구동부 및 PTO 레이아웃에 따른 55kW급 전기구동 트랙터의 용량 분석

김경대 ( Kyeong-dae Kim ),이시영 ( Si-yeong Lee ),박영준 ( Young-jun Park ),김원균 ( Won-gun Kim ) 한국농업기계학회 2023 한국농업기계학회 학술발표논문집 Vol.28 No.2

트랙터는 주행 및 쟁기 작업에 필요한 동력을 전달하는 차축 외에 PTO 동력 취출부가 존재한다. 추가적인 동력 취출부는 전력 시스템 설계 시, 모터 개수 증가 또는 용량 증대 등의 과설계를 필요로 한다. 하지만 유성기어를 사용하면 동력이 부족한 곳에 보조 동력을 제공할 수 있도록 구동부 설계가 가능하기 때문에 적은 수의 최적 용량을 가진 모터로 구동이 가능하다. 본 연구에서는 유성기어가 장착된 55kW급 전기구동 트랙터의 시뮬레이션 모델을 개발하고 설계된 전력 시스템의 용량 분석을 수행하였다. 전기구동 트랙터 모델은 20kW와 55kW 용량의 모터 두 개와 80kWh 배터리, 유성기어, 감속기, PTO, 차륜으로 구성되어 상용 소프트웨어인 MATLAB Simulink를 통해 개발되었다. 유성기어가 장착된 전기구동 트랙터의 작업 성능 평가를 위해 같은 용량의 76마력급 엔진 트랙터를 이용하여 쟁기와 로타리 작업의 부하를 계측하였으며 이를 전기구동 트랙터 모델의 작업 부하로 인가하였다. 시뮬레이션 모델 시험 결과, 설계된 전력 시스템을 이용한 전기 구동 트랙터는 쟁기와 로타리 작업의 부하를 극복하고 작업 수행이 가능함을 확인할 수 있었으며, 에너지 효율 저하의 원인이 되는 유성기어의 power circulation 및 split 현상을 분석할 수 있었다. 추후 연구에서는 개발된 트랙터 시뮬레이션 모델과 분석 결과를 이용하여 에너지 최적화 알고리즘을 설계하고 전기구동 트랙터 시스템의 통합 주행 제어 알고리즘을 개발하는데 활용될 것이다.

작업부하에 따른 전기구동 트랙터의 모터 토크 제어를 위한 PID 제어기 개발

백승윤 ( Seung-yun Baek ),최창현 ( Chang-hyun Choi ),김용주 ( Yong-joo Kim ) 한국농업기계학회 2019 한국농업기계학회 학술발표논문집 Vol.24 No.2

전기구동 트랙터는 전기 모터를 엔진 출력 보조를 위해 사용하는 병렬형 하이브리드 방식과 전기 모터를 주동력원으로 사용하여 엔진을 대체하는 직렬형 하이브리드 방식으로 구분된다. 본 연구에서 대상으로한 전기구동 트랙터는 직렬형 하이브리드 방식으로, 농작업 시 발생하는 고부하 대응을 위해 고토크 모터를 주동력원으로 사용한다. 본 연구는 작업 시 발생하는 부하에 따른 모터의 적정 토크를 출력 가능한 제어기 개발을 위하여 수행되었다. 전기구동 트랙터 시뮬레이션 모델 및 제어기 모델은 상용 소프트웨어인 Simulation X(Ver 4.0, ESI ITI GmbH, Germany)를 통해 구성하였다. 부하 데이터 계측은 전기구동 트랙터의 정격출력과 동일한 부하 계측용 트랙터를 사용하였으며, 시뮬레이션 입력 조건은 쟁기 작업 중 차축에 발생하는 토크 데이터로 선정하였다. 제어기 모델의 입력 값은 전기 모터 컨트롤러의 토크 지령과 차축에서 발생한 토크이며, PID 제어 방식으로 모터의 적정 토크를 출력하도록 구성하였다. PID 계수는 settling time과 overshoot에 따른 전기구동 트랙터의 배터리 soc level 및 작업 가능 시간을 고려하여 선정하였다. 본 연구를 통해 농작업 중 차축에 발생하는 부하에 따라 적정 토크 출력이 가능한 모터의 PID 제어기를 개발하였으며, 이는 개발 중인 전기구동 트랙터 플랫폼에 적용하여 작업 성능을 향상 시킬 수 있을 것으로 판단된다.

전기구동 트랙터 최적화를 위한 외부 작업기 PTO 출력 지원 시스템 개발

김강현 ( Gang-hyun Kim ),김경대 ( Kyeong-dae Kim ),이시영 ( Si-yeong Lee ),김원균 ( Won-gun Kim ) 한국농업기계학회 2023 한국농업기계학회 학술발표논문집 Vol.28 No.2

트랙터는 작업기로 동력을 전달하기 위해 동력 인출 장치(Power Take Off, PTO)가 존재한다. 기존의 트랙터는 PTO가 출력할 수 있는 용량에 따라 해당하는 작업기의 크기가 정해져 있다. 이는 다양한 용량의 작업기를 사용할 수 없다는 한계가 있다. 하지만 외부의 동력원으로부터 PTO의 출력을 지원함으로써, 단일 트랙터로 고용량의 작업이 가능해질 수 있다. 본 연구는 40kW급 전기구동 트랙터의 시뮬레이션 모델을 개발하여 수행하였다. 전기구동 트랙터 모델은 전차축에 10kW 용량의 모터, 후차축 및 PTO에 30kW 용량의 모터와 배터리, 감속기, 차륜 및 10kW 용량의 외부 동력원으로 구성하였고, 이는 상용 소프트웨어인 Matlab/Simulink를 사용하여 개발되었다. 전기구동 트랙터의 PTO 출력을 비교하기 위해 55마력급 엔진 트랙터의 로타리 작업의 부하를 계측하였으며 위 데이터를 전기구동 트랙터 시뮬레이션 모델의 작업 부하로 인가하였다. 시뮬레이션 결과, 외부의 동력원을 통해 상대적으로 고용량의 PTO 작업 수행이 가능함을 확인할 수 있었다. 추후 연구에서는 트랙터 시뮬레이션 모델과 분석 결과를 이용하여 목표하는 용량의 작업을 수행할 수 있도록 트랙터의 용량 및 외부 동력원의 최적화에 활용될 것이다.

전기구동 트랙터의 연구 동향

황인석 ( In-seok Hwang ),신창섭 ( Chang-seop Shin ) 한국농업기계학회 2022 한국농업기계학회 학술발표논문집 Vol.27 No.1

최근 환경문제가 대두됨에 따라 오염 물질 배출 감소는 전세계적으로 큰 관심사이다. 미국, 영국 등의 국가에서 전기 자동차와 같은 친환경차 개발에 박차를 가하고 있다. 전세계 2019년 특수목적 Electric vehicle(EV) 시장은 15%정도로 작은 규모이나, 2029년에는 환경규제로 인해 대부분이 내연기관에서 EV로 전환되어 시장규모는 1350억 달러로 크게 확장될 전망이다. 농업 분야에서도 전기구동 시스템에 대한 관심이 증가하고 있다. 전기구동 시스템의 장점은 에너지 효율 증가, 소음 감소, 토크와 속도 제어, 설계의 유연함이다. 전기구동 시스템은 가까운 시일내에 실현가능한 기술로써 향후 농업기계에 많이 활용될 것으로 기대된다. 트랙터는 농업기계 가운데에서도 가장 중심적인 역할을 하는 기계로서 농작업의 기본 동력원으로 이용되고 있다. 이에 본 연구에서는 국내외에서 전기 트랙터의 연구 동향을 정리해보고자 하였다. 현재 국내에서는 전기 구동 트랙터용 모터관련 연구와 작업 환경을 고려한 설계 연구가 많이 진행되고 있다. 대동공업이 전기 트랙터 개발에 성공했지만 비용과 기술적인 문제로 상용화 단계에는 이르지 못했다. 국외도 회사별로 전기 트랙터 개발에는 성공했지만 대부분 시제품만 나와있는 상태이다. Solectrac에서 전기 트랙터를 판매하고 있으나 판매량이 적어 상용화 단계라고는 볼 수 없다. 현재 개발된 전기 트랙터의 공통적인 문제는 작업시간이 짧다는 것이다.

전기구동 트랙터의 시뮬레이션 모델 개발 및 검증

백승윤 ( Seung-yun Baek ),한태호 ( Tae-ho Han ),김용주 ( Yong-joo Kim ) 한국농업기계학회 2020 한국농업기계학회 학술발표논문집 Vol.25 No.1

본 연구는 120 kW급 전기구동 트랙터의 시뮬레이션 모델을 개발하고, 실차시험을 통해 계측한 데이터와 시뮬레이션 결과를 비교하여 모델을 검증하기 위해 수행되었다. 계측 시스템은 개발된 전기구동 트랙터에 설치하였으며, CAN (Controller Area Network) 통신을 통한 아날로그 데이터(전기 모터의 회전속도 및 전압, 배터리의 SOC level)와 전류 센서를 통한 디지털 데이터(전기 모터 인가 전류)를 계측 가능하도록 구성하였다. 차축 토크는 계측된 데이터와 전기 모터의 전류-토크 곡선을 사용하여 계산하였다. 전기구동 트랙터 시뮬레이션 모델은 상용 소프트웨어인 SimulationX (Ver 4.0, ESI ITI GmbH, Germany)를 통해 구성하였으며, 차축 토크와 차량 속도 데이터를 시뮬레이션 조건으로 선정하였다. 실차시험은 노지 및 포장도로 조건에서 수행하였으며, 주행속도는 10 km/h로 설정하였다. 계측 데이터와 시뮬레이션 결과의 유의성은 통계 소프트웨어인 SPSS (SPSS 25, IBM Corp., USA)를 통해 분석하였다. 전기구동 트랙터의 차축 토크 데이터는 유의한 차이를 보이지 않았으며, 배터리의 SOC level은 유의성 분석결과와 시간에 따른 변화율을 고려하였을 때 높은 신뢰성을 가지는 것으로 판단된다. 전기구동 트랙터의 구동 가능 시간은 시뮬레이션 결과에 따라 약 6시간으로 추정되었으며, 쟁기 작업 가능 시간은 약 2.4 시간으로 추정되었다. 전기구동 트랙터의 배터리는 쟁기 작업을 수행하기에는 용량이 부족한 것으로 판단되나, 배터리 성능은 향후 연구에서 다양한 조건에서의 시뮬레이션을 통한 최적화를 통해 향상될 수 있을 것으로 기대된다.

작업부하를 고려한 전기구동 트랙터 출력 및 SOC 시뮬레이션

백승윤 ( Seung-yun Baek ),임류갑 ( Ryu-gap Lim ),최창현 ( Chang-hyun Choi ),김용주 ( Yong-joo Kim ) 한국농업기계학회 2019 한국농업기계학회 학술발표논문집 Vol.24 No.1

전 세계적으로 배출가스 규제가 강화됨에 따라, 농업기계에서도 친환경기술에 대한 연구가 활발히 진행되고 있으며 특히 트랙터의 친환경 동력전달시스템에 대한 연구가 대두되고 있다. 본 연구는 전기구동 트랙터의 동력전달시스템 개발을 위한 기초연구로써, 시뮬레이션 모델을 이용하여 트랙터의 구동 및 농작업 가능시간에 대해 분석하는 것을 목적으로 수행되었다. 본 연구에서는 필드시험을 통해 측정한 작업 부하를 입력 조건으로 하여 전기구동 트랙터의 시뮬레이션 모델을 구성하였으며, 이를 통해 주요 결과 값인 전기 모터 출력과 시간에 따른 배터리의 SOC Level을 해석하였다. 시뮬레이션 결과, 작업 부하데이터 및 기어비를 적용한 모터의 구동 영역은 선정한 모터의 성능 곡선 영역을 만족하는 것으로 나타났으며, 배터리 SOC Level은 50% ~ 80%의 범위에서 충·방전 됨과 동시에 최소 농작업 가능시간을 만족하였다. 따라서, 전기 구동 트랙터는 기존 엔진 구동 트랙터를 대체 가능할 것으로 판단되며, 향후 전기 구동 트랙터의 실차 시험을 통하여 시뮬레이션 모델 검증에 관한 연구를 수행할 예정이다.

전기 구동 트랙터의 전력 시스템 용량 분석을 위한 시뮬레이션 연구

김경대 ( Kyeong-dae Kim ),박영준 ( Young-jun Park ),김강현 ( Gang-hyun Kim ),김원균 ( Won-gun Kim ) 한국농업기계학회 2022 한국농업기계학회 학술발표논문집 Vol.27 No.2

본 연구에서는 40kW급 전기구동 트랙터의 시뮬레이션 모델을 개발하고 설계된 전력 시스템의 용량 분석을 위해 작업 성능을 평가하였다. 전기구동 트랙터 모델은 10kW와 30kW 용량의 모터 두 개와 80kWh 배터리, 감속기, PTO, 차륜으로 구성되어 상용 소프트웨어인 MATLAB Simulink를 통해 개발되었다. 또한 작업 성능 평가를 위해 같은 용량의 40kW급 엔진 트랙터를 이용하여 쟁기와 로타리 작업의 부하를 계측하였으며 이를 전기구동 트랙터 모델의 작업 부하로 사용하였다. 시뮬레이션 모델의 시험 결과, 설계된 전력 시스템을 이용한 전기 구동 트랙터는 쟁기와 로타리 작업의 부하를 극복하고 작업을 수행할 수 있음을 알 수 있었으며, 배터리의 SOC(State of Charge)가 100%인 상태에서 1.4ha의 경지를 3.7시간 동안 작업할 수 있는 것으로 나타났다. 추후 연구에서는 작업 시간을 향상시킬 수 있는 전력 시스템을 설계하고, 개발된 트랙터 시뮬레이션 모델은 전기구동 트랙터 시스템의 통합 주행 제어 알고리즘 개발에 사용될 것이다.

듀얼 모터 타입 전기 트랙터의 파워트레인 동력 특성 분석

안다빈 ( Da-vin Ahn ),한규하 ( Gyu-ha Han ),김경대 ( Kyeong-dae Kim ),조승제 ( Seung-je Cho ),박영준 ( Young-jun Park ) 한국농업기계학회 2023 한국농업기계학회 학술발표논문집 Vol.28 No.1

환경 규제가 강화되고, 농촌 인구 고령화 및 에너지 자원 부족 등에 따른 대내외적인 환경 변화로 농업 기계에 대한 전기 구동 트랙터 개발의 필요성이 커지고 있다. 전기구동 트랙터 개발을 위해서는 농작업 환경에 따른 작업 부하를 고려한 용량 선정, 동력 전달 시스템 설계 및 제어 알고리즘 개발이 필요하며, 작업 안정성 및 효율(작업 및 주행 효율)을 높이는 것이 중요하다. 본 연구에서는 듀얼 모터 타입의 파워트레인 구조의 전기구동 트랙터에 대하여 작업 효율 및 동력 특성을 비교 분석하였다. 전기구동 트랙터 시스템은 듀얼 모터 타입의 파워트레인 구조이며 2단 변속기로 구성되어 있다. 듀얼 모터는 주 모터(30kW)와 보조 모터(10kW)로 구성되며, 구동 모드에 따라 주 모터만 사용하는 모드와 주 모터와 보조 모터 모두 사용하는 모드가 있다. 각 구동 모드에 따른 작동 영역 분석하여 모드별 사용 가능 영역을 정의하였다. 또한 작업 부하에 따른 작동점(operating point)과 파워트레인 효율 맵을 비교하여 에너지 효율 특성을 분석하였다. 추후 연구에서는 작업 조건에 따른 동력 소모가 최소화되는 작업 제어 알고리즘을 개발 및 검증을 진행할 것이다.

20kW급 전기구동 트랙터의 통합 최적 제어 전략 연구

변서정 ( Seo-jung Byeon ),박진감 ( Jin-kam Park ),박민규 ( Min-gyu Park ),이진웅 ( Jin-woong Lee ) 한국농업기계학회 2022 한국농업기계학회 학술발표논문집 Vol.27 No.2

화석 연료의 사용 증가로 인한 탄소 배출은 기후 위기의 심각성이 높아짐에 따라 세계적인 문제로 대두되고 있다. 한국을 비롯한 120여개의 국가에서는 탄소 저감을 실현하기 위해 탄소배출권 거래제도나 탄소중립을 추진하고 있고, 스웨덴과 핀란드 등에서는 탄소세를 도입했다. 이러한 정책적 흐름은 국내 모빌리티 산업에 영향을 미쳐 ‘미래 모빌리티로 전환’이라는 핵심 과제를 통해, 자동차, 건설기계 및 농기계를 포함한 다양한 분야에서 활발히 연구되고 있으며 특히 온실가스 배출량을 줄일 수 있는 친환경 차량의 개발은 이중 가장 핵심적인 과제가 되었다. 이에 농기계 산업에서는 디젤 엔진의 배출가스 문제를 해결하기 위한 전기 트랙터 개발에 대한 요구가 증가하고 있다. 농업용 전기구동 트랙터는 기존 경유를 사용하는 디젤 엔진을 대체한 축전지 및 전동기를 이용하여 저소음 및 무공해(Zero-emission)를 구현하고 주행, 정지, 경운, 운반 및 PTO를 통한 다양한 작업을 수행한다. 또한 전동기(모터)와 전동기 제어기, 배터리와 BMS(Battery Management system)의 주요 4대 부품과 이를 제어하는 통합차량제어(VCU) 장치로 구성되고 통합차량제어장치(VCU)는 작업 모드에 대한 정보를 수집하여 트랙터의 작업성능을 향상시키기 위해 구동장치를 최적으로 제어한다. 전기구동 차량의 통합제어를 하기 위해 배터리, 모터, 인버터 등 파워트레인 등의 전기동력 시스템, 최적 운용 및 관리를 위한 전장 시스템 및 부하 분석 등 모두 고려해야 한다. 그러나 일반 자동차와 다르게 농업용 트랙터는 농작업 시, 경부하에서 순간적으로 중부하로 변경되는 특성이 있다. 본 연구는 기존 전통적인 엔진 농업기계와 차별화된 기술 적용 방안을 모색해 보고 다양한 작업 형태와 돌발변수를 가지는 농작업 특성에 최적화된 차량 통합 제어 전략을 제안한다.

전기 트랙터 파워트레인 구조에 따른 시뮬레이션 모델 개발

안다빈 ( Da-vin Ahn ),권도엽 ( Doyeop Kwon ),김경대 ( Kyeong-dae Kim ),김원균 ( Won-gun Kim ),김영주 ( Young-joo Kim ),조승제 ( Seung-je Cho ),박영준 ( Young-jun Park ) 한국농업기계학회 2023 한국농업기계학회 학술발표논문집 Vol.28 No.2

농업기계 분야에서 환경규제에 대응하기 위한 방안으로 농업기계의 전동화를 제안하였으며, 전기트랙터는 친환경적인 농업기계의 대표적인 사례라고 할 수 있다. 전기트랙터 개발 시 전기트랙터 타겟 용량에 대한 농작업에 대하여 높은 효율 및 원활한 작업성능이 요구된다. 이를 만족시키기 위해 타겟 용량에 대한 전기트랙터 파워트레인의 최적 구조를 선정하는 것이 중요하다. 본 연구에서는 파워트레인 구조별 전기트랙터 시뮬레이션 모델을 개발한 후 동일한 작업 부하를 각각의 시뮬레이션 모델에 인가하여 농작업 특성을 분석하였다. 전기트랙터 파워트레인 구조는 모터 하나만 사용하는 싱글 모터 파워트레인 구조와 모터 두 개를 사용하는 듀얼 모터 파워트레인 구조로 구분할 수 있다. 듀얼 모터 파워트레인 구조는 동력이 합쳐지는 위치에 따라 토크 커플링, 트랙션 커플링, 스피드 커플링 구조로 구분할 수 있다. 전기트랙터 시뮬레이션 모델은 파워트레인 구조별로 각각 개발하였다. 시뮬레이션 모델은 각각의 서브 모듈로 구성되어 있으며, 서브 모듈은 드라이버, 차량 컨트롤 유닛, 전기 모터, 파워트레인, 차량 모듈이 있다. 각각의 시뮬레이션 모델에 동일한 작업 부하를 인가하여 전기트랙터 파워트레인 구조에 따른 농작업 특성을 분석하였다.