[논문]레인지 익스텐더 전기자동차 엔진용 저가형 2단속도 고정밀 운전제어시스템 개발

함윤영; 이정준

doi:10.5762/kais.2018.19.11.529

초록
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레인지 익스텐더 전기자동차는 소형의 발전용 엔진이 가장 효율이 좋은 특정 운전영역에서 기동하여 배터리를 충전시키며 주행거리를 연장하는 메커니즘으로 주행한다. 본 연구에서는 저가이면서 제어 로직이 간단한 시스템을 개발하기 위하여 기존 쓰로틀바디시스템을 대체하는 스텝모터방식 흡입공기량 공급시스템을 개발하여 기존 base 엔진에 적용하고, 흡입공기량 증대를 통한 성능 개선을 위해 흡 배기다기관의 길이 변경 효과를 실험적으로 살펴보았다. 실험결과, 하나의 스텝모터로 작동하는 Type B의 흡입공기량조절장치가 Type A보다 전 운전영역에서 성능이 높았으나 유동저항의 증가로 base 엔진보다는 성능이 낮았다. 이를 개선하기 위해 흡기매니폴드에 140mm 어댑터를 장착한 경우와 새로 설계된 70mm 길이의 배기 매니폴드를 적용한 경우 2200rpm과 4300rpm 두 속도조건에서 엔진성능이 향상됨을 확인할 수 있었다. 최적 설계된 엔진을 대상으로 레인지 익스텐더 전기자동차에 적용 가능하도록 발전기 부하를 연결하여 2단 속도로 고정밀 운전제어를 구현하였으며 그 결과, 1단 2200rpm과 2단 4300rpm 운전조건에서 ${\pm}2.5%$ 이내의 속도변화율을 나타내었고, 1단 속도에서 2단 속도로 상승 시 610rpm/s의 목표속도 추종성 결과를 얻었다.

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The range extender vehicle runs on a mechanism that allows the small power generation engine to start in the most efficient specific operating range to charge the battery and extend the mileage. In this study, we developed a step motor type intake air supply system that replaces existing throttle bo...

The range extender vehicle runs on a mechanism that allows the small power generation engine to start in the most efficient specific operating range to charge the battery and extend the mileage. In this study, we developed a step motor type intake air supply system that replaces existing throttle body system to develop a simple low cost control logic system. The system was applied to the existing base engine, and in order to improve the performance by increasing the amount of intake air, the effect of changing the length of the intake and exhaust manifold was experimentally examined. As a result, the Type B intake air control actuator operated by one step motor showed higher performance than the Type A in all the operation region, but the performance was lower than that of the base engine due to the increase of flow resistance. To improve this, it was confirmed that the engine performance was improved at both speeds of 2200rpm and 4300rpm when the 140mm adapter was installed in the intake manifold and when the newly designed 70mm exhaust manifold was applied. Through this process, high - precision operation control was realized by connecting the generator load to the optimized engine for the range extender electric vehicle. Experimental results showed that the speed change rate was within ${\pm}2.5%$ at 2200rpm in 1st stage and 4300rpm in 2nd stage and the speed follow-up result of 610 rpm/s was obtained when the speed was increased from 2200rpm to 4300rpm.

Keyword

표/그림 (12)

표 Table 1. Specification of test engine
그림 Fig. 1. Test engine with generator connected
그림 Fig. 2. Two types of Intake air control actuators
그림 Fig. 3. Intake air flow rate according to ISCA steps
그림 Fig. 4. Comparison of full load engine performance for various intake air control actuators
그림 Fig. 5. Adapter between intake manifold and cylinder head (a) 70mm (b) 140mm
그림 Fig. 6. Comparison of full load engine performance for applying intake manifold adapter
그림 Fig. 7. New design of exhaust manifold with different length (a) 70mm (b) 200mm
그림 Fig. 8. Comparison of full load engine performance for applying exhaust manifold with different length
그림 Fig. 9. Engine speed stability at 2200rpm in 1st stage
그림 Fig. 10. Engine speed stability at 4300rpm in 2nd stage
그림 Fig. 11. Target speed follow-up from 2200rpm in 1st stage to 4300rpm in 2nd stage

AI 본문요약
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문제 정의

발전기용 엔진의 목표 회전수를 전류소모 요구량에 따라 2단 속도로 구분하였고 1단 속도제어는 무부하 공회전속도 제어로, 2단 속도제어는 에어콘 부하 인가 시의 공회전속도제어 로직을 사용하였다. 또한 흡입공기량 증대를 통한 성능 개선을 위해 흡기 및 배기다기관의 길이 변경 효과를 실험적으로 살펴보았다. 이 과정을 통해 최적 설계된 엔진을 대상으로 레인지 익스텐더 전기자동차에 적용 가능하도록 발전기 부하를 연결하여 2단 속도로 고정밀 운전제어를 구현하여 낮은 속도변화율과 빠른 목표속도 추종성을 갖는 저가이면서 제어 로직이 간단한 시스템을 개발하고자 하였다.
또한 흡입공기량 증대를 통한 성능 개선을 위해 흡기 및 배기다기관의 길이 변경 효과를 실험적으로 살펴보았다. 이 과정을 통해 최적 설계된 엔진을 대상으로 레인지 익스텐더 전기자동차에 적용 가능하도록 발전기 부하를 연결하여 2단 속도로 고정밀 운전제어를 구현하여 낮은 속도변화율과 빠른 목표속도 추종성을 갖는 저가이면서 제어 로직이 간단한 시스템을 개발하고자 하였다.
스텝모터로 제어되는 흡입공기량 조절장치를 적용할 경우 base 엔진 대비 성능이 저하되기 때문에 이를 개선하기 위하여 흡·배기다기관의 설계를 변경하고자 하였다.
본 연구에서는 기존 쓰로틀바디 시스템을 대체하는 스텝모터방식 흡입공기량 공급시스템을 개발하여 기존 base 엔진에 적용하고, 흡입공기량 증대를 통한 성능 개선을 위해 흡·배기다기관의 길이 변경 효과를 실험적으로 살펴보았다.

제안 방법

본 연구에서는 쓰로틀바디 시스템(throttle body system)을 대체하는 스텝모터방식(step motor type) 흡입공기량 공급시스템을 개발하여 공회전속도제어 로직을 적용하였다. 발전기용 엔진의 목표 회전수를 전류소모 요구량에 따라 2단 속도로 구분하였고 1단 속도제어는 무부하 공회전속도 제어로, 2단 속도제어는 에어콘 부하 인가 시의 공회전속도제어 로직을 사용하였다.
본 연구에서는 쓰로틀바디 시스템(throttle body system)을 대체하는 스텝모터방식(step motor type) 흡입공기량 공급시스템을 개발하여 공회전속도제어 로직을 적용하였다. 발전기용 엔진의 목표 회전수를 전류소모 요구량에 따라 2단 속도로 구분하였고 1단 속도제어는 무부하 공회전속도 제어로, 2단 속도제어는 에어콘 부하 인가 시의 공회전속도제어 로직을 사용하였다. 또한 흡입공기량 증대를 통한 성능 개선을 위해 흡기 및 배기다기관의 길이 변경 효과를 실험적으로 살펴보았다.
또한 컴프레서가 작동 시 순간적인 부하로 인해 시동 꺼짐 및 엔진회전수 하락과 같은 문제점을 방지하기 위해 필요한 공기량을 계산하여 공급함으로써 안정된 아이들 엔진회전수를 유지하는 기능이 있다. 이와 같은 차량용 ECU의 에어컨 부하에 대한 로직을 적용하여 엔진 구동 시 ECU는 2단속도 제어를 위해 외부 input 신호(에어컨 신호)를 입력받아 2구간의 엔진회전수로 작동되도록 ECU 소프트웨어를 추가하였다.
3은 흡입공기량 조절장치 Type A와 Type B에 대해서 ISCA 열림량에 따른 흡입공기 유량을 나타낸 그래프이다. 레인지 익스텐더 엔진의 발전 구간에서의 엔진회전수를 2200rpm과 4300rpm으로 선정하여 두 가지 조건에서 시험을 진행하였다. 2200rpm과 4300rpm 두 조건 모두에서 Type B의 흡입공기 조절장치가 Type A보다 흡입공기 유량이 많음을 확인할 수 있었다.
이는 Type A의 유동저항이 상대적으로 크기 때문인 것으로 생각된다. 두 Type의 흡입공기 조절장치를 600cc 엔진에 장착하여 엔진 전부하(WOT) 성능을 측정하였고 이를 쓰로틀바디를 적용한 base 엔진의 성능과 비교하였다. Fig.
스텝모터로 제어되는 흡입공기량 조절장치를 적용할 경우 base 엔진 대비 성능이 저하되기 때문에 이를 개선하기 위하여 흡·배기다기관의 설계를 변경하고자 하였다. 먼저, 600cc base 엔진에서 흡기시스템에 따른 엔진 성능 변화를 확인하기 위해 흡기다기관 길이 증대작업을 진행하였다. 시험엔진은 현재 양산되고 있는 엔진으로서 흡기다기관의 수정이 불가하여 엔진 헤드와 흡기다기관 중간에 어댑터를 제작, 삽입하였고, 각 사양별로 엔진에 장착하여 엔진성능 시험을 진행하였다.
먼저, 600cc base 엔진에서 흡기시스템에 따른 엔진 성능 변화를 확인하기 위해 흡기다기관 길이 증대작업을 진행하였다. 시험엔진은 현재 양산되고 있는 엔진으로서 흡기다기관의 수정이 불가하여 엔진 헤드와 흡기다기관 중간에 어댑터를 제작, 삽입하였고, 각 사양별로 엔진에 장착하여 엔진성능 시험을 진행하였다.
이러한 배기간섭으로 인해 1번 연소실로의 배기가스 역류 및 충진 효율 저하현상이 발생되어 시험용 엔진에서는 항상 1번 실린더가 성능의 측면에서 손실이 발생될 것으로 예상된다. 이를 개선하기 위해서 2번 실린더에서 1번 실린더로의 정압파 전달을 차단하는 목적으로 배기다기관 샘플을 제작하였으며 1번과 2번 실린더의 배기가스가 모이는 부분을 양산 사양보다 직경을 크게 하여 배기간섭을 최소화하기 위해 Fig. 7과 같이 70mm와 200mm 길이의 두 가지 사양으로 샘플을 제작하였다.
다양한 설계변경 부품들의 평가 시험을 토대로 레인지 익스텐더용 엔진 사양을 결정하였고 대상엔진을 발전기 부하에 연결하여 엔진속도변화율을 측정하여 제어정도를 살펴보았다. 엔진회전수는 각각 2200rpm과 4300rpm에서 실시하였으며 측정 결과, Fig.

대상 데이터

발전기는 3000rpm 기준 정격 파워 15kW, 정격 토크 47.8N·m의 교류발전기를 사용하였다.
레인지 익스텐더 전기자동차용 엔진개발을 위해 ㈜블루플래닛에서 자체 개발한 600cc급의 2기통 가솔린 엔진을 기본 엔진으로 선정하였다. 전자제어 연료분사방식인 base 엔진의 최대출력은 6000rpm에서 29kW이고, 최대토크는 3600rpm에서 52N·m이다.
본 연구에서는 base 엔진에 사용되는 쓰로틀바디 대신에 스텝모터 방식의 ISCA(idle speed control actuator)로 작동되는 두 가지 종류(Type A, Type B)의 흡입공기량 조절장치를 사용하였다. 발전기 엔진의 목표 회전수는 전류소모 요구량에 따라 2단속도의 목표 엔진회전수로 구분 된다.

성능/효과

레인지 익스텐더 엔진의 발전 구간에서의 엔진회전수를 2200rpm과 4300rpm으로 선정하여 두 가지 조건에서 시험을 진행하였다. 2200rpm과 4300rpm 두 조건 모두에서 Type B의 흡입공기 조절장치가 Type A보다 흡입공기 유량이 많음을 확인할 수 있었다. 이는 Type A의 유동저항이 상대적으로 크기 때문인 것으로 생각된다.
6에 나타내었다. 흡기다기관 어댑터를 장착한 사양이 3600rpm 부근 영역을 제외한 대부분에서 엔진성능이 향상된 것을 확인할 수 있었다. 특히 140mm 어댑터를 장착한 경우 1단속도인 2200rpm보다 2단속도인 4300rpm 영역에서 성능 향상 효과가 큼을 알 수 있다.
Fig. 8은 배기다기관 두 가지 사양을 시험엔진에 장착한 후 엔진성능을 측정한 결과이며 양산엔진의 배기다기관보다 배기간섭 최소화를 고려하여 제작한 배기다기관 두 가지 사양 모두 중·고속 영역에서 엔진 성능이 전반적으로 높아진 것을 확인할 수 있었다.
두 조건 모두 목표제어정도인 속도변화율 ±2.5% 이내를 만족함을 확인할 수 있었다.
엔진회전수는 각각 2200rpm과 4300rpm에서 실시하였으며 측정 결과, Fig. 9와 Fig. 10과 같이 목표회전수 2200rpm 조건에서 평균회전수 2196rpm과 변동폭 –50∼46rpm의 결과를 얻었고, 목표회전수 4300rpm에서는 평균회전수 4294rpm, 변동폭 –62∼54rpm의 결과를 얻었다.
제어응답성(목표속도 추종성)은 1단(2200rpm) 속도에서 2단(4300rpm) 속도로 상승 시 측정하였으며 Fig. 11과 같이 1단 속도에서 2단 속도로 증가 시 2단속도에 도달하는데 3.5초 걸렸으며 속도증가율은 610rpm/s로 비교적 빠른 추종속도 결과를 얻었다.
또한 2단 속도에 도달한 이후에 엔진회전수가 안정적으로 유지되고 있음을 확인할 수 있었다. 흡입공기량 조절장치의 신뢰성 평가를 위해 총 100시간 동안 내구시험을 진행하였으며 완료 후 시제품 작동에 이상은 없었으며 시제품 탈거 후 내구부품에 대한 검사를 실시한 결과 변형이나 이물질 오염으로 인한 흔적은 발견할 수 없었다.
또한 2단 속도에 도달한 이후에 엔진회전수가 안정적으로 유지되고 있음을 확인할 수 있었다. 흡입공기량 조절장치의 신뢰성 평가를 위해 총 100시간 동안 내구시험을 진행하였으며 완료 후 시제품 작동에 이상은 없었으며 시제품 탈거 후 내구부품에 대한 검사를 실시한 결과 변형이나 이물질 오염으로 인한 흔적은 발견할 수 없었다.
1) 기존 쓰로틀바디 방식을 대체할 수 있는 저가형 스텝모터방식의 흡입공기량조절장치를 개발하여 2단 속도로 레인지 익스텐더 전기자동차용 엔진에 적용 가능함을 확인하였다.
2) 흡기매니폴드에 140mm 어댑터를 장착한 경우와 새로 설계된 70mm 길이의 배기매니폴드를 적용한 경우 2200rpm과 4300rpm 두 속도조건에서 엔진성능이 향상됨을 확인할 수 있었다.
3) 발전기 부하를 연결하여 2200rpm과 4300rpm의 2단속도로 제어할 때 제어정도는 속도변화율 ±2.5% 이내를 만족하였으며 1단에서 2단으로 상승 시 제어응답성은 610rpm/s로 비교적 빠른 추종 속도 결과를 얻었다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	국내의 친환경자동차 산업의 발전 현황은 어떠한가?	산업의 발달, 인구의 증가, 경제 규모의 증대 등으로 인해 자동차의 보급이 확산되고 있으나 지구온난화 및 유해 배출가스 문제 등으로 전 세계적인 환경규제가 강화되고 있어 향후 친환경자동차 산업이 급진적으로 발전될 가능성이 매우 높은 추세이다. 우리나라에서도 정부의 지원 하에 자동차 제작사를 포함한 관련 기관들을 중심으로 다양한 종류의 전기자동차, 플러그인 하이브리드자동차 등이 개발되어 시장에 확대 보급되고 있다. 순수 전기자동차는 충전된 배터리를 이용한 전기모터의 힘만으로 움직이는 친환경자동차이다.
	친환경자동차 산업이 급진적으로 발전될 가능성이 높은 이유는 무엇인가?	산업의 발달, 인구의 증가, 경제 규모의 증대 등으로 인해 자동차의 보급이 확산되고 있으나 지구온난화 및 유해 배출가스 문제 등으로 전 세계적인 환경규제가 강화되고 있어 향후 친환경자동차 산업이 급진적으로 발전될 가능성이 매우 높은 추세이다. 우리나라에서도 정부의 지원 하에 자동차 제작사를 포함한 관련 기관들을 중심으로 다양한 종류의 전기자동차, 플러그인 하이브리드자동차 등이 개발되어 시장에 확대 보급되고 있다.
	레인지 익스텐더 전기자동차의 특징은 무엇인가?	레인지 익스텐더 전기자동차는 소형의 발전용 엔진이 가장 효율이 좋은 특정 운전영역에서 기동하여 배터리를 충전시키며 주행거리를 연장하는 메커니즘으로 주행한다. 본 연구에서는 저가이면서 제어 로직이 간단한 시스템을 개발하기 위하여 기존 쓰로틀바디시스템을 대체하는 스텝모터방식 흡입공기량 공급시스템을 개발하여 기존 base 엔진에 적용하고, 흡입공기량 증대를 통한 성능 개선을 위해 흡 배기다기관의 길이 변경 효과를 실험적으로 살펴보았다.

참고문헌 (5)

M. Anwar, M. Hayes, A. Tata, M, Teimorzadeh and T. Achatz, "Power Dense and Robust Traction Power Inverter for the Second-Generation Chevrolet Volt Extended-Range EV", SAE Technical Paper 2015-01-1201, 2015. DOI: https://dx.doi.org/10.4271/2015-01-1201
A. Agarwal, A. Lewis, S. Akenhurst, C. Brace, Y. Gandhi and G. Kirkpatrick, "Development of a Low Cost Production Automotive Engine for Range Extender Application for Electric Vehicles", SAE Technical Paper 2016-01-1055, 2016. DOI: https://dx.doi.org/10.4271/2016-01-1055
M. Bassett, J. Hall, G. Kennedy, T. Cains, J. Powell and M. Warth, "The Development of a Range Extender Electric Vehicle Demonstrator", SAE Technical Paper 2013-01-1469, 2013. DOI: https://dx.doi.org/10.4271/2013-01-1469
M. Atzwanger, C. Hubmann, W. Schoeffmann, B. Kometter and H. Friedl, "Two-Cylinder Gasoline Engine Concept for Highly Integrated Range Extender and Hybrid Powertrain Applications", SAE Technical Paper 2010-32-0130, 2010. DOI: https://dx.doi.org/10.4271/2010-32-0130
H. Shimamura, A. Kasai and T. Arai, "Engine Speed Control with a Choke Valve based on the Adaptive Control Approach-Mechanism to Drive both the Throttle Valve and the Choke Valve with a Single Motor", SAE Technical Paper 2010-32-0116, 2010. DOI: https://dx.doi.org/10.4271/2010-32-0116

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