[논문]차량 동역학 기반 다축 동력 전기 차량의 부하 최적화 로직 개발

정종렬; 신창우; 임원식; 차석원; 장명언

doi:10.7467/ksae.2013.21.4.008

차량 동역학 기반 다축 동력 전기 차량의 부하 최적화 로직 개발
Development of Optimization Logic for Electric Vehicle with Multiple Axle Power System Based on Vehicle Dynamics 원문보기

한국자동차공학회논문집 = Transactions of the Korean Society of Automotive Engineers, v.21 no.4, 2013년, pp.8 - 15

정종렬 (서울대학교 기계항공공학부) , 신창우 (서울대학교 기계항공공학부) , 임원식 (서울과학기술대학교 기계자동차공학과) , 차석원 (서울대학교 기계항공공학부) , 장명언 (국방과학연구소 제5기술연구본부)

Abstract ▼ AI-Helper

Recently many kinds of electric vehicles have been developed as many governments demand the environmental friendly vehicles. In this paper, study of load optimization for the electric vehicle which has multiple axle power system was conducted. For the analysis of the vehicle which has three or four driving axles, a method based on the geometry and assumptions that considering axles as a spring model and normal forces of the axles are proportional to the displacement of the axles was applied with basic vehicle dynamics. With the developed vehicle analysis technique, algorithm to find the optimal motor operating points was developed. Using this algorithm, it was possible to find the optimization of vehicle load distribution for multiple axles according to the driving cycles. Also, control logic for the vehicle can be developed based on the optimization simulation results.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

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문제 정의

본 논문에서는 3축 이상의 다축 동력 전기 차량의 다중 부하 최적화 로직을 개발하였다. 개발된 로직을 이용하여 3축 5톤급 군용 전기 차량에 대한 시뮬레이션을 수행하였으며, 이를 통해 30kW급 모터 1개와 50kW급 모터 2개의 최적 모터 용량 조합을 선정하였다.
본 연구에서는 6륜, 8륜 등 다륜 구동 전기 차량의 주행에 따른 각 축 수직항력, 추진력 및 주행 저항에 대해서 분석하였다.

가설 설정

를 계산하는데 어려움이 있다. 따라서 본 논문에서는 Fig. 2와 같이 각 축의 수직항력을 스프링 모델로 가정하고 각 축의 수직항력이 축의 수직선상 위치 변화량에 비례한다고 가정하고 수식을 전개하였다. 이러한 내용은 식(3) - (7)과 같이 정리하였다.

제안 방법

1) 본 논문에서는 기존의 2축 종방향 차량 동역학 해석을 응용하여 3축 이상 다축의 종방향 차량 동역학 해석을 통한 주어진 차량 제원 및 주행 사이클에 따른 차량상태 해석 수식을 전개하였다.
2) 정의된 다축 차량 동역학 식을 이용하여 각 축에 개별적으로 모터가 연결된 다축 동력 전기 차량의 다중 부하 최적화 로직을 개발하였다.
2절에서 정의된 각 축 수직항력 분석식을 이용하여 주어진 차량 제원과 주행 사이클 상태에서의 각축 수직항력을 Fig. 6과 같이 분석하였다. 시뮬레이션을 위하여 주행 사이클 ‘ECE’가 적용되었다.
3.1절에서 설명한 다축 부하 최적화 시뮬레이션을 각 축의 모터 조합을 다르게 하여 시뮬레이션을 수행하였다. 각 축의 모터 조합에 대한 자세한 사항은 Table 2에 표시하였다.
각 모터의 출력 및 효율은 각 축의 슬립율에 따라서 결정되기 때문에 축1 및 축2의 슬립율을 변화시켜가면서 배터리출력 Pbat이 최소화 되는 세 모터의 회전속도를 찾는 로직을 구성하였다.
본 연구에서는 기존에 4륜 구동 차량에 대해서 진행되었던 다중 부하 분배 최적화 문제를 6륜 및 8륜 차량으로 확대·적용하였다. 각 축에 연결된 3개 또는 4개 모터의 구동력 및 제동력(회생 제동력) 배분 최적화에 대한 연구를 수행하기 위해 필요한 각 축 수직항력 및 슬립율에 따른 구동력 변화를 분석하였다. 기존 4륜 차량과 달리 6륜, 8륜 등 다륜 차량의 수직항력 분석을 위하여 기하학 및 스프링 모델에 근거한 차량 동역학 모델을 제시하였다.
개발된 수식 및 시뮬레이션 로직을 이용하여 주어진 제원의 차량이 정해진 주행 사이클을 따라 주행할 때의 각 축 수직항력 변화 및 각 축 모터의 운전 최적화 시뮬레이션을 수행하였다.
각 축에 연결된 3개 또는 4개 모터의 구동력 및 제동력(회생 제동력) 배분 최적화에 대한 연구를 수행하기 위해 필요한 각 축 수직항력 및 슬립율에 따른 구동력 변화를 분석하였다. 기존 4륜 차량과 달리 6륜, 8륜 등 다륜 차량의 수직항력 분석을 위하여 기하학 및 스프링 모델에 근거한 차량 동역학 모델을 제시하였다. 분석 결과를 통해 주어진 차량 제원과 주행 사이클 상태에서의 최적의 각 축 모터 회전 속도 및 출력 토크의 분석이 가능한 로직을 구성하였으며, 이를 통해 효율적인 차량 시스템 구성 및 주행 전략 개발이 가능할 것으로 예상된다.
본 연구에서는 6륜, 8륜 등 다륜 구동 전기 차량의 주행에 따른 각 축 수직항력, 추진력 및 주행 저항에 대해서 분석하였다. 기존의 4륜 구동 차량과는 달리 차량의 구동축이 3개 이상 존재하므로 기존 차량 동역학 수식 및 추가적인 기하학적 분석 및 스프링 모델을 응용한 수식을 적용하여 차량의 상태를 분석하였다.
다축 차량 동역학 분석을 통하여 차량의 무게중심의 위치와 감•가속 변화에 따른 각 축의 수직항력 변화를 확인하였으며 이를 적용한 다중 부하 최적화 시뮬레이션을 수행하였다.
본 연구에서는 기존에 4륜 구동 차량에 대해서 진행되었던 다중 부하 분배 최적화 문제를 6륜 및 8륜 차량으로 확대·적용하였다.
본 절에서는 2절에서 제시된 각 축 수직항력 계산식을 이용하여 주어진 주행 사이클 주행 시 각축 모터의 운전 최적화 시뮬레이션을 수행하고 그 결과를 분석하였다.
분석한 수직항력 값을 이용하여 3절의 부하 최적화 로직에 적용, 주행 상태에 따른 최적의 모터 운전점 분석을 수행하였다.
시뮬레이션은 ‘Japan 1015’ 주행 사이클을 적용하여 수행되었으며, 3축 차량에 대하여 2개 모터를 활용한 2개 조합을 구성하여 수행되었다.
총 4개의 관계식을 이용하여 각 축 변화량 δ1, δ2, δ3 및 δ4를 계산한 후 이를 통해 각 축의 수직항력을 스프링 모델을 통해 계산한다.

대상 데이터

본 논문에서는 3축 이상의 다축 동력 전기 차량의 다중 부하 최적화 로직을 개발하였다. 개발된 로직을 이용하여 3축 5톤급 군용 전기 차량에 대한 시뮬레이션을 수행하였으며, 이를 통해 30kW급 모터 1개와 50kW급 모터 2개의 최적 모터 용량 조합을 선정하였다. 차량의 무게 중심축이 뒤쪽에 있는 차량이기 때문에 차량의 앞쪽 축 1에 30kW급 모터를 배치하는 것이 주행 사이클 ‘Japan 1015’ 주행 시 상대적으로 적은 SOC 감소를 보이는 것을 확인하였다.
대상 차량은 5톤급 3축 군용 차량으로서 30kW급 모터 1개 및 50 kW급 모터 2개를 조합한 차량 동력계를 가진다. 자세한 제원은 Table 1과 같다.
본 연구에 적용된 차량은 전기차량으로서 3개 이상의 구동 모터를 차량의 구동 또는 제동(회생제동)에 이용한다. 각 모터는 차량의 각 축에 별도로 연결되어 독립적으로 구동되므로 각기 다른 출력, 회전 속력 및 출력 토크로 제어할 수 있다.
본 연구에서 적용한 차량은 차량의 구동 모터가 각 축마다 개별적으로 연결되어 있는 구조이다. 3축 차량의 경우 총 3개의 모터가 개별적인 회전속도 및 출력 토크로 운전이 가능하다.

이론/모형

후방향 시뮬레이션(Backward Simulation)의 수행을 위하여 고려된 차량부하는 공기저항, 구름저항, 등판저항 및 가속저항이 고려되었으며⁸⁾ 모터는 효율 맵기반의 모델을 이용하였으며 배터리는 SOC 상태에 따른 전압 및 저항 맵기반 모델을 적용하였다. ⁹⁾

성능/효과

Table 3은 주행 사이클을 모두 주행했을 때의 SOC 변화량을 표시한 것이다. SOC 감소량이 적은 것이 효율이 좋은 것을 나타내며, 시뮬레이션 1이 2보다 상대적으로 효율이 좋은 것을 알 수 있다. 차량의 무게 중심이 차량 뒤쪽에 있기 때문에 감속시 축 3의 모터에서 많은 양의 회생 제동이 가능할 것으로 예상된다.
차량의 무게 중심이 차량 뒤쪽에 있기 때문에 감속시 축 3의 모터에서 많은 양의 회생 제동이 가능할 것으로 예상된다. 시뮬레이션1의 경우 축 3에 최대 출력 50kW의 모터가 적용되었으며 구동과 제동 모두 고 토크 영역에서 많은 작동을 보인 것을 확인할 수 있다. 그러나 시뮬레이션 2의 경우 상대적으로 모터의 최대 출력이 작기 때문에 시뮬레이션 1보다 큰 SOC 감소가 발생한 것으로 생각할 수 있다.
무게 중심이 차량 앞쪽에 있기 때문에 정지 상태에서 차량의 앞쪽 축인 축 1의 수직항력 백분율이 높은 것을 확인할 수 있다. 앞선 결과와 같이 차량이 가속 시에는 차량 뒤쪽 축 3의 수직항력 백분율이 증가하며 감속 시에는 축1의 수직항력 백분율이 증가하는 것을 확인할 수 있었다.
개발된 로직을 이용하여 3축 5톤급 군용 전기 차량에 대한 시뮬레이션을 수행하였으며, 이를 통해 30kW급 모터 1개와 50kW급 모터 2개의 최적 모터 용량 조합을 선정하였다. 차량의 무게 중심축이 뒤쪽에 있는 차량이기 때문에 차량의 앞쪽 축 1에 30kW급 모터를 배치하는 것이 주행 사이클 ‘Japan 1015’ 주행 시 상대적으로 적은 SOC 감소를 보이는 것을 확인하였다. 본 논문을 통하여 다음과 같은 연구를 수행하였으며 아래와 같은 효과가 기대된다.

후속연구

3) 추후 개발된 로직을 이용하여 차량의 최적 모터 용량 조합 선정 및 후방향 시뮬레이션 결과를 바탕으로 한 차량 제어 로직 개발 등이 가능할 것으로 기대된다.
동일한 방식으로 4축이상의 다축 차량에 대한 다중 부하 최적화 시뮬레이션 또한 수행 가능하며 추 후 이러한 시뮬레이션 결과를 토대로 차량의 최적 모터 용량 조합 선정 및 제어 전략 구성 등이 가능할 것으로 기대된다.
기존 4륜 차량과 달리 6륜, 8륜 등 다륜 차량의 수직항력 분석을 위하여 기하학 및 스프링 모델에 근거한 차량 동역학 모델을 제시하였다. 분석 결과를 통해 주어진 차량 제원과 주행 사이클 상태에서의 최적의 각 축 모터 회전 속도 및 출력 토크의 분석이 가능한 로직을 구성하였으며, 이를 통해 효율적인 차량 시스템 구성 및 주행 전략 개발이 가능할 것으로 예상된다. 2절에서는 본 연구에 적용된 차량의 구조 및 적용된 차량 동역학 모델에 대한 설명을 한 후, 3절에서는 개발된 로직과 그 로직을 이용한 시뮬레이션 결과를 분석한다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	3축 차량의 특징은?	본 연구에서 적용한 차량은 차량의 구동 모터가 각 축마다 개별적으로 연결되어있는 구조이다. 3축 차량의 경우 총 3개의모터가 개별적인 회전속도 및 출력 토크로 운전이 가능하다. 따라서 타이어의 회전속도 및 요구 출력 토크에 따른 운전 최적화가 가능하다. 개발된 최적화 로직은 Fig.
	타이어의 슬립율에 따른 차량의 동역학적 특징은?	타이어의 슬립율이 증가할수록 타이어 마찰력이 증가하여 구동축에서 지면으로 전달하는 추진력이 증가하게 된다. 3,5-7) 따라서 구동축에서 지면으로 전달하는 추진력은 타이어 슬립율에 의한 함수가 되기 때문에 모터의 출력 토크는 타이어의 슬립율에 의한 함수가 된다.
	친환경 차량의 개발 중 가장 주목받고 있는 차량은?	전 세계적으로 차량의 온실가스 배출에 대한 규제가 강화됨에 따라 세계의 여러 자동차 생산 업체들은 다양한 친환경 차량의 개발을 계속해 왔다. 특히 탄소 연료를 사용하지 않는 전기 차량은 학계를 비롯한 여러 자동차 생산 업체들의 주목을 받고 있다. 1) 이러한추세에따라프랑스, 중국및영국등세계 각국의 주요 도시 및 서울시에서는 전기자동차 보급을 목표로 다양한 정책을 추진중에 있다.

참고문헌 (9)

A. Nasri, A. Hazzab, I. K. Bousserhane, S. Hadjeri and P. Sicard, "Fuzzy Logic Speed Control Stability Improvement of Lightweight Electric Vehicle Drive," Journal of Electrical Engineering & Technology, Vol.5, No.1, pp.129-139, 2010.

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원문보기 상세보기
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K. Park, S. J. Heo, I. Paik and K. Yi, "Estimator Design for Road Friction Coefficient and Body Sideslip Angle for Use in Vehicle Dynamics Control Systems," Transactions of KSAE, Vol.9, No.2, pp.176-184, 2001.
L. Guzzella and A. Sciarretta, Vehicle Propulsion Systems, Springer, New York, 2nd Edn., pp.13-41, 2007.
L. Guzzella and A. Sciarretta, Vehicle Propulsion Systems, Springer, New York, 2nd Edn., pp.59-109, 2007.

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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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