KR20230070932A - 전기차용 전자식 차동 제한장치의 제어방법 - Google Patents

전기차용 전자식 차동 제한장치의 제어방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은, 컨트롤러가 전기차의 핸들링 주행 시작을 판단하는 단계; 핸들링 주행 시작으로 판단되면, 상기 컨트롤러가 전기차 구동 모터가 싱글 모드인지 듀얼 모드인지 판단하는 단계; 상기 컨트롤러가 전기차가 가속 상태인지 회생제동 상태인지 판단하는 단계; 상기 컨트롤러가 전기차의 현재 운동 상태 값을 수신하고, 의도된 운동 상태 값과의 오차를 비교 연산하는 단계; 및 상기 컨트롤러가 상기 싱글 모드 또는 상기 듀얼 모드에 최적화된 토크값과 토크 변화율로 전자식 차동 제한장치를 제어하는 단계;를 포함하는 전기차용 전자식 차동 제한장치의 제어방법을 제공한다.

Description

전기차용 전자식 차동 제한장치의 제어방법{CONTROL METHOD OF ELECTRONIC LIMITED SLIP DIFFERENTIAL FOR ELECTRIC VEHICLE}
본 발명은 전기차용 전자식 차동 제한장치의 제어방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 핸들링 주행의 안정성을 향상시킬 수 있는 전기차용 전자식 차동 제한장치의 제어방법에 관한 것이다.
최근 차량에는 좌우 구동륜의 토크 분배를 제어하여 핸들링 성능과 험지 탈출 성능을 향상시키기 위하여 전자식 차동 제한장치(e-LSD; electronic-Limited Slip Differential)가 구비된다.
직진 주행이 아닌 커브길을 핸들링 주행할 경우, 좌우 구동륜은 서로 다른 회전수로 회전하여야 하므로 차동 기능이 필수적이다. 그러나 제한 없는 차동 기능은 험로 탈출을 어렵게 하는 등의 문제점이 있어 차동 기능을 적절하게 제한하는 차동 제한장치가 사용된다. 그리고 전자식으로 제어되는 e-LSD는 전기 신호에 의해 좌우 구동륜의 토크 배분을 능동적으로 제어할 수 있다. 따라서 e-LSD가 장착된 차량은 핸들링(코너링) 주행 중 언더스티어나 오버스티어가 발생할 경우 e-LSD를 제어하여 차체를 바로잡을 수 있다.
그런데, 종래 내연기관 차량에 사용되는 e-LSD의 제어방법은 구동모터에 의해 주행하는 전기차에 그대로 적용할 수 없다. 특히, 듀얼 모터로 구동되 전기차는 전후륜이 각각 별개의 모터에 의해 독립적으로 구동되고, 가속 페달의 응답성이 내연기관보다 빠르며, 회생제동으로 감속하는 등 내연기관 차량과 구별되는 여러 특성을 갖기 때문이다.
따라서, 전기차의 특성에 맞는 전기차용 전자식 차동 제한장치의 제어방법이 필요하다.
본 발명은, 전기차의 특성에 맞는 전기차용 전자식 차동 제한장치의 제어방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명은, 상기한 바와 같은 목적 달성을 위해, 컨트롤러가 전기차의 핸들링 주행 시작을 판단하는 단계; 핸들링 주행 시작으로 판단되면, 상기 컨트롤러가 전기차 구동 모터가 싱글 모드인지 듀얼 모드인지 판단하는 단계; 상기 컨트롤러가 전기차가 가속 상태인지 회생제동 상태인지 판단하는 단계; 상기 컨트롤러가 전기차의 현재 운동 상태 값을 수신하고, 의도된 운동 상태 값과의 오차를 비교 연산하는 단계; 및 상기 컨트롤러가 상기 싱글 모드 또는 상기 듀얼 모드에 최적화된 토크값과 토크 변화율로 전자식 차동 제한장치를 제어하는 단계;를 포함하는 전기차용 전자식 차동 제한장치의 제어방법을 제공한다.
또한, 본 발명의 실시예에 따르면, 컨트롤러가 전기차의 핸들링 주행 시작을 판단하는 단계는, 전기차의 속도, 조향각도, 조향각속도, 횡가속도 및 요레이트가 모두 설정치를 초과하면 핸들링 주행 시작으로 판단할 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에 따르면, 상기 컨트롤러가 전기차 구동 모터가 싱글 모드인지 듀얼 모드인지 판단하는 단계는, 전기차가 전자식 차동 제한장치가 장착된 차종인지 여부를 판단하는 단계; 싱글 모터가 장착된 전기차인지 듀얼 모터가 장착된 전기차인지 판단하는 단계; 및 싱글 모터가 장착된 전기차와, 듀얼 모터 중 하나의 모터 토크가 0 이하인 전기차는 싱글 모드로 판단하고, 듀얼 모터의 모터 토크가 모두 0 초과인 전기차는 듀얼 모드로 판단하는 단계; 를 포함할 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에 따르면, 상기 컨트롤러가 전기차가 가속 상태인지 회생제동 상태인지 판단하는 단계는, 상기 컨트롤러는 가속페달 개도량이 양수값이면 가속 상태로 판단하고, 가속페달 개도량이 0이고 회생제동 토크가 양수값이면 회생제동 상태로 판단할 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에 따르면, 전기차가 가속 상태로 판단되면, 상기 컨트롤러가 전기차의 조향각, 횡가속도, 요레이트 값을 수신하고, 운전자가 의도한 요레이트 값과 실제 수신된 요레이트 값을 비교하여 오차를 연산하고, 상기 오차와 상기 횡가속도 값에 따라 상기 전자식 차동 제한장치의 토크값과 토크 변화율을 제어할 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에 따르면, 전기차가 회생제동 상태로 판단되면, 상기 컨트롤러가 현재 회생제동 토크값을 수신하고, 상기 회생제동 토크값에 따라 상기 전자식 차동 제한장치의 토크값과 토크 변화율을 제어할 수 있다.
본 발명에 의한 전기차용 전자식 차동 제한장치의 제어방법은, 전기차의 특성에 맞게 전기차용 전자식 차동 제한장치를 제어할 수 있다.
이에 의하여, 전기차의 핸들링 주행 성능이 크게 향상된다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 전기차용 전자식 차동 제한장치의 제어방법을 나타낸 순서도,
도 2는 도 1의 핸들링 주행 시작 판단을 상세히 나타낸 도면,
도 3은 도 1의 싱글/듀얼 모드 판단을 상세히 나타낸 도면,
도 4는 도 1의 가속 상태 판단을 상세히 나타낸 도면,
도 5는 도 1의 e-LSD 민첩한 주행성능 제어를 상세히 나타낸 도면,
도 6은 도 1의 회생제동 판단을 상세히 나타낸 도면,
도 7은 도 1의 e-LSD 회생제동 연계제어를 상세히 나타낸 도면,
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따라 제어되는 e-LSD가 장착된 전기차와 e-LSD가 장착되지 않은 전기차를 싱글 모드에서 비교한 도면,
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따라 제어되는 e-LSD가 장착된 전기차와 e-LSD가 장착되지 않은 전기차를 듀얼 모드에서 비교한 도면이다.
이하, 본 발명의 일 실시예에 따른 전기차용 전자식 차동 제한장치의 제어방법을 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 전기차용 전자식 차동 제한장치의 제어방법을 나타낸 순서도, 도 2는 도 1의 핸들링 주행 시작 판단을 상세히 나타낸 도면, 도 3은 도 1의 싱글/듀얼 모드 판단을 상세히 나타낸 도면, 도 4는 도 1의 가속 상태 판단을 상세히 나타낸 도면, 도 5는 도 1의 e-LSD 민첩한 주행성능 제어를 상세히 나타낸 도면, 도 6은 도 1의 회생제동 판단을 상세히 나타낸 도면, 도 7은 도 1의 e-LSD 회생제동 연계제어를 상세히 나타낸 도면이다.
엔진으로 구동되는 내연기관 차량과 달리, 전기차(EV)는 모터로 구동된다. 모터의 동력원은 배터리나 연료전지 등 다양하게 구비될 수 있다. 구동 모터는 단수로 구비될 수 있고 복수로 구비될 수도 있다. 일반적인 승용 전기차의 경우 전륜측과 후륜측 2개의 구동축을 갖는데, 구동모터가 2개 구비된 듀얼 모터 전기차는 전륜에 구동력을 제공하는 전륜 구동모터와, 후륜에 구동력을 제공하는 후륜 구동모터가 장착되어 두 개의 구동모터가 각각 전륜과 후륜에 토크를 전달하여 4륜구동을 구현할 수 있다. 즉, 전륜 토크와 후륜 토크가 독립된 구동 모터로부터 나오는 것으로서, 이는 하나의 엔진으로 모든 구동륜에 동력을 전달하는 내연기관 차량과 구별되는 특징이다.
듀얼 모터 전기차에서 전륜 구동모터와 후륜 구동모터는 서로 다른 최대토크를 가질 수 있고, 주행 중에도 서로 다른 토크를 낼 수 있다. 이 같은 듀얼 모터의 토크 배분은 전기차의 무게 배분(무게 중심)이나 가속도 등 다양한 조건에 따라 적절하게 제어될 수 있다.
급커브길을 지나는 코너링 또는 선회 주행을 핸들링 주행이라 한다. 상기 핸들링 주행 중에 차량은 요잉(Yawing) 거동한다. 그런데 상기 핸들링 주행에서 과도한 진입속도나 급격한 조향각 등의 조건에서는 후륜 접지력이 상실되면서 슬립이 일어나 의도된 요레이트(Yaw Rate)보다 더 크게 선회하는 오버스티어 현상이 일어날 수 있다. 반대로 조향을 담당하는 전륜의 접지력이 상실되면 의도된 요레이트만큼 선회하지 못하는 언더스티어 현상이 일어날 수 있다.
이때 상기 전자식 차동 제한장치(e-LSD)는 좌우 바퀴의 토크 분배를 실시간으로 제어하여 오버스티어와 언더스티어 상황에서 차체를 안정적으로 유지시킬 수 있도록 한다. 구체적인 예로, 언더스티어가 발생하면 안쪽 바퀴보다 바깥쪽 바퀴에 더 큰 토크를 전달하고, 오버스티어가 발생하면 바깥쪽 바퀴보다 안쪽 바퀴에 더 큰 토크를 전달하는 방식이다. 이러한 토크 분배는 매우 신속하고 정확하게 이루어져야 한다.
전기차에는 상기 e-LSD를 전자 제어하는 컨트롤러가 구비된다. 상기 컨트롤러는 전기차의 각종 센서와 연결되어 차체의 운동에 관한 여러 정보를 전달받을 수 있다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 전기차용 전자식 차동 제한장치의 제어방법은, 컨트롤러가 전기차의 핸들링 주행 시작을 판단하는 단계(S100); 핸들링 주행 시작으로 판단되면, 상기 컨트롤러가 전기차 구동 모터가 싱글 모드인지 듀얼 모드인지 판단하는 단계(S200); 상기 컨트롤러가 전기차가 가속 상태인지 회생제동 상태인지 판단하는 단계(S300); 상기 컨트롤러가 전기차의 현재 운동 상태 값을 수신하고, 의도된 운동 상태 값과의 오차를 비교 연산하는 단계; 및 상기 컨트롤러가 상기 싱글 모드 또는 상기 듀얼 모드에 최적화된 토크값과 토크 변화율로 전자식 차동 제한장치를 제어하는 단계를 포함한다.
본 실시예는, 컨트롤러가 핸들링 주행을 시작하였는지 판단한다. 핸들링 주행을 판단하기 위하여, 차량의 속도, 조향 각도, 조향 각속도, 횡가속도, 요레이트가 설정치를 초과하였는지 비교하여, 이들이 모두 설정치를 초과하면 핸들링 주행으로 판단한다.
핸들링 주행을 시작한 상태로 판단하면, 상기 컨트롤러는 전기차가 e-LSD 장착 차종인지 여부를 판단하는 단계(S210)를 거쳐, e-LSD 장착 차종이면 싱글 모터 사양인지 판단하는 단계(S220)를 거친다.
싱글 모터 사양이면 싱글 모드 작동 상태로 판단한다. 본 실시예에서 싱글 모드는 후륜측 구동 모터만 작동되는 상태를 의미한다.
듀얼 모터 사양이면 듀얼 모터 중 어느 하나의 모터 토크가 0 Nm 이하인지 판단하는 단계(S230)를 거친다. 듀얼 모터 사양의 전기차라도 어느 하나의 모터 토크가 0Nm 이하이면 싱글 모드로 판단하고, 듀얼 모터의 토크 모두 0 Nm 초과이면 듀얼 모드로 판단한다.
싱글 모드는 후륜에만 토크가 전달되는 상태로 후륜구동(2륜구동)이고, 듀얼 모드는 전륜과 후륜 모두에 동력이 전달되는 전후륜구동(4륜구동)이다.
여기에서 주의할 것은 듀얼 모터가 장착된 차종이라 하더라도, 둘 중 하나의 현재 모터 출력 토크가 0 Nm 이하라면 실질적으로 싱글 모터 전기차와 같은 특성을 갖기 때문에, 둘 중 하나의 모터 토크가 0 Nm 이하인지 여부를 판단하는 단계를 더 거치는 것이다.
다음으로, 전기차가 가속 상태인지 판단한다. 여기에서 가속 상태란 운전자가 가속 페달을 밟고 있는 상태를 말한다. 따라서 가속 페달 개도량을 측정하여 개도량(%)이 양수이면 가속 상태로 판단한다.
상기 컨트롤러는 CAN 통신을 통해서 차체의 운동 정보를 측정하는 각종 센서와 연결되어 있다. 상기 컨트롤러가 전달받는 정보의 예시로는 조향 각도, 횡가속도, 요레이트 값 등이 있다.
상기 컨트롤러는 운전자가 의도하는 요레이트 값 대비 실제 요레이트 값을 비교하여 오차를 연산한다. 의도된 요레이트보다 실제 요레이트가 설정치 이상으로 크면 오버스티어, 설정치 이상으로 작으면 언더스티어로 판단하고, 조향각 정보를 더해 카운터스티어를 판단한다.
오버스티어, 언더스티어, 카운터스티어 각각에 상태에 대하여, 앞서 판단된 싱글 모드 또는 듀얼 모드에 따라 최적화 설정된 e-LSD 토크값과 토크 변화율로 제어한다. 예를 들면, 같은 오버스티어 상태에서도 싱글 모드와 듀얼 모드에 따라 e-LSD에서의 좌우 토크 분배값과 토크 변화율은 다르게 설정될 수 있다. 이처럼 e-LSD가 능동적으로 개입하여 좌우 토크에 변화를 줌으로써 불안정한 차체를 제어하여 안정적인 주행을 달성할 수 있다.
오버스티어, 언더스티어, 카운터스티어 조건에 모두 해당하지 않는다면 차량이 정상적으로 거동 중인 것이므로 e-LSD 제어 대기 상태가 된다. e-LSD 제어 대기 상태에서는 e-LSD의 적극적인 개입이 이루어지지 않는다.
만약 전기차가 가속 상태가 아니라면, 회생제동 상태인지 판단한다. 내연기관 차량과 달리 전기차는 주행거리 향상을 위해 회생제동 시스템이 탑재된다. 회생제동 시스템은 차량이 감속할 때의 운동에너지를 전기에너지로 변환하여 배터리에 저장하는 시스템으로 알려져 있다.
운전자가 브레이크 페달을 밟은 상태에서는 회생제동이 작동하지 않고 브레이크의 마찰력에 의해 감속된다. 따라서, 운전자가 브레이크 페달을 밟은 상태면 감속 상태로 판단한다.
운전자가 브레이크 페달을 밟지 않은 상태이고, 회생제동 토크값이 양수이면 회생제동 상태로 판단한다.
전기차가 회생제동 상태로 판단되면, e-LSD를 회생제동과 연계하여 제어한다. 회생제동은 운전자가 여러 레벨로 설정할 수 있으며, 회생제동 레벨에 따라서 회생제동 토크값이 정해져 있다. 큰 레벨로 설정하면 더 급격하게 감속되고, 작은 레벨로 설정하면 더 완만하게 감속된다.
상기 컨트롤러는 설정된 회생제동 레벨 또는 현재 회생제동 토크값을 수신하고, 싱글 모드인지 듀얼 모드인지 판단한다. 그리고, 싱글 모드와 듀얼 모드 각각에 맞게 최적화된 e-LSD 토크값과 토크 변화율로 e-LSD를 제어한다. 회생제동 상태가 아닌 경우의 e-LSD 토크값 등은, 회생제동 상태에서의 e-LSD 토크값 등과 차이가 있을 수 있다. 회생제동 상태에서는 차량이 빠르게 감속되고, 회생제동 토크값이 클수록 더 큰 가속도를 갖는다. 따라서, 감속되는 정도를 계산하고 그에 따른 e-LSD에서의 토크 분배가 회생제동에 최적화되어 이루어진다.
이하, 본 실시예에 따른 전기차용 전자식 차동 제한장치의 작용효과에 대해 설명한다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따라 제어되는 e-LSD가 장착된 전기차와 e-LSD가 장착되지 않은 전기차를 싱글 모드에서 비교한 도면이다. (a)는 e-LSD가 미장착된 전기차이고 (b)는 e-LSD가 장착된 전기차이다.
(a)처럼 e-LSD가 미장착된 전기차는 선회 시 내외측 후륜에 가해지는 토크가 균등하게 배분된다.
그런데, 전기차의 가속 선회 시 후륜과 노면간 접지력보다 더 큰 구동력이 전달되면 내측 후륜에 슬립이 발생하여 구동 토크 손실이 일어날 수 있고 안정적인 자세를 유지하지 못할 수도 있다.
반면 (b)처럼 본 실시예에 따라 제어되는 e-LSD가 장착된 전기차는 e-LSD에 의해서 선회 방향을 기준으로 외측 후륜에 더 큰 토크가 능동적으로 분배될 수 있다. 이에 따라 내측 후륜의 슬립 가능성을 줄이고 구동 토크 손실도 줄일 수 있다. 결과적으로 전기차의 한계 핸들링 성능이 높아져서 보다 빠른 속도로 급격한 선회 운동이 가능하게 된다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따라 제어되는 e-LSD가 장착된 전기차와 e-LSD가 장착되지 않은 전기차를 듀얼 모드에서 비교한 도면이다. (a)는 e-LSD가 미장착된 전기차이고 (b)는 e-LSD가 장착된 전기차이다.
(a)처럼 e-LSD가 미장착된 전기차는 선회 시 내외측 후륜에 가해지는 토크가 균등하게 배분된다.
그런데, 전기차의 가속 선회 시 후륜과 노면간 접지력보다 더 큰 구동력이 전달되면 내측 후륜에 슬립이 발생하여 구동 토크 손실이 일어날 수 있고 안정적인 자세를 유지하지 못할 수도 있다.
반면 (b)처럼 본 실시예에 따라 제어되는 e-LSD가 장착된 전기차는 e-LSD에 의해서 선회 방향을 기준으로 외측 후륜에 더 큰 토크가 능동적으로 분배될 수 있다. 이에 따라 내측 후륜의 슬립 가능성을 줄이고 구동 토크 손실도 줄일 수 있다.
그런데, 이 같은 e-LSD 제어로 인해 증대된 토크는 내외측 양쪽 후륜 모두에 슬립을 발생시킬 수도 있다. 즉, 외측 후륜에 증대된 토크가 접지력보다 큰 토크이고, 내측 후륜에 토크를 감소시켰으나 여전히 접지력보다 큰 경우를 예로 들 수 있다.
이러한 경우에는 후륜을 구동하는 후륜측 모터 토크 자체를 감소시키거나, 반대로 전륜측 모터 토크를 증가시켜서 후륜의 노면 접지력을 확보할 수 있다.
따라서, 듀얼 모드의 경우 필요 시 전륜측 모터 토크를 증가시키는 등의 제어로 전기차 조향방향으로의 차체 종가속도를 높여 오버스티어링을 줄일 수 있다. 결과적으로 전기차의 한계 핸들링 성능이 높아져서 보다 빠른 속도로 급격한 선회 운동이 가능하게 된다.

Claims (6)

  1. 컨트롤러가 전기차의 핸들링 주행 시작을 판단하는 단계;
    핸들링 주행 시작으로 판단되면, 상기 컨트롤러가 전기차 구동 모터가 싱글 모드인지 듀얼 모드인지 판단하는 단계;
    상기 컨트롤러가 전기차가 가속 상태인지 회생제동 상태인지 판단하는 단계;
    상기 컨트롤러가 전기차의 현재 운동 상태 값을 수신하고, 의도된 운동 상태 값과의 오차를 비교 연산하는 단계; 및
    상기 컨트롤러가 상기 싱글 모드 또는 상기 듀얼 모드에 최적화된 토크값과 토크 변화율로 전자식 차동 제한장치를 제어하는 단계;
    를 포함하는 전기차용 전자식 차동 제한장치의 제어방법.
  2. 제1항에 있어서,
    컨트롤러가 전기차의 핸들링 주행 시작을 판단하는 단계는,
    전기차의 속도, 조향각도, 조향각속도, 횡가속도 및 요레이트가 모두 설정치를 초과하면 핸들링 주행 시작으로 판단하는 전기차용 전자식 차동 제한장치의 제어방법.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 컨트롤러가 전기차 구동 모터가 싱글 모드인지 듀얼 모드인지 판단하는 단계는,
    전기차가 전자식 차동 제한장치가 장착된 차종인지 여부를 판단하는 단계;
    싱글 모터가 장착된 전기차인지 듀얼 모터가 장착된 전기차인지 판단하는 단계; 및
    싱글 모터가 장착된 전기차와, 듀얼 모터 중 하나의 모터 토크가 0 이하인 전기차는 싱글 모드로 판단하고, 듀얼 모터의 모터 토크가 모두 0 초과인 전기차는 듀얼 모드로 판단하는 단계;
    를 포함하는 전기차용 전자식 차동 제한장치의 제어방법.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 컨트롤러가 전기차가 가속 상태인지 회생제동 상태인지 판단하는 단계는,
    상기 컨트롤러는 가속페달 개도량이 양수값이면 가속 상태로 판단하고, 가속페달 개도량이 0이고 회생제동 토크가 양수값이면 회생제동 상태로 판단하는 전기차용 전자식 차동 제한장치의 제어방법.
  5. 제4항에 있어서,
    전기차가 가속 상태로 판단되면,
    상기 컨트롤러가 전기차의 조향각, 횡가속도, 요레이트 값을 수신하고, 운전자가 의도한 요레이트 값과 실제 수신된 요레이트 값을 비교하여 오차를 연산하고, 상기 오차와 상기 횡가속도 값에 따라 상기 전자식 차동 제한장치의 토크값과 토크 변화율을 제어하는 전기차용 전자식 차동 제한장치의 제어방법.
  6. 제4항에 있어서,
    전기차가 회생제동 상태로 판단되면,
    상기 컨트롤러가 현재 회생제동 토크값을 수신하고, 상기 회생제동 토크값에 따라 상기 전자식 차동 제한장치의 토크값과 토크 변화율을 제어하는 전기차용 전자식 차동 제한장치의 제어방법.
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