KR101251909B1 - 전기자동차용 변속제어장치 및 제어방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 전기자동차용 변속제어장치 및 변속제어방법에 관한 것으로, 전기 모터의 회전속도를 서로 다른 감속비로 감속하는 제 1 및 제 2감속기, 상기 전기 모터와 제 1 및 제 2감속기를 선택적으로 연결하는 변속수단, 배터리로부터 전원을 공급받아 상기 변속수단에 전원을 공급하는 전원부, 전기자동차의 차량제어유닛과 통신을 수행하는 통신부 및 상기 차량제어유닛으로부터 통신부를 통해 수신되는 변속명령에 기초하여 상기 변속수단의 구동을 제어하는 제어부를 포함하는 구성을 마련한다.
상기와 같은 전기자동차용 변속제어장치 및 변속제어방법을 이용하는 것에 의해, 본 발명은 변속수단의 변속용 모터를 정역회전시켜 모터와 제 1 및 제 2감속기를 선택적으로 연결함으로써 전기 모터의 회전속도를 서로 다른 2단의 감속비로 변속할 수 있다.

Description

전기자동차용 변속제어장치 및 제어방법{APPARATUS AND METHOD FOR GEAR SHIFT CONTROLLING OF ELECTRIC VEHICLE}

본 발명은 전기자동차용 변속제어장치 및 제어방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 전기자동차에 구동력을 발생하는 모터의 회전속도를 서로 다른 감속비로 감속하여 전기자동차의 속도를 제어하는 전기자동차용 변속제어장치 및 제어방법에 관한 것이다.

전기자동차는 전기에너지를 이용하여 구동되는 자동차로서, 기존의 화석 연료를 이용하는 자동차에 비해, 배기가스 및 소음을 발생시키지 않는 친환경 자동차이다.

이러한 전기자동차는 배터리에 충전된 전기 에너지를 이용해 전기 모터를 구동시켜 주행한다.

즉, 전기자동차는 약 80%의 효율을 나타내는데, 이는 가솔린 엔진의 약 25%효율, 디젤 엔진의 약 35% 효율에 비하여 약 3배 이상에 해당한다.

또한 전기자동차는 전기 모터를 이용함에 따라, 화석 연료를 이용하는 종래의 자동차에 적용되던 변속기와 같은 부품들을 제거하여 제작 비용을 절감할 수 있다.

최근에는 전기자동차의 주행거리를 증가시키기 위해 배터리의 용량을 높이고, 충전시간을 단축하기 위한 연구가 진행되고 있다.

한편, 전기자동차는 전기 모터의 회전속도를 제어하여 주행 속도를 조절함에 따라 변속기가 구비되지 않는다.

이에 따라, 종래의 전기자동차는 1단으로만 동작함에 따른 에너지 효율이 저하되는 문제점이 있었다.

그리고 종래의 전기자동차는 고속운전시 전기 모터에 걸리는 부하가 급격하게 증가하는 경우, 전기 모터의 이상 동작으로 인한 고장 및 안전사고가 빈번하게 발생되는 문제점이 있었다.

또한 종래의 전기자동차에 종래의 화석연료 자동차의 변속기를 적용하는 경우, 변속시점에 변속축의 회전에 따른 변속충격이 발생하는 문제점이 있었다.

본 발명은 상기한 바와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로, 본 발명의 목적은 주행 속도에 따라 감속비를 변경할 수 있는 전기자동차용 변속제어장치 및 제어방법을 제공하는 것이다.

본 발명의 다른 목적은 고속 운전에서 전기 모터에 걸리는 부하를 경감할 수 있는 전기자동차용 변속제어장치 및 제어방법을 제공하는 것이다.

본 발명의 또 다른 목적은 변속시점에서 변속축의 회전시 변속충격을 완화할 수 있는 전기자동차용 변속제어장치 및 제어방법을 제공하는 것이다.

상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 특징에 따르면, 본 발명은 전기 모터의 회전속도를 서로 다른 감속비로 감속하는 제 1 및 제 2감속기, 상기 전기 모터와 제 1 및 제 2감속기를 선택적으로 연결하는 변속수단, 배터리로부터 전원을 공급받아 상기 변속수단에 전원을 공급하는 전원부, 전기자동차의 차량제어유닛과 통신을 수행하는 통신부 및 상기 차량제어유닛으로부터 통신부를 통해 수신되는 변속명령에 기초하여 상기 변속수단의 구동을 제어하는 제어부를 포함한다.

상기 변속수단은 상기 전원부의 구동전원을 공급받아 구동되는 변속용 모터, 상기 제어부의 제어신호를 스위칭하여 상기 변속용 모터를 구동하는 모터 스위칭부, 상기 모터의 회전에 의해 상기 제 1 및 제 2감속기 중에서 하나와 상기 전기 모터를 연결하는 연결부를 포함하는 것을 특징으로 한다.

상기 변속용 모터는 내부에 홀센서를 구비하는 것을 특징으로 한다.

상기 연결부는 미리 설정된 각도만큼 정역 회전하는 변속축, 상기 변속축의 일단부에 결합되고 상기 모터의 회전축에 구비된 제 1기어에 맞물리는 제 2기어 및 상기 변속축 상에 외측을 향해 돌출되어 삼각 기둥 형상으로 형성되는 제 1 및 제 2결합부재를 포함하는 것을 특징으로 한다.

상기 제 1 및 제 2결합부재는 서로 반대방향을 항해 미리 설정된 회전각도만큼 이격되어 형성되는 것을 특징으로 한다.

상기 변속수단은 상기 변속축의 회전각도를 감지하는 각도센서를 더 포함하고, 상기 제어부는 상기 각도센서의 감지신호에 기초하여 상기 모터의 구동속도를 감소시키는 것을 특징으로 한다.

상기 제어부는 상기 변속축의 회전이 완료된 현재 위치와 미리 설정된 초기위치를 비교하여 다음 역회전시 회전각도를 보정할 회전량을 저장하는 메모리를 포함하는 것을 특징으로 한다.

상기 제 1 및 제 2기어는 웜과 웜휠로 이루어진 웜기어인 것을 특징으로 한다.

상기 제 1감속기는 초기 시동시, 저속 및 중속 주행시 사용되고, 상기 제 2감속기는 상기 제 1감속기의 감속비보다 작게 설정되어 고속 주행시 사용되며, 상기 제 1 및 제 2감속기는 각각 상기 변속수단의 제 1 및 제 2결합부재에 의해 서로 멀어지는 한 쌍의 베어링, 상기 한 쌍의 베어링에 일단부가 결합된 한 쌍의 암 및 상기 한 쌍의 암이 서로 멀어짐에 따라 상기 전기 모터의 회전축에 구비된 제 3기어에 맞물리는 감속휠을 포함하는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 다른 특징에 따르면, 본 발명은 (a) 전기자동차의 배터리로부터 전원을 인가받아 전기 모터를 구동하는 단계, (b) 상기 배터리로부터 인가된 전원을 변속수단에 공급하여 상기 전기 모터와 제 1감속기를 연결하여 1단 주행하는 단계, (c) 전기자동차의 차량제어유닛과 통신을 수행하여 변속명령을 수신하는 단계 및 (d) 상기 제 (c)단계에서 수신된 변속명령에 기초하여 전기 모터와 제 1 및 제 2감속기를 선택적으로 연결하도록 변속하는 단계를 포함한다.

상기 제 (d)단계는 (d1) 상기 제 (b)단계의 1단 주행 도중에 2단 변속명령이 수신되면, 전기 모터와 제 2감속기를 연결하여 2단 주행하는 단계와 (d2) 상기 제 (d1)단계의 2단 주행 도중에 1단 2단 변속명령이 수신되면, 전기 모터와 제 1감속기를 연결하여 1단 주행하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.

상기 제 (d1)단계는 (d11) 변속수단에 구비된 변속용 모터를 일측 방향으로 구동하는 단계, (d12) 상기 변속용 모터의 회전축에 구비된 제 1기어에 맞물린 제 2기어를 이용하여 변속축을 회전시키는 단계 및 (d13) 상기 변속축의 제 1결합부재를 이용해 제 1감속기와 전기 모터의 회전축에 구비된 제 3기어를 연결하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.

상기 제 (d1)단계는 (d14) 상기 변속축의 회전각도를 감지하는 단계, (d15) 상기 제 (d14)단계의 감지결과, 상기 변속축이 미리 설정된 설정각도에 도달하면 제어신호의 PWM 듀티값을 감소시키는 단계 및 (d16) 상기 변속축이 미리 설정된 회전각도만큼 회전하면 상기 변속용 모터의 구동을 중지하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.

상기 제 (d2)단계는 (d21) 변속수단에 구비된 변속용 모터를 타측 방향으로 구동하는 단계, (d22) 상기 변속용 모터의 회전축에 구비된 제 1기어에 맞물린 제 2기어를 이용하여 변속축을 회전시키는 단계 및 (d23) 상기 변속축의 제 2결합부재를 이용해 제 2감속기와 전기 모터의 회전축에 구비된 제 3기어를 연결하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.

상기 제 (d2)단계는 (d24) 상기 변속축의 회전각도를 감지하는 단계, (d25) 상기 제 (d24)단계의 감지결과, 상기 변속축이 미리 설정된 설정각도에 도달하면 제어신호의 PWM 듀티값을 감소시키는 단계 및 (d26) 상기 변속축이 미리 설정된 회전각도만큼 회전하면 상기 변속용 모터의 구동을 중지하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.

상기 제 (d)단계는 (d3) 변속제어장치의 상태정보를 상기 차량제어유닛으로 송신하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.

상기 상태정보는 상기 변속용 모터의 전원선 단락이나 단선, 홀센서의 고장, 상기 차량제어유닛으로부터 수신된 변속명령, 상기 변속용 모터에 공급되는 전류정보 중 적어도 하나 이상을 포함하는 것을 특징으로 한다.

상기 (d)단계는 (d4) 상기 제 (d1)단계 및 (d2)단계에서 변속이 완료되면, 변속축의 현재 위치를 감지하는 단계, (d5) 상기 제 (d4)단계에서 감지된 현재 위치와 미리 설정된 목표 위치를 비교하는 단계, (d6) 상기 제 (d5)단계의 비교 결과에 따라 다음 역방향 회전시 보정할 회전량을 메모리에 저장하는 단계를 더 포함하고, 상기 제 (d1)단계 및 (d2)단계는 상기 메모리에 저장된 회전량을 이용해 변속축의 회전각도를 보정하여 상기 변속축을 보정된 회전각도만큼 회전시키는 것을 특징으로 한다.

상술한 바와 같이, 본 발명은 변속수단의 변속용 모터를 정역회전시켜 모터와 제 1 및 제 2감속기를 선택적으로 연결함으로써 전기 모터의 회전속도를 서로 다른 2단의 감속비로 변속할 수 있다.

그리고 본 발명은 전기 모터에 걸리는 부하를 감소시켜 전기 모터의 수명을 연장하고, 전기 모터의 이상 동작으로 인한 고장 및 안전사고를 방지할 수 있다.

또 본 발명은 각도센서를 이용해 변속축의 회전각도를 감지하고, 변속축이 미리 설정한 각도만큼 회전하면 모터의 구동속도를 감소시켜 변속충격을 완화시킬 수 있다.

이에 따라, 본 발명은 1단으로 주행하는 종래의 전기자동차에 비해, 전기자동차의 에너지 효율을 향상시킬 수 있는 효과를 가진다.

도 1은 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 전기자동차용 변속제어장치의 블록구성도.
도 2 및 도 3은 도 1에 도시된 제 1 및 제 2감속기와 변속수단의 동작을 설명하기 위한 도면.
도 4는 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 전기자동차용 변속제어방법을 단계별로 설명하는 흐름도.
도 5 및 도 6은 변속수단의 변속동작을 단계별로 설명하는 흐름도.

이하 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 전기자동차용 변속제어장치 및 제어방법을 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.

도 1은 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 전기자동차용 변속제어장치의 블록구성도이고, 도 2 및 도 3은 도 1에 도시된 제 1 및 제 2감속기와 변속수단의 동작을 설명하기 위한 도면이다.

도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 전기자동차용 변속제어장치(10)는 서로 다른 감속비로 전기 모터(도면 미도시)의 회전속도를 감속하는 제 1 및 제 2감속기(11,12), 전기 모터와 제 1 및 제 2감속기(11,12)를 선택적으로 연결하는 변속수단(20), 배터리(1)로부터 전원을 공급받아 변속수단(20)에 구동전원을 인가하는 전원부(30), 전기자동차의 차량제어유닛(Vehicle Control Unit, 이하 'VCU'라 함)(2)과 통신을 수행하는 통신부(40) 및 VCU(2)로부터 통신부(40)를 통해 수신된 변속명령에 따라 변속수단(20)의 구동을 제어하는 제어부(50)를 포함한다.

제 1감속기(11)는 전기자동차의 초기 시동시, 미리 설정된 기준속도 이하의 저속 및 중속 주행시 사용되고, 제 2감속기(12)는 제 1감속기(11)의 감속비보다 작게 설정되어 상기 기준속도를 초과하는 고속 주행시 사용된다.

예를 들어, 제 1감속기(11)의 감속비는 10:1이라면, 제 2감속기(12)의 감속비는 2:1로 설정될 수 있다.

상기 기준속도는 전기자동차의 효율을 실험한 결과값에 기초하여 약 75~85㎞/h로 설정될 수 있다. 본 실시 예에서 기준속도는 85㎞/h로 설정된다.

제 1 및 제 2감속기(11,12)는 변속수단(20)의 변속축(231)에 의해 선택적으로 전기 모터에 연결되도록, 도 2 및 도 3에 도시된 바와 같이 변속축(231)을 중심으로 일정 각도만큼 이격된 위치에 설치된다.

그리고 제 1 및 제 2감속기(11,12)는 변속수단(20)의 제 1 및 제 2결합부재(233,234)와의 결합 여부에 따라 전기 모터의 회전축에 결합된 제 3기어(도면 미도시)와 선택적으로 연결되어 전기 모터의 회전속도를 각각의 감속비로 감속한다.

이를 위하여, 제 1 및 제 2감속기(11,12)는 각각 제 1 및 제 2결합부재(233,234)의 결합에 의해 거리가 벌어지는 한 쌍의 제 1 및 제 2베어링(111,121), 한 쌍의 제 1 및 제 2베어링(111,121)에 일단이 결합되는 한 쌍의 제 1 및 제 2암(112,122) 및 한 쌍의 제 1 및 제 2암(112,122)이 서로 멀어짐에 따라 전기 모터의 제 3기어에 맞물리는 제 1 및 제 2감속휠(113,123)을 포함한다.

다시 도 1에서, 변속수단(20)은 전원부(30)의 구동전원을 공급받아 구동되는 변속용 모터(이하 '모터'라 함)(21), 제어부(50)의 제어신호를 스위칭하는 모터 스위칭부(22), 모터(21)의 회전에 의해 제 1 및 제 2감속기(11,12) 중에서 어느 하나와 전기 모터를 연결하는 연결부(23), 모터(21) 내부에 구비된 로터(rotor)의 회전에 의한 자기장 변화를 이용해 모터(21)의 회전속도를 감지하는 홀센서(24) 및 변속축(231)의 회전각도를 감지하는 각도센서(25)를 포함한다.

본 실시 예에서, 모터(21)는 3상 브러시리스 모터(3-phase Brushless Motor)로 구성되며, 홀센서(24)는 모터(21)의 내부에 구비된다.

홀센서(24)는 모터(21) 내부에 구비된 로터(Rotor)의 회전축에 근접해서 일정 각도만큼 이격된 상태로 3개가 설치되고, 상기 로터의 위치에 따른 자기장의 변화를 감지한다.

모터(21)의 회전축에는 변속축(231)의 제 2기어(232)와 맞물리도록 제 1기어(211)가 설치된다.

모터 스위칭부(22)는 제어부(50)로부터 출력되는 펄스 폭 변조(Pulse Width Modulation, 이하 'PWM'이라 함) 신호 형태의 제어신호에 따라 스위칭 동작하는 3상 풀 브리지 회로(3-phase Full bridge circuit)로 구성된다.

상기 3상 풀 브리지 회로는 절연 게이트 바이폴라 트랜지스터(Insulated Gate Bipolar Transistor, 이하 'IGBT'라 함) 소자나 전계 효과 트랜지스터(Field Effect Transistor, 이하 'FET'라 함) 소자로 구성된다.

본 실시 예에서는 모터 스위칭부(22)의 하이 사이드(High Side) 및 로우 사이드(Low Side)에는 모두 N 채널 IGBT 소자를 이용한다.

일반적으로 모터 스위칭부(22)에는 FET 소자를 사용하지만, 본 발명은 모터 스위칭부(22)에 IGBT 소자를 구성함에 따라 고전압 스위칭에 대한 안전성을 높일 수 있다.

물론, 모터 스위칭부(22)는 FET 소자를 사용하여 동일하게 구성될 수도 있다.

연결부(23)에는 도 2 및 도 3에 도시된 바와 같이, 미리 설정된 설정 각도만큼 정역 회전하는 변속축(231), 변속축(231)의 일단부에 결합되어 모터(21)의 회전축에 구비된 제 1기어(211)에 맞물리는 제 2기어(232) 및 변속축(231) 상에 일정 간격만큼 이격된 위치에 외측을 향해 돌출되어 형성되는 제 1 및 제 2결합부재(233,234)를 포함한다.

변속축(231)에는 회전각도를 감지하는 각도센서(25)가 설치된다.

제 1 및 제 2기어(211,232)는 서로 수직 방향으로 회전력을 전달하도록 수직으로 맞물리는 웜(worm)과 웜휠(worm wheel)로 구비된다.

웜과 웜휠로 이루어진 웜기어의 기어비는 실험치에 따라 약 70:1로 설정되는 것이 바람직하다.

제 1 및 제 2결합부재(233,234)는 서로 반대 방향, 도 2 및 도 3에서 보았을 때 각각 우측과 좌측을 향해 일 꼭지점이 위치되도록 변속축(231) 상에 단면이 삼각형인 삼각 기둥 형상으로 형성된다.

즉, 도 2에 도시된 바와 같이, 변속축(231)이 반시계 방향으로 회전하면, 제 1결합부재(233)가 반시계 방향으로 회전하면서 한 쌍의 제 1베어링(111) 사이의 간격을 멀어지게 하고, 한 쌍의 제 1베어링(111)에 각각 일단부가 결합된 한 쌍의 제 1암(112)이 상하 방향으로 벌어지면서 제 1감속휠(113)이 전기 모터의 제 3기어에 맞물리게 된다.

따라서 전기자동차는 모터(21)의 회전속도를 제 1감속기(11)의 감속비에 의해 감속하여 저속 또는 중속으로 1단 주행한다.

반면, 도 3에 도시된 바와 같이, 변속축(231)이 시계 방향으로 회전하면, 제 2결합부재(234)가 시계 방향으로 회전하면서 한 쌍의 제 2베어링(121) 사이 간격을 멀어지게 하고, 한 쌍의 제 2베어링(121)에 각각 일단이 결합된 한 쌍의 제 2암(122)이 상하 방향으로 벌어지면서 제 2감속휠(123)이 전기 모터의 제 3기어에 맞물리게 된다.

따라서 전기자동차는 모터(21)의 회전속도를 제 2감속기(12)의 감속비에 의해 감속하여 기준속도인 85㎞/h를 초과하는 고속으로 2단 주행한다.

다시 도 1에서, 전원부(30)는 배터리(1)로부터 공급되는 전원을 모터(21)의 구동에 필요한 전압레벨로 변환하여 변환된 구동전원을 변속수단(20)으로 공급한다.

배터리(1)는 전기자동차의 주행거리를 향상시키고, 충전시간을 단축하기 위해 수~수십 ㎾의 용량을 갖는 고용량 배터리로 구비되는 것이 바람직하다.

통신부(40)는 VCU(2)와 CAN 통신을 수행하여 수신된 변속명령을 제어부(50)로 전달하고, 제어부(50)로부터 전달되는 상태정보를 VCU(2)로 송신한다.

제어부(50)는 VCU(2)로부터 수신된 변속명령에 따라 PWM 신호 형태의 제어신호를 발생해서 모터 스위칭부(22)로 전송하여 모터(21)의 구동을 제어한다.

VCU(2)는 전기자동차의 주행속도에 따라 제 1 및 제 2감속기(11,12) 중 어느 하나를 선택하여 감속하도록 변속명령을 발생한다.

예를 들어, 전기자동차의 주행속도가 상기 기준속도 이하이면, VCU(2)는 제 1감속기(11)를 선택하도록 1단 변속명령을 발생하여 제어부(50)로 송신한다.

반면, 전기자동차의 주행속도가 상기 기준속도를 초과하면, VCU(2)는 제 2감속기(12)를 선택하도록 2단 변속명령을 발생하여 제어부(50)로 송신한다.

그리고 VCU(2)로부터 제 1감속기(11)에서 제 2감속기(12)로 변경하도록 2단 변속명령이 수신되면, 제어부(50)는 모터(21)를 일측 방향으로 구동시켜 변속축(231)을 시계 방향으로 미리 설정된 회전각도, 예컨대 약 52°만큼 회전하도록 제어한다.

반면, VCU(2)로부터 제 2감속기(12)에서 제 1감속기(11)로 변경하도록 1단 변속명령이 수신되면, 제어부(50)는 모터(21)를 타측 방향으로 구동시켜 변속축(231)을 반시계 방향으로 상기 회전각도만큼 회전하도록 제어한다.

이하에서는 변속축(231)의 회전각도는 제 1감속기(11)를 이용하도록 제 1결합부재(233)가 한 쌍의 제 1베어링(111) 사이에 완전히 결합된 상태를 '0°'라고 하고, 제 2감속기(12)를 이용하도록 제 2결합부재(234)가 한 쌍의 제 2베어링(121) 사이에 완전히 결합된 상태를 '52°'라 한다.

그리고 제어부(50)는 운전자에게 변속충격이 전달되는 것을 방지하기 위해, 변속축(231)을 미리 설정된 회전시간, 예컨대 약 0.3초 이내에 회전시키도록 제어한다.

이와 함께, 제어부(20)는 각도센서(25)의 감지신호에 따라 모터(21)의 회전속도를 감소시키거나 모터(21)의 회전을 중지시키도록 제어한다.

즉, 제어부(50)는 모터(21)의 구동에 의해 변속축(231)이 미리 설정된 설정각도만큼 회전하면, 제어신호의 PWM 듀티(duty, %)값을 점차 감소시켜 모터의 회전속도를 감소시키거나, PWM 듀티값을 0%(오프 상태)로 설정하여 모터(21)의 구동을 중지한다.

상기 설정각도는 변속축(231)의 시계 방향 회전시 약 50°로 설정되고, 반시계 방향 회전시에는 약 2°로 설정된다.

이와 함께, 제어부(50)는 각도센서(25)의 감지신호에 따라 변속축(231)이 상기 설정각도보다 작은 각도로 회전하거나, 설정 각도보다 큰 각도로 회전한 경우, 다음 회전에서 미리 설정된 초기위치를 기준으로 설정 각도만큼 회전하도록 회전량을 보정한다.

이를 위하여, 제어부(50)는 미리 설정된 목표위치와 변속축의 현재 위치를 비교하여 다음 역회전시 회전각도를 보정할 회전량을 저장하는 메모리(도면 미도시)를 포함한다.

또한 제어부(50)는 통신부(40)를 통해 변속제어장치(10)의 상태정보를 VCU(2)로 송신한다.

상기 상태정보는 모터(21)의 3상 전원선 단락이나 단선, 홀센서(24)의 고장, VCU(2)로부터 수신된 변속명령, 모터에 공급되는 전류 등을 포함할 수 있다.

이에 따라, 본 발명은 변속수단의 변속용 모터를 정역회전시켜 모터와 제 1 및 제 2감속기를 선택적으로 연결함으로써 전기 모터의 회전속도를 서로 다른 2단의 감속비로 변속할 수 있다.

다음, 도 4 내지 도 6을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 전기자동차용 변속제어방법을 상세하게 설명한다.

도 4는 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 전기자동차용 변속제어방법을 단계별로 설명하는 흐름도이고, 도 5는 도 4의 변속제어방법에 따른 1단에서 2단으로 변속하는 방법을 설명하는 흐름도이며, 도 6은 2단에서 1단으로 변속하는 방법을 단계별로 설명하는 흐름도이다.

도 4에 도시된 바와 같이, 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 전기자동차용 변속제어방법은 이그니션 키(IG, 도면 미도시) 입력신호가 입력되고(S10), 전원부(30)가 배터리(1)로부터 전원을 인가받아 제어부(50) 및 변속수단(20)에 구동전원을 공급하면서 시작된다(S11).

이와 같은 초기 시동시에 제어부(50)는 전기자동차의 초기 구동에 필요한 토크를 발생시키기 위해 항상 제 1감속기(11)와 전기 모터를 연결하여 1단 주행하도록 제어한다(S12).

1단 주행을 시작한 후, 전기자동차의 주행속도가 미리 설정된 기준속도, 예컨대 85㎞/h를 초과하면(S13), VCU(2)는 CAN 통신을 통해 2단 변속명령을 전송한다.

통신부(40)는 2단 변속명령을 수신해서 제어부(50)로 전달하고(S14), 제어부(50)는 모터(21)를 구동하여 2단 감속기(12)와 전기 모터를 연결하여 2단 주행하도록 제어한다(S15).

도 5를 참조하여 1단에서 2단으로 변속하는 방법을 상세하게 설명한다.

도 5의 제 S21단계에서 제어부(50)는 모터(21)를 구동하도록 제어신호를 발생하고, 모터 스위칭부(22)는 제어신호를 스위칭하여 모터(21)를 구동한다.

그러면 도 3에 도시된 바와 같이, 모터(21)가 정방향으로 회전함에 따라, 모터(21)의 회전축에 형성된 제 1기어(211)와 맞물린 제 2기어(232)가 회전하면서 변속축(231)이 반시계 방향으로 회전하게 된다(S31).

이와 같이, 변속축(232)이 회전하면, 제어부(50)는 각도센서(25)의 감지신호를 이용하여 변속축(232)의 회전각도가 미리 설정된 설정각도에 도달하는지 비교한다(S32).

비교결과, 변속축(232)이 설정각도, 예컨대 약 50°만큼 회전하면, 제어부(50)는 변속충격을 감소시키기 위해 제어신호의 PWM 듀티값을 점차 감소시켜 모터(21)의 회전속도를 줄이고(S33), 변속축(231)이 미리 설정된 회전각도, 예컨대 약 52°에 도달하면 모터(21)의 구동을 정지시키도록 제어한다.

이때, 변속축(231)의 제 2결합부재(234)에 의해 한 쌍의 제 2베어링(121) 및 제 2암(122)이 서로 멀어지면서 제 2감속휠(123)이 전기 모터의 제 3기어에 연결된다.

한편, 제어부(50)는 회전이 완료된 변속축(231)의 회전각도를 측정하고, 미리 설정된 목표위치와 현재 위치를 비교하여 다음 시계 방향 회전시 미리 설정된 초기위치로 회전하여 복귀하도록 회정량을 보정하여 내부에 구비된 메모리(도면 미도시)에 저장한다.

이에 따라, 전기자동차는 제 2감속기(12)의 감속비에 의해 2단으로 고속 주행하게 된다(S34).

그리고 제어부(50)는 통신부(40)를 통해 모터(21)의 3상 전원선 단락이나 단선, 홀센서(24)의 고장, VCU(2)로부터 수신된 변속명령, 모터(21)에 공급되는 전류 등을 포함하는 상태정보를 VCU(2)로 전송한다(S35).

다시 도 4에서, 2단으로 주행하던 전기 자동차의 주행속도가 기준속도 이하로 떨어지면(S16), VCU(2)는 CAN 통신을 통해 1단 변속명령을 통신부(40)로 전송한다.

통신부(40)가 1단 변속명령을 수신하여 제어부(50)로 전달하면(S17), 제어부(50)는 모터(21)를 구동하여 1단 감속기(11)와 전기 모터를 연결하여 1단 주행하도록 제어한다(S18).

도 6을 참조하여 2단에서 1단으로 변속하는 방법을 상세하게 설명한다.

도 6에 도시된 바와 같이, 제어부(50)는 모터(21)를 구동하도록 제어신호를 발생하고, 모터 스위칭부(22)는 제어신호를 스위칭하여 모터(21)를 구동한다.

이때, 도 2에 도시된 바와 같이, 모터(21)가 역방향으로 회전함에 따라, 모터(21)의 회전축에 형성된 제 1기어(211)와 맞물린 제 2기어(232)가 회전하면서 변속축(232)이 시계 방향으로 회전하게 된다(S41).

이와 같이, 변속축(231)이 회전하면, 제어부(50)는 각도센서(25)의 감지신호를 이용하여 변속축(231)의 회전각도가 미리 설정된 설정각도에 도달하는지 비교한다(S42).

비교결과, 변속축(231)이 설정각도, 예컨대 약 2°만큼 회전하면, 제어부(50)는 변속충격을 감소시키기 위해 제어신호의 PWM 듀티값을 점차 감소시켜서 모터(21)의 회전속도를 줄이고, 변속축(231)이 미리 설정된 회전각도, 예컨대 약 0°까지 회전하면 모터(21)의 구동을 정지시킨다(S43).

이때, 변속축(231)의 제 1결합부재(233)에 의해 한 쌍의 제 1베어링(111) 및 제 1암(112)이 서로 멀어지면서 제 1감속휠(113)이 전기 모터의 제 3기어에 연결된다.

한편, 제어부(50)는 회전이 완료된 변속축(231)의 회전각도를 측정하고, 미리 설정된 목표위치와 현재 위치를 비교하여 다음 시계 방향 회전시 미리 설정된 초기위치로 회전하여 복귀하도록 회정량을 보정하여 내부에 구비된 메모리(도면 미도시)에 저장한다.

이에 따라, 전기자동차는 제 1감속기(11)의 감속비에 의해 1단으로 저속 및 중속 주행하게 된다(S44).

그리고 제어부(50)는 통신부(40)를 통해 모터(21)의 3상 전원선 단락이나 단선, 홀센서(24)의 고장, VCU(2)로부터 수신된 변속명령, 모터(21)에 공급되는 전류 등을 포함하는 상태정보를 VCU(2)로 전송한다(S45).

다시 도 6의 제 S19단계에서 제어부(50)는 전기 모터의 구동을 중지시키도록 이그니션 키가 오프 조작될 때까지 제 S12단계 내지 제 S18단계를 반복적으로 수행하도록 제어한다.

만약, 제 S19단계에서 이그니션 키가 오프 조작되면, VCU(2)는 변속제어장치(10)에 인가되는 공급전원을 차단하고, 전기 모터의 구동을 중지하여 주행을 종료한다(S20).

상기한 바와 같은 과정을 통하여, 본 발명은 변속수단의 변속용 모터를 정역회전시켜 모터와 제 1 및 제 2감속기를 선택적으로 연결함으로써 전기 모터의 회전속도를 서로 다른 2단의 감속비로 변속할 수 있다.

본 발명의 권리범위는 위에서 설명된 실시 예에 한정되지 않고 청구범위에 기재된 바에 의해 정의되며, 본 발명의 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 청구범위에 기재된 권리범위 내에서 다양한 변형과 개작을 할 수 있다는 것은 자명하다.

상기의 실시 예에서는 변속충격을 완화하기 위해 변속축이 설정각도에 도달하면 제어신호의 PWM 듀티값을 점차 감소시키는 것으로 설명하였지만, 본 발명은 반드시 이에 한정되는 것은 아니다.

즉, 본 발명은 변속축이 설정각도에 도달하면 제어신호를 오프시켜 관성에 의해 변속축을 회전시키거나, 변속축의 관성력이 무시되는 경우에는 변속축이 회전각도에 도달하면 제어신호를 오프시키도록 변경될 수도 있다.

10: 변속제어장치 11,12: 제 1,제 2감속기
111,121: 제 1,제 2베어링 112,122: 제 1,제 2암
113,123: 제 1,제 2감속휠 20: 변속수단
21: 모터 211 : 제 1기어
22: 모터 스위칭부 23: 연결부
231: 변속축 232: 제 2기어
233: 제 1,제 2결합부재 24: 홀센서
25: 각도센서 30: 전원부
40: 통신부 50: 제어부

Claims (18)

1. 전기 모터의 회전속도를 서로 다른 감속비로 감속하는 제 1 및 제 2감속기,
   상기 전기 모터와 제 1 및 제 2감속기를 선택적으로 연결하는 변속수단,
   배터리로부터 전원을 공급받아 상기 변속수단에 전원을 공급하는 전원부,
   전기자동차의 차량제어유닛과 통신을 수행하는 통신부 및
   상기 차량제어유닛으로부터 통신부를 통해 수신되는 변속명령에 기초하여 상기 변속수단의 구동을 제어하는 제어부를 포함하고,
   상기 변속수단은 상기 전원부의 구동전원을 공급받아 구동되는 변속용 모터,
   상기 제어부의 제어신호를 스위칭하여 상기 변속용 모터를 구동하는 모터 스위칭부 및
   상기 모터의 회전에 의해 상기 제 1 및 제 2감속기 중에서 하나와 상기 전기 모터를 연결하는 연결부를 포함하는 것을 특징으로 하는 전기자동차용 변속제어장치.
2. 삭제
3. 제 1항에 있어서, 상기 변속용 모터는
   내부에 홀센서를 구비하는 것을 특징으로 하는 전기자동차용 변속제어장치.
4. 제 1항에 있어서, 상기 연결부는
   미리 설정된 각도만큼 정역 회전하는 변속축,
   상기 변속축의 일단부에 결합되고 상기 모터의 회전축에 구비된 제 1기어에 맞물리는 제 2기어 및
   상기 변속축 상에 외측을 향해 돌출되어 삼각 기둥 형상으로 형성되는 제 1 및 제 2결합부재를 포함하는 것을 특징으로 하는 전기자동차용 변속제어장치.
5. 제 4항에 있어서,
   상기 제 1 및 제 2결합부재는 서로 반대방향을 항해 미리 설정된 회전각도만큼 이격되어 형성되는 것을 특징으로 하는 전기자동차용 변속제어장치.
6. 제 4항에 있어서,
   상기 변속수단은 상기 변속축의 회전각도를 감지하는 각도센서를 더 포함하고,
   상기 제어부는 상기 각도센서의 감지신호에 기초하여 상기 모터의 구동속도를 감소시키는 것을 특징으로 하는 전기자동차용 변속제어장치.
7. 제 6항에 있어서, 상기 제어부는
   상기 변속축의 회전이 완료된 현재 위치와 미리 설정된 초기위치를 비교하여 다음 역회전시 회전각도를 보정할 회전량을 저장하는 메모리를 포함하는 것을 특징으로 하는 전기자동차용 변속제어장치.
8. 제 4항에 있어서, 상기 제 1 및 제 2기어는
   웜과 웜휠로 이루어진 웜기어인 것을 특징으로 하는 전기자동차용 변속제어장치.
9. 제 4항에 있어서,
   상기 제 1감속기는 초기 시동시, 저속 및 중속 주행시 사용되고,
   상기 제 2감속기는 상기 제 1감속기의 감속비보다 작게 설정되어 고속 주행시 사용되며,
   상기 제 1 및 제 2감속기는 각각
   상기 변속수단의 제 1 및 제 2결합부재에 의해 서로 멀어지는 한 쌍의 베어링,
   상기 한 쌍의 베어링에 일단부가 결합된 한 쌍의 암 및
   상기 한 쌍의 암이 서로 멀어짐에 따라 상기 전기 모터의 회전축에 구비된 제 3기어에 맞물리는 감속휠을 포함하는 것을 특징으로 하는 전기자동차용 변속제어장치.
10. (a) 전기자동차의 배터리로부터 전원을 인가받아 전기 모터를 구동하는 단계,
    (b) 상기 배터리로부터 인가된 전원을 변속수단에 공급하여 상기 전기 모터와 제 1감속기를 연결하여 1단 주행하는 단계,
    (c) 전기자동차의 차량제어유닛과 통신을 수행하여 변속명령을 수신하는 단계 및
    (d) 상기 (c)단계에서 수신된 변속명령에 기초하여 전기 모터와 제 1 및 제 2감속기를 선택적으로 연결하여 변속하는 단계를 포함하고,
    상기 (d)단계는 (d1) 상기 (b)단계의 1단 주행 도중에 2단 변속명령이 수신되면, 전기 모터와 제 2감속기를 연결하여 2단 주행하는 단계와
    (d2) 상기 (d1)단계의 2단 주행 도중에 1단 2단 변속명령이 수신되면, 전기 모터와 제 1감속기를 연결하여 1단 주행하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 전기자동차용 변속제어방법.
11. 삭제
12. 제 10항에 있어서, 상기 (d1)단계는
    (d11) 변속수단에 구비된 변속용 모터를 일측 방향으로 구동하는 단계,
    (d12) 상기 변속용 모터의 회전축에 구비된 제 1기어에 맞물린 제 2기어를 이용하여 변속축을 회전시키는 단계 및
    (d13) 상기 변속축의 제 1결합부재를 이용해 제 1감속기와 전기 모터의 회전축에 구비된 제 3기어를 연결하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 전기자동차용 변속제어방법.
13. 제 12항에 있어서, 상기 (d1)단계는
    (d14) 상기 변속축의 회전각도를 감지하는 단계,
    (d15) 상기 (d14)단계의 감지결과, 상기 변속축이 미리 설정된 설정각도에 도달하면 제어신호의 PWM 듀티값을 감소시키는 단계 및
    (d16) 상기 변속축이 미리 설정된 회전각도만큼 회전하면 상기 변속용 모터의 구동을 중지하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 전기자동차용 변속제어방법.
14. 제 10항에 있어서, 상기 (d2)단계는
    (d21) 변속수단에 구비된 변속용 모터를 타측 방향으로 구동하는 단계,
    (d22) 상기 변속용 모터의 회전축에 구비된 제 1기어에 맞물린 제 2기어를 이용하여 변속축을 회전시키는 단계 및
    (d23) 상기 변속축의 제 2결합부재를 이용해 제 2감속기와 전기 모터의 회전축에 구비된 제 3기어를 연결하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 전기자동차용 변속제어방법.
15. 제 14항에 있어서, 상기 (d2)단계는
    (d24) 상기 변속축의 회전각도를 감지하는 단계,
    (d25) 상기 (d24)단계의 감지결과, 상기 변속축이 미리 설정된 설정각도에 도달하면 제어신호의 PWM 듀티값을 감소시키는 단계 및
    (d26) 상기 변속축이 미리 설정된 회전각도만큼 회전하면 상기 변속용 모터의 구동을 중지하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 전기자동차용 변속제어방법.
16. 제 10항에 있어서, 상기 (d)단계는
    (d3) 변속제어장치의 상태정보를 상기 차량제어유닛으로 송신하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 전기자동차용 변속제어방법.
17. 제 16항에 있어서, 상기 상태정보는
    변속수단에 마련된 변속용 모터의 전원선 단락이나 단선, 홀센서의 고장, 상기 차량제어유닛으로부터 수신된 변속명령, 상기 변속용 모터에 공급되는 전류정보 중 적어도 하나 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는 전기자동차용 변속제어방법.
18. 제 10항에 있어서, 상기 (d)단계는
    (d4) 상기 (d1)단계 및 (d2)단계에서 변속이 완료되면, 변속축의 현재 위치를 감지하는 단계,
    (d5) 상기 (d4)단계에서 감지된 현재 위치와 미리 설정된 목표 위치를 비교하는 단계,
    (d6) 상기 (d5)단계의 비교 결과에 따라 다음 역방향 회전시 보정할 회전량을 메모리에 저장하는 단계를 더 포함하고,
    상기 (d1)단계 및 (d2)단계는 상기 메모리에 저장된 회전량을 이용해 변속축의 회전각도를 보정하여 상기 변속축을 보정된 회전각도만큼 회전시키는 것을 특징으로 하는 전기자동차용 변속제어방법.

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