일 충전 주행거리 향상을 위한 전기이륜차 개발

2.1 전동 시스템의 분류

전기이륜차는 구동 모터가 직접 타이어 내부에 장착되는 인휠(In-Wheel)구조의 전동 시스템과 구동 모터의 동력을 동력전달장치(Powertrain)를 통해 바퀴(Wheel)로 전달하여 구동력을 얻는 인라인(In-Line) 전동 시스템으로 분류할 수 있다. 인휠 전동 시스템은 구동 모터가 직접 휠로 동작되어 기어 등의 동력전달장치에 의한 기계적 손실을 저감할 수 있어 에너지 효율을 높일 수 있으며, 구조가 단순하다는 장점을 지닌다. 그러나 휠 내부에 구동 모터가 작동이 되므로 열에 대한 특성에 따른 내구성에는 다소 취약하다는 단점을 가진다. 반면, 인라인 전동 시스템은 유지보수와 내구성 측면에서 상대적으로 인휠 전동 시스템에 비해 유리하지만, 구동 모터에서 발생된 동력원을 휠로 전달해야 하는 면에서 에너지 효율이 저하되고 구조가 복잡하다는 단점이 존재한다.

Fig. 1은 인휠과 인라인 전동 시스템의 전체 시스템 구성을 각각 나타낸다.

Fig. 1

Classification of electric system in electric motorcycle

Table 2는 인휠과 인라인 전동 시스템의 특성을 비교분석한 결과를 나타낸다. 인휠 전동 시스템은 차량의 성능을 좌우하는 토크, 효율 등에서 인라인 시스템에 비해 상대적으로 우수한 결과를 보여주고 있다. 그러나 내구성과 유지보수 측면에서는 상대적으로 열세이지만, 그 차이는 미비하며 오히려 내연기관 시스템과 비교하여 탁월한 경쟁력을 지닌다. 따라서 본 논문에서는 인휠 전동 시스템의 전기이륜차 개발에 초점을 맞추어 연구되었으며, 성능 특성은 인라인 전동 시스템의 결과와 비교하여 평가하였다.

Table 2

Comparison of In-wheel and In-line system2)

2.2 인휠 전동 시스템 구성

인휠 전동 시스템은 구동 모터, 컨트롤러, 배터리와 이를 지지하는 프레임(Frame)으로 구성되어 있다. 본 연구에서는 전기이륜차의 공차 중량을 저감하기 위하여 최첨단 소재 및 제조 공법을 적용하였으며, 전기이륜차의 에너지 효율 향상을 위해 인휠 표면 부착형 영구자석 동기 전동기(SPMSM)를 구동 모터로써 적용하였다. 또한 구동 모터의 맥동 토크 저감을 위하여 모터에 입력되는 전류를 피드백(Feedback)하여 직접 토크를 제어하는 컨트롤러 시스템과 차량의 운행 조건에 따른 배터리의 효율적인 관리를 위해 BMS가 내장된 리튬-폴리머를 적용하였다.

Fig. 2

Electric system of In-Wheel electric motorcycle2)

3.1 영구자석 동기 전동기

기존 전기이륜차의 구동 모터는 유도 전동기, 직류 전동기 등이 적용되어 왔다. 그러나 이들 전동기는 슬립(Slip)에 의한 동기속도 진입 불가와 구조상 효율 한계 및 브러시와 정류자의 잦은 유지보수로 인하여 고효율 및 내구성을 필요로 하는 전기이륜차 시스템에 부적합하다. 최근 들어 영구자석 제조 기술과 방법의 발전으로 영구자석 동기 전동기의 고효율화가 가능하게 되었다. 이러한 특성으로 인하여 전기이륜차는 제어의 복잡성과 재료비 상승에 의하여 전기자동차에서 시도하지 않은 외전형 인휠 시스템이 가능하게 되었다.

3.2 직접 토크 제어

영구자석 동기 전동기의 적용에 따른 제어 방법도 전류 제어, 센서리스(Sensorless) 제어 등 다양하게 발전되고 있다.³⁾ 특히 빠른 스위칭 주파수에 의한 전류 제어 방식은 전력 소자들의 고성능화로 인해 고비용이라는 단점이 존재하며, 센서리스 제어 방식은 역기전력과 전동기 모델에 의존하므로 정지 또는 저속 영역에서 제어가 상당히 힘든 단점이 있다. 또한, 차량의 저속에서의 제어 성능은 유도 전동기와 같이 역기전력 측정 또는 추정의 정확성, 전동기 제정수의 정확한 설정에 크게 의존하므로 기동을 위해서는 별도의 제어 알고리즘을 필요로 한다.⁴⁾ 이들은 전기이륜차에 적용하기에는 차량 운전자의 안전성과 직접 연결되어 있어 아직 적용하기에는 무리수이다. 따라서 본 연구에서 사용하는 방식은 영구자석 동기 전동기의 자속과 토크의 최적 스위칭 테이블을 기반으로 한 직접 토크 제어이다. 토크의 추정은 영구자석 동기 전동기의 입력 전압과 전류에 의한 자속을 계산하고 토크 값을 추정한다.

3.3 리튬-폴리머 배터리

본 연구에서는 액체의 전해질로 인하여 누액 가능성과 폭발의 위험이 있는 리튬-이온(Li-Ion) 배터리 대신하여 리튬 폴리머(Li-Polymer) 배터리를 적용하였다. 리튬-이온 배터리의 높은 에너지 저장 밀도, 고온에서도 사용 가능한 친환경 배터리의 장점을 유지하면서, 액체 전해질 대신 화학적으로 가장 안정적인 고체(또는 젤) 형태의 고분자 중합체를 사용하는 리튬 폴리머 배터리를 사용함으로써 3 mm 정도의 얇은 두께와 소형, 경량화가 가능하게 된다. 이는 공차 중량의 절감과 더불어 차량의 디자인 측면에서도 다양함을 추구할 수 있는 효과가 있다.

Fig. 3은 본 연구 모델에 적용하기 위한 리튬 폴리머 배터리의 전기적 연결을 나타낸다. 17개의 직렬과 8개의 병렬연결을 적용하여 정격 60 V 전압을 목표로 설정하였다.

Fig. 3

Electric system of In-Wheel electric motorcycle2)

4.1 영구자석 동기 전동기 설계 및 평가

영구자석 동기 전동기는 전기 동력 이동수단의 구동 모터로써 속도 제한이 없으며, 유지 보수가 간단하여 최근 전기이륜차용 구동 모터로써 각광 받고 있다. 종래 내전형의 매입 영구자석 동기 전동기(IPMSM)는 CVT(Continuously Variable Transmission) 방식으로 벨트 또는 기어 등과 같은 동력전달장치를 통해서만 휠을 구동시키는 방식이었다. 그러나 외전형(Outer Rotor)이 가능함에 따라 인휠 형식이 가능하여 기존의 동력전달방식에 비해 고속, 고효율 및 저비용의 장점을 가진다. Fig. 4는 인라인 시스템에 적용된 매입형 영구자석 동기 전동기와 수학적 모델링을 이용하여 유한요소 해석을 통해 토크 리플 저감에 따른 고효율 외전형 영구자석 동기 전동기의 설계를 위한 연구 모델을 나타낸다.

Fig. 4

Configuration and winding distribution2)

3상 영구자석 동기 전동기의 고정자 권선은 공간적으로 Y결선의 120도 전기각으로 분포되어 있다. 고정자 권선은 각 상의 권선과 공간 고조파를 저감하기 위하여 정현파 분포(Sinusoidal Distribution)의 권선이 감겨있는 슬롯으로 이루어져 있으며, 각 상의 고정자 권선 수는 모두 동일하다. 본 연구 모델의 전압 방정식을 행렬식으로 표현하면 아래 식 (1)과 같다.

영구자석 동기 전동기는 정상상태에서 고정자와 회전자계가 서로 같은 속도로 회전할 때 토크를 발생시킨다. 따라서 정상상태에서의 쇄교 자속은 dλ/dt=0이고, 저항 성분을 포함한 정상상태에서의 전압 방정식은 식 (2)와 같다.

맥스웰 응력(Maxwell stress tensor)과 로렌츠(Lorentz)에 의한 전체 힘 밀도는 식 (3)과 같다.

마침내 영구자석 동기 전동기의 토크는 식 (4)에 의해 구할 수 있다.

Fig. 5는 본 연구에서 적용한 외전형 영구자석 동기 전동기의 유한요소 해석 과정을 보여준다. 또한 토크 리플 최소화와 효율 최대화를 목적으로 설계한 구동 모터의 유한요소 해석 결과를 나타낸다.

Fig. 5

Process of finite element analysis2)

영구자석 동기 전동기는 3상 분포권선 방식의 다(多)슬롯 구조이다. 토크 리플 저감을 위한 영구자석 회전자와 고정자의 슬롯 Opening 형상을 고려함으로써 Fig. 6과 같이 영구자석에 의한 코깅 토크는 최대 약 2.25 [mN.m]로 상당히 작음을 알 수 있다. 이러한 코깅 토크 최소화는 토크 리플 저감 효과와 영구자석의 효율을 극대화함으로써 구동 모터의 효율 상승과 전기이륜차의 일 충전 주행거리 향상을 가져온다.

Fig. 6

Results of PMSM

4.2 직접 토크 제어

다양한 영구자석 동기 전동기의 고성능 토크 제어 방식 중에서 직접 토크 제어는 구동 모터의 토크와 고정자 자속을 독립적으로 제어할 수 있어 많은 적용과 관심이 이루어지고 있다.⁵⁾ 영구자석 동기 전동기를 이용한 전기 동력 이동수단과 같은 가변속 구동 응용 시스템은 넓은 운전 속도 영역과 동기 속도 이하에서 큰 토크를 필요로 하므로 약계자 운전을 수행하는 직접 토크 제어 방식을 적용하였다.

따라서 본 연구에서 적용한 직접 토크 제어는 고정자 자속과 토크를 제어함에 있어서 매 샘플링 주기마다 실제 값과 지령치를 비교하여 제어 오차를 최소화하는 적절한 전압 벡터를 선정하여 출력하는 방식으로 자속과 토크가 각각 직접적으로 제어됨으로써, 자속의 크기는 고정자 자속 벡터와 인접한 유효 전압 벡터 중 자속을 증가 또는 감소시키는 전압 벡터를 선정하여 제어한다.

Fig. 7은 구동 모터의 동작을 위한 제어기의 내부 시스템 구성도이다. 32비트 DSP(Digital Signal Process)로 고속 처리가 가능한 CPU를 적용하였다. 본 연구에서 제안한 제어 기법은 영구자석 동기 전동기의 전 운전 영역에서 최적의 동작을 할 수 있는 기준 자속 벡터 선정기법을 제안한다. 이 방식은 자속 평면에서 고정자 자속 벡터의 궤적을 해석하여 일정 토크 영역부터 일정 출력 영역까지 최대 토크를 발생하는 최적의 동작 구간을 구할 수 있으며, 무한 속도 제한을 갖는 영구자석 동기 전동기에서 특성 영역까지 해석 및 제어가 가능하다.⁶⁾

Fig. 7

Control system2)

스위칭 테이블을 이용한 직접 토크 제어기법은 토크와 자속의 오차를 입력으로 받는 히스테리시스 제어기, 히스테리시스 제어기의 출력값과 추정된 고정자 자속을 이용하여 구한 회전자의 위치정보를 가지고 전압 벡터를 선택하는 스위칭 테이블, 선정된 전압 벡터로 영구자석 동기 전동기를 구동시키는 인버터, 그리고 전동기에 인가되는 전류와 스위칭 테이블의 전압 벡터를 가지고 고정자 자속 및 토크를 추정하는 자속 추정기의 4부분으로 나눌 수 있으며, Fig. 8은 이러한 스위칭 테이블을 이용한 직접 토크 제어의 구성도를 보여준다.

Fig. 8

Block diagram of direct control system

Fig. 9는 고정자 자속 벡터가 섹터 1에 위치하는 경우로서 자속과 토크 제어의 원리를 나타내고 있다. 전동기가 반시계 방향으로 회전한다면, 섹터 1의 V₃ 전압 벡터를 인가하게 되면, 이 전압 벡터에 의해 토크는 증가하게 된다. 계속 증가하는 토크가 상한치 밴드에 도달하게 되면 V₄ 전압 벡터를 인가한다. 계속 감소하는 토크가 하한치 밴드에 도달하게 되면 토크를 증가시키기 위해 다시 V₃ 전압 벡터 인가를 반복하게 된다.

Fig. 9

Principle of direct torque control2)

자속과 토크를 일정 밴드 안으로 유지하기 위해 최적의 스위칭 전압 벡터는 Table 3의 스위칭 테이블에 따라 결정된다. 부하 및 속도가 가변되어 고정자 쇄교 자속의 증가가 요구될 때, 고정자 자속 히스테리시스 제어기 출력 dλ는 1이 되고, 감소가 요구될 때 -1이 된다. 운전 중 토크의 증가가 요구될 때 토크 히스테리시스 제어기 출력 dT_e는 1이 되고, 감소가 요구될 때 -1, 토크 변화가 없을 경우 0이 된다. 스위칭 테이블을 이용한 직접 토크 제어 기법은 전류 제어기를 사용하지 않고, 최적의 전압 벡터를 선정하여 고정자 쇄교 자속과 토크를 독립적으로 직접 제어함으로써 토크의 응답성이 매우 빠르다는 장점이 있다.

Table 3

Switching table

Fig. 10은 한 상의 역기전력 파형과 홀센서를 이용하여 전류 파형을 나타낸다.

Fig. 10

Results of PMSM2)

Fig. 11

Battery management system2)

4.3 BMS가 내장된 리튬-폴리머 배터리

본 연구에서는 각 셀(Cell)의 전압을 측정하고, 배터리 내부 및 패키지 온도 측정을 위하여 BMS가 탑재된 리튬-폴리머 배터리를 적용하였다.