In the present study, the influence of operating conditions on fuel economy for hybrid electric vehicle was analyzed. In order to accomplish this, vehicle speed, engine speed, battery current and voltage, SOC (state of charge),motor speed and torque, generator speed and torque, engine coolant temper...
In the present study, the influence of operating conditions on fuel economy for hybrid electric vehicle was analyzed. In order to accomplish this, vehicle speed, engine speed, battery current and voltage, SOC (state of charge),motor speed and torque, generator speed and torque, engine coolant temperature etc. were measured in real time. The tests were carried out under different driving cycles which are urban and highway cycles, KOREA CITY cycle and on-road driving, and also under various operating conditions such as different initial SOC, with or without regenerative braking etc.. Generally, conventional gasoline engines show a poor fuel economy at stop and go driving, because braking energy is wasted and the engine is operated in low thermal efficiency regions. However, in case of hybrid vehicles, higher fuel economy can be obtained because of utilizing the maximum thermal efficiency regions of engine, idling stop of engine, and regenerative braking etc..
In the present study, the influence of operating conditions on fuel economy for hybrid electric vehicle was analyzed. In order to accomplish this, vehicle speed, engine speed, battery current and voltage, SOC (state of charge),motor speed and torque, generator speed and torque, engine coolant temperature etc. were measured in real time. The tests were carried out under different driving cycles which are urban and highway cycles, KOREA CITY cycle and on-road driving, and also under various operating conditions such as different initial SOC, with or without regenerative braking etc.. Generally, conventional gasoline engines show a poor fuel economy at stop and go driving, because braking energy is wasted and the engine is operated in low thermal efficiency regions. However, in case of hybrid vehicles, higher fuel economy can be obtained because of utilizing the maximum thermal efficiency regions of engine, idling stop of engine, and regenerative braking etc..
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문제 정의
본 연구에서 는 운전조건이 양산 하이브리드 자동차인 토요타 PRIUS 의 제어로직과 연비에 미치 는 영향을 조사하기 위하여 여러 주행모드(UDDS®, HWFET? KOREA CITY mode7)), 초기 SOC 변화 (40%, 56%, 80%), 회생제동 유무, 엔진 냉각상태(냉 시동 및 온시동)에 따른 제반 특성을 분석하였다.
제안 방법
배터리의 SOC(State Of Charge)가 연비에 미치는 영향을 분석하기 위하여 초기 SOC가 다른 여러 조건에 대하여 실험을 실시하였다.
운전조건의 변화에 따른 시험차량의 제반 특성을 측정하기 위하여 Fig. 2에서와 같이 차량의 OBD n DLC(Diagnostic Link Connector) 포트를 통하여 모터의 회전수 및 토크, 제너레이터의 회전수 및 토크, 엔진 회전수, 차속, 회생제동 토크 등을 실시간으로 측정하였으며, 배터리의 충방전 상태를 높은 시간 분해능으로측정하기 위하여 배터리 모니터링 시스템을 제작하여 실시간으로 측정하였다. 그리고 연비의 경우에는 배기가스를 샘플링백에 포집하여 카 본밸런스법에 의해 산출하였다.
주행모드의 차이가 연비에 미치는 영향을 조사하기 위하여, 시가지모드인 UDDS 모드, 고속도로 모 드인 HWFET 모드, 당 연구원이 개발한 국내 시가지 지모드인 KIER CITY 모드를 사용하여 연비 실험을 실시하였다. Fig.
초기 SOC가 낮은 조건을 설정하기 위해서는 배터리를 방전할 필요가 있기 때문에 차대동력계상에 서 시험차량의 가속페달을 최대로 밟아 엔진의 최고줄력을 유지하여 강제로 방전시켰다. 이러한 주행조건에서 엔진 출력만으로는 차량이 요구하는 최고속도를 유지할 수 없기 때문에 부족한 출력을 모 터가 보조하게 됨으로써 배터리의 SOC가 감소한다.
대상 데이터
시 험차량은 일본 토요타사의 2000년 모델 프리우스를 사용하였다. 본 차량에는 52kW의 가솔린엔진, 33kW의 모터 및 Ni-MH 축전지(273.6V, 6.5Ah)가 장착되 어 있으며, 주요 제원은 Table 1 에 서 와 같다.
시 험차량은 일본 토요타사의 2000년 모델 프리우스를 사용하였다. 본 차량에는 52kW의 가솔린엔진, 33kW의 모터 및 Ni-MH 축전지(273.
이론/모형
2에서와 같이 차량의 OBD n DLC(Diagnostic Link Connector) 포트를 통하여 모터의 회전수 및 토크, 제너레이터의 회전수 및 토크, 엔진 회전수, 차속, 회생제동 토크 등을 실시간으로 측정하였으며, 배터리의 충방전 상태를 높은 시간 분해능으로측정하기 위하여 배터리 모니터링 시스템을 제작하여 실시간으로 측정하였다. 그리고 연비의 경우에는 배기가스를 샘플링백에 포집하여 카 본밸런스법에 의해 산출하였다.8)
성능/효과
1) 토요타 프리우스에서는 배터리의 과충전 또는 과방전에 기인한 수명 단축을 억제하기 위하여 최고 및 최저 SOC를 각각 80% 및 40% 부근으로 제어함과 동시에, 통상적인 조건에서 SOC를 56% 부근으로 제어하는 전략을 채용하고 있다. 이에 따라서 배터리의 초기 SOC가 높은 조건에서는 차량이 방전모드로 주행하여 연비가 향상되며, 반대로 SOC가 낮은 조건에서는 충전모드 로 주행하여 연비가 악화된다.
2) 가솔린차량에서는 정차와 발진이 많은 시가지 주행연비가 크게 악화하나, 하이브리드차량에 서는 정차시의 엔진 정지나 감속 제동시의 회생 제동을 통하여 손실에너지를 대폭 저감하기 때 문에 시가지 주행연비가 크게 개선된다.
3) UDDS모드에 있어서 냉시동인 경우가 온시동인 경우에 비하여 연비가 12.4% 악화하며, 이는 냉 시동인 경우에는 엔진의 웜엄을 위하여 정차중 에도 엔진을 정지하지 않기 때문임에 기인한다.
4) 회생제동을 실시하는 경우에는 그렇지 않은 경우에 비하여 UDDS 모드에서 약 8.5%, KIER CITY모드에서 약 9.6% 연비가 증가하며, 이는 회생제동을 실시하는 경우에는 모터가 발전기로 작동하여 손실에너지를 배터리에 충전해서 발진 가속시에 다시 활용함에 기인한다.
이들 실험결과를 종합하면 시험차량인 PRIUS는 배터리의 과충전 및 과방전에 따른 수명저하를 억 제하기 위하여 최고 및 최저 SOC를 각각 80% 및 40% 부근으로 제어 하고, 통상적인 조건에서 충전상 태를 56% 부근으로 제어하는 전략을 채용하고 있는 것으로 생각된다.
4에 이러한 배터리 방전모드에서의 SOC 변 화량을 나타낸다. 초기 SOC가 55.7%인 상태에서 주행을 시작하여 주행시간이 증가함에 따라서 SOC가 점차 감소해서 약 45%까지 엔진 출력을 보조하나, 45% 이후부터는 방전율이 다소 감소하고, 38.8 % 이하가 되면 배터리의 방전을 멈추어 더 이상 엔진 출력을 보조하지 않음을 볼 수 있다.
13은 UDDS 모드 및 KIER CITY 모드에서 회생제동을 실시하는 경우와 실시하지 않은 경우에 대한 연비 측정결과를 나타낸다. 회생제동을 실시 하는 경우에는 실시 하지 않는 경우에 비 하여 UDDS 모드에서는 약 8.5%, KIER CITY모드에서는 약 9.6% 연비가 증가하였으며, 이는 Fig. 14에 나타낸 바와 같이 회생제동을 실시하는 경우에는 모터가 발전기로 작동하여 손실에너지를 배터리에 충전해 서 발진 가속시에 다시 활용함에 기인한다
참고문헌 (8)
Y. Shida, M. Kanda, K. Ohta, S. Furuta and J. Ishii, 'Development of Inverter and Power Capacitors for Mild Hybrid Vehicle (MHV) Toyota 'Crown',' Int. J. Automotive Technology, Vol.4, No.1, pp.41-45, 2003
K. Aitaka, M. Hosoda and T. Nomura, 'Development of Intelligent Power Unit for Hybrid Four-Door Sedan,' Int. J. Automotive Technology, Vol.4, No.2, pp.57-64, 2003
National Renewable Energy Laboratory, Benchmarking of OEM Hybrid Electric Vehicles, NREL Milestone Report, p.103, August 2001
K. J. Kelly, M. Mihalic and M. Zolot, 'Battery Usage and Thermal Performance of the Toyota Prius and Honda Insight during Chassis Dynamometer Testing,' The 17th Annual Battery Conference on Applications and Advances, p.9, 2002
M. Duoba, H. Ng and R. Larsen, 'Characterization and Comparison of Two Hybrid Electric Vehicle (HEVS) Honda Insight and Toyota Prius,' SAE 2001-01-1335, 2001
'Recommended Practice for Measuring the Exhaust Emissions and Fuel Economy of Hybrid-Electric Vehicles,' SAE J1711, 1998
G. C. Kim and Y. J. Lee, 'The Influence of Driving Conditions on Fuel Economy and Exhaust Emissions of the Toyota PRIUS HEV,' The 20th International Electric Vehicle Symposium, p.11, 2003
'40 CFR (Code of Federal Regulation) Part 600 (Fuel Economy of Motor Vehicles),' Environmental Protection Agency of U.S.A., 2004
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