최근, 승용차는 물론 대형차에서도 하이브리드시스템 등의 전기동력방식을 도입하려는 연구개발이 활발하다. 기존의 내연기관을 대체하는 전기구동모터를 이용하여 차량을 구동하는 전기동력방식을 채용하는 것이 한층 더 효율적이며 가속성능, 승차감 등의 면에서도 유리한 점이 많다. 그러나 모터는 엔진과 전혀 다른 특징을 갖기 때문에 동력성능과 에너지효율에 관한 적합한 평가수법을 검토할 필요가 있다. 본 논문에서는 전기구동버스에 대한 구동모터 시스템을 다이나모미터 상에서 운전하여, 노선버스의 운행패턴을 반영한 모의운전을 실시, 가속성능 및 에너지변환효율, 회생효과의 평가방법 등을 고찰하였다. 그 결과 실 주행 패턴운전에 대한 모터일률, 전력량 등의 계측으로부터 모터 변환효율은 90% 전후, 회생전력량은 요구전력량의 40% 이상으로 평가되었다.
최근, 승용차는 물론 대형차에서도 하이브리드시스템 등의 전기동력방식을 도입하려는 연구개발이 활발하다. 기존의 내연기관을 대체하는 전기구동모터를 이용하여 차량을 구동하는 전기동력방식을 채용하는 것이 한층 더 효율적이며 가속성능, 승차감 등의 면에서도 유리한 점이 많다. 그러나 모터는 엔진과 전혀 다른 특징을 갖기 때문에 동력성능과 에너지효율에 관한 적합한 평가수법을 검토할 필요가 있다. 본 논문에서는 전기구동버스에 대한 구동모터 시스템을 다이나모미터 상에서 운전하여, 노선버스의 운행패턴을 반영한 모의운전을 실시, 가속성능 및 에너지변환효율, 회생효과의 평가방법 등을 고찰하였다. 그 결과 실 주행 패턴운전에 대한 모터일률, 전력량 등의 계측으로부터 모터 변환효율은 90% 전후, 회생전력량은 요구전력량의 40% 이상으로 평가되었다.
Recently, research and development of a hybrid system for passenger cars as well as for heavy-duty vehicles has become more intensive. An electric powertrain system using an electric motor can replace conventional gasoline and diesel engines. The electric motor has a higher efficiency, better accele...
Recently, research and development of a hybrid system for passenger cars as well as for heavy-duty vehicles has become more intensive. An electric powertrain system using an electric motor can replace conventional gasoline and diesel engines. The electric motor has a higher efficiency, better acceleration performance, and is more comfortable than conventional powertrain systems; however, new methods for assessing power performance and energy convergence efficiency have to be investigated because the characteristics of an electric motor are entirely different from those of an internal combustion engine (ICE). In this study, an experiment was carried out on a motor (PMSM: Permanent Magnet Synchronous Motor) test bench. One simple driving mode and four other driving modes identified from real-world driving data of a city bus were selected to perform the experiment on the motor test bench. Then, methods for assessing the acceleration performance, energy convergence efficiency, regenerative effect, etc., were investigated. It was found that the energy efficiency of PMSM was about 90% and that 40% of demand energy was regenerated.
Recently, research and development of a hybrid system for passenger cars as well as for heavy-duty vehicles has become more intensive. An electric powertrain system using an electric motor can replace conventional gasoline and diesel engines. The electric motor has a higher efficiency, better acceleration performance, and is more comfortable than conventional powertrain systems; however, new methods for assessing power performance and energy convergence efficiency have to be investigated because the characteristics of an electric motor are entirely different from those of an internal combustion engine (ICE). In this study, an experiment was carried out on a motor (PMSM: Permanent Magnet Synchronous Motor) test bench. One simple driving mode and four other driving modes identified from real-world driving data of a city bus were selected to perform the experiment on the motor test bench. Then, methods for assessing the acceleration performance, energy convergence efficiency, regenerative effect, etc., were investigated. It was found that the energy efficiency of PMSM was about 90% and that 40% of demand energy was regenerated.
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문제 정의
본 논문에서는 전기구동버스에 대한 구동모터 시스템을 다이나모미터 상에서 운전하여, 노선버스의 운행패턴을 반영한 모의운전을 실시함으로써 가속성능, 에너지변환효율 및 회생효과 등에 대하여 구동모터시스템을 평가하였다.
본 연구에서는 영구자석식 동기형모터 2 기를 탑재한 전동노선버스를 모의시험 대상으로 하고, 실차의 1/2 규모로 다이나모 상에서 운전을 실시 하여 전기구동 모터시스템을 평가한 결과, 하기와 같은 결과를 얻을 수 있었다.
제안 방법
다이나모미터 실험은 모의차량의 모터시스템1 기를 다이나모미터에 설치하고, 부하로써 설정하는 관성 질량과 주행저항을 차량 1 대의 절반으로 설정하여, 실차주행 1/2 상당의 규모로 모의 운전을 수행 하였다. Fig.
조작 화면 에 표시된 이들 주행모드를 추종할수 있도록 인버터 가감속 핸들의 조작에 의해 다이나모 미터의 모의주행을 실시하였으며, 회생제동시 제동력이 부족할 경우 마찰제동을 병행하였다. 모터의 기계출력은 토크와 회전속도의 측정값으로 연산 하였으며, 인버터의 직류전력과 모터본체의 삼상교류 전력은 Fig. 1 에 나타낸 바와같이 크램프식 전력계로 각각 연속 측정하였다.
본 연구에서 설정한 모터구동 시스템은 버스 주행모드에 따라 다이나모미터에서 운전을 실시하는 것이 바람직하나, 이들 운전모드는 다수의 트립(차량이 발진하여 가감속을 거쳐 정지에 이르기까지의 최소단위)으로 구성되어 있으며 복잡하기 때문에 단순한 트립과 단순한 가속, 감속의 패턴에서 모터시스템의 평가수법을 고찰하였다. 가속과 감속패턴을 Table 3 에 표시한다.
조작 화면 에 표시된 이들 주행모드를 추종할수 있도록 인버터 가감속 핸들의 조작에 의해 다이나모 미터의 모의주행을 실시하였으며, 회생제동시 제동력이 부족할 경우 마찰제동을 병행하였다. 모터의 기계출력은 토크와 회전속도의 측정값으로 연산 하였으며, 인버터의 직류전력과 모터본체의 삼상교류 전력은 Fig.
대상 데이터
동력발생원은 향후 보급이 예상 되는 in-Wheel Motor 방식의 전기 모터 2 기를 탑재한 방식으로 하였으며, 효율이 뛰어난 인버터제어 영구자석식 동기형모터로 선정하였다. (1)본 연구의 주 대상은 중형버스로 하였다.
Table 2 는 다이나모미터 운전에 이용하는 버스주행 모드를 나타낸다. 다양한 주행환경 및 도로환경에 따른 상용하이브리드 자동차의 평가를 위해 단순가감속 모드 및 도심부의 버스 실차주행 차속 데이터로부터 취득한 4 종류의 과도주행모드를 평가모드로 선정하였다. 노선 A 는 역과 주택단지, 노선 B 는 두개의 철도역을 연결하는 교외노선이다.
모의차량은 일반적인 상용디젤 차량을 베이스로 하여 차량탑재 발전기, 축전장치 또는 외부충전을 주 전원으로 하는 중형 및 대형 전기 버스로 선정하였다. 동력발생원은 향후 보급이 예상 되는 in-Wheel Motor 방식의 전기 모터 2 기를 탑재한 방식으로 하였으며, 효율이 뛰어난 인버터제어 영구자석식 동기형모터로 선정하였다. (1)본 연구의 주 대상은 중형버스로 하였다.
Table 1 은 모의차량의 제원과 다이나모미터의 설정을 나타낸다. 모의차량은 일반적인 상용디젤 차량을 베이스로 하여 차량탑재 발전기, 축전장치 또는 외부충전을 주 전원으로 하는 중형 및 대형 전기 버스로 선정하였다. 동력발생원은 향후 보급이 예상 되는 in-Wheel Motor 방식의 전기 모터 2 기를 탑재한 방식으로 하였으며, 효율이 뛰어난 인버터제어 영구자석식 동기형모터로 선정하였다.
성능/효과
(1) 실 주행 패턴운전에 대한 모터일률, 전력량 등의 계측으로부터 모터 변환효율은 90% 전후이고, 회생전력량은 요구전력량의 40% 이상으로 평가되었다.
(2) 가감속의 완급 차이가, 전후의 정속주행을 포함한 주행거리당 입·출전력량에 미치는 영향은미미하였으며, 가감속시의 모터효율은 90%를 상회하고 정속주행과 비교하여 약 6~8% 정도 높은 값을 나타내었다.
(3) 대상차량을 대형버스로 할 경우, 중형버스와 비교하여 전력, 전력량은 35~50% 증대하지만 모터효율은 구동시, 90% 전후로 중형버스와 거의 동등하며 회생제동시에는 93~95%로 중형버스 결과를 약산 상회하였다.
한편, 승객(특히 입석승객)의 입장에서는 승차감의향상, 운행 측면에서는 소요시간의 단축을 기대할수 있기 때문에 동력성능의 개선도는 높다고 판단 된다. (3) 차량과 모터의 가속에 있어서, 토크는 거의 일정하며 기계출력은 차속에 비례하여 상승한다. 교류전압과 역률(cosθ )는 차속, 모터회전과 함께 상승하지만, 교류전류는 거의 일정하고 교류전력은 차속과 모터회전속도에 비례한다.
한편, 기계에너지→전기에너지 변환효율은 모터 출력 측에서 배터리에 축적되는 에너지 회생을 의미하며, 전기에너지→기계에너지 변환효율의 역으로 정의하였다. 구동시의 효율을 요구전력량에 대한 모터일량의 비율로 평가하면, 교류전력량에서는 89~94%, 직류전력량 에서는 85~90%, 수정직류전력 량에서는 82~88%이다. 한편 회생시의 효율을 모터일량에 대한 회생전력량의 비율로 평가하면 구동시보다 약간 높은 값을 나타낸다.
10 에서 교류회생전력은 제동초기에 상승한 후 감소하며, 교류전류는 제동토크와 유사한 경향을 보인다. 이들의 결과로부터, 영구자석동기모터의 토크 측정은 토크계를 사용하지 않고도 클램프식 교류전류 계의 측정값으로부터 추정이 가능하다고 사료된다.
참고문헌 (9)
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