[논문]모터 및 배터리 용량에 따른 전기스쿠터 성능해석

길범수; 김강출

모터 및 배터리 용량에 따른 전기스쿠터 성능해석
The Analysis of a Electric Scooter's Performance through Motor and Battery Capacity Changing 원문보기

한국자동차공학회논문집 = Transactions of the Korean Society of Automotive Engineers, v.19 no.5, 2011년, pp.7 - 13

길범수 (한국에너지기술연구원 산업효율센터) , 김강출 (한국에너지기술연구원 산업효율센터)

Abstract ▼ AI-Helper

The climate change due to the increased consumption with fossil fuel and rise of the oil price have been serious global issues. Automobile industry consumes 30% of the oil every year and causes air pollution and global warming by the exhaust emissions and carbon dioxide ($CO_2$). The demand of two-wheeled vehicle increases every year due to the parking and traffic problem caused by the increased automobiles in the urban area. Approximately 50,000,000 two-wheeled vehicles were produced in 2008. The development and sales of the hybrid two-wheeled vehicle industry become active due to its increased market demands. In this paper, the change of the motor and battery efficiency, driving distance, hill climbing ability with the change of the motor capacity was analyzed. Simulation of the peculiarities in urban driving schedule(World-wide Motorcycle Test Cycle(WMTC), Manhattan driving schedule), constant speed(10 km/h, 35 km/h) of small electronic two-wheeled vehicle was also carried out. Through the simulation result, appropriate capacities of the motor and battery for urban driving was acquired.

주제어

AI 본문요약
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제안 방법

1) 전기스쿠터의 모터 용량에 변화를 주어 각각의 가속성능과 등판능력을 비교•분석하였다.
2) 전기스쿠터의 모터 및 배터리의 용량에 변화를 주어 정속주행 및 도심주행모드에서의 주행거리 및 에너지효율을 비교•분석하였다.
도시주행모드(Urban driving schedule)는 WMTC(World-wide Motorcycle Test Cycle)와 맨해튼 주행모드(Manhattan driving schedule)를 적용하였다. WMTC는 이륜차에 적용되는 주행모드이며, 본 연구에서 적용한 스쿠터에 적용하기 어려운 고속영역이 포함되어 있으므로 고속영역 속도를 일정비율 낮춘 WMTC reduced를 적용하였다. 맨해튼 주행모드는 뉴욕 맨해튼 지역의 버스주행 패턴을 분석하여 2000년에 제작한 모드이다.
가속성능과 등판능력은 Table 7과 같은 결과를 얻었다. 가속성능 시뮬레이션은 0~30km/h의 속도를 달성하는 시간과 가속도를 측정하였다. 가속성능은 1,500W(4sec, 2.
등판능력 및 가속성능을 평가하기 위해 각각의 모드를 적용하였다. 가속성능의 경우 초기 0km/h에서 30km/h에 도달하는 시간 및 가속도를 측정하였다. 등판능력의 경우 환경부에서 제시한 ‘2007년 전기이륜차 시행보급사업 성능시험기준’에 명시되어 있는 기준을 적용하여 주행평균속도 15km/h, 20km/h의 속도로 1km이상 주행이 가능한 경사도를 측정하였다.
등판능력 및 가속성능을 평가하기 위해 각각의 모드를 적용하였다. 가속성능의 경우 초기 0km/h에서 30km/h에 도달하는 시간 및 가속도를 측정하였다.
등판능력의 경우 환경부에서 제시한 ‘2007년 전기이륜차 시행보급사업 성능시험기준’에 명시되어 있는 기준을 적용하여 주행평균속도 15km/h, 20km/h의 속도로 1km이상 주행이 가능한 경사도를 측정하였다.
전기스쿠터의 경우 매우 복잡한 도심구간을 연속적으로 주행하는 특성을 갖고 있다. 따라서 기존의 주행모드보다 가속과 감속구간을 갖고 있는 맨해튼 모드를 적용하였다. 도시주행모드는 Table 6과 같이 구성되어 있으며, Fig.
리튬이온전지는 반복 사용되는 횟수가 많고, 자기 방전이 작으며, 메모리 효과가 없는 등 여러 가지 장점이 있는 반면에 극단적인 과충전이나 과방전시의 안전성에 문제가 발생하므로 배터리 충전 수준을 나타내는 충전량(SOC, State of Charge)의 값을 제한해야 한다. 따라서 본 연구에서는 SOC의 값을 완전충전상태 1(100%)에서 최소 0.3(30%)로 제한을 두고 시뮬레이션 하였다.
본 논문에서는 전기모터(500W, 1,000W, 1,500W) 및 배터리(20Ah, 40Ah, 60Ah, 80Ah)의 용량에 변화를 주어 각각의 주행조건에서의 전기스쿠터에 대한 시뮬레이션을 실시하였다.
본 논문에서는 전기스쿠터를 모델링하여 시뮬레이션을 통해 가속성능, 등판능력, 주행거리 및 에너지효율 등의 결과를 도출하였다.
본 연구에 적용된 전기이륜차의 시뮬레이션은 주행모드를 적용하여 주행거리 및 에너지효율을 분석하였고, 등판각도 및 가속구간을 설정하여 등판능력 및 가속성능을 분석하였다.
본 연구에서는 경사도에 따른 전기스쿠터의 등판 성능을 시뮬레이션 하였다. 동역학적으로 경사도가 전기스쿠터에 미치는 영향을 알기 위해 전기스쿠터 모델에 작용하는 중요한 힘을 Fig.
본 연구에서는 도심에서 운행되고 있는 전기스쿠터를 대상으로 모델링하여 도심주행(Urban driving schedule) 및 정속주행(Constant speed driving schedule)에서의 주행특성을 시뮬레이션(Simulation) 하였고, 모터 및 배터리 용량 변화에 따른 가속성능, 등판성능(Hill climbing ability), 주행거리 변화, 에너지 효율 및 모터 효율 등의 변화에 대해 비교 및 분석하였다.
전기스쿠터의 모터용량을 1,500W로 고정한 상태에서 배터리의 용량을 48V의 20Ah, 40Ah, 60Ah 및 80Ah로 증가시켜 Fig. 6, 7과 같은 결과를 도출하였다. 배터리 용량의 증가는 주행거리의 증가로 나타나지만 배터리 무게증가로 인해 에너지효율은 악화되었다.
전기스쿠터의 주행성능에 대한 시뮬레이션은 정속주행모드와 도시주행모드를 시행하였다. 전기스쿠터의 배터리용량을 48V, 40Ah로 고정하고 전기모터의 용량을 500W, 1,000W, 1,500W로 증가시킬 경우 주행거리는 Fig.
주행모드는 정속주행모드(Constant speed) 10km/h, 35km/h 2가지와 도시주행모드(Urban driving schedule) 2가지를 적용하였다. 정속주행모드는 일정한 속도로 주행하여 최대 SOC값 1(100%)에서 최소 SOC값 0.

대상 데이터

전기스쿠터는 50cc급 스쿠터를 대상으로 모델을 정하였고, 그에 따른 전기스쿠터의 제원은 Table 5와 같이 정하였다. 공차중량 92.8kg, 차량의 전방면적 0.55m², CD계수 0.9⁷⁾로 설정하여 시뮬레이션 하였다.
본 연구에서는 Saft Inc. 48V의 20Ah(14.0kg), 40Ah(22.8kg), 60Ah(36.2kg) 및 80Ah(47.0kg) 리튬이온전지 4종류를 사용하였다. 리튬이온전지는 반복 사용되는 횟수가 많고, 자기 방전이 작으며, 메모리 효과가 없는 등 여러 가지 장점이 있는 반면에 극단적인 과충전이나 과방전시의 안전성에 문제가 발생하므로 배터리 충전 수준을 나타내는 충전량(SOC, State of Charge)의 값을 제한해야 한다.
본 연구에서는 Unique Mobility Inc.에서 설계 제작한 500W, 1,000W 및 1,500W급 영구자석 모터를 사용하였다. Fig.
전기스쿠터는 50cc급 스쿠터를 대상으로 모델을 정하였고, 그에 따른 전기스쿠터의 제원은 Table 5와 같이 정하였다. 공차중량 92.

이론/모형

3(30%)이 되기까지 주행하였다. 도시주행모드(Urban driving schedule)는 WMTC(World-wide Motorcycle Test Cycle)와 맨해튼 주행모드(Manhattan driving schedule)를 적용하였다. WMTC는 이륜차에 적용되는 주행모드이며, 본 연구에서 적용한 스쿠터에 적용하기 어려운 고속영역이 포함되어 있으므로 고속영역 속도를 일정비율 낮춘 WMTC reduced를 적용하였다.
전기이륜차의 성능을 평가하기 위한 방법으로 앞에서 기술한 모델을 적용하였다. 본 연구에서는 MATLAB과 ADVISOR 2002를 이용하여 시뮬레이션을 수행하였다.
전기이륜차의 성능을 평가하기 위한 방법으로 앞에서 기술한 모델을 적용하였다. 본 연구에서는 MATLAB과 ADVISOR 2002를 이용하여 시뮬레이션을 수행하였다.

성능/효과

3) 배터리 용량의 증가는 주행거리의 증가로 나타나지만 배터리 무게의 증가로 에너지효율은 악화되었다. 따라서 보다 고효율 배터리의 개발이 필요하며, 동시에 주행거리 연장(Range-extender)을 위해 소형 에너지 공급 장치(Power pack)의 연구가 이루어져야 하겠다.
463m/s²)의 순으로 나타났다. 등판성능의 경우 1,500W의 모터를 장착한 전기스쿠터가 25%(15km/h), 23%(20km/h)의 가장 좋은 등판성능을 보였다.
주행거리의 경우 전기모터의 용량에 상관없이 35km/h, WMTC reduced, 10km/h, 맨해튼 주행모드 순으로 높이 나타났고, 에너지효율 또한 35km/h, WMTC reduced, 10km/h, 맨해튼 주행모드 순으로 에너지효율이 좋은 결과가 나왔다. 모터의 용량이 증가함에 따라 주행거리 및 에너지효율이 증가하는 모습을 보이고 있으나 10km/h 정속주행의 경우 모터의 용량이 500W일 때 30.

후속연구

4) 본 연구에서 실시한 시뮬레이션을 바탕으로 도로에서의 실차주행 실험 및 동력계를 이용한 성능실험을 통해 보다 신뢰성 높은 연구가 앞으로 계속되어야 하겠다.
3) 배터리 용량의 증가는 주행거리의 증가로 나타나지만 배터리 무게의 증가로 에너지효율은 악화되었다. 따라서 보다 고효율 배터리의 개발이 필요하며, 동시에 주행거리 연장(Range-extender)을 위해 소형 에너지 공급 장치(Power pack)의 연구가 이루어져야 하겠다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	이륜자동차는 어떻게 구분 지을 수 있는가?	이륜자동차(Two-wheeled vehicle)는 스쿠터(Scooters), 모페드(Mopeds), 오토바이(Motorcycles) 및 자전거(Bicycles) 등으로 구분 지을 수 있다. 저공해•친환경 이륜차는 하이브리드(Hybrid) 이륜자동차, 연료전지(Fuel-cell) 이륜자동차 및 전기(Electric) 이륜자동차 등으로 개발되거나 혹은 개발 완료되어 생산판매 되고 있다.
	자동차 산업이 매년 전 세계의 석유 에너지의 30% 이상을 소비하며 야기하는 문제는 무엇인가?	이에 국제사회는 1992년 UN 기후변화협약(United Nations Framework Convention on Climate Change, UNFCCC)을 체결하였으며 기후변화 방지를 위한 방법을 모색하고 있다. 이 중 자동차 산업은 매년 전 세계 석유 에너지의 30% 이상을 소비하며 배기가스에 의한 대기오염, 이산화탄소 배출에 의한 지구온난화 등의 문제를 야기하고 있다.1)
	전기이륜차의 단점은 무엇인가?	전기이륜차는 배터리(Battery)를 에너지원으로 사용하고 모터의 구동력으로 주행하기 때문에 배출가스가 발생하지 않는 장점을 가지고 있다. 그러나 전기에너지를 공급하는 배터리의 긴 충전시간, 배터리의 높은 가격 및 짧은 배터리 수명 등의 단점을 가지고 있다. 이러한 한계에도 불구하고 단거리 위주의 주행패턴의 특성을 갖는 이륜차의 특성으로 인해 전기이륜차에 대한 수요가 증가하고 있다.

참고문헌 (8)

R. K. Pachauri, Climate Change 2007-Synthesis Report, IPCC(Intergovernmental Panel on Climate Change) Secretariat, pp.1-73, 2008.
B. Y. Shin, 2006 Estimation of Vehicle Kilometers, Korea Transportation Safety Authority, p.239, 2006.
J. H. Lim, C. S. Lim, .Y. S. Lim, S. M. Lee, H. J. Kang and H. M. Kim, "Calculation of Air Pollutant Emission Factors for Motorcycles," Korean Society for Atmospheric Environment, Proceeding of the 48th Meeting of KOSAE, pp.171-172, 2009.
F. E. Jamerson and E. Benjamin, Electric Bikes Worldwide Reports 2009 Ninth Edn., Electric Bicycle Battery Company, pp.7-12, 2009.
Y. G. Gang, H. K. Kweon, M. S. Seo and C. Y. Park, "Development of a New Li-ion Pack-battery for Improving the Electrical Properties," Journal of the Korean Society of Manufacturing Process Engineers, Vol.8, No.2, pp.90-95, 2009.

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J. H. Park, J. S. Kim and K. S. Yoo, "Electrical Characteristics of Cathode Li ${(Mn_{1-\delta}M_{\delta})_{2}O_{4}}$ Substituted by Transition Metals in Li-ion Secondary Batteries," Journal of the Korean Ceramic Society, Vol.37, No.5, pp.466-472, 2000.
B. Lin, "Conceptual Design and Modeling of a Fuel Cell Scooter for Urban Asia," Princeton University School of Engineering and Applied Sciences Department of Mechanical and Aerospace Engineering, pp.160-165, 1999.
T. D. Gillespie, Fundamentals of Vehicle Dynamics, SAE, USA, 1992.

저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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