KR20240016280A - 휠 슬립 밸런스드 드라이브 기반의 에너지 효율적 추진 - Google Patents

Abstract

제1 및 제2 전기 기계(EM) 배치(EM1, EM2)를 포함하는 중량 차량(100)의 모션을 제어하도록 배치된 차량 제어 유닛(130, 140)으로서, 여기서, 제1 EM 배치는 제2 EM 배치와 비교하여 상이한 효율 특성을 갖고, 차량 제어 유닛(130, 140)은 각각의 EM 제어 유닛에 휠 슬립 요청을 전송함으로써, 제1 및 제2 EM 배치(EM1, EM2)을 제어하도록 배치되고, 제어 유닛(130, 140)은 제1 및 제2 EM 배치에 의해 공동으로 생성될 원하는 총 종방향 힘(Fx)을 얻도록 배치되고, 제어 유닛(130, 140)은 제1 EM 배치에 의해 생성된 제1 종방향 힘(F1)에 대응하는 원하는 제1 휠 슬립() 및 제2 EM 배치에 의해 생성된 제2 종방향 힘(F2)에 대응하는 원하는 제2 휠 슬립()을 결정하도록 배치되며, 제1 종방향 힘(F1)과 제2 종방향 힘(F2)의 합은 원하는 총 종방향 힘(Fx)에 매칭되고, 제어 유닛(130, 140)은 제1 및 제2 EM 배치(EM1, EM2) 각각의 효율 특성에 의존하여 제1 휠 슬립()의 크기와 제2 휠 슬립()의 크기의 균형을 이루도록 배치된다.

Description

휠 슬립 밸런스드 드라이브 기반의 에너지 효율적 추진

본 발명은 중량 차량의 안전하고 에너지 효율적인 차량 모션 관리를 보장하기 위한 방법들 및 제어 유닛들에 관한 것이다. 본 방법들은 복수의 차량 유닛들을 포함하는 트럭 및 세미트레일러와 같은 연결형 차량(articulated vehicle)과 함께 사용하기에 특히 적합하다. 그러나 본 발명은 건설 장비 및 광산 차량들과 같은 다른 유형의 중량 차량들에도 적용될 수 있다. 본 발명은 또한 전동 트레일러 차량 유닛 및 하나 초과의 피동 차축을 포함하는 돌리 차량 유닛들과 같은 자체 동력 피견인 차량 유닛들에서도 유리하게 적용될 수 있다.

트럭 및 세미 트레일러 차량과 같은 중량 차량은 무거운 짐을 나르도록 설계된다. 무거운 짐을 실은 차량은 오르막 상태에서도 정지 상태에서 출발할 수 있어야 하고, 마찰 계수가 서로 다른 다양한 형태의 도로 표면에서 가속할 수 있어야 하며, 안정적인 순항 스피드들을 유지할 수 있어야 하며, 또한 신뢰할 수 있는 방식으로 감속할 수 있어야 한다. 동시에, 에너지 효율은 주어진 운송 임무를 완수하는 비용에 직접적인 영향을 미치기 때문에 모든 운행 시나리오에서 고려해야 할 중요한 요소이다.

트랙터, 전동 트레일러 및 자가 동력 돌리 차량 유닛과 같은 전기 동력 중량 차량 유닛이 개발되고 있다. 에너지 효율이 주어진 에너지 저장 용량에 대해 달성 가능한 차량 범위에 중요한 영향을 미치기 때문에, 이러한 차량 유닛에서 에너지 효율은 특히 중요하다. 따라서, 전기 동력 차량을 위한 에너지 효율적인 드라이브 배치를 설계하는 데 많은 작업이 투입되었다.

그러나, 개발된 드라이브 배치들 중 다수는 또한 견고성 측면에서 공식적으로 검증하기 어려운 높은 계산 복잡도와 관련된 고급 최적화 방법들에 기초한다. 이러한 알고리즘들은 예를 들어, 전동 트레일러 및 자가 동력 돌리 차량 유닛들에서 발견되는 더 작은 제어 유닛들에서 실행되는 것이 실현가능하지 않을 수 있다.

US2010222953은 주어진 차량 상태에 대한 조인트 추진 시스템 효율을 최적화하기 위해 복수의 전기 기계/축에 걸쳐 토크를 분배하기 위한 방법을 개시한다. 조인트 추진 시스템 효율은 여기서 요청된 토크, 휠 슬립 및 차량 속도의 함수로서 공식화된다.

현재까지 이루어진 노력에도 불구하고, 전기 동력 차량 유닛의 전체 잠재력을 최적화하기 위해 드라이브 배치에 대한 추가적인 개선이 필요하다.

전기 동력 중량 차량과 관련된 또 다른 이슈는 엔듀런스 제동 능력(endurance braking capability)에 대한 요구이다. 모든 중량 차량은 다운힐 주행의 연장된 기간 동안에도 제동 토크를 제공할 수 있어야 한다. 마찰 브레이크는 일정한 사용의 연장된 기간 동안 브레이크 페이딩의 개시될 위험이 있으며, 따라서 어떤 형태의 보조 브레이크 시스템에 의해 보완되어야 한다.

전기 동력 중량 차량 유닛은 회생 제동을 위해 전기 기계를 사용할 수 있지만, 이는 저장되거나 소멸되어야 하는 전기 에너지를 발생시킬 것이다. 이는 에너지 저장 시스템이 만충전 상태이고, 과잉 에너지를 소멸시키도록 배치된 브레이크 저항기들이 고온에 도달한 경우에 문제가 될 수 있다.

따라서, 전기 기계 배치들의 엔듀런스 제동 능력을 향상시킬 필요성도 존재한다.

본 개시의 목적은 상기 언급된 문제점들 중 적어도 일부를 완화 또는 극복하는 기술들을 제공하는 것이다. 에너지 효율적인 전기 구동 배치들을 위한 단순화된 제어 메커니즘들을 제공하는 것이 특히 요망된다.

이 목적은 적어도 제1 및 제2 전기 기계(EM) 배치들을 포함하는 중량 차량의 모션을 제어하도록 배치된 차량 제어 유닛에 의해 적어도 부분적으로 얻어지는데, 여기서 제1 EM 배치는 제2 EM 배치와 비교하여 상이한 효율 특성들을 갖는다. 차량 제어 유닛은 휠 슬립 요청을 각각의 EM 제어 유닛들에 전송함으로써 제1 및 제2 EM 배치를 제어하고, 제1 및 제2 EM 배치들에 의해 공동으로 생성될 원하는 총 종방향 힘을 얻도록 배치된다. 제어 유닛은 또한, 제1 EM 배치에 의해 생성된 제1 종방향 힘에 대응하는 원하는 제1 휠 슬립 및 제2 EM 배치에 의해 생성된 제2 종방향 힘에 대응하는 원하는 제2 휠 슬립을 결정하도록 배치되는데, 여기서 제1 종방향 힘 및 제2 종방향 힘의 합은 차량을 가속하기 위한 추진력 또는 차량을 감속시키기 위한 제동력일 수 있는 원하는 총 종방향 힘에 매칭된다. 더 나아가, 제어 유닛은 제1 및 제2 EM 배치들의 각각의 효율 특성들에 의존하여 제2 휠 슬립의 크기에 대한 제1 휠 슬립의 크기의 균형을 이루도록 배치된다.

이러한 방식으로, 각각의 전기 기계가 주어진 작동 시나리오에서 그것의 최고 효율 작동점에 더 가깝게 작동될 수 있기 때문에 전체적인 추진 효율이 증가될 수 있다. 본 명세서에서는, 예를 들어, US2010222953에 제안된 바와 같이 토크 요청을 변화시키는 대신, 구동 차축 효율 특성에 의존하여 차량 상의 상이한 구동 차축으로 전송되는 슬립 요청을 변화시키는 것이 제안된다. 예를 들어, 차량이 저속으로 작동하는 경우, 고속에 최적화된 다른 구동 차축으로 전송되는 슬립 요청에 비해 저속에 최적화된 차축으로 더 높은 슬립 요청 값이 전송될 것이다. 토크 기반 휠 힘 제어에 비교할 때 장점은, 차량 제어 유닛이 더 높은 대역폭으로 EM 액추에이터를 제어할 수 있을 것이고, 이에 따라 상이한 구동 차축 제어기로 전송되는 토크 요청에 기초한 제어 시스템에 비해 더 정확하게 효율 균형을 유지한다는 점이다. 또한, 아래에서 더 상세히 논의될 바와 같이, 본 명세서에서 제안된 휠 슬립 밸런싱 알고리즘은 합리적인 계산 복잡도로 구현될 수 있고, 이는 장점이 된다. 이러한 장점은 휠 슬립 밸런싱 기법이 전동 트레일러 차량 유닛 또는 자가 동력 돌리 차량 유닛과 같이 강력한 처리 회로가 없는 차량 유닛에서 구현되는 경우에 특히 두드러진다.

본 명세서에 개시된 기술들은 또한 회생 제동에 적용 가능하며, 여기서 에너지 저장이 전체 용량에 가까워지고 브레이크 저항기와 같은 에너지 소산 배치가 위험할 정도로 고온에 도달하고 있는 경우에, 회생 제동의 연장된 기간 동안 출력 파워를 제한하기 위해, 대신 낮은 EM 효율이 바람직할 수 있다. 따라서, 제동 중에 회생 에너지를 제한하기 위한 수단이, 본 명세서 개시된 방법들에 의해, 전기 기계들의 에너지 효율을 최소화함으로써, 또한 제공된다. 즉, 본 명세서에 개시된 기술들의 적용에 의해, 회생 제동 중의 EM 온도 증가는 견고하고 효율적인 방식으로 제어될 수 있다.

본 명세서에 개시된 기술들은 2개 이상의 EM 배치들에 걸쳐 휠 슬립의 균형을 맞추기 위해 적용가능하고, 이 EM 배치들은 디퍼런셜 배치들을 통해 선택적으로 구동되는 별개의 휠 모듈들 및/또는 구동 차축들을 포함할 수 있다.

일 측면에 따르면, 제1 EM 배치(EM1)는 제2 EM 배치(EM2)과 비교하여 차량 스피드의 함수로서 상이한 효율 특성을 갖는다. 따라서, EM1로 전송되는 휠 슬립 요청은 차량 스피드에 의존하여 EM2로 전송되는 휠 슬립 요청과 밸런싱될 것이다. 예를 들어, 차량이 정지 상태에서 가속함에 따라, 구동 토크는 낮은 차속에서 효율적인 EM으로부터 높은 차속에서 더 효율적인 EM으로 점진적으로 이동될 것이다. 이는 둘 이상의 EM 배치에 걸쳐 휠 슬립을 균형잡는 계산적으로 효율적인 방법이다. 또한, EM1은 EM2와 비교하여 인가된 토크 또는 휠 힘의 함수로서 상이한 효율 특성을 가질 수 있다. 이 경우, 휠 슬립 요청은 토크의 효율 차이를 고려하기 위해 균형을 이룰 것이다. 유리하게, 상이한 EM은 2차원의 효율 맵에 걸쳐 상이한 효율 특성을 갖는데, 여기서 제1 차원은 토크를 나타내고 제2 차원은 차축 스피드 또는 차량 스피드를 나타낸다.

양태들에 따르면, EM1은 상이한 EM 디자인의 하나 이상의 EM들을 포함하고 및/또는 제2 EM 배치(EM2)과 비교하여 상이한 기어비를 포함한다. 이는 2개의 EM들이 상이한 효율 특성들을 가질 것임을 의미한다. 예컨대, EM1은 더 낮은 차량 속도들에서의 효율성을 위해 구성된 시동성 EM 배치일 수 있고, EM2는 더 높은 차량 속도들에서의 효율성을 위해 구성된 크루즈-모드 EM 배치일 수 있다. 회생 제동에 관련될 때, 2개의 EM들은 또한 상이한 효율들과 연관될 수 있다. 에너지 저장이 보충되어야 하는 경우에 재생 제동 동안의 효율이 유리하게 최대화될 수 있다는 것으로 이해되는 한편, 에너지 저장이 가득 차 있거나 또는 어떤 다른 이유로 제동으로부터 재생 에너지를 수용할 수 없는 경우에 재생 제동 동안의 전체 EM 효율을 최소화하는 것이 또한 바람직할 수 있다. 따라서, 휠 슬립 밸런싱은 차량 상의 EM 배치 전체 효율을 최대화하기 위해, 또는 전체 EM 배치 효율을 최소화하기 위해, 또는 그 사이의 어디쯤에서 수행될 수 있다.

일부 양태에 따르면, 제어 유닛은 제어 파라미터에 대한 각각의 EM 배치의 효율 특성의 상대적인 구배에 기초하여 제2 휠 슬립의 크기에 대한 제1 휠 슬립의 크기의 밸런스를 맞추도록 배치된다. 이러한 구배 하강 기반 방법은 낮은 복잡도로 구현될 수 있으며, 자동으로 휠 슬립 밸런스를 차량의 현재 동작 컨디션들에 맞출 것이고, 이는 이점이 된다. 예컨대, 제어부는 차량의 현재 상태에서 제1 EM 배치의 효율 특성의 구배가 제2 EM 배치의 효율 특성의 구배보다 큰 경우 제1 휠 슬립을 증가시키고, 차량의 현재 상태에서 제1 EM 배치의 효율 특성의 구배가 제2 EM 배치의 효율 특성의 구배보다 작은 경우 제1 휠 슬립을 감소시킬 수 있다.

어떠한 다른 양태들에 따르면, 제어 유닛은 또한 제1 종방향 힘과 제2 종방향 힘 사이의 크기 관계와 비교하여 제1 및 제2 EM 배치들의 상대적 소비 파워에 기초하여 제2 휠 슬립의 크기에 대한 제1 휠 슬립의 크기의 균형을 이루도록 배치될 수 있다. 실제 소비 파워를 밸런싱함으로써, 상이한 EM 배치들에 대한 정확한 모델들에 대한 의존성이 감소된다. 소비 파워는 예를 들어, 사전 결정된 효율 모델들에 의존하지 않고 용이하게 측정될 수 있다. 이는 하나 이상의 파라미터들에 의존하여 오로지 모델링 효율에만 의존하는 방법들에 비해 보다 견고한 제어 방법이 제공됨을 의미한다. 제어 유닛은 예를 들어, 제1 EM 배치의 소비 파워와 제2 EM 배치의 소비 파워 사이의 비율이 제1 종방향 힘과 제2 종방향 힘 사이의 대응 비율보다 작은 경우 제1 휠 슬립을 증가시키고, 제1 EM 배치의 소비 파워와 제2 EM 배치의 소비 파워 사이의 비율이 제1 종방향 힘과 제2 종방향 힘 사이의 대응 비율보다 큰 경우 제1 휠 슬립을 감소시키도록 구성될 수 있다.

일 양태에 따르면, 제어 유닛은 차량 스피드에 의해 파라미터화된 미리 결정된 밸런싱 함수에 기초하여 제2 휠 슬립의 크기에 대한 제1 휠 슬립의 크기의 밸런싱을 수행하도록 배치된다. 이는 본 명세서에 개시된 기술들의 다소 낮은 복잡한 구현이다. 차량 스피드와 휠 슬립 밸런스 사이에 미리 결정된 매핑을 사용함으로써, 실제 밸런싱 오퍼레이션을 수행하는데 매우 적은 처리만이 필요하다. 따라서, 제안된 기술의 이러한 버전은 더 강력한 계산 능력이 부족한 차량 유닛들에서 구현하기에 적합하다.

양태들에 따르면, 제어 유닛은 총 종방향 힘에 의해 파라미터화된 미리 결정된 밸런싱 함수에 기초하여 제2 휠 슬립의 크기에 대한 제1 휠 슬립의 크기의 밸런스를 맞추도록 배치된다. 따라서, 상이한 휠 슬립 밸런스들은, 추진력이든 제동력이든, 요구되는 힘에 의존하여 구성될 것이다. 주목할 만한 것은, 매핑 함수가 스피드 및 요구되는 총 휠 힘의 모두, 즉 2차원 함수에 의해 파라미터화되도록, 차량 스피드에의 의존성이 유지될 수 있다. 미리 결정된 함수들은 유리하게는 미리 구성될 수 있는 룩업 테이블로서 실현될 수 있다. 이에 대한 약간 더 진보된 버전은, 차량이 상이한 시나리오들에서 작동됨에 따라, 기능을 실시간으로 적응시키는 것일 것이다.

일 측면에 따르면, 전송된 휠 슬립 요청은 다음에 의해 주어지는 목표 종방향 휠 슬립을 포함한다

여기서 은 유효 휠 반경(미터)이고, 는 휠의 각속도이고, 는 그라운드 위 휠의 종방향 스피드이다. 휠 슬립 요청에 기초한 휠 엔드 모듈의 직접 제어는 보다 전통적인 토크 기반 제어에 비해 이점을 제공하는 것으로 밝혀졌다. 이는 주로, 제어 루프가 보통 더 높은 레이턴시와 연관되는, 중앙 제어기로부터 토크에 대한 요청을 수신하는 것에 비해, 휠 엔드 모듈이 타겟 휠 슬립에 대한 인가된 토크를 제어하기 위해 더 낮은 레이턴시로 동작할 수 있기 때문이다. 전송되는 휠 슬립 요청은 또한, 목표 종방향 휠 슬립 를 얻기 위하여, 그라운드 위 휠의 종방향 스피드 와 관련하여 제어 유닛에 의해 결정되는 휠의 목표 각속도를 포함할 수 있다.

양태들에 따르면, 제어 유닛은 추정된 결과 타이어 마모에 기초하여 제2 휠 슬립의 크기에 대한 제1 휠 슬립의 크기의 균형을 이루도록 배치된다. 이러한 방식으로, 타이어 마모가 제어될 수 있으므로, 차량 상의 타이어의 전체 수명이 연장될 수 있다. 예를 들어, 차량의 타이어가 동일하게 빠르게 마모되도록 타이어 마모가 균형을 이룰 수 있다. 타이어 마모 적응은 유리하게도, 예를 들어, 휠 슬립(wheel slip)에 의존하여 미리 구성될 수 있는 타이어 마모 모델에 기초할 수 있다.

양태들에 따르면, 제어부는 EM1 및 EM2와 연관된 차축들에 대한 각각의 법선 하중들에 기초하여 제2 휠 슬립의 크기에 대한 제1 휠 슬립의 크기의 균형을 맞추도록 배치된다. 이러한 오퍼레이션은 증가된 트랙션(traction)을 초래할 수 있다.

본 명세서에는 또한 전술한 장점과 관련된 방법, 컴퓨터 프로그램, 컴퓨터 판독 가능 매체, 컴퓨터 프로그램 프로덕트 및 차량이 개시된다.

일반적으로, 본원에서 달리 명시적으로 정의되지 않는 한, 청구항에서 사용되는 모든 용어는 기술 분야에서의 통상적인 의미에 따라 해석되어야 한다. 엘리먼트, 장치, 콤포넌트, 수단, 단계 등에 대한 모든 언급은 달리 명시적으로 언급되지 않는 한, 엘리먼트, 장치, 콤포넌트, 수단, 단계 등의 적어도 하나의 인스턴스를 지칭하는 것으로 개방적으로 해석되어야 한다. 본원에 개시된 방법의 단계는, 명시적으로 언급되지 않는 한, 개시된 정확한 순서로 수행될 필요는 없다. 본 발명의 추가 특징 및 이점은 첨부된 청구항 및 하기 기재를 참조할 때 명백해질 것이다. 당업자는 본 발명의 상이한 특징이 본 발명의 범위를 벗어나지 않으면서, 하기 기재된 것 이외의 실시예를 생성하도록 조합될 수 있음을 알 것이다.

첨부된 도면들을 참조하여, 이하에서는 예시로서 인용된 발명의 실시예들에 대하여 보다 상세하게 설명한다. 도면들에서:
도 1은 화물 운송을 위한 중량 차량의 예를 개략적으로 나타낸다;
도 2는 타이어 모델의 예를 보여주는 그래프이다;
도 3은 모션 서포트 장치 제어를 위한 시스템을 개략적으로 도시한 것이다;
도 4 및 도 5는 다양한 전기 기계 추진 장치를 보여준다;
도 6은 전기 기계 효율을 보여주는 그래프이다;
도 7 및 도 8은 포텐셜 구동 차축을 갖는 예시적인 연결형 차량 유닛들을 보여준다;
도 9a 및 도 9b는 2개 및 3개 구동 차축들에 대한 휠 슬립 밸런싱을 보여주는 그래프이다;
도 10 및 도 11은 예시적인 휠 슬립 제어 시스템을 개략적으로 보여준다;
도 12a 및 도 12b는 다른 예시적인 차량 제어 시스템을 개략적으로 보여준다;
도 13은 계층화된 차량 제어 시스템의 예시를 보여준다;
도 14는 예시적인 방법을 설명하기 위한 흐름도이다;
도 15는 센서 유닛 및/또는 제어 유닛을 개략적으로 도시한 것이다
도 16은 예시적인 컴퓨터 프로그램 프로덕트를 보여준다.

본 발명은 이하 첨부된 도면을 참조하여 보다 상세하게 설명될 것이며, 여기서 본 발명의 특정 측면이 도시된다.

그러나, 본 발명은 많은 상이한 형태로 구체화될 수 있고, 본원에 기술된 실시예 및 양태로 제한되는 것으로 해석되어서는 안 된다; 오히려, 이러한 실시예들은 본 개시가 완전하고, 본 기술분야의 통상의 기술자에게 본 발명의 범위를 완전히 전달할 수 있도록 예시로서 제공된 것이다. 유사한 숫자들은 명세서 전체에 걸쳐 유사한 요소들을 지칭한다.

본 발명이 본 명세서에 기술되고 도면에 예시된 실시예들에 한정되는 것이 아니라, 당업자는 첨부된 청구항들의 범위 내에서 많은 변경 및 수정이 이루어질 수 있음을 알 것이다.

도 1은 중량 차량(100)을 도시한 것이다. 본 실시예는 트레일러 유닛(120)을 견인하도록 배치되는 트랙터 유닛(110)을 포함한다. 트랙터(110)는 차량(100)의 각종 기능을 제어하도록 배치되는 차량 제어 유닛(VCU)(130)을 포함한다. 일 예로, VCU는 휠 슬립, 차량 유닛 안정성 등의 제어를 포함하는 차량 모션 관리(VMM) 기능을 수행하도록 배치될 수 있다. 트레일러 유닛(120)은 선택적으로 VCU(140)를 포함하며, 트레일러(120)에 대한 하나 이상의 기능을 제어한다. VCU 또는 VCU들은 예를 들어 무선 링크를 통해 원격 서버(150)와 통신 연결될 수 있다. 이 원격 서버(150)는 ECU의 다양한 구성을 수행하고, 온보드 전기 기계(EM)의 효율 특성, 차량(100)에 탑재된 타이어의 제조사 및 종류, 기타 차량 데이터에 대한 데이터를 제공하는 것과 같이 ECU(130)에 다양한 형태의 데이터를 제공하도록 배치될 수 있다.

트레일러 유닛(120)은 하나 이상의 EM 및 전기 에너지 저장 시스템을 포함하는 자가 동력 트레일러로서 배치될 수 있다. 트레일러 VCU(140)는 이들 EM을 주 트랙터 VCU(130)와 독립적으로, 또는 주 트랙터 VCU(130)에 대한 슬레이브 구성으로 제어하도록 구성될 수 있다. 물론, 차량 조합(100)은 또한 하나 이상의 돌리 유닛 및 하나 이상의 트레일러 유닛과 같은 추가 차량 유닛을 포함할 수 있다. 이러한 추가 차량 유닛은 또한 에너지원 및 EM을 포함하는 자가 동력 차량 유닛으로서 구성될 수 있다.

차량(100)은 휠들에 의해 지지되며, 여기서 각 휠(wheel)은 타이어(tyre)를 포함한다. 트랙터 유닛(110)은 통상 조향되는 프론트 휠들(160)과, 적어도 한 쌍의 휠(170)이 피동 휠인 리어 휠들(17)을 갖는다. 일반적으로 트랙터 유닛(110)의 후륜(170)은 태그 차축 또는 푸셔 차축에 장착될 수 있다. 태그 차축은 최후단 구동 차축이 동력을 받지 않는 곳에 있으며, 이를 프리 롤링(free-rolling) 또는 데드 차축이라고도 한다. 푸셔 차축은 최전단 구동 차축이 동력을 받지 않는 곳에 있다. 트레일러 유닛(120)는 트레일러 휠들(180)에 지지된다. 상기 트레일러 차축 중 하나 이상은 피동 차축(driven axle)일 수 있다.

휠의 타이어는 차량(100)의 거동 및 성능을 결정하는 주요한 역할을 한다. 잘 설계된 타이어 세트는 양호한 견인력과 연비를 모두 제공하는 반면, 잘못 설계된 타이어 세트 또는 지나치게 마모된 타이어들은 견인력과 연비를 모두 감소시킬 가능성이 있고 심지어 불안정한 차량 조합을 초래할 수도 있는데, 물론 이는 바람직하지 않다. 타이어의 몇 가지 중요한 성질 및 특성 파라미터에 대해서는 지금부터 논의한다. 이러한 타이어 파라미터는, VCU(130, 140)에 의해 타이어의 다른 능력들 및 특성들이 결정될 수 있는 타이어 파라미터로서, 또는 단순히 VCU(130, 140)가 다양한 제어 결정을 최적화하기 위해 대략적으로 직접 사용할 수 있는 타이어 특성으로서, 선택적으로 타이어 모델에 구성된다. 주어진 구동 액슬에 장착된 타이어의 성질들은 적어도 부분적으로 관련 EM 구동 배치의 효율 특성을 결정하는 데 사용될 수 있다. 타이어 모델은 또한 주어진 휠 슬립에서 작동될 때 주어진 타이어의 마모율을 결정하는 데 사용될 수 있다. 따라서, 타이어 모델은 차량(100)의 서로 다른 피동 차축들로부터 요청되는 휠 슬립의 균형을 맞추는 최적화 루틴의 입력으로서 사용될 수 있다.

더 빠른 스피드들로 회전하는 타이어는 트레드 고무를 회전축으로부터 멀어지게 하는 원심력에 의해 더 큰 직경, 즉 더 큰 롤링 반경을 형성하는 경향이 있다. 이러한 효과를 종종 원심 성장이라고 한다. 타이어의 직경이 커짐에 따라 타이어 폭은 감소한다. 과도한 원심 성장은 타이어의 거동에 상당한 영향을 미칠 수 있다.

타이어의 뉴매틱 트레일은 단단한 표면 위를 구르고 사이드 로드에 영향을 받는 탄성 재질의 타이어가 회전하면서 발생하는 흔적과 같은 효과이다. 타이어의 뉴매틱 트레일 파라미터는 타이어의 접촉 패치(contact patch)의 기하학적 중심 뒤에서 타이어 사이드 슬립의 결과 힘이 발생하는 거리를 나타낸다.

여기서 로 표시되는 슬립각(slip angle) 또는 사이드 슬립각(side slip angle)은 롤링 휠의 실제 주행 방향과 롤링 휠이 향하는 방향 사이의 각도(즉, 휠 병진 속도의 벡터 합의 각도)이다.

타이어의 이완 길이는, 슬립각이 도입될 때부터 코너링력이 정상상태값에 도달할 때까지의 지연시간을 나타내는 공압 타이어의 성질이다. 일반적으로 이완길이는 타이어가 정상상태 횡력의 63%에 도달하기 위해 필요한 롤링거리로 정의되지만, 다른 정의도 가능하다.

수직 강성(stiffness) 또는 스프링 레이트는 타이어의 수직 편향에 대한 수직력의 비율이며, 이는 차량의 전체 서스펜션 성능에 기여한다. 일반적으로 스프링 레이트는 타이어 공기압(inflation pressure)에 따라 증가한다.

타이어의 접촉 패치, 즉 풋프린트는 노면과 접촉하는 트레드의 영역이다. 이 영역은 마찰을 통해 타이어와 도로 사이에 힘을 전달한다. 접촉 패치의 길이 대 폭 비율은 조향 및 코너링 거동에 영향을 미친다. 타이어 트레드 및 측벽 요소들은 풋프린트에 들어가고 나오면서 변형 및 회복을 겪는다. 고무는 탄성중합체성이기 때문에 이 사이클 동안 변형된다. 고무가 변형 및 회복됨에 따라 차량에 순환력을 부여한다. 이러한 변형을 타이어 균일성(tire uniformity)이라고 통칭한다. 타이어 균일성은 반경 방향 힘 변화(RFV), 횡방향 힘 변화(LFV) 및 접선 힘 변화로 특징지어진다. 반경 방향 힘 변화 및 횡방향 힘 변화는 제조 공정이 끝날 때 힘 변화 기계에서 측정된다. RFV 및 LFV에 대해 지정된 한계를 벗어나는 타이어는 거부된다. 반경 방향 런아웃, 횡방향 런아웃 및 측벽 벌지(sidewall bulge)를 포함하는 기하학적 파라미터는 품질 검사로 제조 공정이 끝날 때 타이어 공장의 타이어 균일성 기계를 사용하여 측정된다.

타이어의 코너링력 또는 사이드 포스는 코너링 중에 차량 타이어에 의해 발생하는 횡방향(도로 표면과 평행) 힘이다.

구름 저항성은 노면과 접촉하는 타이어의 변형으로 인해 발생하는 구름에 대한 저항성이다. 타이어가 구르면 트레드가 접촉 영역으로 진입하여 노면에 맞게 평평하게 변형된다. 변형을 일으키는 데 필요한 에너지는 타이어 공기압, 회전 스피드 및 타이어 구조의 수많은 물리적 성질들, 예를 들어 스프링력 및 강성에 의존한다. 타이어 제조업체는 보통 구름 저항이 연료 소비의 높은 부분을 차지하는 트럭의 연비를 향상시키기 위해 구름 저항성이 낮은 타이어 구조를 찾는다.

도 2는, 전술한 것들 및 또한 다른 성질들과 같은, 주어진 타이어의 성질들을 설명하기 위해, 타이어 성질들의 적어도 일부를 포함하는 예시적인 타이어 모델(200)을 나타낸다. 타이어 모델은 주어진 휠에 대한 종방향 타이어 힘 Fx와 휠에 대한 등가 종방향 휠 슬립 사이의 관계를 정의하기 위해 사용될 수 있다. 종방향 휠 슬립 는 휠 회전 속도와 지면에서의 스피드 사이의 차이에 관한 것이고, 이하에서 더 상세히 논의될 것이다. 휠 회전 스피드 는 예를 들어, 분당 회전수(rpm)의 단위 또는 라디안/초(rad/sec) 또는 도/초(deg/sec)의 각속도로 주어진 휠의 회전 스피드이다. 휠 슬립의 함수로서 종방향(굴림 방향) 및/또는 횡방향(종방향에 직교)으로 발생되는 휠 힘의 관점에서의 휠 거동은 Hans Pacejka의 "타이어 및 차량 역학", Elsevier Ltd. 2012, ISBN 978-0-08-097016-5에서 논의된다. 예를 들어, 휠 슬립과 종방향 힘의 관계가 논의되는 제7장을 참조하라.

종방향 휠 슬립 는 SAE J670(SAE 차량 역학 표준 위원회 2008년 1월 24일)에 따라 다음과 같이 정의될 수 있다

여기서 은 유효 휠 반경(미터)이고, 는 휠의 각속도이고, 는 (휠의 좌표계에서) 휠의 종방향 스피드이다. 따라서, 는 -1과 1 사이에 경계지어지고, 얼마나 휠이 노면에 대해 미끄러지는지를 정량화한다. 휠 슬립은 본질적으로 휠과 차량 사이에서 측정된 스피드 차이이다. 따라서, 본원에 개시된 기술들은 임의의 타입의 휠 슬립 정의에 사용하기 위해 적응될 수 있다. 휠 슬립 값은 휠의 좌표계에서, 표면 위에서의 휠의 속도가 주어진 휠 스피드 값과 동등하다.

횡방향 휠 슬립 는 다음과 같이 정의될 수 있다

여기서 는 (휠의 좌표계에서) 휠의 횡방향 스피드이며, 종방향 스피드 의 방향과 직교하는 방향에서 측정된다. 본 개시는 주로 종방향 휠 슬립에 초점을 맞추고 있는데, 이는 전방 모션을 발생시키는 휠 슬립이다.

휠(또는 타이어)이 휠력을 발생시키기 위해서는 미끄러짐이 발생해야 한다. 미끄러짐 값이 작으면 미끄러짐과 발생하는 힘의 관계는 대략 선형이며, 비례 상수는 보통 타이어의 미끄러짐 강성으로 나타낸다. 도 2를 참조하면, 타이어(타이어들 160, 170, 180 중 어느 것과 같은)는 종방향 힘 Fx, 횡방향 힘 Fy, 법선력 Fz를 받는다. 법선력 Fz는 중요한 차량 성질들을 결정하는 핵심 요소이다. 예를 들어, 일반적으로 이며, 는 도로 마찰 컨디션과 관련된 마찰 계수이기 때문에, 법선력은 대부분 휠이 달성할 수 있는 종방향 힘 Fx를 결정한다. 한스 파이스카(Hans Pacejka)에 의하여 "타이어 및 차량 역학"("Tyre and vehicle dynamics", Elsevier Ltd. 2012, ISBN 978-0-08-097016-5)에 기술된 바와 같이, 주어진 횡방향 슬립에 대해 최대 이용가능한 횡방향 힘을 소위 매직 공식(Magic formula)으로 기술할 수 있다.

도 2는 휠 슬립의 함수로서 달성 가능한 타이어 힘 Fx, Fy의 예를 나타낸다. 종방향 타이어 힘 Fx는 작은 휠 슬립에 대해 거의 선형으로 증가하는 부분 210을 보여주고, 그 다음에 큰 휠 슬립에 대해 더 비선형적인 거동을 갖는 부분 220을 보여준다. 획득 가능한 횡방향 타이어 힘 Fy는 상대적으로 작은 종방향 휠 슬립에서도 급격히 감소한다. 인가된 브레이크 명령에 응답하여 획득 가능한 종방향 힘이 예측하기 더 쉽고, 필요한 경우 충분한 횡방향 타이어 힘이 생성될 수 있는 선형 영역 210에서 차량 동작을 유지하는 것이 바람직하다. 이 영역에서 동작을 보장하기 위해, 주어진 휠에 예를 들어, 0.1 정도의 휠 슬립 한계 이 부과될 수 있다. 예를 들어, 0.1을 초과하는 더 큰 휠 슬립에 대해, 더 비선형 영역 220이 보인다. 현재 기술들은 주로 부과된 휠 슬립 한계 아래, 즉 선형 영역 210에서 휠 슬립을 제어하는 것에 초점을 맞춘다.

이러한 종류의 타이어 모델은 실제 실험, 해석적 유도, 컴퓨터 시뮬레이션, 또는 이들의 조합에 의해 결정될 수 있다. 실제로, 타이어 모델은 타이어 파라미터들에 의해 인덱스화된 룩업 테이블(Look-up Table, LUT)에 의해 표현되거나, 다항식 등을 기술하는 계수들의 세트로 표현될 수 있다. 계수들의 세트는 타이어 파라미터들에 기초하여 선택되고, 여기서 다항식은 타이어 거동 및 차량 상태 사이의 관계를 기술한다.

도 3은, 여기서 마찰 브레이크(320)(디스크 브레이크 또는 드럼 브레이크) 및 전기 기계(EM)(330)를 포함하는 예시적인 모션 서포트 장치(MSD)에 의해 휠(310)을 제어하기 위한 기능(300)을 개략적으로 도시한다. 마찰 브레이크(320) 및 EM(330)은 액추에이터로도 지칭될 수 있고 하나 이상의 모션 서포트 장치 제어 유닛(340)에 의해 제어될 수 있는 휠 토크 발생 장치의 예시적인 예이다. 제어는 예를 들어, 휠 회전 스피드 센서 및 다른 차량 상태 센서, 예를 들어 레이더 센서, 라이더 센서 및 또한 카메라 센서 및 적외선 검출기와 같은 비전 기반 센서로부터 획득된 측정 데이터에 기초한다. MSD 제어 유닛(340)은 하나 이상의 액추에이터를 제어하도록 배치될 수 있다. 예를 들어, MSD 제어 유닛이 액슬의 양쪽 휠에 대한 MSD들을 제어하도록 배치되는 것은 드물지 않다. MSD 제어 유닛(340)는 상이한 액추에이터들을 제어하기 위한 별개의 휠 엔드 모듈(WEM) 제어 유닛들(350, 360)를 포함할 수 있다. 예를 들어, 글로벌 포지셔닝 시스템, 비전 기반 센서, 휠 회전 스피드 센서, 레이더 센서 및/또는 라이다 센서를 사용하여 차량 유닛 모션을 추정하고, 이 차량 유닛 모션을 주어진 휠의 로컬 좌표계(예를 들어, 종방향 및 횡방향 속도 성분 측면)로 변환함으로써, 휠 기준 좌표계에서의 차량 유닛 모션을 휠과 관련하여 배치된 휠 회전 스피드 센서로부터 획득된 데이터와 비교함으로써, 실시간으로 휠 슬립을 정확하게 추정하는 것이 가능해진다.

교통 상황 관리(TSM) 기능(380)은 예를 들어, 1-10초 정도의 타임 호라이즌을 갖는 주행 동작들을 계획한다. 이 시간 프레임은 예를 들어, 차량(100)이 곡선을 도는데 걸리는 시간에 대응한다. TSM에 의해 계획되고 실행되는 차량 기동은 주어진 기동에 대한 원하는 차량 속도 및 선회를 기술하는 가속 프로파일 및 곡률 프로파일과 연관될 수 있다. TSM은, 안전하고 견고한 방식으로 TSM으로부터의 요청을 충족시키기 위해 힘 할당을 수행하는 VMM 기능(370)으로부터 원하는 가속 프로파일이 a_req 및 곡률 프로파일 c_req 를 지속적으로 요청한다. 원하는 가속 프로파일 및 곡률 프로파일은 선택적으로 스티어링 휠, 가속 페달 및 브레이크 페달과 같은 통상적인 제어 입력 장치를 통한 중량 차량의 인간 기계 인터페이스를 통한 운전자로부터의 입력에 기초하여 결정될 수 있지만, 본 명세서에 개시된 기술은 자율 또는 반자율 차량에도 똑같이 적용 가능하다. 가속 프로파일 및 곡률 프로파일을 결정하기 위해 사용되는 정확한 방법은 본 개시의 범위 내에 있지 않으며, 따라서 본 명세서에서 더 상세하게 논의되지 않을 것이다.

VMM 기능(370)은 약 0,1-1,5초 정도의 타임 호라이즌으로 동작하며, 가속 프로파일(a_req) 및 곡률 프로파일(c_req)을 차량 모션 기능을 제어하기 위한 제어 명령으로 지속적으로 변환하고, 차량 모션 기능은 VMM에 기능을 다시 보고하는 차량(100)의 서로 다른 MSD들에 의해 작동되며, 이는 결국 차량 제어에서 제약으로 사용된다. 차량의 휠에 토크를 전달할 수 있는 MSD들과 VMM 사이의 인터페이스(375)는 전통적으로 휠 슬립에 대한 어떠한 고려 없이 VMM으로부터 각 MSD으로의 토크 기반 요청에 초점을 맞추었다. 그러나, 이러한 접근 방식은 상당한 성능 제한을 갖는다. 안전에 위험하거나 과도한 슬립 상황이 발생할 경우, 그 때, 별도의 제어 유닛에서 작동되는 관련 안전 기능(트랙션 컨트롤, 안티-락 브레이크 등)이 보통 개입하고 슬립을 제어로 되돌리기 위하여 토크 오버라이드를 요청한다. 이러한 접근 방식의 문제점은 액추에이터의 1차 제어 및 액추에이터의 슬립 제어가 상이한 전자 제어 유닛(ECU)에 할당되기 때문에, 이들 사이의 통신에 관여하는 지연 시간이 슬립 제어 성능을 크게 제한한다는 것이다. 또한, 실제 슬립 제어를 달성하기 위해 사용되는 2개의 ECU에서 이루어지는 관련 액추에이터 및 슬립 가정은 부합되지 않을 수 있으며, 이는 결국 차선의 성능으로 이어질 수 있다.

VMM과 MSD 제어기 또는 제어기들(350, 360) 사이의 인터페이스(375)에 휠 속도 또는 휠 슬립 기반 요청을 대신 사용하고, 그에 의하여 어려운 액추에이터 속도 제어 루프를 VMM 기능에 비해 훨씬 짧은 샘플 시간으로 작동하는 MSD 제어기로 이동시킴으로써 상당한 이점을 달성할 수 있다. 이러한 아키텍처는 토크 기반 제어 인터페이스에 비해 훨씬 더 우수한 교란 제거를 제공할 수 있으며, 따라서 타이어 도로 접촉 패치에서 발생하는 힘의 예측 가능성을 향상시킨다. VMM 모듈(370)은 도 2의 타이어 모델과 같은 타이어 모델을 사용하여 각 휠에 대해 또는 휠 서브세트에 대해 결정되는 요구 휠 힘 Fxi, Fyi를 동등한 휠 속도 또는 휠 슬립 로 변환한다. 이러한 휠 속도 또는 슬립은 이후 각각의 MSD 제어기(340)로 전송된다. MSD 제어기는 제약 조건으로 사용될 수 있는 캐퍼빌리티(CAP)를 보고한다.

VMM 기능(370)과 또한 선택적으로 MSD 제어 유닛(340)은 (휠의 기준 프레임 내) 에 대한 정보를 유지하는 한편, (휠의 회전 속도)를 결정하기 위하여 휠 스피드 센서 등이 사용될 수 있다.

VMM 모듈(370)은 메모리에 미리 결정된 타이어 모델을 예를 들어, 룩업 테이블로서 저장하도록 배치될 수 있다. 인버스 타이어 모델은 휠(310)의 현재 작동 컨디션에 대한 함수로서 메모리에 저장되도록 배치된다. 이는 인버스 타이어 모델의 거동이 차량의 작동 컨디션에 의존하여 조정됨을 의미하며, 이는 작동 컨디션을 고려하지 않은 모델에 비해 더 정확한 모델이 획득됨을 의미한다. 메모리에 저장되는 모델은 실험 및 시행에 기초하여, 또는 해석적 유도에 기초하여, 또는 둘의 조합에 기초하여 결정될 수 있다. 예컨대, 제어 유닛은 현재 작동 컨디션에 따라 선택된 상이한 모델들의 세트에 액세스하도록 구성될 수 있다. 예컨대 하나의 인버스 타이어 모델은 법선력이 큰 고부하 주행을 위해 조정될 수 있고, 다른 인버스 타이어 모델은 도로 마찰력이 낮은 미끄러운 도로 컨디션을 위해 조정될 수 있다. 사용할 모델의 선택은 미리 결정된 선택 규칙들의 세트에 기초할 수 있다. 메모리에 저장된 모델은 또한 적어도 부분적으로 작동 컨디션의 함수일 수 있다. 따라서, 모델은 예를 들어, 입력 파라미터로서 법선력 또는 도로 마찰력을 취하도록 구성될 수 있고, 이에 의하여 휠(310)의 현재 작동 컨디션에 의존하여 인버스 타이어 모델을 획득할 수 있다. 작동 컨디션들의 많은 측면들은 디폴트 작동 컨디션 파라미터들에 의해 근사화될 수 있는 반면, 작동 컨디션의 다른 측면들은 대략적으로 더 작은 수의 클래스들로 분류될 수 있다. 따라서, 휠(310)의 현재 작동 컨디션에 의존하여 인버스 타이어 모델을 획득한다는 것은, 반드시 다수의 상이한 모델들이 저장될 필요가 있다는 것을 의미한다거나, 미세한 입도로 작동 컨디션의 변동을 설명할 수 있는 복잡한 해석 함수를 의미하지는 않는다. 오히려, 작동 컨디션에 따라 선택되는 2개 또는 3개의 상이한 모델들로도 충분할 수 있다. 예를 들어, 차량이 과중하게 적재될 때 사용될 하나의 모델과 그렇지 않은 경우 사용될 다른 모델이 있다. 모든 경우에, 타이어 힘과 휠 슬립 사이의 맵핑은 작동 컨디션에 의존하여 어떤 방식으로 변화하며, 이는 맵핑의 정밀도를 향상시킨다. 인버스 타이어 모델은 또한 적어도 부분적으로 차량의 현재 작동 컨디션에 자동으로 또는 적어도 반자동으로 적응하도록 구성된 적응형 모델로서 구현될 수 있다. 이것은 주어진 휠 슬립 요청에 응답하여 생성된 휠 힘의 관점에서 주어진 휠의 응답을 지속적으로 모니터링하고, 및/또는 휠 슬립 요청에 응답하여 차량(100)의 응답을 모니터링함으로써 달성될 수 있다. 그때, 적응형 모델은 휠로부터 주어진 휠 슬립 요청에 응답하여 획득된 휠 힘을 더 정확하게 모델링하도록 조정될 수 있다.

도 4 및 도 5는 복수의 EM 배치(EM1, EM2, EM3)가 상이한 구동 차축에 동력을 공급하도록 구성되는 구동 배치들(drive arrangements)(400, 500)의 예를 나타낸다. 일반적으로, 차량 유닛은 임의 수의 피동 차축을 포함할 수 있고, 피동 차축은 또한 도 4에 나타낸 바와 같이 조향 차축일 수도 있고 그렇지 않을 수도 있다. 피동 차축은 도 5에 나타낸 바와 같이 오픈 디퍼런셜 또는 도 4에 나타낸 바와 같이 휠 엔드 모터를 포함할 수 있다. EM 배치는 원하는 총 종방향 힘 Fx로 합산되는 각각의 제1, 제2 및 제3 종방향 F1, F2 및 F3을 생성하도록 구성된다.

흥미로운 점은, 도 4에 도시된 구동 배치 400은 트랙터 차량 유닛(100) 또는 스티어드 돌리 차량 유닛(steered dolly vehicle unit)에 적합하다는 것이다. 반면에, 구동 배치 500은 스티어드 액슬이 없는 돌리 차량 유닛, 자가 동력 트레일러 또는 트랙터에서의 구동 배치일 수 있다. 제안된 방법들에서 합리적인 계산 복잡도로 인해, 두 개의 구동 차축을 제어하는 제어 방법들은 유리하게 자가 동력 피견인 차량 유닛에 적용될 수 있다.

전기 기계는 일반적으로 양의 인가 토크 및 음의 인가 토크 모두에 대해 효율 특성들과 연관된다. 전기 모터 효율은 상이한 방식들로 정의될 수 있다. 그러나, EM 효율의 일반적인 정의는 파워 출력(기계적)과 파워 입력(전기적) 간의 비율이다. 기계적 파워 출력은 요구되는 토크 및 스피드(즉, 모터에 부착된 대상체를 이동시키는데 필요한 파워)에 기초하여 계산되고, 전기적 파워 입력은 모터에 공급되는 전압 및 전류에 기초하여 계산된다. 기계적 파워 출력은 변환(전기적 내지 기계적) 중에 열 및 마찰과 같은 다양한 형태로 에너지가 손실되기 때문에 항상 전기적 파워 입력보다 낮다. 전기 모터의 설계는 항상은 아니지만 보통 효율을 향상시키기 위해 이러한 손실을 최소화하는 것을 목표로 한다.

도 6은 EM 효율 특성(600)의 일 예를 예시한다. 효율은 여기에 윤곽 플롯(contour plot)으로서 플롯된다. 윤곽 플롯(때로는 레벨 플롯으로 불리움)은 2차원 평면 상에 3차원 표면을 나타내는 방법이다. 이는 x축 및 y축 상의 두 변수와 제3 변수 Z를 윤곽(610, 620)으로서 그래프화한다. 이러한 윤곽은 때로 z-슬라이스(z-slices) 또는 아이소-리스판스 값(iso-response values)이라고 불린다. 도 6은 양의 토크(601) 및 음의 토크(602), 즉 제동의 모두에 대한 효율을 나타낸다. 효율은 보통 기어비, 휠 직경 등을 통해 차량 스피드로 변환되는 모터 차축 속도의 함수이며, 또한 적용된 토크의 함수이다. 주목할 만한 것은, 예(600)에서 EM이 최대 효율로 작동되는 스위트-스팟(630)이 있으며, 이 최적 작동점으로부터의 임의의 편차는 감소된 효율을 초래할 것이다. 반대로, 최대 효율 작동점(660)은 제동 시에 최대 에너지 양이 회수되는 제동 시에도 정의될 수 있다. 앞서 논의된 바와 같이, 하강 힐 주행 시에 배터리가 보충된다면 이 지점에서 제동을 수행하는 것이 바람직할 수 있다. 그러나, 배터리가 이미 만충 되어 있는 경우, 이 스위트-스팟은 에서 작동하기 매우 바람직하지 않을 수 있다.

전기 동력 차량의 구동 차축 상의 상이한 2개 이상의 EM 배치는 상이한 효율 특성으로 구성될 수 있다. 이는, 즉, 상이한 유형의 전기 기계를 사용함으로써, 상이한 고정 기어비를 사용함으로써, 및/또는 상이한 차축 상의 상이한 유형의 타이어를 사용함으로써 달성될 수 있다. 위에서 언급된 US2010222953은 그러한 상이한 에너지 효율 특성이 차량 추진을 최적화하는데 어떻게 사용될 수 있는지를 기술한다. 예를 들어, 하나의 차축은 비교적 낮은 차량 스피드에서 최적인 효율 특성으로 구성될 수 있는 반면, 다른 차축은 더 높은 스피드에서 최적인 효율 특성으로 구성될 수 있다. 그때, 제1 차축은 시동성을 위해 사용될 수 있는 반면, 다른 차축은 차량이 더 높은 속도로 순항하고 있을 때 사용될 수 있다. 하나의 차축은 또한 큰 토크를 생성하도록 구성될 수 있는 반면, 다른 차축은 토크를 생성하는 능력이 제한적일 수 있다.

그러나, US2010222953에 기재된 기술과는 달리, 본 명세서에서는 대신, 차량(100) 상의 서로 다른 구동 차축으로 전송되는 슬립 요청을 변경하는 것이 제안된다. 따라서, 차량이 저속으로 작동하는 경우, 고속에 최적화된 구동 차축으로 전송되는 슬립 요청과 비교하여, 더 높은 슬립 요청 값이 저속에 최적화된 차축으로 전송될 것이다. MSD 제어기(340)가 더 높은 대역폭으로 액추에이터를 제어할 수 있는 이점이 있고, 이에 의하여 서로 다른 WEM으로 전송되는 토크 요청에 기초한 제어 시스템에 비해 더 정확하게 효율 균형을 유지할 수 있다. 또한, 아래에서 더 자세히 논의될 것처럼, 본 명세서에서 제안되는 휠 슬립 밸런싱 알고리즘은 합리적인 계산 복잡도로 구현될 수 있고, 이는 장점이 된다. 이러한 장점은 휠 슬립 밸런싱 기술이 전동 트레일러 차량 유닛 또는 자가 동력 돌리 차량 유닛과 같이 강력한 처리 회로가 결여된 차량 유닛에서 구현되는 경우에 특히 두드러진다.

전기 모터는 보통 최대 효율로 작동되며, 이는 예를 들어 내리막 주행 중에 가능한 한 많은 에너지를 회수하기 위하여 회생 제동 중에 최대 출력 파워가 발생되는 것을 의미한다. 그러나, 대부분의 전기 기계가 감소된 효율로 작동될 수 있도록 하는 전기 기계들과 연관된 제어 자유가 있음이 알려져 있다. 이러한 차선의 에너지 효율 전기 기계 제어의 일반적인 원리는 예를 들어, GB2477229B 및 US 2017/0282751 A1에 기술되어 있다. 덜 에너지 효율적인 작동 모드로 작동되는 제동 토크를 발생시키는데 사용되는 전기 기계는 최대 효율로 작동되는 전기 기계에 비해 더 많은 열과 더 적은 출력 전류를 발생시킬 것이다.

본 개시내용의 양태들은 GB2477229B 및 US 2017/0282751 A1의 작업 상에 구축되고, 차량 제어 유닛(130)이 회생 제동 동안 EM(330)으로부터 출력되는 전류와 제동 동안 EM의 온도 상승을 균형잡게 하는 제어 메커니즘 및 통신 인터페이스를 제공한다. 본질적으로, 제어 유닛(130)은 제안된 기술에 의해, 내리막 주행의 연장된 기간 동안 EM 온도 상승과 전기 저장 시스템(ESS) 에너지 흡수 능력을 균형잡게 할 수 있으며, 이에 따라, 중량 차량(100)에 대해 향상된 내구 제동 능력을 제공하고, 이에 따라 브레이크 저항과 같은 차량(100)의 전기 시스템 구성요소들을 과 치수화할 필요성이 감소된다. 바람직한 구현에 따르면, 제어 유닛(130)은 또한 예측 방식으로 주행 동안 EM의 전류 출력을 균형잡게 한다. 예컨대, 경로가 초기의 평탄한 도로 스트레치(stretch)와 이어서 긴 내리막 구간을 포함하는 것으로 가정한다. 그때, 제어 유닛은 경로의 긴 내리막 구간 동안 충분한 내구 제동 능력을 보장하기 위해, 경로의 평탄한 스트레치에서의 주행 동안 더 많은 전력을 소비하도록 에너지 비효율적인 동작 모드로 EM을 구성할 수 있다. 차량의 상이한 피동 차축들에서 휠 슬립들 사이의 균형을 가능하게 함으로써, 온도 제어가 수행될 수 있다. 요청된 슬립이 높을수록 - EM들이 제동의 추진을 위해 사용되는지 여부에 관계없이, EM 내의 온도 증가가 더 크다. 따라서, 일부 양태들에 따르면, 차량 구동 차축들 상에서 휠 슬립의 균형을 맞출 때 EM 온도가 고려된다. 그때, EM에서의 높은 온도는 요청 휠 슬립의 감소를 보증할 수 있고, 이와 함께 그 감소를 보상하기 위해 다른 구동 차축에서 휠 슬립이 증가될 수 있다. 일단 고온 EM이 냉각되면, 요청 휠 슬립은 다시 증가될 수 있다.

도 7 및 도 8은 본 명세서에 개시된 기술들이 사용될 수 있는 예시적인 중량 차량들(700, 800)을 예시한다. 차축들(710, 720, 730, 740, 750, 760) 중 어느 하나는 추진 및 회생 제동을 위해 배치된 EM 배치를 포함할 수 있다. 기술들은 트랙터 유닛(110), 트레일러 유닛(120, 130) 및/또는 돌리 차량 유닛(140)에서 유리하게 구현될 수 있다. 휠 슬립 밸런싱은 중앙 VCU(130) 또는 차량 유닛 로컬 VCU(140)에서 수행될 수 있다.

도 9a 및 도 9b는 개시된 기술들이 도 7 및 도 8에 예시된 것들과 같은 차량에서 어떻게 동작할 수 있는지에 대한 예들을 나타낸다. 도 9a의 차량은 일정한 가속도로 가속하고 있고, 이는 차량 종방향 속도(Vx)가 선형적으로 증가함을 의미한다. 처음에, 제1 EM 배치는 요구되는 추진 토크를 제공하기에 충분하다. 제어 유닛(130)(또는 140)은 가장 효율적인 추진 옵션이 트랙터(110)의 리어 액슬(730) 또는 트레일러(120)의 프론트 액슬(740)과 관련될 수 있는 제1 EM 배치로부터 휠 슬립 을 요청하는 것이라고 결정한다. 그러나, 대부분의 EM 배치와 유사하게, 제1 EM 배치 효율은 도 6의 일점 쇄선(640)에 예시된 바와 같이, 차량 속도의 증가를 지원하기 위해 요구되는 모터 액슬 스피드의 증가에 따라 감소한다. 따라서 제어 유닛은 차량의 다른 액슬에 동력을 공급하도록 구성된 제2 EM 배치로부터도 휠 슬립 을 요청하기 시작한다. 이들 두 개의 휠 슬립 값은 결국, 차량의 원하는 오퍼레이션을 유지하기 위하여, 원하는 관계가 되도록 제어 유닛에 의해 결정된 관계에서 균형을 맞춘다. 도 9b는 차량이 각각의 제1 및 제3 구동 액슬에 동력을 공급하도록 구성된 제1, 제2 및 제3 EM 배치를 포함하는 예를 나타낸다. 여기서, 제어 유닛은 제1 휠 슬립 요청 에서의 차량 시동 동안 제1 EM 배치가 단독으로 가장 효율적으로 동작한다고 결정한다. 그 후, 제어 유닛은 휠 슬립 요청 에서 제2 EM 배치와 블렌딩되고, 이에 따라 차량 추진에 대한 제1 EM 배치 기여는 단계적으로 제거되고, 결국 제3 휠 슬립 가 요청되는 제3 EM 배치로 대체된다.

상기 논의를 요약하면, 적어도 제1 및 제2 EM 배치들(EM1, EM2)을 포함하는 중량 차량(100)의 모션을 제어하도록 배치된 차량 제어 유닛(130, 140)이 개시되며, 여기서 제1 EM 배치는 제2 EM 배치와 상이한 효율 특성을 갖는다. 두 개 이상의 EM 배치들도 물론 가능하다. EM 효율은 예컨대 도 6과 관련하여 위에서 논의되었으며, 추진 및 제동 시의 에너지 효율 모두와 관련될 수 있다. 일반적으로, EM의 EM 효율 특성은, 전기적으로 저장된 에너지를 중량 차량을 가속시키는 추진력으로 변환하거나, 또는 도로 마찰 및 공기 저항과 같은 손실을 극복함으로써 적어도 안정적인 차속을 유지하는 EM의 능력을 나타낸다. EM 효율 특성은, 앞서 논의된 바와 같이, 예컨대 다이렉트 및 쿼드레튜어 셋-포인트(direct and quadrature set-point)의 측면에서 전기 기계의 오퍼레이팅 포인트를 조정함으로써 수정될 수 있다.

제1 EM 배치(EM1)는 예를 들어 제2 EM 배치(EM2)와 비교하여 차량 스피드(Vx)의 함수로서 상이한 효율 특성을 가질 수 있다. 이는 EM 배치들 중 하나가 일반적으로 낮은 차속에서 더 효율적인 반면, 다른 EM 배치는 더 높은 차속에서 더 효율적이라는 것을 의미한다. 제1 EM 배치(EM1)는 또한 제2 EM 배치(EM2)와 비교하여 인가된 토크 또는 생성된 휠 힘의 함수로서 상이한 효율 특성을 가질 수 있다. 일반적으로, EM의 에너지 효율 특성은 도 6에 예시된 바와 같이 속도 및 토크 모두의 함수이다. 그러나, 단순화는, 속도 또는 토크에 대한 의존성을 고려하지 않고, 관련 파라미터들의 서브세트만을 고려함으로써 가능하며, 이는 감소된 복잡성 구현을 초래한다는 것에 주목한다. 이 효율 맵은 또한, 위에서 언급된 바와 같이, EM 배치의 다이렉트 및 쿼드레튜어 셋-포인트(direct and quadrature set-point)의 측면에서 오퍼레이팅 포인트를 조정함으로써, 특정 EM 구현을 위해 조정될 수 있다.

제1 EM 배치(EM1)는 제1 차량 액슬과 연관될 수 있고, 제2 EM 배치(EM2)는 중량 차량(100)의 제2 차량 액슬과 연관될 수 있다. 다만, 도 8 및 도 9와 관련하여 위에서 논의된 바와 같이, 차량 조합은 하나 이상의 차량 유닛 상에 다수의 구동 액슬들, 또한 별개의 휠-엔드 모터들을 포함할 수 있다. 따라서, 본 명세서에서의 교시는 매우 다양한 상이한 차량 유닛 유형들 및 조합들에 적용가능한 것으로 해석된다. 제1 EM 배치(EM1)는 선택적으로 더 낮은 차량 스피드에서의 효율을 위해 구성된 시동성 EM 배치고, 제2 EM 배치(EM2)는 이후 더 높은 차량 스피드에서의 효율을 위해 구성된 순항-모드 EM 배치일 수 있다. 바람직하게, 시동성 EM 배치는 차량 유닛 리어 액슬(720, 730)에 동력을 공급하도록 구성되고, 크루즈-모드 EM 배치는 차량 유닛 조향 액슬(710)에 동력을 공급하도록 구성된다. 이는 주로, 조향 액슬이 차량이 느리게 주행할 때에만 보통 발생하는 더 큰 조향각에서의 부하로부터 면제되기 때문이다.

상이한 에너지 특성을 갖는 EM 배치들을 실현하는 하나의 방법은 상이한 EM 디자인의 하나 이상의 EM들을 포함하고 및/또는 제2 EM 배치(EM2)와 비교하여 상이한 기어비를 포함하는 제1 EM 배치(EM1)를 제공하는 것이다.

본 명세서에 개시된 차량 제어 유닛들은 각각의 EM 제어 유닛들에 휠 슬립 요청을 전송함으로써 제1 및 제2 EM 배치 EM1, EM2를 제어하도록 배치된다. 여기서, 그라운드 위에서의 차량의 스피드와 관련하여, 즉 그라운드 위서의 휠의 스피드와 관련하여 휠 스피드 요청이 결정되는 한, 휠 슬립 요청은 선택적으로 또한 휠 스피드 요청을 포함하는 것으로 해석된다. 이 경우 휠 스피드와 휠 슬립은 적어도 본 명세서의 목적을 위해 동등하다.

따라서, 전송된 휠 슬립 요청은 선택적으로 다음과 같이 주어지는 목표 종방향 휠 슬립을 포함하거나 적어도 나타낸다

여기서 은 유효 휠 반경(미터)이고, 는 휠의 각속도이고, 는 그라운드 위 휠의 종방향 스피드이다. 다른 옵션에 따르면, 전송되는 휠 슬립 요청은 목표 종방향 휠 슬립 를 획득하기 위한 그라운드 위 휠의 종방향 스피드 에 대한 제어 유닛(130, 140)에 의해 결정된 휠의 목표 각속도 를 포함한다.

더 나아가, 제어 유닛(130, 140)은 제1 및 제2 EM 배치에 의해 공동으로 생성될 원하는 총 종방향 힘(Fx)을 얻도록 배치된다. 총 종방향 힘은 차량에 의해 원하는 모션, 예컨대 원하는 가속도를 생성하기 위해 결정된다.

제어 유닛(130, 140)은 제1 EM 배치에 의해 생성된 제1 종방향 힘(F1)에 대응하는 원하는 제1 휠 슬립 및 제2 EM 배치에 의해 생성된 제2 종방향 힘(F2)에 대응하는 원하는 제2 휠 슬립 를 결정하도록 배치되며, 여기서 제1 종방향 힘(F1)과 제2 종방향 힘(F2)의 합은 원하는 총 종방향 힘(Fx)에 매칭된다. 이는, 원하는 총 종방향 힘으로 합계되는 각각의 힘들을 발생시키기 위하여 적어도 두 개의 EM 배치들이 작동된다는 것을 의미한다. 제어 유닛(130, 140)이 제1 및 제2 EM 배치(EM1, EM2)의 각각의 효율 특성에 의존하여 제2 휠 슬립 의 크기에 대한 제1 휠 슬립 의 크기를 밸런싱하기 때문에, 이들 두 콤포넌트 종방향 힘들은 변할 것이다.

큰 휠 슬립에 의한 차량 추진 또는 제동에 기여하는 휠은 현저한 휠 슬립을 발생시키지 않는 휠에 비해 더 높은 타이어 마모를 경험할 가능성이 있다. 차량의 휠들 간의 타이어 마모의 균형을 맞추기 위해, 휠 슬립의 밸런싱 시에 추정된 타이어 마모를 고려하는 것이 바람직할 수 있다. 여기서 타이어 법선 하중은 또한 주어진 휠 슬립의 결과로서 예측 타이어 마모에서 중요한 부분을 수행할 수 있는데, 여기서 더 높은 법선 하중은 보통, 더 작은 법선 하중에서 미끄러지는 휠에 비해 더 높은 타이어 마모율을 의미한다. 예를 들어, 법선 하중 및 휠 슬립에 의존하는 타이어 마모의 모델은 휠 슬립 밸런싱 알고리즘에 입력으로서 구축되고 사용될 수 있다. 어떠한 휠이 모델에 의해 높은 타이어 마모를 경험하는 것으로 추정되는 경우, 그 경우에 이 휠로부터 요청되는 휠 슬립이 감소될 수 있으며, 그 반대도 마찬가지이다. 한 예시적인 제어 방법은 주어진 휠 슬립을 초과하는 오퍼레이션을 방지하는 휠 슬립 제한을 단순히 구현하는 것이며, 휠 슬립 제한은 타이어 법선 하중에 의존하여 결정될 수 있다. 이러한 방식으로, 특정 휠 밸런싱 해결책은, 어떠한 다른 관점, 예를 들어, 에너지 효율 관점에서 효율적임에도 불구하고 허용될 수 없는 타이어 마모율을 초래하기 때문에, 허용되지 않게 된다. 따라서, 어떠한 양태에 따르면, 제어 유닛은 현재 휠 슬립으로부터의 추정되는 타이어 마모 또는 타이어 마모율에 기초하여 제2 휠 슬립 의 크기에 대한 제1 휠 슬립 의 크기의 균형을 맞추도록 배치될 수 있다. 법선 하중은 또한 휠들 간 또는 피동 차축 간 휠 슬립의 밸런싱에서 고려될 수 있다. 따라서, 어떠한 양태에 따르면, 제어 유닛(130, 140)은 제1 EM 배치(EM1) 및 제2 EM 배치(EM2)과 연관된 차축 상의 각각의 법선 하중에 기초하여 제2 휠 슬립 의 크기에 대한 제1 휠 슬립 의 크기의 균형을 맞추도록 배치된다.

도 10 및 도 11은 이러한 휠 슬립 밸런싱이 실제로 어떻게 구현될 수 있는지에 대한 예를 나타낸다. 여기서 단지 두 개의 EM 배치만이 밸런싱되지만, 두 개 이상의 EM 배치도 물론 사용될 수 있다. MSD 코디네이션 함수는 생성될 원하는 종방향 힘 Freq를 수신한다. 이 요청을 충족시키기 위해, MSD 코디네이션 함수는 제1 및 제2 휠 슬립 요청 , 를 제1 및 제2 EM 배치 EM1, EM2에 할당해야 하며, 휠 슬립 요청은 제1 EM 배치에 의해 생성되는 제1 종방향 힘 F1 및 제2 EM 배치에 의해 생성되는 제2 종방향 힘 F2로 변환되며, 여기서 제1 종방향 힘 F1 및 제2 종방향 힘 F2의 합은 원하는 총 종방향 힘 Fx에 매칭된다. 힘과 휠 슬립 간의 맵핑은 도 2와 관련하여 위에서 논의된 바와 같은 타이어 모델로부터 결정될 수 있다.

반드시 그렇지는 않지만, 통상, 여기서의 "매칭"은 "동일"을 의미하지만, 일부 차이는 적어도 과도 시간 기간 동안 당연히 허용될 수 있다. 일반적으로, 제1 및 제2 EM 배치에 의한 공동 노력이 함께 충분한 정확성으로 더 높은 계층으로부터의 기대를 충족하는 차량 거동을 제공하도록 제1 및 제2 휠 슬립 요청이 결정된다. 두 개의 EM 배치에 의해 생성된 인가된 토크(T1, T2) 또는 추정된 종방향 힘(F1, F2)은 현재 차량 속도(Vx)를 나타내는 정보, 즉 차량이 그라운드 위에서 얼마나 빨리 이동하는지를 또한 수신하는 효율 구배 함수에 피드백된다. 이 차량 스피드(Vx)는, 기어비, 휠 반경, 및 다른 차량 파라미터가 시스템에 알려져 있으므로, 두 개의 EM 배치에 대한 등가 차축 스피드들로 변환될 수 있다. 효율 구배 함수는 제어 파라미터에 대한 각 EM 배치(EM1, EM2)의 효율 특성의 상대적 구배에 기초하여 두 개의 휠 슬립 요청 사이의 적절한 밸런스를 결정한다. 접근법은 효율 이 인가된 토크(T) 또는 생성된 종방향 힘(F) 및 모터 차축 스피드 또는 휠 스피드 의 함수인 효율 모델에 기초한다.

접근법은 효율 대 휠 슬립 (또는 토크 T)의 플롯을 예시하는 도 11에 추가로 도시되어 있다. 도 11의 곡선들은 도 6의 윤곽 플롯의 파선(650)에 따른 단면으로서 생각될 수 있다. 제1 및 제2 EM 배치를 포함하는 구동 시스템의 공동 전체 효율은 EM 배치들의 각각의 효율들 및 현재의 밸런스, 즉 그들 사이의 스플릿의 함수이다. 도 11을 참조하면, 제1 EM 배치의 토크 (또는 휠 힘 또는 휠 슬립)에 대한 효율 구배

가 제2 EM 배치의 토크 (또는 휠 힘 또는 휠 슬립)에 대한 효율 구배

에 비하여 더 크면, 그때 전체 효율의 증가는 더 양의 구배를 갖는 EM 배치에 더 많은 추진 노력을 전달함으로써 달성될 수 있다. 두 구배가 동일한 밸런싱 포인트에서, 한 EM 배치에 의한 효율의 증가는 다른 EM 배치에 의한 효율의 감소로 상쇄되기 때문에, 어느 추진 노력이 전달될 수 있는지는 중요하지 않다. 따라서, 한 구배가 다른 구배보다 더 포지티브 한, 효율 구배 함수는 구배가 동일한 상황에 도달할 때까지 더 큰 구배를 갖는 EM 배치에 더 많은 추진 노력을 전달할 것이며, 이 시점에서 에너지 효율적인 작동 모드가 얻어졌다. 차량 속도의 변화 또는 차량의 요구 가속도의 변화와 같은 컨디션이 경되면 스플릿은 신속하게 조정된다.

다른 예에 따르면, 구배 하강 기반 전략이 휠 슬립 사이의 적절한 균형을 찾기 위해 사용될 수 있다. 차량 모션 관리 모듈은 총 휠 힘 이 필요하다고 결정하고, 3개의 피동 차축이 과 같이 각각의 휠 힘 기여 , 및 에 의해 이 총 힘을 생성한다고 가정한다. 또한 휠 힘에 대한 (소비되고 및/또는 재생되는) EM 파워와 관련된 근사 함수 , 및 이 이용 가능하다고 가정하고, 여기서 총 소비 또는 재생 파워 이다. 이들 함수는 차량 작동 중에 미리 구성되거나 적응되게 결정될 수 있다. 휠 힘과 휠 슬립 사이의 관계가 이용 가능하므로, 총 소비 또는 재생 파워는 또한 휠 슬립의 측면으로 과 같이 공식화될 수 있다.

비용함수

가 공식화될 수 있고, 그때, 휠퀴 슬립을 밸런싱함으로써 최적화 (최소화 또는 최대화)될 수 있다. 의 구배가 다음과 같다고 가정하자

그러면 에 의해 i번째 휠 슬립을 조정하는 구배 하강 방법은,

, 과 같이 공식화될 수 있다 여기서 는 스텝 길이이고 세 번째 휠 슬립 는 이 되도록 총 힘 제약을 충족시키도록 조절된다. 물론, 요구되는 휠 슬립은 휠 포스를 생성하는 각각의 MSD 능력을 또한 충족시켜야 한다.

정리하면, 일부 양태에 따르면, 제어 유닛(130, 140)는 제어 파라미터에 대한 각 EM 배치(EM1, EM2)의 효율 특성의 상대적인 구배에 기초하여 제2 휠 슬립 의 크기에 대한 제1 휠 슬립 의 크기의 균형을 이루도록 배치된다. 예컨대, 제어부는 차량(100)의 현재 상태에서 제1 EM 배치(EM1)의 효율 특성의 구배가 제2 EM 배치(EM2)의 효율 특성의 구배보다 크면 제1 휠 슬립 를 늘리고, 차량(100)의 현재 상태에서 제1 EM 배치(EM1)의 효율 특성의 구배보다 작으면 제1 휠 슬립 를 줄인다.

도 12a는 다른 EM 장치의 에너지 소비에 대한 한 EM 장치의 에너지 소비가 전체 발생 추진력을 향한 EM 장치에 의한 이루어지는 기여에 정비례해야 한다는 직관에 기초한 또 다른 제어 접근법을 보여준다. 즉, 인출된 파워 Pi의 함수인 i번째 EM 배치에 의해 소비되는 에너지는 다음과 같이 차량의 모든 EM 배치에 의해 생성된 총 추진력에 대한 i:번째 배치에 의해 생성된 추진력의 비율에 비례해야 한다

즉, 일부 양태에 따르면, 제어 유닛(130, 140)은, 제1 종방향 힘(F1)과 제2 종방향 힘(F2) 간의 크기 관계와 비교하여, 제1 및 제2 EM 배치(EM1, EM2)의 상대적 소비 파워(P1, P2)에 기초하여 제2 휠 슬립 의 크기에 대한 제1 휠 슬립 의 크기를 균형을 이루도록 배치된다. 이것은 휠 슬립을 밸런싱하는 특히 단순한 방법을 나타낸다. 도 12를 참조하면, MSD 코디네이션 기능은 MSD 코디네이터로부터 제어되는 EM 배치들의 세트에 의해 생성될 전체 종방향 힘에 대한 요청을 수신한다. MSD 코디네이터는, 함께 전체 종방향 힘 요청(Freq)에 매칭되는 휠 힘들로 함께 변환되는 제1 및 제2 휠 슬립 , 을 결정한다. 스플릿은, 두 개의 EM 배치(EM1, EM2)에 의해 소비된 파월를 모니터링하고 이들 인출된 파워를 할당된 제1 종방향 힘(F1) 및 제2 종방향 힘(F2)과 비교하는 에너지 밸런싱 기능에 의해 결정된다. 하나의 EM 배치가 전체 에너지 소비에서의 그 것이 가지는 몫에 의하여 보장되는 것보다 작은 작은 힘을 기여하는 경우 각각의 휠 슬립은 감소될 것이고, 그 반대도 마찬가지일 것이다. 따라서, 제어 유닛(130, 140)은 제1 EM 배치(EM1)의 소비 전력과 제2 EM 배치(EM2)의 소비 전력의 비율이 제1 종방향 힘(F1)과 제2 종방향 힘(F2) 간의 대응 비율보다 작은 경우 제1 휠 슬립 을 증가시키고, 제1 EM 배치(EM1)의 소비 전력과 제2 EM 배치(EM2)의 소비 전력의 비율이 제1 종방향 힘(F1)과 제2 종방향 힘 간의 대응 비율보다 큰 경우 제1 휠 슬립 을 감소시키도록 배치된다.

휠 슬립 밸런싱 기능은 물론 하나 이상의 작동 시나리오 파라미터에 기초하여 인덱싱될 수 있는 룩업 테이블과 같은 미리 결정된 휠 슬립 스플릿의 사용에 의해 더욱 단순화될 수 있다. 일부 이러한 양태에 따르면, 제어 유닛(130, 140)은 차량 스피드에 의해 파라미터화된 미리 결정된 밸런싱 기능에 기초하여 제2 휠 슬립 의 크기에 대한 제1 휠 슬립 의 크기의 밸런싱을 수행하도록 배치된다. 일부 다른 양태에 따르면, 제어 유닛(130, 140)은 총 종방향 힘(Fx)에 의해 파라미터화된 미리 결정된 밸런싱 기능에 기초하여 제2 휠 슬립 의 크기에 대한 제1 휠 슬립 의 크기의 밸런싱을 수행하도록 배치된다.

도 12b는 휠 슬립 밸런싱 기능이 기존의 차량 모션 관리 시스템에 부가 기능으로서 구현되는 예시적인 제어 접근법을 나타낸다. 여기서, MSD 코디네이션 블록은 총 종방향 힘 요청(Freq)을 수신하고, 상이한 추진 유닛들에 의해 발생될 적합한 토크(T1/T2) 또는 휠 슬립 /를 결정한다. 에너지 밸런싱 기능은 MSD 코디네이션 유닛의 요청을 본 명세서에 기재된 교시에 따라 밸런싱된 새로운 휠 슬립 요청 /로 수정한다. 특히, 휠 슬립 밸런싱은 코너링 동안 차량 거동에 영향을 미칠 수 있으므로, 밸런싱은 차량이 직진, 즉 코너링 동안이 아닌 때에만 수행될 수 있다. 슬립 밸런싱이 수행될 수 있는 때 및 비활성화되어야 하는 때를 결정하기 위해 최대 요 모션 임계치가 사용될 수 있다. 앞서 논의된 바와 같이, EM들로부터의 파워 피드백은 적합한 휠 슬립 스플릿을 결정하기 위해 사용될 수 있다. 도 13은 본 명세서에 개시된 기술들이 사용될 수 있는 예시적인 계층형 제어 스택 아키텍처를 나타낸다. 앞서 논의된 TSM 기능(380)은 예를 들어, 1-10초 정도의 타임 호라이즌을 갖는 주행 오퍼레이션들을 계획한다. TSM 기능(380)은 약 0,1-1,5초 정도의 타임 호라이즌으로 동작하는 VMM 기능과 상호작용하고, TSM(380)으로부터의 가속도 프로파일(a_req) 및 곡률 프로파일(c_req)을 차량 모션 기능들을 제어하기 위한 제어 명령들로 지속적으로 변환하고, 차량 모션 기능들은 VMM에 다시 능력들을 보고하는 차량(100)의 상이한 MSD들에 의해 작동되며, 그 능력들은 다시 차량 제어에서 제약으로 사용된다.

VMM 기능(370)은 차량 상태 또는 모션 추정(1320)을 수행하며, 즉 VMM 기능(370)은 차량(100) 상에 배치된 다양한 센서(1310)를 이용하여 차량 상태 및 거동을 모니터링함으로써, 차량 조합에서 상이한 유닛들의 위치, 속도, 가속도, 요 운동, 정상력 및 관절각을 포함하는 차량 상태(종종 벡터 변수)를 지속적으로 결정한다.

모션 추정(1320)의 결과, 즉 추정된 차량 상태 s는 TSM 기능(380)의 모션 요청들을 충족시키기 위하여 생성되어야 하는 차량 유닛들에 대한 요구 글로벌 포스들을 결정하는 글로벌 포스 생성 모듈(1330)에 입력된다. MSD 코디네이션 기능(1340)은 예를 들어, 휠 힘을 할당하고 조향 및 서스펜션과 같은 다른 MSD들을 코디네이팅한다. 그리고 나서, 코디네이팅된 MSD들은 함께, 차량 컴비네이션(100)에 의한 원하는 움직임을 얻기 위하여, 요구 모멘트(Mz)뿐만 아니라 차량 유닛들에 대한 원하는 횡방향 Fy 및 종방향 Fx 힘들을 제공한다. 도 13에 도시된 바와 같이, MSD 코디네이션 기능(1340)은 휠 슬립 , 휠 회전 속도 및/또는 조향각 중 어느 하나를 서로 다른 MSD에 출력할 수 있다.

위에서 논의된 휠 슬립 밸런싱 기법들은 여기서, MSD 코디네이션 함수와 상호 작용하는, 슬립 밸런스 최적화 함수(1350)에 구현된다. 슬립 밸런스 최적화 함수는 예를 들어, 도 11 또는 도 12와 관련하여 위에서 논의된 원리에 따라 동작할 수 있으며, 다른 구현들도 물론 가능하다. MSD 코디네이션 함수(1340)는 원하는 휠 슬립 밸런스 또는 슬립 밸런스 최적화 모듈에 의해 적어도 부분적으로 결정된 휠 슬립 스플릿을 고려하면서, 서로 다른 MSD에 힘을 할당한다. 슬립 밸런스 최적화 모듈로부터의 입력은 전체 최적화 절차에서 고려되어야 할 추가적인 제약 조건으로서 MSD 코디네이션 함수에 사용될 수도 있고, 또는 사전 요건으로서 사용될 수도 있다.

MSD 코디네이션 기능(1340)은, 예를 들어, 자가 동력 트레일러 차량 유닛 또는 자가 동력 돌리 차량 유닛에 의해 생성될 원하는 총 종방향 힘이 차량 유닛의 2개 이상의 차축 또는 연결형 차량 조합의 2개 이상의 차축에 걸쳐 분할되는, 비교적 간단한 코디네이션 기능일 수 있다. 그때, 슬립 밸런싱 기능(1350)으로부터의 입력은 추가 최적화 없이 있는 그대로 구현될 수 있다, 즉, 전체 원하는 힘은, 슬립 밸런스 최적화 기능(1350)으로부터 얻은 스플릿 결정에 종속되고, 원하는 종방향 힘을 동등한 휠 슬립 값(또는 지상의 차량 속도를 고려한 후 결정된 휠 스피드 값)으로 변환하기 위해 사용되는 타이어 모델의 종속되어, 2개 이상의 구동 차축에 걸쳐 분할된다.

주목할 점은, 슬립 밸런스 최적화(1350)는 차량 유닛마다 별도로, 또는 연결형 차량 전체에 대해 공통으로 휠 슬립 스플릿을 결정할 수 있다는 것이다.

도 14는 이상의 논의를 요약한 방법들을 도시한 순서도이다. 이 방법은 제1 및 제2 전기기계(EM) 배치들(EM1, EM2)을 포함하는 중량 차량(100)의 모션을 제어하도록 배치된 차량 제어 유닛(130, 140)에서 수행되도록 설계되며, 여기서 제1 EM 배치는 제2 EM 배치와 비교하여 다른 효율 특성을 갖는다. 또, 앞서 설명한 바와 같이, 차량 제어 유닛(130, 140)은 각각의 EM 제어 유닛에 휠 슬립 요청을 전송하여, 제1 및 제2 EM 배치(EM1, EM2)를 제어하도록 배치된다.

상기 방법은 제1 및 제2 EM 배치에 의해 합동으로 생성될 원하는 총 종방향 힘 Fx를 S1에 얻는 것(S1)과, 제1 EM 배치에 의해 생성된 제1 종방향 힘 F1에 대응하는 원하는 제1 휠 슬립 과 제2 EM 배치에 의해 생성된 제2 종방향 힘 F2에 대응하는 원하는 제2 휠 슬립 을 결정하는 것(S2)과, 여기서 제1 종방향 힘 F1과 제2 종방향 힘 F2의 합은 원하는 총 종방향 힘 Fx에 대응하고, 제1 및 제2 EM 배치(EM1, EM2)의 각각의 효율 특성에 의존하여 제2 휠 슬립 의 크기에 대한 제1 휠 슬립 의 크기를 밸런싱 하는 것(S3)을 포함한다..

도 15는, 다수의 기능 유닛들의 관점에서, VUC들(130, 140) 중 어느 것과 같은 본 명세서의 실시예들에 따른 제어 유닛(130, 140)의 구성들을 개략적으로 나타낸다. 이 제어 유닛(130, 140)은 연결형 차량(1)에 포함될 수 있다. 처리 회로(1510)는, 예컨대 저장 매체(1530)의 형태의 컴퓨터 프로그램 제품에 저장된 소프트웨어 명령들을 실행할 수 있는, 적절한 중앙 처리 유닛(CPU), 멀티프로세서, 마이크로컨트롤러, 디지털 신호 프로세서(DSP) 등 중 어느 하나 이상의 조합을 사용하여 제공된다. 더 나아가, 처리 회로(1510)는 적어도 하나의 주문형 반도체(ASIC), 또는 필드 프로그래머블 게이트 어레이(FPGA)로서 제공될 수 있다.

특히, 처리 회로(1510)는 제어 유닛(130, 140)이 도 14와 관련하여 논의된 방법들과 같은 동작들, 또는 단계들의 세트를 수행하게 하도록 구성된다. 예컨대, 저장 매체(1530)는 동작들의 세트를 저장할 수 있고, 처리 회로(1510)는 저장 매체(1530)로부터 동작들의 세트를 검색하도록 구성되어 제어 유닛(130, 140)이 동작들을 수행하게 하도록 할 수 있다. 동작들의 세트는 실행가능한 명령어들의 세트로서 제공될 수 있다. 따라서, 처리 회로(1510)는 이에 의해 본원에 개시된 바와 같은 방법들을 실행하도록 배치된다.

저장 매체(1530)는 또한, 예를 들어, 자기 메모리, 광학 메모리, 솔리드 스테이트 메모리 또는 심지어 원격으로 장착된 메모리의 임의의 하나 또는 조합일 수 있는 영구 저장물을 포함할 수 있다.

제어 유닛(130, 140)은 적어도 하나의 외부 디바이스와의 통신들을 위한 인터페이스(1520)를 더 포함할 수 있다. 따라서, 인터페이스(1520)는 아날로그 및 디지털 컴포넌트들 및 유선 또는 무선 통신을 위한 적절한 개수의 포트들을 포함하는 하나 이상의 송신기 및 수신기들을 포함할 수 있다.

처리 회로(1510)는 예를 들어, 인터페이스(1520) 및 저장 매체(1530)에 데이터 및 제어 신호를 송신하고, 인터페이스(1520)로부터 데이터 및 보고를 수신하고, 저장 매체(1530)로부터 데이터 및 명령을 검색함으로써 제어 유닛(130, 140)의 일반적인 동작을 제어한다. 제어 노드의 다른 구성요소들 및 관련 기능들은, 본 명세서에 제시된 개념들을 모호하게 하지 않기 위해, 생략된다.

도 16은, 컴퓨터에서 실행될 때, 도 14에 도시된 방법을 수행하기 위한 프로그램 코드 수단(1620)을 포함하는 컴퓨터 프로그램을 담은 컴퓨터 판독 가능 매체(1610)를 도시한다. 컴퓨터 판독 가능 매체 및 코드 수단은 함께 컴퓨터 프로그램 제품(1600)을 형성할 수 있다.

Claims (22)

1. 제1 및 제2 전기 기계(EM) 배치들(arrangements) (EM1, EM2)을 포함하는 중량 차량(100)의 모션을 제어하도록 배치된 차량 제어 유닛(130, 140)으로서, 상기 제1 EM 배치는 상기 제2 EM 배치와 비교하여 상이한 효율 특성을 갖고,
   상기 차량 제어 유닛(130, 140)은 각각의 EM 제어 유닛들에 휠 슬립 요청들을 전송하여 상기 제1 및 상기 제2 EM 배치(EM1, EM2)를 제어하도록 배치되고,
   상기 제어 유닛(130, 140)은 상기 제1 및 제2 EM 배치에 의해 합동으로 생성될 원하는 총 종방향 힘(Fx)을 얻도록 배치되고,
   상기 제어 유닛(130, 140)은, 상기 제1 EM 배치에 의해 생성되는 제1 종방향 힘(F1)에 대응하는 원하는 제1 휠 슬립(1) 및 상기 제2 EM 배치에 의해 생성되는 제2 종방향 힘(F2)에 대응하는 원하는 제2 휠 슬립(2)을 결정하도록 배치되며, 상기 제1 종방향 힘(F1)과 상기 제2 종방향 힘F2)의 합은 상기 원하는 총 종방향 힘(Fx)에 매칭되고,
   상기 제어 유닛(130, 140)은 상기 제1 및 제2 EM 배치들(EM1, EM2)의 각각의 상기 효율 특성에 의존하여 상기 제2 휠 슬립(2)의 크기에 대하여 상기 제1 휠 슬립(1)의 크기가 균형을 이루도록 배치되는,
   차량 제어 유닛(130, 140)
2. 제1항에 있어서,
   상기 제1 EM 배치(EM1)는 상기 제2 EM 배치(EM2)와 비교하여 차량 스피드(Vx)의 함수로서 상이한 효율 특성을 갖는,
   차량 제어 유닛(130, 140).
3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
   상기 제1 EM 배치(EM1)는 상기 제2 EM 배치(EM2)와 비교하여 인가된 토크 또는 휠 힘의 함수로서 상이한 효율 특성을 갖는,
   차량 제어 유닛(130, 140).
4. 전술한 항들 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 제1 EM 배치(EM1)는 상이한 EM 디자인의 하나 이상의 EM들을 포함하고 및/또는 상기 제2 EM 배치(EM2)와 비교하여 상이한 기어비를 포함하는,
   차량 제어 유닛(130, 140).
5. 전술한 항들 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 제 1 EM 배치(EM1)는 제 1 차량 차축과 연관되고, 상기 제 2 EM 배치(EM2)는 상기 중량 차량(100)의 제 2 차량 차축과 연관되는,
   차량 제어 유닛(130, 140).
6. 전술한 항들 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 제1 EM 배치(EM1)는 더 낮은 차량 스피드에서 효율성을 위해 구성된 시동성(startability) EM 배치이고, 상기 제2 EM 배치(EM2)는 더 높은 차량 속도에서 효율성을 위해 구성된 크루즈-모드 EM 배치인,
   차량 제어 유닛(130, 140).
7. 제 6 항에 있어서,
   상기 시동성 EM 배치는 차량 유닛 리어 액슬(720, 730)에 동력을 공급하도록 구성되고, 상기 크루즈 모드 EM 배치는 차량 유닛 조향 액슬(710)에 동력을 공급하도록 구성되는,
   차량 제어 유닛(130, 140).
8. 전술한 항들 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 제어 유닛(130, 140)은, 제어 파라미터에 대한 각각의 상기 EM 배치들(EM1, EM2)의 효율 특성의 상대적인 구배에 기초하여 상기 제 2 휠 슬립(2) 의 크기에 대하여 상기 제 1 휠 슬립(1)의 크기가 균형을 이루도록 배치되는,
   차량 제어 유닛(130, 140).
9. 제8항에 있어서,
   상기 제어 유닛은, 상기 차량(100)의 현재 상태에서 상기 제1 EM 배치(EM1)의 상기 효율 특성의 상기 구배가 상기 제2 EM 배치(EM2)의 상기 효율 특성의 상기 구배보다 크면 상기 제1 휠 슬립(1)을 증가시키고, 상기 차량(100)의 상기 현재 상태에서 상기 제1 EM 배치(EM1)의 상기 효율 특성의 상기 구배가 상기 제2 EM 배치(EM2)의 상기 효율 특성의 상기 구배보다 작으면 상기 제1 휠 슬립(1)을 감소시키는,
   차량 제어 유닛(130, 140).
10. 전술한 항들 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제어 유닛(130, 140)은 상기 제1 종방향 힘(F1)과 상기 제2 종방향 힘(F2)의 크기 관계와 비교하여 상기 제1 및 상기 제2 EM 배치들(EM1, EM2)의 상대적 소비 파워(P1, P2)에 기초하여 상기 제2 휠 슬립(2)의 크기에 대하여 상기 제1 휠 슬립(1)의 크기가 균형을 이루도록 배치되는,
    차량 제어 유닛(130, 140).
11. 제10항에 있어서,
    상기 제어 유닛(130, 140)은, 상기 제1 EM 배치(EM1)의 상기 소비 파워와 상기 제2 EM 배치(EM2)의 상기 소비 파워 사이의 비율이 상기 제1 종방향 힘(F1)과 상기 제2 종방향 힘(F2) 사이의 대응 비율보다 작으면 상기 제1 휠 슬립(1)을 증가시키고, 상기 제1 EM 배치(EM1)의 상기 소비 파워와 상기 제2 EM 배치(EM2)의 상기 소비 파워 사이의 상기 비율이 상기 제1 종방향 힘(F1)과 상기 제2 종방향 힘(F2) 사이의 상기 대응 비율보다 크면 상기 제1 휠 슬립(1)을 감소시키는,
    차량용 제어 유닛(130, 140).
12. 전술한 항들 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제어 유닛(130, 140)는, 차량 스피드에 의해 파라미터화된 기-결정된 밸런싱 함수에 기초하여, 상기 제 2 휠 슬립(2)의 크기에 대하여 제 1 휠 슬립(1)의 크기가 균형을 이루도록 배치되는,
    차량 제어 유닛(130, 140).
13. 전술한 항들 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제어 유닛(130, 140)은, 상기 총 종방향 힘(Fx)으로 파라미터화된 기-결정된 밸런싱 함수에 기초하여, 상기 제 2 휠 슬립(2)의 크기에 대하여 상기 제 1 휠 슬립(1)의 크기가 균형을 이루도록 배치되는,
    차량 제어 유닛(130, 140).
14. 전술한 항들 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 전송된 휠 슬립 요청은 다음에 의해 주어지는 목표 종방향 휠 슬립을 포함하고,
    
    여기서 은 미터 단위의 유효 휠 반경, 는 휠의 각속도, 는 그라운드 위의 상기 휠의 종방향 스피드인,
    차량 제어 유닛(130, 140)
15. 제1항 내지 제13항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 전송된 휠 슬립 요청은, 목표 종방향 휠 슬립()를 얻기 위하여, 그라운드 위의 휠의 종방향 스피드()와 관련하여 상기 제어 유닛(130, 140)에 의해 결정된 상기 휠의 목표 각속도()를 포함하는,
    차량 제어 유닛(130, 140).
16. 전술한 항들 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제어 유닛(130, 140)은, 상기 제 1 휠 슬립(1) 및 상기 제 2 휠 슬립(2)으로부터 야기되는 추정 타이어 마모 또는 타이어 마모율에 기초하여, 상기 제 2 휠 슬립(2)의 크기에 대하여 상기 제 1 휠 슬립(1)의 크기가 균형을 이루도록 배치되는,
    차량 제어 유닛(130, 140).
17. 전술한 항들 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제어 유닛(130, 140)은, 상기 제 1 EM 배치(EM1) 및 상기 제 2 EM 배치(EM2)와 관련된 차축들에 대한 각각의 법선 하중에 기초하여 상기 제 2 휠 슬립(2)의 크기에 대하여 상기 제 1 휠 슬립(1)의 크기가 균형을 이루도록 배치되는,
    차량 제어 유닛(130, 140).
18. 전술한 항들 중 어느 한 항에 따른 차량 제어 유닛(130, 140)을 포함하는
    중량 차량(100, 110, 120).
19. 전술한 항들 중 어느 한 항에 따른 차량 제어 유닛(140)을 포함하는, 자기 동력 트레일러(120, 130) 또는 자기 동력 돌리 차량 유닛(140)을 포함하는 피견인 차량 유닛(140)으로서,
    상기 피견인 차량 유닛은 제1 차축 및 제2 차축을 포함하고, 상기 제1 차축은 상기 제1 EM 배치(EM1)에 의해 구동되도록 배치되고, 상기 제2 차축은 상기 제2 EM 배치(EM1)에 의해 구동되도록 배치되는,
    피견인 차량 유닛.
20. 제1 및 제2 전기 기계(EM) 배치들(EM1, EM2)을 포함하는 중량 차량(100)의 모션을 제어하도록 배치되는 차량 제어 유닛(130, 140)에서 수행되는 방법으로서, 상기 제1 EM 배치는 상기 제2 EM 배치와 비교하여 상이한 효율 특성을 갖고,
    상기 차량 제어 유닛(130, 140)은 각각의 상기 EM 제어 유닛에 휠 슬립 요청을 전송하여 상기 제1 및 상기 제2 EM 배치(EM1, EM2)를 제어하도록 배치되고,
    상기 방법은,
    상기 제1 및 제2 EM 배치들에 의하여 합동으로 생성될 원하는 총 종방향 힘(Fx)을 얻는 것(S1)과,
    상기 제1 EM 배치에 의해 생성되는 제1 종방향 힘(F1)에 대응하는 원하는 제1 휠 슬립(1) 및 상기 제2 EM 배치에 의해 생성되는 제2 종방향 힘(F2)에 대응하는 원하는 제2 휠 슬립(2)을 결정하는 것(S2)과, 여기서 상기 제1 종방향 힘(F1) 및 상기 제2 종방향 힘(F2)의 합은 상기 원하는 총 종방향 힘(Fx)에 대응되고,
    상기 제1 및 상기 제2 EM 배치들(EM1, EM2)의 각각의 상기 효율 특성에 의존하여 상기 제2 휠 슬립(2)의 크기에 대하여 상기 제1 휠 슬립(1)의 크기가 균형을 이루도록 하는 것(S3)을 포함하는,
    방법.
21. 컴퓨터 상에서 실행될 때, 제20항의 단계들을 수행하기 위한 프로그램 코드 수단(1620)을 포함하는,
    컴퓨터 프로그램.
22. 컴퓨터 상에서 실행될 때, 제20항의 단계들을 수행하기 위한 프로그램 코드 수단을 포함하는 컴퓨터 프로그램을 담은,
    컴퓨터 판독 가능 매체(1610).