KR100887800B1

KR100887800B1 - 하이브리드 차량용 엔진 시동모터 토크제어방법

Info

Publication number: KR100887800B1
Application number: KR1020070072010A
Authority: KR
Inventors: 박진홍; 정금철
Original assignee: 현대자동차주식회사
Priority date: 2007-07-19
Filing date: 2007-07-19
Publication date: 2009-03-09
Also published as: KR20090008774A

Abstract

본 발명은 하이브리드 차량용 엔진 시동모터 토크제어방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 엔진 시작위치에 따른 필요한 엔진 기동토크만으로 모터를 제어함으로써, 전기 에너지 절약 및 엔진 진동 저감에 기여할 수 있도록 한 하이브리드 차량용 엔진 시동모터 토크제어방법에 관한 것이다.

이를 위해, 본 발명은 ECU가 크랭크 위치센서를 이용하여 엔진 크랭크 축의 위치를 측정하는 제1단계; HCU가 차량 내 통신 라인을 통해 상기 ECU로부터 시동시작 크랭크 각도와 현재 크랭크 각도를 입력받아, 상기 각도를 이용하여 사전에 시험을 통해 측정된 시작 크랭크축 각도와 현재 크랭크축 각도별 구동 토크에 맞는 요구 토크값을 MCU에 전송하는 제2단계; 및 상기 MCU가 HCU로부터 받은 요구 토크 값으로 모터를 제어하여 잉여 토크 없이 엔진 시동을 수행하는 제3단계;를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 하이브리드 차량용 엔진 시동모터 토크제어방법을 제공한다.

시동모터, 토크, HCU, ECU, MCU, 크랭크 각도

Description

하이브리드 차량용 엔진 시동모터 토크제어방법{Torque control method for engine start motor of Hybrid Electric Vehicle}

일반적으로 넓은 의미의 하이브리드 차량은 서로 다른 두 종류 이상의 동력원을 효율적으로 조합하여 차량을 구동시키는 것을 의미하나, 대부분의 경우는 연료를 사용하는 엔진과 배터리의 전력으로 구동되는 전기모터에 의해 구동력을 얻는 차량을 의미하며, 이를 하이브리드 전기차량, 즉 HEV(Hybrid Electric Vehicle)라 부르고 있다. 그러나, 통상 하이브리드 차량이라면 HEV를 의미하므로, 이하에서는 하이브리드 전기차량을 하이브리드 차량이라 약칭한다.

최근 연비를 개선하고 보다 환경친화적인 제품을 개발해야 한다는 시대적 요 청에 부응하여 하이브리드 차량에 대한 연구가 더욱 활발히 진행되고 있다.

하이브리드 차량은 엔진과 전기모터를 동력원으로 하여 다양한 구조를 형성할 수 있는데, 현재까지 연구되고 있는 대부분의 차량은 병렬형이나 직렬형 중에서 하나를 채택하고 있다.

하이브리드 차량에는 기본적으로 차량 전반의 제어를 담당하는 차량 제어기(Hybrid Control Unit, HCU)가 탑재되어 있고, 또한 시스템을 구성하는 각 장치별로 제어기를 구비하고 있다.

예컨대, 엔진 작동의 전반을 제어하는 엔진 제어기(Engine Control Unit, ECU), 전기모터 작동의 전반을 제어하는 모터 제어기(Motor Control Unit, MCU), 변속기를 제어하는 변속기 제어기(Transmission Control Unit, TCU), 배터리의 작동을 제어하는 배터리 관리 시스템(Battery Management System, BMS), 실내 온도 제어를 담당하는 에어컨 제어기(Full Auto Temperature Controller, FATC) 등이 구비되어 있다.

이러한 제어기들은 HCU를 중심으로 고속 CAN 통신라인(예, 500kbps)으로 연결되어, 제어기들 상호 간에 정보를 주고받으면서 상위 제어기는 하위 제어기에 명령을 전달하도록 되어 있다.

이와 같이 하이브리드 차량에서는 HCU를 상위 제어기로 하여 복수개의 제어기들이 상호 간에 협조제어를 수행한다.

HCU는 각 제어기들과 CAN 통신을 통해 상호 간 정보를 교환하고 또한 하위 제어기들을 제어하는데, ECU와의 사이에서는 HCU가 ECU로부터 엔진 토크 및 엔진 회전수 정보, 시동키 정보, 스로틀/엔진수온(냉각수온) 정보 등을 전달받도록 되어 있고, 또한 HCU가 ECU에 연료분사 명령, 엔진스톱 명령, 연료분사금지 명령, 전기모터 시동 정보, 아이들 스탑(Idle Stop) 정보 등을 전달하도록 되어 있다.

또한 HCU는 MCU를 통해 전기모터의 구동을 실질적으로 제어하게 되는데, 이때 MCU는 상위 제어기인 HCU에서 인가되는 제어신호에 따라 구동원인 전기모터의 구동 토크와 구동 속도를 제어하여 주행성을 유지시키게 된다.

이와 같이 하이브리드 차량에서는 제어기간의 협조제어가 매우 중요하며, 제어기간의 협조제어는 시동시부터 사용자가 시동키를 오프할 때까지 모든 경우에 수행되고 있다.

한편, 하이브리드 차량의 구동부는 전기모터가 클러치를 매개로 엔진과 연결되어 있고, 전기모터의 출력단이 변속기에 연결되어 변속기를 통해 구동력을 출력하도록 되어 있다.

또한, 엔진 기동을 위한 스타터(Starter Motor)의 기능을 가지면서 배터리 충전을 위한 발전기의 기능을 가지는 ISG(Integrated Starter Generator;일체형 스타터 및 발전기)를 포함한다.

상기 ISG는 엔진과는 벨트에 의해 연결되어 엔진과 동시에 회전하도록 되어 있는 바, 그 회전속도는 엔진속도로부터 풀리비에 따라 정해지며, 시동시에 엔진을 기동시키는 기능, 주행시에 엔진의 회전력으로 배터리 충전을 위한 고전력을 발생시키는 기능, 엔진 오프시에 엔진의 연료가 차단(연료분사 차단)된 상태에서 엔진을 정지시키는 기능 등을 수행하게 된다.

이와 같이 엔진을 기동시킬 수 있는 모터, 즉 ISG를 가진 통상의 하이브리드 차량에서는 엔진 정지시에 HCU가 엔진에 공급되는 연료를 차단(fuel cut)한 상태에서 엔진 정지 요청 신호를 출력하고, 이어 ISG용 MCU가 기동용 모터인 ISG를 제어하여 엔진을 최종 정지시키게 된다.

그러나, 엔진 정지시마다 피스톤 및 크랭크 샤프트의 위치(엔진 정지위치)가 달라지므로, 이후의 엔진 시동을 위해 ISG가 일정한 기동 토크를 엔진에 제공하게 되면 엔진이 정지된 위치의 차이에 따라 엔진의 토크 맥동 및 진동이 발생하게 된다.

즉, 엔진 정지위치 차이에 의해 초기 엔진 시동시나 주행 중의 엔진 재시동시에 흡기의 압축/팽창과정에서 토크 맥동의 편차가 발생하고, 그로 인하여 엔진 기동시에 진동이 발생하는 것이다.

보다 상세하게는, 엔진 기동 초기에 발생하는 토크 맥동은 피스톤과 실린더 벽면 사이에 발생하는 마찰력(friction force)과 피스톤의 운동에 의해 발생하는 펌핑력(pumping force)으로 구성된다.

마찰력은 표면 마찰계수와 윤활유 온도에 따라 변화되지만 엔진 기동과 같이 낮은 회전영역에서는 그 차이가 적은 반면, 펌핑력은 초기 피스톤 기동 위치에 따라 도 3에 나타낸 바와 같이 큰 변화가 발생한다.

이러한 변화는 엔진 진동을 발생시킬 뿐만 아니라, 충격으로 인해 운전성을 악화시키고, 엔진 마운팅의 내구성에 나쁜 영향을 미칠 수 있다.

이와 같은 문제점을 해결하기 위해 본 출원인이 2006년 11월 13일에 출원한 특허출원 제2006-111562호에는 HCU가 크랭크센서 신호 및 캠휠 센서 신호를 입력받아 엔진 크랭크축 각도를 파악하여 엔진정지시 모터를 통해 엔진을 일정한 위치에 정지시킴으로써, 엔진이 정지된 위치의 차이에 따른 엔진의 토크 맥동 및 진동의 발생을 방지할 수 있는 하이브리드 차량의 엔진 정지위치 제어방법이 개시되어 있다.

그러나, 상기 엔진 정지시 모터를 이용하여 크랭크축 정지 위치를 제어하면 다음과 같은 문제점이 있다.

1. HCU 하드웨어 변경 필요 : 크랭크 위치(CranK Position;CKP)센서 및 캠휠 센서 입력 신호를 처리하기 위해 HCU의 하드웨어를 변경할 필요가 있다.

2. 와이어링 추가 : 크랭크 위치센서 신호 및 캠휠 센서 신호를 HCU에 전달하기 위해서 와이어링 추가가 필요하다.

3. HCU 제어 로드 증가 : 센서 입력 신호 처리 로직, 크랭크 축 정지 위치 검출 로직, 센서 입력신호 진단 로직 등이 HCU에 추가 되어야 하므로, HCU의 CPU 로드가 증가함에 따라 하이브리드 제어에 악영향을 미치게 된다.

4. 연비 악화 : 크랭크 축의 정지 위치를 모터로 제어함에 따라 전기 에너지를 소비하게 된다.

본 발명은 상기와 같은 점을 감안하여 안출한 것으로서, 기존의 크랭크 위치센서 신호처리 로직을 활용하고, 기존의 일정한 시동토크로 제어하지 않고 엔진의 시작위치에 따른 필요한 엔진의 기동토크만으로 모터를 가변제어함으로써, 전기 에너지 절약 및 엔진 진동 저감에 기여할 수 있도록 한 하이브리드 차량용 엔진 시동모터 토크제어방법을 제공하는데 그 목적이 있다.

상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명은 하이브리드 차량용 엔진 시동모터 토크제어방법에 있어서,

ECU가 크랭크 위치센서를 이용하여 엔진 크랭크 축의 위치를 측정하는 제1단계; HCU가 차량 내 통신 라인을 통해 상기 ECU로부터 시동시작 크랭크 각도와 현재 크랭크 각도를 입력받아, 상기 각도를 이용하여 사전에 시험을 통해 측정된 시작 크랭크축 각도와 현재 크랭크축 각도별 구동 토크에 맞는 요구 토크값을 MCU에 전송하는 제2단계; 및 상기 MCU가 HCU로부터 받은 요구 토크 값으로 모터를 제어하여 잉여 토크 없이 엔진 시동을 수행하는 제3단계;를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.

바람직한 구현예로서, 상기 제1단계는 역회전을 고려하여 엔진 정지시 크랭크 위치를 비휘발성 램에 저장하는 단계와, 정지 위치가 정상적으로 검출되면 정지 위치 검출 완료 플래그(FLAG)를 고정시켜 램에 저장하는 단계와, IG 키 온 이후 제어기 초기화 수행시 정지위치 검출완료 플래그가 고정되어 있으면 정지 위치를 기준으로 기통을 결정하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.

더욱 바람직한 구현예로서, 상기 제2단계는 현재 크랭크 각도에서 시작 각도의 차를 통해 시작점으로부터 시동 이후 얼마나 회전했는지를 계산하고, 시작 위치별 엔진 기동을 위한 토크 측정 시험을 통해 얻어진 시동 모터 토크 프로파일 맵을 이용하여 현재 필요한 시동 모터 토크를 계산하여 MCU에 전달하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.

이상에서 본 바와 같이, 본 발명에 따른 하이브리드 차량용 엔진 시동모터 토크제어방법에 의하면, 하이브리드 제어기의 하드웨어 변경 및 와이어링 추가 없이 엔진제어기에서 엔진정지위치를 판단하고, 기존의 엔진제어기에서 기통판별, 연료분사 제어, 점화 제어에 필요한 크랭크 위치센서 신호처리 로직을 활용하므로, 하이브리드 제어기에 신규 로직 추가에 따른 로드 증가를 방지할 수 있다.

또한, 엔진 제어기는 엔진 정지 위치를 시동시 하이브리드 제어기에 전달하여, 기존의 일정한 시동 토크로 모터를 제어하지 않고 시작 위치에 따른 필요한 엔진의 기동토크만으로 모터를 제어함으로써, 전기 에너지 절약 및 엔진 진동 저감에 효과가 있다.

이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부도면을 참조로 상세하게 설명한다.

첨부한 도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 하이브리드 차량용 엔진 시동모터 토크제어시스템을 나타내는 구성도이다.

종래의 하이브리드 차량에서는 엔진(13)이 어느 위치에 있든지 상관없이 일정한 토크(시동이 걸릴 수 있는 토크)로 모터(14)를 동작시켜 엔진 시동을 걸었다.

그런데, 이 경우에 엔진(13)의 크랭크축이 어느 각도에서 시동이 걸리느냐에 따라 엔진(13)을 기동하기 위한 토크는 일정하지 않으므로, 크랭크 축 각도에 따라 잔여토크가 발생하고 이로 인해 진동이 운전자에 전달되게 된다.

이를 방지하기 위해, 모터(14)를 이용하여 엔진(13)을 항상 일정한 위치에 정지하도록 할 수 있으나, 전술한 바와 같이 HCU(11) 하드웨어의 변경, 하이브리드 제어로드 증가, 와이어링 설계 변경, 연비 측면에서 불리하다.

본 발명은 기존의 일정한 시동토크로 제어하지 않고 엔진(13)의 시작위치에 따른 필요한 엔진(13)의 기동토크만으로 모터(14)를 제어함으로써, 상기 불리함을 극복할 수 있다.

상기 엔진(13)의 시작위치를 알기 위해서는 엔진(13)이 정확히 어느 위치에서 정지했었는지가 중요하다.

본 발명의 일실시예에 따른 하이브리드 차량용 엔진 시동모터 토크제어방법을 위해 엔진 정지위치를 판단하기 위한 ECU(10) 로직, 엔진 크랭크 축의 위치를 판단하기 위한 크랭크 위치센서, 시동시 모터 토크를 계산하기 위한 HCU(11), 및 모터(14)를 제어하는 MCU(12)로 구성되어 있다.

상기 엔진 정지위치를 측정하기 위해, ECU(10)가 기존에 입력받던 크랭크 위치 센서 값을 이용하여 엔진(13)의 정지위치를 측정한다. 상기 측정된 엔진 정지 위치를 비휘발성 램에 저장시켜 ECU(10)가 파워 오프 되더라도 다음 시동시까지 그 값을 보존한다.

도 2은 상기 ECU(10)의 정지 위치 감지 로직을 나타내는 것으로, 엔진 정지시 역회전을 고려하여 크랭크 위치를 비휘발성 램(RAM)에 저장하고, 정지 위치가 정상적으로 검출되면 정지위치 검출완료 플래그(FLAG)를 고정시켜 비휘발성 램에 저장한다.

IG Key 온 이후 제어기 초기화 수행시 정지위치 검출완료 플래그가 고정되어 있으면 정지 위치를 기준으로 기통을 결정한다.

상기 시동시 엔진 정지 위치를 캔 등과 같은 통신라인을 통해 HCU(11)에 전달하고, HCU(11)에서는 시동시 ECU(10)로부터 받은 엔진 정지위치 정보와 현재 크랭크축 각도를 이용하여 사전에 시험을 통해 측정된 시작 크랭크축 각도와 현재 크랭크축 각도별 구동토크에 맞는 요구토크값을 MCU(12)에 전달한다.

도 6은 HCU(11)의 시동모터 토크의 로직을 나타내는 것으로, 캔(CAN; 또는 기타 차량 통신)을 시동시작 크랭크 각도 및 현재 크랭크 각도를 ECU(10)로부터 전달받고, 현재 크랭크 각도에서 시작 크랭크 각도의 차를 통해 시작점으로부터 시동 이후 엔진(13)이 얼마나 회전했는지를 계산한 다음, 시작위치별 엔진 기동을 위한 토크 측정 시험을 통해 얻어진 시동모터 토크 프로파일 맵을 이용하여 현재 필요한 시동 모터토크를 계산하여 MCU(12)로 전달한다.

도 3은 4기통 엔진의 시작위치에 따른 기동 토크의 변화를 나타내는 그래프이고, 도 4는 6기통 엔진의 시작위치에 따른 기동토크의 변화를 나타내는 그래프이다.

도 3 및 도 4에 도시한 바와 같이 엔진(13)은 시작 위치에 따라 엔진(13)을 기동하기 위한 토크가 다르므로, 엔진 시작위치 별로 엔진 시동시 모터(14)에서 가해야 할 토크량 및 패턴이 달라야 한다.

따라서, 엔진시험에서 몇 개의 대표 엔진 시작 위치를 통해 엔진 시동시 필요한 최소 토크량 및 패턴을 시험하여 프로파일 맵을 작성한다.

도 5a 내지 도 5c는 시작 위치별 엔진 시동시 모터토크를 예시한 프로파일 맵을 나타내는 것으로서, 모터 시동 토크량 및 패턴이 구해지면 엔진의 시작위치와 시동후 진행 각도를 축으로 갖는 2×2 맵을 작성하여 HCU(11) 시동 모터 토크 프로파일 맵을 완성한다.

도 5a는 엔진시작위치 0도에서 시동후 진행각도에 따른 엔진 시동시 모터토크를 나타내고, 도 5b는 엔진시작위치 90도에서 시동후 진행각도에 따른 엔진 시동시 모터토크를 나타내며, 도 5c는 엔진시작위치 135도에서 시동후 진행각도에 따른 엔진 시동시 모터토크를 나타낸다.

MCU(12)는 HCU(11)로부터 받은 요구토크 값으로 모터(14)를 제어하여 잉여 토크 없이 엔진 시동을 수행한다.

따라서, 기존의 일정한 시동토크로 모터(14)를 제어하지 않고 시작 위치에 따른 필요한 엔진기동토크만으로 모터(14)를 제어함으로써, 추가적인 전기 에너지 소비 즉, 엔진 정지 위치를 일정하게 하기 위한 모터(14)의 에너지 소비 없이 잉여 토크를 최소화하여 엔진 시동시 진동을 줄일 수 있다.

이상에서는 본 발명을 특정의 바람직한 실시예에 대하여 도시하고 설명하였으나, 본 발명은 이러한 실시예에 한정되지 않으며, 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 특허청구범위에서 청구하는 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위내에서 실시할 수 있는 다양한 형태의 실시예들을 모두 포함한다.

도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 하이브리드 차량용 엔진 시동모터 토크제어시스템을 나타내는 구성도이고,

도 2는 ECU의 정지위치 감지로직을 설명하기 위한 도면이고,

도 3은 4기통 엔진의 시작위치에 따른 기동토크의 변화를 나타내는 그래프이고,

도 4는 6기통 엔진의 시작위치에 따른 기동토크의 변화를 나타내는 그래프이고,

도 5a 내지 도 5c는 HCU의 시동모터 토크 프로파일 맵을 나타내는 도면이고,

도 6은 HCU의 시동모터 토크 로직을 설명하기 위한 개념도이다.

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>

10 : ECU 11 : HCU

12 : MCU 13 : 엔진

14 : 모터

Claims

하이브리드 차량용 엔진 시동모터 토크제어방법에 있어서,

ECU가 크랭크 위치센서를 이용하여 엔진 크랭크 축의 위치를 측정하는 제1단계;

HCU가 차량 내 통신 라인을 통해 상기 ECU로부터 시동시작 크랭크 각도와 현재 크랭크 각도를 입력받아, 상기 각도를 이용하여 사전에 시험을 통해 측정된 시작 크랭크축 각도와 현재 크랭크축 각도별 구동 토크에 맞는 요구 토크값을 MCU에 전송하되, 현재 크랭크 각도에서 시작 각도의 차를 통해 시작점으로부터 시동 이후 얼마나 회전했는지를 계산하고, 시작 위치별 엔진 기동을 위한 토크 측정 시험을 통해 얻어진 시동 모터 토크 프로파일 맵을 이용하여 현재 필요한 시동 모터 토크를 계산하여 MCU에 전송하는 제2단계;

상기 MCU가 HCU로부터 받은 요구 토크 값으로 모터를 제어하여 잉여 토크 없이 엔진 시동을 수행하는 제3단계;

를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 하이브리드 차량용 엔진 시동모터 토크제어방법.
청구항 1에 있어서,

상기 제1단계는 역회전을 고려하여 엔진 정지시 크랭크 위치를 비휘발성 램에 저장하는 단계와, 정지 위치가 정상적으로 검출되면 정지위치 검출 완료 플래그(FLAG)를 고정시켜 램에 저장하는 단계와, IG 키 온 이후 제어기 초기화 수행시 정지위치 검출완료 플래그가 고정되어 있으면 정지 위치를 기준으로 기통을 결정하 는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 하이브리드 차량용 엔진 시동모터 토크제어방법.
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