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문제 정의
- 본 논문에서는 내연기관과 전동모터, 배터리와 발전기로 구성된 농기계용 하이브리드 동력장치를 제작했다. 이종 동력장치의 고효율 결합을 위해 승용관리기에 적합하도록 동력 결합기(power splitter)를 개발했다[4].
- 본 논문에서는 약 20kW급의 농기계용 하이브리드 동력 시스템을 개발하고 다목적 승용관리기에 탑재하였다. 하이브리드 동력 시스템은 이종 동력인 내연기관과 전기동력을 효율적으로 결합하고 전동구조를 단순화하는데 중점을 두었고, 하이브리드 동력을 적용한 승용관리기는 기존 승용관리기의 농작업 기능을 그대로 유지하면서 연비와 출력은 높이고 배기가스를 저감하는데 기술개발 초점을 맞춰 수행하였다.
제안 방법
- 하이브리드 동력 시스템의 효율적 운전을 위해 부하 및 배터리의 충전 상태를 고려하여 모드를 선택하여 운전할 수 있도록 했다[7]. 5가지의 운전 모드가 수동 또는 알고리즘에 따라 자동으로 선택 되도록 하였으며, 각각의 모드에서 다른 모드로의 전환은 수동일 경우는 선택 스위치로, 자동일 경우는 HCU의 제어명령에 따르도록 하였다.
- 견인력 측정장치의 사양은 표 2와 같다. 견인력 측정 장치를 활용하여 각 모드별로 승용관리기의 주행단에서 최대 견인 출력을 측정했다.
- 또한, 유압제어식 농기계 주행 부하 측정 장치를 활용하여 하이브리드 승용관리기의 견인력 성능을 시험해 보았다. 견인력 측정장치의 사양은 표 2와 같다.
- 하이브리드 운전모드는 다시 전동우선 모드와 엔진우선 모드를 선택할 수 있는데, 전동우선 모드는 주 사용 동력을 전기모터로 하고, 필요에 따라 엔진 출력으로 보강하는 형태이다. 배터리의 충전량(SOC: State of Charge)이 50% 이상이고 경작지로 이동하거나 부하가 크지 않은 운반 작업, 시설 내 농작업 상황에서 이용하는 것을 고려하였다. 엔진 우선 모드는 주된 사용 동력을 가솔린 엔진으로 하고, 필요에 따라 모터 출력으로 보강하는 모드이다.
- 신호 입력으로는 엔진과 모터 회전수, 부하토크, 전압, 전류, 배터리 충전상태를 검출하기 위한 센서 입력포트를 설치하고, 스트레인게이지 신호를 증폭하여 4~20mA 신호로 변환하는 장치, 마그네틱 픽업 RPM신호를 F-V 컨버팅하여 1~10V로 변환하는 장치를 설계하였다.
- 실제 제작된 하이브리드 동력 시스템이 탑재된 승용관리 기의 성능평가를 위하여 포장로와 비포장로에서 변속 단계 별로 시험을 수행하였다. 무부하 상태에서의 이동속도는 그림 9와 같은 결과를 얻었다.
- 약 20kW급의 농업용 하이브리드 동력 시스템을 개발하고 다목적 승용관리기에 탑재하였다. 하이브리드 동력 시스템은 이종 동력인 내연기관과 전기 동력을 효율적으로 결합하고 전동구조를 단순화하는데 중점을 두었고, 하이브리드 동력을 적용한 승용관리기는 기존 승용관리기의 농작업 기능을 그대로 유지하면서 연비와 출력은 높이고 배기가스를 저감하는데 기술개발의 초점을 맞추어 수행하였다.
- 엔진 우선 모드에서의 PTO 출력 특성은 스로틀 전개방 상태에서 부하토크를 증가시키며 각각의 회전수에서 최대 출력과, 연료 소비량, 배기가스를 동시에 측정하였다.
- 스로틀 페달에는 가솔린 엔진의 스로틀과 모터의 스피드를 동시에 조절하도록 potentiometer를 부착하였다. 운전 모드에 따라 스피드 센서와 토크 센서 데이터를 피드백 받아 HCU (Hybrid power Control Unit)가 엔진과 모터의 스로틀 개도와 모터의 회전 속도를 제어하도록 했다. HCU 보드는 main ECU로 TI (Texas Instruments)사의 TMS320F28335 마이크로컨트롤러를 사용했다.
- 엔진 구동(Engine, ENG) 모드는 모든 사용 동력을 엔진으로만 제공하는 모드이다. 중간 부하의 운전에 적합하도록 하였으며, 연료효율을 높이기 위해 발전부하를 제어하며 여분의 출력으로 발전기를 구동하여 상시 충전하도록 하였다. 모터 또는 전기계통에 고장이 있거나 충전량이 부족할 경우 자동으로 엔진모드로 전환되도록 하였다.
- 하이브리드 기관의 성능을 평가하기 위해 전작용 승용관리기에 탑재하여 PTO 출력을 농업기술실용화재단이 보유한 다이나모 시스템에 연결하여 제동 부하에 따른 각 운전 모드별 작동 특성을 평가하였다. 성능평가에 사용된 와류형 엔진 동력계(Eddy Current Engine Dynamometer)는 최대 측정출력이 250kW이고, 최대 측정 회전수는 7000rpm 이며, 최대 측정 가능한 토크는 405N·m 이다.
- 약 20kW급의 농업용 하이브리드 동력 시스템을 개발하고 다목적 승용관리기에 탑재하였다. 하이브리드 동력 시스템은 이종 동력인 내연기관과 전기 동력을 효율적으로 결합하고 전동구조를 단순화하는데 중점을 두었고, 하이브리드 동력을 적용한 승용관리기는 기존 승용관리기의 농작업 기능을 그대로 유지하면서 연비와 출력은 높이고 배기가스를 저감하는데 기술개발의 초점을 맞추어 수행하였다.
- 본 논문에서는 약 20kW급의 농기계용 하이브리드 동력 시스템을 개발하고 다목적 승용관리기에 탑재하였다. 하이브리드 동력 시스템은 이종 동력인 내연기관과 전기동력을 효율적으로 결합하고 전동구조를 단순화하는데 중점을 두었고, 하이브리드 동력을 적용한 승용관리기는 기존 승용관리기의 농작업 기능을 그대로 유지하면서 연비와 출력은 높이고 배기가스를 저감하는데 기술개발 초점을 맞춰 수행하였다.
- 하이브리드 동력 시스템의 효율적 운전을 위해 부하 및 배터리의 충전 상태를 고려하여 모드를 선택하여 운전할 수 있도록 했다[7]. 5가지의 운전 모드가 수동 또는 알고리즘에 따라 자동으로 선택 되도록 하였으며, 각각의 모드에서 다른 모드로의 전환은 수동일 경우는 선택 스위치로, 자동일 경우는 HCU의 제어명령에 따르도록 하였다.
- 하이브리드 승용관리기의 성능을 평가하기 위해 PTO 출력단을 와류식 동력계(Eddy Current Engine Dynamometer)에 연결하여 각각의 운전 모드에서 회전수와 부하를 달리하며 연료소비량, 배기가스(NOx, CO, CO2 등) 출력을 측정했다.
대상 데이터
- 운전 모드에 따라 스피드 센서와 토크 센서 데이터를 피드백 받아 HCU (Hybrid power Control Unit)가 엔진과 모터의 스로틀 개도와 모터의 회전 속도를 제어하도록 했다. HCU 보드는 main ECU로 TI (Texas Instruments)사의 TMS320F28335 마이크로컨트롤러를 사용했다. 32-Bit CPU로 150MHz로 구동이 가능하다.
- 성능평가에 사용된 와류형 엔진 동력계(Eddy Current Engine Dynamometer)는 최대 측정출력이 250kW이고, 최대 측정 회전수는 7000rpm 이며, 최대 측정 가능한 토크는 405N·m 이다. 계측용 부대장비로서 연료 유량계, 연료 온도 조절기, 오일 온도 조절기, 냉각수 온도 조절기, 흡입 공기 유량 측정기, 배기가스 분석기, 스모크 메타 등을 같이 사용하였다.
성능/효과
- 그림 4에서 보는 바와 같이 전기 구동 즉, 전동 모드의 PTO 출력 특성은 전류에 비례해 선형적으로 나타났으며, 최대 출력은 정격보다 약 20% 증가한 6.1kW까지의 부하에 대응하는 것으로 나타났다. 최대 출력에서의 배터리 전압 (47.
- 하이브리드 동력 시스템은 이종 동력인 내연기관과 전기 동력을 효율적으로 결합하고 전동구조를 단순화하는데 중점을 두었고, 하이브리드 동력을 적용한 승용관리기는 기존 승용관리기의 농작업 기능을 그대로 유지하면서 연비와 출력은 높이고 배기가스를 저감하는데 기술개발의 초점을 맞추어 수행하였다. 또한, 전동 모드, 엔진 모드와 같이 단일 동력 시스템보다 하이브리드 동력 시스템을 활용하면 보다 높은 견인력을 유지할 수 있음을 알 수 있었다.
- 무부하 상태에서의 이동속도는 그림 9와 같은 결과를 얻었다. 보는 바와 같이 3단 이상의 고속 주행 시 하이브리드 모드에서 약 8~14% 정도의 속도 증가가 일어남을 알 수 있었다. 하지만, 모드별로 변속 단계당 유사한 속도 특성을 나타냄을 알 수 있다.
- 7N·m끼지 인가할 수 있었다. 엔진의 전부하 곡선에서 시간, 출력(kWh)당 연료 소모량은 PTO 출력을 기준으로 3000rpm까지는 약 550g/kWh 수준이었으나 회전수가 증가하고 부하가 낮은 구간에서는 연료소모량이 급속히 증가하여 약 3.9배에 이름을 알 수 있었다.
- 2kW보다 약 38%의 출력 증대가 있었다. 출력 증대의 원인으로는 기존의 엔진 동력에 전동 모터의 출력이 부가됨으로 얻어지는 효과로 판단되며, 하이브리드 운전 시 엔진의 연료가 절감되는 것은 모터가 부하영역을 제어 한 결과로 판단된다. 실제 영농현장에서 승용경운기를 이용해 작업하는 경우, 부하의 변동폭은 더욱 크게 되며, 작업 부하의 범위에 따라 하이브리드 제어기가 적절한 운전모드로 실시간 변환하며 운전을 제어할 경우 더욱 큰 하이브리드 동력 적용의 효과를 얻을 수 있을 것이다.
- 그림 7에서 보는 바와 같이 유해 배기가스의 경우 출력의 전체 구간에서 감소되는 것으로 나타났는데, 총량적 감소뿐 아니라 모터와 엔진을 혼합한 운전 구간에서도 부분적으로 나타났다. 출력의 일부를 모터가 담당하므로 배기 총량을 감소시키고 비효율적인 운전구간을 모터로 대체하거나 제어함으로 하이브리드 모드로 운전할 때는 엔진 모드 운전에 비해 동일 출력에서 CO는 36~41%, NOx는 27~51%까지 감소되는 것으로 나타났다.
- 하이브리드 동력 시스템은 농작업 기계에서도 연료의 사용효율을 높이고, 유해 배기가스를 줄이는데 매우 유용한 것으로 나타났다. 특히 시설 내 농작업과 같이 폐쇄된 작업 환경으로 농기계가 배출하는 배기가스는 농작업 환경에 큰 영향을 미치기 때문에 시설재배 농민의 건강과 작업 쾌적 성 향상을 위해서도 유해 배기가스 배출이 적은 하이브리드 농기계의 실용화가 반드시 이루어 져야 하지만, 여전히 높은 제조비용과 시스템의 복잡성은 앞으로도 지속적으로 해결해야할 과제이다.
- 하이브리드 동력의 PTO 최대 출력은 12.7kW로 엔진 단독 운전시 9.2kW보다 약 38%의 출력 증대가 있었다. 출력 증대의 원인으로는 기존의 엔진 동력에 전동 모터의 출력이 부가됨으로 얻어지는 효과로 판단되며, 하이브리드 운전 시 엔진의 연료가 절감되는 것은 모터가 부하영역을 제어 한 결과로 판단된다.
- 그림 8에서 보면 최대견인력은 저속 1단일 때, 하이브리드 모드가 248kg·f로 가장 높았고, 엔진모드에서는 240kg·f, 전동 모드에서도 약 210kg·f의 부하에 대해 견인이 가능함을 알 수 있었다. 하이브리드 모드에서는 3단까지는 일정한 수준의 견인력을 유지하다가 차속 증가에 따라 점차 떨어지는 것을 알 수 있었으나, 엔진 모드와 전동 모드에서는 차속 증가에 따라 견인력이 급속히 감소하는 경향을 나타내었다. 결국, 하이브리드 동력 시스템을 이용하면 단일 모드의 동력 시스템보다 견인력 성능을 높일 수 있음을 알 수 있다.
- 그림 6에서 보면 하이브리드 모드에서의 운전은 PTO 출력단의 부하가 3kW 이하일 경우는 모터로만 구동 되도록 하였고, 3~7kW 범위의 부하에서는 엔진으로만 구동하며, 7kW 이상의 부하에서는 엔진과 모터가 같이 구동하는 하이브리드 모드로 운전되도록 하였다. 하이브리드 모드와 엔진 모드에서 연료 소비율을 비교해보면 7kW 이상의 부하에서 하이브리드 모드로 운전했을 때 연료소비율은 340g/ kWh로 동일 부하에서 엔진 단독 운전 시 보다 약 36%의 연료가 절감되는 결과를 나타내었다.
- 하이브리드 승용관리기의 동력 시험결과는 하이브리드 모드로 운전했을 때 연료소비율은 340g/kWh로 동일 부하에서 내연기관 엔진 단독 운전 시 보다 약 36%의 연료가 절감되었으며, 하이브리드 동력의 PTO 최대 출력은 12.7kW로 내연기관 엔진 단독 운전 시인 9.2kW보다 약 38%의 출력 증대하였다. 유해 배기가스의 경우, 하이브리드 모드에서 운전할 때 엔진 모드 운전에 비해 동일 출력에서 CO는 36~41%, NOx는 27~51% 감소하는 것으로 나타났다.
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