KR20210010729A - 인휠 시스템 차량의 토크벡터링 제어 방법 및 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 다수의 센서로 각종 차량정보를 측정하여, 이를 기반으로 차량상태를 결정하여 휠토크를 산출하고, 좌우측 인휠모터에 이를 각 적용하여 조향 응답성과 차량의 안정성 및 연비를 향상시키는 인휠 시스템 차량의 토크벡터링 제어 방법 및 장치에 관한 것이다. 본 발명에 따른 인휠 시스템이 장착된 차량의 토크벡터링 제어 방법은, 차량에 부착된 센서를 이용하여 차량정보를 측정하는 단계; 상기 측정된 값을 기반으로 종방향 속도, 횡방향 속도, 슬립각, 휠슬립률을 추정하는 단계; 상기 추정한 값으로 차량상태 및 휠토크량을 결정하는 단계; 요 모멘트를 제어로 상기 결정된 휠토크를 산출하는 단계; 상기 산출한 휠토크를 좌우측 인휠모터에 각 적용하는 단계를 포함한다.

Description

인휠 시스템 차량의 토크벡터링 제어 방법 및 장치 {Method of Torque Vectoring of Vehicle with In-Wheel System and Apparatus therefor}

본 발명은 인휠(In-Wheel) 시스템 차량 제어에 대한 것으로, 특히 토크벡터링(Torque Vectoring)을 제어하는 방법 및 장치에 관한 것이다.

인휠 시스템은 휠 내에 모터를 장착한 시스템으로서, 구동계를 기존의 내연기관 시스템에서 전동화 시스템으로 바꾼 것이다. 특히, 인휠 시스템은 휠 내에 모터가 장착되어 있기 때문에 구동에 대한 지령에서 응답까지의 응답성이 가장 빠른 시스템이며, 정확한 토크측정이 가능해 제어의 정확도가 높아진다. 또한, 휠을 독립적으로 제어할 수 있기 때문에, 차량의 선회 및 슬립(slip)을 제어하는 데 있어서 장점이 있다.

인휠 시스템에서의 이러한 장점을 이용하여 차량의 선회 시 각 휠에 필요한 토크를 상이하게 제어하여 차량의 요 레이트(Yaw Rate)를 변경할 수 있는데, 이를 토크벡터링(Torque Vectoring)이라고 한다. 종래 토크벡터링은 흔히 브레이크 토크벡터링, 엔진 토크벡터링으로, 구동계에 연결되어 있는 모든 휠의 구동력을 엔진이 차량의 선회 상황에 따라 엔진토크를 조절하고, 각 휠의 브레이크 압을 상이하게 하여 토크벡터링하였다.

따라서, 브레이크 압으로 토크벡터링을 하기 때문에 운전자의 의지와 상관없이 브레이크 패드를 계속 사용해야 하는 단점이 있고, 장기간 사용시 압이 떨어져 정확한 제어가 되지 않는다는 단점이 있다.

본 발명은, 전술한 종래기술의 단점을 극복하고자, 차량의 상태 및 운전자의 조향 의도를 파악한 토크벡터링 제어 장치 및 방법을 제공하여, 저속에서는 차량의 코너링 성능을 향상시키고 고속에서는 차량의 안정성을 유지하는 것을 목적으로 한다.

다만, 본 실시예가 이루고자 하는 기술적 과제는 상기된 바와 같은 기술적 과제로 한정되지 않으며, 또 다른 기술적 과제들이 존재할 수 있다.

상기 과제를 해결하기 위하여, 본 발명은 다수의 센서로 각종 차량정보를 측정하여, 이를 기반으로 차량상태를 결정하여 휠토크를 산출하고, 좌우측 인휠모터에 이를 적용하여 조향 응답성과 차량의 안정성 및 연비를 향상시키는 인휠 시스템 차량의 토크벡터링 제어 방법 및 장치를 제공한다.

구체적으로, 본 발명의 제1특징에 따르면, 인휠 시스템이 장착된 차량의 토크벡터링 제어 방법이 제공된다. 이 방법은, 차량에 부착된 센서를 이용하여 차량정보를 측정하는 단계; 상기 측정된 값을 기반으로 종방향 속도, 횡방향 속도, 슬립각, 휠슬립률을 추정하는 단계; 상기 추정한 값으로 차량상태, 휠토크량을 결정하는 단계; 요 모멘트 제어로 상기 결정된 휠토크를 산출하는 단계; 상기 산출한 휠토크를 좌우측 인휠모터에 각 적용하는 단계를 포함할 수 있다.

본 발명의 제2특징에 따르면, 차량에 부착된 센서를 이용하여 차량정보를 측정하여, 상기 측정된 값을 기반으로 종방향 속도, 횡방향 속도, 슬립각, 휠슬립률을 추정하는 차량정보 추정기와, 상기 추정한 값으로 차량상태, 휠토크량을 결정하는 휠토크 결정기와, 상기 추정한 값으로 계산한 요 모멘트를 분배하여 휠토크로 변환하는 휠토크 산출기와, 및 상기 산출한 휠토크를 좌우측 인휠모터에 각 적용하는 휠토크 적용기를 포함하는 장치가 제공된다.

본 발명에서 제안한 인휠 시스템이 장착된 차량의 토크벡터링 제어 장치 및 방법을 사용할 경우, 다음과 같은 이점이 있다.

인휠 시스템은 휠 내에 모터가 장착되어 있기 때문에 구동에 대한 지령에서 응답까지의 응답성이 가장 빠른 시스템으로 조향 응답성이 향상된다. 그리고, 차량의 선회시에 최적의 토크벡터링 제어가 가능하므로, 최대 속도로 선회를 할 수 있고, 급 조향에도 차량의 안정성을 지속적으로 유지할 수 있다. 또한, 슬립각이 감소하여 차체의 비틀림이 줄어들고, 부드러운 코너링 느낌을 받기 때문에 승차감이 향상된다.

마지막으로, 인휠모터의 회전 방향과 반대방향인 회생제동토크를 주어 토크벡터링 제어를 수행하기 때문에 본 발명을 적용하면 에너지 효율 및 차량의 연비가 향상된다는 장점이 있다.

도 1은 본 발명에 따른 토크벡터링 제어를 적용한 차량과 비적용차량을 시뮬레이션 한 것이다.
도 2 및 도 3은 본 발명에 따른 토크벡터링 제어 중인 차량상태를 나타낸다.
도 4는 본 발명에 따른 인휠 시스템이 장착된 차량의 토크벡터링 제어 방법의 순서도이다.
도 5는 휠토크 변환을 위한 요 모멘트 제어 순서도이다.
도 6은 회전 상태에서의 자전거 모델 동역학을 나타낸다.
도 7은 본 발명에 따른 인휠 시스템이 장착된 차량의 토크벡터링 제어 장치의 개괄적 구성을 나타낸다.
도 8 내지 도 19는 본 발명에 따른 토크벡터링 방법 및 장치를 적용한 인휠 시스템 차량과 비적용차량과의 성능 비교를 시뮬레이션 한 그래프이다.
도 20은 본 발명에 따른 토크벡터링 방법 및 장치를 적용한 인휠 시스템 차량인 e-4WD을 나타낸다.
도 21 내지 도 28은 본 발명에 따른 토크벡터링 방법 및 장치를 적용한 인휠 시스템 차량과 일반 기계식 차동 방식의 4WD 차량과의 실제 차량 실험을 통한 성능 비교 그래프이다.

본 발명의 이점 및 특징, 그리고 이들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 기술되어 있는 실시예를 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시예는 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 기재에 의해 정의된다.

한편, 본 명세서에서 사용된 용어는 실시예를 설명하기 위한 것이며 본 발명을 제한하고자 하는 것은 아니다. 본 명세서에서, 단수형은 문구에서 특별히 언급하지 않는 한 복수형도 포함한다. 명세서에서 사용되는 "포함한다(comprises)" 또는 "포함하는(comprising)"은 언급된 구성요소, 단계, 동작 및/또는 소자 이외의 하나 이상의 다른 구성요소, 단계, 동작 및/또는 소자의 존재 또는 추가를 배제하지 않는다.

다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다.

한편, 어떤 실시예가 달리 구현 가능한 경우에 특정 블록 내에 명기된 기능 또는 동작이 순서도에 명기된 순서와 다르게 실행될 수도 있다. 예를 들어, 연속하는 두 블록이 실제로는 실질적으로 동시에 수행될 수도 있고, 관련된 기능 또는 동작에 따라서는 상기 블록들이 거꾸로 수행될 수도 있다.

이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부 도면을 참조하여 상세히 설명한다. 각 도면의 구성요소들에 참조부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가급적 동일한 부호를 부여하고 또한 본 발명을 설명함에 있어, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있는 경우에는 그 상세한 설명을 생략한다.

도 1은 언더스티어 상황과 오버스티어 상황에서의 본 발명에 따른 토크벡터링 제어 방법 및 장치를 적용한 차량과 비적용차량을 CarSIM 프로그램을 이용하여 시뮬레이션 한 것으로, 아래 표 1은 시뮬레이션 차량 모델 관련 사양 및 파라미터이다.

파란차량(10)은 본 발명에 따른 토크벡터링 제어 방법 및 장치가 적용된 인휠 시스템 차량이고, 회색차량(20)은 비적용차량으로, 속도 및 조향각 등 다른 모든 조건은 동일하다. 빨간 화살표(30)는 휠토크의 종방향 힘을 나타내며, 노란 점(40)은 보정 요 모멘트의 크기 및 작용점을 나타낸다.

(a)는 언더스티어 상황(Understeered Situation)에서 선회방향으로 보정 요 모멘트를 적용하여 토크벡터링 제어를 수행하는 것을 보여준다. 본 발명에 따라 계산한 좌우측 인휠모터의 휠토크에 따라 보정 요 모멘트의 작용점의 위치가 변경된다. 상기 회색차량(20)은, 토크벡터링 제어가 적용되지 않아 언더스티어 되었지만, 상기 파란차량(10)은 오버스티어 경향을 띠면서 이상적인 경로를 유지한다.

반면, (b)는 오버스티어 상황(Oversteered Situation)에서 선회방향 반대로 보정 요 모멘트를 적용하여 토크벡터링 제어를 수행하는 것을 보여준다. 상기 회색차량(20)은 토크벡터링 제어가 적용되지 않아 오버스티어 되었지만, 상기 파란차량(10)은 언더스티어 경향을 띠면서 이상적인 경로를 유지한다.

이렇듯, 본 발명에 따른 토크벡터링 제어는 차량의 상태를 실시간으로 결정한다. 이를 위해 실시간으로 변하는 차량상태를 4가지로 분류하여 이 중 1가지로 차량상태를 결정한다. 상기 차량상태에 대해서는 다음 도 2 및 도 3에서 자세하게 설명한다.

도 2 및 도 3은 본 발명에 따른 토크벡터링 제어 중인 차량상태를 나타낸다.

본 발명에 따른 인휠 시스템 차량 좌우측 인휠모터에서의 휠토크를 화살표(32, 34)로 나타내며, 차량의 선회방향의 빨간 화살표(32)는 추가토크(Additional Torque)로 인휠모터의 회전방향과 동일 방향을 의미하고, 차량의 선회반대방향의 파란 화살표(34)는 회생제동토크(Regenerative Braking Torque)로 인휠모터의 회전방향과 반대방향을 의미한다. 노란 점(40)은 보정 요 모멘트 작용점의 위치를 나타내며, 상기 요 모멘트의 작용점의 위치는 슬립각에 의해서 결정된다.

도 2는 차량이 좌측으로 선회하는 경우를 나타내며, 일반적으로 도 2의 (d), (c), (b), (a) 순으로 차량상태가 변화한다. 도 3은 차량이 우측으로 선회하는 경우를 나타내며, 일반적으로 도 3의 (a), (b), (c), (d) 순으로 차량상태가 변화한다.

제1차량상태는 도 2의 (a)와 도 3의 (d)와 같이, 좌우측 휠토크가 모두 추가토크(32)인 경우이다.

제2차량상태는 도2의 (b)와 도 3의 (c)와 같이, 좌우측 휠토크가 한쪽은 추가토크(32), 다른 쪽은 회생제동토크(34)로 서로 반대방향이지만, 추가토크(32)의 크기가 회생제동토크(34)의 크기보다 큰 경우이다.

제3차량상태는 도2의 (c)와 도 3의 (b)와 같이, 좌우측 휠토크가 한쪽은 회생제동토크(34), 다른 쪽은 추가토크(32)로 서로 반대방향이지만, 회생제동토크(34)의 크기가 추가토크(32)의 크기보다 큰 경우이다.

제4차량상태는 도 2의 (d)와 도 3의 (a)와 같이, 좌우측 휠토크가 모두 회생제동토크(34)인 경우이다.

제1차량상태는 둘 다 추가토크(32)이기 때문에 차량이 가속되고, 제2차량상태는 양쪽이 서로 반대방향이지만 추가토크(32)의 크기가 회생제동토크(34)의 크기보다 크므로 차량이 가속된다. 반면, 제3차량상태는 회생제동토크(34)의 크기가 추가토크(32)의 크기보다 크므로 차량이 감속되고, 제4차량상태는 둘 다 회생제동토크(34)이므로 차량이 감속된다.

본 발명은 인휠모터의 회전 방향과 반대방향인 회생제동토크(34)를 주어 토크벡터링 제어를 수행한다. 따라서, 회생제동토크(34)에서는 인휠모터가 발전기로서 동작하게 되고, 배터리를 사용하지 않고, 오히려 배터리를 충전하기 때문에 본 발명을 적용하면 에너지 효율 및 차량의 연비가 향상된다는 장점이 있다.

도 4는 본 발명에 따른 인휠 시스템이 장착된 차량의 토크벡터링 제어 방법의 순서도이다.

본 발명에 따른 인휠 시스템이 장착된 차량의 토크벡터링 제어 방법은 먼저 차량에 부착된 센서를 이용하여 차량정보를 측정하는 것이다(110). 예를 들어, 가속 패달 센서, 브레이크 패달 센서, 휠속도 센서, 종방향 속도 센서, 횡방향 속도 센서, 조향각 센서, 조향 각속도 센서, 요 레이트 센서 등으로 차량의 속도, 휠속도, 종방향 속도, 횡방향 속도, 조향각, 조향 각속도, 요 레이트 등을 측정한다.

다음으로, 상기 센서로부터 측정된 값을 기반으로 차량의 무게중심에서의 종방향 속도, 횡방향 속도를 추정한다. 그리고, 상기 종방향 속도 및 횡방향 속도를 이용하여, 슬립각(Slip Angle)과 휠슬립률(Wheel-Slip Ratio)을 추정한다(120).

다음으로, 상기 추정한 값으로 상기 차량상태를 결정(130)하는데, 차량이 상기 제1차량상태 내지 제4차량상태 중 어느 하나에 해당하는지를 결정하는 것이다. 이때, 제1차량상태 또는 제2차량상태인 경우 차량은 가속 상태이고, 제3차량상태 또는 제4차량상태인 경우 차량은 감속 상태이다.

상기 결정된 차량상태에 따라 휠토크량이 결정(140)되며, 이는 좌우측 인휠모터의 휠토크량의 상대적 편차를 의미한다. 즉, 제1차량상태 내지 제4차량상태 중 어느 하나에 해당하는 차량의 좌우측 인휠모터에 필요한 휠토크의 방향과 상대적 크기를 결정하는 것이다. 예를 들어, 좌측 선회 시 제1차량상태로 결정된 차량은, 좌우측 휠토크의 방향은 모두 추가토크이며 우측 휠토크가 좌측 휠토크의 크기보다 큰 것으로 결정되는 것을 의미한다.

다음으로, 요 모멘트 제어(Direct Yaw moment Control, DYC)로 상기 결정된 휠토크량을 실제로 산출하고(150), 산출한 휠토크를 각 인휠모터에 적용(160)하여 토크벡터링 제어를 완료한다. 요 모멘트 제어(DYC)로 휠토크량을 산출(150)하여 각 인휠모터에 분배(160)하는 과정은 다음 도 5에서 자세하게 설명한다.

도 5는 휠토크 변환을 위한 요 모멘트 제어(DYC) 순서도이고, 도 6은 선회 상태에서의 자전거 모델 동역학을 나타낸다.

선회상태의 차량 요 모멘트는 도 6과 같이 자전거 모델 동역학을 사용하여 상대적으로 간단하게 설명할 수 있다.

이하에서, 사용될 계수들의 의미는 아래와 같다.

: 전륜과 후륜 간의 거리

: 추정된 종방향 속도

: 조향각

: 희망 요 레이트

: 보정 요 레이트

: 실제 요 레이트

: 정상 조향 상태에서의 슬립각

: 종방향 가속도

: 횡방향 가속도

: 중력 가속도

:차량의 무게중심 높이

: 무게중심에서의 보정 요 모멘트

: 좌측 인후리모터에 분배되는 보정 요 모멘트에서 변환된 휠토크

: 우측 인후리모터에 분배되는 보정 요 모멘트에서 변환된 휠토크

: 좌측 인휠모터에 적용되는 휠토크

: 우측 인휠모터에 적용되는 휠토크

운전자의 조향 의도를 최대한 반영하는 희망 요 레이트(Desired Yaw Rate,

)를 수학식 1과 같이 계산한다.

상기 희망 요 레이트(

)와 실제 요 레이트(

) 사이의 보정 요 레이트(Corrective Yaw Rate,

)는 수학식 2와 같이 정의할 수 있다.

이렇게 계산된 상기 보정 요 레이트(

)는 오차(Error)를 의미하므로, PID컨트롤러(210)를 통해 감소 방향으로 설계된다. 상기 PID컨트롤러(210)를 거친 보정 요 레이트(

)는 운전자의 조향 의도에 따라 차량의 안정적 정상 상태(the steady-state)를 더 빠르게 정의하며, 다음 수학식 3과 같이 표현될 수 있다. 상기 정상상태에 도달하면,

와

를 0으로 설정할 수 있으며, 요 모멘트 변수의 방정식으로 정리할 수 있다.

는 무게중심에서의 보정 요 모멘트로 다음 수학식 4와 같이 계산한다.

는 무게중심에서의 보정 요 모멘트이기 때문에, 좌우측 인휠모터에 분배되어야 한다(230). 좌측 인휠모터에 분배되는 보정 요 모멘트는

이고, 우측 인휠모터에 분배되는 보정 요 모멘트는

이다.

상기 각 좌우측 인휠모터에 분배된 보정 요 모멘트는 다음 수학식 5로 휠토크로 변환된다(240).

최종적으로, 상기 변환된 각 휠토크(

,

)는 좌우측 인휠모터에 다음 수학식 6과 같이 각 적용된다(250).

도 7은 본 발명에 따른 인휠 시스템이 장착된 차량의 토크벡터링 제어 장치의 개괄적 구성을 나타낸다.

본 발명에 따른 인휠 시스템이 장착된 차량의 토크벡터링 제어 장치는 차량에 부착된 다양한 센서(300)를 이용하여 각종 차량정보를 측정하여, 상기 측정된 값을 기반으로 종방향 속도, 횡방향 속도, 슬립각, 휠슬립률을 추정하는 차량정보 추정기(400)와, 상기 추정한 값으로 차량상태를 결정(510)하고, 휠토크량을 결정(520)하는 휠토크 결정기(500)와, 상기 추정한 값으로 요 모멘트를 계산하고(620), 상기 계산한 요 모멘트를 분배하여(630) 휠토크로 변환(640)하는 휠토크 산출기(600), 및 상기 산출한 휠토크를 좌우 인휠모터에 각 적용하는 휠토크 적용기(700)를 포함한다.

상기 차량정보 추정기(400)는 차량에 부착된 다양한 센서(300)를 이용하여 측정된 각종 차량정보를 이용하여 종방향 속도 추정부(410)에서 차량의 무게중심에서의 종방향 속도를 추정하고, 횡방향 속도 추정부(420)에서 차량의 무게중심에서의 횡방향 속도를 추정한다. 그리고, 상기 종방향 속도 및 횡방향 속도를 이용하여, 슬립각 추정부(430)에서 슬립각을 추정하고 휠슬립률 추정부(440)에서 휠슬립률을 추정한다.

상기 차량상태 결정부(510)에서는 상기 추정한 값으로 차량상태를 결정한다. 차량이 상기 제1차량상태 내지 제4차량상태 중 어느 하나에 해당하는지를 결정하는 것이다. 이때, 제1차량상태 또는 제2차량상태인 경우 차량은 가속 상태이고, 제3차량상태 또는 제4차량상태인 경우 차량은 감속 상태이다.

상기 결정된 차량상태에 따라 상기 휠토크량 결정부(520)에서 휠토크량을 결정하며, 이는 좌우측 인휠모터의 휠토크량의 상대적 편차를 의미한다. 즉, 제1차량상태 내지 제4차량상태 중 어느 하나에 해당하는 차량의 좌우측 인휠모터에 필요한 휠토크의 방향과 상대적 크기를 결정하는 것이다. 예를 들어, 좌측 선회 시 제1차량상태로 결정된 차량은, 좌우측 휠토크의 방향은 모두 추가토크이며 우측 휠토크가 좌측 휠토크의 크기보다 큰 것으로 결정되는 것을 의미한다.

상기 휠토크 산출기(600)는 상기 차량정보 추정기(400)에서 추정한 값으로 요 모멘트를 계산하는 요 모멘트 계산부(610)와, 상기 계산한 요 모멘트를 좌우측 인휠모터에 분배하는 요 모멘트 분배부(620)와, 상기 분배된 요 모멘트를 휠토크로 변환하는 휠토크 변환부(630)를 포함한다. 상기 휠토크 적용기(700)는 상기 산출한 휠토크를 좌우 인휠모터에 각 적용한다. 상기 휠토크 산출기(600) 및 상기 휠토크 적용기(700)의 구체적 계산, 분배, 변환 및 적용 수식과 과정은 도 5에서 상술한 요 모멘트 제어와 같다.

도 8 내지 도 19는 다양한 검증예로서, 본 발명에 따른 토크벡터링 제어 방법 및 장치를 적용한 인휠 시스템 차량(이하, '적용차량')과 이를 적용하지 않은 인휠 시스템 차량(이하, '비적용차량')과의 성능 비교를 CarSIM 프로그램으로 시뮬레이션 한 그래프로, 파란색은 적용차량에 대한 결과를 나타내고, 빨간색은 비적용차량에 대한 결과를 나타낸다. 시뮬레이션 한 차량 모델은 상기 표 1과 같으며, 모든 시뮬레이션은 ESC(Electronic Stability Control)를 활성화하지 않고 진행하였다.

1) 검증예 1: 이중 차선변경(Double Lane Change)

도 8 내지 도 11은 적용차량과 비적용차량이 이중 차선 변경을 시도할 때의 결과를 나타낸 것으로, 도 8은 각 차량의 궤적을, 도 9는 각 차량의 조향각을, 도 10은 각 차량의 요 레이트를, 도 11은 각 차량의 슬립각을 나타낸다.

차량의 코스 진입 속도는 스로틀(throttle) 없이 80km/h이며, 궤적은 도 8과 같다. 중심선은 y축 2m에 위치한다(도 9 및 도 10 참조). 검증예 1에서 적용차량은 비적용차량에 비해서, 조향각이 감소(도 9 참조)하고 요 레이트는 점점 더 빠르게 상승(도 10 참조)하였으며, 슬립각은 감소(도 11 참조)하였다. 결과적으로 적용차량은 언더스티어 상태인 것으로 결정되었고, 원하는 경로로 보정하기 위하여 추가 보정 요 레이트를 생성하였다.

2) 검증예 2: 일정반경 코너링(Constant-Radius Cornering)

도 12 내지 도 14는 적용차량과 비적용차량이 반지름 40m인 일정반경에서 코너링을 시도할 때의 결과를 나타낸 것으로, 도 12는 각 차량의 궤적을, 도 13은 각 차량의 속도를, 도 14는 각 차량의 요 게인(Yaw Gain)을 나타낸다.

각 차량은 코스를 벗어나지 않도록 핸들을 조이고, 슬립 될 때까지 점진적으로 가속하였다. 이때, 비적용차량은 390m에서 슬립 되었으며, 적용차량은 410m에서 슬립 되었다. 슬립 될 때까지의 각 차량의 속도는 거의 동일하다(도 13 참조). 그렇지만, 도 14를 보면, 적용차량이 비적용차량에 비해서 동일한 조향각에서 횡방향 가속도가 감소하고, 한계 횡방향 가속도는 증가하며, 트랙션 민첩성(Traction Agility) 및 조향 응답성이 향상되었음을 알 수 있다.

요 레이트와 횡방향 가속도가 최대값임에도 운전자의 조향 의도는 한계 성능 직전까지 반영되기 때문에 적용차량은 언더스티어 상태임을 실시간으로 결정한다. 따라서 추가 보정 요 레이트는 원하는 경로를 따라가기 위해 더 큰 요 모멘트를 생성한다.

3) 검증예 3: 순간 조향(Pulse Steer)

도 15 내지 도 19는 적용차량 및 비적용차량을 100km/h에서 무가속 상태로 순간 조향한 결과를 나타낸다. 도 15는 3.3Hz로 행하는 135°의 펄스형태 조향각을 보여준다. 도 16은 각 차량이 도 15와 같은 코스를 빠른 속도로 비상 탈출한 것의 궤적을 나타낸다. 도 17은 각 차량의 요 레이트를, 도 18은 각 차량의 슬립각을, 도 19는 각 차량의 횡방향 가속도를 나타낸다.

적용차량은 조향 시작 시 조향 각속도로 인한 차량의 오버스티어를 판단하고, 요 모멘트가 선회방향 반대로 생성된다. 적용차량은 비적용차량에 비해서, 요 레이트 최대값이 감소하고(도 17 참조), 슬립각이 감소하며(도 18 참조), 횡방향 가속도가 감소한다(도 19 참조). 즉, 검증예 3에서 적용차량은 비적용차량에 비해 고속에서 더 나은 차량 안정성을 갖는다.

적용차량과 비적용차량의 검증예 1 내지 검증예 3에서의 시뮬레이션을 통해, 본 발명에 따른 토크벡터링 제어로 저속에서의 조향 응답성이 향상되고, 저속 주행 시 트랙션 민첩성이 향상되며 고속 주행에도 차량의 안정성이 유지되는 것을 확인할 수 있다.

도 21 내지 도 28은 본 발명에 따른 토크벡터링 방법 및 장치를 적용한 인휠 시스템 차량인 e-4WD(이하, '인휠차량')와 일반 기계식 차동 방식의 4WD 차량(이하, '비인휠차량')과의 다양한 운전 상황에서의 실제 실험을 통한 성능 비교 그래프이다. 상기 인휠차량은 도 20과 같은 구조이며, 본 발명이 적용된 실제 차량 모델로, 전륜에 2개의 인휠모터가 장착되고, ECU는 항상 인휠모터의 최대 출력을 유지하도록 베터리를 제어한다.

모터 반응성은 각 차량의 보다 정밀하고 정확한 제어를 위해 조정하였고, 정확한 검증을 위해 ABDYNAMIC의 SR60 장비를 조향 및 가속 로봇으로 사용하였다. 데이터는 RT-3000(OXTS)으로 측정하였다. 샘플링 시간은 1ms이었다. 각 그래프에서의 실험 결과는 인휠차량은 파란색으로, 비인휠차량은 빨간색으로 나타낸다.

1) 검증예 4: 이중 차선변경(Double Lane Change)

도 21 내지 도 23은 인휠차량과 비인휠차량이 80km/h의 속도로 이중 차선 변경을 시도할 때의 결과를 나타낸 것으로, 도 21은 각 차량의 조향각을, 도 22는 각 차량의 요 레이트를, 도 23은 각 차량의 슬립각을 나타낸다.

인휠차량은 비인휠차량에 비해서, 조향각 및 요 레이트는 거의 유사하지만, 슬립각은 감소하고, 차량이 정상 상태를 반환하는 시간이 약 300ms 더 빠르다. 이는 고속도로에서 차선이 변경되거나 경사로(ramp) 진입 시 인휠차량의 토크벡터링이 원활이 작동하는 것을 의미한다. 따라서, 본 발명은 도심 주행과 같은 중간 속도의 주행에서 조향 응답성과 트랙션 민첩성을 향상시킨다.

2) 검증예 5: 일정반경 코너링(Constant-Radius Cornering)

도 24 및 도 25는 인휠차량과 비인휠차량이 반지름 40m인 일정반경에서 코너링을 시도할 때의 결과를 나타낸 것으로, 도 24는 각 차량의 속도를, 도 25는 각 차량의 요 게인(Yaw Gain)을 나타낸다. 검증예 2와 동일한 조건으로 진행한다.

각 차량의 최대 속도는 3km/h로 동일하다. 인휠차량은 259m에서 슬립되고, 비인휠차량은 293m에서 슬립되어, 인휠차량이 먼저 슬립된다. 도 25를 보면 인휠차량이 비인휠차량에 비해 조향 응답성과 트랙션 민첩성 모두에서 눈에 띄게 향상된 것을 확인할 수 있다. 즉, 조향 응답성과 트랙션 민첩성은 도심 주행에서의 유턴과 같이 정지 상태에서 작은 반경으로 회전할 때 분명한 효과를 나타낸다.

3) 검증예 6: 순간 조향(Pulse Steer)

도 26 내지 도 28은 인휠차량 및 비인휠차량이 100km/h에서 무가속 상태로 순간 조향한 결과를 나타내며, 검증예 3과 동일한 조건으로 진행하며, 고속에서 조향각이 갑자기 증가할 때 실시간으로 오버스티어 된 상황으로 인식하여 필요한 토크는 차량 안정성을 위해 선회방향 반대로 가해진다. 도 26은 각 차량의 요 레이트를, 도 27은 각 차량의 슬립각을, 도 28은 각 차량의 횡방향 가속도를 나타낸다.

인휠차량의 요 레이트 크기가 증가했으나, 피크와 피크 사이의 시간은 감소했다(도 26 참조). 반면, 슬립각은 피크와 피크 사이의 시간과 슬립각의 크기 모두 감소했다(도 27 참조). 횡방향 가속도는 감소했으나, 초기 증가와 응답성은 높게 나타난다(도 28 참조). 이는 0.1초 마다 본 발명에 따른 보정 요 모멘트가 감소방향으로 개입되었음을 의미한다. 이것은 인휠차량의 초기 슬립각이 0.1~0.3초 동안 양의 방향으로 발생한 원인이다. 즉, 본 발명이 고속도로에서 민첩한 조향에서도 더 높은 안정성을 실현한다는 것을 보여준다.

본 발명의 방법 및 장치는 특정 실시예와 관련하여 설명되었지만, 그것들의 구성 요소 또는 동작의 일부 또는 전부는 범용 하드웨어 아키텍쳐를 갖는 컴퓨터 시스템을 사용하여 구현될 수 있다.

전술한 본 발명의 설명은 예시를 위한 것이며, 본 발명이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 쉽게 변형이 가능하다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다. 예를 들어, 단일형으로 설명되어 있는 각 구성 요소는 분산되어 실시될 수도 있으며, 마찬가지로 분산된 것으로 설명되어 있는 구성 요소들도 결합된 형태로 실시될 수 있다.

본 발명의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허 청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.

Claims (10)

1. 인휠모터 시스템이 장착된 차량의 토크벡터링 제어 방법에서,
   차량에 부착된 센서를 이용하여 차량정보를 측정하는 단계;
   상기 측정된 값을 기반으로 종방향 속도, 횡방향 속도, 슬립각, 휠슬립률을 추정하는 단계;
   상기 추정한 값으로 차량상태 및 휠토크량을 결정하는 단계;
   요 모멘트 제어로 상기 결정된 휠토크를 산출하는 단계; 및
   상기 산출한 휠토크를 좌우측 인휠모터에 각 적용하는 단계를 포함하는, 토크벡터링 제어 방법.
   
2. 제1항에 있어서, 상기 차량상태를 결정하는 단계는,
   좌우측 휠토크가 모두 추가토크인 제1차량상태,
   좌우측 휠토크가 한쪽은 추가토크 다른 쪽은 회생제동토크이고 추가토크의 크기가 회생제동토크의 크기 보다 큰 제2차량상태,
   좌우측 휠토크가 한쪽은 추가토크 다른 쪽은 회생제동토크이고 회생제동토크의 크기가 추카토크의 크기 보다 큰 제3차량상태, 및
   좌우측 휠토크가 모두 회생제동토크인 제4차량상태 중 어느 하나의 상태를 결정하는 것을 특징으로 하는, 토크벡터링 제어 방법.
   
3. 제2항에 있어서,
   제1차량상태, 제2차량상태는 차량의 가속 상태이고, 제3차량상태, 제4차량상태는 차량의 감속 상태인 것을 특징으로 하는, 토크벡터링 제어 방법.
   
4. 제1항에 있어서, 상기 휠토크량을 결정하는 단계는,
   상기 차량상태에 따라 좌우측 인휠모터에 필요한 휠토크의 방향과 상대적 크기를 결정하는 것을 특징으로 하는, 토크벡터링 제어 방법.
   
5. 제1항에 있어서, 상기 요 모멘트 제어로 휠토크를 산출하는 단계는,
   희망 요 레이트와 실제 요 레이트로 구한 보정 요 레이트를 이용하여 보정 요 모멘트를 구한 후 상기 보정 요 모멘트를 좌우측 인휠모터에 각 분배하여 휠 토크로 변환하는 것을 특징으로 하는, 토크벡터링 제어 방법.
   
6. 인휠 시스템이 장착된 차량의 토크벡터링 제어 장치에서,
   차량에 부착된 센서를 이용하여 차량정보를 측정하여, 상기 측정된 값을 기반으로 종방향 속도, 횡방향 속도, 슬립각, 휠슬립률을 추정하는 차량정보 추정기,
   상기 추정한 값으로 차량상태를 결정하고 휠토크량을 결정하는 차량상태 및 휠토크 결정기,
   상기 추정한 값으로 계산한 요 모멘트를 분배하여 휠토크로 변환하는 휠토크 산출기, 및
   상기 산출한 휠토크를 좌우측 인휠모터에 각 적용하는 휠토크 적용기를 포함하는, 토크벡터링 제어 장치.
   
7. 제6항에 있어서, 상기 차량상태 및 휠토크 결정기는,
   좌우측 휠토크가 모두 추가토크인 제1차량상태,
   좌우측 휠토크가 한쪽은 추가토크 다른 쪽은 회생제동토크이고 추가토크의 크기가 회생제동토크의 크기 보다 큰 제2차량상태,
   좌우측 휠토크가 한쪽은 추가토크 다른 쪽은 회생제동토크이고 회생제동토크의 크기가 추카토크의 크기 보다 큰 제3차량상태, 및
   좌우측 휠토크가 모두 회생제동토크인 제4차량상태 중 어느 하나의 상태를 결정하는 것을 특징으로 하는, 토크벡터링 제어 장치.
   
8. 제7항에 있어서,
   제1차량상태, 제2차량상태는 차량의 가속 상태이고, 제3차량상태, 제4차량상태는 차량의 감속 상태인 것을 특징으로 하는, 토크벡터링 제어 장치.
   
9. 제6항에 있어서, 상기 차량상태 및 휠토크 결정기는
   결정된 차량상태에 따라 좌우측 인휠모터에 필요한 휠토크의 방향과 상대적 크기를 결정하는 것을 특징으로 하는, 토크벡터링 제어 장치.
   
10. 제6항에 있어서, 상기 휠토크 산출기는,
    희망 요 레이트와 실제 요 레이트로 구한 보정 요 레이트를 이용하여 보정 요 모멘트를 구한 후 상기 보정 요 모멘트를 좌우측 인휠모터에 각 분배하여 휠 토크로 변환하는 것을 특징으로 하는, 토크벡터링 제어 장치.

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