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문제 정의
- 본 연구를 통해 HPS, EHPS, R-EPS의 조향시스템의 장착에 따른 연비 향상과 그 경향성을 분석할 수 있었다.
- 실제 차량을 개발하는 제조사 입장에서는 조향모델에 따라 연비가 상승하는 결과를 다양한 경우에 대해 비추어 보고 싶을 것이다. 주행 싸이클에 따라 연비가 달라지는 것과 마찬가지로 조향모델의 소모에너지도 주행 싸이클에 따라 달라질 것이라 예상할 수 있다.
가설 설정
- 각 조향모델은 차속과 엔진 속도에 영향을 받기 때문에 주행 환경을 30, 40, 50, 60, 70, 80, 90 km/h의 속도로 설정한 후 시뮬레이션을 하였다. 조향의 정도와 조향 시의 속도에 따라서 에너지 소모가 달라질 수 있기 때문에 직선로로 가정하였다. 두 번째 실험은 연비 분석에 주로 쓰이는 NEDC 싸이클에 대해서 시뮬레이션 하였다.
제안 방법
- 3가지 타입의 조향시스템 모델링을 변수로, 동일한 상태의 차량을 공통 변인으로 하는 모델링을 완성하고 시뮬레이션을 수행했다. 상용프로그램인 Trucksim과 Matlab, Simulink를 사용했고 3가지의 주행싸이클에 대하여 시뮬레이션을 수행하여 조향시스템의 특성을 분석할 수 있게 하였다.
- EHPS는 배터리와 모터를 이용하기 때문에 엔진의 속도와 상관없이 펌프를 구동할 수 있는 장점이 있다. HPS의 펌프모델링을 차용하고 모터와 배터리, 알터네이터를 Simulink로 모델링하여 통합하였다.
- 차량 모델링은 상용프로그램인 Trucksim을 기반으로 하여 필요한 부분을 Simulink로 대체하여 입출력 포트로 연결하였다. Trucksim 내부에서 설정하기 어려운 ESS(Energy Storage System, ex)Alternator, Battery)와 자체 변속 알고리즘을 넣기 위한 엔진 변속기를 Simulink로 모델링했다.
- 3의 그래프에서 알 수 있듯이 차속이 증가함에 따라 연비가 낮아지고, HPS와 EHPS, R-EPS의 연비가 각각 흡사한 경향을 보이는 것을 알 수 있다. 각 조향 모델에 따른 연비 차이를 가시적으로 보기 위해 HPS대비 EHPS와 R-EPS의 연비 변화율을 백분율로 나타내었다.
- 우선 기본적으로 주행싸이클의 속성은 차속이라고 할 수 있다. 각 조향모델은 차속과 엔진 속도에 영향을 받기 때문에 주행 환경을 30, 40, 50, 60, 70, 80, 90 km/h의 속도로 설정한 후 시뮬레이션을 하였다. 조향의 정도와 조향 시의 속도에 따라서 에너지 소모가 달라질 수 있기 때문에 직선로로 가정하였다.
- 같은 직선로이지만 가속과 감속이 있기 때문에 실제 주행 프로 파일 이전에 어느 정도 연비 특성을 나타낸다고 할수 있다. 그리고 그 결과를 HPS에 조향 부하를 제외한 연비와 비교하였다.
- 시뮬레이션을 통해 HPS, EHPS, EPS의 조향 소모 에너지를 분석하여 경향성을 제시하고, 그 원인을 분석하였다. 그리고 실제 도로를 시뮬레이션 하여 운전자가 실도로를 운전하였을 시에 전체적인 연비 향상을 사례로 제시하였다.
- 본 연구에서는 먼저 HPS, EHPS, EPS 모델을 동일한 차량 데이터를 기반으로 모델링을 하였다. 그리고 주행 속도를 달리한 직선 주행도로와 연비측정 주행 싸이클, 사인파조향 주행, 실제 도로 데이터를 반영한 주행도로를 모델링하여 상용 프로그램인 Trucksim과 Simulink를 이용하여 통합 연비 해석 프로그램을 개발하였다.
- 조향의 정도와 조향 시의 속도에 따라서 에너지 소모가 달라질 수 있기 때문에 직선로로 가정하였다. 두 번째 실험은 연비 분석에 주로 쓰이는 NEDC 싸이클에 대해서 시뮬레이션 하였다. 같은 직선로이지만 가속과 감속이 있기 때문에 실제 주행 프로 파일 이전에 어느 정도 연비 특성을 나타낸다고 할수 있다.
- 마지막으로 남양-수원 사이의 실제도로를 주행 싸이클로 하여 두 번째 실험과 같은 방법으로 시뮬레이션 하였다.
- 엔진속도에 가장 큰 영향을 받으며 조향 방향을 바꿀 때에스티어링 각속도에 따라 펌프 토크가 증가하는 경향을 보인다. 모델링은 크게 펌프와 칼럼, 그리고 랙 바 등으로 나누어 모델링 하였다. Fig.
- 본 연구에서는 먼저 HPS, EHPS, EPS 모델을 동일한 차량 데이터를 기반으로 모델링을 하였다. 그리고 주행 속도를 달리한 직선 주행도로와 연비측정 주행 싸이클, 사인파조향 주행, 실제 도로 데이터를 반영한 주행도로를 모델링하여 상용 프로그램인 Trucksim과 Simulink를 이용하여 통합 연비 해석 프로그램을 개발하였다.
- 세 번째 실험은 조향성능을 테스트할 때 사용되는 사인파형태의 조향각 프로파일을 직선도로와 조합하였다. 사인파 프로파일을 직선 프로파일에 100 %부터 50, 33.33, 25, 20, 10 %까지의 비율로 주기마다 조합하여 주행하였다. 직선도로에서 조향각의 비율이 얼마냐에 따라 각 조향 시스템 별로 연비를 분석할 수 있었다.
- 3가지 타입의 조향시스템 모델링을 변수로, 동일한 상태의 차량을 공통 변인으로 하는 모델링을 완성하고 시뮬레이션을 수행했다. 상용프로그램인 Trucksim과 Matlab, Simulink를 사용했고 3가지의 주행싸이클에 대하여 시뮬레이션을 수행하여 조향시스템의 특성을 분석할 수 있게 하였다.
- 세 번째 실험은 조향성능을 테스트할 때 사용되는 사인파형태의 조향각 프로파일을 직선도로와 조합하였다. 사인파 프로파일을 직선 프로파일에 100 %부터 50, 33.
- 시뮬레이션을 통해 HPS, EHPS, EPS의 조향 소모 에너지를 분석하여 경향성을 제시하고, 그 원인을 분석하였다. 그리고 실제 도로를 시뮬레이션 하여 운전자가 실도로를 운전하였을 시에 전체적인 연비 향상을 사례로 제시하였다.
- 실도로 주행 모드는 차량이 주행하는 구간의 GPS데이터를 수집하고 TM좌표계로 변환한 후, 오차 데이터를 제거하여 실도로 주행 환경을 구축하였고, 운전자모델은1.5초 후의 위치를 예상하여 조향을 실시하였다.
- 대상 차량은 상용차의 한 종류인 미니 밴이다. 아직 상용차에는 R-EPS의 장착이 흔치 않기 때문에, 본 연구에서는 대상차종의 파라미터를 기반으로 사용하고 일부R-EPS 데이터는 변수 조정작업을 하였다. 주요 스펙은 다음 Table 1과 같다.
- 위 그래프는 20 % 사인파의 조향프로파일이다. 위와 같은 방법으로 10 %부터 100 %까지 6단계로 나누어 조향시스템에 따라 연비를 분석하였다.
- 조향시스템마다 연비의 차이는 주행에서 조향의 빈도에 따라 달라진다고 예상할 수 있다. 이를 분석하기 위해서 조향성능 테스트를 위해 사용되는 사인파조향입력을 비율을 조정하여 시뮬레이션을 행하였다. 속도는 40 km/h로 고정하였다.
- 조향 시스템 모델링은 Matlab과 Simulink로 각 변수를 선정하여 역학적으로 설계했다. 조향 시스템 종류에 따라 펌프, 랙 기어, 모터, 배터리, 알터네이터 등을 단품 모델링하였다.
- 차량 모델링은 상용프로그램인 Trucksim을 기반으로 하여 필요한 부분을 Simulink로 대체하여 입출력 포트로 연결하였다. Trucksim 내부에서 설정하기 어려운 ESS(Energy Storage System, ex)Alternator, Battery)와 자체 변속 알고리즘을 넣기 위한 엔진 변속기를 Simulink로 모델링했다.
- 그리고 HPS대비 R-EPS의 연비 증가율은 차속이 올라감에 따라 약 9 %부터 2 %까지 감소하는 결과가 나타났다. 차속40 km/h일 때 연비차이의 증감의 경향성에서 벗어난 이유를 분석하기 위해 HPS의 펌프의 RPM의 그래프를 구했다.
- 모터를 이용하기 때문에 조향력이 필요하지 않을 때에는 에너지를 소모하지 않는다. 펌프와 관련된 장치 대신 모터와 알터네이터, 배터리와 조향장치를 모델링 하였다. 파라미터는 승용차의 R-EPS의 파라미터를 기반으로 시뮬레이션을 수행하였다.
대상 데이터
- 대상 차량은 상용차의 한 종류인 미니 밴이다. 아직 상용차에는 R-EPS의 장착이 흔치 않기 때문에, 본 연구에서는 대상차종의 파라미터를 기반으로 사용하고 일부R-EPS 데이터는 변수 조정작업을 하였다.
- 전기식 동력 조향 장치는 조향력을 보조해주는 모터의 위치에 따라, 모터가 직접 칼럼을 보조하는 C type(C-EPS), 피니언을 보조하는P type(P-EPS), 듀얼피니언 방식의 조향을 하는 D type(DP-EPS), 랙 기어를 보조하는 R type(R-EPS)의 4가지 타입으로 나뉜다. 본 연구에서는 랙기어를 보조하는 R type을 사용했다. EHPS처럼 엔진의 동력을 알터네이터가 전기에너지로 바꾸어 배터리에 저장한 후 모터가 위의 4가지 타입에 맞는 보조장치에 에너지를 전달하여 동력을 보조한다.
이론/모형
- 조향 시스템 모델링은 Matlab과 Simulink로 각 변수를 선정하여 역학적으로 설계했다. 조향 시스템 종류에 따라 펌프, 랙 기어, 모터, 배터리, 알터네이터 등을 단품 모델링하였다.
- 펌프와 관련된 장치 대신 모터와 알터네이터, 배터리와 조향장치를 모델링 하였다. 파라미터는 승용차의 R-EPS의 파라미터를 기반으로 시뮬레이션을 수행하였다.
성능/효과
- 1) 조향력이 필요하지 않은 직선 주행에 속도가 일정한 정속 주행일 때, HPS대비 EHPS의 연비 향상도는 저속일 때는 매우 낮았고(30 km/h일 때 약 -4 %), 차속이 증가함에 따라 향상되었다(90 km/h일 때 약 2 %). R-EPS는 에너지 소모가 없으나 알터네이터 충전 등으로 인해 저속일 때는 HPS대비 연비 향상이 매우 높았고(30 km/h일 때 약 9 %), 차속이 증가함에 따라 향상도가 낮아졌다(90 km/h일 때 약 2 %).
- 2) 위의 경향성의 이유는 엔진속도에 따라 펌프의 요구속도와 토크가 결정되는 HPS의 특성과, 차속에 따라 조향력을 보조하는 모터의 요구 에너지가 영향을 받는 EHPS의 특성에 기인한다. 모델링에도 반영되었지만,4) HPS의 경우에는 엔진과 펌프가 단순기어비로 연결되어있다.
- HPS와 비교한 연비 차이를 나타낸 그래프이다. 2.4.1에서 볼 수 있듯이 40 km/h의 속도에서는 HPS와 R-EPS의 연비차이가 크다. 그리고 그 차이는 조향구간의 비율이 올라가도 거의 변하지 않지만, EHPS의 경우에는 그 차이가 작아진다.
- 3) 정속 주행 외에, NEDC 모드로 시뮬레이션을 하였을 때, EHPS는 HPS대비 1.24 %의 연비가 향상되었고, R-EPS의 경우 2.48 %의 연비가 향상되었다. 따라서 일반적인 차속 조건에서 R-EPS, EHPS, HPS의 순으로 연비가 향상되었으며 그 범위는Fig.
- 4) 사인파 조향 테스트로, 조향구간의 비율에 따라 조향시스템들의 연비차이가 달라지는 것을 알 수 있다. 특히 HPS와 EHPS의 연비차이가 조향 구간이 많아질수록 작아졌으며, R-EPS는 큰 차이가 없었다.
- 5) 실도로주행모드에서는 HPS대비 EHPS와 R-EPS가 0.86 %, 2.19 % 연비가 향상된 것을 알 수 있으며, 이는 NEDC 모드와 유사한 경향을 나타냈다.
- 첫 번째와 두 번째 실험과는 달리 세 번째 실험에서는 전체 도로에서 조향구간의 비율에 따라 거의 정확한 비례를 보여주었다. R-EPS, EHPS, HPS로 이어지는 연비 순위가 역전되는 일이 없었지만, EHPS가 상대적으로 조향비율이 높아질수록 연비가 낮아지는 것을 알 수 있었다.
- 1) 조향력이 필요하지 않은 직선 주행에 속도가 일정한 정속 주행일 때, HPS대비 EHPS의 연비 향상도는 저속일 때는 매우 낮았고(30 km/h일 때 약 -4 %), 차속이 증가함에 따라 향상되었다(90 km/h일 때 약 2 %). R-EPS는 에너지 소모가 없으나 알터네이터 충전 등으로 인해 저속일 때는 HPS대비 연비 향상이 매우 높았고(30 km/h일 때 약 9 %), 차속이 증가함에 따라 향상도가 낮아졌다(90 km/h일 때 약 2 %). 즉 시뮬레이션 결과는 차속에 따라 연비 향상도가 바뀌며, EHPS의 연비가 HPS보다 낮아질 수도 있다는 것을 알 수 있다.
- 즉, 저속에서는 EHPS가 HPS보다 연비가 안 좋을 때도 있다는 결과이다. 그리고 HPS대비 R-EPS의 연비 증가율은 차속이 올라감에 따라 약 9 %부터 2 %까지 감소하는 결과가 나타났다. 차속40 km/h일 때 연비차이의 증감의 경향성에서 벗어난 이유를 분석하기 위해 HPS의 펌프의 RPM의 그래프를 구했다.
- 2) 위의 경향성의 이유는 엔진속도에 따라 펌프의 요구속도와 토크가 결정되는 HPS의 특성과, 차속에 따라 조향력을 보조하는 모터의 요구 에너지가 영향을 받는 EHPS의 특성에 기인한다. 모델링에도 반영되었지만,4) HPS의 경우에는 엔진과 펌프가 단순기어비로 연결되어있다. 따라서 엔진의 회전속도가 올라가면 펌프의 회전속도도 같은 비율로 올라가게 되어 이런 결과를 낸 것으로 볼 수 있다.
- 본 연구에서 선정한 실도로 주행 모드 시뮬레이션 결과, EHPS와 R-EPS는 HPS 대비 각각 0.86 %, 2.19 % 연비가 향상되었다. 실도로 주행의 경우 선정 구간에 따라 연비 개선 편차가 발생하기 때문에 정량적인 판단은 어렵지만, 개선율은 NEDC 모드와 유사한 경향을 나타냈다.
- 즉 시뮬레이션 결과는 차속에 따라 연비 향상도가 바뀌며, EHPS의 연비가 HPS보다 낮아질 수도 있다는 것을 알 수 있다.
- HPS에서 차속 40 km/h에서 펌프의 angular velocity가 크게 증가한 것을 알 수 있다. 즉, 변속기의 변속맵에 의한 변속단 변화로 엔진 속도가 변했고, 이와 직결된 HPS의 펌프의 속도와 토크가 증가했다. 그래서 펌프의 에너지 소모가 커짐에 따라 연비가 경향성보다 낮아졌다는 것을 예상할 수 있다.
- 즉, 이론적으로 2.76 %의 연비를 향상시킬 수 있는데, HPS대비 EHPS는 1.24 %, R-EPS는 2.48 %의 연비가 향상된 것을 알 수 있다.
- 4의 그래프에서 40 km/h부분을 제외하고, 전체적으로 HPS대비 EHPS의 연비 증가율은 차속이 올라감에 따라 약 -4 %부터 2 %에 가깝도록 증가하는 것을 알 수 있다. 즉, 저속에서는 EHPS가 HPS보다 연비가 안 좋을 때도 있다는 결과이다. 그리고 HPS대비 R-EPS의 연비 증가율은 차속이 올라감에 따라 약 9 %부터 2 %까지 감소하는 결과가 나타났다.
- 첫 번째와 두 번째 실험과는 달리 세 번째 실험에서는 전체 도로에서 조향구간의 비율에 따라 거의 정확한 비례를 보여주었다. R-EPS, EHPS, HPS로 이어지는 연비 순위가 역전되는 일이 없었지만, EHPS가 상대적으로 조향비율이 높아질수록 연비가 낮아지는 것을 알 수 있었다.
- 4) 사인파 조향 테스트로, 조향구간의 비율에 따라 조향시스템들의 연비차이가 달라지는 것을 알 수 있다. 특히 HPS와 EHPS의 연비차이가 조향 구간이 많아질수록 작아졌으며, R-EPS는 큰 차이가 없었다.
후속연구
- 실도로 주행의 경우 선정 구간에 따라 연비 개선 편차가 발생하기 때문에 정량적인 판단은 어렵지만, 개선율은 NEDC 모드와 유사한 경향을 나타냈다. 따라서 본 연구를 통해 개발된 시뮬레이션 기법을 적용하면 다양한 실도로 주행 모드에 대한 연비 개선 효과를 사전에 예측할 수 있다.
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