Study on the Strategy of CO₂ Reduction Technology in Vehicle according to CO₂ Emissions Regulation in EU - Focusing on Auxiliary Energy Improvement -

Copyright

2015 KSAE / 135-11 pISSN 1225-6382 / eISSN 2234-0149 DOI http://dx.doi.org/10.7467/KSAE.2015.23.2.230 Transactions of KSAE, Vol. 23, No. 2, pp.230-238 (2015)

유럽 CO

²

2

석 규 업¹⁾․윤 형 진^*2)

현대오트론 연구기획팀¹⁾․현대오트론 전자아키텍처실²⁾

Study on the Strategy of CO

2

2

- Focusing on Auxiliary Energy Improvement -

Kyu-up Seok

¹⁾

^*2)

1)

R&D Planning Team, Hyundai-autron Co. Ltd., Mtek IT Tower, 344 Pangyo-ro, Bundang-gu, Seongnam-si, Gyeonggi 463-400, Korea

2)

E/E Architecture Department, Hyundai-autron Co. Ltd., Mtek IT Tower, Hyundai-autron Co. Ltd., Mtek IT Tower, 344 Pangyo-ro, Bundang-gu, Seongnam-si, Gyeonggi 463-400, Korea

(Received 31 October 2014 / Revised 23 December 2014 / Accepted 19 January 2015)

Abstract : The main purpose of this paper is to suggest opportunities for reducing CO

emission in energy conversion of a vehicle, focused on auxiliary energy improvement in the automotive field. As part of worldwide efforts to curb global warming and to protect the domestic industry as trade barriers, many countries have set goals to regulate greenhouse gas emissions. As an example, new CO

emission regulation in EU was expected to go into effect strictly in 2020. Therefore, global car-makers need to establish strategic responsiveness of the regulations. This paper shows CO

economic value by using the correct interpretation of the relevant laws and regulations. The CO

value analyzed using quantitative figures leads to the possibility of auxiliary(accessories, HVAC, electric apparatus etc.) technology for improving fuel economy. As a result, this study generalizes the meaning of electric power saving for each driving mode by auxiliary energy improvement.

Key words : CO

reduction(온실가스 절감), Fuel economy(연료경제성), Fuel consumption(연료소모), Auxiliary energy(보기류 에너지), Laws and regulations(법규, 규제), Power(일률)

Nomenclature ¹⁾ FE : fuel economy, km/L FC : fuel consumption, g CO 2 /km η : efficiency(eta.)

C E : energy density, kWh/L V Fuel : fuel volume, L P avg. : average power, kW

*

A part of this paper was presented at the KSAE 2014 Annual Conference and Exhibition

*

Corresponding author,

E-mail: [email protected]

Subscripts

UNECE : united nations economic commission for Europe

EPA : environmental protection agency NTHSA : national highway traffic safety

administration GHG : greenhouse gas

CAFE : corporate average fuel economy

Footprint : wheelbase multiplied by average track width

MAC : mobile air-conditioning system

유럽 CO2 감축법에 따른 차량 CO2 감축 기술 전략에 관한 연구 - 보기류 개선을 중심으로 -

1. 서 론

최근 자동차 산업에서 가장 큰 이슈 중 하나는 연 비 향상과 온실가스 규제의 강화이다. 이는 대기환 경 오염문제의 해결뿐만 아니라 하이테크 기술을 선점한 자동차 선진국들의 무역장벽 요소로 작용하 고 있다. 이러한 경향은 세계 각국의 자동차 법규에 가장 잘 들어나 있으며, 자동차 선진국에서는 완성 차 부문 CO 2 감축을 위한 관련 법규의 엄격한 규정 을 연도별로 제시하고 있다. 대표적인 예로써, 최근 국제연합 유럽경제위원회(UNECE)에서 EU 내 자동 차를 판매하고 있는 모든 업체는 Directive 2007/

46/EC의 부속서2에 분류된 승용(M1) 신규 자동차 를 대상으로 2020년 CO 2 배출량 95 g CO 2 /km를 만 족하도록 규제(Regulation No. 443/2009/EC)가 발효 되었다. ^1-3)

유럽과 유사한 동향으로 북미는 GHG 및 기업평 연비(CAFE) 등을 통해 CO 2 배출량을 규제하고 있 다. ⁴⁾ 상기 자동차 법규들은 공통적으로 CO 2 배출량 에 대한 Banking 시스템을 도입하고 있는데, 이는 규 제치 대비 CO 2 배출량에 따라 제작사는 Credit과 Debit(혹은 Penalty)을 제시하고 있다. 이는 제조사 CO 2 배출기준 목표에 부합하면서 시간적, 비용적인 면에서 효과적으로 대응 할 기회를 준다. 즉, 실용연 비에 대해 제조사에 당근과 채찍을 제시하고 있는 추세이다.

본 연구의 목적은 유럽 및 북미의 연비 및 온실 가스 규제에 대한 정확한 해석을 통한 CO 2 감축 기 술을 제안하고자 함에 있다. 최근 소비자의 편의 및 안전장치의 수요가 늘어남에 따라 차량의 전장 부품 사용 비중이 증가하는 추세이다. 전 세계 전 장부품 시장규모는 2004년 $1,200억(약 130조원) 에서 2015년 $2,000억(약 216조원)까지 성장을 전 망한다. ⁶⁾

보다 구체적으로 본 논문은 전장부품 중 보기류 (보조기계류; Auxiliary)에 대해 논하고자 한다. 보기 류란 차량의 상태유지 및 운전자의 편의를 위하여 차량의 엔진에 부과하여 덧붙여지는 장치를 총칭하 여 보기류라 한다. 워터펌프, 연료펌프, 알터네이터, 전기식 컴프레서 등이 대표적인 예이다.

주행에 필요한 직접 에너지 외에, 차량과 운전자

Fig. 1 Energy conversion ration in vehicle (with MAC on)

가 필요로 하는 보기류 에너지 증가는 연간 약 100-150W 정도이다. ⁷⁾ 화석연료에서 발생하는 전 체 100% 에너지 중 에어컨 OFF 시, 2 ~ 3%를 차지 하는 Accessory 에너지는 에어컨 ON 시, 전체 중 10 % 를 차지하고, 이는 Fig. 1과 같다. ¹⁹⁾ 즉, 과거 상대적 으로 개발비용이 낮고 연비향상 정도가 낮다고 여 겨진 보기류로 취급되었던 전기/유압 에너지는 차 량의 빠른 전장화로 인해 연비개선의 핵심으로 부 상하였다. 본 연구는 유럽의 승용기준 CO 2 감축법 의 해석을 통해 1 g CO 2 /km의 경제적 가치 효과를 산출하고, 차량의 화학적 에너지로부터 주행에너 지로의 변환 과정을 통해 CO 2 절감의 기회를 발굴 하여 보기류의 기술적, 경제적 가치를 제시하고자 하였다.

2. 본 론

유럽/북미 지역은 자동차 부분 CO 2 감축을 위한 관련법규의 엄격한 규정을 연도별로 제시하고 있 다. 이는 제조사가 환경기준 목표에 부합하면서 시 간적, 비용적인 면에서 효과적으로 대응할 기회를 주며, 혁신적인 친환경 기술의 촉진을 유도한다.

2.1 유럽/북미 CO2 규제 비교

유럽 UNECE의 승용(M1) CO 2 감축법은 차량중 량(Mass) 기준의 규제를 취하는데 반해, 북미는 EPA의 GHG 및 NHTSA의 CAFE를 Footprint 식 (1) 기준에 의해 규제로 취하고 있다. 본 연구는 단위의 통일을 위해 grams CO 2 /km단위를 사용하였다. ^2-4)

     ×       (1)

where footprint : unit (ft ² )

Kyu-up Seok․Hyoung Jin Yoon

Fig. 2 Trend of CO2 regulation in Europe

Fig. 3 Trend of CO2 regulation in USA

2.2 연비와 CO2 배출량 관계

연비는 크게 두 가지로 Fuel Economy (FE; 연료경 제성)와 Fuel Consumption (FC; 연료소모)와 같이 구 분된다. FE와 FC는 Fig. 4와 같이 서로 반비례 관계 다. FE의 대표단위는 km/L, mpg이다. FC의 대표단 위는 g CO 2 /(km or mile), L/100km이다.

동일한 1% 연비절감(FE 또는 FC)이라도 현재의 연비에 따라 g CO 2 /km 효과는 다르게 나타난다.

예를 들면, FC 또는 FC의 변화율(Δ) 작은 경우 Δ FC% = ΔFE% 이지만, 변화율(Δ) 큰 경우는 FC가 큰 영역에선 ΔFC%≫ΔFE%, 반대로 FE가 큰 영역에서 Δ FC%≪ΔFE% 경향을 보였다.

Fig. 4 “FE - FC”, relation graph

2.3 CO2 절감의 경제적 가치

2.3.1 1 gram CO

1) 일반적으로 Tailpipe에서 1 Gallon의 가솔린과 디젤의 CO 2 배출량은 식 (2), (3)과 같다.

   _        _  (2)

   _        _  (3) 2) 1 Liter 단위로 CO 2 환산 시 배출량은 식 (4), (5) 와 같다.

   _        _  (4)

   _        _  (5) where 1 Gallon = 3,785 Liter

3) 식 (4), (5)의 역수를 취하면 1g CO 2 연료소비량 을 구할 수 있고, 이는 식 (6), (7)과 같다.

        _ (6)

        _ (7) 2.3.2 유럽 CO

초과 배출에 대한 Penalty

유럽 승용(M1) CO 2 감축법(No.443/2009/EC)은 규제치 대비 1 g CO 2 /km초과 시, €5 ~ 95의 벌금을 제시하고 있고, 이는 Table 1과 같다. ²⁾

2.3.3 1 gram CO

/km 경제적 가치 아래 1 ~ 4)의 기준이 필요하다.

1) 1L 유럽 가솔린 연료비 : €1.5 /Liter ^{* 1)}

2) 연비개선 효과 : 1 g CO 2 /km 절감 효과

Study on the Strategy of CO2 Reduction Technology in Vehicle according to CO2 Emissions Regulation in EU - Focusing on Auxiliary Energy Improvement -

Table 1 Penalty payment for excess emission in Europe Excess Emission：X Penalty (€)

'12 ~ '18

X ≤ 1 g/km

(the first g/km of exceedance) 5 1 g/km < X ≤ 2 g/km

(the second) 15

2 g/km < X ≤ 3 g/km

(the third) 25

X > 3 g/km

(for each subsequent g/km) 95 '19 ~ Every Excess 1 g/km

(the first gram of exceedance onwards) 95

3) 연간 주행거리 : 20,000km ^{** 2)} 4) 통상 주행거리 : 5년간 10만 km

상기 2)에 의해 연비개선 효과가 1g CO 2 /km 인 차 량이 5년간 누적 10만 km 주행 시 100kg CO 2 절감이 가능하다. 이는 식 (6)에 의해 가솔린 43L 상당하는 연료 소모량이다. 이는 상기 1)에 의해 €65의 절감 효과를 보인다.

하지만 참고적으로 최근 자동차 교체주기가 2 ~ 3 년 정도로 점점 짧아지는 경향이 두드러지고 있다.

이는 짧아진 차량 구매 주기에 따른 완성차 업계의 공격적인 마케팅을 요하고 있다. ^15-17) 만약 이를 반 영한 마케팅 관점에서의 통상 주행거리를 2 ~ 3년 간 누적 거리 5만km라 가정한다면 이는 50kg CO 2

절감에 해당하고, 동시에 가솔린 22L에 상당하는 연 료 소모량에 해당한다. 이는 상기 1)에 의해 €33의 절감 효과를 보인다.

연료비 €65 절감의 경제적 효과를 기준으로 2019년부터 적용되는 1g CO 2 /km 초과 시 일괄 적용 되는 €95의 Penalty 절감 효과를 더한다면, 최종 1g CO 2 /km 절감의 경제적 가치는 연료비와 Penalty의 관점에서 총 €160의 절감 효과를 나타냈다.

연료비와 Penalty를 합산한 총 경제적 가치를 Fig. 5 에서 Cost of Ownership라 표현하고, 빨간색 표시된 영역은 Cost of Ownership의 통상 주행거리 관점(기 술적 관점)과 마케팅 관점과의 차이다.

* 2014/06/14. 무연휘발유 (Unleaded 95 RON) 가격 : 독일 1.6 €/Liter, 프랑스 1.5 €/Liter.

** 1일 국내 평균 주행거리 : 48.6 km (교통안전공단, 2011) 연간 주행거리 환산 : 17,739km (등록 승용, 승합 평균)

Fig. 5 Economic effects of reducing 1 g CO2/km

2.4 에너지 변환과 사용

연료의 화학적 에너지가 실제 운전자가 사용하는 에 너지로 사용, 변환 및 전달되는 과정은 Fig. 6과 같다. ¹³⁾ 실제 운전자의 가치는 이동성(속도 및 가속도), 안전성(조명 및 제동), 거주성(온도 및 습도), 편의성 (기기조작)등으로 다양하게 나타나는데, 차량의 연 비는 운전자의 가치 중 에너지의 변환, 전달 및 사용 전 과정에서 개선의 기회가 있다. 변환과정 중 개선 의 기회는 Fig. 6에서 노란 박스로 표시하였다.

Fig. 6 Chance of reducing CO2 in energy conversion

2.4.1 정량적 표현

정량적으로 화학에너지가 실제 차량에 사용되는

모든 에너지의 변환과정을 Fig. 7과 같이 평균 일률

로 도해 후, CO 2 배출량으로 환산하였다. 주행모드

는 미국의 FTP-75(도심주행)기준으로, 차종은 북미

석규업․윤형진

Fig. 7 Energy conversion and usage (quantitative)

용 현대차 2013년형 Elantra Limited 4dr Sedan 기준 (참고 : Basic calclulation data)으로 하였다. FTP-75 주행 자료를 통해 실제 차량주행에 영향을 미치는 노면저항, 공기저항, 관성에너지의 총 평균 일률 (Average Power)을 구하고, 에너지 변환과정을 역순 으로 환산하였다. 북미용 Elantra의 평균 일률은 약 25kW 정도로 측정되었고, 화학에너지가 사용자 가 치(주행, 전기에너지 등)로 전달되는 전 과정을 평 균 일률로 Fig. 7과 같이 표현하였다.

1) Basic calculation data ²⁰⁾ ① Gross vehicle weight : 1720kg ② Drag coefficient : 0.299 ③ Frontal area : 2.21 m ³

④ Rolling resistance coefficient: 0.016 2) 효율(Efficiency, eta. ,η ) 계산 기준 ① η_ BMEP (FTP-75) : 0.4 ²¹⁾ ② η_ Eng _ Mech: 0.9 ③ η_ Drivetrain : 0.9

④ η_ Elec. _ Transmission : 0.9 ⑤ η_ Alternator : 0.67 ⁵⁾ ⑥ 유압에너지 ≒ 전기에너지

2.5 CO2 절감의 비용 대비 효과 분석

연비개선 기술을 차체 및 샤시 개선, 파워트레인 (엔진, 변속기) 개선, 보기류(부하효율, 유압손실, 발 전효율, 제어에너지 등) 개선으로 분류하였다. 비용 대비 CO 2 절감의 효과를 Fig. 10을 통해 살펴보았 다. ^9-11,18)

Fig. 8 Graph (CO2 reduction - technical cost)

Fig. 9 Graph focusing on auxiliary (CO2 reduction - tech. cost)

Fig. 8은 Table 2의 도표를 그래프로 표현하여, 보 다 직관적으로 비용대비 CO 2 절감의 효과를 볼 수 있다. 상대적으로 적은 CO 2 절감 정도를 보이지만 비교적 저렴한 가격대를 형성하고 있는 전장 보기 류를 Fig. 9를 통해 중점으로 비교했다.

2.6 연비개선 대표 보기류 기술

대표적인 전장 보기류 연비개선 기술의 시스템 구성도를 Fig. 11과 같이 표현하였다. 보기류의 차량 구성 위치를 도해하고 Fig. 8 ~ 9를 통해 각 자료에서 제시하는 1) ~ 5)의 대표적인 보기류 연비개선 기술 을 분석하였다.

1) 전자식 워터펌프(electric water pump)

2) 고효율 알터네이터

유럽 CO2 감축법에 따른 차량 CO2 감축 기술 전략에 관한 연구 - 보기류 개선을 중심으로 -

Fig. 10 Comparing data of eco innovation technologies (in the view of CO2 reduction & technology cost)

Fig. 11 System diagram (auxiliary technologies)

3) 연료펌프(fuel pump control module) 4) 블로어 팬(HVAC blower fan) 5) LED 램프

Fig. 11의 기술들에 대한 상세한 연비 개선 분석은

Table 2 Classification auxiliary technology in vehicle Class. System Target Electric control

aux.

Fuel delivery FPCM

; Variable load control HVAC Blower fan

Engine cooling EWP Alternator Rectifier

(Diodes) ; Generating efficiency HVAC LED ; Reducing power

consumption

Table 2, 3과 같이 시스템, 연비개선 대상, 제어개념 등과 같이 구분하여 진행하였다.

2.7 Electric Power 절감의 연비 향상 정도

차량 전장 보기류에 소비되는 Electric Power 100W (0.1kW) 감소가 CO 2 감축에 영향을 미치는 정도를 정량적으로 파악하였다.

2.7.1 총 에너지와 연료량의 관계

           (8)

Kyu-up Seok․Hyoung Jin Yoon

Table 3 How to improve fuel economy in vehicle auxiliary Target How to improve fuel economy FPCM ; BDC motor (type: direct switching)

⇒ BLDC motor

Blower fan ; BDC motor (type: linear control) ⇒ BLDC motor

EWP ; Mechanical belt-driven ⇒ BLDC motor Rectifier

(Diodes) ; Replacing high efficient diodes in rectifier

LED

; Drive : Linear ⇒ DC-DC yype

Connection : series ⇒ Parallel ⇒ Matrix type Brightness : analog ⇒ Digital dimming

   _   

    _      _ ^

(9)

          (10) 즉, 가솔린 1L 소모는 CO 2 배출 2,310 grams에 해 당하였고, 8.56 kWh 에너지 소비와 동일하였다.

2.7.2 주행 모드별 평균 일률과 연비와의 관계 총 에너지와 연료량의 관계를 FTP-75 도심 주행 모드 기준을 통해 평균 일률과 연비와의 관계로 도 출하였다.

        

  



 

(11)

         

   

  _ 

    _ 

(12)

즉, 가솔린 1L 소모는 FTP-75 주행모드 시, 이는 129.30 g CO 2 /km연비에 해당하고 평균 일률은 12.40 kW이었다.

이를 일반화하여 아래 식 (13), (14), (15)와 같은 결론을 얻었다.

 _   _ ×  _ (13)

 _mod ×  _   _ ×  _ ×  _ (14)

 _{  }

 _mod

  _   _ 

 ×  _ (15)

Fig. 12 “FC - ave. power” relationship in energy conversion

  _ ×  _{ ×  }

 _mod

 _mod

 ×    _mod

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  _ ×  _ ×      ×  _

1) FTP-75 주행 사이클

① Cycle Time: 2,477 (s) = 0.69 (h) ② Distance: 17,860 (m) = 17.86 (km) 2) E = 에너지 [kWh]

3) η avg. = 평균 에너지 효율

4) P avg. = 평균 일률, Average Power [kW]

5) C E = 발열량, Energy Density [kWh/L]

6) V Fuel = Fuel Volume [L]

7) F C = Fuel Consumption [L/km]

8) 주행 Mode에 따른 상수 = T mode [h], D mode [km]

2.7.3 Electric Power 100W 절감의 의미

매년 사용 증가되는 전장 보기류의 electric power 를 100W 절감 시, FTP-75 도심 주행모드에 연비 향 상에 영향을 미치는 정도를 아래 식 (16), (17)을 통 해 정량적으로 파악하였다.

∆  감소  ∆  절감

 ∆   _   절감 (16)

∆  감소  ∆  절감

 ∆   _   절감 (17)

Study on the Strategy of CO2 Reduction Technology in Vehicle according to CO2 Emissions Regulation in EU - Focusing on Auxiliary Energy Improvement -

3. 결 론

본 연구는 2020년 유럽 CO 2 감축법 승용차량 95g/km 규제 강화에 따라 완성차 업계에 단기간 내 규제 만족을 위한 신기술 발굴에 대한 필요성을 역 설하였다.

1) 북미의 Footprint 방식 및 유럽의 중량 방식 별 상 이한 CO 2 규제에 대한 정확한 해석을 통해 현재 현대자동차 주력 차종의 현재 연비위치를 보였 으며, 연비를 보다 세부적으로 Consumption 및 Economy 관점으로 구분하여 상호 반비례적인 관계를 보임을 증명하였다.

2) 1g CO 2 /km의 연비 향상의 의미를 규제에 따른 Penalty와 지역별 상이한 연료비용을 의미를 더 하여, 주행거리에 따른 CO 2 절감의 경제적 가치 를 산출하였다. 실제로 연비를 높일 수 있는 차량 의 에너지 변환 과정을 분석하여, 차량의 연비개 선은 에너지의 변환, 전달 및 사용 전 과정에서 개선의 기회가 있음을 보였다.

3) 더불어 각종 자료에서 제공하는 연비개선 효과와 비용을 취합하여 상대적으로 낮은 가격을 형성 하고 있고, 차량 적용이 빠른 전장 보기류를 중점 으로 비교해보았다. 이를 통해 전자식 워터펌프, 고효율 알터네이터, 연료펌프, 블로어 팬, LED 램프와 같은 대표적인 전장 보기류를 분석하였다.

4) 매년 사용이 증가하는 전장 보기류 Average Power 100W 절감의 의미 해석을 FTP-75 주행모드를 통 해 증명하였고, 이를 일반화하여 주행모드의 평 균 속도에 평균 일률은 비례한다는 결론을 내렸 다. 분석 결과 전장 보기류의 평균 일률 100W 감 소는 1.05 g CO 2 /km절감의 효과를 보인다는 것 을 확인할 수 있었다.

본 연구의 한계는 연비개선 가능한 다양한 요소 중, 지속적으로 수요가 증가하는 전장 보기류에 연구 범위를 한정하였다는 점, 승용기준으로만 연비 규제 분석을 한정하였다는 점이 반성할 점으로 보였다.

비교적 차량에 적용이 쉽고 과거 연비개선 기술 에 고려대상이 아니었던 보기류 개선을 통해 CO 2

절감의 기회를 발굴하여, 곧 다가올 강화된 CO 2 규 제에 대한 자동차 산업계는 객관적, 전략적 대응이 필요하다고 판단한다.

References

1) J. C. Yoo, H. B. Song, J. H. Lee, J. S. Yoo, Y.

M. Park and K. S. Park, “An Experimental Study on Breakdown of Fuel Consumption on a Component Basis in Gasoline Engine Vehicle,”

Transactions of KSAE, Vol.12, No.1, pp.153- 161, 2004.

2) Regulation, (EU) No. 443/2009 to Define the Modalities for Reaching the 2020 Target to Reduce CO

2

3) Directive, 2007/46/EC Annex II Definition of Vehicle Categories and Vehicle Types, The European Parliament and of the Council, 2007.

4) Regulation, Standard to Reduce Greenhouse Gases and Improve Fuel Economy for Model Years 2017-2025 Cars and Light Trucks, EPA

& NHTSA, 2012.

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