[논문]전기기계 브레이크가 적용된 연료전지 자동차의 회생제동 시스템의 고장해석

송현우; 최정훈; 황성호; 전광기; 최성진

doi:10.7839/ksfc.2012.9.4.008

전기기계 브레이크가 적용된 연료전지 자동차의 회생제동 시스템의 고장해석
Analysis of Fault Diagnosis of Regenerative Braking System for Fuel Cell Vehicle with EMB System 원문보기

유공압건설기계학회지 = Journal of the Korean Society for Fluid Power and Construction Equipments, v.9 no.4, 2012년, pp.8 - 13

송현우 (Mechanical Engineering, SungKyunKwan University) , 최정훈 (Mechanical Engineering, SungKyunKwan University) , 황성호 (Mechanical Engineering, SungKyunKwan University) , 전광기 (Korea Automotive Technology Institute) , 최성진 (Korea Automotive Technology Institute)

Abstract ▼ AI-Helper

Recently, researches about the eco-friendly vehicles such as hybrid electric vehicle, fuel cell vehicle and electric vehicle have been actively carried out. The regenerative braking system is a key technology to improve the vehicle energy utilization efficiency because it transforms the kinetic energy to the electric energy through the electric motor. This new braking system requires cooperative control between electric controlled brake and regenerative brake. Therefore, it is necessary to establish fault-diagnosis and fail-safe evaluation criteria to secure reliability of the regenerative braking system. In this paper, the failure types and causes in regenerative braking system were analyzed. The transient behavior characteristics were examined based on fault-diagnosis and fail-safe upon failure of regenerative braking system.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 논문에서는 EMB가 적용된 연료전지 자동차의 회생제동 시스템의 구현을 위한 시뮬레이터 구성과 회생제동 시스템의 성능과 안정성 확보를 위해 발생할 수 있는 고장의 종류와 원인을 분석하고, 시뮬레이션 환경에서 고장 해석에 대한 연구를 진행하였다.

가설 설정

4는 회생제동 제한 로직이 적용되지 않은 시뮬레이션 결과이다. 1.8초에서 고장이 발생하여 회생제동 토크가 감소하게 된다. 회생제동 제한 로직이 적용하지 않았기 때문에 부족해진 제동력을 보상해주지 않으므로 Fig.
고장이 발생하게 되면 공통적으로 토크감소가 이루어지기 때문에 회생제동 토크를 감소시켜 고장이 라고 가정하여 회생제동 제한 로직을 제외하고 시뮬레이션을 수행하였다.
차량 시뮬레이션 환경에서 회생제동 시스템의 고장진단과 대응을 위하여 전기적 결함의 약 70% 이상을 차지하는 주요 원인인 회로 단락과 결상에 대하여 모터의 토크가 감소하는 것으로 가정하고 시뮬레이션을 수행하였다.

제안 방법

2에서 볼 수 있듯이 성능곡선, 특성 맵, 과도상태 특성 및 동역학 등을 기반으로 수행되었으며 배터리는 내부 저항의 특성에 따른 배터리 SOC모델을 사용하였다.²⁾ 차량의 주행모드는 출발, 가속, 정속 주행, 감속, 연료전지 정지 5가지 모드로 나누어 각각의 제어기를 모델링하였고, 각 모드에 따른 운전자의 요구를 반영하기 위한 운전자 모델링을 수행하였다.³⁾
EMB는 기존 브레이크 시스템에서 유압으로 캘리퍼에 압력을 가하는 대신에 전기모터와 볼스크류(ball‐screw) 메커니즘을 이용하여 캘리퍼에 압력을 가해 제동을 하는 시스템이다. EMB 모델은 공동연구를 진행한 카이스트에서 EMB 시뮬레이터를 제공받아 연료전지 자동차 시뮬레이터에 적용하여 시뮬레이션에 반영되도록 모델링 하였다.¹⁾ Fig.
다음으로 고장 발생시 회생제동 제한 로직을 적용하여 앞선 시뮬레이션과 공통 조건으로 시뮬레이션을 수행하였다. 1.
상 결상이나 상 개방의 경우 공통적으로 모터의 토크가 감소하는 것을 확인할 수 있었다. 따라서 모터의 요구 제동 토크보다 실질적으로 발생하는 제동 토크 양이 적을 경우를 고장이라고 판단하였고, 이 때 부족한 차량의 제동력을EMB 시스템이 보상하는 방식으로 대응을 하는 시뮬레이션을 수행하였다.
모터는 효율 맵과 성능 곡선을 이용하여 모델링하였다. 속도, 연료전지 출력, 요구 운전출력, 요구 회생제동 토크를 입력으로 받아 모터의 각속도와 토크를 출력한다.
연료전지 차량모델을 완성하기 위하여 차량을 구성하고 있는 각 주요 부품들의 모델링을 우선적으로 수행하였으며 이에 따른 각 요소들의 동력 및 신호 전달 구조에 따라 MATLAB/Simulink를 이용하여 Fig. 1과 같이 연료전지 자동차의 시뮬레이터를 구성하였다.
연료전지는 특성 맵을 이용하여 모델링 되었다. 요구 전력을 입력으로 받아 그에 맞는 전압과 전류를 출력한다.

대상 데이터

7) 본 논문의 연구 대상인 연료전지 차량은 전륜에 인라인 모터를 사용하는 구조로 되어있고 이외에 연료전지 스택(stack)과 배터리, DC/DC컨버터 등으로 이루어져 있다.
EMB가 적용된 연료전지 자동차의 회생제동 시스템을 구현하기 위하여 연료전지 차량의 시뮬레이터를 구성하였다.⁷⁾ 본 논문의 연구 대상인 연료전지 차량은 전륜에 인라인 모터를 사용하는 구조로 되어있고 이외에 연료전지 스택(stack)과 배터리, DC/DC컨버터 등으로 이루어져 있다.
차량에 탑재된 주요부품들은 Fig. 2에서 볼 수 있듯이 성능곡선, 특성 맵, 과도상태 특성 및 동역학 등을 기반으로 수행되었으며 배터리는 내부 저항의 특성에 따른 배터리 SOC모델을 사용하였다.²⁾ 차량의 주행모드는 출발, 가속, 정속 주행, 감속, 연료전지 정지 5가지 모드로 나누어 각각의 제어기를 모델링하였고, 각 모드에 따른 운전자의 요구를 반영하기 위한 운전자 모델링을 수행하였다.

이론/모형

차량의 동적 거동 해석은 Carsim을 이용하였다. Simulink의 운전자 모델에서 출력되는 엑셀, 브레이크 및 조향 값에 따라 컨트롤러 모델에서 연료전지 출력을 결정하면 모터에서 구동력이 출력된다.

성능/효과

다음으로 고장 발생시 회생제동 제한 로직을 적용하여 앞선 시뮬레이션과 공통 조건으로 시뮬레이션을 수행하였다. 1.8초에 고장이 발생하여 회생제동력을 차단하였고 이로부터 부족해진 제동력을 전륜의 EMB 브레이크가 보상하는 것을 확인할 수 있었다.
본 논문에서는 회생제동 시스템의 고장진단에 대한 연구를 진행하기 위하여 우선적으로 연료전지 차량 시뮬레이터를 구성하였으며, 연료전지 차량의 회생제동 시스템에서 모터의 고장 종류와 원인에 대하여 조사한 결과 공통적으로 토크가 감소하는 것을 알 수 있었다. 따라서 모터의 토크를 감소시켜 시뮬레이션 한 결과 부족해진 모터의 제동 토크를 EMB 시스템이 보상하는 과정에서 순간적으로 차량의 감가속도가 변하는 것을 확인할 수 있었다. 이는 곧 운전자가 느낄 수 있는 제동 이질감으로써, 차후 개선하기 위한 제어 알고리즘에 대한 연구가 수행될 예정이다.
본 논문에서는 회생제동 시스템의 고장진단에 대한 연구를 진행하기 위하여 우선적으로 연료전지 차량 시뮬레이터를 구성하였으며, 연료전지 차량의 회생제동 시스템에서 모터의 고장 종류와 원인에 대하여 조사한 결과 공통적으로 토크가 감소하는 것을 알 수 있었다. 따라서 모터의 토크를 감소시켜 시뮬레이션 한 결과 부족해진 모터의 제동 토크를 EMB 시스템이 보상하는 과정에서 순간적으로 차량의 감가속도가 변하는 것을 확인할 수 있었다.
시뮬레이션 결과 회생제동이 차단되고 EMB시스템이 부족한 제동력을 보상하는 과정에서 천이구간에서의 감가속도의 변화량이 상대적으로 많음을 확인할 수 있었다.

후속연구

따라서 모터의 토크를 감소시켜 시뮬레이션 한 결과 부족해진 모터의 제동 토크를 EMB 시스템이 보상하는 과정에서 순간적으로 차량의 감가속도가 변하는 것을 확인할 수 있었다. 이는 곧 운전자가 느낄 수 있는 제동 이질감으로써, 차후 개선하기 위한 제어 알고리즘에 대한 연구가 수행될 예정이다.
회생제동의 제한으로 인하여 전체적인 제동력이 부족해지면 기계적인 브레이크를 직접 제어하여 제동력을 분배해 주어야 한다. 이를 위하여 EMB(Electro‐Mechanical Brake) 시스템의 적용이 필요하고, 브레이크의 특수성을 고려하여 회생제동 시스템의 고장에 대비한 고장 해석 및 대응에 대한 연구가 필요하다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	회생제동 시스템이 적용된 차량에서 무엇에 따라 회생제동이 제한될 수 있는가?	회생제동 시스템(Regenerative Braking System)은 제동시 차량의 운동에너지를 전기에너지로 회수하는 시스템으로, 전기에너지를 동력원으로 사용하는 자동차에서는 핵심적인 기술이다. 회생제동 시스템이 적용된 차량에서 시스템이 정상상태일 때 차량의 속도나 배터리 SOC(State of Charge), 차량의 온도 등에 따라 회생제동이 제한되는 경우가 있다. 이 때 부족해진 제동력을 기계적인 브레이크로 보상해 줘야만 운전자가 요구한 제동력을 추종할 수 있게 된다.
	회생제동 시스템이란?	회생제동 시스템(Regenerative Braking System)은 제동시 차량의 운동에너지를 전기에너지로 회수하는 시스템으로, 전기에너지를 동력원으로 사용하는 자동차에서는 핵심적인 기술이다. 회생제동 시스템이 적용된 차량에서 시스템이 정상상태일 때 차량의 속도나 배터리 SOC(State of Charge), 차량의 온도 등에 따라 회생제동이 제한되는 경우가 있다.
	EMB(Electro‐Mechanical Brake) 시스템의 역할은 무엇인가?	회생제동의 제한으로 인하여 전체적인 제동력이 부족해지면 기계적인 브레이크를 직접 제어하여 제동력을 분배해 주어야 한다. 이를 위하여 EMB(Electro‐Mechanical Brake) 시스템의 적용이 필요하고, 브레이크의 특수성을 고려하여 회생제동 시스템의 고장에 대비한 고장 해석 및 대응에 대한 연구가 필요하다.

참고문헌 (7)

J. K. Ahn, K. H. Jung, D. H. Kim, H. B. Jin, H. S. Kim, S. H. Hwang, "Analysis of A Regenerative Braking System for Hybrid Electric Vehicles using An ElectroMechanical Brake", IJAT, Vol.10, No.2, pp.229-234, 2009.
T. Kim. et al. "Regenerative Braking Control of a Light Fuel Cell Hybrid Electric Vehicle", Electric Power Components and Systems, Vol.39, pp.446-460, 2011.

상세보기
D. H. Yang, J. H. Park, SungHo Hwang, "Development of Regenerative Braking Control Algorithm for Inwheel Motor Type Fuel Cell Electric Vehicles Considering Vehicle Stability", J. of KFPS, Vol.7, No.2, pp.7-12, 2010.
S. M. Shin, R. K. Park, J. S. Kim, J. S. Kim, B. K. Lee and I. S. Jung, "Output Voltage compensation Method for Three Phase SVPWM Inverter with Shunt Resistor", IEEE Vehicle Power and Propulsion Conference (VPPC), pp.1-6, 2011.
K. Jeon, H. Hwang, S. Choi, D. Yang, S. Hwang, H. Park, and S. Choi, "Development of Reliability Evaluation Technology for Green Car Regenerative Braking System with Electronic Brake PART(1)", KSAE10B0163, pp.908-914, 2010.
J. Huh, H. Jin, D. Seo, and S. Hwang, "Analysis of Braking Characteristics and Development of Regenerative Braking Control Algorithm for a Passenger Fuel Cell Electric Vehicle", KSAE Autumn Conference, pp.2188-2193, 2007.
D. Yang, B. Cho, K. Jeon, H. Hwang, S. Choi, and S. Hwang, "Establish of Fuel Cell Vehicle Simulation Environment for Regenerative Brake system Reliability Estimation," KSAE10A0536, pp.3013-3018, 2010.

저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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