KR100231531B1 - 전기자동차의 회생제동 제어방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 유압제동장치를 채용한 브레이크시스템을 사용하는 전기자동차에 있어 제동감속도를 가솔린자동차와 동일하게 유지할 수 있도록 회생제동력을 검출하여 그에 따라 마스터실린더에 인가되는 유압의 크기를 제어하도록 하는 전기자동차의 회생제동 제어방법에 관한 것이다.
본 발명은 가솔린차량과 전기자동차의 제동력을 각각 검출하는 단계와 상기 단계에서 검출된 가솔린차량과 전기자동차의 각 제동력중 제동감속도를 동일한 값으로 판단하여 회생제동력을 판단하는 단계, 상기 단계에서 판단된 회생제동력을 유압브레이크시스템의 작동시 마스터실린더에 인가되는 유압에 추가로 작용시키도록 하는 단계가 구비되어 하중이 가솔린차량에 비해 무거운 전기자동차에서도 가솔린차량과 동일한 감속력을 느낄 수 있도록 하는 방법임.

Description

전기자동차의 회생제동 제어방법
본 발명은 전기자동차에서 주행중 차속을 감속 또는 정차시키기 위해 사용되는 회생제동 제어방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 유압제동장치를 채용한 브레이크시스템을 사용하는 전기자동차에 있어 제동감속도를 가솔린자동차와 동일하게 유지할 수 있도록 회생제동력을 검출하여 그에 따라 마스터실린더에 인가되는 유압의 크기를 제어하도록 하는 전기자동차의 회생제동 제어방법에 관한 것이다.
일반적으로 전기자동차는 가솔린이나 중유등을 이용하는 가솔린차량이나 디젤차량과는 달리 동력원으로서 2차 전지인 배터리트레이로 부터 공급되는 전원을 이용하는 차량으로서, 이는 최근 가솔린이나 중유를 사용하는 자동차로 부터 배출되는 배기가스가 대기에 미치는 심각한 오염문제 때문에 공해발생이 적은 차량의 개발이 요구되고 있기 때문이다.
전기자동차의 주요 구동메카니즘을 살펴보면, 예시도면 도 1에 도시된 바와 같이 차량 주행제어를 위해 조작되는 각종 기구들, 예컨대 가속페달이나 브레이크페달 그리고 차량의 운행시 차량상태를 감지하여 출력하는 각종 센서등으로 부터 입력되는 신호에 따라 차량의 전반적인 동작을 제어하는 차량제어기(10)와, 상기 차량제어기(10)로 부터의 제어신호에 따라 구동휠의 회전제어에 필요한 전력을 출력하는 것으로서 전원공급원인 배터리트레이로 부터 출력되는 직류 전력을 교류 전력으로 변환시키는 작용을 하는 인버터(12), 상기 인버터(12)로 부터의 교류 전력을 공급받아 회전력을 발생시키는 모터(14), 상기 모터(14)에서 발생된 회전력을 구동장치인 구동휠측으로 전달하거나 차단하는 역할을 하는 트랜스미션(16) 그리고 가솔린차량과 마찬가지로 트랜스미션(16)에 구동축(18)을 통해 구동휠(20)이 연결되어 이루어져 있다. 여기서는 일례로서 차량제어기(10)에 가속페달(22)과 브레이크페달(26)이 연결된 상태를 도시하였으며, 가속페달(22)과 브레이크페달(26)에는 각각 가변저항기(24)(28)가 결합되어 가속페달(22)이나 브레이크페달(26)의 답력을 감지하여 그에 비례하는 전기적인 신호로 변환하여 차량제어기(10)로 입력시키도록 되어 있다.
그리하여 예컨대 운전자가 가속페달(22)을 밟는 정도에 따라 가변저항기(24)에서 전기적인 신호로 변환되어 출력되는 가속신호는 차량제어기(10)로 입력되어지고 차량제어기(10)에서는 이 가속신호와 모터(14)속도로 부터 미리 정해진 ATS에 의하여 토오크 기준값을 인버터(12)에 전달한다.
그리고 인버터(12)에서는 모터(14)가 이 토오크 기준값을 출력하도록 제어해 준다.
도 2는 모터(14)의 RPM별 토오크 특성곡선으로서 자량을 구동시키기 위한 구동영역과 감속영역, 차량이 모터(14)의 역 토오크에 의해 제동되는 제동영역(회생)으로 구분된다.
구동영역에서는 가속페달 깊이(APD)에 의해 토오크 곡선이 결정지어진다.
차량을 구동시키기 위한 구동력(F)은 도 2의 구동토오크 곡선에서 다음 수학식 1과 같이 표현된다.
[수학식 1]
여기서 μr은 구름저항계수, μaA는 공기저항, W는 차량하중, θ는 등판각, V는 차속을 각각 나타낸다.
이때 0 % 부하선은 평지에서 차량을 구동시키기 위한 최소 구동력으로서, 상기 식 1의 Wsinθ에서 θ를 0g00h으로 대입한 값이 된다.
한편, 도 3은 가속페달 깊이별 모터(14)의 구동 토오크 특성곡선으로써 예컨대 가속페달(22)의 깊이 (Accell Pedal Depth ; APD) 즉 운전자가 가속페달(22)에 답력을 가하여 가속페달(22)이 이동한 거리를 백분율로써 표시했을 때 APD 0∼100 %에 따른 RPM 및 토오크곡선의 예를 나타낸다.
도 3에서 굵은 실선은 등판로 0 % 일때의 구동력 부하곡선을 나타낸다.
APD 0 % 일 경우 자동변속 차량처럼 자동적으로 구동시킬 수 있는 클리프(Creep)현상을 구현하기 위하여 일정 구동 토오크를 주었고, 구동영역에서 일정 토오크에 의해 차량 속도가 증가하다가 감속영역에서는 모터 RPM이 증가해도 차속을 증가하지 않는다
만일 APD 70 % 로 D지점 까지 모터 토오크를 내며 차량이 주행중에 가속페달(22)을 떼어 APD 0 % 곡선의 E점으로 토오크가 변환될 때 E점 부터 A점을 향하여 차속이 줄어듬에 따라 APD 0 % 곡선을 따라간다.
한 예로 도 4에 도시된 바와 같이, A지점에서의 구동력으로 V1의 속도로 주행하는 차량이 APD 0% 로 변하여 B지점으로 옮겨질 경우 차속이 줄어 듬에 따라 구동력은 B에서 C지점으로 옮겨진다. 이때가 회생제동구간이며, 모터의 역 토오크에 의해 제동효과를 얻을 수 있고, 전기 에너지도 얻을 수 있다. 이때의 에너지는 도 4에서 기어비로 역 환산한 도 3과 같은 모터/RPM 곡선에서의 곱의 합으로 나타난다.
모터의 토오크 출력은 회생제동에서도 최대 역 토오크 이내에서는 출력량을 조절할 수 있다. 만일 APD 0% , BPD 0% 일 경우에 역 토오크 값은 많이 산정하면 전기에너지는 많은 이득을 볼 수 있지만 제동에너지가 커서 운전자에게 충격을 줄 수 있으므로 일정량의 제동값을 산정하여야 한다. 또한 APD 0%, BPD 0% 이하의 영역에서는 유압브레이와 매칭된 값으로 산정시켜 주어야 한다.
위와 같이 전기자동차는 가속페달(22)의 답력에 따라 가변저항기(24)가 답력에 비례하는 전기적인 신호를 차량제어기(10)로 송출하여 모터(14)를 구동하고, 제동시에는 브레이크페달의 답력에 따른 유압의 작동으로 제동력이 발생됨과 더불어 모터의 역 토오크에 의한 회생제동력이 발생되고 있다.
그런데 전기자동차는 전기를 동력원으로 하고 있기 때문에 큰 용량의 축전지를 필요로 하며, 그에 따라 다수의 축전지가 모여 이루어진 배터리트레이는 무게가 많이 나가기 때문에 전체적으로 차량의 하중이 중가하여 기존의 가솔린 차량대비 제동력을 키워 주어야 한다.
이는 기존 가솔린 차량에서 사용하던 제동력을 그대로 사용하게 되면 제동거리가 길어지게 되기 때문이며, 일반 운전자는 가솔린 차량에 익숙해져 있기 때문에 전기자동차에서도 APD 0%, BPD 0% 일때의 감속도를 가솔린 차량과 동일하게 맞추어 줄 필요성이 있다.
본 발명은 상기한 사정을 감안하여 발명한 것으로, 전기자동차에서도 전기자동차의 하중변화에 관계없이 기존 가솔린 차량과 동일한 제동력을 가하게 되면 기존 가솔린 차량과 동일한 제동감속도를 갖도록 하기 위하여 부족한 제동력을 회생제동으로 부터 보충받도록 하는 전기자동차의 회생제동 제어방법을 제공하고자 함에 발명의 목적이 있다.
도 1은 전기자동차의 구동메카니즘에 대한 구성도,
도 2는 모터의 RPM별 토오크 특성곡선,
도 3은 가속페달 깊이(APD)별 모터의 구동 토오크곡선도,
도 4는 차속에 대한 구동력을 나타내는 도면,
도 5는 브레이크페달 깊이에 따른 회생제동역을 설명하기 위한 도면,
도 6은 유압 브레이크시스템의 개요도,
도 7은 감속도별 마스터실린더유압을 나타내는 곡선도,
도 8은 도 7을 구동토오크/속도로 나타낸 곡선도,
도 9는 브레이크페달 답력에 회생제동력이 추가되어진 감속도를 나타내는 곡선이다.
-도면의주요부분에대한부호의설명-
10 - 차량제어기,12 - 인버터,
14 - 모터,16 - 트랜스미션,
18 - 구동축,20 - 구동휠,
22 - 가속페달,24 - 가변저항기,
26 - 브레이크페달,28 - 가변저항기,
30 - 브레이크페달,32 - 마스터백,
34 - 마스터실린더
이하 본 발명의 바람직한 일실시예에 대한 구성 및 작용효과를 예시도면에 의거하여 상세히 설명하면 다음과 같다.
본 발명은 가솔린차량과 전기자동차의 제동력을 각각 검출하는 단계와 상기 단계에서 검출된 가솔린차량과 전기자동차의 각 제동력중 제동감속도를 동일한 값으로 판단하여 회생제동력을 판단하는 단계, 상기 단계에서 판단된 회생제동력을 유압브레이크시스템의 작동시 마스터실린더에 인가되는 유압에 추가로 작용시키도록 하는 단계로 이루어져 있다.
먼저 가솔린 차량의 제동감속도를 검출하는 방법에 대해 설명한다.
가솔린 차량의 제동력 F는 다음 수학식 2와 같이 된다.
[수학식 2]
여기서 WEG는 차량하중, FB는 유압에 의한 브레이크압(Kg/f), μr는 구름저항계수, μaA는 공기저항계수, V는 차속, gRE는 제동감속도를 나타낸다.
상기의 수학식 2를 제동감속도에 대한 수학식으로 표현하면,
[수학식 3]
이 된다.
다음에는 전기자동차의 제동감속도를 검출하는 방법에 대해 설명한다.
전기자동차의 제동력 F는 다음 수학식 4와 같이 표현된다.
[수학식 4]
상기의 수학식 4를 제동감속도에 대한 식으로 표현하면,
[수학식 5]
여기서 WEV는 차량하중, FB는 유압에 의한 브레이크압력, μr 는 구름저항계수, FR은 회생제동력을 나타낸다.
만일 가속페달과 브레이크페달은 밟지 않은 경우라면 APD가 0%, BPD(브레이크페달 깊이)가 0%이므로 유압에 의한 브레이크압력 FB는 0이 된다.
이와 같은 상태에서 전기자동차에서도 가솔린차량과 동일한 감속도를 주기 위해서는 전기자동차의 제동감속도(gEV)가 가솔린차량의 제동감속도(gEG)와 동일하여야 한다(gEV=gEG).
이로부터 회생제동력 FR은 다음의 수학식 6과 같이 된다.
[수학식 6]
이것은 속도에 따른 함수이고, 앞서 설명한 도 4 에서 클리프현상을 구현하기 위한 그래프에서 C점과 연결하면 APD 0%, BPD 0% 일때의 구동, 감속, 회생제동 그래프를 완성할 수 있다(여기서 차속 및 회생제동력은 RPM 및 토오크로 환산하여 나타낼 수 있다).
다음에는 APD 0%이고, BPD가 0% 이상일 경우의 회생제동에 대해 설명한다.
보통 유압브레이크는 도 6에 도시된 바와 같이, 브레이크페달(30)을 밟으면 마스터백(32)에 의해 배력된 압력이 마스터실린더(34)로 전달되어 마스터실린더(34)내의 유압에 의해 전/후륜으로 브레이크압이 전달되므로 유압에 따른 브레이크력은 일정하며, 이때 마스터실린더의 유압 Pm은 다음 수학식 7과 같이 표현된다.
[수학식 7]
여기서, a1과 a2는 전후륜의 고정된 브레이크 하드웨어 특성이고 W는 차량하중, g는 제동감속도를 나타낸다.
그리하여 브레이크페달(30) 깊이(θ)에 따라 회생제동력을 산정하는 것은 마스터백(32)의 종류 및 페달스트로크에 따라 달라지게 된다.
또한 도 1 에 도시된 바와 같이 전기자동차에서 브레이크페달(26)에 가변저항기(28)를 달아 페달깊이에 따른 신호변화가 차량제어기(10)의 A/D변환기를 거쳐 인버터(12)로 보내지고 여기서 모터(14)를 제어하였다(제어구간은 도 5 의 A∼D구간).
그런데 이러한 시스템은 앞서 설명된 유압 브레이크시스템과 합쳐질 경우 많은 문제점이 있다.
그리하여 수학식 7 에서 감속도별로 마스터실린더(34)의 유압을 산출하고, 또한 가솔린 차량에서의 Pm별 g값을 산출한다.
이 두 값을 가지고 같은 제동감속도시에 하중의 증가에 따른 전기자동차의 마스터실린더 유압의 모자란 부분을 회생제동력이 보충하도록 해준다.
가솔린차량의 제동감속도 gEG
[수학식 8]
전기자동차의 제동감속도 gEV
[수학식 9]
[수학식 10]
[수학식 11]
가 된다. 여기서 Pm2는 A점에서의 유압, Pm3는 C점에서의 유압, Pm4는 C점에서 B점의 효과를 내기 위한 회생제동측의 제동력값을 유압으로 환산한 값을 나타낸다
따라서, 전기자동차에서는 브레이크페달(30)을 밟을 때 위와 같이하여 검출한 회생제동력을 추가하여 마스터백(32)을 통해 마스터실린더(34)에 가함으로써 브레이크페달(30)에 가솔린차량에서와 동일한 답력을 가하여도 더 큰 제동력이 마스터실린더(34)를 통해 전륜과 후륜에 가해짐으로써 전기자동차에 탑승하고 있는 사람도 가솔린차량에서와 동일한 감속도를 느낄 수 있는 것이다.
상기한 바와 같이 본 발명은 배터리트레이의 무게에 따라 가솔린차량보다 하중이 더 나가는 전기자동차에서 가솔린차량과 같은 브레이크답력을 가하더라도 회생제동력에 의해 동일한 감속도를 얻도록 함으로써 가솔린차량에 익숙해져 있는 사람도 동일한 감속도를 느끼게 되어 안정된 주행을 할 수 있는 효과가 있다.

Claims (1)

  1. 가솔린차량과 전기자동차의 제동력을 각각 검출하는 단계와 상기 단계에서 검출된 가솔린차량과 전기자동차의 각 제동력중 제동감속도를 동일한 값으로 판단하여 회생제동력을 판단하는 단계, 상기 단계에서 판단된 회생제동력을 유압브레이크시스템의 작동시 마스터실린더에 인가되는 유압에 추가로 작용시키도록 하는 단계가 구비되어 하중이 가솔린차량에 비해 무거운 전기자동차에서도 가솔린차량과 동일한 감속력을 느낄 수 있도록 하는 전기자동차의 회생제동 제어방법.
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