2단 기어 전기자동차의 토크 제어 기반의 속도 동기화 방법

Abstract

본 논문은 2단 기어가 적용된 전기자동차를 대상으로 하여 변속 시에 유용한 속도 동기화 방법을 제안합니다. 운전 시작 시에 고토크를 요구하거나, 일반적인 동작 시에 고효율 운전을 요구하는 시스템에서는 2단 기어는 큰 장점을 갖고 있습니다. 2단 기어가 사용되면 필연적으로 변속 과정이 요구됩니다. 또한, 변속 과정에는 현재 기어 속도와 다음 기어속도가 다르기 때문에 속도 동기화 과정이 포함됩니다. 일반적으로 차량의 변속을 위해서는 보조적인 변속장치들이 사용되지만, 전기자동차의 구동 모터는 자체적으로 속도 동기화를 수행하기 때문에 변속 장치가 최소화되는 장점이 있습니다. 그럼에도 불구하고 기존의 2단 기어 시스템에서는 변속 시에 몇 가지 문제가 있습니다. 첫 째로, 전기자동차는 기본 제어 모드가 토크 제어이지만 속도 동기화를 위해서는 속도 제어 모드로 전환되어야합니다. 또한, 변속이 완료되면 다시 토크 제어 모드로 전환되어야합니다. 일정하지 못하고 빈번히 바뀌는 제어 모드는 제어의 안정도를 떨어뜨리는 문제를 초래합니다. 더욱이 변속이 빈번하게 발생하는 드라이빙 패턴에서는 문제가 더욱 심화됩니다. 둘 째로는, 기존 방식은 휠의 속도를 센서로 측정하여 구동모터가 속도 동기화를 하게 됩니다. 하지만 차량의 바퀴에 설치된 속도 센서는 고장의 위험이 있습니다. 따라서, 휠 속도 정보를 알지 못하더라도 속도 동기화가 가능한 방법이 필요합니다. 마지막으로는, 기존 방법은 TCU에서 담당하는 휠 속도 정보를 CAN 통신을 통해 MCU에 전달하게 되고, CAN으로 속도 제어가 수행됩니다. 따라서, 비교적 복잡한 통신이 요구됩니다. 또한, CAN을 통한 제어는 응답성을 떨어뜨리게 되고, 통신 에러로 인해 불완전한 속도 동기화가 발생할 수 있습니다. 이러한 이유로, 본 논문에서는 차량동역학을 기반으로 모터와 휠 축을 분석하고 모델 파라미터를 이용하여 차량의 휠 속도를 추정합니다. 또한, 변속 완료 시점의 휠 속도를 예측하고 해당 속도로 구동 모터 속도가 동기화 되도록하는 토크 지령을 생성합니다. 결과적으로 제안하는 방법은 속도 동기화 과정에서 토크 지령을 제공함으로써 일관성있는 제어 모드를 유지할 수 있습니다. 제안하는 방법은 휠 속도 정보로부터 자유롭기 때문에 고장에도 대응할 수 있습니다. 본 방식은 파라미터를 통해 속도를 동기화하기 때문에 기어가 체결되어 있는 상태에서는 RLS 추정기를 통해 파라미터를 상시 추정합니다. 본 논문에서는 과도상태에서의 추정값이 수렴함을 보여주며, 파라미터 오차가 변속 품질에 미치는 영향 역시 시뮬레이션을 통해 보여주고 있습니다. 최종적으로, 휠 다이나모 실험을 통해 제안하는 알고리즘의 유효성을 입증합니다.

Two-speed gears are utilized to secure a wide operation range while improving the traction power efficiency. In a system that repeatedly uses a specifi c operating range and requires a high starting torque, the two-speed gear system has a great advantage. Conventional powertrains with multi-speed gears required complex shifting processes and additional devices. However, in EVs, a simple sleeve mechanism is adopted for gear shift and a speed synchronization is possible through EV motor itself. In other words, during the speed synchronization, the traction motor can adjust its speed for the next gear ratio. In conventional methods, speed controllers are generally used for the purpose of speed synchronization. Since the torque control is the default control mode in EVs, the control mode should be changed temporarily to the speed control for gear shift and turned back to the torque control mode. It is very wasteful and inefficient, and requires some setting time for each mode change. In this work, a new synchronization method is proposed in the torque control mode. The system model parameters are used to calculate the torque command, and a specifi c torque is applied during the shift interval to match the wheel speed at the moment of gear re-engagement. Furthermore, a recursive least squares (RLS) method is used to estimate the vehicle parameters, based on which the vehicle speed variation is predicted during the shifting process. This method works satisfactorily on harsh and plain road conditions without changing the control mode. The proposed algorithm pursues simple and intuitive gear shifting. It also takes advantage of the EV drive motor to achieve the shifting process. Although the dependence on parameters is high, it shows a good shift quality under the permissible mismatch. Compared to the conventional method which receives wheel sensor information from the TCU via CAN, a simple synchronization method is possible and free from complicated communication. Experiments were performed on a wheel dynamo system, along with a variety of simulation studies.