[논문]배터리 교환형 전기 이륜차 활성화를 위한 프레임 강건 설계

김상현; 김가은; 나다율; 박정우; 유다혜; 노광현; 이재상; 주승돈

doi:10.14775/ksmpe.2020.19.12.113

배터리 교환형 전기 이륜차 활성화를 위한 프레임 강건 설계
Robust Frame Design for Battery Exchange-Type Electric Motorcycle 원문보기

한국기계가공학회지 = Journal of the Korean Society of Manufacturing Process Engineers, v.19 no.12, 2020년, pp.113 - 118

김상현 (한성대학교 기계시스템공학과) , 김가은 (한성대학교 기계시스템공학과) , 나다율 (한성대학교 기계시스템공학과) , 박정우 (한성대학교 기계시스템공학과) , 유다혜 (한성대학교 기계시스템공학과) , 노광현 (한성대학교 IT응용공학부) , 이재상 ((주) 재상전자) , 주승돈 ((주) 재상전자)

Abstract ▼ AI-Helper

Recently, eco-friendly electric motorcycles have been considered to replace aging gasoline motorcycles to reduce the amount of suspended fine dust in air. However, existing rechargeable battery-powered electric motorcycles have been found unacceptable by users because of their many limitations, such as long charging time, short travel distance per charge, and low driving speed. To overcome the drawbacks of conventional electric motorcycles, this paper proposes an exchangeable battery-powered electric motorcycle and a new frame shape for housing the exchangeable battery. The proposed frame is similar to that of current electric motorcycles; however, the shape and position of the saddle support, battery, and controller mount section are redesigned. The safety of the presented frame is verified through static and dynamic analyses using ABAQUS. In particular, the dynamic analysis is conducted under the most extreme condition among the various operating situations, thus confirming the robustness of the proposed frame design.

주제어

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문제 정의

인해 사용자의 외면을 받고 있다. 따라서 본 논문에서는 이를 개선하기 위해 배터리 교환형 전기 이륜차 모델을 제안하였다 . 기존 충전형 전기 이륜차 프레임 형상을 유지하면서 교환형 배터리팩을 장착할 수 있도록 거치부 형상과 위치 및 충전 조절 장치 구조를 수정하였으며 정적 및 동적 해석을 통해 프레임의 안전성을 검증하였다.
따라서 본 논문에서는 전기 이륜차의 낮은 동적 성능과 이용시간 및 주행거리 등의 문제를 총체적으로 해결하기 위해 배터리 교환형 전기 이륜차를 제안하였으며 교환형 배터리 팩을 거치할 수 있게 설계된 새로운 프레임 형상의 안전성을 검증하려고 한다. .
이러한 전기 이륜차의 사용상 불편함과 낮은 성능으로 인해 정부의 구매보조금 지원에도 불구하고 사용자의 외면을 받아왔다. 따라서 본 논문에서는 전기 이륜차의 이러한 문제점을 해결할 수 있도록 새로운 전기 이륜차인 배터리 교환형 방식을 제안한다.

가설 설정

일반적으로 ‘ 도로안전시설 설치 및 관리지침’ 에 의거하여 과속방지턱의 높이는 150mm를 넘지 않으며 도로교통법에서 과속방지턱에서의 주행은 규정 속도 30km/h로 제한되어 있다. 따라서 50% 정도의 과속을 고려한 주행속도 45km/h의 초기속도를 부여하여 150mm의 높이에서 지면과 충돌하는 상황을 가정하였다 . 정해석과 마찬가지로 충돌해석에 영향을 미칠 수 있는 사람 , 배터리 , 모터 , 연료 등의 하중과 중력을 부여하였다 .
. 따라서 해석시간을 최대한 줄이기 위해 해석 시점은 충돌 직전으로 가정하였으며, Fig. 6(b)와 같이 에너지 보존 법칙을 통해 충돌 시점의 수평방향 및 수직방향 속도를 구할 수 있다[9]. 또한 대부분의 전기 이륜차는 내부에 현 가장 치인 쇼크업소버(shock absorber)를 장착하고 있으며 현가장치와 타이어로 인하여 충격량이 40 ∼ 60% 흡수 된다고 알려져 있다^[10].

제안 방법

7V, 3Ah 사양의 리튬이온 셀을 직렬/ 병렬로 적절히 연결한 새로운 교환형 배터리 팩을 구현하였으며 이를 장착할 수 있는 프레임 형상을 설계하였다 . 가능한 기존 충전형 전기 이륜차의 프레임 형상을 유지하였으며 교환형 배터리 팩을 장착할 수 있는 거치부의 형상과 위치 및 충전 조절 장치의 구조를 수정하였다.
. 기존 충전형 이륜차의 프레임을 교환형에 맞게 설계 변경하였으며 실제 제작에 앞서 극한적인 상황을 고려한 구조해석 및 동해석을 통해 안전성을 확인하였다.
따라서 본 논문에서는 이를 개선하기 위해 배터리 교환형 전기 이륜차 모델을 제안하였다 . 기존 충전형 전기 이륜차 프레임 형상을 유지하면서 교환형 배터리팩을 장착할 수 있도록 거치부 형상과 위치 및 충전 조절 장치 구조를 수정하였으며 정적 및 동적 해석을 통해 프레임의 안전성을 검증하였다.
또한 대부분의 전기 이륜차는 내부에 현 가장 치인 쇼크업소버(shock absorber)를 장착하고 있으며 현가장치와 타이어로 인하여 충격량이 40 ∼ 60% 흡수 된다고 알려져 있다^[10]. 따라서 50%의 충격량만 프레임에 전달된다고 가정한 후 에너지 보존법칙을 통해 구한 22.5m/s의 수평방향 속도와 -2.09m/s의 수직방향속도를 초기 조건으로 부여하여 해석을 진행하였다 . 해석 시간은 앞바퀴 충돌 후 뒷바퀴 충돌 상황까지 보기 위하여 0.
프레임 자체만의 거동을 보기 위한 해석이므로 휠에 강체 조건을 부여하여 휠, 과 프레임을 rigid beam으로 연결을 하였으며 휠과 지면사이의 마찰계수는 고려하지 않았다 . 또한 충돌을 재현할 수 있도록 2차원 평면으로 구성된 주행로를 구성하여 해석을 진행하였다.
전기이륜차는 구동력을 발생시키는 모터와 배터리 , 충전 조절 장치 (charge & controller) 및 프레임으로 구성되어 있다. 먼저 가솔린 이륜차의 최소한의 동적 성능 (1회 충전 주행거리 60km , 최고 속도 80km/h , 오르막 등판력 30km/h @ 20°) 을 구현하기 위한 최대 출력 용량을 계산한 후 이를 충족할 수 있도록 3.7V, 3Ah 사양의 리튬이온 셀을 직렬/ 병렬로 적절히 연결한 새로운 교환형 배터리 팩을 구현하였으며 이를 장착할 수 있는 프레임 형상을 설계하였다 . 가능한 기존 충전형 전기 이륜차의 프레임 형상을 유지하였으며 교환형 배터리 팩을 장착할 수 있는 거치부의 형상과 위치 및 충전 조절 장치의 구조를 수정하였다.
5 는 정해석을 위한 해석 조건을 나타낸다. 앞바퀴와 뒷바퀴가 연결되는 중심에 fixed 경계조건을 부여하여 변위를 고정시켰으며 , 사람과 배터리의 하중은 각각의 무게중심점에 point mass 형태로 , 모터와 연료 등의 하중은 non-structure mass 로부여하여 정해석을 진행하였다 . 두 바퀴는 해석을 위한 경계조건을 부여하기 위해서만 사용되고 프레임과는 coupling 조건으로 연결하였다 .
4 는 해석을 위한 FEA 형상을 나타낸다 . 해석 수행 시간을 감소하기 위해 사면체 요소 대신 육면체 요소를 사용하였으며 , 해의 정확도를 높이고 artificial 에너지에 의한 결과값 왜곡을 막기 위하여 정해석에서는 요소 내에 20개의 적분점을 가지는 2차원 요소인 C₃D20를 , 동해석에서는 2차원 요소를 사용할 수 없기 때문에 요소 내에 적분 점을 8개 가지는 1차원 요소인 C₃D8I을 사용하였다. 대변형을 잘 표현할 수 있도록 요소의 수는 충분한 크기로 분할하였다^[8].

대상 데이터

정해석과 마찬가지로 충돌해석에 영향을 미칠 수 있는 사람 , 배터리 , 모터 , 연료 등의 하중과 중력을 부여하였다 . 추가적으로 프레임 이외의 실제와 유사한 지면과의 충돌 현상을 재현하기 위해 지름 360mm , 두께 110mm의 이륜차 바퀴를 모델링하였다 . 프레임 자체만의 거동을 보기 위한 해석이므로 휠에 강체 조건을 부여하여 휠, 과 프레임을 rigid beam으로 연결을 하였으며 휠과 지면사이의 마찰계수는 고려하지 않았다 .
프레임과 배터리 및 컨트롤러 거치부의 재료는 기존의 충전형 배터리 전기 이륜차 모델에 사용된스테인레스 스틸 (A286)을 사용하였으며 , 휠의 소재는 알루미늄 (AL6061-651)을 사용하였다 . 각 재료의 물성 값은 Table 1에 나타내었다 .
3(a) 는 기존 배터리 충전형 이륜차의 프레임 형상이며 (b)는 수정된 교환형 전기 이륜차의 프레임 형상을 나타낸다 . 프레임의 전체 크기는 길이 1600mm , 폭 345mm , 높이 886mm이며 프레임의 기본이 되는 파이프의 두께는 3mm로 제작되었다 . 교환형 이륜차 프레임은 사람의 하중을 지지하는 안장지지대와 교환형 배터리와 컨트롤러를 거치할 수 있는 거치부 형상이 기존 충전형과 차이가 있다.

성능/효과

10은 위에서 설계한 프레임을 바탕으로 제작된 시제품 형상이다. 교환형 배터리 팩이 내부거치 부에 장착되며 안장을 열어 쉽게 교체할 수 있음을 확인하였다.
또한 실제 제작을 통해 교환형 배터리 팩 장착이 가능함을 검증하였다 . 따라서 본 논문에서 제안된 프레임 형상이 배터리 교환형 전기 이륜차에 적합하다고 판단된다.
확인하였다 . 또한 실제 제작을 통해 교환형 배터리 팩 장착이 가능함을 검증하였다 . 따라서 본 논문에서 제안된 프레임 형상이 배터리 교환형 전기 이륜차에 적합하다고 판단된다.
정지 상태에서 프레임에 발생하는 최 대응력은 재료의 항복강도보다 현저히 낮았으며 이륜차 내부에 장착된 쇼크업쇼바와 타이어로 인한 충격량 흡수를 고려한 동적 충돌해석을 통해 주행 평균속도에서 프레임에 발생하는 최대응력이 시간에 따라 계속 변동하였지만 재료의 항복응력을 넘지 않음을 확인하였다 . 또한 실제 제작을 통해 교환형 배터리 팩 장착이 가능함을 검증하였다 .

참고문헌 (10)

Jang, Y. K., Kim, J., Kim, P. S., Shin, Y. I., Kim, W. S. and Choi, Y. J., "Estimation of Vehicle Kilometers Travelled and Air Pollution Emission from Motorcycles," Journal of Korean Society for Atmospheric Environment, Vol. 26, No. 1, pp. 48-56, 2010.

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Kim, K. C. and Shin, W. K., "Technological Trends of Electric Motorcycle," The Korean Institute of Electrical Engineers, Vol. 63, No. 11, pp. 32-40, 2014.
Lee, S. and Hwang, P., "Industrial and Technological Trends of Personal Mobility in Korea and Abroad," Auto Journal, Vol. 37, No. 1, pp. 36-45, 2015.
Lee, S. H., Kim, T. Y. and Jung, T. W., "Industry and Principal Technology of Electric Motorcycle," Proceedings of the Korean Institute of Illuminating and Electrical Installation Engineers, Vol. 28, No. 1, pp. 50-55, 2014.
Chun, S. Y., Seong, K. W., Park, H. I., Kim, I. S. and Kang, S. K., "Structure-Vibration Analysis of Electric Scooter Frame," Jorunal of the Korean Society of Manufacturing Process Engineers, Vol. 15, No. 1, pp. 116-121, 2016.

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Lee, Y., Ha, S. Y. and Kwon, J., "Parametric Analysis for Structural Stiffness Enhancement of Motorcycle Frame," Transaction of the Korean Society of Automotive Engineers, Vol. 24, No. 5, pp. 612-617, 2016.

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Childs, P, Mechanical Design Engineering Handbook, Elsevier, 2013.
Chae, S. W. and Jeong, J. H., "Development of a Finite Element Modeling System for Automobile Crash Analysis," Annual Conference of The Korean Society of Automotive Engineers, Vol. 11, pp. 1177-1182, 1997.
Kang, K. H., Seo, K. S., Shin, D. P., Park, H. Y., Woo, H. K., Jeong, S. W. and Choi, B.I., "A Study on the Free Drop Impact Analysis for Concrete Storage Cask," Autumn meeting of KNS2003, pp. 10, 2003.
Levy, M. and Smith, G. A., "Effectiveness of vibration damping with bicycle suspension systems," Sports Engineering, Vol. 8, No. 2, pp. 99-106, 2005.

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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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