[논문]후륜 구동 인휠 전기 자동차의 구동 및 현가 통합제어시스템

김현동; 최규재

doi:10.7467/ksae.2016.24.4.439

후륜 구동 인휠 전기 자동차의 구동 및 현가 통합제어시스템
Integrated Chassis Control System of a Rear In-wheel Motor Vehicle 원문보기

한국자동차공학회논문집 = Transactions of the Korean Society of Automotive Engineers, v.24 no.4, 2016년, pp.439 - 446

김현동 (군산대학교 기계자동차공학부) , 최규재 (군산대학교 기계자동차공학부)

Abstract ▼ AI-Helper

An in-wheel motor vehicle is a type of car that is equipped with an electric motor for each wheel. It is possible to acquire vehicle stability through a seperate driving torque control per wheel, since it directly generates the driving torque via the wheel motors. However, the vehicle ride comfort and road holding performance worsen depending on the increase of the wheel weights. In order to compensate for the impaired performance, an integrated chassis control system of the rear in-wheel motor vehicle is proposed. The proposed integrated chassis control system is composed of a driving torque control system, a semi-active suspension system, and an ESC system. According to the vehicle dynamic simulation of an in-wheel motor vehicle equipped with the integrated chassis control system, it is found that the system can improve the driving stability, ride comfort, and driving efficiency of the in-wheel motor vehicle.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

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문제 정의

본 논문에서는 개별 섀시 제어시스템들을 효과적으로 결합, 운용하여 전체적인 차량의 동특성을 향상시킬 수 있는 섀시통합제어시스템 개발을 목적으로 하고 있다. 이를 위해 후륜 구동 방식의 인휠 전기 자동차의 구동 로직과 반능동 현가시스템 로직을 CarSim과 MATLAB/Simulink의 통합 시뮬레이션(co-simulation) 환경으로 구성하고 통합제어를 통한 전체적인 성능 향상도를 분석하였다.
본 연구에서는 개별 시스템들을 효과적으로 결합하여 차량의 전체적인 동적특성의 향상을 위해 상위 제어기(supervisory controller)인 주제어기(main controller)를 설계하여 개별 시스템이 독립적으로 운용됨에 따라 발생할 수 있는 성능 저하를 막고 최적의 성능을 구현하여 차량의 자세안정성 및 승차감 향상을 목표로 하였다.
본 연구에서는 후륜 구동 인휠 전기자동차의 구동 및 현가 통합제어 시스템을 제안하였다. 이 시스템은 토크 제어가 동작하는 상황에서 댐퍼 제어를 통해 요 모멘트 제어와 하중이동을 줄임으로써 차량의 자세안정성과 에너지 효율 향상에 기여할 수 있었으며 연구 내용을 다음과 같이 요약할 수 있다.

제안 방법

1) 실차 시험 데이터와 비교를 통해 차량모델의 정확도를 검증하였으며MALTAB/Simulink 환경으로 구성된 후륜 구동 인휠 전기 자동차의 주행 성능에 대해분석하였다.
2) 반능동 현가시스템은 스카이 훅 이론을 통한 승차감 향상과 차량 선회 시 토크 벡터링 구동륜에 차량의 하중이동을 고려한 감쇠력 제어를 통해 차량의 접지력을 향상시킬 수 있도록 제어 알고리즘을 구성하였다.
CarSim 차량 모델의 정확도를 검증하기 위하여 인휠 모터가 장착된 시험 차량을 주행시험장에서 KS R ISO 3888-1³⁾ 이중차선변경시험을 수행하였다. CarSim 모델과 실제 차량 측정값을 비교하기 위하여 측정된 조향각을 CarSim의 조향 조건으로 입력하였다.
구동제어시스템과 수동형 현가시스템을 사용한 수동형 모델(ECM_Pas), 구동제어시스템에 반능동현가시스템이 단순 결합된 단순결합모델(ECM_ SAS), 그리고 구동제어시스템과 반능동 현가시스템이 상위 제어기를 통해 통합제어가 이루어지는 통합제어모델(ECM_ICC)의 세가지 경우에 대하여 인휠 전기자동차의 구동 및 현가 통합제어 시스템의 성능평가를 실시하기 위하여 이중차선변경 시뮬레이션을 수행하였다.¹⁰⁾
본 논문에서는 요 모멘트 제어기를 기반으로 토크 벡터링 시스템을 구현하였다. 차량 모델로부터 조향각과 종방향 속도를 입력신호로 사용하여 기준 요 각가속도와 실제 요 각속도를 계산하게 된다.
스카이 훅 제어기를 반능동 댐퍼에 적용하는 경우 제어 감쇠계수는 사용자가 임의로 선정할 수 있는 값으로 선정방법에는 여러 가지 기법이 존재하지만 본 연구에서는 가변 댐퍼 설계 시 기존 댐퍼의 설계 범위 내에서 값이 변화하기 때문에 수동 댐퍼의 비율로 제어 감쇠계수 값을 선정하였다. 감쇠계수 선정을 위해 10 cm 범프(Fig.
본 논문에서는 개별 섀시 제어시스템들을 효과적으로 결합, 운용하여 전체적인 차량의 동특성을 향상시킬 수 있는 섀시통합제어시스템 개발을 목적으로 하고 있다. 이를 위해 후륜 구동 방식의 인휠 전기 자동차의 구동 로직과 반능동 현가시스템 로직을 CarSim과 MATLAB/Simulink의 통합 시뮬레이션(co-simulation) 환경으로 구성하고 통합제어를 통한 전체적인 성능 향상도를 분석하였다.
이중차선변경시험을 차속 60 km/h로 수행하여 에너지 효율과 연관된 모터 토크와 차량 안정성 측면인롤 각, 요 각속도, 수직 가속도를 비교하였다.
제어 감쇠계수의 비율이 높을수록 피치 각과 수직 가속도의 RMS 값이 감소하는 것을 확인할 수 있지만 감쇠계수가 높을수록 수직 가속도에 고주파 진동이 발생하기 때문에 비교적 응답효과가 큰 50 %의 비율을 최적의 감쇠계수로 선정하여 시뮬레이션을 진행하였다.⁷⁾

대상 데이터

본 연구에서 사용한 차량은 국내 생산 소형 가솔린 차량을 개조하여 후륜에 인휠 모터를 장착한 모델로 기본 재원은 Table 1과 같다.
이 개조차량을 현가 시스템 파라미터 측정 장치(SPMD)를 사용하여 차량 데이터를 측정하고 CarSim 차량 모델을 구성하였다.

데이터처리

위상오차(phase error) 계산법과 크기 오차(magnitude error)계산법을 사용하여 CarSim 해석 값과 실차 측정값을 비교하였으며 Table 2에 기술하였다. 표에서 보는 바와 같이 최대 14.
통합 제어시스템 구현을 위해 CarSim 차량모델을 구성하고 인휠 모터를 장착한 시험 차량에서 측정한 주행시험 데이터와 비교 검증하였다.

이론/모형

인휠 모터 구동 알고리즘은 참고문헌⁵⁾에서 제시하고 있는 모델을 사용하였다. 이와 같은 독립구동방식의 장점은 선회 시 좌 · 우 구동 토크 분배를 통하여 부가적으로 요구되는 요 모멘트를 생성하여 선회 반경을 줄이거나 선회 안정성을 향상시킬 수 있다.

성능/효과

3) 제안한 통합제어 시스템을 이용한 시뮬레이션을 통해 모터 토크는 최대 12 %, 롤 각은 최대 24.33 % 감소하는 것을 확인하였으며 개별제어 시스템과 비교 하였을 때에도 성능이 향상됨을 확인할 수있었다.
9에 도시하였으며 Table 4와 5에 세 가지 경우에 대하여 결과 값을 각각 기술하였다. Table 4에서 보는 바와 같이 수동형모델(ECM_Pas)과 통합제어모델(ECM_ICC)을 비교한 결과 후륜 좌우측에서 발생하는 모터 토크는 최대 12 % 감소하였으며 롤 각은 최대 24.33 % 감소함을 확인할 수 있다. Table 5에서 보는 바와 같이 단순결합모델(ECM_SAS)과 통합제어모델(ECM_ICC)을 비교한 결과 후륜 좌 · 우측에서 발생하는 모터 토크는 최대 4.
33 % 감소함을 확인할 수 있다. Table 5에서 보는 바와 같이 단순결합모델(ECM_SAS)과 통합제어모델(ECM_ICC)을 비교한 결과 후륜 좌 · 우측에서 발생하는 모터 토크는 최대 4.49 % 감소하였으며 롤 각은 최대 10 % 감소함을 확인하였다.
따라서 통합제어 결과 구동 제어만을 사용한 수동형모델보다 성능이 크게 향상됨을 알 수 있었으며 구동제어시스템에 반능동 현가시스템을 단순결합한 단순결합모델보다 성능이 향상됨을 알 수 있었다. 이와 같은 결과를 통해 단순 개별제어가 아닌 상위제어기를 통한 통합제어가 이루어졌을 때 차량의 전체적인 성능 향상이 이루어질 수 있음을 알 수 있었다.
이와 같은 결과를 통해 구동 및 현가시스템의 단순 개별 제어가 아닌 상호 통합제어를 이용하여 후륜 구동 인휠 전기자동차의 운동성능 향상 뿐만 아니라 구동 모터 토크를 감소시킬 수 있어 에너지 소모량을 줄일 수있는장점을 확인할수 있었다. 따라서 본 연구에서 제안한 통합제어 시스템을 활용하여 인휠 전기자동차의 성능 향상에 기여할 수 있을 것으로 판단된다.

후속연구

이와 같은 결과를 통해 구동 및 현가시스템의 단순 개별 제어가 아닌 상호 통합제어를 이용하여 후륜 구동 인휠 전기자동차의 운동성능 향상 뿐만 아니라 구동 모터 토크를 감소시킬 수 있어 에너지 소모량을 줄일 수있는장점을 확인할수 있었다. 따라서 본 연구에서 제안한 통합제어 시스템을 활용하여 인휠 전기자동차의 성능 향상에 기여할 수 있을 것으로 판단된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	인휠 시스템의 장점은 무엇인가?	1) 이에 따라 차세대 전기 자동차 핵심 기술 중 하나인 인휠(in-wheel) 시스템이 주목 받고 있다. 인휠 시스템은 바퀴(wheel) 안에 구동 및 제동 장치를 일체화한 것으로 별도의 동력전달장치 없이 모터가 직접 바퀴를 구동시키므로 차량의 무게가 가벼워져 연비를 개선할 수 있고 각 휠에 독립적인 토크를 분배할 수 있기 때문에 차량의 선회 시 추가적인 장치 없이 차량의 안정성을 구현할 수 있다.2) 하지만 바퀴가 포함된 스프링 아래 질량(unsprung mass)의 증가에 따라 승차감 및 조종안정성이 저하되는 문제점이 있어 개별 섀시시스템을 상호보완적으로 결합함으로써 성능을 극대화할 수 있는 통합제어시스템의 개발이 필요한 실정이다.
	반능동 현가 시스템 제어에 많이 사용되는 스카이 훅 이론의 특징은 무엇인가?	반능동 현가 시스템 제어에 많이 사용하는 스카이 훅 이론은 스프링 상부 질량(sprung mass)의 진동을 제어하기 위해 가상의 댐퍼가 추가로 달려있다고 가정하고 스프링 상부 질량의 속도에 비례하는 가상 댐퍼의 힘을 추가로 발생시켜 진동을 제어한다(Fig. 3).
	인휠 시스템이 가지고 있는 문제점은 무엇인가?	인휠 시스템은 바퀴(wheel) 안에 구동 및 제동 장치를 일체화한 것으로 별도의 동력전달장치 없이 모터가 직접 바퀴를 구동시키므로 차량의 무게가 가벼워져 연비를 개선할 수 있고 각 휠에 독립적인 토크를 분배할 수 있기 때문에 차량의 선회 시 추가적인 장치 없이 차량의 안정성을 구현할 수 있다.2) 하지만 바퀴가 포함된 스프링 아래 질량(unsprung mass)의 증가에 따라 승차감 및 조종안정성이 저하되는 문제점이 있어 개별 섀시시스템을 상호보완적으로 결합함으로써 성능을 극대화할 수 있는 통합제어시스템의 개발이 필요한 실정이다.

참고문헌 (10)

T. Nakada, S. Ishikawa and S. Oki, "Development of an Electric Motor for a Newly Developed Electric Vehicle," SAE 2014-01-1879, 2014.
S. Murata, "Vehicle Dynamics Innovation with In-Wheel Motor," SAE 2011-39-7204, 2011.
KS R ISO 3888-1:2008, Passenger Cars -Test Track for a Severe Lane-change Manoeuvre-Part 1 : Double Lane-change, Korean Standards, 2008.
S. G. Shin and G. J. Choi, "Driving Performance Analysis of a Rear In-wheel Motor Vehicle with Simultaneous Control of Driving Torque and Semi-active Suspension System," Transactions of KSAE, Vol.23, No.1, pp.11-17, 2015.

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H. W. Song, Y. K. Lee, J. J. Baek, J. H. Park and S. H. Hwang, "Driving Force Distribution Algorithm for Improved Driving Efficiency of 4-Wheel-Drive In-wheel Electric Vehicles," KSAE Spring Conference Proceedings, pp.1846-1850, 2013.
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원문보기 상세보기
Y. G. Kim, M. S. Kim, J. H. Sohn and W. S. Yoo, "Design Parameter of the Semi-active Damper of a Large Bus using Sky-hook Control," KSME Spring Conference Proceedings, pp.67-70, 2011.
S. H. Yoon, B. K. Koo, Y. S. Kou, J. H. Jung and D. S. Kim, "Study on the Development of Rollover Prevention System based on Simulation of Vehicle Dynamics," KSAE Fall Conference Proceedings, pp.649-655, 2004.
T. W. Hong, A Study on Control Strategy of Steer Avoidance for Improving Performance to Emergency Steer Assist System, Ph.D Dissertation, Kookmin University, Seoul, 2013.
H. D. Kim, G. J. Choi, M. H. Ha, H. J. Moon and B. J. Kang, "Semi-active Chassis Integrated Control System of a Rear In-wheel Motorized Automobile," KSAE Annual Conference Proceedings, pp.451-452, 2015.

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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