전기자동차와 엔진자동차 진동 분석 비교(EV, Combustion Engine Vibration Analysis, Tesla, BMW)

 

목차

 

 

 

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소개글

 

자동차 산업(Automotive industry)는 빠르게 성장을 했으며 새로운 기술 도입에 선두적인 역할을 하고 있습니다. 최근에 큰 성장을 보이는 BEV(Battery Electric Vehicle)는 자동차 산업 전반을 이끌고 있습니다.

 

하지만 엔진 자동차가 수십년간 산업의 Standard로 자리 잡아와서 전기 자동차의 소음(Noise), 진동(Vibration)에 대해서는 여전히 연구해야 할 부분이 많습니다. BEV의 NVH(Noise, Vibration, Harshness)는 여전히 개발/선행 단계에서 진행되고 있습니다. 엔지니어는 이전에 다루지 못한 새로운 이슈를 맞을 준비를 해야 합니다. 

 

VR(Vibration Research) 팀에서 전기자동차와 내연기관자동차의 진동, 소음에 대한 비교 분석을 하자는 논의가 나왔고 VR 장비를 사용해서 동일 길을 ICE(Internal Combustion Engine) 차량과 전기자동차(EV)를 운행하면서 데이터를 측정하였습니다. 

 

이번 포스터의 목적은 ICE와 EV의 NVH 차이에 대해 알아보기 위함 입니다.

 

 

 

 

시험 셋팅 (Test Setup)

 

 

시험 엔지니어는 ObserVR1000 장비를 사용해서 Tesla 모델3과 BMW 340i xDrive를 측정하였습니다. 

 

 

 

가속도 센서 마운팅 위치 (Sensor Mounting Points)

 

Sensor placement in the Tesla on the strut tower (left), rear-view mirror, and windshield (right).

 

3축 가속도 센서(Accelerometer)를 차량 운전자 측 Strut tower와 후방확인 거울과 전방 유리에 부착하였습니다. (위 그림 참조) 해당 위치를 측정 포인트로 정한 이유는 많은 차량에서 일관성 있는 결과를 주었고(Consistence) 동작 중에도 진동 측정이 용이하기 때문에 선정하였습니다. 

 

거울 쪽에 진동은 사용자가 느끼는 진동과 상관이 높습니다. 그리고 3 포인트 모두 차량의 안전성, 수명과 연관되어 있습니다. 

 

 

 

가속도 센서 설정(Sensor Configuration)

 

시험에 앞서 센서를 Glue를 사용해서 마운팅 표면에 부착하였습니다. 그리고 설정으로 시리얼 번호, 감도(Sensitivity), 방향(Orientation)을 결정하였습니다. 참고로 거울에 부착한 센서의 경우 선의 위치상 방향을 잡기 어려워 소프트웨어 내부적으로 Z와 Y축을 변경하여 사용하였습니다. 변경은 노트북 없이 간단하게 스마트폰에서 VR Mobile APP을 사용해서도 가능 합니다.

 

다음으로 센서 설정이 제대로 되었는 확인하기 위해 센서의 출력 값을 검증하였습니다. 

 

초기 마운팅 위치에서 문제가 발생하였는데 초기에는 Strut Tower에 센서를 부착하지 않고 전면에 12V Battery 브라켓에서 발생하는 진동을 하기 위해 브라켓 위해 가속도 센서를 부착 하였습니다. 엔지니어들이 브라켓 위해서 측정한 센서에서 높은 노이즈(Noise)가 발생함을 확인 하였습니다. 노이즈를 줄이기 위해 가속도 센서, 케이블을 교체 하였으나 노이즈가 12V 배터리에서 발생하였기 때문에 줄일 수 가 없었습니다.

 

그래서 차선으로 Strut Tower에 가속도 센서를 부착하였습니다. 이처럼 센서를 부착 후 가속도(Acceleration)를 확인하고 검증하는 작업이 시험 전 필요 합니다.

 

 

 

마이크로폰, 고프로, 헤드셋, GPS 설치 (Microphone, GoPro, Headset, Garmin GPS)

 

Microphone placement in the BMW

가속도 센서에 더해 마으크로폰의 소음 측정과 고프로의 동영상, 헤드셋, GPS를 ObserView 소프트웨어의 Multimedia Sync 기능을 사용하여 연계해서 분석할 수 있습니다.

 

2개의 마이크로폰은 위 그림과 같이 운전석에 왼쪽 오른쪽 각 각 배치 합니다. 운전자는 헤드셋을 써서 오디오의 이벤트 상황을 녹음합니다.

 

고프로(GoPro)는 운전석 옆의 좌석 쪽 앞 바퀴 뒤쪽에 설치하여 동영상을 저장합니다. 테슬라의 경우 빌트인으로 카메라가 있으므로 빌트인 카메라의 영상을 이용합니다. 

 

Garmin GPS 장비는 DAQ 장비에 연결합니다.

 

 

시험 개시 (Running the tests)

 

도로 상태 및 조건

도로는 사전에 협의된 도로에서 진행되었고 대부분의 주행 도로는 아스팔트 입니다. 일부 도로는 최근에 포장되어 상대적으로 마찰이 적습니다. 그 외 일부는 크랙과 구멍(Pot hole)이 있습니다. 고속도로에서 70mph 속도로 운전하였고 주거지 도로에서는 45mph 속도로 운전하였습니다.

 

 

 

 

 

결과 및 분석 (Result and Analysis)

 

시험팀의 예측은 ICE 차량과 EV 차량의 측정값이 많이 다를 것으로 예측했습니다. ICE의 경우 엔진에서 발생하는 소음과 진동이 EV보다 심할 것이라고 예측되었기 때문입니다. 

 

하지만 결과는 유사한 수치를 보였습니다.

 

 

Start up Levels

 

Figure 1. Vehicle recordings at startup.

 

Vehicle	Overall SPL Left (dBA)	Overall SPL Right (dBA)
BMW	59.207	58.813
Tesla	53.340	40.887

 

운행 초기 레벨에서 소음 측정은 결과를 보면 아시겠지만 6~8dBA 의 차이가 발생할 정도로 큰 차이를 보였습니다. dBA는 소음음압 레벨로 아래 링크를 참조 하시길 바랍니다. 

https://famtech.tistory.com/56

사운드 주파수 가중치, dBA란? (A weighting, B,C,D,G, Z)

 

결과는 사실 예측 가능했습니다. 전기 자동차의 경우 배터리에서 파워를 가져오므로 엔진이 연료를 폭발 시키기 위해 필요한 발화(Ignition)이 전기 자동차의 경우 필요가 없습니다. 

 

 

 

테슬라 피크 가속도 (Tesla Acceleration Peak)

 

 

시간 도메인에서 테슬라 창에 붙은 가속도 센서의 Z축(Windshield)에서 강한 충격을 확인할 수 있습니다. Peak 주파수(Frequency)는 대략 100~110Hz 정도 입니다. 오디오 기록을 이용해서 확인한 결과 엔진니어들은 당시 AC fan이 Powering up 하는 소리와 유사한 소리를 들을 수 있다고 하였습니다. 그리고 해당 주파수는 Windshield와 공진하였을 것으로 추정 합니다.

 

그 외 관철 점

 

• BMW, Tesla 모두 오디오 측정값이 800Hz 이상에서 수렴함 (Converge)
• BMW의 Windshield Z축 측정 값과 오디오 값 모두 80Hz에서 최대 dB값을 보임
• Tesla가 소음 관점에서 BMW보다 조용하지만, PSD 관점에서 Tesla strut이 BMW strut보다 높게 나옴

 

 

Figure 3. PSD of rear-view mirror (Z-axis): vehicle ON and stationary.

• BMW rear-view 거울은 60~70Hz에서 Steady resonance 를 가짐

 

 

 

BACKGROUND NOISE

 

테스트 엔지니어가 두 차량의 Power on / off에서의 배경 소음을 측정하였습니다.

 

테슬라(Tesla)

Figure 4. Vehicle recording: Tesla ON and Tesla OFF

 

테슬라는 시동을 끌때보다 켤때 더 많은 소음이 발생 하였습니다. Power on /off 의 소음 차이는 왼쪽 마이크로폰에서는 작았고 오른쪽에서는 약 5dB정도 발생하였습니다. dB 곡선 자체는 Power on / off 유사한 형태를 보였습니다. 

약 저주파 부터 100Hz까지 가파르게 올라가는 형태를 보였습니다. 

 

Rear View Mirror나 Strut에서는 Power on / off에서 가속도나 변위(Displacement)에서 큰 차이를 보이지 않았습니다. 하지만 Windshield의 경우 약 39Hz에서 On/Off간 가속도에 상당한 차이를 보였습니다. 

 

이번 결과를 통해서 AC unit과 창문(Windshield)의 공진에 대한 가정을 다시 한번 확인할 수 있었습니다. 하지만 다른 Fan이나 보조 장치에 의한 공진일 수도 있으므로 추가적인 실험이 필요 합니다.

 

 

BMW

Figure 5. Vehicle recording: BMW ON and BMW OFF.

BMW의 경우 Power on / off에서의 SPL 측정 값이 테슬라에 비해 크게 발생하였습니다. 오른편의 마이크로폰의 경우 15dB까지 발생하였습니다. 

 

60Hz에서 Rear view 거울의 공진을 확인할 수 있습니다. 그리고 오른쪽 상단의 Transmissibility 그래프는 Power on / off를 비교한 값입니다.  

 

 

 

도로 포장 상태 (Road Surface)

 

Figure 6. Signal comparison on a smooth road surface.

 

Smooth Road : 

 

포장상태가 깔끔한(Smooth)한 도로에서는 테슬라가 BMW보다 약 3.5dBA 정도 큰 소음이 내부에서 발생하였습니다. 두 차량 모두 주파수에 따른 그래프 형태는 유사하게 나왔습니다.

 

테슬라의 rear view 거울 쪽 가속도 센서의 측정값을 통해 테슬라가 30Hz 이후 부터 높은 가속도 값과 Damage 값이 발생함을 알 수 있습니다. 

 

 

 

Figure 7. Signal comparison on a rough road surface at around 70mph

On a rough roadsurface at around 70 mph : 

 

거친 표면에서 70mph로 주행했을 때의 측정 결과 입니다.

 

• 테슬라 Strut에서 BMW보다 더 높은 변위가 발생했습니다.
• 내부 소음은 테슬라가 2dBA 높게 발생했습니다.
• 테슬라 transmissibility에서 rear view mirror/windowshield는 67Hz 공진을 가집니다. 

 

 

 

Figure 8. Signal comparison on a rough road surface at around 45mph.

On a rough roadsurface at around 45 mph :

 

거친 표면에서 45mph로 주행했을 때의 측정 결과 입니다.

 

• 두차량 모두 내부 소음에서는 유사했습니다.
• 테슬라 Strut에서 더 높은 변위가 발생했습니다.
• 창문에서는 두차량 유사한 변위/가속도 가 발생했습니다.
• 유사한 Damage 발생

 

 

전기 자동차 진동 시험

 

앞서 테슬라와 BMW의 진동 소음 측정을 통해 두 차량의 특성을 비교해 보았습니다. 

 

앞으로 나올 전기 자동차의 소음 진동을 면밀하게 측정하기 위해 하기와 같은 시험들이 선행되어야 합니다.

 

 

• Road noise and vibration
• Wind noise and vibration
• Windshield resonance
• Radio/interior vehicle noise
• Varying motor speeds
• Infrastructure conditions
• Powertrain noise

 

 

 

원문 링크>>

https://vibrationresearch.com/resources/compare-electric-vehicle-internal-combustion-engine-vibration-analysis/