KR20230064338A - 차량의 구동력 제어 방법 - Google Patents

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오지원
어정수
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현대자동차주식회사
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Abstract

본 발명은 차량의 주행 제어 방법에 관한 것으로서, 차량의 선회 주행 시 타이어 수직하중 정보를 실시간으로 선 반영하여 차량의 구동력을 제어함으로써 롤 모션으로 인한 휠 슬립 반복 발생 및 휠 슬립 제어 성능 저하의 문제점을 개선할 수 있는 방법을 제공하는데 주된 목적이 있는 것이다. 상기한 목적을 달성하기 위해, 제어기에 의해, 차량 주행 중 취득되는 차량 운전 정보를 기초로 차량을 구동하는 구동장치를 위한 기본 토크 지령이 결정되는 단계; 상기 제어기에 의해, 차량에서 수집되는 정보를 기초로 차량 주행 중 좌측륜과 우측륜의 실시간 수직하중 정보가 취득되는 단계; 상기 제어기에 의해, 상기 결정된 기본 토크 지령과 상기 취득된 실시간 수직하중 정보로부터 좌측륜과 우측륜에 각각 토크를 인가하기 위한 최종의 차륜별 토크 지령이 결정되는 단계; 및 상기 제어기에 의해, 상기 최종의 차륜별 토크 지령에 따라 그에 상응하는 차륜별 토크가 좌측륜과 우측륜에 인가되도록 상기 구동장치를 포함하는 토크 벡터링 장치의 제어가 수행되는 단계를 포함하는 차량의 구동력 제어 방법이 개시된다.

Description

차량의 구동력 제어 방법{Method for controlling driving force of vehicle}
본 발명은 차량의 구동력 제어 방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 차량의 선회 주행 시 타이어 수직하중 정보를 실시간으로 선 반영하여 차량의 구동력을 제어함으로써 롤 모션으로 인한 휠 슬립 반복 발생 및 휠 슬립 제어 성능 저하의 문제점을 개선할 수 있는 방법에 관한 것이다.
최근 차량에 다양한 전자제어장치가 도입되고 있음에도 불구하고 차량의 거동은 최종적으로 노면 마찰력의 한계로 인해 제한된다. 이는 차량의 거동이 타이어를 통한 노면과의 마찰력을 통해 얻어지는 것이기 때문이다. 그러므로 마찰력을 얼마나 효과적으로 이용할 수 있는지의 여부가 차량의 거동을 결정하는 중요한 인자가 된다.
마찰력을 효과적으로 이용하기 위해서는 차륜의 구동력이 노면이 제공할 수 있는 마찰력을 초과하지 않도록 제어하는 것이 중요하다. 여기서, 노면이 제공할 수 있는 마찰력은 노면의 특성, 종/횡방향 타이어 슬립량, 타이어 수직하중 등에 의해 복합적인 영향을 받는데, 이중에서 가장 직접적으로 노면 마찰력을 결정하는 인자는 타이어 수직하중이라 할 수 있다.
통상적으로 타이어 슬립을 제한하기 위해 마찰력을 이용하는 방안으로서 ABS(Anti-lock Braking System) 및 TCS(Transaction Control System)와 같은 전자제어장치가 이용된다. 그러나, ABS 및 TCS의 제어 방식은 제어주기 딜레이나 오작동 방지를 위한 휠속 신호 처리 등의 문제로 인해 슬립 제어 성능을 효과적으로 발휘하지 못하는 단점이 있다.
최근 모터로 주행하는 전동화 차량의 휠 슬립 제어 전략의 동향에 따르면, 실제 차량 속도(차체 기준 속도) 및 휠속을 이용하기 보다는 모터의 빠른 거동 특성을 기반으로 모터의 토크와 속도를 이용하는 방법들이 다수 제시되고 있는 추세이다.
이러한 전략은 차량의 절대 속도나 기준 속도를 필요로 하지 않는 장점을 가지므로 e-4WD(Four Wheel Drive) 시스템에서 효과적일 수 있다. 그러나, 실시간으로 변화하는 차량에서의 롤 모션(roll motion) 및 이에 의해 변화하는 타이어 수직하중 정보를 선 반영하는 제어를 수행하지 않는다면, 피드백 제어의 한계로 인해 구동력 저감 제어가 필요한 상황이 반복적으로 발생하는 한계에 놓일 수 있다.
예를 들면, 차량의 선회 주행 시 전륜 구동력이 발생하면 롤(roll)이 발생하고 횡방향 하중이동이 발생한다. 즉, 차량의 선회 거동으로 인해 좌측륜 현가장치와 우측륜 현가장치 사이의 수축 또는 인장 정도 차이에 따른 롤이 발생하는 것이며, 동시에 차량에서의 횡방향 하중이동이 발생한다.
이에 차량 좌측륜과 우측륜에서 타이어 편슬립이 발생하고, 이때 TCS가 작동하여 구동력을 감소시키면 슬립 및 롤이 감소하여 내측륜 타이어의 수직하중이 다시 확보될 수 있다. 하지만, 구동력을 다시 증가시키면 롤 및 횡방향 하중이동이 다시 발생하여 타이어 편슬립이 다시 발생할 수 있다.
따라서, 본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 창출한 것으로서, 차량의 선회 주행 시 타이어 수직하중 정보를 실시간으로 선 반영하여 차량의 구동력을 제어함으로써 롤 모션으로 인한 휠 슬립 반복 발생 및 휠 슬립 제어 성능 저하의 문제점을 개선할 수 있는 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 실시예에 따르면, 제어기에 의해, 차량 주행 중 취득되는 차량 운전 정보를 기초로 차량을 구동하는 구동장치를 위한 기본 토크 지령이 결정되는 단계; 상기 제어기에 의해, 차량에서 수집되는 정보를 기초로 차량 주행 중 좌측륜과 우측륜의 실시간 수직하중 정보가 취득되는 단계; 상기 제어기에 의해, 상기 결정된 기본 토크 지령과 상기 취득된 실시간 수직하중 정보로부터 좌측륜과 우측륜에 각각 토크를 인가하기 위한 최종의 차륜별 토크 지령이 결정되는 단계; 및 상기 제어기에 의해, 상기 최종의 차륜별 토크 지령에 따라 그에 상응하는 차륜별 토크가 좌측륜과 우측륜에 인가되도록 상기 구동장치를 포함하는 토크 벡터링 장치의 제어가 수행되는 단계를 포함하는 차량의 구동력 제어 방법을 제공한다.
이로써, 본 발명에 따른 차량의 구동력 제어 방법에 의하면, 휠 슬립 발생 전에 실시간 횡방향 수직하중 변화를 고려한 토크 벡터링 제어를 실시함으로써 과도한 휠 슬립 현상을 방지할 수 있고, 타이어의 횡 접지력을 안정적으로 확보할 수 있다. 나아가, 실시간 수직하중 변화 및 롤 역학을 고려한 구동력 제어 방법을 통해 롤 댐핑 효과를 얻을 수 있다. 즉, 롤 오버슛(출렁거림)을 방지할 수 있는 것이다. 이러한 본 발명의 효과는 무게중심과 롤 중심 간 거리가 먼 SUV(Sports Utility Vehicle)에서 더 크게 나타난다.
도 1은 본 발명에 따른 구동력 제어를 수행하는 시스템의 구성을 나타낸 블록도이다.
도 2a와 도 2b는 본 발명의 실시예에 따른 구동력 제어 과정을 나타낸 순서도이다.
도 3은 본 발명에서 전달함수를 이용하여 수직하중과 롤각이 산출될 수 있음을 나타낸 도면이다.
도 4는 종래의 휠 슬립 제어 상태와 본 발명의 제어 상태를 비교하여 예시한 도면이다.
도 5는 본 발명에서 토크 상한값이 노면 최대마찰계수에 따라 조절되는 예를 나타낸 도면이다.
도 6은 차량 좌표 프레임 및 롤각을 나타낸 도면이다.
도 7은 본 발명에서 수직하중 정보에 따라 좌우 동력 분배비가 실시간으로 변화하는 상태를 예시한 도면이다.
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 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 한정되지는 않는다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소들과 구별하는 목적으로만, 예컨대 본 발명의 개념에 따른 권리 범위로부터 벗어나지 않는 범위 내에서, 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소는 제1 구성요소로도 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 실시예들을 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 차량의 구동력 제어 방법에 관한 것으로서, 차량의 선회 주행 시 타이어 수직하중 정보를 실시간으로 선 반영하여 차량의 구동력을 제어함으로써 롤 모션(roll motion)으로 인한 휠 슬립 반복 발생 및 휠 슬립 제어 성능 저하의 문제점을 개선할 수 있는 방법을 제공하고자 하는 것이다.
기존의 휠 슬립 억제를 위한 제어 방식은 휠 슬립이 이미 발생한 후에 구동력 보정을 실시하는 피드백 제어 방식이다. 그러나, 본 발명에서는 휠 슬립이 발생하기 전의 타이어 수직하중 정보, 또는 휠 슬립이 발생하기 전의 차량 롤 모션 정보와 타이어 수직하중 정보를 이용하며, 휠 슬립이 발생하기 전에 타이어 수직하중의 변화에 실시간으로 대응하기 위하여 구동력의 크기를 조절한다.
본 발명에서 롤 모션은 노면의 좌우 기울기로 인한 롤은 배제된 것일 수 있다. 즉, 이하의 설명에서 롤(roll)은 좌측륜 현가장치와 우측륜 현가장치 간 수축 또는 인장 정도의 차이로 인해 나타나는 현가 롤만을 고려한 것일 수 있고, 롤각은 좌측륜 현가장치와 우측륜 현가장치 간 수축 또는 인장 정도의 차이에 따른 현가 롤각일 수 있다.
현가 롤이 발생한 상태의 예를 들면, 좌측륜 현가장치와 우측륜 현가장치의 스트로크 차이가 발생하여, 좌측륜 현가장치가 우측륜 현가장치에 비해 더 리바운드(인장)된 상태이거나, 우측륜 현가장치가 좌측륜 현가장치에 비해 더 범프(수축)된 상태, 또는 우측륜 현가장치가 좌측륜 현가장치에 비해 더 리바운드(인장)된 상태, 또는 좌측륜 현가장치가 우측륜 현가장치에 비해 더 범프(수축)된 상태 등이 있다.
노면과 타이어 간 접지력의 한계를 결정하는 가장 직접적인 인자 중 하나가 타이어 수직하중이다. 타이어 수직하중이 증가할수록 가용 접지력이 증가하여 휠 슬립이 발생하기 어려우며, 타이어 수직하중이 감소할수록 가용 접지력 또한 감소하여 휠 슬립 발생에 취약한 상태가 된다.
타이어 수직하중이 변화하는 이유는 많으며, 그 중 차량에서 외란에 의한 것까지 모두 고려하여 구동력을 제어하기에는 어려움이 있다. 따라서, 외란에 의한 것은 제외하고 적어도 롤 모션으로 인하여 발생하는 타이어 수직하중의 변화는 구동력 제어에 있어 고려해 볼만하다.
차량이 선회하는 동안 차량에서 무게중심과 롤 중심 간의 차이로 인해 롤 모멘트가 발생하게 되고, 차량의 롤 모션이 가진된다. 이에 따라 현가장치와 차체의 역학적 특성에 의해 롤각이 발생하게 된다. 일반적으로 차량의 현가상 관성에 의해 차량의 선회방향과는 반대방향으로 롤각이 발생하여 차체가 기울어지게 되고, 이때 롤 모션이 발생함에 있어 차량의 현가장치는 수축과 인장을 하게 된다.
이때, 현가장치의 스프링 혹은 댐퍼의 변위가 발생하며, 이는 타이어 수직하중에 영향을 주게 된다. 즉, 차량에서 선회방향의 반대방향으로 횡방향 하중이동이 발생하여 선회 내측륜쪽 수직하중은 감소하고 선회 외측륜쪽 수직하중은 증가하게 된다.
이렇게 변화하는 타이어 수직하중은 롤 모션이 발생하는 것에 연동하여 접지력의 한계를 변화시키게 된다. 따라서, 이를 선 고려하여 구동력의 한계를 설정하고, 이에 따라 토크 벡터링 제어를 수행한다면 휠 슬립이 발생하기 전에 미리 토크 저감 조치를 실시할 수 있다.
추가적으로 횡방향 타이어 최대 접지력이 타이어 종방향 슬립량에 반비례하는 특성을 고려하였을 때, 휠 슬립 예방 효과로 인해 횡방향 안정성 또한 확보할 수 있다. 또한, 휠 슬립을 예방하는 효과로 인해 TCS 제어 개시 및 종료로 인한 롤각 변화량을 억제할 수 있기 때문에 롤 댐핑의 효과를 얻을 수 있다.
이하의 설명에서 차량의 내측륜은 좌측륜과 우측륜 중 하나, 외측륜은 좌측륜과 우측륜 중 나머지 다른 하나이고, 여기서 내측과 외측은, 차량의 선회방향과 상관 없이, 차량에서의 횡방향 하중이동을 고려하였을 때 좌측과 우측 중 수직하중(수직항력)이 더 큰 쪽 또는 수직하중이 증가하는 쪽을 외측으로, 좌측과 우측 중 수직하중의 최저측 혹은 수직하중이 감소하는 쪽을 내측으로 정의하기로 한다.
이하에서는 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 대해 상세히 설명한다.
도 1은 본 발명에 따른 제어를 수행하는 시스템의 구성을 나타내는 블록도로서, 차량의 구동력 제어를 수행하는 구성이 나타나 있다. 도 2a와 도 2b는 본 발명의 실시예에 따른 구동력 제어 과정을 나타낸 순서도이다.
본 발명에서 구동력은 차량을 구동하는 구동장치(40)에 의해 생성되는 힘으로서, 구동륜(70)의 타이어와 노면 사이에 작용하는 힘을 합산한 힘이라 할 수 있다. 즉, 구동력은 구동장치(40)에 의해 구동륜(70)에 생성되는 힘을 포함하는 것일 수 있고, 이 구동륜(70)에 생성되는 힘은 차량을 구동하는 구동장치(예, 모터)(40)에 의해 구동륜(70)에 인가되는 토크에 의한 것이라 할 수 있다.
예를 들어, 차량의 구동장치(40)가 모터라면, 구동륜(70)에 인가되는 토크는 모터가 구동 시 출력하는 구동 토크이거나 회생 시 모터에 의한 회생제동 토크이다. 이때, 상기 구동력은 모터가 구동 시 출력하는 토크에 의한 구동력뿐만 아니라 모터 회생 시의 회생제동력을 포함하는 개념의 구동력이다.
또한, 구동력의 제어는 구동장치(40)의 토크를 제어하는 것에 의해 수행될 수 있고, 이때 토크는 구동륜(70)에 인가되는 토크로서 모터에 의한 구동 토크와 모터에 의한 회생제동 토크를 모두 의미하는 것이다. 또한, 이하의 설명에서 '토크'와 '토크 지령'은 '구동력'과 '구동력 지령'으로 대체 가능하다.
그리고, 본 발명에 따른 구동력의 제어 방법에서는 차량에서 토크 벡터링을 구현하는 장치, 즉 토크 벡터링 장치가 이용된다. 이때, 본 발명에 따른 구동력의 제어는 토크 벡터링 장치를 이용하여 각각 좌측륜과 우측륜에 인가되는 구동력(회생제동력을 포함하는 것임)을 개별 제어하는 것이라 할 수 있다. 또한, 본 발명에 따른 구동력의 제어는 토크 벡터링 장치를 이용하여 좌측륜과 우측륜에 대한 구동력 분배를 위한 제어를 포함하는 것이라 할 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 구동력의 제어가 적용되는 차량은 토크 벡터링 제어가 수행될 수 있는 차량으로서, 토크 벡터링 장치를 탑재한 차량이다. 여기서, 토크 벡터링 장치는 좌측륜과 우측륜에 인가 내지 분배되는 구동력을 제어할 수 있는 구성을 가지는 것이라면 특별하게 한정하지 않는다.
예컨대, 토크 벡터링 장치는 좌측륜과 우측륜을 독립적으로 구동할 수 있는 차량의 파워트레인 시스템일 수 있고, 구체적으로 좌측륜과 우측륜을 각각 개별로 구동할 수 있는 차륜별 모터를 포함하는 것일 수 있다. 여기서, 모터는 좌측륜과 우측륜에 대해 각각 개별로 장착된 인휠(in-wheel) 모터 또는 인허브(in-hub) 모터일 수 있다. 그 밖에 토크 벡터링 장치는 좌측륜을 구동하기 위한 모터와, 우측륜을 구동하기 위한 모터를 포함하는 듀얼 모터 시스템일 수 있고, 이때 각 모터와 차륜 사이에 동력전달기구인 감속기가 배치될 수 있다.
또는, 본 발명에서 토크 벡터링 장치는 하나의 구동장치 및, 이 구동장치에 의한 토크를 제어로직에서 주행 상황에 따라 결정되는 동력 분배비로 좌측륜과 우측륜에 분배 및 전달할 수 있는 동력 분배 장치(60)를 포함하는 것일 수 있다. 여기서, 구동장치는 엔진 또는 모터일 수 있다. 또한, 본 발명에서 구동력은 전술한 바와 같이 모터로 주행하는 전동화 차량인 경우 회생제동력을 포함하는 의미임을 이해해야 한다.
위에서 토크 벡터링 제어가 수행되는 차륜(구동륜)을 좌측륜과 우측륜으로 구분하여 설명하였으나, 차량의 선회 주행 시 좌측륜과 우측륜 중 하나가 내측륜이 되고 나머지 하나가 외측륜이 됨은 통상의 기술자라면 이해할 수 있을 것이다. 본 발명에서 차량의 선회 주행 시 토크 벡터링은 내측륜과 외측륜에 인가되는 구동력을 개별 제어하는 것이라 할 수 있다.
그리고, 본 발명에서 구동력 제어를 수행하는 장치는, 차량 주행 중 취득되는 차량 운전 정보로부터 기본 토크 지령을 결정하는 제1 제어기(20), 상기 제1 제어기(20)에서 수신되는 최종 토크 지령에 따라 구동장치(40)의 작동을 제어하는 제2 제어기(30), 및 차량을 구동하는 구동원으로서 상기 제2 제어기(30)에 의해 작동(토크 생성)이 제어되는 구동장치(40)를 포함한다.
상기 제1 제어기(20)는 차량 운전 정보로부터 실시간 기본 토크 지령을 결정하고, 이어 기 설정된 토크 벡터링 제어로직에 의해 결정된 동력 분배비를 이용하여 상기 결정된 기본 토크 지령로부터 좌측륜과 우측륜(내측륜과 외측륜)의 토크 지령을 실시간으로 결정한다.
이와 별도로 상기 제1 제어기(20)는 차량에서 수집되는 정보를 기초로 차량 주행 중 좌측륜과 우측륜의 실시간 수직하중 정보를 취득하고, 상기 취득되는 실시간 수직하중 정보로부터 차륜별 실시간 토크 상한값, 즉 좌측륜과 우측륜의 토크 상한값을 산출한다.
또한, 상기 제1 제어기(20)는 상기 결정된 좌측륜과 우측륜의 토크 지령과 상기 산출된 차륜(구동륜)별 토크 상한값을 비교하여, 상기 좌측륜과 우측륜의 토크 지령으로부터 해당 차륜의 토크 상한값을 초과하지 않도록 제한한 최종의 좌측륜 토크 지령과 우측륜 토크 지령을 결정한다. 이어 상기 제1 제어기(20)는 상기 결정된 최종의 좌측륜 토크 지령과 우측륜 토크 지령에 따라 좌측륜과 우측륜에 인가되는 토크가 제어될 수 있도록 토크 벡터링 장치를 제어한다.
이때, 구동장치(40)로서 차륜별 모터가 장착된 차량인 경우, 제1 제어기(20)가 상기 결정된 최종의 좌측륜 토크 지령과 우측륜 토크 지령을 제2 제어기(30)로 출력한다. 이에 제2 제어기(30)는 제1 제어기(20)에서 출력되는 최종의 좌측륜 토크 지령과 우측륜 토크 지령에 따라 구동장치(40)인 개별 모터를 제어하게 되고, 각 모터에 의해 인가되는 토크 및 회전력이 해당 차륜에 전달된다.
또는, 구동장치(40)로서 차륜별 모터가 장착된 차량에서, 제1 제어기(20)가 실시간 취득되는 좌측륜과 우측륜의 수직하중 정보 또는 실시간 취득되는 좌측륜과 우측륜의 토크 상한값으로부터 좌측륜과 우측륜의 동력 분배비를 결정하고, 상기 결정된 동력 분배비에 따라 기본 토크 지령으로부터 분배된 좌측륜 토크 지령과 우측륜 토크 지령을 결정하도록 설정될 수 있다.
이때, 제1 제어기(20)는 상기 결정된 좌측륜 토크 지령과 우측륜 토크 지령을 제2 제어기(30)로 출력하고, 제2 제어기(30)는 제1 제어기(20)에서 출력되는 좌측륜 토크 지령과 우측륜 토크 지령에 따라 구동장치(40)인 개별 모터를 제어하게 된다.
또는, 차량에 하나의 구동장치(40)가 장착된 차량인 경우, 제1 제어기(20)가 최종 토크 지령으로서 상기 기본 토크 지령을 제2 제어기(30)에 전달하고, 이에 제2 제어기(30)가 제1 제어기(20)로부터 수신된 최종 토크 지령에 따라 모터를 제어한다.
이때, 제1 제어기(20)는 제어로직에 의해 결정된 동력 분배비에 따라 좌측륜과 우측륜에 동력을 분배하는 동력 분배 장치(60)의 작동을 제어하여 상기 동력 분배비에 따라 분배된 구동장치의 토크가 좌측륜과 우측륜에 인가될 수 있도록 한다. 여기서 동력 분배비는 후술하는 바와 같이 좌측륜과 우측륜의 실시간 수직하중 정보를 기초로 하여 결정될 수 있다.
상기 제1 제어기(20)에서 기본 토크 지령은 차량의 주행 중 운전정보 검출부를 통해 취득되는 실시간 차량 운전 정보에 기초하여 결정 및 생성되는 것으로, 상기 운전정보 검출부는 센서(10)를 포함할 수 있고, 상기 차량 운전 정보는 센서(10)에 의해 검출되어 차량 네트워크를 통해 제1 제어기(20)에 입력되는 센서 검출 정보일 수 있다.
여기서, 차량 운전 정보를 검출하는 센서(10)는, 운전자의 가속페달 입력값을 검출하는 가속페달 센서(Accelerator Position Sensor, APS), 운전자의 브레이크 페달 입력값을 검출하는 브레이크 페달 센서(Brake pedal Position Sensor, BPS), 구동계 속도를 검출하는 센서, 및 차속을 검출하기 위한 센서를 포함할 수 있다.
상기 구동계 속도는 구동장치(40)의 회전속도이거나 구동륜(70)의 회전속도(휠속)일 수 있다. 여기서, 구동장치(40)는 엔진 또는 모터일 수 있고, 구동장치의 회전속도는 엔진의 회전속도(엔진 속도) 또는 모터의 회전속도(모터 속도)일 수 있다. 이때, 구동계 속도를 검출하는 센서는 엔진 속도 또는 모터 속도를 검출하는 센서일 수 있고, 이 중에서 모터 속도를 검출하는 센서는 모터의 회전자 위치를 검출하는 레졸버(resolver)일 수 있다. 또는, 구동계 속도를 검출하는 센서는 구동륜(70)의 회전속도(휠속)를 검출하는 휠속 센서일 수 있다.
그리고, 상기 차속을 검출하기 위한 센서 또한 휠속 센서일 수 있다. 이 휠속 센서의 신호로부터 차속 정보가 얻어지는 것은 당해 기술분야에서 잘 알려진 기술 사항이므로 그에 대한 상세한 설명은 생략하기로 한다.
이러한 센서(10)에 의해 검출되는 것으로서, 기본 토크 지령을 결정 및 생성하기 위한 차량 운전 정보로는, 운전자의 가속페달 입력값(APS 값), 운전자의 브레이크 페달 입력값(BPS 값), 구동장치(40)의 속도(회전속도), 및 차속 등이 선택적으로 이용될 수 있다. 상기 차량 운전 정보에서 가속페달 입력값과 브레이크 페달 입력값은 운전자 입력 정보라 할 수 있고, 센서에 의해 검출되는 구동장치(40)의 속도 및 차속은 차량 상태 정보라 할 수 있다.
또는, 차량 운전 정보는, 제1 제어기(20)에서 자체적으로 결정되는 정보일 수도 있고, 또는 차량 내 타 제어기(예, ADAS 제어기)로부터 차량 네트워크를 통해 제1 제어기(20)에 입력되는 정보(예, 요구 구동력 정보)일 수도 있다. 상기 제1 제어기(20)는 통상의 차량에서 차량 운전 정보에 기초하여 기본 토크 지령을 생성하는 상위 제어기, 예컨대 차량 제어기(Vehicle Control Unit, VCU) 또는 하이브리드 제어기(Hybrid Control Unit, HCU)일 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에서, 상기 센서(10)는 운전자의 조향휠(steering wheel) 조작에 따른 조향각을 검출하는 센서와, 차량에서의 롤 모션 정보인 현가 롤각 정보를 취득하기 위한 현가장치의 센서를 더 포함할 수 있다.
여기서, 운전자의 조향 입력값 중 하나인 상기 조향각을 검출하는 센서는 통상의 조향각 센서일 수 있다. 또한, 현가 롤각 정보를 취득하기 위한 현가장치의 센서는 좌측륜 현가장치의 위치 센서와 우측륜 현가장치의 위치 센서를 포함하는 것일 수 있다. 상기 현가장치의 센서에 의해 검출되는 정보로부터 현가 롤각 정보를 얻는 과정에서 공지의 방법이 이용될 수 있다. 예를 들어, 상기 위치 센서의 신호를 기초로 좌측륜과 우측륜 간의 위치를 비교함으로써 차량의 현가 롤각 정보를 실시간으로 계산할 수 있다.
그 밖에 전술한 바와 같이 센서 등을 통해 차량에서 수집된 정보를 기초로 정해진 추정 과정에 의해 현가 롤각 등이 얻어질 수도 있으며, 그 추정 방법에 대해서는 통상의 기술자에게 알려져 있으므로 구체적인 설명을 생략하기로 한다.
제2 제어기(30)는 제1 제어기(20)에서 출력되는 최종 토크 지령을 수신하여, 상기 수신된 최종 토크 지령에 따라 구동장치(40)의 작동을 제어하는 제어기로서, 구동장치(40)가 모터인 경우 토크 지령에 따라 인버터를 통해 모터를 구동시키고 모터의 구동을 제어하는 모터 제어기(Motor Control Unit, MCU)일 수 있다.
본 발명에서 제1 제어기(20)는 차량의 선회 주행 시 구동력 크기를 조절하며, 구동력 제어를 위해 타이어 수직하중 정보, 또는 타이어 수직 정보와 롤 모션 정보(현가 롤각)를 이용한다. 이때, 타이어 수직하중(이하 '수직하중'이라 약칭함)과 현가 롤각(이하 '롤각'이라 약칭함)을 전달함수를 이용하여 산출할 수 있으며, 전달함수를 이용하여 산출하는 예를 설명하면 다음과 같다.
도 3은 차량에서 수집된 정보를 입력으로 하는 전달함수를 이용하여 롤각과 수직하중이 산출될 수 있음을 나타내는 도면이다. 본 발명의 실시예에서 제1 제어기(20)에 설정되는 전달함수는 다음과 같은 형식을 취할 수 있다.
먼저, 조향각 및 차속 정보를 입력으로 하고 롤각 정보를 출력으로 하는 전달함수, 및 롤각 정보를 입력으로 하고 수직하중 정보를 출력으로 하는 전달함수가 이용될 수 있다.
또는, 센서에 의해 검출되는 조향각 및 차속 정보를 입력으로 하고 수직하중 정보를 출력으로 하는 전달함수, 또는 타이어 압력센서에 의해 검출되는 타이어 압력 정보를 입력으로 하고 수직하중 정보를 출력으로 하는 전달함수가 이용될 수 있다.
또는, 차량에 설치된 횡방향 가속도 센서나 수직방향 가속도 센서에 의해 검출되는 정보를 입력으로 하고 롤각 또는 수직하중 정보를 출력으로 하는 전달함수가 이용될 수 있다. 또는, 자이로 센서(롤 레이트 센서)에 의해 취득되는 롤각 변화율(롤 레이트) 정보를 입력으로 하고 롤각이나 수직하중 정보를 출력으로 하는 전달함수가 이용될 수도 있다.
또는, 휠속 센서나 그 밖의 구동계 속도 센서의 정보를 입력으로 하고 롤각이나 수직하중 정보를 출력으로 하는 전달함수가 이용될 수도 있다. 여기서, 구동계 속도는 구동장치 속도(엔진 속도 또는 모터 속도) 또는 드라이브 샤프트 속도일 수 있다.
또는, 현가장치의 위치 센서(suspension travel sensor)에 의해 검출되는 정보를 입력으로 하고 롤각이나 수직하중 정보를 출력으로 하는 전달함수가 이용될 수도 있다. 또는, 상기 언급된 입력 정보 중 두 개 이상의 것을 입력으로 하고 롤각이나 수직하중 정보를 출력으로 하는 전달함수가 이용될 수 있다.
여기서, 전달함수는 데이터 기반의 최적화(optimization) 기법이나 수치해석(numerical solution) 등을 이용하여 롤각이나 수직하중을 산출하도록 설정된 것일 수 있다. 또는, 물리 모델 기반의 전달함수를 구축하여 이용할 수도 있고, 전달함수를 얻기 위해 학습 기법을 이용할 수도 있다. 또는, 전달함수 외에 다양한 머신 러닝(machine learning, ML) 기법을 이용하여 상기와 같은 입력과 출력을 갖는 알고리즘을 구축할 수도 있다.
도 2a와 도 2b에는 본 발명의 실시예에 따른 구동력 제어 과정이 나타나 있으며, 먼저 도 2a의 실시예에서는 제1 제어기(20)에서 실시간 차량 운전 정보가 취득되고, 전술한 바와 같이 상기 취득되는 차량 운전 정보를 기초로 기본 토크 지령이 결정된다(S11 단계).
또한, 운전자 조향 입력이 있게 되면 조향 입력값인 조향각이 센서(10)에 의해 검출되고, 이어 본 발명에 따른 선회 시 구동력 제어 과정이 실시된다. 또한, 선회 시 구동력 제어를 위해 제1 제어기(20)에서는 전술한 바와 같이 실시간 롤 모션 정보 및 수직하중 정보가 취득된다(S12 단계).
그리고, 차량 주행 동안에는 제1 제어기(20)에서 제어로직에 의해 결정된 좌측륜과 우측륜의 동력 분배비에 따라 상기 결정된 기본 토크 지령으로부터 좌측륜과 우측륜의 토크 지령이 실시간으로 결정된다.
상기 제1 제어기(20)는 롤 모션 정보 및 수직하중 정보를 취득하고 나면, 수직하중 정보 또는 수직하중 정보 및 롤 모션 정보를 기초로 차륜(구동륜)별 토크 상한값, 즉 좌측륜과 우측륜의 토크 상한값(또는 내측륜과 외측륜의 토크 상한값)을 실시간으로 산출한다(S13 단계). 본 발명의 실시예에서 제1 제어기(20)는 수직하중의 함수로 차륜별 토크 상한값을 산출할 수 있다. 예를 들면, 제1 제어기(20)는 수직하중에 비례하는 차륜별 토크 상한값을 산출할 수 있다.
이어 차륜별 토크 지령과 차륜별 토크 상한값을 비교하여, 차륜별 토크 지령이 차륜별 토크 상한값을 초과하지 않도록 제한한다. 이때, 제1 제어기(20)는 차륜별 토크 지령이 해당 차륜의 토크 상한값을 초과하는 조건에서만 차륜별 토크 지령을 보정하며, 보정된 토크 지령(최종 토크 지령임)은 해당 차륜의 토크 상한값이 된다. 또한, 제1 제어기(20)는 상기 보정된 토크 지령(보정 후 토크 지령)에 따라 그에 상응하는 토크가 해당 차륜에 인가될 수 있도록 한다.
그리고, 차량의 선회 시에 좌측륜과 우측륜 중 수직하중이 작은 차륜, 즉 내측륜의 토크 지령이 내측륜 토크 상한값을 초과하여, 상기 내측륜의 토크 지령이 상기 내측륜 토크 상한값(보정 후 내측륜 토크 지령, 즉 최종의 내측륜 토크 지령이 됨)으로 제한되었다면, 내측륜 토크 지령의 감소량(보정량)만큼을 외측륜 토크 지령에 합산하는 방식으로 외측륜 토크 지령 또한 함께 보정할 수 있다.
여기서, 내측륜 토크 지령의 감소량은 보정 전 내측륜 토크 지령과 내측륜 토크 상한값(보정 후 내측륜 토크 지령임)의 차이가 될 것이고, 보정 후 외측륜 토크 지령(최종의 외측륜 토크 지령임)은 보정 전 외측륜 토크 지령에 상기 내측륜 토크 지령의 감소량을 합산한 값이 될 수 있다.
이때, 보정 후 내측륜 토크 지령과 보정 후 외측륜 토크 지령의 합산값이 보정 전 내측륜 토크 지령과 보정 전 외측륜 토크 지령의 합산값과 같은 값이 될 수 있고, 이들 합산값이 모두 기본 토크 지령값이 될 수 있다(도 4 참조).
예를 들어 더 설명하면, 분배된 좌측륜 토크 지령과 좌측륜 토크 상한값을 비교하여(S14 단계), 좌측륜 토크 지령으로부터 좌측륜 토크 상한값을 초과하지 않도록 제한한 최종의 좌측륜 토크 지령을 결정하고(S15 단계), 상기 결정된 최종의 좌측륜 토크 지령에 따라 실제 좌측륜에 인가되는 토크가 제어될 수 있도록 한다(토크 지령 추종 제어 실시)(S16 단계). 이때, 구동장치(40)로서 차륜별 모터가 장착된 차량일 경우, 상기 결정된 최종의 좌측륜 토크 지령에 따라 지령값에 상응하는 토크를 생성하도록 좌측륜의 모터가 제어된다.
차량이 좌측으로 선회할 때 좌측륜(선회 내측륜)이 수직하중이 작은 내측륜이 될 것이고, 이때 좌측륜 토크 지령이 좌측륜 토크 상한값을 초과한다면, 좌측륜 토크 지령을 좌측륜 토크 상한값으로 결정하여 제한할 수 있다. 즉, 보정 후 좌측륜 토크 지령(최종의 좌측륜 토크 지령)이 좌측륜 토크 상한값이 되는 것이다. 이때, 좌측륜 토크 지령의 감소량(보정량)은 보정 전 좌측륜 토크 지령과 보정 후 좌측륜 토크 지령(좌측륜 토크 상한값)의 차이가 되고, 이 감소량만큼을 보정 전 우측륜 토크 지령에 합산하여 보정 후 우측륜 토크 지령(최종의 우측륜 토크 지령)을 결정한다(도 4 참조).
마찬가지로, 분배된 우측륜 토크 지령과 우측륜 토크 상한값을 비교하여(S14 단계), 우측륜 토크 지령으로부터 우측륜 토크 상한값을 초과하지 않도록 제한한 최종의 우측륜 토크 지령을 결정하고(S15 단계), 상기 결정된 최종의 우측륜 토크 지령에 따라 실제 우측륜에 인가되는 토크가 제어될 수 있도록 한다(토크 지령 추종 제어 실시)(S16 단계). 이때, 차륜별 모터가 장착된 차량일 경우, 상기 결정된 최종의 우측륜 토크 지령에 따라 지령값에 상응하는 토크가 생성하도록 우측륜의 모터가 제어된다.
차량이 우측으로 선회할 때 우측륜(선회 내측륜)이 수직하중이 작은 내측륜이 될 것이고, 이때 우측륜 토크 지령이 우측륜 토크 상한값을 초과한다면, 우측륜 토크 지령을 우측륜 토크 상한값으로 결정하여 제한할 수 있다. 즉, 보정 후 우측륜 토크 지령(최종의 우측륜 토크 지령)이 우측륜 토크 상한값이 되는 것이다. 이때, 우측륜 토크 지령의 감소량(보정량)은 보정 전 우측륜 토크 지령과 보정 후 우측륜 토크 지령(좌측륜 토크 상한값)의 차이가 되고, 이 감소량만큼을 보정 전 좌측륜 토크 지령에 합산하여 보정 후 좌측륜 토크 지령(최종의 좌측륜 토크 지령)을 결정한다(도 4 참조).
한편, 도 2b의 실시예에서는 S11 단계 및 S12 단계가 도 2a의 실시예와 비교하여 차이가 없으며, 마찬가지로 S13 단계에서 수직하중 정보를 기초로 또는 수직하중 정보와 롤 모션 정보를 기초로 좌측륜 토크 상한값과 우측륜 토크 상한값을 산출한다.
또한, 제1 제어기(20)는 좌측륜과 우측륜의 수직하중 정보 또는 좌측륜과 우측륜의 토크 상한값 정보로부터 토크 벡터링 분배비, 즉 토크 벡터링을 위한 좌우 동력 분배비를 결정하고(S13' 단계), 이어 통상의 경우와 마찬가지로 정해진 토크 벡터링 실시 조건을 만족하는지를 확인하여(S14' 단계), 만족하면 동력 분배비에 따라 좌측륜과 우측륜에 대한 토크 벡터링 제어를 수행한다.
이때, 기본 토크 지령을 상기 결정된 동력 분배비에 따라 분배하여 좌측륜과 우측륜의 토크 지령을 결정하며(S15' 단계), 이어 상기 결정된 차륜별 토크 지령(최종 토크 지령임)에 따라 그에 상응하는 토크가 해당 차륜에 인가될 수 있도록 토크 벡터링 장치를 제어한다(S16 단계).
도 4는 종래의 구동력 제어 상태와 본 발명의 구동력 제어 상태를 비교하여 예시한 도면이다. 도 4는 본 발명에 따른 구동력 제어를 위해 차륜별 수직하중 정보로부터 실시간으로 차륜별 토크 상한값이 산출됨을 나타내고 있고, 각 차륜의 토크 상한값이 해당 차륜의 수직하중에 비례하는 값으로 결정됨을 보이고 있다.
그리고, 도 4는 기본 토크 지령으로부터 동력 분배비에 따라 분배된 보정 전 내측륜 토크 지령과 보정 전 외측륜 토크 지령이 도 2a를 참조로 설명한 바대로 해당 차륜의 토크 상한값을 초과하지 않도록 보정됨을 보이고 있다. 보정된 토크 지령, 즉 보정 후 내측륜 토크 지령과 보정 후 외측륜 토크 지령이 모두 토크 상한값을 초과하지 않고 있다.
위의 설명에서 제어 주체를 제1 제어기와 제2 제어기로 구분하여 설명하였지만, 본 발명에 따른 제어 과정은 복수 개의 제어기 대신 통합된 하나의 제어요소에 의해서도 수행될 수 있다. 복수 개의 제어기와 통합된 하나의 제어요소를 모두 제어기라 통칭할 수 있고, 이 제어기에 의해 이하 설명되는 본 발명의 제어 과정이 수행될 수 있다. 즉, 상기 제어기는 제1 제어기와 제2 제어기를 모두 통칭하는 것이라 할 수 있다.
통상적으로 차량 주행 시 토크 지령에 따라 구동장치(엔진 또는 모터)의 작동(모터 회생을 포함함)이 제어되며, 이때 출력되는 구동장치의 토크(회생 토크가 아닌 구동 토크인 경우)가 차량을 가속시킬 수 있다. 또한, 구동장치의 토크에 의해 차량이 임의의 속도로 주행하고 있는 동안 운전자에 의한 조향휠 조작이 있게 되면 차량은 선회운동을 한다.
이때, 차량의 선회는 운전자 조향 입력값인 조향각에 따라 이루어지는데, 선회 시 횡방향 역학에 의해 롤각이 발생하게 되며, 동시에 좌측륜과 우측륜에서의 수직하중이 변화하게 된다. 이를 횡방향 하중이동으로 이해할 수 있으며, 일반적으로 선회 시 내측륜에 가해지는 수직하중(수직항력)은 직진 시 대비 감소하고, 외측륜에 가해지는 수직하중은 직진 시 대비 증가한다.
선회 시 좌측륜과 우측륜에서의 수직하중은 단순히 감소하거나 증가하는 것이 아니라 차량의 현가장치 및 롤 스태빌라이저, 차체 등의 역학적 특성에 의해 변화 패턴이 다양해질 수 있다. 또한, 이와 같은 과도 상태의 수직하중 변화에 따라 구동륜의 휠속은 순간적으로 슬립을 발생시켰다가 수렴되고 다시 슬립이 재발되는 등의 현상을 초래할 수 있다.
이러한 현상에 의해 휠 슬립 제어가 원활히 이루어지지 않을 수 있으며, 상당량의 휠 슬립이 발생할 수 있고, 횡방향 접지력이 종방향 휠 슬립량에 반비례하는 일반적인 타이어 특성에 의해 휠 슬립은 심각한 횡방향 접지력 상실 및 불안정성을 발생시킬 수 있다. 이러한 특성은 휠 슬립이 발생한 후에 대응하는 피드백 제어 방식이 가질 수 밖에 없는 한계로 이해될 수 있다.
반면, 본 발명에서는 좌측륜과 우측륜에서의 타이어 수직하중 정보를 전달함수나 모델, 또는 학습이나 머신 러닝 기법 등을 통해 알 수 있으며, 이를 기반으로 차륜별 토크를 실시간으로 보정 및 제어함으로써 휠 슬립 발생을 미리 방지할 수 있다. 따라서, 기존의 휠 슬립 제어 개입이 불필요하다. 또한, 롤 모션에 연동하는 수직하중과, 이에 비례하는 차륜별 토크 상한값을 실시간으로 알 수 있으므로, 상기 차륜별 토크 상한값보다 항시 낮은 각 차륜의 토크 상태를 유지하도록 할 수 있다(도 4 참조).
이하에서는 제어기가 수행하는 구동력 제어 방법에 대해 좀더 상세히 설명하기로 한다.
본 발명에서 제어기는 수직하중 정보를 기초로 차륜별 토크 상한값을 산출하고(도 2에서 S13 단계), 상기 산출되는 차륜별 토크 상한값을 초과하지 않도록 차륜별 인가되는 토크를 제어한다. 이때, 실시간 기본 토크 지령을 충족하도록 결정된 차륜별 토크 지령이 실시간 산출되는 토크 상한값을 초과할 경우 차륜별 토크 지령을 보정하여, 상기 토크 상한값을 초과하지 않는 보정 후 토크 지령을 최종 토크 지령으로 이용한다.
여기서, 토크 상한값은 제어기에서 상기 전달함수에 의해 결정된 해당 차륜의 실시간 수직하중(수직항력) 정보로부터 산출될 수 있다. 이때, 내측륜 및 외측륜의 수직하중 정보에 비례하는 토크 상한값이 각각 산출되어, 토크 벡터링 제어 수행 시 각 차륜의 토크가 각 차륜의 토크 상한값을 각각 초과하지 않도록 제어된다.
즉, 횡방향 하중이동에 의해 내측륜 수직하중은 감소하고 외측륜 수직하중은 증가하는 상황에서, 내측륜 토크는 감소한 내측륜 수직하중을 기준으로 산출된 토크 상한값과 연동하도록 설정되어야 하며, 외측륜 토크는 증가한 외측륜 수직하중을 기준으로 산출된 토크 상한값과 연동하도록 설정되어야 한다.
하기 수학식 1과 수학식 2는 각 차륜의 수직하중 정보를 이용하여 차륜별 토크 상한값을 산출하기 위한 식의 예를 나타낸다.
[수학식 1]
내측륜 토크 상한값 = σ0×σ1×min(좌측륜 수직하중,우측륜 수직하중)
[수학식 2]
외측륜 토크 상한값 = σ0×σ1×max(좌측륜 수직하중,우측륜 수직하중)
수학식 1에 나타낸 바와 같이 내측륜 토크 상한값은 좌측륜 수직하중과 우측륜 수직하중 중 작은 값(최소값)을 이용하여 토크 상한값을 산출하고, 수학식 2에 나타낸 바와 같이 외측륜 토크 상한값은 좌측륜 수직하중과 우측륜 수직하중 중 큰 값(최대값)을 이용하여 토크 상한값을 산출한다.
수학식 1 및 2에서 좌측륜 수직하중과 우측륜 수직하중은 좌우 각측의 전륜 수직하중과 후륜 수직하중을 각각 합산한 값일 수 있고, 좌우 각측의 모든 구동륜의 수직하중을 각각 합산한 값일 수 있다. 예컨대, 좌측륜 수직하중은 전륜 중 좌측륜의 수직하중과 후륜 중 좌측륜의 수직하중을 합산한 것일 수 있다. 이때, 수학식 1, 2에 의해 계산된 내측륜 토크 상한값과 외측륜 토크 상한값을 각측 구동륜의 수로 나누어 각 차륜별 토크 상한값을 산출할 수 있다.
또한, 차량이 전륜 구동 차량이라면 전륜축의 좌측륜과 우측륜의 수직하중만을 고려하여 토크 상한값을 산출할 수 있고, 차량이 후륜 구동 차량이라면 후륜축의 좌측륜과 우측륜의 수직하중만을 고려하여 토크 상한값을 산출할 수 있다.
수학식 1과 2에서 σ0는 수직하중 정보를 토크 상한값으로 변환하기 위해, 즉 수직하중(단위:N)과 토크(단위:N·m) 간 단위 보정 및 일치를 위해 미리 설정되는 계수이다. 또한, σ1은 차량이 주행 중인 도로의 노면 최대마찰계수 정보와 연동하는 파라미터이다. 토크 상한값을 산출함에 있어 차량에서 노면 최대마찰계수 정보가 부재하다면 σ1은 사용하지 않을 수 있다.
다만, 노면 최대마찰계수 정보가 존재한다면, 제어기는 수학식 1 및 2와 같이 σ1을 사용하여 노면 최대마찰계수에 따라 토크 상한값이 조절되도록 할 수 있다. 즉, 제어기는 주행 중인 노면에 대하여 고마찰 노면 대비 최대마찰계수 확보율(%)을 산출하고, 상기 산출된 최대 마찰계수 확보율(%)을 σ1로 사용하여 상기 수학식 1 및 2와 같이 토크 상한값을 산출할 수 있다.
여기서, 고마찰 노면 대비 최대마찰계수 확보율(%)에 대해 설명하면, 일반적으로 고마찰 노면은 마른 아스팔트일 수 있고, 고마찰 노면인 마른 아스팔트의 최대마찰계수는 약 0.9 ~ 1 정도이다. 이에 고마찰 노면의 최대마찰계수를 마른 아스팔트의 최대마찰계수인 1로 설정하여 이용할 수 있다.
또한, 모래나 젖은 노면, 눈길과 같이 미끄러운 노면은 저마찰 노면이며, 이러한 저마찰 노면의 최대마찰계수는 고마찰 노면에 비해 작다. 예를 들어, 주행 중인 노면의 최대마찰계수가 0.3이라면, 최대마찰계수가 1인 고마찰 노면 대비 주행 중인 노면의 최대마찰계수 확보율은 30%가 된다. 이와 같이 주행 중인 노면의 고마찰 노면 대비 최대마찰계수 확보율은, 미리 설정된 고마찰 노면의 최대마찰계수에 대한 주행 중 노면의 최대마찰계수의 백분율 값으로 정의될 수 있다.
또한, 상술한 바와 같이 주행 중인 노면의 최대마찰계수 확보율을 곱하여 토크 상한값을 산출하는데, 만약 주행 중인 노면의 최대마찰계수 확보율이 30%라면(σ1 = 0.3), 0.3(= 30%)을 곱하여 토크 상한값을 산출할 수 있다.
차량에서 카메라에 의해 촬영된 영상 정보를 기반으로 하여 차량이 주행하는 노면의 마찰계수를 판단 및 결정하는 방법이 알려져 있다. 이와 같이 본 발명에서는 수학식 1 및 2에서 노면 최대마찰계수 정보와 연동하는 파라미터(σ1)가 사용됨으로써 도 5에 나타낸 바와 같이 동일한 수직하중 상태라 하더라도 노면 최대마찰계수에 따라 실제 이용되는 토크 상한값이 조절될 수 있다.
한편, 수학식 1 및 2의 경우 선회 시 각 차륜의 수직하중 정보만을 반영하여 토크 상한값을 산출하는 식이다. 그러나, 추가적으로, 차량의 실시간 롤 모션 정보인 롤각(φ), 및 이 롤각으로부터 구해지는 롤각 변화율(롤 레이트)(p)을 함께 반영한 토크 상한값을 산출하여 이용할 수 있다. 여기서, 롤각 변화율 정보는 롤각이나 수직하중 정보와 마찬가지로 전달함수로부터 얻을 수 있으며, 또는 롤각을 미분하여 얻을 수도 있다. 하기 수학식 3과 4는 롤각(φ)과 롤각 변화율(p), 수직하중 정보를 동시에 이용하여 토크 상한값을 산출할 수 있는 식이다.
[수학식 3]
내측륜 토크 상한값 = σ0×σ1×min(좌측륜 수직하중,우측륜 수직하중) - σ2×｜φ｜- σ3×sign(φ)×p
[수학식 4]
외측륜 토크 상한값 = σ0×σ1×max(좌측륜 수직하중,우측륜 수직하중) + σ2×｜φ｜+ σ3×sign(φ)×p
수학식 3 및 4에서 φ는 롤각을, p는 롤각 변화율을 나타낸다. 여기서, 롤각(φ)은 도 6과 같이 정의된다. 또한, σ0, σ1은 수학식 1 및 2에서와 같으며, σ2와 σ3은 각각 롤각(φ) 및 롤각 변화율(p)을 토크 상한값에 얼마만큼 반영할 것인지를 정하는 계수로서, 이들의 값은 제어기에 미리 설정된다. 또한, sign(φ)은 φ이 양의 값이면 '+1', φ이 음의 값이면 '-1'로 정해진다. 또한, ｜｜는 절대값을 나타낸다.
수학식 3 및 4에서 롤각의 절대값을 취하여 토크 상한값을 산출하는 이유는, 롤각에 있어 차량이 좌, 우 어느 쪽으로든 중심에서부터 더 기울수록 한쪽의 수직하중이 감소하는 효과를 반영하기 위함이다.
또한, 롤각 변화율에 롤각의 방향을 나타내는 값인 sign(φ)을 곱하여 토크 상한값 산출에 반영하는 이유는, 중심에서부터 멀어지도록 더 기울어지는 방향으로 롤각 변화율의 성분이 존재할 때에는 토크 상한값을 감소시키고, 중심으로 회복하는 방향으로 롤각 변화율의 성분이 존재할 때는 토크 상한값을 증가시키기 위함이다.
그리고, 본 발명의 다른 실시예에서, 토크 상한값은 내측과 외측이 아닌 좌측과 우측의 토크 상한값으로 표현할 수도 있으며, 이는 하기 수학식 5 및 수학식 6과 같다.
[수학식 5]
좌측륜 토크 상한값 = σ0×σ1×좌측륜 수직하중 - σ2×φ - σ3×p
[수학식 6]
우측륜 토크 상한값 = σ0×σ1×우측륜 수직하중 + σ2×φ + σ3×p
차량의 거동 방향은 도 6에 나타낸 ISO 차량 좌표 프레임(vehicle coordinate frame)을 따른다. 또한, 수학식 5 및 6에서 각 부호의 정의는 수학식 3 및 4와 동일하다.
수학식 3과 4, 그리고 수학식 5와 6의 계산에 있어서 롤각과 롤각 변화율 중 하나를 사용하지 않을 수 있다. 즉, 상기 수학식에서 'σ2×｜φ｜'와 'σ2×φ'의 항은 삭제될 수 있다. 또는, 상기 수학식에서 'σ3×sign(φ)×p'와 'σ3×p'의 항은 삭제될 수 있다.
상기와 같이 차륜별 토크 상한값이 구해지고 난 뒤, 제어기는 실시간 기본 토크 지령으로부터 결정된 차륜별 토크 지령(보정 전 토크 지령)을 상기 토크 상한값과 비교하고(도 2a에서 S14 단계), 좌측륜과 우측륜(또는 내측륜과 외측륜) 중 어느 차륜의 토크 지령(보정 전 토크 지령)이 해당 차륜의 토크 상한값을 초과할 경우 토크 지령을 보정하여, 최종 토크 지령(보정 후 토크 지령)이 토크 상한값을 초과하지 않도록 한다(도 2a에서 S15 단계). 또한, 보정 후 토크 지령에 따라 차륜별 토크가 인가되도록 구동장치(40)(차륜별 모터일 수 있음)의 작동을 제어하는 토크 보정 제어를 수행한다(도 2a에서 S16 단계).
한편, 도 2b의 실시예에서는 차륜별 수직하중, 즉 좌측륜과 우측륜(또는 내측륜과 외측륜)의 수직하중이 결정되면, 차륜 간 수직하중의 비로 동력 분배비가 결정될 수 있다. 또는, 상기의 각 수학식에 의해 차륜별 토크 상한값, 즉 좌측륜과 우측륜(또는 내측륜과 외측륜)의 토크 상한값이 산출되면, 차륜 간 토크 상한값의 비로 동력 분배비가 결정될 수 있다.
더 상세히 설명하면, 기본 토크 지령을 좌측륜 토크 지령과 우측륜 토크 지령으로 분배하기 위한 동력 분배비가, 좌측륜 수직하중과 우측륜 수직하중의 비로 결정될 수 있다. 또는, 좌측륜 수직하중과 우측륜 수직하중을 입력으로 하여 수식에 의해 좌측륜 토크 상한값과 우측륜 토크 상한값이 각각 결정될 수 있으므로 좌측륜 수직하중과 우측륜 수직하중의 비는 좌측륜 토크 상한값과 우측륜 토크 상한값의 비와 같을 수 있다. 따라서, 좌측륜과 우측륜의 동력 분배비는 좌측륜 토크 상한값과 우측륜 토크 상한값의 비로 결정될 수도 있다.
즉, 제어기에서 좌측륜 수직하중으로부터 좌측륜 토크 상한값이 결정되고, 우측륜 수직하중으로부터 우측륜 토크 상한값이 결정되면, 상기 좌측륜 토크 상한값과 우측륜 토크 상한값의 비가 좌측륜과 우측륜의 구동력(토크) 분배를 위한 동력 분배비가 될 수 있는 것이다.
도 7은 본 발명에서 수직하중 정보에 따라 좌우 동력 분배비가 실시간으로 변화하는 상태를 예시한 도면이다. 도 7에서 '합산 요구 토크 지령'은 운전자 요구 토크에 대한 지령값으로, 제어기(제1 제어기)에서 운전자 가속페달 입력값 등의 차량 운전 정보에 따라 결정되는 기본 토크 지령이다.
도 7을 참조하면, 좌측륜 수직하중과 우측륜 수직하중이 변화함에 따라 좌측륜과 우측륜에 대한 동력 분배비 또한 실시간으로 변화함을 볼 수 있고, 이때 좌측륜 수직하중과 우측륜 수직하중의 비가 동력 분배비로 결정될 수 있다. 또한, 동력 분배비가 결정되면 좌측륜 토크 지령은 합산 요구 토크 지령(기본 토크 지령)에 좌측륜 분배비값을 곱한 값으로 결정될 수 있고, 우측륜 토크 지령은 합산 요구 토크 지령에 우측륜 분배비값을 곱한 값으로 결정될 수 있다.
여기서, 좌측륜 분배비값과 우측륜 분배비값의 합은 1이다. 예를 들어, 좌측륜과 우측륜의 동력 분배비가 6:4라면, 좌측륜 분배비값은 0.6이 되고, 우측륜 분배비값은 0.4가 된다. 또한, 좌측륜과 우측륜의 동력 분배비가 2:8이라면, 좌측륜 분배비값은 0.2가 되고, 우측륜 분배비값은 0.8이 된다.
상기와 같이 제어기에서 좌측륜 토크 지령과 우측륜 토크 지령이 결정되면, 이를 최종 토크 지령으로 하여 그에 상응하는 토크가 좌측륜과 우측륜에 각각 인가될 수 있도록 토크 벡터링 장치를 제어한다. 또한, 운전성 및 전비 효율 등을 고려한 별도의 토크 벡터링 실시 조건이 제어기에 미리 설정된다면, 도 2b에 나타낸 S14' 단계와 같이 상기 실시 조건을 만족하는지를 제어기가 판단한 후, 상기 실시 조건을 만족하는 것으로 판단한 경우에만 상기 실시간 수직하중 정보로부터 결정된 동력 분배비를 이용하는 토크 벡터링 제어가 제어기에 의해 실시되도록 할 수 있다.
이와 같이 하여, 본 발명에 따른 차량의 구동력 제어 방법에 대해 상세히 설명하였다. 상술한 본 발명에 따른 구동력 제어 방법에 의하면, 휠 슬립 발생 전에 실시간 횡방향 수직하중 변화를 고려한 토크 벡터링 제어를 실시함으로써 과도한 롤 현상을 방지할 수 있고, 타이어의 횡 접지력을 안정적으로 확보할 수 있다. 나아가, 실시간 수직하중 변화 및 롤 역학을 고려한 구동력 제어 방법을 통해 롤 댐핑 효과를 얻을 수 있다. 즉, 롤 오버슛(출렁거림)을 방지할 수 있는 것이다. 이러한 본 발명의 효과는 무게중심과 롤 중심 간 거리가 먼 SUV(Sports Utility Vehicle)에서 더 크게 나타난다.
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.
10 : 센서
20 : 제1 제어기
30 : 제2 제어기
40 : 구동장치
50 : 감속기
60 : 동력 분배 장치
70 : 구동륜

Claims (16)

  1. 제어기에 의해, 차량 주행 중 취득되는 차량 운전 정보를 기초로 차량을 구동하는 구동장치를 위한 기본 토크 지령이 결정되는 단계;
    상기 제어기에 의해, 차량에서 수집되는 정보를 기초로 차량 주행 중 좌측륜과 우측륜의 실시간 수직하중 정보가 취득되는 단계;
    상기 제어기에 의해, 상기 결정된 기본 토크 지령과 상기 취득된 실시간 수직하중 정보로부터 좌측륜과 우측륜에 각각 토크를 인가하기 위한 최종의 차륜별 토크 지령이 결정되는 단계; 및
    상기 제어기에 의해, 상기 최종의 차륜별 토크 지령에 따라 그에 상응하는 차륜별 토크가 좌측륜과 우측륜에 인가되도록 상기 구동장치를 포함하는 토크 벡터링 장치의 제어가 수행되는 단계를 포함하는 차량의 구동력 제어 방법.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 최종의 차륜별 토크 지령이 결정되는 단계는,
    상기 결정된 기본 토크 지령으로부터 차량 주행 동안 정해지는 좌측륜과 우측륜의 동력 분배비에 따라 좌측륜과 우측륜에 대한 각 토크 지령이 결정되는 단계;
    상기 취득된 실시간 수직하중 정보를 기초로 좌측륜 토크 상한값과 우측륜 토크 상한값이 산출되는 단계; 및
    상기 동력 분배비에 따라 결정된 좌측륜 토크 지령과 우측륜 토크 지령으로부터, 각각 상기 산출된 좌측륜 토크 상한값과 우측륜 토크 상한값을 초과하지 않도록 제한한 최종의 좌측륜 토크 지령과 우측륜 토크 지령이 결정되는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 차량의 구동력 제어 방법.
  3. 청구항 2에 있어서,
    상기 좌측륜 토크 상한값과 우측륜 토크 상한값이 산출되는 단계에서,
    상기 좌측륜과 우측륜 중 차량 선회 시 내측륜의 토크 상한값은 좌측륜의 수직하중과 우측륜의 수직하중 중 작은 값으로부터 산출되고,
    상기 좌측륜과 우측륜 중 차량 선회 시 외측륜의 토크 상한값은 좌측륜의 수직하중과 우측륜의 수직하중 중 큰 값으로부터 산출되는 것을 특징으로 하는 차량의 구동력 제어 방법.
  4. 청구항 2에 있어서,
    상기 좌측륜 토크 상한값과 우측륜 토크 상한값이 산출되는 단계에서,
    상기 좌측륜과 우측륜 중 차량 선회 시 내측륜의 토크 상한값과 차량 선회 시 외측륜의 토크 상한값은 하기 수학식 E1과 E2에 의해 산출되는 것을 특징으로 하는 차량의 구동력 제어 방법.
    E1: 내측륜 토크 상한값 = σ0×σ1×min(좌측륜 수직하중,우측륜 수직하중)
    E2: 외측륜 토크 상한값 = σ0×σ1×max(좌측륜 수직하중,우측륜 수직하중)
    여기서, σ0는 하중 정보를 토크 값으로 변환하기 위해 제어기에 미리 설정되는 계수이고, σ1은 제어기에서 차량이 주행 중인 도로의 노면 최대마찰계수에 상응하여 결정되는 파라미터 값임.
  5. 청구항 2에 있어서,
    상기 좌측륜 토크 상한값과 우측륜 토크 상한값이 산출되는 단계에서,
    상기 각 토크 상한값은 상기 취득된 실시간 수직하중 정보에 더하여 차량에서 수집된 정보로부터 취득되는 차량의 실시간 롤 모션 정보를 더 이용하여 산출되는 것을 특징으로 하는 차량의 구동력 제어 방법.
  6. 청구항 5에 있어서,
    상기 롤 모션 정보는 롤각과 롤각 변화율 중 하나 또는 둘인 것을 특징으로 하는 차량의 구동력 제어 방법.
  7. 청구항 2에 있어서,
    상기 좌측륜 토크 상한값과 우측륜 토크 상한값이 산출되는 단계에서,
    상기 좌측륜과 우측륜 중 차량 선회 시 내측륜의 토크 상한값과 차량 선회 시 외측륜의 토크 상한값은 하기 수학식 E3과 E4에 의해 산출되는 것을 특징으로 하는 차량의 구동력 제어 방법.
    E3: 내측륜 토크 상한값 = σ0×σ1×min(좌측륜 수직하중,우측륜 수직하중) - σ2×｜φ｜
    E4: 외측륜 토크 상한값 = σ0×σ1×max(좌측륜 수직하중,우측륜 수직하중) + σ2×｜φ｜
    여기서, σ0는 하중 정보를 토크 값으로 변환하기 위해 제어기에 미리 설정되는 값의 계수, σ1은 제어기에서 차량이 주행 중인 도로의 노면 최대마찰계수에 상응하여 결정되는 파라미터 값, σ2는 제어기에 미리 설정되는 값의 계수, φ는 차량에서 수집된 정보로부터 취득되는 차량의 실시간 롤 모션 정보인 롤각임.
  8. 청구항 2에 있어서,
    상기 좌측륜 토크 상한값과 우측륜 토크 상한값이 산출되는 단계에서,
    상기 좌측륜과 우측륜 중 차량 선회 시 내측륜의 토크 상한값과 차량 선회 시 외측륜의 토크 상한값은 하기 수학식 E5와 E6에 의해 산출되는 것을 특징으로 하는 차량의 구동력 제어 방법.
    E5: 내측륜 토크 상한값 = σ0×σ1×min(좌측륜 수직하중, 우측륜 수직하중) - σ3×sign(φ)×p
    E6: 외측륜 토크 상한값 = σ0×σ1×max(좌측륜 수직하중, 우측륜 수직하중) + σ3×sign(φ)×p
    여기서, σ0는 하중 정보를 토크 값으로 변환하기 위해 제어기에 미리 설정되는 값의 계수, σ1은 제어기에서 차량이 주행 중인 도로의 노면 최대마찰계수에 상응하여 결정되는 파라미터 값, σ3은 제어기에 미리 설정되는 값의 계수, φ와 p는 각각 차량에서 수집된 정보로부터 취득되는 차량의 실시간 롤 모션 정보인 롤각과 롤각 변화율임.
  9. 청구항 2에 있어서,
    상기 좌측륜 토크 상한값과 우측륜 토크 상한값이 산출되는 단계에서,
    상기 좌측륜과 우측륜 중 차량 선회 시 내측륜의 토크 상한값과 차량 선회 시 외측륜의 토크 상한값은 하기 수학식 E7와 E8에 의해 산출되는 것을 특징으로 하는 차량의 구동력 제어 방법.
    E7: 내측륜 토크 상한값 = σ0×σ1×min(좌측륜 수직하중,우측륜 수직하중) - σ2×｜φ｜- σ3×sign(φ)×p
    E8: 외측륜 토크 상한값 = σ0×σ1×max(좌측륜 수직하중,우측륜 수직하중) + σ2×｜φ｜+ σ3×sign(φ)×p
    여기서, σ0는 하중 정보를 토크 값으로 변환하기 위해 제어기에 미리 설정되는 값의 계수, σ1은 제어기에서 차량이 주행 중인 도로의 노면 최대마찰계수에 상응하여 결정되는 파라미터 값, σ2와 σ3는 제어기에 미리 설정되는 값의 계수, φ와 p는 각각 차량에서 수집된 정보로부터 취득되는 차량의 실시간 롤 모션 정보인 롤각과 롤각 변화율임.
  10. 청구항 2에 있어서,
    상기 좌측륜 토크 상한값과 우측륜 토크 상한값이 산출되는 단계에서,
    상기 좌측륜 토크 상한값은 좌측륜의 수직하중에 비례하는 값으로 결정되고, 상기 우측륜 토크 상한값은 우측륜의 수직하중에 비례하는 값으로 결정되는 것을 특징으로 하는 차량의 구동력 제어 방법.
  11. 청구항 2에 있어서,
    상기 좌측륜 토크 상한값과 우측륜 토크 상한값이 산출되는 단계에서,
    상기 좌측륜 토크 상한값과 우측륜 토크 상한값은 하기 수학식 E9와 E10에 의해 산출되는 것을 특징으로 하는 차량의 구동력 제어 방법.
    E9: 좌측륜 토크 상한값 = σ0×σ1×좌측륜 수직하중 - σ2×φ - σ3×p
    E10: 우측륜 토크 상한값 = σ0×σ1×우측륜 수직하중 + σ2×φ + σ3×p
    여기서, σ0는 하중 정보를 토크 값으로 변환하기 위해 제어기에 미리 설정되는 값의 계수, σ1은 제어기에서 차량이 주행 중인 도로의 노면 최대마찰계수에 상응하여 결정되는 파라미터 값, σ2와 σ3는 제어기에 미리 설정되는 값의 계수, φ와 p는 각각 차량에서 수집된 정보로부터 취득되는 차량의 실시간 롤 모션 정보인 롤각과 롤각 변화율임.
  12. 청구항 2에 있어서,
    상기 좌측륜 토크 상한값과 우측륜 토크 상한값이 산출되는 단계에서,
    상기 좌측륜 토크 상한값과 우측륜 토크 상한값은 하기 수학식 E11와 E12에 의해 산출되는 것을 특징으로 하는 차량의 구동력 제어 방법.
    E11: 좌측륜 토크 상한값 = σ0×σ1×좌측륜 수직하중 - σ2×φ
    E12: 우측륜 토크 상한값 = σ0×σ1×우측륜 수직하중 + σ2×φ
    여기서, σ0는 하중 정보를 토크 값으로 변환하기 위해 제어기에 미리 설정되는 값의 계수, σ1은 제어기에서 차량이 주행 중인 도로의 노면 최대마찰계수에 상응하여 결정되는 파라미터 값, σ2는 제어기에 미리 설정되는 값의 계수, φ는 차량에서 수집된 정보로부터 취득되는 차량의 실시간 롤 모션 정보인 롤각임.
  13. 청구항 2에 있어서,
    상기 좌측륜 토크 상한값과 우측륜 토크 상한값이 산출되는 단계에서,
    상기 좌측륜 토크 상한값과 우측륜 토크 상한값은 하기 수학식 E13와 E14에 의해 산출되는 것을 특징으로 하는 차량의 구동력 제어 방법.
    E13: 좌측륜 토크 상한값 = σ0×σ1×좌측륜 수직하중 - σ3×p
    E14: 우측륜 토크 상한값 = σ0×σ1×우측륜 수직하중 + σ3×p
    여기서, σ0는 하중 정보를 토크 값으로 변환하기 위해 제어기에 미리 설정되는 값의 계수, σ1은 제어기에서 차량이 주행 중인 도로의 노면 최대마찰계수에 상응하여 결정되는 파라미터 값, σ3는 제어기에 미리 설정되는 값의 계수, p는 차량에서 수집된 정보로부터 취득되는 차량의 실시간 롤 모션 정보인 롤각 변화율임.
  14. 청구항 2에 있어서,
    상기 최종의 좌측륜 토크 지령과 우측륜 토크 지령이 결정되는 단계에서,
    상기 동력 분배비에 따라 결정된 좌측륜 토크 지령과 우측륜 토크 지령 중 하나가 해당 차륜의 토크 상한값을 초과할 경우,
    상기 토크 상한값을 초과하는 차륜의 토크 지령을 상기 해당 차륜의 토크 상한값으로 감소시켜, 상기 해당 차륜의 토크 상한값이 상기 차륜의 최종 토크 지령으로 결정되고,
    상기 토크 상한값을 초과하는 차륜의 토크 지령의 감소량만큼을, 상기 좌측륜 토크 지령과 우측륜 토크 지령 중 나머지 차륜의 토크 지령에 합산하여, 상기 합산된 토크 지령이 상기 나머지 차륜의 최종 토크 지령으로 결정되는 것을 특징으로 하는 차량의 구동력 제어 방법.
  15. 청구항 1에 있어서,
    상기 최종의 차륜별 토크 지령이 결정되는 단계는,
    상기 취득된 좌측륜의 실시간 수직하중과 상기 취득된 우측륜의 실시간 수직하중의 비로 좌측륜과 우측륜의 동력 분배비가 결정되는 단계; 및
    상기 결정된 기본 토크 지령으로부터 상기 결정된 동력 분배비에 따라 분배된 최종의 좌측륜 토크 지령과 우측륜 토크 지령이 결정되는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 차량의 구동력 제어 방법.
  16. 청구항 1에 있어서,
    상기 최종의 차륜별 토크 지령이 결정되는 단계는,
    상기 취득된 실시간 수직하중 정보를 기초로 좌측륜과 우측륜의 토크 상한값이 산출되는 단계;
    상기 산출된 좌측륜의 토크 상한값과 우측륜의 토크 상한값의 비로 좌측륜과 우측륜의 동력 분배비가 결정되는 단계; 및
    상기 결정된 기본 토크 지령으로부터 상기 결정된 동력 분배비에 따라 분배된 최종의 좌측륜 토크 지령과 우측륜 토크 지령이 결정되는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 차량의 구동력 제어 방법.
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