This study deals with cooperated control of drive motor and clutches for the gear shift of a parallel hybrid electric vehicle (HEV) with dual-clutch transmission (DCT). The HEV with DCT powertrain requires sophisticated control of two clutch actuators and power sources to achieve good shift performances, i.e. smooth and fast gear shifts. In this dissertation, a new shift control approach based on the feedback of both speed and torque states is implemented to improve the shift quality of a parallel HEV with a dry DCT. Differently from previous approaches, the proposed control uses the dynamic torque observer to accurately track the desired transient torque as well as the desired clutch slip speed during the inertia phase to attain smooth and fast shift. In addition, since the drive motor is installed in the HEV’s driveline, the transient torque through the driveline can be effectively controlled by using the fast dynamic characteristics of the drive motor. A major difficulty arising from the shift control of DCT is the interactions between the speed and torque control loops. To treat the coupling effects effectively even in the presence of various model uncertainties and disturbances, a robust multivariable control scheme using H-infinity loop shaping is suggested especially for the inertia phase control. The developed control structure is divided into two stages: the upper level control that governs the procedure to determine the most suitable torque trajectories of the clutches and power sources, and the lower level control that manages the strategy for each actuator controller to track the given torque trajectories.
Because the proposed controller requires information of the driveline torque states in real time, a new torque observer for the DCT driveline is also developed. Knowledge of the driveline torque states, such as the torque transmitted through a clutch, and transmission output torque, allows a significant improvement in powertrain control performance, especially during gear shifts and vehicle launch. Furthermore, vehicles with DCT or automatic transmission whose gear shift processes involve clutch-to-clutch shifts require information about the individual clutch torques for sophisticated torque transfer control. Thus, an adaptive torque observer, which is applicable to DCT drivelines, is developed to estimate the torque transmitted through each clutch and output shaft simultaneously. In order to overcome the lack of measurements in a production car, the proposed observer uses multiple adaptation laws in accordance with driving conditions so that it treats parameter uncertainties effectively, such as those of the clutch friction coefficient, nominal engine torque as well as vehicle load torque. The estimation performance of the observer is evaluated through simulations using SimDriveline, and experiments on a real vehicle as well as a test-bench equipped with torque sensors. Then, the performance of the closed-loop observer-based controller is demonstrated through real time experiments and simulations. Various comparative studies with the conventional approaches are also conducted, and detailed discussions of the results are provided.
본 연구는 듀얼 클러치 변속기 (DCT)가 장착된 병렬형 하이브리드 차량 (HEV)의 변속을 위한 구동 모터와 클러치의 협조 제어 문제를 다룬다. DCT 파워트레인이 장착된 HEV는 두 클러치 액추에이터와 동력원의 정교한 제어가 있어야만 좋은 변속 성능 (빠르고 부드러운 변속)을 가질 수 있다. 본 학위 논문에서는 속도 상태량과 토크 상태량에 대해 동시에 피드백 제어를 수행하는 새로운 변속 제어 전략이 제시되었다. 기존의 제어 전략과 다르게, 제안된 제어 전략은 다이나믹 토크 추정기를 사용하여 변속 이너시아 페이즈에서 목표 토크 값을 잘 추종할 수 있고, 그 결과로서 빠르고 부드러운 변속 성능을 얻을 수 있다. HEV는 구동계에 구동 모터가 장착되어 있기 때문에 모터의 빠르고 정확한 토크 제어 특성을 활용하여 변속 시 정확한 구동계 토크 제어가 가능하다. DCT 차량의 변속 제어를 수행하는 데 있어서 나타나는 어려움 중에 하나는 속도, 토크 제어루프 간의 강한 커플링 효과이다. 이러한 커플링 특성을 잘 해결하기 위해 본 연구에서는 H-infinity loop shaping 기법을 활용한 다변수 제어기를 설계하였다. H-infinity loop shaping 기법을 활용한 다변수 제어기는 다양한 모델링 오차나 외란 등이 존재하여도 원하는 추종 제어성능을 낼 수 있는 강건한 특성을 가진다.
제안된 변속 제어 전략을 완벽하게 수행하기 위해서는 변속 시 구동계에 흐르는 토크 값을 실시간으로 알 수 있어야 한다. 따라서, 본 연구에서는 DCT가 장착된 차량의 구동계에 적합한 실시간 토크 추정기도 개발하였다. 클러치 전달 토크, 구동축 토크 등 구동계 토크를 정확하게 알 수 있다면 토크를 직접적으로 제어할 수 있게 되므로 파워트레인 제어 성능을 매우 향상시킬 수 있다. 개발된 토크 추정기는 양산 차량에서 이용 가능한 데이터만 사용하는 장점이 있으며, 적응 추정기의 형태를 띠고 있어 주행 시 실시간으로 변할 수 있는 클러치 마찰계수, 차량 저항 토크 등의 파라미터 값을 적응 기법으로 보정하는 기능을 가지고 있다. 토크 추정기의 성능은 다양한 운전 조건에서 시뮬레이션, 벤치 실험, 그리고 실차 실험을 통해 검증되었다. 최종 추정기 기반 제어기의 성능 역시 시뮬레이션과 실험을 통해 정량적으로 검증되었으며, 슬립속도 제어만 하는 기존 제어 전략과 비교하여 특히 변속 충격 감소 측면에서 변속 성능이 매우 향상되는 것을 확인하였다.
