[논문]전기자동차 및 내연기관 자동차의 최대 주행 거리 비교 분석

김정민

doi:10.7467/ksae.2013.21.3.105

전기자동차 및 내연기관 자동차의 최대 주행 거리 비교 분석
Comparative Analysis of Maximum Driving Range of Electric Vehicle and Internal Combustion Engine Vehicle 원문보기

한국자동차공학회논문집 = Transactions of the Korean Society of Automotive Engineers, v.21 no.3, 2013년, pp.105 - 112

Abstract ▼ AI-Helper

In this paper, EV (Electric Vehicle) and ICE (Internal Combustion Engine) vehicle simulators are developed to compare maximum driving range of EV and ICE vehicle according to different driving patterns. And, simulations are performed for fourteen constant velocity cases (20, 30, 40, ${\ldots}$, 150 km/h) and four different driving cycles. From the simulation results of constant velocity, it is found that the decreasing rate of maximum driving range for EV is larger than the one for ICE as both the vehicle velocity and the driving power increase. It is because the battery efficiency of EV decreases as both the velocity and the driving power increase, whereas the engine and transmission efficiencies of ICE vehicle increase. From the results of four driving cycle simulation, the maximum driving range of EV is shown to decrease by 50% if the average driving power of driving cycle increases from 10 to 20kW. It is because the battery efficiency decreases as the driving power increases. In contrast, the maximum driving range of ICE vehicle also increases as the average driving power of driving cycle increases. It is because the engine and transmission efficiencies also increase as the driving power increases.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

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문제 정의

본 연구에서는 각기 다른 차량 속도 및 4개의 인증 사이클을 주행 하였을 때의 최대 주행 거리를 비교 분석하고자 한다. 각기 다른 차량속도에 따라 최대 주행거리 특성 분석을 수행하고, 그 결과를 바탕으로 전기자동차의 최대 주행 거리가 4개의 인증 사이클에 따라 차이가 나는 이유를 비교 분석한다.
이 연구에서는 전기자동차 및 내연기관 자동차의 최대 주행 거리를 비교 분석 하였다. 이를 위하여 전기자동차 및 내연기관 자동차 성능 분석 시뮬레이터를 개발하였으며, 각기 다른 차량속도 및 NEDC, UDDS, HWFET, US06 4개의 인증 사이클을 주행 하였을 때의 최대 주행 거리 시뮬레이션을 수행하였다.
이 연구에서는 전기자동차 및 내연기관 자동차의 최대 주행거리 분석을 위하여 전기자동차 및 내연기관 자동차 성능 분석 시뮬레이터를 개발하였다.
이에 이 연구에서는, 전기자동차가 기존의 내연기관 자동차와 동등한 주행 거리 성능을 가질 수 있으며, 주행상황에 따른 주행 거리 성능이 차이가 나는지 여부를 판단할 수 있도록, 두 자동차의 최대 주행 거리를 비교 분석하고자 한다.
또한, 전기자동차는 내연기관 자동차에 비하여 회생제동 수행을 통한 제동에너지 회수가 가능하기 때문에, 제동상황을 포함하는 주행 상황에서의 최대 주행거리 평가가 요구된다. 이에 이 절에서는 미국, 유럽등에서 사용되는 4개의 인증 사이클을 주행 하였을 때의 전기자동차 및 내연기관 자동차의 최대 주행 거리 및 이때의 동력원 효율 특성을 분석 하고자 한다.

제안 방법

3.1절에서는 특정 차속에서 정속 주행시 최대 주행거리와 그때의 동력원 효율 특성 분석을 수행 하였다. 하지만, 특정 속도 구간이 실제 차량 주행에 어느 정도 사용되며, 이에 따라 차량 최대 주행 거리에 영향을 미치는지 평가할 필요가 있다.
본 연구에서는 각기 다른 차량 속도 및 4개의 인증 사이클을 주행 하였을 때의 최대 주행 거리를 비교 분석하고자 한다. 각기 다른 차량속도에 따라 최대 주행거리 특성 분석을 수행하고, 그 결과를 바탕으로 전기자동차의 최대 주행 거리가 4개의 인증 사이클에 따라 차이가 나는 이유를 비교 분석한다.
^14,15) 내연기관 자동차의 동력원인 휘발유는 주유량과 상관없이 늘 동일한 조건을 가지므로, 내연기관 자동차의 시뮬레이션 결과는 단위 연료당 주행거리(km/L)로 도출하였다. 다만, 엔진이 차가울때(Cold)와 뜨거울때(Hot) 결과가 다르나, 본 연구에서는 뜨거운 경우의 결과만 도출하였다. 시뮬레이션 결과는UDDS모드는 16.
이 시뮬레이터는 집중질량 기반 차량동역학 모델과 모터, 배터리, 감속기 등의 파워트레인 모델 및 차량 주행을 위한 제어 로직 모델을 포함하고 있다. 모터, 배터리, 감속기 등의 파워트레인 모델은 각 요소별 특성식 및 실험값을 기반으로 모델링 하였다. 본 연구의 전기자동차 시뮬레이터에 사용된 파라미터는Table 1과 같다.
이 시뮬레이터는 집중질량 기반 차량동역학 모델과 엔진, 토크컨버터를 포함한 자동변속기 등의 파워트레인 모델 및 차량 주행을 위한 제어로직 모델을 포함하고 있다. 엔진 및 자동변속기 등의 파워트레인 모델은 각 요소별 특성식 및 실험값을 기반으로 모델링하였다.
이 연구에서 개발한 내연기관 자동차 시뮬레이터의 성능을 검증하기 위하여 UDDS(Urban Dynamometer Driving Schedule) 및 HWFET(Highway Fuel Economy Test)사이클의 시뮬레이션을 수행하였다. 위 두 모드를 선택한 이유는, 공개된 차량 시험 결과가 대부분 UDDS 및 HWFET 모드로 수행되었기 때문이다.
이 연구에서는 전기자동차 및 내연기관 자동차의 최대 주행 거리를 비교 분석 하였다. 이를 위하여 전기자동차 및 내연기관 자동차 성능 분석 시뮬레이터를 개발하였으며, 각기 다른 차량속도 및 NEDC, UDDS, HWFET, US06 4개의 인증 사이클을 주행 하였을 때의 최대 주행 거리 시뮬레이션을 수행하였다. 시뮬레이션 결과는 다음과 같다.
전기자동차 및 내연기관 자동차의 차량 속도별 최대 주행 거리를 분석하기 위하여, 차량속도 20km/h부터 10km/h 간격으로 증가시켜, 차량속도 150km/h까지 총 14회의 정속주행 시뮬레이션을 수행하였다. Table 3은 이 시뮬레이션 결과를 정리한 것이다.

대상 데이터

1은 이 연구에서 개발한 전기자동차 최대 주행 거리 분석 시뮬레이터이다. 이 시뮬레이터는 집중질량 기반 차량동역학 모델과 모터, 배터리, 감속기 등의 파워트레인 모델 및 차량 주행을 위한 제어 로직 모델을 포함하고 있다. 모터, 배터리, 감속기 등의 파워트레인 모델은 각 요소별 특성식 및 실험값을 기반으로 모델링 하였다.
2는 이 연구에서 개발한 내연기관 자동차 최대 주행 거리 분석 시뮬레이터이다. 이 시뮬레이터는 집중질량 기반 차량동역학 모델과 엔진, 토크컨버터를 포함한 자동변속기 등의 파워트레인 모델 및 차량 주행을 위한 제어로직 모델을 포함하고 있다. 엔진 및 자동변속기 등의 파워트레인 모델은 각 요소별 특성식 및 실험값을 기반으로 모델링하였다.

이론/모형

이 연구에서 개발한 전기자동차 시뮬레이터의 성능을 검증하기 위하여 NEDC(New European Driving Cycle) 모드의 시뮬레이션을 수행하였다. NEDC 모드를 선택한 이유는, 공개된 차량 시험 결과가 NEDC 모드로 수행되었기 때문이다.

성능/효과

1) 차량속도가 증가하여 주행 파워가 증가하면, 전기자동차는 모터 효율은 증가하나 배터리 효율이 감소하여 전체 동력 전달 효율이 감소하며, 이에 따라 최대 주행거리 감소율이 크다.
NEDC 모드를 선택한 이유는, 공개된 차량 시험 결과가 NEDC 모드로 수행되었기 때문이다.¹³⁾ 배터리의 충전상태인 SOC(State Of Charge)가 90%에서 10%로 감소할 때, 시뮬레이션 결과는 총 주행거리는 176km를 보였으며, 이는 공개된 차량 시험 결과 최대 주행 거리 175km와 유사한 결과이다.
2) 차량속도가 증가하여 주행 파워가 증가하면, 내연기관 자동차는 엔진 및 변속기 효율이 증가하여 전체 동력 전달 효율이 증가하며, 이에 따라 최대 주행거리 감소율이 작다.
3) 전기자동차는 주행 파워가 큰 US06 주행 사이클을 주행하였을 때 NEDC, UDDS, HWFET 사이클에 비하여 평균 배터리 효율이 15% 정도 낮고, 이에 따라 최대 주행 가능 거리가 급격히 감소한다.
4) 내연기관 자동차는 평균 주행속도가 빠른 주행 사이클(HWFET, US06)이 느린 사이클(NEDC, UDDS)에 비하여 엔진 및 변속기 평균 효율이 높으며, 이에 따라 NEDC 및 UDDS와 유사한 주행 파워가 요구되는 HWFET 의 경우 전달 효율이 상대적으로 우수하여 주행 가능 거리가 약 50km 정도 더 길며, US06의 경우 큰 파워가 요구 됨에도 불구하고 전달 효율이 우수하여 NEDC 및 UDDS 와유사한주행 가능 거리를 보인다.
반면, 내연기관 자동차는 차량속도가 20km/h에서 60km/h로 증가할 때는 주행거리가 증가하였으며, 증가율은 최대 27%를 보이다 9%, 8%, 2%로 작아진다. 내연기관 자동차의 차량 속도가 60km/h에서 70km/h로 증가할 때, 주행거리는 4% 감소율을 보이며, 이후 차량속도가 10km/h 증가할 때마다 6%~12%의 주행거리 감소율을 보인다.
다만, 엔진이 차가울때(Cold)와 뜨거울때(Hot) 결과가 다르나, 본 연구에서는 뜨거운 경우의 결과만 도출하였다. 시뮬레이션 결과는UDDS모드는 16.9km/L, HWFET 모드는 22.6km/L로, 이는 공개된 차량 시험 결과 16km/L 및 24km/L와 유사한 결과이다.
5는 내연기관 자동차의 주행 속도에 따른 엔진 및 토크컨버터를 포함한 변속기의 효율과 총 전달 효율을 도시한 것이다. 엔진효율은 기존의 가솔린 내연기관 엔진과 유사한 평균 25% 내외의 효율을 보이며, 변속기는 평균 75% 내외의 효율을 보인다. 내연기관 자동차는 차량속도가 증가함에 따라 주행 파워가 증가하면서, 엔진 효율과 변속기 효율이 함께 증가하는 것을 볼 수 있다.
평균 주행속도가 빠른 주행 사이클(HWFET, US06)이 느린 사이클(NEDC, UDDS)에 비하여 엔진 및 변속기 평균 효율이 높은 것을 볼 수 있다. 이 때문에, NEDC 및 UDDS와 유사한 주행 파워가 요구되는 HWFET의 경우 전달 효율이 상대적으로 우수하여 주행 가능 거리가 약 50km 정도 더 길 수 있었으며, US06의 경우 큰 파워가 요구 됨에도 불구하고 전달 효율이 우수하여 NEDC 및 UDDS와 유사한 주행가능 거리를 보인 것이다.
위 4개 사이클에 대하여 전기자동차 및 내연기관 자동차의 주행 시뮬레이션을 수행하였으며, Table 5에 그 결과를 정리하였다. 전기자동차의 경우 UDDS를 주행하였을 때 최대 196km 주행할 수 있었으며, NEDC 및 HWFET를 주행하였을 때 176km 및 167km로 UDDS와 유사한 최대 주행거리를 보였다. 하지만, US06의 경우 최대 주행 거리가 102km로 UDDS 에 비하여 약 50% 정도 감소하는 것을 볼 수 있다.
전기자동차는 차량속도가 증가함에 따라 구동 파워가 증가하면서, 배터리 효율은 감소하고, 모터 효율은 대체로 증가하는 것을 볼 수 있다. 총 전달 효율은 차량 속도 60km/h 까지 차량속도가 증가하면서 모터 효율이 증가함에 따라 함께 증가하지만, 이후 총 전달 효율은 차량속도가 증가함에 따라 72%까지 감소한다. Fig.

후속연구

이시뮬레이션을통하여얻은결과는전기자동차 평가모드 개발, 효율 증가를 위한 주행전략 개발 및 전기자동차 동력원 선정 등에 활용될 수 있을 것으로 기대된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	전기자동차의 장점은?	화석연료의 고갈과 지구 온난화 및 공기오염 등의 문제는 친환경 그린카 개발에 대한 연구개발 투자를 가속화 시키고 있다. 특히, 전기자동차(EV: electric vehicle)의 경우 공기 오염이 크게 문제가 되는 도심지역에서 무공해 차량(ZEV: zero emission vehicle)으로서 주행될 수 있으며, 동력원인 전기를 생산하기 위하여 화석연료 뿐만 아니라 수력, 풍력, 태양광 에너지 등의 친환경 에너지를 사용할 수 있는 장점이 있기 때문에, 친환경 그린카의 최적 모델로 인정받고 있다.
	HWFET은 어떤 상황을 나타내는 사이클인가?	NEDC와 UDDS는 평균속도가 비교적 느린 주로 도심을 주행하는 상황이다. HWFET는 고속도로를 약 80~90km/h로 주행하는 상황이며, US06는 급가속과 급정거를 포함하며 고속(90~120 km/h)으로 주행하는 상황이다. 이들 사이클에 대한 최대 요구 파워와 평균파워 및 평균속도를 Table 4에 정리하였다.
	전기자동차 최대 주행 거리 분석 시뮬레이터는 어떤 모델들을 포함하고 있는가?	1은 이 연구에서 개발한 전기자동차 최대 주행 거리 분석 시뮬레이터이다. 이 시뮬레이터는 집중질량 기반 차량동역학 모델과 모터, 배터리, 감속기 등의 파워트레인 모델 및 차량 주행을 위한 제어 로직 모델을 포함하고 있다. 모터, 배터리, 감속기 등의 파워트레인 모델은 각 요소별 특성식 및 실험값을 기반으로 모델링 하였다.

참고문헌 (15)

J. Lee and B. Cho, "Modeling and Simulation of Electrical Power System of Electric Vehicle," KIEE Fall Conference Proceedings, pp.355- 358, 1996.
K. Oh, D. Kim, T, Kim, C. Kim and H. Kim, "Efficiency Measurement and Energy Analysis for a HEV Bench Tester and Development of Performance Simulator," Int. J. Automotive Technology, Vol.6, No.5, pp.537-544, 2005.

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J. Kim, K. Oh, J. Lee, J. Kim and H. Kim, "Development of 42-volt ISG Vehicle Drive Strategy and Simulator," Transactions of KSAE, Vol.13, No.3, pp.1-9, 2005.
J. Oh, S. Kim, J. Bang and H. Kim, "Modeling, Simulation, and Control of an Electric Vehicle Powertrain," KSAE Spring Conference Proceedings, pp.1779-1785, 2004.
C. Zheng, C. Shin, K. Kim, B. Lee, W. Lim and S. Kang, "Simulation Research on Electric Vehicles," KSAE Spring Conference Proceedings, pp.2363-2366, 2011.
K. Lee and S. Han, "Potential Impacts and Energy Cost of Grid-Connected Plug-in Electric Vehicles," Journal of Energy Engineering, Vol.19, No.2, pp.92-102, 2010.
D. Lee, J. Jeong, C. Shin, Y. Park and S. Cha, "A Study on the Energy Consumption of an Electric Vehicle according to Various Component Size," KSAE Annual Conference Proceedings, pp.2924-2928, 2011.
D. Lee, H. Seo, J. Jeong, Y. Park and S. Cha, "The Analysis of Energy Consumption for an Electric Vehicle under Various Driving Circumstance," Transactions of KSAE, Vol.20, No.2, pp.38-46, 2012.

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D. Karbowski, A. Rousseau, S. Pagerit and P. Sharer, "Plug-in Vehicle Control Strategy: From Global Optimization to Real Time Application," 22th International Electric Vehicle Symposium (EVS22), 2006.
B. Kil, C. Cho, Y. Pyo and G. Kim, "Optimized Strategy of Neighborhood Electric Vehicle with Driving Schedules," Transactions of KSAE, Vol.18, No.3, pp.53-59, 2010.
J. Cho and J. Choi, "Study on Sensitivity Analysis for Driving Range Improvement based on Energy Simulation of a Battery Electric Vehicle," KSAE Annual Conference Proceedings, pp.3029-3034, 2010.
Nissanhelp, Models-2012 Leaf, http://www.nissanhelp.com, 2012.
Wikipedia, Nissan Leaf, http://en.wikipedia.org/wiki/Nissan_Leaf, 2012.
Hyundai-Forums, 2012 Elantra MPG, http://www.hyundai-forums.com, 2012.
R. Kim, B. Vance, Comparison: 40 MPG Compact Sedan, http://www.motortrend.com/roadtests/sedans/1208_40_mpg_compact_sedan_comparison, 2012.

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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