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문제 정의
- 본 논문에서는 차대동력계 시스템을 이용하여 전기이륜차의 회생제동 유무에 따른 주행특성을 비교분석하였다. 시험 대상인 최대시속 100 km/h 이하의 도심주행용 전기이륜차에 대해서 회생제동 기능을 통한 구동효율 향상은 약 2.
- 이에 본 연구에서는 전기이륜차의 회생제동 수준을 분석하고 그에 따른 주행특성을 비교 평가하였다. CVS-47 모드 및 CVS-40 모드, 2가지 시험주행모드를 차대동력계로 모사한 주행시험이 각각 진행되었다.
제안 방법
- 이에 본 연구에서는 전기이륜차의 회생제동 수준을 분석하고 그에 따른 주행특성을 비교 평가하였다. CVS-47 모드 및 CVS-40 모드, 2가지 시험주행모드를 차대동력계로 모사한 주행시험이 각각 진행되었다. 정량적으로 설정된 회생제동 수준에 따라 전력소모량, 기계적인 출력, 구동효율이 측정되었으며 이를 통해 전기이륜차의 회생제동 수준에 따른 구동효율 향상 효과를 분석하였다.
- CVS-47과 CVS-40 모드별로 회생제동 수준 0 % 상태와 회생제동 수준 15 % 상태에 대해서 각각 12사이클 주행을 하였으며 이때의 주행거리 및 사용된 에너지량, 에너지소비율을 기록하였다. 차대동력계를 이용한 CVS-47, CVS-40 모드 주행 시험은 탑승자가 직접 차대동력계에 장착된 테스트 차량에 탑승 후 주행모드에 따른 주행속도프로파일을 맞춰서 운전하는 방식으로 실험되었다.
- 총 제동력에서 기계적인 제동력과 회생제동력을 분리해서 측정하기 위해 기계적인 제동력만 작용할 때와 기계적인 제동력과 회생제동력이 동시에 작동할 때를 구분하였다. 기계적인 제동력만 작용하는 순간과 회생제동이 같이 작용하는 순간을 분리하여 운전하기 위해 전기이륜차 구동 소프트웨어 상에 접속하여 회생제동 수준 0 %과 설정 %값을 교번 가능하도록 설정한 후 진행하였다. 또한 기계적인 제동력을 일정하게 유지하기 위해 브레이크 레버의 조작정도가 항상 일정하게 유지되도록 레버 고정장치를 이용해 일정 수준으로 동일하게 구속시킨후 실험하였다.
- 배터리 충전시험을 통해 완전방전된 차량 배터리를 대상으로 전용 충전기로 충전하면서 충전전력량을 기록하였다. 또한 35 km/h 정속주행시험을 통해 정속운전 시 1 충전 주행거리 및 구동효율을 측정하였다. 배터리 충전시험으로 측정된 충전에너지와 정속주행 시의 구동효율은 주행모드별 시험결과와의 비교에 이용되었다.
- 기계적인 제동력만 작용하는 순간과 회생제동이 같이 작용하는 순간을 분리하여 운전하기 위해 전기이륜차 구동 소프트웨어 상에 접속하여 회생제동 수준 0 %과 설정 %값을 교번 가능하도록 설정한 후 진행하였다. 또한 기계적인 제동력을 일정하게 유지하기 위해 브레이크 레버의 조작정도가 항상 일정하게 유지되도록 레버 고정장치를 이용해 일정 수준으로 동일하게 구속시킨후 실험하였다.
- 또한 35 km/h 정속주행시험을 통해 정속운전 시 1 충전 주행거리 및 구동효율을 측정하였다. 배터리 충전시험으로 측정된 충전에너지와 정속주행 시의 구동효율은 주행모드별 시험결과와의 비교에 이용되었다. 배터리 충전시험 및 35 km/h 정속주행시험에 대한 결과는 Table 2와같다.
- 배터리 충전시험을 통해 완전방전된 차량 배터리를 대상으로 전용 충전기로 충전하면서 충전전력량을 기록하였다. 또한 35 km/h 정속주행시험을 통해 정속운전 시 1 충전 주행거리 및 구동효율을 측정하였다.
- 본 연구대상 전기이륜차의 회생제동 수준 %값 조정에 따른 회생제동 토크와 회생전력을 분석하기 위해 차대동력계 시스템을 이용하여 일정한 속도부하를 단계적으로 인가 후 회생제동 특성실험을 진행하였다. 회생제동 수준은 5 %, 7 %, 11 %, 15 %로 변화되었다.
- 본 연구에서는 정속주행시험의 경우 탑승자 무게를 고려하여 70 kg의 질량 더미(Dummy Mass)를 탑재하였으며 CVS-47, CVS-40 모드주행 시는 탑승자가 탑승하여 직접 주행 조작을 진행하였다. 주행부하는 전기이륜차 사양과 탑승자의 무게를 고려하여 KS R ISO 11486: 2009(모터사이클-섀시 동력계의 주행저항설정법) 시험표준에 따라 설정되었다.
- CVS-47 모드 및 CVS-40 모드, 2가지 시험주행모드를 차대동력계로 모사한 주행시험이 각각 진행되었다. 정량적으로 설정된 회생제동 수준에 따라 전력소모량, 기계적인 출력, 구동효율이 측정되었으며 이를 통해 전기이륜차의 회생제동 수준에 따른 구동효율 향상 효과를 분석하였다. 또한 본 연구결과를 토대로 차대동력계를 이용한 전기이륜차의 주행시험법을 통해 기존 회생제동 특성 시험의 한계점을도출하였다.
- 3에 나타낸 기존 실험결과를 통해 브레이크 레버 조작 시 운전속도와 무관하게 약 43 Nm의 회생제동력이 구동 전동기로부터 테스트 차량 후륜 휠을 통해 인가됨을 참고하였다. 주행모드별 12 사이클 시험을 진행하여 주행거리, 배터리사용량, 동력흡수량 등을 기록하였으며 이를 통해 구동효율을 계산하였다. 동력흡수량은 차대동력계의 롤러부를 통해 흡수된 전기이륜차의 기계적인 출력 적산값으로 차대 동력계에서 인가한 부하저항토크와 회전속도와의 곱연산된 값을 시간에 따라 누적한 값을 의미한다.
- 차대동력계 시스템은 섀시 롤러를 이용해 주행상황을 모사하면서 입력전력, 기계적인 출력, 출력토크, 회전속도 등을 측정한다. 차대동력계 시스템은 일반적인 전동기 다이나모 시스템과 마찬가지로 속도부하와 토크부하를 각각 독립적으로 인가할 수 있다.
- CVS-47과 CVS-40 모드별로 회생제동 수준 0 % 상태와 회생제동 수준 15 % 상태에 대해서 각각 12사이클 주행을 하였으며 이때의 주행거리 및 사용된 에너지량, 에너지소비율을 기록하였다. 차대동력계를 이용한 CVS-47, CVS-40 모드 주행 시험은 탑승자가 직접 차대동력계에 장착된 테스트 차량에 탑승 후 주행모드에 따른 주행속도프로파일을 맞춰서 운전하는 방식으로 실험되었다. 회생제동 수준 0 % 설정 시는 가속레버와 브레이크레버를 이용하여 속도프로파일을 추종하였으며 이 때, 제동력은 기계적인 제동력만을 이용한다.
- 3은 차대동력계 시스템을 통해 단계별 속도부하를 준 상태에서 회생제동 기능을 통한 회생제동 토크 및 회생전력을 나타낸다. 차대동력계의 롤러와 테스트 차량의 휠 관성에 의해서 가속 및 감속 구간과 같은 과도상태 부하에서는 정확한 토크 측정이 불가하므로 일정한 단계별 속도부하를 인가한 정상상태에서 회생제동 토크 및 회생전력을 측정하였다. 회생제동 15 % 수준으로 설정된 그래프를 보면 차대 동력계를 이용해 인가된 속도부하(5 km/h, 10 km/h, 15 km/h, 20 km/h)와 무관하게 회생제동 토크와 기계적인 제동토크가 합쳐진 총 제동토크는 약57 Nm로, 기계적인 제동토크는약 14 Nm로 측정 되었으며 이를 통해 회생제동 15 % 수준 설정 시 회생제동 토크는 약 43 Nm가 발생됨을 확인하였다.
- 총 제동력에서 기계적인 제동력과 회생제동력을 분리해서 측정하기 위해 기계적인 제동력만 작용할 때와 기계적인 제동력과 회생제동력이 동시에 작동할 때를 구분하였다.
대상 데이터
- 본 연구 대상 시험차량은 내연기관 이륜차 100 cc급 사양에 해당하는 모델이다. 테스트 대상 차량은 Fig.
- 2에 나타내었다. 테스트 대상 차량의 구동용 전동기는 BLAC타입순시 최대출력 6.5 kW, 연속최대출력 2 kW급 영구자석 전동기이며 정현파 전류 벡터제어 방식으로 제어된다. 동력전달방식은 구동용 전동기로부터 체인을 통해 후륜으로 동력이 전달되는 방식으로 기어비는 4.
이론/모형
- 본 연구에서는 정속주행시험의 경우 탑승자 무게를 고려하여 70 kg의 질량 더미(Dummy Mass)를 탑재하였으며 CVS-47, CVS-40 모드주행 시는 탑승자가 탑승하여 직접 주행 조작을 진행하였다. 주행부하는 전기이륜차 사양과 탑승자의 무게를 고려하여 KS R ISO 11486: 2009(모터사이클-섀시 동력계의 주행저항설정법) 시험표준에 따라 설정되었다. 차대 동력계가 포함된 환경챔버의 온도는 상온 기온으로 23 °C ~ 25 °C 사이가 유지되었다.
- 차대동력계를 이용한 차량시험은 시험 차량이 도로를 주행하는 것과 유사하게 적절한 주행부하를 설정한다. 주행부하를 설정하는 방법은 KS R ISO 11486: 2009(모터사이클-섀시 동력계의 주행저항설정법) 시험표준에 따라 타력주행시험(Coast test) 측정에 의한 동력계 설정과 주행저항표를 이용한 동력계 설정으로 나눠진다.1,10,11)
성능/효과
- 다른 방법들과 달리 회생제동 기능은 에너지 소모를 줄이는 것이 아닌 제동 시 구동용 전동기를 이용한 에너지 회수를 통해 구동효율 향상 및 1충전 주행거리를 연장시킨다.3,4) 전기동력차량에서 회생제동은 단독으로 작용하는 경우와 기계적인 제동력과 같이 작용되는 경우로 나눠진다.5) 단독으로 작용하는 경우는 가속레버 또는 페달 미작동 상태인 관성주행 중에 작동하며, 브레이크 레버 또는 페달이 작동하는 순간에는 기계적인 제동력과 회생제동력이 같이 작용한다.
- 3,4) 전기동력차량에서 회생제동은 단독으로 작용하는 경우와 기계적인 제동력과 같이 작용되는 경우로 나눠진다.5) 단독으로 작용하는 경우는 가속레버 또는 페달 미작동 상태인 관성주행 중에 작동하며, 브레이크 레버 또는 페달이 작동하는 순간에는 기계적인 제동력과 회생제동력이 같이 작용한다. 회생제동은 일반적으로 기계적인 제동력과 적절히 분배되도록 설정되는데 전기이륜차 제조사별로 회생제동에 관한 수준과 작동방식은 서로 상이하다.
- 76 %의 구동효율이 측정되었다. CVS-40 모드주행시, 회생제동 수준0 % 설정시 구동효율은 43.13 %, 회생제동 수준 15 % 설정 시 46.05 %를 나타내었다. CVS-47 모드와 CVS-40 모드, 두 주행 모드에 대해서 회생제동 수준 15 % 설정 때의 구동효율은 회생제동 off 시 대비 약 2.
- CVS-47 모드와 CVS-40 모드에 대한 총 12 사이클 운전 시 총 주행거리는 탑승자가 직접 차대동력계 시스템에서 지시하는 주행모드별 속도프로파일을 추종하며 운전 시 속도 프로파일 상 허용속도편차 범위 내에서 추종오차가 발생하기 때문에 약간의 차이를 보인다. CVS-47 모드 주행 시, 회생제동 수준 0 % 설정 시 49.29 %의 구동효율, 회생제동 수준 15 % 설정 시 51.76 %의 구동효율이 측정되었다. CVS-40 모드주행시, 회생제동 수준0 % 설정시 구동효율은 43.
- 05 %를 나타내었다. CVS-47 모드와 CVS-40 모드, 두 주행 모드에 대해서 회생제동 수준 15 % 설정 때의 구동효율은 회생제동 off 시 대비 약 2.5 % 이상 향상되었다.
- 본 연구 대상 전기이륜차의 회생제동은 전기이륜차의 진행방향에 대해 역방향 회생제동 토크 제어로 작동하므로 회생제동 % 수준에 따른 회생제동 토크로 일정하게 발생한다. 따라서 본 연구에서 대상으로 하고 있는 전기이륜차의 회생제동 기능은 운전자의 브레이크 레버 조작정도에 따라 발생하는 것이 아니라 소프트웨어 상의 %값 조정을 통해 운전속도와 무관하게 일정한 제동토크를 발생시킨다.
- 본 논문에서는 차대동력계 시스템을 이용하여 전기이륜차의 회생제동 유무에 따른 주행특성을 비교분석하였다. 시험 대상인 최대시속 100 km/h 이하의 도심주행용 전기이륜차에 대해서 회생제동 기능을 통한 구동효율 향상은 약 2.5% 가량으로 미미한 향상수준을 나타내었다. 본 연구에서 설정한 회생제동 수준 15%는 회생제동토크 43 Nm에 달하는 높은 제동토크 인가 상황이므로 내리막길 운전과 같은 (-)구배 주행상황이 아닐 경우, 급격한 제동이 발생하여 재가속을 해야 된다.
- 차대동력계의 롤러와 테스트 차량의 휠 관성에 의해서 가속 및 감속 구간과 같은 과도상태 부하에서는 정확한 토크 측정이 불가하므로 일정한 단계별 속도부하를 인가한 정상상태에서 회생제동 토크 및 회생전력을 측정하였다. 회생제동 15 % 수준으로 설정된 그래프를 보면 차대 동력계를 이용해 인가된 속도부하(5 km/h, 10 km/h, 15 km/h, 20 km/h)와 무관하게 회생제동 토크와 기계적인 제동토크가 합쳐진 총 제동토크는 약57 Nm로, 기계적인 제동토크는약 14 Nm로 측정 되었으며 이를 통해 회생제동 15 % 수준 설정 시 회생제동 토크는 약 43 Nm가 발생됨을 확인하였다.
- 본 연구대상 전기이륜차의 회생제동 수준 %값 조정에 따른 회생제동 토크와 회생전력을 분석하기 위해 차대동력계 시스템을 이용하여 일정한 속도부하를 단계적으로 인가 후 회생제동 특성실험을 진행하였다. 회생제동 수준은 5 %, 7 %, 11 %, 15 %로 변화되었다. 총 제동력에서 기계적인 제동력과 회생제동력을 분리해서 측정하기 위해 기계적인 제동력만 작용할 때와 기계적인 제동력과 회생제동력이 동시에 작동할 때를 구분하였다.
후속연구
- 정량적으로 설정된 회생제동 수준에 따라 전력소모량, 기계적인 출력, 구동효율이 측정되었으며 이를 통해 전기이륜차의 회생제동 수준에 따른 구동효율 향상 효과를 분석하였다. 또한 본 연구결과를 토대로 차대동력계를 이용한 전기이륜차의 주행시험법을 통해 기존 회생제동 특성 시험의 한계점을도출하였다.
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