[논문]In-wheel 모터를 이용한 전기자동차 구동시스템의 구현

윤시영; 이주

doi:10.5370/kiee.2013.62.6.750

In-wheel 모터를 이용한 전기자동차 구동시스템의 구현
Implementation of In-wheel Motor Driving System for Electric Vehicle 원문보기

전기학회논문지 = The Transactions of the Korean Institute of Electrical Engineers, v.62 no.6, 2013년, pp.750 - 755

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In-wheel motor system gets the driving force from direct-driven motor in the wheel of electric vehicle. It is known as good system for vehicles, from an efficiency, packaging, handling and safety. This paper describes motor and inverter technologies, system configuration and control algorithms for in-wheel type electric vehicle. It is necessary to control on an interrelation perspective because this system drives two motors at same time. In system design, IPMSM(Interior Permanent Magnet Synchronous Motor) including a wide operating range and high-speed rpm is used and flux weakening control is performed in constant power range. Under the torque command from the host controller, auto control box, inverter's output torque is calculated with using torque estimation technique and applied to actual vehicle driving system. It is verified that the configuration and the algorithm are suitable for the in-wheel motor system.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

원하는 차량의 출력을 위해서는 적절한 모터의 선정이 필요하고 모터 구동을 위한 전력변환 하드웨어 구성과 제어알고리즘 소프트웨어가 필요하다[6]. 따라서 본 연구에서는 체적 당 고토크 및 고속 운전이 가능한 IPMSM(Interior Permanent Magnet Synchronous Motor)를 사용하고 인휠 모터 2개를 동시제어 하는 인버터를 통해 시스템의 운전능력과 출력특성에 대해 분석한다. 만일 토크센서의 피드백이 없는 시스템 상태 하에서는 인버터가 출력토크를 지령에 맞게 내보내기 위해서 토크를 추정(Torque Estimation)하는 알고리즘 구현이 필요하다.
현재까지의 인휠 타입 전기자동차에 관한 연구는 대부분 기계적 관점에서 이루어지고 있거나 적용 모터 자체 또는 제어기의 단편적인 부분에 대해서만 진행되고 있어 인버터 통합시스템에 대한 구성과 제어에 대한 적용 연구가 미진한 상태이다[5]. 본 논문에서는 차량에 적용하기 위해 모터와 인버터 사양을 설정하고 이에 대한 특성 파악 및 제어기술을 설명하고자 한다.

제안 방법

IPMSM의 고속운전을 위해 정출력 구간에서 약자속제어를 하며 전류의 크기뿐만 아니라 전류 위상각을 함께 고려한 벡터제어를 사용하여 향상된 제어특성을 가지도록 한다.
본 논문에서는 인휠모터 구동시스템의 목표사양에 따른 모터와 인버터의 모델 구현과 시뮬레이션을 하였으며 실차 시험을 통해 성능을 확인하였다. 모터와 드라이버의 특성과 구동을 위한 토크 추정기법을 설명하고 출력을 확인하였다. 이러한 시스템 구조와 제어방법이 인휠 모터 시스템에 적용할 수 있음을 확인하며 최적의 시스템 연구에 도움이 되리라 사료된다.
여기서 ABX는 가속 페달과 브레이크 페달, 전·후진 신호를 입력변수로 하여 토크 명령값을 생성하며 인버터에 지령을 전달하는 기능을 가진다. 물론 ECU에서 ABX의 기능을 가지도록 할 수 있지만 본 연구에서는 중간 매개 역할을 하는 ABX unit을 두어 진행한다.
영구자석의 쇄교자속의 값과 d축, q축 인덕턴스 값을 상수로 하여 토크를 계산하는 방법으로 계산이 간단하나 인덕턴스 변동에 대한 오차율이 존재한다. 본 논문에서는 유한요소법을 이용하여 계산된 파라미터를 가지고 일반적 토크 추정기법을 이용하여 토크를 계산하고 오차율을 최소화하기 위해 각각의 구간에서의 인덕턴스 값을 적용한다.
본 논문에서는 인휠모터 구동시스템의 목표사양에 따른 모터와 인버터의 모델 구현과 시뮬레이션을 하였으며 실차 시험을 통해 성능을 확인하였다. 모터와 드라이버의 특성과 구동을 위한 토크 추정기법을 설명하고 출력을 확인하였다.
교류전동기를 운전하는데 있어 주로 사용하는 방법으로 벡터제어가 있다. 본 논문에서는 전압과 전류, 자속 등을 d, q축으로 분리하여 제어를 하는 벡터제어 방식과 전류위상각을 이용하여 최대토크를 이용하는 방식을 사용한다. 인버터는 100us 주기로 전류제어를 수행하고 출력전류나 토크에 포함된 고조파가 다른 변조 방식보다 적은 공간 벡터 전압 펄스폭 변조(Space Vector PWM) 방식을 이용하여 구현한다.
본 연구에 사용한 방식은 각 모터마다 6개의 스위치를 사용한 3-leg 방식으로 모터를 각각의 드라이브 모듈이 담당하는 구조이다. 그러나 스위치를 줄이기 위해 특별히 5-leg를 이용하여 하나의 인버터 드라이브 모듈로 두 개의 바퀴를 동시에 구동시키는 회로를 제안한 논문이나 2상 동기기를 기본으로 하여 2상의 각 상을 풀 브리지 인버터로 구현하는 회로를 제안한 논문 등 다른 방식을 제안한 논문도 있다[8].
M-G Set의 속도제어 하에 부하 profile을 생성한다. 이 시험으로 차량의 최대부하 상태에서 가감속 시 토크 지령 대비, 출력토크의 오차율을 파악하였다. 측정 결과, 목표 사양 5% 이내에 만족한 값을 얻었으며 실제 차량에 장착하여 테스트를 진행하여 차량의 적용에 적합함을 보였다.
그림 8은 M-G Set 장비를 이용한 모터, 인버터의 부하시험환경을 나타낸다. 제어기의 입력전원은 시험을 위해 배터리가 아닌 DC 전원공급장치를 사용하며 속도에 대한 토크 발생, 속도, 토크에 대한 전류위상각 시험 등을 수행한다.

대상 데이터

본 논문에서는 전기자동차 중 소형자동차를 대상으로 하며 최대출력 16.4[kW]로 하는 3상 6극 IPMSM을 이용하여 연구를 진행한다. 모터의 전기적 설계사양은 FEM(Finite Element Method)을 이용한 전자계 해석을 통해 결정한다.
전기자동차는 동력원에 따라 배터리만을 사용하는 순수 전기자동차와 기존의 연료를 같이 사용하는 하이브리드 전기자동차로 나누며 모터 구동방식에 따라 인휠 타입과 인라인 타입 전기자동차로 구분한다. 전기자동차에 사용되는 인휠 모터 시스템은 기존의 인라인 모터 시스템과는 다르게 구동모터가 자동차 바퀴의 휠 안에 장착되어 있다.

데이터처리

기저속도(Base Speed) 이하에서는 정토크 운전을 하고 기저속도 이상의 정출력 구간에서는 약자속 운전을 한다. 모터의 실제 출력을 확인하여 설계 시뮬레이션 값과 비교 검토한다.

이론/모형

만일 토크센서의 피드백이 없는 시스템 상태 하에서는 인버터가 출력토크를 지령에 맞게 내보내기 위해서 토크를 추정(Torque Estimation)하는 알고리즘 구현이 필요하다. 보다 정확한 토크 추정 계산을 위해 2중 선형 보간법(Bilinear Interpolation)을 사용하여 비선형구간에서의 Ld, Lq 파라미터를 산정하고 id와 iq를 구한다.
따라서 데이터 생성의 단순화와 편이성을 위해 i_d와 i_q를 실시간으로 계산 하지 않고 미리 구하여 테이블화 하여 적용한다. 샘플링 사이의 값들은 2중 선형 보간법(Bilinear Interpolation)을 사용하여 구한다.

성능/효과

이 시험으로 차량의 최대부하 상태에서 가감속 시 토크 지령 대비, 출력토크의 오차율을 파악하였다. 측정 결과, 목표 사양 5% 이내에 만족한 값을 얻었으며 실제 차량에 장착하여 테스트를 진행하여 차량의 적용에 적합함을 보였다.
또한 모터를 직접 제어하여 토크를 얻기 때문에 빠른 응답성을 가지고 있으며 인라인 방식에 비해 향상된 주행 성능을 가능하게 한다. 특히 차량의 회전 시 각각의 독립적인 토크 발생이 가능하여 추가적인 기능 없이 차량의 안정성을 구현할 수가 있다.

후속연구

모터와 드라이버의 특성과 구동을 위한 토크 추정기법을 설명하고 출력을 확인하였다. 이러한 시스템 구조와 제어방법이 인휠 모터 시스템에 적용할 수 있음을 확인하며 최적의 시스템 연구에 도움이 되리라 사료된다.
차후 전기자동차의 약자속 운전 시 고정자 저항성분 전압을 고려한 연구가 계속적으로 필요하며 특히 IPMSM의 경우 부하와 운전속도에 따라 파라미터가 변동되는 특성을 고려한 제어기의 설계가 요구된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	인라인 타입이란?	전기자동차에 사용되는 인휠 모터 시스템은 기존의 인라인 모터 시스템과는 다르게 구동모터가 자동차 바퀴의 휠 안에 장착되어 있다. 인라인 타입은 보통 축에 연결되어 있는 2개의 바퀴를 모터 한 대로 구동하나 인휠 타입은 바퀴 하나를 모터 하나가 구동하는 독립적인 시스템으로 이루어져 있어 자동차의 추진력을 축을 통해서가 아닌 모터를 직접 제어하여 얻게 되는 방식이다. 인휠 타입의 전기자동차는 기존의 자동차에서 사용하였던 변속기, 축, 차동기어 등을 제거 할 수 있어 구조가 간단해 지고 차체를 경량화 시킬 수 있으며 에너지의 효율 증대를 가져 오는 장점이 있다[1-4].
	전기자동차는 어떻게 나뉘는가?	전기자동차는 동력원에 따라 배터리만을 사용하는 순수 전기자동차와 기존의 연료를 같이 사용하는 하이브리드 전기자동차로 나누며 모터 구동방식에 따라 인휠 타입과 인라인 타입 전기자동차로 구분한다. 전기자동차에 사용되는 인휠 모터 시스템은 기존의 인라인 모터 시스템과는 다르게 구동모터가 자동차 바퀴의 휠 안에 장착되어 있다.
	인휠 타입의 차량 안정성 측면에서 장점은?	또한 모터를 직접 제어하여 토크를 얻기 때문에 빠른 응답성을 가지고 있으며 인라인 방식에 비해 향상된 주행 성능을 가능하게 한다. 특히 차량의 회전 시 각각의 독립적인 토크 발생이 가능하여 추가적인 기능 없이 차량의 안정성을 구현할 수가 있다.

참고문헌 (9)

U-sok Chong, Beom-jin Jeon, Seung-ki Sul, Jin-hoon Jung, "A Study on the Control of 4WD EV", KIEE, pp.172-174, Nov. 1994.
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Watts, A., Vallance, A., Whitehead, A., Hilton, C. et al., "The Technology and Economics of In-Wheel Motors," SAE Int. J. Passeng. Cars - Electron. Electr. Syst. 3(2):37-57, 2010.

상세보기
King-Jet, T., and Chen, G.H., "Computer-Aided Design and Analysis of Direct-Driven Wheel Motor Drive", IEEE transaction on Power Electronics, Vol. 12, NO. 3, May 1997, pp. 517-519.

상세보기
Youngchoon Choi, Chiman Park, Jeongmin Kim, Seoho Choi, Hyunsoo Kim, "Control Algorithm for a In-wheel Independent Drive Electric Vehicle", KSAE, pp.2054-2059, 2008.
J. Wai, T. M. Jahns, "A New Control Technique for Achieving Wide Constant Power Speed Operation with an Interior PM Alternator Machine", Industry Applications Conference, 2001.
Jain, M.,"Suitability Analysis of In-Wheel Motor Direct Drives for Electric and Hybrid Electric Vehicles", Electrical Power & Energy Conference (EPEC), 2009 IEEE
B. Francois, A. Bouscayrol, "Decoupled control of two induction motors fed by a five-phase voltage source inverter", in Proceedings of the ElectrIMACS'99, vol. 3, Lisbon, September 1999, pp. 313-318.
Kheng Cher Yeo, "Comparison of Torque Estimators for PMSM", Power Engineering Conference, 2008. AUPEC '08. Australasian Universities, 14-17 Dec. 2008.

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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