2.1 파워트레인 시스템

55kW급 전기트랙터는 고전압 배터리, 고전압 전장부품, 저전압 직류 변환장치 및 전장부품으로 구성되며 그림 1에 전기적 에너지 흐름과 기계적 에너지 흐름을 구분하여 나타내었다.

그림 1. 55kW급 전기트랙터 시스템 구성 및 에너지 흐름도

Fig. 1. System configuration and energy flow of electric tractor

전기트랙터는 전기자동차와 달리 구동 모터 외에 PTO 모터가 추가로 탑재되며 이는 트랙터 후단에 장착되는 작업기에 토크를 제공하기 위한 목적이다. 전기트랙터의 동력 전달 시스템은 그림 2에 나타낸 것과 같이 복합 유성기어를 통해 구동 모터와 PTO 모터의 동력을 결합하거나 분기시키는 것이 가능하다^[4]. 결과적으로 주행 또는 Plow 작업과 같이 견인력만이 필요한 경우 구동 모터 및 PTO 모터의 동력을 결합하여 구동되고 Rotary 작업과 같이 작업기에 동력이 필요한 경우 구동 모터와 PTO 모터가 독립적으로 구동될 수 있도록 동력이 분기된다. 결과적으로 견인력만 필요한 작업의 경우 복합 유성기어를 통해 필요한 동력을 각 모터가 분담할 수 있어 효율적인 운전이 가능하다.

그림 2. 농작업에 따른 동력 분배 및 결합 흐름도

Fig. 2. Power distribution and coupling flow for agricultural operation

또한, 전기트랙터의 주요 전장부품을 구현하기 위하여 고전압 및 저전압 전장부품을 해석 모델에 구성하였다. 고전압 전장부품은 고전압 배터리의 전원을 직접적으로 사용하는 라디에이터 팬과 PTC 히터로 구성되며, 저전압 전장부품은 LDC를 통해 저전압 전원을 공급받고 팽창 밸브, 워터 펌프, 3-way 밸브, 압축기 등으로 구성하였다. 전기트랙터에 탑재된 파워트레인 전장부품과 차량 제원은 표 1에 나타내었다.

2.2 고전압 배터리

55kW급 전기트랙터의 배터리는 높은 에너지 밀도의 장점을 갖는 리튬이온전지를 사용한다. 리튬이온전지는 방전 과정에서 리튬이온이 음극에서 양극으로 이동하는 전지이다. 리튬이온전지로 구성된 배터리의 기본 모델은 전압원와 전류입력에 대한 순간적인 전압 응답을 모사하기 위한 내부저항으로 구성되며 배터리 모델의 셀 전압은 식 (1)을 통해 계산된다.

여기에서 $U_{ocv}$는 개방회로전압, $I_{cell}$은 충전 및 방전 전류, $R_{ohmic}$은 직렬내부저항, $n$은 RC 네트워크 개수, $Q_k$는 커패시터 전하량, $C_k$는 RC 네트워크의 커패시턴스이다.

2.3 구동 및 PTO 모터

파워트레인 시스템의 동력 발생 장치는 차량의 휠에 동력을 전달하기 위한 구동 모터와 작업기에 동력을 제공하기 위한 PTO 모터로 구성된다. 55kW급 전기트랙터의 구동 및 PTO 모터는 동일 사양의 매입형 영구자석 동기전동기가 적용된다. 해당 모터는 영구자석에 의한 마그네틱 토크와 릴럭턴스 토크를 활용하여 높은 출력 밀도 및 넓은 운전 영역을 확보할 수 있다. 구동 및 PTO 출력을 위해 적용된 모터의 효율맵은 그림 3에 나타내었으며, 인버터의 효율맵은 그림 4에 나타내었다.

그림 3. 구동 및 PTO 모터 효율맵

Fig. 3. Efficiency map for traction and PTO motor

그림 4. 구동 및 PTO 인버터 효율맵

Fig. 4. Efficiency map for traction and PTO motor drvie

2.4 전기트랙터의 전장부품

전기트랙터에는 구동 및 열관리 시스템을 위한 고전압 및 저전압 전장부품들이 구성된다. 특히, 작업기 히치 제어를 위한 유압부품과 열관리 시스템을 구성하고 있는 전장부품은 차량 제어나 열관리 시스템 제어기에 비해 전기적 에너지 소모가 크므로 파워트레인 시스템 모델에 반영이 필요하다. 따라서 유압 부품, 오일 펌프, 냉각수 펌프, 압축기를 표 2와 같이 전기트랙터의 주요 에너지 소모 부품으로 선정하고 해석 모델에 반영하였다.

3.1 배터리 열관리 시스템

전기트랙터의 배터리 열관리 시스템은 증기압축 냉각시스템을 적용하였다. 증기압축 냉각방식은 다른 냉각방식에 비해 소비전력 대비 높은 냉각 성능을 제공하며 부하 변동에 대한 응답 특성이 우수하다^[5]. 특히, 농용 트랙터의 경우 작업 부하 변동이 빈번하므로 즉각적인 열관리가 가능한 증기 압축 냉각방식이 적합하다.

해석모델은 그림 5와 같이 배터리 열관리를 위한 냉각수 루프와 배터리 발열 에너지의 흡수 및 방출을 위한 냉매 루프로 구성된다. 냉매 순환 루프는 압축기, 응축기, 팽창 밸브로 구성되며 증발기 및 칠러를 통해 냉매와 냉각수 간의 열교환 경로가 형성된다.

그림 5. 배터리 열관리 시스템 해석모델

Fig. 5. Analysis model for battery thermal management system

압축기는 응축기에서의 응축이 용이하도록 냉매 증기를 압축하여 압력과 온도를 높이는 역할을 하는 부품이다. 압축기의 등엔트로피 및 체적 효율 곡선은 그림 6와 같으며 각 효율은 식 (2)와 식 (3)을 통해 계산된다.

그림 6. 압축기 등엔트로피 및 체적 효율 곡선

Fig. 6. Isentropic and volumetric efficiency curves of compressor

압축기의 등엔트로피 효율 $n_{isen}$은 이론적 등엔트로피 변화량 $h_{isen}$과 실제 등엔트로피 변화량 $h_{actual}$에 의해 계산된다.

또한, 압축기의 체적효율 $n_{vol}$은 질량유량 $\dot{m}$, 행적체적 $V_{disp}$, 압축기 회전속도 $n$, 압축기 흡입부의 밀도 $\rho_{in}$에 의해 계산된다.

응축기는 압축기에 의해 고온, 고압으로 압축된 냉매 증기를 냉각 및 액화시키는 열교환기로서 냉동 사이클 내의 열을 외부로 방출하는 역할을 한다. 해석모델에서 응축기는 튜브 수가 13, 8, 7, 5로 배열되어 네 개의 라인으로 구성되었다.

최종 2상 열전달계수의 경우 단상 영역에서는 식 (4)의 Dittus-Boelter, 이상 영역에서는 식 (5)와 같이 Shah 상관식을 통해 계산된다^{[6, 7]}. 각 식에서 $Re$는 레이놀즈 수, $Pr$은 프란틀 수, $x$는 건도, $P/P_{cr}$은 대비압력을 나타낸다.

팽창 밸브는 개도량 제어를 통해 냉동 부하 변동에 대응하여 냉매 유량을 조절하고 증발기에서의 증발이 용이 하도록 냉매의 온도와 압력을 강하시킨다. 해석 모델에서는 팽창 밸브의 유량계수는 0.062 m³/h를 적용하여 냉매 유량을 제어하도록 구성하였으며 냉매 유량은 식 (6), (7)을 통해 계산된다.

증발기는 팽창 밸브에서 공급된 저온·저압의 냉매를 통해 배터리팩에 의해 가열된 냉각수로부터 열을 흡수하는 역할을 하는 부품이다. 해석모델에서의 증발기는 판형 열교환기로 구성하였으며 단상 영역에서는 Dittus-Boelter, 이상 영역에서는 Shah 상관식을 통해 증발 열전달계수를 계산하였다.

3.2 PE 열관리 시스템

PE 열관리 시스템은 라디에이터 냉각방식을 적용하였으며 유압 시스템의 열관리를 위한 오일 쿨러를 배치하였다. 그림 7과 같이 냉각수 루프와 오일 루프 구성되며 라디에이터 모듈, 오일쿨러, 3-way 밸브를 통해 전장품의 열관리를 수행한다. 또한 구동 모터와 PTO 모터를 병렬로 배치하여 주행 또는 농작업에 따라 효율적인 열관리가 가능하도록 구성하였다.

그림 7. PE 열관리 시스템 해석모델

Fig. 7. Analysis model for PE thermal management system

라디에이터는 냉각팬과 모듈화되어 외부 공기를 통해 가열된 냉각수의 열을 방출하는 열교환기이다. 해석모델의 라디에이터는 냉각 핀-튜브(fin-tube) 형식의 열교환기로 구성하여 적용하였다. 오일쿨러는 순환 오일의 열을 냉각수로 방출하여 유압시스템의 열관리를 수행하는 부품으로 해석모델에서는 판형 열교환기로 구성하여 시스템에 적용하였다.

라디에이터와 오일 쿨러에서의 대류 열전달은 식 (8)을 통해 계산되며 $F_{HT}$는 열교환 승수, $A_{trans}$는 열교환 면적, $\alpha$는 열전달계수, $T_{gas}$는 기체 온도, $T_w$는 고체 벽 온도를 나타낸다.

3-way 밸브는 표 3과 같이 유압/구동 모터 및 PTO 모터의 온도에 따라 냉각수 유량 분배를 제어하도록 구성하였다.

4.1 쟁기 작업 부하

55kW급 전기트랙터의 작업부하에 따른 구동 및 열관리 시스템 해석 검증을 위해 그림 8과 같이 전기트랙터 시제품을 제작하고 농작업에 대한 실차 시험을 수행하였다. 실차 시험에 대한 대상 농작업은 구동 모터와 PTO 모터의 동력 결합에 대한 검증을 위해 쟁기 작업을 선정하여 수행하였다.

그림 8. 전기트랙터 시제품 및 작업기

Fig. 8. Electric tractor prototype and attachment

시스템 해석을 위해서는 농작업에 대한 부하 상태를 예측하는 해석이 동반되어야 하지만 토양 환경에 따라 그 특성을 예측하거나 정확도를 확보하기가 어렵다. 따라서, 본 논문에서는 실차 시험을 통해 얻은 부하 데이터를 해석모델에 반영하였으며, 전기트랙터 시제품의 사양은 표 4와 같다.

쟁기 작업에 대한 부하 데이터는 전기트랙터의 통신 방식인 CAN을 이용하여 취득하였으며, 작업 조건은 표 5와 같다.

그 결과, 전기트랙터의 쟁기 작업 시 필요한 구동 모터 및 PTO 모터에 대한 전체 출력과 차량 속도는 그림 9에 나타내었다. 전기트랙터의 쟁기 작업 시 최대 출력은 46kW, 최대 속도는 8km/h로 목표 사양 내에서 구동이 가능한 것을 확인하였다.

그림 9. 55kW 전기트랙터의 부하특성 시험 결과

Fig. 9. Agricultural operation characteristic analysis of 55-kW eletric tractor

4.2 작업부하에 따른 시스템 통합 해석

4.1절에서 취득한 차속 데이터와 각 모터의 부하 데이터를 이용하여 구동 및 열관리 시스템 해석을 수행하였다. 먼저 구동 시스템의 구동 모터와 PTO 모터의 출력 및 손실은 그림 10에 나타내었으며, 쟁기 작업에도 불구하고 동력 결합을 통해 구동 모터와 PTO 모터에 동력이 분배됨을 알 수 있다.

그림 10. 구동 모터와 PTO 모터의 출력 및 손실

Fig. 10. Power and loss of traction motor and PTO motor

또한, 열관리 시스템의 압축기 및 워터펌프 등의 전장품과 유압 부품에 대한 출력과 손실은 그림 11에 나타내었다. 압축기는 냉매 질량 유량과 압축비에 따라 손실이 결정되며 펌프는 냉각수 또는 오일의 체적 유량에 따라 소모 동력 및 손실이 결정된다.

그림 11. 유압 및 열관리 시스템 출력 특성

Fig. 11. Power of thermal management system and hydraulic system

열관리 시스템 해석은 파워트레인 해석을 통해 도출된 손실 데이터가 발열원으로서 작용하여 수행된다. 그림 12에 표시된 바와 같이 구동 모터, PTO 모터, 배터리팩 출구단의 냉각수 온도를 측정하여 열관리 시스템의 성능과 해석에 대한 검증을 수행하였다. 또한, 열관리 시스템을 통해 구동 모터와 PTO 모터의 온도를 측정하고 해석 데이터와 비교를 통해 해석 정확도를 분석하였다.

그림 12. 열관리 시스템 냉각수 온도 측정

Fig. 12. Measurement of Coolant temperature for thermal management system

해석 정확도는 전체 농작업 구간에서 시간가중치를 동일하게 가져갈 수 있는 IAE(Intergral of Absolute Error) 방법을 이용하여 산출하였다. 해석을 통해 얻은 온도 예측 데이터는 $T_{simul}(t)$, 시험을 통해 얻은 데이터는 $T_{measure}(t)$라 할 때 식 (9)와 같이 IAE를 계산할 수 있다. 이를 통해 해석모델이 실제 데이터를 얼마나 추종할 수 있는지 상대적인 정확도를 산출하기 위해서 식 (10)과 같이 계산하였다.

그림 13. 열관리 시스템 냉각수 온도 해석 결과

Fig. 13. Analysis result of coolant temperature for thermal management system

그림 13은 출구단 냉각수 온도 해석 결과를 나타낸다. 구동모터 및 PTO 모터의 온도 해석 정확도는 각각 91.8%와 91.0%로 산출되었으며 부하에 따른 온도 변화 추이를 재현할 수 있음을 확인하였다. 배터리팩 냉각수의 경우 91.9%의 정확도를 보이며 부하 변동에 따라 온도 변화는 크게 나타나지 않음을 확인하였다.

그림 14. 구동 및 PTO 모터 온도 해석 결과

Fig. 14. Analysis result of temperature for traction and PTO motor

그림 14는 구동 모터와 PTO 모터의 온도에 대한 실측 데이터와 해석 결과를 비교한 결과를 나타낸다. 그 결과 구동 모터와 PTO 모터의 해석 데이터는 실측 데이터보다 더 둔감하게 반응하지만 온도 상승 경향은 잘 예측하는 것을 확인하였다. 결과적으로, 구동 모터의 온도 해석 정확도는 약 93.5%로 나타났으며 PTO 모터의 온도 해석 정확도는 90.8%로 해석모델의 정합성을 검증하였다. 열관리 시스템의 해석에 대한 정확도 결과는 표 6에 나타내었다.