일반적인 내연기관 자동차와는 달리, 전기자동차는 파워트레인을 구성하는 배터리, 인버터, 모터 등의 전기 동력 시스템들이 차량의 주행성능과 동역학 특성에 직접적인 영향을 준다. 따라서 전기 차량의 최종 운동 및 동특성을 예측하기 위해서, 기계 및 전기전자 복합 시스템을 세부적으로 모델링하고 이를 통한 전체 파워트레인의 해석이 필요하다. 본 논문에서는 전기자동차의 최종 출력 성능을 예측하고 분석하기 위한 전기자동차의 파워트레인 시스템의 동적 모델을 유도하였다. 전기적인 신호로부터 최종 기계 동력 시스템으로 전달되는 입출력 변수의 상관관계를 수학적으로 모델링하여 개발하였다. 또한, 전기자동차의 동특성을 시뮬레이션 할 수 있는 기준모델을 Matlab/Simulink 플랫폼 기반으로 개발하였으며, 이를 이용하여 유도된 수학적 분석 모델을 검증하였다. 이를 통하여 속도, 가속도, 추진력 등의 주요 차량 주행성능을 비교 분석하였다.
일반적인 내연기관 자동차와는 달리, 전기자동차는 파워트레인을 구성하는 배터리, 인버터, 모터 등의 전기 동력 시스템들이 차량의 주행성능과 동역학 특성에 직접적인 영향을 준다. 따라서 전기 차량의 최종 운동 및 동특성을 예측하기 위해서, 기계 및 전기전자 복합 시스템을 세부적으로 모델링하고 이를 통한 전체 파워트레인의 해석이 필요하다. 본 논문에서는 전기자동차의 최종 출력 성능을 예측하고 분석하기 위한 전기자동차의 파워트레인 시스템의 동적 모델을 유도하였다. 전기적인 신호로부터 최종 기계 동력 시스템으로 전달되는 입출력 변수의 상관관계를 수학적으로 모델링하여 개발하였다. 또한, 전기자동차의 동특성을 시뮬레이션 할 수 있는 기준모델을 Matlab/Simulink 플랫폼 기반으로 개발하였으며, 이를 이용하여 유도된 수학적 분석 모델을 검증하였다. 이를 통하여 속도, 가속도, 추진력 등의 주요 차량 주행성능을 비교 분석하였다.
Unlike a typical internal combustion engine vehicle, the powertrain system of the pure electric vehicle, consisting of battery, inverter and motor, has direct effects on the vehicle performance and dynamics. Then, the specific modeling of such complex electro-mechanical components enables the insigh...
Unlike a typical internal combustion engine vehicle, the powertrain system of the pure electric vehicle, consisting of battery, inverter and motor, has direct effects on the vehicle performance and dynamics. Then, the specific modeling of such complex electro-mechanical components enables the insight into the longitudinal dynamic outputs of the vehicle and analysis of entire powertrain systems. This paper presents the dynamic model of electric vehicle powertrain systems based on theoretical approaches to predict and analyze the final output performance of electric vehicles. Additionally, the correlations between electric input signals and the final output of the mechanical system are mathematically derived. The proposed model for powertrain dynamics of electric vehicle systems are validated with a reference electric vehicle model using generic simulation platform based on Matlab/Simulink software. Consequently, the dynamic analysis results are compared with electric vehicle simulation model in some parameters such as vehicle speed/acceleration, and propulsion forces.
Unlike a typical internal combustion engine vehicle, the powertrain system of the pure electric vehicle, consisting of battery, inverter and motor, has direct effects on the vehicle performance and dynamics. Then, the specific modeling of such complex electro-mechanical components enables the insight into the longitudinal dynamic outputs of the vehicle and analysis of entire powertrain systems. This paper presents the dynamic model of electric vehicle powertrain systems based on theoretical approaches to predict and analyze the final output performance of electric vehicles. Additionally, the correlations between electric input signals and the final output of the mechanical system are mathematically derived. The proposed model for powertrain dynamics of electric vehicle systems are validated with a reference electric vehicle model using generic simulation platform based on Matlab/Simulink software. Consequently, the dynamic analysis results are compared with electric vehicle simulation model in some parameters such as vehicle speed/acceleration, and propulsion forces.
* AI 자동 식별 결과로 적합하지 않은 문장이 있을 수 있으니, 이용에 유의하시기 바랍니다.
문제 정의
제안된 전기차 파워트레인의 수학적 해석모델을 검증하기 위해서는 전기자동차의 동특성을 시뮬레이션 할 수 있는 기준모델이 필요하다. 본 장에서는 모델의 검증 및 주행 성능 비교를 위해 Matlab/Simulink의 라이브러리 모델을 기반으로 개발된 기준모델에 대해 제시하였다.
가설 설정
은 배터리의 출력전류를 각각 나타낸다. 모델에서 정상상태의 배터리의 Nominal(공칭/정격) 전압은 200V이며 초기 SOC 용량은 75%로 가정하였다.
제안 방법
. SimDriveline에서 제공하는 종방향 차량 동역학 모델과 타이어 모델을 기본적으로 사용하였으며, 차량의 질량, 휠의 반경 등 차량의 물리적인 파라미터들은 일반적인 소형차급 동역학 특성 파라미터를 활용하여 모델에 반영하였다. 표 1은 본 연구에서 대상으로 하는 소형차급 전기차의 주요 사양들을 나타낸다[9～10, 19].
기준 모델의 전류 및 각도 센서에서 나오는 전기 신호를 제안된 수학적 해석모델의 입력 데이터로 피드백 하였으며, 전기차 파워트레인의 해석모델을 하나의 큰 컴포넌트로 구성하여 블랙박스 테스트 방식으로 검증을 진행하였다. 각 모델의 동특성 출력 결과가 비교기를 통해 인가되고 최종적으로 모델 검증(Model Validation)을 수행한다. 이 때 시뮬레이션 플랫폼의 최종 출력은 차량 속도 및 가속도, 추진력, 휠의 토크 등의 주요 차량 성능 지표들을 적용하였다.
그림에서 점선 블록으로 표시된 부분은 Matlab/Simulink 기반 전기자동차 기준모델이고, 하단의 실선 블록은 전기 자동차 파워트레인의 해석모델을 각각 나타낸다. 기준 모델의 전류 및 각도 센서에서 나오는 전기 신호를 제안된 수학적 해석모델의 입력 데이터로 피드백 하였으며, 전기차 파워트레인의 해석모델을 하나의 큰 컴포넌트로 구성하여 블랙박스 테스트 방식으로 검증을 진행하였다. 각 모델의 동특성 출력 결과가 비교기를 통해 인가되고 최종적으로 모델 검증(Model Validation)을 수행한다.
모의 실험 모델은 Matlab/Simulink에서 제공하는 라이브러리 모델인 SimPowerSystem 및 SimDriveline 등을 사용하여 인버터, 모터, 배터리, 전기자동차 기계시스템 등을 실제 전기차량의 동적 거동을 모사하도록 구현되었기 때문에 제안된 전기차 해석모델을 일차적으로 검증할 수 있는 환경을 제공한다. 또한 검증된 수학적 분석 모델을 이용하여 전기적 신호로부터 차량의 속도, 가속도, 추진력 등의 동적 거동을 예측하고 분석할 수 있다.
본 논문에서는 표면부착형 영구자석 동기전동기를 탑재한 소형급 전기차를 대상으로 하여, 파워트레인을 전기 동력시스템과 기계 동력시스템으로 나누어 각각의 컴포넌트들을 수학적으로 모델링하였다. 또한 모델링된 수식들을 통합하여 전기적 신호로부터 차량의 최종 동역학 특성을 예측하고 분석할 수 있는 모델을 제시하였다. 전기자동차의 동특성을 시뮬레이션 할 수 있는 기준모델을 Matlab/Simulink를 이용하여 개발하여, 제안된 이론적 모델을 비교 검증하였다.
또한 주파수 변조에 사용된 스위칭 주파수는 5Khz로 설정하였으며, 전체 시뮬레이션의 샘플링 주기는 20μs로 설정하여 시뮬레이션을 진행하였다.
앞서 제안된 전기자동차 파워트레인의 수학적 해석 모델(Analysis Model)을 검증하기 위하여 3장에서 제시한 Matlab/Simulink 기반으로 개발한 전기자동차 기준 모델(Simulated Model)과 비교 분석하였다. 모의 실험 모델은 Matlab/Simulink에서 제공하는 라이브러리 모델인 SimPowerSystem 및 SimDriveline 등을 사용하여 인버터, 모터, 배터리, 전기자동차 기계시스템 등을 실제 전기차량의 동적 거동을 모사하도록 구현되었기 때문에 제안된 전기차 해석모델을 일차적으로 검증할 수 있는 환경을 제공한다. 또한 검증된 수학적 분석 모델을 이용하여 전기적 신호로부터 차량의 속도, 가속도, 추진력 등의 동적 거동을 예측하고 분석할 수 있다.
본 논문에서는 전기자동차의 전체 파워트레인을 전기 동력 시스템과 기계 동력 시스템으로 나누어 각각 모델링 하였고, 두 모델을 통합하여 전기 입력신호와 차량 동역학 출력 변수와의 상관관계를 수학적으로 유도하였다. 또한 통합된 수학적 분석 모델을 적용하여 전류 및 각도센서의 전기적 신호로부터 차량의 동적 거동을 예측하고 분석이 가능함을 확인하였다.
본 논문에서는 표면부착형 영구자석 동기전동기를 탑재한 소형급 전기차를 대상으로 하여, 파워트레인을 전기 동력시스템과 기계 동력시스템으로 나누어 각각의 컴포넌트들을 수학적으로 모델링하였다. 또한 모델링된 수식들을 통합하여 전기적 신호로부터 차량의 최종 동역학 특성을 예측하고 분석할 수 있는 모델을 제시하였다.
시뮬레이션 결과의 신뢰를 확보하기 위해서 소자 단위에서 회로 동작이 구현된 IGBT 라이브러리 모델을 이용하여 인버터 회로를 구성하였으며 Simulink의 SimPowerSystem 라이브러리에서 제공하는 동기전동기 모델을 사용하여 표면부착형 영구자석 동기전동기에 맞게 구현하였다.
각 모델의 동특성 출력 결과가 비교기를 통해 인가되고 최종적으로 모델 검증(Model Validation)을 수행한다. 이 때 시뮬레이션 플랫폼의 최종 출력은 차량 속도 및 가속도, 추진력, 휠의 토크 등의 주요 차량 성능 지표들을 적용하였다.
제안된 전기차 파워트레인의 수학적 해석모델을 검증하기 위하여 Matlab/Simulink의 SimDriveline을 기반으로 실제 차량 파라미터를 적용한 전기자동차 기준모델을 구현하였다. 두 모델의 주행성능을 비교한 결과, 차량 속도, 가속도, 추진력, 휠의 토크 등 주요 차량 성능 지표들이 유사한 결과를 나타내는 것을 확인하였다.
전기자동차의 컨버터 출력에서 나오는 직류 링크 전압으로부터 3상 부하 모터를 구동하기 위한 교류신호로 전력변환을 하기 위해서는 큰 용량의 전압형 인버터가 사용된다. 특히 본 논문의 분석 대상인 영구자석 동기전동기의 구동을 위해서는 출력 전압의 크기 및 주파수를 동시에 제어할 수 있는 PWM 인버터로 시뮬레이션 모델을 구현하였다.
데이터처리
앞서 제안된 전기자동차 파워트레인의 수학적 해석 모델(Analysis Model)을 검증하기 위하여 3장에서 제시한 Matlab/Simulink 기반으로 개발한 전기자동차 기준 모델(Simulated Model)과 비교 분석하였다. 모의 실험 모델은 Matlab/Simulink에서 제공하는 라이브러리 모델인 SimPowerSystem 및 SimDriveline 등을 사용하여 인버터, 모터, 배터리, 전기자동차 기계시스템 등을 실제 전기차량의 동적 거동을 모사하도록 구현되었기 때문에 제안된 전기차 해석모델을 일차적으로 검증할 수 있는 환경을 제공한다.
또한 모델링된 수식들을 통합하여 전기적 신호로부터 차량의 최종 동역학 특성을 예측하고 분석할 수 있는 모델을 제시하였다. 전기자동차의 동특성을 시뮬레이션 할 수 있는 기준모델을 Matlab/Simulink를 이용하여 개발하여, 제안된 이론적 모델을 비교 검증하였다.
이론/모형
배터리의 출력전압을 고전력의 AC모터를 구동하기 위한 직류 링크(DC-link) 전압 레벨로 변환하여 인버터의 기준전위로 제공한다. DC-DC 컨버터는 SimPowerSystem에서 제공하는 buck-boost 컨버터 모델을 이용하여 구현하였다[15].
. 식 (1)-(3)과 같이 영구 자속 전동기의 전류/전압 모델을 나타내는 수식과 토크와 각속도의 관계를 나타내는 기계 시스템 방정식을 적용하여 전동기 모델링에 반영하였으며, 전동기의 자속과 토크 성분 전류 각각을 독립적으로 제어하기 위해 공간벡터변조(SVM) 기법을 적용하였다[17].
차량 동역학 모델은 Simulink/Simscape에서 제공하는 SimDriveline 라이브러리 모델을 이용하여 전기자동차의 기계동력 시스템을 모델링하였다[18]. SimDriveline에서 제공하는 종방향 차량 동역학 모델과 타이어 모델을 기본적으로 사용하였으며, 차량의 질량, 휠의 반경 등 차량의 물리적인 파라미터들은 일반적인 소형차급 동역학 특성 파라미터를 활용하여 모델에 반영하였다.
성능/효과
제안된 전기차 파워트레인의 수학적 해석모델을 검증하기 위하여 Matlab/Simulink의 SimDriveline을 기반으로 실제 차량 파라미터를 적용한 전기자동차 기준모델을 구현하였다. 두 모델의 주행성능을 비교한 결과, 차량 속도, 가속도, 추진력, 휠의 토크 등 주요 차량 성능 지표들이 유사한 결과를 나타내는 것을 확인하였다.
본 논문에서는 전기자동차의 전체 파워트레인을 전기 동력 시스템과 기계 동력 시스템으로 나누어 각각 모델링 하였고, 두 모델을 통합하여 전기 입력신호와 차량 동역학 출력 변수와의 상관관계를 수학적으로 유도하였다. 또한 통합된 수학적 분석 모델을 적용하여 전류 및 각도센서의 전기적 신호로부터 차량의 동적 거동을 예측하고 분석이 가능함을 확인하였다.
하지만 이러한 오차는 전체 힘의 범위의 약 1%이내의 범위이기 때문에 차량의 성능에 미치는 영향은 미미하고 전반적으로 추진력, 속도, 가속도 등의 다양한 차량 동특성이 유사한 결과와 추이를 보이는 것을 확인하였다. 시험 결과로부터 모터의 전류 및 각도변위 센서의 데이터를 활용하여 차량의 종방향 거동을 예측하고 주행성능의 분석이 가능하다.
마찬가지로 식 (29)-(30)에서 유도한 전기자동차의 속도, 가속도 모델을 검증하기 위하여 (d), (e)와 같이 시뮬레이션 결과를 그래프로 나타내었다. 주행 동특성 비교 결과에서 수학적 해석모델의 결과값과 기준모델의 출력 간에 9초에서 10초 사이의 구간에서 최대 45[N] 정도의 오차가 발생하였다. Matlab/Simulink기반의 기준모델에서는 휠 모델 등의 일부 라이브러리 모델을 룩업테이블(Lookup-Table) 방식으로 입출력 변수를 처리하는 반면, 수학적 해석모델은 모든 파라미터와 변수를 수식기반으로 유도되었기 때문에 오차가 주로 발생하였다.
후속연구
기계 동력 시스템은 변속장치(Transmission), 차동 기어장치(Differential), 구동축(Driveaxle) 등으로 이루어져 있으며 전달된 모터 출력을 구동 바퀴까지 전달하는 역할을 한다. 전기 동력 시스템의 입출력이 직접적으로 기계 동력 시스템에 결합(Coupling)되어 있는 직렬시스템이기 때문에 역으로 모터의 전류, 각속도, 토크 등을 해석함으로써 기계 시스템의 동특성을 분석하는 것이 가능해 진다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
전기자동차 기계 동력 시스템의 역할은 무엇인가?
전기 동력 시스템은 배터리, 주 제어기, 인버터, 전기 모터 등으로 이루어져 있으며 모터의 출력 동력이 기계 시스템과의 연결 부위인 모터 클러치 축으로 전달된다. 기계 동력 시스템은 변속장치(Transmission), 차동 기어장치(Differential), 구동축(Driveaxle) 등으로 이루어져 있으며 전달된 모터 출력을 구동 바퀴까지 전달하는 역할을 한다. 전기 동력 시스템의 입출력이 직접적으로 기계 동력 시스템에 결합(Coupling)되어 있는 직렬시스템이기 때문에 역으로 모터의 전류, 각속도, 토크 등을 해석함으로써 기계 시스템의 동특성을 분석하는 것이 가능해 진다.
전기자동차의 구동 시스템은 내연기관 자동차의 구동시스템과 어떤 차이가 있는가?
일반적으로 전기자동차의 구동 시스템은 내연기관 자동차의 구동시스템과는 큰 차이가 있다. 전기자동차에서는 기존의 내연기관 대신 전기모터를 이용하고, 에너지 저장소로는 배터리와 축전지를 사용하며, 부가적으로 컨버터와 인버터 등의 전력변환 장치가 탑재되어 있다. 차량 파워트레인을 구동하기 위해서는 전기 모터를 통해 전기 에너지를 기계 에너지로 변환하여 드라이브라인(Driveline)에 동력을 공급한다. 따라서 일반 차량에서 많이 연구되는 파워트레인과 주행 동특성에 대한 해석도 전기자동차에서는 새롭게 연구되어야 한다.
전기자동차의 주행성능과 동역학 특성이 직접적인 영향을 주는 요인들로 무엇이 있는가?
일반적인 내연기관 자동차와는 달리, 전기자동차는 파워트레인을 구성하는 배터리, 인버터, 모터 등의 전기 동력 시스템들이 차량의 주행성능과 동역학 특성에 직접적인 영향을 준다. 따라서 전기 차량의 최종 운동 및 동특성을 예측하기 위해서, 기계 및 전기전자 복합 시스템을 세부적으로 모델링하고 이를 통한 전체 파워트레인의 해석이 필요하다.
참고문헌 (19)
K. L. Butler, M. Ehsani and P. Kamath, "A Matlab-Based Modeling and Simulation Package for Electric and Hybrid Electric Vehicle Design," IEEE Trans. Vehicular Tech., vol. 48, no. 6, pp. 1770-1778, Nov. 1999.
D. V. Gao, C. Mi, and A. Emadi, "Modeling and Simulation of Electric and Hybrid Vehicles," Proc. of the IEEE, vol. 95, no. 4, pp. 729-745, Apr. 2007월.
J. Davoine, R. Parret and H. Le-Huy, "Operation of a self controlled synchronous motor without a shaft position sensor," IEEE Trans. Ind. Appl., vol. 19, no. 2, pp. 217-222, Mar. 1983.
지준근, 이용석, 차귀수, "MATLAB/SIMULINK의 모델기반 제어기 설계를 이용한 표면부착형 영구 자석 동기전동기의 벡터제어 구현," 전기학회논문지, 제57권 제8호, 1383-1391쪽, 2008년 8월
정동화, "토크 관측기에 의한 PMSM 서보 시스템 의 위치 및 속도 센서리스 벡터제어," 대한전자공학회논문지, B편 제32권 제2호, 290-300쪽, 1995년 2월
설승기, 전기기기제어론, 홍릉과학출판사, 155-173 쪽, 481-486쪽, 2009년
B. K. Powell, K. E. Bailey, and S. R. Cikanek, "Dynamic Modeling and Control of Hybrid Electric Vehicle Powertrain Systems," IEEE Trans. Control System Tech., vol. 18, no. 5, pp. 17-33, Oct. 1998?
Reza N. Jazar, Vehicle Dynamics: Theory and Application, Springer, pp. 39-55, 2008.
최욱돈, 김동희, 노채균, "전기자동차 구동시스템에 서의 유도전동기의 최대효율제어 효과(II)," 조명전기설비학회논문지, 제14권 제5호, 74-79쪽, 2000 년 9월
S. Onoda and A. Emadi, "PSIM-Based Modeling of Automotive Power Systems: Conventional, Electric, and Hybrid Electric Vehicles," IEEE Trans. Vehicular Tech., vol. 53, no. 2, pp. 390-400, Mar. 2004.
M. Ehsani, K. M. Rahman, and H. A. Toliyat, "Propulsion System Design of Electric and Hybrid Vehicles," IEEE Trans. Ind. Appl., vol. 44, no. 1, pp. 19-27, Feb. 1997.
R. C. Kroeze and P. T. Krein, "Electrical battery model for use in dynamic electric vehicle simulations," in Proc. of the Power Electronics Specialists Conf., Rhodes, pp. 1336-1342, Jun. 2008.
길범수, 조종표, 김강출, "도심주행 패턴에 따른 소형 전기자동차 최적화 전략," 한국자동차공학회논문지, 제18권 제3호, 53-59쪽, 2010년 5월
H. Hao, X. Guoqing, and Z. Yang, "Hardware-In-the-Loop Simulation of Electric Vehicle Powertrain System," in Proc. Power and Energy Engineering Conf., pp. 1-5, China, Mar. 2009.
J. P. Trovao, P. G. Pereirinha, and H. M. Jorge, "Design Methodology of Energy Storage Systems for a Small Electric Vehicle," The 24th International Battery, Hybrid and Fuel Cell Electric Vehicle Symp., pp. 1-12, Stavanger, Norway, May 2009.
권정혁, 변지섭, 최중경, "직접 구동방식의 터보 압 축기를 위한 150마력, 70,000rpm 초고속 전동기구동시스템 개발," 대한전자공학회논문지, SC편 제 40권 제1호, 45-54쪽, 2003년 1월
김상훈, DC 및 AC 모터제어, 복두출판사, 96-103 쪽, 2008년
www.mathworks.co.kr
서일홍, 박명관, "전기자동차의 조향과 추진을 위한 지능형 통합 제어 시스템," 대한전자공학회논문지, B편 제33권 제7호, 1041-1051쪽, 1996년 7월
※ AI-Helper는 부적절한 답변을 할 수 있습니다.