Brake safety evaluation index and fail-safe control strategy of brake-by-wire systems for straight braking stability improvement

Abstract

최근 지구온난화와 자원 고갈, 환경 문제 등으로 인해 하이브리드 전기자동차(HEV), 연료전지전기자동차(FCEV), 순수전기자동차(EV) 등과 같은 친환경 자동차가 큰 관심을 받고 있다. 회생제동 시스템은 제동 시 운동에너지를 전기에너지로 변환하여 배터리에 저장함으로써 친환경 자동차의 연비를 크게 향상시키는 시스템이다. 반응속도가 빠른 회생제동 시스템과의 원활한 협조 제어를 위해 반응속도가 빠르고, 제어가 용이한 전자 웻지 브레이크(EWB), 전자-기계식 브레이크(EMB)과 같은 brake-by-wire(BBW) 시스템이 반응속도가 느린 기존의 유압식 브레이크 시스템을 빠른 시일 내에 대체할 수 있을 것이라고 예상되고 있다. 그러나 BBW 시스템이 장착된 자동차의 탑승자 안전은 BBW 시스템의 기능 안전 및 신뢰성과 직접적으로 관련이 있기 때문에, 최근 BBW 시스템의 기능 안전과 강인성을 향상시키기 위한 다양한 고장-안전 제어, 결함-허용 제어, 그리고 결함 검출 방법 등이 연구되고 있다. 본 학위논문에서는 BBW 시스템 장착 차량의 직진 제동 안정성 향상을 위하여 제동 안전 평가 지수와 최적의 고장-안전 제어 전략을 제안하였다. 이를 위해 먼저 연료전지전기자동차(FCEV)와 BBW 시스템으로 구성된 통합 해석 모델을 개발하였고, Matlab/Simulink와 CarSim을 적용해 구현하였다. BBW 시스템 해석 모델은 기존 연구에서 발표되었던 동역학 수식 모델을 사용하였고, 비선형 제어기법 중 하나인 슬라이딩 제어 기법을 이용하여 BBW 시스템의 모델기반 제어기를 개발하였다. 또한, 본 학위논문에서는 BBW 시스템 장착 차량의 직진 제동 안정성 평가 및 고장-안전(Fail-Safe) 제어 로직 성능을 차량 관점에서 정량적으로 평가하고, 등급화할 수 있는 종합적인 평가 지수로서 새로운 제동 안전 평가 지수 2가지를 제안하였다. 제안한 제동 안전 평가 지수는 1) 감가속도 비율과 횡방향 쏠림량 비율을 조합한 지수(E-BSI1), 2) 감가속도 비율과 요-각속도 비율을 조합한 지수(E-BSI2) 2가지이며, 다양한 해석 결과와 실차 시험 결과를 통해 2가지 지수의 특징, 장단점, 적용 타당성 등을 비교, 검증하였다. 다양한 조건에서의 해석 및 시험 결과를 통해 제안한 제동 안전 평가 지수(E-BSI1, E-BSI2)가 BBW 시스템의 개발, 검증 및 타당성 평가 단계에서 여러 가지 고장안전 제어 전략을 평가하는 데 유용하고 효과적인 정량적 지표가 될 수 있음을 확인하였다. 마지막으로, 본 논문에서는 차량 네 휠에 각각 장착된 BBW 엑츄에이터 중 한 쪽에서 고장이 발생한 경우 차량의 직진 제동 안정성 향상을 위하여 정상적인 3개의 제동력을 최적 재분배하는 고장-안전 제어 전략을 제안하였다. 이 방법은 Lagrange Multiplier 이론과 Karush-Kuhn-Tucker (KKT) 최적화 조건이라는 최적설계 방법, 슬라이딩 제어 기법을 적용하였다. 이러한 최적 고장-안전 제어 방법은 앞서 제안한 제동 안전 평가 지수를 최소화 하는 것과 동일한 효과이며, 다양한 조건에서의 해석을 통해 성능 평가 및 타당성 검증을 수행한 결과, BBW 엑츄에이터 하나가 고장난 상황에서도 종방향 안정성과 제동 성능을 동시에 확보할 수 있는 매우 효과적인 방법임을 확인하였다. 또한, 반응표면법(Response Surface Method) 이라는 또 다른 최적설계 기법을 통해 앞서 제안한 최적 고장-안전 제어 방법의 타당성을 검증하였다.

Limited resources and environmental problems have led to increasing interest in eco-friendly vehicles such as Hybrid Electric Vehicles (HEVs), Fuel Cell Electric Vehicles (FCEVs), and pure Electric Vehicles (EVs). Regenerative braking, which generates electric energy and saves it in a battery in braking situations, enhances the energy efficiency of eco-friendly vehicles. For cooperating with fast regenerative braking systems, brake-by-wire (BBW) systems such as the electronic wedge brake (EWB) and the electro-mechanical brake (EMB) could be reasonable substitutes for the current slow hydraulic brake systems in the near future, because of their fast and accurate response. However, since passenger safety in vehicles which install a BBW system depends directly on the functional safety and reliability of the BBW system, a large variety of fail-safe, fault-tolerant, and fault detection methods have been developed to enhance the safety and robustness of BBW systems. This assertion proposes new brake safety evaluation index and new optimal fail-safe control strategy of BBW systems for straight braking stability improvement. Firstly, this assertion describes a developed integrated simulation model consisted of an FCEV model and a BBW system model using a Matlab/Simulink and a CarSim software. The BBW system model has been developed and implemented using dynamics plant models of newly published studies and with its model-based controller designed by a sliding mode control law. Secondly, this assertion proposes new two brake safety evaluation indexes (E-BSI1, E-BSI2) for quantitatively evaluating and rating straight braking stability and fail-safe control strategies of BBW systems in vehicle level. The proposed brake safety evaluation indexes are E-BSI1 and E-BSI2. E-BSI1 is the combined index with a longitudinal deceleration ratio and a lateral deviation ratio and E-BSI2 is the combined index with a longitudinal deceleration ratio and a yaw rate ratio in longitudinal braking situations. The simulation and vehicle test results show that the proposed brake safety evaluation indexes (E-BSI1, E-BSI2) can be useful and effective for quantitatively evaluating straight braking stability and fail-safe control strategies in the development, verification, and validation stages of BBW systems. Finally, this assertion proposes a new fail-safe control strategy using an optimal braking force re-distribution of three normal actuators for improving straight braking stability in case of one BBW actuator failure case. The proposed fail-safe control strategy uses a Lagrange multiplier theorem, Karush-Kuhn-Tucker optimality conditions theorem and a sliding control law. It has been shown that the proposed fail-safe control strategy which has almost the same effect as minimization of brake safety evaluation index (E-BSI2) can be an effective and useful method to ensure both longitudinal safety with braking performance. The proposed optimal fail-safe control strategy is also evaluated and validated using other optimal design method such as a response surface method.