[논문]전동 통합 샤시를 이용한 2륜 독립구동 차량의 선회성능 향상에 관한 연구

박진현; 최정훈; 송현우; 황성호

doi:10.3795/ksme-a.2013.37.7.937

전동 통합 샤시를 이용한 2륜 독립구동 차량의 선회성능 향상에 관한 연구
Study of Driving Stability Performance of 2-Wheeled Independently Driven Vehicle Using Electric Corner Module 원문보기

大韓機械學會論文集. Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers. A. A, v.37 no.7, 2013년, pp.937 - 943

박진현 (성균관대학교 기계공학부) , 최정훈 (성균관대학교 기계공학부) , 송현우 (성균관대학교 기계공학부) , 황성호 (성균관대학교 기계공학부)

초록
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독립 구동형 전동 통합 샤시 시스템은 시스템 내구 성능 관련 신뢰성 확보, 구동 전동기 고장 시 차량 안정성 확보, 차륜 중량 증가에 따른 Ride & Handling 성능 저하 등의 문제로 실제 차량에 적용이 지연되고 있다. 본 논문에서는 이러한 문제들 중 Ride & Handling 문제를 해결하기 위해 차량의 주행성능 평가가 가능한 시뮬레이터를 개발하였다. MATLAB/Simulink를 이용하여 독립구동형 전동 샤시 시스템이 적용된 소형 전기 자동차를 모델링 하였으며, 27자유도의 차량 거동 해석이 가능한 CarSim을 이용하여 차량동역학을 모델링 하였다. 개발된 시뮬레이터를 활용하여 차량의 주행 안정성을 향상을 위한 알고리즘을 개발/검증함으로써 차량의 Ride & Handling 성능 저하 문제를 해결하고자 하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

An independently driven electric corner module cannot be applied to an actual vehicle without some difficulty, because of vehicle safety problems in the case of malfunctions and degraded ride and handling performance owing to the increase in the unsprung mass. In this study, a simulator is developed to evaluate the vehicle driving performance in order to solve ride and handling problems. Component modeling of a small-sized electric vehicle with an independently driven electric corner module is performed using MATLAB/Simulink. The vehicle is modeled by using CarSim, which can be used to analyze the vehicle maneuvers with 27 DOFs. The control algorithm for the improvement of vehicle driving safety and ride and handling performance is validated by using the developed simulator.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

개발된 시뮬레이터는 다양한 조건에서 차량의 직진/선회/가속/제동시의 거동특성을 파악 할 수 있도록 도와줌으로써 독립구동형 전동 샤시 시스템의 Ride & Handling 성능 향상을 위한 기반 기술을 확보하고자 하였다.
이러한 문제를 해결하기 위해서는 전동 통합 샤시 시스템의 주행안전 제어로직 개발이 선행되어야 하는데, 대상 차량의 시스템이 완성되지 않은 시점에서 주행제어 알고리즘을 개발 및 검증하는 것은 매우 어려운 일이다. 따라서 본 과제에서는 대상차량을 S/W환경에 모사하고, 차량의 거동특성을 분석할 수 있는 환경을 개발함으로써 이러한 문제 해결의 기반 기술을 확보하고자 한다.
(2) 독립구동형 전동샤시 시스템이 적용된 차량의 주행안정성 성능 향상을 위하여 토크 벡터링 기법을 도입하고자 하였으며, 이를 위하여 플로우차트를 작성하였다. 또한 토크 벡터링을 기법의 활용을 위해 기본적으로 요구되는 차량의 요구 선회량 계산 알고리즘을 제안함으로써 주행 안전성 성능 향상을 위한 기반 기술을 확보하고자 하였다. 또한 제안된 요구 선회량 계산 알고리즘을 활용하여 토크 벡터링 알고리즘을 개발하였으며, 개발된 알고리즘의 검증을 위하여 시뮬레이션을 수행하였다.
본 논문에서는 모터의 각속도에 따른 출력토크와 그에 따른 모터 효율 특성을 이용하여 단순 모델링을 하였으며, 모델링에 이용된 데이터는 대상 모터의 다이나모 실험을 통해 얻어진 결과이다. 최종적으로 모터 모델을 MATLAB/Simulink를 활용하여 Fig.
본 연구는 이러한 전동 샤시 시스템의 다양한 문제들 중 Ride & Handling 관점의 문제를 해결하기위한 기반 기술을 확보하고자 한다.
차량의 주행 안전성 평가를 위해서는 다자유도의 차량동역학 해석 시뮬레이터를 필요로 한다. 본 연구에서는 이러한 다자유도의 차량동역학 해석을 위해 앞서 설명한 MATLAB/Simulink기반의 시뮬레이터와 상용의 차량 동역학 해석프로그램인 CarSim의 Co-Simulation 환경을 구축함으로써 이러한 문제를 해결하고자 하였다. Fig.
또한 차량의 거동특성 파악을 위하여 CarSim을 이용하여 대상차량을 모델링하였다. 이렇게 각각 구성된 성능 평가 환경을 이용해 Co-Simulation을 수행함으로써 차량의 주행 안전성 성능 평가 기반 기술을 확보하고자 하였다.

제안 방법

(1) 독립구동형 전동 샤시 시스템이 적용된 소형 전기자동차의 주행 안전성 성능평가 환경 구축을 위하여 시뮬레이터를 개발하였다. 차량의 구동 성능평가를 위해 MATLAB/Simulink를 이용하여, 차량의 구동계를 모델링하였다.
(2) 독립구동형 전동샤시 시스템이 적용된 차량의 주행안정성 성능 향상을 위하여 토크 벡터링 기법을 도입하고자 하였으며, 이를 위하여 플로우차트를 작성하였다. 또한 토크 벡터링을 기법의 활용을 위해 기본적으로 요구되는 차량의 요구 선회량 계산 알고리즘을 제안함으로써 주행 안전성 성능 향상을 위한 기반 기술을 확보하고자 하였다.
문제 해결을 위해 먼저 차량의 주행성능 평가가 가능한 시뮬레이터를 개발하였다. MATLAB/Simulink를 이용하여 독립구동형 전동 샤시 시스템이 적용된 소형 전기 자동차를 모델링 하였으며, 27자유도의 차량 거동 해석이 가능한 CarSim을 이용하여 차량동역학을 모델링 하였다. 개발된 시뮬레이터는 다양한 조건에서 차량의 직진/선회/가속/제동시의 거동특성을 파악 할 수 있도록 도와줌으로써 독립구동형 전동 샤시 시스템의 Ride & Handling 성능 향상을 위한 기반 기술을 확보하고자 하였다.
또한 토크 벡터링을 기법의 활용을 위해 기본적으로 요구되는 차량의 요구 선회량 계산 알고리즘을 제안함으로써 주행 안전성 성능 향상을 위한 기반 기술을 확보하고자 하였다. 또한 제안된 요구 선회량 계산 알고리즘을 활용하여 토크 벡터링 알고리즘을 개발하였으며, 개발된 알고리즘의 검증을 위하여 시뮬레이션을 수행하였다. 시뮬레이션 수행결과 토크 벡터링이 적용된 차량의 주행안정성이 크게 향상됨을 확인할 수 있었으며, 이러한 토크 벡터링 알고리즘은 추후 독립 구동형 전동 샤시시스템의 주행 안정성 확보에 도움이 될 것으로 기대된다.
차량의 구동 성능평가를 위해 MATLAB/Simulink를 이용하여, 차량의 구동계를 모델링하였다. 또한 차량의 거동특성 파악을 위하여 CarSim을 이용하여 대상차량을 모델링하였다. 이렇게 각각 구성된 성능 평가 환경을 이용해 Co-Simulation을 수행함으로써 차량의 주행 안전성 성능 평가 기반 기술을 확보하고자 하였다.
본 연구는 이러한 전동 샤시 시스템의 다양한 문제들 중 Ride & Handling 관점의 문제를 해결하기위한 기반 기술을 확보하고자 한다. 문제 해결을 위해 먼저 차량의 주행성능 평가가 가능한 시뮬레이터를 개발하였다. MATLAB/Simulink를 이용하여 독립구동형 전동 샤시 시스템이 적용된 소형 전기 자동차를 모델링 하였으며, 27자유도의 차량 거동 해석이 가능한 CarSim을 이용하여 차량동역학을 모델링 하였다.
배터리는 모터의 운전 상태에 따라 충․방전이 연속적으로 이루어지므로 배터리 SoC(State of Charge) 및 충전 특성을 고려해야 한다. 본 논문에서는 이러한 배터리의 특성을 반영한 내부저항 모델을 사용하여 배터리 입․출력 동력과 SoC를 계산하였다. 키르히호프 법칙(Kirchhoff's law)에 의한 충․방전시의 배터리 전압은 다음과 같다.
요구 선회량 계산값의 유효성 검증을 위하여, 계산된 요구선회량 값(deg/s)과 실제 CarSim의 선회량 값(deg/s)을 비교하는 시뮬레이션을 수행하였다. 시뮬레이션 조건은 선회반경 150m를 저속으로 등속 운동하도록 설정하였다. 이러한 주행상황에서는 차량의 미끄러짐이 작기 때문에 요구 선회량 값이 시뮬레이션을 통해 얻은 결과값을 추종할 경우 요구선회량 계산 값의 유효성을 확보할 수 있을 것으로 판단하였다.
알고리즘의 성능 평가를 위하여 컨트롤 알고리즘이 탑재된 차량과 탑재되지 않은 차량의 비교 시뮬레이션을 수행하였다. 시뮬레이션 결과는 Fig.
요구 선회량 계산값의 유효성 검증을 위하여, 계산된 요구선회량 값(deg/s)과 실제 CarSim의 선회량 값(deg/s)을 비교하는 시뮬레이션을 수행하였다. 시뮬레이션 조건은 선회반경 150m를 저속으로 등속 운동하도록 설정하였다.
CarSim에서는 전달받은 신호를 이용하여 차량의 속도와 각차륜의 속도 및 차량의 거동 특성을 계산하고, 계산된 차량의 속도와 차량의 요레이트 좌/우 후륜의 속도를 MATLAB/Simulink로 입력해주게 된다. 이와 같이 폐루프 시뮬레이션 환경을 구축함으로써 추후 개발 될 전동통합 샤시 시스템의 주행안전 제어 로직평가를 위한 환경을 구축하였다.
이렇게 구해진 배터리 전압과, 배터리 동력, 전류와의 관계식을 이용하여 충전과 방전시의 전류 특성을 식 (3),(4)와 같이 유도 하였다. 전류 특성 계산 시 이용되는 SoC에 따른 배터리 전압 및 내부저항 값은 OCV(Open Circuit Voltage)실험을 통해 Fig. 2와 같이 구하였다.
9와 같이 정립하였다. 제안된 플로우차트는 운전자의 엑셀레이터 페달 입력 값과 브레이크 페달 입력 값, 스티어링 입력값을 이용해 차량의 가속/제동/선회를 판단하며, 그에 따라 각 구동륜의 토크를 증가 혹은 감소시키도록 구성되어있다. Fig.
지금까지 제안된 컨트롤 알고리즘의 유효성 검증을 위하여, 2장에서 개발된 전동통합샤시 시뮬레이터를 활용하여 성능 검증 시뮬레이션을 수행하였다. 시뮬레이터에 탑재하기에 앞서 개발된 알고리즘을 Fig.

대상 데이터

본 연구에서 목표로 하는 차량은 후륜기반의 전동부하 분산 시스템이 적용된 소형 전기자동차이다. 이러한 전동부하 분산 시스템이 적용된 차량의 경우 좌/우 차륜의 독립 구동이 가능해지기 때문에, 그에 따른 차량 안전성 확보기술은 우선적으로 해결해야할 과제라고 할 수 있다.

이론/모형

하지만 차량 선회시나 비대칭 노면주행등과 같은 상황에서는 차량의 주행 안전성 확보를 위해 구동륜의 토크제어가 효율적으로 이루어져야 한다는 문제가 있다. 이러한 문제 해결을 위해 토크 벡터링 기법을 활용하고자 하였다.
(1) 독립구동형 전동 샤시 시스템이 적용된 소형 전기자동차의 주행 안전성 성능평가 환경 구축을 위하여 시뮬레이터를 개발하였다. 차량의 구동 성능평가를 위해 MATLAB/Simulink를 이용하여, 차량의 구동계를 모델링하였다. 또한 차량의 거동특성 파악을 위하여 CarSim을 이용하여 대상차량을 모델링하였다.
본 논문에서는 모터의 각속도에 따른 출력토크와 그에 따른 모터 효율 특성을 이용하여 단순 모델링을 하였으며, 모델링에 이용된 데이터는 대상 모터의 다이나모 실험을 통해 얻어진 결과이다. 최종적으로 모터 모델을 MATLAB/Simulink를 활용하여 Fig. 4와 같이 구성 하였다.

성능/효과

13의 그래프는 동일한 속도조건에서 1rad/s의 Sine 곡선형태의 스티어링 입력을 주었을 때 차량의 Yaw rate 응답 특성을 확인 한 결과이다. 결과를 보면알 수 있듯이 토크 벡터링이 적용되지 않은 차량의 경우 속도가 빨라짐에 따라 차량이 오버스티어 현상을 보임을 확인할 수 있다. 하지만 토크 벡터링이 적용된 차량의 경우 오버스티어 현상이 많이 감소함을 확인할 수 있었다.
계산된 선회량 및 측정된 선회량이 5.2(deg/s)정도로 수렴함을 볼 수 있음을 확인할 수 있는데, 이는 일정한 선회반경을 등속 운동함에 따라 선회량이 일정한 값으로 수렴하는 결과이다.
그래프의 실선으로 나타난 그래프가 차량의 요구 경로이고, ★로 표시된 그래프가 토크 벡터링을 적용하지 않은 차량의 주행 경로, X로 표시된 그래프가 토크 벡터링이 적용된 차량의 주행 경로이다. 그래프를 보면 알 수 있듯이 토크 벡터링이 적용된 차량의 주행 결과가 차량의 요구 주행 경로에서 이탈이 적음을 확인할 수 있다.
하지만 내측륜의 구동 토크를 줄이고 외측륜의 구동 토크를 늘인 경우 외측륜의 횡력은 감소하하게되지만, 내측륜의 경우 마찰원 범위보다 작은 구동력으로 인해 횡력을 발생시키게 된다. 따라서 전체적인 횡력이 토크 분배를 하지 않은 경우보다 증가하게 됨을 확인할 수 있다. ^(4,6,8)
시뮬레이션 조건은 선회반경 150m를 저속으로 등속 운동하도록 설정하였다. 이러한 주행상황에서는 차량의 미끄러짐이 작기 때문에 요구 선회량 값이 시뮬레이션을 통해 얻은 결과값을 추종할 경우 요구선회량 계산 값의 유효성을 확보할 수 있을 것으로 판단하였다. Fig.

후속연구

또한 제안된 요구 선회량 계산 알고리즘을 활용하여 토크 벡터링 알고리즘을 개발하였으며, 개발된 알고리즘의 검증을 위하여 시뮬레이션을 수행하였다. 시뮬레이션 수행결과 토크 벡터링이 적용된 차량의 주행안정성이 크게 향상됨을 확인할 수 있었으며, 이러한 토크 벡터링 알고리즘은 추후 독립 구동형 전동 샤시시스템의 주행 안정성 확보에 도움이 될 것으로 기대된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	전동부하 분산 시스템의 차량 안전성 확보기술을 위해 선행되어야 하는 것은 무엇인가?	이러한 전동부하 분산 시스템이 적용된 차량의 경우 좌/우 차륜의 독립 구동이 가능해지기 때문에, 그에 따른 차량 안전성 확보기술은 우선적으로 해결해야할 과제라고 할 수 있다. 이러한 문제를 해결하기 위해서는 전동 통합 샤시 시스템의 주행안전 제어로직 개발이 선행되어야 하는데, 대상 차량의 시스템이 완성되지 않은 시점에서 주행제어 알고리즘을 개발 및 검증하는 것은 매우 어려운 일이다. 따라서 본 과제에서는 대상차량을 S/W환경에 모사하고, 차량의 거동특성을 분석할 수 있는 환경을 개발함으로써 이러한 문제 해결의 기반 기술을 확보하고자 한다.
	독립 구동형 전동 샤시 시스템의 장점은 무엇인가?	독립 구동형 전동 샤시 시스템은 구동계 간소화에 의한 연비향상, 차륜별 독립구동에 의한 차량 주행성능 향상 및 동축 전동기, 감속기 및 디퍼렌셜 기어등의 삭제에 의한 공간 효율성 증대를 통한 차량 설계 자유도 및 승차 공간 확보가 가능하다는 장점이 있다. 또한 엔진에 비해 빠른 응답특성을 갖고 있는 모터를 각 차륜의 독립 구동원으로 사용하기 때문에 별도의 추가 장치 없이 ABS, TCS, VDC와 같은 기술 구현이 가능하다는 장점이 있다. 이러한 이유로 세계유수의 자동차 및 부품 회사들은 독립구동형 전동 샤시 시스템의 원천기술 확보를 위해 다양한 연구를 수행하고 있으나, 시스템 내구 성능 관련 신뢰성 확보, 구동 전동기 고장 시 차량 안정성 확보, 차륜 중량 증가에 따른 Ride & Handling 성능 저하 등의 문제로 적용이 지연되고 있다.
	독립구동형 전동 샤시 시스템의 적용이 지연되고 있는 이유는 무엇인가?	또한 엔진에 비해 빠른 응답특성을 갖고 있는 모터를 각 차륜의 독립 구동원으로 사용하기 때문에 별도의 추가 장치 없이 ABS, TCS, VDC와 같은 기술 구현이 가능하다는 장점이 있다. 이러한 이유로 세계유수의 자동차 및 부품 회사들은 독립구동형 전동 샤시 시스템의 원천기술 확보를 위해 다양한 연구를 수행하고 있으나, 시스템 내구 성능 관련 신뢰성 확보, 구동 전동기 고장 시 차량 안정성 확보, 차륜 중량 증가에 따른 Ride & Handling 성능 저하 등의 문제로 적용이 지연되고 있다. (1~5,9)

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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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