KR102135860B1 - 전력 기반 자동차의 경사로 속도 제한 방법 - Google Patents

전력 기반 자동차의 경사로 속도 제한 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 전력 기반 자동차의 경사로 속도 제한 방법에 관한 것으로서, (a) 경사 센서를 이용하여 경사로의 경사각을 측정하는 단계; (b) 측정된 경사각을 이용하여 차량의 속도를 유지하기 위한 필요토크를 계산하는 단계; (c) 차량의 최대 제동토크가 상기 필요토크를 초과하는지 판단하는 단계; (d) 상기 최대 제동토크가 상기 필요토크를 초과하지 않는다면 차량의 최대속도 제한치를 일정량 감소하는 단계; (e) 상기 최대 제동토크가 상기 필요토크를 초과한다면, 차량의 최대속도 제한치가 규정 최대속도 미만인지를 판단하는 단계; (f) 상기 단계(e)에서 상기 최대속도 제한치가 상기 규정 최대속도 미만이 아닌 것으로 판단되면, 상기 최대속도 제한치를 상기 규정 최대속도와 일치시키는 단계; 및 (g) 상기 단계(e)에서 상기 최대속도 제한치가 상기 규정 최대속도 미만인 것으로 판단되면, 상기 최대속도 제한치를 일정량 증가하는 단계를 포함한다.
본 발명에 따르면, 최대 제동토크와 필요토크를 비교하는 단계 및 최대속도 제한치와 규정 최대속도를 비교하는 단계를 통해 최대속도 제한치를 증감하거나 규정 최대속도와 일치시키도록 제어함으로써, 차량이 평지에서 급격한 내리막 경사를 지나는 경우 제동 토크를 확보할 수 있는 속도까지 사전에 감속하도록 할 수 있고 모터의 한계속도를 초과하는 운전을 방지하여 안전 운전을 도모할 수 있는 효과가 있다.

Description

전력 기반 자동차의 경사로 속도 제한 방법{SPEED LIMITING METHOD IN RAMP FOR ELECTRIC POWER BASED VEHICLE}
본 발명은 전력 기반 자동차의 경사로 속도 제한 방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 전력 기반 자동차가 회생 제동량으로 감속이 되지 않는 경사를 진입하는 경우 최대속도를 초과하는 현상을 방지할 수 있도록 한 전력 기반 자동차의 경사로 속도 제한 방법에 관한 것이다.
일반적으로, 전력 기반 자동차는 전기를 동력으로 움직이는 차량을 의미하며, EV(Electric Vehicle), HEV(Hybrid Electric Vehicle), PHEV(Plug-in Hybrid Electric Vehicle), FCEV(Fuel Cell Electric Vehicle) 등 연료원에 따라 다양한 종류로 출시되고 있다. 또한, 전력 기반 자동차는 다양한 카테고리로 제조되며, 저속 전기차나 초소형 전기차는 법규상 출력에 제한을 두는 차량이다. 예컨대, 저속 전기차는 60km/h, 소형 전기차는 80km/h의 속도 제한을 두고 있다.
전력 기반 자동차는 통상적으로 모터의 회생 제동을 통하여 속도 제한을 구현한다. 최대 회생 제동량은 모터의 출력 특성, 인버터 용량, 배터리 특성 등에 따라서 결정된다. 이들 특성들은 차량의 제조 단계에서 결정되며, 차량이 제한 속도를 초과하지 않도록 설계된다.
그런데, 전력 기반 자동차가 평지에서 최대 속도로 주행하다가 경사로를 진입하는 경우, 최대 회생 제동량으로도 감속이 되지 않는 경우가 발생할 수 있다. 이때, 최대 속도 이상으로 가속되며 운전자는 당황하여 급브레이크를 밟는 등의 사고로 이어질 수 있다.
도 1 및 2는 종래 전력 기반 자동차가 경사로를 진입할 때 최대 속도 이상으로 가속되는 현상을 설명하기 위한 예를 보여준다. 도 1은 전력 기반 자동차에 사용되는 추진 모터의 출력특성 곡선을 예시한 것이며, 도 2는 종래 전력 기반 자동차가 경사로에서 한계속도 이상으로 속도가 증가하는 예를 도시한 것이다.
도 1을 참조하면, 전력 기반 자동차에 탑재되는 추진 모터는 도면과 같이 4상한 운전을 하게 된다. 1사분면과 3사분면은 전진이나 후진 시에 차량을 가속하는 경우 적용되는 특성을 나타내며, 2사분면과 4사분면은 전진이나 후진 시에 차량을 감속하는 경우 적용되는 특성을 나타내며, 회생 제동에 의해 차량의 감속이 수행된다. 전체 사분면에 걸쳐 진하게 표시된 곡선은 모터의 출력특성 곡선이며, 모터가 낼 수 있는 최대 출력을 나타낸다.
도 2를 참조하면, 단계1에서 차량이 평지에서 최고 속도로 주행하는 예를 가정할 수 있다. 모터의 운전점은 op1에서와 같이 1사분면에 위치하며, 최대 속도 근처에 있게 된다. 이어서 단계2에서와 같이 차량이 경사로를 진입하는 경우 최대 속도를 유지하기 위해 회생 제동을 진행하며, 모터의 운전점은 op2에서와 같이 4사분면에 위치한다. 단계3에서 경사가 더 급해지는 경우 모터가 낼 수 있는 한계 토크에 다다른 상태(운전점 op3)로 중력에 의해 차량의 속도가 더 빨라지게 되며, 결국 운전점 op4에서와 같이 모터의 출력특성 곡선을 벗어나 모터의 한계 속도 이상으로 속도가 증가하게 된다.
대한민국 특허공개 제10-2007-0065031호 대한민국 특허등록 제10-1406179호
본 발명은 경사 센서를 이용하여 경사로의 경사각을 검출하고, 경사각에 따라 차량의 속도를 유지하기 위한 필요토크를 계산하며, 최대 제동토크와 필요토크를 비교하는 단계 및 최대속도 제한치와 규정 최대속도를 비교하는 단계를 통해 최대속도를 제한함으로써, 차량이 평지에서 급격한 내리막 경사를 지나는 경우 제동 토크를 확보할 수 있는 속도까지 사전에 감속하도록 할 수 있고 모터의 한계속도를 초과하는 운전을 방지할 수 있도록 한 전력 기반 자동차의 경사로 속도 제한 방법을 제공하는 데 그 목적이 있다.
본 발명의 일실시예에 따른 전력 기반 자동차의 경사로 속도 제한 방법은, (a) 경사 센서를 이용하여 경사로의 경사각을 측정하는 단계; (b) 측정된 경사각을 이용하여 차량의 속도를 유지하기 위한 필요토크를 계산하는 단계; (c) 차량의 최대 제동토크가 상기 필요토크를 초과하는지 판단하는 단계; (d) 상기 최대 제동토크가 상기 필요토크를 초과하지 않는다면 차량의 최대속도 제한치를 일정량 감소하는 단계; (e) 상기 최대 제동토크가 상기 필요토크를 초과한다면, 차량의 최대속도 제한치가 규정 최대속도 미만인지를 판단하는 단계; (f) 상기 단계(e)에서 상기 최대속도 제한치가 상기 규정 최대속도 미만이 아닌 것으로 판단되면, 상기 최대속도 제한치를 상기 규정 최대속도와 일치시키는 단계; 및 (g) 상기 단계(e)에서 상기 최대속도 제한치가 상기 규정 최대속도 미만인 것으로 판단되면, 상기 최대속도 제한치를 일정량 증가하는 단계를 포함한다.
본 발명의 다른 실시예에 따른 전력 기반 자동차의 경사로 속도 제한 방법은, 상기 필요토크는 아래의 수식(1)에 의해 계산된다.
수식(1)
Figure 112019067633560-pat00001
여기서,
Figure 112019067633560-pat00002
는 상기 필요토크,
Figure 112019067633560-pat00003
는 상기 경사각,
Figure 112019067633560-pat00004
는 중력가속도,
Figure 112019067633560-pat00005
는 차량의 중량,
Figure 112019067633560-pat00006
은 차량의 바퀴 반지름,
Figure 112019067633560-pat00007
은 차량의 감속비,
Figure 112019067633560-pat00008
는 차량의 감속기 효율,
Figure 112019067633560-pat00009
은 파라미터 오차 및 토크 응답속도 등을 감안한 마진이다.
본 발명의 전력 기반 자동차의 경사로 속도 제한 방법에 따르면, 최대 제동토크와 필요토크를 비교하는 단계 및 최대속도 제한치와 규정 최대속도를 비교하는 단계를 통해 최대속도 제한치를 증감하거나 규정 최대속도와 일치시키도록 제어함으로써, 차량이 평지에서 급격한 내리막 경사를 지나는 경우 제동 토크를 확보할 수 있는 속도까지 사전에 감속하도록 할 수 있고 모터의 한계속도를 초과하는 운전을 방지하여 안전 운전을 도모할 수 있는 효과가 있다.
도 1은 전력 기반 자동차에 사용되는 추진 모터의 출력특성 곡선을 예시한 도면,
도 2는 종래 전력 기반 자동차가 경사로에서 한계속도 이상으로 속도가 증가하는 예를 개념적으로 묘사한 도면,
도 3은 본 발명에 따른 전력 기반 자동차의 경사로 속도 제한 방법을 구현하기 위한 장치 구성을 예시한 블록도,
도 4는 본 발명에 따른 전력 기반 자동차의 경사로 속도 제한 방법을 예시한 흐름도, 및
도 5는 본 발명에 따라 전력 기반 자동차가 경사로에서 한계속도를 초과하지 않도록 제어되는 예를 개념적으로 묘사한 도면이다.
이하에서는 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 구체적인 실시예가 설명된다. 그러나 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대하여 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물, 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
명세서 전체에 걸쳐 유사한 구성 및 동작을 갖는 부분에 대해서는 동일한 도면 부호를 붙였다. 그리고 본 발명에 첨부된 도면은 설명의 편의를 위한 것으로서, 그 형상과 상대적인 척도는 과장되거나 생략될 수 있다.
실시예를 구체적으로 설명함에 있어서, 중복되는 설명이나 당해 분야에서 자명한 기술에 대한 설명은 생략되었다. 또한, 이하의 설명에서 어떤 부분이 다른 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 기재된 구성요소 외에 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.
또한, 명세서에 기재된 "~부", "~기", "~모듈" 등의 용어는 적어도 하나의 기능이나 동작을 처리하는 단위를 의미하며, 이는 하드웨어나 소프트웨어 또는 하드웨어 및 소프트웨어의 결합으로 구현될 수 있다. 또한, 어떤 부분이 다른 부분과 전기적으로 연결되어 있다고 할 때, 이는 직접적으로 연결되어 있는 경우뿐만 아니라 그 중간에 다른 구성을 사이에 두고 연결되어 있는 경우도 포함한다.
제1, 제2 등과 같이 서수를 포함하는 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되지는 않는다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 예를 들어, 본 발명의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제2 구성요소는 제1 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제1 구성요소도 제2 구성요소로 명명될 수 있다.
도 3은 본 발명에 따른 전력 기반 자동차의 경사로 속도 제한 방법을 구현하기 위한 장치 구성을 예시한 블록도이다.
도 3을 참조하면, 본 발명의 전력 기반 자동차의 경사로 속도 제한 장치는 운전 정보 취득부(110), 토크지령 생성부(120), 속도 제어부(130), 가산기(140), 모터 전류지령 생성부(150), 규정 최대속도 연산부(160), 경사 센서(170), 및 최대속도 제한부(180)를 포함한다.
운전 정보 취득부(110)는 액셀러레이터 개도량, 브레이크 개도량, 기어박스 스위치 상태 등의 정보를 취득하는 수단이다. 액셀러레이터 개도량은 차량 운전자가 액셀러레이터를 밟은 정도를 나타내는 정보이며, 브레이크 개도량은 차량 운전자가 브레이크를 밟은 정도를 나타내는 정보이다. 기어박스 스위치 상태는 전진, 후진, 중립 스위치의 상태를 나타내는 정보이다.
토크지령 생성부(120)는 운전 정보에 따라 모터에 전달하는 토크 지령을 생성하는 수단이다. 속도 제어부(130)는 모터의 출력을 피드백 받아 속도를 제어하기 위한 수단으로, 토크 지령과 속도 제어부의 출력이 가산기(140)에서 가산되어 모터 전류지령 생성부(150)로 전달된다. 모터 전류지령 생성부(150)는 모터에 전류 지령을 출력하여 모터의 회전속도를 제어한다.
운전 정보 취득부(110), 토크지령 생성부(120), 속도 제어부(130), 가산기(140), 모터 전류지령 생성부(150)는 통상의 저속 전기차(또는 소형 전기차)에 탑재되는 속도 제어 장치와 다르지 않다. 하지만, 종래 속도 제어 장치는 속도 제어부(130)가 피드백 제어를 수행하면서 규정 최대속도를 입력받아 모터가 규정 최대속도를 초과하지 않도록 제어함에 반해, 본 발명에서는 경사 센서를 이용한 필요토크를 연산하여 규정 최대속도와 최대속도 제한치를 비교하여 속도 제어를 실시한다는 차이가 있다. 즉, 종래 속도 제어 장치는 지형에 따른 차량의 부하 상태를 고려하지 않았으며, 경사로에서의 밀림 방지 및 급제동 제어는 수행하였지만, 본 발명에서는 지형에 따른 차량의 부하 상태를 고려하여 한계속도를 초과하지 전에 속도를 경감하도록 제어한다는 차이가 있다.
도 3을 참조하면, 본 발명의 속도 제어 장치는 규정 최대속도 연산부(160)와, 경사 센서(170)와, 최대속도 제한부(180)를 더 포함한다. 규정 최대속도 연산부(160)는 차량의 최대 속도를 모터의 회전 속도로 환산한 값으로, 차량의 종류 및 모터 특성에 따라 연산되는 값이다.
경사 센서(170)는 도로의 경사각을 측정하는 센서로서, 예컨대 가속도 센서 등을 이용하여 도로의 경사각을 측정한다. 경사 센서(170)에서 측정되는 경사각은 도 4를 참조하여 후술하는 바와 같이 차량의 속도를 유지하기 위한 모터의 필요토크를 연산하는데 이용된다.
최대속도 제한부(180)는 필요토크와 최대 제동토크를 비교하는 단계와, 최대속도 제한치와 규정 최대속도를 비교하는 단계를 통해 최대속도 제한치를 증감하거나 규정 최대속도와 일치하도록 제한하는 수단이다. 최대속도 제한치를 제한하는 과정에 대하여는 도 4 및 5를 참조하여 후술한다.
도 4는 본 발명에 따른 전력 기반 자동차의 경사로 속도 제한 방법을 예시한 흐름도이다.
도 4를 참조하면, 경사 센서를 이용하여 경사로의 경사각을 측정하는 것으로(ST410) 단계가 시작된다. 그리고 차량의 속도를 유지하기 위한 필요토크를 계산한다(ST420).
여기서, 필요토크는 아래의 수식(1)에 의해 계산될 수 있다.
수식(1)
Figure 112019067633560-pat00010
여기서,
Figure 112019067633560-pat00011
는 상기 필요토크,
Figure 112019067633560-pat00012
는 상기 경사각,
Figure 112019067633560-pat00013
는 중력가속도,
Figure 112019067633560-pat00014
는 차량의 중량,
Figure 112019067633560-pat00015
은 차량의 바퀴 반지름,
Figure 112019067633560-pat00016
은 차량의 감속비,
Figure 112019067633560-pat00017
는 차량의 감속기 효율,
Figure 112019067633560-pat00018
은 파라미터 오차 및 토크 응답속도 등을 감안한 마진이다.
다음으로, 차량의 최대 제동토크가 필요토크를 초과하는지 판단한다(ST430). 최대 제동토크라 함은 모터가 낼 수 있는 최대의 제동 토크로서, 모터의 성능과 인버터의 전압 전류 용량, 배터리의 SOC(State Of Charge), 전압, 허용전류 용량 등의 요인으로 결정되는 값이며, 미리 정해지는 값이다.
단계 ST430에서 최대 제동토크가 필요토크를 초과하지 않는 것으로 판단된다면, 즉, 경사각이 매우 큰 상태에서 높은 감속비를 갖는 상태인 경우, 차량의 최대속도 제한치를 일정량 감소한다(ST440).
단계 ST430에서 최대 제동토크가 필요토크를 초과한다면, 차량의 최대속도 제한치가 규정 최대속도 미만인지를 판단한다(ST450).
여기서, 규정 최대속도라 함은 차량의 최대속도(RPM)를 모터의 회전 속도(RPM)로 환산한 값으로서, 아래의 수식(2)에 의해 계산될 수 있다.
수식(2)
Figure 112019067633560-pat00019
여기서,
Figure 112019067633560-pat00020
는 규정 최대속도,
Figure 112019067633560-pat00021
는 차량의 최대속도,
Figure 112019067633560-pat00022
은 차량의 감속비,
Figure 112019067633560-pat00023
은 휠 반지름이다.
단계 ST450에서 최대속도 제한치가 규정 최대속도 미만이 아닌 것으로 판단되면, 최대속도 제한치를 규정 최대속도와 일치시킨다(ST460). 만약, 단계 ST450에서 최대속도 제한치가 규정 최대속도 미만인 것으로 판단되면, 최대속도 제한치를 일정량 증가시킨다(ST470).
이와 같은 전력 기반 자동차의 경사로 속도 제한 방법에 따르면, 평지에서는 단계 ST460에서와 같이 최대속도 제한치를 규정 최대속도와 일치시키는 제어가 수행된다. 그리고 급격한 내리막 경사로에서 차량이 한계속도에 다다르기 전에 단계 ST440이 수행되어 최대속도 제한치를 감소시킴으로써, 중력에 의해 한계속도를 초과하는 것을 방지한다. 만약, 경사각이 작아지면 단계 ST470에 의해 최대속도 제한치를 증가시켜 규정 최대속도로 회복되도록 제어할 수 있다.
도 5는 본 발명에 따라 전력 기반 자동차가 경사로에서 한계속도를 초과하지 않도록 제어되는 예를 개념적으로 묘사한 도면이다. 도 5를 참조하여 차량이 급격한 내리막에서 한계속도를 초과하는 현상을 방지하는 과정을 설명하면 다음과 같다.
도 5를 참조하면, 배경기술에서 도 2를 참조하여 설명한 바와 같이 단계1에서 차량이 평지에서 최고 속도로 주행하는 예를 가정할 수 있다. 모터의 운전점은 op10에서와 같이 1사분면에 위치하며, 최대 속도 근처에 있게 된다. 이어서 단계2에서와 같이 차량이 경사로를 진입하는 경우 최대 속도를 유지하기 위해 회생 제동을 진행하며, 모터의 운전점은 op20에서와 같이 4사분면에 위치한다.
이때, 경사로의 경사각이 충분히 큰 상태라면, 차량이 속도를 유지하기 위한 필요토크가 커지게 될 것이다. 도 4를 예시하여 설명한 바와 같이, 필요토크가 최대 제동토크 이상으로 커질 경우 단계 ST440으로 진행되어 최대속도 제한치를 일정량 감소시킨다. 이에 따라 모터의 운전점은 도 5의 단계2에서 op30으로 전환될 수 있다. 즉, 경사각이 큰 내리막길을 최대 속도에 가까운 속도로 진입하는 경우, 미리 속도를 경감시키게 되며, 제동토크를 확보할 수 있게 된다.
도 5의 단계3에서와 같이 경사가 더 급해지는 경우에도 제동토크가 확보되어 모터의 운전점은 op40으로 전환되며 속도를 안전하게 줄일 수 있게 된다. 따라서 모터가 한계 토크에 다다라 한계 속도 이상으로 속도가 증가하는 현상을 방지할 수 있게 된다.
위에서 개시된 발명은 기본적인 사상을 훼손하지 않는 범위 내에서 다양한 변형예가 가능하다. 즉, 위의 실시예들은 모두 예시적으로 해석되어야 하며, 한정적으로 해석되지 않는다. 따라서 본 발명의 보호범위는 상술한 실시예가 아니라 첨부된 청구항에 따라 정해져야 하며, 첨부된 청구항에 한정된 구성요소를 균등물로 치환한 경우 이는 본 발명의 보호범위에 속하는 것으로 보아야 한다.
110 : 운전 정보 취득부 120 : 토크지령 생성부
130 : 속도 제어부 140 : 가산기
150 : 모터 전류지령 생성부 160 : 규정 최대속도 연산부
170 : 경사 센서 180 : 최대속도 제한부

Claims (2)

  1. 전력 기반 자동차의 경사로 속도 제한 방법에 있어서,
    (a) 경사 센서를 이용하여 경사로의 경사각을 측정하는 단계;
    (b) 측정된 경사각을 이용하여 차량의 속도를 유지하기 위한 필요토크를 계산하는 단계;
    (c) 차량의 최대 제동토크가 상기 필요토크를 초과하는지 판단하는 단계;
    (d) 상기 최대 제동토크가 상기 필요토크를 초과하지 않는다면 차량의 최대속도 제한치를 일정량 감소하는 단계;
    (e) 상기 최대 제동토크가 상기 필요토크를 초과한다면, 차량의 최대속도 제한치가 규정 최대속도 미만인지를 판단하는 단계;
    (f) 상기 단계(e)에서 상기 최대속도 제한치가 상기 규정 최대속도 미만이 아닌 것으로 판단되면, 상기 최대속도 제한치를 상기 규정 최대속도와 일치시키는 단계; 및
    (g) 상기 단계(e)에서 상기 최대속도 제한치가 상기 규정 최대속도 미만인 것으로 판단되면, 상기 최대속도 제한치를 일정량 증가하는 단계
    를 포함하는 전력 기반 자동차의 경사로 속도 제한 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 필요토크는 아래의 수식(1)에 의해 계산되는 전력 기반 자동차의 경사로 속도 제한 방법.
    수식(1)
    Figure 112019067633560-pat00024

    여기서,
    Figure 112019067633560-pat00025
    는 상기 필요토크,
    Figure 112019067633560-pat00026
    는 상기 경사각,
    Figure 112019067633560-pat00027
    는 중력가속도,
    Figure 112019067633560-pat00028
    는 차량의 중량,
    Figure 112019067633560-pat00029
    은 차량의 바퀴 반지름,
    Figure 112019067633560-pat00030
    은 차량의 감속비,
    Figure 112019067633560-pat00031
    는 차량의 감속기 효율,
    Figure 112019067633560-pat00032
    은 파라미터 오차 및 토크 응답속도 등을 감안한 마진이다.
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