[논문]후륜 인휠 모터 전기자동차의 구동 및 반능동 현가시스템 동시 제어를 통한 주행 성능 분석

신슬기; 최규재

doi:10.7467/ksae.2015.23.1.011

후륜 인휠 모터 전기자동차의 구동 및 반능동 현가시스템 동시 제어를 통한 주행 성능 분석
Driving Performance Analysis of a Rear In-wheel Motor Vehicle with Simultaneous Control of Driving Torque and Semi-active Suspension System 원문보기

한국자동차공학회논문집 = Transactions of the Korean Society of Automotive Engineers, v.23 no.1, 2015년, pp.11 - 17

신슬기 (군산대학교 기계자동차공학부) , 최규재 (군산대학교 기계자동차공학부)

Abstract ▼ AI-Helper

Recently, the in-wheel motor vehicle is rapidly developed to solve energy exhaustion and environmental problems. Especially, it has the advantage of independently driving the torque control of each wheel in the vehicle. However, due to the weight increase of wheel, the comfort of vehicle riding and performance of road holding become worse. In this paper, to compensate the poor performance, a simultaneous control of the driving torque and semi-active suspension system is investigated. A vehicle model is generated using CarSim Software and validated by field tests. Co-simulation of CarSim and MATLAB/Simulink with control logics is carried out, and it is found that simultaneous control of the driving torque and semi-active suspension system can improve driving stability and durability of the in-wheel motor system.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

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문제 정의

본 논문에서는 후륜 인휠 구동 로직과 반능동 현가시스템 제어 로직을 결합하여 차량의 승차감과 차륜의 도로 주행 하중에 미치는 영향도를 분석하기 위하여 MATLAB/Simulink와 CarSim 통합 시뮬레이션(co-simulation) 환경을 구성한 후 인휠 전기자동차의 주행 성능 변화를 분석하였다.
본 논문에서는 후륜 인휠 모터 구동 전기자동차의 구동 및 반능동 현가시스템 동시 제어를 통한 주행 특성 시뮬레이션에 대한 연구를 수행하였다.
본 연구에서는 스카이 훅 이론과 함께 선회 시 롤 값이 일정 값 이상 상승하게 되면 좌·우측의 감쇠력을 다르게 작용시켜 롤 운동을 감소시킬 수 있는 롤 제어로직(ARC, anti-roll control)을 적용하여 차량의 선회 시 안정성을 확보하고자 하였다.

제안 방법

2) 구동 제어 로직과 반능동 현가시스템 제어로직을 MATLAB/Simulink로 구성한 후 CarSim 모델과 통합 시뮬레이션(co-simulation) 환경을 구성하여 차량의 주행 특성을 분석하였다.
SPMD 시험 결과를 CarSim 모델에 입력하였으며 엔진 및 트랜스미션 등의 동력 전달 요소는 제거하고 모델링 하였다.
구동 제어만 수행한 경우와 구동 및 반능동 현가시스템 동시 제어를 수행한 경우에 대하여 시뮬레이션을 수행하였다.
반능동 현가시스템 제어 알고리즘에는 승차감 제어를 위한 스카이 훅 이론과 롤 및 피치 제어를 위한 로직을 적용하였다.
본 연구에서는 전절에서 기술한 MATLAB/ Simulink로 구성한 구동 로직과 반능동 현가시스템 제어 로직을 CarSim 차량 모델과 결합하여 시뮬레이션을 수행하였으며 후륜 인휠 모터 전기자동차의 주행 특성을 분석하였다.
불규칙 도로 노면 주행 시 바퀴에 작용하는 도로 하중에 반능동 현가시스템 제어가 미치는 영향도를 분석하기 위하여 사인 스윕 노면 통과 시뮬레이션을 수행하였다. 노면은 좌·우 위상이 같은 사인 스윕 노면이며 노면 프로파일은 Fig.
8에 도시한 바와 같다. 속도는 30km/h로 직선구간 주행 후 사인 스윕노면을 통과하는 시뮬레이션을 수행하였다.
이중 차선 변경 시뮬레이션 조건은 정지상태에서 출발하여 Fig. 6에 도시한 이중 차선 변경 경로를 추종하도록 운전자 모델을 이용하여 시뮬레이션 하였으며 속도가 60km/h에 도달한 이후 이중 차선 변경을 수행하도록 하였다.
대상 차량은 국내에서 생산 중인 소형 가솔린 차량을 후륜 인휠 전기자동차로 개조한 것이다. 차량의 후륜에 인휠 시스템을 장착하기 위해 기존 가솔린 차량의 토션빔 액슬 타입 섀시를 개조하여 모터를 장착할 수 있는 구조로 변경하였으며 차량 뒷좌석 시트를 제거하고 배터리와 인버터를 장착하였다. 이에 따라 스프링 상 질량(sprung mass)과 스프링 하 질량(unsprung mass)은 각각 1,231.

대상 데이터

대상 차량은 국내에서 생산 중인 소형 가솔린 차량을 후륜 인휠 전기자동차로 개조한 것이다. 차량의 후륜에 인휠 시스템을 장착하기 위해 기존 가솔린 차량의 토션빔 액슬 타입 섀시를 개조하여 모터를 장착할 수 있는 구조로 변경하였으며 차량 뒷좌석 시트를 제거하고 배터리와 인버터를 장착하였다.
인휠 모터 구동 알고리즘은 참고 문헌1,2)에서 제시하고 있는 모델을 사용하였으며 주 제어기, 모션 제어기, 차량 모델로 구성되어 있다.
주행제어 알고리즘의 개발 및 성능 평가를 위한 시뮬레이션 단계에서는 실제 차량을 대신할 수 있는 차량 모델이 필요한데 본 연구에서는 27자유도 CarSim 차량모델을 구성하였다.

데이터처리

반능동 현가 시스템 제어 알고리즘 검증을 위하여 10cm 범프 통과 시뮬레이션을 실시하였으며 Fig. 5에 피치각 변화를 도시하였고 Table 3에 결과를 정리하였다.
실차 시험에서 측정한 조향각을 CarSim 차량 모델의 조향 값으로 입력하여 시뮬레이션 하였으며 실차 측정 데이터와 비교하였다.
차량 모델 생성을 위해 현가시스템 파라메터 측정 장치인 SPMD를 사용하여 측정하였으며 인휠 모터를 장착한 차량에서 측정한 실차 주행 시험 데이터와 비교하여 차량 모델의 정확도를 검증하였다.
차량 모델의 정확도를 검증하기 위하여 자동차부품연구원에서 차량 주행 시험을 실시하였으며 CarSim 시뮬레이션 결과와 비교하였다.

이론/모형

오차를 계산하기 위해 ISO/TC/WG116)에서 검토 중인 크기 오차(magnitude error)와 위상 오차(phase error)법을 이용하여 계산하였다.
차량 모델 정확도 검증을 위한 시험은 KS R ISO 3888-1 이중차선변경(double lane change)5) 시험을 실시하였다.

성능/효과

1) CarSim을 이용하여 대상 차량을 모델링 한 후 차량 주행시험 결과와 비교하여 정확성을 검증하였으며 차량 모델의 정확도가 약 85% 이상 일치함을 확인하였다.
3) 이중 차선 변경 시뮬레이션 결과 구동 제어와 반능동 현가시스템 동시 제어를 통하여 차량의 롤 각이 최대 19% 감소하여 안정된 주행 자세를 유지할 뿐만 아니라 좌 우 바퀴에서의 인휠 모터 토크가 최대 3% 감소하여 에너지 효율이 향상될 수 있음을 확인 하였다.
4) 사인 스윕 노면 주행 시뮬레이션 결과 타이어에 작용하는 도로 하중이 25% 이상 감소하여 반능동 현가시스템 동시 제어가 시스템 내구신뢰성 향상에도 기여할 수 있음을 확인하였다.
Fig. 9와 Table 5에서 보는 바와 같이 후륜 좌·우측 타이어에 작용하는 수직력은 반능동 현가시스템 제어에 의하여 최대 25% 감소함을 확인할 수 있었으며 이에 따라 휠에 장착된 모터 및 감속기 등 핵심부품에 전달되는 힘이 감소하여 내구신뢰성이 향상될 것으로 판단된다. 이것은 인휠 모터 구동 전기자동차에 반능동 현가시스템을 장착하여 자세 제어뿐만 아니라 불규칙 노면으로 부터의 도로 하중 전달을 줄일 수 있어 시스템 내구신뢰성을 향상 시킬수 있는 장점을 가지고 있음을 알 수있다.
이와 같이 이중 차선 변경 시뮬레이션 결과 반능동 현가시스템을 이용한 자세제어를 통하여 인휠 구동 전기자동차가 안정적인 주행과 에너지 효율 향상에 기여 할 수 있음을 확인할 수 있었다.
표에서 보는 바와 같이 가장 큰 오차가 14.9% 발생하였으며 차량 모델의 정확도는 약 85%가 되어 차량 모델 사용이 가능할 것으로 판단된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	인휠시스템이 가지는 해결해야할 과제는 무엇인가?	인휠 모터 구동 방식의 전기자동차는 각 차륜에 전동기를 장착하여 구동함으로써 시스템 효율 향상, 독립 구동에 따른 주행 안정성 향상 등의 이유로 주목 받고 있다. 하지만 인휠시스템은구동모터고장시 안전성확보, 차륜 중량 증가에 따른 승차감 악화와 조종 안정 성능 저하 및 내구성능 확보 등 해결해야 할 많은 과제를 가지고 있다. 현재 인휠 전기자동차의 구동 제어에 관련된 많은 연구1-4)가 진행되고 있지만 승차감 향상과 주행 하중 경감 등을 위해 현가시스템과의 동시 제어 관련 연구가 부족한 실정이다.
	후륜 인휠 모터 구동 전기자동차의 구동 및 반능동 현가시스템 동시 제어를 통한 주행 특성 시뮬레이션에 대한 연구를 통해 어떤 결과를 얻을 수 있었는가?	1) CarSim을 이용하여 대상 차량을 모델링 한 후 차량 주행시험 결과와 비교하여 정확성을 검증하였으며 차량 모델의 정확도가 약 85% 이상 일치함을 확인하였다. 2) 구동 제어 로직과 반능동 현가시스템 제어로직을 MATLAB/Simulink로 구성한 후 CarSim 모델과 통합 시뮬레이션(co-simulation) 환경을 구성하여 차량의 주행 특성을 분석하였다. 3) 이중 차선 변경 시뮬레이션 결과 구동 제어와 반능동 현가시스템 동시 제어를 통하여 차량의 롤 각이 최대 19% 감소하여 안정된 주행 자세를 유지할 뿐만 아니라 좌 우 바퀴에서의 인휠 모터 토크가 최대 3% 감소하여 에너지 효율이 향상될 수 있음을 확인 하였다. 4) 사인 스윕 노면 주행 시뮬레이션 결과 타이어에 작용하는 도로 하중이 25% 이상 감소하여 반능동 현가시스템 동시 제어가 시스템 내구신뢰성 향상에도 기여할 수 있음을 확인하였다.
	인휠 모터 구동 방식의 전기자동차는 어떤 이유로 주목 받고 있는가?	최근 전기자동차 구동 메카니즘으로 각광받고 있는 기술 중 하나는 인휠 전기자동차(in-wheel electric vehicle)이다. 인휠 모터 구동 방식의 전기자동차는 각 차륜에 전동기를 장착하여 구동함으로써 시스템 효율 향상, 독립 구동에 따른 주행 안정성 향상 등의 이유로 주목 받고 있다. 하지만 인휠시스템은구동모터고장시 안전성확보, 차륜 중량 증가에 따른 승차감 악화와 조종 안정 성능 저하 및 내구성능 확보 등 해결해야 할 많은 과제를 가지고 있다.

참고문헌 (8)

J. H. Park, J. H. Choi, B. Wang, H. W. Song and S. H. Hwang, "Development of Driving Stability Simulator for Electric Coner Module," KSAE Spring Conference Proceedings, pp.1476-1481, 2012.
H. W. Song, Y. K. Lee, J. J. Baek, J. H. Park and S. H. Hwang, "Driving Force Distribution Algorithm for Imporved Efficiency of 4-wheeldrive In-wheel Electric Vehicles," KSAE Spring Conference Proceedings, pp.1846-1650, 2013.
S. Sakai, H. Sado and Y. Hori, "Motion Control in an Electric Vehicle with Four Independently Diven In-wheel Motors," IEEE Trans. Mechatronics, Vol.4, No.1, pp.9-18, 1999.

상세보기
S. H. Kim, C. J. Kim, D. H. Kim, J. Y. Choi, M. S. Choi and C. S. Han, "A Study on Traction and Yaw-rate Control for the Rear In-wheel Independent Drive Electric Vehicle," KSAE Spring Conference Proceedings, pp.1015-1019, 2011.
KS Standards Passenger Car - Test Track for a Severe Lane Change Manoeuvre - Part 1 : Double Lane Change, KATS, 2003.
T. O. Tak, "Standardization of Vehicle Dynamics Simulation Technology," Auto Journal, KSAE, Vol.34, No.4, pp.20-24, 2012.
D. Karnopp, "Active Damping in Road Vehicle Suspension System," Vehicle System Dynamics, Vol.12, Issue 6, pp.291-311, 1983.

상세보기
Y. G. Kim, A Study on Semi-active Suspension for a Large Bus Using by Sky-hook Algorithm, M. S. Thesis, Pusan National University, Busan, Korea, 2011.

저자의 다른 논문 :

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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