Pre-transmission parallel hybrid electric vehicles (HEVs) have various architectures depending on the type and size of an engine-start motor. Such architectural variations pose a design trade-off between cost and engine-start performance. For instance, a parallel HEV (P2) without a starter motor is cost-effective, but suffers from poor engine-start performance, and a parallel HEV with a large starter motor/generator (a.k.a P0-P2) provides much better engine-start performance at the expense of higher cost. Recently, a P2 HEV with a 12V starter motor (12V+P2) is also being considered as a balanced solution to this design trade-off. In this paper, we systematically evaluate the optimal engine-start performance of three parallel HEVs with various starter motors and discuss how each architecture compares to one another in terms of engine-start performance. First, three parallel HEV powertrain models are developed to characterize the transient behavior during engine-starts. Then, optimal control problems of three systems are formulated and solved to find the optimal engine-start performance. In order to systematically evaluate and compare the engine-start performance, two drivability measures are defined; power demand deficit and engine-start time. The evaluation results based on these drivability measures enable a fair and quantitative comparison between three parallel HEV architectures under various engine-start conditions, e.g. power demand. Comparative study shows that engine-start time of a P2 HEV without a starter motor can be similar to that of P0-P2. However, in this case, the power demand cannot be satisfied in P2 only system. In addition, 12V+P2 shows the same traction performance as P0-P2 and shows an acceptable engine-start time performance. Therefore, if the engine which has high non-linearity can be accurately controlled, it can be a balanced architecture that reduces cost and provides good performance as well.
변속기 입력축에 구동 모터가 장착된 병렬형 하이브리드 차량은 시동 모터의 종류와 크기에 따라서 다양한 구조를 가진다. 이러한 구조적 다양성은 비용과 엔진 시동 성능간의 설계적인 트레이드 오프의 문제를 제기한다. 예를 들어, 시동 모터가 없는 병렬형 하이브리드 차량(P2)은 비용 효율적이지만, 엔진 시동 성능이 저하되며, 상대적으로 큰 시동 모터가 장착된 병렬형 하이브리드 차량(P0-P2)은 높은 비용을 희생하며 훨씬 더 나은 엔진 시동 성능을 제공한다. 최근에는, 기존의 12V 시동 모터를 사용하는 P2 하이브리드 차량(12V+P2)이 이러한 설계적인 트레이드 오프를 해결할 수 있는 균형잡힌 해결책으로 여겨지기도 한다. 이 논문에서, 우리는 다양한 시동 모터가 있는 세 가지 병렬형 하이브리드 차량의 최적 엔진 시동 성능을 시스템적으로 평가하며, 엔진 시동 성능의 관점에서 각 구조를 다른 구조와 어떻게 비교할 지 논의한다. 첫 번째, 세 가지 병렬형 하이브리드 파워트레인 모델은 엔진 시동 과정동안 순간적인 거동을 특징화하도록 설계된다. 그리고, 세 가지 시스템의 최적 제어 문제가 수립되며, 최적의 엔진 시동 성능을 찾기 위해 해결된다. 시스템적으로 엔진 시동을 평가하고 비교하기 위해서는 요구 파워 공급 부족량과 엔진 시동 시간이라는 두 가지 운전성 평가 기준이 정의된다. 운전성 기준에 근거한 평가 결과는 요구 파워와 같은 다양한 엔진 시동 조건하에 세 가지 병렬형 하이브리드 차량 구조를 공정하고 정량적인 비교가 가능하게 한다. 비교 결과는 시동 모터가 없는 P2 하이브리드 시스템의 엔진 시동 시간은 P0-P2 시스템의 엔진 시동 시간과도 비슷해질 수 있다는 것을 보여준다. 하지만 이러한 경우에, P2 시스템의 요구 파워는 절대 만족될 수 없음을 시사한다. 또한, 12V+P2 시스템은 P0-P2 시스템과 같은 주행 성능을 가질뿐만 아니라, 수용가능한 엔진 시동 시간을 가질 수 있다는 것을 정량적으로 보여준다. 그러므로, 만약 강한 비선형성을 가진 엔진이 정확히 제어된다면, 12V+P2 시스템은 비용을 절감하며 동시에 좋은 엔진 시동 성능 또한 제공하는 균형잡힌 구조가 되는 것을 검증하였다.
