KR20190023801A - 차량 및 그 제어방법 - Google Patents

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Abstract

차량 별로 발생할 수 있는 충전 중 전장 부하 소모량에 대한 학습치를 반영하여 차량 별 예상 충전 소요 시간을 계산함으로써 실제 충전 소요 시간과의 오차를 최소화고, 계산된 예상 충전 소요 시간을 사용자에게 제공함으로써 사용자가 종료 지점을 인지하고 시간을 효율적으로 활용할 수 있도록 하는 차량 및 차량 제어 방법을 제공한다.
일 실시예에 따른 차량은, 완속 충전 또는 고속 충전 가능한 배터리; 상기 배터리를 완속 충전하는 내부 충전기; 상기 배터리를 완속 충전하는 경우에, 상기 내부 충전기의 평균 충전 전류와 학습된 전장 부하 소모 전류를 이용하여 예상 충전 소요 시간을 연산하는 배터리 제어부; 및 상기 연산된 예상 충전 소요 시간을 표시하는 디스플레이부;를 포함한다.

Description

차량 및 그 제어방법{VEHICLE AND CONTROL METHOD FOR THE SAME}
개시된 발명은 배터리 충전에 소요되는 시간을 연산하는 차량 및 그 제어방법에 관한 것이다.
최근에는 석유 자원의 고갈과 온실가스에 의한 지구 온난화 문제로 인해 친환경 차량에 대한 연구 및 개발이 활발하게 이루어지고 있다.
친환경 차량은 기존의 내연기관 차량에 비해 대기 오염물질이나 이산화탄소의 배출이 적고 연비가 우수한 차량으로서, 엔진과 모터 동력을 조합하여 구동하는 하이브리드 자동차(Hybrid Electric Vehicle), 엔진과 모터 동력을 조합하여 구동하되, 모터에 필요한 전기 에너지를 외부 전원으로부터 공급받는 플러그인 하이브리드 자동차(Plug0in hybrid Electric Vehicle), 차량에 마련된 고전압 배터리에서 전기 모터로 전기 에너지를 공급하여 화석 연료를 전혀 사용하지 않는 전기 자동차(Electric Vehicle), 수소와 공기 중의 산소를 반응시켜 전기를 생산하는 연료 전지를 이용하는 연료전지 자동차(Fuel Cell electric Vehicle) 등이 있다.
외부 전원으로부터 전기 에너지를 공급받는 플러그인 하이브리드 자동차와 전기 자동차는 주행을 위해 배터리 충전이 필수적이며, 배터리 충전에 소요되는 시간은 대략적으로 20분 이상(급속 충전 시) 또는 5시간 이상(완속 충전 시)이다.
따라서, 사용자의 편의성 향상을 위해 사용자에게 배터리 충전에 소요되는 시간을 정확히 알려주는 것이 필요하다.
차량 별로 발생할 수 있는 충전 중 전장 부하 소모량에 대한 학습치를 반영하여 차량 별 예상 충전 소요 시간을 계산함으로써 실제 충전 소요 시간과의 오차를 최소화고, 계산된 예상 충전 소요 시간을 사용자에게 제공함으로써 사용자가 종료 지점을 인지하고 시간을 효율적으로 활용할 수 있도록 하는 차량 및 차량 제어 방법을 제공한다.
일 실시예에 따른 차량은, 완속 충전 또는 고속 충전 가능한 배터리; 상기 배터리를 완속 충전하는 내부 충전기; 상기 배터리를 완속 충전하는 경우에, 상기 내부 충전기의 평균 충전 전류와 학습된 전장 부하 소모 전류를 이용하여 예상 충전 소요 시간을 연산하는 배터리 제어부; 및 상기 연산된 예상 충전 소요 시간을 표시하는 디스플레이부;를 포함한다.
상기 배터리 제어부는, 상기 배터리의 완속 충전이 완료되면, 실제 전장 부하 소모 전류를 연산하고, 상기 연산된 실제 전장 부하 소모 전류를 이용하여 상기 학습된 전장 부하 소모 전류를 다시 학습할 수 있다.
상기 차량은, 상기 학습된 전장 부하 소모 전류를 저장하는 저장부;를 더 포함할 수 있다.
상기 배터리 제어부는, 상기 배터리의 완속 충전이 완료되면, 상기 배터리의 완속 충전이 완료되면, 상기 배터리의 충전 중 측정된 상기 완속 충전기의 충전 전류의 평균 값인 제1전류값을 획득하고, 상기 배터리의 완속 충전에 소요된 실제 시간으로 상기 목표 충전량을 나누어 제2전류값을 획득하고, 상기 제1전류값과 상기 제2전류값 사이의 편차로부터 상기 실제 전장 부하 소모 전류를 연산할 수 있다.
상기 배터리 제어부는, 상기 학습된 전장 부하 소모 전류와 상기 실제 전장 부하 소모 전류를 평균하여 상기 학습된 전장 부하 소모 전류를 다시 학습할 수 있다.
상기 배터리 제어부는, 상기 배터리의 다음 완속 충전 시에, 상기 다시 학습된 전장 부하 소모 전류를 이용하여 예상 충전 소요 시간을 연산할 수 있다.
상기 배터리 제어부는, 상기 배터리의 초기 전압과 상기 내부 충전기의 충전 출력에 따른 평균 충전 전류가 맵핑된 테이블로부터 상기 평균 충전 전류를 획득할 수 있다.
상기 배터리 제어부는, 상기 배터리의 목표 충전량을 상기 평균 충전 전류와 상기 학습된 전장 부하 소모 전류 사이의 편차로 나누어 상기 예상 충전 소요 시간을 연산할 수 있다.
상기 배터리 제어부는, 상기 배터리의 완속 충전 중에 주기적으로 상기 예상 충전 소요 시간을 연산하고, 상기 디스플레이부에 표시되는 예상 충전 소요 시간을 갱신할 수 있다.
상기 디스플레이부는, 클러스터 디스플레이 및 헤드 유닛 디스플레이 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
일 실시예에 따른 차량의 제어방법은, 배터리를 완속 충전하는 경우에, 상기 배터리를 완속 충전하는데 사용되는 내부 충전기의 평균 충전 전류를 획득하고; 상기 평균 충전 전류와 학습된 전장 부하 소모 전류를 이용하여 예상 충전 소요 시간을 연산하고; 상기 연산된 예상 충전 소요 시간을 표시하는 것;을 포함한다.
상기 차량의 제어방법 상기 배터리의 완속 충전이 완료되면, 실제 전장 부하 소모 전류를 연산하고; 상기 연산된 실제 전장 부하 소모 전류를 이용하여 상기 학습된 전장 부하 소모 전류를 다시 학습하는 것;을 더 포함할 수 있다.
상기 차량의 제어방법은, 상기 학습된 전장 부하 소모 전류를 저장하는 것;을 더 포함할 수 있다.
상기 실제 전장 부하 소모 전류를 연산하는 것은, 상기 배터리의 완속 충전이 완료되면, 상기 배터리의 충전 중 측정된 상기 완속 충전기의 충전 전류의 평균 값인 제1전류값을 획득하고, 상기 배터리의 완속 충전에 소요된 실제 시간으로 상기 목표 충전량을 나누어 제2전류값을 획득하고, 상기 제1전류값과 상기 제2전류값 사이의 편차로부터 상기 실제 전장 부하 소모 전류를 연산하는 것;을 포함할 수 있다.
상기 학습된 전장 부하 소모 전류를 다시 학습하는 것은, 상기 학습된 전장 부하 소모 전류와 상기 실제 전장 부하 소모 전류를 평균하는 것;을 포함할 수 있다.
상기 차량의 제어방법은, 상기 배터리의 다음 완속 충전 시에, 상기 다시 학습된 전장 부하 소모 전류를 이용하여 예상 충전 소요 시간을 연산하는 것;을 더 포함할 수 있다.
상기 평균 충전 전류를 획득하는 것은, 상기 배터리의 초기 전압과 상기 내부 충전기의 충전 출력에 따른 평균 충전 전류가 맵핑된 테이블로부터 상기 평균 충전 전류를 획득하는 것;을 포함할 수 있다.
상기 배터리의 완속 충전 중에 주기적으로 상기 예상 충전 소요 시간을 연산하여 상기 디스플레이부에 표시되는 예상 충전 소요 시간을 갱신하는 것;을 더 포함할 수 있다.
일 측면에 따른 차량 및 그 제어방법은, 차량 별로 발생할 수 있는 충전 중 전장 부하 소모량에 대한 학습치를 반영하여 차량 별 예상 충전 소요 시간을 계산함으로써 실제 충전 소요 시간과의 오차를 최소화고, 계산된 예상 충전 소요 시간을 사용자에게 제공함으로써 사용자가 충전 종료 지점을 인지하고 시간을 효율적으로 활용할 수 있도록 편의성을 향상시킬 수 있다.
도 1은 일 실시예에 따른 차량의 제어 블록도이다.
도 2는 일 실시예에 따른 차량의 외관을 나타낸 도면이다.
도 3은 일 실시예에 따른 차량에 있어서 배터리와 관련된 구성들을 구체적으로 나타낸 도면이다.
도 4는 일 실시예에 따른 차량에서 완속 충전 시 시간에 따른 전압과 전류의 변화를 도시한 그래프이다.
도 5는 일 실시예에 따른 차량에서 초기 전압과 충전 출력에 따라 평균 전류를 맵핑시킨 테이블이다.
도 6은 일 실시예에 따른 차량의 내부를 나타낸 도면이다.
도 7 및 도 8은 일 실시예에 따른 차량이 배터리 예상 충전 소요 시간을 표시하는 예시를 나타낸 도면이다.
도 9는 일 실시예에 따른 차량의 제어방법에 관한 순서도이다.
명세서 전체에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성요소를 지칭한다. 본 명세서가 실시예들의 모든 요소들을 설명하는 것은 아니며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 일반적인 내용 또는 실시예들 간에 중복되는 내용은 생략한다. 명세서에서 사용되는 '부, 모듈, 부재, 블록'이라는 용어는 소프트웨어 또는 하드웨어로 구현될 수 있으며, 실시예들에 따라 복수의 '부, 모듈, 부재, 블록'이 하나의 구성요소로 구현되거나, 하나의 '부, 모듈, 부재, 블록'이 복수의 구성요소들을 포함하는 것도 가능하다.
명세서 전체에서, 어떤 부분이 다른 부분과 "연결"되어 있다고 할 때, 이는 직접적으로 연결되어 있는 경우뿐 아니라, 간접적으로 연결되어 있는 경우를 포함하고, 간접적인 연결은 무선 통신망을 통해 연결되는 것을 포함한다.
또한 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.
단수의 표현은 문맥상 명백하게 예외가 있지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다.
각 단계들에 붙여지는 부호는 각 단계들을 식별하기 위해 사용되는 것으로 이들 부호는 각 단계들 상호 간의 순서를 나타내는 것이 아니며, 각 단계들은 문맥상 명백하게 특정 순서를 기재하지 않는 이상 명기된 순서와 다르게 실시될 수 있다.
이하 첨부된 도면들을 참고하여 차량 및 차량 제어 방법의 실시예를 상세하게 설명한다.
일 실시예에 따른 차량은 배터리에서 모터로 전기 에너지를 공급하여 구동력을 발생시키고, 배터리에 저장되는 전기 에너지를 외부 전원으로부터 공급받는 차량으로서, 동력 발생원으로 엔진과 모터를 모두 사용하는 플러그인 하이브리드 자동차와 모터만을 사용하는 전기 자동차를 모두 포함할 수 있다. 다만, 후술하는 실시예에서는 설명의 편의를 위해 전기 자동차를 예로 들어 설명한다.
도 1은 일 실시예에 따른 차량의 제어 블록도이다.
도 1을 참조하면, 일 실시예에 따른 차량(100)은 모터(130), 완속 충전 또는 고속 충전 가능한 배터리(110), 배터리(110)를 완속 충전하는데 사용되는 내부 충전기(140), 배터리(110)를 완속 충전하는 경우에, 평균 충전 전류와 학습된 전장 부하 소모 전류를 이용하여 예상 충전 소요 시간을 연산하는 배터리 제어부(120) 및 연산된 예상 충전 소요 시간을 표시하는 디스플레이부(150)를 포함한다.
또한, 차량(100)은 학습된 전장 부하 소모 전류를 저장하는 저장부(160)를 더 포함할 수 있다.
이하, 모터(130)와 배터리(110)를 포함하는 차량의 구조와 함께 배터리(110)의 충전 및 예상 충전 소요 시간 연산 등의 동작을 구체적으로 설명한다.
도 2는 일 실시예에 따른 차량의 외관을 나타낸 도면이고, 도 3은 일 실시예에 따른 차량에 있어서 배터리와 관련된 구성들을 구체적으로 나타낸 도면이다.
도 2를 참조하면, 차량(100)은 차량(100)의 외관을 형성하는 차체(10), 차량(100)을 이동시키는 차륜(21, 22), 운전자에게 차량(1) 전방의 시야를 제공하는 전면 유리(33), 운전자에게 차량(100) 측면 후방의 시야를 제공하는 사이드 미러(35)를 포함한다.
또한, 차량(100) 내부에 마련되는 모터(130)는 배터리(110)로부터 공급된 전기 에너지를 토크로 변환하여 구동력을 발생시키고, 발생된 구동력을 전륜(21) 또는 후륜(22)에 제공한다.
차량(100)이 전륜 구동 방식인 경우에는 모터(130)가 전륜(21)에 회전력을 제공하고, 후륜 구동 방식인 경우에는 후륜(22)에 회전력을 제공한다. 또한, 차량(100)이 사륜 구동 방식인 경우에는 전륜(21)과 후륜(22)에 모두 회전력을 제공할 수 있다.
차체(100)에는 배터리(110)를 충전하기 위해, 외부 전원으로부터 전력을 공급받는데 사용되는 충전 포트(41, 42)가 마련될 수 있다. 도 2의 예시에서는 설명의 편의를 위해, 충전 포트(41, 42)를 모두 같은 방향에 도시하였으나, 차량(100) 내에 배터리(110)와 모터(130)의 위치, 설계 사양 등에 따라 충전 포트(41, 42)가 서로 반대 편에 마련되거나, 둘 중 적어도 하나는 차량의 전면 또는 후면에 마련되는 것도 가능하다. 차량(10)의 실시예에서는 충전 포트(41, 42)의 위치에 제한을 두지 않는다.
전기 자동차의 배터리 충전 방식에는 완속 충전과 급속 충전 두 가지 방식이 있다. 완속 충전은 일반 전원에서 인가되는 전류를 통해 저속으로 충전하는 방식이고, 급속 충전은 고전류를 인가하여 단시간에 충전하는 방식이다.
일 예로, 완속 충전기(200)는 220V 교류 전원을 공급할 수 있고, 이 경우 배터리(110)가 완전 충전되는데 소요되는 시간은 약 4-5시간일 수 있다. 급속 충전기(300)는 100-500V 정도의 직류 전원을 공급할 수 있고, 이 경우 배터리(110)가 완전 충전되는데 소요되는 시간이 25분 내외일 수 있다. 다만, 급속 충전기(300)를 이용한 경우, 배터리(110)를 100% 충전시키지 않고 80%만 충전시킬 수 있다.
충전 포트는 외부의 완속 충전기(200)로부터 전력을 공급받는데 사용되는 완속 충전 포트(41) 및 외부의 급속 충전기(300)로부터 전력을 공급받는데 사용되는 급속 충전 포트(42)를 포함할 수 있다.
완속 충전기(200)에 충전 케이블(C1)의 일 단을 연결하고, 충전 케이블(C1)의 타 단을 차량(100)의 완속 충전 포트(41)에 연결하여, 완속 충전기(200)로부터 공급되는 전력을 차량(100)에 전달할 수 있다.
또한, 급속 충전기(300)의 충전 케이블(C2)을 차량(100)의 급속 충전 포트(42)에 연결하여, 급속 충전기(300)로부터 공급되는 전력을 차량(100)에 전달할 수 있다.
급속 충전의 경우, 급속 충전기(300)와 배터리 제어부(120)가 통신하여 충전에 필요한 정보를 주고 받을 수도 있다.
도 3을 참조하여, 배터리(110)를 충전하는 과정에 대해 더 구체적으로 설명한다.
일 실시예에 따른 차량(100)의 배터리(110)는 충전과 방전을 반복할 수 있는 2차 전지를 포함하며, 일 예로 리튬이온 배터리를 채용할 수 있다.
리튬이온 배터리는 리튬이온이 양극과 음극 사이를 이동하면서 도핑(doping)/언도핑(undoping)되는 과정을 통해 충전과 방전이 이루어진다.
충전 시에는 리튬을 함유한 화합물로 구성된 양극으로부터 리튬이 언도핑되고, 음극의 탄소층 간에 리튬이 도핑된다. 방전 시에는 음극의 탄소층으로부터 리튬이 언도핑되고 양극 화합물의 층간에 리튬이 도핑된다.
도 3을 참조하면, 배터리(110)는 복수의 셀(Cell)이 하나의 프레임에 의해 결합되어 배터리 모듈(111)을 이루고, 복수의 배터리 모듈(111)이 하나의 배터리(110)를 구성할 수 있다. 복수의 배터리 모듈(111)로 이루어진 배터리(110)를 배터리 팩이라 할 수 있다.
또한, 각각의 배터리 모듈(111)마다 단위 셀의 전압을 측정하여 필요에 따라 방전을 개시하는 셀 모니터 유닛(112)이 마련될 수 있다.
한편, 배터리(110)에는 직류 전원이 공급되어야 한다. 따라서, 완속 충전기(200)로부터 공급된 교류 전원은 차량(100)에 마련된 내부 충전기(140)에서 직류로 변환되어 배터리(110)로 공급된다. 차량(100)에 마련된 내부 충전기(140)는 On Board Charger라 한다.
일 예로, 내부 충전기(140)는 PFC(Power Factor Correction) 부스트 컨버터(Boost converter) 회로, 풀 브릿지 컨버터(Full bridge converter) 회로 및 풀 브릿지 정류(Full bridge rectifier) 회로를 포함할 수 있다. 완속 충전기(200)로부터 200V AC가 공급된 경우, PFC 부스트 컨버터 회로에서 200V AC를 정류시키고, 정류된 전압은 부스트 컨버터 회로를 통해 승압된다. 풀 브릿지 컨버터 회로는 승압된 전압을 고주파의 교류 전압으로 변환시키고, 고주파의 교류 전압은 트랜스포머를 통해 고전압으로 변압된다. 고전압의 교류 전압은 풀 브릿지 정류 회로를 통해 정류되며, 정류된 파형은 LC 필터 회로를 통해 DC 전압으로 변환되어 배터리(110)에 충전된다.
급속 충전기(300)로부터 공급되는 전원은 직류 전원이므로 내부 충전기(140)를 거치지 않고, 배터리(110)에 직접 공급될 수 있다.
배터리(110)에 충전된 전기 에너지는 모터(130)에 공급된다. 차량(100)에 사용되는 대부분의 부품들은 저전압(예: 12V)에서 동작한다. 따라서, 배터리(110)에 충전된 전기 에너지는 모터(130)로 공급되기 전에, LDC(Low voltage DC-DC Converter)(171)를 통해 저전압으로 변환될 수 있다.
모터(130)는 사용 전원 및 브러시의 유무에 따라 DC 모터, AC 모터, BLDC 모터 등이 사용될 수 있다. 당해 예시에서는 AC 모터가 사용되는 경우를 예로 들어 설명한다.
인버터(172)는 저전압으로 변환된 직류 전원을 교류 전원으로 변환하고, 교류 전원의 전압 및 주파수를 조절하여 모터(130)의 토크를 제어할 수 있다.
또한, 모터(130)는 감속기(181)와 연결될 수 있다. 감속기(181)는 모터의 속도를 줄여 토크를 증가시킬 수 있다. 감속기(181)를 사용하면 작은 모터를 사용하여도 큰 힘을 발생시킬 수 있으므로, 비용 절감, 공간 절약, 무게 감소 및 발열 감소의 효과를 얻을 수 있다.
모터(130)는 배터리(110)로부터 공급받은 전기 에너지를 토크로 변환하여 구동력을 발생시킨다. 발생된 구동력은 전륜(21) 또는 후륜(22)에 전달되어 차량(100)을 가속시킬 수 있다.
또한, 차량(100)을 감속 또는 제동시키는 경우에는 모터(130)가 발전기가 되어, 발생되는 전기 에너지를 배터리(110)에 저장하는 것도 가능하다. 이를 회생 제동이라 한다.
모터(130)에 전류를 공급하여 토크가 발생되면 차량(100)이 가속될 수 있고, 모터(130)에 공급되는 전류를 차단하면 모터(130)는 폐회로 상태가 된다. 차량(100)의 관성력으로 인해 차륜(21, 22)에 연결된 회전자가 계속 돌아가면서 폐회로 상태의 모터(130)는 전기 에너지를 발생시킬 수 있다.
모터(130)에서 발생된 전기 에너지는 교류 전원에 해당하므로, 인버터(172)를 통해 직류 전원으로 변환되어 배터리(110)에 저장될 수 있다.
배터리 제어부(120)는 배터리(110)의 전압, 전류, 온도 등을 측정 및 관리하여 최적의 상태로 유지할 수 있고, 충전 상태(SOC: State of Charge)를 계산할 수 있다. 또한, 배터리(110)의 수명(SOH: State of Health)을 예측하고, 배터리(110)의 과충전 및 과방전을 억제하여 셀을 균등한 충전 상태로 유지시켜주는 셀 밸런싱(Cell Balancing)을 수행할 수 있다. 또한, 열에 민감한 배터리(110)의 온도 관리(Thermal Management)를 수행할 수 있다.
배터리 제어부(120)는 BMS(Battery Management System)으로 지칭될 수 있으며, 전술한 동작 및 후술할 동작을 수행하는데 필요한 프로그램이 저장된 메모리 및 저장된 프로그램을 실행하는 프로세서를 포함할 수 있다.
한편, 차량(100) 내부의 각종 전자 장치들은 내부 통신 프로토콜을 통해 서로 신호를 주고 받을 수 있다. 이 때, CAN(Controller Area Network), LIN(Local Interconnection Network), 플렉스레이(FlexRay), 이더넷(Ethernet) 등의 통신 프로토콜 중 적어도 하나를 사용할 수 있다. 또한, 주고 받는 신호의 종류 또는 신호를 주고 받는 유닛들의 종류에 따라 CAN 통신, LIN 통신 및 이더넷을 적절히 혼합하여 사용할 수도 있다.
도 3의 예시와 같이CAN 통신을 이용하는 경우, 배터리 제어부(120), 충전기(140), 인버터(172), 배터리(110) 등은 CAN 버스(BUS)에 CAN 신호를 전송하거나 필요한 CAN 신호를 요청할 수 있다. CAN 신호는 메시지 형태로 전송될 수 있다.
또한, 차량(100)에 대해 전반적인 제어를 수행하는 ECU(182)가 엑셀(184)과 브레이크(185)를 통해 입력된 사용자의 가속 명령 또는 감속 명령을 CAN 버스를 통해 배터리 제어부(120)에 전달하면, 배터리 제어부(120)는 배터리(110)의 충전/방전을 제어하여 전술한 바와 같이 모터(130)에 전기 에너지를 공급하여 차량(100)을 가속시키거나, 모터(130)에 공급되는 전기 에너지를 차단하여 차량(100)을 감속시킬 수 있다.
전술한 바와 같이, 배터리 제어부(120)는 배터리(110)의 충전에 소요되는 예상 시간을 계산할 수 있다. 배터리(110)의 충전에 소요되는 시간은 충전 방식, 충전량, 충전 전원의 사양, 충전 중 발생하는 전장 부하 소모량 등에 따라 달라질 수 있다.
따라서, 배터리 제어부(120)는 배터리(110)의 충전 방식을 판단하고, 판단된 충전 방식에 따라 충전 소요 시간을 연산하는데 필요한 데이터를 수집하고, 수집된 데이터를 이용하여 예상 충전 소요 시간을 연산할 수 있다. 이하, 배터리의 예상 충전 소요 시간을 연산하는 실시예를 구체적으로 설명한다.
도 4는 일 실시예에 따른 차량에서 완속 충전 시 시간에 따른 전압과 전류의 변화를 도시한 그래프이고, 도 5는 일 실시예에 따른 차량에서 초기 전압과 충전 출력에 따라 평균 전류를 맵핑시킨 테이블이다.
먼저, 배터리 제어부(120)는 배터리(110)의 충전 상태(SOC)를 측정하고, 측정된 충전 상태에 기초하여 목표 충전량을 계산한다.
완속 충전 방식으로 배터리(110)를 충전하는 경우, 배터리 제어부(120)는 내부 충전기(140)로부터 전류, 전압 데이터를 수신하고, 수신된 전류, 전압 데이터에 기초하여 충전 출력(W)을 계산할 수 있다.
도 4에 도시된 바와 같이, 배터리(110)가 충전되면서 배터리 전압이 상승하고, 충전 전류는 감소하는 경향을 보인다. 따라서, 충전 출력과 충전 중 배터리 전압의 상관 관계로부터 평균 충전 전류를 계산할 수 있고, 도 5에 도시된 바와 같이, 초기 배터리 전압과 충전 출력 별로 평균 충전 전류를 맵핑시켜 평균 충전 전류 테이블을 생성할 수 있다. 생성된 평균 충전 전류 테이블은 저장부(160)에 저장될 수 있다.
배터리 제어부(120)는 저장부(160)에 저장된 평균 충전 전류 테이블로부터 배터리(110)의 초기 전압과 내부 충전기(140)의 충전 출력에 맵핑된 평균 충전 전류를 검색하고, 검색된 평균 충전 전류를 이용하여 예상 충전 소요 시간을 계산할 수 있다. 이로써, 충전 시 비선형성을 보이는 배터리의 특성을 반영할 수 있다.
구체적으로, 배터리 제어부(120)는 아래 [수학식 1]에 기초하여 예상 충전 소요 시간(t)을 계산할 수 있다.
[수학식 1]
Figure pat00001
여기서, C는 목표 충전량으로서, 배터리 충전 상태(SOC)의 함수 fBatt(SOC)로 나타낼 수 있고, 단위는 [Ah]일 수 있다.
Iavg는 충전 초기 측정된 완속 충전기의 충전 출력과 배터리의 초기 전압을 이용하여 저장부(160)에 저장된 테이블로부터 계산되는 평균 충전 전류(단위는 [A])를 나타낼 수 있다.
IE는 충전 중 차량의 전장 부하 소모 전류를 나타낸다. 일 예로, IE는 충전 중 차량(100)의 전장 부하 작동을 위한 LDC(171)의 소모 전류를 나타낼 수 있다.
전장 부하 소모 전류는 학습을 통해 갱신될 수 있다. 예를 들어, 충전 중 측정된 완속 충전기의 충전 전류 IOBC의 평균 값(제1전류값)을 계산하고, 측정된 실제 충전 소요 시간으로 목표 충전량 C를 나누어 실제 평균 충전 전류(제2전류값)를 계산하여, 제1전류값과 제2전류값의 편차로부터 충전 중에 발생한 실제 전장 부하의 소모 전류를 계산할 수 있다.
실제 전장 부하 소모 전류는 저장부(160)에 저장되고, 다음 예상 충전 소요 시간 계산 시에 사용된다. 이전에 계산된 실제 전장 부하 소모 전류가 저장되어 있으면, 저장된 전장 부하 소모 전류 값들을 학습하고, 학습된 전장 부하 소모 전류 값을 위의 [수학식 1]의 전장 부하 소모 전류 IE로 사용할 수 있다.
이 때, 저장된 전장 부하 소모 전류를 모두 이용할 수도 있고, 일정 기간 동안 획득된 전장 부하 소모 전류만을 이용할 수도 있으며, 바로 이전에 획득된 전장 부하 소모 전류와 현재 획득된 전장 부하 소모 전류만을 이용할 수도 있다.
전장 부하 소모 전류의 학습 시점은 완속 충전이 완료되어 실제 전장 부하 소모 전류를 연산한 시점일 수도 있고, 다음 완속 충전 시에 예상 충전 소요 시간을 연산하는 시점일 수도 있다.
전장 부하 소모 전류 값의 학습은 평균 연산에 의해 이루어질 수도 있고, 소모 전류 값 외에 다른 요인까지 반영한 기계 학습을 통해 이루어질 수도 있다.
예를 들어, 현재 충전이 완료되면서 연산된 실제 전장 부하 소모 전류를 IERn이라 하고, 이전 충전이 완료되면서 학습 및 저장된 전장 부하 소모 전류를 IELn -1이라 하면, 배터리 제어부(120)는 아래 [수학식 2]에 따라 전장 부하 소모 전류를 평균하여 다시 학습된 전장 부하 소모 전류 IELn 를 획득하고 저장부(160)에 저장할 수 있다.
[수학식 2]
IELn = (IERn+ IELn -1)/2
따라서, 배터리 제어부(120)는 충전이 완료될 때마다 목표 충전량 C를 실제 충전 소요 시간으로 나누어 실제 평균 충전 전류를 계산하고, 충전 중 측정된 충전 전류 IOBC 또는 그 평균값과 실제 평균 충전 전류 사이의 편차로부터 실제 전장 부하 소모 전류를 계산하고, 이를 저장 및 학습하여 다음 예상 충전 소요 시간의 계산 시에 사용할 수 있다. 이로써, 차량의 단품 성능에 따른 소모량의 차이를 반영하여 정확한 예상 충전 소요 시간을 계산할 수 있다.
한편, 급속 충전으로 배터리(110)를 충전하는 경우에는, 배터리 제어부(120)는 배터리(110)의 온도와 충전 상태(SOC)를 측정하고, 배터리의 온도와 충전 상태에 기초하여 예상 충전 소요 시간을 획득할 수 있다.
일 예로, 저장부(160)는 배터리(110)의 온도와 충전 상태(SOC)에 따른 예상 충전 소요 시간이 테이블 형태로 저장될 수 있고, 배터리 제어부(120)는 저장된 테이블에 기초하여 급속 충전 시의 예상 충전 소요 시간을 획득할 수 있다.
배터리 제어부(120)가 예상 충전 소요 시간을 계산함에 있어서, 충전 케이블(C1 또는 C2)이 충전 포트(41 또는 42)에 연결된 것을 감지하여 충전 방식이 완속 충전인지 급속 충전인지 판단하고, 판단된 충전 방식에 따라 예상 충전 소요 시간을 계산할 수 있다.
도 6은 일 실시예에 따른 차량의 내부를 나타낸 도면이고, 도 7 및 도 8은 일 실시예에 따른 차량이 배터리 예상 충전 소요 시간을 표시하는 예시를 나타낸 도면이다.
도 6을 참조하면, 차량(100) 내부의 대시보드(51)의 중앙 영역인 센터페시아에 헤드 유닛(60)이 마련될 수 있다. 헤드 유닛(60)은 오디오 신호와 비디오 신호를 처리하여 출력할 수 있으며, 내비게이션 모듈이 장착되어 내비게이션 기능을 수행하는 것도 가능하다. 따라서, 헤드 유닛(60)은 AVN(Audio Video Navigation) 장치라 지칭되기도 한다.
헤드 유닛(60)은 오디오 기능, 비디오 기능, 내비게이션 기능 또는 전화 걸기 기능 외에도 차량(100)의 상태를 표시하거나, 이와 관련한 사용자의 제어 명령을 입력 받는 기능을 수행할 수도 있다.
헤드 유닛(60)에는 다양한 기능을 수행하기 위해 필요한 화면을 표시하는 디스플레이(61)와 사용자의 제어 명령을 입력 받기 위한 입력부(62)가 마련될 수 있다.
디스플레이(61)는 LCD(Liquid Crystal Display), LED(Light Emitting Diode), PDP(Plasma Display Panel), OLED(Organic Light Emitting Diode), CRT(Cathode Ray Tube) 등의 다양한 디스플레이 장치 중 하나로 구현될 수 있다.
입력부(62)는 디스플레이부(61)의 주변에 버튼 또는 터치 패드 형태로 마련되거나, 디스플레이부(61)의 전면에 터치 패드 형태로 마련되어 터치 스크린을 구성할 수 있다.
스티어링 휠(53)의 전방에는 차량의 주행 정보, 상태 정보 등을 표시하는 클러스터(70)가 마련될 수 있다. 클러스터 디스플레이(71) 역시 LCD(Liquid Crystal Display), LED(Light Emitting Diode), PDP(Plasma Display Panel), OLED(Organic Light Emitting Diode), CRT(Cathode Ray Tube) 등의 다양한 디스플레이 장치 중 하나로 구현될 수 있다.
사용자는 스티어링 휠(53)에 마련된 입력부(53a)를 조작하여 클러스터 디스플레이(71)에 표시되는 정보를 변경할 수 있다.
도 7에 도시된 바와 같이, 클러스터 디스플레이(71)에는 배터리의 충전 상태를 표시하는 영역(71a), 차량의 속도를 표시하는 영역(71b), 파워(PWR), 에코(ECO), 차지(CHARGE) 등 주행 상황에 따른 차량의 상태를 표시하는 영역(71c), 차량 관련 경고등이 표시되는 영역(71d) 및 연비 관련 정보가 표시되는 영역(71e)이 마련될 수 있다.
또한, 클러스터 디스플레이(71)의 일 영역에는 배터리 제어부(120)에서 계산한 배터리의 예상 충전 소요 시간이 표시될 수 있다. 예상 충전 소요 시간은 연비 관련 정보가 표시되는 영역(71e)에 표시될 수도 있고, 배터리의 충전 상태를 표시하는 영역(71a)에 표시될 수도 있다. 배터리의 예상 충전 소요 시간이 표시되는 영역의 위치에 대해서는 제한을 두지 않는다.
앞서 도 1에서 설명한 디스플레이부(150)는 헤드유닛 디스플레이(61)와 클러스터 디스플레이(71)를 포함할 수 있으며, 이 외에 차량(100)에 마련된 다른 디스플레이도 포함할 수 있음은 물론이다.
예상 충전 소요 시간을 표시하는 방식으로는, 도 7의 예시에 도시된 바와 같이 계산된 시간을 표시하는 방식, 충전이 완료될 것으로 예상되는 시각을 표시하는 방식 또는 이들을 동시에 표시하는 방식이 사용될 수 있다.
계산된 예상 충전 소요 시간을 표시하는 경우에는 충전이 진행됨에 따라 감소하는 충전 소요 시간을 반영할 수 있다. 따라서, 충전 시작 시에는 도 7의 예시에 도시된 바와 같이, "예상 충전 소요 시간"을 표시하고, 충전이 시작된 이후에는 "예상 충전 잔여 시간"을 표시할 수 있다.
예상 충전 잔여 시간을 표시하는 방식으로는, 초기 예상 충전 소요 시간으로부터 경과된 시간을 차감하는 방식이 사용될 수 있다. 또한, 배터리 제어부(120)가 배터리(110)의 충전 중에 예상 충전 소요 시간을 계산하고, 이를 예상 충전 잔여 시간으로 표시하는 것도 가능하다.
예를 들어, 배터리(110)가 충전되는 중에 예상 충전 소요 시간을 주기적으로 연산하고, 클러스터 디스플레이(71)에 표시되는 시간을 갱신할 수 있다.
최초 예상 충전 소요 시간의 계산 후, 충전 중에 발생할 수 있는 비정상적인 SOC 거동 또는 충전 전류의 이상에 의해 충전 소요 시간이 달라질 수 있다. 이러한 경우, 예상 충전 잔여 시간을 표시함에 있어서 시간 변화율을 제한하여 충전 중 잔여 시간 표시를 안정적으로 수행할 수 있다. 일 예로, 특정 전류 값을 사용하여 예상 충전 소요 시간을 계산하였으나, 충전 중 전류가 이보다 증가 또는 감소한 경우, 이를 반영하여 예상 충전 잔여 시간을 보여주게 되면 실제 소요되는 시간과 보여주는 시간이 사용자가 보는 시점마다 차이가 발생하여 혼란을 줄 수 있다. 따라서, 충전 중에는 SOC 상승에 연동하여 잔여 시간이 단조 감소하도록 시간 변화율을 제한할 수 있다.
도 8에 도시된 바와 같이, 헤드유닛 디스플레이(61)에 예상 충전 소요 시간을 표시하는 것도 가능하다. 충전이 시작되면, 헤드유닛 디스플레이(61)에 자동으로 예상 충전 소요 시간이 표시되는 것도 가능하고, 사용자가 배터리 정보 보기를 선택한 경우에 예상 충전 소요 시간이 표시되는 것도 가능하다.
헤드 유닛(60)에 예상 충전 소요 시간을 표시할 때에도 계산된 시간을 표시하는 방식, 충전이 완료될 것으로 예상되는 시각을 표시하는 방식 또는 이들을 동시에 표시하는 방식이 사용될 수 있다.
완속 충전이 선택 및 시작되면, 배터리 제어부(120)는 예상 충전 소요 시간을 연산하여 헤드 유닛(60)으로 전달하고, 헤드 유닛 디스플레이(61)는 완속 충전에 따른 예상 충전 소요 시간을 표시할 수 있다.
한편, 예상 충전 소요 시간에 관한 정보를 사용자에게 청각적으로 제공하는 것도 가능하다. 이 경우, 차량(100)에 마련된 스피커를 통해 예상 충전 소요 시간을 음성으로 출력할 수 있다.
이하, 차량의 제어방법에 관한 실시예를 설명한다. 일 실시예에 따른 차량의 제어방법에는 전술한 실시예에 따른 차량(100)이 사용될 수 있다. 따라서, 특별한 언급이 없더라도 전술한 도 1 내지 도 8의 설명은 일 실시예에 따른 차량의 제어방법에도 적용될 수 있다.
도 9는 일 실시예에 따른 차량의 제어방법에 관한 순서도이다.
도 9에 도시된 바와 같이, 충전이 시작되면 완속 충전인지 여부를 판단한다(510). 일 예로, 완속 충전인지 여부는 완속 충전 포트(41) 또는 급속 충전 포트(42)에 충전 케이블(C1, C2)이 연결되었는지 여부를 이용하여 판단할 수 있다.
완속 충전에 해당하면(510의 예), 내부 충전기의 전압/전류 데이터 및 배터리 전압 데이터를 수신한다(511). 내부 충전기의 전압/전류 데이터는 내부 충전기(140)로부터 수신할 수 있고, 배터리 전압 데이터는 배터리(110)로부터 수신할 수 있다.
수신된 데이터를 이용하여 평균 충전 전류를 획득한다(512). 구체적으로, 내부 충전기(140)로부터 수신한 전압/전류 데이터에 기초하여 충전 출력(W)을 연산할 수 있다. 저장부(160)에는 배터리의 초기 전압과 충전 출력(W) 별로 평균 충전 전류가 맵핑된 충전 전류 테이블이 저장되어 있는바, 배터리 제어부(120)는 저장된 평균 충전 전류 테이블로부터 배터리(110)의 초기 전압과 충전 출력(W)에 대응되는 평균 충전 전류를 획득할 수 있다.
평균 충전 전류를 이용하여 예상 충전 소요 시간을 연산한다(513). 일 예로, 전술한 [수학식 1]을 이용하여 예상 충전 소요 시간(t)을 연산할 수 있다. 이 때, 전장 부하 소모 전류 IE를 반영할 수 있고, 전장 부하 소모 전류는 충전 시마다 학습 및 저장된 값일 수 있다.
배터리 제어부(120)가 전술한 과정에 따라 예상 충전 소요 시간을 연산하면, CAN 통신과 같은 차량 내부 통신 프로토콜을 통해 클러스터(70) 또는 헤드 유닛(60)으로 연산된 예상 충전 소요 시간을 전송할 수 있다. 클러스터 디스플레이(71) 또는 헤드 유닛 디스플레이(61)는 전송된 예상 충전 소요 시간을 표시할 수 있다.
예상 충전 소요 시간을 표시하는 방식으로는, 계산된 시간을 표시하는 방식, 충전이 완료될 것으로 예상되는 시각을 표시하는 방식 또는 이들을 동시에 표시하는 방식이 사용될 수 있다.
충전이 완료되면(515의 예), 배터리 제어부(120)는 실제 전장 부하 소모 전류를 연산한다(516). 목표 충전량 C를 실제 충전 소요 시간으로 나누어 실제 충전 평균 전류를 계산하고, 충전 중 측정된 완속 충전기(140)의 충전 전류 IOBC의 평균값과 실제 충전 평균 전류 사이의 편차로부터 충전 중에 발생한 실제 전장 부하 소모 전류를 연산할 수 있다.
연산된 전장 부하 소모 전류는 학습 및 저장(517)되어 다음 충전 시 예상 충전 소요 시간을 계산할 때 사용될 수 있다. 전장 부하 소모 전류의 학습에 관한 내용은 전술한 차량(100)의 실시예에서 설명한 바와 같다.
배터리(110)를 급속 충전 방식으로 충전하는 경우(510의 아니오), 배터리의 온도와 충전 상태(SOC)를 측정하고(518), 배터리의 온도와 충전 상태에 기초하여 예상 충전 소요 시간을 획득할 수 있다(519). 일 예로, 저장부(160)는 배터리(110)의 온도와 충전 상태(SOC)에 따른 충전 소요 시간이 테이블 형태로 저장될 수 있고, 배터리 제어부(120)는 저장된 테이블에 기초하여 급속 충전 시의 예상 충전 소요 시간을 획득할 수 있다.
급속 충전 시의 예상 충전 소요 시간도 클러스터 디스플레이(71)나 헤드유닛 디스플레이(61)에 표시될 수 있다(520). 또는, 예상 충전 소요 시간이 급속 충전기(300)에 전달되어 급속 충전기(300)에 마련된 디스플레이를 통해 표시되는 것도 가능하다.
한편, 예상 충전 소요 시간을 충전 시작 시에만 연산하여 표시하는 것도 가능하고(515의 아니오①에 해당), 충전 도중에도 이를 연산하여 예상 충전 잔여 시간으로 표시(515의 아니오②에 해당)하는 것도 가능하다. 후자의 경우, 시간 변화율을 제한하여 충전 중 시간 표시를 안정적으로 수행할 수 있다.
전술한 실시예에 따른 차량 및 그 제어방법에 의하면, 차량 별로 발생할 수 있는 충전 중 전장 부하 소모량에 대한 학습치를 반영하여 차량 별 예상 충전 소요 시간을 계산함으로써 실제 충전 소요 시간과의 오차를 최소화고, 계산된 예상 충전 소요 시간을 사용자에게 제공함으로써 사용자가 충전 종료 지점을 인지하고 시간을 효율적으로 활용할 수 있도록 편의성을 향상시킬 수 있다.
상기의 설명은 기술적 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 발명의 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위 내에서 다양한 수정, 변경 및 치환이 가능할 것이다. 따라서, 상기에 개시된 실시예 및 첨부된 도면들은 기술적 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예 및 첨부된 도면에 의하여 기술적 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 그 보호 범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술적 사상은 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
100: 차량
110: 배터리
120: 배터리 제어부
130: 모터
140: 내부 충전기
150: 디스플레이부

Claims (18)

  1. 완속 충전 또는 고속 충전 가능한 배터리;
    상기 배터리를 완속 충전하는 내부 충전기;
    상기 배터리를 완속 충전하는 경우에, 상기 내부 충전기의 평균 충전 전류와 학습된 전장 부하 소모 전류를 이용하여 예상 충전 소요 시간을 연산하는 배터리 제어부; 및
    상기 연산된 예상 충전 소요 시간을 표시하는 디스플레이부;를 포함하는 차량.
  2. 제 1 항에 있어서
    상기 배터리 제어부는,
    상기 배터리의 완속 충전이 완료되면, 실제 전장 부하 소모 전류를 연산하고, 상기 연산된 실제 전장 부하 소모 전류를 이용하여 상기 학습된 전장 부하 소모 전류를 다시 학습하는 차량.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 학습된 전장 부하 소모 전류를 저장하는 저장부;를 더 포함하는 차량.
  4. 제 2 항에 있어서,
    상기 배터리 제어부는,
    상기 배터리의 완속 충전이 완료되면, 상기 배터리의 충전 중 측정된 상기 완속 충전기의 충전 전류의 평균 값인 제1전류값을 획득하고, 상기 배터리의 완속 충전에 소요된 실제 시간으로 상기 목표 충전량을 나누어 제2전류값을 획득하고, 상기 제1전류값과 상기 제2전류값 사이의 편차로부터 상기 실제 전장 부하 소모 전류를 연산하는 차량
  5. 제 2 항에 있어서,
    상기 배터리 제어부는,
    상기 학습된 전장 부하 소모 전류와 상기 실제 전장 부하 소모 전류를 평균하여 상기 학습된 전장 부하 소모 전류를 다시 학습하는 차량.
  6. 제 2 항에 있어서,
    상기 배터리 제어부는,
    상기 배터리의 다음 완속 충전 시에, 상기 다시 학습된 전장 부하 소모 전류를 이용하여 예상 충전 소요 시간을 연산하는 차량.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 배터리 제어부는,
    상기 배터리의 초기 전압과 상기 내부 충전기의 충전 출력에 따른 평균 충전 전류가 맵핑된 테이블로부터 상기 평균 충전 전류를 획득하는 차량.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 배터리 제어부는,
    상기 배터리의 목표 충전량을 상기 평균 충전 전류와 상기 학습된 전장 부하 소모 전류 사이의 편차로 나누어 상기 예상 충전 소요 시간을 연산하는 차량.
  9. 제 1 항에 있어서,
    상기 배터리 제어부는,
    상기 배터리의 완속 충전 중에 주기적으로 상기 예상 충전 소요 시간을 연산하고, 상기 디스플레이부에 표시되는 예상 충전 소요 시간을 갱신하는 차량.
  10. 제 1 항에 있어서,
    상기 디스플레이부는,
    클러스터 디스플레이 및 헤드 유닛 디스플레이 중 적어도 하나를 포함하는 차량.
  11. 배터리를 완속 충전하는 경우에, 상기 배터리를 완속 충전하는데 사용되는 내부 충전기의 평균 충전 전류를 획득하고;
    상기 평균 충전 전류와 학습된 전장 부하 소모 전류를 이용하여 예상 충전 소요 시간을 연산하고;
    상기 연산된 예상 충전 소요 시간을 표시하는 것;을 포함하는 차량의 제어방법.
  12. 제 11 항에 있어서
    상기 배터리의 완속 충전이 완료되면, 실제 전장 부하 소모 전류를 연산하고;
    상기 연산된 실제 전장 부하 소모 전류를 이용하여 상기 학습된 전장 부하 소모 전류를 다시 학습하는 것;을 더 포함하는 차량의 제어방법.
  13. 제 12항에 있어서,
    상기 학습된 전장 부하 소모 전류를 저장하는 것;을 더 포함하는 차량의 제어방법.
  14. 제 12 항에 있어서,
    상기 실제 전장 부하 소모 전류를 연산하는 것은,
    상기 배터리의 완속 충전이 완료되면, 상기 배터리의 충전 중 측정된 상기 완속 충전기의 충전 전류의 평균 값인 제1전류값을 획득하고, 상기 배터리의 완속 충전에 소요된 실제 시간으로 상기 목표 충전량을 나누어 제2전류값을 획득하고, 상기 제1전류값과 상기 제2전류값 사이의 편차로부터 상기 실제 전장 부하 소모 전류를 연산하는 것;을 포함하는 차량의 제어방법.
  15. 제 12 항에 있어서,
    상기 학습된 전장 부하 소모 전류를 다시 학습하는 것은,
    상기 학습된 전장 부하 소모 전류와 상기 실제 전장 부하 소모 전류를 평균하는 것;을 포함하는 차량의 제어방법.
  16. 제 12 항에 있어서,
    상기 배터리의 다음 완속 충전 시에, 상기 다시 학습된 전장 부하 소모 전류를 이용하여 예상 충전 소요 시간을 연산하는 것;을 더 포함하는 차량의 제어방법.
  17. 제 11 항에 있어서,
    상기 평균 충전 전류를 획득하는 것은,
    상기 배터리의 초기 전압과 상기 내부 충전기의 충전 출력에 따른 평균 충전 전류가 맵핑된 테이블로부터 상기 평균 충전 전류를 획득하는 것;을 포함하는 차량의 제어방법.
  18. 제11 항에 있어서,
    상기 배터리의 완속 충전 중에 주기적으로 상기 예상 충전 소요 시간을 연산하여 상기 디스플레이부에 표시되는 예상 충전 소요 시간을 갱신하는 것;을 더 포함하는 차량의 제어방법.
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