In this paper, a regenerative braking algorithm is proposed to make the maximum use of the regenerative braking energy for an independent front and rear motor drive parallel HEV. In the regenerative braking algorithm, the regenerative torque is determined by considering the motor capacity, motor eff...
In this paper, a regenerative braking algorithm is proposed to make the maximum use of the regenerative braking energy for an independent front and rear motor drive parallel HEV. In the regenerative braking algorithm, the regenerative torque is determined by considering the motor capacity, motor efficiency, battery SOC, gear ratio, clutch state, engine speed and vehicle velocity. To implement the regenerative braking algorithm, HEV powertrain models including the internal combustion engine, electric motor, battery, manual transmission and the regenerative braking system are developed using MATLAB, and the regenerative braking performance is investigated by the simulator. Simulation results show that the proposed regenerative braking algorithm contributes to increasing the battery SOC, which recuperates 60 percent of the total braking energy while satisfying the design specification of the control logic. In addition, a control algorithm which limits the regenerative braking is suggested by considering the battery power capacity and dynamic response characteristics of the hydraulic control module.
In this paper, a regenerative braking algorithm is proposed to make the maximum use of the regenerative braking energy for an independent front and rear motor drive parallel HEV. In the regenerative braking algorithm, the regenerative torque is determined by considering the motor capacity, motor efficiency, battery SOC, gear ratio, clutch state, engine speed and vehicle velocity. To implement the regenerative braking algorithm, HEV powertrain models including the internal combustion engine, electric motor, battery, manual transmission and the regenerative braking system are developed using MATLAB, and the regenerative braking performance is investigated by the simulator. Simulation results show that the proposed regenerative braking algorithm contributes to increasing the battery SOC, which recuperates 60 percent of the total braking energy while satisfying the design specification of the control logic. In addition, a control algorithm which limits the regenerative braking is suggested by considering the battery power capacity and dynamic response characteristics of the hydraulic control module.
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문제 정의
따라서 본 연구에서는 수동변속기(MT)를 장착 한전 후륜 독립모터방식 4WD HEV 차량에 대하여 운전자 제동 의지와 차량의 주행 상태에 따른 최대의 회생 제동 에너지를 회수할 수 있는 전후륜의 회생제 동 제어 로직 을 제 안하였다.
본 연구에서는 회생제동력(토크)을 최대화하는것을 목표로 하였다. 발전기(모터)의 회 생제동 토크는 다음 식 으로 표시 된다.
이 연구에서는 Fig. 1의 전후륜 독립모터 방식 4WD HEV에 대하여 회생제동시 운전자의 제동의지와차량주행상태에 대하여 전후륜의 회생제동토크의 크기를 결정하는 회생제동 제어 알고리즘을제 시 하고자 한다.
제안 방법
접속 시에는 클러치가 완전히 접된 후에 회 생제동M 실시 한다. #회생제동 토크로 인하여 엔진속도가 아이들 속도 이하로 떨어져 엔진이 정지하는 상황을 방지하기 위하여 아이들 속도가 되기 전에 엔진속도에 따라 가중치가 선형 적으로 감소되 도록 설계 하였다.
2) 배터리 충전 파워 및 유압제동력 특성을 고려한 회생 제동 제어로직을 제안하였다. 배터리 충전 한계 파워를 넘는 경우 전륜의 빈번한 클러치 접속 해제로 인한 회 생제동토크의 변동을 방지하기 위하여 전륜의 회생제동을 제한하고 회생 제동이 급격히 증가하는 경우 유압제동의 상대적으로 느린 응답성능으로 인한 이질적인 제 동감을 방지하기 위하여 모터의 응답성능을 유압 모듈의 응답성능과 유사하도록 제어하는 방안을 제시하였다.
3) 4WD HEV 회생제동 성능 시뮬레이터를 개발하고 시뮬레이션을 통하여 제시된 회생제동 제어로직의 성능을 평가하였다. 연구대상 전후륜 독립 모터 방식 4WD HEV에서 후륜 모터 의 운전은감속기어비에 의존하며 전륜모터에 비하여 상대적으로 효율이 낮은 영역에서 회생제동이 이루어진다.
특히 전륜의 제동력은 상대적으로 후륜에 비해 크기 때문에 전륜을 제한하여 토크변동량을 최소화하기로 한다. 따라서 회생제동 파워합이 23kW를 초과하는 경우 후륜의 회생제동을 우선시하고 전륜의 회생제동을 제한하는 로직을 제안하였다
그러나 배터리의 충전 용량이 23kW로 제한되어 있기 때문에 전륜과 후륜의 회생 제동 파워의 합이 23kW 이하로 제한되어야 한다. 먼저 전후륜의 회생제동 파워가23kW를 넘는 영역을 찾기 위하여 각 기 어단별 차속과 감가속도에 대한 전후륜의 회 생제동 파워를 계산하였다.
한다. 먼저 회생제동시 배터리의 SOC, 클러치 상태, 엔진속도 및 차량속도를 고려한 가중함수 (weight factor)를 적용하여 다음과 같이 회생제동토크를 구하였다.
제어로직을 제안하였다. 배터리 충전 한계 파워를 넘는 경우 전륜의 빈번한 클러치 접속 해제로 인한 회 생제동토크의 변동을 방지하기 위하여 전륜의 회생제동을 제한하고 회생 제동이 급격히 증가하는 경우 유압제동의 상대적으로 느린 응답성능으로 인한 이질적인 제 동감을 방지하기 위하여 모터의 응답성능을 유압 모듈의 응답성능과 유사하도록 제어하는 방안을 제시하였다.
배터리 충전파워 한계를 넘는 경우의 제동성능을고찰하기 위하여 차속 100km/h에서 10초만에 정지한 경우의 시뮬레이션을 수행하였다. Fig.
병 렬형 전후륜 독립모터방식 4WD HEV의 회생제동 제어로직을 검증하기 위한 제동성능 해석 시뮬레이터를 개발하였다. 이를 위하여 엔진, 모터, 수동변속기 등을 포함한 4WD HEV 파워트레 인의 각요소와 회생제동 제어로직에 대하여 MATLAB Simulink를 이용한 모듈화 모델링을 수행하였다.
전륜과 후륜의 제동력은 운전자의 요구 감가속도가 결정되면 이상 제동력 분배곡선으로 결정된다. 연구에 사용된 실제 제동력 분배선도는 후륜에 먼저 록이 일어나는 것을 방지하기 위하여 이상제동력 선도보다 후륜 제동력이 작게 설정하였다
개발하였다. 이를 위하여 엔진, 모터, 수동변속기 등을 포함한 4WD HEV 파워트레 인의 각요소와 회생제동 제어로직에 대하여 MATLAB Simulink를 이용한 모듈화 모델링을 수행하였다. Fig.
수동변속기 기 어 비 (d)는 차속이 증가할수록 고단으로 변속된다. 제동시에는 제동순간의 기 어단을 유지하다가 차속 25km/h에서 클러치를해제하고 기어를 중립으로 놓도록 설정하였다. 제동모드에서는 엔진 스톨을 방지 하기 위하여 차속이 25km/h 이하가 되면 전륜의 클러치가 해제되도록설정하였다.
회생제동에 의한 에너지 회수효과를 고찰하기 위하여 FUDS(federal urban driving schedule)0]] 대한 시뮬레이션을 수행하고 구동에너지, 전후륜의 회생 제동 에너지를 비교하였다(Fig. 13). 전륜과 후륜의 회생 제동 에너지의 합은 약 1700kJ로 FUDS 주행모드의 전체 제동에너지(2700kJ)의 63%가 회생 제동으로 회수되었다.
전. 후륜 모터효율 특성을 고려하여 회생제동 토크의 크기를 결정하는 알고리즘을 제시하였다.
운전자가 제동페달을 밟으면 이상제동력 선도로부터전후륜의 요구제동토크를 먼저 결정하고 운전자의 요구 제동 토크, 차속, 기어단수에 따라 전.후륜의 회생 제동 토크를 계산한다. 또한 배터리 SOC, 클러치 상태, 엔진속도, 차량속도에 따른 가중함수를 적용하고 배터리 충전용량을 고려한 회생제동 파워의 크기를 제한한다.
대상 데이터
1은 연구대상 차량의 구조도이다. 연구대상 4WD HEV의 전륜 동력원으로는 1.4L급 엔진과 12kW급 모터가 1 축으로 연결되어 있고 변속기로는 수동변속기를 사용하였다. 후륜에는 20kW급 모터가 감속기와 함께 장착되어 기존의 트랜스퍼 케이스와 같은 동력 전달장치 없이 단독으로 후륜을 구동하여 4WD HEV를 구현하게 된다.
성능을 평가하였다. 연구대상 전후륜 독립 모터 방식 4WD HEV에서 후륜 모터 의 운전은감속기어비에 의존하며 전륜모터에 비하여 상대적으로 효율이 낮은 영역에서 회생제동이 이루어진다. 시뮬레이션 결과FUDS 주행모드에서는연구대상 HEV는 제안된 회생제동 로직에 의하여 전체 제동에너지의 약 63%를 회수할 수 있는것을 확인하였다.
연구대상4WD HEV의 모터용량은 각각 12kW(전륜), 20kW(후륜)이다. 그러나 배터리의 충전 용량이 23kW로 제한되어 있기 때문에 전륜과 후륜의 회생 제동 파워의 합이 23kW 이하로 제한되어야 한다.
그러나 회생제동토크에 의해 발생되는 제동력은 전륜또는 후륜의 제한여부에 따라 달라지 게 된다. 연구대상HEV는 수동변속기 차량으로 운전자의 클러치접속 해제에 따라 전륜에 회생제동 토크의 변동이 발생한다. 특히 전륜의 제동력은 상대적으로 후륜에 비해 크기 때문에 전륜을 제한하여 토크변동량을 최소화하기로 한다.
데이터처리
개발된 성능 시뮬레이터를 이용하여 ECE-15 주행모드에 대한 제동성능 해석을 수행하였다. Fig.
성능/효과
연구대상 전후륜 독립 모터 방식 4WD HEV에서 후륜 모터 의 운전은감속기어비에 의존하며 전륜모터에 비하여 상대적으로 효율이 낮은 영역에서 회생제동이 이루어진다. 시뮬레이션 결과FUDS 주행모드에서는연구대상 HEV는 제안된 회생제동 로직에 의하여 전체 제동에너지의 약 63%를 회수할 수 있는것을 확인하였다.
13). 전륜과 후륜의 회생 제동 에너지의 합은 약 1700kJ로 FUDS 주행모드의 전체 제동에너지(2700kJ)의 63%가 회생 제동으로 회수되었다. 나머지 37%의 에너지는 유압 제동에 의한 마찰과 모터시스템의 효율에 의한 손실에 의하여 소모된다.
고효율 엔진, 전.후륜 모터, CVT 등을 이용하여 기존 4WD 차량 대비 2배의 높은 연비 개선을 하였다.
참고문헌 (8)
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E. Nakamura, M. Soga, A. Sakaki, A. Otomo and T. Kobayashi, 'Development of Electronically Controlled Brake System for Hybrid Vehicle,' SAE 2002-01-0900, 2002
O. Hidehiro, Y. Akihiro, K. Hiroshi and K. Kensuke, 'Development of a Hybrid Powertrain System Using CVT in a Minivan, SAE 2002-01-0991, 2002
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Y. Gao, L. Chen and M. Ehsani, 'Investigation of the Effectiveness of Regenerative Braking for EV and HEV,' SAE 1999-01-2910, 1999
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H. Yeo and H. Kim, 'Hardware-in-the-loop Simulation of Regenerative Braking a Hybrid Electric Vehicle,' Proc. Instn. Mech. Engrs, Vol.216, pp.855-864, 2002
H. Yeo, C. Song, C. Kim and H. Kim, 'Hardware in the Loop Simulation of Hybrid Electric Vehicle for Optimal Engine Operation by CVT Ratio Control,' Int. J. Automotive Technology, Vol.5, No.3, pp. 201-208, 2004
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