KR20220077261A - 차량의 가상 변속감 구현 장치 및 방법 - Google Patents

차량의 가상 변속감 구현 장치 및 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 차량의 가상 변속감 구현 장치 및 방법에 관한 것으로서, 다단 변속기가 부재한 차량에서 다단 변속기에 의해 발생하는 변속감을 가상으로 제공할 수 있는 장치 및 방법을 제공하는데 주된 목적이 있는 것이다. 상기한 목적을 달성하기 위해, 전륜을 구동하기 위한 전륜 모터와 후륜을 구동하기 위한 후륜 모터를 구비한 전기자동차에서 주행 중인 차량의 운전 정보를 검출하기 위한 운전정보 검출부; 상기 검출되는 차량의 운전 정보를 기초로 가상 변속 시점을 결정하고 상기 결정된 가상 변속 시점에 가상 변속감 생성을 위한 제어신호를 출력하는 제어기; 및 상기 전륜과 후륜 중 하나의 보조 구동륜과 이 보조 구동륜을 구동하기 위한 모터 사이에 동력 전달을 단속하도록 구비되는 디스커넥터를 포함하고, 상기 제어기가 출력하는 제어신호에 따라 디스커넥터가 체결 또는 해제 작동되어 상기 디스커넥터의 체결 또는 해제시에 발생하는 충격을 차량의 가상 변속감으로 제공하는 차량의 가상 변속감 구현 장치, 및 이를 이용한 가상 변속감 구현 방법이 개시된다.

Description

차량의 가상 변속감 구현 장치 및 방법{Apparatus and method for virtual shift feeling generation of vehicle}
본 발명은 차량의 가상 변속감 구현 장치 및 방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 다단 변속기가 부재한 차량에서 다단 변속기에 의해 발생하는 변속감을 가상으로 제공할 수 있는 장치 및 방법에 관한 것이다.
주지된 바와 같이, 전기자동차(Electric Vehicle, EV)는 차량 주행을 위한 구동력의 발생원으로서 모터를 이용하여 주행하는 차량이다.
전기자동차의 구동계는, 모터를 구동시키기 위한 전력을 공급하는 배터리, 배터리에 연결되어 모터를 구동 및 제어하기 위한 인버터, 차량의 구동원으로서 인버터를 통해 배터리에 충, 방전 가능하게 연결된 모터, 및 모터의 회전력을 감속하여 구동륜에 전달하는 감속기를 포함한다.
인버터는 모터 구동시 배터리로부터 공급되는 직류 전류(DC)를 교류 전류(AC)로 변환하여 전력케이블을 통해 모터에 인가하고, 모터 회생시에는 모터에서 생성된 교류 전류를 직류 전류로 변환하여 배터리에 공급함으로써 배터리를 충전하는 역할을 한다.
또한, 통상의 전기자동차에서는 기존의 내연기관 자동차와 달리 다단 변속기를 사용하지 않으며, 그 대신 고정 기어비를 사용하는 감속기를 모터와 구동륜 사이에 배치한다.
이는 내연기관이 운전점에 따라 에너지 효율의 분포 범위가 넓고 고속 영역에서만 고토크를 제공할 수 있는 것과는 달리, 모터의 경우 운전점에 대한 효율의 차이가 상대적으로 작고 모터의 단품 특성만으로도 저속 고토크의 구현이 가능하기 때문이다.
하지만, 변속기의 부재는 변속으로 인한 운전성의 끊김이 없고 부드러운 운전성을 제공한다는 점에서 이점이 될 수 있으나, 운전 재미를 원하는 운전자에게는 변속기 및 변속감의 부재가 지루함을 줄 수 있다.
또한, 내연기관 자동차만 운전하던 운전자의 경우에는 변속감 발생 없이 모터에 의한 가감속감만 느낄 수 있는 전기자동차를 운전할 때 주행 이질감을 느낄 수 있다.
이에 다단 변속기가 부재하고 감속기가 장착된 전기자동차에서 운전자로 하여금 다단 변속기가 장착된 내연기관 자동차에서와 같은 운전 감성과 재미, 박진감과 직결감 등을 느끼도록 해줄 수 있는 기술이 요구되고 있다.
따라서, 본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 창출한 것으로서, 다단 변속기가 부재한 전기자동차에서 다단 변속기가 장착된 차량에서와 같은 변속감을 생성 및 구현할 수 있는 가상 변속감 구현 장치 및 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
본 발명의 목적은 이상에서 언급된 목적으로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 다른 목적들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자(이하 '통상의 기술자')에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
상기한 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 일 양태에 따르면, 전륜을 구동하기 위한 전륜 모터와 후륜을 구동하기 위한 후륜 모터를 구비한 전기자동차에서 주행 중인 차량의 운전 정보를 검출하기 위한 운전정보 검출부; 상기 검출되는 차량의 운전 정보를 기초로 가상 변속 시점을 결정하고 상기 결정된 가상 변속 시점에 가상 변속감 생성을 위한 제어신호를 출력하는 제어기; 및 상기 전륜과 후륜 중 하나의 보조 구동륜과 이 보조 구동륜을 구동하기 위한 모터 사이에 동력 전달을 단속하도록 구비되는 디스커넥터를 포함하고, 상기 제어기가 출력하는 제어신호에 따라 디스커넥터가 체결 또는 해제 작동되어 상기 디스커넥터의 체결 또는 해제시에 발생하는 충격을 차량의 가상 변속감으로 제공하는 차량의 가상 변속감 구현 장치를 제공한다.
그리고 본 발명의 다른 양태에 따르면, 전륜을 구동하기 위한 전륜 모터와 후륜을 구동하기 위한 후륜 모터를 구비한 전기자동차에서 제어기에 의해 차량의 운전 정보가 수집되는 단계; 상기 제어기에서 상기 검출되는 차량의 운전 정보를 기초로 가상 변속 시점이 결정되고 상기 결정된 가상 변속 시점에 가상 변속감 생성을 위한 제어신호가 출력되는 단계; 및 상기 전륜과 후륜 중 하나의 보조 구동륜과 이 보조 구동륜을 구동하기 위한 모터 사이에 동력 전달을 단속하도록 구비된 디스커넥터가 상기 제어기가 출력하는 제어신호에 따라 체결 또는 해제 작동되어, 상기 디스커넥터의 체결 또는 해제시 발생하는 충격이 차량의 가상 변속감으로 제공되는 단계를 포함하는 차량의 가상 변속감 구현 방법을 제공한다.
이로써, 본 발명에 따른 차량의 가상 변속감 구현 장치 및 방법에 의하면, 변속기가 부재한 전기자동차에서 디스커넥터를 이용하여 내연기관 자동차에서와 같은 변속감을 가상으로 제공할 수 있다. 결국, 전기자동차의 운전자로 하여금 다단 변속기가 장착된 내연기관 자동차에서와 같은 운전 감성과 재미, 박진감, 직결감 등을 느끼도록 할 수 있다.
또한, 전기자동차에서 운전자가 내연기관 모드를 선택한 경우 내연기관 자동차에서와 같은 가상 변속감을 가상 엔진음 등의 가상 사운드에 연동시켜 제공할 수 있고, 이를 통해 스포티하고 절도감 있는 변속 감성과 더욱 실감나는 주행 가속감을 운전자에게 제공할 수 있다.
또한, 변속시 가상 변속단이 차량의 클러스터나 AVN(Audio, Video and Navigation) 시스템 등의 표시장치를 통해 표시될 수 있도록 함으로써 변속감 효과를 극대화하는 것이 가능하다.
도 1은 전륜 구동모터 및 후륜 구동모터, 디스커넥터가 장착된 차량을 예시한 도면이다.
도 2는 도 1에 예시된 차량에서 보조 구동륜측 파워트레인의 구성과 부품 배치 상태를 좀 더 구체적으로 나타낸 도면이다.
도 3은 본 발명에서 가상 변속감 생성을 위해 이용되는 디스커넥터의 구성을 예시한 도면이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 가상 변속감 구현 장치의 구성을 나타내는 블록도이다.
도 5 내지 8은 본 발명의 실시예에서 가상 변속감 생성을 위한 변속 패턴 맵의 여러 예를 나타내는 도면이다.
도 9는 본 발명에서 가상 변속감 생성을 위해 이용되는 디스커넥터의 보킹 상태를 설명하는 도면이다.
도 10은 본 발명에서 디스커넥터를 이용하여 가상 변속감을 생성한 상태를 예시한 도면이다.
도 11은 비교예의 도면으로서, 차량이 기존의 일반 EV 주행 모드로 주행할 때의 상태를 예시한 도면이다.
도 12는 본 발명에 따른 가상 변속감 구현 과정을 나타내는 순서도이다.
발명의 실시예에서 제시되는 특정한 구조 내지 기능적 설명들은 단지 본 발명의 개념에 따른 실시예를 설명하기 위한 목적으로 예시된 것으로, 본 발명의 개념에 따른 실시예들은 다양한 형태로 실시될 수 있다. 또한, 본 명세서에 설명된 실시예들에 한정되는 것으로 해석되어서는 아니 되며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경물, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
한편, 본 발명에서 제1 및/또는 제2 등의 용어는 다양한 구성 요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성 요소들은 상기 용어들에 한정되지는 않는다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소들과 구별하는 목적으로만, 예컨대 본 발명의 개념에 따른 권리 범위로부터 벗어나지 않는 범위 내에서, 제1구성요소는 제2구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2구성요소는 제1구성요소로도 명명될 수 있다.
어떠한 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다거나 "접속되어" 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떠한 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어" 있다거나 또는 "직접 접촉되어" 있다고 언급된 때에는, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다. 구성요소들 간의 관계를 설명하기 위한 다른 표현들, 즉 "~사이에"와 "바로 ~사이에" 또는 "~에 인접하는"과 "~에 직접 인접하는" 등의 표현도 마찬가지로 해석되어야 한다.
명세서 전체에 걸쳐서 동일한 참조번호들은 동일한 구성요소들을 나타낸다. 본 명세서에서 사용된 용어는 실시 예들을 설명하기 위한 것이며, 본 발명을 제한하고자 하는 것은 아니다. 본 명세서에서 단수형은 문구에서 특별히 언급되지 않는 한 복수형도 포함된다. 명세서에서 사용되는 "포함한다(comprises)" 및/또는 "포함하는(comprising)"은 언급된 구성요소, 단계, 동작 및/또는 소자가 하나 이상의 다른 구성요소, 단계, 동작 및/또는 소자의 존재 또는 추가를 배제하지 않는다.
본 발명은 다단 변속기가 부재한 전기자동차에서 다단 변속기가 장착된 내연기관 자동차에서와 같은 변속감을 생성 및 구현할 수 있는 차량의 가상 변속감 구현 장치 및 방법을 제공하고자 하는 것이다. 이를 위해 본 발명의 가상 변속감 구현 장치 및 방법은 전기자동차에서 디스커넥터를 이용하여 내연기관 자동차에서의 변속감을 모사한 가상 변속감을 제공하도록 구성된다.
이하에서는 본 발명의 이해를 돕기 위하여 디스커넥터에 대해 먼저 설명하기로 한다.
최근 전륜과 후륜에 각각 독립적인 구동장치를 적용한 4륜 구동(4 Wheel Drive, 4WD 또는 All Wheel Drive, AWD) 전기자동차가 개발되고 있다. 4륜 구동 전기자동차에서 전륜과 후륜의 구동장치는 운전 조건에 따라 독립적으로 구동되거나 함께 구동될 수 있다. 또한, 전륜과 후륜의 구동장치가 모두 배터리 전력으로 작동하는 모터일 수 있고, 이때 4륜 구동 차량은 전륜 및 후륜의 독립 구동모터, 즉 전륜 구동모터와 후륜 구동모터를 탑재한 전기자동차가 된다.
통상의 4륜 구동 전기자동차는 전륜과 후륜 중 어느 한 축만으로 주행하는 2륜 구동(2 Wheel Drive, 2WD)을 기본적인 구동으로 실행하고, 구동력이 부족하게 될 경우 휴지 상태에 있는 나머지 다른 한 축을 추가로 더 활용하는 4륜 구동(4WD)을 실행한다.
도 1은 전륜 구동모터 및 후륜 구동모터, 디스커넥터가 장착된 4륜 구동(4WD) 전기자동차를 예시한 도면으로서, 본 발명의 가상 구현 장치와 방법이 적용 가능한 전기자동차의 예를 나타내고 있다. 도 2는 도 1에 예시된 4륜 구동 전기자동차에서 보조 구동륜(전륜)(1)측 파워트레인의 구성과 부품 배치 상태를 좀 더 구체적으로 나타낸 도면이다.
도 1을 참조하면, 4륜 구동 전기자동차에 전륜(1)을 구동하기 위한 전륜 구동모터(2)(이하 '전륜 모터'라 함)와 후륜(7)을 구동하기 위한 후륜 구동모터(8)(이하 '후륜 모터'라 함)가 탑재됨을 볼 수 있다. 전술한 바와 같이, 4륜 구동 전기자동차는 4륜 구동(4WD)과 2륜 구동(2WD) 중 어느 하나의 모드로 주행할 수 있고, 2륜 구동시 사용하지 않는 구동모터와 구동륜이 정해져 있다.
전, 후륜 독립 구동모터(2,8)를 탑재한 4륜 구동 전기자동차에서, 2륜 구동시 사용하는 구동륜을 '주 구동륜'이라 하고, 2륜 구동시 사용하지 않는 구동륜을 '보조 구동륜'이라 한다면, 주행 중 보조 구동륜의 미사용시에는(즉, 2WD로 주행시에는) 보조 구동륜(1)으로부터 감속기(3)에 역구동력이 전달되면서 드래그 손실(drag loss)이 발생할 수 있다. 따라서, 2륜 구동시 보조 구동륜(1)으로부터 전달되는 역구동력을 차단하여 드래그 손실을 방지하여야 하는데, 이를 위해 보조 구동륜(1)의 차축(5)에 디스커넥터(disconnecter)(6)를 설치할 수 있다.
이하의 설명에서 차량의 전륜 모터와 후륜 모터 중 주 구동륜(7)에 상시 동력 전달 가능하게 연결된 모터(8)를 '주 구동륜 모터'(또는 '제1 모터')라 칭하고, 차량의 전륜 모터와 후륜 모터 중 디스커넥터(6)를 통해 보조 구동륜(1)에 동력 전달이 선택적으로 단속(斷續)될 수 있게 연결된 모터(2)를 '보조 구동륜 모터'(또는 '제2 모터')라 칭하기로 한다.
디스커넥터(6)는 도 2에 나타낸 바와 같이 보조 구동륜(1)의 차축(5)에 구비되어 보조 구동륜(1)과 보조 구동륜 모터(2)를 동력 전달이 가능하게 연결하거나 동력 전달이 불가하게 분리시키는 장치이다. 이러한 디스커넥터(6)가 설치된 차량에서 4륜 구동시에는 차축(5)에 설치된 디스커넥터(6)가 동력 전달 가능하도록 체결(engage)되고, 2륜 구동시에는 디스커넥터(6)가 차축(5)에서 동력을 차단하도록 해제(분리, disengage)된다.
도 1은 전륜 디스커넥터가 장착된 전기자동차를 예시한 것으로, 예시된 차량에서 전륜(1)이 보조 구동륜이고, 보조 구동륜인 전륜(1)과 전륜 구동계 부품 사이, 더 구체적으로 도 2에 나타낸 바와 같이 전륜(1)과 디퍼렌셜(4) 사이의 차축(5)에 동력을 끊거나 연결하는 전륜 디스커넥터(6)가 구비되고 있다
전륜 디스커넥터(6)가 구비된 차량에서 전륜 디스커넥터(6)가 체결된 상태이면 차량은 4륜 구동 상태로 주행할 수 있고, 전륜 디스커넥터(6)가 해제된 상태이면 차량이 후륜 구동 상태로 주행할 수 있다. 이와 같이 디스커넥터(6)를 선택적으로 체결하거나 해제(분리)함으로써 차축(5)에서의 동력 전달을 단속할 수 있고, 이때 디스커넥터(6)가 보조 구동륜(1)과 감속기(3) 등 구동계 부품 사이를 동력 전달 가능하게 연결하거나 차단할 수 있다. 여기서, 구동계 부품은 차량 구동을 위해 구동력을 생성하거나 전달하는 부품들을 의미한다. 이러한 디스커넥터(6)는 도그 클러치로 구현될 수 있다.
도 2를 참조하면, 구동모터(보조 구동륜 모터임)(2)와 감속기(3), 디퍼렌셜(4) 등의 구동계 부품과 디스커넥터(6), 차륜(1)의 연결 및 배치 상태를 볼 수 있고, 여기서 차륜(1)은 보조 구동륜으로서 도 1의 차량에서 전륜이 될 수 있다. 전기자동차에서 구동모터(2)는 주행시 높은 속도로 구동되는데, 구동모터(2)에 연결된 감속기(3)에 의해 구동모터(2)의 속도가 차량 주행에 적당한 속도로 감속되고, 감속기(3)에서 감속된 회전력이 디퍼렌셜(4)을 통해 차축(5)에 전달됨으로써 차량이 주행하게 된다.
4륜 구동시 보조 구동륜 모터(2)(도 1의 예에서 전륜 모터임)의 회전력을 감속기(3) 및 디퍼렌셜(4)을 통해 디스커넥터(6)의 입력축이 전달받게 되고, 디스커넥터(6)의 체결 상태에서 디스커넥터(6)의 출력축은 입력축으로 전달된 회전력을 보조 구동륜(1)으로 전달하게 된다. 보조 구동륜 모터(2)를 구동하지 않는 2륜 구동시에는, 보조 구동륜(1)으로부터 감속기(3)에 역구동력이 전달되어 드래그 손실이 발생하는 것을 방지하기 위해, 감속기(3) 및 디퍼렌셜(4) 등 구동계 부품과 보조 구동륜(1) 사이의 동력 전달을 차단하도록 디스커넥터(6)가 해제 작동된다.
도 3은 디스커넥터의 구성을 예시한 도면이다. 도시된 바와 같이, 디스커넥터(6)는, 입력축에 일체로 회전하도록 구비된 샤프트 기어(11), 출력축에 일체로 회전하도록 구비된 허브(12), 그리고 상기 허브(12)에 일체로 회전 가능하면서 축 방향 슬라이드 이동 가능하게 결합되어 있는 슬리브(13)를 포함한다. 여기서, 샤프트 기어(11)는 외주면에 축 방향을 따라 길게 형성된 치들을 가지는 스플라인(spline) 형태의 기어일 수 있고, 허브(12) 또한 외주면에 축 방향을 따라 길게 형성된 치들을 가지는 스플라인 형태의 기어일 수 있다.
이때, 슬리브(13)는 그 내주면에 축 방향을 따라 길게 형성된 치들을 가지며, 슬리브(13)가 내측으로 위치되는 샤프트 기어(11) 및 허브(12)와 스플라인 결합하도록 되어 있다. 슬리브(13)는 허브(12)와는 상시 치합된 상태로 일체로 회전되고, 허브(12)에서 축 방향으로 슬라이드 이동되어 이동된 방향 및 위치에 따라 샤프트 기어(11)와는 선택적으로 치합 또는 분리된 상태가 될 수 있다.
이와 함께, 디스커넥터(6)는, 도 3에 나타낸 바와 같이, 슬리브(13)를 허브(12)에서 축 방향으로 슬라이드 이동시키는 구동기구(14)를 더 포함하고, 슬리브(13)가 구동기구(14)에 의해 슬라이드 이동될 때 샤프트 기어(11)와 치합되거나 분리된다.
구동기구(14)의 구성에 대해서는, 통상의 기술자에게 알려진 공지의 기술 사항이므로 도면에 상세히 예시하지는 않았으나, 일례로 디스커넥터 모터(15)의 회전력을 미도시된 스크류 및 이에 나사 체결된 전후진 요소 등을 통해 직진 이동력으로 변환하여 포크(16)를 전후진 이동시킴으로써 이 포크(16)에 결합된 슬리브(13)를 축 방향으로 슬라이드 이동시키는 구성이 될 수 있다.
이러한 디스커넥터(6)의 체결 및 해제 작동은 제어기(도 4에서 도면부호 '30'임)가 센서 신호를 입력받아 센서 신호에 기초하여 디스커넥터 모터(15)의 구동을 제어함으로써 실시될 수 있다. 여기서, 센서로는 디스커넥터 모터(15)에 설치된 홀 센서(hall sensor)(도 4에서 도면부호 '23'임)가 이용될 수 있다. 상기 홀 센서는 디스커넥터 모터(15)의 회전상태를 감지하는 센서로서, 제어기가 디스커넥터 이동 부품의 직선 이동 거리와 이동 위치, 이동 속도를 계산할 수 있도록 해주는 계측 장치이다.
제어기는 홀 센서의 신호로부터 디스커넥터 모터(15)에 의해 이동되는 부품의 직선 이동 거리와 이동 위치(스트로크 위치), 이동 속도(스트로크 속도)를 실시간 정보로 취득할 수 있게 되며, 여기서 이동 부품은 일체로 움직이는 슬리브(13)와 포크(16)가 된다. 제어기는 센서 신호에 기초하여 디스커넥터 모터(15)의 구동을 제어하며, 디스커넥터 모터(15)의 구동을 제어하기 위해 디스커넥터 모터에 인가되는 전류를 제어하게 된다.
이와 같은 구성의 디스커넥터 시스템에서, 디스커넥터(6)의 체결 및 해제를 위해 디스커넥터 모터(15)에 의해 축 방향으로 이동되는 부품의 직선 이동 거리, 즉 스트로크 위치를 제어한다. 상세하게는, 제어기가 디스커넥터 모터(15)의 구동을 제어하여 스트로크 위치를 제어하는데, 제어기는 디스커넥터 모터(15) 측에 장착된 홀 센서의 신호를 이용하여 축 방향으로 직선 이동되는 부품의 스트로크 위치를 파악하여 제어한다.
또한, 디스커넥터 시스템에서, 샤프트 기어(11)와 허브(12)가 완전히 분리되면 디스커넥터(6)는 동력 단절 상태가 되고, 이후 제어기에 의해 디스커넥터(6)의 체결이 이루어지는 동안 보킹(baulking) 상태를 거치게 된다. 디스커넥터(6)의 보킹 상태는 슬리브(13)의 치와 샤프트 기어(11)의 치 사이가 서로 맞물리지 않고 맞닿은 미체결 상태이며, 이 상태에서는 디스커넥터 양단의 속도 차이로 인해 치와 치 사이의 슬립 및 마찰이 발생한다. 이와 같이 슬리브(13)가 허브(12)에서 축 방향으로 슬라이드 이동하여 슬리브(13)의 치와 샤프트 기어(11)의 치가 처음 접촉하는 위치를, 통상 미트 포지션(meet position) 또는 보킹 포지션(baulking posiion)이라 정의하고 있다.
통상의 디스커넥터 시스템에서는, 디스커넥터(6)의 체결 요청이 있게 되면, 제어기가 디스커넥터의 체결을 위해 디스커넥터 모터(15)의 제어를 시작하고, 이어 미트 포지션에 도달할 때까지는 홀 센서에 의해 검출되는 스트로크 위치를 기초로 디스커넥터 모터(15)의 구동을 제어하는 위치 제어를 실시한다.
또한, 미트 포지션에 도달한 시점부터는 전류 제어를 통해 디스커넥터 모터(15)의 구동을 제어한다. 여기서, 전류 제어는 디스커넥터 모터(15)에 인가되는 전류를 제어하는 것을 의미하고, 체결 과정 중 미트 포지션에서 디스커넥터 모터(15)에 인가되는 전류를 제어하여 슬리브(13)를 이동시키는 전류 제어를 실시한다. 이러한 전류 제어는 힘 제어와 같은 의미이고, 디스커넥터 모터(15)에 인가되는 전류 값을 크게 할수록 디스커넥터 모터(15)의 힘과 속도(슬리브가 이동하는 힘 및 그 속도)가 증가하게 된다.
한편, 디스커넥터 모터에 의해 축 방향으로 이동되는 이동 부품, 즉 슬리브(13)의 이동 속도(스트로크 속도)가 빨라 포지션(스트로크 위치)이 빠르게 변화하면 소음과 충격이 크게 발생할 수 있다. 이와 같이 디스커넥터 시스템을 적용한 전기자동차는 디스커넥터의 체결시나 해제시 발생하는 충격과 소음을 저감해야 하는 과제를 안고 있다.
예를 들어, 디스커넥터의 체결이 이루어지는 동안 체결 충격이 발생하는데, 디스커넥터의 기어 부품들(슬리브 및 샤프트 기어)의 치가 서로 접촉하는 미트 포지션(보킹 포지션)에서 체결 충격이 발생할 수 있다. 이러한 디스커넥터에서의 충격은 디스커넥터의 체결시뿐만 아니라 디스커넥터의 해제시에도 발생한다.
본 발명에서는 상기와 같은 디스커넥터의 체결시 및 해제시의 충격을 가상 변속감을 구현하는데 이용한다. 또한, 본 발명에서는 전기자동차에서 가상 변속감을 구현하기 위해 미리 설정된 변속 패턴 맵(변속 스케쥴 맵)을 이용한다. 본 발명에서 가상 변속감은 내연기관 자동차에서의 실제 변속감, 즉 변속 시점에서 발생하는 차량 가속도의 급격하고 순간적인 변동 및 변속 충격을 모사한 가상의 변속감이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 가상 변속감 구현 장치의 구성을 나타내는 블록도이고, 도 5 내지 8은 본 발명의 실시예에서 가상 변속감 생성을 위한 변속 패턴 맵의 여러 예를 나타내는 도면이다. 도 8에는 디스커넥터의 체결 또는 해제에 따른 가상 변속이 이루어지는 시점을 함께 보여주고 있다.
도 4에 나타낸 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 가상 변속감 생성을 위한 장치는, 차량 운전 정보를 검출하는 운전정보 검출부(21), 차량 운전 정보를 기초로 변속 패턴 맵을 이용하여 가상 변속 시점을 결정하고 가상 변속 시점에서 가상 변속감 생성을 위한 제어신호를 출력하는 제어기(30), 및 제어기(30)의 제어신호에 따라 체결 또는 해제되면서 충격을 발생시켜 가상 변속감을 생성하는 디스커넥터(6)를 포함하여 구성된다.
운전정보 검출부(21)는, 도면으로 예시하지는 않았지만, 운전자의 가속페달 조작에 따른 가속페달 입력값을 검출하는 가속페달 검출부와, 차량의 주행 차속을 검출하는 차속 검출부를 포함할 수 있다. 여기서, 가속페달 검출부는 가속페달에 설치되어 운전자의 가속페달 조작 상태에 따른 전기적인 신호를 출력하는 통상의 가속페달 센서(Accelerator Position Sensor, APS)일 수 있다. 차속 검출부는 차량의 구동륜에 설치된 휠 속 센서를 포함하는 구성이 될 수 있다.
이에 더하여, 운전정보 검출부(21)는 차량에서 모터 토크 지령을 생성하는데 필요한 차량 운전 정보를 검출하는 검출 요소를 더 포함할 수 있다. 예를 들어, 운전정보 검출부(21)는 운전자의 브레이크 페달 조작에 따른 브레이크 페달 입력값을 검출하는 브레이크 페달 검출부와, 모터의 회전속도(모터 속도)를 검출하는 모터 속도 검출부를 더 포함할 수 있다. 여기서, 브레이크 페달 검출부는 브레이크 페달에 설치되어 운전자의 브레이크 페달 조작 상태에 따른 전기적인 신호를 출력하는 통상의 브레이크 페달 센서(Brake Pedal Sensor, BPS)일 수 있다. 모터 속도 검출부는 전륜 모터(2)와 후륜 모터(8)에 설치된 공지의 레졸버일 수 있다.
한편, 제어기(30)는 가상 변속감을 생성하기 위한 제어뿐만 아니라, 차량 운전 정보로부터 모터 토크 지령을 생성한 뒤 상기 생성된 모터 토크 지령에 따라 전륜 모터(2)와 후륜 모터(8)가 작동되도록 하는 제어를 수행하는 것이 될 수 있다. 전기자동차에서 제어기(30)가 차량 운전 정보를 기초로 모터 토크 지령을 생성하는 것에 대해서는 공지의 기술이므로 본 명세서에서 상세한 설명을 생략하기로 한다.
이러한 제어기(30)는 도 4에 나타낸 바와 같이 통합된 하나의 제어요소일 수도 있으나, 차량에서 제어 대상이나 기능에 따라 구분되어 차량 구동을 위한 모터(2,8)와 디스커넥터(6)의 작동, 나아가 후술하는 표시장치(41) 및 음향장치(42)의 작동을 제어하는 복수 개의 제어기들을 의미하는 것일 수도 있다.
도 4에 나타낸 실시예의 구성에서, 제어기(30)는 운전정보 검출부(21)에 의해 검출되는 차량 운전 정보를 기초로 변속 패턴 맵을 이용하여 가상 변속 시점과 함께 가상 목표 변속단을 결정하도록 구비될 수 있다. 또한, 제어기(30)는 상기 결정된 가상 변속 시점에서 가상 변속감 생성을 위한 제어신호를 생성 및 출력한다.
또한, 제어기(30)는 제어신호에 따라 디스커넥터(6)의 체결 또는 해제 작동이 이루어지고 나면 상기 결정된 가상 목표 변속단이 차량 내 표시장치(41)에서 현재의 가상 변속단으로 표시되도록 할 수 있다. 또한, 제어기(30)는 모터 토크 지령을 기초로 가상 엔진음과 같은 가상 사운드를 전기자동차에서 생성 및 출력하도록 음향장치(42)의 작동을 제어할 수 있다.
도 4에서 홀 센서(23)는 디스커넥터 모터(15)에 설치될 수 있는 것으로, 전술한 바와 같이 디스커넥터 모터(15)의 회전상태를 감지하는 센서이며, 제어기(30)가 디스커넥터 이동 부품의 직선 이동 거리와 이동 위치, 이동 속도를 계산할 수 있도록 하는 계측 장치이다. 제어기(30)는 홀 센서(23)의 신호로부터 디스커넥터 모터(15)에 의해 이동되는 부품(슬리브와 포크 등)의 직선 이동 거리와 이동 위치(스트로크 위치), 이동 속도(스트로크 속도)를 실시간 정보로 취득할 수 있게 된다. 제어기(30)는 홀 센서(23)의 신호에 기초하여 디스커넥터 모터(15)의 구동을 제어하며, 디스커넥터 모터(15)의 구동을 제어하기 위해 디스커넥터 모터에 인가되는 전류를 제어하게 된다.
본 발명의 실시예에서, 가상 변속감 구현 장치는, 운전자가 내연기관 모드의 온(on)과 오프(off) 중 하나를 선택하여 입력할 때 이용하는 인터페이스부(22)를 더 포함할 수 있다. 인터페이스부(22)로는 운전자가 차량에서 내연기관 모드의 온(on)과 오프(off)를 선택 및 조작할 수 있는 수단이라면 사용 가능하며, 예로서 차량에 구비되는 버튼이나 스위치 등의 조작 장치, 그 밖에 ANV(Audio, Video, Navigation) 시스템의 입력 장치나 터치 스크린 등이 될 수 있다.
인터페이스부(22)는 제어기(30)에 연결된다. 이에 운전자의 온 또는 오프 조작이 있게 되면, 인터페이스부(22)로부터 온 조작 신호 또는 오프 조작 신호가 제어기(30)에 입력될 수 있게 된다. 이에 제어기(30)가 운전자에 의한 내연기관 모드의 온, 오프 조작 상태를 인식할 수 있게 된다. 본 발명에서 차량 주행 동안 가상 변속감을 생성 및 구현하는 가상 변속 기능은 운전자가 인터페이스부(22)를 통해 내연기관 모드의 온(on)을 선택 및 입력한 경우에만 실행된다.
본 발명의 실시예에서, 제어기(30)는 차량 운전 정보 중 차속과 함께 운전자의 가속페달 입력값(APS 값)이나 차량의 구동력을 생성하기 위한 모터 토크 지령에 따라 변속 패턴 맵으로부터 가상 변속 시점과 가상 목표 변속단을 결정하도록 구비될 수 있다. 이를 위해 제어기(30)에는 차속과 가속페달 입력값 또는 모터 토크 지령에 따라 변속 시점과 변속 목표단이 설정되어 있는 변속 패턴 맵이 미리 입력 및 저장되어 이용된다.
도 5 내지 도 8은 본 발명의 실시예에서 적용 가능한 변속 패턴 맵의 여러 예를 보여주고 있다. 본 발명의 실시예에서, 다단 변속기를 탑재한 내연기관 자동차에서 사용하는 것과 유사한 변속 패턴 맵이 이용될 수 있고, 이는 도 5에 나타낸 바와 같다. 도 5의 예에서는 운전자의 가속페달 입력값(APS 값)과 차속으로부터 가상 변속 시점과 가상 목표 변속단을 결정하도록 되어 있다.
그 밖에, 도 6 및 도 7에 예시된 변속 패턴 맵이 이용될 수 있으며, 도 6 및 도 7에서 종축(Y축)은 모터 토크(모터 토크 지령), 횡축(X축)은 차속이 될 수 있다. 도 8에서 WOT(Wide Open Throttle)는 운전자가 가속페달을 최대로 밟은 상태를 의미한다. 도 8의 예에서는 가속페달의 답력을 기준으로 MTI(Middle Tip In)와 LTI(Light Tip In)을 구분하여 모터 토크와 차속에 따른 가상 MTI 상향 변속과 가상 LTI 상향 변속이 이루어지는 시점을 나타내고 있다.
본 발명에서는 제어기(30)가 운전자의 가속페달 입력값(APS 값) 또는 모터 토크(지령 값일 수 있음)와 차속을 기초로 미리 설정된 변속 패턴 맵을 이용하여 가상 변속 시점을 결정한 뒤, 가상 변속 시점에서 디스커넥터(6)를 체결 또는 해제 제어하여 디스커넥터에 의한 충격이 발생하도록 한다. 이와 같이 디스커넥터에 의해 충격이 발생하게 되면, 차량 가속도의 급격하고 순간적인 변동 및 변속 충격을 모사한 가상의 변속감이 차량에서 생성될 수 있게 된다.
도 9는 디스커넥터의 보킹 상태를 설명하는 도면으로, 본 발명의 실시예에서, 차량의 가상 변속감이 생성되도록 하기 위해 디스커넥터 체결 과정 동안의 보킹을 이용할 수 있다. 예컨대, 디스커넥터(6)의 체결 과정에서, 디스커넥터의 이동 부품이 미트 포지션에 도달하면, 제어기(30)는 전류 제어를 통해 디스커넥터 모터(15)의 구동을 제어한다. 여기서, 전류 제어는 디스커넥터 모터(15)에 인가되는 전류를 제어하는 것을 의미한다.
디스커넥터(6)의 체결 과정 중 미트 포지션에서 디스커넥터 모터(15)에 인가되는 전류를 제어하여 슬리브(13)를 이동시킴으로써 도 9와 같은 보킹 상태를 발생시키는데, 슬리브(13)의 치와 샤프트 기어(11)의 치 사이가 서로 접촉하도록 하여 양측 사이에 충격이 발생하도록 한다. 이와 같이 본 발명에서는 제어기(30)가 전류 제어를 통해 보킹 토크를 발생시키고, 이 보킹 토크에 의해 발생하는 디스커넥터(6)의 보킹 현상을 이용하여 가상 변속감을 생성할 수 있게 된다. 즉, 디스커넥터(6)의 제어를 인위적으로 조절하여 쇼크(shock) 및 저크(jerk)를 생성함으로서 가상 변속감을 구현하는 것이다.
도 10은 본 발명에서 디스커넥터를 이용하여 가상 변속감을 생성한 상태를 예시한 도면이고, 도 11은 차량이 기존의 일반 EV 주행 모드로 주행할 때의 상태를 예시한 도면이다. 도 10 및 도 11에서 스트로크는 페달 스트로크, 즉 가속페달 스트로크를 의미하는 것으로, 이는 가속페달 입력값(APS 값)을 의미한다. 도 11과 비교하여 보면, 도 10의 예에서는 디스커넥터의 체결 충격으로 가상 변속감이 생성되고 있음을 볼 수 있다. 디스커넥터의 체결 충격으로 인해 차량 가속도의 급격하고 순간적인 변동이 나타나고 있으며, 이때의 변동에 의해 변속 충격을 모사한 가상 변속감이 구현될 수 있게 된다.
도 12는 본 발명에 따른 가상 변속감 구현 과정을 나타내는 순서도이다. 이를 참조로 가상 변속감 구현 과정을 다시 설명하면, 차량이 일반 주행 모드로 주행하는 동안(S1), 운전자가 인터페이스부(22)의 스위치 등을 조작하여 내연기관 모드를 온(on) 시키는 경우, 제어기(30)가 온 조작 신호를 입력받아 내연기관 모드가 온 조작되었음을 인지하게 된다(S2). 이후, 제어기(30)는 변속 패턴 맵에 따른 가상 변속 시점에서, 즉 설정된 토크(또는 APS 값)와 차속 조건에서 디스커넥터(6)의 체결 또는 해제 제어를 시작한다(S3).
이때, 제어기(30)는 전류 제어를 통해 디스커넥터(6)의 체결 동안 디스커넥터에서 보킹이 발생되도록 한다. 전술한 바와 같이, 디스커넥터 모터(15)에 인가되는 전류를 제어하면 보킹 토크의 생성 및 제어가 가능하고, 이를 통해 순간적이고 급격하게 변동하는 차량 가속도 프로파일을 생성하여 가상 변속감의 생성이 가능하다(S4). 또한, 가상 변속감을 생성하는 것과 더불어, 가상 변속단을 표시장치(41)를 통해 표시할 수 있고, 가상 사운드를 음향장치(42)를 통해 출력할 수 있다(S5).
이와 같이 하여, 본 발명에서는 변속기가 부재한 전기자동차에서 디스커넥터를 이용하여 내연기관 자동차에서와 같은 변속감을 가상으로 제공할 수 있다. 결국, 전기자동차의 운전자로 하여금 다단 변속기가 장착된 내연기관 자동차에서와 같은 운전 감성과 재미, 박진감, 직결감 등을 느끼도록 할 수 있다.
또한, 전기자동차에서 운전자가 내연기관 모드를 선택한 경우 내연기관 자동차에서와 같은 가상 변속감을 가상 엔진음 등의 가상 사운드에 연동시켜 제공할 수 있고, 이를 통해 스포티하고 절도감 있는 변속 감성과 더욱 실감나는 주행 가속감을 운전자에게 제공할 수 있다.
또한, 변속시 가상 변속단이 차량의 클러스터나 AVN 시스템 등의 표시장치를 통해 표시될 수 있도록 함으로써 변속감 효과를 극대화하는 것이 가능하다.
이상으로 본 발명의 실시예에 대하여 상세하게 설명하였지만, 본 발명의 권리범위가 이에 한정되는 것은 아니며, 다음의 특허청구범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당 업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 발명의 권리범위에 포함된다.
1 : 전륜(보조 구동륜) 2 : 전륜 모터(보조 구동륜 모터)
3 : 감속기 4 : 디퍼렌셜
5 : 차축 6 : 디스커넥터
7 : 후륜(주 구동륜) 8 : 후륜 모터(주 구동륜 모터)
11 : 샤프트 기어 12 : 허브
13 : 슬리브 14 : 구동기구
15 : 디스커넥터 모터 16 : 포크
21 : 운전정보 검출부 22 : 인터페이스부
23 : 홀 센서 30 : 제어기
41 : 표시장치 42 : 음향장치

Claims (10)

  1. 전륜을 구동하기 위한 전륜 모터와 후륜을 구동하기 위한 후륜 모터를 구비한 전기자동차에서 주행 중인 차량의 운전 정보를 검출하기 위한 운전정보 검출부;
    상기 검출되는 차량의 운전 정보를 기초로 가상 변속 시점을 결정하고 상기 결정된 가상 변속 시점에 가상 변속감 생성을 위한 제어신호를 출력하는 제어기; 및
    상기 전륜과 후륜 중 하나의 보조 구동륜과 이 보조 구동륜을 구동하기 위한 모터 사이에 동력 전달을 단속하도록 구비되는 디스커넥터를 포함하고,
    상기 제어기가 출력하는 제어신호에 따라 디스커넥터가 체결 또는 해제 작동되어 상기 디스커넥터의 체결 또는 해제시에 발생하는 충격을 차량의 가상 변속감으로 제공하는 차량의 가상 변속감 구현 장치.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 차량의 운전 정보는,
    가속페달 검출부에 의해 검출되는 운전자의 가속페달 입력값과 차량의 구동력을 생성하기 위해 결정되는 모터 토크 지령 중 정해진 하나; 및
    차속 검출부에 의해 검출되는 차속을 포함하는 것을 특징으로 하는 차량의 가상 변속감 구현 장치.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 제어기는 상기 검출되는 차량의 운전 정보를 기초로 미리 설정된 변속 패턴 맵을 이용하여 가상 변속 시점을 결정하도록 구비되는 것을 특징으로 하는 차량의 가상 변속감 구현 장치.
  4. 청구항 3에 있어서,
    상기 제어기는,
    상기 검출되는 차량의 운전 정보를 기초로 변속 패턴 맵을 이용하여 목표 변속단을 결정하고,
    상기 디스커넥터의 체결 또는 해제 후 상기 결정된 목표 변속단을 차량 내 표시장치를 통해 현재의 가상 변속단으로 표시하도록 구비되는 것을 특징으로 하는 차량의 가상 변속감 구현 장치.
  5. 청구항 1에 있어서,
    운전자가 내연기관 모드를 온(on) 또는 오프(off) 조작할 수 있도록 구비된은 인터페이스부를 더 포함하고,
    상기 제어기는 운전자에 의해 내연기관 모드가 온 조작된 경우 상기 가상 변속감 생성을 위한 제어신호를 출력하도록 구비되는 것을 특징으로 하는 차량의 가상 변속감 구현 장치.
  6. 전륜을 구동하기 위한 전륜 모터와 후륜을 구동하기 위한 후륜 모터를 구비한 전기자동차에서 제어기에 의해 차량의 운전 정보가 수집되는 단계;
    상기 제어기에서 상기 검출되는 차량의 운전 정보를 기초로 가상 변속 시점이 결정되고 상기 결정된 가상 변속 시점에 가상 변속감 생성을 위한 제어신호가 출력되는 단계;
    상기 전륜과 후륜 중 하나의 보조 구동륜과 이 보조 구동륜을 구동하기 위한 모터 사이에 동력 전달을 단속하도록 구비된 디스커넥터가 상기 제어기가 출력하는 제어신호에 따라 체결 또는 해제 작동되어, 상기 디스커넥터의 체결 또는 해제시 발생하는 충격이 차량의 가상 변속감으로 제공되는 단계를 포함하는 차량의 가상 변속감 구현 방법.
  7. 청구항 6에 있어서,
    상기 차량의 운전 정보는,
    가속페달 검출부에 의해 검출되는 운전자의 가속페달 입력값과 차량의 구동력을 생성하기 위해 결정되는 모터 토크 지령 중 정해진 하나; 및
    차속 검출부에 의해 검출되는 차속을 포함하는 것을 특징으로 하는 차량의 가상 변속감 구현 방법.
  8. 청구항 6에 있어서,
    상기 제어기는 상기 검출되는 차량의 운전 정보를 기초로 미리 설정된 변속 패턴 맵을 이용하여 가상 변속 시점을 결정하는 것을 특징으로 하는 차량의 가상 변속감 구현 방법.
  9. 청구항 8에 있어서,
    상기 가상 변속감 생성을 위한 제어신호가 출력되는 단계에서, 상기 제어기는 상기 검출되는 차량의 운전 정보를 기초로 변속 패턴 맵을 이용하여 목표 변속단을 결정하고,
    상기 디스커넥터의 체결 또는 해제 후 상기 결정된 목표 변속단을 차량 내 표시장치를 통해 현재의 가상 변속단으로 표시하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 차량의 가상 변속감 구현 방법.
  10. 청구항 6에 있어서,
    운전자가 인터페이스부를 통해 내연기관 모드를 온(on) 조작하는 단계를 더 포함하고,
    상기 제어기는 운전자에 의해 내연기관 모드가 온 조작된 경우 상기 가상 변속감 생성을 위한 제어신호를 출력하도록 구비되는 것을 특징으로 하는 차량의 가상 변속감 구현 방법.
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