KR101473587B1 - 차량의 인휠 구동 시스템 - Google Patents

차량의 인휠 구동 시스템 Download PDF

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KR101473587B1 KR20130131835A KR20130131835A KR101473587B1 KR 101473587 B1 KR101473587 B1 KR 101473587B1 KR 20130131835 A KR20130131835 A KR 20130131835A KR 20130131835 A KR20130131835 A KR 20130131835A KR 101473587 B1 KR101473587 B1 KR 101473587B1
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팽용석
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Abstract

본 발명의 일 실시예는 차량의 인휠 구동 시스템에 관한 것으로, 해결하고자 하는 기술적 과제는 차량의 휠의 모터 내부의 회전자의 기계적 파손 또는 인버터 내부의 회로 쇼트에 의한 회전자의 잠김 현상없이 관성 운동이 가능하게 하는데 있다.
이를 위해 본 발명의 일 실시예는 차량의 각각의 휠의 구동축에 감속기를 통하여 각각 연결된 인휠 모터를 이용하여 상기 휠을 구동하는 차량의 인휠 구동 시스템이고, 상기 각각의 인휠 모터 내부의 회전자의 위치 정보를 감지하는 감지부; 및 상기 위치 정보를 이용하여 상기 각각의 인휠 모터의 회전수를 연산하고, 상기 각각의 인휠 모터의 회전수의 편차를 계산하여, 상기 계산 결과에 따라 상기 감속기의 동작을 제어하는 인버터를 포함하는 차량의 인휠 구동 시스템을 개시한다.

Description

차량의 인휠 구동 시스템{IN-WHEEL DRIVING SYSTEM FOR VEHICLE}
본 발명의 일 실시예는 차량의 인휠 구동 시스템에 관한 것이다.
최근 화석에너지의 고갈로 인하여, 대체에너지 또는 재생에너지 분야의 관심이 높아짐에 따라, 자동차 산업에서도 이러한 시류를 반영하여 기존의 내연기관 자동차로부터 하이브리드 자동차(HEV), 연료전지 자동차(FCEV), 전기 자동차(EV) 등과 같은 친환경 자동차로 발전하고 있는 추세에 있다.
특히, 이러한 친환경 자동차들을 구현하기 위해서는 전기 에너지를 생성하기 위한 발전 또는 충전 시스템이 구현되어야 함과 동시에, 기존 내연기관 차량에서 엔진의 회전력을 차량의 바퀴까지 기계적으로 전달하려는 구동계 시스템을 각각의 차량에 맞게 구현하여야 한다.
이러한 관점에서, 인휠 시스템은 전기 모터가 엔진룸이 아닌 차륜의 휠 안으로 장착되어 구동력을 직접적으로 각 휠에서 제어하는 시스템으로, 휠 안에 모터를 장착하여 모터의 동력을 직접 차륜에 전달하는 시스템이다.
이러한 인휠 시스템은 휠 내부라는 제한된 공간 내에 구동 모터와 제동 부품 그리고 현가 부품을 조합하여 하나의 통합된 시스템으로 설계될 수 있다.
그러므로, 인휠 시스템의 개발 동향 자동차에 인휠 모터를 사용하면 구동계를 컴팩트하게 정리할 수 있어 차량 중량을 최소화하고 차량레이아웃이나 디자인의 자유도를 향상시킬 수 있다. 또한 차체 골격의 최적화를 통해 충돌안전성을 향상시키고, 최적화된 질량 배분으로 운동성능을 향상시키면서 실내 공간을 확대할 수 있는 이점이 있다.
그러나, 이러한 인휠 시스템은 주행 상태에서 각각의 구동륜에 대한 정확한 거동을 이해하고 이에 대한 정밀한 제어를 수행할 수 있어야 하므로, 이러한 제어 로직을 구현하는 데 어려움이 있으며, 특히, 구동륜의 일부에 고장이 발생한 경우에 대처하기 위한 고장 안전 기능(fail-safe mode)이 확보되지 않아, 실제 주행 중 고장이 발생한 경우, 주행 성능 저하는 물론 운전자에게 심각한 위험을 초래할 우려가 존재하였다.
특허공개공보 제10-2013-0063795호 '차량용 인휠 구동 시스템' 등록특허공보 제10-1180802호 '듀얼 모터식 인휠 시스템 및 그 시스템의 비상 운전 방법'
본 발명의 일 실시예는 차량의 휠의 모터 내부의 회전자의 기계적 파손 또는 인버터 내부의 회로 쇼트에 의한 회전자의 잠김 현상없이 관성 운동이 가능한 차량의 인휠 구동 시스템을 제공한다.
본 발명의 일 실시예에 의한 차량의 인휠 구동 시스템은 차량의 각각의 휠의 구동축에 감속기를 통하여 각각 연결된 인휠 모터를 이용하여 상기 휠을 구동하는 차량의 인휠 구동 시스템이고, 상기 각각의 인휠 모터 내부의 회전자의 위치 정보를 감지하는 감지부; 및 상기 위치 정보를 이용하여 상기 각각의 인휠 모터의 회전수를 연산하고, 상기 각각의 인휠 모터의 회전수의 편차를 계산하여, 상기 계산 결과에 따라 상기 감속기의 동작을 제어하는 인버터를 포함할 수 있다.
상기 인휠 모터는 상기 차량의 차체에 고정되어 회전하지 않는 고정자와, 상기 고정자의 외주에 회전가능하게 지지되는 회전자와, 상기 회전자와 일체로 회전하는 하우징을 포함할 수 있다.
상기 감지부는 상기 하우징 외측에 설치되어 상기 회전자의 위치를 감지하는 레졸버일 수 있다.
상기 감속기는 상기 휠의 구동축과 상기 인휠 모터의 출력축과 연결될 수 있다.
상기 인휠 모터의 일측에 상기 감속기의 축과 연결되어 상기 감속기를 동작시키는 솔레노이드를 더 포함할 수 있다.
상기 인버터는 상기 각각의 인휠 모터의 회전수의 편차가 기준 편차 이상인 경우 상기 솔레노이드를 동작시킬 수 있다.
상기 인버터는 상기 각각의 인휠 모터의 회전수의 편차가 기준 편차인 경우 상기 솔레노이드를 정지시킬 수 있다.
상기 솔레노이드는 원통형의 케이스; 상기 케이스 내부를 관통하여 상하 방향으로 운동하는 샤프트; 상기 샤프트 주위에 감겨진 코일; 및 상기 인버터로부터 상기 코일에 동작 전류를 공급하는 전력 와이어를 포함할 수 있다.
상기 전력 와이어는 상기 케이스의 하면 상에 형성된 관통홀에 삽입되어 상기 코일과 연결될 수 있다.
상기 전력 와이어는 상기 케이스의 상면 상에 형성된 관통홀에 삽입되어 상기 코일과 연결될 수 있다.
상기 케이스의 상측 및 하측의 내부면과 인접되는 샤프트의 상부 및 하부 영역에는 단차부가 형성될 수 있다.
상기 단차부 주위에는 베어링이 구비될 수 있다.
상기 베어링은 상기 샤프트의 상부 및 하부 영역을 지지할 수 있다.
상기 샤프트는 상기 감속기 축과 연결되어 동작될 수 있다.
상기 인휠 모터로의 전력 공급을 제어하는 제어기를 더 포함할 수 있다.
상기 인휠 모터로의 전력 공급 및 회생 제동시 생성된 전력을 저장하는 배터리를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 차량의 인휠 구동 시스템은 차량의 휠의 모터 내부의 회전자의 기계적 파손 또는 인버터 내부의 회로 쇼트에 의한 회전자의 잠김 현상없이 관성 운동이 가능하게 할 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 전기적 쇼트 및 인휠 모터 구속에 따른 비상시 구동축 또는 바퀴가 기구적으로 구속되지 않고, 관성 구동이 가능하여 차량의 조향성 및 안전성을 확보할 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 별도의 제어장치 및 스위치를 통해 장비 작동을 가능하게 하여 기존 장비의 고장 발생에 영향을 받지 않고 작동될 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 차량의 인휠 구동 시스템을 개략적으로 나타내는 도면이다.
도 2는 도 1의 차량의 인휠 구동 시스템의 구동 알고리즘을 설명하기 위한 도면이다.
도 3a 및 3b는 도 1의 솔레노이드의 구조를 나타내는 사시도 및 단면도이다.
도 4는 도 1의 인버터의 동작을 나타내는 순서도이다.
도 5는 도 1의 차량의 인휠 구동 시스템의 동작을 나타내는 순서도이다.
본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명을 용이하게 실시할 수 있을 정도로 본 발명의 바람직한 일 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명하면 다음과 같다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 차량의 인휠 구동 시스템을 개략적으로 나타내는 도면이고, 도 2는 도 1의 차량의 인휠 구동 시스템의 구동 알고리즘을 설명하기 위한 도면이며, 도 3a 및 3b는 도 1의 솔레노이드의 구조를 나타내는 사시도 및 단면도이고, 도 4는 도 1의 인버터의 동작을 나타내는 순서도이며, 도 5는 도 1의 차량의 인휠 구동 시스템의 동작을 나타내는 순서도이다.
도 1 내지 도 2를 참고하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 차량의 인휠 구동 시스템은 차량의 각각의 휠의 구동축에 감속기를 통하여 각각 연결된 인휠 모터를 이용하여 휠을 구동하는 시스템으로서, 각각의 인휠 모터(110) 내부의 회전자의 위치 정보를 감지하는 레졸버(131) 및 위치 정보를 이용하여 각각의 인휠 모터(110)의 회전수를 연산하고, 각각의 인휠 모터(110)의 회전수의 편차를 계산하여, 계산 결과에 따라 감속기(133)의 동작을 제어하는 인버터(120)를 포함한다.
상기 인휠 모터(110)의 출력축과 휠(즉, 바퀴)의 구동축은 구동 손실을 최소화하고 발생 토크를 증가시키기 위해 감속기(133)(즉, 기어)를 통해 기구적으로 직접 연결되어 있다. 또한, 상기 인휠 모터(110) 내부에 설치된 레졸버(131)를 통해 회전자의 위치를 파악할 수 있고, 레졸버(131)의 출력신호가 인버터(120) 내부 연산을 통해 각 바퀴에 결합된 인휠 모터(110)의 회전수(rpm)를 알 수 있도록 함으로써, 이를 제어하게 할 수 있다.
또한, 상기 인휠 모터(110)의 일측에 감속기(133)의 축과 연결되어 감속기(133)를 동작시키는 솔레노이드(132)를 더 포함할 수 있다.
상기 인휠 모터(110)는 차량의 차체에 고정되어 회전하지 않는 고정자와, 고정자의 외주에 회전가능하게 지지되는 회전자와, 회전자와 일체로 회전하는 하우징을 포함할 수 있다. 상기 인휠 모터(110)는 제어기를 통한 3상 전류 스위칭(Switching) 제어를 통해 구동될 수 있다.
상기 인버터(120)는 각각의 인휠 모터(110)의 회전수의 편차가 기준 편차 이상인 경우 솔레노이드(132)를 동작시킬 수 있다. 또한, 상기 인버터(120)는 각각의 인휠 모터(110)의 회전수의 편차가 기준 편차인 경우 솔레노이드(132)를 정지시킬 수 있다. 이러한 인버터(120)는 각각의 인휠 모터(110) 회전수를 연산 및 제어하고, 모터간 편차를 계산하여 구동모드를 결정할 수 있다. 예를 들면, 도 4를 참조하면, 상기 인버터(120)는 5% 파별 로직(S10)을 이용하여 각각의 인휠 모터(110)(a, b, c, d)의 편차가 5% 이상(S20, S30, S40, S50, S60, S70)일 때, 인버터(120)에서는 비상구동모드(S75)로 전환을 하게 되고 이때 본 발명에서 제안된 솔레노이드(132)가 지령받은 전류에 의해 작동(S76)하게 된다. 그러나, 상기 인버터(120)는 각각의 인휠 모터(110)(a, b, c, d)의 편차가 5% 이하일 때, 정상 시퀸스 동작(S80)하게 된다.
상기 솔레노이드(132)는, 도 3a 및 3b에 도시된 바와 같이, 원통형의 케이스와, 케이스 내부를 관통하여 상하 방향으로 운동하는 샤프트와, 샤프트 주위에 감겨진 코일과, 인버터(120)로부터 코일에 동작 전류를 공급하는 전력 와이어를 포함할 수 있다. 본 발명에서의 솔레노이드(132)는 코일에 인가된 전류의 방향에 따라 자기장이 형성되고 샤프트의 축방향 운동을 결정하게 된다. 여기서, 상기 솔레노이드(132)의 동작 지령 및 전원은 인버터(120)로부터 전달된다. 상기 샤프트는 상단 및 하단에 구비된 베어링을 통하여 지지되고, 감속기(133) 축과 연결되어 회전한다.
본 발명에서는 회전자의 잠김 현상이 발생하였을 때, 솔레노이드(132) 등의 작동기의 작동을 통해 감속기(133)가 시스템에서 분리되어 바퀴의 구동이 가능하게 되어 운전중 사고 발생의 위험을 줄일 수 있다. 즉, 상기 솔레노이드(132)의 전류인가 방향에 따라 샤프트 방향을 상하로 구동하여 감속기(133)를 시스템에서 분리할 수 있고, 이를 통하여 휠의 구동을 가능하게 하여 안정성을 향상시킬 수 있다. 또한, 경우에 따라서는 솔레노이드(132)를 한 방향으로만 작동하도록 설계하고 반대편에 스프링을 설치한 구조를 통해 상기 시스템을 구현할 수 있다.
상기 전력 와이어는 케이스의 하면 상에 형성된 관통홀에 삽입되어 코일과 연결될 수 있다. 다른 실시예로서, 상기 전력 와이어는 케이스의 상면 상에 형성된 관통홀에 삽입되어 코일과 연결될 수 있다.
상기 케이스의 상측 및 하측의 내부면과 인접되는 샤프트의 상부 및 하부 영역에는 단차부가 형성될 수 있다. 상기 단차부 주위에는 베어링이 구비될 수 있다. 상기 베어링은 상기 샤프트의 상부 및 하부 영역을 지지할 수 있다. 상기 샤프트는 감속기(133) 축과 연결되어 동작될 수 있다.
또한, 본 차량의 인휠 구동 시스템은 인휠 모터(110)로의 전력 공급을 제어하는 제어기와, 인휠 모터(110)로의 전력 공급 및 회생 제동시 생성된 전력을 저장하는 배터리를 더 포함할 수 있다.
상기와 같이 구성된 차량의 인휠 구동 시스템의 동작을 설명하기 위하여, 도 5에서는 4-wheel 구동시 작동기(즉, 솔레노이드(132))의 동작 로직을 일 예로 나타내고 있다.
즉, 본 차량의 인휠 구동 시스템은 차량에 설치된 각각의 인휠 모터(110)의 회전수(rpm)가 5% 이상의 편차가 발생할 때 작동기의 동작여부를 판단(S100)하게 된다. 즉, 인휠 모터(110)별 회전수가 사양 이내일 때에는 작동기가 동작하지 않고 4-wheel을 구동(S200, S300)시키고, 사양 이외일 때 사양 이내가 될 때까지 작동기에 전류를 인가(S110)한 다음, 사양 이내(S120)일 때 작동기가 동작하지 않도록 인가 전류를 0으로 한다(S200). 이때, 상기 작동기는 차량의 운전모드 전환에 따라 사용되는 것으로, 차량 자세 제어 장치 및 기타 주행 안전성 확보를 위한 제어 알고리즘에 의해 작동되는 경우와 운전자의 판단에 따른 스위치 동작으로 작동이 가능하다
상기와 같이 구성된 본 발명의 일 실시예에 따른 차량의 인휠 구동 시스템에 의하면, 차량의 휠의 모터 내부의 회전자의 기계적 파손 또는 인버터(120) 내부의 회로 쇼트에 의한 회전자의 잠김 현상없이 관성 운동이 가능하게 할 수 있고, 또한 전기적 쇼트 및 인휠 모터(110) 구속에 따른 비상시 구동축 또는 바퀴가 기구적으로 구속되지 않고, 관성 구동이 가능하여 차량의 조향성 및 안전성을 확보할 수 있다. 또한, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 별도의 제어장치 및 스위치를 통해 장비 작동을 가능하게 하여 기존 장비의 고장 발생에 영향을 받지 않고 작동될 수 있다.
이상에서 설명한 것은 본 발명에 의한 차량의 인휠 구동 시스템을 실시하기 위한 하나의 실시예에 불과한 것으로서, 본 발명은 상기 실시예에 한정되지 않고, 이하의 특허청구범위에서 청구하는 바와 같이 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변경 실시가 가능한 범위까지 본 발명의 기술적 정신이 있다고 할 것이다.
110: 인휠 모터 120: 인버터
130: 감지부 131: 레졸버
132: 솔레노이드 133: 감속기
140: 배터리

Claims (16)

  1. 차량의 각각의 휠의 구동축에 감속기를 통하여 각각 연결된 인휠 모터를 이용하여 상기 휠을 구동하는 차량의 인휠 구동 시스템이고,
    상기 각각의 인휠 모터 내부의 회전자의 위치 정보를 감지하는 감지부; 및
    상기 위치 정보를 이용하여 상기 각각의 인휠 모터의 회전수를 연산하고, 상기 각각의 인휠 모터의 회전수의 편차를 계산하여, 상기 계산 결과에 따라 상기 감속기와 상기 인휠 모터의 회전자 간의 연결 또는 중단 동작을 제어하는 인버터를 포함하는 것을 특징으로 하는 차량의 인휠 구동 시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 인휠 모터는 상기 차량의 차체에 고정되어 회전하지 않는 고정자와, 상기 고정자의 외주에 회전가능하게 지지되는 회전자와, 상기 회전자와 일체로 회전하는 하우징을 포함하는 것을 특징으로 하는 차량의 인휠 구동 시스템.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 감지부는 상기 하우징 외측에 설치되어 상기 회전자의 위치를 감지하는 레졸버일 수 있는 것을 특징으로 하는 차량의 인휠 구동 시스템.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 감속기는 상기 휠의 구동축과 상기 인휠 모터의 출력축과 연결되는 것을 특징으로 하는 차량의 인휠 구동 시스템.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 인휠 모터의 일측에 상기 감속기의 축과 연결되어 상기 감속기의 축 방향 운동을 제어하는 솔레노이드를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 차량의 인휠 구동 시스템.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 인버터는 상기 각각의 인휠 모터의 회전수의 편차가 기준 편차 이상인 경우 상기 솔레노이드에 전류를 인가하는 것을 특징으로 하는 차량의 인휠 구동 시스템.
  7. 제5항에 있어서,
    상기 인버터는 상기 각각의 인휠 모터의 회전수의 편차가 기준 편차인 경우 상기 솔레노이드에 인가되는 전류를 '0'으로 하는 것을 특징으로 하는 차량의 인휠 구동 시스템.
  8. 제5항에 있어서,
    상기 솔레노이드는 원통형의 케이스; 상기 케이스 내부를 관통하여 상하 방향으로 운동하는 샤프트; 상기 샤프트 주위에 감겨진 코일; 및 상기 인버터로부터 상기 코일에 동작 전류를 공급하는 전력 와이어를 포함하는 것을 특징으로 하는 차량의 인휠 구동 시스템.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 전력 와이어는 상기 케이스의 하면 상에 형성된 관통홀에 삽입되어 상기 코일과 연결되는 것을 특징으로 하는 차량의 인휠 구동 시스템.
  10. 제8항에 있어서,
    상기 전력 와이어는 상기 케이스의 상면 상에 형성된 관통홀에 삽입되어 상기 코일과 연결되는 것을 특징으로 하는 차량의 인휠 구동 시스템.
  11. 제8항에 있어서,
    상기 케이스의 상측 및 하측의 내부면과 인접되는 샤프트의 상부 및 하부 영역에는 단차부가 형성되는 것을 특징으로 하는 차량의 인휠 구동 시스템.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 단차부 주위에는 베어링이 구비되는 것을 특징으로 하는 차량의 인휠 구동 시스템.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 베어링은 상기 샤프트의 상부 및 하부 영역을 지지하는 것을 특징으로 하는 차량의 인휠 구동 시스템.
  14. 제8항에 있어서,
    상기 샤프트는 상기 감속기 축과 연결되어 동작되는 것을 특징으로 하는 차량의 인휠 구동 시스템.
  15. 제1항에 있어서,
    상기 인휠 모터로의 전력 공급을 제어하는 제어기를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 차량의 인휠 구동 시스템.
  16. 제15항에 있어서,
    상기 인휠 모터로의 전력 공급 및 회생 제동시 생성된 전력을 저장하는 배터리를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 차량의 인휠 구동 시스템.
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