KR20170094065A

KR20170094065A - 크랭크 강성 기반 동력 보조 구동 시스템 및 방법

Info

Publication number: KR20170094065A
Application number: KR1020160099026A
Authority: KR
Inventors: 김정엽; 신동준
Original assignee: 서울과학기술대학교 산학협력단; 중앙대학교 산학협력단
Priority date: 2016-02-05
Filing date: 2016-08-03
Publication date: 2017-08-17
Also published as: KR101839921B1

Abstract

본 발명은 크랭크의 토크와 각도를 측정하는 측정부, 상기 측정부의 측정값에 기초하여 동력 보조에 필요한 전압 또는 전류 값을 상기 크랭크의 강성에 기반하여 결정하는 제어부, 상기 전압 또는 전류가 인가되어 구동력을 제공하는 모터부 및 자신 이외의 구성요소들에 전력을 제공하는 전원부를 포함하는 크랭크 강성 기반 동력 보조 구동 시스템을 제공하여, 탑승자의 의도를 정확히 예측하여 모터를 구동하고, 페달링 이질감을 낮추 수 있으며, 승차감과 에너지 효율 또한 향상시킬 수 있는 효과가 있다.

Description

크랭크 강성 기반 동력 보조 구동 시스템 및 방법{Power assistive drive system and method based on crank stiffness}

실시예는 크랭크 강성 기반 동력 보조 구동 시스템 및 방법에 관한 것으로, 특히 사람과 상호 작용하는 크랭크의 강성에 비례하여 모터를 구동시킴으로써 운전자의 의도를 정확히 예측하여 모터를 구동시키는 전기자전거의 크랭크 강성 기반 동력 보조 구동 시스템 및 방법에 관한 것이다.

일반적으로 자전거는 사람의 힘이 페달에 작용하면 크랭크-페달 메커니즘을 통해 바퀴를 회전시켜 움직이는 2륜차로서, 교통, 운동 및 레저용으로 널리 이용되고 있다. 최근에는 지구 온난화의 원인인 탄소배출을 줄이기 위해 자전거 활성화 정책이 국가적으로 추진됨에 따라, 운동과 레저용뿐만 아니라 출퇴근 수단으로서도 자전거의 이용량이 급속도로 증가하고 있다.

이러한 자전거는 사용자가 같은 거리를 이동함에 있어 달리는 것보다 체력을 적게 소모하면서 짧은 시간 내에 목적지까지 이동할 수 있게 되므로, 노약자도 무리 없이 이용할 수 있으나, 경사로가 많은 경우에는 걷거나 달리는 것보다 오히려 더 큰 체력을 필요로 하고, 또 목적지까지 거리가 먼 경우에는 지나치게 많은 체력을 소진해야 하기 때문에 오히려 사용자의 건강을 해치는 문제가 생기게 된다.

이러한 문제를 해결하기 위해 사용되기 시작한 전기자전거는 일반 자전거의 바퀴 허브 등에 직류모터를 장착하고 동력을 보조하는 기능을 하여 평지 및 오르막 길에서 쾌적한 주행을 가능하게 한다.

일반적인 전기자전거의 운전자는 스로틀(throttle)모드와 PAS(Pedal Assist System)모드의 두 가지 방법을 선택적으로 사용하여 전기자전에 구비된 직류모터의 동력보조 정도를 제어할 수 있다.

스로틀 모드는 일반적인 오토바이에 사용되는 스로틀 레버와 유사한 기능을 하며 전기자전거 오른쪽 핸들 바에 장착되고 당기거나 풀어주는 등의 동작을 통하여 전기자전거 오른쪽 핸들 바에 장착되고 당기거나 풀어주는 등의 동작을 통하여 전기자전거의 속도, 이른바 전기자전거에 장착되어 보조동력기능을 하는 직류모터의 토크 값을 가변시키는 역할을 한다.

PAS 모드에서는 전기자전거 운전자가 페달링 동작을 통하여 모터의 출력을 제어하며 페달링 시에 크랭크 축의 회전을 감지하는 스피드 센서를 통하여 전기자전거에 구비된 직류모터의 동력보조에 대한 토크의 크기를 제어할 수 있다.

홀 효과(Hall Effect)를 이용하는 스피드센서는 일반적으로 전기자전거의 크랭크축에 장착되며, 전기자전거 운전자가 페달을 구를 때 홀 효과에 의해 발생하는 전압으로 크랭크 축의 회전을 감지한다.

종래의 전기자전거에 사용되는 스피드센서 기반의 동력 보조 장치는 운전자가 페달을 구르는 동작의 여부만을 감지하는 온 오프 방식으로서, 스피드센서에서 전압이 검출되면 전기자전거의 직류모터에 대한 토크 값을 최대로 설정하여 동력을 보조하게 한다.

그러나, 기존 전기 자전거는 홀센서로부터 측정되는 크랭크 축의 RPM에 비례하여 동력을 보조하므로, 오히려 저속에서 모터의 동력이 급감하게 되는데, 저속에서 큰 동력이 필요할 때 큰 동력보조가 불가능한 문제가 있다.

스피드 센서 방식의 문제점에 대한 대안으로서는 토크센서 방식이 있다.

토크센서 방식들은 페달링 시에 발생하는 디스크 혹은 스프링 등의 뒤틀림을 측정하는 기계식 방법으로서, 높은 장착 비용과 종래의 전기자전거에 장착이 어려운 문제점들을 갖는바, 스피드 센서 방식으로 속도에 비례하여 모터 출력을 제어할 수 있도록 하는 효과적인 해결방안이 필요하다.

특허문헌 1은 스피드센서의 아날로그 출력신호에 따라 가변적으로 모터의 토크를 제어할 수 있는 전기자전거용 토크 제어장치를 제안하였는데, 특허문헌 1에 따르면 페달링 속도에 비례하여 모터의 출력 제어가 이루어지므로 편리한 측면이 있었으나, 이중 홀 센서로 구성되는 디지털 방식의 스피드 센서는 디지털 펄스 신호를 출력하므로 아날로그 신호를 입력받아 사용하는 특허문헌 1의 방식으로는 디지털 방식의 스피드센서를 사용하기 어려운 문제가 있었다.

또한, 페달링 속도에 비례하여 모터의 출력이 제어되므로 전기자전거가 고속으로 주행하기 위해서는 전기자전거 운전자가 원하지 않더라고 페달링 속도를 높여야하며 정확한 페달링 답력 시점들을 예측하기 어려워 페달링 이질감이 생기고 승차감이 저하되는 문제점이 있었다.

대한민국 공개특허공보 제10-2014-0142117호.

실시예는 사람과 상호 작용하는 크랭크의 강성에 비례하여 전기자전거의 모터를 구동시킴으로써, 전기자전거의 구동 에너지 효율을 높이고, 페달링 이질감을 낮추고 승차감을 향상시키는 것을 목적으로 한다.

본 발명이 해결하고자 하는 과제는 이상에서 언급된 과제에 국한되지 않으며 여기서 언급되지 않은 또 다른 과제들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

본 발명의 실시예는, 크랭크의 토크와 각도를 측정하는 측정부; 상기 측정부의 측정값에 기초하여 동력 보조에 필요한 전압 또는 전류 값을 상기 크랭크의 강성에 기반하여 결정하는 제어부; 상기 전압 또는 전류가 인가되어 구동력을 제공하는 모터부; 및 자신 이외의 구성요소들에 전력을 제공하는 전원부;를 포함할 수 있다.

상기 측정부는 크랭크 토크 센서, 페달 힘센서 또는 압력센서 중 적어도 하나가 사용되는 것을 특징으로 할 수 있다.

상기 크랭크 토크 센서는 프레임 또는 상기 크랭크에 설치될 수 있다.

상기 크랭크 토크 센서가 상기 프레임에 설치되는 경우, 상기 크랭크 토크 센서는 상기 크랭크가 회전하는 동안, 상기 크랭크가 인접하여 지나는 부분 중 한 지점에 설치되는 것을 특징으로 할 수 있다.

상기 제어부에서 졀정되는 상기 전압 또는 전류 값은 크랭크 토크의 변화량에 비례하며, 상기 크랭크 각도의 변화량 또는 상기 크랭크의 회전속도에 반비례하는 것을 특징으로 할 수 있다.

상기 크랭트의 각도에 따른 상기 크랭크의 토크를 저장하는 저장부를 더 포함할 수 있다.

본 발명의 또 다른 실시예는, 크랭크 강성 기반 동력 보조 구동 방법으로서, 센서를 초기화하여 측정을 준비하는 측정준비 단계; 보조 구동 방법의 작동 여부를 감지하는 작동감지 단계; 상기 센서로부터 출력 값을 획득하는 단계; 상기 출력 값으로부터 상기 크랭크 강성을 계산하는 크랭크 강성 계산 단계; 상기 크랭크 강성에 비례하도록 모터에 인가될 전압 또는 전류를 결정하는 전압 또는 전류 결정 단계; 상기 결정된 전압 또는 전류를 모터에 인가하는 단계;를 포함할 수 있다.

상기 계산하는 단계는 상기 크랭크 강성의 절대값을 계산하는 것을 특징으로 할 수 있다.

상기

는 상기

에 따라서 변화하는 것을 특징으로 할 수 있다.

상기 작동감지 단계에서는, 상기 보조 구동 방법을 작동시켰는지 여부를 판단하고, 작동시키지 않은 경우에는 상기 측정준비 단계로 되돌아가며, 작동시킨 경우에는 크랭크가 회전되기 시작하면 센서에서 측정값이 출력되도록 하는 것을 특징으로 할 수 있다.

상기 센서는 크랭크 토크 센서, 페달 힘센서 또는 압력센서 중 적어도 하나를 사용하여 크랭크의 토크를 측정하고, 엔코더나 기울기 센서로부터 크랭크 각도를 동시에 측정하고, 두 측정값을 함께 출력하는 것을 특징으로 할 수 있다.

실시예에 따르면, 탑승자의 의도를 정확히 예측하여 모터를 구동하고, 페달링 이질감을 낮추 수 있으며, 승차감과 에너지 효율 또한 향상시킬 수 있는 효과가 있다.

또한, 페달링의 이질감을 최소화하면서, 에너지 효율을 증대하여 동일 출력을 얻으면서 무게를 경량화하는 장점이 있다.

본 발명의 다양하면서도 유익한 장점과 효과는 상술한 내용에 한정되지 않으며, 본 발명의 구체적인 실시형태를 설명하는 과정에서 보다 쉽게 이해될 수 있을 것이다.

도 1은 크랭크 강성 기반 동력 보조 구동 시스템의 구성을 나타내는 구성도이고,
도 2는 종래의 동력 보조 시스템에서 크랭크 각도에 따른 전체 파워의 소모량을 나타내는 그래프이고,
도 3은 본 발명의 실시예를 적용하는 경우, 크랭크 각도에 따른 전체 파워의 소모량을 나타내는 그래프이고,
도 4는 본 발명의 실시예에 따른, 크랭크 강성 기반 동력 보조 구동 방법의 처리 흐름을 나타낸 흐름도이고,
도 5는 도 4의 처리 순서를 나타내는 순서도이다.

본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시 예를 가질 수 있는 바, 특정 실시 예를 도면에 예시하고 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명 실시 예를 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 실시 예의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.

제 1, 제 2 등과 같이 서수를 포함하는 용어는 다양한 구성 요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성 요소들은 상기 용어들에 의해 한정되지는 않는다. 상기 용어들은 하나의 구성 요소를 다른 구성 요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 예를 들어, 실시 예의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제 2 구성 요소는 제 1 구성 요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제 1 구성 요소도 제 2 구성 요소로 명명될 수 있다. 및/또는 이라는 용어는 복수의 관련된 기재된 항목들의 조합 또는 복수의 관련된 기재된 항목들 중의 어느 항목을 포함한다.

본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시 예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명 실시 예를 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성 요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성 요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.

실시 예의 설명에 있어서, 어느 한 element가 다른 element의 "상(위) 또는 하(아래)(on or under)"에 형성되는 것으로 기재되는 경우에 있어, 상(위) 또는 하(아래)(on or under)는 두 개의 element가 서로 직접(directly)접촉되거나 하나 이상의 다른 element가 상기 두 element 사이에 배치되어(indirectly) 형성되는 것을 모두 포함한다. 또한 "상(위) 또는 하(아래)(on or under)"으로 표현되는 경우 하나의 element를 기준으로 위쪽 방향뿐만 아니라 아래쪽 방향의 의미도 포함할 수 있다.

더욱이, 본 발명의 명세서에서는, "…부", "…기", "모듈", "장치" 등의 용어는, 사용된다면, 하나 이상의 기능이나 동작을 처리할 수 있는 단위를 의미하며, 이는 하드웨어 또는 소프트웨어, 또는 하드웨어와 소프트웨어의 결합으로 구현될 수 있음을 알아야 한다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 실시 예를 상세히 설명하되, 도면 부호에 관계없이 동일하거나 대응하는 구성 요소는 동일한 참조 번호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다.

도 1 내지 도 3는, 본 발명을 개념적으로 명확히 이해하기 위하여, 주요 특징 부분만을 명확히 도시한 것이며, 그 결과 도해의 다양한 변형이 예상되며, 도면에 도시된 특정 형상에 의해 본 발명의 범위가 제한될 필요는 없다.

도 1은 크랭크 강성 기반 동력 보조 구동 시스템의 구성을 나타내는 구성도이다.

도 1을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 크랭크 강성 기반 동력 보조 구동 시스템(100)은 제어부(10), 모터부(20), 저장부(30), 측정부(40) 및 전원부(50)를 포함할 수 있다.

제어부(10)는 크랭크 강성 기반 동력 보조 구동 시스템(100) 전체의 구동을 제어한다. 구체적으로 본 발명의 구성요소인 모터부(20), 저장부(30) 및 측정부(40)를 제어하는 역할을 수행한다. 제어부(10)는 측정부(40)를 제어하여 측정부(40)를 초기화하거나, 측정부(40)에서 측정된 측정값들을 넘겨받고, 이에 기초하여 동력 보조 구동 시스템의 발생 타이밍을 측정하고, 동력보조가 발생하는 경우, 동력 보조에 필요한 전압 또는 전류를 계산하며, 계산된 전압 또는 전류를 크랭크 강성 기반하여 결정하고 이를 모터에 인가한다.

제어부(10)는 또한, 통상의 마이크로 프로세서 형태로 구현될 수 있다.

제어부(10)는 크랭크 강성 기반 동력 보조 구동 시스템(100)이 전기자전거로 구현되는 경우, 크랭크에 가해지는 토크의 급격한 변화를 감소시키기 위해 탑승자의 신체 규격과 주행상황에 맞추어 크랭크 강성 기반 동력 보조에 필요한 전압 또는 전류를 결정할 수 있다. 주행상황이라 함은 도로의 경사의 정도와 현재의 가속 정도를 고려하여 결정될 수 있다. 이러한 주행상황을 고려하기 위해 주행상황에 따른 제어변수가 저장부(30)에 저장될 수 있으며, 제어부(10)는 저장부(30)에 저장된 제어변수를 이용하여 동력 보조 구동에 필요한 전압 또는 전류를 결정할 수 있다.

모터부(20)는 제어부(10)의 제어에 따라 동력 보조 발생 타이밍에 인가되는 전압 또는 전류에 의해 크랭크 강성 기반 동력 보조 구동 시스템을 구동하기 위한 구동력을 제공할 수 있다. 또한, 모터부(20)에는 엔코더가 구비될 수 있지만, 모터부(20)의 엔코더 구비 여부는 본 발명의 구성과는 관계되지 않으며, 모터부(20)의 엔코더의 이용은 공지되어 있는 부분이므로, 그에 대한 설명은 따로 하지 않는다.

저장부(30)는 측정부(40)에서 얻은 크랭크의 각도에 따른 크랭크의 토크를 저장해두는 역할을 하며, 저장된 크랭크의 각도 및 토크는 제어부(10)에서 참조할 수 있도록 한다.

저장부(30)에는 크랭크의 각도에 따른 크랭크 토크의 적절한 범위 또는 최적값 등을 룩업테이블 형태로 저장될 수 있으며, 제어부(10)에서 필요에 따라 참조할 수 있도록 구현될 수 있다.

일실시예로, 저장부(30)는 크랭크가 회전하는 경우, 측정부(40)로부터 측정되는 크랭크의 각도에 따른 크랭크 토크를 저장테이블에 저장할 수 있다. 이때, 크랭크가 반복적으로 회전하므로, 크랭크 각도에 따른 크랭크 토크가 계속적으로 업데이트 될 수 있으며, 제어부(10)는 지속적으로 업데이트 되는 정보를 이용할 수 있다.

또한, 본 발명의 바람직한 일 실시예에서, 저장부(30)는 제어부(10)에 통합되어 구현될 수 있다.

측정부(40)는 하이브리드 시스템에 구비되는 크랭크의 동작상태를 측정한다.

측정부(40)는 크랭크의 회전 상태를 판단할 수 있는 다양한 변수를 측정할 수 있으며, 이를 측정하기 위한 다양한 측정장치가 사용될 수 있다. 일실시예로, 측정부(40)는 크랭크의 각도와 크랭크의 토크를 측정할 수 있다. 측정부(40)는 크랭크의 각도와 토크를 각각 또는 함께 측정하도록 구비될 수 있다. 측정부(40)는 크랭크 각도와 토크를 측정하기 위해 엔코더, 크랭크 토크 센서, 페달 힘센서 또는 압력센서 중 적어도 하나가 사용될 수 있다.

크랭크 토크 센서가 사용되는 경우, 크랭크 토크 센서는 하이브리드 시스템의 프레임이나 크랭크에 설치될 수 있다. 일실시예로, 크랭크 토크 센서가 프레임에 설치되는 경우, 크랭크가 회전하는 동안, 크랭크가 인접하여 지나는 부분 중 한 지점에 설치될 수 있다. 이는 크랭크의 회전 반경 내측에 설치되어 토크의 측정값의 정확도를 향상하기 위함이다.

전원부(50)는 자신 이외의 구성요소들에 전력을 제공할 수 있다. 전원부(50)는 제어부(10)와 모터부(20), 측정부(40)에 전원을 공급하는 역할을 하며, 저장부(30)가 제어부(10)에 통합되지 않고 별도로 구현되는 경우 저장부(30)에도 전원을 공급하는 형태로 구현된다.

또한, 도 1에는 제어부(10)에서 전원부(50)에 제어신호를 보내지 않는 것으로 도시되어 있으나, 제어부(10)에서 전원부(50)에 제어신호를 보내 각 부로 공급되는 전원을 제어하는 형태로 구현될 수도 있다.

도 1에서 각 부를 이어주는 선들에 대하여 설명하면, 일단에 화살표가 표시되지 않은 선들은 전원선으로서, 전원부(50)에서 발생되는 전원을 각 부로 공급하기 위한 선을 나타내며, 일단에 화살표가 있는 선들은 제어 신호의 전달 방향 또는 데이터의 전달 방향을 나타내는 선들로서, 해당 선의 양단부 중 화살표가 없는 단부에 연결된 구성요소로부터 화살표가 있는 단부에 연결된 구성요소로 신호 또는 데이터가 전달됨을 나타낸다.

또한, 상기 본 발명에 대한 설명에서는 설명의 편의를 위하여, 크랭크 강성 기반 동력 보조 시스템이 자전거에 적용되는 경우를 예로 들어 표현하였으나, 이는 본 발명의 크랭크 강성 기반 동력 보조 시스템이 자전거에만 적용될 수 있는 것으로 한정하기 위함이 아니며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 사람을 포함하여 누구나 쉽게 이해할 수 있도록 자전거를 예로 든 것뿐임을 이해하여야 한다.

본 발명의 크랭크 강성 기반 동력 보조 시스템을 휠체어에 적용하는 경우에는, 상기 자전거에 적용된 실시예의 설명 중, 크랭크는 회전축으로, 페달은 림으로 대체하여 이해하면 된다.

또한, 자전거 또는 휠체어 이외의 장치에 본 발명의 크랭크 강성 기반 동력 보조 시스템이 적용되는 경우 역시, 상기 본 발명에 대한 실시예의 설명 중 크랭크 또는 페달로 기재되어 있는 부분들을, 해당 장치 중 크랭크 또는 페달에 대응되는 구성요소들의 명칭으로 대체하여 이해하면 될 것이다.

도 1을 참조하여, 크랭크 강성 기반 동력 보조 구동 시스템의 세부적 동작에 대해 설명하면 아래와 같다.

크랭크 강성 기반 동력 보조 구동 시스템은 측정부(40)에 의해 크랭크의 동작상태를 측정하게 되며, 제어부(10)는 측정부(40)의 측정값에 기초하여 동력 보조 구동에 필요한 전압 또는 전류를 결정하여 모터부(20)를 구동하게 된다.

제어부(10)에서 결정되는 전압 또는 전류의 값은 크랭크의 강성에 기반하여 결정된다. 일실시예로, 전압 또는 전류 값은 크랭크 토크의 변화량에 비례하며, 크랭크 각도의 변화량 또는 크랭크의 회전속도에 반비례하도록 결정될 수 있다.

단,

는 현재 크랭크 각도

에서의 크랭크 강성을 뜻한다.

(상기 수학식 1에서

는 모터에 인가될 전압 또는 전류,

는 비례상수로서, 토크의 급격한 변화를 줄이기 위하여 설정되는 값(주행시 변화가능),

는 크랭크의 강성으로서,

이며,

는 단위시간당 크랭크 토크 변화량,

는 단위시간당 크랭크 각도 변화량이다.)

상기 수학식 1에 따르면, 제어부(10)는 크랭크에 작용하는 강성에 기초하여 전압 또는 전류 값을 결정하게 된다. 수학식 1에 나타나는 것과 같이 크랭크가 전진을 하는 경우에만 전압 또는 전류를 공급하기 위해 강성의 절대값에 기초하여 공급 전력을 결정하게 된다.

또 다른 실시예로, 제어부(10)는 동력 보조를 위한 전압 또는 전류 값을 하기 수학식 2에 의해 결정할 수 있다.

단,

는 현재 크랭크 각도

에서의 크랭크 강성을 뜻한다.

(상기 수학식 2에서

는 모터에 인가될 전압 또는 전류,

는 크랭크의 강성으로서,

이며,

는 위상 지연 각도로서, 구동에 소비되는 에너지를 줄이기 위한 변수(주행시 변화가능),

는 단위시간당 크랭크 토크 변화량,

는 단위시간당 크랭크 각도 변화량이다.)

상기 수학식 2는 제어부(10)에서 결정되는 강성 값에 위상 지연각을 고려하여 모터에 인가될 전압 또는 전류의 값을 결정하게 된다. 제어부(10)는 크랭크의 강성으로부터 탑승자의 구동 의지를 파악하고, 위상 지연각을 이용하여 적절한 시점에 동력을 보조하여 이질감을 감소시키고, 구동을 위한 불필요한 힘을 제거하여 에너지 효율을 높일 수 있다.

수학식 1과 수학식 2에 사용되는 k값은 크랭크의 토크 변화량에 따라 변화할 수 있다. 일실시예로, 토크 변화량이 양의 변화량을 가지는 경우 탑승자의 구동의지가 높은 것으로 판단하고 k값을 증가시킬 수 있으며, 토크 변화량이 음의 변화량을 가지는 경우 탑승자의 구동의지가 낮은 것으로 판단하고 k값을 감소할 수 있다.

또한, k값은 비례상수로서, 토크의 급격한 변화를 줄이기 위해서 설정되는 값으로 주행시 변화하는 상황에 맞추어 변화할 수 있다.

도 2는 종래의 동력 보조 시스템에서 크랭크 각도에 따른 전체 파워의 소모량을 나타내는 그래프이고, 도 3은 본 발명의 실시예를 적용하는 경우, 크랭크 각도에 따른 전체 파워의 소모량을 나타내는 그래프이다. 도 2 및 도 3은 동일한 부하와 주행속도를 조건으로 하여 실험하였으며, 크랭크 강성 기반 동력 보조 구동 시스템은 대표적으로 전기자전거에 적용될 수 있다.

도 2는 종래의 동력 보조 시스템은 일반적인 PAS(Pedal Assist System) 모드를 이용하여 동력을 보조하는 경우로, 페달의 구동과 모터의 동력보조가 동일한 주기로 발생하고 있음을 확인할 수 있다.

도 3은 본 발명의 실시예인 크랭크 강성 기반 동력 보조 구동 시스템을 적용하는 경우로, 모터의 구동과 페달의 구동이 피크치가 나타나는 위상에서 차이점이 존재하며, 일정 각도에서 위상이동이 나타남을 확인할 수 있다.

또한, 도 3에서는 동력 보조 구동 시스템이 지속적으로 동작하는 것이 아니라, 탑승자가 페달링을 통해 동력을 발생시키는 시점에 동력을 보조하고 어느 정도 시점(최대값에 도달하기 전)에서 동력 보조 파워가 감소함을 확인할 수 있다.

도 2와 도 3을 비교하면, PAS의 경우에는 전체 동력의 평균이 136.8W이나, 본 발명의 실시예에서는 전체 동력의 평균이 114W에 해당함을 확인할 수 있으며, 이는 전체 필요로 하는 동력이 감소함을 확인할 수 있다. 이는 탑승자와 동력을 전달하기 위한 페달간의 이질감으로 발생하는 불필요한 소모 에너지를 감소함으로써 에너지 효율이 증가함을 확인할 수 있다.

한편, 이하에서는, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 크랭크 강성 기반 동력 보조 구동 방법을 설명하면 다음과 같다. 단, 본 발명의 일 실시예에 따른 크랭크 강성 기반 동력 보조 구동 시스템에서 설명한 바와 동일한 것에 대해서는 그 설명을 생략하기로 한다.

도 4는 본 발명의 실시예에 따른, 크랭크 강성 기반 동력 보조 구동 방법의 처리 흐름을 나타낸 흐름도이고, 도 5는 크랭크 강성 기반 동력 보조 구동 방법의 처리 순서를 나타내는 순서도이다. 도 4 내지 도 5에 있어서, 도 1 내지 도 3과 동일한 참조부호는 동일한 부재를 나타내며 상세한 설명은 생략하기로 한다.

도 4를 참조하면, 본 발명의 또 다른 실시예에 따른, 크랭크 강성 기반 동력 보조 구동 방법의 개략적인 처리 과정의 흐름은 F000 내지 F500의 6단계로 구분될 수 있다.

이하, F000 내지 F500의 6단계를 단계별로 설명한다. 상기에 설명한 바와 같이 대표적인 실시예인 전기자전거에 기초하여 본 발명을 설명하도록 한다.

F000 단계는, 본 발명에 따른 크랭크 강성 기반 페달 보조 구동 방법이 시작되는 단계로서, 본 발명에 따른 전기자전거에 사람이 탑승하면, 탑승자의 페달 입력 즉, 페달링을 대기하는 상태가 된다.

F100 단계에서는, 본 발명에 따른 전기자전거에 탑승한 사람의 페달링으로 크랭크가 회전되기 시작하면 센서(들)가 측정을 개시하여 측정값을 출력하기 시작한다.

F200 단계에서는, 크랭크 토크센서의 출력으로부터 크랭크의 토크와 각도를 획득한다.

F300 단계에서는, F200 단계에서 획득한 크랭크 토크와 크랭크 각도 값으로부터 얻을 수 있는, 단위시간당 크랭크 토크 변화량을 단위시간당 크랭크 각도 변화량으로 나누고, 그 절대값을 취하여 크랭크 강성을 구한다.

F400 단계에서는, F300 단계에서 구한 크랭크 강성에 위상 지연 각도 φㄹ 주어 φ 만큼 이후의 크랭크 각도위치에서 비례상수 k 를 곱하여, 모터에 인가될 전압 또는 전류를 결정한다. 즉, 현재 크랭크 각도에서 적용되는 모터의 신호는 사실 φ 만큼 이전 크랭크 각도에서 구한 크랭크 강성에 이득 k 를 곱한 값이다.

F500 단계에서는, F400 단계에서 결정된, 모터에 인가될 전압 또는 전류를 모터에 인가한다.

본 발명에 따른 전기자전거의 크랭크 강성 기반 페달 보조 구동 방법은, 이상과 같은 순서를 거쳐 모터에 전압 또는 전류를 인가한 후, F100 단계로 되돌아가며, 탑승자의 페달링이 계속되는 동안에는 상술한 것과 같은 F100 내지 F500 단계들을 반복적으로 수행함으로써, 크랭크 강성 변화를 반영하여 전기자전거의 모터를 구동시키게 된다.

도 5는 크랭크 강성 기반 동력 보조 구동 방법의 처리 순서를 나타내는 순서도이다.

도 5는 상기 도 1의 처리 흐름에, 탑승자가 임의로 크랭크 강성 기반 페달 보조 구동 방법을 On/Off 하는 경우를 반영할 수 있도록 구성된 순서도이다.

도 2를 참조하여, 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 전기자전거의 크랭크 강성 기반 페달 보조 구동 방법의 처리 과정을 설명하면 아래와 같다.

이하, S000 내지 S500의 6단계를 단계별로 상세히 설명한다.

S000 단계는, 본 발명에 따른 크랭크 강성 기반 페달 보조 구동 방법이 시작되는 단계로서, 본 발명에 따른 전기자전거에 사람이 탑승하면, 자동으로 센서(들)의 출력 값을 초기화하고, 탑승자의 페달 입력 대기 즉, 페달링을 대기하는 상태가 된다.

S100 단계에서는, 본 발명에 따른 전기자전거에 탑승한 사람이 크랭크 강성 기반 페달 보조 구동 방법을 작동시켰는지를 판단하고, 작동시키지 않은 경우에는 S000 단계로 되돌아가며, 작동시킨 경우에는 페달링으로 인하여 크랭크가 회전되기 시작하면, 센서(들)가 측정을 개시하여 측정값을 출력한다.

S200 단계에서는, 본 발명에 따른 전기자전거의 프레임 또는 크랭크에 설치되는 센서의 출력으로부터 크랭크의 토크와 각도를 획득한다.

일실시예로, 센서는 크랭크 토크 센서, 페달 힘 센서 또는 압력센서 중 적어도 하나를 사용하여 크랭크의 토크를 측정하고, 엔코더나 기울기 센서로부터 크랭크 각도를 동시에 측정하고, 두 측정값을 함께 출력할 수 있다.

S300 단계에서는, S200 단계에서 획득한 크랭크 토크와 크랭크 각도 값으로부터 얻는, 단위시간당 크랭크 토크 변화량을 단위시간당 크랭크 각도 변화량으로 나누고, 그 절대값을 취하여 크랭크 강성을 구한다.

S400 단계에서는, S300 단계에서 구한 크랭크 강성에 위상 지연 각도φ를 주어 φ 만큼 이후의 크랭크 각도위치에서 비례상수 k 를 곱하여, 모터에 인가될 전압 또는 전류를 결정하며, 계산 과정은 하기 수학식 2로 표현된다.

또한, S400 단계에서 위상 지연을 배제하기 위하여 하기 수학식 1과 같은 계산 과정을 이용할 수도 있다.

S500 단계에서는, S400 단계에서 결정된, 모터에 인가될 전압 또는 전류를 모터에 인가한다.

[수학식 1]

단,

는 현재 크랭크 각도

에서의 크랭크 강성을 뜻한다.

상기 수학식 1에서

는 모터에 인가될 전압 또는 전류를 나타내며,

는 비례상수로서, 토크의 급격한 변화를 줄이기 위하여 설정되는 값(주행시 변화가능)이고,

는 크랭크의 강성으로서,

이며,

는 단위시간당 크랭크 토크 변화량,

는 단위시간당 크랭크 각도 변화량을 나타낸다.

[수학식 2]

단,

는 현재 크랭크 각도

에서의 크랭크 강성을 뜻한다.

상기 수학식 2에서

는 모터에 인가될 전압 또는 전류를 나타내며,

는 크랭크의 강성으로서,

이며,

는 단위시간당 크랭크 토크 변화량,

는 단위시간당 크랭크 각도 변화량을 나타낸다.

이상으로 본 발명의 실시 예에 관하여 첨부된 도면을 참조하여 구체적으로 살펴보았다.

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 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.

10 : 제어부
20 : 모터부
30 : 저장부
40 : 측정부
50 : 전원부
100 : 크랭크 강성 기반 동력 보조 구동 시스템

Claims

크랭크의 토크와 각도를 측정하는 측정부;
상기 측정부의 측정값에 기초하여 동력 보조에 필요한 전압 또는 전류 값을 상기 크랭크의 강성에 기반하여 결정하는 제어부;
상기 전압 또는 전류가 인가되어 구동력을 제공하는 모터부; 및
자신 이외의 구성요소들에 전력을 제공하는 전원부;
를 포함하는 크랭크 강성 기반 동력 보조 구동 시스템.
제1 항에 있어서,
상기 측정부는 크랭크 토크 센서, 페달 힘센서 또는 압력센서 중 적어도 하나가 사용되는 것을 특징으로 하는 크랭크 강성 기반 동력 보조 구동 시스템.
제2 항에 있어서,
상기 크랭크 토크 센서는 프레임 또는 상기 크랭크에 설치되는 크랭크 강성 기반 동력 보조 구동 시스템.
제3 항에 있어서,
상기 크랭크 토크 센서가 상기 프레임에 설치되는 경우,
상기 크랭크 토크 센서는 상기 크랭크가 회전하는 동안, 상기 크랭크가 인접하여 지나는 부분 중 한 지점에 설치되는 것을 특징으로 하는 크랭크 강성 기반 동력 보조 구동 시스템.
제1 항에 있어서,
상기 제어부에서 졀정되는 상기 전압 또는 전류 값은 크랭크 토크의 변화량에 비례하며, 상기 크랭크 각도의 변화량 또는 상기 크랭크의 회전속도에 반비례하는 것을 특징으로 하는 크랭크 강성 기반 동력 보조 구동 시스템.
제1 항에 있어서,
상기 크랭트의 각도에 따른 상기 크랭크의 토크를 저장하는 저장부
를 더 포함하는 크랭크 강성 기반 동력 보조 구동 시스템.
제5 항에 있어서,
상기 크랭크의 강성은 하기 수학식 1에 의해 결정되는 것을 특징으로 하는 크랭크 강성 기반 동력 보조 구동 시스템.
[수학식 1]

단,
는 현재 크랭크 각도
에서의 크랭크 강성을 뜻한다.
(상기 수학식 1에서
는 모터에 인가될 전압 또는 전류,

는 비례상수로서, 토크의 급격한 변화를 줄이기 위하여 설정되는 값(주행시 변화가능),

는 크랭크의 강성으로서,
이며,

는 단위시간당 크랭크 토크 변화량,

는 단위시간당 크랭크 각도 변화량이다.)
제5 항에 있어서,
상기 크랭크 강성은 하기 수학식 2에 의해 결정되는 것을 특징으로 하는 크랭크 강성 기반 동력 보조 구동 시스템.
[수학식 2]

단,
는 현재 크랭크 각도
에서의 크랭크 강성을 뜻한다.
(상기 수학식 2에서
는 모터에 인가될 전압 또는 전류,

는 비례상수로서, 토크의 급격한 변화를 줄이기 위하여 설정되는 값(주행시 변화가능),

는 크랭크의 강성으로서,
이며,

는 위상 지연 각도로서, 구동에 소비되는 에너지를 줄이기 위한 변수(주행시 변화가능),

는 단위시간당 크랭크 토크 변화량,

는 단위시간당 크랭크 각도 변화량이다.)
크랭크 강성 기반 동력 보조 구동 방법으로서,
센서를 초기화하여 측정을 준비하는 측정준비 단계;
보조 구동 방법의 작동 여부를 감지하는 작동감지 단계;
상기 센서로부터 출력 값을 획득하는 단계;
상기 출력 값으로부터 상기 크랭크 강성을 계산하는 크랭크 강성 계산 단계;
상기 크랭크 강성에 비례하도록 모터에 인가될 전압 또는 전류를 결정하는 전압 또는 전류 결정 단계;
상기 결정된 전압 또는 전류를 모터에 인가하는 단계;
를 포함하는 크랭크 강성 기반 동력 보조 구동 방법.
제9 항에 있어서,
상기 계산하는 단계는 상기 크랭크 강성의 절대값을 계산하는 것을 특징으로 하는 크랭크 강성 기반 동력 보조 구동 방법.
제9 항에 있어서,
상기 크랭크 강성 계산 단계 및 상기 전압 또는 전류 결정하는 단계는, 하기 수학식 1을 통하여 상기 크랭크 강성과 상기 모터에 인가될 전압 또는 전류를 결정하는 것을 특징으로 하는 크랭크 강성 기반 동력 보조 구동 방법.
[수학식 1]

단,
는 현재 크랭크 각도
에서의 크랭크 강성을 뜻한다.
(상기 수학식 1에서
는 모터에 인가될 전압 또는 전류,

는 비례상수로서, 토크의 급격한 변화를 줄이기 위하여 설정되는 값(주행시 변화가능),

는 크랭크의 강성으로서,
이며,

는 단위시간당 크랭크 토크 변화량,

는 단위시간당 크랭크 각도 변화량이다.)
제9 항에 있어서,
상기 크랭크 강성 계산 단계 및 상기 전압 또는 전류 결정하는 단계는, 하기 수학식 2를 통하여 상기 크랭크 강성과 상기 모터에 인가될 전압 또는 전류를 결정하는 것을 특징으로 하는 크랭크 강성 기반 동력 보조 구동 방법.
[수학식 2]

단,
는 현재 크랭크 각도
에서의 크랭크 강성을 뜻한다.
(상기 수학식 2에서
는 모터에 인가될 전압 또는 전류,

는 비례상수로서, 토크의 급격한 변화를 줄이기 위하여 설정되는 값(주행시 변화가능),

는 크랭크의 강성으로서,
이며,

는 위상 지연 각도로서, 구동에 소비되는 에너지를 줄이기 위한 변수(주행시 변화가능),

는 단위시간당 크랭크 토크 변화량,

는 단위시간당 크랭크 각도 변화량이다.)
제11 항 또는 제12 항에 있어서,
상기
는 상기
에 따라서 변화하는 것을 특징으로 하는 크랭크 강성 기반 동력 보조 구동 방법.
제9 항에 있어서,
상기 작동감지 단계에서는,
상기 보조 구동 방법을 작동시켰는지 여부를 판단하고,
작동시키지 않은 경우에는 상기 측정준비 단계로 되돌아가며,
작동시킨 경우에는 크랭크가 회전되기 시작하면 센서에서 측정값이 출력되도록 하는 것을 특징으로 하는 크랭크 강성 기반 동력 보조 구동 방법.
제9 항에 있어서,
상기 센서는 크랭크 토크 센서, 페달 힘센서 또는 압력센서 중 적어도 하나를 사용하여 크랭크의 토크를 측정하고, 엔코더나 기울기 센서로부터 크랭크 각도를 동시에 측정하고, 두 측정값을 함께 출력하는 것을 특징으로 하는 크랭크 강성 기반 동력 보조 구동 방법.