Optimization of the Parallel Diesel Hybrid Vehicle

CopyrightⒸ2008 KSAE 1225-6382/2008/096- 04 Transactions of KSAE, Vol. 16, No. 6, pp.26-32 (2008)

병렬형 디젤 하이브리드 전기 자동차 최적화

염 기 태¹⁾․양 재 식²⁾․배 충 식^*1)․김 현 옥³⁾

한국과학기술원¹⁾․한국과학기술원 자동차기술 대학원²⁾․쌍용자동차³⁾

Optimization of the Parallel Diesel Hybrid Vehicle

Kitae Yeom¹⁾․Jaesik Yang²⁾․Choongsik Bae^*1)․Hyunok Kim³⁾

1)Department of Mechanical Engineering, Korea Advanced Institute of Science and Technology, Daejeon 305-701, Korea

2)Graduate School of Automobile Technology, Korea Advanced Institute of Science and Technology, Daejeon 305-701, Korea

3)Technical Research Center of Ssangyong Motor Company, 150-3 Chilgoi-dong, Pyeongtaek-si, Gyeonggi 459-711, Korea (Received 27 August 2007 / Accepted 18 June 2008)

Abstract : This research presents a simulation for the fuel economy of parallel diesel hybrid vehicle. Diesel engines compared to gasoline engines have the advantages of higher fuel economy and lower CO

emission. One of the most ways to meet future fuel economy and emissions regulation is to combine diesel engine technology with a hybrid electric vehicle. The simulation of HEV is growing need for rapid analysis of the many configurations and component options. WAVE, a one-dimensional engine analysis tool, was used to a 2.7L diesel engine. ADVISOR, designed for rapid analysis of the performance and fuel economy of vehicle models, was used to conventional and hybrid electric vehicle by the use of output file from WAVE as the input engine data file for ADVISOR. A parallel diesel HEV is at least 19.7~36% higher fuel economy and improved acceleration ability compared to a conventional diesel vehicle. The energy loss of the parallel diesel HEV is 23~38% less than the conventional vehicle using regeneration.

Key words : Parallel HEV(Parallel Hybrid Electric Vehicle, 병렬형 하이브리드 전기자동차), Diesel engine(디젤 엔진), Fuel economy(연비), Control strategy(운전전략)

1.

최근 세계 각국에서의 환경 및 연비규제를 달성 하기 위해 하이브리드 전기자동차(Hybrid Electric Vehicle)에 대한 연구개발이 활발히 이루어지고 있 다. 하이브리드 전기자동차는 두 가지 이상의 동력 원을 사용하는 자동차로서 일반적으로 동력원으로 는 기존의 내연기관과 전기모터가 혼합되어 사용되 고 있다.¹⁾

특히 기존의 내연기관 중 디젤 엔진은 가솔린 엔 진에 비하여 효율적이라 연료경제성이 뛰어나고 이

*Corresponding author, E-mail: [email protected]

산화탄소 배출량이 적은 장점을 가지고 있다.^2,3) 이에 디젤 엔진을 사용한 하이브리드 전기자동차 에 대한 관심이 높아지고 있으며, 다양한 차량 구성 요소와 구동방식을 빠르게 분석할 수 있는 해석을 통한 성능 연구가 많이 진행되고 있다.^3-5)

본 연구에서는 디젤 하이브리드 전기자동차 해석 을 통해 시스템의 최적화를 시도하고자 하였으며 기존 차량과 연비 및 가속능력을 비교하여 하이브 리드 효과가 미치는 영향의 분석을 통해, 디젤 하이 브리드 전기자동차 개발을 위한 기초 정보를 제공 하고자 하였다.

병렬형 디젤 하이브리드 전기 자동차 최적화

2.

디젤 하이브리드 전기자동차 해석을 위해 WAVE 와 ADVISOR(Advanced Vehicle SimulatOR)를 사용 하였다. Ricardo사의 WAVE로 2.7리터 디젤 엔진의 1차원 모델링을 통한 해석하였다. 이를 통해 얻은 엔진 성능 및 연료 소비율 데이터를 ADVISOR의 입 력 데이터로 사용하여 기존 양산의 디젤 자동차와 디젤 하이브리드 전기자동차를 구성하였다. AVL사 의 ADVISOR는 차량 전체를 해석 할 수 있는 소프트 웨어로 일반 자동차, 하이브리드 전기자동차, 연료 전지 자동차 등에 대한 성능 및 연료소비의 해석을 빠르게 할 수 있다.

2.1

연구에 사용된 엔진은 2.7 리터 디젤엔진으로 제 원은 Table 1에 표기하였다. 최고출력은 4000 rpm에 서 192 마력이며 최대토크는 2000~3000 rpm 사이에 서 410 Nm이다.

Fig. 1은 구성한 엔진 구성을 보여준다. 엔진 1차 원 해석 소프트웨어인 Ricardo사의 WAVE를 사용 하여 5기통 터보 차져 장착의 고속 직접 분사(HSDI:

high speed direct injection) 엔진 모델을 구성하였다.

Fig. 1 Engine model diagram Table 1 Engine specifications

Cylinder 5 in-line cylinders

Displacement 2,696 cm³

Bore 86.2 mm

Stroke 92.4 mm

Compression ratio 17.5

구성한 엔진의 흡기계는 에어 필터, 압축기, 인터 쿨러, 흡기 플레넘, 흡기 매니폴드 등을 포함하고 배 기계는 배기 매니폴드, 터빈, 산화촉매, 공명기 등을 포함한다. 위와 같이 구성된 WAVE 엔진 모델로 1000 rpm부터 4400 rpm까지 200 rpm 간격으로 각 회 전수 조건에서 분사시기와 분사량을 조절해 최적의 분사시기와 분사량을 결정하였다.

2.2

해석에 사용된 차량은 디젤 엔진을 사용하는 SUV 모델이다. 현재 양산되고 있는 대상 차량을 바 탕으로 일반적인 디젤 자동차와 디젤 하이브리드 전기자동차의 두 모델을 구축하였으며 하이브리드 전기자동차의 경우는 구성요소를 최적화 시켰다.⁶⁾ 두 가지 차량의 구성요소 및 간략한 설명에 대해서 는 Table 2에 표기하였다.

Fig. 2 Diesel parallel hybrid vehicle block diagram

Table 2 Summary of components specifications Model Conventional

diesel

Parallel diesel hybrid

Vehicle SUV

Fuel converter 2.7 L diesel engine Transmission 5 speed automatic

Motor PM motor

16 kW Lynx

Energy storage NiMH 60Ah

335 V Exhaust aftertreatment EX_CI

Control strategy Fuzzy control

Kitae Yeom․Jaesik Yang․Choongsik Bae․Hyunok Kim

차량은 ADVISOR에서 제공되는 모델을 바탕으 로 모델링 하고자 하는 대상 차량의 제원으로 수정 하였다. 엔진의 해석 결과를 이용하여 2.7 리터 디젤 엔진을 모사하였다. 변속기는 현재 대상 차량에서 사용되고 있는 자동 5단 방식으로 구성하였다.

디젤 하이브리드 전기자동차 모델에서만 사용하 게 되는 모터와 에너지 저장장치는 다양한 도로주 행 해석을 통해 최적화시켜 사용하였다. 해석 결과 에 영향을 끼칠 수 있는 배터리 충전상태(SOC: state of charge)에 대해서는 시작할 때는 70% 충전으로 끝날 때는 65%의 충전이 되도록 하였으며 주행 중 에는 70~60%의 SOC를 유지하도록 하였다.

주행 사이클은 각 나라에서 운전 환경에 따라 다 양하게 만들어진다.⁷⁾ 그 중 가장 일반적으로 사용하 는 네 가지의 주행 사이클에서 해석을 수행하였다.

첫 번째는 UDDS(urban dynamometer driving sche- dule) 사이클이다. 이 주행 사이클은 미국 EPA (environmental protection agency) 에서 만든 도심 사 이클이다. 이 사이클은 LA-4, FTP-72 등으로 불리기 도 하며, 주로 가벼운 트럭이나 승용차의 배기 성능 을 시험하기 위해 많이 쓰인다. 두 번째는 HWFET (highway fuel economy test) 사이클이다. HWFET의 경우도 미국 EPA에서 CAFE(corporate average fuel economy: 기업 평균 연비) 기준을 시험하기 위해 만 든 고속도로 연비 주행 사이클이다. 세 번째는 일본 의 10-15 사이클이다. 이 사이클은 일본에서 판매되 는 차량의 주행 연비를 시험하기 위한 것으로 가벼 운 트럭이나 승용차에 주로 사용된다. 네 번째는 유 럽의 NEDC(new European drive cycle) 사이클이다.

이 사이클은 유럽에서 판매되는 차량의 주행 연비 를 시험하기 위한 것으로 가벼운 트럭이나 승용차 에 주로 사용된다.

네 사이클을 비교해보면, UDDS 사이클의 주행 시간과 거리가 가장 길며 정지횟수가 가장 많다. 따 라서 회생제동 효과가 가장 크게 나타나는 사이클 로 하이브리드화 효과를 가장 크게 확인할 수 있는 주행 사이클이다. HWFET 사이클은 공회전(Idling) 시간과 정지횟수가 가장 적고, 일정 속도를 유지하 는 특징이 있다. 10-15 사이클은 평균 가속과 감속이 많으며 최대속도 및 평균속도는 낮다. 그리고 주행

시간과 거리가 짧으며, 공회전 시간과 정지횟수는 짧은 거리에 비해 많다. NEDC 사이클은 최고 속도 가 가장 높지만 낮은 속도 구간이 많아 평균 속도는 낮다. 이 사이클도 공회전 시간과 정지횟수가 많다.

2.3

하이브리드 차량에 있어서 주행전략은 연비 저감 에 중요한 요소를 차지한다. 본 연구에서는 하이브 리드의 주행 전략은 엔진이 가장 효율적인 영역에 서 운전하도록 하였다. 기계시스템이 시간 변화에 따라 매우 비선형적이기 때문에 연산 방식은 퍼지 연산의 방식을 사용하였다.

이러한 주행전략은 엔진을 효율적인 영역에서 운 전하도록 하기 때문에 상대적으로 토크가 높은 영 역에서의 운전이 증가하게 된다. 만든 WAVE 모델 엔진의 회전수와 부하에 따른 효율 특성을 Fig. 3을 통해 나타냈다. 적용한 주행 전략은 상대적으로 높 은 토크에서 운전을 많이 하고 부하평준화(load leveling)를 통하여 모터를 작동시키기 때문에 배터 리의 충전 상태(state of charge, SOC)를 유지하기 쉽 고, 회생제동(Regenerative braking)의 양도 커서 배 터리를 충전하기에도 좋은 장점이 있다.

Fig. 3 Fuel conversion efficiency of engine

3.

3.1

엔진 해석 결과 중 연비에 가장 중요한 영향을 주 는 제동 비연료소비율(BSFC: brake specific fuel consumption) map을 Fig. 4를 통해 표시하였고 가장 연료소비가 적은 영역은 2000~3500 rpm 사이의 토

Optimization of the Parallel Diesel Hybrid Vehicle

Fig. 4 BSFC results from engine model

크가 높은 영역임을 확인 할 수 있다.

3.2

엔진 해석 결과를 바탕으로 구축한 2개의 차량 모 델에 대해 해석을 수행한 결과 연료소비량 및 가속 성능의 효과를 확인할 수 있었다.

3.2.1 구동계 최적화

최적화를 위해 사용한 모터와 배터리의 제원은 각각 Table 3과 4에 표기하였다.

앞에서 설명하였듯이 UDDS 사이클은 제일 주행 시간과 거리가 길며 정지횟수가 제일 많아 회생제 동 효과가 가장 크게 나타나는 사이클이기 때문에 모터와 배터리의 최적화를 위해 UDDS 사이클을 사 용하였다.

다른 구성 요소는 모두 동일한 상태에서 모터와 배터리에 대해 연료 소비 비교를 하였다. 비교 결과 에 대해서는 Fig. 5를 통해 도시하였다. 비교를 하는 데 있어 큰 영향을 줄 수 있는 배터리의 SOC 상태에

Table 3 Motor specifications

Motor Max power

(kW)

Peak efficiency

(%)

Mass (kg)

Max current

(A)

Min voltage

(V)

PM 8 8 93 14 300 30

PM 16 16 92 21 300 30

PM 25 25 90 45 270 130

PM 32 32 90 38 300 60

PM 49 49 96 60 400 60

PM 58 58 92 70 480 120

Table 4 Energy storage system (ESS) specifications

ESS Number of cells

Nominal voltage

(V)

Ah Mass

(kg)

Nominal energy

(C/3) (Wh)

NiMH 28 50 335 28 180 175

NiMH 45 25 335 45 210 598

NiMH 60 25 335 60 290 750

NiMH 90 25 335 90 418 1100

Fig. 5 Fuel consumption comparison of various motors and ESSs

대해서는 처음 시작점을 70%의 충전 상태로 맞추 고, 5번의 주행 사이클을 운전 후 끝점을 65%의 충 전 상태로 맞추었다.

PM8의 모터를 사용한 경우 모터의 회생제동 출 력이 낮아 배터리의 SOC를 유지시켜주지 못하는 결과를 보여 NiMH28 외에는 고려하지 않았다. 그 외의 모터는 배터리의 SOC를 0.65로 유지시켜 주는 결과를 보였다.

연비 비교한 데이터를 보면 PM49 모터를 사용한 경우가 다른 모터에 비해 연비가 가장 좋은 것을 확 인할 수 있다. PM49 모터는 Table 3에서 보는 바와 같이 효율적이고 출력이 좋기 때문에 하이브리드에 사용하였을 경우 연비 향상 효과가 다른 모터에 비 해 크게 나타난다. 모터의 크기가 그 이상이 되면 출 력은 늘어나지만 무게가 같이 증가를 하게 되어 차 량 전체의 효율은 떨어져 연료소비가 늘어나는 것

염기태․양재식․배충식․김현옥

을 확인할 수 있다. 그리고 모터의 크기가 그 이하로 되면 무게는 감소하나 출력도 같이 감소를 하기 때 문에 차량의 연료소비의 향상효과가 낮은 것을 확 인할 수 있다.

PM49를 사용하는 경우, 연비 향상 효과는 NiMH60에서 가장 크게 나타나는 것을 확인할 수가 있다. 이는 NiMH60 배터리의 무게와 용량이 PM49 가 충전을 하고 출력으로 힘을 사용하기에 가장 적 당한 것임을 알 수 있다. Table 4를 보면 알 수 있듯 이 NiMH60 이상의 용량을 가진 배터리는 용량이 커 지며 같이 무게도 증가한다. 이의 영향으로 오히려 연비가 나빠지는 것을 확인할 수 있다. 또한 무게가 감소되면 용량도 감소하여 모터가 충전과 출력을 하기에 용량이 작아 SOC를 유지하기가 힘들어지고 오히려 연비가 악화된다.

위와 같은 최적화 과정을 통해 모터는 PM49를 배 터리는 NiMH60을 선정하였다.

3.2.2 엔진 운전 변수 최적화

Fig. 4에 나타난 바와 같이 하이브리드 엔진의 경 우 운전 영역이 1000~2000 rpm에서 이뤄지고 있다.

따라서 1000~2000 rpm 영역에서 터보과급과 고압 분사의 사용을 최적화하여 출력과 연비를 향상하고 자 하였다.

성능 개선된 엔진은 1차원 엔진 유동해석 프로그 램의 해석을 통하여 BSFC 와 배기 배출물 결과를 얻었다. BSFC는 Fig. 6에 도시하였다.

Fig. 4에 도시한 기존 디젤 엔진의 BSFC와 Fig. 6 에 도시한 개선된 디젤 엔진의 BSFC 을 비교해보면, 1000~2000 rpm 고부하 영역에서 연비 향상 효과가

Fig. 6 BSFC map of improved diesel engine

있는 것을 확인할 수 있다. 그리고 그 영역에서 토크 의 향상 효과도 확인할 수 있다.

3.2.3 엔진 작동 영역

가장 효율적인 구간에서 엔진이 운전될 수 있도 록 주행전략을 세웠으므로 그 영향을 보기 위해 작 동영역을 Fig. 7과 8을 통해 도시하였다.

Fig. 7의 일반적인 디젤 엔진 작동영역에 비하여 Fig. 8의 하이브리드 디젤 엔진의 경우 약 2000rpm 이하에서만 운전되고 그 이상의 영역에서는 모터의 도움으로 엔진이 운전되지 않는 것을 확인할 수 있 다. 그리고 하이브리드의 경우, 엔진이 효율적으로

Fig. 7 Conventional diesel vehicle engine operation

Fig. 8 Hybrid electric vehicle engine operation

병렬형 디젤 하이브리드 전기 자동차 최적화

작동하기 위해 토크 영역이 높은 곳에서 주로 운전 되는 것을 확인할 수 있다.

Fig. 7과 8을 비교하면 감속 구간을 나타내는 토 크가 음수인 영역을 기존 구동계에서는 확인할 수 있지만 하이브리드 구동계에서는 회생제동을 하기 때문에 이와 같은 영역이 존재하지 않음을 확인할 수 있다.

엔진 운전 영역과 함께 Fig. 6의 연료소비율 결과 를 살펴보면 하이브리드의 경우에 운전 회전수가 낮고 토크가 높은 영역에서 작동하는 하이브리드의 경우에는 연료소비가 적은 영역에서 주로 운전되고 있음을 알 수 있다.

3.2.4 연료소비량

기존 구동계와 디젤 하이브리드 구동계의 연료 소비량을 Fig. 9를 통해 나타냈다. 총 4가지 주행 사 이클에 모사한 결과로 단위 환산 결과도 같이 나타 냈다.

기존 모델의 표준연비인 10.4 km/L로 총 4가지 주 행 해석 결과의 평균인 9.85 km/L과 비교했을 때, 약 5.3%의 오차를 보여 해석 결과가 비슷한 값을 보임 을 알 수 있다.

이를 바탕으로 다른 모든 주행 사이클에서 연비 비교를 해보면, 구동계의 하이브리드화에 따라 최 대 36%에서 최소 19%의 연비 향상 효과가 있음을 확인하였다.

이는 엔진 작동 영역으로도 확인하였지만, 하이 브리드의 경우에는 엔진이 더 효율적이고 연료 소 비도 적은 영역에서 운전을 하기 때문으로 설명할 수 있다. 또한 잦은 정지와 출발이 존재하는 도심 주

Fig. 9 Fuel economy results

행의 경우에는 회생제동을 통한 에너지 저장도 연 비 향상에 큰 효과를 주는 것으로 설명할 수 있다.

3.2.5 가속성능

총 3가지의 가속성능을 평가하였으며 최고속도 를 해석하였다. 그 결과는 Table 5에 표기하였다.

Table 5를 통해 보면, 하이브리드 전기자동차로 구 성을 하였을 때 가속성능 및 최고속도가 향상되는 것을 확인 할 수 있다. 이는 모터가 엔진과 함께 부 하를 발생시킴으로써 출력이 증가하기 때문이다.

Table 5 Acceleration performance simulation results

Mph Km/h Conventional

diesel

Parallel diesel hybrid

0-60 0-96.6 10.8 sec 9.6 sec

40-60 64.3-96.6 4.8 sec 4.4 sec 0-85 0-136.8 19.6 sec 17.8 sec

Max speed 192.3 km/h 197.1 km/h

3.2.6 회생제동

기존 구동계에 비하여 구동계의 하이브리드화를 할 경우 회생제동 에너지를 통하여 에너지의 손실 을 막을 수 있다. 모터에서 발생한 회생제동 에너지 를 에너지 저장장치에 저장하고 저장된 에너지로 모터를 구동하여 연비 향상에 효과를 주는 것이다.

Fig. 10을 통해 회생제동 발생을 확인할 수 있다.

모터 토크가 0 이하인 영역이 회생제동이 발생한 영 역으로 회생제동이 많은 곳에서 발생하였음을 확인 하였다. 이러한 회생제동의 효과로 하이브리드 구 동계가 기존 구동계에 비하여 에너지 손실이 더 적

Fig. 10 Regeneration torque of hybrid model

Kitae Yeom․Jaesik Yang․Choongsik Bae․Hyunok Kim

Fig. 11 Improvement of fuel usage

으며 에너지 사용에 있어 향상된 효과를 Fig. 9에 나 타냈다. Fig. 11을 통해 하이브리드 구동계는 기존 구동계에 비해 에너지 손실이 최소 23%에서 최대 38%까지 적은 것을 알 수 있다.

4.

2.7L 디젤엔진으로 구성한 기존의 구동계와 하 이브리드 구동계를 WAVE와 ADVISOR를 사용하 여 모사하였다. 연구를 통해 다음과 같은 결론을 얻었다.

1) WAVE 해석 결과 가장 연료 소비가 적은 영역은 2000~3500rpm 사이의 토크가 높은 영역임을 확 인 할 수 있었으며, 주행전략을 통해 이 영역에서 연료 소비를 줄일 수 있을 것으로 분석되었다.

2) 엔진의 운전 영역을 살펴보았을 때, 가장 효율적 인 영역에서 엔진이 운전되고 있음을 볼 수 있었 다. 이를 통해 연비 향상 효과가 나타나고, 회생 제동의 효과가 연비 측면에서 크게 나타나는 것 을 확인할 수 있었다.

3) ADVISOR로 해석 결과 디젤 하이브리드 구동계 로 구성하였을 경우 연비에 있어서 19~36%의 향 상 효과가 있는 것으로 나타났다.

4) 하이브리드화를 통하여 모터의 출력을 추가로 사용할 수 있어 차량의 가속 성능 및 최고 속도가 향상되는 것으로 나타났다.

5) 하이브리드화를 할 경우 회생제동의 효과로 에 너지 손실이 기존 구동계에 비해 23~38% 적은 것으로 나타났다.

후 기

본 연구는 미래형자동차 기술개발사업단의 연구 비 지원에 의해 수행된 결과입니다.

References

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