KR20200142941A - 자동차 및 그를 위한 주행 부하 산출 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 기상 상황을 고려하여 주행 부하 산출이 가능한 자동차 및 그를 위한 부하 산출 방법에 관한 것이다. 본 발명의 일 실시예에 따른 차량의 주행 부하 산출 방법은, 강우 또는 강설에 대한 기상 정보를 획득하는 단계; 상기 기상 정보를 기반으로 차량의 상면부에 작용하는 제1 주행 부하를 산출하는 단계; 상기 기상 정보를 기반으로 상기 차량의 전면부에 작용하는 제2 주행 부하를 산출하는 단계; 및 상기 제1 주행 부하와 상기 제2 주행 부하를 합산하여 기상에 의한 주행 부하인 제3 주행 부하를 산출하는 단계를 포함할 수 있다.

Description

자동차 및 그를 위한 주행 부하 산출 방법{VEHICLE AND METHOD OF CALCULATING DRIVING LOAD FOR THE SAME}
본 발명은 기상 상황을 고려하여 주행 부하를 산출할 수 있는 자동차 및 그를 위한 주행 부하 산출 방법에 관한 것이다.
하이브리드 자동차(HEV: Hybrid Electric Vehicle)란 일반적으로 두 가지 동력원을 함께 사용하는 차를 말하며, 두 가지 동력원은 주로 엔진과 전기모터가 된다. 이러한 하이브리드 자동차는 내연기관만을 구비한 차량에 비해 연비가 우수하고 동력성능이 뛰어날 뿐만 아니라 배기가스 저감에도 유리하기 때문에 최근 많은 개발이 이루어지고 있다.
이러한 하이브리드 자동차는 어떠한 동력계통(Power Train)을 구동하느냐에 따라 두 가지 주행 모드로 동작할 수 있다. 그 중 하나는 전기모터만으로 주행하는 전기차(EV) 모드이고, 다른 하나는 전기모터와 엔진을 함께 가동하는 하이브리드 전기차(HEV) 모드이다. 하이브리드 자동차는 주행 중 조건에 따라 두 모드 간의 전환을 수행한다.
상술한 동력계통에 따른 주행 모드의 구분 외에, 특히 플러그인 하이브리드 자동차(PHEV)의 경우 배터리의 충전 상태(SOC: State Of Charge)의 변동을 기준으로, 방전(CD: Charge Depleting) 모드와 충전 유지(CS: Charge Sustaining) 모드로 주행 모드를 구분할 수도 있다. 일반적으로 CD 모드에서는 엔진의 동력 없이 배터리의 전력으로 전기 모터를 구동하여 주행하게 되며, CS 모드에서는 배터리 SOC가 더 낮아지지 않도록 엔진의 동력을 이용하게 된다.
일반적인 PHEV의 경우 주행 부하, 충전 가능 여부, 목적지까지의 거리 등 주행조건과 무관하게 CD 모드로 주행한 후 SOC 소진에 따라 CS 모드로 전환을 수행한다. 이를 도 1을 참조하여 설명한다.
도 1은 일반적인 플러그인 하이브리드 차량의 모드 전환이 수행되는 형태의 일례를 나타낸다.
도 1에서 가로축은 거리를, 상단 그래프의 세로축은 PHEV의 배터리 충전 상태(SOC)를, 하단 그래프의 세로축은 주행 부하를 각각 나타낸다.
도 1의 하단 그래프를 먼저 참조하면, 출발지와 목적지 사이에 도심, 국도, 고속도로 구간이 혼재하며, 고속도로-국도-도심 순으로 주행부하가 상대적으로 낮은 경로가 나타나 있다. 이러한 경로를 주행함에 있어 일반적인 PHEV는 주행 부하의 변동에 대한 고려 없이 출발시에는 CD 모드로 시작하여, SOC가 기 설정된 기준 밑으로 떨어지는 경우 CS 모드로의 전환을 수행한다.
그런데, CD 모드는 저속/저부하 주행시에, CS 모드는 고속/고부하 주행시에 상대적으로 유리한 효율을 보인다. 이러한 하이브리드 차량의 특성은 도 2를 참조하여 설명한다.
도 2는 일반적인 하이브리드 차량의 파워트레인 에너지 효율 특성을 설명하기 위한 도면이다.
도 2에서 가로축은 파워트레인의 출력(POWER)을, 세로축은 파워트레인의 시스템 효율을 각각 나타낸다.
도 2를 참조하면, 출력이 낮은 구간에서는 전기 모터를 이용한 EV 모드 주행이 효과적이나, EV 모드의 효율과 HEV 모드의 효율이 서로 교차되는 지점(A) 이후로는 HEV 모드 주행이 더 효과적이다. 또한, 일반적으로 전기 모터는 엔진보다 최대 출력 지점(C)에 먼저 도달하게 된다. 따라서, (A) 지점이 CS 모드에서 엔진 기동의 기준이 될 수 있으며, HEV 모드의 효율이 최대가 되는 지점(B)이 CD 모드에서 엔진 기동의 기준이 될 수 있다.
결국, 도 1을 참조하여 전술한 방법과 같이 SOC 값에만 기반하여 모드 전환을 수행하게 되는 경우, 주행 부하가 고려되지 않기 때문에 경로에 따라 효율이 크게 떨어질 수 있다.
이러한 문제점을 개선하기 위해 적응형 모드 전환(Adaptive CD/CS) 방식이 고려될 수 있다. 적응형 모드 전환 방식은 전기 모터만으로 주행 가능한 거리(AER: All Electric Range) 보다 장거리를 주행 하는 경우에 다음 충전 전까지의 주행거리(DUC: Distance Until Charge)와 EV 모드 주행가능거리(DTE: Drive To Empty) 및 주행조건, 내비게이션 정보 등을 이용하여 CD/CS모드를 최적 효율에 따라 자동 전환하는 제어 방식이다.
예컨대, 적응형 모드 전환 방식이 적용되는 경우, 차량은 주행 조건에 기반하여 현재의 주행부하가 일정값 이상인 경우 CS 모드로 주행하고, 주행 부하가 낮을 경우 CD 모드로 주행할 수 있다. 물론, 차량은 주행 부하가 큰 구간이라도 DUC=DTE인 경우, CD 주행으로 SOC를 소진하여 DUC 내에서 SOC를 소진하도록 유도할 수도 있다. 이러한 적응형 모드 전환 방식을 도 2를 참조하여 설명한다.
도 3은 일반적인 플러그인 하이브리드 차량에서 적응형 모드 전환 방식이 적용된 경우 모드 전환이 수행되는 형태의 일례를 나타낸다.
도 3에서 가로축과 세로축의 의미 및 경로 구성은 도 1과 동일한 것으로 가정한다.
도 3을 참조하면, 처음 주행은 CD 모드로 시작되나, 기 설정된 주행 부하를 넘는 구간(여기서는 고속도로)에 진입하는 경우 SOC가 일정 값 이상이라도 CS 모드로 전환하게 되며, DUC=DTE인 구간에서 다시 CD 모드로 전환되어 효율적인 주행이 가능하다.
한편, 하이브리드 자동차는 전술한 모드 전환에 기반한 효율성 증대 외에, 관성 주행 안내 시스템을 통한 효율성 증대 또한 가능하다. 구체적으로, 전방에 감속 상황이 예정 또는 예상되는 경우 운전자가 적절한 시점에 가속 페달에서 발을 떼도록 하여, 차량이 타력 주행(또는 "관성 주행", "코스팅 주행")을 하도록 유도한다면 불필요한 연료 소모가 방지될 수 있다. 특히, 구동용 전기 모터를 구비한 하이브리드 차량의 경우, 가속 페달 조작이 없음으로 인해 연료 소모가 감소되고, 유압 브레이크가 개입되지 않도록 하되 감속이 필요할 경우 전기 모터의 회생제동력을 이용하는 경우 보다 큰 연비 향상이 기대될 수 있다. 이를 도 4를 참조하여 설명한다.
도 4은 일반적인 관성 주행 안내의 개념을 설명하기 위한 도면이다.
도 4를 참조하면, 네비게이션 정보나 차량 센서를 통해 전방의 감속 이벤트에 대한 정보가 차량에 획득되는 경우, 전방 감속 이벤트까지의 잔여 거리 및 목표 속도가 산출될 수 있다. 이와 같이 산출된 정보에, 차량의 주행 부하에 따른 감속도를 매칭시키는 경우 현재 차속에서 목표 속도까지 도
달하기 위한 관성 주행에 필요한 거리가 산출될 수 있다. 따라서, 차량에서는 전방 감속이벤트까지의 잔여거리가 관성 주행 필요거리에 도달하는 시점에 운전자에게 소정의 형태로 알림을 전달한다면, 운전자는 가속 페달에서 발을 떼어 관성 주행이 시작되도록 할 수 있으며, 가속 페달 해제 시점부터는 연료 절감은 물론 회생 제동 또한 가능하다.
그런데, 상술한 적응형 모드 전환 제어나 관성 주행 안내의 효율을 극대화시키기 위해서는 주행 부하의 예측이 무엇보다 중요하다. 그러나, 일반적인 주행 부하 예측 기술은 크게 구름저항, 공기저항 및 등판저항을 고려할 뿐, 강우나 강설같은 기상 상태의 변화에 따른 주행 부하는 고려하지 않고 있다.
본 발명은 보다 정확한 주행 부하 예측이 가능한 자동차 및 그 주행 부하 산출 방법을 제공하기 위한 것이다.
특히, 본 발명은 기상 상황을 주행 부하 예측에 더욱 고려하여 향상된 주행 부하 예측 정확도를 갖는 자동차를 제공하기 위한 것이다.
본 발명에서 이루고자 하는 기술적 과제들은 이상에서 언급한 기술적 과제들로 제한되지 않으며, 언급하지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
상기와 같은 기술적 과제를 해결하기 위하여, 본 발명의 일 실시예에 따른 차량의 주행 부하 산출 방법은, 강우 또는 강설에 대한 기상 정보를 획득하는 단계; 상기 기상 정보를 기반으로 차량의 상면부에 작용하는 제1 주행 부하를 산출하는 단계; 상기 기상 정보를 기반으로 상기 차량의 전면부에 작용하는 제2 주행 부하를 산출하는 단계; 및 상기 제1 주행 부하와 상기 제2 주행 부하를 합산하여 기상에 의한 주행 부하인 제3 주행 부하를 산출하는 단계를 포함할 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 주행 부하 정보를 산출하는 차량용 제어기는, 강우 또는 강설에 대한 기상 정보를 기반으로 차량의 상면부에 작용하는 제1 주행 부하를 산출하는 제1 연산부; 상기 기상 정보를 기반으로 상기 차량의 전면부에 작용하는 제2 주행 부하를 산출하는 제2 연산부; 및 상기 제1 주행 부하와 상기 제2 주행 부하를 합산하여 기상에 의한 주행 부하인 제3 주행 부하를 산출하는 제3 연산부를 포함할 수 있다.
상기와 같이 구성되는 본 발명의 적어도 하나의 실시예에 관련된 자동차는 보다 정확한 주행 부하 예측을 기반으로 하는 주행 제어를 수행할 수 있다.
특히, 기상 상황을 고려한 주행 부하 예측을 통해 주행 모드 전환과 관성 주행 안내 등의 주행 모드 스케쥴링 기능의 효율이 향상된다.
본 발명에서 얻을 수 있는 효과는 이상에서 언급한 효과들로 제한되지 않으며, 언급하지 않은 또 다른 효과들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
도 1은 일반적인 플러그인 하이브리드 차량의 모드 전환이 수행되는 형태의 일례를 나타낸다.
도 2는 일반적인 하이브리드 차량의 파워트레인 에너지 효율 특성을 설명하기 위한 도면이다.
도 3은 일반적인 플러그인 하이브리드 차량에서 적응형 모드 전환 방식이 적용된 경우 모드 전환이 수행되는 형태의 일례를 나타낸다.
도 4는 일반적인 관성 주행 안내의 개념을 설명하기 위한 도면이다.
도 5는 본 발명의 실시예들이 적용될 수 있는 병렬형 하이브리드 자동차의 파워 트레인 구조의 일례를 나타낸다.
도 6은 본 발명의 실시예들이 적용될 수 있는 하이브리드 자동차의 제어 계통의 일례를 나타내는 블럭도이다.
도 7a는 본 발명의 일 실시예에 따른 주행 부하 예측을 수행하기 위한 제어기 구성의 일례를, 도 7b는 본 발명의 일 실시예에 따른 주행 부하 예측을 수행하기 위한 제어기 구성의 다른 일례를 각각 나타낸다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 강우에 의해 차제에 가해지는 외력의 개념을 설명하기 위한 도면이다.
도 9는 적응적 모드 전환 제어에 적용함에 있어서 본 발명의 일 실시예에 따른 주행 부하 예측의 효과를 일반적인 예측 결과와 비교하기 위한 도면이다.
도 10은 관성 주행 안내 제어에 있어서 본 발명의 일 실시예에 따른 주행 부하 예측의 효과를 일반적인 예측 결과와 비교하기 위한 도면이다.
아래에서는 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시 예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시 예에 한정되지 않는다. 그리고 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다.
명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성 요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다. 또한, 명세서 전체에 걸쳐서 동일한 참조번호로 표시된 부분들은 동일한 구성요소들을 의미한다.
본 발명의 실시예에 따른 하이브리드 자동차 및 그의 주행 제어 방법을 설명하기 앞서, 실시예들에 적용 가능한 하이브리드 차량의 구조 및 제어 계통을 먼저 설명한다.
도 5는 본 발명의 실시예들이 적용될 수 있는 병렬형 하이브리드 자동차의 파워 트레인 구조의 일례를 나타낸다.
도 5를 참조하면, 내연기관 엔진(ICE, 110)과 변속기(150) 사이에 구동 모터(140)와 엔진클러치(EC: Engine Clutch, 130)를 장착한 병렬형(Parallel Type) 하이브리드 시스템을 채용한 하이브리드 자동차의 파워 트레인이 도시된다.
이러한 차량에서는 일반적으로 시동 후 운전자가 엑셀레이터를 밟는 경우, 엔진 클러치(130)가 오픈된 상태에서 먼저 배터리의 전력을 이용하여 모터(140)가 구동되고, 모터의 동력이 변속기(150) 및 종감속기(FD: Final Drive, 160)를 거쳐 바퀴가 움직이게 된다(즉, EV 모드). 차량이 서서히 가속되면서 점차 더 큰 구동력이 필요하게 되면, 시동발전 모터(120)가 동작하여 엔진(110)을 구동할 수 있다.
그에 따라 엔진(110)과 모터(140)의 회전속도가 동일해 지면 비로소 엔진 클러치(130)가 맞물려 엔진(110)과 모터(140)가 함께, 또는 엔진(110)이 차량을 구동하게 된다(즉, EV 모드에서 HEV 모드 천이). 차량이 감속되는 등 기 설정된 엔진 오프 조건이 만족되면, 엔진 클러치(130)가 오픈되고 엔진(110)은 정지된다(즉, HEV 모드에서 EV 모드 천이). 또한, 하이브리드 차량에서는 제동시 휠의 구동력을 전기 에너지로 변환하여 배터리를 충전할 수 있으며, 이를 제동에너지 회생, 또는 회생 제동이라 한다.
시동발전 모터(120)는 엔진에 시동이 걸릴 때에는 스타트 모터의 역할을 수행하며, 시동이 걸린 후 또는 시동 오프시 엔진의 회전 에너지 회수시에는 발전기로 동작하기 때문에 "하이브리드 스타터 제너레이터(HSG: Hybrid Starter Generator)"라 칭할 수 있으며, 경우에 따라 "보조 모터"라 칭할 수도 있다.
이러한 파워 트레인이 적용되는 차량에서 제어기 간의 상호관계가 도 6에 도시된다.
도 6은 본 발명의 실시예들이 적용될 수 있는 하이브리드 자동차의 제어 계통의 일례를 나타내는 블럭도이다.
도 6을 참조하면, 본 발명의 실시예들이 적용될 수 있는 하이브리드 자동차에서 내연기관(110)은 엔진 제어기(210)가 제어하고, 시동발전 모터(120) 및 구동 모터(140)는 모터 제어기(MCU: Motor Control Unit, 220)에 의해 토크가 제어될 수 있으며, 엔진 클러치(130)는 클러치 제어기(230)가 각각 제어할 수 있다. 여기서 엔진 제어기(210)는 엔진 제어 시스템(EMS: Engine Management System)이라도 한다. 또한, 변속기(150)는 변속기 제어기(250)가 제어하게 된다.
각 제어기는 그 상위 제어기로서 모드 전환 과정 전반을 제어하는 하이브리드 제어기(HCU: Hybrid Controller Unit, 240)와 연결되어, 하이브리드 제어기(240)의 제어에 따라 주행 모드 변경, 기어 변속시 엔진 클러치 제어에 필요한 정보, 및/또는 엔진 정지 제어에 필요한 정보를 그(240)에 제공하거나 제어 신호에 따른 동작을 수행할 수 있다.
보다 구체적으로, 하이브리드 제어기(240)는 차량의 운행 상태에 따라 모드 전환 수행 여부를 결정한다. 일례로, 하이브리드 제어기는 엔진 클러치(130)의 해제(Open) 시점을 판단하고, 해제시에 유압(습식 EC인 경우)제어나 토크 용량 제어(건식 EC인 경우)를 수행한다. 또한, 하이브리드 제어기(240)는 엔진 클러치(130)의 상태(Lock-up, Slip, Open 등)를 판단하고, 엔진(110)의 연료분사 중단 시점을 제어할 수 있다. 또한, 하이브리드 제어기는 엔진 정지 제어를 위해 시동발전 모터(120)의 토크를 제어하기 위한 토크 지령을 모터 제어기(220)로 전달하여 엔진 회전 에너지 회수를 제어할 수 있다. 아울러, 하이브리드 제어기(240)는 주행 모드 전환 제어시 모드 전환 조건의 판단 및 전환을 위한 하위 제어기의 제어가 가능하다.
물론, 상술한 제어기간 연결관계 및 각 제어기의 기능/구분은 예시적인 것으로 그 명칭에도 제한되지 아니함은 당업자에 자명하다. 예를 들어, 하이브리드 제어기(240)는 그를 제외한 다른 제어기들 중 어느 하나에서 해당 기능이 대체되어 제공되도록 구현될 수도 있고, 다른 제어기들 중 둘 이상에서 해당 기능이 분산되어 제공될 수도 있다.
상술한 도 5 및 도 6의 구성은 하이브리드 자동차의 일 구성례일 뿐, 실시예에 적용 가능한 하이브리드 자동차는 이러한 구조에 한정되지 아니함은 당업자에 자명하다 할 것이다.
이하에서는 도 7a 및 도 7b를 참조하여 실시예에 따른 기상 조건을 고려한 주행 부하 예측을 수행하기 위한 제어기 구성을 설명한다.
도 7a는 본 발명의 일 실시예에 따른 주행 부하 예측을 수행하기 위한 제어기 구성의 일례를, 도 7b는 본 발명의 일 실시예에 따른 주행 부하 예측을 수행하기 위한 제어기 구성의 다른 일례를 각각 나타낸다.
도 7a를 참조하면, 실시예에 따른 기상 조건을 고려한 주행 부하 예측을 위한 제어기(700)는 강우량과 풍향, 차속과 주행 방향 및 경사도를 입력값으로 가질 수 있다. 여기서 강우량은 강설시 강설량으로 대체될 수 있다. 강우량과 풍향은 날씨 정보를 제공하는 외부 장치, 예컨대 기상 정보 제공 서버나 텔레매틱스 센터로부터 획득될 수 있다. 또한, 차속은 차속 센서나 네비게이션 시스템으로부터 획득될 수 있으며, 주행 방향은 네비게이션 시스템으로부터 획득될 수 있다. 아울러, 경사도 정보는 네비게이션의 지도 정보에서 획득되거나 차량에 구비된 기울기 센서로부터 획득될 수도 있다. 물론, 상술한 각 정보의 획득 방법이나 획득 경로는 예시적인 것으로 다양한 변형이 가능함은 당업자에 자명하다.
한편, 제어기(700)는 강우나 강설에 의해 차량 상면부에 가해지는 주행 부하를 연산하는 차량 상면부 주행부하 연산부(721), 강우나 강설에 의해 차량 전면부에 가해지는 주행 부하를 연산하는 차량 전면부 주행부하 연산부(723) 및 차량 상면부 주행부하 연산부(721)와 차량 전면부 주행부하 연산부(723)에서 각각 구해진 두 부하를 합산하여 강우/강설에 의한 주행 부하를 산출하는 주행부하 합산부(725)를 포함할 수 있다. 제어기(700)에서 산출된 강우/강설에 의한 주행 부하는 총 주행 부하를 결정하는 주체(예컨대, 하이브리드 제어기)에서 일반적인 주행 부하(즉, 구름저항, 공기저항 및 구배저항)와 합산되어 총 주행부하의 일 성분을 구성할 수 있다. 또는, 주행부하 합산부(725)는 일반적인 주행 부하와 강우/강설에 의한 주행 부하를 산출하여 총 주행부하를 산출할 수도 있다.
일 실시예에 의하면, 제어기(700)는 강우/강설에 의한 주행 부하를 산출하기 위한 별도의 제어기로 구성될 수도 있고, 하이브리드 제어기(240)의 일 기능이나 모듈로 구현될 수도 있다.
한편, 도 7b에 도시된 제어기(700')는 도 7a에 도시된 제어기(700) 대비 조건 판단부(710)와 대체 주행부하 연산부(730)를 더 포함하며, 차량 상면부 주행부하 연산부(721), 차량 전면부 주행부하 연산부(723) 및 주행부하 합산부(725)는 기상 주행 부하 연산부(720)를 구성한다. 기상 주행 부하 연산부(720)를 구성하는 각 구성요소(721, 723, 725)는 도 7a와 그 기능이 동일한 바, 중복되는 기재는 생략하기로 한다.
조건 판단부(710)는 풍속 및 비의 종단 속도를 차속과 비교하여, 차속이 풍속 및 비의 종단 속도보다 일정 크기 이상 큰 경우(즉, vwind << vvehicle, vlimit << vvehicle), 대체 주행부하 연산부(730)에서 강우/강설에 의한 주행 부하를 산출하도록 하며, 그렇지 않은 경우에는 기상 주행 부하 연산부가 강우/강설에 의한 주행 부하를 산출하도록 할 수 있다. 대체 주행부하 연산부(730)가 강우/강설에 의한 주행 부하를 산출하는 구체적인 방법은 후술하기로 한다.다음으로, 도 7a를 참조하여 설명한 제어기(700)의 주행 부하 산출 원리 및 과정을 도 8을 참조하여 설명한다. 이하의 기재에서는 설명의 편의를 위하여 기상 상황은 강우 상황인 것으로 가정한다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 강우에 의해 차제에 가해지는 외력의 개념을 설명하기 위한 도면이다.
도 8에 도시된 차량(800)과 빗방울 및 둘 상호간의 작용에 적용되는 가정은 다음과 같다.
i) 차량은 직육면체이다. ii) 빗방울은 차량과 완전비탄성 충돌한다. iii) 빗방울의 밀도는 1g/cm3이다. iv) 빗방울의 수직 종단 속도는 9m/s이다. v) 빗방울의 수평 속도는 풍향, 풍속과 같다.
또한, 이하의 기재에 등장하는 기호의 의미는 다음과 같다.
λ: 시간당 강우량[mm/h] ρ: 빗방울 밀도 1g/cm3
llength: 전장[mm] lwidth: 전폭[mm]
lheight: 전고[mm] vvehicle: 차속[m/s]
vwind: 풍속[m/s] θ: 차속과 풍속의 방향 차이
mupper: 윗면에 맞는 비의 양[kg]
mfront: 앞면에 맞는 비의 양[kg]
다만, 상술한 각 기호/인자의 단위는 일반적으로 해당 인자에 흔히 사용되는 단위를 개별적, 예시적으로 나열한 것으로, 길이에 있어서 [m], [cm]와 [mm], 질량에 있어서 [g]과 [kg]이 혼재되어 있으므로 실제 계산에 있어서는 단위의 차원(dimension)을 통일하는 것이 바람직하다. 예컨대, 차폭(lwidth)이 2450mm, 차속(vvehicle)이 25m/s, 빗방울 밀도(ρ)가 1g/cm3이라 가정하면, "lwidthvvehicleρ" 라는 수식의 계산 결과는 2450[mm] * 25[m/s] *1[g/cm^3] = 61250 [mm*m*g/s*cm^3] = 612500 [g/s*cm] = 61250000 [g/s*m] = 61250 [kg/s*m]와 같이 구해질 수 있다. 이러한 단위의 차원 통일은 당업자가 용이하게 수행할 수 있는 바, 이하의 수식들에서는 별도의 통일 과정에 대한 기재를 생략하기로 한다.
상술한 가정을 기반으로, 차량 상면부(810)에 가해지는 주행 부하의 연산 과 정과 차량 전면부(820)에 가해지는 주행 부하의 연산 과정을 차례로 설명한다.
먼저 차량 상면부(810)의 경우, 차량의 차속과 무관하게, 상면부(810)에 내리는 비의 양은 일정하다.
따라서, 상면부(810)에 내리는 비의 질량(
Figure pat00001
)은
Figure pat00002
와 같이 구해질 수 있다.
빗방울은 완전비탄성 충돌하므로, 충돌 이후 차량과 같은 속도를 갖게 되는데, 상면부(810)에 가해지는 주행 부하(
Figure pat00003
)는 차속의 방향과, 차속 방향과 평행인 방향으로의 빗방울 속도 성분(즉,
Figure pat00004
, 여기서
Figure pat00005
는 평면 상에서 차속 방향과 빗방울의 속도 방향이 이루는 90도 이하의 각도)의 방향이 동일한 경우와 반대인 경우로 구분될 수 있다. 구체적으로, 방향이 서로 반대인 경우 상면부(810)의 주행 부하(
Figure pat00006
)는
Figure pat00007
와 같이 구해질 수 있고, 방향이 동일한 경우의 주행 부하는
Figure pat00008
와 같이 차량 상면부 주행부하 연산부(710)에서 구해질 수 있다.
다음으로, 전면부(820)의 경우, 빗방울의 수직방향 종단속력이 9m/s이고, λ는 시간당 강수량이므로 수직으로 32.4km(=9m/s*1h)까지의 빗방울을 모았을 때의 양이 λ가 된다. 따라서, 차량 전면부에 있는 빗방울의 밀도는 (lheight/32.4km/h)* λ가 되고, 전면부(820)에 작용하는 비의 질량(
Figure pat00009
)은
Figure pat00010
로 구해질 수 있다. 상면부(810)의 경우와 유사하게, 빗방울은 완전비탄성 충돌하므로, 충돌 이후 차량과 같은 속도를 갖게 되는데, 전면부(820)에 가해지는 주행 부하(
Figure pat00011
)는 차속의 방향과 빗방울 속도 성분(즉,
Figure pat00012
)의 방향이 동일한 경우와 반대인 경우로 구분될 수 있다. 구체적으로, 방향이 서로 반대인 경우 전면부(820)의 주행 부하(
Figure pat00013
)는
Figure pat00014
와 같이 구해질 수 있고, 방향이 동일한 경우의 주행 부하는
Figure pat00015
와 같이 와 차량 전면부 주행부하 연산부(720)에서 구해질 수 있다.
상면부(810)와 전면부(820) 각각에 대하여 구해진 주행 부하는 다음과 같이 종합적으로 합산될 수 있다.
먼저, 차속의 방향과, 빗방울 속도의 차속 방향과 평행한 방향으로의 속도 성분(즉,
Figure pat00016
)이 서로 반대 방향인 경우 강우에 의한 총 주행 부하(
Figure pat00017
)는
Figure pat00018
와 같이 구해질 수 있다. 여기서 비의 총 질량(
Figure pat00019
)은 물론 상면부(810)에 작용하는 비의 질량(
Figure pat00020
)과 전면부(820)에 작용하는 비의 질량(
Figure pat00021
)의 합이 된다.
또한, 차속의 방향과, 빗방울 속도의 차속 방향과 평행한 방향으로의 속도 성분(즉,
Figure pat00022
)이 서로 같은 방향인 경우 강우에 의한 총 주행 부하(
Figure pat00023
)는
Figure pat00024
와 같이 구해질 수 있다.
여기서, 비의 총 질량(
Figure pat00025
)은
Figure pat00026
와 같이 구해질 수 있다.
일 실시예에서, 차속이 풍속 및 비의 종단 속도보다 일정 크기 이상 큰 경우(vwind << vvehicle, vlimit << vvehicle), 강우의 의한 주행부하 p = kλvvehicle 3로 단순화될 수도 있다. 여기서 k는 비례 상수이다. 이처럼 속도의 세제곱에 비례하는 것은 공기저항에 의한 부하와 유사한 바, 강우 시 공기저항 계수 Cd를 (Cd+kλ)로 보정하는 것으로 볼 수도 있다. 따라서, 도 7b와 같은 제어기(700') 구조에서는 조건 판단부(710)가 차속이 풍속 및 비의 종단 속도보다 일정 크기 이상 크다고 판단하면, 대체 주행부하 연산부(730)는 "p = kλvvehicle 3"와 같이 강우에 의한 주행 부하를 산출할 수 있다.
지금까지 설명한 기상에 의한 주행 부하 산출 과정을 정리하면, 1) 강우 또는 강설에 대한 기상 정보를 획득하는 단계, 2) 기상 정보를 기반으로 차량의 상면부에 작용하는 수분의 질량에 의한 제1 주행 부하를 산출하는 단계, 3) 기상 정보를 기반으로 차량의 전면부에 작용하는 수분의 질량에 의한 제2 주행 부하를 산출하는 단계, 4) 제1 주행 부하와 제2 주행 부하를 합산하여 기상에 의한 주행 부하인 제3 주행 부하를 산출하는 단계로 볼 수 있다. 여기서 제3 주행 부하는 일반적인 주행 부하인 구름 저항, 공기 저항 및 구배 저항으로 구성되는 제4 주행 부하와 합산될 경우, 총 주행 부하가 될 수 있다. 물론, 제3 주행 부하는 "1) 강우 또는 강설에 대한 기상 정보를 획득하는 단계"를 통해 획득된 정보에서 차속이 풍속 및 비의 종단 속도보다 일정 크기 이상 큰 것으로 판단되면, 제1 주행 부하와 제2 주행 부하를 합산하는 대신, p = kλvvehicle 3로 대체되어 제4 주행 부하와 합산될 수 있다.
이하에서는 지금까지 설명한 기상에 의한 주행 부하 산출방법의 효과를 도 9 및 도 10을 참조하여 설명한다. 도 9와 도 10에서는 일정량의 강수가 있는 상황을 가정한다.
도 9는 적응적 모드 전환 제어에 적용함에 있어서 본 발명의 일 실시예에 따른 주행 부하 예측의 효과를 일반적인 예측 결과와 비교하기 위한 도면이다. 도 9에서는 일정 거리의 국도 주행과, 국도보다 짧되 주행 부하가 더 낮은 도심 주행이 예정된 상황을 가정한다.
도 9의 (a)를 먼저 참조하면, 적응적 주행 모드 전환 제어가 적용됨에 있어서 강수에 의한 주행 부하가 고려되지 않을 경우, 국도 후반부와 도심에서의 주행 부하가 실제보다 낮게 예측되므로, CS 모드를 실제 필요보다 짧게 유지하게 된다. 따라서, 예측보다 높은 주행 부하에 의하여 CD 모드로 경로를 완주하지 못하고 저부하 주행에 효율이 나쁜 CS 모드로 후반에 강제 천이하는 문제가 발생할 수 있다.
반면에, 도 9의 (b)와 같이 강우에 의한 주행 부하를 고려하여 모드 전환이 스케쥴링될 경우, 도심에서의 CS 모드 강제 천이 없이 경로를 완주할 수 있게 된다.
도 10은 관성 주행 안내 제어에 있어서 본 발명의 일 실시예에 따른 주행 부하 예측의 효과를 일반적인 예측 결과와 비교하기 위한 도면이다.
도 10의 (a)를 먼저 참조하면, 관성 주행 안내 제어가 적용됨에 있어서 강수에 의한 주행 부하가 고려되지 않을 경우, 감속도가 예상보다 커지기 때문에 목표 차속에 예상보다 일찍 도달하여 불필요한 저속 주행이 발생하며, 운전자에 따라서는 재가속에 의한 연비 저하가 발생한다.
반면에, 도 10의 (b)와 같이 강우에 의한 주행 부하를 고려하여 관성 주행 안내가 수행될 경우 희망하는 시점에 목표 차속을 달성할 수 있게 된다.
지금까지의 가정은 강우를 기준으로 설명하였으나, 강설의 경우 눈송이의 수직 종단 속도와 눈송이의 밀도를 더 작은 값으로 보정함에 따라 전술한 바와 유사하게 적용될 수 있다. 따라서, 강우나 강설의 경우 모두 수분에 해당하므로, 수분의 종단 속도 및 밀도를 기반으로 차량의 전면부와 상면부에 가해지는 수분의 질량에 의한 영향에 따라 주행 부하가 산출될 수 있다.
아울러, 관성 주행 안내나 모드 전환 등 주행 부하 기반의 스케쥴링 기능이 수행됨에 있어서, 일반적인 방법으로 산출된 주행 부하(예를 들어, 전술한 제4 주행 부하)를 기반으로 최초 스케쥴링 후, 실시간 기상 정보 등이 획득/반영됨에 따라 강우/강설에 따른 제3 주행 부하가 산출된 경우, 제3 주행 부하가 제4 주행 부하에 합산되어 갱신된 총 주행부하에 따라 재스케쥴링된 결과가 스케쥴링 기능에 바로 반영될 수 있다. 또는, 제3 주행 부하의 크기가 일정 크기 이상이거나, 제4 주행 부하 대비 일정 비율 이상인 경우에만 갱신된 총 주행부하에 따라 재스케쥴링된 결과가 스케쥴링 기능에 반영될 수도 있다. 이러한 방식으로 재스케쥴링이 발생한 경우, 차량에 구비된 디스플레이 수단, 예컨대, AVN(Audio/Video/Navigation) 시스템의 디스플레이, 클러스터, 헤드업 디스플레이(HUD) 등에 소정 형태의 시각 정보로 출력될 수 있다.
전술한 본 발명은, 프로그램이 기록된 매체에 컴퓨터가 읽을 수 있는 코드로서 구현하는 것이 가능하다. 컴퓨터가 읽을 수 있는 매체는, 컴퓨터 시스템에 의하여 읽혀질 수 있는 데이터가 저장되는 모든 종류의 기록장치를 포함한다. 컴퓨터가 읽을 수 있는 매체의 예로는, HDD(Hard Disk Drive), SSD(Solid State Disk), SDD(Silicon Disk Drive), ROM, RAM, CD-ROM, 자기 테이프, 플로피 디스크, 광 데이터 저장 장치 등이 있다.
따라서, 상기의 상세한 설명은 모든 면에서 제한적으로 해석되어서는 아니되고 예시적인 것으로 고려되어야 한다. 본 발명의 범위는 첨부된 청구항의 합리적 해석에 의해 결정되어야 하고, 본 발명의 등가적 범위 내에서의 모든 변경은 본 발명의 범위에 포함된다.

Claims (19)

  1. 강우 또는 강설에 대한 기상 정보를 획득하는 단계;
    상기 기상 정보를 기반으로 차량의 상면부에 작용하는 제1 주행 부하를 산출하는 단계;
    상기 기상 정보를 기반으로 상기 차량의 전면부에 작용하는 제2 주행 부하를 산출하는 단계; 및
    상기 제1 주행 부하와 상기 제2 주행 부하를 합산하여 기상에 의한 주행 부하인 제3 주행 부하를 산출하는 단계를 포함하는, 차량의 주행 부하 산출 방법.
  2. 제1 항에 있어서,
    상기 제3 주행 부하를 구름 저항, 공기 저항 및 구배 저항 중 적어도 하나를 포함하는 제4 주행 부하와 합산하여 총 주행 부하를 산출하는 단계를 더 포함하는, 차량의 주행 부하 산출 방법.
  3. 제1 항에 있어서,
    상기 기상 정보는,
    풍향 및 풍속에 대한 정보를 포함하는, 차량의 주행 부하 산출 방법.
  4. 제3 항에 있어서,
    상기 제1 주행 부하를 산출하는 단계 및 상기 제2 주행 부하를 산출하는 단계 각각은,
    상기 풍향 및 풍속에 대한 정보를 기반으로 상기 차량의 차속 방향과 평행한 방향으로의 수분 속도 성분과, 상기 차속 방향의 동일성 여부를 고려하여 수행되는, 차량의 주행 부하 산출 방법.
  5. 제4 항에 있어서,
    상기 수분 속도 성분과 상기 차속 방향의 방향이 동일한 경우,
    상기 제1 주행 부하를 산출하는 단계는, 하기 식 A를 이용하여 수행되는, 차량의 주행 부하 산출 방법.
    [식 A]
    Figure pat00027

    (상기 식 A에 있어서, Pupper는 상기 제1 주행 부하,
    Figure pat00028
    upper는 상기 상면부에 작용하는 수분의 질량, Vwind는 상기 풍속, Vvehicle은 상기 차속임)
  6. 제4 항에 있어서,
    상기 수분 속도 성분과 상기 차속 방향의 방향이 반대인 경우,
    상기 제1 주행 부하를 산출하는 단계는, 하기 식 B를 이용하여 수행되는, 차량의 주행 부하 산출 방법.
    [식 B]
    Figure pat00029

    (상기 식 B에 있어서, Pupper는 상기 제1 주행 부하,
    Figure pat00030
    upper는 상기 상면부에 작용하는 수분의 질량, Vwind는 상기 풍속, Vvehicle은 상기 차속,
    Figure pat00031
    는 상기 풍속과 상기 차속이 이루는 각도임)
  7. 제4 항에 있어서,
    상기 수분 속도 성분과 상기 차속 방향의 방향이 동일한 경우,
    상기 제2 주행 부하를 산출하는 단계는, 하기 식 C를 이용하여 수행되는, 차량의 주행 부하 산출 방법.
    [식 C]
    Figure pat00032

    (상기 식 C에 있어서, Pfront는 상기 제2 주행 부하,
    Figure pat00033
    front는 상기 전면부에 작용하는 수분의 질량, Vwind는 상기 풍속, Vvehicle은 상기 차속임)
  8. 제4 항에 있어서,
    상기 수분 속도 성분과 상기 차속 방향의 방향이 반대인 경우,
    상기 제2 주행 부하를 산출하는 단계는, 하기 식 D를 이용하여 수행되는, 차량의 주행 부하 산출 방법.
    [식 D]
    Figure pat00034

    (상기 식 B에 있어서, Pfront는 상기 제2 주행 부하,
    Figure pat00035
    front는 상기 전면부에 작용하는 수분의 질량, Vwind는 상기 풍속, Vvehicle은 상기 차속,
    Figure pat00036
    는 상기 풍속과 상기 차속이 이루는 각도임)
  9. 제1 항에 있어서,
    상기 제1 주행 부하를 산출하는 단계 및 상기 제2 주행 부하를 산출하는 단계 각각은, 상기 강설 또는 강우에 수반되는 수분과 상기 차량의 충돌을 완전 비탄성 충돌로 가정하여 수행되는, 차량의 주행 부하 산출 방법.
  10. 제3 항에 있어서,
    상기 강우 또는 강설의 종단 속도와 상기 풍속을 차속과 비교하는 단계를 더 포함하되,
    상기 제1 주행 부하를 산출하는 단계, 상기 제2 주행 부하를 산출하는 단계 및 상기 제3 주행 부하를 산출하는 단계는, 상기 종단 속도 및 상기 풍속과 상기 차속의 차이가 일정 크기 미만인 경우 수행되는, 차량의 주행 부하 산출 방법.
  11. 제10 항에 있어서,
    상기 종단 속도 및 상기 풍속과 상기 차속의 차이가 일정 크기 이상인 경우, 상기 제3 주행부하는 하기 식 E를 이용하여 구해진 주행 부하로 대체되는, 차량의 주행 부하 산출 방법.
    [식 E]
    p = kλvvehicle 3
    (상기 식 E에 있어서, P는 상기 제3 주행 부하, k는 비례 상수, λ는 시간당 강우량, Vvehicle은 상기 차속임)
  12. 제1 항 내지 제11 항 중 어느 한 항에 따른 차량의 주행 부하 산출 방법을 실행시키기 위한 프로그램을 기록한 컴퓨터 해독 가능 기록 매체.
  13. 주행 부하 정보를 산출하는 차량용 제어기에 있어서,
    강우 또는 강설에 대한 기상 정보를 기반으로 차량의 상면부에 작용하는 제1 주행 부하를 산출하는 제1 연산부;
    상기 기상 정보를 기반으로 상기 차량의 전면부에 작용하는 제2 주행 부하를 산출하는 제2 연산부; 및
    상기 제1 주행 부하와 상기 제2 주행 부하를 합산하여 기상에 의한 주행 부하인 제3 주행 부하를 산출하는 제3 연산부를 포함하는, 차량용 제어기.
  14. 강우 또는 강설에 대한 기상 정보를 획득하는 제1 제어기;
    상기 기상 정보를 기반으로 상기 차량의 전면부에 작용하는 제1 주행 부하 및 상기 차량의 상면부에 작용하는 제2 주행부하를 기반으로 기상에 의한 주행 부하인 제3 주행부하를 연산하는 제2 제어기; 및
    상기 제3 주행부하를 기반으로 보정된 총 주행 부하를 이용하여 주행 스케쥴링 기능을 제어하는 제3 제어기를 포함하는, 자동차.
  15. 제14 항에 있어서,
    상기 주행 스케쥴링 기능은,
    친환경 자동차의 주행 모드 변경 스케쥴링 및 관성 주행 시점 안내 기능 중 적어도 하나를 포함하는, 자동차.
  16. 제14 항에 있어서,
    상기 제3 제어기는,
    구름 저항, 공기 저항 및 구배 저항 중 적어도 하나를 포함하는 제4 주행 부하를 기반으로 상기 주행 스케쥴링 기능을 제1 제어하며, 상기 제3 주행 부하가 일정 크기 이상이거나 상기 제4 주행 부하의 일정 비율 이상인 경우 상기 제4 주행 부하를 더욱 고려하여 상기 주행 스케쥴링 기능을 제2 제어하는, 자동차.
  17. 제16 항에 있어서,
    상기 제2 제어의 수행 결과를 출력하는 디스플레이를 더 포함하는, 자동차.
  18. 제14 항에 있어서,
    상기 제2 제어기는,
    상기 기상 정보에 포함된 강우 또는 강설의 종단 속도와 풍속을 차속과 비교하는 조건 판단부를 포함하되, 상기 종단 속도 및 상기 풍속과 상기 차속의 차이가 일정 크기 미만인 경우 상기 제1 주행 부하 및 상기 제2 주행 부하를 기반으로 상기 제3 주행 부하를 산출하는, 자동차.
  19. 제18 항에 있어서,
    상기 종단 속도 및 상기 풍속과 상기 차속의 차이가 일정 크기 미만인 경우, 상기 제2 제어기는 하기 식 F를 이용하여 구해진 주행 부하로 상기 제3 주행 부하를 대체하는, 자동차.
    [식 F]
    p = kλvvehicle 3
    (상기 식 F에 있어서, P는 상기 제3 주행 부하, k는 비례 상수, λ는 시간당 강우량, Vvehicle은 상기 차속임)
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