[논문]SUV EREV의 주행평가를 통한 배터리 SOC 제어 특성에 관한 연구

정태철; 김재환; 김선경; 선진; 김석명; 강동우; 노윤주

doi:10.7467/ksae.2014.22.2.044

SUV EREV의 주행평가를 통한 배터리 SOC 제어 특성에 관한 연구
A Study on the Characteristics of Battery SOC Management for SUV Extended Range EV 원문보기

한국자동차공학회논문집 = Transactions of the Korean Society of Automotive Engineers, v.22 no.2, 2014년, pp.44 - 51

정태철 (쌍용자동차 차량개발센터) , 김재환 (쌍용자동차 차량개발센터) , 김선경 (쌍용자동차 차량개발센터) , 선진 (쌍용자동차 차량개발센터) , 김석명 (쌍용자동차 차량개발센터) , 강동우 (쌍용자동차 차량개발센터) , 노윤주 (쌍용자동차 차량개발센터)

Abstract ▼ AI-Helper

This paper describes system definition of the extended range EV and presents cruising strategy of EV mode and ER mode. Also high voltage battery strategic SOC could be indicated and compared depends on various generator working cycles. A C-segment SUV has been produced and carried out cruising test in order to validate on highway, city and hill climbing road. This paper shows advantages and disadvantages of SOC variation on each road environments and presents the strategies as the cruising test results. On the basis of the test result, this paper suggests future works and research directions for strategy of battery management to extended range EV.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

4의 주행코스로 장거리 테스트 주행을 실시하였으며 이에 대한 배터리 SOC 변화 특성 및 엔진발전기의 발전량 등을 Highway mode를 통해 고속주행 및 추월가속 성능 위주로 테스트 하였고, 산악지역 도로를 주행함으로써 등판 시 충전 및 SOC 변화량에 대해 테스트 하였다. 또한 구동 모터의 출력을 도로 상황에 맞추어 적절히 제한하는 로직을 적용한 운행 결과에 대해서도 테스트 하였고 결과에 대해 기술한다.
또한 도로 상황에 따라 배터리 SOC 변화량 및 엔진 발전기의 제어 전략 들을 시험하고 각각의 장단점을 정의하고 이에 대한 연구 방향을 제시한다.
본 논문은 엔진 발전기의 용도가 고전압 배터리를 충전하는 역할만을 하는 직렬형하이브리드 시스템을 적용한 C-Segment급 SUV EREV를 제작하여 도심, 국도 및 고속도로와 산악지대(등판로)를 주행함으로써 고전압 배터리와 발전용 엔진에 대한 특성을 분석하고 실차 주행 테스트 결과를 바탕으로 고전압 배터리의 SOC 변화 및 제어특성에 대해 기술한다.
본 연구는 EREV인 C-Segment급 SUV 차량을 제작하여 다양한 도로 상황별 주행 평가를 실시하였으며 도로 상황별 SOC 변화 특성 및 전략에 대해 정의 하였다.

제안 방법

3) ER mode, 즉 배터리 충전 주행 모드인 Engine Generator (Genset) 구동 주행 시 SOC 운영 전략별 ‘상승’, ‘유지’, ‘감소’의 장·단점에 대해서 설명 하였고, 그 결과를 바탕으로 향후 개선점 및 연구방향에 대해 제시하였다.
Fig. 3의 시스템과 같은 직렬형하이브리드 차량을 제작하여 Fig. 4의 주행코스로 장거리 테스트 주행을 실시하였으며 이에 대한 배터리 SOC 변화 특성 및 엔진발전기의 발전량 등을 Highway mode를 통해 고속주행 및 추월가속 성능 위주로 테스트 하였고, 산악지역 도로를 주행함으로써 등판 시 충전 및 SOC 변화량에 대해 테스트 하였다. 또한 구동 모터의 출력을 도로 상황에 맞추어 적절히 제한하는 로직을 적용한 운행 결과에 대해서도 테스트 하였고 결과에 대해 기술한다.
6은 제작된 SUV급 EREV 차량을 이용한 평택-부산간의 고속도로 주행 전체의 Logged data를 나타낸다. Fig. 5에서 언급한 엔진발전기 구동 로직을 이용하여 초기출발 시 EV mode로 주행하였으며 배터리 SOC가 정의된 수준으로 하강 도달하였을 때 엔진발전기를 구동하였다. 위 그림에서와 같이 초기 배터리 SOC의 변화량이 급격히 줄어듦을 볼 수 있지만 엔진발전기 On 이후의 SOC는 소폭 증가하는 것을 확인 할 수 있다.
GM Volt 차량 시스템의 경우 외부 전력 및 차량에 탑재된 엔진 발전기로부터 공급받은 전기에너지는 16kwh급 고전압 배터리에 저장되고, 이 에너지로 모터를 구동하게 된다. 순수 전기에너지로 약 64km를 주행 후 차량에 장착된 55kw급 엔진 발전기(Engine generator or Genset)를 구동하여 소진된 배터리를 충전하며 주행한다. 엔진 발전기와 구동모터는 유성기어와 연결되어 발전 및 동력 전달에 관여하게 된다.
이 차량을 이용하여 여러 가지 도로 환경에 따른 주행테스트를 실시하였다.
주행거리 확보를 위한 전략 중 하나로써 차량에서 요구하는 구동 토크량과 엔진발전기의 충전량을 감안하여 출력을 제한한 후 주행 테스트를 실시하였다.
위 그림에서와 같이 초기 배터리 SOC의 변화량이 급격히 줄어듦을 볼 수 있지만 엔진발전기 On 이후의 SOC는 소폭 증가하는 것을 확인 할 수 있다. 휴게소 정지 후 재시동시 운행 중 충전된 배터리 에너지로 순수 EV mode로 일정구간 운행 후 다시 정해진 SOC 하강 도달 시 엔진발전기가 On 되는 사이클을 반복하여 주행하였다. 또한 추월 가속 구간에서는 차량이 요구하는 순간적 동력이 크게 발생하므로 배터리 SOC 또한 감소함을 확인하였다.

대상 데이터

본 연구에서는 직렬형 하이브리드 형식의 SUV 차량을 제작하였으며 그 시스템은 아래 Fig. 3과 같다. 이 차량을 이용하여 여러 가지 도로 환경에 따른 주행테스트를 실시하였다.

성능/효과

1) Highway 주행시 EV mode SOC 변화량은 급격히 ‘감소’하였으나 ER Mode 시 대체적으로 ‘유지’ 또는 ‘상승’ 으로 나타났다.
2) 차량의 구동 모터 출력을 엔진발전기의 발전량을 감안한 수준으로 제한하여 주행 테스트를 실시한 결과 Highway 주행 시 추월 가속 경우 불만족한 성능을 보였지만 대체적으로 안정적인 주행을 확인 하였고, Uphill 구간에서 출력 제한 주행 경우 SOC 변화량이 ‘유지’되는 것을 확인하였으나 등판 능력의 한계성을 확인하였다.
그러나 가속추월 등의 높은 출력 요구 시 SOC 변화량은 ‘감소’를 확인하였고, Uphill 경우 ER mode 운행 시 전반적으로 ‘감소’를 나타내었다.
휴게소 정지 후 재시동시 운행 중 충전된 배터리 에너지로 순수 EV mode로 일정구간 운행 후 다시 정해진 SOC 하강 도달 시 엔진발전기가 On 되는 사이클을 반복하여 주행하였다. 또한 추월 가속 구간에서는 차량이 요구하는 순간적 동력이 크게 발생하므로 배터리 SOC 또한 감소함을 확인하였다.
그러나 EV mode에서의 주행거리가 감소되는 단점이 존재 한다. 실제 Uphill Test 시 등판로 진입 이전 엔진발전기를 미리 가동하여 배터리 SOC를 상승조건으로 만들었을 시 정상까지의 SOC 감소가 다소 적다는 장점이 있었지만 EV Mode의 주행 거리가 짧다는 단점을 확인 할 수 있었다. 이는 엔진발전기를 가동하는 시점이 중요하며 배터리 SOC 사용 영역에 대한 전략도 필요할 것이다.
제작된 EREV 차량을 이용하여 고속도로나 국도 주행 결과 엔진발전기 Mode 주행 시 배터리 SOC가 소폭 증가하는 결과를 얻은 바 있다.
주행 테스트 결과 Highway 및 Uphill 환경에서 토크 출력 제한 로직을 이용했을 시 Fig. 12의 배터리 SOC ‘유지’ 결과를 얻을 수 있었지만, 순간 추월 및 등판의 경우 SOC 감소에 대한 불안감과 주행 성능에 불만이 있다는 단점이 있다.

후속연구

또한 여러 가지 상황별 주행 시나리오를 수립하여 등판성능, 연비, 가속성능에 대한 상세 비교 평가와 도심주행 및 고속주행 상황에 따른 주행 전략에 대한 연구를 진행 예정이다.
또한 운전자의 운행 패턴과 고객 니즈등을 고려하고 주행 종료 시점에서의 SOC 수준에 대한 만족도 등도 고려해야 할 것이다. 결국 SOC수준이 높을수록 발전을 많이 한 결과이므로 연비 측면에서는 불리한 결과일 것이기 때문이다.
또한 차량 운행 모드 별 주행거리 확장을 위한 배터리 SOC유지 전략에 대해 구체적인 대책을 위해 여러 가지 사항이 보충되어 시험되어야 할 것이다. 예를 들어 전기자동차의 주행거리 단축 요인의 중요한 요소 중 HVAC System인 Climate control과 외기온도에 따른 배터리 셀 특성 변화 등을 감안한 시험 환경이 필요할 것이다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	EREV의 장점은 무엇인가?	EREV는 전기 에너지를 사용하는 구동모터와 내연기관을 탑재한 하이브리드 시스템으로써 HEV와 PHEV의 중간적 개념의 친환경 자동차라고 할 수 있다. 엔진 발전기를 통해 발전된 전기 에너지를 고전압 배터리에 충전함으로써 주행거리를 확대할 수 있는 장점을가진 자동차이다.2)
	EREV은 무엇인가?	EREV는 전기 에너지를 사용하는 구동모터와 내연기관을 탑재한 하이브리드 시스템으로써 HEV와 PHEV의 중간적 개념의 친환경 자동차라고 할 수 있다. 엔진 발전기를 통해 발전된 전기 에너지를 고전압 배터리에 충전함으로써 주행거리를 확대할 수 있는 장점을가진 자동차이다.
	전기자동차 분야의 육성이 더디게 일어나는 근본적인 이유는 무엇인가?	그럼에도 불구하고 당초 예상과는 달리 글로벌 경제적 위기 및 기술개발의 한계 등으로 인해 시장 확대가 더디게 진행되고 있는 실정이다. 이에 대한 근본적 이유 중 하나로써 기술 개발의 한계를 꼽을 수 있다. 고전압 배터리의 높은가격과 PEV(Pure EV)의 한정된 주행 거리 등이 그 이유이다.

참고문헌 (12)

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원문보기 상세보기
Toyota, Hybrid Vehicle Dismantling Manual, 2009.
K. Kamichi and M. Yamamoto, "Development of Plug-in Hybrid System for Midsize Car," SAE 2012-01-1014, 2012.
T. C. Jeong, "A Study on Strategy of Battery SOC for Extended Range EV as Vehicle Cruising Test," KSAE Spring Conference Proceedings, pp.1757-1761, 2013.

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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