변속기 장착 EV차량의 모터토크 제어방법{MOTOR TORQUE CONTROL METHOD FOR ELECTRIC VEHICLE WITH TRANSMISSION}
본 발명은 변속기가 장착된 EV차량의 모터토크 제어방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 변속시 모터토크를 제어하는 기술에 관한 것이다.
종래 내연기관 차량의 경우, 변속 시 엔진토크 제어를 할 때, 엔진은 음의 토크 발생이 불가하여 양의 토크 수준에서만 토크 제어가 가능하며, 엔진 응답성능이 늦으므로 변속기의 클러치 제어로 변속 시간 단축을 도모하도록 한다.
또한, 상기한 바와 같은 토크 제어의 양은 정확한 값에 의한다기 보다는, 통상 엔지니어의 경험에 의해 변속 시 토크 제어량을 결정함으로써, 변속제어의 정밀도가 떨어지고, 이는 변속품질의 향상에 한계점으로 작용하는 경향이 있다.
EV차량은 내연기관을 사용하지 않고 전기로 구동되는 모터만에 의해 차량이 구동되고, 모터는 양의 토크 발생은 물론 음의 토크 발생도 가능하여, 변속기가 탑재된 EV차량의 경우, 변속 시 종래의 내연기관 탑재 차량에서 적용되었던 토크 제어와는 다른 방법을 강구함으로써, 보다 향상된 변속품질의 달성이 가능할 것이다.
상기의 발명의 배경이 되는 기술로서 설명된 사항들은 본 발명의 배경에 대한 이해 증진을 위한 것일 뿐, 이 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 이미 알려진 종래기술에 해당함을 인정하는 것으로 받아들여져서는 안 될 것이다.
본 발명은 변속기가 장착된 EV에서 모터를 이용한 변속 수행 시, 종래 내연기관인 엔진 탑재 차량에서의 변속에 비하여 보다 정확하고 적극적인 모터토크 제어에 의해 변속제어의 정밀성을 향상시킬 수 있도록 하여, 변속품질을 크게 향상시킬 수 있도록 한 변속기 장착 EV차량의 모터토크 제어방법을 제공함에 그 목적이 있다.
상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명 변속기 장착 EV차량의 모터토크 제어방법은 EV의 변속 시, 변속단을 상향시키는 파워 온 업쉬프트인지, 변속단을 하향시키는 파워 오프 다운쉬프트인지 판단하는 변속방향판단단계와; 변속을 완료할 목표 변속시간을 결정하는 변속시간결정단계와; 상기 변속시간결정단계에서 결정된 목표 변속시간에 따라 모터의 목표각가속도를 결정하는 각가속도설정단계와; 상기 변속방향판단단계에서 파워 온 업쉬프트로 판단된 경우, 상기 각가속도설정단계에서 설정된 목표각가속도를 이용하여 변속시 작용할 모터의 모터토크최대값을 산출하는 최대값산출단계와; 상기 변속방향판단단계에서 파워 온 업쉬프트로 판단된 경우, 상기 최대값산출단계에서의 목표토크최대값과 변속 개시 시의 모터의 구동목표토크 중 작은 값을 변속시 모터가 실질적으로 출력할 모터출력토크로 결정하는 업쉬프트모터토크결정단계와; 상기 변속방향판단단계에서 파워 오프 다운쉬프트로 판단된 경우, 상기 각가속도설정단계에서 설정된 목표각가속도를 이용하여 변속시 작용할 모터의 모터토크최소값을 산출하는 최소값산출단계와; 상기 변속방향판단단계에서 파워 오프 다운쉬프트로 판단된 경우, 상기 최소값산출단계에서의 목표토크최소값과 변속 개시 시의 모터의 구동목표토크 중 큰 값을 변속시 모터가 실질적으로 출력할 모터출력토크로 결정하는 다운쉬프트모터토크결정단계; 를 포함하여 구성된 것을 특징으로 한다.
본 발명은 변속기가 장착된 EV에서 모터를 이용한 변속 수행 시, 종래 내연기관인 엔진 탑재 차량에서의 변속에 비하여 보다 정확하고 적극적인 모터토크 제어에 의해 변속제어의 정밀성을 향상시킬 수 있도록 하여, 변속품질을 크게 향상시킬 수 있도록 한다.
도 1은 본 발명이 적용될 수 있는 2단 DCT를 구비한 EV의 구성을 예시한 도면,
도 2는 본 발명에 따른 변속기 장착 EV차량의 모터토크 제어방법의 실시예를 도시한 순서도,
도 3은 도 1의 EV를 도 2의 제어방법에 따라 파워 온 업쉬프트 시에 제어하는 과정을 설명한 그래프,
도 4는 도 1의 EV를 도 2의 제어방법에 따라 파워 오프 다운쉬프트 시에 제어하는 과정을 설명한 그래프이다.
도 1은 본 발명이 적용될 수 있는 2단 DCT가 구비된 EV의 파워트레인을 도시한 것으로서, DCT(1)는 제1클러치(CL1)와 제2클러치(CL2)가 구비되어 상기 제1클러치(CL1)를 결합하면 1단의 변속단 상태가 되고, 상기 제2클러치(CL2)를 결합하면 2단의 변속단 상태가 되어 모터(3)의 구동력을 구동륜(5)으로 전달하도록 된 것을 의미한다.
도 1에서는 본 발명을 단순화하여 설명하기 위해 DCT(1)는 상기 제1클러치(CL1)와 제2클러치(CL2)를 서로 상대적으로 결합함에 의해 1단과 2단만을 구현할 수 있는 것을 예시하고 있으나, 본 발명은 각 클러치에 연결된 입력축에 다수의 변속단이 배정되는 통상의 DCT(1)에도 적용할 수 있음은 물론, 이외에 단일클러치만 구비된 변속기의 경우에도 적용할 수 있는 기술이다.
도 2를 참조하면, 본 발명 변속기 장착 EV차량의 모터토크 제어방법의 실시예는 EV의 변속 시, 변속단을 상향시키는 파워 온 업쉬프트인지, 변속단을 하향시키는 파워 오프 다운쉬프트인지 판단하는 변속방향판단단계(S10)와; 변속을 완료할 목표 변속시간을 결정하는 변속시간결정단계(S20)와; 상기 변속시간결정단계(S20)에서 결정된 목표 변속시간에 따라 모터의 목표각가속도를 결정하는 각가속도설정단계(S30)와; 상기 변속방향판단단계(S10)에서 파워 온 업쉬프트로 판단된 경우, 상기 각가속도설정단계(S30)에서 설정된 목표각가속도를 이용하여 변속시 작용할 모터의 모터토크최대값을 산출하는 최대값산출단계(S41)와; 상기 변속방향판단단계(S10)에서 파워 온 업쉬프트로 판단된 경우, 상기 최대값산출단계(S41)에서의 목표토크최대값과 변속 개시 시의 모터의 구동목표토크 중 작은 값을 변속시 모터가 실질적으로 출력할 모터출력토크로 결정하는 업쉬프트모터토크결정단계(S51)와; 상기 변속방향판단단계(S10)에서 파워 오프 다운쉬프트로 판단된 경우, 상기 각가속도설정단계(S30)에서 설정된 목표각가속도를 이용하여 변속시 작용할 모터의 모터토크최소값을 산출하는 최소값산출단계(S42)와; 상기 변속방향판단단계(S10)에서 파워 오프 다운쉬프트로 판단된 경우, 상기 최소값산출단계(S42)에서의 목표토크최소값과 변속 개시 시의 모터의 구동목표토크 중 큰 값을 변속시 모터가 실질적으로 출력할 모터출력토크로 결정하는 다운쉬프트모터토크결정단계(S52)를 포함하여 구성된다.
즉, 본 발명은 상기 변속방향판단단계(S10)에 의해 결정된 변속방향에 따라 상기 변속시간결정단계(S20)를 통해 변속을 완료할 상기 목표 변속시간을 결정하여, 현재로부터 상기 목표 변속시간까지의 시간 동안에 모터의 각가속도를 어떤 값으로 해야 모터의 속도가 결합될 클러치의 속도와 같아지는지에 따라 상기 목표각가속도를 구하고, 이를 이용하여, 변속방향에 따라 상기 최대값산출단계(S41)와 업쉬프트모터토크결정단계(S51) 및 최소값산출단계(S42)와 다운쉬프트모터토크결정단계(S52)를 통해 실질적으로 모터가 출력할 모터출력토크를 결정하여 모터를 적극적으로 제어함으로써, 변속시 모터의 적극적이고 정밀한 제어로, 변속감과 변속응답성을 포함하는 변속품질의 상승을 도모하는 것이다.
상기 최대값산출단계(S41)는 파워 온 업쉬프트 시, 모터 및 결합될 클러치의 관성모멘트에 모터의 각가속도를 곱한 값은 모터토크로부터 상기 결합될 클러치의 클러치토크를 차감한 값과 동일하다는 관계식을 설정하는 관계정립단계(S41-1)와; 상기 각가속도설정단계(S30)에서 결정된 목표각가속도를 상기 관계식에서 모터 및 결합될 클러치의 관성모멘트에 곱해지는 모터의 각가속도로 하여, 그 곱한 값을 일정한 상수값으로 설정하는 상수처리단계(S41-2)와; 상기 결합될 클러치의 작동 프로파일에 따라 결정되는 상기 클러치토크에 상기 상수값을 더한 값을 상기 모터가 변속시 발생할 수 있는 최대의 모터토크인 모터토크최대값으로 결정하는 결과산출단계(S41-3)를 포함하여 구성된다.
즉, 상기 최대값산출단계(S41)의 상기 관계정립단계(S41-1)와 상수처리단계(S41-2)및 결과산출단계(S41-3)는 차례로 다음 수식들에 의해 표현되는 바,
여기서, J m 은 모터의 관성모멘트, J CL2 는 파워 온 업쉬프트 시 결합될 클러치의 관성모멘트, T m 은 모터토크, T CL2 는 파워 온 업쉬프트 시 결합될 클러치의 클러치토크, DOT(W m )은 모터의 각가속도, DOT(W m_Tgt )는 모터의 목표각가속도, T m_max 는 모터토크최대값을 의미한다.
파워 온 업쉬프트 시에는 도 3에 도시된 바와 같이, 제1클러치(CL1)를 해제하고 제2클러치(CL2)를 결합하는 바, 모터의 속도는 제1클러치(CL1)와 같은 속도로부터 상기 제2클러치(CL2)와 같은 속도로 떨어져야 하며, 이때, 모터의 토크가 크면 클수록 모터와 제2클러치(CL2)의 동기화가 지연되고 이로 인해 변속 지연이 발생되는 바, 이와 같은 상황이 상기 관계정립단계에서의 모터 및 결합될 클러치의 관성모멘트에 모터의 각가속도를 곱한 값은 모터토크로부터 상기 결합될 클러치의 클러치토크를 차감한 값과 동일하다는 관계식으로 표현되는 것이다.
상기 상수처리단계는 상기 변속시간결정단계(S20)에서 결정된 목표 변속시간 내에 상기 모터 속도를 제2클러치(CL2) 속도에 동기시키기 위해 결정되는 목표각가속도가 일정한 값으로 결정되고, 상기 모터 및 제2클러치(CL2)의 관성모멘트 합은 일정값이므로 이들을 상수로 볼 수 있다는 것이다.
상기 결과산출단계에서 결정되는 상기 모터토크최대값은 상기 상수처리단계에 의해 도출된 상수와 제2클러치(CL2)의 클러치토크의 합의 형태로 표현되는데, 상기 제2클러치(CL2)의 클러치토크는 제2클러치(CL2)에 인가되는 클러치액츄에이터의 스트로크에 따라 결정되는 정해진 프로파일의 전달토크이므로, 상기 제2클러치(CL2)의 클러치토크가 작고 상기 목표각가속도가 음의 값으로 큰 상황에서 음의 값으로도 결정될 수 있다.
물론, 상기와 같이 결정된 모터토크최대값은 상기 업쉬프트모터토크결정단계(S51)를 통해 변속 개시 시의 모터의 구동목표토크와 비교하여 작은 값인 경우에, 실질적으로 모터에서 상기 모터토크최대값을 발생시켜서 파워 온 업쉬프트를 실시하게 된다.
상기 업쉬프트모터토크결정단계(S51)에서, 상기 변속 개시 시의 모터의 구동목표토크와 비교하는 이유는 이미, 변속 개시 시에 이미 모터의 구동목표토크로 정해져 있던 값이 더 작은 경우에는 이 구동목표토크를 적용하여 모터토크를 제어하는 것이 보다 신속히 변속을 완료할 수 있기 때문이다.
한편, 상기 최소값산출단계(S42)는 파워 오프 다운쉬프트 시, 모터 및 결합될 클러치의 관성모멘트에 모터의 각가속도를 곱한 값은 모터토크와 상기 결합될 클러치의 클러치토크를 더한 값과 동일하다는 관계식을 설정하는 관계정립단계(S42-1)와; 상기 각가속도설정단계(S30)에서 결정된 목표각가속도를 상기 관계식에서 모터 및 결합될 클러치의 관성모멘트에 곱해지는 모터의 각가속도로 하여, 그 곱한 값을 일정한 상수값으로 설정하는 상수처리단계(S42-2)와; 상기 상수값에서 상기 결합될 클러치의 작동 프로파일에 따라 결정되는 상기 클러치토크를 차감한 값을 상기 모터가 변속시 발생할 수 있는 최소의 모터토크인 모터토크최소값으로 결정하는 결과산출단계(S42-3)를 포함하여 구성된다.
상기 최소값산출단계(S42)의 상기 관계정립단계(S42-1)와 상수처리단계(S42-2)및 결과산출단계(S42-3)는 차례로 다음 수식들에 의해 표현되는 바,
여기서, J m 은 모터의 관성모멘트, J CL1 는 파워 오프 다운쉬프트 시 결합될 클러치의 관성모멘트, T m 은 모터토크, T CL1 는 파워 오프 다운쉬프트 시 결합될 클러치의 클러치토크, DOT(W m )은 모터의 각가속도, DOT(W m_Tgt )는 모터의 목표각가속도, T m_min 는 모터토크최소값을 의미한다.
이와 같은 파워 오프 다운쉬프트의 경우에는 상기 파워 온 업쉬프트와는 달리 도 4에 도시된 바와 같이, 제2클러치(CL2)를 해제하고 제1클러치(CL1)를 결합하여, 모터의 속도는 제2클러치(CL2)의 속도로부터 상기 제1클러치(CL1)의 속도로 상승하면서 동기해야 하는 상황이므로, 모터의 구동토크가 음의 방향으로 클수록 모터와 제1클러치(CL1)의 동기화가 지연되고 그로 인해 변속지연이 발생하며, 이와 같은 관계가 상기 관계정립단계의 모터 및 결합될 클러치의 관성모멘트에 모터의 각가속도를 곱한 값은 모터토크와 상기 결합될 클러치의 클러치토크를 더한 값과 동일하다는 관계식으로 표현되는 것이다.
여기서, 상기 최소값산출단계(S42)의 상수처리단계와 상기 결과산출단계는 상기 최대값산출단계(S41)와 동일한 원리로 이루어진다.
상기 결과산출단계에서 구해지는 모터토크최소값은 상기 다운쉬프트모터토크결정단계(S52)에서, 변속 개시 시의 모터의 구동목표토크와 비교하여 큰 경우에 실질적으로 모터를 제어하는 데에 사용되어 파워 오프 다운쉬프트를 실시하게 되며, 상기 구동목표토크가 더 큰 경우에는 상기 구동목표토크로 모터를 제어하여 변속을 완료하게 되는 바, 더 신속한 변속이 가능하도록 하기 위한 것이다.
이상과 같이 본 발명은 변속시에 그 변속 방향에 따라 각각 모터토크를 어떻게 제어할 것인가를 이론적인 기초에 입각하여 산출한 후 이를 적극적으로 제어에 활용함으로써, 변속제어의 정밀도와 안정성을 향상시킬 수 있고, 특히 파워 온 업쉬프트의 경우에는 내연기관과 달리 모터의 토크를 실질적으로 음의 토크를 발휘하도록 제어하여 변속품질을 보다 향상시킬 수 있다.
본 발명은 특정한 실시예에 관련하여 도시하고 설명하였지만, 이하의 특허청구범위에 의해 제공되는 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 한도 내에서, 본 발명이 다양하게 개량 및 변화될 수 있다는 것은 당업계에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어서 자명할 것이다.
1; DCT
3; 모터
5; 구동륜
CL1; 제1클러치
CL2; 제2클러치
S10; 변속방향판단단계
S20; 변속시간결정단계
S30; 각가속도설정단계
S41; 최대값산출단계
S51; 업쉬프트모터토크결정단계
S42; 최소값산출단계
S52; 다운쉬프트모터토크결정단계 |
