KR20220081113A

KR20220081113A - 브레이크 패드의 마찰계수 예측을 이용한 제동 제어 방법

Info

Publication number: KR20220081113A
Application number: KR1020200170621A
Authority: KR
Inventors: 조성현
Original assignee: 현대자동차주식회사; 기아 주식회사
Priority date: 2020-12-08
Filing date: 2020-12-08
Publication date: 2022-06-15
Also published as: US11827120B2; US20220176826A1

Abstract

본 발명은 차량의 주행 안정성 확보를 위한 유압제동 제어 시 또는 회생제동과 유압제동의 협조 제어 시, 주행 상황에 따른 브레이크 패드의 마찰계수를 휠속, 디스크 온도, 제동 유압을 이용하여 실시간으로 예측하고, 예측된 마찰계수를 이용하여 계산되는 목표 제동토크를 결정한 다음, 결정된 목표 제동토크가 피드포워드 제어를 통하여 실제 제동토크에 반영되도록 함으로써, 제동 제어의 정확성 및 응답 속도를 향상시킬 수 있도록 한 브레이크 패드의 마찰계수 예측을 이용한 제동 제어 방법을 제공하고자 한 것이다.

Description

브레이크 패드의 마찰계수 예측을 이용한 제동 제어 방법{BRAKING CONTROL METHOD USING PREDICTED FRICTION COEFFIEIENT OF BRAKE PAD}

본 발명은 브레이크 패드의 마찰계수 예측을 이용한 제동 제어 방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 브레이크 패드의 마찰계수를 예측하고, 예측된 마찰계수를 이용하여 제동토크를 결정한 다음, 결정된 제동토크를 피드포워드 제어를 통하여 목표 제동토크에 반영되도록 함으로써, 제동 제어의 정확성 및 응답 속도를 향상시킬 수 있도록 한 브레이크 패드의 마찰계수 예측을 이용한 제동 제어 방법에 관한 것이다.

차량의 유압 제동은 캘리퍼의 휠 실린더에 유압이 제공되는 과정과, 휠 실린더의 피스톤부가 브레이크 패드를 가압하는 과정과, 실질적인 제동을 위하여 브레이크 패드가 타이어와 함께 회전하는 브레이크 디스크 표면에 마찰 접촉되는 과정으로 이루어진다.

이러한 제동시, 브레이크 패드의 마찰계수는 브레이크 디스크의 온도, 제동 유압, 차속에 따른 디스크의 회전속도에 따라 연속적 또는 비선형적으로 변화하는 것으로 알려져 있다.

종래 기술의 일례로서, 차량의 주행 안정성 확보를 위한 제동 제어 시, 휠 슬립률, 차량 감속도, 차량 요레이트(YAW RATE) 등과 같은 검출 신호를 이용하여 제동 유압을 피드백(FEED BACK) 제어하는 방법이 적용되고 있으나, 위의 검출 신호를 이용하여 제동 유압을 피드백 제어함에 따른 시간지연으로 인하여 제동 목표토크 도달에 대한 응답 지연이 발생하는 단점이 있고, 특히 주행 상황에 따라 달라지는 브레이크 패드의 마찰계수 변화를 반영하지 못하여 정확한 제동토크를 얻을 수 없는 단점이 있다.

종래 기술의 다른 예로써, 전기자동차 및 하이브리드 차량과 같은 친환경 차량의 제동 과정 중 유압 제동 외에 주행용 모터의 (-)토크 출력에 따른 회생 제동이 함께 이루어지는 과정에서 차량의 주행 안정성 확보를 위한 유압제동 제어 시 또는 회생제동과 유압제동의 협조 제어 시, 브레이크 디스크의 온도를 추정하고, 기 설정된 온도에 따른 마찰계수 맵(MAP)으로부터 마찰계수를 추정하며, 추정된 마찰계수를 이용하여 제동 유압을 제어하는 방법이 적용되고 있으나, 주행 상황에 따른 브레이크 패드의 마찰계수 변화 예측이 어려워 목표 제동토크 발생을 위한 제동유압을 정확하게 계산하는데 어려움이 있고, 그에 따라 마찰계수에 따른 제동토크 변화로 인하여 운전자의 제동 의지와 다른 오버 브레이킹(Over braking) 또는 언더 브레이킹(Under braking)이 발생되는 문제점이 있다.

본 발명은 상기와 같은 종래의 제반 문제점을 해결하기 위하여 안출한 것으로서, 차량의 주행 안정성 확보를 위한 유압제동 제어 시 또는 회생제동과 유압제동의 협조 제어 시, 주행 상황에 따른 브레이크 패드의 마찰계수를 휠속, 디스크 온도, 제동 유압을 이용하여 실시간으로 예측하고, 예측된 마찰계수를 이용하여 계산되는 목표 제동토크를 결정한 다음, 결정된 목표 제동토크가 피드포워드 제어를 통하여 실제 제동토크에 반영되도록 함으로써, 제동 제어의 정확성 및 응답 속도를 향상시킬 수 있도록 한 브레이크 패드의 마찰계수 예측을 이용한 제동 제어 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.

상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 구현예는: 차량의 주행 상황에 따라 달라지는 브레이크 패드의 마찰계수를 예측하는 단계; 유압 제동을 위한 타겟 제동토크를 계산하는 단계; 예측된 마찰계수 및 계산된 타켓 제동토크를 이용하여 타켓 제동토크를 생성할 수 있는 제동 유압을 계산하는 단계; 및 계산된 제동 유압을 제동장치에 인가하는 제동 유압 제어 단계; 를 포함하는 것을 특징으로 하는 브레이크 패드의 마찰계수 예측을 이용한 제동 제어 방법을 제공한다.

상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 다른 구현예는: 차량의 주행 상황에 따라 달라지는 브레이크 패드의 마찰계수를 예측하는 단계; 회생제동과 유압제동의 협조 제어를 위한 회생제동 실행량과 실행 유압 제동토크를 결정하는 단계; 예측된 마찰계수 및 계산된 실행 유압 제동토크를 이용하여 실행 유압 제동토크를 생성할 수 있는 제동 유압을 계산하는 단계; 및 계산된 제동 유압을 제동장치에 인가하는 제동 유압 제어 단계; 를 포함하는 것을 특징으로 하는 브레이크 패드의 마찰계수 예측을 이용한 제동 제어 방법을 제공한다.

본 발명의 일 구현예 및 다른 구현예에서, 상기 마찰계수를 예측하는 단계는: 디스크 온도 계산 모델에서 차량 주행 정보를 이용하여 디스크 온도를 계산하는 단계; 차량 주행 정보 중 휠속, 제동유압, 그리고 상기 디스크 온도 계산 모델에서 계산된 디스크 온도가 제동 제어기의 마찰계수 모델로 입력되는 단계; 및 입력된 휠속, 디스크 온도, 제동유압을 기반으로 마찰계수 모델에서 마찰계수를 예측하여 출력하는 단계; 로 진행되는 것을 특징으로 한다.

상기 마찰계수 모델은, 휠속, 디스크 온도, 제동유압에 매칭되는 하나의 마찰계수를 예측하여 제동 제어 로직부로 출력하도록 구성된 것임을 특징으로 한다.

상기 디스크 온도를 계산하는 단계는: 타이어 동반경 변화를 기반으로 차량 중량을 추정하는 단계; 제동부하를 계산하는 단계; 제동에 따른 운동에너지를 열에너지 파라미터로 변환한 후, 디스크 온도 상승량인 가열 에너지와, 열에너지가 디스크와 패드로 흡수되는 비율인 디스크의 열에너지 흡수율을 계산하는 단계; 상기 가열 에너지와 상기 디스크의 열에너지 흡수율과 상기 제동에 따른 운동에너지를 열에너지 파라미터로 변환할 때의 손실을 반영하기 위한 에너지 변환 효율을 곱하여 디스크 가열량을 계산하는 단계; 및 상기 디스크 가열량과 디스크 초기온도를 합한 값에서 디스크의 대류 냉각량과 복사 냉각량을 차감하여 디스크 온도를 계산하는 단계; 로 이루어지는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 일 구현예 및 다른 구현예에 따른 제동 제어 방법은 상기 제동장치에 인가하는 제동 유압 신호가 마찰계수 모델 입력부를 통하여 마찰계수 모델로 입력되는 리얼 타임 업데이트 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 일 구현예에 따른 제동 제어 방법에서, 상기 타겟 제동토크를 계산하는 단계 이전에 차량의 자세가 불안정한 상태인지 여부를 판정하는 단계가 더 진행되어, 차량의 자세가 불안정한 것으로 확인되면, 상기 타겟 제동토크를 계산하는 단계와, 상기 제동 유압을 계산하는 단계와, 상기 제동 유압 제어 단계가 순차 진행되는 것을 특징으로 한다.

상기 차량의 자세가 불안정한 상태인지 여부를 판정하는 단계에서, 차량의 선회 주행 및 선회 주행 중 제동 상태임을 확인함과 함께 운전자의 조향의지 대비 과대 또는 과소한 요레이트가 발생한 것으로 확인되면, 차량의 자세가 불안정한 것으로 판정하는 것을 특징으로 한다.

또는, 상기 차량의 자세가 불안정한 상태인지 여부를 판정하는 단계에서, 직진 주행시 또는 직진 주행 중 제동시 의도하지 않은 요레이트가 발생한 것으로 확인되면, 차량의 자세가 불안정한 것으로 판정하는 것을 특징으로 한다.

또는, 상기 차량의 자세가 불안정한 상태인지 여부를 판정하는 단계에서, 직진 주행시 또는 직진 주행 중 제동시 차속 대비 휠속 차이가 기준값 이상 발생한 것으로 확인되면, 차량의 자세가 불안정한 것으로 판정하는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 다른 구현예에서, 상기 회생제동 실행량과 실행 유압 제동토크를 결정하는 단계는: 운전자 요구 제동토크를 만족시키기 위한 총 제동토크를 판단하는 단계; 및 총 제동토크에서 회생제동 실행량을 차감하여 실행 유압 제동토크를 결정하는 단계; 로 진행되는 것을 특징으로 한다.

상기한 과제의 해결 수단을 통하여 본 발명은 다음과 같은 효과를 제공한다.

첫째, 차량의 주행 안정성 확보를 위한 유압제동 제어시, 주행 상황에 따른 브레이크 패드의 마찰계수를 휠속, 디스크 온도, 제동 유압을 이용하여 실시간으로 예측하고, 예측된 마찰계수를 이용하여 계산되는 목표 제동토크를 결정한 다음, 결정된 목표 제동토크가 피드포워드 제어를 통하여 실제 제동토크에 반영되도록 함으로써, 제동 제어의 정확성 및 응답 속도를 향상시킬 수 있다.

둘째, 차량의 주행 안정성 확보를 위한 회생제동과 유압제동의 협조 제어시, 주행 상황에 따른 브레이크 패드의 마찰계수를 휠속, 디스크 온도, 제동 유압을 이용하여 실시간으로 예측하고, 예측된 마찰계수를 이용하여 계산되는 실행 유압 제동토크를 결정한 다음, 결정된 실행 유압 제동토크가 피드포워드 제어를 통하여 실제 제동토크에 반영되도록 함으로써, 회생제동량과 유압제동량의 분배 제어 정확성 및 응답 속도를 향상시킬 수 있다.

도 1은 본 발명에 따른 브레이크 패드의 마찰계수 예측을 이용한 제동 제어 방법을 위한 제어 구성도,
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 브레이크 패드의 마찰계수 예측을 이용한 제동 제어 방법을 도시한 순서도,
도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 브레이크 패드의 마찰계수 예측을 이용한 제동 제어 방법을 도시한 순서도,
도 4는 본 발명에 따른 제동 제어 방법을 위한 구성 중, 제동 제어기의 디스크 온도 모델에서 디스크 온도를 계산하는 방법을 도시한 순서도,
도 5는 본 발명에 따른 제동 제어 방법을 위한 구성 중, 제동 제어기의 마찰계수 모델로부터 출력되는 마찰계수를 3차원 그래프로 도시한 도면,
도 6 및 도 7은 회생제동과 유압제동의 협조 제어 시, 운전자 요구 제동토크를 만족시키지 못하는 예를 도시한 제동 제어선도,
도 8은 회생제동과 유압제동의 협조 제어 시, 본 발명의 제동 제어 방법에 의하여 운전자 요구 제동토크를 만족시키는 예를 도시한 제동 제어선도,
도 9 및 도 10은 차량의 실제 제동토크가 목표 제동토크를 벗어나는 현상을 도시한 도면,
도 11은 본 발명의 제동 제어 방법에 의하여 차량의 실제 제동토크가 목표 제동토크와 일치하는 것을 보여주는 도면.

이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부도면을 참조로 상세하게 설명하기로 하며, 하기 실시예에서 제시되는 특정한 구조 내지 기능적 설명들은 단지 본 발명의 개념에 따른 실시예를 설명하기 위한 목적으로 예시된 것일 뿐, 본 발명의 개념에 따른 실시예들은 다양한 형태로 실시될 수 있고, 또한 본 명세서에 설명된 실시예들에 한정되는 것으로 해석되어서는 아니되며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경물, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.

차량의 주행 안정성 확보를 위한 유압제동 제어 시 또는 회생제동과 유압제동의 협조 제어 시, 차량용 제동장치에 포함된 브레이크 패드의 마찰계수는 브레이크 디스크의 온도, 휠속에 따른 브레이크 디스크의 회전속도, 휠 실린더 및 브레이크 패드로부터 브레이크 디스크에 작용하는 제동 유압의 크기 등에 따라 연속적 또는 비선형적으로 변화하고, 그리고 차량의 주행 자세가 불안정하면, 실제 제동토크가 목표 제동토크를 벗어나서 운전저의 제동 의지와 다른 오버 브레이킹(Over braking) 또는 언더 브레이킹(Under braking) 등이 발생하는 등 제동 제어의 정확성 및 응답성이 떨어질 수 있다.

이에, 본 발명의 일 실시예는 차량의 주행 안정성 확보를 위한 유압제동 제어시, 주행 상황에 따른 브레이크 패드의 마찰계수를 휠속, 디스크 온도, 제동 유압을 이용하여 실시간으로 예측하고, 예측된 마찰계수를 이용하여 계산되는 목표 제동토크를 결정한 다음, 결정된 목표 제동토크가 피드포워드 제어를 통하여 실제 제동토크에 반영되도록 함으로써, 제동 제어의 정확성 및 응답 속도를 향상시킬 수 있도록 한 점에 주안점이 있다.

첨부한 도 1은 본 발명에 따른 브레이크 패드의 마찰계수 예측을 이용한 제동 제어 방법을 위한 시스템 구성도이고, 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 브레이크 패드의 마찰계수 예측을 이용한 제동 제어 방법을 도시한 순서도이다.

도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명의 제동 제어를 위한 제동 제어기(100)는, 디스크 온도 계산 모델(110)과, 마찰계수 모델 입력부(120)를 통하여 입력되는 브레이크 디스크의 회전속도, 디스크 온도, 제동 유압 등 3개 이상의 입력값을 기초로 마찰계수를 예측하여 출력하는 마찰계수 모델(130)과, 마찰계수 모델(130)로부터 출력되는 마찰계수를 기반으로 목표 제동토크를 산출하고 제동장치(150)에 목표 제동토크에 따른 제동유압 제어 신호를 인가하도록 제동 제어 로직부(140) 등을 포함하여 구성된다.

먼저, 차량의 주행 중 주행 정보가 제동 제어기(100)로 출력된다(S101).

이에, 상기 제동 제어기(100)에 차량의 주행 정보로서 휠 스피드 센서에서 감지된 휠속(=브레이크 디스크의 회전속도), 외기온, 차속, 타이어 동반경, 조향각, 휠슬립율, 요레이트 등이 입력된다.

상기 휠속은 마찰계수 예측을 위한 제어 인자 중 하나로서 제동 제어기(100)의 마찰계수 모델 입력부(120)를 통해 마찰계수 모델(130)로 입력된다(S102).

또한, 상기 마찰계수 예측을 위한 제어 인자중 다른 하나로서 제동 제어기(100)의 제동 제어 로직부(140)로부터 이전 제동시 제동유압이 마찰계수 모델 입력부(20)를 통하여 마찰계수 모델(130)로 입력된다(103).

이때, 상기 마찰계수 예측을 위한 제어 인자중 또 다른 하나로서 디스크 온도가 마찰계수 모델 입력부(120)를 통해 마찰계수 모델(130)로 입력되어야 한다.

이를 위해, 상기 휠속을 비롯한 외기온, 차속, 타이어 동반경이 디스크 온도 계산을 위하여 디스크 온도 계산 모델(110)로 입력된다(S104).

연이어, 상기 디스크 온도 계산 모델(110)에서 디스크 온도를 계산하여 출력하면, 계산된 디스크 온도가 마찰계수 모델 입력부(120)를 통해 마찰계수 모델(130)로 입력된다(S105).

여기서, 상기 디스크 온도 계산 모델(110)에서 상기 휠속을 비롯한 외기온, 차속, 타이어 동반경 등을 기반으로 디스크 온도를 계산하는 과정을 살펴보면 다음과 같다.

첨부한 도 4는 본 발명에 따른 제동 제어 방법을 위한 구성 중, 제동 제어기의 디스크 온도 모델에서 디스크 온도를 계산하는 방법을 도시한 순서도이다.

상기 디스크 온도 계산 모델(110)로 입력되는 휠속은 휠 스피드 센서로부터 수신 가능한 정보로서, 타이어 동반경 변화를 기반으로 차량 중량을 추정할 때 사용되고, 또한 디스크의 대류 냉각량 계산 시 디스크 회전속도에 따른 대류열전달계수를 판단할 때 사용된다.

상기 디스크 온도 계산 모델(110)로 입력되는 외기온은 외기온 센서로부터 수신 가능한 정보로서, 디스크 온도와 외기 온도의 차이를 이용하여 디스크의 복사 냉각량을 계산 시 사용된다.

상기 디스크 온도 계산 모델(110)로 입력되는 차속은 위치기반센서(예, GPS 센서)로부터 시간에 따른 위치 변화를 감지하여 계산된 정보로서, 타이어 동반경 변화를 기반으로 차량 중량을 추정할 때 사용된다.

이에, 상기 디스크 온도 계산 모델(110)에서 아래 [식 1]과 같이 상기 차속과 타이어 동반경으로 나눈 값을 휠속과 비교하여 타이어 동반경 변화를 기반으로 차량 중량을 추정한다(S105-1).

[식 1] : 휠속[rad/s] = 차속[kph] / 동반경[m] /3.6

보다 상세하게는, 초기 타이어 동반경은 신차 타이어 상태 및 압력, 공차중량 조건의 동반경을 기본값으로 하고, 승객 탑승 및 화물 적재 등으로 중량이 증가되어 타이어 동반경이 기본값보다 축소되면 동일 차속 대비 휠속(타이어 회전수)가 빨라지므로, 상기 디스크 온도 계산 모델(110)에서 타이어 회전수 변화량으로부터 각 휠의 축중량을 추정하고, 이를 공차 상태의 차량 중량과 합하여 전체 차량 중량을 추정할 수 있다.

이렇게 추정된 차량 중량은 상기 디스크 온도 계산 모델(110)에서 제동 시 디스크 가열 온도를 계산할 때 사용된다.

다음으로, 상기 디스크 온도 계산 모델(110)에서 제동부하를 계산한다(S105-2).

상기 제동부하는 아래의 [식 2]에 기재된 바와 같이, 차속에 따른 차량의 병진운동에너지와 구동계 회전체의 회전관성모멘트에 의한 회전운동에너지를 합하여 구할 수 있다.

[식 2] :

위의 [식 2]에서, E(t)는 제동부하, m은 차량 중량, V는 차속, I는 회전관성모멘트, θ는 각속도를 각각 나타낸다.

이어서, 디스크 온도변화량을 계산할 수 있도록 제동에 따른 운동에너지를 동일 차원의 열에너지 파라미터로 변환한다(S105-3).

상기 제동에 따른 운동에너지는 아래의 [식 3]으로 표현될 수 있고, 이를 동일 차원의 열에너지 파라미터로 변환하면 아래의 [식 4]와 같이 표현될 수 있다.

[식 3] :

위의 [식 3]에서, E_f1(t)는 제동에 따른 운동에너지, E(t)는 제동부하, B_f(t)는 전륜 브레이크 힘(kgf), B_r(t)는 후륜 브레이크 힘(kgf)를 각각 나타낸다.

[식 4] :

위의 [식 4]에서, E_f1(t)는 제동에 따른 운동에너지, Q_f1(t)는 동일 차원의 열에너지를 각각 나타낸다.

다음으로, 상기 열에너지가 디스크에 흡수됨에 따른 디스크 온도 상승량 즉, 가열 에너지를 계산한다(S105-4).

상기 가열 에너지는 디스크의 밀도, 비열, 체적 파라미터가 상기 [식 4]의 열에너지에 반영된 아래의 [식 5]에 의하여 계산될 수 있다.

[식 5] :

위의 [식 5]에서, ΔT는 가열 에너지, ρ는 디스크 밀도, c는 디스크 비열, v는 디스크 체적을 각각 나타낸다.

이와 함께, 상기 열에너지가 디스크에 흡수되는 비율 즉, 브레이크 디스크와 브레이크 패드의 마찰에 의해 발생한 열에너지가 디스크와 패드로 흡수되는 비율인 디스크의 열에너지 흡수율을 계산한다(S105-5).

상기 디스크의 열에너지 흡수율은 아래의 [식 6]에 의하여 계산될 수 있다.

[식 6] :

위의 [식 6]에서, γ는 디스크의 열에너지 흡수율, q"_R은 디스크(ROTOR)의 HEAT FLUX(일률/면적), q"_p는 패드의 HEAT FLUX, ρ_p은 패드의 밀도, c_p는 패드의 비열, k_p는 패드의 열전도도, ρ_R은 디스크(ROTOR)의 밀도, c_R은 디스크의 비열, k_R은 디스크의 열전도도 를 각각 나타낸다.

이때, 상기 제동에 따른 운동에너지를 동일 차원의 열에너지 파라미터로 변환할 때의 손실을 반영하고자, 에너지 변환 효율(η)이 설정된다(S105-6).

다음으로, 상기 [식 5]를 이용하여 계산된 가열 에너지와, 상기 [식 6]을 이용하여 계산된 디스크의 열에너지 흡수율과, 상기 에너지 변환 효율을 곱하여 디스크 가열량을 계산한다(S105-7).

이어서, 상기 디스크 온도를 계산한다(S105-11).

상기 디스크 온도는 디스크 초기온도와 디스크 가열량을 합한 값에서 디스크의 대류 냉각량과 복사 냉각량을 빼준 값(디스크 온도 = 디스크 초기온도 + 디스크 가열량 - 대류 냉각량 - 복사 냉각량)으로 계산될 수 있다.

이때, 상기 디스크 초기온도는 외기온 센서로부터 수신된 외기온으로 결정될 수 있다(S105-8).

또한, 상기 디스크의 대류 냉각량은 대류에 의한 디스크의 온도 하강량을 계산한 것으로서, 디스크의 밀도, 디스크 비열, 디스크 체적, 외기온, 냉각시간, 대류열전달계수, 대류 작용면적 등의 파라미터가 반영된 아래의 [식 7]에 의하여 계산된다(S105-9).

[식 7] :

ΔT는 디스크의 대류 냉각량, ρ는 디스크 밀도, c는 디스크 비열, v는 디스크 체적, t_cooling은 냉각시간, T(t)는 디스크 표면온도, T_∞는 외기온, h는 대류 열전달계수, A는 대류 작용면적을 각각 나타낸다.

또한, 상기 디스크의 복사 냉각량은 복사에 의한 디스크의 온도 하강량을 계산한 것으로서, 디스크의 밀도, 디스크 비열, 디스크 체적, 외기온, 냉각시간, 방사율, 스테판 볼츠만 상수(Stefan Boltzmann Constant), 복사 작용면적 등의 파라미터가 반영된 아래의 [식 8]에 의하여 계산된다(S105-10).

[식 8] :

ΔT는 디스크의 복사 냉각량, ρ는 디스크 밀도, c는 디스크 비열, v는 디스크 체적, t_cooling은 냉각시간, T(t)는 디스크 표면온도, T_∞는 외기온, ε는 방사율, σ는 스테판 볼츠만 상수, AR은 복사 작용면적을 각각 나타낸다.

이에, 상기 디스크 온도 계산 모델(110)에서 상기 단계 S105-11를 통해 최종 계산된 디스크 온도가 상기 마찰계수 모델(130)로 입력된다.

이와 같이, 상기와 같이 마찰계수 예측을 위한 제어 인자 중 하나인 휠속이 마찰계수 모델(130)로 입력되는 단계(S102)와, 마찰계수 예측을 위한 제어 인자중 다른 하나인 제동유압이 마찰계수 모델(130)로 입력되는 단계(103)와, 마찰계수 예측을 위한 제어 인자중 또 다른 하나로서 디스크 온도가 디스크 온도 계산 모델(110)에서 계산된 후 마찰계수 모델(130)로 입력되는 단계(S105)가 완료되면, 마찰계수 모델(130)에서 마찰계수를 예측하여 출력한다(S106).

상기 마찰계수 모델(130)은 휠속(디스크 회전속도), 디스크 온도, 제동유압(디스크에 작용하는 압력)에 매칭되는 하나의 마찰계수를 예측하여 제동 제어 로직부(140)로 출력하도록 구성된다.

예를 들어, 마찰계수 모델의 출력 예시 그래프를 도시한 도 5에 도시된 바와 같이, 상기 마찰계수 모델(130)은 휠속(디스크 회전속도), 디스크 온도, 제동유압(디스크에 작용하는 압력)에 매칭되는 하나의 마찰계수를 예측하여 제동 제어 로직부(140)로 출력한다.

바람직하게는, 상기 마찰계수 모델(130)은 차종별 제동장치 사양별로 각각 메모리 칩 형태로 구비되어 상기 제동 제어기(100)에 교체 가능하게 장착될 수 있다.

이때, 상기 마찰계수 모델(130)에서 예측된 마찰계수는 피드 포워드 방식으로 제동 제어 로직부(140)로 출력된다.

다음으로, 상기 제동 제어 로직부(140)에서 타겟 제동토크를 계산하고(S108), 계산된 타켓 제동토크를 생성할 수 있는 제동 유압을 계산한다(S109).

이때, 상기 타겟 제동토크를 생성할 수 있는 제동 유압(P)은 상기 마찰계수 모델(130)로부터 출력된 마찰계수가 반영되는 아래의 [식 9]에 의하여 계산된다.

[식 9] :

위의 식 9에서, P는 제동 유압, 피스톤 면적은 브레이크 패드를 가압시키는 휠실린더의 피스톤 면적, 유효반경은 브레이크 패드와 마찰 접촉하는 디스크의 유효반경을 말한다.

이어서, 상기 제동 제어 로직부(140)에서 위의 [식 9]를 통해 계산되는 제동 유압을 제동장치에 인가하는 제동 유압 제어가 실행된다(S110).

특히, 상기 제동 제어 로직부(140)에서 제동장치에 인가하는 제동 유압 신호는 마찰계수 모델 입력부(20)를 통하여 마찰계수 모델(130)로 입력되는 리얼 타임 업데이트가 이루어진다.

연이어, 상기 제동장치(예, 휠실린더)에 [식 9]를 통해 계산되는 제동 유압이 인가됨으로써, 실질적인 제동을 위하여 브레이크 패드와 디스크 간의 마찰 접촉에 따른 제동토크가 생성된다(S111).

한편, 상기 제동 제어 로직부(140)에서 타겟 제동토크를 계산하는 단계(S108)와, 계산된 타켓 제동토크를 생성할 수 있는 제동 유압을 계산하는 단계(S109)와, 제동 유압 제어가 실행되는 단계(S110) 등과 같은 제동 제어 개입은 차량의 자세가 불안정한 상태로 판단될 때 차량 안정성 확보를 위하여 진행되도록 하는 것이 바람직하다.

이에, 상기 제동 제어 로직부(140)에서 타겟 제동토크를 계산하는 단계(S108) 이전에 차량의 자세가 불안정한 상태인지 여부를 판정한다(S107).

이를 위해, 차량의 주행 정보 중 조향각, 휠슬립율, 요레이트가 제동 상황에서 차량의 자세가 불안정한 상태인지 여부를 판정하기 위하여 제동 제어 로직부(140)로 입력된다.

상기 차량의 자세가 불안정한 상태인지 여부를 판정하는 단계(S107)의 일례로서, 조향각을 기초로 선회 주행 및 선회 주행 중 제동 상태임을 확인함과 함께 운전자의 조향의지 대비 과대 또는 과소한 요레이트(YAW RATE)가 발생한 것으로 확인되면, 차량의 자세가 불안정한 것으로 판정하여, 차량 안정성 확보를 위하여 상기한 단계 S108 ~ S110 등과 같은 제동 제어 개입이 이루어질 수 있다.

예를 들어, 과대한 요레이트 발생 시 선회 반대 방향으로 제동토크를 생성하여 요레이트가 과대하지 않은 방향으로 차량 자세가 제어될 있거나, 또는 과소한 요레이트 발생시 선회 방향으로 제동토크를 생성하여 요레이트가 과소하지 않은 방향으로 차량 자세가 제어될 수 있다.

상기 차량의 자세가 불안정한 상태인지 여부를 판정하는 단계(S107)의 다른 예로서, 직진 주행시 또는 직진 주행 중 제동시 의도하지 않은 요레이트가 발생한 것으로 확인되면, 차량의 자세가 불안정한 것으로 판정하여, 차량 안정성 확보를 위하여 상기한 단계 S108 ~ S110 등과 같은 제동 제어 개입이 이루어질 수 있다.

예를 들어, 직진 주행시 의도하지 않은 요레이트가 발생하면, 요레이트 발생 반대 방향으로 제동토크를 생성하여 차량이 요레이트 발생없이 직진 주행할 수 있도록 차량 자세가 제어될 수 있다.

상기 차량의 자세가 불안정한 상태인지 여부를 판정하는 단계(S107)의 또 다른 예로서, 직진 주행시 또는 직진 주행 중 제동시 차속 대비 휠속 차이가 기준값 이상 발생한 것으로 확인되면, 차량의 자세가 불안정한 것으로 판정하여, 차량 안정성 확보를 위하여 상기한 단계 S108 ~ S110 등과 같은 제동 제어 개입이 이루어질 수 있다.

예를 들어, 휠속 대비 차속이 상대적으로 작은 경우 휠 스핀이 발생하는 불안정한 상황으로 판단하여 제동토크를 생성하여 휠 스핀을 억제시킬 수 있고, 또한 휠-노면 그립력이 최대가 되는 휠 슬립률 영역에서 제동토크를 인가하는 제동 제어가 이루어질 수 있다.

이와 같이, 차량의 주행 중 및 제동시 차량의 자세가 불안정한 상태로 판단될 때 상기 제동 제어 로직부(140)에서 타겟 제동토크를 계산하는 단계(S108)와, 계산된 타켓 제동토크를 생성할 수 있는 제동 유압을 계산하는 단계(S109)와, 제동 유압 제어가 실행되는 단계(S110) 등과 같은 제동 제어 개입이 이루어지도록 함으로써, 제동 제어의 응답성 및 정확성을 크게 향상시킬 수 있다.

한편, 종래에는 주행 상황에 따라 달라지는 브레이크 패드의 마찰계수 변화를 반영하지 못하여 정확한 제동토크를 얻을 수 없음에 따라, 마찰계수에 따른 제동토크 변화가 초래될 수 있다.

이에, 도 9에서 보듯이 실제 마찰계수가 고정 또는 맵(MAP) 마찰계수보다 클 경우 실제 제동토크가 목표 제동토크에 비하여 더 크게 나타나는 오버슛 현상이 발생할 수 있다.

또는, 도 10에서 보듯이 실제 마찰계수가 고정 또는 맵 마찰계수보다 작을 경우 실제 제동토크가 목표 제동토크에 비하여 더 작게 나타타는 목표 제동토크 도달 지연 현상이 발생할 수 있다.

이와 달리, 상기한 바와 같이 주행 상황에 따른 브레이크 패드의 마찰계수를 휠속, 디스크 온도, 제동 유압을 이용하여 실시간으로 예측하고, 예측된 마찰계수를 이용하여 계산되는 목표 제동토크 결정한 다음, 결정된 목표 제동토크가 실제 제동토크에 반영되도록 함으로써, 도 11에 도시된 바와 같이 실제 제동토크가 정확하게 목표 제동토크에 수렴할 수 있고, 그에 따라 제동 제어의 정확성 및 응답 속도를 향상시킬 수 있다.

여기서, 본 발명의 다른 실시예에 따른 제동 제어 방법을 살펴보기로 한다.

본 발명의 다른 실시예에 대한 이해를 돕기 위하여, 첨부한 도 6 및 도 7을 참조로 회생제동과 유압제동의 협조 제어시, 운전자 요구 제동토크를 만족시키지 못하는 예를 설명하면 다음과 같다.

대개, 하이브리드 차량 또는 전기자동차와 같은 친환경 차량의 총제동량은 모터의 회생제동 실행량에 따른 회생제동 토크와, 제동장치의 작동에 따른 유압 제동토크의 합으로 결정되고, 유압 제동토크는 유압 발생량과 브레이크 제원 및 브레이크 패드의 마찰계수에 의해 결정된다.

도 6에 도시된 바와 같이, 주행 상황에 따른 실제 마찰계수가 제동 제어기에 미리 설정된(PRESET) 마찰계수 고정값 또는 맵(MAP) 마찰계수 보다 크면, 목표 제동토크는 마찰계수 고정값 또는 맵 마찰계수를 반영하여 제어되나, 실제 유압 제동토크가 목표 제동토크보다 더 크게 생성되어 운전자 요구 제동토크 대비 과도한 제동력이 발휘되는 오버 브레이킹(Over Braking) 현상이 초래된다.

반면, 주행 상황에 따른 실제 마찰계수가 제동 제어기에 미리 설정된(PRESET) 마찰계수 고정값 또는 맵(MAP) 마찰계수 보다 작으면, 목표 제동토크는 마찰계수 고정값 또는 맵 마찰계수를 반영하여 제어되나, 실제 유압 제동토크가 목표 제동토크보다 더 작게 생성되어 운전자 요구 제동토크 대비 부족한 제동력이 발휘된는 언더 브레이킹(Under Braking) 현상이 초래된다.

이에, 본 발명의 다른 실시예는 차량의 주행 안정성 확보를 위한 회생제동과 유압제동의 협조 제어시, 주행 상황에 따른 브레이크 패드의 마찰계수를 휠속, 디스크 온도, 제동 유압을 이용하여 실시간으로 예측하고, 예측된 마찰계수를 이용하여 계산되는 실행 유압 제동토크를 결정한 다음, 결정된 실행 유압 제동토크가 피드포워드 제어를 통하여 실제 제동토크에 반영되도록 함으로써, 회생제동량과 유압제동량의 분배 제어 정확성 및 응답 속도를 향상시킬 수 있도록 한 점에 주안점이 있다.

첨부한 도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 브레이크 패드의 마찰계수 예측을 이용한 제동 제어 방법을 도시한 순서도이다.

연이어, 상기 디스크 온도 계산 모델(110)에서 상기한 단계 S105-1 ~ S105-11을 통하여 계산된 디스크 온도를 출력하면, 계산된 디스크 온도가 마찰계수 모델 입력부(120)를 통해 마찰계수 모델(130)로 입력된다(S105).

이와 같이, 본 발명의 다른 실시예에서도 마찰계수 예측을 위한 제어 인자 중 하나인 휠속이 마찰계수 모델(130)로 입력되는 단계(S102)와, 마찰계수 예측을 위한 제어 인자중 다른 하나인 제동유압이 마찰계수 모델(130)로 입력되는 단계(103)와, 마찰계수 예측을 위한 제어 인자중 또 다른 하나로서 디스크 온도가 디스크 온도 계산 모델(110)에서 계산된 후 마찰계수 모델(130)로 입력되는 단계(S105)가 완료되면, 상기한 바와 같이 마찰계수 모델(130)에서 마찰계수를 예측하여 출력한다(S106).

한편, 브레이크 페달을 밟음에 따른 브레이크 온 상태가 되면, 브레이크 페달 밟음량에 따라 제동 제어기(100)에서 운전자 요구 제동토크를 판단하고(S201), 운전자 요구 제동토크를 만족시키기 위한 총 제동토크를 판단한다(S202).

이때, 하이브리드 차량 또는 전기자동차와 같은 친환경 차량의 최상위 제어기를 말하는 하이브리드 제어기(HCU, Hybrid Control Unit)에서 제동 제어기(100)로 모터에 의한 회생제동 가능 토크를 연산하여 출력한다(S203).

이어서, 상기 제동 제어기(100)에서 하이브리드 제어기로부터 수신한 회생제동 가능 토크 내에서 회생제동 허용 토크를 연산하여 하이브리드 제어기로 출력한다(S204).

연이어, 상기 하이드리드 제어기에서 회생제동 가능량(가능 토크)와 회생제동 허용량(허용 토크)을 비교하고(S205), 비교 결과 더 작은값을 회생제동 실행량(실행 토크)로 결정하여 제동 제어기로 출력한다(S206).

이어서, 상기 제동 제어기에서 실행 유압 제동토크를 계산한다(S207).

즉, 상기 제동 제어기에서 총 제동토크에서 회생제동 실행량을 차감하여 실행 유압 제동토크를 결정한다.

다음으로, 상기 제동 제어기의 제동 제어 로직부(140)에서 상기 실행 유압 제동토크를 생성할 수 있는 제동 유압을 계산한다(S208).

이때, 상기 실행 유압 제동토크를 생성할 수 있는 제동 유압(P)은 상기한 바와 같이 마찰계수 모델(130)로부터 출력된 마찰계수가 반영되는 아래의 [식 10]에 의하여 계산된다.

[식 10] :

위의 식 10에서, P는 제동 유압, 피스톤 면적은 브레이크 패드를 가압시키는 휠실린더의 피스톤 면적, 유효반경은 브레이크 패드와 마찰 접촉하는 디스크의 유효반경을 말한다.

이어서, 상기 제동 제어 로직부(140)에서 위의 [식 10]을 통해 계산되는 제동 유압을 제동장치에 인가하는 제동 유압 제어가 실행된다(S209).

연이어, 상기 제동장치(예, 휠실린더)에 [식 10]를 통해 계산되는 제동 유압이 인가됨으로써, 실질적인 제동을 위하여 브레이크 패드와 디스크 간의 마찰 접촉에 따른 제동토크가 생성된다(S211).

이와 동시에, 상기 하이브리드 제어기에서 모터 제어기로 회생제동 실행량을 출력하면, 모터 제어기의 제어에 의하여 모터의 회생제동이 이루어진다(S210).

이와 같이, 회생제동과 유압제동의 협조 제어시, 주행 상황에 따른 브레이크 패드의 마찰계수를 휠속, 디스크 온도, 제동 유압을 이용하여 실시간으로 예측하고, 예측된 마찰계수를 이용하여 계산되는 실행 유압 제동토크를 결정한 다음, 결정된 실행 유압 제동토크를 피드포워드 제어를 통하여 실제 제동토크에 반영되도록 함으로써, 도 8에 도시된 바와 같이 실행 유압 제동토크가 정확하게 목표 제동토크에 수렴할 수 있고, 그에 따라 회생제동량과 유압제동량의 분배 제어 정확성 및 응답 속도를 향상시킬 수 있다.

100 : 제동 제어기
110 : 디스크 온도 계산 모델
120 : 마찰계수 모델 입력부
130 : 마찰계수 모델
140 : 제동 제어 로직부
150 : 제동 장치

Claims

차량의 주행 상황에 따라 달라지는 브레이크 패드의 마찰계수를 예측하는 단계;
유압 제동을 위한 타겟 제동토크를 계산하는 단계;
예측된 마찰계수 및 계산된 타켓 제동토크를 이용하여 타켓 제동토크를 생성할 수 있는 제동 유압을 계산하는 단계; 및
계산된 제동 유압을 제동장치에 인가하는 제동 유압 제어 단계;
를 포함하는 것을 특징으로 하는 브레이크 패드의 마찰계수 예측을 이용한 제동 제어 방법.
청구항 1에 있어서,
상기 마찰계수를 예측하는 단계는:
디스크 온도 계산 모델에서 차량 주행 정보를 이용하여 디스크 온도를 계산하는 단계;
차량 주행 정보 중 휠속, 제동유압, 그리고 상기 디스크 온도 계산 모델에서 계산된 디스크 온도가 제동 제어기의 마찰계수 모델로 입력되는 단계; 및
입력된 휠속, 디스크 온도, 제동유압을 기반으로 마찰계수 모델에서 마찰계수를 예측하여 출력하는 단계;
로 진행되는 것을 특징으로 하는 브레이크 패드의 마찰계수 예측을 이용한 제동 제어 방법.
청구항 2에 있어서,
상기 마찰계수 모델은,
휠속, 디스크 온도, 제동유압에 매칭되는 하나의 마찰계수를 예측하여 제동 제어 로직부로 출력하도록 구성된 것임을 특징으로 하는 브레이크 패드의 마찰계수 예측을 이용한 제동 제어 방법.
청구항 2에 있어서,
상기 디스크 온도를 계산하는 단계는:
타이어 동반경 변화를 기반으로 차량 중량을 추정하는 단계;
제동부하를 계산하는 단계;
제동에 따른 운동에너지를 열에너지 파라미터로 변환한 후, 디스크 온도 상승량인 가열 에너지와, 열에너지가 디스크와 패드로 흡수되는 비율인 디스크의 열에너지 흡수율을 계산하는 단계;
상기 가열 에너지와 상기 디스크의 열에너지 흡수율과 상기 제동에 따른 운동에너지를 열에너지 파라미터로 변환할 때의 손실을 반영하기 위한 에너지 변환 효율을 곱하여 디스크 가열량을 계산하는 단계; 및
상기 디스크 가열량과 디스크 초기온도를 합한 값에서 디스크의 대류 냉각량과 복사 냉각량을 차감하여 디스크 온도를 계산하는 단계;
로 이루어지는 것을 특징으로 하는 브레이크 패드의 마찰계수 예측을 이용한 제동 제어 방법.
청구항 1에 있어서,
상기 제동장치에 인가하는 제동 유압 신호가 마찰계수 모델 입력부를 통하여 마찰계수 모델로 입력되는 리얼 타임 업데이트 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 브레이크 패드의 마찰계수 예측을 이용한 제동 제어 방법.
청구항 1에 있어서,
상기 타겟 제동토크를 계산하는 단계 이전에 차량의 자세가 불안정한 상태인지 여부를 판정하는 단계가 더 진행되어, 차량의 자세가 불안정한 것으로 확인되면, 상기 타겟 제동토크를 계산하는 단계와, 상기 제동 유압을 계산하는 단계와, 상기 제동 유압 제어 단계가 순차 진행되는 것을 특징으로 하는 브레이크 패드의 마찰계수 예측을 이용한 제동 제어 방법.
청구항 6에 있어서,
상기 차량의 자세가 불안정한 상태인지 여부를 판정하는 단계에서,
차량의 선회 주행 및 선회 주행 중 제동 상태임을 확인함과 함께 운전자의 조향의지 대비 과대 또는 과소한 요레이트가 발생한 것으로 확인되면, 차량의 자세가 불안정한 것으로 판정하는 것을 특징으로 하는 브레이크 패드의 마찰계수 예측을 이용한 제동 제어 방법.
청구항 6에 있어서,
상기 차량의 자세가 불안정한 상태인지 여부를 판정하는 단계에서,
직진 주행시 또는 직진 주행 중 제동시 의도하지 않은 요레이트가 발생한 것으로 확인되면, 차량의 자세가 불안정한 것으로 판정하는 것을 특징으로 하는 브레이크 패드의 마찰계수 예측을 이용한 제동 제어 방법.
청구항 6에 있어서,
상기 차량의 자세가 불안정한 상태인지 여부를 판정하는 단계에서,
직진 주행시 또는 직진 주행 중 제동시 차속 대비 휠속 차이가 기준값 이상 발생한 것으로 확인되면, 차량의 자세가 불안정한 것으로 판정하는 것을 특징으로 하는 브레이크 패드의 마찰계수 예측을 이용한 제동 제어 방법.
차량의 주행 상황에 따라 달라지는 브레이크 패드의 마찰계수를 예측하는 단계;
회생제동과 유압제동의 협조 제어를 위한 회생제동 실행량과 실행 유압 제동토크를 결정하는 단계;
예측된 마찰계수 및 계산된 실행 유압 제동토크를 이용하여 실행 유압 제동토크를 생성할 수 있는 제동 유압을 계산하는 단계; 및
계산된 제동 유압을 제동장치에 인가하는 제동 유압 제어 단계;
를 포함하는 것을 특징으로 하는 브레이크 패드의 마찰계수 예측을 이용한 제동 제어 방법.
청구항 10에 있어서,
상기 마찰계수를 예측하는 단계는:
디스크 온도 계산 모델에서 차량 주행 정보를 이용하여 디스크 온도를 계산하는 단계;
차량 주행 정보 중 휠속, 제동유압, 그리고 상기 디스크 온도 계산 모델에서 계산된 디스크 온도가 제동 제어기의 마찰계수 모델로 입력되는 단계; 및
입력된 휠속, 디스크 온도, 제동유압을 기반으로 마찰계수 모델에서 마찰계수를 예측하여 출력하는 단계;
로 진행되는 것을 특징으로 하는 브레이크 패드의 마찰계수 예측을 이용한 제동 제어 방법.
청구항 11에 있어서,
상기 마찰계수 모델은,
휠속, 디스크 온도, 제동유압에 매칭되는 하나의 마찰계수를 예측하여 제동 제어 로직부로 출력하도록 구성된 것임을 특징으로 하는 브레이크 패드의 마찰계수 예측을 이용한 제동 제어 방법.
청구항 11에 있어서,
상기 디스크 온도를 계산하는 단계는:
타이어 동반경 변화를 기반으로 차량 중량을 추정하는 단계;
제동부하를 계산하는 단계;
제동에 따른 운동에너지를 열에너지 파라미터로 변환한 후, 디스크 온도 상승량인 가열 에너지와, 열에너지가 디스크와 패드로 흡수되는 비율인 디스크의 열에너지 흡수율을 계산하는 단계;
상기 가열 에너지와 상기 디스크의 열에너지 흡수율과 상기 제동에 따른 운동에너지를 열에너지 파라미터로 변환할 때의 손실을 반영하기 위한 에너지 변환 효율을 곱하여 디스크 가열량을 계산하는 단계; 및
상기 디스크 가열량과 디스크 초기온도를 합한 값에서 디스크의 대류 냉각량과 복사 냉각량을 차감하여 디스크 온도를 계산하는 단계;
로 이루어지는 것을 특징으로 하는 브레이크 패드의 마찰계수 예측을 이용한 제동 제어 방법.
청구항 10에 있어서,
상기 제동장치에 인가하는 제동 유압 신호가 마찰계수 모델 입력부를 통하여 마찰계수 모델로 입력되는 리얼 타임 업데이트 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 브레이크 패드의 마찰계수 예측을 이용한 제동 제어 방법.
청구항 10에 있어서,
상기 회생제동 실행량과 실행 유압 제동토크를 결정하는 단계는:
운전자 요구 제동토크를 만족시키기 위한 총 제동토크를 판단하는 단계; 및
총 제동토크에서 회생제동 실행량을 차감하여 실행 유압 제동토크를 결정하는 단계;
로 진행되는 것을 특징으로 하는 브레이크 패드의 마찰계수 예측을 이용한 제동 제어 방법.