Rensselaer Formula Hybrid 팀을 위한 배터리 충전

응용 분야

Rensselaer Formula Hybrid 팀은 Rensselaer Polytechnic Institute에서 운영되고 후원받는 학생 주도 엔지니어링 팀입니다. 국제 Formula Hybrid 대학생 대회에 매년 참가하는 RPI Formula Hybrid는 고성능 하이브리드 경주용 차량을 설계, 제작 및 경주하는 것을 목표로 합니다. 현재 도로에서 볼 수 있는 많은 상용 하이브리드 차량과 달리, 당사 차량의 설계는 레이싱 환경에서 동적 차량 성능을 극대화하기 위해 기존 내연기관과 병렬로 고전압 전기 모터를 활용합니다. 당사의 하이브리드 차량은 외관상 Formula SAE 자동차와 유사하지만, 구동계, 배터리 및 안전 시스템에서 광범위한 추가 설계가 필요합니다. 복잡한 기계, 전기 및 컴퓨터 시스템의 통합이라는 도전이 대부분의 팀원들을 이끄는 요소입니다. 저희는 이러한 엔지니어링 과제가 젊은 엔지니어, 프로젝트 매니저 및 관련 전공자들이 실제 프로젝트의 학제적 특성에 대비할 수 있는 최고의 방법 중 하나라고 믿습니다.

최근 차량의 반복 설계에는 많은 공통점이 있었습니다. 차량은 자체 설계 및 용접된 4130 크로몰리 합금 중공 강철 섀시를 사용합니다. 섀시에 긴밀하게 통합된 것은 더블 컨트롤 암 독립 서스펜션 시스템입니다. 벨크랭크, 풀로드 및 쇼크업소버의 기계적 링키지를 통해 서스펜션 트래블의 프로파일을 정밀하게 제어할 수 있습니다. Kawasaki Ninja 250r의 엔진과 AGNI 95r 브러시드 DC 전기 모터가 체인을 통해 후방 디퍼렌셜 스프로킷에 병렬로 연결됩니다. 중량 최소화와 무게중심 고려는 차량 성능에 대한 부정적 영향을 최소화하는 데 매우 중요합니다. 이를 염두에 두고, 고전압 배터리 시스템(또는 전기 축전지)의 세심한 통합은 전체 차량 설계의 핵심 요소가 됩니다. 당사의 축전지는 차량의 가장 낮고 중심적인 지점인 콕핏 방화벽 아래에 위치합니다. 440개의 고방전 18650 리튬이온 셀로 구성되고 팀이 설계한 축전지 관리 시스템 컴퓨터로 모니터링되는 축전지는 차량에서 가장 복잡한 시스템 중 하나입니다. 축전지에서 고전류 전선 도관이 후방에 장착된 모터 컨트롤러로 이어지며, 이 컨트롤러가 전기 모터에 직접 전력을 공급합니다. 차량 전체의 여러 위치에 있는 모니터링 센서를 통해 PLC가 차량 기능에 대한 최상위 제어 로직을 구현합니다.

더 많은 전력이 필요합니다!

팀이 맞춤 제작한 배터리 팩을 사용하는 반면, 과거의 충전 솔루션은 다양한 상용 제품들로 구성되어 있었습니다. 이 충전 솔루션은 최적과는 거리가 멀었습니다. 이전 충전기는 80 Vdc를 달성하기 위해 직렬로 연결된 두 대의 고정 DC 전압 전원공급장치로 구성되어 있었습니다. 각 전원공급장치가 항상 40 Vdc를 출력했기 때문에 충전 전류나 전압을 제어할 좋은 방법이 없었습니다. 또한 규정을 준수하기 위해 전원공급장치가 배터리를 충전할 때 전환하는 복잡한 시스템을 만들어야 했습니다. 배터리의 충전 상태를 모니터링하기 위해 휴대용 멀티미터를 사용하여 전압과 전류를 측정했습니다. 이를 통해 축전지에서 충전기로의 피드백이 없었기 때문에 충전을 중단할 시점을 대략적으로 파악할 수 있었습니다. 전원공급장치는 랙 마운트도 불가능하여 대회 운송을 용이하게 하기 위해 맞춤 케이스를 제작해야 했습니다. 이러한 단점에도 불구하고, 이 시스템은 수년간 만족스러웠습니다. 2013년 대회에서 원인 불명의 문제로 전원공급장치가 폭발하면서 상황이 바뀌었습니다. 이 사건으로 인해 당사의 응용 분야 요구를 더 잘 충족하는 새로운 전원공급장치를 찾게 되었습니다. 쉽게 운송하고 장착할 수 있는 제품이 필요했습니다. 또한 인터페이스가 쉽고 기존 시스템에 통합하는 데 최소한의 번거로움이 있어야 했습니다.

차세대 솔루션

다행히 Magna-Power Electronics가 SL Series 프로그래머블 전원공급장치를 기증하여 구원해 주었습니다. SL Series는 저희가 찾던 바로 그 제품이었습니다. 1.5 kW 장치는 유니버설 입력을 지원하므로 220 Vac를 찾을 걱정 없이 트랙이나 작업장에서 충전기를 운용할 수 있습니다. 또한 기성품 PLC 장치와의 통합이 매우 직관적이라는 것을 알게 되었습니다. 이를 통해 리튬이온 셀이 안전한 충전을 위해 특수한 충전 곡선을 필요로 하기 때문에 더 복잡한 충전 프로파일을 사용할 수 있습니다(그림 1의 예시 참조). 이전 충전기에서는 전원공급장치가 출력하는 전류나 전압을 제어할 수 없었기 때문에 이것이 불가능했습니다. 새로운 설정에서는 셀을 충전하는 전류와 포화 전압을 미세하게 조정할 수 있습니다.

통합에 대한 질문이 있을 때 Magna-Power 지원도 훌륭했습니다. 대회에서 교정 인증서가 필요했을 때, Magna-Power 지원팀에 전화하자 10분 이내에 전달해 주었습니다. 마찬가지로, 이제 PLC로 전원공급장치를 제어하기 때문에 충전기가 차량에 실제로 충전이 필요한지, 충전이 안전한지에 대한 정보를 질의할 수 있습니다. 또한 배터리 온도가 상승하기 시작하면 충전 전류를 낮추어 안전성과 셀의 수명을 향상시킵니다. 가장 중요한 것은 축전지와 충전기가 지속적으로 통신하기 때문에 사용자 입력 없이 자동으로 충전 작업을 중단할 수 있다는 것입니다. 이를 통해 팀원들은 다른 중요한 작업에 집중할 수 있습니다. 전원공급장치의 랙 마운트 기능은 모든 장비가 랙 안에 수납되어 운송을 훨씬 더 쉽고 안정적으로 만들어 주었습니다.

결론

팀은 Magna-Power SL 전원공급장치로 전환하여 큰 혜택을 받았습니다. 무엇보다도, 이전 충전 솔루션이 얼마나 부적절했는지 깨닫게 해주었고, 프로그래머블 전원공급장치가 가져올 수 있는 새로운 가능성을 보여주었습니다. 새로운 전원공급장치에 통합된 기능 덕분에 이제 전체 차량이 지능형 충전과 실시간 통신의 장점을 누릴 수 있습니다. 또한 안전성과 신뢰성이 향상되었습니다. 가장 중요한 것은 완전히 새로운 충전 솔루션에 투자하지 않고도 충전 기능을 확장할 수 있는 유연성이 있다는 것을 알고 있기에, 향후에도 지속적으로 요구를 충족할 수 있다는 확신을 가지고 있습니다.

Kyle Pollard는 Rensselaer Polytechnic Institute의 기계공학과 4학년 학생입니다. 지난 3년간 Formula Hybrid 팀의 수석 엔지니어 역할을 맡고 있습니다. 그의 관심 분야는 배터리 시스템 설계와 메카트로닉스입니다.

Szymon Morawski는 Rensselaer Polytechnic Institute의 컴퓨터 시스템 전공 4학년 학생입니다. 지난 4년간 Formula Hybrid 팀에 참여해 왔습니다. Szymon은 Magna-Power에서 여러 차례 엔지니어링 인턴십을 수행했으며, 졸업 후에도 임베디드 시스템 프로그래밍 분야에서 계속 활동하기를 기대하고 있습니다.