[논문]직렬형 플러그인 하이브리드 전기 버스의 엔진 구동 전략에 따른 시뮬레이션 기반 연비 분석

김진성; 이치범; 박영일

doi:10.7467/ksae.2014.22.5.102

직렬형 플러그인 하이브리드 전기 버스의 엔진 구동 전략에 따른 시뮬레이션 기반 연비 분석
Analysis of Fuel Economy for Series Plug-in Hybrid Electric Bus according to Engine Operation Strategy Based on Simulation 원문보기

한국자동차공학회논문집 = Transactions of the Korean Society of Automotive Engineers, v.22 no.5, 2014년, pp.102 - 107

김진성 (서울과학기술대학교 기계시스템디자인공학과) , 이치범 (서울과학기술대학교 기계시스템디자인공학과) , 박영일 (서울과학기술대학교 기계시스템디자인공학과)

Abstract ▼ AI-Helper

Because of high oil prices and emission gas problems, many governments tighten regulation of fuel economy and emission gas. For Passenger car, there are many researches for plug-in hybrid electric vehicles and they are being manufactured. On the other hand, there are few researches for plug-in hybrid electric bus that is heavy commercial vehicle. In this study, analysis of fuel economy for series plug-in hybrid electric bus according to engine operation strategy based on simulation is conducted. Forward simulator is developed using Autonomie. Engine operation strategies consist on constant engine operation strategy and engine on/off operation strategy. Considering the engine operation strategy, results of vehicle speed, engine operating points and fuel economy are obtained and analyzed. As a result, engine on/off operation strategy has more advantage than constant engine operation strategy in terms of fuel economy.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 논문에서는 직렬형 플러그인 하이브리드 전기버스의 엔진 구동 전략에 대하여, 시뮬레이션을 통한 연비 분석을 수행하였다. 먼저 2절에서 대상 시스템의 구조와 시뮬레이션 프로그램 구성에 대해서 소개하였고, 3절에서는 시뮬레이션에 적용된 엔진구동 전략에 대해 설명하였다.
본 연구는 직렬형 플러그인 하이브리드 전기 버스의 엔진 구동 전략에 따른 시뮬레이션 기반 연비분석을 다루었다. 상용 프로그램인 Autonomie를 이용하여 전방향 시뮬레이션 프로그램을 구성하였고 엔진 항시 구동 전략과 엔진 On/Off 구동 전략을 개발하여 연비 시뮬레이션에 적용하였다.

제안 방법

배터리의 특정 사용 가능 범위 내에서는 순수 전기자동차로 주행을 하고 배터리의 SOC가 사용 제한 범위를 초과하게 되면 직렬형 하이브리드 형태로 전환되어 내연기관과 직렬로 연결되어 있는 제너레이터를 통해 요구되는 전기적 동력을 충족시킴으로써 총 주행거리를 증대시킬 수 있다.³⁾ 차량 구동용 모터는 최대 속도 100km/h 이상, 20% 경사각에서 20km/h정속 주행을 목표 성능으로 하여 이를 충족하는 최대 출력 120kW급 모터 두 개를 적용하였다.⁴⁾ 외부 환경 파라미터와 차량의 구체적인 제원은 Table 1과 같다.
엔진항시 구동 전략과 다르게 SOC 상태에 따라 엔진이 켜지므로 주로 엔진의 효율이 좋고 높은 파워 영역에서 구동하도록 하여 부족한 파워를 보충한다.⁷⁾ 본 연구에서는 배터리 SOC 20% 이하일 때 엔진이 켜지고 차량이 회생 제동하거나 배터리 SOC 25% 이상이면 엔진을 끄도록 구성을 하였다.
700km/l의 연비 결과를 보였다. 동일한 배터리 최종 SOC에 대해 연비 비교를 위해 엔진 항시 구동 전략에서 다수의 파워를 적용하여 연비와 배터리 최종 SOC를 구하여 엔진 출력 변화에 의해 선형적으로 보정하였다.⁹⁾ 선형적으로 보정한 엔진 항시구동전략의연비결과는26.
본 연구에서는 Autonomie내에 내장되어 있는 단품 모델을 수정하여 단품 모델링 하였고 차량 제어모델에서 엔진 구동전략을 구성하였다.
⁶⁾ 이러한 전략을 구사하는 시스템을 EREV(Extended Range Electric Vehicle)이라고도 한다. 본 연구에서는 전기 자동차 모드로 주행한 후 배터리 SOC가 20% 까지 낮아진 상태라고 가정하고 하이브리드 전기 자동차 모드로 주행하면서 배터리 SOC를 일정하게 유지하도록 하는 엔진 구동전략을 개발하였다.
본 연구는 직렬형 플러그인 하이브리드 전기 버스의 엔진 구동 전략에 따른 시뮬레이션 기반 연비분석을 다루었다. 상용 프로그램인 Autonomie를 이용하여 전방향 시뮬레이션 프로그램을 구성하였고 엔진 항시 구동 전략과 엔진 On/Off 구동 전략을 개발하여 연비 시뮬레이션에 적용하였다.
엔진 구동 전략을 제외하고 모든 구성이 동일한 시뮬레이션 프로그램에 서울시 시내버스 주행데이터를 수집하여 생성한 주행모드⁸⁾를 적용하여 연비 시뮬레이션 하였다. 엔진 항시 구동 전략의 경우 다양한 엔진 출력에 대하여 시뮬레이션을 수행하여 배터리 SOC를 20%로 유지 가능하도록 하는 엔진 출력 값을 도출하였고 엔진 On/Off 구동 전략의 경우 배터리 SOC 20%에서 ±5%를 유지하도록 배터리SOC사용 범위를 정하였다.
엔진 항시 구동 전략의 경우 다양한 엔진 출력에 대하여 시뮬레이션을 수행하여 배터리 SOC를 20%로 유지 가능하도록 하는 엔진 출력 값을 도출하였고 엔진 On/Off 구동 전략의 경우 배터리 SOC 20%에서 ±5%를 유지하도록 배터리SOC사용 범위를 정하였다.
차량 연비 시뮬레이션을 위해서 상용 프로그램인 Autonomie를 이용하여 전방향 시뮬레이션 프로그램을 구성하였다. Autonomie는 미국 Argonne National Laboratory에서 제작한 Matlab/ Simulink기반 전 방향 시뮬레이션 프로그램이다.

대상 데이터

대상 시스템은 Fig. 1과 같은 직렬형 플러그인 하이브리드 전기 버스 시스템이다. 배터리의 특정 사용 가능 범위 내에서는 순수 전기자동차로 주행을 하고 배터리의 SOC가 사용 제한 범위를 초과하게 되면 직렬형 하이브리드 형태로 전환되어 내연기관과 직렬로 연결되어 있는 제너레이터를 통해 요구되는 전기적 동력을 충족시킴으로써 총 주행거리를 증대시킬 수 있다.
제어가 비교적 단순하다는 점과 상대적으로 작은 출력의 엔진을 적용 가능하다는 점이 엔진 항시 구동 전략의 장점이며 요구되는 파워를 정격으로 출력할 수 있는 엔진이 요구된다. 본 연구에서는 정격 출력에 의한 제약에서 벗어나고자 170kW급의 비교적 큰 엔진을 적용하였다.

성능/효과

Table 2는 엔진 구동 전략에 따른 연비 시뮬레이션 결과이다. 30kW의 일정한 파워를 출력하는 엔진 항시 구동 전략과 엔진 On/Off 구동 전략은 각각 2.394km/l, 2.700km/l의 연비 결과를 보였다. 동일한 배터리 최종 SOC에 대해 연비 비교를 위해 엔진 항시 구동 전략에서 다수의 파워를 적용하여 연비와 배터리 최종 SOC를 구하여 엔진 출력 변화에 의해 선형적으로 보정하였다.
동일한 배터리 최종 SOC에 대해 연비 비교를 위해 엔진 항시 구동 전략에서 다수의 파워를 적용하여 연비와 배터리 최종 SOC를 구하여 엔진 출력 변화에 의해 선형적으로 보정하였다.⁹⁾ 선형적으로 보정한 엔진 항시구동전략의연비결과는26.7kW의constant 파워 출력일 때 2.561km/l이다.
8은 엔진 On/Off 구동 전략일 때 목표차속 추종, 배터리 SOC 경로, 배터리 전류, 전압을 나타낸 것이다. 두 가지 엔진 구동 전략 모두 목표 차속 추종에 무리가 없고 주행 사이클을 주행하는 동안 배터리 SOC 20%를 유지하는 것을 확인할 수 있다.
이것은 엔진 항시 구동 전략은 높은 효율보다는 안정적으로 파워를 출력할 수 있는 상대적으로 낮은 파워 영역에서 엔진이 작동되고 엔진 On/Off 구동 전략은 배터리 SOC가 일정 이하일 때만 엔진이 구동되기 때문에 높은 파워와 엔진 효율이 좋은 영역에서 엔진이 구동되기 때문이다. 엔진 구동 전략에 따른 연비 결과 차이가 발생하는 것을 확인하였고 해석관점에서 엔진 연비 측면에서 엔진 On/Off 구동 전략이 엔진 항시 구동 전략보다 유리하다.
10은 엔진 BSFC 맵에서 엔진 On/Off 구동 전략의 엔진 작동점을 나타낸 그림이다. 엔진 항시 구동 전략의 엔진 작동점과 다르게 높은 파워와 상대적으로 좋은 효율에서 구동되고 있는 것을 확인할 수 있다. 엔진 최적 작동점 근처에서 엔진 구동이 되고 있다.
주어진 주행모드에서 시뮬레이션을 수행한 결과에 의하면, 엔진 항시 구동 전략과 엔진 On/Off 구동전략은 각각 2.394km/l, 2.700km/l의 연비가 도출되었다. 엔진 항시 구동 전략의 연비는 배터리 SOC 변화를 보정하여 2.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	화석 연료를 에너지원으로 하는 내연기관을 대체하기위해 개발되는 자동차는 무엇이 있는가?	고유가와 지구 온난화 문제가 지속되면서 세계 각국의 연비와 온실 가스 배출 규제가 강화되고 있다. 문제의 근원인 화석 연료를 에너지원으로 하는 내연기관을 대체하기 위해 전력을 기반으로 하는 하이브리드 전기 자동차, 전기 자동차, 연료전지 자동차 등의 연구가 진행되고 있다.1) 승용급 차량의 경우 양산 단계에 이르렀고 많은 자동차 회사에서 다양한 형태의 전력기반 자동차를 출시하고 있다.
	대표적인 플러그인 하이브리드 전기 자동차는 무엇이 있는가?	하이브리드 전기 자동차와는 달리 엔진을 사용하지 않고 전기구동만으로 일정 거리까지는 주행 가능한 전기 자동차와 같은 무공해 자동차이며, 한번 충전으로 하이브리드 전기 자동차 동등 이상의 주행거리를 확보하여 잦은 충전의 불편함이 없는 자동차이다.2) 대표적으로 Toyota사의 Prius PHEV나 GM사의 Volt가 있다. 이와 더불어 승용 플러그인 하이브리드 전기 자동차에 대한 연구 및 분석은 상당 부분 이루어지고 있으나, 상용급의 플러그인 하이브리드 전기 버스에 관한 연구는 미비한 실정이다.
	플러그인 하이브리드 전기 자동차는 무엇인가?	전력 기반 자동차 중에서 플러그인 하이브리드 전기 자동차는 전기 에너지를 직접적으로 사용할 수 있는 동력전달계와 발전을 위한 내연기관을 탑재하여 전기 자동차와 하이브리드 전기 자동차의 중간적 특성을 가지는 친환경 자동차로서, 하이브리드 전기 자동차보다 강화된 저공해 성능을 확보하고 전기 자동차의 제한된 주행거리를 확대할 수 있는 자동차이다. 하이브리드 전기 자동차와는 달리 엔진을 사용하지 않고 전기구동만으로 일정 거리까지는 주행 가능한 전기 자동차와 같은 무공해 자동차이며, 한번 충전으로 하이브리드 전기 자동차 동등 이상의 주행거리를 확보하여 잦은 충전의 불편함이 없는 자동차이다.

참고문헌 (9)

M. Kim, "Standardization Strategy for Electric Vehicle," Auto Journal, KSAE, Vol.33, No.6, pp.71-74, 2011.
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J. Choi, D. Lee, J. Jeong, Y. Park and S. W. Cha, "Analysis of the Battery Sizing for E-REV BUS considering the AER," KSAE Annual Conference Proceedings, pp.2310-2314, 2012.
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H. Kim, D. Kim, C. Lee, C. Lee, J. Park and J. Lee, "The Study for Development of Seoul City Bus Driving Cycle," KSAE Annual Conference Proceedings, pp.934-939, 2010.
C. H. Zheng, C. E. Oh, Y. I. Park and S. W. Cha, "Fuel Economy Evaluation of Fuel Cell Hybrid Vehicles Based on Equivalent Fuel Consumption," International Journal of Hydrogen Energy, Vol.37, No.2, pp.1790-1796, 2012.

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