KR20150023983A - 차량의 구동력 배분 장치 및 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 차량의 직진 주행 여부에 따라 구동력을 계산하고 구동 모드에 따라 이 구동력을 배분하는 차량의 구동력 배분 장치 및 방법을 제안한다. 본 발명에 따른 차량의 구동력 배분 장치는 차량의 운행 정보를 기초로 차량의 직진 주행 여부를 판단하는 직진 주행 판단부; 차량이 직진 주행하는 것으로 판단되면 차량의 종방향 속도에 기초한 제1 구동력을 계산하는 제1 구동력 계산부; 차량이 직진 주행하지 않는 것으로 판단되면 차량의 횡방향 가속도에 기초한 제2 구동력을 계산하는 제2 구동력 계산부; 제1 구동력 또는 제2 구동력을 기초로 구동 모드를 결정하는 구동 모드 결정부; 및 구동 모드에 따라 제1 구동력 또는 제2 구동력을 배분하여 해당 바퀴를 구동시키기 위한 모터로 토크를 인가하는 구동력 배분부를 포함한다.

Description

차량의 구동력 배분 장치 및 방법 {Apparatus and method for distributing driving force of vehicle}
본 발명은 차량의 구동력을 배분하는 장치 및 방법에 관한 것이다. 보다 상세하게는, 4륜 인휠 차량의 구동력을 배분하는 장치 및 방법에 관한 것이다.
하나의 동력원으로 구동하는 내연기관 차량은 디퍼렌셜 기어를 통하여 좌/우측 바퀴에 동일한 구동력을 분배하기 때문에 노면 마찰력이 확보된 지면에서 주행시 별도의 구동력 배분이 필요하지 않는다.
그런데 4개의 바퀴 휠 안에 모터를 연결하여 각각 독립적으로 구동하는 4륜 인휠 차량의 경우 기존의 내연기관처럼 좌/우측 바퀴에 동일한 구동력을 전달할 수 없다. 4륜 인휠 차량의 경우 구동시 필요한 구동력을 운전 상황에 따라 각각 인휠 모터에 토크를 다르게 배분해야 한다.
일본공개특허 제2008-298191호는 차량의 구동력을 배분하는 장치에 대하여 기술하고 있다. 그러나 이 장치는 기구적으로 좌우측으로 구동력을 배분하기 때문에 4륜 인휠 차량에 적용하기에는 부적합하다.
본 발명은 차량의 직진 주행 여부에 따라 구동력을 계산하고 구동 모드에 따라 이 구동력을 배분하는 차량의 구동력 배분 장치 및 방법을 제안함을 목적으로 한다.
그러나 본 발명의 목적은 상기에 언급된 사항으로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 목적들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
본 발명은 상기한 목적을 달성하기 위해 안출된 것으로서, 차량의 운행 정보를 기초로 상기 차량의 직진 주행 여부를 판단하는 직진 주행 판단부; 상기 차량이 직진 주행하는 것으로 판단되면 상기 차량의 종방향 속도에 기초한 제1 구동력을 계산하는 제1 구동력 계산부; 상기 차량이 직진 주행하지 않는 것으로 판단되면 상기 차량의 횡방향 가속도에 기초한 제2 구동력을 계산하는 제2 구동력 계산부; 상기 제1 구동력 또는 상기 제2 구동력을 기초로 구동 모드를 결정하는 구동 모드 결정부; 및 상기 구동 모드에 따라 상기 제1 구동력 또는 상기 제2 구동력을 배분하여 해당 바퀴를 구동시키기 위한 모터로 토크를 인가하는 구동력 배분부를 포함하는 것을 특징으로 하는 차량의 구동력 배분 장치를 제안한다.
바람직하게는, 상기 구동력 배분 장치는 차량의 시동이 켜질 때부터 꺼질 때까지 미리 정해진 시간마다 상기 운행 정보로 조향각, 요 레이트(yaw rate), 휠 각속도, 종 가속도 및 횡 가속도를 계측하는 운행 정보 계측부를 더 포함한다.
바람직하게는, 상기 직진 주행 판단부는 상기 운행 정보로 조향각과 요 레이트를 이용하여 상기 차량의 직진 주행 여부를 판단한다.
바람직하게는, 상기 제1 구동력 계산부는 상기 차량의 질량, 상기 차량의 종방향 속도, 상기 차량의 횡방향 속도, 요 레이트, 각 바퀴축에 걸리는 종방향 타이어 힘, 각 바퀴축에 걸리는 횡방향 타이어 힘, 및 전륜 바퀴 각도를 기초로 상기 제1 구동력을 계산한다.
바람직하게는, 상기 제1 구동력 계산부는 각 바퀴의 휠 각속도, 각 휠의 반지름, 이전 입력된 토크, 및 휠 관성모멘트를 기초로 상기 종방향 타이어 힘을 추정한다.
바람직하게는, 상기 제2 구동력 계산부는 상기 차량의 질량, 휠 관성모멘트, 상기 차량의 무게중심에서 후륜 바퀴 중심까지의 거리, 상기 차량의 무게중심에서 전륜 바퀴 중심까지의 거리, 전륜 바퀴 각도, 및 상기 차량의 횡방향 가속도를 기초로 상기 제2 구동력을 계산한다.
바람직하게는, 상기 구동 모드 결정부는 전륜만 구동, 후륜만 구동, 및 전륜과 후륜 모두 구동 중 어느 하나로 상기 구동 모드를 결정한다.
바람직하게는, 상기 구동 모드 결정부는 상기 제1 구동력을 기초로 상기 구동 모드를 결정할 때 각 바퀴축에 걸리는 종방향 타이어 힘을 이용하여 상기 구동 모드를 결정한다.
바람직하게는, 상기 구동력 배분부는 상기 제2 구동력을 배분하여 상기 토크를 결정할 때 상기 차량의 모멘트를 기초로 상기 제2 구동력을 배분하여 상기 토크를 결정한다.
또한 본 발명은 차량의 운행 정보를 기초로 상기 차량의 직진 주행 여부를 판단하는 직진 주행 판단 단계; 상기 차량이 직진 주행하는 것으로 판단되면 상기 차량의 종방향 속도에 기초한 제1 구동력을 계산하는 제1 구동력 계산 단계; 상기 차량이 직진 주행하지 않는 것으로 판단되면 상기 차량의 횡방향 가속도에 기초한 제2 구동력을 계산하는 제2 구동력 계산 단계; 상기 제1 구동력 또는 상기 제2 구동력을 기초로 구동 모드를 결정하는 구동 모드 결정 단계; 및 상기 구동 모드에 따라 상기 제1 구동력 또는 상기 제2 구동력을 배분하여 해당 바퀴를 구동시키기 위한 모터로 토크를 인가하는 구동력 배분 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 차량의 구동력 배분 방법을 제안한다.
바람직하게는, 상기 직진 주행 판단 단계 이전에, 차량의 시동이 켜질 때부터 꺼질 때까지 미리 정해진 시간마다 상기 운행 정보로 조향각, 요 레이트(yaw rate), 휠 각속도, 종 가속도 및 횡 가속도를 계측하는 운행 정보 계측 단계를 포함한다.
바람직하게는, 상기 직진 주행 판단 단계는 상기 운행 정보로 조향각과 요 레이트를 이용하여 상기 차량의 직진 주행 여부를 판단한다.
바람직하게는, 상기 제1 구동력 계산 단계는 상기 차량의 질량, 상기 차량의 종방향 속도, 상기 차량의 횡방향 속도, 요 레이트, 각 바퀴축에 걸리는 종방향 타이어 힘, 각 바퀴축에 걸리는 횡방향 타이어 힘, 및 전륜 바퀴 각도를 기초로 상기 제1 구동력을 계산한다.
바람직하게는, 상기 제1 구동력 계산 단계는 각 바퀴의 휠 각속도, 각 휠의 반지름, 이전 입력된 토크, 및 휠 관성모멘트를 기초로 상기 종방향 타이어 힘을 추정한다.
바람직하게는, 상기 제2 구동력 계산 단계는 상기 차량의 질량, 휠 관성모멘트, 상기 차량의 무게중심에서 후륜 바퀴 중심까지의 거리, 상기 차량의 무게중심에서 전륜 바퀴 중심까지의 거리, 전륜 바퀴 각도, 및 상기 차량의 횡방향 가속도를 기초로 상기 제2 구동력을 계산한다.
바람직하게는, 상기 구동 모드 결정 단계는 전륜만 구동, 후륜만 구동, 및 전륜과 후륜 모두 구동 중 어느 하나로 상기 구동 모드를 결정한다.
바람직하게는, 상기 구동 모드 결정 단계는 상기 제1 구동력을 기초로 상기 구동 모드를 결정할 때 각 바퀴축에 걸리는 종방향 타이어 힘을 이용하여 상기 구동 모드를 결정한다.
바람직하게는, 상기 구동력 배분 단계는 상기 제2 구동력을 배분하여 상기 토크를 결정할 때 상기 차량의 모멘트를 기초로 상기 제2 구동력을 배분하여 상기 토크를 결정한다.
본 발명은 차량의 직진 주행 여부에 따라 구동력을 계산하고 구동 모드에 따라 이 구동력을 배분함으로써 다음 효과를 얻을 수 있다.
4륜 인휠 차량의 경우 어느 경우에는 4륜으로 구동할 경우 에너지 효율적인 면에서 취약한데, 본 발명에 따른 구동력 배분 로직을 통해서 에너지 효율을 높일 수 있다.
도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 차량의 구동력 배분 장치를 개략적으로 도시한 블록도이다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 4륜 인휠 구동력 배분 로직을 순차적으로 도시한 흐름도이다.
도 3은 차량의 Planar Model을 도시한 도면이다.
도 4는 전륜/후륜 모터의 속도에 따른 최대 효율 지점(OOP) 선도를 도시한 예시도이다.
도 5는 4륜 인휠 차량에 적용되는 구동력 배분 알고리즘의 상세도이다.
도 6은 4륜 인휠 차량에 적용되는 구동력 배분 알고리즘의 블록도이다.
도 7은 도 6에 도시된 직진 구동력 모듈부의 상세도이다.
도 8은 도 6에 도시된 선회 구동력 모듈부의 상세도이다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면들을 참조하여 상세히 설명한다. 우선 각 도면의 구성요소들에 참조 부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한한 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. 또한, 이하에서 본 발명의 바람직한 실시예를 설명할 것이나, 본 발명의 기술적 사상은 이에 한정하거나 제한되지 않고 당업자에 의해 변형되어 다양하게 실시될 수 있음은 물론이다.
인휠 시스템은 근래 들어 각국의 친환경 자동차의 개발이 본격화됨으로써 더불어 많은 관심 및 중요도가 높은 분야이다. 4륜 인휠 차량의 경우 구동시 직진 주행이나 선회시 모터 스펙에 따라서 에너지 효율이 달라진다. 본 발명에서는 차량의 상태와 에너지 효율에 따른 구동력 배분 알고리즘을 제안한다.
도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 차량의 구동력 배분 장치를 개략적으로 도시한 블록도이다.
도 1에 따르면, 구동력 배분 장치(100)는 직진 주행 판단부(110), 제1 구동력 계산부(120), 제2 구동력 계산부(130), 구동 모드 결정부(140), 구동력 배분부(150), 전원부(170) 및 주제어부(180)를 포함한다.
직진 주행 판단부(110)는 차량의 운행 정보를 기초로 차량의 직진 주행 여부를 판단하는 기능을 수행한다.
직진 주행 판단부(110)는 운행 정보로 조향각과 요 레이트를 이용하여 차량의 직진 주행 여부를 판단할 수 있다.
제1 구동력 계산부(120)는 직진 주행 판단부(110)에 의해 차량이 직진 주행하는 것으로 판단되면 차량의 종방향 속도에 기초한 제1 구동력을 계산하는 기능을 수행한다.
제1 구동력 계산부(120)는 차량의 질량, 차량의 종방향 속도, 차량의 횡방향 속도, 요 레이트, 각 바퀴축에 걸리는 종방향 타이어 힘, 각 바퀴축에 걸리는 횡방향 타이어 힘, 및 전륜 바퀴 각도를 기초로 제1 구동력을 계산할 수 있다. 이때 제1 구동력 계산부(120)는 각 바퀴의 휠 각속도, 각 휠의 반지름, 이전 입력된 토크, 및 휠 관성모멘트를 기초로 종방향 타이어 힘을 추정할 수 있다.
제2 구동력 계산부(130)는 직진 주행 판단부(110)에 의해 차량이 직진 주행하지 않는 것으로 판단되면 차량의 횡방향 가속도에 기초한 제2 구동력을 계산하는 기능을 수행한다.
제2 구동력 계산부(130)는 차량의 질량, 휠 관성모멘트, 차량의 무게중심에서 후륜 바퀴 중심까지의 거리, 차량의 무게중심에서 전륜 바퀴 중심까지의 거리, 전륜 바퀴 각도, 및 차량의 횡방향 가속도를 기초로 제2 구동력을 계산할 수 있다.
구동 모드 결정부(140)는 제1 구동력 또는 제2 구동력을 기초로 구동 모드를 결정하는 기능을 수행한다.
구동 모드 결정부(140)는 전륜만 구동, 후륜만 구동, 및 전륜과 후륜 모두 구동 중 어느 하나로 구동 모드를 결정할 수 있다.
구동 모드 결정부(140)는 제1 구동력을 기초로 구동 모드를 결정할 때 각 바퀴축에 걸리는 종방향 타이어 힘을 이용하여 구동 모드를 결정할 수 있다.
구동력 배분부(150)는 구동 모드에 따라 제1 구동력 또는 제2 구동력을 배분하여 해당 바퀴를 구동시키기 위한 모터로 토크를 인가하는 기능을 수행한다.
구동력 배분부(150)는 제2 구동력을 배분하여 토크를 결정할 때 차량의 모멘트를 기초로 제2 구동력을 배분하여 토크를 결정할 수 있다.
구동력 배분 장치(100)는 운행 정보 계측부(160)를 더 포함할 수 있다.
운행 정보 계측부(160)는 차량의 시동이 켜질 때부터 꺼질 때까지 미리 정해진 시간마다 운행 정보로 조향각, 요 레이트(yaw rate), 휠 각속도, 종 가속도 및 횡 가속도를 계측하는 기능을 수행한다.
이하에서는 일실시예를 들어 도 1에서 설명한 각 구성에 대해 보다 자세하게 설명한다.
하나의 동력원으로 구동하는 내연기관 차량은 디퍼렌셜 기어를 통하여 좌/우측 바퀴에 동일한 구동력을 기존의 차량과는 달리 인휠 차량의 경우에는 모든 바퀴 안의 모터가 각각 독립적으로 구동이 가능하기 때문에 4륜 인휠 차량의 경우에는 구동시 차량의 거동 상태나 모터 효율에 따라 각각 구동력을 다르게 배분되어야 한다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 4륜 인휠 구동력 배분 로직을 순차적으로 도시한 흐름도이다. 이하 설명은 도 1과 도 2를 참조한다.
- 데이터 센싱 단계(S210)
운행 정보 계측부(160)는 차량의 시동이 걸릴 때부터 정지시 그리고 주행중 계속적으로 데이터를 계측한다. 계측되는 데이터들은 스티어링 휠 앵글, 요 레이트, 4륜 휠 각속도, 종/횡 가속도 정보 등을 지속적으로 모니터링한다.
- 직진 주행 판단 단계(S220)
이 단계에서는 직진 주행 판단부(110)가 차량의 직진 주행 여부를 판단한다.
주행중 지속적으로 요 레이트와 스티어링 휠 앵글을 측정하고 모니터링하면서 설정된 시간동안 스티어링 휠 앵글과 요 레이트가 제한값 범위 내로 유지하게 되면 차량은 직진 주행으로 판단하고 제한값 범위를 벗어나는 경우는 직진 주행이 아니라고 판단한다. 이때 제한값 범위는 0도를 기준으로 우회전시 돌리는 방향을 +, 좌회전시 돌리는 방향을 -로 설정하여 범위를 결정한다. 범위는 임의적으로 설정 가능하다.
- Fx 계산 단계(S230)
제1 구동력 계산부(120)는 차량이 현재 직진 주행이라 판단된 경우 운전자의 의도에 따른 차량 필요 구동력을 계산한다. 차량의 구동력을 계산하는 방법은 아래의 식으로 찾을 수 있다.
Figure pat00001
상기에서, Fx는 차량 필요 구동력 값을 의미한다. m은 차량의 질량을 의미하며, νx는 차량의 종방향 속도를 의미한다. νy는 차량의 횡방향 속도를 의미하며, γ는 요 레이트를 의미한다. F txi 는 각 바퀴에 생성되는 차량의 종/횡방향 타이어 힘을 의미하며, i는 전륜 왼쪽(1), 전륜 오른쪽(2), 후륜 왼쪽(3), 후륜 오른쪽(4)을 의미한다. δf는 전륜 바퀴 각도를 의미하며 스티어링 휠 앵글 기어비를 통해서 얻을 수 있다.
도 3은 차량의 Planar Model을 도시한 것이며, 수학식 1은 이 모델을 따른다.
S230 단계에서는 차량은 직진 주행한다고 판단하였기 때문에 수학식 1에서 횡방향 부분을 생략하여도 무방하다. 따라서 수학식을 다시 전개하면 아래 수학식 2와 같다.
Figure pat00002
차량의 종방향 속도와 전륜 바퀴 각도는 S210 단계에서 얻어지는 데이터를 사용한다. 차량의 종방향 타이어 힘은 칼만 필터에 각 바퀴 휠 각속도를 이용하여 추정한다. 휠 각속도는 ω i 라 표시하고 아래와 같이 수학식 3을 전개한다.
Figure pat00003
각 바퀴 휠 각속도를 추정하기 위한 상태 방정식을 휠 각속도 Taylor Formular를 통해서 수학식 3과 같이 얻을 수 있다.
여기서 △t는 데이터 샘플링 타임이고 di는 프로세스 노이즈로 로직이 돌아가면서 생성된 잡음이다. 보통 이 잡음은 평균이 0인 백색 잡음으로 한다.
그리고 출력 방정식은 아래 수학식 4와 같다.
Figure pat00004
수학식 3과 수학식 4를 이용하면 칼만 필터 알고리즘 상태 방정식은 다음 수학식 5와 같이 결정할 수 있다.
Figure pat00005
여기서 k라는 의미는 현재 단계, 그리고 k+1일 경우 다음 단계, k-1이라면 이전 단계 추정치을 말한다. V(k)는 measurement 잡음으로 휠 센서로부터 각 휠의 각속도를 측정하는데 이에 대해서 센서 또한 잡음이 포함되어 출력되기에 백색 잡음을 추가하여 알고리즘을 구성한다.
Figure pat00006
수학식 6에서 P(k|k-1)은 실제 각속도와 추정 각속도의 오차 공분산이며 Q(k)는 프로세스 잡음 공분산이다.
Figure pat00007
수학식 7에서 L(k)는 칼만 게인이며 이 게인을 통해서 결과적으로 휠 각속도를 추정하며 R(k)는 측정 잡음 공분산이다.
Figure pat00008
Figure pat00009
Figure pat00010
수학식 9와 수학식 10은 같은 식으로 수학식 9에서 계산된 값은 수학식 10과 같다. 수학식 9에서 A 행렬과 전 단계의 추정 휠 각속도 그리고 수학식 7에서 구한 칼만 게인과 실제 센서를 통해서 얻어진 휠 각속도 y(k)를 이용하여 현재의 각 휠의 각속도를 추정하며 이 순서는 반복적으로 이루지면서 휠 각속도를 추정한다.
이상의 단계를 거치면서 각각 바퀴의 휠 각속도를 추정할 수 있으며 추정된 휠 각속도를 이용해서 각 바퀴의 종방향 타이어 힘을 추정할 수 있다.
Figure pat00011
수학식 11을 통해서 각 바퀴의 종방향 타이어 힘을 추정한다. 여기서 r은 휠의 반지름이며 Ti는 전 단계에서의 토크 입력이며 Jw는 휠 관성모멘트이다.
- 구동 모드 결정 단계(S240)
구동 모드 결정부(140)는 S230 단계에서 계산된 종방향 타이어 힘을 가지고 구동 모드를 결정한다.
4개의 모터를 사용하는 4륜 인휠 차량의 경우는 전륜과 후륜의 모터의 스펙이 같을 수도 다를 경우도 있다. 스펙이 다른 경우에 4륜으로 구동하게 되면 모터 효율이나 에너지 절감 측면에서 부정적인 요인이 생성된다. 이러한 이유로 전 단계에서 필요 구동력을 계산하고 이에 따라서 전/후륜 모터 출력에 따라 전륜으로만 구동할지 4륜으로 구동할 것인지 아니면 후륜으로만 구동할 것이 결정해야 한다. 본 발명에서는 전/후륜 모터 출력이 다르다는 가정 하에서 구분하도록 한다.
도 4는 전륜/후륜 모터의 최대 효율 지점 곡선에 대한 예이다. 전륜의 모터의 출력이 크고 후륜의 모터의 출력이 상대적으로 작으며 OOP 곡선이 모터의 최대 효율 지점이라 볼 수 있다.
도 4처럼 20kph일 때 전륜 모터는 OOP 지점 아래에 그리고 후륜 모터는 OOP 지점에 거의 근접하는 것을 알 수 있다. 여기서 동일한 차량 속도시 필요 토크량이 작다면 저출력 모터(후륜)로 구동하는 것이 효율적인 것을 알 수 있다. 그러므로 구동력이 크지 않을 경우 저토크 출력 모터(후륜)만 사용하여서 구동하고 구동력이 더 커지고 전륜 토크로 충분히 감당되는 구동력이면 전륜으로만 구동하며 전륜 모터 토크보다 더 큰 구동력이 필요할 경우나 긴급한 자세 제어가 필요한 경우는 4륜 모터 모두 사용하는 구동 모드로 나눈다. 즉, 구동 모드는 전륜 모드, 후륜 모드, 4륜 모드 등으로 나눈다. 또한, 토크 출력에 따라서 작동 순서는 모터의 출력에 따라 바뀌게 된다.
- Ti 계산 단계(S250)
이 단계에서는 구동력 배분부(150)가 모터에 입력 토크를 인가시킨다. Ti는 각 모터에 인가되는 토크값을 의미한다. S240 단계에서 구동 모드가 결정되면 전륜 모드시에는 후륜 모터에는 토크를 0으로 입력하고 후륜 모드시에는 전륜 모터에 토크 0을 입력으로 인가시키고 계산된 필요 구동력을 좌/우로 배분하여 모터에 인가시킨다.
- Fx와 Mz 계산 단계(S260)
이 단계는 S220 단계에서 차량이 직진 주행이 아니라 판단되었을 경우 진행되는 단계이다. 이 단계는 제2 구동력 계산부(130)가 수행한다.
제2 구동력 계산부(130)는 운전자의 의도에 인한 차량 필요 구동력과 직진 주행이 아닌 경우 발생하는 차량의 모멘트를 계산한다. 차량 필요 구동력은 수학식 1을 통해서 계산한다. 여기서 Fty1과 Fty2는 아래 수학식 12로 구할 수 있다. 추가적으로 차량의 요 모멘트는 수학식 13을 통해 계산된 차량 필요 구동력을 이용하여 간단히 유도할 수 있다.
Figure pat00012
수학식 12에서 I는 휠 관성 모멘트, lr는 차량 질량 중심에서 후륜 바퀴 중심까지의 거리, lf는 차량 질량 중심에서 전륜 바퀴 중심까지의 거리를 말한다. 수학식 12는 수학식 1에서 Fty1 + Fty2와 같다.
Figure pat00013
수학식 13에서 tw은 전륜 바퀴들 사이의 거리를 말하며, 부호는 도 3에서의 요 레이트 방향이 +으로 반대 방향을 -로 정하였다. Mz는 차량의 요 모멘트 값을 의미한다.
- 구동 모드 결정 단계(S270)
구동 모드 결정부(140)는 S240 단계와 마찬가지로 차량 필요 구동력에 따라서 구동 모드를 결정한다. S240 단계에서 설명한 것과 마찬가지로 모드를 결정한다.
- Ti 계산 단계(S280)
구동력 배분부(150)는 S260 단계에서 계산된 차량 필요 구동력과 모멘트를 이용하여 입력 토크를 계산한다. 이 단계에서는 요 모멘트가 추가됨에 따라 S250 단계처럼 간단하게 구할 수 없다. 이에 여기서는 최적화 문제를 푸는 알고리즘 중 Active Set Algorithm을 이용하여 토크를 계산한다.
어떠한 시스템이 y=ax의 형태로 결과값이 나온다면 y-ax=0이 되고 이때 입력은 x가 된다. 이 Active Set Algorithm은 이러한 시스템에서 y와 ax의 차이가 0이 되는 최적 x값을 찾는 알고리즘이다. 최적화 문제를 아래 수학식 14와 같이 정의한다.
Figure pat00014
여기서 A는 State-space matrix이고 u는 입력값 그리고 b는 출력값이다. 즉, Au-b의 차이가 0이 되는 최적의 값을 찾는다.
Figure pat00015
수학식 15에서 lf는 차량의 무게 중심에서 앞바퀴 중심까지의 거리를 의미한다.
A 매트릭스는 차량 목표 구동력과 실제 액츄에이터 입력들의 관계를 나타내고 b 매트릭스는 목표 구동력 값이며 uk -1은 실제 전 단계에서 모터에 인가되는 모터 값으로 Tfl인 경우 전륜 왼쪽 모터 토크값이라 설명할 수 있다. Tbfl은 전륜 왼쪽 브레이크 토크값이다. 위의 행렬를 이용하여 Active Set Algorithm을 통해서 각 바퀴 모터의 토크값을 계산한다.
이상과 같은 방법으로 토크값을 계산하게 되고 구동 모드에 따라 Active Set Algorithm 설정을 다르게 해서 각 모드마다 최적의 토크값을 계산하여 모터에 토크 입력을 인가시킨다.
이 구동력 배분 로직은 차량이 구동하면서 차량이 정지할 때까지 지속적으로 데이터들은 모니터링되며 입력 토크는 업데이트된다.
도 5는 4륜 인휠 차량에 적용되는 구동력 배분 알고리즘의 상세도이다.
각 단계는 도 2 내지 도 4를 참조하여 전술하였는 바, 여기서는 주요 단계에 대해서만 정리한다.
S510 단계 : 이 단계는 도 2에서 S220 단계에 해당한다. 이 단계는 조향각과 요 레이트 데이터를 받아서 현재 차량의 주행 상황을 판단하는 부분이며 정해진 기준에 만족하면 요 레이트나 조향각의 변화가 거의 없다면 직진 주행으로 판단하며 정해진 기준에 넘어가면 현재 차량은 선회 주행이라 판단한다.
S520 단계 : 이 단계는 도 2에서 S230 단계에 해당한다. 이 단계에서는 현재 차량이 직진 주행이라 판단될 경우 휠 각속도를 이용한 칼만 필터와 휠 반지름, 휠 관성 모멘트 그리고 이전 모터 토크 입력 데이터를 이용하여서 종 방향 타이어 힘을 계산한다. 이 데이터와 차량의 질량과 종방향 가속도를 통해서 차량에서 필요한 구동력을 계산한다.
S530 단계 : 전 단계에서 모터에 필요한 전체 토크를 계산하고 그 후 모터의 효율 및 에너지 절약을 위해서 필요 토크에 따른 주행 모드를 판단한다. 주행 모드에 따라 각 모터에 토크를 인가한다. 주행 모드 판단 방법은 도 2에서 S240 단계를 통해 설명하였다.
S540 단계 : 이 단계는 도 2에서 S260 단계에 해당한다. 이 단계에서는 차량의 주행 상황이 선회 주행이라 판단되면 차량 필요 구동력 및 모멘트까지 계산하여야 한다. 이에 따라 도 5에 표시된 데이터들을 이용하여 차량 필요 구동력을 계산하고 이 차량 필요 구동력을 이용하여 차량 요 모멘트를 계산하게 된다.
S550 단계 : 이 단계는 전 단계에서 구한 차량 필요 구동력과 요 모멘트를 이용하여 4륜 모터 필요 토크를 계산하는 단계이며 이때 사용하는 방법은 Active set 알고리즘을 이용하여 4륜 모터 토크를 계산한다.
S560 단계: 4륜 필요 토크를 계산하고 각 모터에 토크를 인가한다.
도 6은 4륜 인휠 차량에 적용되는 구동력 배분 알고리즘의 블록도이다.
1 STEP(610) : 운전자 모듈부에서는 운전자가 차량에 하드웨어로 입력를 보내는 모듈이다. 차량에서의 스티어링 핸들과 액셀레이터, 브레이크와 같은 하드웨어를 통한 주행 중 차량데이터를 이용하여 4륜 인휠 차량 구동력 배분을 결정한다.
2 STEP(620) : 주행 중 차량에서 나오는 데이터들 중 4륜 인휠 차량 구동력 배분에 필요한 데이터(조향각, 요레이트, 4바퀴 휠 각속도, 종/횡 가속도)를 측정하고 저장하는 모듈부이다.
3 STEP(630) : 2 STEP(620)에서 센싱한 데이터에서 조향각과 요 레이트를 통해서 차량이 현재 직진인지 선회 주행인지 판단하는 모듈이다.
4 STEP(640) : 3 STEP(630)에서 차량 주행 상태를 파악 후 4 STEP(640)에서는 직진과 선회시 4륜에 필요한 구동 토크를 구하는 모듈이다.
5 STEP(650) : 4 STEP(640)에서 필요한 구동 토크를 계산하고 토크를 4륜 모터에 인가하는 모듈이다.
도 7은 도 6에 도시된 직진 구동력 모듈부의 상세도이다.
종방향 필요 구동력 추정부(710)에서는 각 바퀴의 휠 각속도를 측정하여 수학식 3~11을 이용하여 종방향 타이어 힘을 추정하고 수학식 2를 통해서 종방향 필요 구동력을 추정한다.
구동 모드 판단부(720)에서는 추정된 종방향 필요 구동력을 이용하여 모터의 효율성과 에너지 절감을 위해서 전/후륜/4륜 구동 모드를 결정한다. 이 결정 판단은 전술하였다.
필요 구동 토크 결정부(730)에서는 전/후/4륜 구동 모드에 따라 각 모터에 인가할 토크를 결정한다.
도 8은 도 6에 도시된 선회 구동력 모듈부의 상세도이다.
차량이 선회시는 직진 주행보다 복잡하며 필요한 계산도 늘어난다. 이에 종방향 필요 구동력 추정부(810)는 각 바퀴의 휠 각속도를 측정하여 수학식 3~11을 이용하여 종방향 타이어 힘을 계산하고 이를 수학식 1을 이용하여 종방향 필요 구동력을 추정한다. 그리고 차량 요 모멘트 추정부(820)는 수학식 13을 통해서 차량의 요 모멘트를 계산한다.
구동 모드 판단부(830)에서는 추정된 종방향 필요 구동력을 이용하여 모터의 효율성과 에너지 절감을 위해서 전/후륜/4륜 구동 모드를 결정한다.
필요 구동 토크 결정부(840)에서는 구동 모드가 판단되면 이를 반영하여 Active Set 알고리즘을 통해서 최종 4륜 모터의 필요 토크를 계산한다. 이때 수학식 14와 15가 이용된다.
이상에서 설명한 본 발명의 실시예를 구성하는 모든 구성요소들이 하나로 결합하거나 결합하여 동작하는 것으로 기재되어 있다고 해서, 본 발명이 반드시 이러한 실시예에 한정되는 것은 아니다. 즉, 본 발명의 목적 범위 안에서라면, 그 모든 구성요소들이 하나 이상으로 선택적으로 결합하여 동작할 수도 있다. 또한, 그 모든 구성요소들이 각각 하나의 독립적인 하드웨어로 구현될 수 있지만, 각 구성요소들의 그 일부 또는 전부가 선택적으로 조합되어 하나 또는 복수개의 하드웨어에서 조합된 일부 또는 전부의 기능을 수행하는 프로그램 모듈을 갖는 컴퓨터 프로그램으로서 구현될 수도 있다. 또한, 이와 같은 컴퓨터 프로그램은 USB 메모리, CD 디스크, 플래쉬 메모리 등과 같은 컴퓨터가 읽을 수 있는 기록매체(Computer Readable Media)에 저장되어 컴퓨터에 의하여 읽혀지고 실행됨으로써, 본 발명의 실시예를 구현할 수 있다. 컴퓨터 프로그램의 기록매체로서는 자기 기록매체, 광 기록매체, 캐리어 웨이브 매체 등이 포함될 수 있다.
또한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함한 모든 용어들은, 상세한 설명에서 다르게 정의되지 않는 한, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 갖는다. 사전에 정의된 용어와 같이 일반적으로 사용되는 용어들은 관련 기술의 문맥상의 의미와 일치하는 것으로 해석되어야 하며, 본 발명에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
이상의 설명은 본 발명의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위 내에서 다양한 수정, 변경 및 치환이 가능할 것이다. 따라서, 본 발명에 개시된 실시예 및 첨부된 도면들은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예 및 첨부된 도면에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호 범위는 아래의 청구 범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.

Claims (10)

  1. 차량의 운행 정보를 기초로 상기 차량의 직진 주행 여부를 판단하는 직진 주행 판단부;
    상기 차량이 직진 주행하는 것으로 판단되면 상기 차량의 종방향 속도에 기초한 제1 구동력을 계산하는 제1 구동력 계산부;
    상기 차량이 직진 주행하지 않는 것으로 판단되면 상기 차량의 횡방향 가속도에 기초한 제2 구동력을 계산하는 제2 구동력 계산부;
    상기 제1 구동력 또는 상기 제2 구동력을 기초로 구동 모드를 결정하는 구동 모드 결정부; 및
    상기 구동 모드에 따라 상기 제1 구동력 또는 상기 제2 구동력을 배분하여 해당 바퀴를 구동시키기 위한 모터로 토크를 인가하는 구동력 배분부
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 차량의 구동력 배분 장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    차량의 시동이 켜질 때부터 꺼질 때까지 미리 정해진 시간마다 상기 운행 정보로 조향각, 요 레이트(yaw rate), 휠 각속도, 종 가속도 및 횡 가속도를 계측하는 운행 정보 계측부
    를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 차량의 구동력 배분 장치.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 직진 주행 판단부는 상기 운행 정보로 조향각과 요 레이트를 이용하여 상기 차량의 직진 주행 여부를 판단하는 것을 특징으로 하는 차량의 구동력 배분 장치.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 제1 구동력 계산부는 상기 차량의 질량, 상기 차량의 종방향 속도, 상기 차량의 횡방향 속도, 요 레이트, 각 바퀴축에 걸리는 종방향 타이어 힘, 각 바퀴축에 걸리는 횡방향 타이어 힘, 및 전륜 바퀴 각도를 기초로 상기 제1 구동력을 계산하는 것을 특징으로 하는 차량의 구동력 배분 장치.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 제1 구동력 계산부는 각 바퀴의 휠 각속도, 각 휠의 반지름, 이전 입력된 토크, 및 휠 관성모멘트를 기초로 상기 종방향 타이어 힘을 추정하는 것을 특징으로 하는 차량의 구동력 배분 장치.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 제2 구동력 계산부는 상기 차량의 질량, 휠 관성모멘트, 상기 차량의 무게중심에서 후륜 바퀴 중심까지의 거리, 상기 차량의 무게중심에서 전륜 바퀴 중심까지의 거리, 전륜 바퀴 각도, 및 상기 차량의 횡방향 가속도를 기초로 상기 제2 구동력을 계산하는 것을 특징으로 하는 차량의 구동력 배분 장치.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 구동 모드 결정부는 전륜만 구동, 후륜만 구동, 및 전륜과 후륜 모두 구동 중 어느 하나로 상기 구동 모드를 결정하는 것을 특징으로 하는 차량의 구동력 배분 장치.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 구동 모드 결정부는 상기 제1 구동력을 기초로 상기 구동 모드를 결정할 때 각 바퀴축에 걸리는 종방향 타이어 힘을 이용하여 상기 구동 모드를 결정하는 것을 특징으로 하는 차량의 구동력 배분 장치.
  9. 제 1 항에 있어서,
    상기 구동력 배분부는 상기 제2 구동력을 배분하여 상기 토크를 결정할 때 상기 차량의 모멘트를 기초로 상기 제2 구동력을 배분하여 상기 토크를 결정하는 것을 특징으로 하는 차량의 구동력 배분 장치.
  10. 차량의 운행 정보를 기초로 상기 차량의 직진 주행 여부를 판단하는 직진 주행 판단 단계;
    상기 차량이 직진 주행하는 것으로 판단되면 상기 차량의 종방향 속도에 기초한 제1 구동력을 계산하는 제1 구동력 계산 단계;
    상기 차량이 직진 주행하지 않는 것으로 판단되면 상기 차량의 횡방향 가속도에 기초한 제2 구동력을 계산하는 제2 구동력 계산 단계;
    상기 제1 구동력 또는 상기 제2 구동력을 기초로 구동 모드를 결정하는 구동 모드 결정 단계; 및
    상기 구동 모드에 따라 상기 제1 구동력 또는 상기 제2 구동력을 배분하여 해당 바퀴를 구동시키기 위한 모터로 토크를 인가하는 구동력 배분 단계
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 차량의 구동력 배분 방법.
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