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문제 정의
- 따라서 본 연구에서는 TMED 방식 병렬형 하이브리드 전기자동차를 대상으로 회생제동 회수율 및 연비 특성을 연구하기 위하여 하이브리드 차량, 차대동력계 및 각종 데이터 측정 장비를 이용하여 실험을 수행하였다.(10)
- 본 연구는 TMED 방식 병렬형 하이브리드 전기자동차를 대상으로 회생제동 회수율 및 연비 특성을 연구하고자 수행하였다. 초기 SOC 상태, 주행 모드 특성, 운전자의 운전특성에 따른 회생제동과 연비 특성을 분석하기 위해 EC방식의 차대 동력계를 이용하여 IM240 모드 실험을 수행한 결과, 다음과 같은 결론을 얻을 수 있다.
- 본 연구는 현재 국내에서 상용화 되고 있는 TMED 방식 병렬형 하이브리드 전기자동차를 대상으로 회생제동 회수율 및 연비 특성을 연구하려 한다. Fig.
- 본 연구에서는 IM240 모드의 허용 오차 범위 내에서 운전자의 운전 특성에 따른 연비 특성을 분석하였다. IM240 모드 허용 오차 범위를 최대한 부드럽게 주행하는 연비 주행 실험과 허용 오차 범위 내에서 가속 및 감속 주행하는 과격 주행 실험을 수행하였다.
제안 방법
- 그리고 IM240 모드의 허용 오차 범위 내에서 운전자의 운전 특성에 따른 연비 특성을 분석하였다. IM240 모드 허용 오차 범위를 최대한 부드럽게 주행하는 연비 주행 실험과 허용 오차 범위 내에서 가속 및 감속 주행하는 과격 주행 실험을 수행하였다. 이는 연비 주행과 과격 주행을 통해 운전자의 운전 특성이 회생제동 회수율과 연비에 미치는 영향을 파악할 수 있게 해 준다.
- IM240 모드의 허용 오차 ±3 km/h 범위를 이용하여 주행 모드 특성에 따른 연비 특성을 분석 하였다.
- 그리고 IM240 모드의 허용 오차 범위 내에서 운전자의 운전 특성에 따른 연비 특성을 분석하였다. IM240 모드 허용 오차 범위를 최대한 부드럽게 주행하는 연비 주행 실험과 허용 오차 범위 내에서 가속 및 감속 주행하는 과격 주행 실험을 수행하였다.
- 그리고 초기 SOC 상태에 따른 SOC상태 변화와 배터리의 전류값 및 평균 연비를 측정하였다. 이를 통해, 본 연구에서는 초기 SOC 상태와 연비의 상관관계를 연구한 결과는 다음과 같은 결과를 도출할 수 있었다.
- 먼저 초기 SOC 상태, 주행 모드 특성, 운전자의 운전특성에 따른 회생제동과 연비 특성을 분석하기 위해 EC방식의 차대 동력계를 이용하여 실험을 진행하였다. 실험에 적용된 IM240 모드의 차속 프로파일은 Fig.
- 실험은 총 3가지 조건으로 진행을 하였다. 먼저, 초기 SOC 상태에 따른 연비 특성을 분석하기 위해 초기 SOC를 45%, 55%, 65%로 설정하여 실험을 진행하여 초기 SOC 상태에 따른 회생제동 회수율 및 연비 특성을 분석하였다. IM240 모드의 허용 오차 ±3 km/h 범위를 이용하여 주행 모드 특성에 따른 연비 특성을 분석 하였다.
- 본 연구에서는 주행 모드 특성에 따른 연비 특성 실험을 수행하였는데, 현행 국내법규에 따른 운행차 검사모드인 IM240 모드의 허용 오차 범위(±3km/h)를 이용하여 주행 모드 특성에 따른 연비 특성을 분석하였다.
- 본 연구에서는 하이브리드 전기자동차의 에너지 효율에 밀접한 관련이 있는 배터리의 정확한 전류 충·방전 상태를 측정하기 위해 Fig. 6, Table 1과 같은 제원의 고사양 배터리 전류계 클램프 (9287 Universal Clamp on CT, Hioki)를 사용하여 정밀한 전류 측정하였다.
- 실험 차량은 최소 SOC43% 지점에서 엔진이 작동하여 강제 충전하고, SOC68% 지점에서 더 이상 충전 하지 않는 것을 확인하였다. 실험은 총 3가지 조건으로 진행을 하였다. 먼저, 초기 SOC 상태에 따른 연비 특성을 분석하기 위해 초기 SOC를 45%, 55%, 65%로 설정하여 실험을 진행하여 초기 SOC 상태에 따른 회생제동 회수율 및 연비 특성을 분석하였다.
- 실험의 정확도를 향상시키기 위해 제어장치가 보조모니터와 연동하여 주행모드를 표시하여 실험자가 주행모드를 편하게 인식할 수 있게 설치하였다.
- +3km/h 모드를 고속 모드 실험, -3km/h 모드를 저속 모드 실험이라고 본 연구에서는 정의하였다. 이를 통해 IM240 모드오차가 회생제동 회수율과 연비에 미치는 영향을 분석할 수 있었다.
- 본 연구는 TMED 방식 병렬형 하이브리드 전기자동차를 대상으로 회생제동 회수율 및 연비 특성을 연구하고자 수행하였다. 초기 SOC 상태, 주행 모드 특성, 운전자의 운전특성에 따른 회생제동과 연비 특성을 분석하기 위해 EC방식의 차대 동력계를 이용하여 IM240 모드 실험을 수행한 결과, 다음과 같은 결론을 얻을 수 있다.
- 9와 같으며 실험조건은 Table 2와 같다. 초기 SOC 상태에 따라 IM240 모드 주행 시 차량에서 발생하는 전류를 측정하여 회생제동 회수율 및 연비 특성을 비교 분석하였다. 실험 차량은 최소 SOC43% 지점에서 엔진이 작동하여 강제 충전하고, SOC68% 지점에서 더 이상 충전 하지 않는 것을 확인하였다.
- 하이브리드 차량의 성능을 측정하기 위해서 차대동력계와 주행 시스템에 연결된 컴퓨터를 통해 차량의 속도, 발생 동력 및 토크를 측정하였다. 하이브리드 차량에서 발생하는 신호를 측정하기 위해 차량 진단 도구인 GDS(Global Dignostic System, GIT)를 이용하여 차량 상태에 대한 다양한 데이터를 측정하였다. GDS는 VCI(Vehicle Communication Interface) 단말기를 통해 ECU(Engine Control Unit)의 정보를 컴퓨터와 무선 통신으로 차량의 상태를 실시간으로 확인할 수 있다.
- 본 실험에서 측정된 데이터를 획득하기 위해 다양한 측정 장치가 사용되었다. 하이브리드 차량의 성능을 측정하기 위해서 차대동력계와 주행 시스템에 연결된 컴퓨터를 통해 차량의 속도, 발생 동력 및 토크를 측정하였다. 하이브리드 차량에서 발생하는 신호를 측정하기 위해 차량 진단 도구인 GDS(Global Dignostic System, GIT)를 이용하여 차량 상태에 대한 다양한 데이터를 측정하였다.
대상 데이터
- 본 실험에서 측정된 데이터를 획득하기 위해 다양한 측정 장치가 사용되었다. 하이브리드 차량의 성능을 측정하기 위해서 차대동력계와 주행 시스템에 연결된 컴퓨터를 통해 차량의 속도, 발생 동력 및 토크를 측정하였다.
- 본 연구는 TMED 방식 병렬형 하이브리드 차량 및 차대동력계와 측정 장치인 GDS, PicoScope 및 Cantalker를 이용하여 실험을 진행하였으며, 하이브리드 차량 실험 장치의 개략도는 Fig. 8과 같다.
- 본 연구에서 사용된 차대 동력 측정 장치는 미국 BAR97 인증 규격에 적합하고, 현행 국내법규에 따른 운행차 검사모드인 휘발유, LPG 차량 시험 모드인 IM 240 모드, ASM 2525 모드 및 CVS 75모드와 경유 차량 시험 모드인 KD147 모드, LugDown 3모드 및 NEDC 모드를 지원한다. 또한, 연구 확장성을 대비하여 배출가스측정기, 배출가스 중량분석기(VMAS) 및 엔진회전수 측정기와 연동이 가능하다.
- 본 연구의 실험 장치는 크게 차대동력계(EC Type, Jastec)와 하이브리드 전기자동차(2011년식 YF Sonata HEV, 현대)로 구성되며, 차대동력계에서 측정된 데이터와 차량 진단장치(GDS), 전류 측정 장치(PicoScope) 및 OBDII 모니터링 시스템 (Cantalker)을 사용하여 차량에서 발생하는 다양한 정보를 획득하여 연구를 수행하였다.
- 먼저 초기 SOC 상태, 주행 모드 특성, 운전자의 운전특성에 따른 회생제동과 연비 특성을 분석하기 위해 EC방식의 차대 동력계를 이용하여 실험을 진행하였다. 실험에 적용된 IM240 모드의 차속 프로파일은 Fig. 9와 같으며 실험조건은 Table 2와 같다. 초기 SOC 상태에 따라 IM240 모드 주행 시 차량에서 발생하는 전류를 측정하여 회생제동 회수율 및 연비 특성을 비교 분석하였다.
- 하이브리드 차량의 속도를 측정하기 위해 Fig. 1로 구성된 차대동력계를 사용하였으며, 차대동력계는 본체, 실차 베드 및 제어시스템으로 구성되어있다. 차대동력계는 EC(Eddy Current) 방식 동력계를 설치하였다.
데이터처리
- 측정된 전류 데이터는 PicoScope를 통해 저장되며, 측정 데이터를 분석하여 충·방전 상태를 분석하였다.
성능/효과
- (1) 초기 SOC 상태, 주행모드 특성 및 운전자의 운전특성은 하이브리드 차량의 에너지효율에 밀접한 관계가 있으며, 본 연구에서는 회생제동 회수율과 연료분사기간을 이용하여 하이브리드 차량의 에너지효율을 예측할 수 있었다.
- (2) 일정 영역에서 SOC 상태를 유지하려는 경향으로 인해, 대략 50%의 영역에서 배터리 SOC 상태를 유지함을 알 수 있었다. 이는 배터리의 효율은 배터리 온도 및 SOC 상태에 따라 조절이 되며, SOC50% 지점에서 HCU가 제어되기 때문인 것으로 판단된다.
- (3) 모드 특성에 따른 연비특성은 거의 동일한 경향을 보이지만, 제동 초기 속도에 따른 SOC 충전량이 변하는데, 제동 초기 속도가 높을수록 회생제동 회수율이 높음을 알 수 있었다.
- (4) 운전자의 운전특성이 SOC 충전량에 미치는 영향을 실험한 결과, 과격 주행의 정속 구간에서 SOC 방전량이 충전량보다 상대적으로 많기 때문에 모드 주행 후 SOC 상태가 크게 감소하는 것을 알 수 있었다. 반면, 낮은 SOC 상태에서는 엔진을 이용한 배터리 충전이 진행됨을 알 수 있었는데, 이를 통해 연료 소비가 많아져 에너지효율이 낮아지기에 하이브리드자동차 운전자의 운전 특성을 감안한 운전제어로직 개발에 보다 더 기술적 역량을 집중할 필요가 있을 것으로 사료된다.
- 초기 SOC45%인 경우 최종 SOC는 55%, 초기 SOC55%인 경우 최종 SOC는 50%, 초기 SOC65%인 경우 최종 SOC는 55%인 것을 알 수 있었다. 각 그래프내 차속이 감소하는 동안 SOC 상태가 상승하는 것을 알 수 있고 전류상태가 (-) 영역인 것을 확인할 수 있었다. 반대로 속도가 증가하는 동안 SOC 상태는 감소하고 전류상태가 (+) 영역인 것을 확인할 수 있었다.
- 21은 주행 모드 특성에 따른 엔진 및 모터 속도 변화를 나타낸 것이다. 고속 모드보다 저속 모드에서 엔진 및 모터의 RPM이 높은 것을 볼수 있었다. Fig.
- 이는 배터리의 효율 및 수명을 최적의 상태로 유지하기 위해 SOC 상태를 일정 영역으로 유지하려는 경향이 있는 것으로 판단된다. 그리고 회생제동회수율은 실험 초기 SOC와 실험 후 SOC의 차이로, 초기 SOC가 높을수록 회생제동 회수율이 낮음을 알 수 있었다.
- (4) 하이브리드 차량은 내연기관과 전기모터를 함께 장착한 복합차량을 뜻한다. 기존 가솔린 엔진 차량에 추가 동력원인 모터를 활용하여 향상된 동적 성능을 보이며, 저속에서 순수 전기 모드 주행과 ISG(Idle Stop and Go)를 통해 높은 에너지효율을 유지하여 연료 소비율 및 이산화탄소 배출을 저감한다. 특히, 회생제동은 모터를 활용하는 하이브리드 차량이 제동할 때 마찰 및 열에너지로 소비되는 에너지를 전기에너지 전환하여 배터리를 충전하고 모터를 통해 운동에너지로 사용하는 기술을 말한다.
- 각 그래프내 차속이 감소하는 동안 SOC 상태가 상승하는 것을 알 수 있고 전류상태가 (-) 영역인 것을 확인할 수 있었다. 반대로 속도가 증가하는 동안 SOC 상태는 감소하고 전류상태가 (+) 영역인 것을 확인할 수 있었다. 이를 통해, 전류 변화 그래프에서 (-) 영역은 회생제동 및 발전을 통해 전류가 생성되어 배터리가 충전된 것을 나타내며, (+) 영역은 모터가 구동하여 전류를 사용하여 배터리가 방전된 것을 나타내는 것을 확인할 수있었다.
- 초기 SOC 상태에 따라 IM240 모드 주행 시 차량에서 발생하는 전류를 측정하여 회생제동 회수율 및 연비 특성을 비교 분석하였다. 실험 차량은 최소 SOC43% 지점에서 엔진이 작동하여 강제 충전하고, SOC68% 지점에서 더 이상 충전 하지 않는 것을 확인하였다. 실험은 총 3가지 조건으로 진행을 하였다.
- 23은 운전자의 운전특성에 따른 속도, SOC 및 전류 변화를 나타낸 것이다. 연비 주행 실험 결과 SOC 상태가 초기 45%에서 최종 51.5%로높아졌으며, 과격 주행 결과 SOC 상태가 초기 45%에서 최종 37.5%로 감소하였다. 또한 과격 주행 전류 값이 연비 주행에 비해 (+) 값이 많은 것을 볼 수 있었다.
- 초기 SOC 상태에 따른 연비 특성 실험결과, 최소 SOC43% 지점에서 엔진이 작동하여 강제 충전하고, SOC68% 지점에서 더 이상 충전 하지 않는 것을 확인하였다. 이로부터 배터리의 효율 및 수명을 최적의 상태로 유지하기 위해 SOC 상태를 일정 영역으로 유지하려는 경향이 있음을 알 수 있었다. 이는 초기 SOC 상태에 따라서 하이브리드 차량이 실험 주행동안 배터리의 충·방전 되는 전류량이 차이가 발생하며, 하이브리드 차량의 에너지 효율에도 영향을 끼치는 것으로 판단된다.
- 반대로 속도가 증가하는 동안 SOC 상태는 감소하고 전류상태가 (+) 영역인 것을 확인할 수 있었다. 이를 통해, 전류 변화 그래프에서 (-) 영역은 회생제동 및 발전을 통해 전류가 생성되어 배터리가 충전된 것을 나타내며, (+) 영역은 모터가 구동하여 전류를 사용하여 배터리가 방전된 것을 나타내는 것을 확인할 수있었다.
- 3 km/l로 측정되었다. 초기 SOC 상태가 높을수록 높은 에너지효율을 가지는데, 초기 SOC65% 상태의 평균 연비는 초기 SOC55% 상태 대비 약 22.54% 높으며, 초기 SOC55% 상태의 평균연비는 초기 SOC45% 상태 대비 약 11.94% 높음을 알 수 있었다.
- 15는 초기 SOC상태에 따른 엔진 작동 상태를 나타낸 것이다. 초기 SOC 상태가 높을수록 엔진의 작동 시간이 줄어드는 것을 알 수 있었는데, 이는 초기 SOC상태가 높을수록 하이브리드 차량의 에너지 효율이 높음을 알 수 있었다.
- 초기 SOC 상태는 다르지만 최종 SOC50∼55%로 수렴하는 것을 확인할 수 있었다.
- 초기 SOC 상태에 따른 연비 특성 실험결과, 최소 SOC43% 지점에서 엔진이 작동하여 강제 충전하고, SOC68% 지점에서 더 이상 충전 하지 않는 것을 확인하였다. 이로부터 배터리의 효율 및 수명을 최적의 상태로 유지하기 위해 SOC 상태를 일정 영역으로 유지하려는 경향이 있음을 알 수 있었다.
- 전류량이 (+) 값을 가지는 것은 배터리가 방전된 것이며, (-) 값을 가지는 것은 배터리가 충전된 것을 나타낸다. 초기 SOC45%에서 시작한 실험은 최종 SOC가 5% 증가한 50%였고 전류량 69.253Ah가 충전됨을 알 수 있었다. 초기 SOC55%에서 시작한 실험은 최종 SOC가 3% 감소한 52%였고 전류량 71.
- 253Ah가 충전됨을 알 수 있었다. 초기 SOC55%에서 시작한 실험은 최종 SOC가 3% 감소한 52%였고 전류량 71.312Ah가 방전된 것을 알 수 있었다. 초기 SOC65%인 경우, 최종 SOC가 10% 감소한 55%였고 전류량 133.
- 14는 초기 SOC 상태에 따른 속도, 힘, 토크 변화를 나타낸 것이다. 초기 SOC의 상태와 상관없이 실험을 통해 측정된 힘과 토크는 서로 유사한 특징을 가지며, 차량이 정지 상태에서 출발하는 구간에서 토크가 가장 높게 나타났다.
- 39% 높은 것을 확인할 수 있었다. 평균 연비에는 큰 영향을 미치지 않았지만 과격 주행 실험 후 최종 SOC가 37.5%까지 낮아지면서 실험 종료 후에도 엔진이 구동하여 배터리를 충전함을 알 수 있었다. 이는 IM240 모드 실험이 아닌 실제 도로에서는 연비에 큰 영향을 끼칠 것으로 예상된다.
- 24는 운전자의 운전특성에 따른 평균 연비를 비교한 것이다. 평균연비는 연비 주행이 과격 주행보다 약 4.39% 높은 것을 확인할 수 있었다. 평균 연비에는 큰 영향을 미치지 않았지만 과격 주행 실험 후 최종 SOC가 37.
후속연구
- (5) 회생제동 로직, 모터의 제원, HCU 개입 등 다양한 변수로 인해 향후 GDS, Picoscope, CAN 통신 등을 이용하여 다른 차량에 대한 데이터를 추가 보안하여 TMED 방식 병렬형 하이브리드 차량의 회생제동 회수율과 연비 특성에 관한 비교 연구를 진행할 계획이다.
- 6) 일반적으로 엔진 출력의약 30%가 차량 제동 과정에서 손실되며,(7) 회생 제동 적용을 통하여 기존 연비 대비 약 33% 향상된 연구 결과가 있다.(8) 그러므로 회생제동 기술은 하이브리드 차량의 에너지 효율 향상을 위해 필수적인 기술로 판단되며, 회생제동을 연구할 필요가 있다.(9)
- (4) 운전자의 운전특성이 SOC 충전량에 미치는 영향을 실험한 결과, 과격 주행의 정속 구간에서 SOC 방전량이 충전량보다 상대적으로 많기 때문에 모드 주행 후 SOC 상태가 크게 감소하는 것을 알 수 있었다. 반면, 낮은 SOC 상태에서는 엔진을 이용한 배터리 충전이 진행됨을 알 수 있었는데, 이를 통해 연료 소비가 많아져 에너지효율이 낮아지기에 하이브리드자동차 운전자의 운전 특성을 감안한 운전제어로직 개발에 보다 더 기술적 역량을 집중할 필요가 있을 것으로 사료된다.
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