[논문]태양광-전기자동차의 동력제어시스템에 관한 연구

심한섭

doi:10.14775/ksmpe.2014.13.3.070

태양광-전기자동차의 동력제어시스템에 관한 연구
A Study of on a Power Control System for a Solar-Electric Vehicle 원문보기

한국기계가공학회지 = Journal of the Korean Society of Manufacturing Process Engineers, v.13 no.3, 2014년, pp.70 - 76

심한섭 (경남과기대)

Abstract ▼ AI-Helper

The intensity of sunlight becomes lower when weather conditions change, which affects whether a solar-electric vehicle can be driven on a shady road. The power delivered by solar cells can be vary depending on the amount of shade. As a result, the battery system is often used to compensate for variations in the power delivered by solar cells. Therefore, studies of power control systems for solar-electric vehicles are required. In this paper, mathematical models for such a power control system are studied and important variables are considered. Simulation and test results show that the mathematical model and actual designs developed here would be effective when used with solar-electric vehicles.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

1. 태양광-전기자동차의 동력제어시스템을 구성하는 각각의 요소부품들과 자동차의 성능에 대한 수학적 모델을 연구하였다.

제안 방법

모터에서 휠로 회전력을 전달하기 위한 동력전달장치는 모터-휠 일체형, 감속기어, 체인 등 여러가지가 있으며, 적절한 장치를 선택하여 사용할수 있다. 동력전달계통의 설계시에는 전달효율을 높은 방법을 사용하여야 하며, 이 연구에서는 체인 구동장치를 사용하였다. 모터토크와 휠의 구동력은 가속도 모델링에서 사용한 식(6)과 같다.
이 연구에서는 MPPT 기능이 있는 상용 충전기를 사용하였다.^[6]
이 연구에서는 태양광-전기자동차의 동력제어시스템 모델링을 통하여 제어시스템을 구성하는 여러 가지 요소와 이들의 결합을 수학적 모델(mathematical model)로 표현하고 제한조건과 변수 값을 결정하여 시스템의 응답특성을 해석하였다. 이 결과를 바탕으로 실제 시스템의 주요 성능을 미리 예측하며, 중요한 성능변수들을 결정할 수 있다.

대상 데이터

배터리의 종류는 납축전지, 인산-철 전지, 리튬전지 등 여러 가지가 있으나, 이 연구에서는 에너지밀도가 높은 리튬-폴리머 전지를 사용 하였다. 리튬-폴리머 전지의 충방전 특성은 제조사의 자료를 참고하였다.^[7]리튬 배터리 팩(pack)에는 과충전 및 과방전 방지, 셀전압 관리 등을 위한 BMS(battery management system)가 구비되어 있다.
모터에는 여러 가지 종류가 있으나, 내구성과 효율이 높은 BLDC 모터를 사용하였다. 2상 여자 방식의 BLDC 모터의 토크는 다음 식(12)와 같이 공급전류에 비례하여 증가한다.
태양광-전기자동차의 주행시에 태양광의 강도저하, 그늘지역 통과로 인하여 태양광전지의 출력저하, 가속 등으로 추가적인 전력이 필요하며, 이를 위하여 전기에너지를 저장하는 배터리가 추가적으로 필요하다. 배터리의 종류는 납축전지, 인산-철 전지, 리튬전지 등 여러 가지가 있으나, 이 연구에서는 에너지밀도가 높은 리튬-폴리머 전지를 사용 하였다. 리튬-폴리머 전지의 충방전 특성은 제조사의 자료를 참고하였다.
태양광전지(photovoltatic cell or solar cell)의 재료는 실리콘(Si), 갈륨비소(GaAs) 등을 포함하여 여러 종류가 있으나 이 연구에서는 실리콘 태양광전지를 대상으로 하였다. 태양광전지 모델은 광발전 정전류전원, 다이오드, 재료의 자체저항과 p-n 접합저항으로 구성된 등가회로가 사용되나, 이 연구에서는 태양광전지 제조사의 출력특성 자료를 활용하였다.^[3]
3.1 태양광전지

태양광전지(photovoltatic cell or solar cell)의 재료는 실리콘(Si), 갈륨비소(GaAs) 등을 포함하여 여러 종류가 있으나 이 연구에서는 실리콘 태양광전지를 대상으로 하였다. 태양광전지 모델은 광발전 정전류전원, 다이오드, 재료의 자체저항과 p-n 접합저항으로 구성된 등가회로가 사용되나, 이 연구에서는 태양광전지 제조사의 출력특성 자료를 활용하였다.

이론/모형

제어기는 속도오차 e(s)에 따라 정해진 제어 규칙에 따라 제어값 u(s)를 출력하며, 제어신호는 모터구동 전류이다. BLDC 모터에 대한 제어방법은 많은 연구들이 있으며, 일반적으로 사용되는 PI-제어를 사용하였다. r(s)는 운전자가 사용하는 페달센서로부터 입력되는 신호이다.

성능/효과

2. 설계조건을 고려한 수학적 모델로부터 자동차 성능을 예측하였고, 시험용 자동차를 이용하여 시험한 결과 자동차성능이 적정함을 알 수 있었다. 특히, 태양광전지의 전력이 충분하여 Li-배터리 전력을 추가적으로 사용하지 않고 자동차 주행이 지속적으로 가능함을 확인할 수 있었다.
3. 태양광-전기자동차의 동력제어시스템에 대한 모델링과 이를 이용한 자동차의 설계과정이 타당성이 있음을 확인할 수 있었다.
Li-배터리의 전압은 51∼52 V 범위를 유지하고 있다. 이 결과는 자동차가 비교적 일정한 속도로 진행 중에 태양광전지의 발전 전력이 충분하다는 것과 발전된 전력으로 지속적인 주행이 가능하다는 것을 보여준다.
설계조건을 고려한 수학적 모델로부터 자동차 성능을 예측하였고, 시험용 자동차를 이용하여 시험한 결과 자동차성능이 적정함을 알 수 있었다. 특히, 태양광전지의 전력이 충분하여 Li-배터리 전력을 추가적으로 사용하지 않고 자동차 주행이 지속적으로 가능함을 확인할 수 있었다.

후속연구

이 결과를 바탕으로 실제 시스템의 주요 성능을 미리 예측하며, 중요한 성능변수들을 결정할 수 있다. 이러한 성능변수와 설계값은 동력제어시스템의 설계를 위한 기초자료로 활용될 수 있을 것이다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	태양광에너지의 장점은 무엇인가?	[1,2] 그 중에 태양광-전기자동차는 태양광에너지를 전기에너지로 변환시키고, 전기모터를 이용하여 주행하는 자동차이다.[3, 4] 그런데, 태양광에너지는 공해발생이 없고 거의 무한정한 에너지로서 장점이 있으나, 자동차의 주 (main) 에너지원으로 활용하기에는 많은 제약이 따른다. 그 중에서 가장 큰 어려움은 전력을 생산 하는 태양광전지는 효율이 매우 낮아서, 자동차의 주행에 필요한 전력을 충분히 생산하려면 넓은 설치면적이 요구된다는 것이다.
	태양광-전기자동차는 무엇인가?	석유자원의 부족과 대기환경보호를 위하여 다양한 에너지를 사용하는 자동차에 대한 연구들이 활발히 진행되고 있다.[1,2] 그 중에 태양광-전기자동차는 태양광에너지를 전기에너지로 변환시키고, 전기모터를 이용하여 주행하는 자동차이다.[3, 4] 그런데, 태양광에너지는 공해발생이 없고 거의 무한정한 에너지로서 장점이 있으나, 자동차의 주 (main) 에너지원으로 활용하기에는 많은 제약이 따른다.
	태양광전지의 설치면적이 제한적이고 자동차 윗면에 설치 됨에 따라 어떤 문제가 있는가?	그러나 자동차의 특성상 태양광전지의 설치면적이 제한적이며, 그것도 햇빛을 잘 받을 수 있는 자동차의 윗면에 설치해야 된다. 이것은 태양광-전기자동차의 자유로운 설계를 제한한다. 또한, 주행저항을 줄이기 위한 공력설계, 에너지효율을 향상시키기 위한 동력제어시스템 설계 등이 특별히 더 요구된다. 자동차의 주행 중에는 기상변화와 입사각도 변화 등으로 태양광의 강도가 약해질 수도 있고, 순간적으로 그늘지역을 주행하기도 한다.

참고문헌 (8)

J. Larminine, J. Lowry, "Electirc Vehicle Technology Explained", Wiley, 2003.
H. J. Aha, H. J. Ji, J. M. Bae, S. W. Cha, Control Strategy and Characteristics Analysis of PEMFC/Photovoltatics Hybrid Vehicle, The Transactions of Korean Society Machine Engineering, Vol. 31, No. 2, 2007.
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Hasiguti, Morisuke, Y. H. Kim, "Solar Car", ED tech publishing Co., 1996.
G. J. Yu, K. H. Kim, Y. S. Jung, Y. S. Kim, A Study on the MPPT Control Algorithm and Efficiency Evaluation Method, The Transactions of Korean Institute of Power Electronics, Vol. 6, No. 2, 2001.
TriStar MPPT, Solar system controller, Installation and operation manual, Morningstar Co., 2010
Kokam Battery Module, Operation manual, Kokam Co. Ltd. 2013.
S. H. Kim, "DC, AC, BLDC Motor Control", Bookdoo Publishing Co., pp. 425-449, 2010.

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