1
현대자동차,
2현대모비스
The Study of the Design and Control for
the Hydrogen Recirculation Blower Noise and Vibration Reduction
HO JUNE BAE
1†, HYEON SEOK BAN
1, YONG GYU NOH
1, SEOK YEONG JANG
2, HYUN JOON LEE
1, CHI MYUNG KIM
1, YONG SUN PARK
11
Hyundai Motors Company,
2Hyundai Mobis
Abstract >> At the fuel processing system (FPS) of fuel cell vehicle, hydrogen recirculation blower (HRB) is used for the recirculation of remained hydrogen after reaction. In this paper, noise and vibration improvement of HRB is studied by changing design and control. It is checked the campbell diagram and critical speed for stability of rotor, and housing stiffness is improved using simulation of frequency response function (FRF). A method is suggested that can decrease the unbalance amount of the rotor and impeller which main source of noise and vibration. In order to reduce the noise during deceleration of blower, electrical braking is applied and tested the risk impact of durability. Founded the optimum switching frequency of the motor control, and reduced the idle rpm by increasing of aerodynamic performance. The superiority of paper is proved by measurement of the improved product's noise and vibration.
Key words : Hydrogen Recirculation Blower(수소 재순환 블로어), Noise and Vibration(소음 진동), Campbell Diagram(캠벨 다이어그램), Critical Speed(임계속도), FRF(주파수 응답 함수), Balancing(밸런싱), Braking(제동), Switching Frequency(스위칭 주파수), Idle rpm(아이들 회전수)
†Corresponding author : [email protected]
[ 접수일 : 2014.07.23 수정일 : 2014.10.08 게재확정일 : 2014.10.31 ] Copyright ⓒ 2014 KHNES
1. 서 론
최근 자동차 소비자들의 연비 및 환경에 대한 관 심이 증대하면서 내연기관 자동차를 대체할 연료 효 율이 높고, 친환경적인 자동차의 개발이 요구되고 있 다. 이러한 요구를 충족시키기 위한 방안의 하나로
연료전지 자동차가 연구되고 있다 . 연료전지 자동차 는 수소를 원료로 사용하여 스택에서 전기 화학 반 응을 통해 화학 에너지를 전기 에너지로 변환시키고 , 모터를 통해 전기 에너지를 운동 에너지로 변환시켜 차량을 구동시키는 방식으로 , 연비가 좋고 부산물이 물 뿐인 고효율, 친환경 자동차이다.
1,2)연료전지 자동차의 스택은 내부의 MEA(Membrane
Electrode Assembly)에서 전기 화학 반응을 통해 전
기를 생산하는 부품으로 , 반응에 필요한 수소와 공기
Fig. 1 Fuelcell system and hydrogen recirculation blower
Fig. 2 Rotor assembly
Fig. 3 Campbell diagram
는 분리판의 유로를 통해 각각의 MEA로 공급된다.
이때, 전기 화학 반응에 필요로 하는 양 만큼의 수소 만을 공급하면 유로의 끝 부분에서는 연료 부족 현 상이 발생하게 된다. 이를 방지하기 위해 연료인 수 소를 과잉 공급하고 있으며 , 반응 후 남은 고온 다습 한 수소는 재순환시킴으로 연료의 낭비를 감소시키 고, 전기 화학 반응에 필요한 수분을 공급하고 있다.
재순환을 위한 부품으로 수소 이젝터와 수소 재순환 블로어가 사용되고 있다 . 그 중 수소 재순환 블로어 는 모터와 임펠러의 회전 운동에 의해 잉여의 수소 를 재순환시키는 부품으로 , 특히 차량 시스템의 저전 류 구간에서 재순환에 큰 역할을 한다(Fig. 1).
연료전지 자동차는 일반 내연기관 자동차의 주된 소음발생원인 엔진이 없으므로, 차량의 구동을 위해 작동하는 각 부품 , 특히 지속적으로 소음이 발생되는 회전 부품들의 소음 진동에 대하여 일반 차량 대비 더 엄격한 품질이 요구된다 . 본 논문은 연료전지 자 동차의 소음 발생원 중 하나인 수소 재순환 블로어 의 소음 진동 저감을 위해 해석 , 설계, 제어에 대하여 연구하였다.
2. 해석을 통한 소음 진동 개선
2.1 로터 다이나믹스 해석
선회 모드는 로터의 회전에 의해 지지구조물에 대 하여 로터가 상대적으로 원이나 타원의 거동을 나타
내는 현상으로 , 선회 주파수와 로터의 회전수가 일치 하게 되면 로터가 불안정한 거동을 하게 되며 그에 따라 소음 , 진동이 증가하게 된다. 그렇기에 일반적 으로 해석을 통해 선회 주파수와 로터의 회전수가 일치하는 지점인 임계 속도를 확인하여 작동영역 내 임계 속도가 있을 경우 설계 변경을 통해 임계 속도 의 위치 변경 혹은 그 영향을 감소시켜야 한다 . 본 논 문에서는 Fig. 2 와 같은 형상의 로터 어셈블리를 사 용하여 해석을 진행하였다 .
3)해석 결과는 Fig. 3에 Campbell diagram을 통해 나
타내었다 . 수소 재순환 블로어의 실제 사용 회전수를
그래프의 붉은색 사각형으로 나타내었으며 , 임계 속
도를 붉은색 점으로 나타내었다 . Fig. 3에서 볼 수 있
듯이 현 설계에서 임계 속도는 정격 회전수(8krpm ~
22krpm)를 벗어나 있음을 확인할 수 있었다.
Fig. 4 Element strain energy distribution
Fig. 5 Comparison of mode shape - before/after rigidity reinforcement
Fig. 6 Comparison of FRF Fig. 7 Assembly structure improvement
음을 볼 수 있었다 . 공진 주파수를 상승시키고자 케 이스의 바닥 플레이트의 두께 보강 및 리브 추가를 통해 강성을 증가시켰으며(Fig. 5), 그 결과 1차 모드 를 340Hz 까지 증가시킬 수 있었다(Fig. 6). 아직 정 격 회전수 이내의 범위지만 , 운전량이 많지 않은 부 분으로 이에 대하여 공진 내구 시험을 통해 문제 유 무를 판단하였으며 , 시험 후에도 크랙, 기밀 파괴, 소 음 진동 증가 등의 문제점이 발생하지 않음을 확인 하였다 .
3. 밸런싱 개선을 통한 소음 진동 개선
밸런싱이란 로터의 무게 균형을 맞춤으로써 회전 시 축의 직각방향으로 발생되는 진동량을 감소시키 는 작업으로 , 기존 구조는 로터의 밸런싱 후 제품의 조립 시 임펠러와 로터의 분해 /조립이 불가피하였다.
밸런스를 맞춘 이후의 분해 및 재조립은 로터의 언
밸런스량을 늘리는 원인이 되며 , 언밸런스량의 증가
시 1X(회전 1 배수) 진동을 증가시킨다. 이 연구에
사용된 로터 어셈블리는 언밸런스 질량을 규정하는
국제 규격 ISO-1940에서 제시하는 밸런싱 등급 G1.0
으로 밸런싱하였으며 , 분해/조립 후에는 G2.5 수준으
로 언밸런스량이 증가하는 것을 확인하였다 . 이를 개
Fig. 8 Vibration Colormap - before/after assembly structure improvement
Table 1 Vibration measurements - before/after balancing improvement
Before balancing improvement (g)
After balancing improvement (g)
Axial Radial Axial Radial
1.0 0.562 0.338
(66.2% ↓)
0.351 (37.5% ↓)
Fig. 9 Test result of breaking application review
Fig. 10 Noise measurements - before/after Braking
선하기 위해 Fig. 7 과 같이 조립 구조를 개선함으로 써 제품 조립 시 임펠러와 로터의 분해/조립 과정을 삭제하였다 . 조립 구조 개선에 따른 진동량의 감소는 Fig. 8 및 Table 1에 나타내었다. 밸런싱 개선 후 진 동치는 axial 방향 66.2%, radial 방향 37.5% 감소하 는 것을 확인할 수 있으며, 제품 편차에 따라 감소량 에 차이가 있을 수는 있으나, 큰 폭으로 개선된 것을 확인할 수 있었다.
4. 제어 개선을 통한 소음 진동 개선
4.1 전기적 감속 적용
연료전지 시스템의 특성상 차량 셧다운 시 마지막 단계에서 수소 재순환 블로어의 작동을 중지시키며, 자연 감속에 의해 정지를 시킬 경우 약 19초 정도의 시간이 소요되며, 그 시간 동안 소음이 발생된다. 이 를 개선하기 위해 차량 셧다운 시 작동 방향의 반대 방향으로 모터 내 3상에 전력을 공급하여 전기적 감 속을 적용하였다 . 과도한 감속 적용 시 진동 증가로 인한 소음 증가의 우려가 있기에 , 정지 소요 시간 별 진동 측정을 통해 적정 시간을 선정하였다 . Fig. 9는
수소 재순환 블로어 단품으로 시험한 정지 소요 시 간 별 진동량을 나타낸 그래프로 , 진동량이 증가하지 않는 가장 짧은 시간인 2.8초의 제어 방법을 선정하 였다. 감속 적용 후 소음 측정 데이터는 Fig. 10에서 볼 수 있듯이 차량에 동일한 제어 적용 시 정지까지 3.8초 소요됨을 확인하였다.
4.2 스위칭 주파수 변경
수소 재순환 블로어는 듀티 제어를 통해 작동을
시킨다 . 듀티 제어 시 일정한 스위칭 주파수에 따라
전력을 제어하는데 , 스위칭 주파수에 따라서 소음,
진동의 양상이 변하게 된다 . 본 논문에서는 소음, 진
동 측면에서 수소 재순환 블로어의 최적 스위칭 주
파수를 검토하였으며 , 스위칭 주파수 변경에 따른 진
동 측정치를 Fig. 11에 나타내었다. 진동 측정 결과
10kHz 이하의 주파수 영역은 스위칭 주파수 변경에
따른 차이가 적었으나, 10kHz 이상의 주파수 영역에
Fig. 11 Vibration change by switching frequency
Fig. 12 Noise change by the idle rpm
Fig. 13 Improvement of flow direction
Fig. 14 Aerodynamic performance change
서는 진동 피크 수 및 피크 크기가 다른 것을 확인할 수 있었으며 , 17kHz가 가장 나은 것을 확인할 수 있 었다.
4.3 기본 작동 회전수 변경
수소 재순환 블로어는 차량 정차 시에도 연료전지 시스템의 특성상 지속적인 작동을 요한다. 회전체의 소음은 일반적으로 작동 회전수의 증가에 따라 소음 이 증가하게 되므로, 소음 진동 측면에서 차량 정차 시 기본 작동 회전수가 낮을수록 좋으나, 연료전지 시스템에서 요구하는 재순환량이 있기 때문에 작동 회전수를 낮추는 것은 쉽지 않다 . 본 논문에서는 소 음 진동 및 연료전지 시스템 측면에서의 적정 rpm 및 rpm 저감 방법을 검토하였다. 소음 진동 측면에서 의 적정 idle rpm을 확인하고자 5krpm부터 10krpm 까지 500rpm단위로 회전수를 증가시키며 소음을 측 정하였다 . 그 결과 Fig. 12에서 볼 수 있듯이 8krpm 에서 가장 나은 결과를 볼 수 있었다 . 시스템 측면에 서 8krpm으로 변경된다는 것은 시스템에서 필요로 하는 재순환량을 만족시키지 못한다는 것을 의미한 다. 이를 개선하기 위해 수소 재순환 블로어 입/출구 유동 방향의 개선을 진행하였으며(Fig. 13), 그 결과 9krpm 작동 시 기존 10krpm과 동등한 공력성능을 나타냄을 확인하였다 (Fig. 14). 소음 진동 측면에서 의 최적 회전수인 8krpm을 맞추기 위해 차량 출력
별 회전수 제어 방안을 변경하였다 . 시스템에서 요구 하는 것은 최저 재순환량을 맞추는 것으로 , 기존보다 rpm 변곡 위치를 저출력 구간으로 변경함으로써 최 저 재순환량을 일치시킬 수 있었다. 차량 출력 별 작 동 회전수 제어 변경에 대하여 Fig. 15에 나타내었고, 그에 따른 재순환량 변화를 Fig. 16에 나타내었다.
Fig. 16의 세로축은 연료전지 시스템의 S.R.로 재순
환량을 나타내주는 수치이다 .
Fig. 17 Noise at the drivers position
Fig. 18 Noise at the outside Fig. 15 Change the rpm control by vihicle output
Fig. 16 S.R. comparison by changing the aerodynamic performance and control
5. 개선 결과
앞선 시험들은 개선 전 /후에 대하여 단품 수준에 서 결과를 본 자료들도 있으나, 차량용 부품은 결국 차량에 적용 시 얼마만큼의 개선이 이루어질 수 있 는지가 중요하다. 수소 재순환 블로어의 소음 진동 개선을 위해 해석 , 구조 보강, 밸런싱 개선, 제어 개 선 등이 진행되었고, 차량에서 비교 측정 시 Fig. 17, Fig. 18과 같이 소음이 개선됨을 확인할 수 있었다.
두 데이터는 차량에서 수소 재순환 블로어만의 소음 을 확인하기 위해 차량 내 다른 부품은 정지한 상태 에서 수소 재순환 블로어만 작동을 하였을 때의 소 음이다 . 그 결과 실내 운전석 헤드레스트부에서의 소 음은 44dBA에서 23dBA로 21dBA 감소되었고, 외부 1m 거리에서의 소음은 52dBA에서 40dBA로 12dBA
감소된 것을 확인할 수 있었다 . 실내 및 외부 소음의
감소 정도가 다른 것은 칼라맵 그림에서 나타나듯이
실내의 경우 기본적으로 다른 부품들로 인해 1X(회
전 1배수) 주파수 외의 소음이 많이 차단되는 경향을
보이므로 , 실내는 1X(회전 1배수)가 가장 큰 소음 발
생원인이며 , 밸런싱 및 기본 작동 회전수의 변경으로
을 위해 해석, 설계, 제어 등의 다양한 측면을 검토하 였으며 하기와 같은 결론을 도출하였다.
1) 로터 다이나믹스 해석을 통해 현 설계의 임계속도 는 작동 회전수 외에 있음을 확인하였다.
2) 구조적 진동 특성 분석을 통해 하우징의 고유 진 동수를 확인하였다. 하부 지지부가 구조적으로 취 약함을 확인하고, 보강을 통해 1차 고유 진동수를 상승시켰으며 , 1차 고유 진동수가 작동 회전수 이 내에 있으나 진동 내구시험을 통해 안전함을 확인 하였다 .
3) 조립 구조 개선을 통한 밸런싱 개선으로 밸런싱 등급을 G2.5에서 G1.0으로 개선할 수 있었다.
4) 전기적 감속 적용을 통해 차량 셧다운 시 소음 발 생 시간을 19초에서 3.8초로 감소시켰다.
5) 소음 진동 측면에서 최적의 스위칭 주파수를 확인 하였으며 , 10kHz에서 17kHz로 변경하였다.
6) 유동 방향 개선을 통한 공력성능 향상 및 차량 출 력 별 회전수 제어의 변경으로 기본 작동 회전수
References
