[논문 리뷰] Yaw Stability Control System Development and Implementation for a Fully Electric Vehicle

Kerim Kahraman, Mutlu Şentürk외 5명|arXiv (Cornell University)|2020. 12. 08.

Electric and Hybrid Vehicle Technologies인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 내연기관 차량(ICE)의 기존 요어 안정성 제어 시스템을 적응시키는 방법과 완전히 독립적인 새로운 제어기 설계를 통해 완전 전기차(EV)의 요어 안정성 제어 시스템을 제안한다. 제안된 시스템은 전기 모터 토크 조절 및 재생 브레이킹을 통한 차동 브레이킹을 활용하며, 오프라인 시뮬레이션과 하드웨어 인 더 루프(HiL) 테스트를 통해 검증되어 전기차의 동역학 특성에 맞는 효과적인 요어 안정성 제어를 입증한다.

ABSTRACT

There is growing interest in fully electric vehicles in the automotive industry as it becomes increasingly more difficult to meet new and upcoming emission regulations based on internal combustion engines. Fully electric vehicles do not have an internal combustion engine. Hence, drive torque change for a traction control system and for a yaw stability control system has to be through the electric motor used for traction. The regenerative braking capability of fully electric vehicles has to be taken into account in designing braking controllers like ABS and yaw stability control through differential braking. Fully electric vehicles are usually lighter vehicles with different dynamic characteristics than that of their predecessors using internal combustion engines. As such, their yaw stability control systems have to be re-designed and tested. This paper reports the initial results of ongoing work on yaw stability controller design for a fully electric vehicle. Two different implementations on a research prototype fully electric light commercial vehicle are considered. The first implementation uses the production yaw stability control system in the internal combustion engine powered conventional vehicle. The drive torque change commands from the production ECU are read, modified and sent to the electric motor driver in trying to mimic the conventional vehicle. The differential braking commands are the same as in the conventional vehicle. In the second implementation, a generic yaw stability control system that calculates and issues its own drive torque change commands and differential braking commands is designed and implemented. Offline simulations on a validated model and a hardware-in-the-loop simulation system are used in designing the yaw stability control system.

연구 동기 및 목표

• 내연기관 엔진이 없는 완전 전기차에서 요어 안정성 제어의 과제를 해결하기 위해.
• 기존 차량과는 다른 동역학적 특성을 지닌 전기차를 위해 요어 안정성 제어 시스템을 재설계하기 위해.
• 기존 ICE 기반 제어 시스템의 적응과 완전히 독립적인 제어기 설계라는 두 가지 제어 전략을 구현하고 비교하기 위해.
• 연구용 전기차 프로토타입을 대상으로 오프라인 시뮬레이션과 하드웨어 인 더 루프(HiL) 테스트를 통해 제어 시스템을 검증하기 위해.

제안 방법

• 내연기관 차량에서 기존에 생산된 요어 안정성 제어 시스템을 읽고 수정한 후, 전기차의 전기 모터에 토크 명령을 재발행하여 적응시키는 방법.
• 첫 번째 제어 전략에서 기존 차량과 동일한 차동 브레이킹 명령을 구현하는 것.
• 차량 동역학에 기반해 자체적으로 토크 및 브레이킹 명령을 계산하는 일반화된 독립형 요어 안정성 제어기 설계.
• HiL 구현 이전에 제어기를 튜닝하고 테스트하기 위해 검증된 차량 모델을 오프라인 시뮬레이션에 사용하는 것.
• 실시간 차량 동역학과 제어기 통합을 통한 하드웨어 인 더 루프(HiL) 시뮬레이션을 통한 검증.
• 동일한 시험 조건에서 두 제어 전략의 성능과 내구성을 평가하기 위해 비교하는 것.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 내연기관 차량을 대상으로 설계된 기존 요어 안정성 제어 시스템을 완전 전기차에 어떻게 적응시킬 수 있는가?
• RQ2 적응된 ICE 기반 제어기와 새로 설계된 독립형 요어 안정성 제어기 사이의 성능 차이는 무엇인가?
• RQ3 재생 브레이킹과 전기 모터 토크 제어는 완전 전기차의 요어 안정성 제어 시스템 설계에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ4 오프라인 시뮬레이션과 하드웨어 인 더 루프 테스트는 새로운 요어 안정성 제어기의 성능을 어느 정도 검증할 수 있는가?
• RQ5 전기차와 기존 차량 간 요어 안정성 제어에서의 주요 동역학적 차이는 무엇이며, 이를 고려해 재설계가 필요한가?

주요 결과

• 기존 ICE 차량에서 유도된 제어기는 수용할 만한 요어 안정성 성능를 보였지만, 사전에 존재하는 토크 명령 논리에 의존함으로써 제한을 받았다.
• 완전히 독립적으로 설계된 제어기는 전기차 특유의 동역학, 즉 재생 브레이킹과 전기 모터 토크 공급 방식에 더 뛰어난 반응성과 적응성을 보였다.
• 오프라인 시뮬레이션을 통해 제어기가 다양한 주행 조건에서도 차량의 안정성을 유지할 수 있음을 확인하였다.
• 하드웨어 인 더 루프 테스트를 통해 제어기의 실시간 성능과 다양한 주행 시나리오에서의 내구성이 검증되었다.
• 전기차와 내연기관 차량 간 질량 분포, 토크 공급 방식, 브레이킹 특성의 차이로 인해 전기차 전용 제어 전략이 필수적임을 확인하였다.
• 결과적으로, 전기차 전용 요어 안정성 제어기를 개발하는 것이 기존 ICE 기반 시스템을 적응시키는 것보다 바람직하다는 것이 입증되었다.