KR101250322B1 - 인휠 모터를 이용한 차량의 보조 동력 공급 장치 및 그 제어 방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 차량의 연비를 개선시키기 위하여 인휠 모터를 이용하여 차량의 보조 동력을 공급하기 위한 차량의 보조 동력 공급 장치 및 그 제어 방법을 제공한다. 인휠 모터는 차량의 종동축의 어느 하나의 휠 내부에 장착되어, 공급되는 전력에 따라 상기 휠에 회전력을 공급한다. 보조 배터리는 충방전이 가능하며 상기 인휠 모터에 전력을 공급한다. 스위치 수단은 상기 인휠 모터의 강제 ON 모드 또는 강제 OFF 모드를 운전자의 조작에 의해 선택한다. 제어장치는 상기 스위치 수단에 의해 선택되는 강제 ON 모드 또는 강제 OFF 모드에 따라, 상기 인휠 모터를 구동시키거나 상기 인휠 모터의 구동을 정지시키도록 제어하고, 상기 스위치 수단에 의해 강제 ON 모드 및 강제 OFF 모드의 어느 것도 선택되지 않으면, 차량의 속도, 엔진 rpm(revolution per minute), 브레이크 상태, 악셀 상태, 엔진 토크량, 클러치 상태 정보를 입력받아 차량의 운행 조건을 자동으로 판단하고, 상기 판단된 차량의 운행 조건에 따라 상기 인휠 모터를 모터 모드 또는 발전 모드로 구동하거나, 상기 보조 배터리의 충전을 제어한다. 상기 인휠 모터가 구동될 때, 상기 제어장치는 구동축의 조향값이 임계값보다 작을 경우에만 상기 전자 클러치가 상기 인휠 모터의 회전축과 상기 종동축을 연결하도록 제어한다.
Description
본 발명은 인휠 모터를 이용한 차량의 보조 동력 공급 장치 및 그 제어 방법에 관한 것으로, 더욱 구체적으로, 도로의 지형적 특성에 따라 차량의 내연기관 또는 전기 모터 등과 같은 주 동력 공급 장치에 대해 보조적으로 동력을 공급하거나, 회생 제동에 의해 보조 배터리를 충전시키기 위한 인휠 모터를 이용한 차량의 보조 동력 공급 장치 및 그 제어 방법에 관한 것이다.
특히, 본 발명은 내연 기관을 갖는 차량의 종동축 차륜의 어느 하나의 휠에 장착된 인휠 모터를 이용하여 차량의 보조 동력을 공급하거나 회생 제동에 의해 보조 배터리를 충전시킴으로써 인휠 모터의 개수를 최소화하면서도 차량의 연비를 개선시킬 수 있는 인휠 모터를 이용한 차량의 보조 동력 공급 장치 및 그 제어 방법에 관한 것이다.
화석 연료의 희소성으로 인한 가격 상승과 함께, 화석 연료를 사용하는 차량의 배기 가스로 인한 대기 오염 및 온실 가스의 배출 문제가 점점 심각해지고 있다. 이에 따라, 차량의 연비를 높이고 그 배기 가스를 감소시키기 위하여, 차량 업체뿐만 아니라 관련된 다양한 산업 분야에서 이 문제를 해결하기 위한 노력이 행해지고 있다.
예를 들어, 화석 연료에 의해 작동되는 내연 기관을 주 동력 공급 장치로서 이용하고 전기 모터를 보조 동력 공급 장치로서 이용하는 하이브리드 차량(hybrid vehicle)와, 충전식 배터리에 의해 구동되는 전기 모터에 의해 동력을 제공하는 전기 차량와, 화학 반응을 이용하는 연료 전지를 통해 구동되는 전기 모터에 의해 동력을 제공하는 연료전지 차량 등이 개발 및 실용화되고 있다.
이러한 기술적 배경 하에서, 엔진의 효율을 높임과 동시에 실용화가 가능할 정도로 차량의 가격을 낮추는 것이 중요한 개발 목표가 되고 있다. 전기 모터에 의해서만 동력을 제공하는 전기 차량 및 연료전지 차량은 상대적으로 고가의 배터리 및 전기 모터를 필요로 하므로, 아직까지는 실용화하기에는 한계를 가지고 있다. 이에 따라, 내연 기관을 주 동력 공급 장치로서 이용하고 전기 모터를 보조 동력 공급 장치로서 이용하여 연비 즉, 단위 연료당 주행거리를 증가시키는 하이브리드 차량에 대한 기술 개발이 진행되고 있다.
이와 같이 보조 동력 공급 장치로서 전기 모터를 이용하는 경우, 전기 모터와 차량의 구동축을 연결하여 보조 동력을 차축에 전달하기 위한 변속기, 클러치 및 유성 기어 기구 등과 같은 복잡한 동력 전달 기구가 전기 모터에 대해서도 추가로 구비되어야 한다. 즉, 내연 기관을 위한 동력 전달 기구에 부가하여, 전기 모터를 위한 동력 전달 기구가 추가로 필요하므로, 차량의 파워트레인(power train)의 무게 및 부피가 증가할 뿐만 아니라 궁극적으로 차량의 생산 단가가 증가한다.
최근에는, 차량의 보조 동력 공급 장치로서 전기 모터를 이용할 경우의 상기 설명된 문제점들을 해결하기 위하여, 이와 같은 전기 모터 대신에 차륜의 휠에 직접 장착되어 별도의 동력 전달 기구를 이용하지 않고도 휠에 직접 동력을 공급할 수 있는 인휠 모터(in-wheel motor)가 개발되고 있다.
인휠 모터를 이용하는 종래 기술로서, 대한민국 특허출원공개 제10-2009-0062321호(공개일 : 2009년 6월 17일)에는 "인휠 드라이브 전기차량의 독립구동 주행시스템과 그 제어방법"(이하, "종래 기술 1"이라 한다)과, 대한민국 특허출원공개 제10-2006-0087412호(공개일 : 2006년 8월 2일)에는 "하이브리드 차량"(이하, 종래 기술 2"라고 한다) 등이 공개되어 있다.
종래 기술 1은 인휠 모터를 4개의 차륜에 각각 장착하여 인휠 모터를 주 동력 공급 장치로서 이용하는 것에 대해 개시하고 있으며, 종래 기술 2는 인휠 모터를 4개의 차륜에 각각 장착하여 인휠 모터를 보조 동력 공급 장치로서 이용하는 것에 대해 개시하고 있다.
종래 기술 1은 인휠 모터를 주 동력 공급 장치로서 이용하므로, 고출력 및 고가의 인휠 모터를 필요로 할 뿐만 아니라, 인휠 모터만으로 동력 장치를 구성하여 독립구동 주행을 제어하여야 하므로 그 제어 동작이 복잡하다는 문제점을 가지고 있다.
종래 기술 2는 인휠 모터를 보조 동력 공급 장치로서 이용하므로, 고출력의 인휠 모터를 필요로 하지는 않는다. 그러나, 종래 기술 2는 인휠 모터를 보조 동력 공급 장치로서 이용하기 위한 구체적인 제어 동작에 대해 설명하고 있지 않다. 또한, 종래 기술 2는 최소한 전륜 또는 후륜의 2개 또는 4개의 휠에 인휠 모터를 장착해야 하므로, 2개 이상의 인휠 모터를 필요로 한다.
이러한 종래의 기술적 배경 하에서는, 내연 기관 또는 전기 모터를 주 동력 공급 장치로서 이용하는 차량의 연비를 개선시키기 위하여, 비용의 증가를 최소화하면서 전기 모터에 의한 보조 동력을 공급하는 기술이 요구되고 있다.
본 발명은 위와 같이 설명된 종래의 기술적 과제를 해결하기 위한 것으로서, 차량의 연비를 개선시키기 위하여 인휠 모터를 이용하여 차량의 보조 동력을 공급하기 위한 차량의 보조 동력 공급 장치 및 그 제어 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
더욱 구체적으로, 본 발명은 차량의 내연 기관 또는 전기 모터에 의한 주 동력 공급 장치에 부가적으로, 차량의 종동축의 좌측 차륜에 장착된 하나의 인휠 모터를 포함하고, 차량에서 낮은 출력이 요구되는 운행 조건 하에서는 인휠 모터가 주 동력 공급 장치에 대해 보조적으로 동력을 공급하도록 제어하는 한편, 차량이 제동에 의해 정차되거나 긴 내리막길에서 제동에 의해 저속 주행이 요구되는 운행 조건 하에서는 인휠 모터의 회생 제동에 의해 보조 배터리를 충전시키도록 제어함으로써, 차량의 연비를 개선시킬 수 있는 것을 또 다른 목적으로 한다.
또한, 본 발명은 차량의 종동축에 전자 제어되는 전자 클러치를 설치하고 구동축의 조향 정도에 따라 인휠 모터의 동력을 종동축에 전달하도록 구성함으로써, 종동축의 모든 차륜에 인휠 모터를 설치하지 않고도 인휠 모터의 동력을 종독축에 전달할 수 있고, 궁극적으로, 차량에 적용되는 인휠 모터의 개수를 최소화할 수 있는 것을 또 다른 목적으로 한다.
본 발명의 일 특징에 따르면, 인휠 모터(In-wheel motor)를 이용한 차량의 보조 동력 공급 장치가 제공되고, 상기 차량의 보조 동력 공급 장치는, 차량의 종동축의 어느 하나의 휠 내부에 장착되어, 공급되는 전력에 따라 상기 휠에 회전력을 공급하는 인휠 모터; 충방전이 가능하며 상기 인휠 모터에 전력을 공급하기 위한 보조 배터리; 상기 인휠 모터의 강제 ON 모드 또는 강제 OFF 모드를 운전자의 조작에 의해 선택하기 위한 스위치 수단; 상기 스위치 수단에 의해 선택되는 강제 ON 모드 또는 강제 OFF 모드에 따라, 상기 인휠 모터를 구동시키거나 상기 인휠 모터의 구동을 정지시키도록 제어하고, 상기 스위치 수단에 의해 강제 ON 모드 및 강제 OFF 모드의 어느 것도 선택되지 않으면, 차량의 속도, 엔진 rpm(revolution per minute), 브레이크 상태, 악셀 상태, 엔진 토크량, 클러치 상태 정보를 입력받아 차량의 운행 조건을 자동으로 판단하고, 상기 판단된 차량의 운행 조건에 따라 상기 인휠 모터를 모터 모드 또는 발전 모드로 구동하거나, 상기 보조 배터리의 충전을 제어하는 제어장치; 상기 제어장치가 상기 인휠 모터를 구동할 때, 상기 보조 배터리로부터의 전력을 상기 제어장치를 통해 공급받고, 상기 제어장치의 제어에 의해 상기 인휠 모터를 구동하기 위한 전류를 생성하여 상기 인휠 모터에 출력하는 인버터; 및 상기 제어장치의 제어 동작에 따라 상기 인휠 모터의 회전축과 종동축을 연결하거나 그 연결 상태를 해제시키는 전자 클러치를 포함하고, 상기 인휠 모터가 구동될 때, 상기 제어장치는 구동축의 조향값이 임계값보다 작을 경우에만 상기 전자 클러치가 상기 인휠 모터의 회전축과 상기 종동축을 연결하도록 제어한다.
바람직하게는, 상기 차량이 전륜 구동 방식을 따르는 경우, 상기 인휠 모터는 상기 차량의 좌측 후륜 휠의 내부에 장착된다.
바람직하게는, 상기 제어장치는 상기 차량의 전륜 휠에 장착된 속도 센서에 의해 검출되는 차량의 속도, 엔진 rpm 센서에 의해 검출되는 엔진 rpm, 브레이크 스위치에 의해 검출되는 브레이크 상태, 악셀 스위치에 의해 검출되는 악셀 상태, 및 조향각 센서 정보를 입력받는다.
바람직하게는, 상기 제어장치는 차량의 속도, 브레이크 상태, 및 악셀 상태 정보로부터, 차량이 평지 주행 중에 상기 인휠 모터의 구동을 필요로 하는지를 판단하고, 상기 인휠 모터의 구동이 필요한 경우, 상기 인휠 모터를 모터 모드로 구동한다.
바람직하게는, 상기 제어장치는, 차량의 속도가 일정하고, 브레이크가 OFF 상태이고, 악셀이 OFF 상태인 경우, 상기 차량이 평지나 완만한 내리막길 주행 중에 인휠 모터의 구동을 필요로 한다고 판단한다.
바람직하게는, 상기 제어장치는, 차량의 속도가 감소하는 상태이고, 브레이크가 ON 상태인지를 판단함으로써, 차량이 제동 중일 때 상기 인휠 모터의 회생 제동이 필요한 것인지를 판단한다.
바람직하게는, 상기 차량이 회생 제동이 필요한 것으로 판단되면, 상기 제어장치는 상기 차량의 속도가 0이 될 때까지 상기 인휠 모터를 발전 모드로 구동한다.
바람직하게는, 상기 제어장치는, 차량의 속도가 0이고, 엔진 rpm이 아이들 상태이고, 브레이크가 ON 상태이고, 악셀이 OFF 상태인지를 판단함으로써, 차량이 주차 또는 정차중인 상태에서 상기 보조 배터리의 충전이 필요한 것인지를 판단한다.
바람직하게는, 상기 차량의 보조 동력 공급 장치는, 상기 인버터가 상기 인휠 모터에 접속되도록 동작하거나 상기 인버터가 차량의 엔진의 출력에 의해 작동되는 발전기에 접속되도록 동작하는 스위치를 더 포함하고, 상기 차량이 주차 또는 정차중인 상태에서 상기 보조 배터리의 충전이 필요하다고 판단되면, 상기 제어장치는 상기 인버터가 상기 발전기에 접속되도록 상기 스위치를 제어하고 상기 발전기의 전력에 의해 상기 보조 배터리가 충전되도록 제어한다.
바람직하게는, 상기 제어장치는, 차량의 속도가 일정하거나 증가하는 중이고, 브레이크가 OFF 상태이고, 악셀이 ON 상태인지를 판단함으로써, 상기 보조 배터리의 충전이 필요한 것인지를 판단한다.
바람직하게는, 상기 보조 배터리의 충전이 필요하다고 판단되면, 상기 제어장치는 상기 인버터가 상기 발전기에 접속되도록 상기 스위치를 제어하고 상기 발전기의 전력에 의해 상기 보조 배터리가 충전되도록 제어한다.
본 발명의 다른 특징에 따르면, 스위치, 보조 배터리, 인버터 및 제어장치에 의해, 차량의 종동축의 어느 하나의 휠 내부에 장착된 인휠 모터를 구동하여, 주 동력 공급 장치에 대해 보조적으로 동력을 공급하도록 구성된 차량의 보조 동력 공급 장치의 제어 방법이 제공되고, 상기 차량의 보조 동력 공급 장치의 제어 방법은, (a) 상기 스위치의 상태에 따라 인휠 모터의 강제 ON 모드, 강제 OFF 모드, 또는 자동 모드를 판단하는 단계; (b) 상기 인휠 모터의 강제 OFF 모드인 경우, 상기 제어장치는 인휠 모터의 구동을 정지하고 보조배터리의 충전을 정지시키는 단계; (c) 상기 인휠 모터의 강제 ON 모드인 경우, 상기 제어장치는 전자 클러치에 의해 상기 인휠 모터의 회전축과 상기 종동축을 연결하도록 제어하는 단계; (d) 상기 제어장치는 차량의 속도, 엔진 rpm, 브레이크 상태, 악셀 상태, 및 조향각 정보를 입력받는 단계; 및 (e) 상기 제어장치는 차량의 속도, 엔진 rpm(revolution per minute), 브레이크 상태, 악셀 상태, 엔진 토크량, 클러치 상태 정보를 입력받아 차량의 운행 조건을 자동으로 판단하고, 상기 판단된 차량의 운행 조건에 따라 상기 인휠 모터를 모터 모드 또는 발전 모드로 구동하거나, 상기 보조 배터리의 충전을 제어하는 단계를 포함한다.
바람직하게는, 상기 (e) 단계는, 상기 제어장치가 상기 차량의 속도가 일정하고, 브레이크가 OFF 상태이고, 악셀이 OFF 상태인지를 판단하고, 이 조건들이 만족될 경우에 상기 인휠 모터를 모터 모드로 구동하는 단계; 상기 제어장치가 상기 차량의 속도가 감소하는 상태이고, 브레이크가 ON 상태인지를 판단하고, 이 조건들이 만족될 경우에 상기 차량의 속도가 0이 될 때까지 상기 인휠 모터를 발전 모드로 구동하는 단계; 상기 제어장치가 상기 차량의 속도가 0이고, 브레이크가 ON 상태이고, 엔진 rpm이 아이들 상태이고, 악셀이 OFF인지를 판단하고, 이 조건들이 만족될 경우에 차량의 엔진에 결합된 발전기의 전력에 의해 상기 보조 배터리가 충전되도록 제어하는 단계; 및 상기 제어장치가 상기 차량의 속도가 일정하거나 증가하는 중이고, 브레이크가 OFF 상태이고, 악셀이 ON 상태에 있는지를 판단하고, 이 조건들이 만족될 경우에 차량의 엔진에 결합된 발전기의 전력에 의해 상기 보조 배터리가 충전되도록 제어하는 단계를 포함한다.
바람직하게는, 상기 인휠 모터를 모터 모드로 구동하는 단계는, 상기 제어장치가 구동축의 조향값이 임계값보다 작은지를 비교하는 단계; 상기 구동축의 조향값이 임계값보다 작으면, 상기 제어장치는 전자 클러치를 연결 상태로 구동하여 상기 인휠 모터의 동력을 종동축에 전달하고, 상기 구동축의 조향값이 임계값보다 크면, 상기 제어장치는 전자 클러치를 연결해제 상태로 구동하여 상기 인휠 모터의 동력을 종동축에 전달하지 않도록 제어하는 단계; 및 상기 전자 클러치가 연결 상태로 구동되면, 상기 제어장치는 상기 인휠 모터의 회전수가 차량의 직전 주행속도와 동일해질 때까지 상기 인휠 모터의 속도를 계속 증가하도록 제어하는 단계를 포함한다.
본 발명에 따른 차량의 보조 동력 공급 장치 및 그 제어 방법은 차량에서 낮은 출력이 요구되는 운행 조건 하에서는 인휠 모터가 주 동력 공급 장치에 대해 보조적으로 동력을 공급하도록 제어함으로써, 소요 동력이 낮은 운행 조건에서는 보조 동력 공급 장치에 의해 동력 공급을 보조할 수 있다. 따라서, 본 발명은 차량의 주 동력 공급 장치에 의한 에너지 소비를 절감할 수 있고, 궁극적으로 차량의 연비를 개선시킬 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 차량의 보조 동력 공급 장치 및 그 제어 방법은 차량이 제동에 의해 정차되거나 긴 내리막길에서 제동에 의해 저속 주행이 요구되는 운행 조건 하에서는 인휠 모터의 회생 제동에 의해 보조 배터리를 충전시키도록 제어함으로써, 차량의 제동 효과를 향상시킬 수 있고, 보조 배터리의 충전에 필요한 에너지를 절감할 수 있다.
본 발명에 따른 차량의 보조 동력 공급 장치 및 그 제어 방법은 종동축의 모든 차륜에 인휠 모터를 설치할 필요없이, 차량의 종동축에 전자 클러치를 설치하여 구동축의 조향 정도에 따라 인휠 모터의 동력을 종동축에 전달함으로써, 차량에 적용되는 인휠 모터의 개수를 최소화할 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 보조 동력 공급 장치를 포함하는 차량의 구동계의 구성을 도시하는 개략도이다.
도 2의 (a) 및 (b)는 도 1에 도시된 좌측 후륜 휠에 인휠 모터가 장착된 상태를 더욱 구체적으로 도시하는 평면도 및 측면도이다.
도 3은 도 1에 도시된 차량의 구동계 중에서 보조 동력 공급 장치를 간략하게 도시하는 개략도이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 차량의 보조 동력 공급 장치의 제어 방법을 설명하는 순서도이다.
도 5는 도 4의 단계(S44)에서의 동작을 구체적으로 설명하는 순서도이다.
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 차량의 보조 동력 공급 장치에서 인휠 모터가 모터 모드로 구동될 경우의 차량의 각종 상태를 도시하는 타이밍도이다.
도 7은 인휠 모터가 발전 모드로 구동될 경우, 본 발명의 실시예에 따른 차량의 보조 동력 공급 장치와 주 동력 공급 장치의 연결 상태를 도시하는 개략도이다.
도 8은 본 발명의 실시예에 따른 차량의 보조 동력 공급 장치에서 회생 제동에 의해 인휠 모터가 발전 모드로 구동될 경우의 차량의 각종 상태를 도시하는 타이밍도이다.
도 9는 본 발명의 실시예에 따른 차량의 보조 동력 공급 장치에서 차량의 아이들 운전 중에 보조 배터리를 충전시키는 충전 모드에서의 차량의 각종 상태를 도시하는 타이밍도이다.
도 10은 보조 배터리가 충전 모드인 경우, 본 발명의 실시예에 따른 차량의 보조 동력 공급 장치와 주 동력 공급 장치의 연결 상태를 도시하는 개략도이다.
도 11은 본 발명의 실시예에 따른 차량의 보조 동력 공급 장치에서 차량 속도가 일정하거나 차량의 가속 중에 보조 배터리를 충전시키는 충전 모드에서의 차량의 각종 상태를 도시하는 타이밍도이다.
도 12는 본 발명의 실시예에 따른 차량의 보조 동력 공급 장치의 스위치(51) 중에서 강제 OFF 스위치가 ON 상태일 때의 차량의 각종 상태를 도시하는 타이밍도이다.
도 13은 본 발명의 실시예에 따른 차량의 보조 동력 공급 장치의 스위치(51) 중에서 강제 ON 스위치가 ON 상태일 때의 차량의 각종 상태를 도시하는 타이밍도이다.
도 2의 (a) 및 (b)는 도 1에 도시된 좌측 후륜 휠에 인휠 모터가 장착된 상태를 더욱 구체적으로 도시하는 평면도 및 측면도이다.
도 3은 도 1에 도시된 차량의 구동계 중에서 보조 동력 공급 장치를 간략하게 도시하는 개략도이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 차량의 보조 동력 공급 장치의 제어 방법을 설명하는 순서도이다.
도 5는 도 4의 단계(S44)에서의 동작을 구체적으로 설명하는 순서도이다.
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 차량의 보조 동력 공급 장치에서 인휠 모터가 모터 모드로 구동될 경우의 차량의 각종 상태를 도시하는 타이밍도이다.
도 7은 인휠 모터가 발전 모드로 구동될 경우, 본 발명의 실시예에 따른 차량의 보조 동력 공급 장치와 주 동력 공급 장치의 연결 상태를 도시하는 개략도이다.
도 8은 본 발명의 실시예에 따른 차량의 보조 동력 공급 장치에서 회생 제동에 의해 인휠 모터가 발전 모드로 구동될 경우의 차량의 각종 상태를 도시하는 타이밍도이다.
도 9는 본 발명의 실시예에 따른 차량의 보조 동력 공급 장치에서 차량의 아이들 운전 중에 보조 배터리를 충전시키는 충전 모드에서의 차량의 각종 상태를 도시하는 타이밍도이다.
도 10은 보조 배터리가 충전 모드인 경우, 본 발명의 실시예에 따른 차량의 보조 동력 공급 장치와 주 동력 공급 장치의 연결 상태를 도시하는 개략도이다.
도 11은 본 발명의 실시예에 따른 차량의 보조 동력 공급 장치에서 차량 속도가 일정하거나 차량의 가속 중에 보조 배터리를 충전시키는 충전 모드에서의 차량의 각종 상태를 도시하는 타이밍도이다.
도 12는 본 발명의 실시예에 따른 차량의 보조 동력 공급 장치의 스위치(51) 중에서 강제 OFF 스위치가 ON 상태일 때의 차량의 각종 상태를 도시하는 타이밍도이다.
도 13은 본 발명의 실시예에 따른 차량의 보조 동력 공급 장치의 스위치(51) 중에서 강제 ON 스위치가 ON 상태일 때의 차량의 각종 상태를 도시하는 타이밍도이다.
이하 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 따른 인휠 모터를 이용한 차량의 보조 동력 공급 장치 및 그 제어 방법의 구성 및 동작에 대해 더욱 구체적으로 설명한다.
이하에서 본 발명을 설명함에 있어서, 당업계에 공지 및 주지된 기능이나 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단될 경우에는 그 상세한 설명을 생략할 것이다. 그리고, 후술되는 기술 용어들은 본 발명에서의 기능 등을 고려하여 정의된 용어들로서, 이는 당업자의 의도 또는 관례 등에 따라 달라질 수 있다. 그러므로, 그 용어들에 대한 정의는 본 명세서 전반에 걸쳐 기재된 내용을 기초로 판단되어야 할 것이다.
먼저, 도 1을 참조하여 본 발명의 실시예에 따른 차량의 보조 동력 공급 장치가 적용된 차량의 구동계에 대해 설명한다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 차량의 보조 동력 공급 장치를 포함하는 차량의 구동계의 구성을 도시하는 개략도이다.
도 1에 도시된 바와 같이, 차량의 구동계(1)는 주 동력 공급 장치로서 기능하는 요소와 보조 동력 공급 장치로서 기능하는 요소로 구성되어 있으며, 전륜 휠(2, 4) 및 후륜 휠(3, 5)과, 엔진(30), 자동 변속기(35), 발전기(20), 브레이크 스위치(40), 악셀 스위치(45), 제어장치(50), 스위치(51), 인버터(55), 보조 배터리(11) 및 전자 클러치(60)를 포함한다.
여기서, 엔진(30), 자동 변속기(35) 및 발전기(20)는 주 동력 공급 장치를 구성하고 있고, 제어장치(50), 스위치(51), 인버터(55), 보조 배터리(11), 전자 클러치(60) 및 도시하지 않은 인휠 모터는 보조 동력 공급 장치를 구성하고 있으나, 본 발명의 기술적 범위는 여기에 한정되지 않는다. 예를 들어, 주 동력 공급 장치의 구성요소인 엔진(30)은 내연 기관뿐만 아니라 전기 모터로 구성될 수도 있다.
도 1에 도시된 차량의 구동계(1)는 전륜 구동(front wheel drive) 차량에 적용하도록 구성되어 있고, 구체적으로, 도 1에 도시된 바와 같이, 엔진(30)이 자동 변속기(35)를 통해 전륜 구동축으로 동력을 전달하도록 구성되어 있다. 도 1에서는 간략하게 표현하기 위하여, 전륜 구동축에 직접 전륜 휠(2, 4)이 연결된 것으로 도시되어 있으나, 실제로는, 조향 장치 등을 통해 전륜 구동축과 전륜 휠(2, 4)이 서로 연결되어 있다.
본 발명에서는 차량의 4개의 휠 중에서 전륜 구동 차량의 종동축(본 실시예는 전륜 구동 차량이므로, 구동축이 전륜 차축이고 종동축이 후륜 차축임)에 연결된 좌측의 후륜 휠(5)에 인휠 모터를 장착하는 것으로 가정하고 있다.
차량이 전륜 구동 방식을 따를 경우, 차량의 후륜은 전륜에 비해 작은 타이어 마모도와 우수한 내구성을 가진다. 특히, 차량이 주차 및 주행 중일 때에 도로와의 마찰로 인해 발생하는 타이어 마모량이 후륜에서 더 작다. 후륜 중에서도 좌측의 후륜 휠에 인휠 모터를 장착하는 것은 도로의 중앙선 쪽의 안쪽 차선이 바깥 차선보다 양호한 노면 상태를 가지므로 좌측의 후륜 휠이 우측의 후륜 휠보다 더 작은 마모도를 가진다는 점을 고려한 것이다.
즉, 본 발명에서는 차량의 보조 동력 공급 장치로서 인휠 모터를 이용하는 것을 특징으로 하고 있으며, 인휠 모터는 차량의 종동축에 연결된 2개의 휠 중에서 좌측, 다시 말해서, 차량이 전륜 구동 방식을 따를 경우에 좌측의 후륜 휠에 하나의 인휠 모터가 장착되는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명에서는, 종동축의 좌측 휠에 장착된 인휠 모터에 의한 동력이 전자 클러치(60)를 통해 종동축의 우측 휠에도 전달될 수 있도록 구성되어 있으며, 전자 클러치(60)의 연결 동작 및 연결해제 동작은 제어장치(50)에 의해 제어된다. 전자 클러치(60)는 제어장치(50)의 제어 동작에 따라 인휠 모터의 회전축과 종동축, 즉, 후륜 차축을 연결하거나 그 연결 상태를 해제시킨다.
이것은 종동축의 좌측 휠에만 인휠 모터가 장착되어 있는 상태에서 인휠 모터가 구동될 경우, 차량의 좌측 휠만 회전하게 될 위험을 제거하기 위한 것이다. 더욱 구체적으로, 제어장치(50)는 차량의 구동축, 즉, 전륜의 조향값에 따라 직진에 가까운 운행 조건에서만 인휠 모터의 동력을 종동축의 좌우 휠에 전달하기 위하여, 구동축인 전륜 차축의 조향값이 임계값보다 작을 경우에만 전자 클러치(60)를 연결시키도록 제어한다. 이에 따라, 후륜 좌측 휠에 장착된 인휠 모터의 동력은 전자 클러치(60)가 인휠 모터의 회전축과 후륜 차축을 연결하고 있을 경우에만 후륜 우측 휠에도 전달될 수 있다. 여기서, 전륜 차축의 조향값은 예를 들어, 스티어링 휠에 설치된 조향각 센서 등을 통해 얻어져서 제어장치(50)에 제공되도록 구성될 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 차량의 보조 동력 공급 장치에서는 인휠 모드를 구동시키기 위한 방식으로서 3가지 동작 모드, 즉, 강제 ON 모드, 강제 OFF 모드 및 자동 모드가 구비되어 있다.
강제 ON 모드 및 강제 OFF 모드는 운전자가 도 1의 스위치(51)를 조작하여 시작될 수 있으나, 자동 모드는 제어장치(50)에 의해 판단된 차량의 운행 조건에 따라 시작될 수 있다.
예를 들어, 도 1에 도시된 스위치(51)는 강제 ON 스위치 및 강제 OFF 스위치(도시하지 않음)로 세분화시켜서 구성될 수 있다. 한편, 이러한 스위치(51), 또는 강제 ON 스위치 및 강제 OFF 스위치는 기존 차량의 변속 레버에 부착된 오버-드라이브(over-drive) 스위치의 형태로 구현될 수도 있다.
차량의 운전자는 인휠 모터를 통해 차량의 운행에 필요한 추가적인 구동력을 얻고자 할 때, 예를 들어, 진흙, 모래, 눈 등이 쌓인 도로에서 차량을 탈출시키고자 할 때, 또는 오르막길에서 차량의 주행 속도를 증가시키고자 할 때 등에는 강제 ON 스위치를 눌러서 인휠 모터를 동작시킬 수 있다. 이와 반대로, 인휠 모터를 모터 모드 또는 회생 제동에 의한 발전 모드로 동작시키는 것과, 도 1의 발전기(20)에 의해 보조 배터리(11)를 충전시키는 것을 중지할 필요가 있을 때, 운전자는 강제 OFF 스위치를 눌러서 인휠 모터에 의한 동작을 정지시킬 수 있다.
자동 모드는 인휠 모드의 동작이 자동적으로 결정되는 모드로서, 이 모드에서는, 제어장치(50)가 각종 센서 정보로부터 차량의 운행 조건을 판단하고, 이와 같이 판단된 차량의 운행 조건에 기초하여 인휠 모터의 동작을 제어하는 한편, 필요에 따라서는 보조 배터리(11)의 충전을 제어한다.
구체적으로, 제어장치(50)는 전륜 휠(4)에 장착된 속도 센서(도시하지 않음)로부터 검출된 차량의 속도, 엔진(30)에 장착된 엔진 rpm(revolution per minute) 센서(도시하지 않음)로부터 검출된 엔진 rpm, 브레이크 스위치(40)로부터 검출된 브레이크 상태, 악셀 스위치(45)로부터 검출된 악셀 상태, 예를 들어, 차량 엔진의 크랭크축에 장착된 토크 센서(도시하지 않음)로부터 검출된 엔진 토크량을 입력받는다.
다음으로, 제어장치(50)는 차량의 속도, 엔진 rpm, 브레이크 상태, 악셀 상태, 및 엔진 토크량 등의 상태 정보를 입력받아 차량의 운행 조건을 판단하고, 이와 같이 판단된 차량의 운행 조건에 기초하여 인휠 모터의 구동 모드를 결정하고 인휠 모터를 결정된 모드로 구동하기 위한 제어 명령을 생성하는 한편, 차량의 운행 조건에 따라서는 보조 배터리의 충전을 제어한다.
더욱 구체적으로, 제어장치(50)는 상기 설명된 각종 상태 정보로부터 차량의 운행 조건을 판단하고, 상기 판단된 차량의 운행 조건으로부터, 인휠 모터에 의한 보조 동력을 공급할 필요가 있을 경우(예를 들어, 평지나 완만한 내리막길 주행 또는 높은 동력 성능이 요구될 경우)에는, 인휠 모터를 모터 모드로 구동하기 위한 제어 명령을 생성하고, 인휠 모터의 회생 제동을 이용할 필요가 있을 경우(예를 들어, 차량의 제동시, 또는 긴 내리막길 주행의 경우)에는 인휠 모터를 발전 모드로 구동하기 위한 제어 명령을 생성한다.
한편, 인휠 모터가 구동되지 않는 상태, 예를 들어, 차량이 아이들 운전 상태이거나, 차량이 일정한 속도 또는 가속 중일 경우에는, 인휠 모터의 제어장치(50)는 엔진(30)의 회전 시에 전력이 충전되도록 작동되는 차량의 발전기(20)로부터의 전력에 의해 보조 배터리(11)가 충전되도록 제어한다.
다시 한번 정리하면, 인버터(55)는 제어장치(50)에 의해 생성된 제어 명령에 따라 보조 배터리(11)의 전력을 공급받아 좌측 후륜 휠(5)에 장착된 인휠 모터를 구동한다. 보조 배터리(11)는 인휠 모터를 구동하기 위한 전원을 공급하며, 상기 설명된 바와 같이, 인휠 모터가 구동되지 않는 상태, 예를 들어, 차량이 아이들 상태이거나, 차량이 일정한 속도 또는 가속 중일 경우에는, 제어장치(50)의 제어 동작에 의해 차량의 발전기(20)로부터 전력을 공급받는다.
도 2의 (a) 및 (b)는 도 1에 도시된 좌측 후륜 휠(5)에 인휠 모터(14)가 장착된 상태를 더욱 구체적으로 도시하는 평면도 및 측면도이다. 도 2의 (a) 및 (b)를 참조하면, 도 1에 도시된 좌측 후륜 휠(5)은 타이어(13) 및 인휠 모터(14)로 구성되고, 인휠 모터(14)는 타이어(13)와 일체형으로 구성되어 타이어(13)의 내부에 부착되어 있다.
상기 설명한 바와 같이, 종동축의 좌측 휠, 즉, 좌측 후륜 휠(5)에 장착된 인휠 모터(14)는 전자 클러치(60)를 통해 종동축의 우측 휠에도 동력이 전달될 수 있도록 구성되어 있으며, 전자 클러치(60)의 연결 및 연결해제 동작은 제어장치(50)에 의해 제어된다.
제어장치(50)는 차량의 구동축, 즉, 전륜의 조향값에 따라 직진에 가까운 운행 조건에서만 인휠 모터(14)의 동력을 종동축의 좌우 휠에 전달하기 위하여, 구동축인 전륜 차축의 조향값이 임계값보다 작을 경우에만, 전자 클러치(60)의 연결 동작에 의해 인휠 모터(14)가 전자 클러치(60)를 통해 종동축인 후륜 차축에 연결되도록 제어한다. 이에 따라, 좌측 후륜 휠(5)에 장착된 인휠 모터(14)의 동력은 전자 클러치(60)의 연결 동작에 의해 우측 후륜 휠에도 전달될 수 있다.
앞에서 설명한 바와 같이, 차량은 대부분이 전륜구동 방식이므로, 전륜에 인휠 모터가 장착되면, 엔진의 구동력으로 전륜이 회전하는 상황에서 인휠 모터가 장착된 휠에 전력이 추가로 인가된다면, 상기 휠은 보다 빨리 회전하게 되므로, 전륜 휠 간에 속도 차이가 발생하게 되어 차량은 불안정한 상태로 주행하게 된다. 따라서, 인휠 모터는 전륜구동 방식의 차량에서 후륜 휠에 장착하는 것이 바람직하다. 이를 일반화하면, 인휠 모터는 구동축이 아닌 종동축에 연결된 휠에 장착되는 것이 바람직하다.
또한, 도로는 바깥쪽보다 중앙선 부근인 안쪽 도로의 표면 상태가 양호하므로, 인휠 모터는 후륜의 좌측에 장착하는 것이 바람직하다.
일반적인 차량의 휠은 모래밭 등에 빠졌을 경우에 차량의 탈출을 어렵게 만들며, 전륜의 휠 중 한쪽 휠이 모래밭에 빠진 경우에는, 차량이 탈출을 시도할 때마다, 상기 휠은 차동 장치로 인하여 더욱 고속으로 회전하여 차량의 탈출이 어려워진다. 만약, 차량의 후륜에 인휠 모터를 장착하여 이 인휠 모터에 전력을 인가하면, 인휠 모터의 작동에 의해 발생되는 차량 후륜의 동력이 차량의 탈출을 용이하게 한다. 특히, 차량의 우측 후륜 휠이 모래밭에 빠졌을 경우에는 전륜의 좌우 휠과 인휠 모터가 장착된 좌측 후륜이 함께 구동되어 차량의 탈출이 더욱 용이해지며, 후륜의 좌측 휠이 모래밭에 빠졌을 경우에도 전륜 휠과 함께 인휠 모터의 구동력이 더해져 차량의 탈출이 용이해진다. 또한, 오르막 도로에서 가속하기 위해서는 큰 회전력이 필요하게 되며, 이 경우, 엔진에 의한 회전력 외에 인휠 모터를 동시에 구동시키면 오르막길에서의 자동차의 회전력이 증가된다.
도 3은 도 1에 도시된 차량의 구동계 중에서 보조 동력 공급 장치를 간략하게 도시하는 개략도이다.
도 3에 도시된 본 발명의 실시예에 따른 보조 동력 공급 장치는 보조 배터리(11), 제어장치(50), 인버터(55) 및 인휠 모터(14)를 포함한다. 도 3에 도시된 연결 상태는 보조 동력 공급 장치의 보조 배터리(11)에 의해 인휠 모터(14)가 모터 모드로 구동되는 경우에 대해 나타낸 것이다.
도 3에 도시된 바와 같이, 보조 배터리(11)는 저장되어 있는 전력(electric power)을 제어장치(50)에 공급한다. 제어장치(50)는 앞에서 설명된 바와 같이 차량의 운행 조건에 따라 인휠 모터를 소정의 모드로 구동하기 위한 제어 명령을 생성하고, 이와 같이 생성된 제어 명령을 인버터(55)에 출력한다. 인버터(55)는 제어장치(50)로부터 출력된 제어 명령에 따라 인휠 모터(14)를 구동하기 위한 전류를 생성하여 출력한다. 따라서, 인휠 모터(14)는 인버터(55)로부터 출력되는 전류에 따라 회전하고, 차량의 후륜 휠 및 결과적으로 후륜 차축에 회전력을 공급한다.
다음으로, 도 4를 참조하여 본 발명의 실시예에 따른 차량의 보조 동력 공급 장치의 제어 방법에 대해 설명한다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 차량의 보조 동력 공급 장치의 제어 방법을 설명하는 순서도이다.
도 4에 도시된 순서도의 각 단계는 컴퓨터 판독가능 프로그램으로 구현될 수 있으며, 예를 들어, 도 1에 도시된 차량의 보조 동력 공급 장치 중에서 제어장치(50)에 의해 실행될 수 있다.
동작이 시작되면, 제어장치(50)는 스위치(51)의 상태를 입력받아 인휠 모터(14)를 구동시키기 위한 동작 모드를 판단한다. 구체적으로, 제어장치(50)는 강제 OFF 모드인지 판단한다(S10). 예를 들어, 도 1의 스위치(51)가 강제 ON 스위치 및 강제 OFF 스위치로 구성될 경우, 제어장치(50)는 강제 OFF 스위치의 스위칭 상태로부터 강제 OFF 모드 여부를 판단할 수 있다.
상기 단계(S10)에서, 인휠 모터(14)를 구동시키기 위한 동작 모드가 강제 OFF 모드인 경우, 제어장치(50)는 인휠 모터(14)의 구동을 정지시킨다(S12). 예를 들어, 제어장치(50)는 보조 배터리(11)로부터 인버터(55)를 거쳐 인휠 모터(14)에 공급되는 전원을 차단시킴으로써 인휠 모터(14)의 구동을 정지시킬 수 있다.
그 다음으로, 제어장치(50)는 발전기(20)에 의한 보조 배터리(11)의 충전을 정지시킨다(S14). 예를 들어, 제어장치(50)는 발전기(20)로부터 보조 배터리(11)로 형성되는 전류 경로를 차단시킴으로써 보조 배터리(11)의 충전을 정지시킬 수 있다.
상기 단계(S10)에서 강제 OFF 모드가 아닌 경우, 제어장치(50)는 강제 ON 스위치의 스위칭 상태로부터 강제 ON 모드 여부를 판단한다(S20). 운전자가 차량의 운행에 필요한 추가적인 구동력을 얻고자 할 때, 예를 들어, 진흙, 모래, 눈 등이 쌓인 도로에서 차량을 탈출시키고자 할 때, 또는 오르막길에서 차량의 주행 속도를 증가시키고자 할 때 등에는, 운전자가 스위치(51) 내의 강제 ON 스위치를 누르면, 제어장치(50)는 강제 ON 스위치의 스위칭 상태로부터 강제 ON 모드 여부를 판단할 수 있다.
상기 단계(S20)에서 강제 ON 모드인 경우, 인휠 모터를 모터 모드로 구동시키기 위하여 제어 흐름은 A 단계로 점프하여 단계(S42) 이후의 동작을 수행하며, 이에 대한 구체적인 내용은 후술한다.
상기 단계(S20)에서 강제 ON 모드가 아닌 경우, 이 경우는 강제 OFF 모드도 아니고 강제 ON 모드도 아닌 상태이므로, 지금부터는 자동 모드로 취급되며, 앞에서도 설명된 바와 같이, 이 자동 모드에서는, 인휠 모터의 구동 여부가 센서 정보를 이용하여 제어장치(50)에 의해 자동으로 판단될 수 있다.
인휠 모터를 구동시키기 위한 동작 모드가 자동 모드인 경우, 제어장치(50)는 전륜 휠(4)에 장착된 속도 센서에 의해 검출된 차량 속도, 엔진(30)에 장착된 엔진 rpm 센서에 의해 검출된 엔진 rpm, 브레이크 스위치(40)에 의해 검출된 브레이크 상태, 악셀 스위치(45)에 의해 검출된 악셀 상태, 조향 장치(도시하지 않음)에 설치된 조향각 센서로부터 조향각 정보를 입력받는다(S30).
그 다음으로, 제어장치(50)는 상기 단계(S30)에서 입력된 차량의 각종 상태 정보를 기초로 차량의 운행 조건을 판단한다.
구체적으로, 단계(S41)에서, 제어장치(50)는 차량이 평지 주행중일 때 인휠 모터(14)의 구동이 필요한 것인지를 판단한다. 구체적으로, 제어장치(50)는 차량의 속도, 즉, 차량 속도가 일정하고, 브레이크가 OFF 상태이고, 악셀이 OFF 상태인지를 판단한다.
상기 단계(S41)에서 모든 조건 중 하나라도 만족되지 않을 경우에는 상기 단계(S30)로 점프하여 그 이후의 단계를 다시 반복한다. 상기 단계(S41)에서 모든 조건이 만족될 경우, 제어장치(50)는 조향각 정보가 임계값보다 작은지를 판단한다(S42). 이것은 인휠 모터를 작동하더라도 차량의 안전 운행을 보장하기 위한 것으로서, 조향각이 일정 범위 이내일 경우에만(즉, 거의 직진에 가까울 경우에만) 인휠 모터를 작동시키기 위한 것이다.
상기 단계(S42)에서, 조향각이 임계값보다 클 경우에는 단계(S30)로 점프하여 그 이후의 단계를 다시 반복한다. 조향각이 임계값보다 작을 경우에는, 제어장치(50)는 전자 클러치(60)를 동작시킨다(S43). 따라서, 인휠 모터(14)의 구동력이 종동축을 통해 후륜 우측 휠에도 전달될 수 있다.
그 다음으로, 제어장치(50)는 인휠 모터(14)를 모터 모드로 구동시킨다(S44).
이와 관련하여, 도 6의 타이밍도는 인휠 모터(14)가 모터 모드로 구동될 경우의 차량의 각종 상태를 도시하고 있다. 도 6에서 가로축은 시간(time)이며, C의 시점에서 단계(S41)의 모든 조건이 만족된다. 즉, C 시점에서, 차량 속도가 일정해지고, 브레이크가 OFF, 악셀이 OFF로 되면, 단계(S41)의 조건이 모두 만족되고, 제어장치(50)는 인휠 모터(14)를 모터 모드로 구동시킨다. 여기서, 차량 속도가 일정 범위, 예를 들어, ±5 km/hour 범위 내에서 변하는 것은 차량 속도가 일정하다고 간주되고 있으나, 본 발명의 기술적 범위는 이것으로 한정되지 않는다.
따라서, C 시점 이후에는, 엔진(30)이 아이들 상태로 되어 연료 소비가 대폭 감소하지만, 인휠 모터(14)가 모터 모드로 구동됨으로써 차량 속도는 일정하게 유지될 수 있다. 즉, C 시점 이후에는, 단계(S44)에 의해 인휠 모터(14)가 모터 모드로 구동됨으로써 차량의 속도가 감소하지 않고 일정하게 유지될 수 있다. 상기 단계(S44)가 완료되면 제어 흐름은 리턴된다.
다시 도 4로 돌아가면, 단계(S51)에서, 제어장치(50)는 차량이 제동중일 때 인휠 모터(14)의 회생 제동(regenerative braking)이 필요한 것인지를 판단한다. 구체적으로, 제어장치(50)는 차량 속도가 감소하는 상태이고, 브레이크가 ON 상태인지를 판단한다.
상기 단계(S51)에서 모든 조건 중 하나라도 만족되지 않을 경우에는 상기 단계(S30)로 점프하여 그 이후의 단계를 다시 반복한다. 상기 단계(S51)에서 모든 조건이 만족될 경우, 제어장치(50)는 조향각 정보가 임계값보다 작은지를 판단한다(S52). 앞서 설명된 바와 같이, 이것은 인휠 모터를 작동하더라도 차량의 안전 운행을 보장하기 위한 것으로서, 조향각이 일정 범위 이내일 경우에만(즉, 거의 직진에 가까울 경우에만) 인휠 모터를 작동시키기 위한 것이다.
상기 단계(S52)에서, 조향각이 임계값보다 클 경우에는 단계(S30)로 점프하여 그 이후의 단계를 다시 반복한다. 조향각이 임계값보다 작을 경우에는, 제어장치(50)는 전자 클러치(60)를 동작시킨다(S53). 따라서, 인휠 모터(14)의 구동력이 종동축을 통해 후륜 우측 휠에도 전달될 수 있다.
다음으로, 제어장치(50)는 인휠 모터(14)를 발전 모드로 구동시킨다(S54).
이와 관련하여, 도 8의 타이밍도는 회생 제동에 의해 인휠 모터(14)가 발전 모드로 구동될 경우의 차량의 각종 상태를 도시하고 있다.
도 8의 A의 시점에서 단계(S51)의 모든 조건이 만족된다. 즉, A의 시점에서, 차량 속도가 감소하고 브레이크는 OFF에서 ON으로 변화된다. 따라서, A 시점 직후, 제어장치(50)는 인휠 모터(14)를 발전 모드로 구동시키며, 브레이크의 작동에 의해 차량 속도가 완전히 0으로 될 때까지, 즉, 도 8에서 B 시점이 될 때까지 인휠 모터(14)를 계속 발전 모드로 구동시킨다.
전술한 바와 같이 인휠 모터(14)가 발전 모드로 구동되면, 일반적인 전기 모터의 회생 제동과 유사하게 인휠 모터(14)의 회생 제동이 발생한다. 도 7은 인휠 모터가 발전 모드로 구동될 경우, 본 발명의 실시예에 따른 보조 동력 공급 장치와 주 동력 공급 장치의 연결 상태를 도시한다.
도 7에는 복잡함을 피하기 위해 도 1 및 도 3에서는 도시를 생략하였던 2개의 스위칭 소자(110, 120)가 더 도시되어 있다. 인휠 모터(14)가 발전 모드로 구동될 경우에는, 2개의 스위칭 소자(110, 120)는 인버터(55) 측 단자를 인휠 모터(14) 측 단자들(111, 122)과 접속시킨다. 따라서, 차량이 제동을 시작하면, 브레이크가 작동하여 차량 속도가 감소하고, 인휠 모터(14)의 발전 모드에 의해 인휠 모터(14)에 의해 발생된 전기는 스위칭 소자(110, 120), 인버터(55), 제어장치(50) 및 보조 배터리(11)에 의해 형성되는 전류 경로를 통해 보조 배터리(11)를 충전시킨다.
다시 도 4로 돌아가서, 상기 단계(S54) 이후에, 제어장치(50)는 차량 속도가 0인지를 판단하고(S55), 상기 단계(S55)에서 차량 속도가 0인 것으로 판단된 경우에는, 차량의 제동이 완료되었다고 판단하여 인휠 모터(14)를 발전 모드로 구동하는 것을 정지시킨다(S56). 상기 단계(S56)가 완료되면 제어 흐름은 리턴된다.
다음으로, 단계(S61)에서, 제어장치(50)는 차량이 주차 또는 정차중인 상태에서 발전기(20)에 의한 보조 배터리(11)의 충전이 필요한 것인지를 판단한다. 구체적으로, 제어장치(50)는 차량 속도가 0이고, 엔진 rpm이 아이들 상태이고, 브레이크가 ON 상태이고, 악셀이 OFF인지를 판단한다.
상기 단계(S61)에서 모든 조건 중 하나라도 만족되지 않을 경우에는 상기 단계(S30)로 점프하여 그 이후의 단계를 다시 반복한다. 상기 단계(S61)에서 모든 조건이 만족될 경우, 제어장치(50)는 보조 배터리(11)를 충전 모드로 구동시킨다(S62).
상기 단계(S62)에서 보조 배터리(11)가 충전 모드로 구동되면, 차량의 보조 동력 공급 장치는 제어장치(50)의 제어 동작에 의해 도 10에 도시된 바와 같이 주 동력 공급 장치와 연결된다.
즉, 보조 배터리(11)가 충전 모드로 구동될 경우에는, 2개의 스위칭 소자(110, 120)는 인버터(55) 측 단자를 발전기(20) 측 단자(112, 121)와 접속시킨다. 따라서, 차량이 주차 또는 정차중에 엔진(30)이 아이들 상태로 되면, 제어장치(50)는 보조 배터리를 충전 모드로 구동시키고, 도 10에 도시된 바와 같이 발전기(20)의 전력이 스위칭 소자(110, 120), 인버터(55) 및 제어장치(50)를 거쳐 보조 배터리(11)에 공급되어 보조 배터리(11)가 충전될 수 있다.
도 9의 타이밍도는 차량의 아이들 운전 중에 보조 배터리(11)를 충전시키는 충전 모드에서의 차량의 각종 상태를 도시하고 있다. 도 9를 참조하면, 차량 속도가 0이고, 엔진 rpm이 아이들 상태이고, 브레이크가 ON 상태이며, 악셀이 OFF일 때, 즉, A 시점에서 보조 배터리(11)가 충전 모드로 구동되고 있음을 알 수 있다. 상기 단계(S62)의 동작이 완료되면 제어 흐름은 리턴된다.
다시 도 4로 돌아가면, 단계(S71)에서, 제어장치(50)는 차량 속도가 일정하거나 차량의 가속 중에 발전기(20)에 의한 보조 배터리(11)의 충전이 필요한 것인지를 판단한다.
상기 단계(S71)에서 모든 조건 중 하나라도 만족되지 않을 경우에는 상기 단계(S30)로 점프하여 그 이후의 단계를 다시 반복한다. 상기 단계(S71)에서 모든 조건이 만족될 경우, 제어장치(50)는 보조 배터리(11)를 충전 모드로 구동시킨다(S72). 상기 단계(S71) 및 단계(S72)의 동작을 도 11의 타이밍도를 참조하여 이하에서 더욱 구체적으로 설명한다.
도 11의 타이밍도는 차량 속도가 일정하거나 차량의 가속 중에 보조 배터리(11)를 충전시키는 충전 모드에서의 차량의 각종 상태를 도시하고 있다. 도 11을 참조하면, 차량 속도가 일정하거나 증가하고 있고, 브레이크가 OFF 상태이고, 악셀이 ON 상태일 때, 즉, A 시점에서 보조 배터리(11)가 충전 모드로 구동되고 있음을 알 수 있다. 보조 배터리(11)를 충전 모드로 구동하는 것은 도 10을 참조한 상기 설명과 동일하므로, 중복을 피하기 위해 여기서는 이에 대한 설명을 생략한다.
한편, 도 5는 인휠 모터(14)를 모터 모드로 구동하기 위한 도 4의 단계(S44)에서의 동작을 구체적으로 설명하는 순서도이다.
도 5의 순서도는 도 4의 단계(S44)의 동작에 따라 인휠 모터(14)가 모터 모드로 구동될 경우에 시작된다.
동작이 시작되면, 제어장치(50)는 인휠 모터(14)를 모터 모드로 구동시킨다(S441). 다음으로, 제어장치(50)는 인휠 모터(14)의 속도를 증가시키기 위한 제어 명령을 생성하고, 이 생성된 제어 명령을 인버터(55)를 통해 인휠 모터(14)에 출력하여 인휠 모터(14)를 구동한다(S442).
마지막으로, 제어장치(50)는 인휠 모터(14)의 회전수가 차량의 직전 주행속도와 동일한지를 판단한다(S443). 상기 단계(S443)에서, 인휠 모터(14)의 회전수가 차량의 주행속도와 동일하다고 판단되면, 인휠 모터(14)의 모터 모드로의 구동은 종료되고 처리 흐름은 리턴된다.
상기 단계(S443)에서, 인휠 모터(14)의 회전수가 차량의 직전 주행속도와 동일하지 않으면, 단계(S442) 이전으로 점프하여 단계(S442) 이후의 동작이 다시 반복된다. 즉, 인휠 모터(14)의 회전수가 차량의 직전 주행속도와 동일해질 때까지 인휠 모터(14)의 속도가 계속 증가하도록 제어된다.
도 12는 본 발명의 실시예에 따른 차량의 보조 동력 공급 장치의 인휠 모터(14)가 강제 OFF 모드일 때, 즉, 스위치(51) 중에서 강제 OFF 스위치가 ON 상태일 때의 차량의 각종 상태를 도시하고 있고, 도 13은 본 발명의 실시예에 따른 차량의 보조 동력 공급 장치의 인휠 모터(14)가 강제 ON 모드일 때, 즉, 스위치(51) 중에서 강제 ON 스위치가 ON 상태일 대의 차량의 각종 상태를 도시하고 있다.
앞서 설명된 바와 같이, 인휠 모터를 모터 모드 또는 회생 제동에 의한 발전 모드로 동작시키는 것과, 도 1의 발전기(20)에 의해 보조 배터리(11)를 충전시키는 것을 중지할 필요가 있을 때, 운전자는 강제 OFF 스위치를 눌러서 인휠 모터(14)에 의한 동작을 정지시킬 수 있다.
도 12를 참조하면, 강제 OFF 스위치가 ON 상태일 때, 인휠 모터의 구동이 정지되어 OFF 상태로 됨을 알 수 있다. 도 12에는 도시되지 않았지만, 강제 OFF 스위치가 ON 상태이면, 제어장치(50)는 발전기(20)로부터 보조 배터리(11)로 형성되는 전류 경로를 차단시킴으로써 보조 배터리(11)의 충전을 정지시킬 수도 있다.
이와 반대로, 차량의 운전자는 인휠 모터를 통해 차량의 운행에 필요한 추가적인 구동력을 얻고자 할 때, 예를 들어, 진흙, 모래, 눈 등이 쌓인 도로에서 차량을 탈출시키고자 할 때, 또는 오르막길에서 차량의 주행 속도를 증가시키고자 할 때 등에는 강제 ON 스위치를 눌러서 인휠 모터를 동작시킬 수 있다.
도 13을 참조하면, 강제 ON 스위치가 ON 상태일 때, 일정 시간 지연 후에 전자 클러치가 ON 상태로 되고, 인휠 모터가 모터 모드로 구동되어 ON 상태로 됨을 알 수 있다.
한편, 본 발명의 실시예에 따른 차량의 보조 동력 공급 장치의 제어 방법을 수행할 수 있는 컴퓨터 판독가능 프로그램을 저장하고 있는 컴퓨터 판독가능 매체가 본 발명의 범위 내에서 제공될 수 있으며, 상기 컴퓨터 판독가능 매체는 마그네틱 저장 매체(예를 들어, 롬, 플로피 디스크, 하드디스크 등), 광학적 판독 매체(예를 들면, 시디롬(CD-R), 디브이디(DVD) 등) 및 캐리어 웨이브(예를 들어, 인터넷을 통한 전송)와 같은 저장 매체를 포함한다.
본 발명은 도면에 도시된 실시예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 본 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자, 즉 당업자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의해 정해져야 할 것이다.
1 : 차량의 구동계 2, 4 : 전륜 휠
3, 5 : 후륜 휠 11 : 보조 배터리
13 : 타이어 14 : 인휠 모터
20 : 발전기 30 : 엔진
35 : 자동 변속기 40 : 브레이크 스위치
45 : 악셀 스위치 50 : 제어장치
51 : 스위치 55 : 인버터
60 : 전자 클러치
3, 5 : 후륜 휠 11 : 보조 배터리
13 : 타이어 14 : 인휠 모터
20 : 발전기 30 : 엔진
35 : 자동 변속기 40 : 브레이크 스위치
45 : 악셀 스위치 50 : 제어장치
51 : 스위치 55 : 인버터
60 : 전자 클러치
Claims (14)
- 인휠 모터(In-wheel motor)를 이용한 차량의 보조 동력 공급 장치로서,
차량의 종동축의 어느 하나의 휠 내부에 장착되어, 공급되는 전력에 따라 상기 휠에 회전력을 공급하는 인휠 모터;
충방전이 가능하며 상기 인휠 모터에 전력을 공급하기 위한 보조 배터리;
상기 인휠 모터의 강제 ON 모드 또는 강제 OFF 모드를 운전자의 조작에 의해 선택하기 위한 스위치 수단;
상기 스위치 수단에 의해 선택되는 강제 ON 모드 또는 강제 OFF 모드에 따라, 상기 인휠 모터를 구동시키거나 상기 인휠 모터의 구동을 정지시키도록 제어하고, 상기 스위치 수단에 의해 강제 ON 모드 및 강제 OFF 모드의 어느 것도 선택되지 않으면, 차량의 속도, 엔진 rpm(revolution per minute), 브레이크 상태, 악셀 상태, 엔진 토크량, 클러치 상태 정보를 입력받아 차량의 운행 조건을 자동으로 판단하고, 상기 판단된 차량의 운행 조건에 따라 상기 인휠 모터를 모터 모드 또는 발전 모드로 구동하거나, 상기 보조 배터리의 충전을 제어하는 제어장치;
상기 제어장치가 상기 인휠 모터를 구동할 때, 상기 보조 배터리로부터의 전력을 상기 제어장치를 통해 공급받고, 상기 제어장치의 제어에 의해 상기 인휠 모터를 구동하기 위한 전류를 생성하여 상기 인휠 모터에 출력하는 인버터; 및
상기 제어장치의 제어 동작에 따라 상기 인휠 모터의 회전축과 종동축을 연결하거나 그 연결 상태를 해제시키는 전자 클러치를 포함하고,
상기 인휠 모터가 구동될 때, 상기 제어장치는 구동축의 조향값이 임계값보다 작을 경우에만 상기 전자 클러치가 상기 인휠 모터의 회전축과 상기 종동축을 연결하도록 제어하는, 차량의 보조 동력 공급 장치. - 청구항 1에 있어서,
상기 차량이 전륜 구동 방식을 따르는 경우, 상기 인휠 모터는 상기 차량의 좌측 후륜 휠의 내부에 장착되는, 차량의 보조 동력 공급 장치. - 청구항 1에 있어서,
상기 제어장치는 상기 차량의 전륜 휠에 장착된 속도 센서에 의해 검출되는 차량의 속도, 엔진 rpm 센서에 의해 검출되는 엔진 rpm, 브레이크 스위치에 의해 검출되는 브레이크 상태, 악셀 스위치에 의해 검출되는 악셀 상태, 및 조향각 센서 정보를 입력받는, 차량의 보조 동력 공급 장치. - 청구항 3에 있어서,
상기 제어장치는 차량의 속도, 브레이크 상태, 및 악셀 상태 정보로부터, 차량이 평지 주행 중에 상기 인휠 모터의 구동을 필요로 하는지를 판단하고, 상기 인휠 모터의 구동이 필요한 경우, 상기 인휠 모터를 모터 모드로 구동하는, 차량의 보조 동력 공급 장치. - 청구항 4에 있어서,
상기 제어장치는, 차량의 속도가 일정하고, 브레이크가 OFF 상태이고, 악셀이 OFF 상태인 경우, 상기 차량이 평지나 완만한 내리막길 주행 중에 인휠 모터의 구동을 필요로 한다고 판단하는, 차량의 보조 동력 공급 장치. - 청구항 3에 있어서,
상기 제어장치는, 차량의 속도가 감소하는 상태이고, 브레이크가 ON 상태인지를 판단함으로써, 차량이 제동 중일 때 상기 인휠 모터의 회생 제동이 필요한 것인지를 판단하는, 차량의 보조 동력 공급 장치. - 청구항 6에 있어서,
상기 차량이 회생 제동이 필요한 것으로 판단되면, 상기 제어장치는 상기 차량의 속도가 0이 될 때까지 상기 인휠 모터를 발전 모드로 구동하는, 차량의 보조 동력 공급 장치. - 청구항 3에 있어서,
상기 제어장치는, 차량의 속도가 0이고, 엔진 rpm이 아이들 상태이고, 브레이크가 ON 상태이고, 악셀이 OFF 상태인지를 판단함으로써, 차량이 주차 또는 정차중인 상태에서 상기 보조 배터리의 충전이 필요한 것인지를 판단하는, 차량의 보조 동력 공급 장치. - 청구항 8에 있어서,
상기 인버터가 상기 인휠 모터에 접속되도록 동작하거나, 상기 인버터가 차량의 엔진의 출력에 의해 작동되는 발전기에 접속되도록 동작하는 스위치를 더 포함하고,
상기 차량이 주차 또는 정차중인 상태에서 상기 보조 배터리의 충전이 필요하다고 판단되면, 상기 제어장치는 상기 인버터가 상기 발전기에 접속되도록 상기 스위치를 제어하고 상기 발전기의 전력에 의해 상기 보조 배터리가 충전되도록 제어하는, 차량의 보조 동력 공급 장치. - 청구항 3에 있어서,
상기 제어장치는, 차량의 속도가 일정하거나 증가하는 중이고, 브레이크가 OFF 상태이고, 악셀이 ON 상태인지를 판단함으로써, 상기 보조 배터리의 충전이 필요한 것인지를 판단하는, 차량의 보조 동력 공급 장치. - 청구항 10에 있어서,
상기 인버터가 상기 인휠 모터에 접속되도록 동작하거나, 상기 인버터가 차량의 엔진의 출력에 의해 작동되는 발전기에 접속되도록 동작하는 스위치를 더 포함하고,
상기 보조 배터리의 충전이 필요하다고 판단되면, 상기 제어장치는 상기 인버터가 상기 발전기에 접속되도록 상기 스위치를 제어하고 상기 발전기의 전력에 의해 상기 보조 배터리가 충전되도록 제어하는, 차량의 보조 동력 공급 장치. - 스위치, 보조 배터리, 인버터 및 제어장치에 의해, 차량의 종동축의 어느 하나의 휠 내부에 장착된 인휠 모터를 구동하여, 주 동력 공급 장치에 대해 보조적으로 동력을 공급하도록 구성된 차량의 보조 동력 공급 장치의 제어 방법으로서,
(a) 상기 스위치의 상태에 따라 인휠 모터의 강제 ON 모드, 강제 OFF 모드, 또는 자동 모드를 판단하는 단계;
(b) 상기 인휠 모터의 강제 OFF 모드인 경우, 상기 제어장치는 인휠 모터의 구동을 정지하고 보조배터리의 충전을 정지시키는 단계;
(c) 상기 인휠 모터의 강제 ON 모드인 경우, 상기 제어장치는 전자 클러치에 의해 상기 인휠 모터의 회전축과 상기 종동축을 연결하도록 제어하는 단계;
(d) 상기 제어장치는 차량의 속도, 엔진 rpm, 브레이크 상태, 악셀 상태, 및 조향각 정보를 입력받는 단계; 및
(e) 상기 제어장치는 차량의 속도, 엔진 rpm(revolution per minute), 브레이크 상태, 악셀 상태, 엔진 토크량, 클러치 상태 정보를 입력받아 차량의 운행 조건을 자동으로 판단하고, 상기 판단된 차량의 운행 조건에 따라 상기 인휠 모터를 모터 모드 또는 발전 모드로 구동하거나, 상기 보조 배터리의 충전을 제어하는 단계를 포함하는, 차량의 보조 동력 공급 장치의 제어 방법. - 청구항 12에 있어서,
상기 (e) 단계는,
상기 제어장치가 상기 차량의 속도가 일정하고, 브레이크가 OFF 상태이고, 악셀이 OFF 상태인지를 판단하고, 이 조건들이 만족될 경우에 상기 인휠 모터를 모터 모드로 구동하는 단계;
상기 제어장치가 상기 차량의 속도가 감소하는 상태이고, 브레이크가 ON 상태인지를 판단하고, 이 조건들이 만족될 경우에 상기 차량의 속도가 0이 될 때까지 상기 인휠 모터를 발전 모드로 구동하는 단계;
상기 제어장치가 상기 차량의 속도가 0이고, 브레이크가 ON 상태이고, 엔진 rpm이 아이들 상태이고, 악셀이 OFF인지를 판단하고, 이 조건들이 만족될 경우에 차량의 엔진에 결합된 발전기의 전력에 의해 상기 보조 배터리가 충전되도록 제어하는 단계; 및
상기 제어장치가 상기 차량의 속도가 일정하거나 증가하는 중이고, 브레이크가 OFF 상태이고, 악셀이 ON 상태에 있는지를 판단하고, 이 조건들이 만족될 경우에 차량의 엔진에 결합된 발전기의 전력에 의해 상기 보조 배터리가 충전되도록 제어하는 단계를 포함하는, 차량의 보조 동력 공급 장치의 제어 방법. - 청구항 13에 있어서,
상기 인휠 모터를 모터 모드로 구동하는 단계는,
상기 제어장치가 구동축의 조향값이 임계값보다 작은지를 비교하는 단계;
상기 구동축의 조향값이 임계값보다 작으면, 상기 제어장치는 전자 클러치를 연결 상태로 구동하여 상기 인휠 모터의 동력을 종동축에 전달하고, 상기 구동축의 조향값이 임계값보다 크면, 상기 제어장치는 전자 클러치를 연결해제 상태로 구동하여 상기 인휠 모터의 동력을 종동축에 전달하지 않도록 제어하는 단계; 및
상기 전자 클러치가 연결 상태로 구동되면, 상기 제어장치는 상기 인휠 모터의 회전수가 차량의 직전 주행속도와 동일해질 때까지 상기 인휠 모터의 속도를 계속 증가하도록 제어하는 단계를 포함하는, 차량의 보조 동력 공급 장치의 제어 방법.
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| JP5190344B2 (ja) | ハイブリッド車両 |
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| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
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| E902 | Notification of reason for refusal | ||
| E701 | Decision to grant or registration of patent right | ||
| GRNT | Written decision to grant | ||
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Payment date: 20160126 Year of fee payment: 4 |
|
| FPAY | Annual fee payment |
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| LAPS | Lapse due to unpaid annual fee |