1수행배경

R.C.C.에서 제작한 IH-16은 In-Wheel Motor(인휠 모터)와 본교명인 InHa University에서 I와 H를 따서 명명하였다. IH-16은 인휠 모터를 이용한 4륜 자동차이다. 인휠 모터 시스템은 1899년 페리디난드 포르쉐가 최초로 고안해낸 동력방식으로 당시 그는 휘발유-전기로 구동하는 하이브리드 시스템 등에 대해서도 개발하였다. 하지만 인휠 모터는 구조적 문제, 효율적 문제, 배터리의 한계 등으로 인하여 4륜 자동차에서는 그다지 사용되지 않았다.

최근 들어서 현대 모비스에서 개발 중인 EV Ray에 인휠 모터를 사용하여 구동하고 4WD까지 실현하려는 노력이 이어지고 있다. 인휠 모터는 간단한 구조로 구동력을 추가할 수 있고, 모터를 추가함으로 4륜구동을 실현할 수 있으며, 그에 따르는 무게 추가는 기존의 4륜구동 시스템보다 적다. 또한, 전기를 이용함으로써 보다 친환경적인 자동차를 만들 수 있다.

본 팀은 2013년부터 지속적으로 인휠 모터 시스템을 이용한 4륜 자동차를 제작하면서 인휠 모터를 사용함에 따른 장점과 단점에 대해서 계속적으로 알아가며 단점을 개선하고 한계를 극복하기 위해 차량을 제작하고 있다.

전기에너지를 이용한 차량이 보편적으로 사용되기 위해서는 차량의 기능이 엔진을 이용한 차량과 같은 효과를 보여야하지만, 안전부분이 중요한 부분이라 생각했고, 인휠모터를 사용한 자동차 탑승자의 안정성을 높이는 부분을 중심으로 제작하였다.

                

2. 수행기간

12월~3월 차제 제작

5월 실제 주행(문제점의 보완을 위해서 대회에 참여함)

7월 실제 주행에 따른 조향장치 재설계 및 보완

                

3. 개발작품 설명

 

IH-16을 설계하면서 가장 중요하게 생각한 부분은 안정성이다. 인휠 모터 시스템은 조향 시 차량의 안정성이 떨어지기 때문에 이를 보완하기 위해 2015년도까지는 소형화에 신경을 쓴 반면 2016년도에는 Wheelbase(휠베이스)를 키우게 되었다. 그리고 너클암과 현가장치 Geometry에서 롤 안정성을 위해 무게중심을 롤 센터를 맞춰 낮추었다. 또한 조향에는 Ackermann 방식을 채택하였다.

또한 리어 암의 모터 고정을 Trailing arm(트레일링 암)에 핀 볼트를 이용하는 것에서 암 자체를 U-type swing arm로 변경하여 보다 견고하게 고정하였다.

안정도를 위해 무게 증가가 불가피하게 되었다. 하지만 본래 경량화를 통한 가속성, 연비를 극대화하기위한 차량을 설계, 제작하였기에 필수적인 프레임만을 남기고 불필요한 프레임을 제거하였고, 하중이 덜 걸리는 부분의 프레임은 보다 얇은 파이프를 이용하여 설계/제작하였다.

 

 

 

▶ BLDC모터의 일종인 인휠(In Wheel)모터 선정이유

 

 

 

 

배터리의 전류는 직류전원이다. 회로에 직류-교류 변환기를 장착하면 AC모터도 사용할 수 있지만, 회로가 복잡해지고 AC모터의 제어가 DC모터에 비해 힘들기 때문에 AC모터는 제외하였다.

따라서 본 팀은 DC와 BLDC모터 중 선정을 하기로 했다. DC모터의 경우 가격이 저렴하고 모터의 출력이 충분히 나오지만 발열문제와 브러쉬의 마모로 모터의 출력이 감소하는 문제가 생긴다. 그리고 고출력 대비 모터의 중량이 많이 나가는 단점도 생기게 된다.

BLDC 모터는 이런 단점을 보완하는 특성을 가지고 있다. BLDC모터는 DC모터에 비해서 마찰손실과 전압강하가 없기 때문에 효율이 더 높다. 또한 브러쉬가 없기 때문에 전기적, 기계적 노이즈가 작고, 유지관리에도 장점을 갖고 있다. 그리고 DC모터에 비해서 BLDC모터는 고정자에서만 열이 발생하므로 방열이 더 용이하다. 가장 중요한 장점은 BLDC모터는 DC모터에 비해서 정류한계가 없으므로 순간허용 최대 토크를 더 크게 잡을 수 있는 점이다.

위의 여러 장점 때문에 DC모터와 같은 출력대의 BLDC모터를 사용하기로 결정했고, 과거 출전한 2010년 2012년도 경진대회를 고찰해 보았다. 두 번 모두 일반 BLDC모터를 사용했지만 기어비 감속과 동력전달에 있어서 문제점이 많았기 때문에 이번에는 2013년 대회에 사용한 BLDC 모터의 일종인 인휠(In Wheel)모터를 사용하기로 했다. 인휠모터는 모터가 바퀴 안쪽에 있어서 자력으로 바퀴를 직접 회전시키는 모터로, 축-회전자인 일반 모터와는 반대로 모터의 바퀴가 회전자가 되는 모터이다. 인휠 모터를 사용하게 되면 일반 차량과는 달리 동력발생장치로부터 바퀴까지 전달되는 동력전달을 위한 일련의 모든 장치가 생략된다. 즉, 변속장치(transmission)나 스프로켓 기어(sprocket gear) 혹은 체인(chain) 및 차동기어(differential gear) 등의 장치가 모두 없으므로 간단한 구조로 차량 제작이 가능하며 이에 따른 공간 활용도가 높아진다. 또한 해당 장치들에서 발생할 수 있는 모든 형태의 동력전달 손실 또한 발생하지 않는다.

모터에 사용되는 전압이 45V이고 대회 규정에 사용하는 배터리의 전압은 12V 이므로 배터리 4개를 직렬 연결하면 48V이다. 그러므로 전압은 알맞게 흐를 수 있을 것이고 efficiency(효율성)을 보면 약 속도가 45~53km/h에서 효율성이 가장 높음을 볼 수 있고 이 속도를 효율 속도로 정하였다.

주행 거리는 약 48km/h가 효율속도라고 가정 했을 때, 정격출력이 1.67kW에 배터리 용량이 1.8kWh이므로 정격출력으로는 약 1시간 5분정도가 한계이고 주행거리는 48km/h * 1.08h = 약 51.84km이다. 하지만 타행 주행을 하면 정속주행 시 90km까지 달릴 수 있다.

 

 

Controller

 

 

자동차의 각종 구동상태를 파악해 모터 스피드를 제어하는 장치로 가솔린 자동차의 전자제어장치에 해당된다. 자동차에는 가감속 특성 에너지 효율 차동제어 등 복잡하고 높은 성능이 요구되어 기존의 제어로는 적합한 요구사항을 충족할 수가 없기 때문에 PID Adaptive control, Self-tuning control, 가변구조제어 퍼지 제어 등이 제안되고 있다. 이를 구현하기 위해서는 강력한 마이크로 전자부품이 DSP 요구된다. 현재는 16비트의 마이크로 컴퓨터가 가장 보편적으로 적용되고 있으나 고속의 32비트가 적용되리라고 예상된다. 또한 메모리는 물론이고 디지털 입출력 A/D변환 D/A변환 등과 같은 기능성 회로들이 내장된 형태의 EV가 개발되어 및 메이커 배터리 주문형은 점차 고속화 고성능화 다 기능화 될 것이다.

▶ 우리가 구매한 KL programmable BLDC motor controller는 골프카트, 보행기, 전기 오토바이, 지게차, 하이브리드 자동차, 전기보트를 위한 산업용 모터의 속도와 토크 컨트롤 외에 효율적이고, 부드럽고 조용한 컨트롤을 제공한다. 대부분의 경우에 Motor speed controller는 99%의 효율을 얻기 위해 고출력의 MOSFET, PWM을 이용한다. 고성능 마이크로프로세서는 BLDC motor controller을 위한 포괄적이고 정밀한 컨트롤을 제공한다. 또한 이 Programmable brushless motor controller는 사용자들이 parameter, conduct test를 설정할 수 있도록 제공하고 진단 정보를 쉽고 빠르게 얻을 수 있도록 해준다. 다음과 같은 특징들을 갖는다.

- 강력한 microprocessor의 지능

- 높은 효율을 위한 synchronous rectification, 극도로 낮은 강하, 빠른 PWM

- 모터의 3상, bus, 전원 전압 모니터링

- 모터의 3상에 관한 전압 감지

- 전류 컨트롤 루프

- 과전류 보호 장비

- 과전압 보호 장비

- torque mode, speed mode, balance mode 작동에 대한 지원

- 모터 전류와 배터리 전류 한계 설정

- 배터리 보호: 설정한 높거나 낮은 배터리 전압에 대한 전류 감소, 경고, 차단

- 최고의 열 분산과 거친 환경을 위한 튼튼한 알루미늄 하우징

- 튼튼한 고전류 단자, 소신호를 위한 튼튼한 aviation connector

- 열보호 : 높은 온도에서 전류 감소, 경고, 차단

- 60 degree, 120 degree로 설정 가능한 hall position sensor

- 다양한 수의 극을 가진 모터에 대한 지원

- 40,000의 electric RPM 표준 까지. 빠른 속도 70,000 ERPM 선택가능, 고속도 100,000 ERPM(Electric RPM = mechanical RPM*motor pole pairs)

- 회생제동의 3가지 모드 지원: brake switch, release throttle, 0-5V analog signal variable 재생.

- 설정 가능한 high pedal 보호: 전원이 들어온 후 high throttle이 감지되면 컨트롤러의 동작이 꺼진다.

- 전류 증배: 배터리로부터 적은 전류를 받아서 모터에 높은 전류를 보낸다.

- 쉬운 설치: 3 wire potentiometer 동작 가능

- 오류 부호 LED driver 제거

- Current meter output

- 특별한 도구 없이 표준 PC/Laptop computer로 프로그래밍 가능

- 유저 프로그램 제공. 쉬운 사용. 이용자에게 무상 지원

컨트롤러가 갖는 기능은 다음과 같다.

(1) 오류 검출과 검사. 빛을 내는 LED는 오류 fault sources를 나타낸다.

(2) 배터리 전압 모니터링. 미리 설정한 “Low Battery Voltage” 배터리 전압이 너무 높다면 주행을 정지하고 순차적으로 모터 드라이브 파워를 감소시킬 것이다. 그동안 배터리는 완전히 방전될 때 까지 전압 강하가 일어난다.

(3) Bulit-in 순환전류 와 과전류 보호

(4) 모터 온도 보호 범위 설정

(5) 배터리와 컨트롤러 보호를 위해 낮은 온도와 높은 온도에서 전류 감소. 케이스 온도가 90°C에서는 전류는 ramp down 하기 시작하고 100°C에서는 차단된다.

(6) 역회전 속도는 정방향 속도의 최고값의 반절까지 설정 가능하다.

(7) RS232나 USB를 통해 컴퓨터를 이용해 설정과 프로그래밍을 할 수 있다. Windows XP/2000, Windows 7, Vista에서 작동가능 한 GUI를 제공해준다.

(8) Hall effect type을 포함한 다양한 종류의 센서를 제공하기 위한 5V 아웃풋을 제공

(9) Ground로 접속하여 활성 시키는 3 switch input. Default to throttle switch, break switch, reversing switch.

(10) 설정 가능한 economy switch. 스위치가 켜지면 최고 전류를 반절로 제한한다.

(11) 최고 역방향 파워는 파워의 절반으로 설정 가능하다.

(12) 강화된 regen brake 기능. 새로운 ABS 기술은 강하고 부드러운 regen을 제공한다.

(13) 설정 가능한 12V break signal input.

(14) 선택적인 joystick throttle. 순방향 양방향을 위한 bi-symmetrical 0-5V signal

(15) 권고된 thermistor KTY84-130을 이용한 설정 가능한 모터 온도 과부하 감지와 보호

(16) 3 hall position sensor inputs. Open collector, pull up 제공

(17) 선택적인 supply voltage 8V-30V