KR101209609B1 - 전기자전거의 주행모드 제어 방법 - Google Patents

전기자전거의 주행모드 제어 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 전기자전거의 주행모드 제어 시스템 및 방법에 관한 것으로서, 사용자의 직접적인 설정 입력 없이 경사도를 검출하여 주행 도로의 지형에 따라 페달 답력에 대한 모터보조비율과 회생제동량(회생충전량)을 자동으로 조절하도록 구성됨으로써, 사용자의 주행 편의성 증대, 경사도 진입 등판시 편의성 증대, 효율적인 모터보조 및 에너지 효율 증대, 충전 효율 및 에너지 재사용 효율 증대 등의 효과가 있고, 강판로의 과도한 주행속도 제한 및 안전성 증대의 이점이 있는 전기자전거의 주행모드 제어 시스템 및 방법에 관한 것이다.

Description

전기자전거의 주행모드 제어 방법{Method for controlling motor power assist of electric bicycle}
본 발명은 전기자전거에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 주행 도로의 경사도에 따라 전기자전거의 모터보조 및 회생제동을 자동으로 조절해줄 수 있는 시스템 및 방법에 관한 것이다.
일반적으로 자전거는 사용자의 페달링(pedaling)에 의한 답력을 이용하여 주행하는 것으로서, 평지에서는 주행에 어려움이 없으나 언덕 등의 경사로(등판로)를 올라갈 때에는 많은 힘이 필요한 문제점이 있다.
이와 같은 문제점을 해소하기 위해 최근에는 사용자의 답력에 더하여 모터의 구동력을 보조 동력으로 사용하는 전기자전거가 개발된 바 있다.
이러한 종래기술의 일례가 대한민국 공개특허공보 2007-0113523호(2007년 11월 29일 공개)와 2003-0024010호(2003년 3월 26일 공개) 등에 개시되어 있다.
전기자전거는 배터리에 저장된 전력을 동력으로 사용하여 바퀴를 구동시키는 자전거로서, 노약자나 장애인과 같이 자력에 의해 자전거를 운전할 수 없는 사람에게 애용되고 있다.
또한 정상인이라도 중장거리를 이동하는 경우나 무거운 중량의 화물을 탑재하여 운반할 경우에 널리 이용되고 있다.
상기 전기자전거는 동력원인 배터리에서 구동원인 모터로 전력이 공급되면 모터 구동력이 전기자전거의 구동축으로 전달되어 주행이 이루어지며, 사용자가 여러 운전상황에 따라 속도를 가변시키게 된다.
종래의 전기자전거는 평지 주행이나 경사로(강판로) 하향 주행 등의 상황에서도 모터가 구동되는 단점이 있었다.
이러한 문제점을 해결하기 위해 모터가 답력에 대응하는 보조 동력을 발생시키는 시스템(PAS:Power Assist System, Pedelec)이 개발되어 적용되고 있는데, 답력의 크기를 검출하여 답력에 대한 일정 모터보조비율로 모터를 구동시킨다.
이 경우, 전기자전거의 주행모드는 사용자가 페달을 밟게 되면 페달 입력에 따른 답력의 크기를 검출하여 정해진 모터보조비율(답력에 대한 모터보조비율)로 모터의 구동력이 답력을 보조하는 모터보조 모드(Power Assist Mode)와, 내리막길에서 전기자전거의 관성에 의한 주행시 제동 및 관성에너지를 모터 발전을 통해 회수하여 배터리에 충전하는 회생제동(Regenerative Braking) 모드로 구분될 수 있다.
모터보조 모드에서는 사용자의 페달 입력에 따른 답력의 크기, 즉 페달 입력 토크를 토크검출부를 통해 검출하여 이에 비례하는 양의 토크를 모터가 보조하게 되는데(사용자의 페달 입력 토크에 따라 모터 출력 비례 제어), 모터보조비율을 사용자가 수동 입력을 통해 변경 및 설정할 수 있는 시스템도 개발된 바 있다.
즉, 사용자가 버튼 등을 조작하여 답력에 대한 모터보조비율(예를 들면, 50% - Assist Mode 1 / 100% - Assist Mode 2 / 200% - Assist Mode 3 / 300% - Assist Mode 4 등)을 설정해주면, 설정된 비율로 모터를 보조 구동시킨다.
또한 회생제동 모드에서는 바퀴의 회전력을 이용하여 배터리를 충전하는 모드로서, 배터리에 충전되는 회생충전량의 조절은 발전 모드로 구동되는 모터의 부하(회생제동력)를 변화시키는데, 모터 발전(회생충전)시에도 모터의 발전부하율(제동 정도)을 사용자가 수동으로 변경할 수 있는 시스템이 개발된 바 있다.
도 1은 종래기술에 따른 전기자전거(10)의 주요 구성부를 예시한 도면으로, 통상의 자전거와 마찬가지로 후륜(11)이 구동륜이고, 페달(12) 및 스프라킷휠(13), 후륜(11)에 설치되는 모터(14), 페달 입력 토크를 검출하기 위한 토크검출부(15), 스프라킷휠(13)과 후륜(11)의 구동휠(16) 사이에 연결되는 체인(17), 수조작 버튼 등이 구비된 입력부(18), 주행모드(모터보조 및 회생제동 모드), 에너지 사용량(방전량) 및 회생량(충전량) 등을 표시해주는 표시부(19)가 구비된다.
하지만, 종래에는 사용자가 버튼 등을 조작해주어야만 모터보조비율이나 회생충전량을 변경할 수 있으며, 반드시 수조작을 필요로 한다.
즉, 모터보조비율을 사용자가 버튼 등의 입력부(18)를 통해 직접 변경해야 하고, 모터보조비율을 변경하지 않을 경우 이후 설정이 고정되므로(경사도에 상관없이 설정된 비율로 모터 출력) 평지와 오르막 전환시 효율적인 보조가 어렵다.
또한 모터의 회전력을 이용한 회생충전 기능 이용시에도 발전량과 발전부하율을 사용자가 직접 입력부(18)를 통해 변경해주어야 하고, 변경하지 않을 경우 이후 설정이 고정되므로 경사도 변화에 따른 효율적인 발전부하(제동량) 변화가 불가하다.
더욱이 모터보조비율과 회생충전량 조절을 수조작으로 하는 경우 주행 중 사용자의 주의력을 분산시켜 사고를 유발하는 위험이 있다.
따라서, 본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 발명한 것으로서, 주행 중 사용자의 수조작 없이 주행 도로의 경사도에 따라 사용자 페달 입력(답력)에 대한 모터보조비율을 자동으로 조절해주는 시스템 및 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
또한 본 발명은 주행 중 사용자의 수조작 없이 주행 도로의 경사도에 따라 회생충전량 및 제동량을 자동으로 조절해주는 시스템 및 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
상기한 목적을 달성하기 위해, 본 발명은, 페달 답력을 검출하는 토크검출부와; 주행 도로의 경사도를 검출하기 위한 경사각검출부와; 모터보조 모드에서 상기 토크검출부와 경사각검출부로부터 검출된 페달 답력 및 경사도에 기초하여 모터보조토크를 산출하고 산출된 모터보조토크에 따른 모터제어신호를 출력하는 제어부와; 상기 제어부에서 출력되는 모터제어신호에 따라 모터 구동을 제어하는 모터구동회로부;를 포함하고, 상기 제어부가 페달 답력 및 경사도로부터 산출되는 모터보조토크를 사용하여 모터보조 제어를 수행함으로써 페달 답력에 대한 모터보조비율이 주행 도로의 경사도에 따라 자동 조절되도록 하는 것을 특징으로 하는 전기자전거의 주행모드 제어 시스템을 제공한다.
바람직한 실시예에서, 상기 제어부는 회생제동 모드에서 경사각검출부로부터 검출된 경사도로부터 충전전류량을 산출하고, 산출된 충전전류량에 따른 배터리 충전 전류를 제어하는 회생제동 제어를 수행함으로써 회생충전량 및 회생제동량이 주행 도로의 경사도에 따라 자동 조절되도록 하는 것을 특징으로 한다.
또한 주행속도를 검출하는 속도검출부를 더 포함하고, 상기 제어부가 속도검출부로부터 검출된 주행속도를 기준속도와 비교하여 기준속도 이상인 경우 상기 회생제동 모드를 수행하는 것을 특징으로 한다.
또한 상기 주행 도로의 경사도에 따라 자동 조절되도록 하는 자동 모드와, 사용자 설정값으로 고정되는 수동 모드를 선택 입력하기 위한 입력부를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한 상기 경사각검출부로부터 검출된 주행 도로의 경사도를 표시해주는 표시부를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
그리고, 본 발명은, a) 제어부가 경사각검출부에 의해 검출된 주행 도로의 경사도로부터 등판로인지를 판정하는 단계와; b) 등판로로 판정되면, 모터보조 모드에서 제어부가 토크검출부에 의해 검출된 페달 답력과 경사각검출부에 의해 검출된 경사도에 기초하여 모터보조토크를 산출하는 단계와; c) 제어부가 산출된 모터보조토크에 따른 모터제어신호를 출력하는 단계와; d) 모터구동회로부가 제어부에서 출력되는 모터제어신호에 따라 모터 구동을 제어하는 단계;를 포함하고, 상기 제어부가 페달 답력 및 경사도로부터 산출되는 모터보조토크를 사용하여 모터보조 제어를 수행함으로써 페달 답력에 대한 모터보조비율이 주행 도로의 경사도에 따라 자동 조절되도록 하는 것을 특징으로 하는 전기자전거의 주행모드 제어 방법을 제공한다.
바람직한 실시예에서, a') 상기 a) 단계에서 강판로로 판정되면, 회생제동 모드에서 제어부가 경사각검출부에 의해 검출된 경사도에 기초하여 발전부하토크를 산출하는 단계와; b') 제어부가 산출된 발전부하토크로부터 충전전류량을 산출하는 단계와; c') 제어부가 산출된 충전전류량에 따라 배터리 충전 전류를 제어하는 회생제동 제어를 수행함으로써 회생충전량 및 회생제동량이 주행 도로의 경사도에 따라 자동 조절되도록 하는 단계;를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한 상기 제어부가 속도검출부로부터 검출된 주행속도를 정해진 기준속도와 비교하여 기준속도 이상인 경우 상기 회생제동 모드를 수행하는 것을 특징으로 한다.
또한 상기 발전부하토크는 '(최대토크/최대동작경사도)×현재의 경사도'의 값으로 구해지는 것을 특징으로 한다(여기서, 최대토크는 발전 모드로 구동되는 모터의 최대 발전부하 토크이고, 최대동작경사도는 최대 발전부하 토크 상태에서 안정적으로 강판 주행이 가능한 최대 경사도 설정치임).
이에 따라, 본 발명에 따른 전기자전거의 주행모드 제어 시스템 및 방법에 의하면, 사용자의 직접적인 설정 입력 없이 경사도를 검출하여 주행 도로의 지형에 따라 페달 답력에 대한 필요한 모터보조비율을 자동으로 조절할 수 있고, 이로써 사용자의 주행 편의성 증대, 경사도 진입 등판시 편의성 증대, 효율적인 모터보조 및 에너지 효율 증대의 이점이 있게 된다.
또한 사용자의 직접적인 설정 입력 없이 경사도에 따라 적절한 회생제동량을 자동으로 조절할 수 있고, 이로써 사용자의 주행 편의성 증대, 충전 효율 증대, 회생충전 구간의 최대화를 통한 에너지 재사용 효율 증대 등의 효과가 있고, 강판로의 과도한 주행속도 제한 및 안전성 증대의 이점이 있게 된다.
도 1은 종래기술에 따른 전기자전거의 주요 구성부를 예시한 도면이다.
도 2는 본 발명에 따른 전기자전거의 주행모드 제어 시스템의 구성을 나타내는 블록도이다.
도 3은 본 발명에 따른 주행모드 제어 시스템의 동작모드를 나타내는 순서도이다.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 대해 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명하기로 한다.
본 발명은 주행 중 별도의 수조작 없이 주행 도로의 경사도에 따라 모터보조 및 회생제동을 자동으로 조절해주는 시스템 및 방법에 관한 것이다.
종래의 전기자전거에서는 도로의 경사도에 관계없이 사용자가 설정한 값에 따라 사용자 페달 입력(답력)에 대응하는 모터보조가 수행되고, 또한 경사도가 크거나 작음에 관계없이 설정값의 회생제동이 수행되나, 이 경우 효율적인 모터보조가 불가함은 물론 내리막길에서도 제동 정도가 고정되므로 기계식 브레이크의 사용량 증가, 효율적인 회생충전이 불가한 문제점이 있다.
이러한 문제점을 해결하기 위해 본 발명은 경사도에 따라 모터보조 및 회생제동을 자동으로 조절할 수 있는 전기자전거용 주행모드 제어 시스템 및 제어 방법을 제공하고자 하는 것이다.
도 2는 본 발명에 따른 전기자전거의 주행모드 제어 시스템의 구성을 나타내는 블록도이고, 도 3은 본 발명에 따른 주행모드 제어 시스템의 동작 모드를 나타내는 순서도로서, 경사도에 따라 모터보조 및 회생제동이 자동 조절되는 과정을 보여주고 있다.
도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 주행모드 제어 시스템은 토크검출부(110), 속도검출부(120), 경사각검출부(130), 제어부(150), 표시부(160), 입력부(140), 모터구동회로부(170)를 주된 구성으로 한다.
먼저, 토크검출부(110)는 사용자가 페달을 밟았을 때 페달 입력에 따른 답력의 크기를 검출하고, 속도검출부(120)는 바퀴 등의 회전으로부터 전기자전거의 주행속도를 검출한다.
상기 경사각검출부(130)는 차체에 설치되어 주행 도로의 경사도에 따른 차체의 기울기를 검출하는 구성부로, 경사각검출부(130)의 검출값은 주행하고 있는 도로가 등판로인지, 강판로인지를 구분하는데 사용되고, 또한 도로의 경사도를 판정하는데 사용된다.
상기 경사각검출부(130)의 검출값(차체의 기울기/도로의 경사도)은 경사도에 따른 모터출력토크(모터보조토크) 및 충전전류량을 산출하는데 사용된다.
상기 제어부(150)는 토크검출부(110)와 속도검출부(120), 경사각검출부(130)의 검출값에 기초하여 모터출력토크 및 충전전류량(회생제동시 발전 모드로 구동되는 모터에 의해 배터리에 충전되는 전류량)을 산출하고, 등판로인 경우 모터보조 모드에서 상기 모터출력토크에 따라 모터(102)를 구동하는 모터보조 제어를 수행한다.
또한 강판로의 회생제동 모드시에는 산출된 충전전류량에 따라 발전 모드로 구동되는 모터(102)에서 모터구동회로부(170)를 통해 배터리(101)로 충전되는 전류를 제어하는 회생제동 제어를 수행하고, 이를 통해 발전부하 및 제동 정도를 제어한다.
상기 표시부(160)는 속도검출부(120)의 검출값인 전기자전거의 주행속도, 경사각검출부(130)의 검출값인 경사도, 배터리 잔량, 현재의 주행모드(모터보조 모드, 회생제동 모드), 구동량(방전량)/회생량(충전량), 크루즈 설정 등 주행 및 운전 상태, 설정에 관련된 다양한 정보를 표시하여 알려주게 된다.
상기 입력부(140)는 수동 및 자동 모드의 선택, 수동 선택시 모터보조비율 및 회생충전량 설정 등을 수행하기 위해 사용자가 조작하게 되는 입력 및 조작 수단이다.
상기 모터구동회로부(170)는 모터(102)에 3상 교류 전류를 인가하는 PWM 인버터를 포함하는 구성이 될 수 있으며, PWM 인버터는 고속 스위칭이 가능한 반도체 스위치(예를 들면, IGBT)와 발전시 전류 루프를 형성하는 다이오드로 구성된 파워모듈(미도시)을 포함한다.
상기 PWM 인버터는 모터(102)에 인가되는 3상 전류의 제어를 위해 반도체 스위치를 스위칭하기 위한 스위칭 펄스의 폭을 변화시키는 펄스폭 변조(Pulse Width Modulation, PWM)를 이용하며, 제어부(150)에서 인가되는 모터제어신호에 따라 PWM 스위칭을 통해 배터리(101)에서 공급되는 전원을 상 변환시켜 모터(102)를 구동시킨다.
인버터의 펄스폭 변조 및 3상 전류 제어에 대해서는 본 발명이 속하는 기술분야에서 널리 알려진 공지의 기술이므로 상세한 설명을 생략하기로 한다.
이하, 도 3을 참조하여 주행모드 제어 시스템의 동작모드를 설명하면 다음과 같다.
우선, 사용자가 입력부(140)를 통해 수동 모드를 설정하고 모터보조 모드의 모터보조 레벨과 회생제동 모드의 회생충전 레벨을 설정하게 되면, 종래와 동일하게 사용자 설정값(고정된 모터보조비율,회생충전량)에 따라 모터보조 및 회생제동이 수행된다.
반면, 자동 모드를 설정하게 되면, 제어부(150)는 경사각검출부(130)에 의해 검출된 경사도를 입력받아 이를 기초로 현재 주행하고 있는 도로가 등판로인지, 강판로인지를 판정하게 된다.
등판로로 판정된 경우, 모터보조 모드로 진입하여 토크검출부(110)에 의해 검출된 페달 답력과 경사각검출부(130)에 의해 검출된 경사도를 기초로 하여 모터출력토크(모터보조토크)를 산출한다.
모터출력토크를 산출하기 위한 식의 예를 도 3에 나타내었는데, 답력에 대한 최대 모터보조비율 300%, 최소 모터보조비율 25%, 동작 가능한 최대 동작경사도 20°를 가정한 산출식을 나타내었다.
한편, 강판로로 판정되면, 속도검출부(120)에 의해 검출된 현재의 주행속도를 미리 설정된 기준속도와 비교하여 기준속도 이상일 경우 회생제동 모드로 진입한다.
여기서, 전기자전거 주행시 강판로라 하더라도 기준속도 미만의 낮은 속도에서는 굳이 회생제동이 불필요하므로 기준속도와 비교하는 과정을 거쳐 일정 속도 이상에서만 회생제동이 동작되도록 한다.
회생제동 모드로 진입한 경우, 경사각검출부(130)에 의해 검출되는 현재의 경사도에 기초하여 발전부하토크를 산출하고, 이 발전부하토크로부터 충전전류량을 산출한 뒤, 산출된 충전전류량에 따라 모터(102)에서 모터구동회로부(170)를 통해 배터리(101)로 충전되는 전류를 제어하는 회생제동 제어를 수행하는 바, 이를 통해 발전부하 및 제동 정도를 제어한다.
충전전류량 산출방법의 예를 도 3에 나타내었는데, 미리 설정된 최대토크, 최대동작경사도를 이용하여 현재의 경사도로부터 발전부하토크를 산출하고, 발전 모드로 구동되는 모터의 충전전류량은 발전 모드로 구동되는 모터의 부하 정도에 비례하므로, 산출된 발전부하토크에 설정팩터값을 곱하여 충전전류량을 산출한다(충전전류량(I) ∝ 발전부하토크(T) 관계임).
상기 최대토크는 발전 모드로 구동되는 모터의 최대 발전부하 토크를 의미하며, 최대동작경사도는 최대 발전부하 토크 상태에서 안정적으로 강판 주행이 가능한 최대 경사도 설정치로 정의될 수 있다.
이와 같이 하여, 본 발명에 따른 주행모드 제어 시스템 및 방법에서는 사용자의 직접적인 설정 입력 없이 경사도를 검출하여 주행 도로의 지형에 따라 페달 답력에 대한 모터보조비율과 회생제동량(회생충전량)을 자동으로 조절하는 바, 사용자의 주행 편의성 증대, 경사도 진입 등판시 편의성 증대, 효율적인 모터보조 및 에너지 효율 증대, 충전 효율 및 에너지 재사용 효율 증대 등의 효과가 있고, 강판로의 과도한 주행속도 제한 및 안전성 증대의 이점이 있게 된다.
이상으로 본 발명의 실시예에 대해 상세히 설명하였는 바, 본 발명의 권리범위는 상술한 실시예에 한정되지 않으며, 다음의 특허청구범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 발명의 권리범위에 포함된다.
101 : 배터리 102 : 모터
110 : 토크검출부 120 : 속도검출부
130 : 경사각검출부 140 : 입력부
150 : 제어부 160 : 표시부
170 : 모터구동회로부

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  7. a) 제어부가 경사각검출부에 의해 검출된 주행 도로의 경사도로부터 등판로인지를 판정하는 단계와;
    b) 등판로로 판정되면, 모터보조 모드에서 제어부가 토크검출부에 의해 검출된 페달 답력과 경사각검출부에 의해 검출된 경사도에 기초하여 모터보조토크를 산출하는 단계와;
    c) 제어부가 산출된 모터보조토크에 따른 모터제어신호를 출력하는 단계와;
    d) 모터구동회로부가 제어부에서 출력되는 모터제어신호에 따라 모터 구동을 제어하는 단계;
    를 포함하고, 상기 제어부가 페달 답력 및 경사도로부터 산출되는 모터보조토크를 사용하여 모터보조 제어를 수행함으로써 페달 답력에 대한 모터보조비율이 주행 도로의 경사도에 따라 자동 조절되도록 하고,
    a') 상기 a) 단계에서 강판로로 판정되면, 회생제동 모드에서 제어부가 경사각검출부에 의해 검출된 경사도에 기초하여 발전부하토크를 산출하는 단계와;
    b') 제어부가 산출된 발전부하토크로부터 충전전류량을 산출하는 단계와;
    c') 제어부가 산출된 충전전류량에 따라 배터리 충전 전류를 제어하는 회생제동 제어를 수행함으로써 회생충전량 및 회생제동량이 주행 도로의 경사도에 따라 자동 조절되도록 하는 단계;
    를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 전기자전거의 주행모드 제어 방법.
  8. 청구항 7에 있어서,
    상기 제어부가 속도검출부로부터 검출된 주행속도를 정해진 기준속도와 비교하여 기준속도 이상인 경우 상기 회생제동 모드를 수행하는 것을 특징으로 하는 전기자전거의 주행모드 제어 방법.
  9. 청구항 7에 있어서,
    상기 발전부하토크는 '(최대토크/최대동작경사도)×현재의 경사도'의 값으로 구해지는 것을 특징으로 하는 전기자전거의 주행모드 제어 방법.
    (여기서, 최대토크는 발전 모드로 구동되는 모터의 최대 발전부하 토크이고, 최대동작경사도는 최대 발전부하 토크 상태에서 안정적으로 강판 주행이 가능한 최대 경사도 설정치임)

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