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문제 정의
- 본 논문은 자동차를 구동하기 위해 필요한 여러 가지 부품 중에서 가장 중요한 전기에너지를 공급하는 발전기의 특성을 검사하고, 더 우수한 성능을 갖는 발전기를 개발하기 위한 성능평가 장치를 제작하는데 초점을 두고 있다. 그리고 Denso사와 Valeo사의 두 Alternator의 성능 평가를 통하여 발전기의 충․방전 상황을 분석하고, 이 결과를 바탕으로 성능평가 장치를 검증한다.
가설 설정
- 그림 9의 (b)는 표 1의 50A 부하일 때의 결과를 나타내고 있다. 초기 시동이 걸린 후 전조등이 턴 온한 상황을 가정한 내용이다. 그림 9의 (b)에서 결과 파형을 보면, 직류 부하가 50A일 때, 발전량은 53.
제안 방법
- 본 논문은 자동차를 구동하기 위해 필요한 여러 가지 부품 중에서 가장 중요한 전기에너지를 공급하는 발전기의 특성을 검사하고, 더 우수한 성능을 갖는 발전기를 개발하기 위한 성능평가 장치를 제작하는데 초점을 두고 있다. 그리고 Denso사와 Valeo사의 두 Alternator의 성능 평가를 통하여 발전기의 충․방전 상황을 분석하고, 이 결과를 바탕으로 성능평가 장치를 검증한다. 또한 자동차를 구성하는 부품은 본 논문에서 시험한 Alternator 뿐만 아니라, ECU(Electronic Control Unit), 콤프레셔(Compressor), 변속기(Transmission), EPS(Electronic Power Steering) 등등 여러 가지 보기류들로 구성되어 있으며, 이러한 보기류들은 모두 엔진부의 동작상황에 따라 작동한다.
- 성능시험은 자동차가 주행하기 전 초기 시동이 걸린 상황을 모델로 하여 발전기의 속도가 3,000rpm을 일정하게 유지하도록 설정한 후, 전기 부하장치는 일정 전류모드(Constant Current mode) 상태에서 수행하였다. 그리고 실제 사용자가 전조등, 에어컨, 열선을 작동시키는 것을 가정하여 전기부하량을 증가하면서그 때의 속도 변화와 발전기의 발전 전압 및 전류를 측정하였다. 일반적으로 자동차의 시동을 켰을 때, 엔진의 초기 속도는 약 800∼900rpm인 아이들(idle) 상태가 되고, 이때 발전기의 속도는 풀리비로 결정이 된다.
- 제어박스는 크게 내부 전원 파트, 조작 스위치 파트, 인디케이터 파트로 나타낼 수 있다. 내부 전원 파트는 3상 380V 전원을 입력 받아 성능시험 장치의 모터, 인버터, Sensors 등의 구성부품에 전원을 공급하도록 구성하고, 조작 스위치 파트는 전면부 패널에 Main 전원장치의 개폐, 자동 및 수동 모드 설정, 구동 모터의 정역 회전 및 속도 조절, 발전기의 단자별 센서를 선택스위치와 Potential Meter을 사용하여 구성하였다. 또한 인디케이터 파트는 구동 모터의 Rpm, 발전기 및 배터리의 전압, 전류를 실시간으로 계측하여 모니터링할 수 있는 인디케이터를 이용하여 그림 5와 같이 설계하였다.
- Control Box에서 모든 스위치의 입력은 K7M-DR40S PLC(Programmable Logic Control) 장비와 Relay를 이용하여 성능 평가 장치를 제어한다. 또한 NI-USB 635 DAQ 모듈을 이용하여 센서에서 계측한 데이터를 실시간으로 저장하고, PLC장비 및 전자부하와 RS232통신을 이용하여 제어가 가능하도록 설계하였다.
- 또한 인디케이터 파트는 구동 모터의 Rpm, 발전기 및 배터리의 전압, 전류를 실시간으로 계측하여 모니터링할 수 있는 인디케이터를 이용하여 그림 5와 같이 설계하였다. 또한 전면부 패널에 추가적으로 Lamp단자를 설치하여 발전기의 현재 발전유무 상태를 나타낼 수 있고, 비상사태 발생 시 전체시스템을 비상정지할 수 있도록 STOP 스위치를 구성하였다.
- 또한 제어부의 데이터 계측 및 저장은 NI사의 DAQ 장비를 이용하고, 제어박스의 인디케이터(indicator)와 PC 모니터를 이용하여 실시간 모니터링이 가능하게 하였다.
- 또한 모든 스위치 입력은 PLC 장치와 릴레이를 통하여 이루어지고, 배터리는 현재 중형 자동차에 쓰이는 12V, 80AH, 배터리를 사용하여 구성하였다. 또한 현재 12V 체제인 승용차뿐만 아니라 24V 시스템인 상용차에 사용되는 발전기의 시험이 가능하도록 배터리를 추가적으로 하나 더 직렬로 연결하여 제어박스에서 스위치 선택에 따라 승용차 및 상용차의 시험이 가능하도록 하였다.
- 발전기의 회전 속도는 적외선 센서를 이용하여 제어박스에서 실시간 계측이 가능하도록 하였다. 발전기가 저속과 고속에서도 부하에 따른 토크가 일정하게 유지되어야 하므로 본 논문의 성능평가 장치는 Denso사의 SC Type (ID : 37300-3C220)의 발전기를 대상으로 최대발전시 토크및 속도가 유지되도록 모터의 용량을 선정하였고, 풀리의 모양이 다른 제품도 적용할 수 있도록 하기 위해 그림 4와 같은 풀리의 모양으로 설계하여 V-Belt Type인 시스템도 시험이 가능할 수 있도록 풀리를 설계하였다.
- 엔진과 발전기의 풀리비는 약 1 : 3의 비율로 제작하고, 모터의 속도는 0∼5,000rpm까지 제어가 가능하게 제작하여 발전기의 회전 속도가 0∼1 ,000rpm까지 제어가 가능하도록 하였다. 발전기의 회전 속도는 적외선 센서를 이용하여 제어박스에서 실시간 계측이 가능하도록 하였다. 발전기가 저속과 고속에서도 부하에 따른 토크가 일정하게 유지되어야 하므로 본 논문의 성능평가 장치는 Denso사의 SC Type (ID : 37300-3C220)의 발전기를 대상으로 최대발전시 토크및 속도가 유지되도록 모터의 용량을 선정하였고, 풀리의 모양이 다른 제품도 적용할 수 있도록 하기 위해 그림 4와 같은 풀리의 모양으로 설계하여 V-Belt Type인 시스템도 시험이 가능할 수 있도록 풀리를 설계하였다.
- 성능시험은 자동차가 주행하기 전 초기 시동이 걸린 상황을 모델로 하여 발전기의 속도가 3,000rpm을 일정하게 유지하도록 설정한 후, 전기 부하장치는 일정 전류모드(Constant Current mode) 상태에서 수행하였다. 그리고 실제 사용자가 전조등, 에어컨, 열선을 작동시키는 것을 가정하여 전기부하량을 증가하면서그 때의 속도 변화와 발전기의 발전 전압 및 전류를 측정하였다.
- 3A를 나타내고 있다. 앞서 시험한 발레오 사의 발전기보다 더 중량이 큰 자동차에 적용하기 때문에 자동차에서 사용되는 전기에너지의 양이 서로 다르고, 따라서 시험 조건에서도 출력 용량에 대비한 시험을 수행하기 위해 Denso사 제품을 사용하는 자동차는 Valeo사제품을 사용하는 자동차에 비해 전기부하의 용량이 더 클 것으로 생각을 하여 시험의 조건을 적용하고, 부하의 증가 범위도 더 높여 수행하였다.
- 엔진과 발전기의 풀리비는 약 1 : 3의 비율로 제작하고, 모터의 속도는 0∼5,000rpm까지 제어가 가능하게 제작하여 발전기의 회전 속도가 0∼1 ,000rpm까지 제어가 가능하도록 하였다.
- 직류 발전기(Generator)는 회전자에서 발생한 교류를 정류자와 브러시를 이용하여 출력이 직류로 발생하고, 교류 발전기(Alternator)는 반도체 정류기를 거쳐 직류 출력을 발생한다. 현재는 자동차의 전기시스템이 증가하여 전기에너지의 사용량이 많아 출력이 좀 더 높은 교류발전기를 주로 이용하며, 본 논문에서도 교류 발전기를 대상으로 성능평가를 진행하였다.
대상 데이터
- 그리고 각각의 센서로 부터 받은 계측 값을 NI-DAQ장치와 패널의 인디케이터를 통하여 출력한다. 또한 모든 스위치 입력은 PLC 장치와 릴레이를 통하여 이루어지고, 배터리는 현재 중형 자동차에 쓰이는 12V, 80AH, 배터리를 사용하여 구성하였다. 또한 현재 12V 체제인 승용차뿐만 아니라 24V 시스템인 상용차에 사용되는 발전기의 시험이 가능하도록 배터리를 추가적으로 하나 더 직렬로 연결하여 제어박스에서 스위치 선택에 따라 승용차 및 상용차의 시험이 가능하도록 하였다.
- 또한 발전된 전기에너지를 소모하기 위한 전기부하장치는 현재 H사에서 사용하는 12V시스템의 승용차용 Denso사 발전기 ID : 37300-3C220 및 24V 상용차용 시스템 발전기의 최대 발전량을 소비할수 있고, 제어박스에서 부하량의 제어가 가능하도록 Programmable DC Electronic Load 0∼80V, 5kW급으로 선정하였다.
- 그리고 Denso사와 Valeo사의 두 Alternator의 성능 평가를 통하여 발전기의 충․방전 상황을 분석하고, 이 결과를 바탕으로 성능평가 장치를 검증한다. 또한 자동차를 구성하는 부품은 본 논문에서 시험한 Alternator 뿐만 아니라, ECU(Electronic Control Unit), 콤프레셔(Compressor), 변속기(Transmission), EPS(Electronic Power Steering) 등등 여러 가지 보기류들로 구성되어 있으며, 이러한 보기류들은 모두 엔진부의 동작상황에 따라 작동한다. 따라서 실험실 수준에서 자동차 보기류의 성능시험이나 개발을 위해서는 엔진부의 구성이 필수적이며, 본 논문의 성능평가 장치 메커니즘은 자동차의 다른 보기류들의 성능평가 장치 설계에도 응용할 수 있는 복합적인 기술의 개발이 가능할 것으로 사료된다.
이론/모형
- 본 논문의 성능시험 장치는 충·방전 시스템의 메커니즘에 따라 설계하였다.
성능/효과
- 본 연구에서 제안한 자동차용 발전기 성능평가 장치를 이용하여 자동차 발전기의 성능시험을 수행한 결과 제작한 성능평가 장치를 이용하여 발전기의 성능을 시험할 수 있음을 확인할 수 있었다. 따라서 현재 사용되고 있는 발전기를 실험실에서 선행 시험함으로써 연비 개선과 사용자 편의를 위한 전기시스템의 증가에 따른 발전기 및 발전기 제어 로직 개발이 실험실에서도 가능함을 확인할 수 있었다.
- 59V 임을 확인할 수 있다. 또한 Alternator의 속도는 출력 전류량이 증가할수록 부하가 증가하기 때문에 상기 시험을 수행하는 동안 약 50rpm 이내의 변화가 있음을 확인할 수 있다.
- 오실로스코프의 파형을 분석한 결과 Valeo사 제품이 Denso사 제품보다 노이즈 및 손실이 많음을 알 수 있다. 또한 이 손실로 인해 발전량이 같더라도 출력전압에서 많은 차이가 있음을 확인할 수 있었다. 그리고 본 논문에서 시험한 Alternator중 Valeo사 제품은 아반테급의 준중형차에서, Denso사 제품은 제네시스급의 중형차에서 사용되고 있으며, 가격도 Denso사의 제품이 Valeo사의 제품에 비해 높게 형성되어 있다.
- 본 연구에서 제안한 자동차용 발전기 성능평가 장치를 이용하여 자동차 발전기의 성능시험을 수행한 결과 제작한 성능평가 장치를 이용하여 발전기의 성능을 시험할 수 있음을 확인할 수 있었다. 따라서 현재 사용되고 있는 발전기를 실험실에서 선행 시험함으로써 연비 개선과 사용자 편의를 위한 전기시스템의 증가에 따른 발전기 및 발전기 제어 로직 개발이 실험실에서도 가능함을 확인할 수 있었다.
- 일반적으로 자동차 Alternator의 전압조정기는 보통 13V∼1 V의 범위에서 발전전류량을 조절하게 된다. 실험결과를 바탕으로 유추하면, Valeo사 제품은 Denso사 제품에 비해 Alternator의 출력전압이 노이즈로 인하여 같은 발전전류에서도 높게 형성이 됨을 알 수 있다. 따라서 발레오사의 제품은 Denso사의 제품에 비해 발전전류의 제어가 노이즈를 고려하지 않는 비교적 간단한 회로로 구성이 되고 이로 인하여 효율이 낮음을 예측할 수 있다.
- 오실로스코프의 파형을 분석한 결과 Valeo사 제품이 Denso사 제품보다 노이즈 및 손실이 많음을 알 수 있다. 또한 이 손실로 인해 발전량이 같더라도 출력전압에서 많은 차이가 있음을 확인할 수 있었다.
후속연구
- 따라서 본 논문의 성능평가 장치를 이용한 Alternator의 고장유무의 판별 및 수명유추도 가능할 수 있을 것으로 생각한다. 그리고 제안한 성능평가 장치의 메커니즘을 기반으로 자동차에서 쓰이는 다른 장치들의 성능평가 장치를 제작할 수 있을 것으로 판단된다.
- 또한 자동차용 Alternator는 내부에 브러시와 발전량을 조절하는 전압조정기 등의 부품으로 이루어져 있으며, 이 중 브러시의 마모와 전압조정기 회로의 오동작으로 인해 발전량이 정상적인 Alternator와 차이가 나게 된다. 따라서 본 논문의 성능평가 장치를 이용한 Alternator의 고장유무의 판별 및 수명유추도 가능할 수 있을 것으로 생각한다. 그리고 제안한 성능평가 장치의 메커니즘을 기반으로 자동차에서 쓰이는 다른 장치들의 성능평가 장치를 제작할 수 있을 것으로 판단된다.
- 또한 자동차를 구성하는 부품은 본 논문에서 시험한 Alternator 뿐만 아니라, ECU(Electronic Control Unit), 콤프레셔(Compressor), 변속기(Transmission), EPS(Electronic Power Steering) 등등 여러 가지 보기류들로 구성되어 있으며, 이러한 보기류들은 모두 엔진부의 동작상황에 따라 작동한다. 따라서 실험실 수준에서 자동차 보기류의 성능시험이나 개발을 위해서는 엔진부의 구성이 필수적이며, 본 논문의 성능평가 장치 메커니즘은 자동차의 다른 보기류들의 성능평가 장치 설계에도 응용할 수 있는 복합적인 기술의 개발이 가능할 것으로 사료된다.
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