KR20210143426A - 전기자전거의 속도제어 장치 및 그 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 전기자전거의 휠 속도 제어장치에 관한 것으로, 페달의 속도에 기어비를 곱한 휠 속도 지령값과 측정한 휠 속도 의 차이에 의해 휠 토크 지령을 생성하는 휠 속도 제어부; 상기 휠 토크 지령과 모터의 측정 전류에 의해 모터 구동 전류를 생성하는 휠 토크 제어부; 및 상기 휠 토크 지령에 어시스트 레벨을 적용한 값과 발전기의 측정 전류에 의해 발전기 토크 제어 전류를 생성하는 페달 토크 제어부;를 포함한다.

Description

전기자전거의 속도제어 장치 및 그 방법{APPARATUS FOR CONTROLLING SPEED OF ELECTRIC BICYCLE, AND METHOD THEREOF}
본 발명은 체인이 없는 전기자전거에 관한 것으로, 특히 전기자전거의 속도제어에 관한 것이다.
최근 근거리 이동 수단에 대한 수요 증가와 환경 규제 등의 이유로 전기자전거에 대한 수요 및 관심이 증가되고 있다. 유럽에서는 E-cargo라는 카테고리가 생기면서 2륜뿐 아니라 3/4륜의 다양한 소형 이동수단들이 생겨나고 있다. 유럽에서는 전기자전거 규격인 E-PEC 규격을 만족한 제품이라면 기존 자전거 인프라를 이용할 수 있고 더불어 일부 지역단체에서는 보조금 등의 혜택도 받을 수 있다.
E-PEC 규격은 페달에 힘을 인가하여 전기자전거를 견인하는 구동계에 대한 규격으로 구동계에는 페달이 포함되어있다. 따라서 전기가전거의 구동계는 E-PEC 규격을 만족해야 한다. 대부분의 전기자전거 구동계는 체인으로 페달과 구동 바퀴가 연결되는 구조이다. 2륜 전기자전거는 종래의 자전거와 같이 휠과 페달이 체인으로 연결된 동일한 구조를 가지지만, 3/4륜으로 구성되는 E-CARGO 등에서는 구동계에 이렇게 체인을 사용하면 체인과 기어 등이 증가하면서 구동계가 복잡한 구조를 가지게 되는 문제가 있다.
본 발명의 발명자들은 이러한 종래 기술의 전기자전거에서 체인으로 연결되는 구동계의 문제점을 해결하기 위해 연구 노력해 왔다. 전기자전거의 체인을 없애고 페달의 구동력을 전기로 변환하여 체인 없이 바퀴로 전달하는 전기자전거용 구동계를 완성하기 위해 많은 노력 끝에 본 발명을 완성하기에 이르렀다.
본 발명의 목적은 2륜 뿐 아니라 3/4륜의 E-CARGO에도 적용할 수 있는 단순한 구조의 구동계를 제공함에 있다. 또한 이러한 구동계를 가지면서도 기존 체인이 있는 전기자전거와 같은 주행감을 제공하고 E-PEC 규격을 만족할 수 있는 전기자전거의 속도제어방법을 제공하는 것 역시 본 발명의 다른 목적이다.
한편, 본 발명의 명시되지 않은 또 다른 목적들은 하기의 상세한 설명 및 그 효과로부터 용이하게 추론 할 수 있는 범위 내에서 추가적으로 고려될 것이다.
본 발명의 전기자전거의 휠 속도 제어장치는, 페달의 속도에 기어비를 곱한 휠 속도 지령값과 측정한 휠 속도 의 차이에 의해 휠 토크 지령을 생성하는 휠 속도 제어부; 상기 휠 토크 지령과 모터의 측정 전류에 의해 모터 구동 전류를 생성하는 휠 토크 제어부; 및 상기 휠 토크 지령에 어시스트 레벨을 적용한 값과 발전기의 측정 전류에 의해 발전기 토크 제어 전류를 생성하는 페달 토크 제어부;를 포함한다.
본 발명에 따르면 체인이 없는 구동계를 적용함으로써 구동계의 구조를 단순화 할 수 있는 효과가 있다. 체인 없는 구동계를 채용함으로써 2륜만이 아니라 3~4륜을 가지는 다양한 소형 운송수단에도 확장할 수 있는 장점이 있다.
한편, 여기에서 명시적으로 언급되지 않은 효과라 하더라도, 본 발명의 기술적 특징에 의해 기대되는 이하의 명세서에서 기재된 효과 및 그 잠정적인 효과는 본 발명의 명세서에 기재된 것과 같이 취급됨을 첨언한다.
도 1은 본 발명의 바람직한 어느 실시예에 따른 전기자전거 구동계의 개략적인 구조도이다.
도 2는 본 발명의 바람직한 어느 실시예에 따른 전기자전거 구동계를 사용한 효과를 나타내는 그래프이다.
도 3은 본 발명의 바람직한 어느 실시예에 따른 전기자전거 속도제어부의 좀 더 자세한 구조도이다.
도 4는 본 발명의 바람직한 어느 실시예에 따른 전기자전거의 휠 속도 제어장치의 전체적인 구조도이다.
도 5는 본 발명의 바람직한 어느 실시예에 따른 전기자전거의 휠 속도 제어장치의 보다 자세한 구조도이다.
도 6은 본 발명의 바람직한 다른 실시예에 따른 페달 감 생성장치의 개략적인 구조도이다.
도 7은 본 발명의 바람직한 다른 실시예에 따른 페달 감 생성장치에 의해 생성되는 페달 토크와 휠 속도, 경사도의 관계도이다.
※ 첨부된 도면은 본 발명의 기술사상에 대한 이해를 위하여 참조로서 예시된 것임을 밝히며, 그것에 의해 본 발명의 권리범위가 제한되지는 아니한다
이하, 도면을 참조하여 본 발명의 다양한 실시예가 안내하는 본 발명의 구성과 그 구성으로부터 비롯되는 효과에 대해 살펴본다. 본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지기능에 대하여 이 분야의 기술자에게 자명한 사항으로서 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략한다.
'제1', '제2' 등의 용어는 다양한 구성요소를 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소는 위 용어에 의해 한정되어서는 안 된다. 위 용어는 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용될 수 있다. 예를 들어, 본 발명의 권리범위를 벗어나지 않으면서 '제1구성요소'는 '제2구성요소'로 명명될 수 있고, 유사하게 '제2구성요소'도 '제1구성요소'로 명명될 수 있다. 또한, 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 표현하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 발명의 실시예에서 사용되는 용어는 다르게 정의되지 않는 한, 해당 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 통상적으로 알려진 의미로 해석될 수 있다.
이하, 도면을 참조하여 본 발명의 다양한 실시예가 안내하는 본 발명의 구성과 그 구성으로부터 비롯되는 효과에 대해 살펴본다.
도 1은 본 발명의 바람직한 어느 실시예에 따른 전기자전거 구동계의 개략적인 구조도이다.
위치 제어기는 페달의 위치와 휠의 위치를 비교하여 휠의 속도를 제어한다.
Θp는 페달의 위치(각도)를 나타내고, ΘW는 휠의 위치(각도)를 나타낸다. 위치 제어기(Position Ctrl)는 페달의 위치와 휠의 위치를 이용하여 휠 속도 지령인 Nw*를 생성한다.
휠 속도 지령 Nw*는 휠 속도 Nw와 전향 보상인 페달의 속도 Np와 함께 휠 속도 제어기(Wheel Speed Ctrl)에 입력된다. 이 때 페달 속도 Np에는 기어비(Gear Ratio)가 적용된다.
휠 속도 제어기에서는 휠을 구동하기 위한 휠 토크 지령(Tw*)과 페달 토크 지령(Tp*)이 생성되는데, 페달 토크는 어시스트 레벨(Assist Level)에 따라 가변된다.
도 2는 본 발명의 바람직한 어느 실시예에 따른 전기자전거 구동계를 사용한 효과를 나타내는 그래프이다.
체인에 의해 구동되는 일반적인 자전거는 기어비에 따라서 높은 토크와 낮은 RPM 또는 낮은 토크와 높은 RPM의 조합으로 비례하여 페달감이 생성된다(Regular chain bicycle range 영역). 동일한 속도라도 기어비에 따라 큰 힘으로 낮은 RPM으로 페달을 구동하거나 적은 힘으로 페달을 더 빨리 회전시키는 구동이 가능한 것이다.
반면 본 발명에 따른 전기자전거는 기어비와 페달의 어시스트 레벨의 조합에 의해 보다 다양한 조합이 가능하다(Mando chainless bicycle range). 즉, 어시스트 레벨을 높여서 낮은 토크와 낮은 RPM으로도 보다 빠른 속도를 얻을 수도 있고, 어시스트 레벨을 낮추면서 높은 토크와 높은 RPM으로 페달에 의한 발전량을 늘릴 수도 있는 것이다.
도 3은 본 발명의 바람직한 어느 실시예에 따른 전기자전거 속도제어부의 좀 더 자세한 구조도이다.
휠 속도 지령 Nw*는 페달 속도 Np에 기어비가 적용된 값이다. 이는 실제 휠 속도 Nw와 함께 휠 속도 제어기(Wheel Speed Ctrl)에 입력된다.
휠 속도 제어기는 휠 토크 지령(Tw*)과 페달 토크 지령(Tp*)을 출력한다. 페달 토크 지령은 어시스트 레벨이 적용되어 가변된다.
도 4는 본 발명의 바람직한 어느 실시예에 따른 전기자전거의 휠 속도 제어장치의 전체적인 구조도이다.
휠 속도 지령 Nw*는 페달의 속도(Np)에 기어비(GR)가 곱해진 값으로 생성된다.
휠 속도 제어기(Wheel Speed Ctrl)에 는 휠 속도 지령 Nw*와 휠 속도 Nw를 입력받아 휠 토크 지령(Tw*)과 페달 토크 지령(Tp*)을 생성한다.
휠 토크 지령은 휠 토크 제어기(Wheel Torque Ctrl)와 휠 액츄에이터(Wheel Actuator)를 거쳐 휠 구동 모터에 전달된다.
페달 토크 지령은 어시스트 레벨(Assist Level)이 적용되어(Tp*=Tw*/AL) 페달 토크 제어기(Pedal Torque Ctrl)와 페달 액츄에이터(Pedal Actuator)를 거쳐 발전기(ALT)의 토크감을 생성하게 된다.
도 5는 본 발명의 바람직한 어느 실시예에 따른 전기자전거의 휠 속도 제어장치의 보다 자세한 구조도이다.
휠 속도 제어기는 비례미분적분 제어기로 구성될 수 있다.
휠 속도 지령(Nw*)과 휠속도(Nw)의 차이가 휠 속도 제어기(Wheel Speed Ctrl)에 입력되어 휠 속도가 페달의 속도와 같아지도록 제어되는 것이다. 휠 속도 지령
Figure pat00001
로 구해진다.
Kp는 휠 속도 제어기의 비례 이득(P Gain)값이고, Ki는 적분 이득(I Gain)이다. 휠 속도 지령에 비례이득과 적분 이득이 더해져서 토크값(T*)이 생성된다. 비례 적분 제어에 의한 토크
Figure pat00002
-
Figure pat00003
) + Ki
Figure pat00004
로 구해진다.
휠 속도 지령을 미분하고 페달 가속도(Ap)와 휠의 관성(J)이 적용되어 게인(gain)값이 적용된 토크 어시스트(Ta)값은
Figure pat00005
* J * gain 으로 구해진다.
휠 토크 지령(Tw*)은
Figure pat00006
로 구해진다.
생성된 휠 토크 지령(Tw*)는 휠 토크 제어기(Wheel Torque Ctrl)와 페달 토크 제어기(Pedal Torque Ctrl)에 입력되어 모터와 발전기(ALT)의 토크를 생성하게 된다.
휠 토크 제어기는 휠 토크 지령(Tw*)을 입력 받아 토크 계산기(Torque Calculator)에 의해 모터 전류 지령(Im*)을 생성하고, 측정한 모터의 전류(Im)을 피드백으로 하여 전류제어기에 의해 모터 구동을 위한 전류를 생성하게 된다.
페달 토크 제어기는 휠 토크 지령(Tw*)에 어시스트 레벨을 적용한 값인 페달 토크 지령(Tp*)을 입력 받아 토크 계산기에 의해 발전기 전류 지령(Ig*)을 생성하고, 실제 발전기의 전류(Ig)를 피드백으로 하여 발전기 토크를 생성하기 위한 전류를 전류제어기에서 생성한다.
휠 각속도
Figure pat00007
페달 각속도
Figure pat00008
Figure pat00009
이고, 휠 파워
Figure pat00010
*
Figure pat00011
, 페달 파
Figure pat00012
*
Figure pat00013
이다. 휠 파워
Figure pat00014
> 0 이면 구동이 되고, 페달 파워
Figure pat00015
이면 발전이 된다.
도 6은 본 발명의 바람직한 다른 실시예에 따른 페달 감 생성장치의 개략적인 구조도이다.
페달 감 제어기(Pedal Felling Controller)는 페달의 토크를 생성하기 위한 제어기이다. Tw*(휠토크), Nw(휠속도), g(경사도), Np(페달속도)를 입력으로 하여 페달 토크 지령 Tp*를 생성한다. Tw*는 어시스트 레벨이 적용된다.
경사로에서 언덕을 등판 할 때, 즉 g>0이고 출발시에는 휠속도가 0보다 작거나 같은 상태에서는 일정 크기의 Tp*를 출력한다. 정지상태여도 페달에 일정한 토크가 가해져야 운전자가 중심을 잡을 수 있기 때문이다.
경사로 언덕에서 계속 주행중에는 운전자가 페달에 토크를 인가하여 페달이 회전되면 모터에 토크가 발생하고 휠속도가 증가된다. 발생된 휠속도와 페달속도에 따라 페달의 토크를 감소하면서도 언덕에서 토크량을 가변할 수 있다. 이는 어시스트 레벨(AL)에 의해 정해진다.
평지 주행시에는 페달 토크 지령 Tp*는 휠토크 지령 Tw*와 어시스트 레벨(AL: Assist Level)에 의해 정해진다.
도 7은 본 발명의 바람직한 다른 실시예에 따른 페달 감 생성장치에 의해 생성되는 페달 토크와 휠 속도, 경사도의 관계도이다.
언덕 등판 시 최초 일정한 페달토크가 인가되다가 휠속도가 증가하면 페달 토크가 감소하게 되는 것을 나타낸다.
또한 일반 체인 자전거는 경사도(G)가 커짐에 따라 필요한 페달 토크가 증가하지만 본 발명에 따른 전기자전거는 어시스트 레벨을 이용하여 경사도에 상관없이 동일한 페달 토크로 주행할 수 있음을 나타낸다.
본 발명의 보호범위가 이상에서 명시적으로 설명한 실시예의 기재와 표현에 제한되는 것은 아니다. 또한, 본 발명이 속하는 기술분야에서 자명한 변경이나 치환으로 말미암아 본 발명이 보호범위가 제한될 수도 없음을 다시 한 번 첨언한다.

Claims (1)

  1. 페달의 속도에 기어비를 곱한 휠 속도 지령값과 측정한 휠 속도 의 차이에 의해 휠 토크 지령을 생성하는 휠 속도 제어부;
    상기 휠 토크 지령과 모터의 측정 전류에 의해 모터 구동 전류를 생성하는 휠 토크 제어부; 및
    상기 휠 토크 지령에 어시스트 레벨을 적용한 값과 발전기의 측정 전류에 의해 발전기 토크 제어 전류를 생성하는 페달 토크 제어부;를 포함하는 전기자전거 휠 속도 제어장치.
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