[논문]실차 주행 조건을 고려한 인휠 차량 거동 해석 및 동력 시험계 부하 토크 인가를 위한 구동 모터의 동적 부하 도출시스템 개발

손승완; 김기영; 차석원; 임원식; 김정윤

doi:10.7467/ksae.2016.24.3.294

실차 주행 조건을 고려한 인휠 차량 거동 해석 및 동력 시험계 부하 토크 인가를 위한 구동 모터의 동적 부하 도출시스템 개발
Dynamic Performance Analyzing of In-wheel Vehicle considering the Real Driving Conditions and Development of Derivation System for Applying Dynamometer Using Drive Motor's Dynamic Load Torque 원문보기

한국자동차공학회논문집 = Transactions of the Korean Society of Automotive Engineers, v.24 no.3, 2016년, pp.294 - 301

손승완 (서울대학교 기계항공공학부) , 김기영 (서울대학교 기계항공공학부) , 차석원 (서울대학교 기계항공공학부) , 임원식 (서울과학기술대학교 자동차공학과) , 김정윤 (대구가톨릭대학교 기계자동차공학부)

Abstract ▼ AI-Helper

This paper discusses about analyzing in-wheel vehicle's dynamic motion and load torque. Since in-wheel vehicle controls each left and right driving wheels, it is dangerous if vehicle's wheels are not in a cooperative control. First, this study builds the main wheel control logic using PID control theory and evaluates the stability. Using Carsim-Matlab/Simulink, vehicle dynamic motion is simulated in virtual 3D driving road. Through this, in-wheel vehicle's driving performance can be analyzed. The target vehicle is a rear-wheel drive in D-class sedan. Second, by using the first In-wheel vehicle's performance results, it derivate the drive motor's dynamic load torque for applying the dynamometer. Extracted load torque impute to dynamometer's load motor, linear experiment in dynamometer can replicated the 3-D road driving status. Also it, will be able to evaluate the more accurate performance analysis and stability, as a previous step of actual vehicle experiment.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

* AI 자동 식별 결과로 적합하지 않은 문장이 있을 수 있으니, 이용에 유의하시기 바랍니다.

문제 정의

결과적으로 본 연구에서는 실도로에서 나타나는 빠른 동적 부하를 이용하여 그 거동 형태를 분석하고, 현실적으로 가능한 범위 내에서 부하 토크로 인가 할 수 있는 시험 평가 기술을 개발하는데 의의가 있다.
이번 연구에서는 인휠차량의 차량 시스템 성능 예측 및 시뮬레이션을 개발하는 것이 목적이다. 차량 제원의 경우 Carsim 프로그램에 있는 후륜구동형 D-Class 세단을 사용하였으며 차량의 구성 및 세부 사항은 다음과 같다.

제안 방법

1) 기존 내연기관 차량 및 하이브리드 차량이 1차원 방향에 대해서만 동적 능력 및 연비 해석을 진행하던 것과 달리, Carsim/Simulink를 이용하여 3차원 도로에서의 인휠 차량 전용 시뮬레이터를 개발하고 동적 성능을 평가하였다.
시뮬레이터에서는 차량 입력 데이터 및 운전자 요구 조건을 반영한 차량 목표 선회 속도 및 가속도를 계산하고, 계산된 데이터 및 차량 데이터를 비교해 PID 제어를 하게 된다. yaw rate 측정 및 목표 yaw rate 계산에 따른 PID 제어를 하고, 차량 횡 방향 가속도 측정 및 목표 가속도 계산에 따른 PID 제어를 하게된다.
개발된 시뮬레이터를 통해서 다음과 같은 도로들을 시뮬레이션 하여 구동 특성을 분석해 보았다. 이를 통해 개발된 시뮬레이터의 안정성 및 정확성을 확인하였고, 이번 연구에서는 분석하지 않았지만 새로운 도로에서도 사용이 가능할 것임을 확인할수 있었다.
시뮬레이터를 개발하는데 있어, 차량 작동 오류및 안정성 확보를 위해 PID 제어 로직을 사용하였다. 차량 yaw rate 측정 값 분석을 통한 PID 기반 차량 안전 제어 로직의 경우 아래 식을 바탕으로 운전자의 조향 명령과 차량 속도를 바탕으로 한 운전자 요구yaw rate 값이 계산되게 된다.
시뮬레이터에서는 차량 입력 데이터 및 운전자 요구 조건을 반영한 차량 목표 선회 속도 및 가속도를 계산하고, 계산된 데이터 및 차량 데이터를 비교해 PID 제어를 하게 된다. yaw rate 측정 및 목표 yaw rate 계산에 따른 PID 제어를 하고, 차량 횡 방향 가속도 측정 및 목표 가속도 계산에 따른 PID 제어를 하게된다.
시뮬레이터의 경우 전방향 시뮬레이터로써 Carsim과 Simulink를 이용하였다. 아래 그림과 같이 개발된 차량 파워트레인 모델 및 제어 로직을 상용 3차원 시뮬레이션 프로그램과의 연동을 통해 실제 차량 주행 상황과 유사하게 시뮬레이션이 가능한 SILS(Software In the Loop System) 환경을 구축하였다.
차량 구동 특성들중 부하의 경우 구름 저항, 공기 저항, 등판 저항과 같은 주행 저항들로 나누어 볼 수 있다. 얻은 동적 결과를 바탕으로 물리적으로 동력 전달계와 연결된 차량의 등가 관성에 차량 부하 토크를 생성하여 적용하였고, 차량의 주행 속도에 따른 부하량을 적용하여 차량의 동적 역학 모델을 구성하였다. 그림은 차량 부하 모델을 수학적으로 표현한 것이며, 각각의 저항들은 다음과 같은 수식으로 표현할 수있다.
이 논문에서는 대상차량을 후륜구동 차량으로 설정하고 PID(Proportional Integral Derivative) 제어 이론을 이용하여 주요 인휠 제어 로직을 구축하고 작동 안정성을 평가하게 된다. 사용 프로그램으로는 Carsim/Simulink를 이용하며, 다양한 도로의 차량의 거동 해석 및 동적 성능을 분석하였다.
2) 조향운동은 동력계 시험기에서는 구현할 수 없으므로, 실차 주행을 하여야 하지만 인휠 차량의 경우 좌우 구동륜을 전자제어하기 때문에 실차 조향을 하기에는 안정성에대한 염려가있다. 이를 보완하기 위하여 3차원 도로에 대해 시뮬레이션을 진행하여 실차 조향 시 작용하는 차량의 동적 부하 토크 값을 알아내었다. 이를 동력 시험계에서는 부하토크를 좌우 부하 모터에서 구현하는데, 이 값을 부하 모터값으로 사용하면 될 것이다.
이번 연구에서는 먼저 차량시스템 성능예측 및 초기 설계용 시뮬레이션 기술을 개발하게 된다. 인휠 자동차를 모델링하고, 제어로직을 개발하여 개발된 시뮬레이터를 통해 인휠 차량의 직진 및 선회 시의 구동성능을 평가하게 된다.
이번 연구에서는 먼저 차량시스템 성능예측 및 초기 설계용 시뮬레이션 기술을 개발하게 된다. 인휠 자동차를 모델링하고, 제어로직을 개발하여 개발된 시뮬레이터를 통해 인휠 차량의 직진 및 선회 시의 구동성능을 평가하게 된다. 이를 통해 동력 시험계에서 구현할 좌우 모터의 각각의 부하토크를 도출하게 된다.
인휠 차량 구동 특성 분석을 이용하여 동적 부하를 계산하게 된다. 차량 구동 특성들중 부하의 경우 구름 저항, 공기 저항, 등판 저항과 같은 주행 저항들로 나누어 볼 수 있다.

대상 데이터

대상 차량의 경우 후륜 구동 인휠 차량이며, 후륜에 들어간 모터의 최대토크는 153.6 Nm, 최대 속도는 9998.1 rpm이며 성능곡선의경우 Fig. 2와같다.
시뮬레이터의 경우 전방향 시뮬레이터로써 Carsim과 Simulink를 이용하였다. 아래 그림과 같이 개발된 차량 파워트레인 모델 및 제어 로직을 상용 3차원 시뮬레이션 프로그램과의 연동을 통해 실제 차량 주행 상황과 유사하게 시뮬레이션이 가능한 SILS(Software In the Loop System) 환경을 구축하였다.
차량 배터리의 경우 배터리 용량은 50 Ah이며 배터리는 다음 그림과 같은 내부저항 모델을 사용한다. 이 모델에서 배터리의 내부저항과 open circuit voltage는 그림과 같이 배터리 SOC(State Of Charge) 의 함수로 표현된다.
이번 연구에서는 인휠차량의 차량 시스템 성능 예측 및 시뮬레이션을 개발하는 것이 목적이다. 차량 제원의 경우 Carsim 프로그램에 있는 후륜구동형 D-Class 세단을 사용하였으며 차량의 구성 및 세부 사항은 다음과 같다.

데이터처리

이 논문에서는 대상차량을 후륜구동 차량으로 설정하고 PID(Proportional Integral Derivative) 제어 이론을 이용하여 주요 인휠 제어 로직을 구축하고 작동 안정성을 평가하게 된다. 사용 프로그램으로는 Carsim/Simulink를 이용하며, 다양한 도로의 차량의 거동 해석 및 동적 성능을 분석하였다. Carsim의 경우 차량 동역학 모델을 기반으로 한 차량의 거동을 분석하는 상용 시뮬레이션 프로그램이다.

성능/효과

2) 조향운동은 동력계 시험기에서는 구현할 수 없으므로, 실차 주행을 하여야 하지만 인휠 차량의 경우 좌우 구동륜을 전자제어하기 때문에 실차 조향을 하기에는 안정성에대한 염려가있다. 이를 보완하기 위하여 3차원 도로에 대해 시뮬레이션을 진행하여 실차 조향 시 작용하는 차량의 동적 부하 토크 값을 알아내었다.
개발된 시뮬레이터를 통해서 다음과 같은 도로들을 시뮬레이션 하여 구동 특성을 분석해 보았다. 이를 통해 개발된 시뮬레이터의 안정성 및 정확성을 확인하였고, 이번 연구에서는 분석하지 않았지만 새로운 도로에서도 사용이 가능할 것임을 확인할수 있었다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	친환경 자동차의 개발에 있어서 실차 수준의 동작환경에 대한 분석에 대한 추세는 어떠한가?	친환경 자동차의 파워트레인 개발에 있어서 실차 수준의 동작환경에 대한 분석은 매우 중요하다. 전기 자동차의 경우 최근까지 전기자동차 전용 구동 성능시뮬레이터의 경우 하이브리드 자동차용 구동 성능시뮬레이터를 사용하여 동력성능을 해석하거나, 최근에 개발 및 연구되기 시작하는 추세이다.1-3)하지만 인휠 전기자동차의 경우에는 기존의 하이브리드 자동차와는 달리 각 구동륜에 구동모터가 장착되므로 구동륜에 작용하는 차량부하가 차동장치 등을 가지는 인라인 타입의 동력 전달계와는 다른 형태를 가지므로 별도의 구동 성능 시뮬레이터 플랫폼의 개발이 필요하다.
	친환경 자동차에는 무엇이 있는가?	지구 온난화 문제 및 화석연료의 고갈로 친환경 자동차에 대한 연구 및 개발이 활발히 이루어지고 있다. 친환경 자동차로는 하이브리드 자동차, 연료 전지 자동차, 전기 자동차 등이 있으며 하이브리드 자동차의 경우 보급이 많이 이루어지고 있는 추세이며 전기 자동차의 파워트레인에 관한 연구도 활발히 진행 중이다.
	친환경 자동차에 대한 연구 및 개발이 활발히 이루어지고 있는 배경은?	지구 온난화 문제 및 화석연료의 고갈로 친환경 자동차에 대한 연구 및 개발이 활발히 이루어지고 있다. 친환경 자동차로는 하이브리드 자동차, 연료 전지 자동차, 전기 자동차 등이 있으며 하이브리드 자동차의 경우 보급이 많이 이루어지고 있는 추세이며 전기 자동차의 파워트레인에 관한 연구도 활발히 진행 중이다.

참고문헌 (9)

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Y. H. Hwang, C. H. Nam, I. B. Yang and K. Y. Jeong, "Development and Validation of In-wheel Vehicle Simulation Model," KSAE Annual Conference Proceedings, pp.2404-2408, 2012.
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R. Rajamani, Vehicle Dynamics and Control, 2nd Edn., Springer, New York, pp.23-36, 2013.
J. R. Jeong, J. D. Choi, C. W. Shin, W. S. Lim and S. W. Cha, "Development of Control Algorithm for Wheel Motor Drive Bus System considering Stability and Cornering Performance of Vehicle," KSAE Spring Conference Proceedings, pp.1445-1449, 2012.
J. R. Jeong, J. D. Choi, C. W. Shin, D. H. Lee, W. S. Lim, Y. I. Park and S. W. Cha, "Development of Integrated Control Logic of Wheel Motor Drive Electric Bus considering Stability and Driving Performance," Transactions of KSAE, Vol.21, No.6, pp.40-48, 2013.
M. Ehsani, Y. Gao, S. E. Gay and A. Emadi, Modern Electric, Hybrid Electric, and Fuel Cell Vehicles, CRC Press, Boca Raton, pp.20-26, 2005.

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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