KR20190081379A

KR20190081379A - 하이브리드 차량의 배터리 ｓｏｃ 관리 방법

Info

Publication number: KR20190081379A
Application number: KR1020170183874A
Authority: KR
Inventors: 이용훈; 손동진; 이준혁; 허지욱
Original assignee: 현대자동차주식회사; 기아자동차주식회사
Priority date: 2017-12-29
Filing date: 2017-12-29
Publication date: 2019-07-09

Abstract

본 발명은 하이브리드 차량의 배터리 SOC 관리 방법에 관한 것으로서, 정체 구간 주행 동안 배터리 SOC를 일정 수준 이상으로 관리할 수 있으면서도 엔진을 구동하지 않는 EV 주행 구간을 확대할 수 있고, 이를 통해 비구동 연료 손실 축소 및 연비 향상이 가능해지는 하이브리드 차량의 배터리 SOC 관리 방법을 제공하는데 주된 목적이 있는 것이다. 상기한 목적을 달성하기 위해, 제어부가 내비게이션 장치로부터 주행 경로상의 차량 전방에 위치한 전방 도로에 대한 정보를 수신하여 전방 도로가 정체 구간인지를 판단하는 단계; 상기 제어부가 정체 구간인 것으로 판단한 경우 정체 구간의 EV 모드 주행시 SOC 변화량을 예측하여 결정하는 단계; 상기 제어부가 현재의 배터리 SOC와 상기 결정된 SOC 변화량(ΔSOC)의 차이 값으로서 정체 구간의 EV 모드 주행시 SOC 예측 값인 '배터리 SOC - ΔSOC'을 미리 정해진 SOC 기준 값과 비교하는 단계; 및 상기 '배터리 SOC - ΔSOC'가 상기 SOC 기준 값보다 높으면, 상기 제어부가 정체 구간에서 EV 모드로 주행하도록 차량을 제어하는 단계를 포함하는 하이브리드 차량의 배터리 SOC 관리 방법이 개시된다.

Description

하이브리드 차량의 배터리 ＳＯＣ 관리 방법{Management method for battery SOC of hybrid electric vehicle}

본 발명은 하이브리드 차량의 배터리 SOC 관리 방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 정체 구간 주행 동안 배터리 SOC를 일정 수준 이상으로 관리할 수 있으면서도 엔진을 구동하지 않는 EV 주행 구간을 확대할 수 있고, 이를 통해 비구동 연료 손실 축소 및 연비 향상이 가능해지는 하이브리드 차량의 배터리 SOC 관리 방법에 관한 것이다.

최근 연비가 우수한 전기 차량과 하이브리드 차량이 개발되어 주목을 받고 있다.

전기 차량은 모터만으로 차량의 구동 토크를 생성하는 차량을 말하고, 하이브리드 차량은 엔진과 모터에 의해 차량의 구동 토크를 생성하는 차량을 말한다.

이 중 하이브리드 차량에서는 주행 과정에서 차량을 구동하는 구동원인 엔진과 모터를 어떻게 조화롭게 작동시키느냐에 따라 최적의 토크를 출력할 수 있는 것은 물론 차량 연비의 극대화가 가능해진다.

하이브리드 차량은 엔진과 모터를 사용하여 다양한 구조로 구동계를 구성할 수 있는데, 일례로 엔진과 모터를 엔진 클러치를 통해 연결하고 모터 출력 측에 변속기를 연결한 TMED(Transmission Mounted Electric Device) 타입의 하이브리드 시스템이 알려져 있다.

TMED 타입의 하이브리드 시스템은 차량 주행을 위한 구동원이 되는 엔진과 모터, 엔진과 모터 사이에 개재되는 엔진 클러치, 모터 출력 측에 연결된 변속기, 모터를 구동시키기 위한 인버터, 인버터를 통해 모터에 충, 방전 가능하게 연결된 배터리를 포함한다.

이에 더하여 TMED 타입의 하이브리드 시스템은 엔진과 동력 전달 가능하게 연결되어 엔진을 시동하거나 엔진으로부터 전달되는 회전력으로 발전을 수행하는 모터, 즉 시동발전기(Hybrid Starter and Generator, 이하 'HSG'라 칭함)를 포함할 수 있다.

HSG는 모터로 작동하거나 발전기로 작동하는데, 엔진과는 상시 동력 전달 가능하게 연결되어 있으므로 엔진 속도를 제어하는데 이용되기도 한다.

엔진 클러치는 접합 또는 해제 작동되어 엔진과 모터 사이를 동력 전달 가능하게 연결하거나 분리하며, 인버터는 모터 구동을 위해 배터리의 직류전류를 3상 교류전류로 변환하여 모터에 인가한다.

변속기는 모터의 동력 또는 엔진과 모터의 복합 동력을 변속하여 구동축을 통해 구동휠로 전달하며, 자동변속기(Automatic Transmission, AT) 또는 DCT(Double Clutch Transmission)가 사용될 수 있다.

이와 같은 하이브리드 시스템을 탑재한 차량, 즉 HEV나 PHEV 등의 하이브리드 차량은 모터의 동력만을 이용하여 주행하는 순수 전기차 모드인 EV(Electric Vehicle) 모드, 또는 엔진의 동력과 모터의 동력을 복합적으로 이용하여 주행하는 HEV(Hybrid Electric Vehicle) 모드로 주행할 수 있다.

예컨대, 운전자 요구 토크가 크면 EV 모드에서 HEV 모드로의 전환이 이루어질 수 있고, 반대로 운전자 요구 토크가 작으면 HEV 모드에서 EV 모드로의 전환이 이루어질 수 있다.

또한, 차량의 제동시나 관성에 의한 타행 주행(coasting)시에는 차량의 운동에너지를 모터를 통해 회수하여 배터리를 충전하는 회생 모드가 수행되고, 회생 모드에서는 차량의 운동에너지를 차량 휠을 통해 전달받은 모터가 발전기로 작동하여 인버터를 통해 연결된 배터리를 충전한다.

한편, 하이브리드 차량에서는 배터리 충전 상태(State Of Charge, 이하 'SOC'라 함)가 낮을 경우 아이들 충전 SOC까지 도달하지 않도록 SOC를 방어하는 제어가 수행된다.

예를 들면, 차량이 주행 중이거나 정차하고 있을 때 현재의 배터리 SOC가 정해진 아이들 충전 SOC보다 낮을 경우 SOC 방어를 위해 아이들(idle) 충전이 수행될 수 있다.

여기서, SOC 방어는 배터리 보호 등을 목적으로 배터리 SOC가 일정 수준 아래로 내려가지 않게 유지시키는 것을 의미한다.

또한, 아이들 충전은 차량 주행 또는 정차 중에 배터리 SOC가 아이들 충전 SOC 이하로 낮아진 경우 배터리 보호를 위해 엔진을 아이들 상태로 운전하여 배터리를 충전하는 것을 말한다.

즉, TMED 하이브리드 차량에서 배터리 보호를 위해 배터리 SOC가 아이들 충전 SOC 이하로 낮아지면, 정차 중에도 HSG로 엔진을 시동 온(on) 한 뒤 엔진을 아이들 상태로 운전하고, 이때 HSG가 엔진 토크를 전달받아 배터리를 충전한다.

이러한 아이들 충전 과정에서는 엔진 클러치가 해제된 상태로 HSG가 엔진 토크를 전달받아 발전기로 작동하며, 이후 배터리 SOC가 아이들 충전 SOC보다 높아지면 엔진을 오프(off) 시켜 아이들 충전을 종료한다.

이때, 엔진 동력이 차량을 구동하는데 사용되지 않으므로 아이들 충전시의 엔진 연료 소모는 비구동 연료 손실이 된다.

그리고, SOC 방어를 위해 EV 라인(EV line)을 하향 조정(엔진 온 시점을 당김)하는 것이 알려져 있으며, 저 차속 및 저 APS(Acceleration Position Sensor) 값 상황에서도 엔진을 시동한 후 엔진 클러치를 접합하여 엔진 토크로 모터(구동모터)를 발전기로 작동시키는 엔진 록-업(lock-up)을 유도한다.

상기 EV 라인은 EV 모드에서 HEV 모드로의 전환 조건을 규정하고 있는 것으로서, 다양한 변수에 대해 EV 모드와 HEV 모드가 상호 전환되는 그래프상의 경계선을 EV 라인이라 정의하고 있다.

EV 모드에서 HEV 모드로 전환되기 위한 조건은 다양한 변수를 포함할 수 있으며, EV 라인을 하향 조정한다는 것은 보다 낮은 변수 조건에서 HEV 모드로의 전환이 이루어지도록 EV 라인을 조정하는 것을 의미한다.

EV 라인의 예로 차속과 SOC에 따라 요구 파워가 맵핑되어 있는 파워 맵에서 EV 모드와 HEV 모드 간 상호 전환이 이루어지는 차속 및 SOC별 맵 값을 연결한 경계선이 될 수 있다.

이때, EV 라인의 하향은 EV 모드에서 HEV 모드로의 전환이 이루어지는 조건, 즉 엔진 시동이 이루어지는 차속 및 SOC별 파워 값을 낮추는 것을 의미하는 것이 될 수 있다.

이와 같이 EV 라인을 하향시켜 엔진 온/오프를 반복하는 동안 배터리 SOC를 아이들 충전 SOC보다 높게 유지하기 위한 SOC 방어가 이루어질 수 있다.

이때, 엔진을 시동 후 운전하는 동안의 엔진 동력 일부는 구동모터를 발전기로 작동시키는 사용하고(배터리 충전 및 SOC 관리를 위해 사용), 나머지는 차량을 구동하기 위한 구동력으로 사용한다.

그 밖에 배터리 보호를 위해 SOC 사용 최저 영역으로 갈수록 EV 라인 하향, 엔진 운전점 상향, 상향 변속 시점 딜레이(delay) 등의 순으로 단계적인 SOC 방어 제어를 수행하고 있다.

그러나, 종래에는 전방 도로의 상황을 전혀 고려하지 않은 현재의 배터리 SOC 만을 이용하여 SOC 방어 제어를 수행하고 있으며, 특히 현재 차량이 정체 구간을 주행하고 있는 저 차속 상황에서 배터리 SOC가 낮다면 무조건 SOC 방어 제어에 진입한다.

하지만, 전술한 바와 같이 SOC 방어를 위한 제어 동안에는 비구동 연료 손실이 발생하는 문제가 있으므로, 종래와 같이 현재의 배터리 SOC만을 고려하여 SOC 방어 진입이 이루어지도록 한다면, 불필요함에도 배터리 충전을 위해 엔진을 시동하고 운전하는 영역(정체 구간 주행시 등)이 존재하고, 이는 불필요한 연료 소모로 인한 차량 연비 저하의 문제점을 야기한다.

예로, SOC 방어를 위한 아이들 충전시 엔진이 아이들로 운전되어 연료를 소모하지만, 이때의 엔진 동력이 차량 구동을 위해 사용되는 것이 아니므로 비구동 연료 손실의 문제가 있다.

또한, SOC 방어를 위해 EV 라인이 하향 조정되면 짧은 시간 간격으로 엔진의 온/오프가 자주 반복되는데, 정체 구간에서 짧고 잦은 엔진 온/오프 반복이 있게 되면 HSG가 엔진 시동을 위해 배터리 전력을 자주 소모해야 하므로 전력 과다 사용의 문제점이 있다.

또한, 정체 구간에서는 운전자가 가속페달과 브레이크 페달을 자주 조작하게 되는데, 가속페달 조작 후 짧은 시간 내에 브레이크 페달을 조작하는 가속 후 감속의 잦은 반복이 나타난다.

만약, SOC 방어를 위해 EV 라인이 하향 조정된 상태에서 가속 후 짧은 시간 내에 감속이 이루어진다면, 예를 들어 운전자가 가속페달을 조작한 뒤 짧은 시간 내에 브레이크 페달을 조작한다면, 엔진 록-업 및 배터리 충전이 불가하고 비구동 연료 손실만 발생하는 문제점이 있다.

즉, 엔진을 짧은 시간 동안만 온 시켰다가 다시 오프 시키므로, 엔진 시동을 위한 HSG의 전력 소모가 있는 것은 물론, 엔진 시동 후 엔진 클러치가 접합되기 전에 엔진이 오프될 수도 있는바, 이때는 엔진이 잠시 연료를 소모하였지만 모터(구동모터)로 배터리를 충전하지 못한 상태가 된다.

또한, 종래에는 정체 구간을 탈출한 후 엔진 부분 부하(part load) 모드에서 SOC를 상승시킬 수 있는 가능성이 있음에도, 차량이 정체 구간을 주행하고 있는 저 차속 상황에서 배터리 SOC가 낮으면 무조건 SOC 방어 제어에 진입하고 있기 때문에, 즉 현재의 SOC 상황만으로 SOC 방어 제어 진입을 판단하므로 연비가 악화하는 문제점이 있다.

도 1은 종래기술에 따른 배터리 SOC 관리 상태를 예시한 도면으로서, EV 라인 하향 조정을 통해 짧은 엔진 온/오프를 반복함으로써 SOC 방어가 이루어짐을 보이고 있다.

예시한 바와 같이, 차량이 정체 구간을 주행하는 동안, 엔진 온/오프가 반복되어 배터리 SOC가 아이들 충전 SOC보다 높게 유지되고 있으나, SOC 방어를 위해 EV 라인이 하향된 상태에서, 'A' 부분과 같이 엔진 온 후 엔진 클러치가 접합되기 전에 바로 엔진이 오프되면, 엔진 록-업 후의 모터 발전 및 배터리 충전이 불가하므로, 연료만 소모하는 비구동 연료 손실이 증가한다.

따라서, 본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 창출한 것으로서, 배터리 SOC 방어 제어를 수행하는 하이브리드 차랑에서 내비게이션 정보를 이용하여 전방의 도로 상황을 판단하고, 정체 도로 주행 동안 SOC 방어 제어의 진입 기준이 되는 SOC를 하향시킴으로써, 엔진을 구동하지 않는 EV 주행 구간을 종래에 비해 확대할 수 있고, 이를 통해 비구동 연료 손실 축소 및 연비 향상이 가능해지는 하이브리드 차량의 배터리 SOC 관리 방법을 제공함에 그 목적이 있다.

상기한 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 실시예에 따르면, 제어부가 내비게이션 장치로부터 주행 경로상의 차량 전방에 위치한 전방 도로에 대한 정보를 수신하여 전방 도로가 정체 구간인지를 판단하는 단계; 상기 제어부가 정체 구간인 것으로 판단한 경우 정체 구간의 EV 모드 주행시 SOC 변화량을 예측하여 결정하는 단계; 상기 제어부가 현재의 배터리 SOC와 상기 결정된 SOC 변화량(ΔSOC)의 차이 값으로서 정체 구간의 EV 모드 주행시 SOC 예측 값인 '배터리 SOC - ΔSOC'을 미리 정해진 SOC 기준 값과 비교하는 단계; 및 상기 '배터리 SOC - ΔSOC'가 상기 SOC 기준 값보다 높으면, 상기 제어부가 정체 구간에서 EV 모드로 주행하도록 차량을 제어하는 단계를 포함하는 하이브리드 차량의 배터리 SOC 관리 방법을 제공한다.

이로써, 본 발명에 따른 하이브리드 차량의 배터리 SOC 관리 방법에 의하면, 배터리 SOC 방어 제어를 수행하는 하이브리드 차랑에서 내비게이션 정보를 이용하여 전방의 도로 상황을 판단하고, 정체 도로 주행 동안 SOC 방어 제어의 진입 기준이 되는 SOC를 하향시킴으로써, 엔진을 구동하지 않는 EV 주행 구간을 종래에 비해 확대할 수 있고, 이를 통해 비구동 연료 손실 축소 및 연비 향상이 가능해지는 효과가 있다.

도 1은 종래기술에 따른 배터리 SOC 관리 상태를 예시한 도면이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 SOC 관리 방법을 수행하는 시스템의 구성도이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 SOC 관리 방법을 나타내는 순서도이다.
도 4는 본 발명에 따른 배터리 SOC 관리 상태를 예시한 도면이다.

이하에서는 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 대해 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명하기로 한다. 그러나, 본 발명은 여기서 설명되는 실시예에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다.

명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.

본 발명은 정체 구간 주행 동안 배터리 SOC를 일정 수준 이상으로 관리할 수 있으면서도 엔진을 구동하지 않는 EV 주행 구간을 확대할 수 있고, 이를 통해 비구동 연료 손실 축소 및 연비 향상이 가능해지는 하이브리드 차량의 배터리 SOC 관리 방법을 제공하고자 하는 것이다.

도 2는 본 발명의 실시예에 따른 SOC 관리 방법을 수행하는 시스템의 구성도이고, 도3은 본 발명의 실시예에 따른 SOC 관리 방법을 나타내는 순서도이며, 도 4는 본 발명에 따른 배터리 SOC 관리 상태를 예시한 도면이다.

도 2를 참조하면, 내비게이션 장치(10), 제어부(20), 차량의 구동원인 엔진(31)과 구동모터(33), 엔진(31)과 구동모터(33) 사이에 개재되는 엔진 클러치(32), 엔진 시동 및 발전(배터리 충전)을 위한 시동발전기인 HSG(34), 구동모터(33) 및 HSG(34)를 구동시키기 위한 인버터(41), 그리고 인버터(41)를 통해 구동모터(33)와 HSG(34)에 충, 방전 가능하게 연결된 배터리(42)가 도시되어 있다.

먼저, 본 발명의 배터리 SOC 관리 방법은 사용자(예를 들어, 운전자)가 하이브리드 차량의 현재 위치로부터 목적지까지의 경로를 설정함으로써 시작될 수 있다.

이때, 사용자가 내비게이션 장치(10)를 통해 목적지를 선택하면, 내비게이션 장치(10)는 GPS 수신기를 통해 수신한 GPS 신호로부터 차량의 현재 위치를 확인한 뒤, 3D 맵 데이터 및 외부에서 수신된 실시간 교통 정보를 이용하여 차량의 현재 위치로부터 사용자가 선택한 목적지까지의 경로를 산출할 수 있다.

상기 실시간 교통 정보는 예로서 TPEG(Transport Protocol Expert Group) 데이터가 될 수 있다.

또한, 내비게이션 장치(10)는 GPS 수신기를 구비하고 있으므로 GPS 수신기를 통해 수신한 GPS 신호로부터 차량 위치 정보, 즉 차량의 현재 위치 정보를 취득하여 제어부(20)로 전달하고, 상기 설정된 목적지까지의 경로 정보, 및 차량의 현재 위치를 기준으로 상기 경로를 따르는 전방 도로에 대한 정보를 제어부(20)로 전달한다.

여기서, 상기 전방 도로에 대한 정보는 도로 경사각과 실시간 교통 정보인 평균 차속을 포함할 수 있다.

이에 따라 제어부(20)는 내비게이션 장치(10)로부터 차량 위치 정보와 경로 정보, 전방 도로에 대한 정보 등 필요 정보를 수신하고, 현재 차량 위치에서 전방 도로에 대한 정보 중 평균 차속을 설정 차속과 비교하여 평균 차속이 설정 차속 이하이면 전방 도로가 정체 구간인 것으로 판단한다(S11).

여기서, 제어부(20)는 평균 차속이 설정 차속보다 높으면 기존의 SOC 방어 제어를 수행하며, 예를 들면, 엔진(31)을 온(on) 한 후 HSG(34)에 의한 배터리 충전(아이들 충전)을 하거나, 엔진(31) 온 및 엔진 클러치(32) 접합 후 구동모터(33)에 의한 배터리 충전(엔진 록-업 충전)을 하는 등 엔진(20)을 이용하여 배터리 SOC를 관리할 수 있다.

반면, 전방 도로가 정체 구간임을 판단한 경우, 후술하는 과정을 통해 차량이 전방의 정체 구간을 EV 모드로 주행할 때의 SOC 변화량(ΔSOC)을 예측하여 결정한다(S12).

상기 정체 구간의 EV 모드 주행시 SOC 변화량(ΔSOC)을 예측 및 결정하기 위해, 제어부(20)는 전방 도로가 정체 구간인 것으로 판단하였을 때, 평균 차속(v)이 설정 차속 이하인 정체 구간의 거리(즉 정체 구간의 길이)(d)를 결정하고, 정체 구간의 거리(d)를 평균 차속(v)으로 나누어, 상기 정체 구간을 평균 차속으로 통과할 때 걸리는 시간(t)을 계산한다.

정체 구간을 통과할 때 걸리는 시간(t)은 하기 수학식 1에 의해 계산될 수 있다.

[수학식 1]

t = d/v

여기서, v는 평균 차속을, d는 정체 구간의 거리(즉 정체 구간의 길이)를 나타낸다.

또한, 제어부(20)는 내비게이션 장치(10)로부터 수신되는 차량 위치 정보와 전방 도로에 대한 정보, 그리고 기 저장된 설정 정보에 기초하여 전방 도로 상황 및 교통 상황이 반영된 차량의 주행 에너지(E)를 계산한다.

즉, 본 발명에서는 제어부(20)가 내비게이션 장치(10)로부터 전달되는 차량 위치 정보, 경로상의 전방 도로에 대한 정보, 그리고 기 저장된 설정 정보를 이용하여 차량이 전방의 정체 구간을 통과할 때 필요한 주행 에너지(E)를 계산한다.

여기서, 상기 설정 정보는 차량의 주행저항을 계산하는데 이용하기 위해 제어부(20)에 미리 입력 및 저장되는 정보들, 예컨대 공기밀도(ρ), 공기저항계수(C_d), 차량 전면의 면적(A), 차량의 중량(m), 중력가속도(g), 타이어 반경(또는 동반경)(r), 도로의 노면 마찰계수(또는 타이어 마찰계수)(μ)를 포함하는 것이 될 수 있다.

하이브리드 차량을 포함하여 차량이 정해진 경로를 따라 이동하는 동안의 주행 에너지(E)를 계산하는 방법에 대해서는 다양하게 알려져 있으며, 본 발명에서는, 차량이 평균 차속(v)으로 전방의 정체 구간을 주행한다고 가정하여, 상기 정체 구간의 거리(d)를 통과하는데 걸리는 시간(t) 동안 주행저항(R_t)을 받으면서 주행할 때 필요한 주행 에너지(E)가 후술하는 수학식에 의해 실시간으로 구해져서 이용될 수 있다.

본 발명에서 주행 에너지(E)는 내비게이션 장치(10)를 통해 설정된 주행 경로를 따라서 차량이 전방 도로의 정체 구간을 통과하는 동안 필요한 구동 에너지를 의미한다.

또한, 주행 에너지(E)는 정체 구간을 통과하는 동안 필요한 에너지를 예측 및 계산하여 추정한 값이며, 전방의 도로 상황 및 교통 상황이 고려된 주행저항(R_t)에 상응하는 값으로 계산될 수 있다.

하기 수학식 2는 본 발명에서 주행 에너지(E)를 계산할 수 있는 식이다.

[수학식 2]

E = R_t × v × t

여기서, v는 평균 차속을, t는 상기 수학식 1에 의해 계산된 시간, 즉 정체 구간을 통과할 때 걸리는 시간을 나타내고, R_t는 주행저항, 즉 정체 구간을 통과할 때의 총 주행저항을 나타낸다.

상기 수학식 2에서 주행 에너지(E)를 산출하기 위해 파워(power)(W)를 적분하는 개념이 이용되고 있으며, 파워(P)는 'P = F ×v = R_t ×v'의 식으로 나타낼 수 있고, 여기서 주행저항(R_t)는 힘(F)의 값으로서, 상기 주행저항(R_t)의 단위 또한 힘(F)의 단위가 된다.

차량의 주행저항(R_t)은 하기 수학식 3과 같이 차속에 따른 공기저항(R_a), 차속에 따른 구동계의 마찰저항(R_f), 타이어와 노면 사이의 마찰로 인한 구름저항(R_r), 도로 경사각에 따른 경사저항(R_g)의 합으로 정의될 수 있다.

상기 주행저항(R_t)은 내비게이션 장치(10)로부터 전달되는 차량 위치 정보, 경로상의 전방 도로에 대한 정보, 그리고 기 저장된 설정 정보를 이용하여 계산한다.

여기서, 전방 도로에 대한 정보는 평균 차속(v)과 도로 경사각(θ)을 포함할 수 있다.

주행저항(R_t)은 하기 수학식 3으로 나타낼 수 있으며, 평균 차속(v)과 도로 경사각(θ), 그리고 설정 정보를 이용하여 주행저항(R_t)을 계산할 수 있다.

[수학식 3]

R_t = R_r + R_a + R_f + R_g

여기서, R_r은 구름저항, R_a는 공기저항, R_f는 마찰저항, R_g는 경사저항을 나타낸다.

상기 구름저항(R_r), 공기저항(R_a), 마찰저항(R_f), 경사저항(R_g)은 하기 수학식 4 ~ 7에 의해 계산될 수 있다.

[수학식 4]

[수학식 5]

[수학식 6]

[수학식 7]

구름저항(R_r)과 경사저항(R_g)을 계산함에 있어서 μ는 도로의 노면 마찰계수(또는 타이어 마찰계수)를, m은 차량의 중량을, g는 중력가속도를, θ는 도로 경사각을 나타낸다.

또한, 공기저항(R_a)을 계산함에 있어서 ρ는 공기밀도를, C_d는 공기저항계수를, A는 차량 전면의 면적을 나타내고, v는 차속, 즉 평균 차속을 나타낸다.

차속 v는 전방 도로의 교통 상황을 나타내는 실시간 교통 정보인 정체 구간의 평균 차속이 될 수 있고, 제어부(20)가 내비게이션 장치(10)로부터 TPEG 데이터에 포함된 평균 차속에 대한 정보를 전달받아 주행저항(R_t)을 계산하는데 이용할 수 있다.

마찰저항(R_f)은 하이브리드 차량의 구동계 마찰저항을 의미하며, 예로서 수학식 6에 의해 구해질 수 있다.

수학식 6은 차속의 함수로서, 이러한 수학식 6에 의해 마찰저항(R_f)이 차속에 따른 값, 즉 정체 구간에서의 평균 차속(v)에 따른 값으로 구해질 수 있다.

수학식 6에서 μ_b는 베어링을 포함한 차량 내부 구동계의 마찰 계수를 나타내는 것으로, 해당 차량의 구동계에 대하여 미리 구해져서 사용되는 값이다.

또한, 상기 ρ와 C_d, A, μ, m, g은 제어부(20)에 미리 입력 및 저장되는 설정 정보이다.

도로 경사각(θ)은 차량 현재 위치를 기준으로 경로상 전방에 위치한 도로의 경사각을 의미하며, 제어부(20)가 내비게이션 장치(10)로부터 수신하여 전방 도로 상황 및 교통 상황이 반영된 주행저항 및 주행 에너지(E)를 계산하는데 이용한다.

상기 도로 경사각(θ)은 내비게이션 장치(10)로부터 수신한 전방 도로에 대한 정보로부터 취해지는 정체 구간에서의 평균 경사각이 될 수 있다.

본 발명에서 하이브리드 차량의 주행 에너지를 계산함에 있어서 상기 수학식을 이용하는 방법은 예시적인 것으로, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니며, 주행 에너지를 계산하는 방법으로서 통상의 기술자에게 알려져 있는 공지의 방법들 중 하나가 채택되어 이용될 수 있다.

다음으로, 상기와 같이 주행 에너지가 구해지면, 제어부(20)는 주행 에너지를 배터리 총 에너지로 나누어서 정체 구간을 주행하는 동안의 배터리 SOC 변화량 값인 ΔSOC를 예측하여 산출한다.

여기서, 배터리 총 에너지는 차량에 탑재된 배터리 고유의 스펙 정보로서, 이는 알고 있는 값이며, 제어부(20)에 미리 저장되어 사용된다.

이어 상기와 같이 ΔSOC 값이 결정되면, 다음 단계에서, 제어부(20)는 현재의 배터리 SOC와 ΔSOC의 차이 값, 즉 '배터리 SOC - ΔSOC' 값을 설정된 SOC 기준 값(제1 SOC 기준 값)인 아이들 충전 SOC와 비교하여 정체 구간 동안 EV 모드의 주행이 가능한지를 판단하고(S13), 만약 '배터리 SOC - ΔSOC' 값이 아이들 충전 SOC보다 높으면 차량의 EV 모드 주행이 이루어지도록 제어한다(S14).

즉, '배터리 SOC - ΔSOC' 값이 아이들 충전 SOC보다 높으면 배터리 SOC가 충분한 상태이므로, 차량이 전방의 정체 구간을 주행할 때 엔진(31) 구동 없이 배터리(42) 전력으로 구동하는 구동모터(33)만을 이용하는 EV 모드의 주행이 이루어지도록 한다.

그리고, '배터리 SOC - ΔSOC' 값이 아이들 충전 SOC 이하이면, 제어부(20)는 '배터리 SOC - ΔSOC' 값을 또 다른 SOC 기준 값(제2 SOC 기준 값)인 배터리 사용 가능 최소 SOC와 비교하여 EV 모드의 주행이 가능한지를 판단한다(S15,S16).

여기서, 만약 '배터리 SOC - ΔSOC' 값이 배터리 사용 가능 최소 SOC보다 높으면 제어부(20)는 마찬가지로 EV 모드로 차량 주행이 이루어지도록 제어한다(S17).

반면, '배터리 SOC - ΔSOC' 값이 배터리 사용 가능 최소 SOC 이하이면 기존의 SOC 방어 제어를 수행하며, 예를 들면, 엔진(31)을 온(on) 한 후 HSG(34)에 의한 배터리 충전(아이들 충전)을 하거나, 엔진(31) 온 및 엔진 클러치(32) 접합 후 구동모터(33)에 의한 배터리 충전(엔진 록-업 충전)을 하는 등 엔진(20)을 이용하여 배터리 SOC를 관리할 수 있다.

본 발명에서 상기 배터리 사용 가능 최소 SOC는 차량에 탑재된 배터리 고유의 스펙 값인 최소 SOC 값에 마진 값 α를 더한 값으로 결정되어 제어부(20)에서 사용된다.

상기 마진 값 α는 배터리(42)에서 HSG(34)에 전력을 공급하여 HSG로 엔진 기동을 정해진 횟수만큼 할 수 있는 SOC 값, 즉 HSG(34)가 엔진(31)을 정해진 횟수만큼 시동할 수 있는 전력에 해당하는 배터리 SOC 값으로 설정될 수 있다.

이와 같이 본 발명에서는 전방 도로 상황 및 교통 상황을 반영한 정체 구간의 EV 모드 주행시 SOC 예측 값, 즉 상기 '배터리 SOC - ΔSOC' 값을 이용하되, 상기 SOC 예측 값이 아이들 충전 SOC 및 배터리 사용 가능 최소 SOC보다 높다면 EV 모드의 주행이 이루어지도록 한다.

즉, 상기 '배터리 SOC - ΔSOC'가 아이들 충전 SOC보다 높으면 EV 모드로 제어하고, 나아가 아이들 충전 SOC보다 낮더라도 배터리 사용 최소 SOC보다 높으면 EV 모드로 제어하는 것이다.

이와 같이 본 발명에서는 현재의 배터리 SOC가 아닌 정체 구간을 EV 모드로 주행하였을 때의 SOC 예측 값을 이용하여 EV 모드 주행이 가능한지를 판단하는데, SOC 예측 값을 아이들 충전 SOC와 비교하여 EV 모드 주행이 가능하면 EV 모드로 주행하고, EV 모드로 주행하여 SOC 예측 값이 아이들 충전 SOC에 도달한다면 배터리 사용 최소 SOC와 비교하여 EV 모드 주행 가능 여부를 판단한 후 가능하면 EV 모드로 주행할 수 있다.

종래에는 전방 도로의 상황에 대한 고려 없이 단지 현재의 배터리 SOC를 아이들 충전 SOC와 비교하거나, EV 라인을 하향 조정한 뒤 하향 조정된 EV 라인에 의해 배터리 충전을 위한 엔진 온 시점이 결정되었다.

따라서, EV 모드로 좀더 주행이 가능한 상태이지만 HSG(34)로 엔진 시동 후 배터리(42)를 아이들 충전하거나 엔진 시동 후 엔진 클러치(32) 접합 상태에서 구동모터(33)로 배터리(42)를 충전하였으며, 결국 배터리 충전 및 SOC 관리를 위해 불필요한 연료 소모가 발생하였다.

그러나, 본 발명에서는 전방 도로 상황 및 교통 상황을 반영한 정체 구간의 EV 모드 주행시 SOC 예측 값을 이용하여 아이들 충전 SOC보다 낮더라도 배터리 사용 최소 SOC보다 높으면 EV 모드의 주행이 이루어지도록 함으로써, 배터리 보호를 위한 SOC 방어 및 관리가 이루어질 수 있으면서도 비구동 연료 손실을 효과적으로 줄일 수 있게 된다.

도 4을 참조하여 설명하면, 정체 구간 동안 차량이 EV 모드로 주행하므로 엔진(31)에 의한 비구동 연료 손실을 줄여 차량 연비를 향상시킬 수 있고, 정체 구간 탈출 후에는 엔진 부분 부하(part load) 모드에서 효율이 좋은 운전점으로 엔진(31)을 운전하는 동시에 엔진 동력으로 구동모터(33)를 발전기로 작동시켜 배터리(42)를 충전함으로써 배터리 SOC를 상향시킬 수 있다.

도 3의 과정에서 기존 SOC 방어 제어 단계는 기존의 SOC 방어 제어 진입 조건을 만족할 경우 아이들 충전이나 EV 라인 하향 등과 같은 공지의 SOC 방어 제어가 수행되는 단계이다.

그리고, 본 발명에서 EV 모드 주행시에는 기존 EV 라인이 아닌 조정된 EV 라인, 즉 기존 EV 라인에 비해 상향된 EV 라인을 사용하여 엔진 온 시점을 결정한다.

상기 EV 라인을 상향 조정한다는 것은 보다 높은 변수 조건에서 HEV 모드로의 전환이 이루어지도록 EV 라인을 조정하는 것을 의미하며, 이렇게 상향된 EV 라인은 '기존 EV 라인 + β(β>0임)'의 형태로 표현될 수 있다.

이때, EV 라인의 상향은 EV 모드에서 HEV 모드로의 전환이 이루어지는 조건, 즉 엔진 시동이 이루어지는 차속 및 SOC별 파워 값을 기존 EV 라인에 비해 β만큼 높이는 것을 의미하는 것이 될 수 있다.

이와 같이 상향된 EV 라인을 사용하는 이유는 운전자의 운전 조작으로 차량이 내비게이션 장치가 안내하는 경로를 이탈한 뒤 가속이 필요할 때 엔진을 온(on) 시켜 운전자 요구를 만족시키기 위함이다.

무조건 EV로 주행할 경우 운전자가 내비게이션 장치가 안내하는 경로를 이탈하였을 때 높은 요구 파워에서도 EV로 주행하여 운전자의 요구 파워를 맞출 수 없다.

또한, 도 3의 과정에서 제어부는 내비게이션 장치로부터 경로를 이탈하였음을 알리는 메시지를 전달받은 경우(S18) 기존의 방법으로 제어를 수행하고, S14 및 S17 단계의 EV 모드 주행 상태였다면 이후 기존 SOC 방어 제어로 전환하여 배터리 SOC를 관리하게 된다.

이와 같이 하여, 본 발명에 따른 배터리 SOC 관리 방법에서는 내비게이션 정보를 이용하여 전방 정체 구간을 판단한 후 정체 구간의 EV 모드 주행시 SOC를 예측하여 SOC 방어 제어 진입 여부를 판단한다.

특히, EV 모드 주행시의 SOC 예측 값을 아이들 충전 SOC와 비교하여 EV 모드 주행 가능 여부를 판단한 후 가능할 경우 EV 모드로 주행하도록 함으로써, EV 모드 주행시에도 배터리 SOC를 아이들 충전 SOC보다 높은 값으로 유지할 수 있도록 한다.

나아가, 필요시 SOC 예측 값을 배터리 사용 최소 SOC와 비교하여 EV 모드 주행 가능 여부를 판단한 후 가능할 경우 EV 모드로 주행하도록 함으로써, EV 모드로 주행하더라도 배터리 SOC를 배터리 사용 최소 SOC보다 높은 값으로 유지할 수 있도록 한다.

이를 통해 배터리를 보호하면서도 SOC 방어 제어의 진입 기준이 되는 SOC를 하향시키는 효과를 얻을 수 있고, 엔진을 구동하지 않는 EV 주행 구간을 종래에 비해 확대할 수 있는바, 이를 통해 비구동 연료 손실 축소 및 연비 향상이 가능해진다.

또한, 정체 구간에서 짧은 시간의 잦은 엔진 온/오프를 반복하는 것에 비해 EV 모드로 주행할 수 있으므로 엔진 소음을 줄일 수 있고, 저속에서 엔진 온/오프가 짧은 시간 자주 반복될 때 운전자가 느낄 수 있는 이질감이 발생하지 않으므로 운전성 향상의 효과가 있게 된다.

또한, 내비게이션 정보를 이용하여 정체 구간에서 가능한 한 EV 모드로 주행하였다가 정체 구간을 탈출하게 되면 엔진 부분 부하 모드에서 효율이 좋은 운전점을 이용하여 배터리 SOC를 상승시킬 수 있다.

또한, 정체 구간에서 가능한 한 EV 모드로 주행하였다가 목적지에 도착한 후 차량 정차시나 주차시(짧은 시간의 잦은 엔진 온/오프 반복이 필요 없음)에 아이들 충전을 시행하여 배터리 SOC를 상향시킬 수 있다.

또는 하이브리드 차량이 플러그인 하이브리드 차량인 경우 목적지에 도착한 후 외부 전원을 이용하여 배터리를 충전하게 된다면 주유 비용 대비 배터리 충전 비용이 낮으므로 차량 유지 비용을 절감하는 것이 가능하다.

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.

10 : 내비게이션 장치 20 : 제어부
31 : 엔진 32 : 엔진 클러치
33 : 구동모터 34 : HSG
41 : 인버터 42 : 배터리

Claims

제어부가 내비게이션 장치로부터 주행 경로상의 차량 전방에 위치한 전방 도로에 대한 정보를 수신하여 전방 도로가 정체 구간인지를 판단하는 단계;
상기 제어부가 정체 구간인 것으로 판단한 경우 정체 구간의 EV 모드 주행시 SOC 변화량을 예측하여 결정하는 단계;
상기 제어부가 현재의 배터리 SOC와 상기 결정된 SOC 변화량(ΔSOC)의 차이 값으로서 정체 구간의 EV 모드 주행시 SOC 예측 값인 '배터리 SOC - ΔSOC'을 미리 정해진 SOC 기준 값과 비교하는 단계; 및
상기 '배터리 SOC - ΔSOC'가 상기 SOC 기준 값보다 높으면, 상기 제어부가 정체 구간에서 EV 모드로 주행하도록 차량을 제어하는 단계를 포함하는 하이브리드 차량의 배터리 SOC 관리 방법.
청구항 1에 있어서,
상기 전방 도로에 대한 정보는 실시간 교통 정보인 평균 차속을 포함하고,
상기 제어부는 상기 평균 차속을 정해진 설정 차속과 비교하여 평균 차속이 설정 차속 이하이면 전방 도로가 정체 구간인 것으로 판단하는 것을 특징으로 하는 하이브리드 차량의 배터리 SOC 관리 방법.
청구항 1에 있어서,
상기 전방 도로에 대한 정보는 실시간 교통 정보인 평균 차속을 포함하고,
상기 제어부가 EV 모드 주행시 SOC 변화량을 예측하여 결정하는 단계는,
상기 정체 구간의 거리를 결정하고, 상기 결정된 정체 구간의 거리를 상기 평균 차속으로 나누어, 차량이 정체 구간을 평균 차속으로 통과할 때 걸리는 시간을 계산하는 과정;
상기 전방 도로에 대한 정보 및 기 저장된 설정 정보에 기초하여 차량이 상기 정체 구간을 주행할 때의 주행저항을 계산하는 과정;
상기 계산된 주행저항과 시간을 곱하여 차량이 상기 정체 구간을 통과하는 동안의 주행 에너지를 계산하는 과정; 및
상기 계산된 주행 에너지와 배터리 고유의 스펙 정보인 배터리 총 에너지를 이용하여 상기 EV 모드 주행시 SOC 변화량을 계산하는 과정을 포함하는 것을 특징으로 하는 하이브리드 차량의 배터리 SOC 관리 방법.
청구항 3에 있어서,
상기 EV 모드 주행시 SOC 변화량은 상기 주행 에너지를 배터리 총 에너지로 나눈 값으로 구해지는 것을 특징으로 하는 하이브리드 차량의 배터리 SOC 관리 방법.
청구항 3에 있어서,
상기 전방 도로에 대한 정보는 도로 경사각을 더 포함하고,
상기 주행저항은 상기 평균 차속에 따른 공기저항, 상기 평균 차속에 따른 구동계의 마찰저항, 타이어와 노면 사이의 마찰로 인한 구름저항, 상기 도로 경사각에 따른 경사저항의 합으로 구해지는 것을 특징으로 하는 하이브리드 차량의 배터리 SOC 관리 방법.
청구항 3에 있어서,
상기 SOC 기준 값은 제1 SOC 기준 값과, 상기 제1 SOC 기준 값보다 낮은 값으로 설정된 제2 SOC 기준 값을 포함하고,
상기 제어부가 상기 '배터리 SOC - ΔSOC'을 상기 제1 SOC 기준 값과 비교하여 상기 '배터리 SOC - ΔSOC'이 상기 제1 SOC 기준 값 이하이면, 상기 '배터리 SOC - ΔSOC'을 상기 제2 SOC 기준 값과 비교하는 것을 특징으로 하는 하이브리드 차량의 배터리 SOC 관리 방법.
청구항 6에 있어서,
상기 제2 SOC 기준 값은 배터리 고유의 스펙 값으로 정해진 최소 SOC 값에 마진 값을 더한 값으로 결정되는 배터리 사용 가능 최소 SOC인 것을 특징으로 하는 하이브리드 차량의 배터리 SOC 관리 방법.
청구항 7에 있어서,
상기 마진 값은 시동발전기가 엔진을 정해진 횟수만큼 시동할 수 있는 전력에 해당하는 배터리 SOC 값으로 설정되는 것을 특징으로 하는 하이브리드 차량의 배터리 SOC 관리 방법.