전기/엔진 자동차 차량 특성 별 진동 환경 측정 및 분석(ICE, BEV, HEV Vibration Environment, Freqeuncy, FFT, 랜덤 진동, Combustion Engine, Batter)

 

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reference>>https://www.youtube.com/watch?v=vtFB7w3T-Ec

 

 

전기/엔진 자동차 차량 특성

 

 

 

내연기관 차량(ICE)은 주로 가솔린이나 디젤 연료를 사용하는 엔진과 연료탱크로 구성됩니다. 엔진은 내연연소 과정에서 발생하는 힘을 기어박스를 통해 바퀴로 전달하며, 이 과정에서 발생하는 진동은 주로 엔진 작동과 연료 연소로 인한 저주파 진동이 지배적입니다. 이 시스템은 전기 모터나 배터리를 포함하지 않기 때문에 단일 동력원에 의한 단순한 진동 구조를 갖고 있습니다.

 

두 번째로, 하이브리드 전기 차량(HEV)은 내연기관과 전기 모터를 동시에 사용하여 구동됩니다. HEV는 엔진 외에 고전압 배터리와 전기 모터가 추가되어 있으며, 저속 주행이나 출발 시에는 주로 전기 모터가 동력을 제공합니다. 필요에 따라 엔진이 꺼지거나 다시 작동할 수 있어, 진동 환경이 내연기관과 전기 모터의 혼합적 특성을 띱니다. 특히 두 동력원 간 전환이 이루어질 때 과도 진동이 발생할 수 있어 ICE 차량보다 복잡한 진동 환경을 형성합니다.

 

플러그인 하이브리드 전기 차량(PHEV)은 HEV와 유사하지만, 충전 가능한 배터리를 통해 전력을 공급받는다는 점이 특징입니다. 외부 전원으로 배터리를 충전할 수 있어 짧은 거리를 전기 모드로 주행할 수 있으며, 배터리가 방전되거나 고속 주행 시에는 엔진이 보조 역할을 합니다. 이 때문에 HEV보다 더 자주 전기 모드와 내연기관 모드를 전환하게 되며, 그에 따라 복잡하고 다양한 진동 환경이 나타날 수 있습니다.

 

마지막으로, 배터리 전기 차량(BEV)은 오로지 전기 모터와 대용량 배터리만으로 구동됩니다. 내연기관이나 연료탱크가 없고, 대형 배터리 팩을 사용해 외부 전원을 통해 충전하는 방식입니다. 전기 모터의 고속 회전과 전기 시스템의 스위칭으로 인해 고주파 진동이 발생할 수 있으며, 특히 회생 제동(regenerative braking) 과정에서 진동이 발생하는 것이 특징입니다. 내연기관이 없기 때문에 저주파 진동이 적고, 전기 모터의 고주파 진동이 두드러져 ICE와는 전혀 다른 진동 특성을 보입니다. 이로 인해 차량 내 소음이 감소하면서 상대적으로 전기 모터의 진동이 승객에게 더 잘 전달될 수 있습니다.

 

 

 

 

도로 유발 진동(50 Hz 이하)의 경우, BEV는 엔진 소음이 없기 때문에 도로에서 발생하는 진동이 더 명확하게 느껴집니다. 반면, ICE는 엔진 진동이 강해 도로에서 유발된 진동이 상대적으로 가려지는 경향이 있습니다. HEV/PHEV의 경우, 도로 진동이 엔진 작동 시 간헐적으로 가려지며, 그 외에는 BEV와 유사하게 도로 진동이 두드러질 수 있습니다.

 

구동 시스템 측면에서 보면, BEV는 전기 모터, 인버터, 배터리 시스템으로 구성되며, 이로 인해 100 Hz 이상의 고주파 대역에서 진동이 발생합니다. ICE는 내연기관과 변속기, 배기 시스템 등으로 구성되어 있으며, 주로 10 Hz에서 500 Hz 사이의 저주파~중주파 대역에서 진동이 발생합니다. HEV/PHEV는 전기 모터와 내연기관을 동시에 사용하기 때문에 두 시스템에서 발생하는 다양한 주파수의 진동을 모두 포함합니다.

 

저주파 진동에서는 BEV가 도로와 차체 상호작용으로 인해 일부 발생하지만, 전반적으로는 진동 수준이 낮습니다. ICE는 연소 과정에서 발생하는 저주파 진동이 지배적이며, 특히 공회전 상태에서는 200 Hz 이하의 주파수 대역에서 주로 진동이 나타납니다. HEV/PHEV는 ICE의 저주파 진동과 회생 제동 및 시스템 전환 과정에서 발생하는 진동이 혼합된 특성을 보입니다.

 

고주파 진동의 경우, BEV는 전기 모터와 인버터의 스위칭으로 인해 100 Hz 이상의 고주파 진동이 발생합니다. 반면, ICE는 변속이나 회전 부품에서 중간 주파수 대역에서 주로 진동이 발생하며 고주파 진동은 상대적으로 적습니다. HEV/PHEV는 전기 모터로 인해 고주파 진동이 발생하지만, BEV보다는 그 강도가 약간 낮은 편입니다.

 

엔진의 시동 및 정지 관련 진동은 BEV에는 적용되지 않지만, ICE는 엔진이 계속해서 작동하므로 시동과 정지 없이 연속적으로 진동이 발생합니다. HEV/PHEV는 전기 모드와 내연기관 모드 사이를 전환할 때마다 진동 스파이크가 발생할 수 있어 ICE와 BEV와는 다른 특성을 보입니다.

 

변속기 측면에서 BEV는 단일 속도나 감속 기어박스만을 사용하므로 진동이 상대적으로 적습니다. ICE는 다단 변속기를 사용하며, 이로 인해 중주파수 대역에서 추가적인 진동이 발생할 수 있습니다. HEV/PHEV는 복잡한 변속기를 사용하며, 변속 시 추가적인 진동이 발생하여 진동 환경이 더 복잡해질 수 있습니다.

 

마지막으로, 주요 진동 주파수 범위를 보면, BEV는 주로 100 Hz 이상의 고주파 대역에서 진동이 발생하며, kHz 대역까지 진동이 확장될 수 있습니다. ICE는 30 Hz에서 500 Hz 사이의 저주파~중주파 대역이 지배적입니다. HEV/PHEV는 ICE의 저주파와 BEV의 고주파가 혼합되어 30 Hz에서 kHz까지 다양한 주파수 대역에서 진동이 발생합니다.

 

 

 

 

 

전기/엔진 자동차 차량 진동 측정 시험

 

시험에 사용된 차량은 아래와 같습니다.

• Cadillac LYRIQ (2024) - 배터리 전기 차량(BEV)
• Cadillac Escalade (2023) - 내연기관 차량(ICE)
• Kia Sportage Hybrid (2024) - 하이브리드 전기 차량(HEV)

 

 

 

 

이번 시험에서 진동 측정은 Observer 1000 데이터 수집 시스템과 3축 가속도계를 사용하여 이루어졌습니다. 이 시스템은 각 차량의 다양한 위치에 가속도계를 부착하여 주행 중 발생하는 진동 데이터를 수집하고, 고유한 진동 특성을 파악하는 데 중점을 두었습니다. 세부적인 측정 방식과 과정은 다음과 같습니다.

 

 

측정 장비 설치:

• Observer 1000 데이터 수집 시스템을 사용하여 차량에 여러 위치에 걸쳐 진동을 측정할 수 있도록 3축 가속도계를 부착했습니다. 이 장비는 각 축에서 발생하는 진동을 실시간으로 기록하며, 고해상도의 진동 데이터를 제공합니다.
• 각 차량의 주요 부위, 예를 들어 구동 장치(전기 모터 또는 엔진), 배터리, 차체 등의 위치에 가속도계를 설치했습니다.

 

 

데이터 수집 환경:

• 측정은 고속도로, 도시 도로, 거친 도로와 같은 다양한 주행 조건에서 수행되었습니다. 이로 인해, 다양한 도로 상태에서의 진동 데이터를 수집할 수 있었습니다.
• 주행 중 수집된 진동 데이터는 GPS와 연동되어 각 주행 구간과 매칭되었습니다. 이는 특정 주행 상황에서 발생하는 진동 특성을 분석하는 데 유용했습니다.

 

 

추가 장비:

• 마이크로폰과 헤드셋을 사용하여 주행 중 주변 소음 및 연구자의 음성 메모를 기록했습니다. 이는 차량 내부의 체감 진동과 소음 데이터를 보완하는 역할을 했습니다.
• GoPro 카메라를 통해 도로 상태를 영상으로 기록하여, 수집된 진동 데이터와 도로 상태의 상관관계를 분석할 수 있도록 했습니다.

 

모바일 인터페이스 활용:

• 진동 연구 소프트웨어의 모바일 앱을 통해 스마트폰에서 실시간으로 데이터 모니터링을 할 수 있었습니다. 이를 통해 데이터 수집 중 이상이 있는지 확인하고, 고품질 데이터를 지속적으로 수집할 수 있었습니다.

 

피로 손상 스펙트럼(Fatigue Damage Spectrum):

• 측정된 진동 데이터는 피로 손상 스펙트럼으로 변환되어 각 주파수에서 발생하는 진동 에너지를 계산했습니다. 이를 통해 각 차량의 진동 프로파일을 생성하고, 비교 가능한 지표로 변환할 수 있었습니다.
• 최종적으로 수집된 데이터를 20시간 동안의 진동 시험으로 가속화하여 200,000 마일 주행에 해당하는 피로 손상을 평가했습니다.

 

데이터 정규화 및 테스트 프로파일 생성:

• 측정된 데이터는 각 차량이 200,000 마일 주행 시 발생하는 진동 피로에 해당하도록 정규화되었습니다. 이를 통해 측정 결과를 기반으로 20시간 내에 동일한 피로 손상을 주는 진동 시험 프로파일을 생성했습니다.

 

 

전기/엔진 자동차 차량 진동 측정 결과 및 분석

 

이번 시험에서 수집한 진동 데이터를 분석하기 위해 여러 단계의 과정을 거쳤습니다. Vibration Research 소프트웨어와 피로 손상 스펙트럼(Fatigue Damage Spectrum, FDS)을 중심으로, 주파수별 진동 특성을 세밀하게 분석하여 각 추진 시스템의 고유한 진동 환경을 비교하고 평가했습니다. 분석 과정은 다음과 같이 진행되었습니다.

 

데이터 정제 및 전처리 단계에서, 수집된 RAW 데이터를 검토하여 측정 중 발생할 수 있는 불필요한 노이즈나 센서 드리프트를 확인하고 제거했습니다. 이 과정에서, 주파수 대역의 정확한 분석을 위해 2Hz 하이패스 필터를 적용하여 저주파 드리프트를 제거함으로써 분석에 필요한 주파수 범위 내에서만 데이터가 처리되도록 설정했습니다.

 

 

피로 손상 스펙트럼(FDS)을 이용하여 주파수별 피로 손상을 분석했습니다. 전처리된 가속도 데이터를 속도 데이터로 변환하여 피로 손상과 관련된 진동 에너지를 평가했습니다. 속도 데이터는 피로 손상과 직접적으로 관련이 있기 때문에 진동 환경을 더 정확하게 평가할 수 있는 자료로 사용됩니다. FDS는 마이너 법칙(Miner’s Rule)과 SN 곡선을 통해 특정 주파수에서 발생하는 피로 손상을 계산하며, 이를 통해 주파수 대역별 피로 손상 정도를 수치화했습니다.

 

 

다음으로 전력 스펙트럼 밀도(PSD) 프로파일을 생성했습니다. FDS 분석 결과를 바탕으로, 특정 시간 내에 동일한 피로 손상을 줄 수 있는 PSD 프로파일을 설계하여 실제 주행 환경을 단기간 내에 모사할 수 있도록 했습니다. 예를 들어, 200,000마일 주행에서 발생할 수 있는 피로 손상을 20시간 내에 재현하도록 설정해, 시험 시간을 단축하면서도 실제 환경에 가까운 진동 조건을 제공했습니다.

 

충격 응답 스펙트럼(Shock Response Spectrum, SRS)을 비교하여 테스트 프로파일이 실제 주행 환경을 적절히 모사하는지 검증했습니다. SRS는 FDS 기반의 PSD 프로파일과 실제 차량에서 측정한 데이터를 비교하여, 설정한 테스트 프로파일이 과도하게 가속되지 않았는지, 혹은 너무 긴 테스트 시간이 필요한지 확인했습니다. 이를 통해 테스트의 효율성과 현실성을 확보할 수 있었습니다.

 

각 차량의 진동 특성을 차량별, 축별로 비교했습니다. 각 차량에서 기록된 전/후, 측면, 수직 축의 진동 데이터를 비교함으로써 차량별 고유한 진동 특성을 분석했습니다. 이를 통해 ICE 차량은 주로 저주파 대역에서 높은 진동 레벨을 보였고, BEV는 고주파 대역에서 특이한 진동을 보였으며, HEV는 두 특성이 혼합된 진동 환경을 가지는 것을 확인했습니다.

 

 

SAE J2380 표준과의 비교를 통해 BEV 및 HEV의 실제 진동 환경과 표준 진동 프로파일 간의 차이점을 평가했습니다. 분석 결과, SAE J2380 표준이 BEV의 실제 진동 환경보다 과도하게 높은 진동 레벨을 설정하고 있다는 점이 확인되었습니다. 이는 BEV와 HEV에 적합한 맞춤형 진동 테스트 프로파일의 필요성을 나타내는 결과로 해석되었습니다.

 

마지막으로, 각 차량의 진동 특성을 종합하여 결과 해석 및 보고서 작성을 수행했습니다. ICE, BEV, HEV의 고유한 진동 특성을 반영한 테스트 프로파일을 통해 각 차량의 구조적 강도와 내구성을 보다 효과적으로 평가할 수 있는 기준을 마련했습니다. 이를 통해 각 추진 시스템에 최적화된 진동 테스트 방법을 제시할 수 있었으며, 실제 사용 환경에 가까운 진동 테스트로 차량의 성능과 내구성을 사전에 검증할 수 있도록 했습니다.

 

 

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