전달받아 배터리 충전을 위한 발전기로 작동되는 제2모터가 탑재된 하이브리드 자동차의 직렬 모드 제어 방법에 있어서, 직렬 모드로의 진입 여부를 판단하는 과정; 직렬 모드로의 진입시 배터리 상태 정보, 제1모터의 현재 상태 정보 및 제2모터의 정보에 기초하여 엔진 지령 파워를 결정하는 과정; 상기 결정된 엔진 지령 파워를 이용하여 제2모터의 목표 아이들 속도를 결정하는 과정; 및 상기 엔진 지령 파워에 해당하는 토크를 엔진 토크 지령으로 출력하여 엔진을 아이들 구동하는 동시에, 상기 목표 아이들 속도를 추종하도록 제2모터의 속도를 제어하는 과정을 포함하는 하이브리드 자동차의 직렬 모드 주행 제어 방법이 개시된다.

Description

하이브리드 자동차의 직렬 모드 제어 방법{Series mode control method of hybrid electric vehicle}

본 발명은 하이브리드 자동차의 직렬 모드 제어 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 직렬 모드 주행시 엔진의 아이들 속도 제어가 안정적으로 이루어질 수 있도록 함으로써 엔진의 진동 및 소음을 효과적으로 억제할 수 있고, 이를 통해 차량 주행시의 정숙성을 향상시킬 수 있는 하이브리드 자동차의 직렬 모드 제어 방법에 관한 것이다.

일반적으로 하이브리드 자동차는 엔진과 모터를 구동원으로 사용하여 주행하는 차량으로서, 주행을 위해 화석연료의 에너지와 더불어 전기에너지를 함께 이용하므로 배기가스 저감 및 연비 향상을 도모할 수 있는 친환경자동차이다.

도 1은 하이브리드 자동차의 파워트레인 구성을 나타내는 도면으로서, 구동모터와 변속기가 붙어 있는 TMED(Transmission Mounted Electric Device) 방식의 파워트레인 구성을 예시하고 있다.

도 1에 나타낸 바와 같이, 하이브리드 자동차의 파워트레인 구성은, 차량 주행을 위한 구동원으로서 직렬로 배치되는 엔진(1)과 구동모터(3), 상기 엔진(1)과 구동모터(3) 사이에 동력을 연결 또는 차단하도록 개재되는 엔진 클러치(2), 엔진(1) 및 구동모터(3)의 동력을 변속하여 구동축으로 전달하는 변속기(4), 엔진(1)과 동력 전달 가능하게 직결된 하이브리드 스타터-제너레이터(Hybrid Starter and Generator, 이하 'HSG'라 칭함)(5)를 포함한다.

여기서, 엔진 클러치(2)는 접합(lock-up) 또는 분리(open) 작동을 통해 차량을 구동하는 두 구동원, 즉 엔진(1)과 구동모터(3) 사이에 동력을 연결하거나 차단한다.

또한, 차량의 동력원(전력원)이 되는 배터리(7)가 인버터(6)를 통해 구동모터(3)와 HSG(5)에 충, 방전 가능하게 연결되는데, 인버터(6)는 구동모터(3)와 HSG(5)의 구동을 위해 배터리(7)의 직류전류를 3상 교류전류로 변환하여 구동모터와 HSG에 인가한다.

상기 HSG(5)는 시동모터와 발전기가 별도로 장착되는 일반 내연기관 자동차에서와 달리 하이브리드 자동차에서 시동모터와 발전기의 통합된 기능을 수행하는 장치로서, 구동시 자체 동력을 벨트 및 풀리 등의 동력전달기구를 통해 엔진(1)에 전달하여 엔진을 시동하거나, 엔진(1)에서 전달되는 회전력으로 발전을 수행하며, 발전 작동시 생성되는 전기에너지로 배터리(7)를 충전한다.

일례로, TMED 방식의 하이브리드 자동차에서 직렬(series) 모드 주행시에는 엔진 클러치(2)가 분리된 상태에서 엔진(1)의 기동 후 아이들(idle) 구동 동안 생성되는 엔진 토크가 HSG(5)에 전달되도록 하여, 발전기로 작동되는 HSG(5)에 의해 배터리(7)의 충전이 이루어지도록 하면서, 배터리(7)에 충전된 전기에너지로 구동모터(3)를 구동시켜 차량의 주행이 이루어지도록 하고 있다.

이러한 직렬 모드 주행시에는 엔진(1)에 대한 아이들 속도 제어가 실시되어 HSG(5)에서 특정 토크로 배터리(7)를 충전할 수 있도록 하는데, HSG 발전 작동을 위해 HSG 토크(충전 토크로서 음의 토크임)가 결정되면 HSG 토크(음의 토크)의 반대 토크(양의 토크)가 엔진 토크로 인가될 수 있도록 한다.

이때, 엔진(1)에 직결된 HSG(5)에서 음의 토크를 사용하게 되면서 엔진 및 HSG의 속도가 저하되는 것을 방지하기 위해 엔진(1)에 대한 아이들 속도 제어를 실시하여 엔진에서 HSG 토크에 해당하는 만큼의 반대 토크를 낼 수 있도록 한다.

그러나, 일반적으로 엔진의 경우 정밀 토크 제어 및 정밀 속도 제어가 어렵고, 부정확성으로 인해 아이들 속도 제어의 어려움이 있는 것은 물론, 엔진 상태에 따라 아이들 속도 제어시 오실레이션(oscillation) 성분이 속도에 첨가되면서 진동 및 소음이 발생할 수 있다.

따라서, 본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 창출한 것으로서, 직렬 모드 주행시 엔진의 아이들 속도 제어가 안정적으로 이루어질 수 있도록 함으로써 엔진의 진동 및 소음(부밍 소음 등)을 효과적으로 억제할 수 있고, 이를 통해 차량 주행시의 정숙성을 향상시킬 수 있는 하이브리드 자동차의 직렬 모드 제어 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.

상기한 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 실시예에 따르면, 차량을 구동하는 엔진 및 제1모터, 그리고 엔진에 동력 전달 가능하게 연결되어 차량의 직렬 모드 주행시 엔진 토크를 전달받아 배터리 충전을 위한 발전기로 작동되는 제2모터가 탑재된 하이브리드 자동차의 직렬 모드 제어 방법에 있어서, 직렬 모드로의 진입 여부를 판단하는 과정; 직렬 모드로의 진입시 배터리 상태 정보, 제1모터의 현재 상태 정보 및 제2모터의 정보에 기초하여 엔진 지령 파워를 결정하는 과정; 상기 결정된 엔진 지령 파워를 이용하여 제2모터의 목표 아이들 속도를 결정하는 과정; 및 상기 엔진 지령 파워에 해당하는 토크를 엔진 토크 지령으로 출력하여 엔진을 아이들 구동하는 동시에, 상기 목표 아이들 속도를 추종하도록 제2모터의 속도를 제어하는 과정을 포함하는 하이브리드 자동차의 직렬 모드 주행 제어 방법을 제공한다.

이로써, 본 발명에 따른 하이브리드 자동차의 직렬 모드 방법에서는 엔진 지령 파워 및 상기 엔진 지령 파워로부터 제2모터(HSG)의 목표 아이들 속도를 결정하여 엔진 토크를 엔진 지령 파워에 해당하는 토크로 제어하면서 상기 목표 아이들 속도를 추종하도록 제2모터의 속도를 제어함으로써, 직렬 모드 주행시 엔진의 아이들 속도 제어가 안정적으로 이루어질 수 있고, 이로써 엔진의 진동 및 소음을 효과적으로 억제할 수 있으며, 차량 주행시의 정숙성을 향상시킬 수 있게 된다.

또한, 안정적인 아이들 속도 제어가 가능하게 되면서 HSG의 최대 충전 한도 내에서 엔진 토크를 더 증대시킬 수 있으므로 직렬 모드 주행 거리를 증대시킬 수 있는 효과가 있게 된다.

도 1은 하이브리드 자동차의 파워트레인 구성을 나타내는 도면이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 하이브리드 자동차의 직렬 모드 제어 방법을 나타내는 순서도이다.
도 3은 본 발명의 실시예에서 엔진 지령 파워가 결정되는 과정을 나타내는 순서도이다.
도 4는 본 발명의 실시예에서 시스템 효율을 고려한 HSG 목표 아이들 속도를 결정하기 위한 엔진 운전점 및 HSG 운전점 맵을 나타내는 도면이다.
도 5는 본 발명의 실시예에서 목표값과 실제값, 제어값을 간략히 예시한 도면으로, HSG 목표 아이들 속도, HSG 속도, 엔진 토크 지령, HSG 속도 제어를 위한 토크값을 나타내는 도면이다.
도 6은 본 발명의 실시예에서 HSG 속도 제어를 위한 구성을 나타내는 블록도이다.

이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 대해 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명하기로 한다.

도 2는 본 발명의 실시예에 따른 하이브리드 자동차의 직렬 모드 제어 방법을 나타내는 순서도이다.

다음의 설명에서 제1모터는 차량의 구동원인 엔진에 엔진 클러치(도 1에서 도면부호 2임)를 개재한 상태로 연결되어 엔진과 함께 차량의 구동원으로 사용되는 구동모터(도 1에서 도면부호 3임)가 될 수 있고, 제2모터는 엔진(도 1에서 도면부호 1임)에 동력 전달 가능하게 직결된 모터로서 직렬 모드 주행시 발전기로 작동하는 모터, 즉 엔진 토크를 전달받아 배터리(도 1에서 도면부호 7임)를 충전하는 하이브리드 스타터-제너레이터(HSG)(도 1에서 도면부호 5임)가 될 수 있다.

전술한 바와 같이, 하이브리드 자동차의 직렬 모드 주행시에는 엔진 클러치가 분리된 상태에서 엔진의 기동 후 아이들 구동 동안 생성되는 엔진 토크가 제2모터에 전달되도록 하여, 발전기로 작동되는 제2모터에 의해 배터리의 충전이 이루어지도록 하면서, 배터리에 충전된 전기에너지로 제1모터를 구동시켜 차량의 주행이 이루어지도록 한다.

본 발명은 이러한 직렬 모드 주행시 제어 방법에 관한 것으로서, 제2모터의 토크(- 토크)를 결정하고 제2모터 토크의 반대 토크(+ 토크)만큼 엔진 토크가 생성되도록 엔진의 아이들 속도를 제어하는 종래의 방법과 달리, 엔진을 아이들 구동하기 위한 엔진 지령 파워 및 상기 엔진 지령 파워로부터 제2모터의 목표 아이들 속도를 결정하여 엔진 토크를 엔진 지령 파워에 해당하는 토크로 제어하면서 상기 목표 아이들 속도를 추종하도록 제2모터의 속도를 제어한다.

이를 위해, 본 발명은 직렬 모드로의 진입 여부를 판단하는 과정(S1), 직렬 모드로의 진입시 엔진 지령 파워를 결정하는 과정(S2), 상기 결정된 엔진 지령 파워를 이용하여 제2모터(HSG)의 목표 아이들 속도를 결정하는 과정(S3), 상기 엔진 지령 파워에 해당하는 토크를 엔진 토크 지령으로 출력하여 엔진을 아이들 구동하는 동시에 상기 목표 아이들 속도를 추종하도록 제2모터(HSG)의 속도를 제어하는 과정(S4)을 포함한다.

먼저, S1 단계에서 운전자 요구 및 차량 상태 정보에 따라 직렬 모드로 진입, 즉 엔진 클러치가 분리된 상태에서 차량이 제1모터로만 주행하도록 하는 동시에 제2모터가 엔진으로부터 전달되는 회전력에 의해 발전기로 작동하여 배터리를 충전하는 주행 모드로 진입하였는지를 판단한다.

이는 하이브리드 자동차의 최상위 제어기인 하이브리드 제어기(Hybrid Control Unit, 이하 'HCU'라 칭함)가 운전자 요구 및 차량 상태 정보로부터 정해진 직렬 모드로의 진입 조건을 만족하는지를 확인하여 판단하도록 할 수 있다.

상기와 같이 HCU가 직렬 모드의 주행이 필요한지를 판단한 후 직렬 모드로의 진입이 이루어지도록 하는 과정에 대해서는 공지의 기술적 사항이므로 본 명세서에서 상세히 설명하지 않는다.

이어 하이브리드 자동차의 직렬 모드 진입이 이루어지고 나면, S2 단계에서 HCU가 현재의 배터리 충전 상태(State of Charge, 이하 '배터리 SOC'라 칭함), 제2모터의 최대 충전 파워, 및 제1모터의 현재 방전 파워를 기초로 하여 엔진 지령 파워를 결정한다.

도 3은 본 발명의 실시예에서 엔진 지령 파워가 결정되는 과정을 나타내는 순서도로서, 본 발명에서 엔진 지령 파워는 엔진 구동 중 발생할 수 있는 엔진 마찰 토크 등의 외란을 제외한 토크에 대한 파워라 할 수 있다.

도시된 바와 같이, 엔진 지령 파워는, 배터리 상태 정보인 배터리 SOC(%) 값에 따라, 제2모터(HSG)의 정보인 최대 충전 파워와, 제1모터의 현재 상태 정보인 모터 방전 파워 중 어느 하나로 결정될 수 있다.

즉, HCU는 배터리 SOC를 기 설정값1(a)과 비교하여(S21) 설정값1 이하이면(SOC≤a) 제2모터(HSG)의 최대 충전 파워를 엔진 지령 파워로 결정한다(S22).

또한, 배터리 SOC가 설정값1을 초과하는 경우에는 배터리 SOC를 기 설정값2(b, 여기서 b>a임)와 비교하고(S23), 이때 배터리 SOC가 설정값2 이상이면(SOC≥b) 제1모터의 방전 파워를 엔진 지령 파워로 결정한다(S24).

또한, 배터리 SOC가 설정값1을 초과하고 설정값2 미만이면(SOC<b) 제1모터의 방전 파워와 제2모터의 최대 충전 파워 중 작은 값을 엔진 지령 파워로 결정한다(S25).

여기서, 상기와 같이 제1모터의 방전 파워와 제2모터의 최대 충전 파워 중 작은 값을 엔진 지령 파워로 결정하는 대신, 배터리 SOC가 설정값1을 초과하고 설정값2 미만일 경우 S25 단계에서 미리 정해진 최대 효율 파워를 엔진 지령 파워로 결정하도록 설정될 수도 있다.

상기 최대 효율 파워는 엔진 및 HSG(제2모터) 시스템의 충전 효율이 최대인 파워를 의미한다.

한편, 엔진 지령 파워가 결정되고 나면, S3 단계에서 엔진 지령 파워로부터 엔진 및 제2모터의 효율을 고려한 제2모터의 목표 아이들 속도를 결정한다.

이때, 상기 제2모터의 목표 아이들 속도는 제2모터의 운전점 맵에서 상기 결정된 엔진 지령 파워의 등(等) 파워 라인을 따르는 운전점들 중 최대 효율을 나타내는 속도로 결정될 수 있다.

또는 상기 제2모터의 목표 아이들 속도가 엔진 운전점 맵과 제2모터의 운전점 맵에서 상기 결정된 엔진 지령 파워의 등 파워 라인을 따르는 운전점들 중 엔진 운전 효율과 제2모터(HSG)의 충전 효율을 모두 고려한 최적의 효율을 나타내는 속도로 결정될 수 있다.

도 4는 본 발명의 실시예에서 시스템 효율을 고려한 제2모터(HSG)의 목표 아이들 속도(r)를 결정하기 위한 엔진 운전점 맵 및 제2모터의 운전점 맵을 나타내는 도면으로서, 엔진 운전점 맵과 제2모터의 운전점 맵은 각각 토크와 속도에 따라 엔진 운전 효율과 엔진에 직결된 제2모터의 충전 효율을 정의한 맵으로 구비된다.

예시된 엔진 운전점 맵과 제2모터의 운전점 맵에서 제2모터의 속도는 횡축상 동일 위치(도 4에서 수직으로 도시된 점선의 위치)의 엔진 속도에 종속적이다.

즉, 도 1과 같은 시스템에서, 엔진(1)과 제2모터(HSG)(5)가 동력 전달 가능하게 직결되어 있고, 예를 들어 엔진(1)과 제2모터(5)가 풀리와 벨트를 통해 동력 전달 가능하게 직결된 구성이라면, 제2모터의 속도는 엔진 속도에 풀리비가 고려된 속도가 된다.

도 4와 같이 예시된 운전점 맵에서는 상기 결정된 엔진 지령 파워의 등(等) 파워 라인을 따르는 운전점들 중 엔진 운전 효율과 제2모터(HSG)의 충전 효율을 모두 고려한 속도와 토크가 결정될 수 있다.

즉, 예시된 엔진 운전점 맵에서 상기 엔진 지령 파워의 등 파워 라인을 따르는 운전점들과, 제2모터의 운전점 맵에서 상기 엔진 지령 파워의 등 파워 라인을 따르는 운전점들 중에서, 엔진 효율과 제2모터(HSG)의 효율을 모두 고려하여 최적의 효율을 나타내는 엔진 속도와 토크, 제2모터의 속도와 토크가 결정될 수 있는 것이다.

여기서, 운전점 맵으로부터 엔진과 제2모터의 효율을 모두 고려하여 결정되는 제2모터의 속도가 목표 아이들 속도(r)가 되는데, 예를 들어 도 4의 엔진 운전점 맵에서 엔진 지령 파워의 등 파워 라인을 따르는 엔진 운전점들 중 엔진 효율이 η_n이고, 제2모터의 운전점 맵에서 엔진 지령 파워의 등 파워 라인을 따르는 제2모터의 운전점들 중 동일 속도 위치의 제2모터의 효율(즉, η_n의 엔진 효율을 나타내는 운전점과 동일 엔진 속도 또는 동일 제2모터 속도에서의 모터 효율)이 η_m이라 할 때, η_n와 η_m의 곱이 최대인 운전점의 제2모터의 속도가 목표 아이들 속도(r)로 결정될 수 있다.

또한, η_n와 η_m의 곱이 최대가 되는 운전점에 해당하는 엔진 토크 또한 결정될 수 있는데, 이 엔진 토크가 후술하는 토크 지령 값으로 결정될 수 있다.

이와 같이 엔진 지령 파워에 기초하여 운전점 맵으로부터 제2모터의 목표 아이들 속도(r)가 결정되면, S4 단계에서 제2모터의 속도를 목표 아이들 속도(r)로 일정하게 유지하기 위한 속도 제어가 실시된다.

이러한 S4 단계의 속도 제어 과정에서는 기본적으로 모터 제어기가 HCU로부터 전달된 제2모터의 목표 아이들 속도 값 정보를 이용하여 제2모터에 대한 속도 제어를 실시하며, 동시에 엔진에 대해서는, 엔진 지령 파워에 해당하는 엔진 토크 생성을 위해 HCU가 상기 운전점 맵으로부터 결정된 엔진 토크를 엔진 제어기(Engine Management System, EMS)에 지령 값으로 출력하고, 이로써 아이들 속도로 엔진이 구동하도록 HCU에서 전달된 토크 지령에 따라 엔진 제어기가 엔진 토크 출력을 제어하게 된다.

이에 본 발명의 실시예에서는 상기한 엔진 지령 파워에 해당하는 토크 지령에 따라 제2모터의 최대 충전 토크 내에서 엔진 토크를 발생시킬 수 있고, 제2모터에 대해 특정 속도, 즉 목표 아이들 속도를 유지하기 위한 속도 제어를 실시하여 엔진의 해당 토크만큼을 제2모터에서 충전을 하게 되며, 엔진이 아닌 제2모터에 대한 정밀한 속도 제어를 통해 엔진 상태와 무관하게 엔진 속도의 오실레이션 성분을 감소시킴으로써 안정적인 직렬 모드 주행이 가능해진다.

위에서 하나의 실시예로 엔진 토크 지령이 도 4와 같은 엔진 운전점 맵과 제2모터의 운전점 맵으로부터 결정될 수 있음을 설명하였으나, 상기 엔진 토크 지령이 엔진의 운전점 맵에서 상기 결정된 엔진 지령 파워에 해당하는 운전점 중 최대 효율을 나타내는 엔진 토크값으로 결정되도록 하는 것 또한 가능하다.

도 5는 본 발명의 실시예에서 목표값과 실제값, 제어값을 간략히 예시한 도면으로, 엔진 지령 파워로부터 결정되는 제2모터의 목표 아이들 속도(①), 센서에 의해 측정되는 제2모터의 실제 속도(②), 엔진 지령 파워에 해당하는 제어값인 엔진 토크 지령(③), 속도 제어를 위한 HSG 토크값(제2모터의 속도 제어를 위한 제어 토크값, 즉 제2모터의 토크 지령)(④)을 나타내는 도면이다.

본 발명의 실시예에서 목표 아이들 속도(r)를 추종하도록 제2모터의 속도를 제어하는 과정에 대해서 좀더 상세히 설명하면 다음과 같다.

먼저, 목표 아이들 속도(r)를 추종하도록 제2모터의 속도를 제어하는 과정은, 목표 아이들 속도(r)와, 센서에 의해 측정된 제2모터의 실제 속도(y) 간의 편차인 에러 값(e)을 산출하는 단계; 피드백 제어기에서 상기 에러 값(e)을 입력으로 하여 피드백 제어값인 피드백 제어 토크값(U_fb)을 출력하는 단계; 상기 피드백 제어 토크값(U_fb)과, 엔진과 제2모터의 회전체 총 관성 모멘트(J) 및 상기 목표 아이들 속도(r)에 따라 결정되는 피드포워드 제어값인 피드포워드 제어 토크(U_ff) 값과, 제2모터의 실제 속도(r)로부터 추정된 외란 토크 추정값(U_d)으로부터 제2모터의 속도 제어를 위한 제어 토크값(U)을 산출하는 단계; 및 상기 산출된 제어 토크값(U)을 토크 지령으로 하여 제2모터의 구동이 제어됨으로써 제2모터의 속도가 제어되는 단계를 포함한다.

목표 아이들 속도를 추종하도록 제2모터에 대한 속도 제어를 실시함에 있어서, 엔진에서는 양의 토크(+ 토크)가 출력되고 있으므로, 목표 아이들 속도를 추종하기 위해 제2모터의 속도 제어 동안 제2모터에서는 음의 토크(- 토크)를 내게 되고, 결과적으로 제2모터가 배터리를 충전하게 된다.

이때의 충전량은 엔진에서 출력하는 실제 파워에서 마찰 등의 외란에 의한 토크, 즉 외란 토크에 상응하는 양이 제외된 양이고, 엔진 지령 파워에 상응하는 양과 정확히 일치하지 않을 수 있다.

이는 엔진에 대해 추정되는 마찰 등으로 인한 외란 토크가 정확하지 않기 때문이며, 따라서 만약 제2모터에서 속도 제어를 실시하지 않고 엔진 지령 파워에 해당하는 토크의 반대 토크, 즉 상기 엔진 지령 파워에 해당하는 토크에 -1을 곱한 값을 속도 제어를 위한 제2모터의 토크 지령로 결정하면 엔진 속도가 일정한 값을 유지할 수 없다.

도 6은 본 발명의 실시예에서 제2모터의 속도 제어를 위한 구성을 나타내는 블록도로서, r은 전술한 바와 같이 엔진 지령 파워에 기초하여 결정된 제2모터의 목표 아이들 속도를 나타내고, y는 센서에 의한 피드백 값으로서 토크 발생 장치와 직결된 축의 속도, 즉 센서에 의해 측정되는 제2모터의 실제 속도를 나타낸다.

또한, e는 제2모터의 목표 아이들 속도와 제2모터의 실제 속도의 편차인 에러 값을 나타내고, C(s)는 e를 입력으로 하는 피드백 제어기를 나타내며, U_fb는 피드백 제어기에서 출력되는 피드백 제어값인 피드백 제어 토크값을 나타낸다.

피드백 제어기는 PI 제어기가 될 수 있으나, 반드시 PI 제어기로 한정되는 것은 아니다.

U_ff는 피드포워드 제어값인 피드포워드 제어 토크값으로, J_n과 제2모터의 목표 아이들 속도의 미분값의 곱으로 정의될 수 있다.

여기서, J_n은 엔진 및 제2모터의 총 관성 모멘트(J)의 공칭값(nominal value)이며, 본 발명의 실시예에서 제2모터의 목표 아이들 속도가 일정하므로 U_ff는 0이지만, 만약 제2모터의 목표 아이들 속도가 일정하지 않다면 0이 아니다.

또한, U는 제2모터에서 발생시켜야 하는 제어 토크값으로 일반적으로 엔진에서 제2모터로 전달되는 토크가 + 토크이므로 제2모터에서 발생시키는 토크는 - 토크이고, 이로 인해 제2모터가 엔진으로부터 전달되는 토크만큼을 충전하게 된다.

d는 엔진에서 제2모터로 전달되는 토크(엔진 토크 지령과 같은 값이거나 근접값이 될 수 있음) 및 마찰 등의 모델화되지 않은 동력학 효과로 인한 영향 등이 포함된 미지의 외란 토크값이며, U_d는 d(외란 토크)의 추정값으로서, 이 추정값인 U_d를 피드백 값으로 이용하여 d의 영향을 최소화한다.

상기 제어 토크값(U)은 피드백 제어 토크값, 즉 상기 피드백 제어기(C(s))에서 출력되는 피드백 제어값과 피드포워드 제어 토크값인 피드포워드 제어값을 합산하고 합산값에서 외란 토크 추정값을 뺀 값으로 결정될 수 있다.

G(s)는 시스템의 플랜트 모델(plant model)을 나타내는 것으로, 1/(J×s)으로 표현될 수 있다.

여기서, J는 엔진과 제2모터의 회전체의 총 관성 모멘트이고, s는 라플라스 변환 변수(Laplace Transform Variable)이다.

또한, G_n(s)는 공칭 플랜트(nominal plant) 모델로서 1/(J_n×s)로 표현될 수 있고, G_n ^-1(s)은 공칭 플랜트 역모델로서 (J_n×s)로 표현될 수 있다.

여기서, J_n은 엔진과 제2모터의 회전체의 총 관성 모멘트인 J의 공칭값, 즉 공칭 관성 모멘트를 나타낸다.

상기 외란 토크 추정값(U_d)은, 제2모터의 실제 속도를 입력으로 하는 공칭 플랜트 역모델(G_n ^-1(s))의 출력값을 저역통과필터(Q(s))로 필터링한 값에서, 상기 산출된 제어 토크값(U)을 저역통과필터(Q(s))로 필터링한 값을 뺀 값으로 결정될 수 있다.

Q(s)는 저역통과필터(Low Pass Filter, LPF)로서, 아래의 식으로 표현될 수 있다.

여기서, n≥m이며, 외란 d에 포함된 최대 주파수(=ω_m) 이하에서

이 되도록 설계인자 a_j와 b_j를 설계한다.

이상으로 본 발명의 실시예에 대하여 상세하게 설명하였는바, 본 발명의 권리범위가 이에 한정되는 것이 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 : 구동모터(제1모터)
4 : 변속기
5 : HSG(제2모터)
6 : 인버터
7 : 배터리
C(s) : 피드백 제어기
G(s) : 플랜트 모델
Gn^-1(s) : 공칭 플랜트 역모델
Q(s) : 저역통과필터

Claims

차량을 구동하는 엔진 및 제1모터, 그리고 엔진에 동력 전달 가능하게 연결되어 차량의 직렬 모드 주행시 엔진 토크를 전달받아 배터리 충전을 위한 발전기로 작동되는 제2모터가 탑재된 하이브리드 자동차의 직렬 모드 제어 방법에 있어서,
직렬 모드로의 진입 여부를 판단하는 과정;
직렬 모드로의 진입시 배터리 상태 정보, 제1모터의 현재 상태 정보 및 제2모터의 정보에 기초하여 엔진 지령 파워를 결정하는 과정;
상기 결정된 엔진 지령 파워를 이용하여 제2모터의 목표 아이들 속도를 결정하는 과정; 및
상기 엔진 지령 파워에 해당하는 토크를 엔진 토크 지령으로 출력하여 엔진을 아이들 구동하는 동시에, 상기 목표 아이들 속도를 추종하도록 제2모터의 속도를 제어하는 과정을 포함하는 하이브리드 자동차의 직렬 모드 주행 제어 방법.
청구항 1에 있어서,
상기 배터리 상태 정보가 배터리 SOC(State of Charge)(%) 값이고,
상기 제2모터의 정보가 제2모터의 최대 충전 파워이며,
상기 제1모터의 현재 상태 정보가 제1모터의 방전 파워인 것을 특징으로 하는 하이브리드 자동차의 직렬 모드 주행 제어 방법.
청구항 2에 있어서,
엔진 지령 파워가 배터리 SOC 값에 따라 제2모터의 최대 충전 파워와 제1모터의 방전 파워 중 어느 하나로 결정되는 것을 특징으로 하는 하이브리드 자동차의 직렬 모드 주행 제어 방법.
청구항 3에 있어서,
엔진 지령 파워를 결정하는 과정은,
배터리 SOC를 기 설정값1과 비교하여 설정값1 이하이면, 제2모터의 최대 충전 파워를 엔진 지령 파워로 결정하는 단계; 및
배터리 SOC가 설정값1을 초과하는 경우 배터리 SOC를 기 설정값2와 비교하여 배터리 SOC가 설정값2 이상이면, 제1모터의 방전 파워를 엔진 지령 파워로 결정하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 하이브리드 자동차의 직렬 모드 주행 제어 방법.
청구항 4에 있어서,
상기 엔진 지령 파워를 결정하는 과정은,
배터리 SOC가 설정값1을 초과하고 설정값2 미만이면, 제1모터의 방전 파워와 제2모터의 최대 충전 파워 중 작은 값, 또는 엔진과 제2모터 시스템의 배터리 충전 효율이 최대인 미리 정해진 최대 효율 파워를 엔진 지령 파워로 결정하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 하이브리드 자동차의 직렬 모드 주행 제어 방법.
청구항 1에 있어서,
상기 제2모터의 목표 아이들 속도를 결정하는 과정에서 목표 아이들 속도는, 제2모터의 운전점 맵에서 상기 결정된 엔진 지령 파워에 해당하는 운전점 중 최대 효율을 나타내는 속도로 결정되는 것을 특징으로 하는 하이브리드 자동차의 직렬 모드 주행 제어 방법.
청구항 1에 있어서,
상기 제2모터의 목표 아이들 속도를 결정하는 과정에서 목표 아이들 속도는,
토크와 속도에 따른 엔진 효율과 엔진에 직결된 제2모터의 효율을 각각 정의한 엔진 운전점 맵과 제2모터의 운전점 맵에서, 상기 결정된 엔진 지령 파워에 해당하는 운전점들 중, 동일 엔진 속도 또는 동일 제2모터 속도에 해당하는 엔진 효율과 제2모터 효율의 곱이 최대값을 나타내는 제2모터의 속도로 결정되는 것을 특징으로 하는 하이브리드 자동차의 직렬 모드 주행 제어 방법.
청구항 1에 있어서,
상기 엔진 토크 지령은 엔진의 운전점 맵에서 상기 결정된 엔진 지령 파워에 해당하는 운전점 중 최대 효율을 나타내는 엔진 토크값으로 결정되는 것을 특징으로 하는 하이브리드 자동차의 직렬 모드 주행 제어 방법.
청구항 1에 있어서,
상기 엔진 토크 지령은,
토크와 속도에 따른 엔진 효율과 엔진에 직결된 제2모터의 효율을 각각 정의한 엔진 운전점 맵과 제2모터의 운전점 맵에서, 상기 결정된 엔진 지령 파워에 해당하는 운전점들 중, 동일 엔진 속도 또는 동일 제2모터 속도에 해당하는 엔진 효율과 제2모터 효율의 곱이 최대값을 나타내는 엔진 토크값으로 결정되는 것을 특징으로 하는 하이브리드 자동차의 직렬 모드 주행 제어 방법.
청구항 1에 있어서,
상기 목표 아이들 속도를 추종하도록 제2모터의 속도를 제어하는 과정은,
상기 목표 아이들 속도와, 센서에 의해 측정된 제2모터의 실제 속도 간의 편차인 에러 값을 산출하는 단계;
피드백 제어기에서 상기 에러 값을 입력으로 하여 피드백 제어값인 피드백 제어 토크값을 출력하는 단계;
상기 피드백 제어 토크값과, 엔진과 제2모터의 회전체 총 관성 모멘트 및 상기 목표 아이들 속도에 따라 결정되는 피드포워드 제어 토크값과, 제2모터의 실제 속도로부터 추정된 외란 토크 추정값으로부터 제2모터의 속도 제어를 위한 제어 토크값(U)을 산출하는 단계; 및
상기 산출된 제어 토크값을 토크 지령으로 하여 제2모터의 구동이 제어됨으로써 제2모터의 속도가 제어되는 단계를 포함하는 하이브리드 자동차의 직렬 모드 주행 제어 방법.
청구항 10에 있어서,
상기 피드포워드 제어 토크값은 엔진과 제2모터의 회전체 총 관성 모멘트의 공칭값인 공칭 관성 모멘트(J_n)와 목표 아이들 속도의 미분값의 곱으로 결정되는 것을 특징으로 하는 하이브리드 자동차의 직렬 모드 주행 제어 방법.
청구항 10에 있어서,
상기 제2모터에 대한 토크 지령은 상기 피드백 제어 토크값과 피드포워드 제어 토크값을 합산하고 외란 토크 추정값을 뺀 값으로 결정되는 것을 특징으로 하는 하이브리드 자동차의 직렬 모드 주행 제어 방법.
청구항 10에 있어서,
상기 외란 토크 추정값은,
제2모터의 실제 속도를 입력으로 하는 공칭 플랜트 역모델의 출력값을 저역통과필터로 필터링한 값에서, 상기 산출된 제어 토크값(U)을 저역통과필터로 필터링한 값을 뺀 값으로 결정되는 것을 특징으로 하는 하이브리드 자동차의 직렬 모드 주행 제어 방법.