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문제 정의

• 4WD HEV의 성능을 평가하기 위하여는 4WD HEV 구성 요소의 성능과 운전전략 및 제어 알고리즘을 평가할 수 있는 성능 시뮬레이터가 필수적이다. 이 글에서는 본 연구실에서 개발된 MATLAB SIMULINK를 이용한 4WD HEV 성능 시뮬레이터를 이용하여 그 성능을 살펴보았다.
• 이 글에서는 자동차 시장에서 급격히 그 판매 비중이 높아지고 있는 RV 및 SUV와 같은 4WD 자동차에 HEV 기술을 접목한 4WD HEV에 대하여 살펴보고, 특히 4WD HEV 연비 성능에 직접적인 영향을 미치는 운전전략과 회생제동에 대하여 고찰하였다.
• 그러나 경트럭의 판매가 큰 폭으로 증가하면서 최근 미국의 전차종 평균 연비가 20년 만에 최저치를 기록하자 미 의회는 연비·배기가스 기준을 대폭 강화할 움직임을 보이고 있다. 이 글에서는 저연비·저배기 자동차인 HEV와 연비·배기 기준이 강화되고 있는 4WD 자동차에 대하여 간단히 살펴보고, 위의 두 가지를 접목시켜 큰 효과를 거둘 수 있는 4WD HEV에 대하여 알아보기로 한다.
• 이 글에서는 회생제동 에너지와 가속 시 ZEV 구동에 필요한 에너지, 등판 성능 등을 고려한 4WD HEV에서의 모터의 용량 선정 방법을 설명하기로 한다.

제안 방법

• 〈그림 7〉은 4WD HEV 성능 시뮬레이터의 SIMULINK 모델을 도시한 것이다. SIMULINK 모델은 차량의 구동 요소를 각 단위별로 모듈화 모델링하였다. 각 모듈들은 입력과 출력을 갖게 되는데, 모듈과 모듈 사이의 실선은 각 모듈들의 입력값과 출력값의 흐름을 나타낸다.
• ► 4WD 자동차의 전후륜 동력분배 : 지금까지 회생제동 에너지 사용의 극대화와 발진시 자동차의 연비 및 배기 성능을 향상시키기 위한 ZEV 구동 조건을 만족시키는 모터의 용량선정 방법을 검토하였다. 모터 용량이 결정되면 기존 자동차의 가속 성능을 충족시키는 엔진의 용량을 선정할 수 있다.
• HEV의 성능 개선은 엔진, 모터, 배터리 등의 하드웨어 성능 향상에 의한 것뿐만 아니라, 주행 목적에 맞는 운전전략의 최적화를 통하여도 이룰 수 있다. 본 장에서는 먼저 연구대상 4WD HEV의 운전 모드에 대하여 정의하고, 성능 개선을 위한 여러가지 운전전략에 대하여 고찰하였다.
• 일반적인 평지 주행에서 전륜구동과 후륜구동 및 4WD 구동 성능의 차이가 크지 않다고 한다면, 4WD의 성능을 직접 느낄 수 있는 부분은 등판 성능, 저마찰 노면에서의 주행 성능 및 안정성, 코너링 성능 등이다. 이 글에서는 등판 성능, 저마찰 노면에서의 주행 성능, 회생제동 성능 등을 고려하여 엔진과 모터의 전·후륜 동력분배를 결정하도록 한다.
• 일반적으로 HEV의 연비 성능을 평가하는 방법으로는 시작 SOC를 높은 경우와 낮은 경우에 대하여 시뮬레이션한 뒤 보간법을 사용하여 SOC와 연비를 평가하는 방법, 많은 회수의 시뮬레이션을 통하여 SOC가 일정 수준으로 유지되는지를 평가하고 각 경우에서의 연비를 평균하는 방법, 초기 SOC와 최종 SOC가 일정 수준의 범위에서 일치하도록 하여 전기 에너지를 연비 평가 인자로 고려하지 않고, 그때의 ICE의 연비를 전체 HEV 시스템의 연비로 간주하는 방법 등이 있다. 이 글에서는 일정 범위 내에서 초기 SOC와 최종 SOC가 일치하도록 하여 ICE의 연비를 HEV의 연비로 간주하는 세 번째 방법에 의하여 4WD HEV의 연비 성능을 평가하였다. 병렬형 HEV의 특성상 배터리의 외부 충전이 없다고 가정하면, 배터리의 전기 에너지는 결국 엔진과 회생제동에 의하여 공급받는다.
• 이를 위한 방법은 자동차의 주행 목적에 적합한 주행 모드를 선정하고 그때의 제동 동력 분포를 분석하여 최대 유효 회생 제동 동력을 계산하는 것이다. 모터의 용량은 앞서 계산된 최대 유효 제동 동력에 모터 충전 효율을 고려한 값보다 크게 선정되어야 제동 에너지를 충분히 흡수하여 회생 제동 이득을 극대화할 수 있다.

대상 데이터

• 〈그림 5〉는 이 글에서 살펴볼 4WD HEV의 구조를 도시한 것이다. 동력원으로는 전륜에 엔진과 전륜 모터, 후륜에는 별도의 후륜 모터가 사용되었고, 변속기는 CVT가 사용된다. ZEV 구동을 위하여 엔진과 CVT 사이에는 클러치가 장착되었다.

성능/효과

• 〈그림 10〉은 FUDS 에서의 4WD HEV와 일반 4WD 자동차의 연비를 비교 도시한 것이다. 동일한 파워를 갖는 두 자동차를 비교하였을 때, 일반 4WD 자동차보다 4WD HEV의 연비가 약 51% 향상된 것을 알 수 있다.

후속연구

• 4WD HEV의 성능을 향상시키기 위하여는 보다 정교한 운전전략 개발 더불어 차체의 경량화, 엔진의 성능 향상, 배터리 수명 향상, 차량 시스템 통합 제어 등 다양한 연구개발이 필요할 것으로 생각된다.
• 이를 위하여는 다양한 전·후륜 모터 동력의 조합에 대하여 동일한 회생제동 알고리듬을 적용한 후 시뮬레이션을 통하여 회생제동 이득을 회생제동 에너지의 홉수량과 SOC 향상도를 기준으로 평가한 후 회생제동 성능이 가장 좋은 전·후륜 모터의 조합을 선택해야 할 것이다.
• 이로 인해 실질적인 사륜구동은 초기 발진시나 저마찰 도로에서 사용된다. 이를 해결하기 위하여 후륜으로의 동력전달장치를 제거하고 후륜에 별도의 모터를 장착하여 HEV로서 구동한다면, 동력전달 손실을 줄이고 자동차 발진시에 보다 좋은 성능을 얻을 수 있을 것이다. 또한 현재 생산 초기에 있는 승용 하이브리드 자동차의 판매로 인한 수익보다는 상대적으로 고가인 RV 및 SUV의 하이브리드 자동차 판매에 의한 수익이 훨씬 높다는 점은 자동차 회사들의 개발 의지를 높이고 있다.

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