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Ⓒ2010 KSAE 1225-6382/2010/107-08 Transactions of KSAE, Vol. 18, No. 5, pp.50-55 (2010)
연료전지 차량 주행시 스택의 진동 특성 연구
주 형 준*․김 기 훈․박 재 용
자동차부품연구원 내구기술연구센터
A Study on the Vibratory Characteristics of the Stack in Fuel Cell Vehicle at Driving Condition
Hyungjun Ju*․GiHoon Kim․Jaeyong Park
Structural Durability Research Center, Korea Automotive Technology Institute, 74 Yongjeong-ri, Pungse-myeon, Dongnam-gu, Cheonan-si, Chungnam 330-912, Korea
(Received 2 November 2009 / Accepted 1 February 2010)
Abstract : In recent years, the development of fuel cell vehicles has further accelerated because of environmental problem and petroleum resources shortage. The fuel cell vehicles have the stack which converts fuel to electricity. The stack is usually mounted by bush to isolate the vibration of chassis and body. This paper analyzed the vibratory characteristics of stack and chassis, body system. The wheel forces of fuel cell vehicle are measured to estimate the road load data. And the paths of vibration from wheel to stack are analyzed by CAE. According to the test and CAE results, the improvement of stack vibration are evaluated.
Key words : Fuel cell vehicle(연료전지 차량), Stack(스택), Vibration(진동), CAE(Computer Aided Engineering)
1. 서 론
1)
탄소 배출에 따른 지구 온난화 등의 환경 문제와 석유자원의 고갈로 대체에너지를 이용한 자동차 개 발이 모색되고 있다. 그 대안으로 부각되고 있는 연 료전지 차량에 대한 연구가 현재 활발히 이루어지 고 있다. 연료전지 차량의 NVH(Noise Vibration Harshness) 분야의 연구는 주로 연료전지 차량의 새 로운 구성부품인 냉각 팬, 블로워에서 발생하는 고 주파 소음1-3) 및 연료전지 핵심 구성품의 진동 절연 에 관한 연구 등을 수행하였다.4) 또한 Terence등은 SEA(Statistical Energy Analysis)를 이용하여 연료전 지 차량 패키지(package) 변화에 따른 실내소음 변 화에 관한 연구를 수행하였다.5)
본 연구는 연료전지 차량의 핵심 구성부품인 스
*
Corresponding author, E-mail: [email protected]
택(stack)과 차체, 샤시(chassis)계의 상호 연관성과 진동 특성 파악 및 개선에 관한 것이다. 스택은 수소 의 산화반응을 이용하여 전력을 생산하는 연료전지 차량의 구성부품이다. 스택은 외부의 충격이나 진 동으로부터 보호하기 위해 부쉬(Bush)로 차체나 샤 시에 체결되어 주행시 노면가진에 의한 충격, 진동 을 절연시킨다. 그러나 차체 및 샤시 또는 스택 자체 의 공진에 의해 스택의 진동이 증대 될 수 있다. 이 러한 경우 스택의 성능저하를 유발하거나 스택자체 가 음향 방사체가 되어 저주파 소음을 발생시킬 수 있으며,6) 차체의 진동을 증폭시켜 승차감 저하를 유 발하기도 한다.7) 그러므로 기존 내연기관에서는 존 재하진 않았던 스택으로 인한 연료전지 차량의 NVH 특성 변화를 미리 예측하여 대응하는 것이 필 요할 것으로 보인다. 따라서 연료전지 차량개발 과 정에서 스택의 진동을 증폭시킬 수 있는 차체 및 샤
연료전지 차량 주행시 스택의 진동 특성 연구
시계 공진모드 등을 CAE(Computer Aided Enginee- ring) 해석을 통하여 분석하였다. 또한 주행시험을 통해 노면 가진 하중을 측정하여 차량 주행시 스택 의 진동을 증대시키는 주요 공진 모드를 파악하고 개선방법에 대해 모색해 보았다.
2. 연료전지 차량 스택 진동 기여도 분석 연료전지 차량의 스택의 진동 특성을 살펴보기 위해 CAE해석을 통하여 휠(wheel)에서 스택으로의 진동 전달 경로를 분석해 보았다. 또한 특수로 주행 시험을 통해 연료전지 차량의 휠하중을 측정하여 노면가진 특성을 파악하였다. 위와 같이 CAE 해석 및 시험을 통해 분석된 결과를 바탕으로 연료전지 차량 주행 시 스택의 진동특성을 파악해 보았다.8)
2.1 휠에서 스택 진동전달 경로 분석 연료전지 차량 주행시 노면가진에 대한 스택의 진동 경로를 파악하기 위해 CAE 해석을 수행하여 휠가진에 대한 스택의 진동특성을 분석해 보았다.
연료전지 차량 주행시 휠에서 스택까지의 전달 경로를 분석하기 위하여 FRF(Frquency Response Function) 해석을 수행하였다. 연료전지 차량을 Fig. 1 과 같이 FE 모델링(Finite Element Modeling) 하였다.
차량 현가계 샤시 및 프레임(Frame)은 FE 모델링 하 였고 차체는 질량 및 관성 모멘트를 고려한 강체 (Rigid Body)로 구성하였다. 해석 프로그램은 상용 코드인 MD Nastran Sol. 111(Modal Frequency Re- sponse Function) 을 사용하였다. 경계조건은 왼쪽 전 /후륜에 수직 방향의 단위 가진을 주고 스택 마운트 부에서의 가속도를 해석해 보았다.
Fig. 1 Finite element model of the fuel cell vehicle for NVH analysis
Fig. 2 Boundary condition for CAE analysis
Fig. 3 Vertical acceleration at stack mount when front/rear LH wheel is excited by unit force
해석된 결과는 Fig. 3과 같다. 주요 첨두치(peak)에 서의 FRF 거동을 분석하여 프레임 공진 및 CTBA (Coupled Torsion Beam Axle)같은 현가계 공진, 스택 자체의 공진으로 진폭이 증대되는 것을 파악하였다.
2.2 차량 주행시 노면가진 특성 분석 연료전지 차량 주행시 노면 가진 하중을 측정하
Hyungjun Ju․GiHoon Kim․Jaeyong Park
기 위해 연료전지 차량의 개발의 기본 모델이 된 카 렌스 차량을 수정하였다. 설계 무게(design weight) 에 맞춰 연료전지 차량과 전/후륜 무게 배분을 맞추 어 차량을 구성하였다.
험로 주행시 휠 가진 하중을 파악하기 위해 연료 전지 차량의 4바퀴에 휠 하중 측정장치(Wheel Force Transducer)을 장착하고 노면 가진 효과가 큰 벨지안 로, 자갈밭로, 단차로에 대하여 50 km, 30 km, 60 km 의 조건으로 자동차부품연구원 P.G.(Proving Ground) 를 주행시험하였다.
차량의 왼쪽 전/후륜의 수직 방향 하중의 시간에 대한 주파수 특성은 Fig. 4와 같다.
다음의 3종의 특수로 주행에 대한 휠 가진 하중을 평균내어 험로 주행시 휠 가진 하중에 대한 정의를 하였다. 정의된 험로의 가진 특성은 Fig. 5와 같다.
험로에서의 휠 하중은 30 Hz 이하의 하중이 주요하 며 휠 공진으로 인한 12 Hz 근처에서의 하중 증대가
Photo. 1 Attaching the wheel force transducer to the vehicle which is equivalent weight to fuel cell vehicle
Photo. 2 Driving test to obtain road excitation force at prov- ing ground
Fig. 4 Analysis of road excitation force
Fig. 5 Estimated extreme road excitation force at front/rear LH wheel
전후륜 모두에서 나타나는 것을 볼 수 있다. 차량 무게 배분의 차이로 전륜의 하중이 큰 것을 볼 수 있다.
험로 휠 가진 하중에 대한 스택의 가속도는 Fig. 6 과 같이 분석 되었다. 스택의 진동증폭을 유발하는 주요 공진 모드는 프레임 굽힘 모드 12.7 Hz, 프레임 비틀림 모드 20.3 Hz, 프레임과 스택의 피치 모드 29.9 Hz 으로 분석되었다. 따라서 스택의 진동 증폭 에는 스택의 자체 모드 뿐 아니라 샤시계의 공진도 스택의 진동 증폭을 유발시키며 노면가진의 주요 주파수인 0~30 Hz 대역의 공진 모드들이 문제가 되 는 것을 알 수 있다.
A Study on the Vibratory Characteristics of the Stack in Fuel Cell Vehicle at Driving Condition
Fig. 6 Vertical acceleration at stack mount when front/rear LH wheel is excited by extreme road force
3. 연료전지 차량 스택 진동 개선 연구 앞에서 분석한 스택의 진동특성을 바탕으로 연료 전지 차량 스택 진동을 개선하기 위한 경우 연구 (Case Study)를 하였다. 설계 변경이 비교적 자유로 운 스택 마운트 부쉬의 강성 변화와 차량 특정 주파 수 공진을 개선하기 위해 사용하는 다이나믹 댐퍼 (Dynamic Damper) 부착에 대한 경우를 비교 분석하 였다.9) 각 경우 별 설명은 다음과 같다.
Case 1 : Stack Bush Stiffness 0.444 배 감소 Case 2 : Stack Bush Stiffness 1.778 배 증대 Case 3 : Stack 각 마운트에 무게 3.75 kg,
흡진 주파수 13 Hz Dynamic Damper 장착 Case 4 : Stack 각 마운트에 무게 3.75 kg,
흡진 주파수 20 Hz Dynamic Damper 장착
(a) Frame bending mode (12.7 Hz)
(b) Frame torsion mode (20.3 Hz)
(c) Frame & Stack pitch mode (29.9 Hz)
Fig. 7 Dominant resonance mode which amplified the vib- ration of stack
Case 5 : Stack 각 마운트에 무게 3.75 kg,
흡진 주파수 30 Hz Dynamic Damper 장착
Case 1,2는 부쉬의 강성을 감소, 증대시킨 경우이 고 Case 3,4,5는 스택 무게의 10% 정도의 다이나믹 댐퍼를 각 마운트 부쉬에 장착한 경우이다. 여기서, 다이나믹 댐퍼란 특정 주파수의 공진을 가지는 주 요 물체의 진동을 제어하기 위해 부가적으로 질량 을 강성체로 연결하여 반대의 위상으로 공진하게 만들어 힘을 상쇄시키는 장치이다. 기본 이론은 다 음과 같다. Fig. 8과 같이 스택의 질량을
이라고 하 고 다이나믹 댐퍼의 질량을
라고 하고 운동 방정 식을 세워보면 다음과 같은 수식이 성립하며,주형준․김기훈․박재용
Fig. 8 Dynamic damper model
sin
스택의 거동
와 다이나믹 댐퍼의 거동
를
sin
,
sin
이라고 가정하면 다음과 같은 수식을 전개시킬 수 있다.
sin
sin
∴
따라서 스택의 진폭, 의 변위를 0으로 만드는 주파수는
이다. 이 주파수에서 스택에의 진동은 0으로 만들고 다이나믹 댐퍼가 떠는 현상이 발생한다. 즉 다이나믹 댐퍼는 반대의 위상으로 공 진을 일으켜 스택의 걸리는 힘은 평형으로 만들고 다이나믹 댐퍼는 공진을 일으키는 원리이다.가장 민감한 스택의 왼쪽 앞 마운트 부위의 가속 도를 경우에 따라 비교하면 Fig. 9와 같다. 그림과 같 이 스택의 부쉬 강성을 감소시킨의 경우(Case 1) 주 요 공진 모드의 공진 주파수가 낮아지며 전체적으 로 진폭이 증대되고, 부쉬 강성을 증대시킨의 경우 (Case 2) 주요 공진 모드의 공진 주파수가 높아지며 전반적 진폭은 감소됨을 볼 수 있다. 또한 각 주요 공진주파수에서의 다이나믹 댐퍼 장착의 경우(Case 3-5) 각 흡진 주파수의 공진을 제어하며 다이나믹
(a) LH Front Wheel
노면 가진시 각Case
별LH Front Stack
마운트 수직 방향 가속도 비교(b) LH Rear Wheel
노면 가진시 각Case
별LH Front Stack
마운트 수직 방향 가속도 비교 Fig. 9 Comparison of vertical acceleration at front LH stackmount for each case
Table 1 Ratio of vertical acceleration power spectrum at the front LH mount of stack compared with base model for each case
Stack's front LH mount Acce. power / LH front wheel
excitation
Stack's front LH mount Acce. power/
LH rear wheel excitation
Case 1 14.21 % 17.60 %
Case 2 -9.58 % -4.59 %
Case 3 -7.20 % -14.14 %
Case 4 -23.07 % -13.75 %
Case 5 -6.04 % -8.92 %
댐퍼의 추가로 인한 새로운 공진 모드도 발생하는 것으로 파악되었다.
해석된 가속도 파워 스펙트럼(Power Spectrum) 값을 주파수 범위 1~50 Hz에서 평균내어 기본 모델
연료전지 차량 주행시 스택의 진동 특성 연구
(Base Model)대비 가속도 파워 스펙트럼(Power Spec- trum)의 변화율을 구해보면 Table 1과 같다. 경우 4(Case 4), 프레임의 비틀림 공진으로 인해 스택의 진동이 증대될 때 다이나믹 댐퍼의 장착으로 스택 의 진동을 상쇄 시키는 경우가 가장 효율적으로 스 택의 진동을 감소시키는 것으로 분석되었다.
4. 결 론
1) 연료전지 차량의 스택과 프레임 구조의 공진으 로 인한 저주파 소음, 승차감 저하를 유발할 수 있으므로 선행적으로 스택과 샤시계의 상호 연 관성과 진동특성 파악 및 개선에 대한 연구를 수 행하였다.
2) 휠에서 스택까지의 전달함수 해석을 통하여 스 택의 진동을 증대시킬 수 있는 주요 공진 모드 를 파악 하여 연료전지 차량의 진동 전달 경로를 분 석하였다.
3) 연료전지 차량의 무게에 맞춰 차량을 구성하고 특수로 주행시험을 수행하여 험로 주행시 노면 가진 하중을 분석 하였다.
4) 차량 주행시 노면 가진에 의한 스택의 진동특성 분석하여 스택 자체의 공진 뿐 아니라 샤시계와 연계된 공진에 의해 스택의 진동이 증대될 수 있 는 것으로 파악 되었다.
5) 연료전지 차량의 스택의 진동 감소를 위한 개선 점 모색 및 다이나믹 댐퍼 장착을 통한 진동 개선 안을 제안하였다.
References
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