KR101257048B1 - 인휠 모터 구동 전기자동차의 승차감 향상장치 - Google Patents

인휠 모터 구동 전기자동차의 승차감 향상장치 Download PDF

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Abstract

인휠 모터 구동 전기자동차의 승차감 향상장치가 개시된다. 본 발명의 실시예에 따른 인휠 모터 구동 전기자동차의 승차감 향상장치는, 차륜마다 인휠(In-Wheel) 모터를 구비한 전기자동차 차체의 상하방향 운동을 감소시키는 현가장치를 구비하되, 상기 인휠 모터의 토크에 의해 회전하는 차륜과 노면 간 마찰에 의해 발생하는 차륜의 구동력 또는 제동력이, 현가장치의 가상링크와 노면이 이루는 사잇각 만큼, 상기 차체의 상하방향 운동을 방해하는 분력으로 상기 차체에 작용하여, 상기 현가장치의 스프링에 하중변화를 주어 스프링을 늘어나게 하거나 줄어들게 한다.

Description

인휠 모터 구동 전기자동차의 승차감 향상장치{APPARATUS OF IMPROVING RIDE COMFORT FOR ELECTRIC VEHICLES WITH IN-WHEEL MOTOR}
본 발명은 인휠 모터 구동 전기자동차의 승차감 향상장치에 관한 것으로, 더욱 자세하게는 인휠모터의 토크 제어를 통하여 차량의 상하방향의 진동을 저감시켜 탑승자의 승차감을 향상시키는 기술에 관한 것이다.
전기자동차에 있어서 전기구동모터는 본래의 기능으로 기존의 내연기관차량의 엔진을 대체하여 차륜을 회전시키는 구동력을 발생시키는 장치이다. 전기구동 모터는 내연기관의 엔진과 비교할 때 명령받은 토크를 매우 빠르고 정확히 만들어내는 장점이 있으며, 특히 전기구동모터를 차륜 내에 설치하는 인휠 모터의 경우는 전후좌우 각 차륜을 독립적으로 구동할 수 있다. 따라서 인휠 모터 구동 전기자동차는 인휠 모터의 우수한 제어성과 독립적인 구동력을 가지게 된다. 이로 인해서 최근 이 인휠 모터 구동 전기 자동차 분야에서는 전기구동모터의 우수한 제어성과 독립적인 구동력을 이용하여 차륜 슬립 제어 및 차량 선회시 요(yaw) 운동제어에 대한 기술이 개발 및 연구가 활발히 이루어지고 있다.
그러나, 인휠 모터 구동 전기 자동차 분야에서 차량 상하방향의 진동을 저감시켜 탑승자의 승차감 향상에 대한 기술개발 및 연구가 이루어지지 않고 있다.
인휠 모터의 각 차륜의 독립적인 제동력 또는 구동력 제어 특성을 이용하여 차량의 주행 중 발생하는 차체가 상하로 흔들리는 현상을 저감 하는, 인휠 모터 구동 전기자동차의 승차감 향상장치가 제안된다.
본 발명의 일 양상에 따른 인휠 모터 구동 전기자동차의 승차감 향상장치는, 차륜마다 인휠(In-Wheel) 모터를 구비한 전기자동차 차체의 상하방향 운동을 감소시키는 현가장치를 구비하되, 상기 인휠 모터의 토크에 의해 회전하는 차륜과 노면 간 마찰에 의해 발생하는 차륜의 구동력 또는 제동력이, 현가장치의 가상링크와 노면이 이루는 사잇각 만큼, 상기 차체의 상하방향 운동을 방해하는 분력으로 상기 차체에 작용하여, 상기 현가장치의 스프링에 하중변화를 주어 스프링을 늘어나게 하거나 줄어들게 한다.
상기 차체의 상하방향 운동을 방해하는 분력은, 상기 차체의 상하방향 운동의 방향과 좌우전륜 및 좌우후륜 각각의 상하방향 운동의 방향이 모두 동일하고, 상기 차체의 상하방향 가속도의 방향 및 상기 차체의 상하방향 속도의 방향이 같을 때에만, 발생될 수 있다.
상기 차체의 상하방향 운동을 방해하는 분력의 크기는, 스카이 훅 제어를 위한 이상적인 현가장치의 댐핑 계수와 상기 차체의 상하방향 속도의 절대값을 곱하여 얻어지며, 상기 차체의 상하방향의 운동을 방해하는 분력의 방향은, 좌우전륜에 의한 경우와 좌우후륜에 의한 경우 서로 반대일 수 있다.
상기 좌우전륜에 의해 발생하는 차체의 상하방향 운동을 방해하는 분력 및 좌우후륜에 의해 발생하는 차체의 상하방향 운동을 방해하는 분력은, 아래의 수학식에 의해서 결정될 수 있다.
[ 수학식 ]
Figure 112011043408881-pat00001
이때,
Figure 112011043408881-pat00002
는 상기 차체의 상하방향 속도를 나타내며 양의 값을 갖는 경우 상기 차체의 상방향 속도를 나타내고 음의 값을 경우 상기 차체의 하방향 속도를 나타내며,
Figure 112011043408881-pat00003
는 좌우전륜에 의해 발생하는 차체의 상하방향 운동을 방해하는 분력을 나타내며,
Figure 112011043408881-pat00004
는 좌우후륜에 의해 발생하는 차체의 상하방향 운동을 방해하는 분력을 나타내며,
Figure 112011043408881-pat00005
는 스카이 훅 제어를 위한 이상적인 현가장치에서의 댐핑계수를 나타낸다.
상기 좌우전륜에 의해 발생하는 차체의 상하방향 운동을 방해하는 분력은, 인휠 모터의 토크에 의해 회전하는 좌우 전륜과 노면 간 마찰에 의해 발생하는 차륜의 구동력 또는 제동력이, 좌우 전륜 현가장치의 가상링크와 노면이 이루는 사잇각 만큼, 상기 차체의 상하운동을 방해하는 분력으로 상기 차체에 작용하여, 좌우 전륜 현가장치의 스프링을 늘리거나 줄이는 힘이며, 상기 좌우후륜에 의해 발생하는 차체의 상하방향 운동을 방해하는 분력은, 인휠 모터의 토크에 의해 회전하는 좌우 후륜과 노면 간 마찰에 의해 발생하는 차륜의 구동력 또는 제동력이, 좌우 후륜 현가장치의 가상링크와 노면이 이루는 사잇각 만큼, 상기 차체의 상하운동을 방해하는 분력으로 상기 차체에 작용하여, 좌우후륜 현가장치의 스프링을 늘리거나 줄이는 힘일 수 있다.
본 발명의 다른 양상에 따른 인휠 모터 구동 전기자동차의 승차감 향상장치는, 차량으로부터 차체의 상하방향 속도와 좌우전륜의 상하방향 속도 및 좌우후륜의 상하방향 속도를 입력받아, 차체의 상하방향 운동을 방해하는 분력을 구하는 스카이훅 콘트롤러; 상기 구해진 분력에, 동일한 크기의 좌우전륜 및 좌우후륜의 반경을 곱하여, 승차감 제어를 위하여 좌우전륜 및 좌우후륜에 적용될 승차감 제어 토크로 변환하는 토크 변환부; 운전자의 목표 종방향 속도와 상기 차량에서 출력된 차량의 종방향 속도의 편차를 출력하는 감산기; 상기 감산기에서 출력된 값을 비례 적분 제어하여 운전자의 목표 종방향 속도를 추종하기 위한 구동 토크를 출력하는 PI 제어기; 상기 승차감 제어 토크와 상기 목표 종방향 속도를 추종하기 위한 구동 토크를 이용하여, 좌측전륜의 토크, 우측전륜의 토크, 좌측후륜의 토크 및 우측후륜의 토크를 구하는, 토크 형성부; 및 차륜마다 인휠(In-Wheel) 모터를 구비한 전기자동차 차체의 상하방향 진동을 감소하기 위한 현가장치를 구비하며, 상기 좌측전륜의 토크, 우측전륜의 토크, 좌측 후륜의 토크 및 우측후륜의 토크를 이용하여, 각각 회전하는 차륜과 노면 간 마찰에 의해 발생하는 차륜의 구동력 또는 제동력이, 현가장치의 가상링크와 노면이 이루는 사잇각 만큼, 상기 차체의 상하방향 운동을 방해하는 분력으로 상기 차체에 작용하여, 상기 현가장치의 스프링을 늘어나게 하거나 줄어들게 하며, 상기 토크 형성부에서 구해진 각 토크 값에 따라 각 차륜의 회전에 의한 차량 주행 중, 차체의 상하방향 속도, 좌우전륜의 상하방향 속도, 좌우후륜의 상하방향 속도 및 차체의 종방향 속도를 각각 차체 상하방향 속도감지센서, 좌우 전륜의 상하방향 속도감지센서, 좌우 후륜의 상하방향 속도감지센서 및 자동차 속도 감지센서를 이용하여 측정해서 출력하는 차량을 포함한다.
상기 차체의 상하운동을 방해하는 분력은, 아래의 수학식으로 모델링 될 수 있다.
[ 수학식 ]
Figure 112011043408881-pat00006
이때,
Figure 112011043408881-pat00007
는 각각 차체의 상하 방향 이동거리, 차륜의 상하 방향 이동거리를 나타내며,
Figure 112011043408881-pat00008
는 각각 차체의 상하 방향 속도, 차륜의 상하 방향 속도를 나타내며,
Figure 112011043408881-pat00009
는 차체의 상하방향 가속도를 나타내며,
Figure 112011043408881-pat00010
은 차체의 질량을 나타내며,
Figure 112011043408881-pat00011
는 상기 차체의 상하운동을 방해하는 분력을 나타낸다.
상기 토크 형성부는,
아래의 수학식을 이용하여 좌측전륜의 토크, 우측전륜의 토크, 좌측후륜의 토크 및 우측후륜의 토크를 구할 수 있다.
[ 수학식 ]
Figure 112011043408881-pat00012
이때,
Figure 112011043408881-pat00013
는 상기 승차감 제어를 위하여 좌우전륜 및 좌우후륜에 적용될 승차감 제어 토크,
Figure 112011043408881-pat00014
는 상기 운전자의 목표 종방향 속도를 추종하기 위한 구동 토크,
Figure 112011043408881-pat00015
은 좌측전륜 토크,
Figure 112011043408881-pat00016
는 우측전륜 토크,
Figure 112011043408881-pat00017
는 좌측후륜 토크,
Figure 112011043408881-pat00018
는 우측후륜 토크를 나타낸다.
본 발명의 실시예에 따른 인휠 모터 구동 전기자동차의 승차감 향상장치에 따르면, 인휠 모터의 독립적인 제구동력 제어 특성을 이용하여 차량의 주행 중에 발생하는 차체가 상하로 흔들리는 현상을 저감 시킴으로써, 전기자동차 탑승자의 승차감을 향상시킬 수 있다.
도 1은 후륜 타이어 노면 접지점의 상하운동과 현가장치의 가상링크의 관계도.
도 2는 차량 제동시에 관성력의 방향과 피칭각을 나타낸 도면.
도 3은 이상적인 현가장치 모델과 실제적인 현가장치 모델을 나타낸 도면.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 현가장치 모델을 나타낸 도면.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 인휠 모터 구동 전기자동차의 승차감 향상장치의 구성을 나타낸 도면.
도 6은 노면 주행시 승차감 제어에 대한 시뮬레이션 결과를 나타낸 도면.
이하에서는 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 상세히 설명한다. 본 발명의 실시예를 설명함에 있어 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략할 것이다. 또한, 후술 되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 관례 등에 따라 달라질 수 있다. 그러므로 그 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.
본 발명의 실시예에 따른 인휠 모터 구동 전기자동차의 승차감 향상장치는, 좌우 전륜 및 좌우 후륜 각 차륜별로 상하운동을 가능하게 하는 현가장치를 구비한다. 이 현가장치에 의해 차륜 타이어의 노면접지 중심점은, 차륜을 옆에서 보았을 때, 도 1에 도시된 바와 같은 접지점의 상하 이동궤적을 가질 수 있다. 이 접지점의 상하 이동궤적은 차량의 운동에 있어서 안티다이브(anti-dive)/안티리프트(anti-lift) 특성과 관계되며, 도 1에 도시된 바와 같이 가상링크의 회전에 의해 움직이며, 가상링크와 노면은 소정의 각도(
Figure 112011043408881-pat00019
)를 이루고 있다.
이 안티다이브/안티리프트 특성에 대해서 살펴보기로 한다.
전기자동차가 가속하거나 감속하게 되면 전기자동차의 무게중심에 작용하는 관성력으로 인하여 차체는 피칭운동을 하게 된다.
예를 들어 도 2에 도시된 바와 같이, 전기자동차가 제동력에 의해 감속을 하게 되면 감속도에 의한 전기자동차의 관성력이 전기자동차의 전진방향으로 작용하여 차체가 앞으로 기울어지는 방향의 모멘트가 되어, 전륜의 경우 하중이 증가하고 후륜의 경우 하중이 작아져서, 결국 차량은 다이브(dive, 차체가 진행방향으로 기울어지게 되는 현상)하게 된다.
이때, 노면에 작용하는 제동력으로 인하여 이 제동력을 받는 전륜 현가장치의 가상링크 및 후륜 현가장치의 가상링크는 각각 노면과 이루는 소정의 제1각도(
Figure 112011043408881-pat00020
) 및 제2각도(
Figure 112011043408881-pat00021
)를 이루고 이 제1각도만큼 차체의 윗 방향으로 분력이 발생하고, 이 윗 방향으로 발생된 분력에 의해서 전륜 현가장치 스프링이 늘어나며 제2각도만큼 차체의 아래 방향으로 분력이 발생하고 이 아래 방향으로 발생된 분력에 의해 후륜 현가장치 스프링이 줄어들어서, 차량이 다이브 되는 현상이 저감 된다.
도 2에 도시된 바와 같이, 전륜 현가장치의 가상링크의 순간 회전중심(
Figure 112011043408881-pat00022
)의 위치가 전륜의 후방에 있도록, 후륜 현가장치의 가상링크의 순간 회전중심(
Figure 112011043408881-pat00023
)의 위치가 후륜의 전방에 있도록 설계된 경우, 차량의 제동으로 인해 발생하는 차체의 피칭 운동을 방해하는 분력을 만들어 낼 수 있다. 이러한 분력으로 인해서 차체의 상하운동이 저감 되는데, 이것이 바로 안티다이브/안티리프트 특성이다.
즉, 현가장치가 만들어 내는 안티다이브/안티리프트 특성을 이용하면, 인휠 모터의 토크에 의해 회전하는 차륜이 노면과의 마찰에 의해서 발생하는 제동력 또는 구동력이, 현가장치의 가상링크와 노면이 이루는 사잇각 만큼, 전기자동차 차체의 상하 방향의 분력으로 차체에 작용하여, 현가장치의 스프링이 늘어나거나 줄어들 수 있다.
결국, 이 현가장치 스프링에 작용하는 힘을 변화시켜 차량의 상하운동을 저감할 수 있게 된다.
따라서, 본 발명의 실시예에 따른 인휠 모터 구동 전기자동차의 승차감 향상장치는, 현가장치 스프링에 의해 지지 되는 차체의 상하운동을 제한하려는 것이다.
기존 내연기관 차량에 있어서 승차감을 제어하기 위한 수단은, 현가장치에서 댐핑력을 이루는 댐핑계수를 가변할 수 있는 가변댐퍼를 두고 댐핑계수를 결정하는 알고리즘으로 스카이훅 제어 기법을 사용하고 있다. 이에 대해서 살펴보기로 한다.
스카이훅 제어는 도 3의 (a)에 도시된 바와 같이 가상의 관성기준(Inertia Reference)과 차량의 스프링 상중량(Sprung mass)(차체) M에 가상의 스카이훅 수동 댐퍼를 설치하여 차체 M의 속도에 직접 비례하는 감쇄력을 발생시키는 방법이다.
그러나 실제로는 이것이 가능하지 않기 때문에, 도 3의 (b)에 도시된 바와 같이 현가장치의 가변 댐퍼를 이용하여 이와 등가 적인 감쇄력을 발생시킨다.
실제 모델에서의 등가 댐핑 계수는 아래의 수학식 1을 통해서 구해질 수 있다.
Figure 112011043408881-pat00024
이때,
Figure 112011043408881-pat00025
는 현가장치 모델에서의 등가 댐핑 계수,
Figure 112011043408881-pat00026
는 이상적인 현가장치의 모델에서의 등가 댐핑 계수,
Figure 112011043408881-pat00027
는 차체(스프링 상중량)의 상하방향 속도,
Figure 112011043408881-pat00028
는 차륜(스프링 하중량)의 상하방향 속도를 나타낸다.
또한, 도 3의 (b)에서 등가적인 감쇄력은 아래의 수학식 2와 같은 조건에서만 구해질 수 있다.
Figure 112011043408881-pat00029
이때, 등가적인 감쇄력은
Figure 112011043408881-pat00030
이고
Figure 112011043408881-pat00031
인 경우를 모두 만족하는 경우에 발생하거나,
Figure 112011043408881-pat00032
이고
Figure 112011043408881-pat00033
인 경우를 모두 만족하는 경우에 발생할 수 있다. 즉, 차체의 상하방향 속도의 방향과, 차체의 상하방향 속도와 차륜 상하방향 속도 간 차의 방향이 모두 일치한 경우에 등가적인 감쇄력이 발생할 수 있다.
이에 본 발명의 실시예에 따른 인휠 모터 구동 전기자동차의 승차감 향상장치는, 스카이 훅 제어기법을 이용하여 전기자동차 차체의 상하방향의 운동을 감소시키기 위해 차체에 인가되는 힘을 발생할 수 있다. 본 발명의 실시예에 적용되는 현가장치의 모델이 도 4에 도시되어 있다.
도 4에 도시된 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 현가장치의 모델은, 인휠(In-Wheel) 모터를 구비한 전기자동차의 차륜(4), 전기자동차 차체(1)를 지지하는 스프링(spring)(2) 및 전기자동차 차체(1)의 상하방향의 진동을 흡수하는 댐퍼(damper)(3)를 구비할 수 있다. 이때, 차륜(4)은 전기자동차의 좌우전륜 및 좌우후륜을 쿼터(quarter) 모델화하여 좌우전륜 및 좌우후륜 중 하나의 차륜으로만 표시한 경우이다.
인휠 모터의 토크에 의해 회전하는 차륜과 노면 사이의 마찰에 의해 발생하는 구동력 또는 제동력이, 현가장치의 가상링크가 노면과 이루는 사잇각 만큼, 전기자동차 차체의 상하방향 운동을 방해하는 분력으로 차체에 작용하여, 현가장치의 스프링을 늘어나거나 줄어들게 할 수 있다.
이때, 전기자동차 차체의 상하방향 운동을 방해하는 분력
Figure 112011043408881-pat00034
는, 도 4에 도시된 바와 같이 차체의 상하방향의 운동을 감소시키기 위해 차체에 인가되는 힘일 수 있다.
이에 따라 도 4에 도시된 현가장치의 모델에 대한 운동 방정식은 아래의 수학식 3 및 4를 이용하여 구할 수 있다.
Figure 112011043408881-pat00035
Figure 112011043408881-pat00036
이때, 수학식 3은 차체(1)의 운동방정식을 나타내며, 수학식 4는 차륜(4)의 운동 방정식을 나타내며, k는 현가장치 스프링상수를 나타내며, c는 현가장치 댐핑계수를 나타내며,
Figure 112011043408881-pat00037
는 각각 차체의 상하 방향 이동거리, 차륜의 상하 방향 이동거리를 나타내며,
Figure 112011043408881-pat00038
는 각각 차체의 상하 방향 속도, 차륜의 상하 방향 속도를 나타낸다.
그리고, 전기자동차 차체의 상하방향 운동을 방해하는 분력
Figure 112011043408881-pat00039
가 차체에 작용하여, 현가장치의 스프링이 늘어나거나 줄어들게 된다. 이에 따라 차량 주행 중 발생하는 차체의 상하방향의 진동을 감소할 수 있게 된다.
전기자동차 차체의 상하방향 운동을 방해하는 분력
Figure 112011043408881-pat00040
는 아래의 수학식 5 및 6의 조건을 동시에 만족하는 경우에만 발생할 수 있다. 즉, 전기자동차의 차체의 상하방향 운동의 방향과 좌우 전륜 및 좌우 후륜 각 차륜의 상하방향 운동의 방향이 모두 동일하고, 전기 자동차 차체의 상하방향 가속도의 방향 및 전기 자동차 차체의 상하방향 속도 방향이 같을 때이다.
Figure 112011043408881-pat00041
이때,
Figure 112011043408881-pat00042
는 좌우 전륜의 속도를 나타내며,
Figure 112011043408881-pat00043
는 좌우 후륜의 속도를 나타내며, 수학식 5에서 알 수 있듯이, 전기자동차 차체의 상하방향 운동을 방해하는 분력
Figure 112011043408881-pat00044
는 차체(1)의 상하방향 운동의 방향과 좌우 전륜 및 좌우 후륜의 상하방향 운동의 방향이 모두 동일할 때에만 적용됨을 알 수 있다.
Figure 112011043408881-pat00045
이때,
Figure 112011043408881-pat00046
는 차체(1)의 상하방향 가속도를 나타내며, 수학식 6은 차체(1)의 상하방향 속도의 방향과 차체(1)의 상하방향 가속도의 방향이 같을 때에, 전기자동차 차체의 상하방향 운동을 방해하는 분력
Figure 112011043408881-pat00047
이 적용됨을 알 수 있다.
다음으로 전기자동차 차체의 상하방향 운동을 방해하는 분력
Figure 112011043408881-pat00048
의 부호 및 크기는, 차체(1)의 상하방향 속도
Figure 112011043408881-pat00049
의 부호에 따라 아래의 수학식 7과 같이 결정될 수 있다.
Figure 112011043408881-pat00050
이때,
Figure 112011043408881-pat00051
는 상기 차체의 상하방향 속도를 나타내며 양의 값을 갖는 경우 상기 차체의 상방향 속도를 나타내고 음의 값을 경우 상기 차체의 하방향 속도를 나타내며,
Figure 112011043408881-pat00052
는 좌우전륜에 의해 발생하는 차체의 상하방향 운동을 방해하는 분력을 나타내며,
Figure 112011043408881-pat00053
는 좌우후륜에 의해 발생하는 차체의 상하방향 운동을 방해하는 분력을 나타내며,
Figure 112011043408881-pat00054
는 스카이 훅 제어를 위한 이상적인 현가장치에서의 댐핑계수를 나타낸다.
그리고, 좌우전륜에 의해 발생하는 차체의 상하방향 운동을 방해하는 분력은, 인휠 모터의 토크에 의해 회전하는 좌우 전륜과 노면 간 마찰에 의해 발생하는 차륜의 구동력 또는 제동력이, 좌우 전륜 현가장치의 가상링크와 노면이 이루는 사잇각 만큼, 상기 차체의 상하운동을 방해하는 분력으로 상기 차체에 작용하여, 좌우 전륜 현가장치의 스프링을 늘리거나 줄이는 힘을 나타낸다. 또한 좌우후륜에 의해 발생하는 차체의 상하방향 운동을 방해하는 분력은, 인휠 모터의 토크에 의해 회전하는 좌우 후륜과 노면 간 마찰에 의해 발생하는 차륜의 구동력 또는 제동력이, 좌우 후륜 현가장치의 가상링크와 노면이 이루는 사잇각 만큼, 상기 차체의 상하운동을 방해하는 분력으로 상기 차체에 작용하여, 좌우후륜 현가장치의 스프링을 늘리거나 줄이는 힘을 나타낸다.
차체(1)의 속도가
Figure 112011043408881-pat00055
이면
Figure 112011043408881-pat00056
는 스카이 훅 제어를 위한 현가장치의 이상적인 모델에서의 댐핑계수와 차체(1)의 상하방향 속도의 절대값의 곱으로 구해지고,
Figure 112011043408881-pat00057
는
Figure 112011043408881-pat00058
와 동일한 크기를 갖지만 반대방향으로 작용하며, 차체(1)의 속도가
Figure 112011043408881-pat00059
인 경우는
Figure 112011043408881-pat00060
에서의 값들과 반대 부호의 값으로 정해질 수 있다.
이상과 같이 수학식 7에서 알 수 있듯이, 좌우전륜에 의해 발생하는 차체의 상하방향 운동을 방해하는 분력
Figure 112011043408881-pat00061
와 좌우후륜에 의해 발생하는 차체의 상하방향 운동을 방해하는 분력
Figure 112011043408881-pat00062
의 합은, "0(zero)"가 되므로, 전기자동차의 본래 주행을 위한 구동력을 변화시키지 않고 상하운동을 제어할 수 있게 된다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 인휠 모터 구동 전기자동차의 승차감 향상장치의 구성을 나타낸 도면이다.
도 5에 도시된 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 인휠 모터 구동 전기자동차의 승차감 향상장치는, 스카이훅 콘트롤러(10), 토크 변환부(11), PI 제어기(12), 토크 형성부(13), 차량(14) 및 감산기(15)를 포함한다.
스카이훅 콘트롤러(10)는 차량 모델(Vehicle Model)로부터 차체의 상하방향 속도(
Figure 112011043408881-pat00063
)와 좌우 전륜의 상하방향 속도
Figure 112011043408881-pat00064
, 좌우 후륜의 상하방향 속도
Figure 112011043408881-pat00065
및 차량의 종방향 속도
Figure 112011043408881-pat00066
를 입력받아, 차체의 상하방향 운동을 방해하는 분력
Figure 112011043408881-pat00067
를 구한다.
이때, 스카이훅 콘트롤러(10)는 차체의 상하방향 운동을 방해하는 분력
Figure 112011043408881-pat00068
를 수학식 5 및 6을 동시에 만족하는 경우에 대해서만 구할 수 있다. 그리고, 수학식 7을 이용하여 좌우전륜에 의해 발생하는 차체의 상하방향 운동을 방해하는 분력
Figure 112011043408881-pat00069
및 좌우후륜에 의해 발생하는 차체의 상하방향 운동을 방해하는 분력
Figure 112011043408881-pat00070
를 구할 수 있다. 그리고 차체의 상하운동을 방해하는 분력은 수학식 3에 의하여 모델링 될 수 있다.
토크 변환부(11)는 스카이 훅 콘트롤러(10)에서 구해진, 차체의 상하방향 운동을 방해하는 분력
Figure 112011043408881-pat00071
에 동일한 크기의 좌우전륜 및 좌우후륜의 반경을 곱하여, 승차감 제어를 위하여 좌우전륜 및 좌우후륜에 적용될 승차감 제어 토크
Figure 112011043408881-pat00072
로 변환한다.
감산기(15)는 운전자의 목표 종방향 속도
Figure 112011043408881-pat00073
와 차량(14)에서 출력되는 차량의 종방향 속도
Figure 112011043408881-pat00074
의 편차를 출력한다.
PI 제어기(12)는 감산기(15)에서 출력된 값을 비례 적분 제어하여 운전자의 목표종방향 속도를 추종하기 위한 구동 토크
Figure 112011043408881-pat00075
를 출력한다. 이는 실제 차량에서 운전자가 주행하려는 운전자의 목표 종방향 속도를 변화시키고 현재 차량의 종방향 속도(차량의 운행속도)에 따라 그 편차를 인지하여 가속 및 감속 페달을 밟아 구동 토크
Figure 112011043408881-pat00076
를 발생시키는 것과 동일한 과정이다. 즉, PI 제어기(12)는 운전자의 입장에서 보면 현재의 차량의 주행속도(차량의 종방향 속도)로부터 운전자가 목표로 하는 주행속도(차량의 목표 종방향 속도)를 만들어 내기 위한 가감속 페달의 조작량이라고 할 수 있으며, 이 가감속 페달의 조작량은 구동 토크
Figure 112011043408881-pat00077
와 동일할 수 있다.
토크 형성부(13)는 토크 변환부(11)에서 출력된 승차감 제어 토크
Figure 112011043408881-pat00078
와 PI 제어기(12)에서 출력된 구동 토크
Figure 112011043408881-pat00079
를 이용하여, 좌측전륜의 토크
Figure 112011043408881-pat00080
, 우측전륜의 토크
Figure 112011043408881-pat00081
, 좌측후륜의 토크
Figure 112011043408881-pat00082
및 우측후륜의 토크
Figure 112011043408881-pat00083
을 구한다.
이때, 좌측전륜의 토크, 우측전륜의 토크, 좌측후륜의 토크 및 우측후륜의 토크는 아래의 수학식 8을 이용하여 구할 수 있다.
Figure 112011043408881-pat00084
이때,
Figure 112011043408881-pat00085
는 상기 승차감 제어 토크,
Figure 112011043408881-pat00086
는 상기 운전자의 목표 종방향 속도를 추종하기 위한 구동 토크,
Figure 112011043408881-pat00087
은 좌측전륜 토크,
Figure 112011043408881-pat00088
는 우측전륜 토크,
Figure 112011043408881-pat00089
는 좌측후륜 토크,
Figure 112011043408881-pat00090
는 우측후륜 토크를 나타낸다.
좌측전륜의 토크 및 우측전륜의 토크는, 승차감 제어 토크
Figure 112011043408881-pat00091
에, 운전자의 목표종방향 속도를 추종하기 위한 구동 토크
Figure 112011043408881-pat00092
를 각 4개의 차륜에 4등분하여 이를 합한 값으로 결정하고, 좌측후륜의 토크 및 우측후륜의 토크는, 승차감 제어 토크
Figure 112011043408881-pat00093
에 반대부호를 적용한 값을, 운전자의 목표종방향 속도를 추종하기 위한 구동 토크
Figure 112011043408881-pat00094
를 각 4개의 차륜에 4등분하여 이를 합한 값으로 결정할 수 있다.
차량(14)은, 차륜마다 인휠(In-Wheel) 모터를 구비한 전기자동차 차체의 상하방향 진동을 감소하기 위한 현가장치를 구비하며, 상기 좌측전륜의 토크, 우측전륜의 토크, 좌측 후륜의 토크 및 우측후륜의 토크를 이용하여, 각각 회전하는 차륜과 노면 간 마찰에 의해 발생하는 차륜의 구동력 또는 제동력이, 현가장치의 가상링크와 노면이 이루는 사잇각 만큼, 상기 차체의 상하방향 운동을 방해하는 분력으로 상기 차체에 작용하여, 상기 현가장치의 스프링을 늘어나게 하거나 줄어들게 한다.
또한 차량(14)은, 토크 형성부(13)에서 구해진 각 토크 값에 따라 각 차륜의 회전에 의한 차량 주행 중, 차체의 상하방향 속도, 좌우전륜의 상하방향 속도, 좌우후륜의 상하방향 속도 및 차체의 종방향 속도를 각각 차체 상하방향 속도감지센서, 좌우 전륜의 상하방향 속도감지센서, 좌우 후륜의 상하방향 속도감지센서 및 자동차 속도 감지센서를 이용하여 측정해서 출력한다.
도 6은 차량에 적용한 승차감제어의 시뮬레이션 결과를 나타낸 도면이다.
도시된 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 전기자동차 차체의 상하운동을 제어한 경우와 제어하지 않은 경우를 비교할 때, 종축이 주파수, 횡축이 상하 가속도를 제곱하여 얻어진 상하 가속도의 PSD(Power Spectrum Density)가 배치되는 좌표에서, 사람이 가장 민감하게 느끼는 주파수 4~8Hz 부근을 보면 전기자동차 차체의 수직가속도에 대한 파워스펙트럼밀도가 낮아짐을 알 수 있다.
이제까지 본 발명에 대하여 실시예들을 중심으로 살펴보았다. 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 변형된 형태로 구현될 수 있음을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 개시된 실시예들은 한정적인 관점이 아니라 설명적인 관점에서 고려되어야 한다. 따라서 본 발명의 범위는 전술한 실시예에 한정되지 않고 특허청구범위에 기재된 내용 및 그와 동등한 범위 내에 있는 다양한 실시 형태가 포함되도록 해석되어야 할 것이다.

Claims (12)

  1. 차륜마다 인휠(In-Wheel) 모터를 구비한 전기자동차 차체의 상하방향 운동을 감소시키는 현가장치를 구비하되,
    상기 인휠 모터의 토크에 의해 회전하는 차륜과 노면 간 마찰에 의해 발생하는 차륜의 구동력 또는 제동력이, 현가장치의 가상링크와 노면이 이루는 사잇각 만큼, 상기 차체의 상하방향 운동을 방해하는 분력으로 상기 차체에 작용하여, 상기 현가장치의 스프링에 하중변화를 주어 스프링을 늘어나게 하거나 줄어들게 하며,
    상기 차체의 상하방향 운동을 방해하는 분력은, 상기 차체의 상하방향 운동의 방향과 좌우전륜 및 좌우후륜 각각의 상하방향 운동의 방향이 모두 동일하고, 상기 차체의 상하방향 가속도의 방향 및 상기 차체의 상하방향 속도의 방향이 같을 때에만, 발생하며,
    상기 차체의 상하방향 운동을 방해하는 분력의 크기는, 스카이 훅 제어를 위한 이상적인 현가장치의 댐핑 계수와 상기 차체의 상하방향 속도의 절대값을 곱하여 얻어지며,
    상기 차체의 상하방향의 운동을 방해하는 분력의 방향은, 좌우전륜에 의한 경우와 좌우후륜에 의한 경우 서로 반대인, 인휠 모터 구동 전기자동차의 승차감 향상장치.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 좌우전륜에 의해 발생하는 차체의 상하방향 운동을 방해하는 분력 및 좌우후륜에 의해 발생하는 차체의 상하방향 운동을 방해하는 분력은, 아래의 수학식에 의해서 결정되는, 인휠 모터 구동 전기자동차의 승차감 향상장치.
    [수학식]
    Figure 112012102775414-pat00095

    이때,
    Figure 112012102775414-pat00096
    는 상기 차체의 상하방향 속도를 나타내며 양의 값을 갖는 경우 상기 차체의 상방향 속도를 나타내고 음의 값을 경우 상기 차체의 하방향 속도를 나타내며,
    Figure 112012102775414-pat00097
    는 좌우전륜에 의해 발생하는 차체의 상하방향 운동을 방해하는 분력을 나타내며,
    Figure 112012102775414-pat00098
    는 좌우후륜에 의해 발생하는 차체의 상하방향 운동을 방해하는 분력을 나타내며,
    Figure 112012102775414-pat00099
    는 스카이 훅 제어를 위한 이상적인 현가장치에서의 댐핑계수를 나타낸다.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 좌우전륜에 의해 발생하는 차체의 상하방향 운동을 방해하는 분력은, 인휠 모터의 토크에 의해 회전하는 좌우 전륜과 노면 간 마찰에 의해 발생하는 차륜의 구동력 또는 제동력이, 좌우 전륜 현가장치의 가상링크와 노면이 이루는 사잇각 만큼, 상기 차체의 상하운동을 방해하는 분력으로 상기 차체에 작용하여, 좌우 전륜 현가장치의 스프링을 늘리거나 줄이는 힘이며,
    상기 좌우후륜에 의해 발생하는 차체의 상하방향 운동을 방해하는 분력은, 인휠 모터의 토크에 의해 회전하는 좌우 후륜과 노면 간 마찰에 의해 발생하는 차륜의 구동력 또는 제동력이, 좌우 후륜 현가장치의 가상링크와 노면이 이루는 사잇각 만큼, 상기 차체의 상하운동을 방해하는 분력으로 상기 차체에 작용하여, 좌우후륜 현가장치의 스프링을 늘리거나 줄이는 힘인, 인휠 모터 구동 전기자동차의 승차감 향상장치.
  6. 차량으로부터 차체의 상하방향 속도와 좌우전륜의 상하방향 속도 및 좌우후륜의 상하방향 속도를 입력받아, 차체의 상하방향 운동을 방해하는 분력을 구하는 스카이훅 콘트롤러;
    상기 구해진 분력에, 동일한 크기의 좌우전륜 및 좌우후륜의 반경을 곱하여, 승차감 제어를 위하여 좌우전륜 및 좌우후륜에 적용될 승차감 제어 토크로 변환하는 토크 변환부;
    운전자의 목표 종방향 속도와 상기 차량에서 출력된 차량의 종방향 속도의 편차를 출력하는 감산기;
    상기 감산기에서 출력된 값을 비례 적분 제어하여 운전자의 목표 종방향 속도를 추종하기 위한 구동 토크를 출력하는 PI 제어기;
    상기 승차감 제어 토크와 상기 목표 종방향 속도를 추종하기 위한 구동 토크를 이용하여, 좌측전륜의 토크, 우측전륜의 토크, 좌측후륜의 토크 및 우측후륜의 토크를 구하는, 토크 형성부; 및
    차륜마다 인휠(In-Wheel) 모터를 구비한 전기자동차 차체의 상하방향 진동을 감소하기 위한 현가장치를 구비하며, 상기 좌측전륜의 토크, 우측전륜의 토크, 좌측 후륜의 토크 및 우측후륜의 토크를 이용하여, 각각 회전하는 차륜과 노면 간 마찰에 의해 발생하는 차륜의 구동력 또는 제동력이, 현가장치의 가상링크와 노면이 이루는 사잇각 만큼, 상기 차체의 상하방향 운동을 방해하는 분력으로 상기 차체에 작용하여, 상기 현가장치의 스프링을 늘어나게 하거나 줄어들게 하며, 상기 토크 형성부에서 구해진 각 토크 값에 따라 각 차륜의 회전에 의한 차량 주행 중, 차체의 상하방향 속도, 좌우전륜의 상하방향 속도, 좌우후륜의 상하방향 속도 및 차체의 종방향 속도를 각각 차체 상하방향 속도감지센서, 좌우 전륜의 상하방향 속도감지센서, 좌우 후륜의 상하방향 속도감지센서 및 자동차 속도 감지센서를 이용하여 측정해서 출력하는 차량을 포함하는, 인휠 모터 구동 전기자동차의 승차감 향상장치.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 차체의 상하방향 운동을 방해하는 분력은,
    상기 차체의 상하방향 운동의 방향과 좌우전륜 및 좌우후륜 각각의 상하방향 운동의 방향이 모두 동일하고,
    상기 차체의 상하방향 가속도의 방향 및 상기 차체의 상하방향 속도의 방향이 같을 때에만, 발생하는, 인휠 모터 구동 전기자동차의 승차감 향상장치.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 차체의 상하방향 운동을 방해하는 분력의 크기는,
    스카이 훅 제어를 위한 이상적인 현가장치의 댐핑 계수와 상기 차체의 상하방향 속도의 절대값을 곱하여 얻어지며,
    상기 차체의 상하방향의 운동을 방해하는 분력의 방향은, 좌우전륜에 의한 경우와 좌우후륜에 의한 경우 서로 반대인, 인휠 모터 구동 전기자동차의 승차감 향상장치.
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 좌우전륜에 의해 발생하는 차체의 상하방향 운동을 방해하는 분력 및 좌우후륜에 의해 발생하는 차체의 상하방향 운동을 방해하는 분력은, 아래의 수학식에 의해서 결정되는, 인휠 모터 구동 전기자동차의 승차감 향상장치.
    [ 수학식 ]
    Figure 112011043408881-pat00100

    이때,
    Figure 112011043408881-pat00101
    는 상기 차체의 상하방향 속도를 나타내며 양의 값을 갖는 경우 상기 차체의 상방향 속도를 나타내고 음의 값을 경우 상기 차체의 하방향 속도를 나타내며,
    Figure 112011043408881-pat00102
    는 좌우전륜에 의해 발생하는 차체의 상하방향 운동을 방해하는 분력을 나타내며,
    Figure 112011043408881-pat00103
    는 좌우후륜에 의해 발생하는 차체의 상하방향 운동을 방해하는 분력을 나타내며,
    Figure 112011043408881-pat00104
    는 스카이 훅 제어를 위한 이상적인 현가장치에서의 댐핑계수를 나타낸다.
  10. 제 9 항에 있어서,
    상기 좌우전륜에 의해 발생하는 차체의 상하방향 운동을 방해하는 분력은, 인휠 모터의 토크에 의해 회전하는 좌우 전륜과 노면 간 마찰에 의해 발생하는 차륜의 구동력 또는 제동력이, 좌우 전륜 현가장치의 가상링크와 노면이 이루는 사잇각 만큼, 상기 차체의 상하운동을 방해하는 분력으로 상기 차체에 작용하여, 좌우 전륜 현가장치의 스프링을 늘리거나 줄이는 힘이며,
    상기 좌우후륜에 의해 발생하는 차체의 상하방향 운동을 방해하는 분력은, 인휠 모터의 토크에 의해 회전하는 좌우 후륜과 노면 간 마찰에 의해 발생하는 차륜의 구동력 또는 제동력이, 좌우 후륜 현가장치의 가상링크와 노면이 이루는 사잇각 만큼, 상기 차체의 상하운동을 방해하는 분력으로 상기 차체에 작용하여, 좌우후륜 현가장치의 스프링을 늘리거나 줄이는 힘인, 인휠 모터 구동 전기자동차의 승차감 향상장치.
  11. 제 6 항에 있어서,
    상기 차체의 상하운동을 방해하는 분력은, 아래의 수학식으로 모델링 되는, 인휠 모터 구동 전기자동차의 승차감 향상장치.
    [ 수학식 ]
    Figure 112011043408881-pat00105

    이때,
    Figure 112011043408881-pat00106
    는 각각 차체의 상하 방향 이동거리, 차륜의 상하 방향 이동거리를 나타내며,
    Figure 112011043408881-pat00107
    는 각각 차체의 상하 방향 속도, 차륜의 상하 방향 속도를 나타내며,
    Figure 112011043408881-pat00108
    는 차체의 상하방향 가속도를 나타내며,
    Figure 112011043408881-pat00109
    은 차체의 질량을 나타내며,
    Figure 112011043408881-pat00110
    는 상기 차체의 상하운동을 방해하는 분력을 나타낸다.
  12. 제 6 항에 있어서,
    상기 토크 형성부는,
    아래의 수학식을 이용하여 좌측전륜의 토크, 우측전륜의 토크, 좌측후륜의 토크 및 우측후륜의 토크를 구하는, 인휠 모터 구동 전기자동차의 승차감 향상장치.
    [ 수학식 ]
    Figure 112011043408881-pat00111

    이때,
    Figure 112011043408881-pat00112
    는 상기 승차감 제어를 위하여 좌우전륜 및 좌우후륜에 적용될 승차감 제어 토크,
    Figure 112011043408881-pat00113
    는 상기 운전자의 목표 종방향 속도를 추종하기 위한 구동 토크,
    Figure 112011043408881-pat00114
    은 좌측전륜 토크,
    Figure 112011043408881-pat00115
    는 우측전륜 토크,
    Figure 112011043408881-pat00116
    는 좌측후륜 토크,
    Figure 112011043408881-pat00117
    는 우측후륜 토크를 나타낸다.
KR1020110055637A 2011-06-09 2011-06-09 인휠 모터 구동 전기자동차의 승차감 향상장치 KR101257048B1 (ko)

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