[논문]수소 재순환 블로어 소음 진동 저감을 위한 설계 및 제어에 관한 연구

배호준; 반현석; 노용규; 장석영; 이현준; 김치명; 박용선

doi:10.7316/khnes.2014.25.5.509

문제 정의

회전체의 소음은 일반적으로 작동 회전수의 증가에 따라 소음이 증가하게 되므로, 소음 진동 측면에서 차량 정차시 기본 작동 회전수가 낮을수록 좋으나, 연료전지 시스템에서 요구하는 재순환량이 있기 때문에 작동 회전수를 낮추는 것은 쉽지 않다. 본 논문에서는 소음 진동 및 연료전지 시스템 측면에서의 적정 rpm 및 rpm 저감 방법을 검토하였다. 소음 진동 측면에서의 적정 idle rpm을 확인하고자 5krpm부터 10krpm 까지 500rpm단위로 회전수를 증가시키며 소음을 측정하였다.
듀티 제어 시 일정한 스위칭 주파수에 따라 전력을 제어하는데, 스위칭 주파수에 따라서 소음, 진동의 양상이 변하게 된다. 본 논문에서는 소음, 진동 측면에서 수소 재순환 블로어의 최적 스위칭 주파수를 검토하였으며, 스위칭 주파수 변경에 따른 진동 측정치를 Fig. 11에 나타내었다. 진동 측정 결과 10kHz 이하의 주파수 영역은 스위칭 주파수 변경에 따른 차이가 적었으나, 10kHz 이상의 주파수 영역에서는 진동 피크 수 및 피크 크기가 다른 것을 확인할 수 있었으며, 17kHz가 가장 나은 것을 확인할 수 있었다.
본 논문은 수소 재순환 블로어의 소음 진동 저감을 위해 해석, 설계, 제어 등의 다양한 측면을 검토하였으며 하기와 같은 결론을 도출하였다.
연료전지 자동차는 일반 내연기관 자동차의 주된 소음발생원인 엔진이 없으므로, 차량의 구동을 위해 작동하는 각 부품, 특히 지속적으로 소음이 발생되는 회전 부품들의 소음 진동에 대하여 일반 차량 대비 더 엄격한 품질이 요구된다. 본 논문은 연료전지 자동차의 소음 발생원 중 하나인 수소 재순환 블로어의 소음 진동 저감을 위해 해석, 설계, 제어에 대하여 연구하였다.

제안 방법

2) 구조적 진동 특성 분석을 통해 하우징의 고유 진동수를 확인하였다. 하부 지지부가 구조적으로 취약함을 확인하고, 보강을 통해 1차 고유 진동수를 상승시켰으며, 1차 고유 진동수가 작동 회전수 이내에 있으나 진동 내구시험을 통해 안전함을 확인하였다.
이를 개선하기 위해 차량 셧다운 시 작동 방향의 반대 방향으로 모터 내 3상에 전력을 공급하여 전기적 감속을 적용하였다. 과도한 감속 적용 시 진동 증가로 인한 소음 증가의 우려가 있기에, 정지 소요 시간 별 진동 측정을 통해 적정 시간을 선정하였다. Fig.
그렇기에 일반적으로 해석을 통해 선회 주파수와 로터의 회전수가 일치하는 지점인 임계 속도를 확인하여 작동영역 내 임계 속도가 있을 경우 설계 변경을 통해 임계 속도의 위치 변경 혹은 그 영향을 감소시켜야 한다. 본 논문에서는 Fig. 2 와 같은 형상의 로터 어셈블리를 사용하여 해석을 진행하였다.³⁾
본 논문에서는 소음 진동 및 연료전지 시스템 측면에서의 적정 rpm 및 rpm 저감 방법을 검토하였다. 소음 진동 측면에서의 적정 idle rpm을 확인하고자 5krpm부터 10krpm 까지 500rpm단위로 회전수를 증가시키며 소음을 측정하였다. 그 결과 Fig.
14). 소음 진동 측면에서의 최적 회전수인 8krpm을 맞추기 위해 차량 출력별 회전수 제어 방안을 변경하였다. 시스템에서 요구하는 것은 최저 재순환량을 맞추는 것으로, 기존보다 rpm 변곡 위치를 저출력 구간으로 변경함으로써 최저 재순환량을 일치시킬 수 있었다.
연료전지 시스템의 특성상 차량 셧다운 시 마지막 단계에서 수소 재순환 블로어의 작동을 중지시키며, 자연 감속에 의해 정지를 시킬 경우 약 19초 정도의 시간이 소요되며, 그 시간 동안 소음이 발생된다. 이를 개선하기 위해 차량 셧다운 시 작동 방향의 반대 방향으로 모터 내 3상에 전력을 공급하여 전기적 감속을 적용하였다. 과도한 감속 적용 시 진동 증가로 인한 소음 증가의 우려가 있기에, 정지 소요 시간 별 진동 측정을 통해 적정 시간을 선정하였다.

성능/효과

1) 로터 다이나믹스 해석을 통해 현 설계의 임계속도는 작동 회전수 외에 있음을 확인하였다.
3) 조립 구조 개선을 통한 밸런싱 개선으로 밸런싱 등급을 G2.5에서 G1.0으로 개선할 수 있었다.
4) 기존 형상의 구조 해석 결과 255 Hz에서 1차 고유 진동수가 존재함이 확인되었으며, 이는 수소 재순환 블로어의 정격 회전수 범위인 367Hz 이내이기에, 설계 개선이 필요하였다. 이를 개선하기 위해 Fig.
4) 전기적 감속 적용을 통해 차량 셧다운 시 소음 발생 시간을 19초에서 3.8초로 감소시켰다.
5) 소음 진동 측면에서 최적의 스위칭 주파수를 확인하였으며, 10kHz에서 17kHz로 변경하였다.
6) 유동 방향 개선을 통한 공력성능 향상 및 차량 출력 별 회전수 제어의 변경으로 기본 작동 회전수를 10krpm에서 8krpm으로 감소시킬 수 있었다.
7) 소음 개선 결과 실내 소음은 44dBA에서 23dBA로 21dBA 감소되었고, 외부 1m 거리에서의 소음은 52dBA에서 40dBA로 12dBA 감소된 것을 확인할 수 있었다.
8초의 제어 방법을 선정하였다. 감속 적용 후 소음 측정 데이터는 Fig. 10에서 볼 수 있듯이 차량에 동일한 제어 적용 시 정지까지 3.8초 소요됨을 확인하였다.
4와 같이 하우징의 1차 모드에 대한 요소 변형 에너지 분포를 확인하였으며, 전체적으로 케이스의 바닥 플레이트에 변형이 집중되어 있음을 볼 수 있었다. 공진 주파수를 상승시키고자 케이스의 바닥 플레이트의 두께 보강 및 리브 추가를 통해 강성을 증가시켰으며(Fig. 5), 그 결과 1차 모드를 340Hz 까지 증가시킬 수 있었다(Fig. 6). 아직 정격 회전수 이내의 범위지만, 운전량이 많지 않은 부분으로 이에 대하여 공진 내구 시험을 통해 문제 유무를 판단하였으며, 시험 후에도 크랙, 기밀 파괴, 소음 진동 증가 등의 문제점이 발생하지 않음을 확인하였다.
두 데이터는 차량에서 수소 재순환 블로어만의 소음을 확인하기 위해 차량 내 다른 부품은 정지한 상태에서 수소 재순환 블로어만 작동을 하였을 때의 소음이다. 그 결과 실내 운전석 헤드레스트부에서의 소음은 44dBA에서 23dBA로 21dBA 감소되었고, 외부 1m 거리에서의 소음은 52dBA에서 40dBA로 12dBA 감소된 것을 확인할 수 있었다. 실내 및 외부 소음의 감소 정도가 다른 것은 칼라맵 그림에서 나타나듯이 실내의 경우 기본적으로 다른 부품들로 인해 1X(회전 1배수) 주파수 외의 소음이 많이 차단되는 경향을 보이므로, 실내는 1X(회전 1배수)가 가장 큰 소음 발생원인이며, 밸런싱 및 기본 작동 회전수의 변경으로 인한 소음 개선이 소음 개선에 가장 큰 영향을 준 것으로 판단된다.
8 및 Table 1에 나타내었다. 밸런싱 개선 후 진동치는 axial 방향 66.2%, radial 방향 37.5% 감소하는 것을 확인할 수 있으며, 제품 편차에 따라 감소량에 차이가 있을 수는 있으나, 큰 폭으로 개선된 것을 확인할 수 있었다.
앞선 시험들은 개선 전/후에 대하여 단품 수준에서 결과를 본 자료들도 있으나, 차량용 부품은 결국 차량에 적용 시 얼마만큼의 개선이 이루어질 수 있는지가 중요하다. 수소 재순환 블로어의 소음 진동 개선을 위해 해석, 구조 보강, 밸런싱 개선, 제어 개선 등이 진행되었고, 차량에서 비교 측정 시 Fig. 17, Fig. 18과 같이 소음이 개선됨을 확인할 수 있었다. 두 데이터는 차량에서 수소 재순환 블로어만의 소음을 확인하기 위해 차량 내 다른 부품은 정지한 상태에서 수소 재순환 블로어만 작동을 하였을 때의 소음이다.
3에 Campbell diagram을 통해 나타내었다. 수소 재순환 블로어의 실제 사용 회전수를 그래프의 붉은색 사각형으로 나타내었으며, 임계 속도를 붉은색 점으로 나타내었다. Fig.
소음 진동 측면에서의 최적 회전수인 8krpm을 맞추기 위해 차량 출력별 회전수 제어 방안을 변경하였다. 시스템에서 요구하는 것은 최저 재순환량을 맞추는 것으로, 기존보다 rpm 변곡 위치를 저출력 구간으로 변경함으로써 최저 재순환량을 일치시킬 수 있었다. 차량 출력 별 작동 회전수 제어 변경에 대하여 Fig.
6). 아직 정격 회전수 이내의 범위지만, 운전량이 많지 않은 부분으로 이에 대하여 공진 내구 시험을 통해 문제 유무를 판단하였으며, 시험 후에도 크랙, 기밀 파괴, 소음 진동 증가 등의 문제점이 발생하지 않음을 확인하였다.
밸런스를 맞춘 이후의 분해 및 재조립은 로터의 언밸런스량을 늘리는 원인이 되며, 언밸런스량의 증가시 1X(회전 1 배수) 진동을 증가시킨다. 이 연구에 사용된 로터 어셈블리는 언밸런스 질량을 규정하는 국제 규격 ISO-1940에서 제시하는 밸런싱 등급 G1.0으로 밸런싱하였으며, 분해/조립 후에는 G2.5 수준으로 언밸런스량이 증가하는 것을 확인하였다. 이를 개선하기 위해 Fig.
⁴⁾ 기존 형상의 구조 해석 결과 255 Hz에서 1차 고유 진동수가 존재함이 확인되었으며, 이는 수소 재순환 블로어의 정격 회전수 범위인 367Hz 이내이기에, 설계 개선이 필요하였다. 이를 개선하기 위해 Fig. 4와 같이 하우징의 1차 모드에 대한 요소 변형 에너지 분포를 확인하였으며, 전체적으로 케이스의 바닥 플레이트에 변형이 집중되어 있음을 볼 수 있었다. 공진 주파수를 상승시키고자 케이스의 바닥 플레이트의 두께 보강 및 리브 추가를 통해 강성을 증가시켰으며(Fig.
시스템 측면에서 8krpm으로 변경된다는 것은 시스템에서 필요로 하는 재순환량을 만족시키지 못한다는 것을 의미한다. 이를 개선하기 위해 수소 재순환 블로어 입/출구 유동 방향의 개선을 진행하였으며(Fig. 13), 그 결과 9krpm 작동 시 기존 10krpm과 동등한 공력성능을 나타냄을 확인하였다(Fig. 14). 소음 진동 측면에서의 최적 회전수인 8krpm을 맞추기 위해 차량 출력별 회전수 제어 방안을 변경하였다.
11에 나타내었다. 진동 측정 결과 10kHz 이하의 주파수 영역은 스위칭 주파수 변경에 따른 차이가 적었으나, 10kHz 이상의 주파수 영역에서는 진동 피크 수 및 피크 크기가 다른 것을 확인할 수 있었으며, 17kHz가 가장 나은 것을 확인할 수 있었다.
2) 구조적 진동 특성 분석을 통해 하우징의 고유 진동수를 확인하였다. 하부 지지부가 구조적으로 취약함을 확인하고, 보강을 통해 1차 고유 진동수를 상승시켰으며, 1차 고유 진동수가 작동 회전수 이내에 있으나 진동 내구시험을 통해 안전함을 확인하였다.

후속연구

하우징의 고유진동수를 확인하여 로터의 회전에 의한 공진 가능성을 검토하고, 공진 발생 시 고유 진동수를 변경할 수 있는 방법이 설계 변경 안으로 제시될 필요가 있다.⁴⁾ 기존 형상의 구조 해석 결과 255 Hz에서 1차 고유 진동수가 존재함이 확인되었으며, 이는 수소 재순환 블로어의 정격 회전수 범위인 367Hz 이내이기에, 설계 개선이 필요하였다.

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	연료전지 자동차은 무엇인가?	이러한 요구를 충족시키기 위한 방안의 하나로 연료전지 자동차가 연구되고 있다. 연료전지 자동차는 수소를 원료로 사용하여 스택에서 전기 화학 반응을 통해 화학 에너지를 전기 에너지로 변환시키고, 모터를 통해 전기 에너지를 운동 에너지로 변환시켜 차량을 구동시키는 방식으로, 연비가 좋고 부산물이 물 뿐인 고효율, 친환경 자동차이다.1,2)
	연료전지 자동차의 스택은 무엇인가?	연료전지 자동차의 스택은 내부의 MEA(Membrane Electrode Assembly)에서 전기 화학 반응을 통해 전기를 생산하는 부품으로, 반응에 필요한 수소와 공기는 분리판의 유로를 통해 각각의 MEA로 공급된다. 이때, 전기 화학 반응에 필요로 하는 양 만큼의 수소만을 공급하면 유로의 끝 부분에서는 연료 부족 현상이 발생하게 된다.
	전기 화학 반응에 필요로 하는 양 만큼의 수소만을 공급하면 유로의 끝 부분에서는 연료 부족 현상이 발생하는 문제를 방지하기 위해 어떻게 하는가?	이때, 전기 화학 반응에 필요로 하는 양 만큼의 수소만을 공급하면 유로의 끝 부분에서는 연료 부족 현상이 발생하게 된다. 이를 방지하기 위해 연료인 수소를 과잉 공급하고 있으며, 반응 후 남은 고온 다습한 수소는 재순환시킴으로 연료의 낭비를 감소시키고, 전기 화학 반응에 필요한 수분을 공급하고 있다. 재순환을 위한 부품으로 수소 이젝터와 수소 재순환 블로어가 사용되고 있다.

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