수소연료전지차용 고성능 압력용기 제작을 위한 섬유 장력 시스템에 관한 연구

Abstract

최근 친환경 에너지인 수소, 천연가스 등을 자동차 연료로 활용하는 사례가 증가하고 있다. 미국, 독일, 일본 등에서 많이 발전되었고 우리나라 또한 수소연료전지차의 보급이 활발히 이루어지고 있다. 수소연료전지 차량에 탑재되는 수소 저장 압력 용기의 재료로서 탄소섬유강화 복합재료가 주로 적용되며, 필라멘트 와인딩 공법이 제작에 활용된다. 필라멘트 와인딩은 복합재료의 공정법 중 하나로 회전하는 멘드릴 표면에 수지가 함침된 유리섬유 혹은 탄소섬유 연속섬유를 설계된 각도로 감고, 경화로에서 설계온도 사이클을 적용하여 경화시키는 방법이다. 필라멘트 와인딩 공정은 수작업 방식인 핸드레이업 공정과 비교하여 생산 속도가 빠르고, 품질이 우수한 장점이 있다. 하지만, 고속 와인딩 과정에서 섬유의 장력이 큰 폭으로 변화하게 되어 생산성과 품질에 큰 영향을 주기 때문에 장력 제어 관련 연구가 활발히 진행 중에있다. 본 연구에서는 필라멘트 와인딩의 일정한 장력을 위한 장력 제어 시스템의 개발을 진행하였다. 로드셀-센싱바 방식의 장력 제어장치를 제작하고 기존 방식과 비교하여 성능의 향상을 확인하였다. 텐션암(Tension arm)이 장착되어 장력값이 급변하지 않도록 유지하고 센싱 암(Sensing arm)이 로드셀(Load cell)에 힘을 전달하며 와이어의 장력을 측정할 수 있게 하였다. 서보 제어기는 PID 컨트롤을 활용하여 구성되었고 PID의 게인을 적절히 조절하는 적응제어 방법을 도입하였다. 와인딩 속도와 가속도, 장력, 제어 게인의 변화에 따른 장력 제어 특성과 스풀(Spool) 크기에 따른 모터 제어, 제어 특성, 최적 게인의 변화와 그리고 실시간으로 Spool 직경 측정으로 성능을 확인하였다. 와이어 속도가 빨라짐에 따라 기계적 편차에 기인하는 진동이 관측되고 가속도가 높아짐에 따라 장력이 순간적으로 올라가는 오버슈트를 확인하였다. 그리고 설정 장력이 높아질수록 와이어의 장력 값이 안정되는 것을 보았고 제어 게인이 낮으면 진폭이 커져 추종 특성이 좋지 않게 되고 지나치게 높으면 시스템이 발진하게 되어 적절한 게인 설정이 필요함을 확인하였다. 스풀 직경 증가에 따라 관성부하가 커지게 되어 제어기의 출력 진폭이 증가되며, 스풀 직경이감소에 따라 응답 특성이 우수하게 됨을 확인 할수 있었다. 본연구를 통해 스풀 직경 크기에 따른 최적화된 제어 게인 값을 도출하였고, 필라멘트 와인딩 공정에서의 스풀 직경에 따른 제어 게인 적용을 통해 장력 제어장치의 최적화가 이루어졌다.|In recent years, there have been increasing cases of using hydrogen as an environment-friendly energy and natural gas as vehicle fuel. It has been developed in USA, Germany and Japan, and Korea is also actively supplying hydrogen fuel cell vehicles. The hydrogen storage pressure vessel mounted on the hydrogen fuel cell vehicle is composed of a carbon fiber composite material. These pressure vessels are manufactured by the filament winding method. Filament winding is one of the processes of composite materials, in which glass fibers or carbon fibers composed of continuous fibers are impregnated with a resin on the surface of a rotating mandrel and wound, and the filament wound product is cured in a curing furnace for a predetermined temperature cycle. Compared to manual hand laying process, automatic filament winding has the advantage of making products with higher tension with short production time. However, when filament winding speed increases, the uneven fiber speed profile creates fiber tension fluctuation widely. It is one of the major factors causing low productivity of winding process, hence several researches have been actively carried out to keep it constant. In this study, we have developed a tension control system to stabilize the tension in filament winding. A load cell - sensing bar type tension measuring device is fabricated and the performance improvement is confirmed by comparing with the existing method. A tension arm is installed to absorb sudden fluctuation of fiber tension, and a sensing arm transmits the fiber tension to a load cell to measure it accurately. The servo controller is constructed using PID control and introduces an adaptive control method that adjusts the gain of PID appropriately. Tension control characteristics according to winding speed, acceleration, tension and control gain, motor control, according to spool size, control characteristics, change of optimum gain and spool diameter measurement in real time are confirmed. As the wire speed increased, the vibration due to the mechanical deviation is observed, and an overshoot of tension value is observed as acceleration became higher. It is also found that wire tension value becomes more stable as wire tension value is increased. Low control gain shows poor tracking response with large errors. Properly tuned system with large spool size shows more control output amplitude as the inertial load is larger compared to a small sized spool. Small size spool shows excellent tracking response with minimum tracking error. By using in-process spool size measurement and automatic gain tuning control scheme, an optimized tension control system is developed in this study.