시뮬레이션을 이용한 군용 직렬형 HEV 의 주행 전략에 따른 연비 성능 비교에 관한 연구 Comparison of Control Strategies for Military Series-Type HEVs in Terms of Fuel Economy Based on Vehicle Simulation원문보기
군용 차량은 일반 차량에 비하여 높은 기동 성능 및 정숙성을 요구한다. 또한 최소의 연료 보급으로 최대의 작전 수행 능력을 보유하고 있어야 한다. 시리즈 하이브리드 자동차의 경우 모터만을 이용하여 차량을 구동하므로, 정숙성이 뛰어나고 초기 기동 토크가 커 구동 성능이 뛰어나다. 또한 하이브리드화를 통하여 연비 향상 효과를 얻을 수 있다. 이와 같은 시리즈 하이브리드 차량의 경우 배터리 SOC 와 차량의 주행 상태에 따라 엔진과 발전기로 이루어진 발전 시스템에서 전기를 생산하여 차량 구동에 이용하거나 배터리를 충전한다. 발전 시스템의 작동 여부와 작동 영역을 결정하는 것이 시리즈 하이브리드 차량의 주행 전략이며 이 주행전략에 따라 연비 성능에 차이가 난다. 본 연구에서는 Thermostat, Power-Follower, Combined 주행 전략을 비교/평가 하였으며 새롭게 제안한 Combined 주행 전략을 통하여 기존 차량 대비 37%의 연비 향상 효과를 얻을 수 있었다.
군용 차량은 일반 차량에 비하여 높은 기동 성능 및 정숙성을 요구한다. 또한 최소의 연료 보급으로 최대의 작전 수행 능력을 보유하고 있어야 한다. 시리즈 하이브리드 자동차의 경우 모터만을 이용하여 차량을 구동하므로, 정숙성이 뛰어나고 초기 기동 토크가 커 구동 성능이 뛰어나다. 또한 하이브리드화를 통하여 연비 향상 효과를 얻을 수 있다. 이와 같은 시리즈 하이브리드 차량의 경우 배터리 SOC 와 차량의 주행 상태에 따라 엔진과 발전기로 이루어진 발전 시스템에서 전기를 생산하여 차량 구동에 이용하거나 배터리를 충전한다. 발전 시스템의 작동 여부와 작동 영역을 결정하는 것이 시리즈 하이브리드 차량의 주행 전략이며 이 주행전략에 따라 연비 성능에 차이가 난다. 본 연구에서는 Thermostat, Power-Follower, Combined 주행 전략을 비교/평가 하였으며 새롭게 제안한 Combined 주행 전략을 통하여 기존 차량 대비 37%의 연비 향상 효과를 얻을 수 있었다.
Military vehicles, compared to conventional vehicles, require higher driving performance, quieter operation, and longer driving distances with minimal fuel supplies. The series hybrid electric vehicle can be driven with no noise and has high initial startup performance, because it uses only a tracti...
Military vehicles, compared to conventional vehicles, require higher driving performance, quieter operation, and longer driving distances with minimal fuel supplies. The series hybrid electric vehicle can be driven with no noise and has high initial startup performance, because it uses only a traction motor that has a high startup torque to drive the vehicle. Moreover, the fuel economy can be improved if the vehicle is hybridized. In series hybrid electric vehicles, the electric generation system, which consists of an engine and a generator, supplies electric energy to a battery or traction motor depending on the vehicle driving state and battery state of charge (SOC). The control strategy determines the operation of the generation system. Thus, the fuel economy of the series hybrid electric vehicle relies on the control strategy. In this study, thermostat, power-follower, and combined strategies were compared, and a 37% improvement in the fuel economy was implemented using the combined control strategy suggested in this study.
Military vehicles, compared to conventional vehicles, require higher driving performance, quieter operation, and longer driving distances with minimal fuel supplies. The series hybrid electric vehicle can be driven with no noise and has high initial startup performance, because it uses only a traction motor that has a high startup torque to drive the vehicle. Moreover, the fuel economy can be improved if the vehicle is hybridized. In series hybrid electric vehicles, the electric generation system, which consists of an engine and a generator, supplies electric energy to a battery or traction motor depending on the vehicle driving state and battery state of charge (SOC). The control strategy determines the operation of the generation system. Thus, the fuel economy of the series hybrid electric vehicle relies on the control strategy. In this study, thermostat, power-follower, and combined strategies were compared, and a 37% improvement in the fuel economy was implemented using the combined control strategy suggested in this study.
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문제 정의
본 논문에서는 군용 직렬형 HEV 에 적용할 수 있는 주행 전략들에 대하여 시뮬레이션을 수행하여 아래와 같은 결과를 얻을 수 있었다.
본 연구에서 목표로 하는 것은 최적의 연비 성능을 보이는 주행 전략을 개발하는 것이다. 따라서 차량 동역학 모델은 종방향만 고려하여 개발하였다.
(1) 또한 ECMS (Equivalent Consumption Minimization Strategy)(1) 등의 최적화 전략이 적용되기도 하였다. 본 연구에서는 이러한 직렬형 HEV 주행전략에 더해 실차에 바로 응용이 가능한 새로운 Rule-Based 주행전략을 제시하였으며 이러한 주행 전략들을 시뮬레이션을 통하여 비교/분석함으로써 최고의 연비 성능을 구현할 수 있는 주행전략을 제시하였다.
가설 설정
발전기의 효율과 엔진의 BSFC 를 고려하였을 경우 저출력에서는 48kW, 고출력에서는 72kW 에서 전기 에너지를 발전 할 때 발전시스템의 효율이 가장 좋다. 따라서본 논문에서는 차량의 요구 출력 72kW 이하이면 발전시스템은 48kW 로 발전하면서 배터리를 이용하여 남은 출력을 보조하며, 차량 요구 출력이 72kW 이상이면 지속적으로 72kW 를 발전 하여 차량 구동에 이용하면서 모자란 출력은 배터리를 이용하여 충당한다고 가정하였다. 이와 같은 작동은 배터리 SOC 상태에 따라서 그 작동 여부가 결정되며 충방전 효율이 상대적으로 높은 SOC 영역이 유지 될 수 있도록 제어로직을 구성하였다.
배터리에서 차량을 구동하기 위하여 방전되는 에너지는 차후에 엔진을 통하여 충전이 되어야 한다. 본 연구에서는 차량이 일정 에너지를 요구할 때, 엔진 발전을 통한 직접적인 에너지 공급과 배터리로 에너지 공급 후, 차후 엔진 발전을 통한 배터리 충전을 위한 엔진 발전을 가정하여 더 적을 연료 소모를 보이는 조합을 선정하였다. 예를 들어 차량에서 50kW 의 출력을 1 초간 요구한다면 엔진은 발전기의 효율을 고려할 때 약 57.
제안 방법
또한 일반적인 디젤 차량의 연비 또한 실험을 통하여 획득하여 하이브리드화를 통하여 연비 향상율이 얼마나 될지를 비교하였다. Power Follower 주행 전략의 경우 일반적으로 직렬형 하이브리드 차량에 적용시키는 주행 전략이며 본 연구에서는 주요 변수인 SOCtarget , 엔진의 작동 영역 등에 다양한 조합을 적용하여 최고의 연비를 나타내는 조합을 사용하였다. 이와 유사하게 본 연구에서 새롭게 제시하는 Combined 주행 전략도 주요 변수에 대하여 여러 조합을 선정 한 후 최고의 연비를 보이는 조합을 선택하여 시뮬레이션에 적용하였다.
본 연구에서 목표로 하는 것은 최적의 연비 성능을 보이는 주행 전략을 개발하는 것이다. 따라서 차량 동역학 모델은 종방향만 고려하여 개발하였다. 차량 종방향 주행에 의하여 생성되는 주행부하는 아래 식과 같다.
본 연구에서 제시한 주행전략 중 Thermostat 주행 전략은 현재 개발 대상 실차에 적용되고 있는 주행 전략으로써 본 연구에서는 이 주행 전략을 적용시킨 경우를 연비의 기준으로 하였다. 또한 일반적인 디젤 차량의 연비 또한 실험을 통하여 획득하여 하이브리드화를 통하여 연비 향상율이 얼마나 될지를 비교하였다. Power Follower 주행 전략의 경우 일반적으로 직렬형 하이브리드 차량에 적용시키는 주행 전략이며 본 연구에서는 주요 변수인 SOCtarget , 엔진의 작동 영역 등에 다양한 조합을 적용하여 최고의 연비를 나타내는 조합을 사용하였다.
발전기와 모터 모델은 각각 효율맵을 이용하여 구성하였다. 전동기 모델의 경우 발전기로 작동할 때와 구동 모터로 작동할 때의 효율이 서로 역수 관계이므로 기계적 출력과 전기적 출력은 아래 식과 같은 관계를 갖는다.
본 연구에서 사용한 시뮬레이션 모델은 Fig. 3과 같이 Matlab/Simulink 를 이용하여 자체적으로 개발하였다. 시뮬레이션 방식은 운전자 모델이 없는 Backward 방식이다.
본 연구에서 제시한 주행전략 중 Thermostat 주행 전략은 현재 개발 대상 실차에 적용되고 있는 주행 전략으로써 본 연구에서는 이 주행 전략을 적용시킨 경우를 연비의 기준으로 하였다. 또한 일반적인 디젤 차량의 연비 또한 실험을 통하여 획득하여 하이브리드화를 통하여 연비 향상율이 얼마나 될지를 비교하였다.
엔진 모델은 엔진의 BSFC 맵을 이용하여 구성하였다. 즉, 주행 전략에서 엔진의 on/off 및 작동점을 결정하면 이에 따라 BSFC 맵을 기반으로 연료 소모량을 계산하였다.
FTP-72 모드를 이용하여 얻은 연비 결과는 아래 표와 같다. 연비는 SOC 변화를 고려하여 선형 보간하여 계산하였다. 연비 결과를 보게 되면 Combined 주행 전략이 Power Follower 주행 전량에 비하여 약 3%정도 연비가 높은 것을 확인할 수 있다.
따라서본 논문에서는 차량의 요구 출력 72kW 이하이면 발전시스템은 48kW 로 발전하면서 배터리를 이용하여 남은 출력을 보조하며, 차량 요구 출력이 72kW 이상이면 지속적으로 72kW 를 발전 하여 차량 구동에 이용하면서 모자란 출력은 배터리를 이용하여 충당한다고 가정하였다. 이와 같은 작동은 배터리 SOC 상태에 따라서 그 작동 여부가 결정되며 충방전 효율이 상대적으로 높은 SOC 영역이 유지 될 수 있도록 제어로직을 구성하였다.
Power Follower 주행 전략의 경우 일반적으로 직렬형 하이브리드 차량에 적용시키는 주행 전략이며 본 연구에서는 주요 변수인 SOCtarget , 엔진의 작동 영역 등에 다양한 조합을 적용하여 최고의 연비를 나타내는 조합을 사용하였다. 이와 유사하게 본 연구에서 새롭게 제시하는 Combined 주행 전략도 주요 변수에 대하여 여러 조합을 선정 한 후 최고의 연비를 보이는 조합을 선택하여 시뮬레이션에 적용하였다.
엔진 모델은 엔진의 BSFC 맵을 이용하여 구성하였다. 즉, 주행 전략에서 엔진의 on/off 및 작동점을 결정하면 이에 따라 BSFC 맵을 기반으로 연료 소모량을 계산하였다. 본 연구에서 사용한 무차원화한 BSFC 맵은 Fig.
대상 데이터
군용 직렬형 HEV 는 최대 적재 시 차량 중량이 5,500 kg 이며, 엔진은 120kW 급의 2500cc 디젤 엔진을 사용한다. 발전기도 120kW 급을 사용하며, 차량 구동에는 120kW 급 모터를 2 개 사용하여 총 240kW 의 출력성능을 확보하고 있다.
본 연구에서 목표로 하고 있는 직렬형 HEV 의 기존차량의 사진은 Fig. 1 이며 제원은 Table 1 에 나타내었다. 연구 대상 차량은 1 1/4 톤의 전술 차량이며 전자전, 병력 수송, 무기 수송 등의 다양한 용도에 사용되는 다목적 전술 차량이다.
1 이며 제원은 Table 1 에 나타내었다. 연구 대상 차량은 1 1/4 톤의 전술 차량이며 전자전, 병력 수송, 무기 수송 등의 다양한 용도에 사용되는 다목적 전술 차량이다.
이론/모형
배터리 모델은 가장 일반적으로 사용되는 내부 저항 모델을 사용하였다. 내부저항 모델의 경우 충전일 때와 방전일 때 전류값은 아래와 같은 수식으로 정의된다.
본 연구에서는 연비 평가를 위한 기준 모드로 FTP-72 모드를 사용하였다. FTP-72 모드를 이용하여 얻은 연비 결과는 아래 표와 같다.
3과 같이 Matlab/Simulink 를 이용하여 자체적으로 개발하였다. 시뮬레이션 방식은 운전자 모델이 없는 Backward 방식이다. 따라서 차량에 필요한 에너지가 차량 모델로부터 계산이 되고 이를 바탕으로 SOC 및 차량 상태에 따라 주행 전략에 의하여 배터리 충/방전 및 엔진의 작동여부가 결정이 된다.
성능/효과
(1) Thermostat 주행 전략의 경우, 구현의 용이성이 가장 뛰어났으나 연비는 가장 낮은 수치를 보였다.
(2) Power Follower 주행 전략의 경우, 엔진의 사용 작동점과 SOCtarget을 최적의 연비를 성능을 보이는 조합을 선정하였으나, Combined 주행 전략에 비하여 낮은 연비 성능을 보였다. 이는 기본적으로 배터리의 사용을 최대한 제한하는 특성에 인하여 나타난 결과이다.
(3) 본 연구에서 새롭게 제안한 Combined 주행 전략의 경우 Thermostat 주행전략과 Power Follower 주행 전략의 장점을 결합한 형태로 세 주행전략 중 가장 높은 연비 성능을 보여 주었다. 이는 배터리를 이용하여 출력을 보조하고 엔진을 요구 출력의 크기에 따라 2개의 포인트에서 작동시킴으로써 작동 효율을 최대로 끌어 올렸기 때문이다.
이와 같은 결과는 엔진에서 발전한 에너지의 흐름 효율과 배터리의 충/방전 에너지 흐름 효율을 최적화하여 연료 소모량을 최소화하여 얻은 값이다. 따라서 위의 결과를 통하여 본 연구에서 새롭게 제시한 Combined 주행 전략이 Power Follower 주행 전략이나 Thermostat 주행 전략에 비하여 연비 성능에 있어서 유리하다는 것을 알 수 있다.
연비는 SOC 변화를 고려하여 선형 보간하여 계산하였다. 연비 결과를 보게 되면 Combined 주행 전략이 Power Follower 주행 전량에 비하여 약 3%정도 연비가 높은 것을 확인할 수 있다. 또한 Thermostat 주행 전략에 비하여 5% 정도 연비가 더 높은 것을 알 수 있다.
이는 배터리를 이용하여 출력을 보조하고 엔진을 요구 출력의 크기에 따라 2개의 포인트에서 작동시킴으로써 작동 효율을 최대로 끌어 올렸기 때문이다. 이를 통하여 기존 디젤 엔진을 사용하는 전술 차량에 비하여 37% 향상된 연비 성능을 구현해 낼 수 있었다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
군용 차량이 요구되는것은 무엇인가?
군용 차량은 일반 차량에 비하여 높은 기동 성능 및 정숙성을 요구한다. 또한 최소의 연료 보급으로 최대의 작전 수행 능력을 보유하고 있어야 한다.
유가 상승 문제와 환경 문제의 대두로 인해 이에 대응하기 위한 연구 중 가장 실현 가능한 대안은 무엇인가?
최근들어 유가 상승 문제와 환경 문제의 대두로 인하여 이에 대응하기 위한 다양한 연구가 활발히 진행되고 있다. 특히 그 중에서도 하이브리드 전기 자동차(HEV)는 가장 실현 가능한 대안으로 인식되고 있다. HEV 는 내연기관과 전기 모터를 이용하여 구동되는 차량으로 동력원 구성에 따라 직렬형, 병렬형, 직병렬형으로 구분된다.
HEV는 어떻게 구분되는가?
특히 그 중에서도 하이브리드 전기 자동차(HEV)는 가장 실현 가능한 대안으로 인식되고 있다. HEV 는 내연기관과 전기 모터를 이용하여 구동되는 차량으로 동력원 구성에 따라 직렬형, 병렬형, 직병렬형으로 구분된다. 특히 직렬형의 경우 모터만을 이용하여 차량을 구동하므로 차량 구동에 엔진을 필수적으로 사용해야 하는 다른 형식의 HEV 보다 정숙성 및 초기 기동 성능이 우수하다.
참고문헌 (4)
Kim, S., 2011, "Optimal Power Distribution Strategy of Series Hybrid Electric Vehicle," Master Thesis, Hanyang University.
Jeon, K., Hwang, H., Choi, S., Kim, D. and Lee, C., 2010, "Development of Simulation Model for Whee- Motor Driven System of Exchangeable Battery Electric Bus," KSAE 2010 Annual Conference, KSAE10-A0538
Chu, L. and Wang, Q., 2001, "Energy Management Strategy and Parameteric Design for Hybrid Electric Transit Bus," 2001 SAE World Congress, 2001-01-2748.
Gao, Y., Chen, L. and Ehsani, M., 1999, "Investigation of the Effectiveness of Regeneration Braking for EV and HEV," 1999 SAE World Congress, 1999-01-2901.
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