KR101261914B1 - Ａｂｓ 제동안정성 향상을 위한 전기자동차 구동계의 마찰력 생성 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 전기자동차 구동계의 마찰력 생성 장치에 관한 것으로서, 구동모터-감속기-드라이브 샤프트-휠 직결 구조로 이루어진 전기자동차의 구동계에서 ABS 제어시 구동모터의 진동을 감쇄시킬 수 있는 마찰력을 생성하여 ABS의 제동안정성을 향상시키는 전기자동차 구동계의 마찰력 생성 장치를 제공하는데 그 목적이 있는 것이다. 상기한 목적을 달성하기 위해,
전기자동차 구동계의 마찰력 생성 장치가 개시된다.

Description

ＡＢＳ 제동안정성 향상을 위한 전기자동차 구동계의 마찰력 생성 장치{Apparatus for generating frictional forces in power train of electric vehicle}

본 발명은 전기자동차 구동계의 마찰력 생성 장치에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 구동모터-감속기-드라이브 샤프트-휠 직결 구조로 이루어진 전기자동차의 구동계에서 ABS 제어시 구동모터의 진동을 감쇄시킬 수 있는 마찰력을 생성하여 ABS의 제동안정성을 향상시키는 전기자동차 구동계의 마찰력 생성 장치에 관한 것이다.

일반적으로 차량의 유압브레이크에서는 브레이크 페달의 작동에 의해 마스터 실린더로부터 제동유압이 인가되어 제동이 이루어지는데, 이때 노면과 타이어 사이의 정지마찰력보다 큰 제동력이 타이어에 가해질 경우 타이어가 노면에서 미끄러지는 슬립현상이 발생한다.

운동마찰계수가 정지마찰계수보다 작으므로 최상의 제동이 이루어지기 위해서는 이러한 슬립현상이 방지되어야 하고, 또한 브레이크 작동시 핸들 제어가 불가능하게 되는 핸들잠김현상이 방지되어야 한다.

따라서, 각 차륜의 유압브레이크로 인가되는 제동유압을 제어하여 상기와 같은 현상을 방지하고 안정된 제동력을 확보하기 위한 것이 ABS(Anti-lock Brake System)로, 기본적으로 각 유압브레이크 측으로 전달되는 제동유압을 제어하기 위한 다수개의 솔레노이드 밸브, 어큐뮬레이터, 유압펌프 등의 유압제어장치와, 전기적인 요소들을 제어하기 위한 ECU로 구성된다.

이러한 ABS는 급제동시나 미끄러운 노면에서 브레이크의 작동으로 발생하게 되는 바퀴의 슬립을 감지하여 그에 따라 제동유압을 감압, 유지 또는 증압함으로써 적당한 코너링 포스를 확보하고 조향안정성을 유지하면서 차량이 최단거리로 정지할 수 있도록 제어하게 된다.

통상 ABS에서는 휠 속도센서로부터 검출되는 휠 속도 및 이 휠 속도에 따라 추정되는 차체속도에 기초하여 산출되는 바퀴의 슬립값이 미리 설정된 슬립값에 도달하면 ABS 제어를 수행한다.

한편, 전기자동차의 경우에도 내연기관 자동차(일반 엔진 자동차)와 마찬가지로 ABS의 적용이 일반적이다. 그러나, ABS를 전기자동차에 적용함에 있어서는 다음과 같은 문제점이 발생하고 있다.

먼저 저마찰로에서의 제동시에는 차량 구동을 위한 전기모터(이하, 구동모터라 칭함)에 진동이 과다하게 발생하여 ABS가 정상적으로 작동하지 못하고, 이로 인해 제동안정성이 불량해진다.

이렇게 구동모터의 진동이 과다하게 발생하는 것은 전기자동차의 구동계에서는 클러치(clutch)나 토크컨버터(torque converter)와 같은 댐핑 구성요소(damping component)가 없는 구조적인 특성에 기인한다.

상세한 인과 관계를 좀더 상세히 설명하면, 전기자동차의 구동계는 도 1에 나타낸 바와 같이 구동모터(10)-감속기(20)-드라이브 샤프트(drive shaft)(30)-휠(wheel)(40)의 직결 구조로 되어 있다.

도 1에서 도면부호 51은 차량 브레이크 장치에서 휠에 장착된 브레이크 디스크를, 도면부호 52는 유압브레이크의 캘리퍼 어셈블리를, 도면부호 50은 ABS를, 도면부호 53은 ABS ECU를, 도면부호 54는 ABS 유압제어장치를 각각 나타낸다.

상기한 전기자동차의 구동계에서 드라이브 샤프트(30)는 상대적으로 긴 축으로, 비틀림 진동이 쉽게 발생할 수 있는 구조이고, 스프링으로 모델링이 가능한 구조이다.

이와 같은 구동계의 구조에서 브레이크가 잡히면서 ABS(50)가 작동하면(ABS On) 빠른 속도로 회전 중인 구동계에 비틀림 진동이 발생하고, 이 비틀림 진동으로 인해 구동모터(10)의 회전수와 더불어 휠 회전수(휠 속도)가 급격히 변동(fluctuation)하여 구동륜과 피동륜(전륜과 후륜) 간에는 속도 차가 발생한다.

이러한 전륜-후륜의 속도 차가 발생하면 ABS(50)는 슬립으로 판정하여 브레이크를 일시적으로 놓아주게 되는데, 이 상태에서는 운전자가 브레이크 페달을 밟고 있음에도 불구하고 유압 제동이 작동하지 않고 회생제동도 작동하지 않은 상태(ABS 작동이 시작되면 회생제동은 실시하지 않으므로)가 되어 차량은 노면 위를 그냥 미끄러지게 된다.

이는 노면 상태와는 무관하게 일어나지만 저마찰로나 거친 노면에서는 더욱 긴 시간 동안 일어나며, 이로 인해 제동 거리가 길어지는 것은 물론 차량이 똑바로 서질 못하고 좌우 방향으로 치우치거나 심하면 돌아버리는 스핀 아웃(spin out) 현상이 발생한다.

상기한 문제는 내연기관 자동차에서도 역시 발생하지만 엔진, 변속기의 큰 마찰력 덕분에 비틀림 진동이 짧은 시간에 감쇄되고, 따라서 저마찰로 제동시 구동계의 비틀림 진동으로 인한 ABS의 비정상 작동 문제가 제동안정성에 큰 위협이 되지 않는다.

이에 반해 전기자동차는 엔진, 변속기가 부재하고, 또한 구동모터의 회전자가 고정자와 에어 갭(air gap)을 가진 채로 베어링 지지하에 공중에 떠 있는 구조이므로 마찰력이 거의 없다.

이러한 이유로 전기자동차에서는 한번 발생한 비틀림 진동이 쉽게 감쇄되지 않으므로 ABS의 비정상 작동 문제가 차량의 제동안정성을 심각하게 저해하는 위협 요인이 된다.

도 2는 종래의 문제점을 나타내는 도면으로, 저마찰로에서 운전자가 브레이크 페달을 밟은 상태에서 ABS 작동시 구동모터의 진동 및 ABS 비정상 작동 발생을 보여주고 있다.

ABS 작동 초기의 ABS 비정상 작동 구간에서는 휠 슬립에 의해 구동모터에 충격이 전달되고, 이후 구동모터/휠의 진동이 과다하게 발생하여 ABS의 정상 제어가 불가해진다.

이어 구동모터의 진동이 감소하면 ABS의 정상 작동이 이루어지고 있으나, 전기자동차에서 구동모터의 진동을 감쇄시킬 수 있는 방안이 절실한 실정이다.

따라서, 본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 발명한 것으로서, 구동모터-감속기-드라이브 샤프트-휠 직결 구조로 이루어진 전기자동차의 구동계에서 ABS 제어시 구동모터의 진동을 감쇄시킬 수 있는 마찰력을 생성하여 ABS의 제동안정성을 향상시키는 전기자동차 구동계의 마찰력 생성 장치를 제공하는데 그 목적이 있다.

상기한 목적을 달성하기 위해, 본 발명은, 전기자동차의 구동계에서 감속기에 연결된 차량 구동모터의 회전요소와 고정요소 간에 기계적 마찰력을 생성하여 회전자에 인가하는 브레이크 기구와; ABS 제어와 연동하여 상기 브레이크 기구의 작동을 제어하는 제어장치;를 포함하는 ABS 제동안정성 향상을 위한 전기자동차 구동계의 마찰력 생성 장치를 제공한다.

여기서, 상기 브레이크 기구는, 상기 구동모터의 회전자와 동축으로 일체 회전되도록 회전자의 축 상에 설치되는 브레이크 디스크와; 상기 구동모터의 고정요소에 설치되고 상기 제어장치의 제어하에 브레이크 디스크를 가압하여 기계적 마찰력이 생성되도록 하는 캘리퍼 어셈블리;를 포함하는 것을 특징으로 한다.

또한 상기 제어장치는, ABS 유압제어장치의 유압라인으로부터 상기 브레이크 기구로 유압이 인가되도록 연결되는 유압라인과; 상기 유압라인에서 브레이크 기구의 유압 제어를 수행하는 솔레노이드 밸브와; ABS 제어와 연동하여 상기 솔레노이드 밸브의 작동을 제어하는 ABS ECU;를 포함하는 것을 특징으로 한다.

이에 따라, 본 발명의 마찰력 생성 장치에 의하면, ABS 제어시 브레이크 기구가 작동되어 구동모터의 회전요소와 고정요소 간 기계적 마찰력을 생성함으로써 구동모터의 비틀림 진동을 효과적으로 감쇄시킬 수 있고, 이를 통해 구동모터의 과다 진동 및 그로 인한 ABS의 비정상 작동 문제를 해소할 수 있게 된다. 결과적으로 저마찰로에서의 ABS 제동안정성이 향상될 수 있고, 전기자동차의 상품성 향상이 기대될 수 있다.

도 1은 전기자동차의 구동계를 개략적으로 나타낸 구성도이다.
도 2는 종래의 문제점을 나타내는 도면이다.
도 3은 본 발명에 따른 마찰력 생성 장치의 브레이크 기구가 구동모터에 설치되는 상태를 나타내는 개략도이다.
도 4는 본 발명에 따른 마찰력 생성 장치가 설치된 전기자동차의 구동계를 도시한 개략도이다.
도 5는 본 발명에 따른 마찰력 생성 장치에서 브레이크 기구 및 제어장치를 도시한 개략도이다.

이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 대해 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명하기로 한다.

본 발명은 전기자동차 구동계의 마찰력 생성 장치에 관한 것으로서, ABS의 제동안정성을 향상시키기 위해 구동모터-감속기-드라이브 샤프트-휠 직결 구조로 이루어진 전기자동차의 구동계에서 ABS 제어시 구동모터의 진동을 감쇄시키는 마찰력을 생성할 수 있는 마찰력 생성 장치에 관한 것이다.

전술한 구동모터의 과다한 진동 및 그로 인한 ABS의 비정상 작동 문제는 전기자동차의 구동계에서 엔진, 변속기에서와 같은 마찰력을 생성하지 못함에 따른 것으로, 이러한 문제를 해소하기 위해 본 발명은 비틀림 진동을 감쇄시킬 수 있는 마찰력을 구동모터에서 생성시킬 수 있는 방안을 제공하고자 한다.

도 3은 본 발명에 따른 마찰력 생성 장치의 브레이크 기구가 구동모터에 설치되는 상태를 나타내는 개략도이고, 도 4는 본 발명에 따른 마찰력 생성 장치가 설치된 전기자동차의 구동계를 도시한 개략도이다.

도 4에서는 구동모터(10)-감속기(11)-드라이브 샤프트(30)-휠(40)의 직결 구조로 이루어진 전기자동차의 구동계를 도시함과 더불어, 구동모터(10)에 설치되는 브레이크 기구의 작동을 제어하기 위한 솔레노이드 밸브(61)를 도시하였다. 또한 브레이크 장치에서 차량 휠(40)에 장착된 브레이크 디스크(51), 유압브레이크의 캘리퍼 어셈블리(52), ABS(50), ABS ECU(53), ABS 유압제어장치(54)를 함께 도시하였다.

도시된 바와 같이, 전기자동차의 구동계는 회전자(12)와 고정자(14)를 포함하여 구성되는 차량 구동을 위한 구동모터(10), 차량 휠(40)에 연결된 드라이브 샤프트(추진축)(30), 구동모터(10)의 구동축(모터출력축)(11)과 드라이브 샤프트(30) 사이에 구성된 감속기(20)를 포함한다.

이러한 전기자동차의 구동계에서, 본 발명의 마찰력 생성 장치는, 회전자(12)를 포함하는 구동모터(10)의 회전요소와 고정자(14)를 포함하는 구동모터의 고정요소 간에 설치되어 기계적 마찰력을 생성하여 회전자(12)에 인가하는 브레이크 기구(62)와, ABS 제어시 연동하여 상기 브레이크 기구(62)의 작동을 제어하는 제어장치를 포함하여 구성된다.

여기서, 브레이크 기구(62)는 차량 휠(40)의 브레이크 장치와 기본적인 구성은 동일하게 구성될 수 있는데, 구동모터(10) 일측의 모터출력축(11)은 감속기(20)와 결합하되, 구동모터(10) 타측에 회전자(12)와 동축으로 일체 회전되는 브레이크 디스크(63)를 추가로 장착하고, 구동모터의 고정요소(고정자 내지 모터하우징)에는 캘리퍼 어셈블리(64)를 장착하여 브레이크 기구(62)를 구성하게 된다.

상기 브레이크 기구(62)의 브레이크 디스크(63) 및 캘리퍼 어셈블리(64)는 구동모터(10) 내에 설치될 수 있고, 이때 브레이크 디스크(63)는 회전자(12)의 회전중심에 회전자와 일체 회전되도록 형성된 축(13) 상에 설치되고, 캘리퍼 어셈블리(64)는 구동모터(10) 내에서 마찰패드가 브레이크 디스크(63)를 압착할 수 있는 고정요소 위치에 설치된다.

상기한 브레이크 기구(62)는 기계적인 마찰을 통하여 브레이크 페달 및 ABS 작동 초기의 ABS 비정상 작동 구간에서 구동모터(10)의 회전요소에 발생하는 진동을 감쇄시킬 목적으로 구비되는 것이므로, 차량 휠의 브레이크에 사용되고 있는 것에 비해 소형으로 구성될 수 있다.

즉, 차량 휠(40)의 브레이크 디스크(51) 및 캘리퍼 어셈블리(52)에 비해 구동모터(10) 내 삽입이 가능한 소형이면서 박형인 브레이크 디스크(63), 경량인 캘리퍼 어셈블리(64)가 사용될 수 있다.

상기와 같은 구성에 의해 브레이크 기구(62)는 캘리퍼 어셈블리(64)의 작동으로 마찰패드가 브레이크 디스크(63)를 가압함으로써 구동모터(10)에서 마찰력을 발생시키며, 차량 휠의 유압브레이크나 전자식 브레이크와 같은 유압식 또는 전자식 기구로 구성될 수 있다.

유압식 기구인 경우 차량 브레이크 장치에서와 마찬가지로 유압에 의한 캘리퍼 어셈블리(64)의 작동, 즉 유압에 의해 실린더의 피스톤이 작동하면서 마찰패드가 브레이크 디스크(63)를 압착하여 마찰력을 발생시킨다.

이때, 하드웨어 추가의 최소화를 위해 브레이크 기구(62)의 캘리퍼 어셈블리(64)로 유압을 인가하고 제어하는 제어장치는 ABS ECU(53) 및 ABS 유압제어장치(54)가 이용될 수 있다.

다만, 차량 브레이크 장치(보다 명확히는 ABS 유압제어장치)의 유압라인에서 분기되어 상기 브레이크 기구(62)의 캘리퍼 어셈블리(64)로 유압이 인가되도록 연결되는 유압라인(55)과, 이 유압라인(55)에서 브레이크 기구(62)의 캘리퍼 어셈블리(64)의 유압 제어를 수행하기 위한 솔레노이드 밸브(61)가 추가로 구비된다.

상기 솔레노이드 밸브(61)는 도면상 개략적으로 예시하였으나 통상의 차량 브레이크 장치에서와 마찬가지로 캘리퍼 어셈블리로 유압 전달을 제어하기 위한 것과, 캘리퍼 어셈블리로부터 유압 배출을 제어하기 위한 것으로 복수개가 구비될 수 있다.

그 외에 유압 인가 및 제어를 위한 구성부는 기장착된 ABS 유압제어장치(어큐뮬레이터, 펌프 등)를 상기 추가되는 유압라인(55) 및 솔레노이드 밸브(61)와 연동하도록 연결하여 이용하는 것이 가능하다.

상기 브레이크 기구(62)로의 유압 전달을 제어하기 위한 추가된 솔레노이드 밸브(61)는 ABS ECU(53)에 의해 제어되며, 이로써 ABS ECU(53)의 제어하에 마찰력(진동을 감쇄시키기 위한 마찰력) 생성을 위한 브레이크 기구(62)의 작동이 제어될 수 있다.

즉, 운전자가 브레이크 페달을 밟으면, 마스터 실린더에서 생성된 제동유압이 유압라인(55)으로 분기되어 ABS ECU(53)의 제어하에 동작되는 솔레노이드 밸브(61)를 통하여 브레이크 기구(62)의 캘리퍼 어셈블리(64)에 전달되고, 이에 캘리퍼 어셈블리(64)가 작동(브레이크 디스크(64) 압착)하여 구동모터(10)에서 마찰력을 발생시키게 된다.

아울러, 전자식 기구인 경우, 도면상 예시하지는 않았으나, 전기모터의 구동에 의해 캘리퍼 어셈블리(64)의 마찰패드가 진퇴하여 브레이크 디스크(63)를 가압/해제하도록 구성된다. 이 전기모터의 구동은 ABS ECU(53)에 의해 제어되며, 이에 ABS ECU(53)가 브레이크 기구(62)의 작동을 제어할 수 있게 된다.

본 발명의 마찰력 생성 장치에서 브레이크 기구(62)는 브레이크 페달 조작 및 ABS 작동과 연동하여 구동모터(10)의 진동 및 회전수 변동이 크게 발생하는 ABS 비정상 작동 구간에서 마찰력을 생성시켜야 하므로, ABS ECU(53)가 ABS 제어와 연계하여 브레이크 기구(62)의 작동을 제어하게 된다.

유압브레이크, 전자식 브레이크, ABS 등이 차량 제동을 위한 브레이크 장치에 널리 적용되고 있는 구성이므로, 당업자라면 상기의 설명으로부터 본 발명의 브레이크 기구 및 그 동작을 위한 부속 시스템의 구성이 충분히 이해될 수 있을 것이다.

또한 주차 브레이크의 구동을 전자적으로 제어하는 전자식 주차 브레이크( Electronic Parking Brake , EPB ) 시스템이 사용되고 있는데, 이는 통상 차량 휠의 디스크 브레이크에 장착되어 주차 브레이크의 기능을 수행하는바, 전자식 주차 브레이크 시스템을 본 발명에 따른 마찰력 생성 장치의 브레이크 기구(62)에 적용하여 통합 구성하면, 구동모터(10)의 회전자(12)를 구속할 수 있으므로 결국 구동계 전체를 구속할 수 있게 되어 종래의 주차 브레이크를 대체할 수 있는 이점이 있다.

이와 같이 하여, 본 발명에 따르면, ABS의 비정상 작동 구간에서 구동모터(10)에 추가된 브레이크 기구(62)를 작동시켜 구동모터에 마찰력을 생성시킬 수 있고, 이에 구동모터의 진동을 효과적으로 감쇄시켜 ABS 제동안정성을 향상시킬 수 있게 된다.

이상으로 본 발명의 실시예에 대해 상세히 설명하였는바, 본 발명의 권리범위는 상술한 실시예에 한정되지 않으며, 다음의 특허청구범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 발명의 권리범위에 포함된다.

10 : 구동모터 11 : 구동축
12 : 회전자 13 : 회전자와 일체로 구비된 축
14 : 고정자 20 : 감속기
30 : 드라이브 샤프트 40 : 차량 휠
50 : ABS 51 : 브레이크 디스크
52 : 캘리퍼 어셈블리 53 : ABS ECU(제어부)
54 : ABS 유압제어장치 55 : 유압라인
61 : 솔레노이드 밸브 62 : 브레이크 기구
63 : 브레이크 디스크 64 : 캘리퍼 어셈블리

Claims (3)

1. 전기자동차의 구동계에서 감속기에 연결된 차량 구동모터의 회전요소와 고정요소 간에 기계적 마찰력을 생성하여 회전자에 인가하는 브레이크 기구;
   ABS 제어와 연동하여 상기 브레이크 기구의 작동을 제어하는 제어장치;
   를 포함하며,
   상기 브레이크 기구는,
   상기 구동모터의 회전자와 동축으로 일체 회전되도록 회전자의 축 상에 설치되는 브레이크 디스크와;
   상기 구동모터의 고정요소에 설치되고 상기 제어장치의 제어하에 브레이크 디스크를 가압하여 기계적 마찰력이 생성되도록 하는 캘리퍼 어셈블리;
   를 포함하는 것을 특징으로 하는 ABS 제동안정성 향상을 위한 전기자동차 구동계의 마찰력 생성 장치.
   
2. 삭제
3. 청구항 1에 있어서,
   상기 제어장치는,
   ABS 유압제어장치의 유압라인으로부터 상기 브레이크 기구로 유압이 인가되도록 연결되는 유압라인과;
   상기 유압라인에서 브레이크 기구의 유압 제어를 수행하는 솔레노이드 밸브와;
   ABS 제어와 연동하여 상기 솔레노이드 밸브의 작동을 제어하는 ABS ECU;
   를 포함하는 것을 특징으로 하는 ABS 제동안정성 향상을 위한 전기자동차 구동계의 마찰력 생성 장치.
   

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