초록 ▼

Ⅳ. 연구개발결과
1. 하이브리드 트랙터 플랫폼 및 시스템 통합기술 개발
하이브리드 트랙터는 기존 차량에 적용된 하이브리드 기술인 Miid형, 직렬형, 병렬형, 복합형 방식 중 비교적 작은 모터와 배터리를 사용하여 구현이 가능한 병렬형 방식으로 개발하였다. 하이브리드 트랙터 핵심부품인 모터/발전기는 엔진 정격 회전수와 동일한 2,300 rpm, 정격출력과 토크는 7kW, 29Nm으로 설계하였다. 배터리-BMS (Battery Management System)는 체적 대비 효율이 높은 LiFePO₄를 이

Ⅳ. 연구개발결과
1. 하이브리드 트랙터 플랫폼 및 시스템 통합기술 개발
하이브리드 트랙터는 기존 차량에 적용된 하이브리드 기술인 Miid형, 직렬형, 병렬형, 복합형 방식 중 비교적 작은 모터와 배터리를 사용하여 구현이 가능한 병렬형 방식으로 개발하였다. 하이브리드 트랙터 핵심부품인 모터/발전기는 엔진 정격 회전수와 동일한 2,300 rpm, 정격출력과 토크는 7kW, 29Nm으로 설계하였다. 배터리-BMS (Battery Management System)는 체적 대비 효율이 높은 LiFePO₄를 이용하였으며 배터리 SOC 제어 및 인버터와 통신이 가능하도록 설계하였다. HCU (Hybrid Control Unit)는 MCU (Motor Control Unit)와 BMS의 신호를 통해 하이브리드 시스템 구동이 가능하도록 설계하였으며, MCU는 모터 구동이 가능하도록 300V, 50A rms 로 설계하도록 하였다. 하이브리드 트랙터 동력제어 알고리즘 및 통합 플랫폼 개발을 위해 실내 시험장치를 이용하여 내구 시험평가를 실시하였으며 하이브리드 트랙터 다이나모미터를 설계 및 개발하여 하이브리드 시스템에 대한 성능평가가 가능하도록 하였다. 또한 하이브리드 HCU 알고리즘을 개발하고, HCU와 MCU, BMS의 CAN 통신을 통해 하이브리드 통합 제어 시스템을 구축하였다. 실내 시험장치를 통해 핵심부품 및 제어 시스템을 최적화하고 포장작업을 통해 하이브리드 시스템의 성능평가 및 에너지 효율 분석을 실시하였다. 하이브리드 시스템의 제어를 위해 기존 트랙터의 작업 별 부하 계측 시스템을 설계하고 이에 따른 부하 분석을 실시하였다. 또한 하이브리드 핵심부품의 효율적 장착을 위해 트랙터 장착 환경 조건 및 링크부 설계 검토를 실시하였으며 주행 안정성 및 핵심부품 작동 효율에 대한 분석을 실시하였다.

2. 전기에너지의 고효율 변환 및 관리 기술 개발
전기에너지의 고효율 변환 및 관리 기술 개발을 위해 고효율/고출력 구동모터와 인버터/컨버터, 배터리 관리 시스템(BMS)을 개발하였다. 구동모터의 경우 하이브리드 방식임을 고려하여 모터/발전기로 설계하였으며 정격출력과 토크는 7kW, 29Nm, 정격 회전수는 트랙터의 정격회전수와 동일한 2,300 rpm으로 설계하였다. 트랙터에 장착 가능한 1차 시작품을 설계하고 개발하였으나 높은 무게 및 구조적 문제, 내구성 문제로 인해 이에 대한 개선품으로 2차 시작품을 개발하고 트랙터에 장착이 가능하도록 설계하였다. 인버터/컨버터의 경우 모터/발전기의 입출력 조건에 적합하도록 설계하였으며 CAN 통신 방식을 이용하여 상위제어기인 HCU에 신호를 전달하거나 받을 수 있도록 하였다. 개발된 인버터/컨버터의 성능평가를 위해 온도 변화 시뮬레이션과 방열 특성 시뮬레이션을 실시하여 내열성 평가를 실시하였으며 모터 구동, 모터의 발전 시험을 통해 제어가 가능함을 확인하였다. 또한 하이브리드 시스템 성능 평가 장치를 통해 인버터/컨버터가 엔진의 회전수에 따라 하이브리드 모드 동작이 원활이 이루어지는지 확인할 수 있었다. 배터리-BMS의 경우 체적대비 에너지 밀도가 높고 충전 효율이 높은 리튬인산철 배터리를 사용하였으며 특히 BMS는 Micro-Controller를 이용하여 모니터링 및 제어를 수항하면서 고전압, 고전류의 작동환경에서도 높은 신뢰도를 유지할 수 있도록 설계하였다. 또한 배터리와 BMS를 일체화하여 결선의 외부 노출을 없애고 장착에 용이하도록 하였다. 개발된 모터/발전기, 인버터/컨버터, 배터리-BMS는 하이브리드 성능평가를 실시하여 모터/발전기 토크에 따른 배터리 충방전 시간을 확인할 수 있었다.

3. 하이브리드 트랙터 시뮬레이션 모델 개발
하이브리드 트랙터 시뮬레이션 모델을 개발하기 위해 71kW급 중형 트랙터와 동일한 사양의 시뮬레이션 모델 layout을 설계하였다. 시뮬레이션 프로그램은 하이브리드 차량 모델에 사용되는 Autonomie 프로그램을 이용하였으며 일반 트랙터 모델을 구성하고 모터/발전기를 추가하는 방식으로 하이브리드 트랙터 시뮬레이션 모델을 개발하였다. 또한 하이브리드 트랙터 모델에 대한 성능평가를 위해 트랙터 주요 포장작업인 플라우 경운, 베일러 작업에서 작업 모드를 개발하였다. 하이브리드 트랙터 시뮬레이션 모델 layout을 바탕으로 핵심부품 모듈화를 통해 시뮬레이션 모델을 구성하였으며 작업 부하 입력에 따라 핵심부품 시뮬레이션 모델 검증을 실시하였다. 또한 트랙터 모델과 하이브리드 트랙터 모델을 시뮬레이션을 통해 비교하여 성능 검증을 실시하였다. 하이브리드 트랙터 성능평가 및 실용화 검증을 위해 시뮬레이션 모델과 연동하여 구동할 수 있는 실내 시험장치를 이용해 하이브리드 성능 분석을 실시하였다. 실내 시험장치는 엔진, 모터/발전기, 인버터, 컨버터, 배터리-BMS로 구성되어 있어 시뮬레이션 모델 중 변속기, 차축을 제외한 시뮬레이션 모델로 실내 시험장치와 연동하여 성능평가를 실시하였다.

Abstract ▼

The purpose of this study was to evaluate the possibility of development of hybrid tractor system. The layout of hybrid tractor system was designed and used to determine components of the hybrid tractor system. The major components of the hybrid tractor system were a motor/generator, an inverter-con

The purpose of this study was to evaluate the possibility of development of hybrid tractor system. The layout of hybrid tractor system was designed and used to determine components of the hybrid tractor system. The major components of the hybrid tractor system were a motor/generator, an inverter-converter, and battery-BMS (Battery Management System). A laboratory test equipment was installed and used to examine the charge/discharge performance of the hybrid tractor system. The working cycles of plowing and rotary tillage operations were used to test the performance of the hybrid tractor system. The results were as follows. The parallel type hybrid tractor system was designed. A PMSM (Permanent Magnetic Synchronous Motor) was selected as a motor/generator of the hybrid tractor system. The output power and the torque were 7 kW and 29 Nm, respectively when the engine rotational speed was 2,300 rpm. The LiFePO4 battery was used. The output voltage and the current of the battery were 300 V and 10 Ah, respectively. The inverter-converter was used to control the motor/generator of the hybrid tractor system . A laboratory test equipment were installed and used to examine the charge/discharge performance of the hybrid tractor system. The laboratory test equipment included a 71 kW mechanical diesel engine, a motor/generator to assist a torque, an AC dynamometer to apply work loads for plowing and rotary tillage operations, a BMS to monitor SOC (State Of Charge) of the battery, and a fuel conditioning system to measure fuel consumption of the hybrid tractor system during experiments. The laboratory test and the working cycles of tillage operations were used to examine the charge/discharge performance, verification of control strategy, and control performance of the hybrid tractor system. The charge/discharge performance was analyzed by measuring the charging/discharging time at different engine rotational speeds and SOC levels. The results showed that the charge/discharge time reduced as the engine rotational speed increased. The working cycles of plowing and rotary tillage operations were used to predict the motor/generator torques, and the torques were measured using the laboratory equipment by applying work loads of tillage operations. The predicted and measured motor/generator torques were compared to verify the charge/discharge control strategy. The results showed that the control strategy was adequate. The changes of the SOC levels of the battery were analyzed to examine the control performance during plowing and rotary tillage operations. The results showed that the difference between the SOC levels before and after field operation was not great. It seems that the SOC levels could be recovered to the initial SOC levels during the tractor moving period to the other field. The fuel consumption ratios of the hybrid tractor system were not improved significantly. The fuel consumption ratios were improved only 3.8% for plowing operation and 1.6% for rotary tillage operation.