Electric Axle and Wheel Module Driveline Concepts for Self-propelled Agricultural Machinery and Equipment Carriers

기술 요약: 자주식 농업 기계 및 장비 운반차를 위한 전기 차축 및 휠 모듈 구동계 개념

문제 제기
자주식 농업 기계 (예: 콤바인, 사료 수확기, 근채류 수확기) 와 장비 운반차의 전기화는 기존 유압 구동 시스템에 비해 새로운 설계 자유도와 에너지 손실 감소를 가능하게 합니다. 그러나 중앙 엔진과 단일 통합 구동계에 의존하는 표준 트랙터 아키텍처는 분산형 전기 구동으로 전환할 때 상당한 경제적, 기술적 장벽에 직면합니다. 구체적으로, 표준 4 륜구동 트랙터의 경우 여러 개의 전기 모터, 전력 전자 장치, 감속기의 누적 비용으로 인해 총 투자 모터 동력이 명목 차량 동력의 최대 400% 에 달할 수 있어, 해당 특정 클래스에서는 중앙 모터 구성이 더 매력적입니다.

반면, 콤바인 및 장비 운반차와 같은 비표준 차량은 공정 구동 동력 (절단, 탈곡) 과 지상 구동 동력 사이에 뚜렷한 분리가 존재하는 경우가 많습니다. 이러한 기계에서는 공정 구동이 동력의 대부분 (60~80%) 을 소비하는 반면, 지상 구동은 상대적으로 적은 동력을 필요로 합니다. 이러한 분리는 지상 구동을 독립적으로 전기화할 수 있는 기회를 창출합니다. 여기서의 과제는 중앙 기계식 변속기의 제약 없이 하중 스펙트럼, 효율성, 조향성, 제어성, 제동, 구조적 지지, 비대칭 휠 하중, 제조 비용 등 공학적 요구 사항을 균형 있게 충족하는 최적의 모듈식 구동계 아키텍처를 정의하는 데 있습니다.

방법론
본 논문은 동력 분할이 없는 직접 전기 구동계의 두 가지 특정 설계 그룹인'차축 모듈 (Axle Modules)'과'휠 모듈 (Wheel Modules)'을 정의하고 비교합니다. 둘 다 전기 모터, 변속기, 전력 전자 장치, 제어 지능, 조향 및 제동 시스템을 통합한 자체 완결형 mechatronic(기계전자) 유닛으로 정의되며, 차량 섀시로부터 DC 전원버스와 통신 인터페이스만 요구합니다.

저자들은 자주식 농업 기계의 운영 프로파일에 기반한 특정 공학적 요구 사항을 기준으로 이러한 개념들을 분석합니다:

• 하중 스펙트럼: 콤바인과 사료 수확기에서 얻은 유압 압력 데이터 분석에 따르면, 일반적인 작업장 압력은 50~200 bar 사이이지만, 오르막길 가속과 같은 단시간 피크 이벤트는 450 bar 에 달할 수 있습니다. 이는 고단시간 피크 동력이 가능한 전기 모터를 필요로 합니다.
• 효율성: 연구는 트랙터 CVT 의 효율성 목표와 콤바인 지상 구동을 위한 특정 목표 (Bernhard 목표) 를 참조하며, 전기 구동은 특히 유압 시스템이 불균형적으로 손실을 입는 부분 부하 조건에서 유압 효율성을 초과할 잠재력이 있음을 지적합니다.
• 속도 및 제조: 분석은 표준 트랙터에 비해 수확기의 더 좁은 속도 범위 (작업장 3~8 km/h, 도로 최대 40 km/h) 와 소량 생산의 경제적 함의를 고려합니다. 여기서 전문 공급업체의 모듈식 부품은 규모의 경제를 제공합니다.
• 비교 분석: 논문은 공간/지면 간극, 서스펜션, 제조 비용, 조향성, 제어성 (자유도), 제동 시스템, 감속 전략, 프리휠링 기능, 열 관리, 중복성 등 다양한 차원에서 두 개념을 평가합니다.

주요 기여

1. 모듈식 개념의 정의: 논문은 분산형 제어 지능과 조향을 갖춘 완전 통합 mechatronic 유닛으로서'차축 모듈'과'휠 모듈'을 공식적으로 정의하며, 제어가 중앙 집중화되었던 기존 유압 또는 중앙 전기 시도들과 구별합니다.
2. 아키텍처 비교: 상세한 기술 비교가 제공되며, 다음과 같은 점이 강조됩니다:
   • 휠 모듈은 프레임 및 서스펜션에 대한 최대 설계 자유도, 최대 중복성 (3 개의 기능 유닛으로 이동 가능), 완전한 8 자유도 제어성 (토크 벡터링, 개별 휠 조향) 을 제공합니다. 그러나 제조 비용이 더 높고, 측면 경사 작업과 같은 비대칭 휠 하중을 처리하기 위해 모터의 과잉 설계가 필요하며, 공정 장비 하중을 지지하기 위한 복잡한 구조 요소가 요구됩니다.
   • 차축 모듈은 더 낮은 제조 비용, 중형 공정 장비에 적합한 구조적 강성, 차동기를 통한 자동 하중 분배 (모터 과잉 설계 방지), 그리고 단순한 열 관리를 제공합니다. 제한 사항으로는 휠 간의 설계 자유도 감소와 각 차축당 2 자유도의 낮은 제어성이 있습니다.
3. 조향 및 제동 통합: 논문은 두 개념 모두 조향 작동 및 제동 시스템을 모듈에 직접 통합하여 단일 DC 전원 입력을 가능하게 함을 강조합니다. 휠 모듈의 주차 기능을 위한 범위 제동기 사용과 같은 구체적인 구현 사례를 논의합니다.
4. 감속 전략: 저자들은 작동 속도 스펙트럼 전반에 걸쳐 효율성을 최적화하기 위해 다단 변속기 (일반적으로 작업장과 도로용 2 단) 의 필요성을 분석합니다. 고감속비와 외부 동력 변속 제동을 허용하는 특정 행성 기어 배열을 참조합니다.

결과 및 발견

• 효율성: 전기 구동은 유압 구동 대비 상당한 효율성 우위를 보이며, 실험 데이터는 작업장 조건에서 부분 부하 성능의 향상으로 인해 17~27% 포인트의 개선을 보여주었습니다.
• 비용: 현재 전기 차축 프로토타입의 제조 비용은 유압 대응 제품보다 훨씬 높습니다 (한 사례에서 4.5 배). 논문은 비용 균형을 위해서는 산업 전반에 모듈식 부품의 광범위한 채택을 통해 규모의 경제를 달성해야 한다고 제안합니다.
• 하중 처리: 차축 모듈의 차동기는 비대칭 수직 하중을 자동으로 처리하는 반면, 휠 모듈은 최악의 단일 휠 하중을 처리하도록 개별 모터를 설계해야 하므로 과잉 설계 및 무게/비용 증가로 이어집니다.
• 제어성: 휠 모듈은 차축 모듈로는 불가능한 풀인턴 (pull-in-turn), 토양 압밀 관리를 위한 토크 벡터링, 정밀한 아크네만 조향과 같은 고급 주행 모드를 가능하게 합니다.
• 열 관리: 차축 모듈은 집중된 열원으로 인해 더 단순한 냉각 회로의 혜택을 받는 반면, 휠 모듈은 열원을 분산시켜 냉각 복잡성을 증가시킬 수 있습니다.

의의 및 주장
본 논문은 동력 분할이 없는 직접 전기 구동계가 자주식 농업 기계 및 장비 운반차를 위한 근본적으로 새로운 설계 공간을 열어준다고 주장합니다. 두 개념 모두 실현 가능하지만 선택은 특정 적용 분야에 달려 있다고 봅니다:

• 차축 모듈은 구조적 강성, 비용 효율성, 비대칭 하중 처리가 주요 동인인 중형 자주식 수확기 및 근채류 기계에 대한 더 강력한 출발점으로 제시됩니다.
• 휠 모듈은 설계 자유도, 중복성, 토양 보호를 위한 토크 벡터링과 같은 고급 제어성이 주요 설계 동인인 응용 분야에 선호됩니다.

저자들은 중앙 집중식 기계/유압 구동계에서 분산형 전기 모듈로의 전환이 이미 해당 분야에서 진행 중 (기존 유압 구현 사례 인용) 이라고 결론지었습니다. 완전 전기화의 주요 장벽은 현재 전기 부품의 비용이 제공하는 에너지 절감 및 CO2 감소 효과보다 높다는 점입니다. 그러나 전기 부품 비용이 감소하고 에너지 비용이 상승함에 따라 이러한 모듈식 개념의 경제적 타당성은 개선될 것이라고 논문은 시사합니다. 또한 논문은 단일 차량 내에서 차축 모듈과 휠 모듈을 혼합한 하이브리드 구성이 미래 아키텍처를 위한 추가적인 설계 자유도 차원을 나타낸다고 지적합니다.