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문제 정의
- 본 연구에서는 도심주행이 빈번하면서 배출가스 농도가 비교적 높은 중형디젤자동차(7000 kg급)를 하이브리드 전기자동차로 개발하는데 있어서 직렬 하이브리드(SHEV), 병렬 하이브리드 (PHEV), 플러그인 직렬 하이브리드(Plug-in SHEV), 플러그인 병렬 하이브리드(Plug- in PHEV) 시스템별로 연료경제성 향상 및 배출가스 저감 효과를 시뮬레이션을 통하여 평가함으로써 중형디젤 하이브리드 자동차 개발을 위한 기초 정보를 제공하고자 한다.
제안 방법
- Fig. 1은 기존의 중형 디젤엔진의 각 주행모드에 대한 기본 연료경제성을 파악하기 위하여 엔진 용량 변화에 따른 연료소비율을 평가하였다. 그림에서 보는 바와 같이 고속도로 주행모드(HWFET)에서 평균 연료경제성이 5.
- Fig. 5는 도심버스 주행모드(CBDBUS)에서 직렬 하이브리드 전기자동차, 병렬 하이브리드 전기자동차, 플러그인 직렬 하이브리드 전기자동차, 플러그인 병렬 하이브리드 전기자동차의 각각 시스템 별로 연료경제성을 분석하였다. 그림에서 도심버스 주행모드(CBDBUS)에서 직렬 하이브리드시스템과 병렬 하이브리드 시스템은 연료경제성 면에서 19.
- 배터리 용량을 50%정도 증가시키고 주행 시뮬레이션을 시작할 때에 SOC (배터리 충전율) 100%에서 시작하여 우선적으로 배터리의 전기에너지를 사용하며, SOC가 30%까지 감소하면 엔진이 작동하여 SOC 30±1%범위에서 조절되도록 하였다.
- 시뮬레이션 조건으로 기존의 직렬 하이브리드 시스템과 병렬 하이브리드 시스템은 배터리 SOC (충전상태, State of Charge)를 70±1%범위에서 유지하도록 하였다.
- 시뮬레이션 조건으로 기존의 직렬 하이브리드 시스템과 병렬 하이브리드 시스템은 배터리 SOC (충전상태, State of Charge)를 70±1%범위에서 유지하도록 하였다. 엔진의 용량별 시뮬레이션을 계산할 때에는 배터리의 용량을 40 kW조건에서 시뮬레이션을 수행하였으며, 최적의 엔진용량이 결정된 다음에는 각각 최적의 엔진 용량에서 배터리 용량 변화에 대한 시뮬레이션을 수행하였다.
- 여기에서 전체 배출가스란 디젤엔진의 배출가스 주성분인 HC, CO, NOx, PM을 전체 산술 합을 취하여 배출 가스량을 비교하였다.
- 기준이 되는 하이브리드 시스템 설계 대상 중형 디젤자동차는 총 중량 7000 kg정도로서 미국의 중형 디젤자동차인 UCD_Van(스텝밴)을 기준으로 설계하였으며, 이에 해당하는 한국의 중형 디젤자동차는 마을버스, 청소차량, 택배차량, 우편배달차량 등 과 비교할 수 있다. 이들 중형 디젤자동차의 비교평가를 위하여 자동차의 주행성능은 연비측정모드에서 사용되는 미국 EPA의 FTP(Federal Test Procedure) 주행모드를 기준으로 주행성능을 충족하는 사양을 기준으로 하이브리드 시스템을 설계를 하였으며, 연료경제성 및 배출가스 분석은 중형 디젤자동차가 배출가스를 가장 많이 발생시키는 도심노선을 운행하는 경우를 고려하여 CBDBUS(도심버스주행모드, Central Business Driving Schedule Bus)를 사용하여 분석하였으며, HWFET 고속도로주행모드, Highway Fuel Economy Test)를 추가하여 주행모드의 변화에 따른 중형 디젤하이브리드 전기자동차의 연료경제성 및 배출가스 특성을 시뮬레이션을 통하여 평가하고자 하였다.
- 플러그인 하이브리드 시스템에서는 단순 직렬 하이브리드 시스템과 병렬 하이브리드 시스템에서 계산된 엔진 용량 및 배터리 용량을 기초로 하여 시뮬레이션을 수행하였다. 플러그인 하이브리드 시스템은 기본 주행모드에서 일반 중형디젤자동차의 평균 주행거리를 총 주행거리를 기준으로 50km로 설정하였다.
- 플러그인 하이브리드 시스템에서는 단순 직렬 하이브리드 시스템과 병렬 하이브리드 시스템에서 계산된 엔진 용량 및 배터리 용량을 기초로 하여 시뮬레이션을 수행하였다. 플러그인 하이브리드 시스템은 기본 주행모드에서 일반 중형디젤자동차의 평균 주행거리를 총 주행거리를 기준으로 50km로 설정하였다. 배터리 용량을 50%정도 증가시키고 주행 시뮬레이션을 시작할 때에 SOC (배터리 충전율) 100%에서 시작하여 우선적으로 배터리의 전기에너지를 사용하며, SOC가 30%까지 감소하면 엔진이 작동하여 SOC 30±1%범위에서 조절되도록 하였다.
대상 데이터
- 본 논문에서 비교 해석 수단으로 사용한 것은 NREL (National Renewable Energy laboratory)에서 개발한 ADVISOR 기반으로 사용하였다. 기준이 되는 하이브리드 시스템 설계 대상 중형 디젤자동차는 총 중량 7000 kg정도로서 미국의 중형 디젤자동차인 UCD_Van(스텝밴)을 기준으로 설계하였으며, 이에 해당하는 한국의 중형 디젤자동차는 마을버스, 청소차량, 택배차량, 우편배달차량 등 과 비교할 수 있다. 이들 중형 디젤자동차의 비교평가를 위하여 자동차의 주행성능은 연비측정모드에서 사용되는 미국 EPA의 FTP(Federal Test Procedure) 주행모드를 기준으로 주행성능을 충족하는 사양을 기준으로 하이브리드 시스템을 설계를 하였으며, 연료경제성 및 배출가스 분석은 중형 디젤자동차가 배출가스를 가장 많이 발생시키는 도심노선을 운행하는 경우를 고려하여 CBDBUS(도심버스주행모드, Central Business Driving Schedule Bus)를 사용하여 분석하였으며, HWFET 고속도로주행모드, Highway Fuel Economy Test)를 추가하여 주행모드의 변화에 따른 중형 디젤하이브리드 전기자동차의 연료경제성 및 배출가스 특성을 시뮬레이션을 통하여 평가하고자 하였다.
- 본 시뮬레이션에서 사용한 기본 배터리는 EV Battery Systems의 Ovonic, 28Ah NiMH를 사용하였는데 무게는 3.6kg, 정격전압 6V, 정격에너지 175Wh, 순간최대파워 1.6kW 이다. 본 시뮬레이션에서 사용한 기본 변속기는 병렬 하이브리드 전기자동차의 경우는 고부하용 ZF5 HP590을 사용하였고, 토크컨버터는 Allison's B400를사용하였다.
- 본 시뮬레이션에서 사용한 기본 변속기는 병렬 하이브리드 전기자동차의 경우는 고부하용 ZF5 HP590을 사용하였고, 토크컨버터는 Allison's B400를사용하였다.
- 본 시뮬레이션에서 사용한 기본엔진은 Volkswagens TDI Engine을 기본 모델로 사용하였는데 이 엔진에 대한 상세한 데이터는 ORNL (Oak Ridge National Labo-ratory)과 NREL(National renewable Energy Laboratory)에서 제공한 냉간 운전 및 온간 운전에서 배출가스, 연료소비 및 출력관련 데이터를 사용하였다.
- 본 시뮬레이션에서 사용한 기본 변속기는 병렬 하이브리드 전기자동차의 경우는 고부하용 ZF5 HP590을 사용하였고, 토크컨버터는 Allison's B400를사용하였다. 직렬 하이브리드 전기자동차의 경우는 전달효율 96%인 1단 기어박스를 사용하였다.
이론/모형
- 본 논문에서 비교 해석 수단으로 사용한 것은 NREL (National Renewable Energy laboratory)에서 개발한 ADVISOR 기반으로 사용하였다. 기준이 되는 하이브리드 시스템 설계 대상 중형 디젤자동차는 총 중량 7000 kg정도로서 미국의 중형 디젤자동차인 UCD_Van(스텝밴)을 기준으로 설계하였으며, 이에 해당하는 한국의 중형 디젤자동차는 마을버스, 청소차량, 택배차량, 우편배달차량 등 과 비교할 수 있다.
성능/효과
- 1) 기존의 디젤기관을 사용하는 중형밴(7000Kg급)을 하이브리드 전기 자동차로 개발하는데 있어서 직렬 하이브리드, 병렬 하이브리드, 플러그인 직렬 하이브리드, 플러그인 병렬 하이브리드 시스템별로 주행모드에 대한 연료경제성과 배출가스 발생량을 분석한 결과 중형디젤자동차를 하이브리드전기자동차로 설계할 때 도심주행모드를 대상으로 하는 것이 연료경제성과 배출가스 저감에 효과적이다.
- 2) 중형디젤자동차를 직렬 하이브리드전기자동차로 설계하면, 도심주행모드에서 연료경제성은 11%정도 나빠지지만, 종합배출가스는 60%가 감소한다.
- 3) 중형디젤자동차를 플러그인 직렬 하이브리드전기자동차로 설계하면, 배터리 용량을 65kWh로 하면 도심주행모드에서 연료경제성은 215% 개선되며, 종합배출가스는 88%가 감소한다. 중형디젤자동차를 플러그인 병렬 하이브리드전기자동차로 설계하면, 배터리 용량을 65kWh로 하면 도심주행모드에서 연료경제성은 346% 개선되며, 종합배출가스는 87% 감소한다.
- (Fig. 6에서, 종합배출량(g/km)은 PHEV, SHEV, Plug-in SHEV 와 Plug-in PHEV에서 13.9, 11.3, 7.5, 6 g/km를 나타내서 개선율(%)는 0.0, 16.7, 46.0, 56.8%를 각각 나타내고 있다.)
- 이것으로 보아 중형 디젤자동차는 엔진 고유의 연료소비율과 함께 주행모드에 따라 연비에 큰 영향을 미치는 것을 알 수 있다. 본 중형 디젤자동차에서 주행모드별로 연료경제성을 고려한, 가장 적절한 엔진의 크기는 150-250 kW급에서 가장 높은 연료경제성을 나타내고 있으며, 주행성능을 고려하면 FTP 모드 기준으로 230 kW이상에서 주행성능을 만족한다. 이상과 같은 결과로 보아 중형디젤자동차에서 연료경제성을 높이기 위한 가장 효과 있는 하이브리드화의 기준 주행모드는 도심버스주행모드(CBDBUS)인 것으로 판단된다.
- 연료경제성 관점에서 보면 직렬하이브리드 시스템보다는 병렬 하이브리드 시스템이 주행 중 부하변화에 따른 모터동력과 엔진동력의 효과적인 조합에 의하여 더욱 효율적인 에너지 배분을 하게 되고 그 결과로 병렬 하이브리드 시스템의 연료경제성이 우수한 것으로 나타난다. 엔진 용량 100kW 이상에서는 직렬 하이브리드 보다 기존의 엔진시스템이 오히려 연료경제성이 좋은 것으로 나타난다. 그렇지만 기존 엔진시스템에서 FTP모드를 만족하는 주행성능이 나오기 위해서는 최소한 230kW 이상의 엔진을 사용해야 하므로 기존 엔진시스템 자동차의 연료경제성이 우수하지는 않다.
- 본 시뮬레이션에서 모델로 결정한 중형디젤 자동차의 경우 100 kW 용량의 엔진이 연료경제성에서는 가장 우수한 것으로 나타나지만, 주행성능을 고려해서 엔진의 용량을 결정해야 한다. 연료경제성 관점에서 보면 직렬하이브리드 시스템보다는 병렬 하이브리드 시스템이 주행 중 부하변화에 따른 모터동력과 엔진동력의 효과적인 조합에 의하여 더욱 효율적인 에너지 배분을 하게 되고 그 결과로 병렬 하이브리드 시스템의 연료경제성이 우수한 것으로 나타난다. 엔진 용량 100kW 이상에서는 직렬 하이브리드 보다 기존의 엔진시스템이 오히려 연료경제성이 좋은 것으로 나타난다.
- 여기에서 전체 배출가스란 디젤엔진의 배출가스 주성분인 HC, CO, NOx, PM을 전체 산술 합을 취하여 배출 가스량을 비교하였다. 이 그림에서 나타나는 것과 같이 각각의 시스템에서 전체적으로는 엔진 용량의 크기가 작아질수록 배출가스의 량이 줄어드는 것으로 나타나고 있으며, 기존의 엔진시스템 구동 자동차의 경우에는 엔진의 용량이 130 kW이하가 되면 연료소비량이 증가하면서 전체 배출가스가 오히려 증가하는 것으로 나타난다. 기존 엔진시스템에서 엔진용량을 100 kW로 조정하면 하이브리드 자동차와 거의 동등한 배출가스 성능을 나타내지만, 실제로 주행성능을 고려하여 엔진용량은 230 kW로 결정하였으므로, 하이브리드 시스템과 비교하여 많은 배출가스를 발생시키고 있다.
- 이것은 도심버스 주행모드는 고속도로 주행모드와 비교하여 92%나 연료소비율이 나쁜 것으로 나타난다. 이것으로 보아 중형 디젤자동차는 엔진 고유의 연료소비율과 함께 주행모드에 따라 연비에 큰 영향을 미치는 것을 알 수 있다. 본 중형 디젤자동차에서 주행모드별로 연료경제성을 고려한, 가장 적절한 엔진의 크기는 150-250 kW급에서 가장 높은 연료경제성을 나타내고 있으며, 주행성능을 고려하면 FTP 모드 기준으로 230 kW이상에서 주행성능을 만족한다.
- 85배나 많이 배출되는 것으로 나타나고 있다. 이상과 같은 결과로 보아 중형디젤자동차에서 배출가스를 줄이기 위한 가장 효과 있는 하이브리드화의 기준 주행모드는 도심버스주행모드(CBDBUS)인 것으로 판단된다.
- 본 중형 디젤자동차에서 주행모드별로 연료경제성을 고려한, 가장 적절한 엔진의 크기는 150-250 kW급에서 가장 높은 연료경제성을 나타내고 있으며, 주행성능을 고려하면 FTP 모드 기준으로 230 kW이상에서 주행성능을 만족한다. 이상과 같은 결과로 보아 중형디젤자동차에서 연료경제성을 높이기 위한 가장 효과 있는 하이브리드화의 기준 주행모드는 도심버스주행모드(CBDBUS)인 것으로 판단된다.
- 이상과 같은 기존의 중형밴(7000 kg)급 디젤 자동차는 주행모드에 따라 연료경제성 및 배출가스의 배출량이 큰 영향을 받으므로 도심버스주행모드(CBDBUS)로 운행되는 마을버스, 청소차량, 우편차량, 택배차량 등 단거리 도심주행이 많은 차량을 대상으로 하이브리드 시스템을 개발하는 것이 유리할 것으로 판단된다.
- 그렇지만 기존 엔진시스템에서 FTP모드를 만족하는 주행성능이 나오기 위해서는 최소한 230kW 이상의 엔진을 사용해야 하므로 기존 엔진시스템 자동차의 연료경제성이 우수하지는 않다. 이와 같은 결과로 보아, 직렬 하이브리드 시스템의 연료경제성을 높이기 위해서 엔진의 용량을 더욱 줄이는 것이 연료경제성의 관건이 되고 있으며, 직렬하이브리드 시스템에서 엔진용량을 작게 설계하면 주행 중에 배터리의 방전으로 자동차가 정지하거나 배터리 충전을 위해서 서행운전을 해야 하므로 주행성능을 유지하면서 엔진 용량을 줄이기 위해서는 고성능의 엔진과 차량의 경량화가 필수인 것으로 나타낸다.
- 2) 중형디젤자동차를 직렬 하이브리드전기자동차로 설계하면, 도심주행모드에서 연료경제성은 11%정도 나빠지지만, 종합배출가스는 60%가 감소한다. 중형디젤자동차를 병렬 하이브리드전기자동차로 설계하면, 도심주행모드에서 연료경제성은 23% 개선되며, 종합배출가스는 58%가 감소한다.
- 3) 중형디젤자동차를 플러그인 직렬 하이브리드전기자동차로 설계하면, 배터리 용량을 65kWh로 하면 도심주행모드에서 연료경제성은 215% 개선되며, 종합배출가스는 88%가 감소한다. 중형디젤자동차를 플러그인 병렬 하이브리드전기자동차로 설계하면, 배터리 용량을 65kWh로 하면 도심주행모드에서 연료경제성은 346% 개선되며, 종합배출가스는 87% 감소한다.
- 7% 저감되는 것을 알 수 있으며, 이것은 직렬 하이브리드 엔진은 최적의 조건에서 운전되며, 병렬 하이브리드 엔진은 부하의 변동에 따라 최적의 운전을 하지 못하고 부하변동을 고려한 운전을 하므로 이와 같은 결과가 나온 것으로 판단된다. 플러그인 하이브리드 시스템은 초기에 배터리에 충전된 전기에너지를 사용하므로 화석연료를 적게 사용하며, 이와 같은 결과로 인하여 플러그인 직렬 하이브리드 시스템은 병렬 하이브리드 시스템과 비교하여 배출가스가 46% 저감되며, 만약 배터리 용량이 증가하면 배출가스량은 지속적으로 감소될 것이다. 플러그인 병렬하이브리드 시스템은 배터리 용량이 증가한다고 배출가스가 지속적으로 감소하는 것은 아니며.
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