KR20200061664A - 플러그인 하이브리드 자동차 및 그를 위한 충전 제어 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 환경 변동에 대응하여 충전 목표 달성이 가능한 플러그인 하이브리드 자동차 및 그를 위한 충전 제어 방법에 관한 것이다. 본 발명의 일 실시예에 따른 플러그인 하이브리드 자동차의 충전 제어 방법은, 출발 시각 및 목표 배터리 상태(SOC)에 따른 외부 전력을 이용한 예약 충전이 설정되는 단계; 충전 환경 변화의 발생 여부를 모니터링하는 단계; 상기 충전 환경 변화가 발생하는 경우, 현재 설정된 출발 시각에 상기 목표 배터리 상태의 달성 가능 여부를 판단하는 단계; 및 상기 판단 결과, 상기 목표 배터리 상태의 달성이 불가한 경우, 엔진과 모터를 이용한 시리즈 충전을 수행하는 단계를 포함할 수 있다.

Description

플러그인 하이브리드 자동차 및 그를 위한 충전 제어 방법{PLUG-IN HYBRID VEHICLE AND METHOD OF CHARGING CONTROL FOR THE SAME}
본 발명은 환경 변동에 대응하여 충전 목표 달성이 가능한 플러그인 하이브리드 자동차 및 그를 위한 충전 제어 방법에 관한 것이다.
하이브리드 자동차(HEV: Hybrid Electric Vehicle)란 일반적으로 두 가지 동력원을 함께 사용하는 차를 말하며, 두 가지 동력원은 주로 엔진과 전기모터가 된다. 이러한 하이브리드 자동차는 내연기관만을 구비한 차량에 비해 연비가 우수하고 동력성능이 뛰어날 뿐만 아니라 배기가스 저감에도 유리하기 때문에 최근 많은 개발이 이루어지고 있다.
이러한 하이브리드 자동차는 어떠한 동력계통(Power Train)을 구동하느냐에 따라 두 가지 주행 모드로 동작할 수 있다. 그 중 하나는 전기모터만으로 주행하는 전기차(EV) 모드이고, 다른 하나는 전기모터와 엔진을 함께 가동하는 하이브리드 전기차(HEV) 모드이다. 하이브리드 자동차는 주행 중 조건에 따라 두 모드 간의 전환을 수행한다.
이러한 주행 모드 간 전환은 파워트레인의 효율 특성에 따라, 연비 또는 구동 효율을 최대화하기 위한 목적으로 수행되는 것이 일반적이다.
먼저, 도 1을 참조하여 하이브리드 자동차 구조를 설명한다. 도 1은 일반적인 병렬형 하이브리드 자동차의 파워 트레인 구조의 일례를 나타낸다.
도 1을 참조하면, 내연기관 엔진(ICE, 110)과 변속기(150) 사이에 전기 모터(또는 구동용 모터, 140)와 엔진클러치(EC: Engine Clutch, 130)를 장착한 병렬형(Parallel Type) 하이브리드 시스템을 채용한 하이브리드 자동차의 파워 트레인이 도시된다.
이러한 차량에서는 일반적으로 시동후 운전자가 엑셀레이터를 밟는 경우, 엔진 클러치(130)가 오픈된 상태에서 먼저 배터리의 전력을 이용하여 모터(140)가 구동되고, 모터의 동력이 변속기(150) 및 종감속기(FD: Final Drive, 160)를 거쳐 바퀴가 움직이게 된다(즉, EV 모드). 차량이 서서히 가속되면서 점차 더 큰 구동력이 필요하게 되면, 보조 모터(또는, 시동발전 모터, 120)가 동작하여 엔진(110)을 구동할 수 있다.
그에 따라 엔진(110)과 모터(140)의 회전속도가 동일해 지면 비로소 엔진 클러치(130)가 맞물려 엔진(110)과 모터(140)가 함께, 또는 엔진(110)이 차량를 구동하게 된다(즉, EV 모드에서 HEV 모드 천이). 차량이 감속되는 등 기 설정된 엔진 오프 조건이 만족되면, 엔진 클러치(130)가 오픈되고 엔진(110)은 정지된다(즉, HEV 모드에서 EV 모드 천이). 또한, 하이브리드 차량에서는 제동시 휠의 구동력을 전기 에너지로 변환하여 배터리를 충전할 수 있으며, 이를 제동에너지 회생, 또는 회생 제동이라 한다.
시동발전 모터(120)는 엔진에 시동이 걸릴 때에는 스타트 모터의 역할을 수행하며, 시동이 걸린 후 또는 시동 오프시 엔진의 회전 에너지 회수시에는 발전기로 동작하기 때문에 "하이브리드 스타트 제너레이터(HSG: Hybrid Start Generator)"라 칭할 수 있으며, 경우에 따라 "보조 모터"라 칭할 수도 있다.
상술한 하이브리드 자동차의 주행 모드별 효율 특성을 도 2를 참조하여 설명한다.
도 2는 일반적인 하이브리드 자동차의 주행 모드와 효율 특성을 나타낸다.
하이브리드 자동차의 효율은 주행 모드에 따라서 크게 두가지로 구분될 수 있다. EV 모드는 저부하 구간에서 효율이 높으며, HEV 모드는 고부하 구간에서 상대적으로 효율이 높다. 그런데, 배터리의 상태가 일정 수준 이하인 경우(즉, Critical Low SOC)에는 전기 모터의 출력을 이용하지 못하여 효율이 크게 저하된다.
구체적으로, 배터리의 상태가 일정 수준 이하인 경우 EV 모드로 주행하기 위해서는 HSG(120)를 이용한 시리즈(Series) 충전을 통해 모터(140)를 구동해야 한다. 따라서 일반적인 상황의 EV 모드보다 전환 효율에 대한 손실로 인해 효율이 하락한다. 또한, 배터리의 상태가 일정 수준 이하인 경우 HEV 모드에서는 모터(140)가 구동되기 어렵기 때문에 사실상 엔진(110) 구동과 큰 차이가 없다. 뿐만 아니라, 모터(140)를 이용한 토크 어시스트를 받을 수 없기 때문에 주행 부하가 클 경우 엔진(110)의 효율이 나쁜 풀로드(Full load) 구동이 수행되므로, 효율이 급격히 하락한다.
따라서, 효율적인 주행이 보장되기 위해서는 배터리 충전 상태(SOC: State Of Charge)의 관리는 매우 중요하다 할 수 있다.
한편, 엔진의 동력이나 회생제동이 아닌 외부 전력을 플러그(Plug)를 통해 배터리를 충전할 수 있는 하이브리드 자동차를 플러그인(Plug-in) 하이브리드 자동차(PHEV)라 칭한다. PHEV는 일반적인 HEV 대비 보다 용량이 큰 배터리가 탑재되므로 충전시간도 비교적 길다. 따라서, PHEV에는 예약 충전 기능이 제공되어, 운전자가 설정한 시간대부터 자동으로 충전이 시작될 수 있기 때문에, 전기 요금이 상대적으로 저렴한 시간대(즉, "저렴한 요금 시간대", 주로 심야 시간에서 아침까지)가 충전 시간에 포함되도록 하는 것이 보통이다. 또한, 일부 PHEV에서는 출발 시간을 설정하면 현재 SOC를 고려하여 출발 시간 전에 충전이 완료되도록 충전 시작 시간을 자동으로 설정하기도 하며, 충전 시간 내에 최대한 저렴한 요금 시간대가 포함되도록 충전 스케쥴을 결정하기도 한다.
그런데, 이러한 예약 충전 기능은 운전자가 설정한 출발시각과 저렴한 요금 시간대 및 충전 초기의 충전 전력을 토대로 충전 스케쥴을 연산하기 때문에, 운전자가 충전이 시작된 후 출발 시간을 변경하거나 충전기의 전력 공급이 불안정해 질 경우 출발 전까지 충전을 완료하지 못할 수 있다. 이때 충전을 완료하지 못해 주행 환경에 따라 시리즈 모드로 주행하거나 풀로드(Full Load)등의 엔진을 비효율적으로 운행하는 구간이 발생할 경우 연비 하락이 발생할 수 있다.
본 발명은 외부 전력을 통해 보다 효율적인 충전이 가능한 플러그인 하이브리드 자동차 및 그 제어 방법을 제공하기 위한 것이다.
특히, 본 발명은 충전 환경이 변경되더라도 목표 충전량을 달성할 수 있는 플러그인 하이브리드 자동차 및 그 제어 방법을 제공하기 위한 것이다.
본 발명에서 이루고자 하는 기술적 과제들은 이상에서 언급한 기술적 과제들로 제한되지 않으며, 언급하지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
상기와 같은 기술적 과제를 해결하기 위하여, 본 발명의 일 실시예에 따른 플러그인 하이브리드 자동차의 충전 제어 방법은, 출발 시각 및 목표 배터리 상태(SOC)에 따른 외부 전력을 이용한 예약 충전이 설정되는 단계; 충전 환경 변화의 발생 여부를 모니터링하는 단계; 상기 충전 환경 변화가 발생하는 경우, 현재 설정된 출발 시각에 상기 목표 배터리 상태의 달성 가능 여부를 판단하는 단계; 및 상기 판단 결과, 상기 목표 배터리 상태의 달성이 불가한 경우, 엔진과 모터를 이용한 시리즈 충전을 수행하는 단계를 포함할 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 하이브리드 자동차는, 모터; 엔진; 및 하이브리드 제어기를 포함하되, 상기 하이브리드 제어기는, 출발 시각 및 목표 배터리 상태(SOC)에 따른 외부 전력을 이용한 예약 충전이 설정되면, 충전 환경 변화의 발생 여부를 모니터링하고, 상기 충전 환경 변화가 발생하는 경우, 현재 설정된 출발 시각에 상기 목표 배터리 상태의 달성 가능 여부를 판단하고, 상기 판단 결과 상기 목표 배터리 상태의 달성이 불가한 경우, 상기 엔진과 상기 모터를 이용한 시리즈 충전이 수행되도록 제어할 수 있다.
또한, 본 발명의 다른 실시예에 따른 플러그인 하이브리드 자동차의 충전 제어 방법은, 출발 시각 및 목표 배터리 상태(SOC)에 따른 외부 전력을 이용한 예약 충전이 설정되는 단계; 목적지까지의 경로 정보를 획득하는 단계; 상기 경로 정보를 기반으로 보조 모터를 통해 충전이 수행될 제1 구간과 엔진의 풀로드 주행이 수행될 제2 구간을 판단하는 단계; 상기 제1 구간에서 상기 보조 모터가 충전하는 제1 에너지 및 상기 제2 구간을 상기 엔진을 최적 운전라인(OOL)에 따라 운행하며 모터 어시스트를 병행할 때 모터에서 소모될 제2 에너지를 판단하는 단계; 및 상기 제1 에너지 및 상기 제2 에너지를 기반으로 상기 예약 충전이 수행되는 중 상기 모터를 이용한 시리즈 충전을 수행하는 단계를 포함할 수 있다.
아울러, 본 발명의 다른 실시예에 따른 플러그인 하이브리드 자동차는, 엔진; 보조 모터; 모터; 및 하이브리드 제어기를 포함하되, 상기 하이브리드 제어기는, 출발 시각 및 목표 배터리 상태(SOC)에 따른 외부 전력을 이용한 예약 충전이 설정되면, 목적지까지의 경로 정보를 획득하고, 상기 경로 정보를 기반으로 보조 모터를 통해 충전이 수행될 제1 구간과 엔진의 풀로드 주행이 수행될 제2 구간을 판단하며, 상기 제1 구간에서 상기 보조 모터가 충전하는 제1 에너지 및 상기 제2 구간을 상기 엔진을 최적 운전라인(OOL)에 따라 운행하며 모터 어시스트를 병행할 때 모터에서 소모될 제2 에너지를 판단하여, 상기 제1 에너지 및 상기 제2 에너지를 기반으로 상기 예약 충전이 수행되는 중 상기 모터를 이용한 시리즈 충전이 수행되도록 제어할 수 있다.
상기와 같이 구성되는 본 발명의 적어도 하나의 실시예에 관련된 하이브리드 자동차는 외부 전력을 통해 보다 효율적인 충전이 가능하다.
특히, 본 발명은 충전 환경이 변경되더라도 시리즈 모드 충전을 통해 목표 충전량을 달성할 수 있다.
본 발명에서 얻을 수 있는 효과는 이상에서 언급한 효과들로 제한되지 않으며, 언급하지 않은 또 다른 효과들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
도 1은 일반적인 병렬형 하이브리드 자동차의 파워 트레인 구조의 일례를 나타낸다.
도 2는 일반적인 하이브리드 자동차의 주행 모드와 효율 특성을 나타낸다.
도 3은 본 발명의 실시예들이 적용될 수 있는 하이브리드 자동차의 제어 계통의 일례를 나타내는 블럭도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 예약 충전을 수행하기 위한 시스템 구성의 일례를 나타낸다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 하이브리드 자동차에서 초기 충전 시각에 따른 충전 스케쥴의 일례를 나타낸다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 하이브리드 자동차에서 출발 시각 변경에 따른 추가 충전 필요량을 설명하기 위한 도면이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 하이브리드 자동차에서 출발 시각 변경에 따른 시리즈 충전을 통해 목표 SOC가 만족되도록 하는 충전 스케쥴의 일례를 나타낸다.
도 8은 엔진 효율과 모터 효율을 속도와 토크에 따라 나타낸 그래프이다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 발전 효율 맵을 통한 최적 운전점의 결정 형태를 설명하기 위한 그래프이다.
도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 하이브리드 자동차에서 충전 전력 불안정에 따른 시리즈 충전 개입을 설명하기 위한 도면이다.
도 11은 본 발명의 일 실시예에 따른 배기가스 배출 제한 지역을 고려한 예약 충전 설정 형태의 일례를 나타낸다.
도 12는 본 발명의 일 실시예에 따른 하이브리드 자동차에서 충전 환경 변경에 따른 충전 제어 과정의 일례를 나타내는 순서도이다.
도 13은 본 발명의 다른 실시예에 따른 하이브리드 자동차에서 목적지까지 저속구간이 주를 이룰 경우 시리즈 충전이 수행되는 형태의 일례를 나타낸다.
도 14는 본 발명의 다른 실시예에 따른 하이브리드 자동차에서 목적지까지 고부하 구간이 주를 이룰 경우 시리즈 충전이 수행되는 형태의 일례를 나타낸다.
도 15는 본 발명의 다른 실시예에 따른 하이브리드 자동차에서 목적지까지 저속구간과 고부하 구간이 혼재하는 경우 시리즈 충전이 수행되는 형태의 일례를 나타낸다.
아래에서는 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시 예에 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 실시 예에 한정되지 않는다. 그리고 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다.
명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성 요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다. 또한, 명세서 전체에 걸쳐서 동일한 참조번호로 표시된 부분들은 동일한 구성요소들을 의미한다.
본 발명의 실시예에 따른 저속 주행시 운전성과 가속 반응성이 향상된 하이브리드 자동차 및 그 제어 방법을 설명하기 앞서, 실시예들에 적용 가능한 하이브리드 차량의 제어 계통을 먼저 설명한다. 본 발명의 실시예들에 적용될 수 있는 기본적인 하이브리드 차량의 파워트레인 구조는 도 1에 도시된 구조일 수 있다. 이러한 파워 트레인이 적용되는 차량에서 제어기 간의 상호관계가 도 3에 도시된다.
도 3은 본 발명의 실시예들이 적용될 수 있는 하이브리드 자동차의 제어 계통의 일례를 나타내는 블럭도이다.
도 3을 참조하면, 본 발명의 실시예들이 적용될 수 있는 하이브리드 자동차에서 내연기관(110)은 엔진 제어기(210)가 제어하고, 시동발전 모터(120) 및 전기 모터(140)는 모터 제어기(MCU: Motor Control Unit, 220)에 의해 토크가 제어될 수 있으며, 엔진 클러치(130)는 클러치 제어기(230)가 각각 제어할 수 있다. 여기서 엔진 제어기(210)는 엔진 제어 시스템(EMS: Engine Management System)이라도 한다. 또한, 변속기(150)는 변속기 제어기(250)가 제어하게 된다. 경우에 따라, 시동발전 모터(120)의 제어기와 전기 모터(140) 각각을 위한 제어기가 별도로 구비될 수도 있다.
각 제어기는 그 상위 제어기로서 모드 전환 과정 전반을 제어하는 하이브리드 제어기(HCU: Hybrid Controller Unit, 240)와 연결되어, 하이브리드 제어기(240)의 제어에 따라 주행 모드 변경, 기어 변속시 엔진 클러치 제어에 필요한 정보, 및/또는 엔진 정지 제어에 필요한 정보를 그(240)에 제공하거나 제어 신호에 따른 동작을 수행할 수 있다.
보다 구체적으로, 하이브리드 제어기(240)는 차량의 운행 상태에 따라 모드 전환 수행 여부를 결정한다. 일례로, 하이브리드 제어기는 엔진 클러치(130)의 해제(Open) 시점을 판단하고, 해제시에 유압(습식 EC인 경우)제어나 토크 용량 제어(건식 EC인 경우)를 수행한다. 또한, 하이브리드 제어기(240)는 엔진 클러치(130)의 상태(Lock-up, Slip, Open 등)를 판단하고, 엔진(110)의 연료분사 중단 시점을 제어할 수 있다. 또한, 하이브리드 제어기는 엔진 정지 제어를 위해 시동발전 모터(120)의 토크를 제어하기 위한 토크 지령을 모터 제어기(220)로 전달하여 엔진 회전 에너지 회수를 제어할 수 있다. 아울러, 하이브리드 제어기(240)는 주행 모드 전환 제어시 모드 전환 조건의 판단 및 전환을 위한 하위 제어기의 제어가 가능하다.
상술한 하이브리드 제어기(240)의 기능 외에, 본 발명의 실시예들에 따른 충전 제어 기능의 수행은 도 4 이하를 참조하여 보다 상세히 후술하기로 한다.
물론, 상술한 제어기간 연결관계 및 각 제어기의 기능/구분은 예시적인 것으로 그 명칭에도 제한되지 아니함은 당업자에 자명하다. 예를 들어, 하이브리드 제어기(240)는 그를 제외한 다른 제어기들 중 어느 하나에서 해당 기능이 대체되어 제공되도록 구현될 수도 있고, 다른 제어기들 중 둘 이상에서 해당 기능이 분산되어 제공될 수도 있다.
상술한 도 3의 구성은 하이브리드 자동차의 일 구성례일 뿐, 실시예에 적용 가능한 하이브리드 자동차는 이러한 구조에 한정되지 아니함은 당업자에 자명하다 할 것이다.
본 발명의 일 실시예에서는, 출발 시각이 변경되거나 충전기의 전력 공급이 불안정하여 현재 설정된 출발 시각 전까지 충전을 완료하지 못할 것으로 예상될 때, 운전자 설정에 따라 외부 전력을 이용한 충전과 더불어 엔진의 동력을 이용한 시리즈 충전을 허용하여 충전을 완료할 것을 제안한다.
먼저, 도 4를 참조하여 본 실시예에 따른 시스템 구성을 설명한다. 도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 예약 충전을 수행하기 위한 시스템 구성의 일례를 나타낸다.
도 4를 참조하면, 실시예에 따른 플러그인 하이브리드 자동차의 하이브리드 제어기(240)는 예약 충전 기능의 수행을 위해 입력 정보로 충전 케이블을 통해 입력되는 충전 전력 정보, 충전의 목표가 되는 목표 SOC, 출발 시각, 저렴한 요금 시간대의 구간 정보 중 적어도 하나를 갖는다.
여기서, 충전 전력 정보는 차량에 구비된 충전기(예컨대, OBC: On-Board Charger)로부터 획득될 수 있다. 또한, 나머지 정보는 AVN 시스템(또는 헤드유닛)을 통해 운전자가 직접 입력할 수도 있고, 스마트폰 등에서 실행되는 어플리케이션을 통해 입력된 값이 텔레매틱스 센터를 경유하여 텔레매틱스 유닛(TMU)에 수신되는 형태로 하이브리드 제어기(240)에 획득될 수도 있다.
또한, 본 실시예에 따른 하이브리드 제어기(240)는 출발 시각 SOC 연산부(241)와 시리즈(Series) 충전 시간/운전점 연산부(242)를 포함할 수 있다.
출발 시각 SOC 연산부(241)는 충전 전력 정보와 현재 시각으로부터 출발 시각까지 남은 시간 및 저렴한 요금 시간대를 고려하여, 출발 시각의 SOC가 목표 SOC에 도달할 수 있는 충전 시작 시각을 연산할 수 있다. 이때, 출발 시각 SOC 연산부(241)는 출발 시각이나 충전 전력 정보 등 환경 정보에 변화 여부를 모니터링하고, 변화가 있을 경우 현재 설정된 출발 시각에 목표 SOC에 도달 가능한지 여부를 판단할 수 있다. 만일, 이미 충전이 수행되고 있거나 충전 시작 시각을 앞당기더라도 현재 설정된 출발 시각에 목표 SOC에 도달할 수 없는 것으로 판단된 경우, 출발 시각 SOC 연산부(241)는 이를 충전 시간/운전점 연산부(242)에 통지할 수 있다. 또한, 출발 시각 SOC 연산부(241)는 현재 환경에서 출발 시각의 SOC를 연산하고, 목표 SOC 대비 부족한 충전량(즉, 추가 충전 필요량)을 충전 시간/운전점 연산부(242)에 전달할 수 있다.
충전 시간/운전점 연산부(242)는 추가 충전 필요량을 기반으로 출발 시각까지 남은 시간 동안의 최소 충전 파워를 연산하고, 엔진의 출력 효율과 모터의 발전 효율을 고려하여 최적 운전점으로 결정하여 시리즈 충전이 수행되도록 할 수 있다.
도 4를 참조하여 설명한 시스템을 기반으로, 이하에서는 도 5 내지 도 7을 참조하여 출발 시각이 앞당겨진 경우 시리즈 충전을 통해 목표 SOC를 만족하는 과정을 설명한다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 하이브리드 자동차에서 초기 충전 시각에 따른 충전 스케쥴의 일례를 나타낸다.
운전자가 출발 시각과 저렴한 요금 시간대를 설정하고 저렴한 요금제 포함 예약충전을 선택할 경우 차량의 상태에 따라서 목표 SOC를 만족하기 위하여 출발 시각 SOC 연산부(241)는 도 5에 도시된 바와 같이 예약 충전 스케쥴을 설정할 수 있다. 그런데, 이러한 스케쥴을 기반으로 이미 충전이 시작되었으나, 출발 시각이 앞당겨질 경우 변경된 출발 시각에 목표 SOC까지의 충전이 완료되기 어려울 수 있다. 이러한 상황을 도 6을 참조하여 설명한다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 하이브리드 자동차에서 출발 시각 변경에 따른 추가 충전 필요량을 설명하기 위한 도면이다.
도 6에 도시된 바와 같이, 출발 시각 등 예약 충전 설정이 변경될 경우 변경 된 출발 시각에 따라서 잔여시간 동안 충전을 하더라도 목표 SOC를 만족하지 못 할 수 있다. 따라서 출발 시각 SOC 연산부(241)는 출발 시각 SOC 재연산을 통해 출발 시각에 충전 완료 가능 여부를 확인한다. 그에 따라, 출발 시각 SOC 연산부(241)는 목표 SOC와 재연산된 출발 시각의 SOC를 이용해 추가 충전 필요량을 연산할 수 있다.
추가 충전 필요량은 충전 시간/운전점 연산부(242)에 전달되며, 충전 시간/운전점 연산부(242)는 엔진 시리즈 충전의 충전 파워를 결정할 수 있다. 이를 도 7을 참조하여 설명한다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 하이브리드 자동차에서 출발 시각 변경에 따른 시리즈 충전을 통해 목표 SOC가 만족되도록 하는 충전 스케쥴의 일례를 나타낸다.
도 7을 참조하면, 변경된 출발 시각에 목표 SOC를 만족하기 위해서는 충전기를 통한 충전 외에 추가 충전 필요량을 잔여시간 동안 충전해야 목표 SOC를 만족할 수 있다. 따라서, 충전 시간/운전점 연산부(242)는 추가 충전 필요량을 출발 시각까지 잔여시간으로 나누어 최소 충전 파워를 구하고(즉, "최소 충전 파워[kW] = 추가 충전 필요량[kWh] / 잔여충전시간[s]") 최소 충전 파워를 만족하도록 하는 엔진과 모터의 운전점을 결정할 수 있다. 운전자 설정에 의해 시리즈 충전이 허용된 경우 충전기 충전과 더불어 엔진 시리즈 충전이 수행됨으로써 변경된 출발 시각에 목표 SOC가 만족될 수 있다.
이하에서는 도 8 및 도 9를 참조하여 시리즈 충전시 엔진과 모터의 효율을 고려한 운전점 결정 형태를 설명한다. 도 8은 엔진 효율과 모터 효율을 속도와 토크에 따라 나타낸 그래프이고, 도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 발전 효율 맵을 통한 최적 운전점의 결정 형태를 설명하기 위한 그래프이다.
전술된 바와 같이, 충전 시간/운전점 연산부(242)는 시리즈 충전 시 최초 충전 파워를 구하고, 엔진의 효율과 모터의 발전 효율을 고려하여 엔진의 각 운전점에 대한 충전 파워와 충전 효율을 연산한다.
이때, 도 8에 도시된 바와 같은 모터 효율 그래프와 엔진 효율 그래프를 함께 적용하면, 도 9에 도시된 바와 같은 발전 효율 맵이 구해진다. 충전 시간/운전점 연산부(242)는 이러한 발전 효율 맵을 기반으로 최적의 운전점을 결정할 수 있다. 예를 들어, 충전 시간/운전점 연산부(242)는 최소 충전 파워 이상의 충전 파워를 갖되, 모터 토크 제한과 엔진 토크 제한을 모두 넘지 않는 후보 운전점 중 발전 효율이 가장 높은 운전점을 최고 효율 운전점으로 결정할 수 있으며, 결정된 운전점에 따라 잔여시간 동안 시리즈 충전이 수행될 수 있다.
만일, 잔여 충전 시간 짧은 등의 이유로 최소 충전 파워가 가용한 운전점 영역이 없는 경우 충전 시간/운전점 연산부(242)는 후보 운전점 중 효율이 가장 높되 최고 파워를 갖는 운전점으로 충전이 수행되도록 할 수 있다.
지금까지는 충전 환경 중 출발 시각이 변경되는 경우를 설명하였으나, 본 실시예의 다른 양상에 의하면 충전기로 공급되는 충전 전력이 불안정해지는 경우에도 시리즈 충전이 적용될 수 있다. 이를 도 10을 참조하여 설명한다.
도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 하이브리드 자동차에서 충전 전력 불안정에 따른 시리즈 충전 개입을 설명하기 위한 도면이다.
도 10을 참조하면, 충전 전력이 불안정할 경우 충전 파워의 변화로 출발 시각까지 목표 SOC를 만족하지 못 할 수도 있다. 이때 목표 SOC와의 차이가 기 설정 된 임계값을 넘어갈 것으로 예상될 경우 엔진 시리즈 충전이 수행될 수 있다. 이때, 도 5 내지 도 7의 경우와 달리, 전력이 회복될 것을 고려하여 엔진 시리즈 충전은 가장 후행으로 수행될 수 있다. 여기서 후행으로 수행된다고 함은, 시리즈 충전으로 가능한 최대 충전파워 또는 그 이하로 충전을 수행하되, 출발 시각에 추가 충전 필요량이 만족되도록 시리즈 충전의 시작을 최대한 늦춤을 의미할 수 있다.
물론, 운전점과 최소 충전 파워의 결정은 출발 시각 변경시와 유사하게 적용될 수 있다.
또한, 본 실시예의 또 다른 양상에 의하면, 법규나 환경 보호를 위해 엔진 구동에 의한 배기가스 배출이 제한되는 지역이 경로상에 존재할 경우에도 시리즈 충전이 적용될 수 있다. 구체적으로, 배기가스 배출이 제한되는 지역은 EV 모드 주행으로 통과해야 하므로, 해당 지역에서 소모될 SOC를 미리 계산하여 목표 SOC를 설정할 경우, 충전기를 이용한 충전으로 출발 시각까지 목표 SOC에 도달하기 어려운 경우 실시예에 따른 시리즈 충전이 수행될 수 있다.
이러한 기능은 도 11과 같이 설정될 수 있다. 도 11은 본 발명의 일 실시예에 따른 배기가스 배출 제한 지역을 고려한 예약 충전 설정 형태의 일례를 나타낸다. 도 11의 상단에 도시된 바와 같이, 운전자의 스마트 폰(1110)을 통해 배기가스 배출 제한 지역을 고려한 대기환경 보호모드가 선택되면, 해당 지역 통과를 고려한 목표 SOC 결정 및 시리즈 충전 여부가 차량에서 결정될 수 있다. 대기환경 보호모드가 선택된 경우, 도 11의 하단에 도시된 바와 같이 차량에서는 클러스터의 경고등 영역(1120)이나 배터리 상태 표시 영역(1130)에서 해당 기능의 활성화 여부가 표시될 수 있다. 물론, 본 기능을 수행함에 있어서 차량의 충전지가 배기가스 배출이 제한되는 지역이라면 본 기능은 수행되지 않을 수 있다.
지금까지 설명한 충전 환경 변경에 따른 시리즈 충전 과정을 순서도로 정리하면 도 12와 같다.
도 12는 본 발명의 일 실시예에 따른 하이브리드 자동차에서 충전 환경 변경에 따른 충전 제어 과정의 일례를 나타내는 순서도이다.
도 12를 참조하면, 예약 충전 기능이 설정된 이후 출발 시각 등 예약 충전 설정이 변경되거나(S1210의 Yes), 충전기 전력 공급이 불안정한 경우(S1220의 Yes), 하이브리드 제어기에서 현재 충전기 파워와 현재 설정된 출발 시각까지의 잔여시간을 기반으로 출발 시각의 SOC가 연산될 수 있다(S1230).
연산 결과를 기반으로 하이브리드 제어기는 출발 완료 시각에 충전 완료(즉, 목표 SOC 도달) 불가 여부를 판단하고(S1240), 불가한 경우 운전자에 의해 시리즈 충전이 허용되는지 여부를 확인한다(S1250). 시리즈 충전이 허용된 경우, 하이브리드 제어기는 추가 충전 용량을 확인하여 충전을 위한 최저 충전 파워와 엔진의 최적 운전점을 결정하여 시리즈 충전을 수행할 수 있다(S1260).
지금까지 설명한 본 발명의 일 실시예에서는 예약 충전시 충전 환경 변화에 대응하여 필요시 시리즈 충전을 통해 출발 시각까지 목표 SOC를 만족시키는 방법이 설명되었다.
한편, 본 발명의 다른 실시예에 의하면, 운전자가 목적지를 사전 설정하여 주행 경로에 대한 주행 부하 및 CD/CS 주행 모드 천이 전략을 알 수 있을 때, CS 구간에서 고부하 구간이 지속되거나, 저부하 구간이 지속 될 경우 엔진의 동력을 이용한 시리즈 충전을 허용하여 연비를 향상시킬 것을 제안한다. 여기서, CD/CS 모드란, 배터리의 충전 상태(SOC: State Of Charge)의 변동을 기준으로 구분되는 주행 모드로, 방전(CD: Charge Depleting) 모드와 충전 유지(CS: Charge Sustaining) 모드를 의미한다. 일반적으로 CD 모드에서는 엔진의 동력 없이 배터리의 전력으로 전기 모터를 구동하여 주행하게 되며, CS 모드에서는 배터리 SOC가 더 낮아지지 않도록 엔진의 동력을 이용하게 된다. CD/CS 주행 모드 천이 전략은 하이브리드 제어기에서 목적지까지의 경로 정보를 획득하여 소정 기준으로 구분된 복수의 구간별 주행 부하를 산출하는 방법으로 수행될 수 있다. 다만, 본 실시예에서는 CD/CS 모드간 전환 조건 설정이나 CD 구간과 CS 구간을 나누는 방법에는 한정되지 아니하는 바, CD/CS 주행 모드 천이 전략을 수립하는 과정에 대한 설명은 생략하기로 한다.
이하, 도 13 내지 도 15를 참조하여 본 발명의 다른 실시예에 따른 시리즈 충전을 설명한다.
도 13은 본 발명의 다른 실시예에 따른 하이브리드 자동차에서 목적지까지 저속구간이 주를 이룰 경우 시리즈 충전이 수행되는 형태의 일례를 나타낸다.
도 13에서는 세로방향으로 세 개의 그래프가 도시되며, 가로축은 공통적으로 출발지로부터 목적지까지의 거리를 의미한다. 또한, 세로축은 위에서 아래로 순서대로 기존 예약 충전에 따른 SOC 변화, 목적지까지의 주행 차속, 본 실시예의 예약 충전에 따른 SOC 변화를 각각 나타낸다.
도 13을 참조하면, 출발지부터 목적지까지 저속구간이 이어지되, 기존 예약 충전(즉, 상단 그래프)에 따르면 운전자가 미리 설정한 목표 SOC에 따른 충전이 완료된 상태에서 출발하게 된다.
그런데, 운전자가 설정한 목표 SOC로 저속구간 전체를 CD 모드로 주행할 수 없는 경우, 차량은 HSG(120)를 통한 시리즈 충전으로 모터(140)를 구동하거나, 엔진 클러치(130)를 슬립상태로 제어하여 엔진(110)의 동력을 이용하여 CS 모드로 운행을 하게 된다. 특히, 저속 장등판 운행 등 HSG(120)의 최고파워 이상이 요구될 경우 요구 파워를 만족시키기 위해 엔진(110)을 이용한 클러치(130) 슬립 주행을 해야 하는데, 클러치 슬립 시 에너지 전달 효율이 매우 떨어져 연비에 악영향을 미치며 클러치 수명 단축, 운전성 악화가 발생한다. 따라서, CS 구간의 효율이 심히 저하된다.
이러한 문제점을 해결하기 위해, 도 13의 하단 그래프와 같이 본 실시예에 따른 하이브리드 제어기(240)는 경로 정보를 획득하여 운전자가 설정한 목표 SOC를 이용할 때 CS 모드로 주행될 구간에서 HSG(120)를 통한 시리즈 충전량을 연산하고, 연산된 충전량을 출발전 미리 모터(140)를 활용한 시리즈 충전으로 확보되도록 함으로써 연비를 향상시킬 수 있다. 이는 모터(140)를 이용한 시리즈 충전이 HSG(120)를 이용한 시리즈 충전보다 효율이 좋음에 착안한 것이다. 물론, 이러한 모터(140)를 이용한 시리즈 충전은, 외부 전력을 이용한 충전 구간 외에, 운행 중 정차시에 수행될 수도 있다.
도 14는 본 발명의 다른 실시예에 따른 하이브리드 자동차에서 목적지까지 고부하 구간이 주를 이룰 경우 시리즈 충전이 수행되는 형태의 일례를 나타낸다.
도 14에서도 세로방향으로 세 개의 그래프가 도시되며, 가로축은 공통적으로 출발지로부터 목적지까지의 거리를 의미한다. 또한, 세로축은 위에서 아래로 순서대로 기존 예약 충전에 따른 SOC 변화, 목적지까지의 주행 부하, 본 실시예의 예약 충전에 따른 SOC 변화를 각각 나타낸다.
도 14를 참조하면, 출발지부터 목적지까지 엔진의 OOL(Optimal operating line)을 초과하는 요구 파워가 발생하는 고속도로 구간이 이어지되, 기존 예약 충전(즉, 상단 그래프)에 따르면 운전자가 미리 설정한 목표 SOC에 따른 충전이 완료된 상태에서 출발하게 된다.
이러한 경우, 배터리의 SOC 소모가 가능한 CD 모드 구간에서는 연비 향상을 위해 엔진을 OOL에서 운전하고 모터 어시스트를 통해 요구 파워를 만족시킬 수 있다. 그러나, 고부하 구간이 지속되어 SOC가 임계값(즉, SOCmin)에 도달하면, CS 모드로 전환되면서 모터 어시스트를 이용할 수 없게 된다. 결국, 요구 파워를 만족시키기 위해 엔진은 비효율적인 풀로드(Full load) 영역에서 운전되므로, 효율이 저하된다.
이러한 문제점을 해결하기 위해, 도 14의 하단 그래프와 같이 본 실시예에 따른 하이브리드 제어기(240)는 경로 정보를 획득하여 운전자가 설정한 목표 SOC를 이용할 때 CS 모드로 주행될 구간에서 엔진(110)의 풀로드 운행량을 연산하고, 연산된 운행량에 대응되는 충전량을 출발전 미리 모터(140)를 활용한 시리즈 충전으로 확보되도록 함으로써 연비를 향상시킬 수 있다. 이러한 경우 엔진(110)의 풀로드 운전을 회피함으로써 배기 성능의 향상도 기대될 수 있다.
도 15는 본 발명의 다른 실시예에 따른 하이브리드 자동차에서 목적지까지 저속구간과 고부하 구간이 혼재하는 경우 시리즈 충전이 수행되는 형태의 일례를 나타낸다.
도 15를 참조하면, 연비 향상을 위해 출발 전 미리 HSG(120)에 의한 시리즈 운행 구간과 엔진(110) 풀로드를 이용하는 구간을 모터 운행과 모터 어시스트로 대체 할 수 있도록, 본 실시예에 따른 하이브리드 제어기(240)는 기존 CD 모드 주행에 필요한 에너지에 HSG(120)의 시리즈 충전 에너지와 모터 어시스트 에너지를 합산하여 목표 SOC를 설정할 수 있다. 이때, 충전기를 통한 충전으로 목표 SOC를 만족시키기 어려울 경우, 모터(140)를 통한 시리즈 충전이 출발 시각 전에 미리 수행되도록 할 수 있다. 이를 통해 연비 향상 뿐 아니라 및 배기 성능 향상까지 기대될 수 있다.
전술한 본 발명은, 프로그램이 기록된 매체에 컴퓨터가 읽을 수 있는 코드로서 구현하는 것이 가능하다. 컴퓨터가 읽을 수 있는 매체는, 컴퓨터 시스템에 의하여 읽혀질 수 있는 데이터가 저장되는 모든 종류의 기록장치를 포함한다. 컴퓨터가 읽을 수 있는 매체의 예로는, HDD(Hard Disk Drive), SSD(Solid State Disk), SDD(Silicon Disk Drive), ROM, RAM, CD-ROM, 자기 테이프, 플로피 디스크, 광 데이터 저장 장치 등이 있다.
따라서, 상기의 상세한 설명은 모든 면에서 제한적으로 해석되어서는 아니되고 예시적인 것으로 고려되어야 한다. 본 발명의 범위는 첨부된 청구항의 합리적 해석에 의해 결정되어야 하고, 본 발명의 등가적 범위 내에서의 모든 변경은 본 발명의 범위에 포함된다.

Claims (19)

  1. 출발 시각 및 목표 배터리 상태(SOC)에 따른 외부 전력을 이용한 예약 충전이 설정되는 단계;
    충전 환경 변화의 발생 여부를 모니터링하는 단계;
    상기 충전 환경 변화가 발생하는 경우, 현재 설정된 출발 시각에 상기 목표 배터리 상태의 달성 가능 여부를 판단하는 단계; 및
    상기 판단 결과, 상기 목표 배터리 상태의 달성이 불가한 경우, 엔진과 모터를 이용한 시리즈 충전을 수행하는 단계를 포함하는, 플러그인 하이브리드 자동차의 충전 제어 방법.
  2. 제1 항에 있어서,
    상기 충전 환경 변화는,
    상기 출발 시각의 변경 및 상기 외부 전력의 불안정화 중 적어도 하나를 포함하는, 플러그인 하이브리드 자동차의 충전 제어 방법.
  3. 제1 항에 있어서,
    상기 판단하는 단계는,
    상기 현재 설정된 출발 시각에서의 배터리 상태를 판단하는 단계; 및
    상기 판단된 배터리 상태를 상기 목표 배터리 상태와 비교하는 단계를 포함하는, 플러그인 하이브리드 자동차의 충전 제어 방법.
  4. 제3 항에 있어서,
    상기 시리즈 충전을 수행하는 단계는,
    상기 목표 배터리 상태와 상기 판단된 배터리 상태의 차분에 해당하는 추가 충전 필요량을 판단하는 단계; 및
    상기 추가 충전 필요량 및 상기 현재 설정된 출발 시각까지의 잔여 시간을 기반으로 최소 충전 파워를 결정하는 단계를 포함하는, 플러그인 하이브리드 자동차의 충전 제어 방법.
  5. 제4 항에 있어서,
    상기 시리즈 충전을 수행하는 단계는,
    상기 최소 충전 파워를 기반으로 상기 엔진의 최적 효율 운전점을 판단하는 단계; 및
    상기 판단된 최적 효율 운전점에서 상기 시리즈 충전을 수행하는 단계를 더 포함하는, 플러그인 하이브리드 자동차의 충전 제어 방법.
  6. 제5 항에 있어서,
    상기 최적 효율 운전점을 판단하는 단계는,
    상기 최소 충전 파워 이상의 충전 파워를 갖는 운전점 중 충전 효율이 가장 높은 운전점을 상기 최적 효율 운전점으로 판단하는 단계를 포함하는, 플러그인 하이브리드 자동차의 충전 제어 방법.
  7. 제2 항에 있어서,
    상기 충전 환경 변화가 상기 외부 전력의 불안정화인 경우, 상기 시리즈 충전을 수행하는 단계는, 상기 현재 설정된 출발 시각에 종료되도록 후행으로 수행되는, 플러그인 하이브리드 자동차의 충전 제어 방법.
  8. 출발 시각 및 목표 배터리 상태(SOC)에 따른 외부 전력을 이용한 예약 충전이 설정되는 단계;
    목적지까지의 경로 정보를 획득하는 단계;
    상기 경로 정보를 기반으로 보조 모터를 통해 충전이 수행될 제1 구간과 엔진의 풀로드 주행이 수행될 제2 구간을 판단하는 단계;
    상기 제1 구간에서 상기 보조 모터가 충전하는 제1 에너지 및 상기 제2 구간을 상기 엔진을 최적 운전라인(OOL)에 따라 운행하며 모터 어시스트를 병행할 때 모터에서 소모될 제2 에너지를 판단하는 단계; 및
    상기 제1 에너지 및 상기 제2 에너지를 기반으로 상기 예약 충전이 수행되는 중 상기 모터를 이용한 시리즈 충전을 수행하는 단계를 포함하는, 플러그인 하이브리드 자동차의 충전 제어 방법.
  9. 제8 항에 있어서,
    상기 제1 구간 및 상기 제2 구간은,
    상기 목표 배터리 상태로 출발할 때 충전 유지(CS) 구간에 해당하는, 플러그인 하이브리드 자동차의 충전 제어 방법.
  10. 제1 항 내지 제9 항 중 어느 한 항에 따른 플러그인 하이브리드 자동차의 충전 제어 방법을 실행시키기 위한 프로그램을 기록한 컴퓨터 해독 가능 기록 매체.
  11. 모터;
    엔진; 및
    하이브리드 제어기를 포함하되,
    상기 하이브리드 제어기는,
    출발 시각 및 목표 배터리 상태(SOC)에 따른 외부 전력을 이용한 예약 충전이 설정되면, 충전 환경 변화의 발생 여부를 모니터링하고, 상기 충전 환경 변화가 발생하는 경우, 현재 설정된 출발 시각에 상기 목표 배터리 상태의 달성 가능 여부를 판단하고, 상기 판단 결과 상기 목표 배터리 상태의 달성이 불가한 경우, 상기 엔진과 상기 모터를 이용한 시리즈 충전이 수행되도록 제어하는, 플러그인 하이브리드 자동차.
  12. 제11 항에 있어서,
    상기 충전 환경 변화는,
    상기 출발 시각의 변경 및 상기 외부 전력의 불안정화 중 적어도 하나를 포함하는, 플러그인 하이브리드 자동차.
  13. 제11 항에 있어서,
    상기 하이브리드 제어기는,
    상기 현재 설정된 출발 시각에서의 배터리 상태를 판단하고, 상기 판단된 배터리 상태를 상기 목표 배터리 상태와 비교하는, 플러그인 하이브리드 자동차.
  14. 제13 항에 있어서,
    상기 하이브리드 제어기는,
    상기 목표 배터리 상태와 상기 판단된 배터리 상태의 차분에 해당하는 추가 충전 필요량을 판단하고, 상기 추가 충전 필요량 및 상기 현재 설정된 출발 시각까지의 잔여 시간을 기반으로 최소 충전 파워를 결정하는, 플러그인 하이브리드 자동차.
  15. 제14 항에 있어서,
    상기 하이브리드 제어기는,
    상기 최소 충전 파워를 기반으로 상기 엔진의 최적 효율 운전점을 판단하고, 상기 판단된 최적 효율 운전점에서 상기 시리즈 충전이 수행되도록 제어하는, 플러그인 하이브리드 자동차.
  16. 제15 항에 있어서,
    상기 하이브리드 제어기는,
    상기 최소 충전 파워 이상의 충전 파워를 갖는 운전점 중 충전 효율이 가장 높은 운전점을 상기 최적 효율 운전점으로 판단하는, 플러그인 하이브리드 자동차.
  17. 제12 항에 있어서,
    상기 충전 환경 변화가 상기 외부 전력의 불안정화인 경우,
    상기 하이브리드 제어기는,
    상기 현재 설정된 출발 시각에 상기 시리즈 충전이 종료되도록 후행으로 수행되도록 제어하는, 플러그인 하이브리드 자동차.
  18. 엔진;
    보조 모터;
    모터; 및
    하이브리드 제어기를 포함하되,
    상기 하이브리드 제어기는,
    출발 시각 및 목표 배터리 상태(SOC)에 따른 외부 전력을 이용한 예약 충전이 설정되면, 목적지까지의 경로 정보를 획득하고, 상기 경로 정보를 기반으로 보조 모터를 통해 충전이 수행될 제1 구간과 엔진의 풀로드 주행이 수행될 제2 구간을 판단하며, 상기 제1 구간에서 상기 보조 모터가 충전하는 제1 에너지 및 상기 제2 구간을 상기 엔진을 최적 운전라인(OOL)에 따라 운행하며 모터 어시스트를 병행할 때 모터에서 소모될 제2 에너지를 판단하여, 상기 제1 에너지 및 상기 제2 에너지를 기반으로 상기 예약 충전이 수행되는 중 상기 모터를 이용한 시리즈 충전이 수행되도록 제어하는, 플러그인 하이브리드 자동차.
  19. 제18 항에 있어서,
    상기 제1 구간 및 상기 제2 구간은,
    상기 목표 배터리 상태로 출발할 때 충전 유지(CS) 구간에 해당하는, 플러그인 하이브리드 자동차.
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