KR102137778B1

KR102137778B1 - 회생제동 시스템

Info

Publication number: KR102137778B1
Application number: KR1020180054333A
Authority: KR
Inventors: 이영일; 장래혁; 최민호; 이경석
Original assignee: 서울과학기술대학교 산학협력단; 한국과학기술원
Priority date: 2018-05-11
Filing date: 2018-05-11
Publication date: 2020-07-27
Also published as: KR20190129534A

Abstract

본 발명의 일 실시예에 의하면, 운송수단 및 유도전동기를 포함하며, 상기 유도전동기가 음의 토크로 구동시 배터리가 충전되는 회생제동 시스템에 있어서, 추종댐퍼(

)를 입력받아 상기 추종댐퍼에 따른 상기 유도전동기의 추종 전동기 토크(

)를 제공하는 외란관측기, 상기 유도전동기가 상기 추종 전동기 토크를 추종하며 동작하도록 상기 유도전동기를 제어하는 CCS-MPTC(Continuous Control Set-Model Predictive Torque Control) 및 Q필터를 포함하며, 상기

은 운송수단의 구동부의 회전각속도

의 값이 음의 값을 가지지 않도록 설정되는 것을 특징으로 하는 회생제동 시스템을 제공한다.

Description

회생제동 시스템{Regenerative braking system}

본 개시는 회생제동 시스템에 관한 것이다.

이 부분에 기술된 내용은 단순히 본 개시에 대한 배경정보를 제공할 뿐 종래기술을 구성하는 것은 아니다.

회생제동(Regenerative braking)은 운동 에너지를 전기 에너지로 회수하는 제동시스템으로서 발전기식 회수 방법에 속한다.

주행 중인 차량이 속도를 줄이기 위해서는 차량이 가지고 있는 운동 에너지를 소모해야 한다. 일반적으로 차량은 제동시 마찰 브레이크를 통해 운동에너지를 대부분 열로 변환하여 소모한다. 그러나 발전기를 이용하면 차량의 제동시 차량의 운동에너지로 발전기를 가동시킴으로써 운동에너지를 전기에너지로 변환할 수 있다. 이때 발생하는 전기 에너지를 배터리에 저장하거나 전원으로 되돌려보내는 식으로 재사용이 가능하게 구성하면 회생제동, 전기 에너지를 저항으로 보내서 열로 변환하여 소모시키는 구성이면 발전제동이 된다.

도 1의 (a) 및 (b)는 회생제동 장치를 탑재한 차량의 구성 및 회생제동 원리를 설명하기 위한 도면이다. 도 1의 (a)는 배터리 방전시의 구동 상태를 나타낸 것이다. 배터리 방전시에는 배터리에서 모터로 전력이 공급되며, 모터는 타이어를 양의 토크로 구동시켜 차량이 주행하도록 한다. 도 1의 (b)는 배터리 충전시의 구동 상태를 나타낸 것이다. 차량이 감속되는 경우 모터는 음의 토크를 가지면서 구동되고, 이때 배터리가 충전된다.

한편, 회생제어와 관련하여, 전동기의 속도에 따라 발생시킬 수 있는 토크범위와 이 범위 내에서의 최대효율을 고려한 유전연산법을 이용한 회생제동 방식이 제안되었다. 유전연산법을 이용한 회생제동 방식은 차량의 속도에 대응되는 음의 토크를 발생시키도록 한다. 또한, 하이브리드 차량의 경우, 제한된 배터리 용량을 고려하여 브레이크 페달 입력 및 차량의 속도에 따라 배터리의 충전상태, 전동기의 효율을 고려한 토크 설정치를 자동변속기 제어와 기계식 브레이크와의 연동관계를 고려하여 정하는 방법이 제안되었다. 위 방법들은 모두 차량의 동역학을 고려하여 토크 설정치를 정하는 방식이다.

다만, 종래의 회생제동 장치는 유압식 제동장치를 병행하여 사용해야 하며, 회생제동으로부터 유압식 제동으로 변환하는 과정에서 시간적 간격이 발생함으로 인해 사고가 발생할 수 있다. 또한, 차량의 동역학을 고려하여 토크설정치를 결정하는 종래의 회생제동 장치는 일정 토크 이하에서 배터리 충전 효율이 상대적으로 낮다. 또한, 응답 속도 지연 등의 문제로 인해 상황에 따라 적절한 제동 제어가 이루어지기 어려운 문제도 있다.

이에, 본 발명의 실시예들은 차량의 동역학으로부터 토크설정치를 결정하는 종래 회생 제어시스템과는 다르게 외란관측기를 활용하여 추종댐퍼값(

)으로부터 추종 전동기 토크를 설정하는 회생제어 시스템을 제공하는 것을 목적으로 한다.

또한 본 발명의 실시예들은 배터리 충전 효율이 양호하며 안전한 추종댐퍼값을 가지는 회생제어 시스템을 제공하는 것을 목적으로 한다.

또한 본 발명의 실시예들은 회생제어 시스템에서 에너지 회수율이 양호하며 차량의 역주행이 방지되는 범위의 추종댐퍼값을 결정하는 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.

)를 제공하는 외란관측기, 상기 유도전동기가 상기 추종 전동기 토크를 추종하며 동작하도록 상기 유도전동기를 제어하는 CCS-MPTC (Continuous Control Set-Model Predictive Torque Control; 170) 및 Q필터를 포함하며, 상기

은 운송수단의 구동부의 회전각속도

또한, 유도전동기, 추종댐퍼(

)를 제공하는 외란관측기, 상기 유도전동기가 상기 추종 전동기 토크를 추종하며 동작하도록 상기 유도전동기를 제어하는 CCS-MPTC 및 Q필터를 포함하며, 상기 유도전동기가 음의 토크로 구동시 배터리가 충전되는 회생제동 시스템에 있어서, 상기 운송수단의 구동부의 회전각속도

의 값이 음의 값을 가지지 않도록 상기 추종댐퍼값을 결정하는 것을 특징으로 하는 추종댐퍼 결정방법을 제공한다.

도 1의 (a) 및 (b)는 회생제동 장치를 탑재한 차량의 구성 및 회생제동 원리를 설명하기 위한 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 회생제동 시스템의 구성을 도시한 도면이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 회생제동 시스템의 일 구성요소인 외란관측기의 구성을 도시한 블록선도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 회생제동 시스템에서 추종 전동기 토크 및 회전각속도를 설명하기 위해 본 발명의 일 실시예에 따른 회생제동 시스템의 일 구성요소인 외란관측기의 구성을 도시한 블록선도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 회생제동 시스템에서 추종댐퍼를 설정하는 과정을 설명하기 위해 본 발명의 일 구성요소인 외란관측기의 구성을 도시한 블록선도이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 회생제동 시스템에서 설정된

에 따른

을 인가했을 때

의 변화를 나타낸 그래프이다.
도 7은 본 발명의 회생제동 시스템 또는 장치가 작동하는 원리를 설명하기 위한 순서도이다.

이하, 본 발명의 일부 실시예들을 예시적인 도면을 통해 상세하게 설명한다. 각 도면의 구성 요소들에 참조 부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성 요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호를 가지도록 하고 있음에 유의해야 한다. 또한, 본 발명을 설명함에 있어, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략한다.

본 발명에 따른 실시예의 구성요소를 설명하는 데 있어서, 제1, 제2, i), ii), a), b) 등의 부호를 사용할 수 있다. 이러한 부호는 그 구성요소를 다른 구성 요소와 구별하기 위한 것일 뿐, 그 부호에 의해 해당 구성요소의 본질 또는 차례나 순서 등이 한정되지 않는다. 명세서에서 어떤 부분이 어떤 구성요소를 '포함' 또는 '구비'한다고 할 때, 이는 명시적으로 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.

본 발명의 일 실시예에 따른 회생제동 시스템은 다른 장치에도 적용되는 것일 수 있으나, 본 명세서에서는 전기자동차에 적용되는 회생제동 시스템을 예로 들어 설명한다.

본 발명에 따른 각 실시예들에 관하여 설명하기에 앞서, 본 발명에 따른 각실시예의 구성요소를 설명하는데 있어서 사용할 용어를 표 1과 같이 정의한다.

	현재 전동기 토크			추종댐퍼
	부하토크			회전각속도
	관성모멘트			추종 전류
	댐퍼			추종 자속
	추종 전동기 토크			dq축 전압
	추종 관성모멘트

도 2를 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 회생제동 시스템의 구성을 설명한다.

본 발명의 일 실시예에 따른 회생제동 시스템은 차량(110), 가속페달(120), 유도전동기(130), 배터리(140), 인버터(150), 외란관측기(160), CCS-MPTC(170)(Continuous Control Set-Model Predictive Torque Control), 손실 최소화 장치(Loss minimization; 180) 및 브레이크 노브(190)(Brake knob)를 포함한다.

차량(110)은 댐퍼값인

를 가지며, 추종댐퍼

을 추종하도록 제어된다.

가속페달(120)은 양의

값을 제공한다. 운전자가 가속페달(120)을 통해 원하는 양(+)의

값을 추종하도록 하면 차량의 전동기 토크가 운전자가 원하는

값을 추종하도록 시스템이 제어된다.

유도전동기(130)는 배터리(140)로부터 전력을 공급받아 구동됨으로써 전기자동차에 동력을 제공한다. 가속이 필요한 경우 전기자동차는 배터리(140)로부터 전력이 공급되어 유도전동기(130)가 양의 방향으로 구동되도록 양의 토크값으로 구동된다. 한편 유도전동기(130)는 배터리(140)에 충전 전력을 공급한다. 유도전동기(130)가 양의 방향으로 회전하는 동안 음(-)의 토크값을 가지게 되면, 회생제동 시스템의 작동 원리로 인해 유도전동기(130)가 배터리(140)에 충전 전력을 공급한다. 회생제동 시스템에서는 특히 유도전동기(130)가 양의 방향으로 회전하면서 음의 토크를 가지는 경우에만 배터리(140)가 충전될 수 있다.

배터리(140)는 유도전동기(130)가 양의 토크값을 가지고 구동하도록 유도전동기(130)에 전력을 공급한다. 유도전동기(130)에 전력을 공급하는 동안, 배터리(140)는 방전된다. 한편, 배터리(140)는 유도전동기(130)가 음의 토크값을 가지는 경우에는 충전된다. 유도전동기(130)는 추후 설명할 내용과 같이 외란관측기(160)로부터 얻어진 추종 전동기 토크를 추종하도록 구동된다.

인버터(150)는 배터리(140)로부터 유도전동기(130)로 전류를 전달하며, 유도전동기(130)의 작동에 적합한 형태로 전류를 변환하여 공급한다.

외란관측기(160)는 추종댐퍼를 입력받아 추종댐퍼에 따른 유도전동기(130)의 추종 전동기 토크를 제공한다. 한편, 전동기의 기계시스템으로서 동역학은 (수학식 1)과 같다.

...(수학식 1)

여기서,

는 전기자동차의 관성모멘트,

는 댐퍼,

는 유도전동기(130)의 회전각속도,

는 유도전동기(130)의 현재 전동기 토크,

은 부하토크를 의미한다.

은 전기자동차의 경우 공기의 저항, 바퀴와 지면의 마찰력 등에 의해 발생되는, 운동을 방해하는 역방향으로 작용되는 토크를 의미한다.

본 발명의 일 실시예에서 원하는 전기자동차의 동역학은 예시적으로 도 2로부터 (수학식 2)와 같을 수 있다.

(수학식 2)에서

,

및

은 각각 전기자동차의 추종 관성모멘트, 유도전동기(130)의 추종 회전각속도, 전기자동차의 추종댐퍼값, 전기자동차에 작용하는 부하 토크이다.

값은 실제 자동차의

와 유사하게 설정할 수 있는 값이다.

값은 사용자의 제동 의지에 따라 임의로 설정할 수 있는 값이다. 즉, 사용자가 급격한 제동을 원하면

값을 크게 설정할 수 있다. 사용자가 장치를 서서히 제동시키기를 원하면 급격한 제동을 원하는 경우보다 상대적으로 작은

값을 가지도록 설정할 수 있다.

한편, 사용자가 장치를 제동시키기를 원하지 않으면 앞서의 경우보다 더욱 작게

값을 설정하거나, 이상적으로는

값이 0이 되도록 설정할 수 있다.

CCS-MPTC(170)는 유한 제어요소 모델 예측 토크제어를 하는 연속 제어 장치를 의미한다. CCS-MPTC(170)는 유도전동기(130)가 추종 전동기 토크

을 추종하며 동작하도록 유도전동기(130)를 제어할 수 있다. 구체적으로, CCS-MPTC(170)에서는 외란관측기(160)로부터 제공된

값을 추종하며 유도전동기(130)가 동작하도록 하는 유도전동기(130)의 추종 전류 또는 추종 자속을 인지할 수 있다. CCS-MPTC(170)는 인지된 추종 전류 또는 추종 자속을 추종하며 유도전동기(130)가 구동하도록 유도전동기(130)를 제어할 수 있다. 이는 예시적으로 CCS-MPTC(170)에서 유도전동기(130)의

, 즉 d-q축 전압을 지령하는 방식으로 수행될 수 있다. 한편, CCS-MPTC(170)는 PID 제어기로 대체될 수 있다. PID 제어기는 CCS-MPTC(170)와 유사하게 유도전동기(130)의 토크를 제어할 수 있는 토크제어기의 역할을 할 수 있다.

손실 최소화 장치(Loss minimization; 180)는 외란관측기(160)에서 CCS-MPTC(170)로 전달되는 신호의 손실을 줄여줄 수 있다. 손실 최소화 장치(Loss minimization; 180)에 의한 손실최소화 기법을 사용하여 상태지령을 선정함으로써, 유도전동기(130)를 제어할 때 자속 증가영역, 자속 제한영역으로 세분화하여 제어 상태를 달리함으로써 효율적인 구동을 수행할 수 있다.

브레이크 노브(190)는 추종하고자 하는

값을 운전자로부터 입력받아 차량에 제동력을 제공한다. 운전자는 구체적인

의 수치를 의식한 상태에서 브레이크 노브(190)에

을 추종할 것을 명령한다. 한편, 운전자는 구체적인

의 수치를 인식하지 않아도, 감각에 의해 적당한 제동 정도를 판단하여 브레이크 노브(190)가 차량이

을 추종하며 제동하도록 차량을 제어할 수 있다. 예시적으로, 운전자에 의해 설정된

값을 운전자로부터 전달받은 브레이크 노브(190)는 위

값을 외란관측기(160)에 전달하고, 외란관측기(160)는 브레이크 노브(190)로부터 전달받은

값을 기초로 적절한

값을 정할 수 있다.

도 3을 참조하여 (수학식 2)를 만족하는

값을 구하는 과정에 대해 설명한다.

도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 회생제동 시스템의 일 구성요소인 외란관측기(160)의 구성을 도시한 블록선도이다.

값은 외란관측기(160)에 의해 (수학식 2)를 만족하도록 설계될 수 있다. 구체적으로, 외란관측기(160)는 도 3과 같은 구성을 가지도록 설계될 수 있다. 설계된 외란관측기(160)로부터,

은 다른 변수들과의 관계에서 자연적으로 도출될 수 있음을 알 수 있다.

도 3과 같은 구성을 가지는 외란관측기(160)에서

과

의 관계를 정리하면, (수학식 3)과 같이 정리된다.

여기서

및

는 각각 (수학식 4) 및 (수학식 5)와 같다.

여기서

와

는 현재 구동상태에서 가지는 관성모멘트 값 및 댐퍼값을 의미하고,

과

은 추종하고자 하는 추종 관성모멘트 및 추종댐퍼값을 의미한다. 다만,

와

은 그리 큰 차이를 보이지 않게 설정한다. (수학식 4)에서

의 수치를 높임으로써 시스템의 응답 속도를 높이는 효과를 기대할 수 있다. 즉,

의 수치를 높이는 경우, 제동 시간이 더욱 짧아짐을 기대할 수 있다. 또한, 도 3으로부터

,

등의 값이 정해지면

값도 자연히 도출됨을 알 수 있다. 여기서

의 형태에는 제한이 없다. 즉,

은 특정 수치를 가진 계단 입력일 수도 있고, 다른 형태의 입력을 가진 함수가 될 수도 있다. 또한

은 시변 함수 또는 시불변 함수가 될 수 있다. 또한

값은 운전자가 의식적으로 설정한 값일 수 있으며, 한편으로는 시스템에서 적절한 값을 계산하여 제공하는 값일 수 있다.

한편,

과

의 관계를 나타내면 (수학식 6)과 같다.

여기서

는 (수학식 7)과 같다.

여기서

는 일반적인 외란 관측기 구조에서 Q 필터라 불리는 것으로, DC 단일 이득(

)을 갖는 저역 통과 필터이다. 구체적으로, Q필터의 형태는 (수학식 8)과 같이 정의될 수 있다.

Q필터는 주파수 영역에서

과 같이 표시되고, 저주파수 영역에서

는 0에 가까운 값으로 수렴한다. 따라서 저주파 대역에서

는 1에 가까운 값을 가지게 된다. (수학식 7)에서

를 1로 놓으면,

는

과 동작상태가 거의 동일하도록 동작한다. 이러한 사실 및 (수학식 6)으로부터 외란관측기(160)에 의해

과

이 (수학식 1)과 같은 관계를 가지면서 구동할 수 있음을 알 수 있다.

추종해야 하는

을 구하기 위해, 도 3으로부터

을 아래와 같이 정리할 수 있다.

도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 회생제동 시스템에서 추종 전동기 토크 및 회전각속도를 설명하기 위해 본 발명의 일 실시예에 따른 회생제동 시스템의 일 구성요소인 외란관측기(160)의 구성을 도시한 블록선도이다.

은 CCS-MPTC(170)에 직접적으로 전달되거나 다른 방식으로 정리되어 전달된다. 구체적으로,

은 매개변수를 이용하여 정리되어 전달되거나, 유도전동기(130)의 추종 전류(

) 또는 추종 자속(

)으로 변환되어 전달될 수 있다. 또한, 디지털 신호로 이산화되어 전달될 수도 있을 것이다. 여기서, (수학식7)을 (수학식9)에 대입하여

에 관해 정리하면 아래와 같다.

(수학식 11)에서

를 다음과 같이 정의할 수 있다.

이를 (수학식 10)에 대입하면,

와 같이 정리할 수 있다. 이로부터, 각 변수들의 관계에 대한 블록선도를 도 4와 같이 표현할 수 있다.

위와 같이 외란관측기(160)는 (수학식 10), (수학식 11), (수학식 13)과 같은

값을 실시간으로 제공하게 되고, 위

값은 추종하고자 하는

,

및

간의 동역학에 관한 (수학식 2)을 만족시키는 값이다. 한편, 여기서

은 사전에 설정될 수 있는 값이며,

은 구체적으로 그 정확한 수치를 사용자가 감지하는 것은 아니지만, 사용자의 감각에 의해 정해질 수 있는 값이다. 이는 사람이 자동차를 운전하면서 속도를 줄일 때, 정확히 바퀴의 회전각속도의 수치를 인식하는 것은 아니지만, 대략적으로 어느 정도까지 속도를 줄일지 인식하면서 브레이크를 밟는 상황과 유사하다고 볼 수 있다.

은 외부 상황에 따라 달라지는 값일 수 있다. 한편, 일 예시적으로 여기서 최초로 정해지는 값은

일 수 있다.

값은 앞서 설명한 바와 같이 실제 댐퍼값이 아니라, 차량의 동역학이 마치

과 같은 댐퍼값을 가지는 것처럼 운동하게 하는 가상의 입력값을 의미한다.

도 5를 참조하여 적정한

값을 구하는 과정에 대해 설명한다.

도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 회생제동 시스템에서 추종댐퍼를 설정하는 과정을 설명하기 위해 본 발명의 일 실시예에 따른 회생제동 시스템의 일 구성요소인 외란관측기(160)의 구성을 도시한 블록선도이다. 구체적으로, 도 5는

과 추종댐퍼간의 관계를 명확하게 하고 변수를 줄이기 위해

으로 둔 상태에서 도 4에 도시된 블록선도를 변형한 것이다.

도 5에 도시된 블록선도에서

을 x1, 적분기 (1/s)의 출력을 x2라 정의한다. 한편, 도 5로부터 x1, x2는 각각 아래와 같은 관계를 가짐을 알 수 있다.

(수학식 14)를 (수학식 15)에 대입하여 sX1에 대해 정리하고, sX2를 X1과의 관계에 관하여 정리하면 아래와 같다. 여기서 X는 [x1 x2]의 전치행렬을 의미한다.

한편, (식 15)로부터 초기치

는 다음과 같다.

이로부터, 초기치와 상태변수 간의 관계

를 이용하여 상태변수 X를 구할 수 있다. 여기서

는 아래와 같다.

시스템의 전달함수

의 관계를 가지므로, (수학식 18)로부터

는 아래와 같이 표현할 수 있다.

여기서, 시스템의 전달함수

의 특성방정식을

이라 하면,

는 아래와 같다.

한편,

이므로, 이 식에 식

에 관한 (수학식 17) 및

에 관한 (수학식 19)를 대입하여 x1 및 x2를 구할 수 있다. 이로부터 구한 x1은 아래와 같다.

또한, (수학식 14),

,

로부터,

은 아래와 같이 표현할 수 있다.

(수학식 17), (수학식 19), (수학식 20)을 (수학식 22)에 대입하여 정리하면 아래와 같다.

(수학식 21) 및 (수학식 23)으로부터,

과

은 2차 시스템에 영점이 추가된 형태임을 알 수 있다. 구체적으로,

에 관련된 식에 추가된 영점은

,

에 관련된 식에 추가된 영점은

임을 알 수 있다.

(수학식 21) 및 (수학식 23)의 영점은 양의 값을 가진다. 따라서 각각의 영점이 우반평면에 존재하고, 이 경우

과

값에 미치는 영점의 영향이 크다면

과

값에 대해 하향 오버슈트가 생기게 된다.

에 관한 그래프에서 하향 오버슈트가 발생한다는 것은 차량이 후진함을 의미하므로, 이 경우 차량의 안전성에 문제가 생긴다. 또한

에 관한 그래프에서 하향 오버슈트가 발생하면 추종 전동기 토크가 양의 값을 가지게 되어 회생제동이 일어나지 않아 배터리(140)가 충전되지 않게 되므로 추종 전동기 토크를 설정하는 것이 무의미해진다. 이때

과

값에 대해 하향 오버슈트를 방지하기 위해 각 값에 대한 영점의 영향을 작게 할 필요가 있다. 실험적으로 영점의 영향을 작게 하여 각 값에 대한 시스템을 2차 시스템으로 근사화하기 위해서는 영점이

보다 2배 이상 커야 한다는 조건을 설정할 수 있다. (수학식 21)과 (수학식 23)의 분모는

로 같으므로,

과

에 관한 식에서 모두

값도 동일하다. 즉, (수학식 20)으로부터

임을 알 수 있고, 이로부터

임을 알 수 있다. 또한, (수학식 20)으로부터

임을 알 수 있으며, 이로부터

임을 알 수 있다.

에 관하여 2차 시스템 근사화를 위한 조건을 만족시키는 식, 즉, 영점이

보다 2배 이상 커야 한다는 조건을 만족하려면, (수학식 21)로부터 아래의 식을 만족해야 한다.

보다 2배 이상 커야 한다는 조건을 만족하려면, (수학식 23)으로부터 아래의 조건을 만족해야 한다.

다만

에 관한 하향 오버슈트는 필요시마다 제어할 수 있다. 즉,

또는

이 양의 토크값을 가지는 경우가 차량의 운전시 발생할 수 있으나, 그 경우에는 별도의 제어, 예를 들어 운전자의 의식적인

에 대한 수동 제어 등을 통해 하향 오버슈트를 방지할 수 있다. 따라서 이하에서는

에 관한 (수학식 26)을 만족하는 범위를 구하는 것이 아닌,

에 관한 (수학식 27)의 조건을 만족하는

값을 구하는 것을 목표로 한다.

시스템의 응답시간과 관련하여, 시스템의 응답시간은

에 반비례하므로,

이 커질수록 시스템의 응답속도는 빨라진다. (수학식 24)로부터

이 클수록,

가 작을수록 시스템의 응답시간 측면에서 더 유리함을 알 수 있다.

한편, 시스템의 응답시간은

에 반비례하므로

이 커질수록 시스템의 응답속도는 느려진다. (수학식 25)로부터

이 클수록,

이 작을수록 시스템의 응답시간 측면에서 더 유리함을 알 수 있다. 하지만

이 지나치게 커지면 감쇠비가 낮아지므로 시스템이 비감쇠 시스템(Undamped system)에 가까워져 안정도가 떨어지는 문제가 있다. 또한,

가 작을수록 시스템의 응답시간 측면에서 더 유리하지만,

를 일정 범위 이하로 작게 만들 수 없는 문제가 있다. 즉,

가 작을수록 토크가 크게 걸려 전동기의 한계 토크 이상의 값이 되므로 토크가 전동기의 한계 토크를 넘어서는 포화(saturation) 문제가 생길 수 있다. 이 경우 시스템이 원하는 상태로 동작하지 않을 수 있으므로, 너무 작은

값도 사용할 수 없다.

본 실시예에서는 예시적으로

값의 범위를 정하는 방식을 설명하기로 한다.

와

값은 실질적으로 그 차이가 크지 않기 때문에 거의 같은 값이라 상정할 수 있다. 즉, 예시적으로

이라고 가정할 수 있으므로, (수학식 26)에

대신

를 대입하여 정리하면 아래와 같다.

한편,

값이

보다 작은 경우는 실질적인 댐퍼값보다 추종하고자 하는 추종댐퍼값의 크기가 더 작아지므로, 이런 경우에는

값을 설정하는 것이 무의미해진다. 즉,

값이

보다 작은 경우는 이미 현실적으로 작용하는 제동력의 크기보다 추종하고자 하는 제동력의 크기가 더 작아지므로, 이러한

값을 추종하는 것은 의미가 없을 수 있다. 따라서,

은

보다 큰 값을 가지는 것이 바람직하다. 이를 식으로 표현하면 아래와 같다.

(수학식 28) 및 (수학식 29)의 결론을 종합하면 아래와 같다.

(수학식 30)에 예시적으로 충분히 작은 값이면서 토크 포화 문제를 발생시키지 않을 만한 실험적인 값인

을 대입하면

범위 내의

값을 설정하는 것이 바람직하다는 결론을 얻을 수 있다.

(수학식 26), (수학식 29)를 만족하는

의 범위는 본 발명의 일 실시예에 따른 회생제동 시스템에서 효율적으로 전력을 충전하면서도 시스템의 안전성을 보장할 수 있게 해준다.

값은 클수록 회생제동의 효율이 높아져 충전되는 전력량이 커지지만,

값이 너무 커지는 경우 차량이 후진하게 되어 사고의 위험이 발생할 수 있다. (수학식 26)은

이 너무 커지는 경우 음의 토크값이 너무 커져 차량의 후진으로 인한 사고가 발생하는 것을 방지하는

값의 범위를 제공한다. (수학식 29)는 회생제동 시스템이 의미를 가질 수 있는

값의 범위를 제공한다.

이 (수학식 29)와 같은 범위를 갖도록 설정하는 것은

이 B보다 작은 값을 가지는 경우, 이러한

값을 추종하도록 하는 것은 오히려 전력 충전 효율을 떨어뜨릴 수 있기 때문이다.

(수학식 30)은

과

가 거의 같은 값이라고 가정했을 경우, 이상적이라고 할 수 있는

의 범위를 설정한 것이다. (수학식 30)은 (수학식 26)과 비교했을 때 변수를 간소화하여 식을 간단하게 만들었다는 데에 그 의미가 있다.

도 6을 참조하여 입력되는

의 범위에 따른

의 변화를 설명한다.

도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 회생제동 시스템에서 설정된

에 따른

을 인가했을 때

의 변화를 나타낸 그래프이다. 도 6의 (a)는

값이 적정 범위를 넘어섰을 경우에 설정되는

값 및

값의 변화를 나타낸 그래프이다. 도 6의 (b)는

값이 지나치게 작을 때 설정되는

값 및

값의 변화를 나타낸 그래프이다. 도 6의 (c)는

값이 적정 범위 내에 있을 때 설정되는

값 및

값의 변화를 나타낸 그래프이다. 각 그래프에서 A는

의 그래프이며, B는

의 그래프를 나타낸다.

도 6의 (a)에서,

은 적정 범위보다 크게 설정되었다. 예를 들어

은 (수학식 26)에 설정된 범위보다 더 큰 값을 가지도록 설정된 것일 수 있다. 이때

은 그 크기가 충분히 큰 음의 값을 가지도록 설정되므로 배터리(140) 충전 효율은 상당히 양호하다. 그러나 이 경우,

의 그래프 상에 하향 오버슈트가 형성된 구간이 생기고, 이 구간에서

은 음의 값을 가지게 되므로 차량이 역주행하게 되어 사고 발생 위험이 있는 문제가 있다.

도 6의 (b)에서,

은 적정 범위보다 작게 설정되었다. 즉,

은 (수학식 29)에 설정된 범위보다 작게 설정되었다. 이때

은 현재 차량이 가진 댐퍼값인 B보다 오히려 낮은 값이므로 차량의 제동을 오히려 방해하는 역할을 할 수 있다. 또한, 이 경우

의 크기도 충분히 작지 않기 때문에 배터리(140)의 충전 효율도 좋지 않다.

도 6의 (c)에서,

은 적정 범위 내의 값으로 설정되었다. 즉, 도 6의 (c)에서

의 값은 도 6의 (a)와 (b) 사이의 값을 가진다. 이때

의 그래프는 하향 오버슈트 구간을 가지지 않으므로 차량이 후진할 위험이 없어 차량 운행의 안전성이 높아진다. 또한, 이 경우에는

의 값이 충분히 높은 값을 가지므로

의 크기가 충분히 크게 설정됨으로써 배터리(140)의 충전 효율도 양호하다.

도 7은 본 발명의 회생제동 시스템 또는 장치가 작동하는 원리를 설명하기 위한 순서도이다.

본 발명의 회생제동 시스템이 작동하는 과정을 도 7을 참고하여 설명한다.

입력과정에서는

값이 외란관측기(160)에 입력된다.

값은 예를 들어 운전자가 브레이크 노브(190)의 기울어진 정도에 대응하여 정해질 수 있다.

설정과정에서는

입력과정에서 외란관측기(160)에 입력된

값을 기초로 앞서 도 3을 참고하여 설명한 내용과 같이

을 설정한다.

CCS-MPTC(170)인지과정에서는 결정된

은 CCS-MPTC(170)로 전달된다.

은 CCS-MPTC(170)로 전달되기 전에 손실 최소화 장치(noise minimization; 180)을 통해 노이즈가 제거될 수 있다.

유도전동기(130) 제어과정에서는 CCS-MPTC(170)에 의해

설정과정에서 정해진

값을 추종하며 유도전동기(130)가 작동하도록 제어된다. 유도전동기(130) 작동과정에서는 유도전동기(130)가 작동하여 차량의 운행상태를 제어한다.

본 발명의 각 실시예에 따른 시스템 또는 장치는 결정되는 추종댐퍼에 따라 유도전동기(130)의 추종 전동기 토크를 설정함으로써 장치의 제동을 컨트롤할 수 있다. 또한, 본 발명은 전기자동차와 같이 장치 자체의 이동 속도 감소에 따른 음의 토크에 의해 회생제동이 일어나는 장치에만 적용되는 것은 아니다. 즉, 장치 자체의 이동은 없이 제자리에 정지해 있어도, 배터리(140)의 전력 및 모터의 동력을 이용하여 구동되는 장치로서 회생제동 방식으로 배터리(140) 충전을 할 수 있는 장치라면 본 발명이 적용되는 대상이 될 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따른 시스템 또는 장치는 종래 방식과는 달리 추종댐퍼에 따른 유도전동기(130)의 토크값을 설정하는 제어 방식으로 제동을 하는 것이다. 추종댐퍼에 따라 유도전동기(130)의 토크값을 제어하여 제동을 하는 경우, 본 명세서에서 예시적으로 기재한 내용 외에도 제어 시스템에 변형을 줌으로써 기존의 방식을 사용할 때와는 달리 과도응답 또는 응답 시간등의 요소를 컨트롤 할 수 있는 여지가 더욱 확대될 수 있다. 즉, 본 명세서에서 예시적으로 기재한 내용 외에도 제어시스템을 보상 또는 수정함으로써 차량의 동역학에 변화를 줄 수 있는 범위가 넓어져 제동의 형태 및 효과를 가변화할 수 있는 장점이 있다.

한편, 회생제동 효율에 대한 관점에서 볼 때, 이미 공지된 회생제동 장치의 경우에도 배터리(140)의 충전 효율을 높이고자 하는 시도는 있었다. 그러나, 이러한 회생제동 장치 또는 시스템의 경우에도 특히 저속 또는 음의 토크의 절대값이 작은 영역에서 배터리(140)의 충전 효율이 급격히 낮아지는 문제점이 있었다. 본 발명은 이와는 달리 완전 멈춤시까지 회생제동을 가능하게 하는 것으로서, 저속 또는 음의 토크의 절대값이 작은 범위에서도 배터리(140)의 충전 효율이 상대적으로 높게 유지할 수 있다는 장점이 있다.

본 발명은 배터리(140)의 충전 효율이 양호한

값을 결정하는 방법 및 이러한

값을 이용하는 회생제동 시스템을 제안함으로써 에너지 효율 측면에서 장점이 있다. 또한 본 발명은

에 관한 그래프가 오버슛을 가지지 않도록 하는

값을 결정하는 방법 및 이러한

값이 적용된 회생제동 시스템을 제안함으로써 자동차의 역주행을 방지하여 안전성 측면에서 장점이 있다.

이상의 설명은 본 실시예의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 실시예가 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 실시예의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다. 따라서, 본 실시예들은 본 실시예의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예에 의하여 본 실시예의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 실시예의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 실시예의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.

110 : 차량 160 : 외란관측기
120 : 가속페달 170 : ccs-mptc
130 : 유도전동기 180 : loss minimization
140 : 배터리 190 : 브레이크 노브
150 : 인버터

Claims

유도전동기를 갖는 운송수단과 연동하며, 상기 유도전동기가 음의 토크로 구동되는 동안 배터리를 충전하기 위한 회생제동 시스템에 있어서,
추종댐퍼(
)를 입력받아 상기 추종댐퍼에 따른 상기 유도전동기의 추종 전동기 토크(
)를 산출하는 외란관측기(disturbance observer);
상기 유도전동기가 상기 추종 전동기 토크를 추종하며 동작하도록 상기 유도전동기를 제어하는 연속 제어 장치; 및
저역 통과 필터인 Q필터를 포함하며,
상기
은 상기 유도전동기의 회전각속도
의 값이 음의 값을 가지지 않도록 설정하되,
상기 Q필터는 수학식

를 만족하되 상기
는 상기 Q필터의 필터계수이고,
상기 추종댐퍼(
)은 수학식

을 만족하되, 상기
는 운송수단의 관성모멘트, 상기
은 추종 관성모멘트인 것을 특징으로 하는 회생제동 시스템.
삭제
제1항에 있어서,
수학식

을 만족하되, 상기
는 상기 운송수단의 댐퍼인 것을 특징으로 하는 회생제동 시스템.
제1항에 있어서,
수학식

를 만족하는 것을 특징으로 하는 회생제동 시스템.
제1항에 있어서,
상기
과 같은 값을 가지며, 상기
의 값은 1인 것을 특징으로 하는 회생제동 시스템.
제1항에 있어서,
상기 추종댐퍼(
)를 상기 외란관측기에 전달하는 브레이크 노브를 추가로 포함하는 회생제동 시스템.
유도전동기;
추종댐퍼(
)를 입력받아 상기 추종댐퍼에 따른 상기 유도전동기의 추종 전동기 토크(
)를 제공하는 외란관측기;
상기 유도전동기가 상기 추종 전동기 토크를 추종하며 동작하도록 상기 유도전동기를 제어하는 연속 제어 장치; 및
Q필터를 포함하며, 상기 유도전동기가 음의 토크로 구동시 배터리가 충전되는 회생제동 시스템에 있어서,
상기 운송수단의 구동부의 회전각속도
의 값이 음의 값을 가지지 않도록 상기 추종댐퍼값을 결정하되,
상기 Q필터는

를 만족하고,
상기 운송수단의 관성모멘트
, 상기 운송수단의 추종 관성모멘트
, 상기 추종댐퍼
및 상기 Q필터의 필터 계수
는

를 만족하도록 상기 추종댐퍼값을 결정하는 것을 특징으로 하는 추종댐퍼 결정 방법.
삭제
제7항에 있어서,

을 만족하는 것을 특징으로 하는 추종댐퍼 결정 방법.
제7항에 있어서,

을 만족하는 것을 특징으로 하는 추종댐퍼 결정 방법.