변속기 장착 전기구동 (TMED) 방식 하이브리드 전기 트럭의 최적 상위제어 알고리즘에 대한 연구

Abstract

병렬 하이브리드 시스템은 기존 내연기관 파워트레인에 최소한의 수정만으로 하이브리드화가 가능하며 엔진과 전기모터의 출력을 기계적으로 구동륜에 공급할 수 있기 때문에 엔진 대비 소출력의 전기모터 및 소용량 배터리 적용이 가능하다. 그 중 변속기 장착 전기구동 (TMED) 방식은 엔진 클러치와 변속기 기어박스 사이에 MG가 장착된 구조로서 엔진 클러치 체결 해제 상태에서 EV 주행이 가능하여 타 병렬 하이브리드 구조에 비해 연비가 우수하다. 본 논문의 목표 차량은 TMED 방식 병렬 하이브리드 시스템을 탑재한 트럭으로, 이러한 차량에서는 엔진 부품의 관성 모멘트/질량이 크며, 마찰 손실 또한 크기 때문에 TMED 방식 병렬 HEV에서 필히 수반되는 모드전환 과정의 에너지 소모가 무시할 수 없을 수준이다. 본 논문은 TMED 방식 병렬 하이브리드 전기 트럭에서 구현 가능한 모드 (EV, 직렬 및 병렬 하이브리드 모드)들을 모두 고려한 동력분배, 그리고 모드 전환 과정에서 소모되는 에너지를 고려한 최적 모드결정 알고리즘의 개발을 목표로 하였다. 이를 시간 윈도우형 등가소모 최소화 전략이라고 명명하였다. 이러한 최적 동력분배 및 모드결정 알고리즘은 Pontryagin’s minimum principle에 의하여 도출된 Hamiltonian의 형태로부터 정성적 측면에서의 타당성을 검토하였으며, 제안 알고리즘 2종 및 대조군 3종의 시뮬레이션 결과 비교를 수행하였다. SimulinkⓇ 및 StateflowⓇ 환경에서 구현된 상위제어 알고리즘의 Framework 상에서 동작하도록 구성하였으며, AVL CruiseⓇ 기반의 차량 모델과 연계하여 전향 (Forward) 시뮬레이션 환경을 구성하였다. 대조군으로서 기본 등가소모 최소화 및 두 가지 종류의 패널티 방식을 설정하여, 최종적으로 FTP72 사이클 및 WHVC에서 주행구간 엔진 효율 및 연료 소모량, 연비 측면에서 최종적으로 제안 방식 2종이 우수한 성능을 보임을 확인하였으며, 이를 위한 최적의 모드전환이 이루어지고 모드전환 빈도 및 에너지 소모량이 합리적인 수준에서 발생하는 것을 확인하였다.; This paper proposes a novel supervisory control for a parallel hybrid electric trucks with a transmission-mounted electric drive (TMED). The proposed control algorithm includes an optimal power distribution algorithm and an optimal mode determination algorithm based on the state machine framework. This algorithm is named as a time-windowed equivalent consumption minimization strategy (ECMS). The control vector of the proposed ECMS is expanded to two degrees of freedom to determine the power-split ratios of the TMED hybrid electric truck, and the cost function is re-defined in accordance with the target system. A new mode-transition algorithms (Prop-A, Prop-B) are also proposed to prevent the occurrence of frequent mode transitions as well as improve fuel economy and drivability. They include newly defined integrated cost functions and mode transition energy terms. As a comparison group, the additive penalty method (Prev-A) and the multiplicative penalty method (Prev-B) are selected. All algorithms are simulated in the Simulink® - Cruise® co-simulation environment, and simulation results demonstrate the validity and performance of the proposed control algorithm A and B. The results are derived for FTP72 (UDDS) and WHVC. The proposed algorithm allows only the necessary mode transitions to ensure fuel optimization, and makes the engine operate most efficiently. Previous algorithms show meaningful performance in reducing excessive mode transitions, but unnecessary engine operation also occurred together, which cause non-optimal fuel economy.