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세연 사
5 years ago
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1 Journal of the Korea Academia-Industrial cooperation Society Vol. 14, No. 11 pp , 13 전기트랙터의다양한작업환경을고려한주행시뮬레이션에대한연구 유일훈 1, 김병우 2* 1 울산대학교대학원전기전자정보시스템공학과, 2 울산대학교전기공학부 A study of driving simulation considering the various working modes of electric tractor Ilhoon Yoo 1 and Byeongwoo Kim 2* 1 Graduate School of Electrical Engineering, University of Ulsan 2 School of Electrical Engineering, University of Ulsan 요약본논문은 ASM(Automotive Simulation Model) 을기반으로한전기트랙터구동시스템의모델링을실시하였다. 실제전기트랙터를개발하기전에트랙터구동시스템요소각각의사양에대한정의는필수적이다. 트랙터는차량과달리주행과작업을동시에수행하기때문에 2개의 PMSM을효율적으로운용할필요가있다. 따라서본연구에서는 Simulink를기반으로한 ASM과 Carsim을활용하여전기트랙터구동시스템을연구하였다. 전기트랙터구동시스템의검증을위해시뮬레이션과실차테스트를실시하여각각에대한최대출력, SOC, 주행가능거리, 최대속도를측정및비교하였다. 시뮬레이션연구를통해트랙터전반적인동적특성에대한선행연구기반을마련하였으며전기구동시스템에대한설계가이드라인을제시할수있었다. Abstract In this paper, we propose that a model based design for a electric tractor system by using ASM(Automotive Simulation Models). Before developing a realistic electric tractor, it is essential that defining the capacities of power sources and optimizing the parameters of electric tractor. In additionally, because the electric tractor must have not only driving function but also working function, two PMSM are used at electric tractor. ASM which is based on simulink and Carsim were used to design a electric system and powertrain of electric tractor. For verifying the electric tractor system, we compared the design parameters such as max power, state of charge, drive distance, velocity which were carried out by the simulation and experimental method. The predicted results by the development model were in good agreement with the simulation results. According to simulation of tractor, it is possible to arrange the advanced research of dynamical characteristic of tractor and present the guidelines for the electrical driving system. Key Words : Automotive Simulation Models, Simulink, Electric tractor, Rotary, Loader, Trailing, Model based design 1. 서론 [1] 농촌청 장년층의감소와노령화현상과같은시대적흐름에따라효율적이고쾌적한영농을실현하기위하여농기계의경량화, 고효율구동장치개발, 환경위해 물질배출저감등은반드시필요하다. 그중농가에서가장많이사용되는농기구로써운반뿐만아니라작업기능을갖춘트랙터에대한연구를수행하였다. 트랙터는자동차와달리주행부와작업기회전을위한 PTO 출력부로분할되어있다. 특히부하변동이극심한트랙터의 본연구는지식경제부부품소재기술개발사업과울산대학교학부일류화지원사업의일환으로수행된논문입니다. * Corresponding Author : Byeongwoo Kim(Univ. of Ulsan) Tel: bywokim@ulsan.ac.kr Received July 24, 13 Revised September 5, 13 Accepted November 7,

한국산학기술학회논문지제 14 권제 11 호, 13 작업조건특성상순간고출력에너지가필요하고변동부하에따른제어특성이용이한구동장치를구성하여작업능률을극대화할시스템개발이필요하다. 기존내연기관의경우기계기술이차량의동력특성을크게좌우한다. 그러나전기동력기반차량의경우모터, 배터리, 인버터등과같은전기전자장치특성의영향을많이받는다.

2 한국산학기술학회논문지제 14 권제 11 호, 13 작업조건특성상순간고출력에너지가필요하고변동부하에따른제어특성이용이한구동장치를구성하여작업능률을극대화할시스템개발이필요하다. 기존내연기관의경우기계기술이차량의동력특성을크게좌우한다. 그러나전기동력기반차량의경우모터, 배터리, 인버터등과같은전기전자장치특성의영향을많이받는다. [3] 즉, 전기트랙터의핵심구성부품에대한단품최적화를비롯한각구성단품이전기트랙터의시스템에미치는영향을분석하여전체적인구동시스템을최적화할수있다. 그러나현재까지의전기트랙터연구는활발히진행되고있는전기자동차구동시스템과는달리해석부품의특성에대한해석보다는경험을통한연구가진행되었기때문에개발단계에서의효율성이나소요기간이오래걸렸다. 따라서본연구에서는차량의전장부품개발에주로적용되는 V-cycle 기반의 MBD 기법을적용하였다. 특히핵심부품인모터와배터리는전기트랙터의가혹한주행및작업환경에따라전기적성능이급변하게된다. 그러므로전체시스템의안정화를위해서는이와같은핵심부품에대한전기적특성을정량적으로해석해야할필요가있다. 따라서본연구에서는 ASM을활용하여전기트랙터핵심부품인모터 (PMSM) 와배터리, 모터제어기에대한로직을모델링하여정량적성능평가와설계기준을제시하고자한다. 또한, Rotary( 밭갈기 ), Mower( 잔기깎기 ), Loader( 적재 ), Trailing( 견인 ) 작업에따른구동부하에대한트랙터모델설계가이드라인을제시하고자한다. 2. 전기트랙터시스템설계 2.1 전기트랙터구성및목표성능 전기트랙터의구성은크게주행부와작업을위한 PTO 출력부로구분된다. 각각의주행부와 PTO출력부가에너지저장시스템 ( 배터리 &BMS) 과통합제어기에대해서는하나의모듈을사용한다. 한편나머지모터와변속기모듈, 인버터에대해서는주행부와 PTO출력부각각의모듈로구성된다. 본연구대상인전기트랙터는 45마력급 4륜구동내연기관엔진의트랙터를기준으로하여전기동력시스템을구성하였다. 충전편의성을높이기위해 OBC를적용하였고효율적인배터리운용을위한 BMS와리튬인산철배터리팩으로구성되어있다. 구동및작업용모터로는고효율, 고역률및고출력밀도등의장점으로인하여제어용모터로써사용이증대되고있는 PMSM을적용하였다. [Fig. 1] Electrical structure of tractor 본연구에서는 35마력급내연기관트랙터와유사한성능을발휘하는전기트랙터를재구성하기위해 Table 1 과같이내연기관트랙터의성능을기준으로설계목표를설정하였다. 설계목표달성여부의판단기준을설정하기위해, 일반아스팔트도로와경사로각각의코스에대한목표속도를설정하였다. 등판능력의경우국내농지작업환경을고려하여최대 % 의경사도에서 5km/h의주행속도를목표로설정하였으며, Nominal voltage는 72V, 차량무게는운전자를포함하여 146kg으로정하였다. [Table 1] The specification of electric tractor Parameter Value Unit Maximum rating speed km/h Gradeability (Slope %) 5 km/h Wheelbase 1682 mm Maximum weight 146 kg Front wheel tread 116 mm Rear wheel tread 118 mm Nominal Voltage 72 V 2.2 전기트랙터시스템모델링 본연구에서는전기트랙터핵심구동시스템을모델링하기위하여 dspace사의 ASM을활용하였다. ASM이란리얼타임시뮬레이션을위한자동차어플리케이션으로 Simulink 기반의소프트웨어이다. 트랙터모델을제공하는 CARSIM과의리얼타임연동과 HILS 구성및범용 ECU 구성이용이하다. 또한, 이번전기트랙터와같이모터, 배터리, 인버터등에대해서다양한종류의어플리케이션을지원하기때문에본연구에적합하다. 5358

전기트랙터의다양한작업환경을고려한주행시뮬레이션에대한연구 [Fig. 2] Electrical components of electrical tractor [Fig. 3] Logic of motor controller 연구대상인전기트랙터의주행부와 PTO 작업부를구성하기위하여 Fig. 2와같이전기구동시스템을모델링하였다.

3 전기트랙터의다양한작업환경을고려한주행시뮬레이션에대한연구 [Fig. 2] Electrical components of electrical tractor [Fig. 3] Logic of motor controller 연구대상인전기트랙터의주행부와 PTO 작업부를구성하기위하여 Fig. 2와같이전기구동시스템을모델링하였다. 본논문에서는실제트랙터와동일한성능의주행과작업을수행하기위한제어로직, 모터와배터리모델링및검증을중점적으로다루었다. 모터제어기모델은 Fig. 3와같이크게속도제어기와전류제어기로구성되어있다. 식 (1) 은구동시스템의마찰력, 토크부하와실질적으로차량을움직이는데필요한토크의합으로써모터에서출력되어야하는토크이기도하다. 이는피드백제어를기초로하는시스템특성상필 요한식이다. 모터는전기에너지를기계적회전력으로변환하는장치이다. 이러한모터의토크는축에연결된기계시스템의관성에의한필터링이된후속도로변환되고, 위치로나타난다. 모터의위치 θ는모터의속도 을적분한값이므로, 위치제어하기위해서는우선모터의속도를제어해야한다. 이러한모터의속도는식 (2) 로부터전동기의토크를제어해야제어가능하다는것을알수있다. 그러므로위치나속도제어기가요구되는시스템에서궁극적으로제어해야할대상은전동기의토크라고할수있다. 5359

4 한국산학기술학회논문지제 14 권제 11 호, 13 그러나위치나속도제어를위한모터의토크자체를직접제어하는것은실용적으로적용하기어렵다. 그러나식 (2) 의토크식으로부터알수있듯이계자자속이일정한경우토크는전기자전류에비례한다. 따라서전기자전류를제어를통해토크를제어할수있다. 결과적으로속도제어를위해서는전류제어가필수적이어야한다. 시뮬레이션결과속도제어기와전류제어기는 Fig. 4,5,6과같이입력된 RPM과 Id, Iq값에대해안정적으로출력값을추종하였다. (1) (2) Quadrature axis current(a) Output Iq Input Iq [Fig. 6] Input & output Iq 모터모델은 Fig. 7 과같이크게전류계산모델과역기전력계산모델, 토크계산모델로구성되어있다. 전류계산모델에서는고정자전압, 각속도, 고정자저항, d축과 q축의인덕턴스, 자속을활용하여 d축과 q축의전류를계산한다. 역기전력은회전자의각도와각속도, 자속에의해서계산된다. 차량을구동하게하는토크는식 (3) 과같이자속과 d, q축의인덕턴스, 전류에의해서계산된다. 주행및작업용 PMSM의제원은 Table 2와같다. RPM (3) Output RPM signal Input RPM signal [Fig. 4] Input & output rpm Direct axis current(a) Output Id Input Id [Fig. 5] Input & output Id [Table 2] The specification of PMSM Parameters Stator resistance Number of pole pairs Inductance in q axis Inductance in d axis Unit Driving motor Working motor ohm H.5.8 H.5.8 Flux Wb Nominal motor current A

5 전기트랙터의다양한작업환경을고려한주행시뮬레이션에대한연구 [Fig. 7] Components of PMSM 배터리모델은 ASM 라이브러리에서제공하는 Multicell battery를사용하였다. 배터리모델은단자전압을계산하기위한단자전압모델, SOC(State of charge) 를계산하기위한 SOC model, 배터리온도를계산하기위한모델과각셀의전압을계산하기위한 Delta 모델로구성되어있다. SOC란배터리의가용용량을정량적으로표현하기위해백분율로나타내는방법이다. 배터리단자전압은식 (4) 을통해서계산된다. 배터리단자전압계산식에서 는식 (6) 과같이온도에따른손실전류, 배터리내부저항, 인덕턴스, Double layer효과, 확산효과에따라변화한다. 그러나본논문에서는 SOC와, 에의한 를제외한다른손실요인들은 에거의영향을미치지않는다고가정하고 를계산하였다. (4) (5) (6) Thermal model의경우식 (7) 과같이열발생과열손실을반영하여온도를계산할수있다. 온도증가는배터리고유저항에의한내부적열발생과배터리의화학적반응, 전지의충방전시발생하는가스가주요원인이다. 반면배터리외부로방출되는복사열에의한냉각효과를감안하여 을계산하였다. (7) SOC 계산로직은 Thermal model에서계산된손실전류와배터리의충방전전류에의해서계산된다. 배터리전류와손실전류의차가양수이면충전중임을의미하고음수이면방전중임을의미한다. SOC를산출하는식은식 (8) 과같다. (8) 5361

6 한국산학기술학회논문지제 14 권제 11 호, 13 본연구에사용된배터리는리튬인산철배터리로써단위셀전압이최대 3.4V에서최소 2.9V의특성을갖도록설계하였다. 팩구성은 24개의셀을직렬로연결하였다. Fig.8는 SOC에따른단위셀의전압변화를나타낸것이다. 리튬이온배터리의경우 % 이하로의과도한방전은셀의수명에악영향을미치기때문에 SOC가 % 에해당하는 3.255V로사용전압범위를제한하였다. 35 마력급소형트랙터로농가에서하루평균사용하는시간은약 1시간이며평균주행속도는 12.9km/h이다. 12.9km/h로의정속주행과동시에작업용모터를구동하는경우평균소비전류는 1A이기때문에배터리 SOC 가 1% 에서 % 까지떨어지는방전특성과출력을고려하여배터리용량은 18Ah로설정하였다. Cell Voltage(V) State of charge(soc) [Fig. 8] Cell voltage according to the SOC 3. 주행및작업모드별시뮬레이션 앞에서와같이모델링을완료한후모델검증을위해최대속도측정및 15km/h 정속주행시단순 1충전주행거리측정테스트에대한시뮬레이션과실차테스트결과를비교하였다. 최대속도는고속모드에서측정하였다. 또한작업모드별전기트랙터가동시뮬레이션과실차테스트결과를비교하였다. 모든테스트에서배터리보호를위해최소충전상태인 % 잔량에서는강제적으로시스템구동을정지하였다. 한편모든차량의주행에서는주행부하에의해동력손실이발생한다. 따라서본연구에서는전기트랙터가동일출력의내연기관트랙터와유사한성능이가능한지를검증하기위해서주행부와작업부모터가동적부하로인해정지하지않고원활한주행및작업이가능한지를분석하였다. 첫번째로주행부모터에대한동적부하를해석하였다. 고속주행과저속주행에서요구되는출력과속도를만족하기위하여 전, 후륜차동기어와트랜스미션의기어비를선정하였다. 주행결과, 15km/h로의평지주행과 5km/h의속도로 % 경사로주행을만족하기위하여모터가평지와경사로에서각각 37rpm과 25rpm으로구동하였다. 동적부하에대한구동출력은식 (9) 를활용하여구한구름저항부하와, 식 (1) 을이용하여구한경사로저항부하의합보다커야한다. (9) (1) 전기트랙터에사용된모터의출력은 16kW로써단순평지주행시주행부하가 5.97kW이며 % 등판주행시 5.55kW로모터의출력성능보다작기때문에설계기준을만족하였다. [Table 3] Total road loads & required motor power Driving of flat road Driving of slope road Motor rpm Gear ratio 1 : 1 14 : 1 Rolling resistance.1.1 Slope degree Power for flat road(kw) Power for slope road(kw) 3.6 Total power (kw) Motor power (kw) 16 Conclusion OK OK 그결과고속모드에서측정한최대속도는 Fig. 9에서볼수있듯이 19.77km/h로실제전기트랙터의최고속도인 km/h와유사한결과를얻을수있었다. 실차테스트의경우트랙터의주행속도는 GPS를통해서측정하였다. 주행가능거리는 15km/h 정속주행으로초기배터리 SOC가 8% 에서 % 까지감소하는범위의이동거리를측정하였다. 이때배터리에서출력되는방전전류는 1A로총주행거리는.1km이다. 시뮬레이션도실제전기트랙터의주행과동일한환경에서수행하였으며 Fig. 1과같은결과를얻을수있었다. 주행결과주행거리는 22.8km로실차테스트와유사한결과를얻을수있었다. 5362

전기트랙터의다양한작업환경을고려한주행시뮬레이션에대한연구 Velocity(km/h) 22 18 16 14 12 1 8 6 4 2 Simulation velocity Experiment velocity 1 3 4 [Fig.

7 전기트랙터의다양한작업환경을고려한주행시뮬레이션에대한연구 Velocity(km/h) Simulation velocity Experiment velocity [Fig. 9] Maximum velocity of tractor simulation & experiment Driving distance(km) Driving distnace SOC [Fig. 1] Maximum driving distance and SOC in 15km/h SOC(%) SOC(%) SOC(%) (a) (b) (c) 두번째로작업용모터에대한동적부하를실험하였다. 작업모터를직접적으로활용하는 Mower 작업과 Rotary작업, Loader작업에대해서모델링을실시하였다. 본연구에서목표로잡고있는 35마력급전기트랙터각각의작업모드에따른출력은 Fig. 11와같다. SOC(%) [Fig. 12] SOC tendency at each driving mode. (a) Loader(b)Mower (c)rotary [Table 4] Maximum time for each working mode Loader Mower Rotary 63.3 min min 34.1min [Fig. 11] The character of working modes 분석결과현재전기트랙터에장착된 kw급작업용 PMSM으로충분한작업이가능하다는것을예측할수있다. 따라서본논문에서는전기트랙터에장착된모터로충분한작업시간의확보가능여부를검증하기위하여모델링및시뮬레이션을실시하였다. 시뮬레이션환경은저속모드를사용하며평균속도 5km/h로정속주행하는 5363

한국산학기술학회논문지제 14 권제 11 호, 13 것으로가정하였다. Loader 작업과 Mower 작업은 SOC 가 8% 에서 % 로감소하는시간이 Table 4와같이소형경작지작업에는지장이없을정도적합한구동시간을가졌다. 그러나 Rotary작업과같은동적부하가큰작업에서는원활한작업을수행하기에가용구동시간이부족하였다.

8 한국산학기술학회논문지제 14 권제 11 호, 13 것으로가정하였다. Loader 작업과 Mower 작업은 SOC 가 8% 에서 % 로감소하는시간이 Table 4와같이소형경작지작업에는지장이없을정도적합한구동시간을가졌다. 그러나 Rotary작업과같은동적부하가큰작업에서는원활한작업을수행하기에가용구동시간이부족하였다. Rotary 작업을지속적으로수행하기위해서는작업사이의휴식시간을통한충전시간을확보하거나다른효율적인방법으로작업을진행해야할것이다. 결과적으로 Loader작업과 Mower작업을제외한 Rotary작업에서는현재의발전계용량으로는부족하기때문에배터리용량을늘리거나기존의순수전기구동방식이아닌하이브리드방식의트랙터의개발이필요할것으로생각된다. 4. 결론 본논문에서는 ASM을활용한전기트랙터의주행부와 PTO 작업부에대한주요핵심구동부의모델링을제안하였다. 전기트랙터모델의신뢰성을높이기위해시뮬레이션결과값과실차테스트결과값을비교하였다. 전기트랙터모델설계시 MBD 기법을활용하여제어로직수정및구성부품의사양변경에따른트랙터전체구동능력의변화를쉽게확인할수있어전기트랙터의개발기간단축및모델재사용성을확인할수있었다. [Table 5] Electric tractor simulation results 항목 목표 결과 최대속도 km/h 19.77km/h 주행거리 km 21km 작업시간 Loader 6min 63.3min Mower 6min 54.77min Rotary 45min 34.1min 력으로인해실제작업을수행하기에는가용시간이부족하여해결방안이필요하다는결론을얻었다. 본연구에서는 ASM을활용한전기트랙터핵심부품모델검증과정량적설계가이드라인을제시할수있었다. 향후, 연구에서는트랙터모델의정확도를높여갈것이며기존의전기트랙터의효율향상을위한제어적측면의로직구성에대한연구를진행하고자한다. References [1] H. M. Kang, D. B. Jung, M. J. Kim and K. D. Min, A Study of Energy management strategy considering various working modes for a plug-in hybrid electric tractor, KSME, pp , 12 DOI: [2] P. Andrea, B. beth, C. Robert, T. Pinak, R. Giorgio, G. Yann and M. M. Shawn, Application of model-based design techniques for the control development and optimization of a hybrid-electric vehicle, In Society of automotive engineers proceedings, 9 DOI: [3] Y. S. Kim, S. H. Lee, J. H. Jo, J. P. Hong, and S. J. kwon, Development of electric-drive-tractor motor controller, Korea Institute of Electrical Engineering, pp.18-, 12. [4] D. G. Thomas, Fundamentals of vehicle dynamics, SAE, US, p.112, 2. [5] ASM electric components reference manual, pp.35 42, 51 57, 1 유일훈 (Il-Hoon Yoo) [ 준회원 ] 기존의 35마력내연기관트랙터의동력특성을기준으로국내농경지환경을고려한전기트랙터핵심부품모델의설계가이드라인을다음과같이얻을수있었다. 시뮬레이션결과최대속도 km/h, 15km/h 정속주행으로 1충전주행거리 22km로실제주행테스트결과와유사한결과를나타내었다. 또한, 실제테스트주행시경사각인 % 를등판주행하기에 16kW의정격모터출력이적합함을확인하였다. TPO 작업부의경우에는 Loader작업과 Mower 작업시발생되는요구출력을반영한작업모터의운용과함께, 5km/h로정속주행하여실제트랙터테스트와유사한결과를얻었다. 그러나 Rotary 작업의경우과도한요구출 < 관심분야 > 전자제어 12 년 2 월 : 울산대학교기계자동차공학부졸업 ( 학사 ) 12 년 3 월 ~ 현재 : 울산대학교전기공학부석사과정 5364

9 전기트랙터의다양한작업환경을고려한주행시뮬레이션에대한연구 김병우 (Byeong-Woo Kim) [ 정회원 ] 199 년 2 월 : 한양대학교정밀기계공학과졸업 ( 석사 ) 2 년 2 월 : 한양대학교정밀기계공학과 ( 박사 ) 1989 년 4 월 : 일본 KOSAKA 연구소초빙연구원 1994 년 1 월 ~ 6 년 2 월 : 자동차부품연구원전장기술연구센터장 6 년 3 월 ~ 현재 : 울산대학교전기공학부부교수 < 관심분야 > 자동차전자제어, 지능형자동차, 친환경자동차 5365

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<313120B1E8BAB4BFEC2DB8F0B5A8B1E2B9DD20C7D8BCAEC0BB20C0CCBFEBC7D12E687770> Journal of the Korea Academia-Industrial cooperation Society Vol. 14, No. 10 pp. 4719-4725, 2013 http://dx.doi.org/10.5762/kais.2013.14.10.4719 김병우 1* 1 울산대학교전기공학부 Power characteristics of motorcycle using