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 model based simulation Byeong-Woo Kim 1* 1 School of Electrical Engineering, Ulsan University 요약본논문에서는 ASM을이용하여전기이륜차장치에대한모델기반설계기법을제시하였다. 실제, 전기이륜차의시제품제작이전에전기이륜차의최적화와동력을예측하기위해서는신뢰성을갖는해석이필요하다. 과거의전기이륜차연구는미시적관점보다는거시적관점에서실시되었다. 그러나, 본연구에서는전기이륜차핵심부품에대한상세해석을실시하였다. 본논문에서는이론과실험해석의에러비율이 2.3% 에달하는양호한결과를얻을수있었다. 이같은상세해석을통하여, 전기이륜차의해석정확도를향상시키고설계인자해석이가능하게되었다. 또한, 본연구에서는전기이륜차가직면하고있는 Fail safety에대한효과적방법을제시하였다. Abstract In this paper, we propose that a model based design for an electric motor cycle system using Automotive Simulation Models. Before prototyping a realistic electric motorcycle, a reliable simulation program is required to test the capacities of the power sources and optimize the parameters of an electric motorcycle. In the past, The research of electric motorcycle was conducted at macro rather than micro level. However, this research suggests the detailed analysis method of specific key components. This paper can get a good error ratio, 2.3%, as a consequence of the interpretation of experiment and simulation. With the analysis of specific electric motorcycle, it is able to analyze design factor and improve accuracy of electric motorcycle interpretation. Also, this research suggests the effective way to get fail safety so that it can solve the fail which can be encountered in electric motorcycle. Key Words : Automotive Simulation Models, Electric Motorcycle, Fail Safety, Model based Design 1. 서론 지구환경과에너지문제가심화되면서이륜차를포함한내연기관의문제가심각해지고있다. 특히, 내연기관기반의전기이륜차는일반자동차의공해배출이 10배정도로서대기오염의주범으로인식되고있다. 이같은내연기관기반의이륜차공해문제를해결하기위해서는자동차에적용되고있는기술과제품을적용할수있으나일부대형이륜차를제외하고일반소형이륜차는공 간및경제성측면에서비현실적인접근방법이다. 최근, 내연기관기반의이륜차의공해를근본적으로해결하기위하여전기구동이륜차의연구가활발해지고있다. 전기구동이륜차의상용화를위해서는내연기관기반의이륜차에근접하는성능구현과전동시스템으로구동되는특성때문에전기장치에대한 Fail safety 확보방안이중요하다. 전기구동이륜차의일반성능과안전성확보를위해서는대상시스템에대한정확한모델링및해석이요구된다. 전기구동이륜차는엔진으로대 본논문은울산대학교전기공학부학부일류화지원사업일환으로수행되었습니다. * Corresponding Author : Byeong-Woo Kim(Ulsan Univ.) Tel: +82-10-3413-6018 email: bywokim@ulsan.ac.kr Received August 14, 2013 Revised (1st September 6, 2013, 2nd October 9, 2013) Accepted October 10, 2013 4719
한국산학기술학회논문지제 14 권제 10 호, 2013 표되는내연기관이륜차에비하여구성부품이다양하다. 전기구동이륜차는크게배터리, 전력변환장치, 전동기로구분할수있다. 전기구동이륜차관련연구는개발역사가일천하기때문에경험적인노하우에의존하여실시되고있다 [1]. 이같이경험적인노하우에의하여실시된연구는연구기간증대및체계적인개발의장애요인으로작용하게될것이다. 일부전기자동차에대하여체계적인구성부품의모델링과해석을실시하여연구를진행하였으나대상모델링이세부적이지못하고포괄적이기때문에정확한성능해석이어려웠다 [2,3]. 또한, 전기이륜차의상용화가능성을증대시키기위해서는고전압기반의전장부품및시스템에대한 Fail safety 에대한연구가필요하나국내에서는전무한실정이다. 일부, 전기자동차, 하이브리드자동차에서이에대한기초연구를진행하였을뿐이다 [4,5]. 따라서, 본연구에서는전기이륜차를구성하고있는배터리중심의핵심부품을모델기반으로모델링하고정량적으로해석할수있는방법을제시하고자한다. 또한, 본연구에서구축한전기이륜차시스템모델을활용하여배터리에서발생할수있는결함에대응가능한 Fail safety 확보방안을제시하고자한다. 모터구동을기반으로하는전기이륜차는기존 110cc 내연기관이륜차의동력특성을유사하게얻어야하기때문에 Table 1과같은목표사양을설정하였다. 본전기이륜차는국내산악지형에적합하도록하기위하여 30% 경사에서 14Km/hr, 최대부하 285Kgf 가가능하도록하였다. 특히, 전기이륜차의핵심부품이라할수있는충전장치는충전편의성을위하여 On board charger를적용하였고배터리는리튬폴리머팩으로구성하였다. 전동모터는전기이륜차의내구성및순간기동성향상을위한 2단변속기내장형 PMSM In-wheel 모터구동모듈을적용하였다. [Table 1] Design parameters of electric motorcycle Parameter Value Unit Maximum rating speed 80 km/h Cruising range (Constant 50km/h) 70 km Gradeability ( Slope 30% ) 14 km/h CVS 40 90 km Nominal voltage 73 V Maximum weight 285 kg f 2. 전기이륜차시스템설계및모델링 2.1 전기이륜차시스템설계 본연구에서해석하고자하는전기이륜차는기존내연기관기반이륜차의동력을얻기위하여 Fig. 1과같이전동모터및변속모듈, 인버터, 에너지저장모듈 ( 배터리 &BMS), 통합제어기로구성하였다. Wheel size 576 mm 또한, Table 1에서설정한목표사양의달성여부를정량적으로판단할수있도록국내내연기관차량평가기준으로주로사용하는 CVS 40모드를활용하였다. 최고주행속도는국내시내도로주행속도인 80km/h로설정, 1충전주행거리는 50km/h 정속주행시 70km로설정하였다. 2.2 전기이륜차핵심부품모델링본연구대상인전기이륜차의부품모델링을위해서 ASM에서지원하는모델기반의수학적모델링을실시하였다. ASM(Automotive Simulation Model) 프로그램은리튬이온배터리, 전동모터 (DC, BLDC, PMSM), 인버터, 컨트롤러, 다양한보조장치에대한상세모델링수행이가능하다. 본논문에서는전기이륜차핵심부품중가장중요한모터와배터리모델을중점적으로다루었다. [Fig. 1] Components of electric motorcycle 4720
다. 터미널전압모델의경우, 모터에서요구하는전류와 Thermal model에서계산된배터리온도를변수로식 (1) 을활용하여배터리셀의전압, 손실전압, 저항을계산하였다. (1) (2) (3) [Fig. 2] Components model of electric motor cycle where V Bat : Battery terminal voltage V Bat,0 : Balanced voltage V Loss : Loss voltage [Fig. 3] Flow chart of control logic 본연구에서는전기이륜차를구성하고있는 5개의핵심부품을모델링하였는데, 이중에서배터리에대한모델링방법을세부적으로설명하고자한다. 왜냐하면, 본연구에서는일반적인전기이륜차동특성을기본으로하되배터리결함으로인한 Fail safety 기능을검증하였기때문이다. 배터리는 ASM에서제공하는 Multi-cell model을사용하였다. Multi-cell model은최대 500개의셀의직렬연결이가능하고각각의셀의전압을계산할수있다. 본연구에서는최소셀전압 3.5V에서최대셀전압 4.15V의리튬폴리머배터리로설계하였다. 팩구성은셀 20개를직렬연결하였고총 2개의팩을병렬로연결하였다. Fig. 4는배터리구성요소부품을모델링한것이고 Fig. 5는배터리팩모듈의제어로직을표현한것이다. 배터리모델은크게배터리전압과부하전류, SOC를계산하는 Battery cell model과열발생과열손실을계산하는터미널전압모델, 배터리레퍼런스전압과비교하여각셀의전압차이를계산하는 Delta model로나눌수있 Thermal model의경우식 (4) 을통해서배터리의열발생과열손실을계산하여현재배터리온도를계산할수있다. 열발생은배터리전류와손실전압에대한내부손실과배터리의화학반응, 배터리내가스발생으로인한손실반응에의해발생한다. 또한, 열손실은열복사에의해일어나며총열발생에서열손실을감하여 Pw를계산할수있다. Thermal model에서계산한배터리온도값은터미널전압계산의변수로사용한다. (4) where C Bat : Heat capacity m Bat : Battery mass SOC 계산로직의경우식 (5) 을활용하여부하전류로직에서계산된손실전류와충전혹은방전시배터리전류를변수로하여계산한다. 배터리전류와손실전류의차이가 0보다크면부하전류는충전상태이며 0보다작으면부하전류는방전상태를나타낸다. (5) where K N : Nominal capacity of battery 리튬폴리머배터리의경우 20% 이상과다방전은배 4721
한국산학기술학회논문지제 14 권제 10 호, 2013 터리수명에악영향을미치므로전압사용범위를 SOC 20% 에해당하는 3.5V로제한하였다. 50km/h 정속주행시주행거리 70km를달성하기위해서는총 84분을주행할수있어야한다. 50km/h정속기준배터리전류는 20A로 SOC 100% 에서 20% 까지의사용범위와방전특성을감안하여배터리용량은총 40Ah로설정하였다. 반적으로사용되는 SOC가 20% 에서 80% 범위에서전압강하를확인후주행가능거리를측정하였다. 이때, 배터리방전전류가약 20A로일정하게방출되며총이동거리는 91.67km이다. 이값은실차테스트결과값인 87.50km와근접한결과를나타낸다. [Fig. 6] Graph of SOC time at 50km/h constant speed test [Fig. 4] Core component model of battery pack [Fig. 5] Logic structure of battery model 3. 이륜차주행특성해석 전기이륜차주행특성을해석하기위하여앞서실시한배터리중심의핵심부품모델링과이륜차동특성해석을위한 Bikesim 해석프로그램을연계하였다. 먼저, 주행속도를 50km/hr 조건에서배터리의 SOC 조건에따른주행거리를해석하였다. Fig. 6에서알수있듯이, 일 이륜차의등판능력은 Fig. 7과같이, 10%, 20%, 30% 경사로에서의최대속도값을측정하였다. Tabe 4는시뮬레이션과실차테스트결과이다. 시뮬레이션결과값이실차테스트결과값보다약간높게측정되었다. 이는실차테스트의경우 10%, 20%, 30% 에정확하게맞는구배가아니라이에근접한구배의등판로를사용했기때문이라판단된다. 도심주행모드인 CVS 40 주행모드는전기이륜차가 Fig. 10과같이가감속을반복하는테스트주행모드이며평균차속은 18.35km/h, 최고속도 50km/h, 주행시간 195초 / 회, 주행거리 1.013km/ 회로구성되어있다. 설계한핵심부품모델을시뮬레이션하여 CVS 40 주행모드에적용한결과, 총이동가능거리는 91.96km를얻었다. CVS 40 주행모드에기초한실차테스트결과값은 89.8km로비슷한결과를나타냈다. [Table 2] Distance of 50km/h constant speed test. Item Simulation Vehicle test Driving time 50km/h 70.5km 71.0km 86min [Table 3] Speed of 10%,20%,30% climbing test 10% 20% 30% Simulation 34.8km/h 30km/h 23.2km/h Real test 34.7km/h 28.4km/h 21.7km/h 4722
호를 0.5로제한시킨다. 또한, 이륜차배터리 SOC가 20% 로떨어질경우에는가속신호값을 0으로처리함을알수있다. [Fig. 7] Graph of climbing simulation test 4. SOC 관련 Fail safety 특성연구 본연구에서적용한에너지저장장치는리튬폴리머배터리를사용하고있다. 주지의사실이지만, 리튬폴리머배터리는충전상태 (SOC) 가 10% 이하로떨어지게되면배터리자체에화학적손상을발생시티고이로인한내구성능저하를유발하게된다. 또한, 전기이륜차에배터리충전상태가기준이하로발생하게되면최악의경우폭발위험성이존재하게된다. 따라서본연구에서는리튬폴리머배터리의 SOC 상태변화에따른전기이륜차안전성확보방법을해석하였다. 이를구현하기위하여, 전기이륜차의통합제어기는리튬폴리머배터리의 SOC가 20% 이하가될경우에가속신호가 1( 최고가속신호 ) 이되더라도출력신호를 0.5로처리하였다. 또한, 배터리 SOC 상태를한단계가아닌다단계로운영하여이륜차안전성을도모하도록하였다. 이를통하여, 전기이륜차충전장치의안전을확보하고이륜차자체의주행거리를확보하고자하였다. 상기조건의타당성을차량동력학적으로검증하기위하여세부적으로배터리 SOC에따른이륜차주행안전성을정량적으로해석하였다. 이륜차배터리의 SOC 값이 10% 이하로강하되어가속신호를 0으로처리하였을때, 직진상태의이륜차거동을해석하였다. 또한, 이륜차가속모드가 0이되어코너링을할경우에배터리 SOC 50% 제어와이를실시하지않을때에이륜차주행안정성을비교평가하였다. 아래 Fig. 8은이륜차배터리 SOC가위험및 Fail 상태가되었을때, 이륜차제어모드를나타낸것이다. 이륜차운전자의가속신호값이 1로입력되더라도배터리 SOC 가 30% 밑으로떨어지는시점에통합제어기는가속신 [Fig. 8] Control Characteristics according to SOC ratio Fig. 9는이륜차배터리의 SOC가 10% 이하로되었을경우, 이륜차운전자의가속신호 1에대하여 a) 동력을 100% 차단한경우, b) 동력을 50% 차단한경우로구분하여이륜차의롤오버 (Roll over) 특성을해석한것이다. 이륜차에인가되는동력을 100% 차단한경우에는 15초동안에최대롤오버값이 400에달하였다. 이와달리, 운전자의가속인가신호대비동력을 50% 차단한경우에는롤오버값이 100% 차단한경우보다약간적게발생되고지속시간은 25초발생됨을확인하였다. 따라서특정순간에동력을 100% 차단하지않고단계적으로차단함으로써이륜차시스템의배터리결함에의한문제를일부해결할수있을것이다. Fig. 10는이륜차배터리의 SOC가 10% 이하로되었을때에 Fig. 9과같은조건에서이륜차의코너링특성을나타낸것이다. 이륜차에인가되는동력을 100% 차단한경우에는코너링시의주행거리가 110m로나타났고 50% 로차단한경우에는 200m로나타났다. 이를통하여, 이륜차배터리의긴급 SOC 상태에서이륜차의긴급회피와같은안전조치및배터리자체의안전성확보가능성을정량적으로해석할수있었다. 따라서, 상기와같이전기이륜차의위험상태에서단계적으로동력을차단하게되면전기이륜차의안전확보에기여할수있을것이다. 4723
한국산학기술학회논문지제 14 권제 10 호, 2013 a. Case of power 100% cutoff b. Case of power 50% cutoff [Fig. 9] Variation characteristics of roll rate a. Case of power 100% cutoff b. Case of power 50% cutoff [Fig. 10] Variation characteristics of Cornering path [Fig. 11] Characteristics of speed variation on motorcycle 4724
5. 결론 본연구에서는기존내연기관대비공해와연비특성이우수한전기이륜차핵심부품의수학적모델링과특성해석을실시하였다. 본연구에서는기존에실시하였던시스템관점의거시적해석및평가를지양하고핵심부품을수학적으로세부적으로해석을실시하여이륜차시스템에서특정부품이미치는영향을정확하게평가할수있도록하였다. 이같은이륜차핵심부품을기반으로하여이륜차평가모드 CVS 40 주행모드를적용한결과, 전체주행거리는 91.86Km를나타냈다. 이를실제주행실험과비교한결과, 실제와이론해석결과의오차가 2.3% 로양호한결과를나타냈다. 또한, 기존전기이륜차의고질적인문제점인등판능력에서도 30% 까지가능하였기때문에국내산악지형에적합한전기이륜차의상용화가능성을검증하였다. 따라서실제전기이륜차를제작하여평가하였던과거방식을탈피하여해석적으로이륜차성능을예측할수있는방법을제시하여개발기간및비용저감에기여할수있을것이다. 김병우 (Byeong-Woo Kim) [ 정회원 ] 1990 년 2 월 : 한양대학교정밀기계공학과졸업 ( 석사 ) 2002 년 2 월 : 한양대학교정밀기계공학과 ( 박사 ) 1989 년 4 월 : 일본 KOSAKA 연구소초빙연구원 1994 년 1 월 ~ 2006 년 2 월 : 자동차부품연구원전장기술연구센터장 2006 년 3 월 ~ 현재 : 울산대학교전기전자정보시스템공학부부교수 < 관심분야 > 전자제어 References [1] C. Meifen, and J. Egashira, "High Efficiency Control of IPMSM for Electric Motorcycles", Power Electronics and Motion Control Conference, pp.1893-1897, 2009 [2] B. S. Kil "The Analysis of a Electric Scooter's Performance through Motor and Battery Capacity Changing," Annual Conference Proceedings, KSAE, A0533, 2009. [3] J. K. Choi, "A Study on the Power Characteristics Analysis of Electric Motorcycle", The Korea Academia-Industrial Cooperation Society, Vol.12, No.11, pp.5156-5163, 2011. DOI: http://dx.doi.org/10.5762/kais.2011.12.11.5156 [4] C. S. Hearn, M. C. Lewis, R. C Thompson and R. G. Longoria, "Modeling and Evaluation of a Plug-in Hybrid Fuel Cell Shuttle Bus," IEEE Vehicle Power and Propulsion Conference VPPC '09., pp.221-228, 2009. DOI: http://dx.doi.org/10.1109/vppc.2009.5289846 [5] ASM Electric Components Reference Manual, pp.35-42, 51-57, 2010. 4725