[논문]휠 모터 구동 전기 버스의 차량 안정성 및 주행 성능을 고려한 통합 제어 로직 개발

정종렬; 최종대; 신창우; 이대흥; 임원식; 박영일; 차석원

doi:10.7467/ksae.2013.21.6.040

문제 정의

특히, 도심 시내버스의 경우 출발 및 정지가 반복적으로 발생하고 엔진 공회전이 빈번하게 발생하여 연비가 좋지 않은 특성이 있다.¹⁾ 본 논문은 이러한 기존 시내버스 차량의 연비, 배기 가스 및 구동 성능 등에서의 개선을 위한 휠 모터 구동 전기 버스에 대한 연구를 수행하였다.
2) 본 논문에서는 이러한 휠 모터 구동 전기 버스의 차량 안정성 및 주행 성능을 고려한 통합 제어 로직을 개발하고 상용 시뮬레이션 프로그램을 이용한 개발 제어 로직의 검증을 수행하였다.
본 논문에서는 휠 모터 구동 전기 버스의 차량 안정성 및 구동 성능 확보를 위한 제어 로직을 개발하였다. 개발된 제어 로직은 직접 요 모멘트 제어, 회생 제동제어 및 슬립 제어를 통합한 통합 제어 로직이다.
본 연구에서는 앞서 개발된 각 제어 로직을 통합하여 순차적인 과정을 통해 최종적으로 각 구동 모터에 출력 토크 또는 회생 제동 토크를 명령하는 제어 로직을 개발하였다. 이는 Fig.
본 연구에서는 휠 모터 구동 시스템의 통합 제어 로직 개발을 위하여 다양한 제어 로직의 개발 및 통합 과정이 수행되었다. 먼저, 휠 모터 구동 시스템의 좌·우 구동력이 각각 다르게 적용될 수 있는 특징을 고려한 직접 요 모멘트 제어(Direct yaw moment control) 로직이 개발되었으며, 전기 차량의 효율 개선에 중요한 요소인 회생 제동 제어 로직이 개발되었다.

가설 설정

하지만 비선형적인 관계를 바탕으로 한 슬립율의 계산은 상대적으로 많은 계산량을 필요로 하게 된다. 따라서 본연구에서는 식(7)과 같이 바퀴에서 전달되는 힘과 차량의 슬립율은 주어진 상수를 바탕으로 선형적인 관계를 갖는다고 가정하여 각 바퀴의 요구 슬립율을 계산하였다.

제안 방법

2) 적용된 슬립 제어의 검증을 위해 마찰계수가 0.15로 매우 미끄러운 도로면에서 역시 목표 최고 속도 65km/h의 주행 사이클을 추종하는 시뮬레이션을 수행하였다. 결과적으로 슬립제어가 적용된 차량의 경우 상대적으로 바퀴의 과도한 슬립 발생이 억제되면서 안정적으로 목표속도주행이 가능한 것을 확인할 수 있었다.
7) 본 연구에서는 Fig. 6의 시내 버스의 주행특성을 분석하여 개발된 주행사이클의 시뮬레이션 결과를 바탕으로 회생제동 제한 속도를 선정하였다.⁹⁾
7,8) 따라서 본 논문에서는 Fig. 5와 같이 전·후륜의 제동 분배량을 선정하여 적용하였다.
개발된 제어 로직 및 기존의 단순 요구 동력 동일 분배 제어 로직의 비교를 위하여 차량 거동 모사가 가능한 상용 시뮬레이션 프로그램인 MATLAB/ SIMULINK 및 TruckSim을 연동하여 시뮬레이션을 수행하였다. 각 시뮬레이션은 적용된 직접 요 모멘트 제어 및 슬립 제어의 검증을 위하여 목표 속도를 추종하는 선회 운동 시뮬레이션 및 마찰 계수가 낮은 미끄러운 도로에서의 목표 속도 추종 시뮬레이션을 수행하였다.
본 연구에서 개발된 직접 요 모멘트 제어, 회생 제동 및 슬립제어가 모두 적용된 통합 제어 로직(제어 로직 1) 및 직접 요 모멘트 제어 및 슬립제어가 적용되지 않고 회생 제동만 적용된 제어 로직(제어 로직 2)의 비교 분석을 통해 개발된 제어 로직의 안정성 및 성능을 비교·분석하였다. 각 제어 로직 적용시의 상황을 분석하기 위하여, 차량의 선회 성능 및 안정성을 시험할 수 있는 시뮬레이션 1과 미끄러운 노면에서의 차량의 슬립 제어 상태를 확인할 수 있는 시뮬레이션 2를 수행하였다.
또한 각 구동 바퀴의 과도한 슬립 발생을 억제하고 차량이 안정적으로 제어될 수 있도록 슬립 제어 로직을 개발 적용하였다. 개발된 각 제어 로직은 통합과정을 거쳐 휠 모터 구동 시스템 통합 제어 로직으로 시뮬레이션에 적용되었다.
개발된 제어 로직은 직접 요 모멘트 제어, 회생 제동제어 및 슬립 제어를 통합한 통합 제어 로직이다. 개발된 제어 로직 및 기존의 단순 요구 동력 동일 분배 제어 로직의 비교를 위하여 차량 거동 모사가 가능한 상용 시뮬레이션 프로그램인 MATLAB/ SIMULINK 및 TruckSim을 연동하여 시뮬레이션을 수행하였다. 각 시뮬레이션은 적용된 직접 요 모멘트 제어 및 슬립 제어의 검증을 위하여 목표 속도를 추종하는 선회 운동 시뮬레이션 및 마찰 계수가 낮은 미끄러운 도로에서의 목표 속도 추종 시뮬레이션을 수행하였다.
본 논문에서는 휠 모터 구동 전기 버스의 차량 안정성 및 구동 성능 확보를 위한 제어 로직을 개발하였다. 개발된 제어 로직은 직접 요 모멘트 제어, 회생 제동제어 및 슬립 제어를 통합한 통합 제어 로직이다. 개발된 제어 로직 및 기존의 단순 요구 동력 동일 분배 제어 로직의 비교를 위하여 차량 거동 모사가 가능한 상용 시뮬레이션 프로그램인 MATLAB/ SIMULINK 및 TruckSim을 연동하여 시뮬레이션을 수행하였다.
본 연구에서는, 먼저 연구에 적용된 휠 모터 구동 전기 버스 차량 시스템의 특징을 분석하고 시뮬레이션 수행을 위한 차량 시스템 모델링을 수행하였다. 다음으로 차량의 통합 제어 로직 개발을 위해 적용된 각종 제어 원리의 기본 개념을 분석하고 분석된 다양한 제어 로직을 통합한 통합 제어 알고리즘을 개발하였다. 개발된 제어 로직과 기존 적용된 단순 제어 로직을 개발된 시뮬레이션 프로그램에 적용하여 비교 및 검증하는 작업을 수행하였다.
반대로 제어 변수 K의 값이 작은 경우, 차량이 상대적으로 안정적인 상황에서는 민감한 반응을 보이지 않으나, 차속이 높고 선회율이 높은 과도한 주행 상황에서 요구 선회율을 상대적으로 추종하지 못하는 경향을 보인다. 따라서 본 연구에서는 Fig. 3과 같이 차량의 주행 속도와 선회율에 따른 횡방향 가속도 발생량을 분석하여 제어 변수 K를 상황에 따라 조절해 주는 제어로직을 적용하였다.
또한 슬립율이 일정 값 이상으로 커지게 되면 이는 바퀴에서 작용하는 힘의 감소를 초래하게 되며, 실질적인 차량에서 원하지 않는 슬립의 발생이 되게 된다. 따라서 본 연구에서는 차량의 요구 슬립율의 절대값은 0.1보다 작도록 제한하는 로직을 적용하였다. 식 (7)을 바탕으로 결정된 각 바퀴의 요구 슬립율 량 및 현재의 슬립율 량을 바탕으로 Fig.
0%의 회생 제동 가능 에너지량이 변화하게 된다. 따라서 본 연구에서는 회생 제동 제한 속도를 15km/h로 선정하여 제어 로직을 개발하였다.
먼저, 휠 모터 구동 시스템의 좌·우 구동력이 각각 다르게 적용될 수 있는 특징을 고려한 직접 요 모멘트 제어(Direct yaw moment control) 로직이 개발되었으며, 전기 차량의 효율 개선에 중요한 요소인 회생 제동 제어 로직이 개발되었다. 또한 각 구동 바퀴의 과도한 슬립 발생을 억제하고 차량이 안정적으로 제어될 수 있도록 슬립 제어 로직을 개발 적용하였다. 개발된 각 제어 로직은 통합과정을 거쳐 휠 모터 구동 시스템 통합 제어 로직으로 시뮬레이션에 적용되었다.
결정된 모터의 토크 명령을 SIMULINK 내의 모델링된 파워트레인 모델에서 각 모터의 명령 토크에 따른 효율 등을 고려한 출력 구동 토크를 계산하고, 다시 모터에서 출력된 구동 토크는 감속기 모델을 거쳐 바퀴로 출력되게 된다. 또한 모터의 구동 또는 회생제동을 위해 방전 또는 충전된 전류량을 바탕으로 배터리의 충전 상태(State of Charge, SOC)를 계산하게 된다. 이와같이 파워트레인에서 계산된 바퀴의 출력량을 바탕으로 TruckSim의 차량 모델에서는 차량의 6자유도 거동을 분석하게 된다.
또한 배터리의 안정적인 출력 확보 및 내구성 확보를 위하여 배터리의 SOC가 0.9 이상인 경우는 회생 제동을 제한하는 구속조건을 적용하였다.
먼저, 휠 모터 구동 시스템의 좌·우 구동력이 각각 다르게 적용될 수 있는 특징을 고려한 직접 요 모멘트 제어(Direct yaw moment control) 로직이 개발되었으며, 전기 차량의 효율 개선에 중요한 요소인 회생 제동 제어 로직이 개발되었다.
미끄러운 도로면에서 차량의 주행 안정성을 확인하기 위해 앞 선 시뮬레이션과 동일한 목표 주행 속도를 따라 미끄러운 도로면(마찰계수 0.15)에서 직선 주행하는 차량의 시뮬레이션을 수행하였다.
본 논문에서는 Fig. 1과 같은 구조의 휠 모터 구동 전기 버스 시스템의 모델링을 수행하였다. 연구를 통해 개발된 제어 로직의 안정성 및 신뢰성 검증과 기존 제어 로직과의 비교를 위해 상용소프트웨어인 MATLAB/SIMULINK와 TruckSim을 연동한 모델링 환경을 구축하였다.
본 연구에서 개발된 직접 요 모멘트 제어, 회생 제동 및 슬립제어가 모두 적용된 통합 제어 로직(제어 로직 1) 및 직접 요 모멘트 제어 및 슬립제어가 적용되지 않고 회생 제동만 적용된 제어 로직(제어 로직 2)의 비교 분석을 통해 개발된 제어 로직의 안정성 및 성능을 비교·분석하였다.
일반적으로 바퀴에서 지면으로 전달되는 힘과 바퀴의 슬립율의 관계는 비선형적인 관계를 갖고 있다. 본 연구에서는 운전자 모델, 직접 요 모멘트 제어 및 회생 제동 제어를 통해 주어진 각 구동바퀴의 요구 힘을 바탕으로 각 바퀴의 요구 슬립율을 계산하게 된다. 하지만 비선형적인 관계를 바탕으로 한 슬립율의 계산은 상대적으로 많은 계산량을 필요로 하게 된다.
본 연구에서는 차량의 구동 및 회생 제동을 위한 모터가 좌·우측 후륜 바퀴와 연결되어 있기 때문에 차량의 후륜 바퀴를 통해 회생 제동을 수행하게된다.
본 연구에서는, 먼저 연구에 적용된 휠 모터 구동 전기 버스 차량 시스템의 특징을 분석하고 시뮬레이션 수행을 위한 차량 시스템 모델링을 수행하였다. 다음으로 차량의 통합 제어 로직 개발을 위해 적용된 각종 제어 원리의 기본 개념을 분석하고 분석된 다양한 제어 로직을 통합한 통합 제어 알고리즘을 개발하였다.
차량의 좌·우 바퀴간 거리 및 감속 기어비 등의 차량 데이터를 바탕으로 계산되어지며, 각 모터에서 출력 가능한 최대 토크 및 제동시에는 전·후륜의 동력 분배량과 해당 출력 상태에서의 모터 회생량을 고려하여 최종 출력 토크량을 결정하게 된다. 본 제어맵을 통해 실질적으로 구동 및 제동 시의 구분 없이 직접선회모멘트제어를 통해 결정된 차량의 요구 힘과 요구 모멘트 양만을 바탕으로 각 모터의 명령 토크를 결정하게 된다.
1과 같은 구조의 휠 모터 구동 전기 버스 시스템의 모델링을 수행하였다. 연구를 통해 개발된 제어 로직의 안정성 및 신뢰성 검증과 기존 제어 로직과의 비교를 위해 상용소프트웨어인 MATLAB/SIMULINK와 TruckSim을 연동한 모델링 환경을 구축하였다. TruckSim은 6자유도의 차량 동역학 모델을 기반으로한 차량의 거동을 분석하는 상용 시뮬레이션 프로그램이다.
최종적으로 결정된 각 모터의 명령 토크와 그에 따른 요구 슬립율 및 차량의 현재 슬립율을 바탕으로 좌·우 모터의 명령 토크량을 수정하게 되며 이러한 과정을 거쳐 정해진 각 모터의 명령 토크량은 파워트레인 모델의 각 모터로 전달되어 차량의 운전을 수행하게 된다.

대상 데이터

계산에 적용된 상수는 시뮬레이션에 적용된 상용프로그램인 TruckSim의 타이어 모델 데이터를 바탕으로 적용하였다. 타이어 모델의 슬립율에 따른 바퀴 구동력 값을 바탕으로 바퀴에서 최대 구동력이 출력될 때의 슬립율 값을 식 (7)에 대입하여 상수 값을 계산하였다.
본 연구는 차량의 구동륜인 좌·우 후륜이 각각 별도의 구동 모터로 차량의 구동이 이루어지는 Fig.1의 휠 모터 구동 전기 버스 시스템에 대하여 수행되었다.
선회 성능 시뮬레이션을 위하여 Fig. 11(a)와 같은 주행 속도를 추종하며 반경 50m의 도로를 주행하는 차량의 시뮬레이션을 수행하였다.

데이터처리

다음으로 차량의 통합 제어 로직 개발을 위해 적용된 각종 제어 원리의 기본 개념을 분석하고 분석된 다양한 제어 로직을 통합한 통합 제어 알고리즘을 개발하였다. 개발된 제어 로직과 기존 적용된 단순 제어 로직을 개발된 시뮬레이션 프로그램에 적용하여 비교 및 검증하는 작업을 수행하였다.

성능/효과

1) 반경 50m의 원형 도로에서 최고 속도 65km/h의 목표 속도를 추종하는 차량 시뮬레이션 수행 시, 직접 요 모멘트 미적용 제어 로직이 적용된 차량의 경우, 주행속도가 높아짐에 따라 차량 횡방향 가속도가 계속 증가하여 최종적으로는 차량이 전복(roll over)되는 현상이 발생하였다. 그러나 직접 요 모멘트 제어 로직이 적용된 차량의 경우, 차량의 횡방향 가속도가 증가함에 따라 차량의 안정성을 위하여 이를 상쇄시키는 모멘트를 양 모터의 출력 토크 차를 이용해 발생시킴으로써 차량이 상대적으로 안정적으로 주행이 가능한 것을 확인할 수 있었다.
4) 주어진 주행사이클 및 조향각을 바탕으로 SIMULINK 내에 개발된 운전자 모델에서는 가·감속 신호를 출력한다.
15로 매우 미끄러운 도로면에서 역시 목표 최고 속도 65km/h의 주행 사이클을 추종하는 시뮬레이션을 수행하였다. 결과적으로 슬립제어가 적용된 차량의 경우 상대적으로 바퀴의 과도한 슬립 발생이 억제되면서 안정적으로 목표속도주행이 가능한 것을 확인할 수 있었다.
1) 반경 50m의 원형 도로에서 최고 속도 65km/h의 목표 속도를 추종하는 차량 시뮬레이션 수행 시, 직접 요 모멘트 미적용 제어 로직이 적용된 차량의 경우, 주행속도가 높아짐에 따라 차량 횡방향 가속도가 계속 증가하여 최종적으로는 차량이 전복(roll over)되는 현상이 발생하였다. 그러나 직접 요 모멘트 제어 로직이 적용된 차량의 경우, 차량의 횡방향 가속도가 증가함에 따라 차량의 안정성을 위하여 이를 상쇄시키는 모멘트를 양 모터의 출력 토크 차를 이용해 발생시킴으로써 차량이 상대적으로 안정적으로 주행이 가능한 것을 확인할 수 있었다.
휠 모터 구동 시스템은 좌·우 각 모터가 별도의 출력을 발생시킬 수 있기 때문에 이러한 좌·우 모터의 출력 차이로부터 차량의 선회 모멘트(Yaw moment)를 발생시킬 수 있다. 발생된 차량의 선회 모멘트를 이용해 차량의 선회 성능 및 선회 안정성을 향상시키는 효과를 얻을 수있다.
시뮬레이션 결과, 직접 요 모멘트 및 슬립 제어 로직이 적용된 제어 로직 1이 그렇지 않은 제어 로직2 적용 시뮬레이션 결과보다 상대적으로 안정적으로 속도 추종을 하며 주행 가능한 것을 확인할 수 있었다. 직접 요 모멘트 및 슬립 제어 로직이 적용되지 않은 제어 로직 2의 경우, 저속 구간에서는 큰 문제 없이 제어 로직 1이 적용된 시뮬레이션 결과와 유사한 결과를 보이다가 주행 속도가 목표 최고 속도인 약 65km/h에 이르러 차의 횡방향 가속도가 급격하게 증가하며 전복(roll over) 되는 것을 확인할 수 있었다.
이와 같은 시뮬레이션 결과를 바탕으로 차량의 주행 환경이 가혹한 상황에 있을 때, 개발된 통합 제어 로직은 기존의 단순 제어 로직에 비해 상대적으로 안정적인 차량의 운전이 가능한 것을 확인할 수 있었다.
시뮬레이션 결과, 직접 요 모멘트 및 슬립 제어 로직이 적용된 제어 로직 1이 그렇지 않은 제어 로직2 적용 시뮬레이션 결과보다 상대적으로 안정적으로 속도 추종을 하며 주행 가능한 것을 확인할 수 있었다. 직접 요 모멘트 및 슬립 제어 로직이 적용되지 않은 제어 로직 2의 경우, 저속 구간에서는 큰 문제 없이 제어 로직 1이 적용된 시뮬레이션 결과와 유사한 결과를 보이다가 주행 속도가 목표 최고 속도인 약 65km/h에 이르러 차의 횡방향 가속도가 급격하게 증가하며 전복(roll over) 되는 것을 확인할 수 있었다. 이는 앞서 설명한 제어 로직 1의 차량 횡방향 가속도에 따른 제어변수 조정으로 설명할 수 있다.
12(b)와 (c)는 좌 우측 바퀴의 차속에 대한 슬립율을 나타내는 그래프이다. 차량 출발 시와 정지 시 제어 로직 1의 경우에도 슬립율 약 0.5에 가까운 과도 슬립이 발생하는 것을 확인할 수 있으나, 약 1초 내에 다시 안정적인 상태로 돌아오는 것을 확인할 수 있었다. 하지만 제어 로직 2의 경우 슬립율 0.
5에 가까운 과도 슬립이 발생하는 것을 확인할 수 있으나, 약 1초 내에 다시 안정적인 상태로 돌아오는 것을 확인할 수 있었다. 하지만 제어 로직 2의 경우 슬립율 0.1 이상의 과도 슬립이 발생하여 계속되는 약 30초간의 가속 구간에서 과도한 슬립율이 지속되면서 차량의 가속이 충분히 이루어지지 않아 목표 속도를 추종하지 못하는 것을 확인할 수 있었다.

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	휠 모터 구동 전기 버스의 단점은?	휠 모터 구동 전기 버스의 경우 차량의 구동을 위한 동력을 제공하는 모터가 각 구동륜에 직결되어있어 동력 손실이 적고 시스템이 간단하다는 장점이 있는 반면, 기존의 차동기어로 좌·우 동력 분배를 적용하던 차량에 비해, 좌·우 구동 모터를 각기 제어하여 차량의 안정성 및 성능을 확보하기 위하여 새로운 제어 로직의 개발이 필요하다는 특징이 있다.2) 본 논문에서는 이러한 휠 모터 구동 전기 버스의 차량 안정성 및 주행 성능을 고려한 통합 제어 로직을개발하고상용시뮬레이션프로그램을이용한 개발 제어로직의검증을수행하였다.
	휠 모터 구동 전기 버스의 장점은?	휠 모터 구동 전기 버스의 경우 차량의 구동을 위한 동력을 제공하는 모터가 각 구동륜에 직결되어있어 동력 손실이 적고 시스템이 간단하다는 장점이 있는 반면, 기존의 차동기어로 좌·우 동력 분배를 적용하던 차량에 비해, 좌·우 구동 모터를 각기 제어하여 차량의 안정성 및 성능을 확보하기 위하여 새로운 제어 로직의 개발이 필요하다는 특징이 있다.2) 본 논문에서는 이러한 휠 모터 구동 전기 버스의 차량 안정성 및 주행 성능을 고려한 통합 제어 로직을개발하고상용시뮬레이션프로그램을이용한 개발 제어로직의검증을수행하였다.
	각종 하이브리드, 연료전지 및 전기 차량에 대한 연구 및 개발 중 도심 시내버스의 경우 어떤 한계가 있는가?	이러한 연구 개발은 개인이 이용하는 승용 차량에서부터공공이이용하는대중교통차량에이르기까지 광범위하게 적용되고 있다. 특히, 도심 시내버스의 경우 출발 및 정지가 반복적으로 발생하고 엔진 공회전이 빈번하게 발생하여 연비가 좋지 않은 특성이 있다.1) 본 논문은 이러한 기존 시내버스 차량의 연비, 배기 가스 및 구동 성능 등에서의 개선을 위한 휠 모터 구동 전기 버스에 대한 연구를 수행하였다.

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