회생 제동 에너지 회수율 및 차량 안전성을 고려한 하이브리드 연료 전지 자동차의 협조 제동 제어 전략

Abstract

하이브리드 연료 전지 자동차는 무공해 친환경 차량으로서 파워 분배 및 회생 제동을 통해 연비 향상 효과를 얻고 있다. 연구 대상 차량의 전원은 연료 전지와 슈퍼 커패시터로 구성되어 있고, 두 전원간에는 직류-직류 변환기가 없는 구조로 이루어져 있다. 따라서 본 연구에서 다루고자 하는 상위 개념의 파워 분배 제어 로직은 버스 전압 변동에 의해 자동적으로 이루어 지게 되므로 정상 상태 모델링 기법을 이용하여 파워 트레인을 묘사하는 것에 국한 하도록 한다. 완성된 모델링을 통합하여 모의 시험 결과를 도출하고, 시간영역과 주파수 영역에서 모델링 검증을 위해 실제 차량 시험 결과와 오차 분석을 수행 하였다. 또한 전륜 구동 차량이므로 회생 제동은 오로지 전륜 구동 축에 직결 연결되어 있는 모터로부터 발생하게 된다. 하지만 이러한 구조적 한계로 인해 회생 제동 토크를 크게 인가하게 되면, 전륜의 횡력이 감소하게 되어 언더스티어 현상이나 휠 잠김 현상과 같은 차량 안전성을 잃는 문제가 야기 될 수 있다. 따라서 본 연구에서는 회생 제동 에너지 회수율 및 차량 안전성을 모두 고려한 회생 제동 협조 제어기를 제안 하도록 한다. 제안된 회생 제동 협조 제어기는 계층 구조를 갖고 있으며, 상부 제어기와 하부 제어기로 나뉠 수 있다. 상부 제어기는 LQR 제어 기법을 이용하여 목적 요 율 및 횡 미끄럼 각을 추종하도록 요 모멘트를 계산하도록 설계하였고, 하부 제어기는 등식(운전자 요구 제동력, 요 모멘트) 및 부등식 구속 조건(마찰원) 하에 최적 회생 제동 에너지 회수를 목적으로 회생 제동 및 마찰 제동을 최적 분배하도록 설계하였다. 또한 회생 제동 에너지 회수 목적 함수의 가중치 값을 언더스티어 계수의 함수로 표현 함으로서 차량의 안전성을 잃게 되는 극한 상황에서 발생하게 되는 큰 조향 부하를 방지 하도록 설계 하였다. 제안된 회생 제동 협조 제어기의 성능을 검증 하기 위해 상용화 된 다자유도 차량 동역학 시뮬레이션 CarsimTM 을 이용하였고, 추가적으로 제어기 성능에 영향을 끼치는 직/간접적 외부 요인들에 대한 민감도 분석을 통해 제안된 제어기의 강인성을 검증 하였다.