KR20230168325A - 전기자동차의 내연기관 차량 특성 구현 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 전기자동차의 내연기관 차량 특성 구현 방법에 관한 것으로서, 내연기관과 변속기, 클러치 등이 제공하는 운전 감성과 재미, 박진감과 직결감 등을 느낄 수 있도록 전기자동차에서 가상의 내연기관 구동계 특성을 구현해줄 수 있는 방법을 제공하는데 주된 목적이 있는 것이다. 상기한 목적을 달성하기 위해, 전기자동차에서, 제어기에 의해, 실시간 차량 운전 정보가 취득되는 단계; 상기 제어기에 의해, 상기 취득된 실시간 차량 운전 정보에 기초하여 차량을 구동하는 모터와 구동륜 사이의 구동계 내 기어들의 치면 압력이 결정되는 단계; 상기 제어기에 의해, 상기 결정된 구동계 내 기어들의 치면 압력을 기초로 내연기관 자동차의 구동계 특성을 모사한 가상 효과를 발생시키기 위한 가상 효과 신호가 생성되는 단계; 및 상기 제어기에 의해, 상기 생성된 가상 효과 신호에 따라 가상 효과를 발생시키는 가상 효과 발생 장치의 작동이 제어됨으로써 내연기관 자동에서의 구동계 특성을 모사한 가상 효과가 발생하는 단계를 포함하는 전기자동차의 내연기관 차량 특성 구현 방법이 개시된다.

Description

전기자동차의 내연기관 차량 특성 구현 방법{METHOD OF VIRTUALIZING CHARACTERISTICS OF INTERNAL-COMBUSTION-ENGINE VEHICLE IN ELECTRIC VEHICLE}

본 발명은 전기자동차의 내연기관 차량 특성 구현 방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 전기자동차에서 내연기관 및 변속기, 클러치 등 구동계의 작동감과 내연기관 차량에서의 운전감을 구현할 수 있는 방법에 관한 것이다.

알려진 바와 같이 전기자동차(Electric Vehicle, EV)는 구동장치로서 모터를 이용하여 주행하는 자동차이다. 또한, 배터리 전기자동차(Battery Electric Vehicle, BEV)는 모터만을 이용하여 주행하는 순수 전기자동차이다.

배터리 전기자동차의 구동계는 모터를 구동시키기 위한 전력을 공급하는 배터리, 배터리에 연결된 인버터, 차량을 구동하는 구동장치로서 인버터를 통해 배터리에 충, 방전 가능하게 연결된 모터, 그리고 모터의 회전력을 감속하여 구동륜에 전달하는 감속기를 포함한다.

통상의 전기자동차에서는 기존의 내연기관(Internal Combustion Engine, ICE) 자동차와 달리 다단 변속기를 사용하지 않으며, 대신 고정 기어비를 사용하는 감속기를 모터와 구동륜 사이에 배치한다.

이는, 내연기관이 운전점에 따른 에너지 효율의 분포 범위가 넓고 고속 영역에서만 고토크를 제공할 수 있는 것과 달리, 모터의 경우 운전점에 따른 효율의 차이가 상대적으로 적고 모터 단품의 특성만으로도 저속 고토크의 구현이 가능하기 때문이다.

또한, 기존의 내연기관 구동계를 탑재한 자동차에서는 저속 구동이 불가능한 내연기관의 특성 때문에 토크 컨버터나 클러치와 같은 발진 기구를 필요로 하지만, 전기자동차의 구동계에서는 모터가 저속 구동이 용이한 특성을 가짐에 따라 발진 기구가 삭제될 수 있다.

그리고, 전기자동차의 구동계는, 기존의 내연기관 자동차와 같이 연료를 연소시켜 동력을 발생시키는 것이 아닌, 배터리의 전력으로 모터를 구동하여 동력을 발생시킨다.

이에 공기역학 및 열역학적 반응에 의해 생성되는 내연기관의 토크와 달리 전기자동차의 토크는 대체로 내연기관의 토크에 비해 정교하고 부드러우며 반응성이 빠른 특성이 있다. 이러한 기구적 차이로 인해 전기자동차에서는 내연기관 자동차와 달리 변속 등으로 인한 운전성의 끊김이 없고 부드러운 운전성을 제공할 수 있다.

또한, 기존 내연기관 구동계를 탑재한 자동차에서 주된 진동원은 내연기관(엔진)이다. 시동 온(on) 상황에서 내연기관의 주기적인 폭발력으로 인해 발생한 진동은 구동계나 마운트 등을 통해 차체와 승객에게 전달된다.

흔히 이러한 진동은 감쇠시켜야 할 부정적인 요소로 여겨진다. 이러한 측면에서 모터가 엔진을 대체한 전기자동차에서는 진동원이 존재하지 않기 때문에 승차감 개선의 관점에서 내연기관 자동차에 비해 유리하다.

그러나, 운전 재미(fun-to-drive)를 원하는 운전자에게는 엔진으로부터 전달되는 진동의 부재가 지루함을 느끼게 할 수 있다. 특히, 고성능을 지향하는 특색을 가진 전기자동차에서는 부드러운 느낌만이 아닌 거칠고 떨리는 감성을 제공해야 할 때가 있다.

하지만, 전기자동차에서는 이러한 감성적 요소를 운전자에게 제공하는데 한계가 있다. 이에 내연기관 자동차에서 구동계에 의해 발생하는 진동과 음향을 모사한 가상 효과를 전기자동차에서 연출할 수 있는 방법이 필요하다.

특히, 운전자가 엔진, 변속기, 클러치 등이 주는 운전 감성과 재미, 박진감 및 직결감 등을 느끼기를 원할 때 내연기관 자동차로 교체할 필요 없이 자신의 차량에서 원하는 감성을 체험할 수 있도록 가상 운전성 구현 기능을 제공하는 것이 필요하게 되었다.

따라서, 본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 창출한 것으로서, 전기자동차에서 내연기관(엔진)과 변속기, 클러치 등이 제공하는 운전 감성과 재미, 박진감과 직결감 등을 느낄 수 있도록 내연기관 자동차의 구동계 특성을 구현해줄 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, 전기자동차에서, 제어기에 의해, 실시간 차량 운전 정보가 취득되는 단계; 상기 제어기에 의해, 상기 취득된 실시간 차량 운전 정보에 기초하여 차량을 구동하는 모터와 구동륜 사이의 구동계 내 기어들의 치면 압력이 결정되는 단계; 상기 제어기에 의해, 상기 결정된 구동계 내 기어들의 치면 압력을 기초로 내연기관 자동차의 구동계 특성을 모사한 가상 효과를 발생시키기 위한 가상 효과 신호가 생성되는 단계; 및 상기 제어기에 의해, 상기 생성된 가상 효과 신호에 따라 가상 효과를 발생시키는 가상 효과 발생 장치의 작동이 제어됨으로써 내연기관 자동에서의 구동계 특성을 모사한 가상 효과가 발생하는 단계를 포함하는 전기자동차의 내연기관 차량 특성 구현 방법을 제공한다.

이로써, 본 발명에 따른 전기자동차의 내연기관 차량 특성 구현 방법에 의하면, 내연기관(엔진)과 변속기, 클러치 등이 부재한 전기자동차에서 내연기관 자동차의 구동계 특성을 진동과 음향을 통해 생성하여 제공할 수 있고, 전기자동차에서 실제 내연기관과 변속기, 클러치가 작동하는 듯한 작동감 및 운전감을 운전자에게 제공할 수 있다.

또한, 운전자가 내연기관 자동차로 교체할 필요 없이 자신의 차량에서 내연기관 자동차의 구동계가 제공하는 운전 감성과 재미, 박진감과 직결감 등을 느낄 수 있게 된다.

특히, 구동계 기어 치면 압력에 연동하는 가상 진동과 가상 음향을 생성함으로써 가상 효과의 현실감을 극대화할 수 있고, 현실감 높은 가상 효과 제공으로 차량의 상품성 향상에 크게 기여할 수 있다.

도 1과 도 2는 차량의 구동계 기어요소를 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 3은 본 발명에 따른 내연기관 차량 특성 구현을 위한 장치의 구성을 나타낸 블록도이다.
도 4는 본 발명에 따른 내연기관 차량 특성 구현 과정을 나타낸 순서도이다.
도 5는 본 발명에서 기어 치면 압력에 따른 가상 진동 신호 및 가상 음향 신호의 파형 및 그 크기를 간략 예시한 도면이다.
도 6은 본 발명에서 기어 치면 압력이 0인 경우 가상 진동 신호 및 가상 음향 신호의 파형 및 그 크기를 예시한 도면이다.
도 7은 구동계 기어 모델의 예를 나타낸 도면이다.
도 8은 드라이브 샤프트 토션 모델(drive shaft torsion model)의 예를 나타낸 도면이다.
도 9는 본 발명에서 가상 진동 및 가상 음향이 실시간으로 변화하는 예를 나타낸 도면이다.
도 10은 내연기관의 실린더 압력 상태를 나타낸 도면이다.
도 11은 본 발명에서 기어 치면 압력이 산출된 후 가상 효과의 파형에 있어 크기와 형상을 실시간으로 변화시키는 예를 나타내는 도면이다.

이하에서는 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 대해 상세히 설명한다. 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 의해 발명이 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 의해 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 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 내연기관과 변속기, 클러치 등이 제공하는 운전 감성과 재미, 박진감과 직결감 등을 느낄 수 있도록 전기자동차에서 내연기관 자동차의 구동계 특성을 구현할 수 있는 방법을 제공하고자 하는 것이다.

또한, 본 발명은 내연기관 자동차로 교체할 필요 없이 운전자가 자신의 차량에서 원하는 내연기관 자동차에서의 운전성과 감성을 느낄 수 있도록 해주는 가상 운전성 구현 방법을 제공하고자 하는 것이다.

이를 위해서는 적용 대상 차량인 전기자동차에서 내연기관 자동차의 구동계 특성에 연동하는 가상 효과를 발생시켜야 운전자에게 더 현실감이 있고 더 실제와 같은 운전성 및 감성을 제공할 수 있지만, 종래에는 단순히 운전자의 운전 입력 정보인 가속페달 입력값(APS 값)이나 구동계 속도 또는 차속에만 연동하는 가상 효과를 발생시킬 뿐, 실제 내연기관 자동차의 구동계 특성에 가까운 가상 효과를 구현하는데 한계가 있었다.

또한, 전기자동차에서 가상 사운드를 생성하여 제공하는 것이 알려져 있긴 하지만, 이러한 종래기술에서는 가상 사운드가 실제 내연기관(엔진) 자동차에서 발생하는 사운드와 차이가 있어 운전자가 이질감을 느낄 수 있는 등의 문제가 있었다.

이에 본 발명에서는 내연기관 자동차에서 느낄 수 있었던 구동계 특성을 전기자동차에서 구현 및 제공하기 위해 가상의 진동 및 음향을 발생시키며, 차량의 구동계 특성 및 실제 구동 상황에 연동하는 가상의 진동 및 음향을 발생시킴으로써 운전자로 하여금 더 실감나는 내연기관 구동계의 감성 및 운전성을 느낄 수 있도록 하는데 주안점이 있다.

본 발명에서는 운전자로 하여금 실제 내연기관 자동차와 비교하여 이질감이 없고 다이내믹한 감성적 효과를 체험할 수 있도록 구동계 기어 치면 압력에 연동하는 가상 진동 및 음향 효과를 생성 및 제공할 수 있도록 한 것에 주된 기술적 특징이 있다.

본 발명에서 전기자동차는 차량을 구동하는 구동장치로서 모터를 이용하여 주행하는 차량, 예컨대 순수 전기자동차인 배터리 전기자동차(Battery Electric Vehicle, BEV), 하이브리드 자동차(Hybrid Electric Vehicle, HEV), 연료전지 자동차(Fucel Cell Electric Vehicle, FCEV)를 모두 포함하는 넓은 의미의 전기자동차이다.

하이브리드 자동차의 경우 모터만으로 주행하는 EV 모드에서 본 발명에 따른 가상 효과 생성 및 구현 과정이 수행되도록 할 수 있다. 이와 같이 본 발명에 따른 내연기관 차량 특성 구현 방법은 모터로 주행하는 전기자동차에 적용될 수 있다.

이하의 설명에서 내연기관과 엔진은 같은 의미의 용어이고, 모터는 차량을 구동하는 구동모터를 의미한다.

기존 내연기관(엔진)이 탑재된 차량에서 발생하는 진동과 음향은 주로 다음과 같이 분류할 수 있다.

1. 엔진 흡기에 의한 유동 음향

2. 엔진 연소실에서의 폭발 행정과 압력 변화로 인한 방시 진동 및 음향

3. 엔진의 진동이 구동계를 통해 차체로 전달되는 진동 및 방사되는 음향

4. 엔진 배기계에 의한 진동 및 유동 공명 음향

이 중에 차량 실내에 있는 운전자나 승객에게 가장 중요하게 작용하는 것은 위 3번 엔진의 진동이 구동계를 통해 차체로 전달되는 진동 및 방사되는 음향이다.

따라서, 전기자동차에서의 가상 효과, 즉 내연기관 자동차에서 구동계에 의해 발생하는 진동과 음향을 모사한 가상의 진동과 음향을 연출하는 주 목적이, 전기자동차의 운전자에게 내연기관 자동차에서와 같은 감성적 효과를 제공하기 위한 것이므로, 전기동차에서의 가상 진동 및 음향 연출은 내연기관 자동차의 진동 및 음향 중 위 3번에 해당하는 진동 및 음향 효과를 가장 중요하게 고려해야 한다.

또한, 전기자동차에서 진동이 차량의 구동계를 통해 차체 및 캐빈으로 방사되는 정도는 구동계 기어의 치면 압력에 비례한다. 여기서, 구동계 기어는 모터와 구동륜 사이에서 토크 전달이 이루어지는 기어들을 의미하고, 이는 전기자동차에서 모터와 구동륜 간 회전력 전달이 이루어지는 공지의 구동계 내 기어들을 의미하는 것일 수 있다. 전기자동차에서 대표적인 구동계 기어로는 감속기의 기어들이 있다.

본 발명에서는 내연기관 자동차의 구동계 특성을 모사한 가상 효과로서 구동계 기어의 치면 압력에 연동하는 진동과 음향을 전기자동차에서 발생시킴으로써 가상 효과의 현실감을 극대화하고, 현실감 높은 가상 효과 제공으로 차량의 상품성을 향상시킬 수 있게 된다.

도 1과 도 2는 차량의 구동계 내 기어들을 개략적으로 나타낸 것으로, 전기자동차에서 구동장치인 모터와 이 모터에 동력 전달 가능하게 연결된 구동륜 사이의 구동계 내에는, 상호 맞물림 및 동시 회전을 통해 토크(및 힘) 전달을 수행하는 다수의 기어들이 존재한다.

내연기관 자동차의 구동계에서 기어의 치면 압력의 크기가 클수록 구동계의 여러 운동부품 간 진동 전달 특성이 강체에 가까워지게 되므로, 내연기관에서 발생한 진동의 전달률이 상승한다.

반대로, 구동계 내 기어의 치면 압력의 크기가 작을수록 인접한 운동부품 간 스트레스(stress)가 낮아 진동이 전달되기 어려우므로, 주위 윤활부에 의해 진동 에너지가 감쇠되어 진동 전달률이 낮아진다. 즉, 구동계 기어의 치면 압력의 크기(압력의 절대값)이 클수록 진동의 크기가 커지고 구동계 기어의 치면 압력의 크기가 작을수록 진동의 크기가 작아지는 것이다(후술하는 도 9, 도 11 참조).

이를 고려하여, 본 발명에서 구동계 기어의 치면 압력(압력의 절대값)의 크기가 클수록 가상 효과의 크기(진동의 진폭 및 음향의 음량)가 더 커지고, 구동계 기어의 치면 압력의 크기가 작을수록 상기 가상 효과의 크기가 더 작아지도록 한다.

본 발명에서는, 전기자동차에서 상기와 같은 구동계의 특성을 나타낼 수 있도록, 내연기관 자동차에서의 특성을 모사한 가상 효과로서, 후술하는 바와 같이 가상의 진동과 음향을 설정하고, 상기 구동계의 특성이 반영된 가상의 진동과 음향을 생성 및 구현하여 운전자에게 제공하는 것에 주된 기술적 특징이 있다 하겠다.

참고로, 본 발명에서 치면 압력은 맞물린 기어들의 치면 간에 압착에 의해 작용하는 압력을 의미하고, 기어의 특징상 각 치(齒)별로 치면 압력이 작용할 수 있는 면은 2개(각 치의 양측 표면)가 존재한다. 2개의 기어가 치합된 상태에서 전달되는 토크의 방향에 따라 상기 기어별 각 치의 2개 면 중 선택된 하나에 치면 압력이 작용하게 된다.

예를 들어, 두 기어를 통해 정방향 토크가 전달될 때 상기 기어별로 각 치의 2개 면 중 하나에 압착에 의한 치면 압력(정방향 압력)이 작용하게 되고, 반대로 역방향 토크가 전달될 때 상기 기어별로 각 치의 2개 면 중 다른 하나에 압착에 의한 치면 압력(역방향 압력)이 작용하게 된다.

여기서, 구동장치(후술하는 도 3에서 도면부호 '41'임)인 모터로부터 인가되는 정방향 토크는 차량을 가속시키는 방향의 토크이고, 역방향 토크는 차량을 감속시키는 방향의 토크로 정의할 수 있다.

또한, 압력은 물리적으로 벡터(vector) 값이 아닌 스칼라(scalar) 값이어서 방향성을 지니지 않지만, 본 명세서에서는 설명의 편의를 위해 정방향 토크가 가해짐으로써 작용하는 치면 압력을 정방향 압력, 역방향 토크가 가해짐으로써 작용하는 치면 압력을 역방향 압력으로 정의할 수 있고, 이때 압력값이 방향성을 지닐 수 있다.

본 발명의 설명에서 치면 압력의 크기가 음(-)인 압력(도 9, 11 참조)은 역방향 압력을 의미하고, 치면 압력의 크기가 양(+)인 압력은 정방향 압력을 의미한다. 또한, 정방향 압력은 두 기어의 각 치의 2개 면 중 하나에 작용하는 치면 압력이고, 역방향 압력은 두 기어의 각 치의 2개 면 중 다른 하나에 작용하는 치면 압력이다.

이와 같이 서로 치합된 상태의 각 기어에서 하나의 치에 작용하는 치면 압력에 있어, 음의 압력과 양의 압력의 구분, 그리고 정방향 압력과 역방향 압력의 구분은 토크의 방향에 따른 것이다(도 2 참조).

도 3은 본 발명에 따른 내연기관 차량 특성 구현을 위한 장치의 구성을 나타낸 블록도이고, 도 4는 본 발명에 따른 내연기관 차량 특성 구현 과정을 나타낸 순서도이다.

본 발명에 따른 내연기관 차량 특성 구현 방법은 내연기관 자동차에서의 구동계 작동감과 운전감을 전기자동차에서 구현할 수 있는 방법이다.

또한, 본 발명에서 내연기관 차량의 특성을 구현한다는 것은, 전기차동차인 적용 대상 차량의 구동계 작동시 실제 발생하지 않는 진동과 음향이지만, 내연기관 자동차에서 발생하는 것과 최대한 유사한 진동과 음향을 전기자동차에서 실제로 발생시키는 것을 의미한다.

특히, 본 발명에서 내연기관 차량의 특성을 구현한다는 것은, 내연기관 자동차에서 구동계 특성 및 구동계의 구동 상황, 차량 운전 상태 등에 따라 구동계에 의해 발생하는 실제 진동과 음향을 모사한 진동 및 음향을 전기자동차에서 실제로 생성 및 연출하여 제공하는 것을 의미한다.

본 발명에서 상기 실제 진동과 음향을 모사한 진동 및 음향을 '가상 진동' 및 '가상 음향'이라 정의하고, 이하의 설명에서 '가상 효과'는 상기한 가상 진동과 가상 음향 중 하나 또는 둘 모두를 포함하는 것이다.

도 3에 나타낸 바와 같이, 본 발명에 따른 내연기관 차량 특성을 구현하는 장치는, 차량에 설치되는 것으로서, 차량 운전 정보를 검출하는 운전정보 검출부(12), 상기 운전정보 검출부(12)에 의해 검출되는 차량 운전 정보를 기초로 토크 지령을 생성 및 출력하는 제1 제어기(20), 그리고 상기 제1 제어기(20)가 출력하는 토크 지령에 따라 구동장치(41)의 작동을 제어하는 제2 제어기(30)를 포함하여 구성된다.

이하의 설명에서 제어 주체를 제1 제어기(20)와 제2 제어기(30)로 구분하여 설명하지만, 본 발명에 따른 내연기관 차량 특성 구현 및 가상 효과 구현을 위한 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 통칭하는 제어기에 의해 본 발명의 제어 과정이 수행된다 할 수 있다. 이하의 설명에서 '제어기'는 상기 제1 제어기(20)와 제2 제어기(30)를 통칭하는 것이라 할 수 있다.

상기 운전정보 검출부(12)는 차량에서 운전자 요구 토크를 결정하고 가상 효과 구현 기능을 수행하기 위해 필요한 차량 운전 정보를 검출하는 구성부로서, 상기 차량 운전 정보는 운전자의 운전 입력 정보와 차량 상태 정보를 포함하는 것일 수 있다. 이하의 설명에서 '가상 효과 구현 기능'은 가상 효과(내연기관 자동차의 진동과 음향을 모사한 가상 진동과 가상 음향)을 생성 및 구현하는 기능을 의미한다.

본 발명의 실시예에서, 운전정보 검출부(12)는, 운전자의 가속페달 조작에 따른 가속페달 입력 정보를 검출하는 가속페달 검출부, 운전자의 브레이크 페달 조작에 따른 브레이크 페달 입력 정보를 검출하는 브레이크 페달 검출부, 그리고 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. 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.

상기 차속 검출부는 휠속 센서를 포함할 수 있고, 이 휠속 센서의 신호로부터 차속 정보가 얻어지는 것은 당해 기술분야에서 잘 알려진 기술 사항이므로 그에 대한 상세한 설명은 생략하기로 한다.

이로써, 운전정보 검출부(12)에 의해 검출되는 차량 운전 정보 중 운전자의 운전 입력 정보는, 운전자의 가속페달 조작에 따른 운전 입력값으로서 상기 가속페달 검출부에 의해 검출되는 가속페달 입력값(APS 값), 및 운전자의 브레이크 페달 조작에 따른 운전 입력값으로서 상기 브레이크 페달 검출부에 의해 검출되는 브레이크 페달 입력값(BPS 값)을 포함한다. 이때 차속 검출부에 의해 검출되는 차속은 상기 차량 운전 정보 중 차량 상태 정보가 된다.

또한, 운전정보 검출부(12)는 차량 구동계의 회전속도를 검출하는 속도 검출부를 더 포함할 수 있고, 여기서 차량 구동계의 회전속도(구동계 속도)는 모터의 회전속도(모터 속도)와 구동륜(43)의 회전속도(구동륜 속도)를 포함하는 것일 수 있다. 이에 더하여, 차량 구동계의 회전속도(구동계 속도)는 드라이브 샤프트의 회전속도(드라이브 샤프트 속도)를 더 포함하는 것일 수 있다.

이때 속도 검출부는 모터에 설치된 레졸버, 및 구동륜(43)에 설치된 휠속 센서를 포함하는 것일 수 있고, 이에 더하여 드라이브 샤프트 속도를 검출할 수 있는 센서를 더 포함하는 것일 수 있다. 또한, 이때 차량 운전 정보는 구동계 속도를 더 포함하게 되며, 구동계 속도는 차량 운전 정보 중 차량 상태 정보가 된다.

한편, 도 3에 도시된 장치의 구성 중 제1 제어기(20)는 실시간 차량 운전 정보를 기초로 구동장치(41)의 작동을 제어하기 위한 토크 지령을 결정 및 생성하여 출력한다. 여기서, 구동장치(41)는 차량을 구동하는 모터이다.

상기 제1 제어기(20)는, 운전정보 검출부(12)를 통해 취득되는 실시간 차량 운전 정보로부터 운전자 요구 토크를 결정하고 상기 결정된 운전자 요구 토크를 발생시키기 위한 기본 토크 지령을 생성하는 기본 토크 지령 생성부(21)를 포함한다.

이어 더하여, 상기 제1 제어기(20)는, 구동계의 실시간 출력 토크 정보를 기초로 구동계 기어의 치면 압력을 결정하고 상기 결정된 구동계 기어의 치면 압력을 기초로 가상 효과 생성 및 구현을 위한 가상 효과 지령(가상 효과 신호)을 생성하는 가상 효과 연출 제어부(22)를 더 포함한다.

본 발명에서 구동계의 실시간 출력 토크는 구동계의 실시간 입력 토크로부터 구동계 모델에 의해 결정될 수 있고, 여기서 구동계의 입력 토크로는 모터 토크 지령이 이용될 수 있다. 이때 모터 토크 지령은 실시간 차량 운전 정보로부터 결정되므로 상기 구동계의 기어 치면 압력은 궁극적으로 실시간 차량 운전 정보로부터 결정되는 것이라 할 수 있다.

이에 더하여, 상기 제1 제어기(20)는, 상기 기본 토크 지령 생성부(21)에서 출력되는 기본 토크 지령과 상기 가상 효과 연출 제어부(22)에서 출력되는 가상 효과 지령을 이용하여 최종 토크 지령을 생성 및 출력하는 최종 토크 지령 생성부(23)를 더 포함한다.

상기 최종 토크 지령은 제2 제어기(30)로 전달되고, 제2 제어기(30)는 최종 토크 지령에 따라 차량을 구동하는 구동장치(41)의 작동을 제어하게 된다. 여기서, 구동장치(41)는 차량을 구동하는 모터이다.

상기 구동장치(41)인 모터가 출력하는 토크 및 회전력은 도 3에 나타낸 바와 같이 감속기(42)에 의해 감속된 뒤 구동륜(43)에 전달되는데, 제2 제어기(30)에 의해 제1 제어기(20)의 최종 토크 지령에 따라 모터의 작동이 제어되면, 가상의 내연기관 구동계 특성이 구현될 수 있다.

이때 제1 제어기(20)에서 생성 및 출력되는 최종 토크 지령은 가상의 내연기관 구동계 특성을 구현할 수 있는 모터 토크 지령이며, 상기 최종 토크 지령에 따라 차량의 구동장치(41)인 모터의 작동이 제어되면, 차량 주행 동안의 구동계 기어 치면 압력에 상응하는 차량 진동 및 차량 거동을 유발할 수 있는 모터 토크의 출력이 이루어질 수 있다.

본 발명에서 제1 제어기(20)는 통상의 전기자동차에서 차량 운전 정보에 기초하여 모터 토크 지령을 생성하는 차량 제어기(Vehicle Control Unit, VCU)일 수 있고, 제2 제어기(30)는 모터 토크 지령에 따라 모터의 작동을 제어하는 모터 제어기(Motor Control Unit, MCU)일 수 있다.

본 발명에서 가상 효과 연출 제어부(22)는, 상기 기본 토크 지령 생성부(21) 및 이에 의해 생성되는 기본 토크 지령과는 별개로, 가상 진동과 가상 음향의 생성 및 구현을 위한 가상 효과 신호(지령)를 결정 및 생성하여 출력하는 신규한 구성부이고, 이는 차량 제어기(VCU) 내에 그 일부로서 부가되거나 차량 제어기와는 별도의 제어요소로서 구비될 수 있다.

여기서, 가상 효과 신호는, 후술하는 바와 같이 진동기기(51) 또는 음향기기(54)의 작동을 위한 가상 효과 신호와 마찬가지로, 구동계 기어 치면 압력에 상응하는 가상 효과의 크기(진폭 및 음량)를 가지는 파형의 신호일 수 있다.

최종 토크 지령 생성부(23)에서는 기본 토크 지령 생성부(21)로부터 입력된 기본 토크 지령이 가상 효과 연출 제어부(22)로부터 입력된 가상 효과 지령에 의해 보정되며, 이때 기본 토크 지령 생성부(21)로부터 전달된 기본 토크 지령에 상기 가상 효과 지령을 합산하는 보정이 이루어질 수 있고, 상기 보정된 토크 지령이 모터 제어를 위한 최종 토크 지령이 된다.

본 발명에서 가상 효과 지령은 내연기관 자동차의 구동계 특성을 모사한 가상 효과를 생성하기 위한 가상 효과 신호라 할 수 있는 것으로서, 상기 가상 효과 신호인 가상 효과 지령이 최종 토크 지령에 반영되고, 상기 가상 효과 지령이 반영된 최종 토크 지령에 따라 모터의 작동이 제어됨으로써 내연기관 자동차의 구동계 특성을 모사한 가상 효과, 즉 가상 진동이 상기 모터에 의해 생성될 수 있게 된다.

이로써, 본 발명에서는 차량을 구동하는 모터에 의해 구동계 기어의 치면 압력에 연동하는 가상 진동이 생성될 수 있고, 이러한 가상 진동은 기존 내연기관 자동차에서 발생할 수 있는 진동을 모사한 진동으로서, 상기 최종 토크 지령에 따라 모터의 작동이 제어될 때 상기 모터에 의해 차량에서 실제 생성되는 진동이다. 이때 모터는 차량을 구동하기 위한 구동장치이지만, 가상 효과를 발생시킬 수 있는 가상 효과 발생 장치의 기능도 하게 된다.

그리고, 본 발명에 따른 내연기관 차량의 특성을 구현하는 장치는, 운전자가 가상 효과 구현 기능의 온(on)과 오프(off) 중 하나를 선택 입력하기 위해 이용하는 인터페이스부(11)를 더 포함할 수 있다.

본 발명에서 인터페이스부(11)로는 운전자가 차량에서 온(on)과 오프(off)를 선택적으로 조작할 수 있는 수단이면서 온(on)과 오프(off)에 따른 전기적인 신호를 출력할 수 있는 것이라면 사용 가능하며, 예로서 차량에 구비되는 버튼이나 스위치 등의 조작 장치, 그 밖에 AVN(Audio, Video and Navigation) 시스템의 입력 장치나 터치 스크린 등이 될 수 있다.

상기 인터페이스부(11)는 제1 제어기(20)에 연결될 수 있고, 더 구체적으로는 제1 제어기(20)에서도 후술하는 가상 효과 연출 제어부(22)에 연결될 수 있다. 이에 따라 인터페이스부(11)를 통한 운전자의 온(on) 또는 오프(off) 조작이 있게 되면, 인터페이스부(11)에서 온 신호 또는 오프 신호가 제1 제어기(20)의 가상 효고 연출 제어부(22)에 입력될 수 있다. 결국, 제1 제어기(20)의 가상 효과 연출 제어부(22)가 운전자에 의한 가상 효과 구현 기능의 온 또는 오프 조작 상태를 인식할 수 있게 된다.

본 발명에서 가상 효과 구현 기능은 운전자가 인터페이스부(11)를 통해 가상 효과 구현 기능의 온(on)을 입력한 경우에만 실행된다. 또한, 상기한 인터페이스부(11)가 차량에 설치된 입력 장치라면, 이러한 차량의 입력 장치 대신, 도 3에는 도시되지 않았지만, 인터페이스부(11)로서 모바일 기기(미도시)가 이용될 수 있고, 가상 효과 구현 기능의 온, 오프 조작을 운전자가 모바일 기기를 통해서도 할 수 있다.

상기 모바일 기기는 차량 내 장치, 예컨대 제1 제어기(20)에 통신 가능하게 연결될 수 있는 것이어야 하며, 이를 위해 모바일 기기와 제1 제어기(20) 사이의 통신 연결을 위한 입출력 통신 인터페이스(미도시)가 이용된다.

그 밖에, 운전자가 인터페이스부(11)을 이용하여 설정값 등 가상 효과 적용 조건을 설정할 수 있고, 상기 가상 효과 적용 조건을 만족하면 본 발명에 따른 가상 효과 구현 기능이 수행되도록 할 수도 있다(도 4의 S1 단계 참조).

그리고, 본 발명에 따른 내연기관 차량의 특성을 구현하는 장치는, 가상 진동을 생성하는 진동기기(51), 및 가상 음향(가상 사운드)을 생성 및 출력하는 음향기기(54) 중 적어도 하나를 더 포함할 수 있다.

상기 진동기기(51)와 음향기기(54) 또한 가상 효과를 생성하기 위한 가상 효과 발생 장치로서, 본 발명에서 가상 진동을 생성하기 위해 가상 효과 발생 장치 중 구동장치(41)인 모터와 상기 진동기기(51) 중 하나가 이용될 수 있다.

이와 같이 본 발명에서 차량을 구동하는 모터를 이용하여 가상 진동을 생성할 수 있으나, 모터 대신 차량에 설치된 별도 진동기기(51)를 이용하여 가상 진동을 생성할 수도 있다.

상기 진동기기(51)는 제1 제어기(20)의 가상 효과 연출 제어부(22)에서 출력되는 전기 신호, 즉 가상 효과를 생성 및 구현하기 위한 가상 효과 신호에 따른 진동을 발생시키도록 구비된다.

상기 진동기기(51)는 가상 효과 신호를 입력받아 증폭된 진동 신호를 출력하는 진동 앰프(52), 및 상기 진동 앰프(52)에서 출력되는 증폭된 진동 신호에 의해 진동을 발생시키는 진동 액추에이터(53)를 포함하여 구성될 수 있다.

상기 진동 앰프(52)와 진동 액추에이터(53)로는 공지의 진동 앰프 및 진동 액추에이터가 사용될 수 있다. 그리고, 상기 진동기기(51)의 진동 액추에이터(53)는 그로부터 발생한 진동을 운전자가 느낄 수 있는 차량의 정해진 위치에 설치될 수 있다.

예를 들면, 상기 진동기기(51)의 진동 액추에이터(53)는 차체 또는 시트에 설치될 수 있는데, 구동 시 생성된 진동이 차체 또는 시트를 통해 운전자에게 전해질 수 있는 위치에 설치될 수 있다.

상기 음향기기(54)는 제1 제어기(20)의 가상 효과 연출 제어부(22)에서 출력되는 전기 신호, 즉 가상 효과를 생성 및 구현하기 위한 가상 효과 신호에 따른 음향을 발생시키도록 구비된다.

상기 음향기기(54)는 가상 효과 신호를 입력받아 증폭된 음향 신호를 출력하는 음향 앰프(55), 및 상기 음향 앰프(55)에서 출력되는 증폭된 음향 신호에 의해 음향을 생성 및 출력하는 스피커(56)를 포함하여 구성될 수 있다.

상기 음향 앰프(55)와 스피커(56)로는 공지의 음향 앰프 및 스피커가 사용될 수 있고, 이는 차량에 기 설치된 것이 이용될 수 있다. 상기 스피커(56)는 차량 실내 또는 실외에 음향을 출력하도록 장착된 스피커일 수 있다.

이하에서는 본 발명에 따른 가상 진동 및 음향을 생성하는 방법에 대해 상세히 설명하기로 한다.

먼저, 제1 제어기(20)의 가상 효과 연출 제어부(22)는 구동계 기어의 치면 압력(이하 '기어 치면 압력'으로 약칭함) 정보를 취득하고, 가상 효과의 크기, 즉 가상 진동의 진폭과 가상 음향의 음량(가상 음향 신호의 파형에서 진폭임)이 상기 취득된 기어 치면 압력의 크기와 비례하도록 정해질 수 있다(도 4의 S2 단계임).

상기와 같이 가상 효과의 크기, 즉 가상 진동의 진폭과 가상 음향의 음량이 구해지면 가상 효과 신호의 파형이 실시간으로 결정될 수 있다(도 4의 S3 단계임). 또한, 상기 결정된 가상 효과 신호(또는 가상 효과 지령)이 송출되어 진동기기(51)(또는 모터)와 음향기기(54)에서 가상 효과가 발생할 수 있다(도 4의 S4 및 S5 단계 참조).

도 5는 본 발명에서 기어 치면 압력에 따른 가상 진동 신호 및 가상 음향 신호의 파형과 그 크기를 간략 예시한 도면이다. 예시된 파형의 크기는 가상 진동의 진폭 및 가상 음향의 음량(파형의 진폭임)이다.

일반적으로 기어 치면 압력의 크기가 커지면 실제 진동의 전달이 용이해지는 것이 당연하기 때문에, 이를 모사하기 위해 구동계 내 기어의 치면 압력, 즉 상기 기어 치면 압력의 절대값이 커짐에 따라, 이 기어 치면 압력의 절대값에 비례하여 상기 진동의 진폭이나 음향의 음량(파형의 진폭임)이 커지도록 할 수 있다(후술하는 도 9, 11 참조).

또한, 상기와 같이 비례하여 커지도록 하는 방법 외에, 기어 치면 압력과 가상 효과(가상 진동 및 가상 음향) 크기의 증감 방향이 일치하도록 하는 방법도 유효하다. 즉, 기어 치면 압력이 증가할수록 가상 효과의 크기 또한 증가하고, 혹은 기어 치면 압력이 감소할수록 가상 효과의 크기 또한 감소하도록 정해질 수 있는 것이다.

다시 말해, 가상 효과의 진폭이 기어 치면 압력에 대해 단조 증가(monotonically increasing) 또는 단조 감소(monotonically decreasing) 함수의 관계를 가질 수 있다.

또한, 기어 치면 압력이 백래시(backlash) 영역으로 설정된 압력인 경우, 가상 진동의 진폭 및 가상 음향의 음량이 최소가 되도록 설정할 수 있다. 여기서, 0을 백래시 영역의 압력으로 설정할 수 있다. 즉, 기어 치면 압력이 0인 영역을 백래시 영역이라 할 수 있는 것이다.

도 6은 본 발명에서 기어 치면 압력이 0인 경우 가상 진동 신호 및 가상 음향 신호의 파형 및 그 크기를 예시한 도면이다. 예시된 파형의 크기는 가상 진동의 진폭 및 가상 음향의 음량(파형의 진폭임)이다.

실제 구동계에서 기어 백래시가 발생할 때에는 기어 간의 물리적 결합이 중단된 상태라고 볼 수 있다. 이때에는 실제 진동이 구동계로 전달되지 않고 주변을 감싸고 있는 윤활제나 기계 부속 축, 하우징 등으로 전달되어 감쇠 특성을 지닐 것이므로, 이와 같은 효과를 현실감 있게 모사하는 가상 효과를 발생시키기 위한 전략으로서 가상 효과(가상 진동 및 가상 음향)의 크기가 설정된 최소값이 되도록 설정하는 것이 바람직하다.

이에 본 발명에서 제1 제어기(20)의 가상 효과 연출 제어부(22)는 기어 치면 압력이 미리 설정된 백래시 구간의 압력에 해당하는 경우 가상 효과의 크기(가상 효과 신호의 진폭)를 미리 설정된 최소값으로 결정할 수 있다.

그리고, 기어 치면 압력을 직접 측정하기는 어려우므로, 이에 비례하는 주어진 정보로 대체하는 방법이 적용될 수 있다.

기어 치면 압력은 전달되는 토크에 비례한다. 이 가정을 기반으로 제1 제어기(20)의 가상 효과 연출 제어부(22)는 토크 정보를 이용하여 기어 치면 압력을 추정하고, 추정된 기어 치면 압력을 기초로 가상 진동 및 가상 음량을 설정할 수 있다.

상세하게는 진동 효과의 크기(진동의 진폭 및 음향의 음량) 설정을 위한 기어 치면 압력을 다음의 정보 중 하나로부터 결정할 수 있다.

1. 입력 토크 지령인 모터 토크 지령(기본 토크 지령임)

2. 입력 토크(모터 토크)의 추정치

3. 센서에 의해 검출되는 입력 토크 검출값

4. 입력 토크에 필터를 적용한 값

5. 입력 토크를 입력값으로 하여 출력된 구동계 모델 기반의 전달 토크값(본 발명에서 이를 '출력 토크'라 정의함)

상기 입력 토크는 차량을 구동하기 위한 토크를 발생시켜 구동계에 인가하는 주된 토크 소스(source)의 토크를 의미하고, 이때 입력 토크로는 지령 값이 사용될 수 있다. 여기서, 상기 주된 토크 소스는 차량을 구동하기 위한 구동장치(41)이며, 전기자동차에서 주된 토크 소스인 구동장치는 모터이므로 상기 지령은 입력 토크 지령으로서 모터 토크 지령(최종 토크 지령)일 수 있다.

더 상세하게는, 기어 치면 압력을 추정하기 위하여 제1 제어기(20)의 가상 효과 연출 제어부(22)에서, 상기 모터의 작동을 제어하기 위한 모터 토크 지령, 상기 모터가 출력하는 모터 토크의 추정치, 센서에 의해 검출되는 모터 토크 검출값, 상기 모터 토크 지령에 필터를 적용한 값, 상기 모터 토크 추정치에 필터를 적용한 값, 상기 모터 토크 검출값에 필터를 적용한 값 중 하나를 이용하여 상기 기어 치면 압력을 결정할 수 있다.

또한, 기어 치면 압력을 추정하기 위해 기어 모델을 포함하는 구동계 모델을 이용할 수 있다. 구동계 모델은 일반적으로 도 7 및 도 8에 도시된 예와 같이 기어들의 연결부 간에 존재하는 강성이나 댐핑, 그리고 그 사이에 존재하는 백래시를 고려한다. 여기서, 구동계 모델은 드라이브 샤프트 토션 모델(drive shaft torsion model)로서 사용될 수도 있다.

이러한 구동계 모델에 기반하여 입력 토크 지령(모터 토크 지령), 입력부의 회전속도, 출력부의 회전속도 등 정보를 이용하여 기어 간 전달되는 토크를 추정할 수 있다. 이때 전달되는 토크는 기어 치면 간에 밀치는 힘에 정비례하기 때문에, 전달되는 토크의 추정값을 이용하여 기어 치면 압력을 산출할 수 있다.

도 7은 구동계 기어 모델의 예를 나타낸 도면이다[Prajapat, Ganesh P., N. Senroy, and I. N. Kar. "Modeling and impact of gear train backlash on performance of DFIG wind turbine system." Electric Power Systems Research 163 (2018): 356-364.].

도 8은 드라이브 샤프트 토션 모델(drive shaft torsion model)의 예를 나타낸 도면이다[Margielewicz, Jerzy, Damian ska, and Grzegorz Litak. "Modelling of the gear backlash." Nonlinear Dynamics 97.1 (2019): 355-368.].

상술한 구동계 모델에 기반하여 출력 토크를 산출하고, 이를 통해 출력 토크와 비례하는 값으로 기어 치면 압력이 산출 및 추정되었다면, 상기 산출된 기어 치면 압력을 이용하여 가상 효과의 크기, 즉 가상 진동의 진폭 및 가상 음향의 음량을 설정할 수 있다.

이때 기어 치면 압력은 축 강성 모델 등에 기반하여 산출된 출력 토크와 연관되어 있으므로, 그 산출된 결과 값에 연동하여 가상 효과의 크기가 실시간으로 변화하는 값으로 구해질 수 있다.

또한, 가상 효과의 크기, 즉 가상 진동의 진폭과 가상 음향의 음량은 기어 치면 압력을 입력으로 하는 맵으로부터 구해질 수 있다. 또는 기어 치면 압력 정보의 크기(절대값)를 스케일링(scaling)하여 기어 치면 압력의 절대값에 비례하는 값을 구하고, 이때 구해진 값에 설정된 최소값, 즉 최소 진폭 또는 최소 음량 값을 더한 값으로 구해져 사용될 수 있다.

상기와 같은 방법으로 가상 효과, 즉 가상 진동 및 가상 음향이 실시간으로 변화하는 것을 예시하면 도 9와 같다. 도 9에 예시된 바와 같이, 제1 제어기(20)의 가상 효과 연출 제어부(22)에서 미리 설정된 구동계 모델을 이용하여 입력 토크로부터 출력 토크를 산출하고, 상기 산출된 출력 토크에 비례하는 값으로 기어 치면 압력을 산출할 수 있다.

본 발명에서 입력 토크는 모터 토크일 수 있고, 상기 모터 토크는 모터 토크 지령일 수 있다. 또한, 가상 효과 발생 장치로서 구동장치(41)인 모터를 이용하는 경우, 상기 기어 치면 압력을 결정하기 위해 이용되는 모터 토크는 현재 제어 주기의 기본 토크 지령이거나 직전 제어 주기의 최종 토크 지령일 수 있다.

만약, 진동기기(51)와 음향기기(54)를 이용하여 가상 진동과 가상 음향을 가상 효과로서 생성하는 경우라면, 상기 입력 토크는 현 제어 주기의 최종 토크 지령일 수 있다.

상기 진동기기(51)와 음향기기(54)를 이용하는 경우에서 기본 토크 지령의 보정이 이루어지지 않으므로 상기 현 제어 주기의 최종 토크 지령은 기본 토크 지령(운전자 요구 토크에 상응하는 지령)일 수 있다.

또한, 상기 산출된 기어 치면 압력으로부터 맵 등에 의해 가상 진동의 진폭과 가상 음향의 음량(파형의 진폭)이 결정될 수 있으며, 이어 상기 결정된 진폭의 파형으로 가상 효과 신호가 생성될 수 있다.

결국, 상기 가상 효과 신호에 의해 진동기기(51)에서 가상 효과의 진동이 생성될 수 있고, 마찬가지로 상기 가상 효과 신호에 의해 음향기기(54)에서 가상 효과의 음향이 생성 및 출력될 수 있게 된다.

그리고, 본 발명에서 가상 진동을 발생시키기 위해, 상기 진동기기(51) 대신, 차량을 구동하는 구동장치(41)인 모터를 이용할 경우, 제1 제어기(20)의 가상 효과 연출 제어부(22)에서 상기 결정된 진폭의 파형을 나타내는 가상 효과 지령(가상 효과 신호)을 생성하고, 제1 제어기(20)의 최종 토크 지령 생성부(23)에서 상기 기본 토크 지령 생성부(21)의 기본 토크 지령을 상기 가상 효과 지령을 이용하여 보정함으로써 최종 토크 지령을 생성한다.

예컨대, 제1 제어기(20)의 기본 토크 지령 생성부(21)에서 실시간 차량 운전 정보를 기초로 기본 토크 지령이 생성되고, 가상 효과 연출 제어부(22)에서 가상 효과 지령이 생성되면, 최종 토크 지령 생성부(23)에서 기본 토크 지령 생성부(21)에서 입력된 기본 토크 지령과, 가상 효과 연출 제어부(22)에서 입력된 가상 효과 지령을 합산하여 최종 토크 지령을 생성할 수 있다.

이렇게 생성된 최종 토크 지령에 따라 제2 제어기(30)가 차량의 구동장치(41)인 모터의 작동을 제어하게 되면, 내연기관 자동차에서의 진동을 모사한 진동(가상 진동)이 상기 모터에 의해 생성 및 제공될 수 있게 된다.

한편, 본 발명의 실시예에서 가상 효과의 파형을 이원화하는 것이 가능하다. 즉, 실제 기어의 형상 프로파일 설계에 따라 치면의 형상 및 위치가 달라질 수 있고, 이러한 치면의 형상 및 위치 또는 전달되는 토크의 크기 및 방향에 따라서 진동 프로파일이 변화할 수 있다. 따라서, 이러한 효과를 모사하기 위해 상기 진동 프로파일이 변화할 수 있음을 가상 진동 및 가상 음향의 프로파일에도 반영할 수 있다.

먼저, 구동계 기어에 의해 전달되는 토크의 크기에 따라 가상 진동 신호 및 가상 음향 신호 파형에 있어 프로파일의 종류를 변화시킬 수 있다. 예를 들면, 토크의 크기가 증가함에 따라 프로파일 1에서 프로파일 2로 점진적 변화하도록 할 수 있다.

또는 토크의 방향에 따라 가상 진동 신호 및 가상 음향 신호 파형의 프로파일의 종류 및 진폭을 이원화시킬 수 있다. 예를 들면, 정방향 토크 인가시 프로파일 1을 사용하고, 역방향 토크 인가시 프로파일 2를 사용할 수 있다.

여기서, 프로파일 1을 정방향 토크 인가시의 진동 프로파일로, 그리고 프로파일 2를 역방향 토크 인가시의 진동 프로파일로 정의한다면, 상기 프로파일 1의 주파수 성분은 프로파일 2의 주파수 성분보다 헤테로지니어스(heterogeneous)하다고 할 수 있다. 즉, 상기 프로파일 2의 주파수 성분이 프로파일 1의 주파수 성분보다 호모지니어스(homogeneous)한 것이다.

상기와 같이 가상 진동 신호 및 가상 음향 신호의 파형에 있어 정방향 토크 인가시와 역방향 토크 인가시 파형의 프로파일을 다르게 설정하는 이유는, 실제 모사 대상인 내연기관 적용 구동계의 진동 특성을 분석해보았을 때, 정방향 토크를 생성하는 동안에 엔진의 폭발 행정이 존재하는데, 단순히 흡입-압축-팽창-배기의 과정을 거치는 역방향 토크 발생의 경우(motored)와 비교하여, 흡입-압축-폭발-배기의 과정을 거치는 정방향 토크 발생의 경우(fired)에는, 폭발에 의한 진동 성분이 추가되고, 결국 주파수 성분이 섞이기 때문이다.

또한, 프로파일 1의 파형 중 피크(peak) 형상이 프로파일 2의 파형 중 피크 형상에 비해 더 샤프(sharp)한(더 뾰족한) 형상일 수 있다. 즉, 프로파일 1의 헤테로지니어스(heterogeneous)한 주파수 성분이 프로파일 2의 프라이머리(primary) 주파수 대역보다 고주파이다.

상기와 같이 파형의 피크 형상에 있어 정방향 토크 인가시와 역방향 토크 인가시를 다르게 하는 이유는 폭발에 의한 영향을 모사하기 위함에 있다. 도 10을 참조하면 전형적인 가솔린 엔진의 실린더 압력 상태에 있어 'motored trace'(역방향 토크 발생)에 비해 'fired trace'(정방향 토크 발생)시 고주파 성분이 추가된 것을 알 수 있다.

도 11은 본 발명에서 기어 치면 압력이 산출된 후 가상 효과의 파형에 있어 크기와 형상을 실시간으로 변화시키는 예를 나타내는 도면이다. 본 발명에서 가상 효과는 상술한 바와 같이 가상 진동과 가상 음량을 포함한다. 또한, 파형의 크기는 진동의 진폭과 음향의 음량에 해당하는 것이다.

도 11을 참조하면, 진동 프로파일이 역방향 토크 인가시와 정방향 토크 인가시를 구분하여 설정되는 것을 볼 수 있다. 도시된 바와 같이, 역방향 토크 인가시 파형의 프로파일과 정방향 토크 인가시 파형의 프로파일은 피크 형상을 다르게 미리 설정해놓은 것이 될 수 있다.

도 11의 예에서 입력 토크는 음(-)의 토크인 역방향 토크에서 양(+)의 토크인 정방향 토크로 전환되고 있으며, 이때 출력 토크와 기어 치면 압력 또한 음의 토크 및 압력에서 양의 토크 및 압력으로 전환됨을 보이고 있다. 여기서, 상기 음(-)의 토크는 차량을 감속시키는 토크이고, 상기 양(+)의 토크는 차량을 가속시키는 토크이다.

도 11에 나타낸 바와 같이, 기어 치면 압력이 산출되고 나면, 상기 산출된 기어 치면 압력을 기초로 가상 효과의 크기, 즉 가상 진동의 진폭과 가상 음향의 음량이 구해질 수 있는데, 이때 기어 치면 압력에 연동되어 실시간으로 변화하는 가상 진동의 진폭과 가상 음향의 음량이 구해질 수 있다.

상기와 같이 실시간 기어 치면 압력에 연동되는 가상 진동의 진폭과 가상 음향의 음량이 구해지면, 정방향 토크 인가시 파형의 설정된 프로파일과 역방향 토크 인가시 파형의 설정된 프로파일을 적용하되, 진폭이 실시간으로 변화하는 파형의 가상 진동 신호, 및 음량이 실시간으로 변화하는 파형의 가상 음향 신호가 결정될 수 있다.

결국, 제1 제어기(20)의 가상 효과 연출 제어부(22)가 상기한 방법에 따라 가상 진동 신호와 가상 음향 신호를 생성하여 출력하게 되면, 전술한 바와 같이 진동기기(51)와 음향기기(54)에서 가상 진동 신호와 가상 음향 신호에 따른 진동 및 음향을 발생시켜 출력할 수 있게 된다.

도 11의 예에서 기어 치면 압력이 0이 되는 백래시 구간에서는 정방향 토크 인가시의 프로파일과 역방향 토크 인가시의 프로파일을 합성한 프로파일이 사용될 수 있다. 이때 두 프로파일의 파형 값에 각각 가중치(α,1-α)를 곱한 뒤 각각 가중치를 곱한 두 값을 합산하는 방식을 이용하여 두 프로파일의 합성이 실시될 수 있다.

여기서, 가중치(α)는 입력 토크 또는 출력 토크를 입력으로 하는 맵에 의해 결정될 수 있다. 즉, 입력 토크 또는 출력 토크로부터 그에 상응하는 가중치(α)가 맵에 의해 결정될 수 있고, 상기 가중치 α가 결정되면, 두 종류의 프로파일에 α와 1-α를 적용 및 합성하여 하나의 프로파일이 구해질 수 있다.

도 11을 참조하면, 역방향 토크 인가시 파형의 프로파일과 정방향 토크 인가시 파형의 프로파일에 각각 가중치 α= 0.5를 적용하여 합성(5:5의 비율로 합성)한 하나의 프로파일이 예시되어 있다.

이와 같이 하여, 본 발명의 실시예에 따른 전기자동차의 내연기관 차량 특성 구현 방법에 대해 상세히 설명하였다.

상술한 본 발명의 내연기관 차량 특성 구현 방법에 따르면, 구동계 기어 치면 압력에 연동하는 가상 진동과 가상 음향을 생성하여 제공할 수 있다. 이로써, 가상의 내연기관 구동계 특성을 전기자동차에서 진동과 음향을 이용하여 연출 및 구현할 수 있고, 가상 효과의 현실감을 극대화할 수 있다.

그리고, 내연기관 구동계의 작동감 및 운전감을 운전자에게 더욱 현실감 있게 제공할 수 있고, 현실감 높은 가상 효과 제공으로 차량의 상품성 향상에 크게 기여할 수 있다. 또한, 운전자가 내연기관 자동차로 교체할 필요 없이 자신의 차량에서 내연기관 자동차의 구동계가 제공하는 운전 감성과 재미, 박진감과 직결감 등을 체험할 수 있게 된다.

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.

11 : 인터페이스부 12 : 운전정보 검출부
20 : 제1 제어기 21 : 기본 토크 지령 생성부
22 : 가상 효과 연출 제어부 23 : 최종 토크 지령 생성부
30 : 제2 제어기 41 : 구동장치
42 : 감속기 43 : 구동륜
51 : 진동기기 52 : 진동 앰프
53 : 진동 액추에이터 54 : 음향기기
55 : 음향 앰프 56 : 스피커

Claims (15)

1. 제어기에 의해, 차량을 구동하는 모터로부터 구동계에 인가되는 현재의 입력 토크가 결정되는 단계;
   상기 제어기에 의해, 기어 모델을 포함하도록 설정된 차량의 구동계 모델을 이용하여 상기 결정된 현재의 입력 토크로부터 상기 구동계 모델 기반의 전달 토크인 출력 토크가 결정되는 단계;
   상기 제어기에 의해, 상기 결정된 출력 토크로부터 상기 모터와 구동륜 사이의 구동계 내 기어들의 치면 압력이 결정되는 단계;
   상기 제어기에 의해, 상기 결정된 구동계 내 기어들의 치면 압력을 기초로 내연기관 자동차의 구동계 특성을 모사한 가상 효과를 발생시키기 위한 가상 효과 신호가 생성되는 단계; 및
   상기 제어기에 의해, 상기 생성된 가상 효과 신호에 따라 가상 효과를 발생시키는 가상 효과 발생 장치의 작동이 제어됨으로써 내연기관 자동에서의 구동계 특성을 모사한 가상 효과가 발생하는 단계를 포함하는 전기자동차의 내연기관 차량 특성 구현 방법.
   
2. 청구항 1에 있어서,
   상기 입력 토크는,
   상기 모터의 작동을 제어하기 위한 모터 토크 지령, 상기 제어기에서 추정된 모터 토크 추정치, 센서에 의해 검출되는 모터 토크 검출값, 상기 모터 토크 지령에 필터를 적용한 값, 상기 모터 토크의 추정치에 필터를 적용한 값, 그리고 상기 모터 토크 검출값에 필터를 적용한 값 중 하나인 것을 특징으로 하는 전기자동차의 내연기관 차량 특성 구현 방법.
   
3. 청구항 1에 있어서,
   상기 구동계 내 기어들의 치면 압력이 결정되는 단계에서,
   상기 구동계 내 기어들의 치면 압력은 상기 출력 토크에 비례하는 값으로 결정되는 것을 특징으로 하는 전기자동차의 내연기관 차량 특성 구현 방법.
   
4. 청구항 1에 있어서,
   상기 가상 효과는,
   내연기관 자동차에서 구동계에 의해 발생하는 진동을 모사한 가상 진동; 및
   내연기관 자동차에서 구동계에 의해 발생하는 음향을 모사한 가상 음향 중 하나 또는 둘 모두를 포함하는 것을 특징으로 하는 전기자동차의 내연기관 차량 특성 구현 방법.
   
5. 청구항 1에 있어서,
   상기 가상 효과 신호가 생성되는 단계에서,
   상기 제어기는, 상기 구동계 내 기어들의 치면 압력에 연동하는 가상 효과의 크기를 결정하고, 상기 가상 효과의 크기를 진폭으로 하는 파형의 가상 효과 신호를 생성하는 것을 특징으로 하는 전기자동차의 내연기관 차량 특성 구현 방법.
   
6. 청구항 5에 있어서,
   상기 제어기는, 상기 구동계 내 기어들의 치면 압력의 크기가 클수록 상기 가상 효과의 크기를 더 큰 값으로 결정하도록 설정되는 것을 특징으로 하는 전기자동차의 내연기관 차량 특성 구현 방법.
   
7. 청구항 5에 있어서,
   상기 제어기는, 상기 구동계 내 기어들의 치면 압력이 미리 설정된 백래시 구간의 압력에 해당하는 경우, 상기 가상 효과의 크기를 미리 설정된 최소값으로 결정하는 것을 특징으로 하는 전기자동차의 내연기관 차량 특성 구현 방법.
   
8. 청구항 5에 있어서,
   상기 제어기는, 상기 구동계 내 기어들의 치면 압력으로부터 맵을 이용하여 상기 가상 효과의 크기를 결정하는 것을 특징으로 하는 전기자동차의 내연기관 차량 특성 구현 방법.
   
9. 청구항 5에 있어서,
   상기 제어기는, 상기 구동계 내 기어들의 치면 압력의 크기를 스케일링하여 상기 치면 압력의 크기에 비례하는 값을 구하고, 상기 구해진 값에 설정된 최소값을 더한 값으로 상기 가상 효과의 크기를 결정하는 것을 특징으로 하는 전기자동차의 내연기관 차량 특성 구현 방법.
   
10. 청구항 5에 있어서,
    상기 구동계 내 기어들에 의해 전달되는 토크의 방향에 따라 상기 가상 효과 신호의 파형 프로파일이 상이하게 설정된 것을 특징으로 하는 전기자동차의 내연기관 차량 특성 구현 방법.
    
11. 청구항 10에 있어서,
    상기 구동계 내 기어들에 의해 전달되는 토크가 차량을 가속시키는 정방향 토크인 경우, 차량을 감속시키는 역방향 토크인 경우에 비해, 상기 파형의 피크 형상이 상대적으로 더 뾰족한(sharp) 형상으로 설정된 것을 특징으로 하는 전기자동차의 내연기관 차량 특성 구현 방법.
    
12. 청구항 10에 있어서,
    상기 제어기는,
    상기 구동계 내 기어들의 치면 압력이 미리 설정된 백래시 구간의 압력에 해당하는 경우,
    상기 토크의 방향에 있어 정방향의 프로파일과 역방향의 프로파일을 합성한 프로파일의 파형으로 상기 가상 효과 신호를 생성하는 것을 특징으로 하는 전기자동차의 내연기관 차량 특성 구현 방법.
    
13. 청구항 1에 있어서,
    상기 제어기에 의해, 실시간 차량 운전 정보가 취득되는 단계;
    상기 취득된 실시간 차량 운전 정보로부터 기본 토크 지령이 생성되는 단계를 더 포함하고,
    상기 제어기는,
    상기 가상 효과 신호가 생성되는 단계에서 가상 효과를 발생시키기 위한 가상 효과 지령을 생성하고,
    상기 가상 효과가 발생하는 단계에서 상기 생성된 가상 효과 지령과 상기 생성된 기본 토크 지령으로부터 최종 토크 지령을 생성하며,
    상기 최종 토크 지령에 따라 가상 효과 발생 장치로서 상기 모터의 작동을 제어하는 것을 특징으로 하는 전기자동차의 내연기관 차량 특성 구현 방법.
    
14. 청구항 1에 있어서,
    상기 가상 효과 발생 장치는 차량에서 상기 가상 효과 신호의 파형에 따른 진폭의 진동을 발생시키는 진동기기인 것을 특징으로 하는 전기자동차의 내연기관 차량 특성 구현 방법.
    
15. 청구항 1에 있어서,
    상기 가상 효과 발생 장치는 차량에서 상기 가상 효과 신호의 파형에 따른 음량의 음향을 발생 및 출력하는 음향기기인 것을 특징으로 하는 전기자동차의 내연기관 차량 특성 구현 방법.

Images