전동화차량 구동모터 기반 차량 긴급 핸들링 보조 제어

2.1 로직 컨셉

E-EHA는 전방 장애물로 인해 충돌위험이 발생한 상황에서 운전자가 회피조타 수행 시, 구동 모터를 활용하여 타이어 횡방향 힘을 증대시켜 회피성능을 극대화하는 차량 거동제어이다. 중량, 재료비 추가 없이 기능 구현이 가능하며, 차량에 기본장착 되어 있는 구동모터를 이용하여 전방 충돌위험 시 요모멘트를 회피방향으로 증가시켜 차량 상품성을 개선시킬 수 있다.

Fig. 1

Changing the vehicle performance depends on vertical tire force

E-EHA는 구동모터에 제/구동력을 인가하여 차량 전/후륜 하중이동 제어를 수행할 수 있다. 구동모터를 제동제어하게 되면 전륜으로 하중이 이동하여 전륜 타이어 수직력이 증가하고 후륜 타이어 수직력이 감소한다. 또한 구동모터를 구동제어하게 되면 반대로 전륜 타이어 수직력이 감소하고 후륜 타이어 수직력이 증가하게 된다. 이와 같이 타이어 수직력 변화시 횡력의 변화가 생기는데 타이어의 수직력이 커질시 타이어의 횡력이 증가하게 된다. 이 원리로 인하여 차량 거동 변화가 발생하게 되는데 제동제어 시 전륜의 횡력이 후륜의 횡력에 비해 커져 회피성능을 향상 시킬 수 있고, 구동 제어 시 후륜의 횡력이 전륜의 횡력에 비해 커져 차량안정성능을 향상시킬 수 있다.

2.2 로직 설계

2.1절에서 설명한 개념을 적용하기 위해 제어 로직을 설계하였다. 제어로직은 회피구간과 안정구간으로 나누어 진다. 회피구간의 경우, 직진주행중 전방장애물을 환경센서를 통해 감지한 상황에서 운전자가 조향을 했을 때 시작된다. 그 상황에서 전륜과 후륜의 횡슬립각을 추정한 후 전륜의 횡슬립각이 후륜 횡슬립각보다 큰 경우, 제동제어를 통해 전륜의 하중을 증가시켜 회피성능을 향상시킬수 있도록 하였다. 이후 환경센서를 통해 전방 충돌 위험이 감지되지 않으며, 후륜의 횡슬립각이 전륜의 횡슬립각보다 큰 경우에는 안정구간으로 진입하게 된다. 전방 충돌 위험 상황은 종료되었고, 운전자가 회피이후 반대방향으로 조향을 하고 있으며, 전륜보다 큰 후륜의 횡슬립각으로 인해 차량이 안정성을 잃고 2차충돌등의 상황이 발 생할 수 있으므로 차량의 안정성을 증가시키기 위해 구동제어를 하여 후륜에 수직력을 증가시킨다. 제어로직을 설계하기 위해 추정한 전/후륜 타이어 횡슬립각은 다음과 같다.

식 (1)에서 α_f는 전륜 횡슬립각, δ_f는 전륜 조향각, β는 바디 횡슬립각, lf는 전륜과 CG점과의 거리, γ는 차량의 요레이트를 나타낸다. 또한 식 (2)에서 α_r은 후륜 횡슬립각, δ_r는 후륜 조향각, l_r은 후륜과 CG점과의 거리를 나타낸다. 위 식 (1), (2)를 통해 제어로직 설계에 사용할 전/후륜 횡슬립각을 추정할 수 있다. 추정을 위해서는 차량운동센서 및 차량 파라미터를 제외하고 β를 연산해야 한다. 그 연산식은 아래 식 (3), (4)를 활용한다.⁶⁾

이 때, v_x와 v_y는 각각 차량의 종/횡방향 속도를 의미하며, A_x와 A_y는 각각 차량의 종/횡방향 가속도를 나타낸다. γ는 요레이트를 의미한다.

한편, 차량의 횡슬립β는 다음과 같은 수식으로 표현될 수 있다.

추정한 전륜 횡슬립각과 후륜 횡슬립각을 비교하여 전륜 횡슬립각의 크기가 후륜 횡슬립각보다 일정값 이상으로 클 경우 제동제어를 수행하며, 그 크기는 전륜 횡슬립각 크기에 비례한다.

마찬가지로 추정한 후륜 횡슬립각이 전륜 횡슬립각보다 일정값 이상으로 클 경우 구동제어를 수행하며, 그 크기는 후륜 횡슬립각 크기와 비례한다. 제어량을 전-후륜 슬립각의 차이가 아닌, 전륜 또는 후륜의 횡슬립각 크기에 비례하게 분배한 이유는 조향이 반대부호로 넘어가는 부분등 제어로직 실차튜닝시 전반적인 부분에서 직관성에 더 유리한 부분이 있다고 판단했기 때문이다.

Fig. 2

Front-rear wheel lateral slip angle estimation and control decision

위와 같이 제어로직 설계를 하게되면 위 그림에서 검은색 실선처럼 조향하였을 경우 전-후륜 횡슬립각이 파란 실선과 빨간 실선으로 추정되며 그것을 활용하여 구동모터의 제/구동력을 결정한다.

2.3 로직 아키텍쳐

E-EHA의 로직 아키텍쳐는 크게 4개의 모듈로 구성된다. 운전자 입력 및 차량 환경센서 입력 신호를 신호 처리 및 필터링 하는 신호처리부, 신호처리 된 신호를 바탕으로 충돌 위험 상황 및 차량 상태를 인지하는 인지부, 운전자 조향 여부와 함께 차량 안정성 여부를 판단하는 판단부, 구동모터 제/구동제어를 통해 차량의 하중 이동량을 결정하고 그 하중 이동량을 통해 차량의 전후 횡력을 제어하는 제어부로 구성된다.

Fig. 3

E-EHA logic architecture

3.1 해석 시나리오

Matlab/Simulink를 이용하여 로직 설계 후 차량 동역학 해석프로그램인 CarSim 8.02로 성능해석을 수행하였다. 차량모델은 당사 중형 SUV플랫폼 HEV차량을 기반으로 하여 설계하였다. 해석 시나리오는 아래 표로 정리하였다.

Table 1

E-EHA simulation configuration

3.2 해석 결과

E-EHA 로직 해석 결과는 Fig. 4에서 볼 수 있다. Fig. 4에서 파란선은 E-EHA제어 ON데이터이며, 빨간선은 제어 OFF 데이터이다. 또한 검은선은 모터토크의 양이다, 해석한 시나리오는 80 kph 차속에서 3.5 m 급차선 변경이다. 해당 시나리오에서 모터토크 제어에 의해 요레이트가 3 % 증가하고, 바디 횡슬립각 21 % 감소한 것을 확인할 수 있다. 요레이트의 증가로 인해 회피궤적 그래프에서 회피시의 회피 횡거리가 OFF대비 수cm 증가한 것을 확인할 수 있었고 바디 횡슬립각 감소로 인하여 회피 후 차선 복귀가 우세한 것을 확인할 수 있었다. 해석을 통하여 E-EHA 제어 적용시 고속 급조타회피 조건에서 차량응답성 향상과 차량 안정성 향상을 동시에 만족시킨다는 것을 확인할 수 있었다.

Table 2

E-EHA simulation result

Fig. 4

E-EHA simulation result

4.1 시험 시나리오

로직 성능을 확인하기 위하여 당사 중형 플랫폼 SUV P1 HEV 차종에서 실차 시험을 진행하였다. 로직은 HCU내에 구현하였으며, 시험 시나리오는 해석과 동일하게 80 kph 3.5 m 급차선변경 이다. 시험은 남양연구소 PG에서 진행되었다.

4.2 시험 결과

시험은 PG내에 있는 정지용 차량 더미를 사용하여 차량 환경센서를 통해 충돌위험을 감지하게 했다. 운전자는 충돌 위험이 수신되는 것을 인지하고 장애물을 회피하기 위한 긴급 조향을 시작한다. 운전자는 자신의 의지에 따라 장애물을 회피하고 E-EHA는 구동모터 제어를 통해 운전자를 지원한다. 로직의 성능을 계측하기 위해 차량에서 로직 ON/OFF하며 시험하였다.

Table 3

E-EHA vehicle test result

Fig. 5는 실차시험 결과이다. 파란선은 E-EHA ON데이터이고 빨간선은 E-EHA OFF데이터이다. 검은선은 구동모터 제어량이다. E-EHA 양산 적용을 위하여 실차 튜닝을 진행하는 과정에서 구동제어 부분은 삭제되었고 제동제어 부분만 적용되었다. E-EHA제어에 의해 회피구간에서 요레이트가 4.7 % 증가, 횡가속도가 5 % 증가하였고, 그 결과 회피거리가 OFF대비 수 십cm 증가한 것을 확인할 수 있었다. 또한 정성적인 평가에서도 로직 ON/OFF에 따른 성능차이를 확인할 수 있었다. 이에 따라 긴급회피 조건에서 E-EHA로직에 의한 차량 회피 성능 개선을 확인하였다.

Fig. 5

E-EHA vehicle test result