KR102703177B1

KR102703177B1 - 하이브리드 차량의 제어 장치 및 방법

Info

Publication number: KR102703177B1
Application number: KR1020190166589A
Authority: KR
Inventors: 박지현; 한동희; 임현우; 서범주; 조진국; 이관희; 나승찬; 박영섭; 홍승우; 최용각; 강현진
Original assignee: 현대자동차 주식회사; 기아 주식회사
Priority date: 2019-12-13
Filing date: 2019-12-13
Publication date: 2024-09-04
Anticipated expiration: 2039-12-13
Also published as: KR20210075472A; US20210179069A1; US11485351B2

Abstract

본 발명의 실시예에 의한 하이브리드 차량의 제어 장치는 연료를 연소시켜 동력을 발생시키는 엔진; 상기 엔진의 동력을 보조하고 선택적으로 발전기로 작동하여 전기 에너지를 생성하는 구동 모터; 상기 구동 모터에 전기 에너지를 공급하거나 상기 구동 모터에서 생성된 전기 에너지를 충전하는 배터리; 상기 연소실로 공급되는 외기가 흐르는 제1 흡기 라인에 설치되는 제1 흡기 밸브; 상기 연소실로 공급되는 외기가 흐르는 제2 흡기 라인에 설치되는 제2 흡기 밸브; 상기 제1 흡기 라인에 설치되는 제1 전동식 슈퍼차저; 상기 제2 흡기 라인에 설치되는 제2 전동식 슈퍼차저; 상기 제1 흡기 라인과 상기 제2 흡기 라인을 연결하는 연결 라인에 설치되는 연결 밸브; 및 상기 제1 및 제2 전동식 슈퍼차저의 운전 모드를 결정하고, 상기 운전 모드에서 상기 전동식 슈퍼차저들에 의해 소모되는 슈퍼차저 소모 전력 에너지와 NA 모드에서의 최적 운전점에서 소모되는 연료 에너지 대비하여 추가되는 추가 연료 에너지의 합과 상기 전동식 슈퍼차저에 의해 증가되는 엔진 출력을 상기 구동 모터를 통해 보조할 때 상기 구동 모터에서 소모되는 구동 모터 소모 전력 에너지를 비교하여 상기 구동 모터와 상기 전동식 슈퍼차저의 동작을 제어하는 제어기를 포함할 수 있다.

Description

하이브리드 차량의 제어 장치 및 방법 {APPARATUS FOR CONTROLLING HYBIRID VEHICLE AND METHOD USING THE SAME}

본 발명은 하이브리드 차량의 제어 장치 및 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 두 개의 전동식 슈퍼차저를 포함하는 엔진과 구동 모터를 구비한 하이브리드 차량의 제어 장치 및 방법에 관한 것이다.

하이브리드 자동차는 두 가지 이상의 동력원을 사용하는 자동차로써, 일반적으로 엔진과 모터를 사용하여 구동되는 하이브리드 전기 자동차를 말한다. 하이브리드 전기 자동차는 엔진과 구동 모터로 구성되는 두 가지 이상의 동력원을 사용하여 다양한 구조를 형성할 수 있다.

일반적으로 하이브리드 전기 자동차는 구동 모터와 변속기(80) 및 구동축이 직렬 연결되어 있는 TMED(Transmission Mounted Electric Device) 방식의 파워 트레인이 사용되고 있다.

그리고 엔진과 모터의 사이에는 클러치(60)가 구비되어, 클러치(60)의 결합 여부에 따라 하이브리드 전기 자동차는 EV(Electric Vehicle) 모드 또는 HEV(Hybrid Electric Vehicle) 모드로 운행된다. EV 모드는 구동 모터의 구동력만으로 차량이 주행하는 모드이고, HEV 모드는 구동 모터와 엔진의 구동력으로 차량이 주행하는 모드이다.

종래의 하이브리드 차량은 가속 페달의 눌림량으로부터 운전자의 요구 토크를 계산하고, 배터리의 SOC(state of charge)의 수준과 전장 부하 등을 고려하여 엔진과 구동 모터의 토크를 적절히 분배하는 제어 전략을 사용한다.

하지만, 최근 들어 엔진으로 공급하는 과급 공기량을 늘리기 위해 복수의 전동식 과급기를 사용하는 엔진이 개발되고 있는데, 종래의 제어 전략을 그대로 사용하는 경우, 엔진과 구동 모터의 운전점을 결정하는데 어려움이 발생할 수 있다.

따라서, 전동식 과급기를 포함하는 엔진과 구동 모터를 구비한 하이브리드 차량의 제어 방법에 관한 새로운 전략이 요구된다.

이 배경기술 부분에 기재된 사항은 발명의 배경에 대한 이해를 증진하기 위하여 작성된 것으로서, 이 기술이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 이미 알려진 종래기술이 아닌 사항을 포함할 수 있다.

본 발명은 상기한 바와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로, 두 개의 전동식 슈퍼차저를 포함하는 엔진과 구동 모터를 구비한 하이브리드 차량의 제어 장치 및 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.

상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 실시예에 따른 하이브리드 차량의 제어 장치는 연료를 연소시켜 동력을 발생시키는 엔진; 상기 엔진의 동력을 보조하고 선택적으로 발전기로 작동하여 전기 에너지를 생성하는 구동 모터; 상기 구동 모터에 전기 에너지를 공급하거나 상기 구동 모터에서 생성된 전기 에너지를 충전하는 배터리; 상기 연소실로 공급되는 외기가 흐르는 제1 흡기 라인에 설치되는 제1 흡기 밸브; 상기 연소실로 공급되는 외기가 흐르는 제2 흡기 라인에 설치되는 제2 흡기 밸브; 상기 제1 흡기 라인에 설치되는 제1 전동식 슈퍼차저; 상기 제2 흡기 라인에 설치되는 제2 전동식 슈퍼차저; 상기 제1 흡기 라인과 상기 제2 흡기 라인을 연결하는 연결 라인에 설치되는 연결 밸브; 및 상기 제1 및 제2 전동식 슈퍼차저의 운전 모드를 결정하고, 상기 운전 모드에서 상기 전동식 슈퍼차저들에 의해 소모되는 슈퍼차저 소모 전력 에너지와 NA 모드에서의 최적 운전점에서 소모되는 연료 에너지 대비하여 추가되는 추가 연료 에너지의 합과 상기 전동식 슈퍼차저에 의해 증가되는 엔진 출력을 상기 구동 모터를 통해 보조할 때 상기 구동 모터에서 소모되는 구동 모터 소모 전력 에너지를 비교하여 상기 구동 모터와 상기 전동식 슈퍼차저의 동작을 제어하는 제어기를 포함할 수 있다.

상기 전동식 슈퍼차저의 운전 모드는 상기 엔진으로 공급되는 흡기가 상기 제1 및 제2 전동식 슈퍼차저 중의 어느 하나의 전동식 슈퍼차저에 의해 압축되어 상기 연소실로 공급되는 단일 모드, 상기 제1 전동식 슈퍼차저에 의해 압축된 후 상기 제2 전동식 슈퍼차저에 의해 추가로 압축되어 상기 연소실로 공급되는 직렬 모드, 및 상기 제1 전동식 슈퍼차저와 상기 제2 전동식 슈퍼차저 각각에 의해 압축되어 상기 연소실로 공급되는 병렬 모드를 포함할 수 있다.

상기 제어기는 상기 슈퍼차저 소모 전력 에너지와 상기 추가 연료 에너지의 합이 상기 구동 모터 소모 전력 에너지 이상이면, 상기 배터리의 SOC(state of charge)에 따라 상기 구동 모터 또는 상기 전동식 슈퍼차저에 의한 과급 공기 공급 여부를 결정할 수 있다.

상기 제어기는 상기 배터리의 SOC가 고영역 또는 중영역이면, 상기 구동 모터를 동작시켜 상기 엔진의 출력을 보조할 수 있다.

상기 제어기는 상기 배터리의 SOC가 저영역이면, 상기 전동식 슈퍼차저를 동작시켜 상기 엔진 출력을 증가시킬 수 있다.

상기 제어기는 상기 슈퍼차저 소모 전력 에너지와 상기 추가 연료 에너지의 합이 상기 구동 모터 소모 전력 에너지보다 작으면, 상기 결정된 전동식 슈퍼차저의 운전 모드에 따라 상기 엔진 출력을 증가시킬 수 있다.

본 발명의 다른 실시 예에 따른 하이브리드 차량의 제어 방법은 엔진의 연소실로 공급되는 흡기가 흐르는 제1 흡기 라인과 제2 흡기 라인에 각각 설치되는 제1 흡기 밸브와 제2 흡기 밸브, 상기 제1 흡기 라인과 상기 제2 흡기 라인에 각각 설치되는 제1 전동식 슈퍼차저와 제2 전동식 슈퍼차저, 상기 상기 제1 흡기 라인과 상기 제2 흡기 라인을 연결하는 연결 라인에 설치되는 연결 밸브, 및 상기 엔진의 출력을 보조하는 구동 모터를 포함하는 하이브리드 차량의 제어 방법으로써, 제어기에 의해, 운전자의 요구 토크에 기초하여 상기 전동식 슈퍼차저들의 운전 모드를 결정하는 단계; 상기 제어기에 의해, 상기 전동식 슈퍼차저들이 동작할 때 상기 전동식 슈퍼차저가 소모하는 슈퍼차저 소모 전력 에너지와 NA 모드에서의 최적 운전점에서 소모되는 연료 에너지 대비 추가되는 추가 연료 에너지를 계산하는 단계; 상기 제어기에 의해, 상기 전동식 슈퍼차저에 의해 증가되는 상기 엔진의 출력을 상기 구동 모터를 통해 보조할 때 상기 구동 모터에서 소모되는 구동 모터 소모 전력 에너지를 계산하는 단계; 및 상기 제어기에 의해, 상기 슈퍼차저 소모 전력 에너지와 상기 추가 연료 에너지의 합과 상기 구동 모터 소모 전력 에너지를 비교하여 상기 구동 모터와 상기 전동식 슈퍼차저의 동작을 제어하는 단계를 포함할 수 있다.

상기 슈퍼차저 소모 전력 에너지와 상기 추가 연료 에너지의 합이 상기 구동 모터 소모 전력 에너지보다 크면, 상기 구동 모터에 전력을 공급하는 배터리의 SOC(state of charge)에 따라 상기 구동 모터 또는 상기 전동식 슈퍼차저에 의한 과급 공기 공급 여부를 결정할 수 있다.

상기 배터리의 SOC가 고영역 또는 중영역이면, 상기 구동 모터를 동작시켜 상기 엔진의 출력을 보조할 수 있다.

상기 배터리의 SOC가 저영역이면, 상기 전동식 슈퍼차저를 동작시켜 상기 엔진 출력을 증가시킬 수 있다.

상기 슈퍼차저 소모 전력 에너지와 상기 추가 연료 에너지의 합이 상기 구동 모터 소모 전력 에너지보다 작으면, 상기 결정된 전동식 슈퍼차저의 운전 모드에 따라 상기 엔진 출력을 증가시킬 수 있다.

상기한 바와 같은 본 발명의 실시예에 의한 두 개의 전동식 슈퍼차저를 포함하는 엔진과 구동 모터를 구비한 하이브리드 차량의 제어 장치 및 방법에 의하면, 운전자의 요구 토크를 충족시키기 위해 전동식 슈퍼차저를 사용할 때의 전력 소모량과 구동 모터를 사용할 때의 전력 소모량을 비교하여, 전력 소모량이 작은 경우를 선택함으로써, 엔진과 구동 모터의 소모 전력을 최소화할 수 있다.

또한, 배터리의 SOC를 고려하여, 구동 모터와 전동식 슈퍼차저의 동작을 제어함으로써, 차량 전체의 시스템 효율을 향상시킬 수 있다.

이 도면들은 본 발명의 예시적인 실시예를 설명하는데 참조하기 위함이므로, 본 발명의 기술적 사상을 첨부한 도면에 한정해서 해석하여서는 아니된다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 하이브리드 차량의 제어 장치의 구성을 도시한 개념도이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 하이브리드 차량의 엔진과 전동식 슈퍼차저와의 관계를 도시한 개념도이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 하이브리드 차량의 제어 장치의 구성을 도시한 블록도이다.
도 4는 본 발명의 실시 예에 따른 배터리의 SOC 영역을 도시한 도면이다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 전동식 슈퍼차저가 단일 모드로 동작하는 것을 설명하기 위한 도면이다.
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 전동식 슈퍼차저가 직렬 모드로 동작하는 것을 설명하기 위한 도면이다.
도 7은 본 발명의 실시예에 따른 전동식 슈퍼차저가 병렬 모드로 동작하는 것을 설명하기 위한 도면이다.
도 8은 본 발명의 실시예에 따른 하이브리드 차량의 제어 방법을 도시한 순서도이다.
도 9는 본 발명의 실시예에 따른 하이드리드 차량의 운전점을 설명하기 위한 도면이다.

첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다.

본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 동일 또는 유사한 구성요소에 대해서는 동일한 참조 부호를 붙이도록 한다.

또한, 도면에서 나타난 각 구성의 크기 및 두께는 설명의 편의를 위해 임의로 나타내었으므로, 본 발명이 반드시 도면에 도시된 바에 한정되지 않으며, 여러 부분 및 영역을 명확하게 표현하기 위하여 두께를 확대하여 나타내었다.

이하에서는 본 발명의 실시예에 의한 하이브리드 차량의 제어 장치에 대하여 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 하이브리드 차량의 제어 장치의 구성을 도시한 개념도이다. 도 2는 본 발명의 실시예에 따른 하이브리드 차량의 엔진과 전동식 슈퍼차저와의 관계를 도시한 개념도이다. 그리고 도 3은 본 발명의 실시예에 따른 하이브리드 차량의 제어 장치의 구성을 도시한 블록도이다.

이하에서 설명하는 본 발명의 실시예에 따른 하이브리드 차량은 TMED(Transmission Mounted Electric Device) 방식의 구조를 예를 들어 설명하도록 한다. 그러나 본 발명의 권리범위가 이에 한정하는 것은 아니며, 다른 방식의 하이브리드 전기 차량에도 적용될 수 있음은 물론이다.

도 1 내지 도 3에 도시된 바와 같이, 본 발명의 실시예에 의한 하이브리드 차량의 제어 장치가 적용되는 하이브리드 차량은 엔진(10), HSG(40), 구동 모터(50), 클러치(60), 배터리(70), 가속 페달 센서(100), 및 제어기(90)를 포함할 수 있다.

상기 엔진(10)은 연료를 연소시켜 동력을 발생시키는 발생시킨다.

도 2를 참조하면, 상기 엔진(10)의 연소실(11)로 공급되는 흡기는 복수의 흡기 라인을 통해 공급되고, 상기 엔진(10)의 연소실(11)에서 배출되는 배기 가스는 배기 매니폴드(15)와 배기 라인(17)을 통해 외부로 배출된다. 이때, 상기 배기 라인(17)에는 배기 가스를 정화시키는 촉매 컨버터(19)가 설치된다.

상기 복수의 흡기 라인은 상기 연소실(11)로 공급되는 외기가 흐르는 제1 흡기 라인(21)과 상기 연소실(11)로 공급되는 외기가 흐르는 제2 흡기 라인(22)으로 구성될 수 있다. 그러나 본 발명의 권리범위가 이에 한정되는 것은 아니다.

상기 제1 흡기 라인(21)과 상기 제2 흡기 라인(22)의 사이에는, 상기 제1 흡기 라인(21)과 상기 제2 흡기 라인(22)을 연결하는 연결 라인(23)이 설치된다. 즉, 상기 연결 라인(23)은 상기 제1 흡기 라인(21)에서 분기하여 상기 제2 흡기 라인(22)으로 합류한다.

상기 제1 흡기 라인(21)과 상기 제2 흡기 라인(22)에 각각 설치되는 전동식 슈퍼차저(electric supercharger)는 상기 연소실(11)로 과급 공기를 공급하기 위한 것으로, 모터와 전동식 컴프레서를 포함한다. 상기 전동식 컴프레서는 상기 모터에 의해 작동하여 운전 조건에 따라 외기를 압축하여 상기 연소실(11)로 공급한다.

상기 제1 흡기 라인(21)에는 제1 흡기 밸브(25)가 설치된다. 구체적으로, 상기 제1 흡기 밸브(25)는 상기 제1 흡기 라인(21)에 설치되는 제1 전동식 슈퍼차저(31)의 하류에 설치될 수 있다. 상기 제1 흡기 밸브(25)의 개도량에 의해 상기 제1 흡기 라인(21)을 통해 공급되는 흡기량이 조절된다.

상기 제2 흡기 라인(22)에는 제2 흡기 밸브(26)가 설치된다. 구체적으로, 상기 제2 흡기 밸브(26)는 상기 제2 흡기 라인(22)에 설치되는 제2 전동식 슈퍼차저(32)의 하류에 설치될 수 있다. 상기 제2 흡기 밸브(26)의 개도량에 의해 상기 제2 흡기 라인(22)을 통해 공급되는 흡기량이 조절된다.

상기 제1 흡기 라인(21)과 상기 제2 흡기 라인(22)은 메인 흡기 라인(24)으로 합류하고, 상기 메인 흡기 라인(24)에는 메인 인터쿨러(36)가 설치될 수 있다. 상기 메인 인터쿨러(36)에 의해 전동식 슈퍼차저에 의해 압축된 공기가 냉각된다.

상기 연결 라인(23)에는 연결 밸브(27)가 설치된다. 이때, 상기 연결 라인(23)에는 보조 인터쿨러(35)가 설치될 수 있다. 상기 보조 인터쿨러(35)에 의해 상기 제1 전동식 슈퍼차저(31)에 의해 압축된 공기가 냉각된다.

상기 제1 흡기 라인(21)과 상기 제2 흡기 라인(22)의 입구에는 외부에서 유입되는 외기를 필터링하기 위한 에어 클리너(29)가 장착된다.

상기 제1 흡기 라인(21)과 상기 제2 흡기 라인(22)을 통해 유입되는 흡기는 흡기 매니폴드(13)를 통해 상기 연소실(11)로 공급된다. 상기 흡기 매니폴드(13)에는 스로틀 밸브(14)가 장착되어 상기 연소실(11)로 공급되는 공기량이 조절된다.

본 발명의 실시 예에서 두 개의 전동식 슈퍼차저는 세 개의 운전 모드로 동작할 수 있다. 세 개의 운전 모드는 단일 모드, 직렬 모드, 및 병렬 모드를 포함할 수 있다.

도 5를 참조하면, 단일 모드는 하나의 전동식 슈퍼차저만이 동작하여 과급 공기를 엔진(10)의 연소실(11)로 공급하는 모드이다. 단일 모드에서는 두 개의 전동식 슈퍼차저의 하나의 전동식 슈퍼차저(예를 들어, 제1 전동식 슈퍼차저(31))만 동작되고 나머지 하나의 전동식 슈퍼차저(예를 들어, 제2 전동식 슈퍼차저(32))는 동작하지 않는다. 이때, 제2 흡기 밸브(26)와 연결 밸브(27)는 차단되며, 제1 흡기 밸브(25)의 개도량과 제1 전동식 슈퍼차저(31)의 회전 속도에 의해 연소실(11)로 공급되는 과급 공기량이 결정될 수 있다. 저부하 영역에서 전동식 슈퍼차저가 단일 모드로 운전될 수 있다.

도 6을 참조하면, 직렬 모드는 두 개의 전동식 슈퍼차저에 의해 과급 공기를 엔진(10)의 연소실(11)로 공급하는 모드이다. 이때, 제1 흡기 밸브(25)와 제2 흡기 밸브(26)는 모두 차단되고, 연결 밸브(27)의 개도량을 조절함으로써, 연소실(11)로 공급되는 과급 공기량을 조절한다. 그리고 제어기(90)는 상기 제1 전동식 슈퍼차저(31)와 상기 제2 전동식 슈퍼차저(32)를 작동시켜, 상기 제1 전동식 슈퍼차저(31)와 상기 제2 전동식 슈퍼차저(32)에 의해 과급된 공기를 상기 연소실(11)로 공급한다.

즉, 상기 제1 흡기 흡기 라인으로 유입된 외기는 상기 제1 전동식 슈퍼차저(31)에 의해 1차적으로 부스팅되고, 상기 연결 라인(23)을 거쳐 상기 제2 흡기 라인(22)으로 유입된다. 그리고 상기 제2 전동식 슈퍼차저(32)를 통해 추가적으로 부스팅된다.

저중속 고부하 영역에서 전동식 슈퍼차저가 직렬 모드로 운전될 수 있다. 저중속 고부하 영역에서는 높은 압축비를 필요로 하기 때문에, 상기 제1 전동식 슈퍼차저(31)와 상기 제2 전동식 슈퍼차저(32)를 직렬로 구동시킴으로써, 연소실(11)로 공급되는 외기의 압축비를 높일 수 있다.

도 7을 참조하면, 병렬 모드는 두 개의 전동식 슈퍼차저에 의해 과급 공기를 엔진(10)의 연소실(11)로 공급하는 모드이다. 이때, 제어기(90)는 연결 밸브(27)는 차단되도록 제어하고, 제1 흡기 밸브(25)와 제2 흡기 밸브(26)의 개도량을 조절함으로써, 연소실(11)로 공급되는 과급 공기량을 조절한다. 그리고 상기 제어기(90)는 제1 전동식 슈퍼차저(31)와 제2 전동식 슈퍼차저(32)를 작동시켜, 제1 전동식 슈퍼차저(31)와 제2 전동식 슈퍼차저(32)에 의해 각각 과급된 공기를 연소실(11)로 공급한다.

고속 고부하 영역에서 전동식 슈퍼차저가 병렬 모드로 운전될 수 있다. 고속 고부하 영역에서는 많은 양의 외기를 필요로 하기 때문에, 상기 제1 흡기 라인(21)과 상기 제2 흡기 라인(22)을 통해서 연소실(11)로 흡기를 공급한다. 즉, 제1 전동식 슈퍼차저(31)와 제2 전동식 슈퍼차저(32)를 병렬로 구동시킴으로써, 연소실(11)로 많은 양의 흡기를 공급할 수 있다.

다시 도 1을 참조하면, 상기 HSG(40)는 상기 엔진(10)을 시동시키고 엔진(10)이 시동된 상태에서 선택적으로 발전기로 작동하여 전기 에너지를 생성한다.

상기 구동 모터(50)는 상기 엔진(10)의 동력을 보조하고 선택적으로 발전기로 작동하여 전기 에너지를 생성한다.

상기 구동 모터(50)는 배터리(70)에 충전된 전기 에너지를 이용하여 동작되고, 상기 구동 모터(50) 및 상기 HSG(40)에서 생성된 전기 에너지는 상기 배터리(70)에 충전된다.

본 발명의 실시 예에 따른 하이브리드 차량은 배터리(70)의 SOC(state of charge) 영역에 따라 전동식 슈퍼차저와 구동 모터(50)의 동작이 제어될 수 있다. 본 발명의 실시 예에서는 배터리(70)의 SOC가 크게 세 개의 영역으로 구분될 수 있다. 도 4를 참조하면, 배터리(70)의 SOC 영역은 고영역, 중영역, 및 저영역으로 구분될 수 있다. 그리고 고영역은 CH(critical high)와 H(high) 영역으로 구분될 수 있고, 중영역은 NH(normal high)와 NL(normal low) 영역으로 구분될 수 있으며, 저영역은 L(low)와 CL(critical low) 영역으로 구분될 수 있다.

상기 가속 페달 센서(100)는 가속 페달의 조작을 감지한다. 상기 가속 페달 센서(100)에서 감지된 가속 페달 변화값 및 변화량은 상기 제어기(90)로 전송된다. 상기 제어기(90)는 상기 가속 페달 센서(100)로부터 감지된 가속 페달 변화값 및 변화량으로부터 운전자의 가속 의지에 따른 요구 파워를 결정할 수 있고, 운전 모드는 EV 모드에서 HEV 모드로 선택적으로 전환될 수 있다.

상기 제어기(90)는 상기 엔진(10), HSG(40), 구동 모터(50), 전동식 슈퍼차저, 배터리(70), 클러치(60)를 포함하는 차량의 구성 요소를 제어한다.

상기 제어기(90)는 설정된 프로그램에 의하여 작동하는 하나 이상의 프로세서로 구비될 수 있으며, 상기 설정된 프로그램은 본 발명의 실시예에 따른 하이브리드 차량의 제어 방법의 각 단계를 수행하도록 되어 있다.

본 발명의 실시 예에 따른 제어기(90)는 엔진을 제어하는 ECU(engine control unit)과 HCU(hybrid control unit)의 각각을 의미할 수 있고, 또는 ECU와 HCU가 통합된 제어기를 의미할 수도 있다.

상기 클러치(60)는 엔진(10)과 구동 모터(50) 사이에 구비되어, 클러치(60)의 결합 여부에 따라 하이브리드 차량은 EV(Electric Vehicle) 모드 또는 HEV(Hybrid Electric Vehicle) 모드로 운행된다. EV 모드는 모터의 구동력만으로 차량이 주행하는 모드이고, HEV 모드는 모터와 엔진(10)의 구동력으로 차량이 주행하는 모드이다.

상기 엔진(10)과 구동 모터(50)에서 출력되는 구동 파워는 차량에 구비된 구동 휠로 전달된다. 이때, 클러치(60)와 구동 휠의 사이에는 변속기(80)가 구비된다. 상기 변속기(80)의 내부에는 변속 기어가 설치되어 변속 기어단에 따라 엔진(10)과 구동 모터(50)에서 출력되는 토크가 변경된다.

이하에서는 본 발명의 실시 예에 따른 하이브리드 차량의 제어 방법에 관하여 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.

도 8은 본 발명의 실시예에 따른 하이브리드 차량의 제어 방법을 도시한 순서도이다.

도 8에 도시된 바와 같이, 제어기(90)는 현재 차속, 가속 페달의 눌림량, 및 차량의 부하 등을 기초로 운전자의 요구 토크를 결정한다(S10).

제어기(90)는 운전자의 요구 토크를 충족시키기 위한 엔진(10)의 운전점과 복수의 전동식 슈퍼차저의 운전 모드를 결정한다(S20).

앞에서 설명한 바와 같이, 전동식 슈퍼차저의 운전 모드는 하나의 전동식 슈퍼차저만이 동작하여 과급 공기를 엔진(10)으로 공급되는 단일 모드, 제1 전동식 슈퍼차저(31)에 의해 압축된 외기가 제2 전동식 슈퍼차저(32)에 의해 추가로 압축되어 엔진(10)으로 공급되는 직렬 모드, 및 제1 전동식 슈퍼차저(31)와 제2 전동식 슈퍼차저(32)에 의해 각각 압축된 외기가 엔진(10)으로 공급되는 병렬 모드를 포함할 수 있다. 추가로 전동식 슈퍼차저들이 모두 동작하지 않고 엔진(10)이 자연 흡기만으로 동작하는 NA 모드(natural aspiration mode)를 포함할 수 있다.

예를 들어, 도 9를 참조하면, 운전자의 요구 토크를 충족시키기 위한 엔진(10)의 운전점이 중부하 영역에서 위치하는 경우, 제어기(90)는 전동식 슈퍼차저를 단일 모드로 동작시킬 수 있다.

운전자의 요구 토크를 충족시키기 위한 엔진(10)의 운전점이 저중속 고부하 영역에 위치하는 경우, 제어기(90)는 전동식 슈퍼차저를 직렬 모드로 동작시킬 수 있다. 저중속 고부하 영역에서는 높은 압축비를 필요로 하기 때문에, 제1 전동식 슈퍼차저(31)와 제2 전동식 슈퍼차저(32)를 직렬로 구동시킴으로써, 연소실(11)로 공급되는 외기의 압축비를 높일 수 있다.

그리고, 운전자의 요구 토크를 충족시키기 위한 엔진(10)의 운전점이 고속 고부하 영역에 위치하는 경우, 제어기(90)는 전동식 슈퍼차저를 병렬 모드로 동작시킬 수 있다. 고속 고부하 영역에서는 많은 양의 외기를 필요로 하기 때문에, 제1 흡기 라인(21)과 제2 흡기 라인(22)을 통해서 연소실(11)로 흡기를 공급한다. 즉, 제1 전동식 슈퍼차저(31)와 제2 전동식 슈퍼차저(32)를 병렬로 구동시킴으로써, 연소실(11)로 많은 양의 흡기를 공급할 수 있다.

제어기(90)는 전동식 슈퍼차저가 각각의 운전 모드로 동작할 때, 전동식 슈퍼차저에 의해 소모되는 전력을 의미하는 슈퍼차저 소모 전력 에너지와 NA 모드(natural aspiration mode)에서의 최적 운전점(OOL: optimal operating line)에서 소모되는 연료 에너지 대비 추가되는 연료 에너지(이하, '추가 연료 에너지'라 한다)를 계산한다. 추가 연료 에너지는 추가로 공급되는 연료량으로부터 산출할 수 있다. 예를 들어, 추가 연료 에너지는 추가로 공급되는 연료량, 연료가 갖는 화학적 에너지 밀도, 그리고 엔진 효율 및 구동계 효율을 곱하는 단순한 계산을 통해 산출할 수 있다.

그리고 제어기(90)는 전동식 슈퍼차저에 의해 증가되는 엔진 출력을 전동식 슈퍼차저를 동작시키는 대신 구동 모터(50)를 통해 보조할 때, 구동 모터(50)에서 소모되는 구동 모터 소모 전력 에너지를 계산한다(S30).

전동식 슈퍼차저가 단일 모드로 동작하는 경우, 하나의 전동식 슈퍼차저에서 소모되는 전력이 슈퍼차저 소모 전력 에너지가 된다. 그리고 전동식 슈퍼차저에 의해 증가되는 엔진 출력을 전동식 슈퍼차저를 동작시키는 대신 구동 모터(50)에 의해 보조할 때, 구동 모터(50)에서 소모되는 전력이 구동 모터 소모 전력 에너지가 된다.

예를 들어, 운전자의 요구 토크를 충족시키기 위한 요구 운전점이 엔진 속도가 2,000RPM에서 엔진 토크가 140Nm이라고 가정한다 (도 9의 'A' 표시부 참조).

이때, NA 모드에서의 최적 운전점(예를 들어, 엔진 속도 2,000RPM에서 엔진 토크 80Nm)에서의 토크와 요구 운전점에서의 토크의 차이는 전동식 슈퍼차저의 동작에 의해 발생한 것이다. 따라서, 전동식 슈퍼차저의 동작에 의해 엔진(10)이 60Nm의 토크를 추가로 출력하게 되고, 60Nm의 추가적인 엔진 토크를 출력하기 위해 전동식 슈퍼차저가 소모하는 전력이 슈퍼차저 소모 전력 에너지가 된다.

그리고 구동 모터(50)가 NA 모드에서의 최적 운전점(예를 들어, 엔진 속도 2,000RPM에서 엔진 토크 80Nm)에서의 토크와 요구 운전점에서의 토크의 차이인 60Nm를 보조할 때, 구동 모터(50)에서 소모되는 전력이 구동 모터 소모 전력 에너지가 된다.

전동식 슈퍼차저가 직렬 모드로 동작하는 경우, 두 개의 전동식 슈퍼차저가에서 소모되는 전력이 슈퍼차저 소모 전력 에너지가 된다.

예를 들어, 운전자의 요구 토크를 충족시키기 위한 요구 운전점이 엔진 속도가 3,000RPM에서 엔진 토크가 220Nm이라고 가정한다 (도 9의 'B' 표시부 참조).

이때, NA 모드에서의 최적 운전점(예를 들어, 엔진 속도 3,000RPM에서 엔진 토크 110Nm)에서의 토크와 요구 운전점에서의 토크의 차이는 두 개의 전동식 슈퍼차저의 동작에 의해 발생한 것이다. 따라서, 두 개의 전동식 슈퍼차저의 직렬 모등 동작에 의해 엔진(10)이 110Nm의 토크를 추가로 출력하게 되고, 110Nm의 추가적인 엔진 토크를 출력하기 위해 두 개의 전동식 슈퍼차저가 직렬 모드로 동작할 때 소모하는 전력이 슈퍼차저 소모 전력 에너지가 된다.

그리고 구동 모터(50)가 NA 모드에서의 최적 운전점(예를 들어, 엔진 속도 3,000RPM에서 엔진 토크 110Nm)에서의 토크와 요구 운전점에서의 토크의 차이인 110Nm를 보조할 때, 구동 모터(50)에서 소모되는 전력이 구동 모터 소모 전력 에너지가 된다.

전동식 슈퍼차저가 병렬 모드로 동작하는 경우, 두 개의 전동식 슈퍼차저가에서 소모되는 전력이 슈퍼차저 소모 전력 에너지가 된다.

예를 들어, 운전자의 요구 토크를 충족시키기 위한 요구 운전점이 엔진 속도가 5,500RPM에서 엔진 토크가 170Nm이라고 가정한다 (도 9의 'C' 표시부 참조).

이때, NA 모드에서의 최적 운전점(예를 들어, 엔진 속도 5,500RPM에서 엔진 토크 90Nm)에서의 토크와 요구 운전점에서의 토크의 차이는 두 개의 전동식 슈퍼차저의 동작에 의해 발생한 것이다. 따라서, 두 개의 전동식 슈퍼차저의 병렬 모드의 동작에 의해 엔진(10)이 80Nm의 토크를 추가로 출력하게 되고, 80Nm의 추가적인 엔진 토크를 출력하기 위해 두 개의 전동식 슈퍼차저가 병렬 모드로 동작할 때 소모하는 전력이 슈퍼차저 소모 전력 에너지가 된다.

그리고 구동 모터(50)가 NA 모드에서의 최적 운전점(예를 들어, 엔진 속도 5,500RPM에서 엔진 토크 90Nm)에서의 토크와 요구 운전점에서의 토크의 차이인 80Nm를 보조할 때, 구동 모터(50)에서 소모되는 전력이 구동 모터 소모 전력 에너지가 된다.

제어기(90)는 슈퍼차저 소모 전력 에너지와 추가 전력 에너지의 합과 구동 모터 소모 전력 에너지를 비교하여(S40), 슈퍼차저 소모 전력 에너지와 추가 연료 에너지의 합이 구동 모터 소모 전력 에너지보다 작으면, S20 단계에서 결정된 전동식 슈퍼차저의 운전 모드에 따라 전동식 슈퍼차저를 동작시켜 운전자의 요구 토크를 충족시킨다(S50).

S40 단계에서, 슈퍼차저 소모 전력 에너지와 추가 연료 에너지의 합이 구동 모터 소모 전력 에너지 이상이면, 배터리(70)의 SOC의 영역을 판단한다(S60).

배터리(70)의 SOC가 고영역 또는 중영역이면, 제어기(90)는 구동 모터(50)를 동작시켜 엔진(10)의 출력을 보조함으로써, 운전자의 요구 토크를 충족시킨다(S61). 이 경우, SOC가 여유가 있는 상태이고, 구동 모터(50)에서 소모되는 전력이 전동식 슈퍼차저에서 소모되는 전력보다 작기 때문에, 구동 모터(50)를 통해 엔진(10)의 출력을 보조하는 것이 바람직하다.

배터리(70)의 SOC가 저영역이면, 제어기(90)는 S20 단계에서 결정된 전동식 슈퍼차저의 운전 모드에 따라 전동식 슈퍼차저를 동작시켜 운전자의 요구 토크를 충족시킨다(S63). 이 경우, SOC가 낮은 상태이므로, 구동 모터(50)를 동작시키지 않고, 전동식 슈퍼차저를 동작시켜 엔진 출력을 증가시키는 것이 바람직하다.

이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명의 실시 예에 따른 하이브리드 차량의 제어 장치 및 방법에 의하면, 운전자의 요구 토크를 충족시키기 위해 전동식 슈퍼차저를 사용할 때의 에너지 소모량(슈퍼차저 소모 전력 에너지와 추가 연료 에너지의 합)과 전동식 슈퍼차저에 의해 증가되는 엔진 출력을 구동 모터(50)를 통해 보조할 때 구동 모터(50)에서 소모되는 에너지 소모량(구동 모터 소모 전력 에너지)을 비교하여, 전력 소모량이 작은 경우를 선택함으로써, 엔진(10)과 구동 모터(50)에서 소모 되는 전력 에너지를 최소화할 수 있다.

또한, 배터리(70)의 SOC를 고려하여, 구동 모터(50)와 전동식 슈퍼차저의 동작을 제어함으로써, 차량 전체의 시스템 효율을 향상시킬 수 있다.

이상을 통해 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 설명하였지만, 본 발명은 이에 한정되는 것이 아니고 특허청구범위와 발명의 상세한 설명 및 첨부한 도면의 범위 안에서 여러 가지로 변형하여 실시하는 것이 가능하고 이 또한 본 발명의 범위에 속하는 것은 당연하다.

10: 엔진
11: 연소실
13: 흡기 매니폴드
14: 스로틀 밸브
15: 배기 매니폴드
17: 배기 라인
19: 촉매 컨버터
21: 제1 흡기 라인
22: 제2 흡기 라인
23: 연결 라인
24: 메인 흡기 라인
25: 제1 흡기 밸브
26: 제2 흡기 밸브
27: 연결 밸브
29: 에어 클리너
31: 제1 전동식 슈퍼차저
32: 제2 전동식 슈퍼차저
35: 보조 인터쿨러
36: 메인 인터쿨러
40: HSG
50: 구동 모터
60: 클러치
70: 배터리
80: 변속기
90: 제어기
100: 가속 페달 센서

Claims

연료를 연소시켜 동력을 발생시키는 엔진;
상기 엔진의 동력을 보조하고 선택적으로 발전기로 작동하여 전기 에너지를 생성하는 구동 모터;
상기 구동 모터에 전기 에너지를 공급하거나 상기 구동 모터에서 생성된 전기 에너지를 충전하는 배터리;
상기 엔진의 연소실로 공급되는 외기가 흐르는 제1 흡기 라인에 설치되는 제1 흡기 밸브;
상기 엔진의 연소실로 공급되는 외기가 흐르는 제2 흡기 라인에 설치되는 제2 흡기 밸브;
상기 제1 흡기 라인에 설치되는 제1 전동식 슈퍼차저;
상기 제2 흡기 라인에 설치되는 제2 전동식 슈퍼차저;
상기 제1 흡기 라인과 상기 제2 흡기 라인을 연결하는 연결 라인에 설치되는 연결 밸브; 및
상기 제1 및 제2 전동식 슈퍼차저의 운전 모드를 결정하고, 상기 운전 모드에서 상기 전동식 슈퍼차저들에 의해 소모되는 슈퍼차저 소모 전력 에너지와 NA 모드에서의 최적 운전점에서 소모되는 연료 에너지 대비하여 추가되는 추가 연료 에너지의 합과 상기 전동식 슈퍼차저에 의해 증가되는 엔진 출력을 상기 구동 모터를 통해 보조할 때 상기 구동 모터에서 소모되는 구동 모터 소모 전력 에너지를 비교하여 상기 구동 모터와 상기 전동식 슈퍼차저의 동작을 제어하는 제어기;
를 포함하는 하이브리드 차량의 제어 장치.
제1항에 있어서,
상기 전동식 슈퍼차저의 운전 모드는
상기 엔진으로 공급되는 흡기가 상기 제1 및 제2 전동식 슈퍼차저 중의 어느 하나의 전동식 슈퍼차저에 의해 압축되어 상기 연소실로 공급되는 단일 모드, 상기 제1 전동식 슈퍼차저에 의해 압축된 후 상기 제2 전동식 슈퍼차저에 의해 추가로 압축되어 상기 연소실로 공급되는 직렬 모드, 및 상기 제1 전동식 슈퍼차저와 상기 제2 전동식 슈퍼차저 각각에 의해 압축되어 상기 연소실로 공급되는 병렬 모드를 포함하는 하이브리드 차량의 제어 장치.
제1항에 있어서,
상기 제어기는
상기 슈퍼차저 소모 전력 에너지와 상기 추가 연료 에너지의 합이 상기 구동 모터 소모 전력 에너지 이상이면, 상기 배터리의 SOC(state of charge)에 따라 상기 구동 모터 또는 상기 전동식 슈퍼차저에 의한 과급 공기 공급 여부를 결정하는 하이브리드 차량의 제어 장치.
제3항에 있어서,
상기 제어기는
상기 배터리의 SOC가 고영역 또는 중영역이면,
상기 구동 모터를 동작시켜 상기 엔진의 출력을 보조하는 하이브리드 차량의 제어 장치.
제3항에 있어서,
상기 제어기는
상기 배터리의 SOC가 저영역이면,
상기 전동식 슈퍼차저를 동작시켜 상기 엔진 출력을 증가시키는 하이브리드 차량의 제어 장치.
제1항에 있어서,
상기 제어기는
상기 슈퍼차저 소모 전력 에너지와 상기 추가 연료 에너지의 합이 상기 구동 모터 소모 전력 에너지보다 작으면, 상기 결정된 전동식 슈퍼차저의 운전 모드에 따라 상기 엔진 출력을 증가시키는 하이브리드 차량의 제어 장치.
엔진의 연소실로 공급되는 흡기가 흐르는 제1 흡기 라인과 제2 흡기 라인에 각각 설치되는 제1 흡기 밸브와 제2 흡기 밸브, 상기 제1 흡기 라인과 상기 제2 흡기 라인에 각각 설치되는 제1 전동식 슈퍼차저와 제2 전동식 슈퍼차저, 상기 상기 제1 흡기 라인과 상기 제2 흡기 라인을 연결하는 연결 라인에 설치되는 연결 밸브, 및 상기 엔진의 출력을 보조하는 구동 모터를 포함하는 하이브리드 차량의 제어 방법으로써,
제어기에 의해, 운전자의 요구 토크에 기초하여 상기 전동식 슈퍼차저들의 운전 모드를 결정하는 단계;
상기 제어기에 의해, 상기 전동식 슈퍼차저들이 동작할 때 상기 전동식 슈퍼차저가 소모하는 슈퍼차저 소모 전력 에너지와 NA 모드에서의 최적 운전점에서 소모되는 연료 에너지 대비 추가되는 추가 연료 에너지를 계산하는 단계;
상기 제어기에 의해, 상기 전동식 슈퍼차저에 의해 증가되는 상기 엔진의 출력을 상기 구동 모터를 통해 보조할 때 상기 구동 모터에서 소모되는 구동 모터 소모 전력 에너지를 계산하는 단계; 및
상기 제어기에 의해, 상기 슈퍼차저 소모 전력 에너지와 상기 추가 연료 에너지의 합과 상기 구동 모터 소모 전력 에너지를 비교하여 상기 구동 모터와 상기 전동식 슈퍼차저의 동작을 제어하는 단계;
를 포함하는 하이브리드 차량의 제어 방법.
제7항에 있어서,
상기 전동식 슈퍼차저의 운전 모드는
상기 엔진으로 공급되는 흡기가 상기 제1 및 제2 전동식 슈퍼차저 중의 어느 하나의 전동식 슈퍼차저에 의해 압축되어 상기 연소실로 공급되는 단일 모드, 상기 제1 전동식 슈퍼차저에 의해 압축된 후 상기 제2 전동식 슈퍼차저에 의해 추가로 압축되어 상기 연소실로 공급되는 직렬 모드, 및 상기 제1 전동식 슈퍼차저와 상기 제2 전동식 슈퍼차저 각각에 의해 압축되어 상기 연소실로 공급되는 병렬 모드를 포함하는 하이브리드 차량의 제어 방법.
제7항에 있어서,
상기 슈퍼차저 소모 전력 에너지와 상기 추가 연료 에너지의 합이 상기 구동 모터 소모 전력 에너지보다 크면, 상기 구동 모터에 전력을 공급하는 배터리의 SOC(state of charge)에 따라 상기 구동 모터 또는 상기 전동식 슈퍼차저에 의한 과급 공기 공급 여부를 결정하는 하이브리드 차량의 제어 방법.
제9항에 있어서,
상기 배터리의 SOC가 고영역 또는 중영역이면,
상기 구동 모터를 동작시켜 상기 엔진의 출력을 보조하는 하이브리드 차량의 제어 방법.
제9항에 있어서,
상기 배터리의 SOC가 저영역이면,
상기 전동식 슈퍼차저를 동작시켜 상기 엔진 출력을 증가시키는 하이브리드 차량의 제어 방법.
제7항에 있어서,
상기 슈퍼차저 소모 전력 에너지 상기 추가 연료 에너지의 합이 상기 구동 모터 소모 전력 에너지보다 작으면, 상기 결정된 전동식 슈퍼차저의 운전 모드에 따라 상기 엔진 출력을 증가시키는 하이브리드 차량의 제어 방법.