KR100398780B1 - 독립구동형 전기자동차의 추진 제어방법 - Google Patents

Abstract

본 발명에 따른 독립구동형 전기자동차의 추진 제어방법은, 조향각, 요각속도 및 차량 속도를 바탕으로 차량의 좌우 구동바퀴에서의 기준 슬립차를 구하는 단계; 좌우 구동바퀴의 실제 슬립율을 각각 구하고, 그것으로부터 좌우 구동바퀴에서의 실제 슬립차를 구하는 단계; 기준 슬립차와 실제 슬립차로부터 좌우 구동바퀴에서의 차등 토오크 값을 구하는 단계; 차등 토오크 값과 기준 토오크 값을 바탕으로 좌우 구동바퀴의 기준 토오크 분배값을 각각 구하는 단계; 좌우 구동바퀴의 각 기준 토오크 분배값에 토오크 약화 퍼지 규칙을 적용하여 좌우 구동바퀴의 기준 토오크 분배값을 약화시키는 단계; 및 약화된 좌우 구동바퀴의 기준 토오크 분배값을 차량의 좌우 구동바퀴 구동용 전동기의 제어에 각각 반영하는 단계를 포함한다.

이와 같은 본 발명에 의하면, 기계적인 차동기어와 전달 부품이 불필요하고, 직진과 선회 모드에서 차동 기어를 이용하는 경우보다 향상된 주행 특성을 얻을 수 있다. 또한, 전동기의 발생 출력과 차량의 견인력이 선형적인 영역, 즉 안정 영역에서 구동력을 발생하도록 유지시킬 수 있고, 기계적인 토오크 분배장치가 필요없기 때문에 차량을 경량화시킬 수 있는 장점이 있다.

Description

독립구동형 전기자동차의 추진 제어방법{Method for controlling a traction in an independent drive type electric vehicle}

본 발명은 독립구동형 전기자동차의 추진 제어방법에 관한 것으로서, 특히 페달을 통해 들어오는 기준 토오크를 기계적인 차동기어보다 우수한 동특성을 갖도록 개별 전동기에 분배해 줄 수 있고, 노면 조건에 관계없이 과슬립을 억제해 줄 수 있는 독립구동형 전기자동차의 추진 제어방법에 관한 것이다.

전동기를 2대 또는 4대를 이용하여 추진력을 얻는 전기자동차에서, 독립적으로 바퀴를 구동할 수 있기 위해서는 대칭으로 존재하는 2개 또는 4개의 바퀴에서독립적으로 힘을 발생할 수 있는 전동기가 기계적으로 부착되어야 한다. 또한, 운전자의 운전 의지에 따라 가속 페달을 통해 들어오는 1개의 토오크 기준치를 개별 전동기 수에 맞도록 분배해 주는 토오크 분배 기법이 필요하다.

전기자동차에 있어서, 임의의 방법을 사용하여 분배된 좌우 구동 바퀴에서의 토오크 값도 슬립이 일정 범위를 벗어나면, 진행방향으로의 마찰계수와 횡방향으로의 마찰계수가 떨어지기 때문에, 전동기의 기준 토오크 값을 더 크게 하여도 바퀴에 전달되는 구동력은 작게 하였을 때보다 전달되는 비율이 떨어지는 불안전 특성을 갖게 된다. 따라서, 일정 슬립 기준을 넘게 되면 슬립에 따라 토오크를 약화시킴으로써 마찰 계수를 확보해 주는 것이 필요하다. 이를 위해 종래에는 도 1에 도시된 바와 같이, 일정 슬립(보통 0.1∼0.15)을 결정해 놓고 노면 조건에 관계없이 일정 범위보다 슬립이 크게 되면 토오크를 약화시키는 방법을 사용해 왔다.

그런데, 전기자동차의 토오크 제어에 있어서, 노면 조건에 따라 종방향의 마찰력과 횡방향의 마찰력의 최대치가 다르고, 떨어지는 기울기도 각각 다르며, 동일 노면 조건에서도 바퀴의 슬립각에 따라 마찰계수가 달라지는 특성이 있는 바, 따라서, 상기 종래의 방식과 같이 어떤 고정된 값과 기준을 정해 놓고, 그에 따라 토오크를 약화시키는 방식은 토오크를 정밀하게 제어할 수 없는 문제점이 있다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 감안하여 창출된 것으로서, 기준 토오크를 기계적인 차동기어보다 우수한 동특성을 갖도록 개별 전동기에 분배해 줄 수 있고, 노면 조건에 관계없이 과슬립을 억제해 줄 수 있는 독립구동형 전기자동차의 추진제어방법을 제공함에 그 목적이 있다.

도 1은 종래 전기자동차에서의 불안정 영역에서 토오크를 약화시키는 방법을 설명하는 도면.

도 2는 본 발명에 따른 전기자동차의 추진 제어방법의 구현을 위해 채용되는 추진 제어 알고리즘의 개략적인 구성도.

도 3은 본 발명에 따른 전기자동차의 추진 제어방법에 채용되는 퍼지제어기에 의한 토오크 약화 제어에 적용되는 슬립에 대한 멤버쉽 함수를 나타낸 도면.

도 4는 본 발명에 따른 전기자동차의 추진 제어방법에 채용되는 퍼지제어기에 의한 토오크 약화 제어에 적용되는 슬립 미분치에 대한 멤버쉽 함수를 나타낸 도면.

도 5는 본 발명에 따른 전기자동차의 추진 제어방법에 채용되는 퍼지제어기에 의한 토오크 약화 제어에 적용되는 출력에 대한 멤버쉽 함수를 나타낸 도면.

도 6은 본 발명에 따른 전기자동차의 추진 제어방법에 채용되는 퍼지 제어기를 이용한 토오크 약화 제어기 및 토오크 분배 제어기를 포함하는 추진 제어기를 개략적으로 도식화한 도면.

도 7a는 본 발명에 따른 전기자동차의 추진 제어방법과 관련하여 조향각 2°인가 조건시의 구심가속도, 요각속도 및 미끌림각 특성을 각각 보여주는 도면.

도 7b는 계단파 조향각 2°인가시의 토오크 분배방식에 따른 종래방식, 균등분배방식 및 차등분배방식에서의 선회궤적을 각각 보여주는 도면.

도 8a 내지 도 8g는 본 발명에 따른 전기자동차의 추진 제어방법에 채용되는 퍼지제어기를 이용한 토오크 제동 모드에서의 여러 가지 동특성을 보여주는 도면.

도 9a 내지 도 9c는 전동기 2대로 구동되는 독립구동형 전기자동차에 추진제어 방법을 각각 적용하였을 때, 주행모드에서 발생되는 좌우바퀴에서의 슬립특성을 각각 보여주는 도면.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

201...전기자동차 모델부 202...추진 제어기부

M1,M2...전동기

상기의 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 독립구동형 전기자동차의 추진 제어방법은,

조향각, 요각속도 및 차량 속도를 바탕으로 차량의 좌우 구동바퀴에서의 기준 슬립차를 구하는 단계;

상기 좌우 구동바퀴의 실제 슬립율을 각각 구하고, 그것으로부터 좌우 구동바퀴에서의 실제 슬립차를 구하는 단계;

상기 기준 슬립차와 실제 슬립차로부터 좌우 구동바퀴에서의 차등 토오크 값을 구하는 단계;

상기 차등 토오크 값과 기준 토오크 값을 바탕으로 좌우 구동바퀴의 기준 토오크 분배값을 각각 구하는 단계;

상기 좌우 구동바퀴의 각 기준 토오크 분배값에 토오크 약화 퍼지 규칙을 적용하여 좌우 구동바퀴의 기준 토오크 분배값을 약화시키는 단계; 및

상기 약화된 좌우 구동바퀴의 기준 토오크 분배값을 차량의 좌우 구동바퀴 구동용 전동기의 제어에 각각 반영하는 단계를 포함하는 점에 그 특징이 있다.

이와 같은 본 발명에 의하면, 차등 토오크 분배 및 퍼지 제어에 의해 원하는 토오크 기준치를 설정하면, 전기자동차에 설치되어 있는 전동기 수에 맞추어 2개(또는 4개)의 토오크 기준치로 분배해 주고, 바퀴에서의 슬립을 제어하게 되며, 이에 따라, 기계적인 차동기어와 전달 부품이 필요없고, 직진과 선회 모드에서 차동기어를 이용하는 경우보다 향상된 주행 특성을 얻을 수 있다.

이하 첨부된 도면을 참조하면서 본 발명의 실시예를 상세히 설명한다.

도 2는 본 발명에 따른 독립구동형 전기자동차의 추진 제어방법의 구현을 위해 채용되는 추진 제어 알고리즘의 개략적인 구성도이다.

도 2를 참조하면, 본 발명에 채용되는 추진 제어 알고리즘은 2대의 전동기로 구동되는 전기자동차 또는 전기자동차 모델부(201)에 연결되어 추진제어를 수행하는 추진 제어기부(202)로 구성된다. 추진 제어 알고리즘을 이용하여 본 발명에 따른 독립구동형 전기자동차의 추진 제어방법에 대해 설명하면 다음과 같다.

본 발명에 따른 독립구동형 전기자동차의 추진 제어방법에 따라, 먼저 기준 조향각(), 기준 요각속도() 및 차량 속도(V)를 바탕으로 차량의 좌우 구동바퀴에서의 기준 슬립차()를 구하게 된다.

그런 후, 상기 좌우 구동바퀴의 실제 슬립율()을 각각 구하고, 그것으로부터 좌우 구동바퀴에서의 실제 슬립차()를 구하게 된다. 그리고, 그 실제 슬립차()와 상기 기준 슬립차()로부터 좌우 구동바퀴에서의 차등 토오크 값 ()을 구한다. 그런 후, 구해진 차등 토오크 값()과 미리 주어진 기준 토오크 값()을 바탕으로 좌우 구동바퀴의 기준 토오크 분배값()을 각각 구한다. 여기서, 이상과 같은 좌우 구동바퀴의 기준 토오크 분배값()을 구하기까지의 과정에 대한 이론적인 배경에 대해 살펴보기로 한다.

전기자동차를 직진으로 운전할 때는 좌우 대칭으로 붙어 있는 좌우 구동바퀴구동용 전동기(M1,M2)에 토오크 기준치()를 동일하게 분배해 줌으로써, 직진 운동을 유지할 수 있다.

한편, 선회주행 모드에서 본 발명에서 추구하는 좌우 구동바퀴의 기준 토오크 분배 방식을 유도하기 위하여, 선회모드에서 발생하는 요잉(yawing) 모멘트(M_z) 성분을 살펴보면 다음의 수학식 1과 같다.

여기서,,를 각각 나타낸다.

상기 수학식 1에서, 미끌림각, 롤링각, 그리고 롤링 각속도 P의 영향은 작기 때문에 상기 수학식 1은 다음의 수학식 2 및 수학식 3과 같이 근사화될 수 있다.

그런데, 타이어의 선형 영역 내에서 추정 요각 속도는 다음의 수학식 4와같이 추정될 수 있음이 알려져 있다.

여기서, L은 앞차축과 뒷차축 사이의 거리,는 조향각, V는 차량속도를 각각 나타낸다.

상기 수학식 4를 수학식 3에 대입함으로써, 다음과 같이 요잉 모멘트 발생 수식을 변형하여 얻을 수 있다.

한편, 요잉 모멘트는 다음의 수학식 6과 같이 좌우 구동바퀴에서의 구동력 차이에 비례하는 관계를 가진다.

여기서, d_W는 차폭 길이, F_XL, F_XR은 좌우바퀴에서의 구동력을 각각 나타낸다.

따라서, 상기 수학식 5와 수학식 6으로부터 다음의 수학식 7과 같은 관계가 성립한다는 것을 알 수 있다.

또한, 좌우 바퀴에 공급하는 힘과 토오크, 이로써 발생되는 슬립 사이에는 다음의 수학식 8과 같은 관계가 있다.

따라서, 상기 힘, 토오크, 슬립은 다음의 수학식 9와 같은 여러 함수 형태로 표현할 수 있다.

여기서, K_a, K_b, K_c는 상수이다.

그런데, 여기서 힘이나 토오크를 측정하는 것보다 속도를 측정하는 편이 용이하므로, 슬립 차이에 대한 관계식을 이용하여 다음의 수학식 10과 같이 슬립 오차를 조절하도록 선정한다.

직진 주행 구간, 즉 요각속도가 0(zero)이 되는 구간에는 좌우에서의 기준 토오크값이 같아야 하므로, 상기 수학식 10을 직접 이용할 수는 없고, 좌우 구동바퀴에서의 실제 슬립차는 다음의 수학식 11과 같이 측정할 수 있으므로,

토오크 분배량, 즉 좌우 구동바퀴에서의 차등 토오크 값(T_c)은 슬립 기준치(목표치)와 실제 슬립 값과의 오차에 간단한 비례제어기를 적용하여 다음의 수학식 12와 같이 설정한다.

이상을 종합하면 다음과 같은 좌우 구동바퀴의 기준 토오크 차등 분배 기법을 얻을 수 있다.

여기서,가 (+)값을 가지면 시계방향의를,가 (-)값을 가지면 반시계 방향의를 각각 나타낸다.

따라서, 좌우 구동 전동기에서 갖는 기준 토오크값의 차이는 다음의 수학식 14와 같이 표현된다. k₂가 1인 경우를 고려하면, 기준 토오크값의 차이는 기준 슬립차와 실제 슬립차에 의해서 결정됨을 알 수 있고, k₁과 k₂를 이용하여 조절할 수 있음을 알 수 있다.

이렇게 하여, 좌우 구동바퀴의 기준 토오크 차등 분배값()이 구해지면, 그 좌우 구동바퀴의 기준 토오크 차등분배값()에 토오크 약화 퍼지 (fuzzy) 규칙을 적용하여 좌우 구동바퀴의 기준 토오크 차등분배값()을 약화시킨다. 그리고, 그 약화된 좌우 구동바퀴의 기준 토오크 차등 분배값을 차량의 좌우 구동바퀴 구동용 전동기의 제어에 각각 반영한다. 여기서, 상기 기준 토오크 차등분배값()을 약화시키는 이유는 노면 조건에 상관없이 과슬립을 억제하기 위한 것이다.

즉, 슬립과 슬립의 미분치에 근거하여 토오크의 약화 정도를 결정하도록 퍼지 제어기(알고리즘)를 이용하여 토오크 약화 제어를 수행하는 것이다. 여기서, 퍼지화기로는 삼각형법을 사용하며, 슬립에 대한 멤버쉽 함수는 도 3에 도시된 바와 같고, 슬립 미분치에 대한 멤버쉽 함수는 도 4에 도시된 바와 같다. 그리고, 출력변수인 약화계수 k에 대한 멤버쉽 함수는 도 5에 도시된 바와 같다.

추진 제어 알고리즘에 적용되는 퍼지 제어 규칙은 다음의 표 1에서와 같이 모두 12개의 규칙으로 구성된다.

	PB	PS	Z	N
P	Z	Z	M	Z
Z	Z	S	VB	S
N	S	M	B	Z

상기 도 3 내지 도 5 및 표 1에서,는 슬립,는 슬립미분치, PB:Positive Big, PS:Positive Small, P:Positive, N:Negative, Z:Zero, M:Medium, VB:Very Big, S:Small을 각각 나타낸다.

이상과 같은 퍼지 제어기를 이용한 토오크 약화 제어기와 상기 토오크 분배 제어기를 포함하는 추진 제어기를 도식화하면 도 6에 도시된 바와 같다.

한편, 도 7a 및 도 7b는 상기 추진 제어기의 동특성을 분석하기 위하여 전기자동차를 시속 100km/h로 유지하면서 조향각을 2°(계단파 입력)로 인가했을 때, 각 방식에 따른 선회궤적을 시뮬레이션을 통해 얻은 결과를 보여주는 도면들이다.

도 7a와 같은 실험조건(100km/h 정속, 조향각 2°인가)에 대해 도 7b에서와 같이, 종래의 기계적인 차동기어 방식에 의한 선회반경은 156m, 균등분배방식(좌우 구동바퀴 균등 토오크 분배방식)에서의 선회반경은 118m, 좌우 구동바퀴 차등 토크 분배방식에서의 선회반경은 100m를 각각 보이고 있다. 이상으로부터 좌우 구동바퀴차등 토크 분배방식이 차선 변경모드나 선회주행 시 빠른 조종성과 속응성을 가짐을 알 수 있다.

또한, 구동바퀴와 피구동바퀴 사이의 슬립비를 15% 이상으로 하고, 구동 바퀴와 피구동 바퀴의 노면 상태를 각각 달리하면서 요각속도의 동특성을 실험한 결과, 도 8a에 도시된 바와 같이, 퍼지제어기를 사용한 경우의 요각속도값이 종래의 제어기를 사용한 경우의 요각속도값보다 작은 값으로 수렴하는 것을 알 수 있다. 이는 동특성이 그만큼 향상되었음을 의미한다.

또한, 도 8b에서와 같이 측면 미끌림각은 진동이 현저하게 줄어들고, 정착시간이 빠르게 동특성이 향상되었음을 알 수 있다. 그리고, 도 8c에 도시된 바와 같이, 속도 특성은 기존의 제어방식보다 수렴 특성이 개선되었고, 리플이 감소했음을 알 수 있다. 또한, 도 8d에서와 같이, 과슬립이 발생되는 영역에서의 토오크 제동시, 토오크 분배-퍼지 제어 방식이 기존의 방식에 비해 토오크가 크게 약화된 상태로 운전되고 있음을 알 수 있다. 그리고, 도 8e에 도시된 바와 같이, 과슬립이 발생되는 영역에서, 좌측 구동바퀴에서의 슬립을 보면 토오크 분배-퍼지 제어 방식이 기존의 방식에 비해 슬립이 현저하게 줄어들었음을 알 수 있다. 또한, 도 8f 및 도 8g에 도시된 바와 같이, 과슬립 구간에 있어서 토오크 약화 제어기에 의해 좌우측 구동바퀴에서의 기준 토오크가 약화되고 있음을 알 수 있다.

한편, 도 9a 내지 도 9c는 전동기 2대로 구동되는 독립구동형 전기자동차에 추진제어 방법을 각각 적용하였을 때, 주행모드에서 발생되는 좌우바퀴에서의 슬립을 실험에 의해 얻은 결과를 보여주는 도면들이다.

주행 방식은 콘크리트 노면에 대해 운전자의 왼쪽으로 90°를 선회한 후, 직진으로 주행하도록 한 "ㄱ"자 형태의 도로에서 실행되었다. 도 9a에 도시된 바와 같이, 추진 제어기가 없는 경우(균등토오크 분배방식)에서는 왼쪽으로 선회하는 구간에서 약 20%의 슬립을 보였다. 그리고, 도 9b에 도시된 바와 같이, 차등토오크-균일패턴 제동방식에서는 약 12%의 슬립을 보였다. 이에 비해, 도 9c에 도시된 바와 같이, 차등토오크-퍼지제동방식에서는 선회구간에서 토오크가 분배되고, 슬립이 억제됨으로써 최대 슬립이 약 7% 정도로 낮게 발생하였다. 이로부터 본 발명에 따른 차등 토오크-퍼지제어 방식이 노면의 조건이 달라지면 발생되는 최대 슬립도 다르게 나타나게 되겠지만, 동일한 주행모드에서는 현저하게 낮은 슬립율을 유지함을알 수 있다.

이상의 설명에서와 같이 본 발명에 따른 독립구동형 전기자동차의 추진 제어방법은 차등 토오크 분배 및 퍼지 제어기법을 사용하므로, 운전자가 원하는 가/감속 패턴에 따라 1개의 페달을 이용하여 원하는 토오크 기준치를 설정하면, 전기자동차에 설치되어 있는 전동기 수에 맞추어 2개(또는 4개)의 토오크 기준치로 분배해 주고, 바퀴에서의 슬립을 제어하게 되며, 이에 따라, 기계적인 차동기어와 전달 부품이 불필요하고, 직진과 선회 모드에서 차동 기어를 이용하는 경우보다 향상된 주행 특성을 얻을 수 있다. 또한, 전동기의 발생 출력과 차량의 견인력이 선형적인 영역, 즉 안정 영역에서 구동력을 발생하도록 유지시킬 수 있고, 기계적인 토오크 분배장치가 필요없기 때문에 차량을 경량화시킬 수 있는 장점이 있다.

Claims (4)

1. (a) 조향각, 요각속도 및 차량 속도를 바탕으로 차량의 좌우 구동바퀴에서의 기준 슬립차를 구하는 단계;

   (b) 상기 좌우 구동바퀴의 실제 슬립율을 각각 구하고, 그것으로부터 좌우 구동바퀴에서의 실제 슬립차를 구하는 단계;

   (c) 상기 기준 슬립차와 실제 슬립차로부터 좌우 구동바퀴에서의 차등 토오크 값을 구하는 단계;

   (d) 상기 차등 토오크 값과 기준 토오크 값을 바탕으로 좌우 구동바퀴의 기준 토오크 분배값을 각각 구하는 단계;

   (e) 상기 좌우 구동바퀴의 각 기준 토오크 분배값에 토오크 약화 퍼지 규칙을 적용하여 좌우 구동바퀴의 기준 토오크 분배값을 약화시키는 단계; 및

   (f) 상기 약화된 좌우 구동바퀴의 기준 토오크 분배값을 차량의 좌우 구동바퀴 구동용 전동기의 제어에 각각 반영하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 독립구동형 전기자동차의 추진 제어방법.
2. 제 1항에 있어서,

   상기 단계 (c)에서 좌우 구동바퀴에서의 차등 토오크 값은,

   (여기서,는 좌우 구동바퀴에서의 차등 토오크 값,는 비례상수,는 좌우 구동바퀴의 기준 슬립차,는 좌우 구동바퀴의 실제 슬립차를 각각 나타냄)

   의 수식 관계에 의해 구하는 것을 특징으로 하는 독립구동형 전기자동차의 추진 제어방법.
3. 제 1항에 있어서,

   상기 단계 (d)에서의 좌우 구동바퀴의 기준 토오크 분배값은,

   (여기서,은 기준 토오크값,은 좌측 구동바퀴 기준 토오크 분배값,은 우측 구동바퀴 기준 토오크 분배값,는 좌우 구동바퀴에서의 차등 토오크 값,은 시계방향 또는 반시계 방향의 조향각을 각각 나타냄)

   의 수식 관계에 의해 구하는 것을 특징으로 하는 독립구동형 전기자동차의 추진 제어방법.
4. 제 1항에 있어서,

   상기 단계 (e)에서의 토오크 약화 퍼지 규칙은,

   <표 1>

   PB PS Z N P Z Z M Z Z Z S VB S N S M B Z

   (여기서,는 슬립,는 슬립미분치, PB:Positive Big, PS:Positive Small, P:Positive, N:Negative, Z:Zero, M:Medium, VB:Very Big, S:Small을 각각 나타냄)

   위의 표 1과 같은 12개의 규칙으로 구성된 것을 특징으로 하는 독립구동형 전기자동차의 추진 제어방법.