A Study about Impact of Battery SOC on Fuel Economy of Conventional Diesel Vehicle

Copyright

2016 KSAE / 143-14 pISSN 1225-6382 / eISSN 2234-0149

Transactions of KSAE, Vol. 24, No. 4, pp.480-486 (2016)

배터리 충전상태가 경유자동차 에너지소비효율에 미치는 영향 연구

김 성 우^*1)․김 기 호¹⁾․하 종 한¹⁾․권 석 주²⁾․서 영 호²⁾

한국석유관리원 석유기술연구소¹⁾․자동차부품연구원 그린카파워시스템연구본부²⁾

A Study about Impact of Battery SOC on Fuel Economy of Conventional Diesel Vehicle

Sungwoo Kim^*1)․Kiho Kim¹⁾․Jonghan Ha¹⁾․Seokjoo Kwon²⁾․Youngho Seo²⁾

1)

Research Institute of Petroleum Technology, Korea Petroleum Quality & Distribution Authority, 33 Yangcheong 3-gil, Ochang-eup, Cheongwon-gu, Cheonju-si, Chungbuk 28115, Korea

2)

The Green Car Powertrain R&D Division, Korea Automotive Technology Institute, 303 Pungse-ro, Pungsan-myeon, Dongnam-gu, Cheonan-si, Chungnam 31214, Korea

(Received 27 April 2016 / Revised 26 May 2016 / Accepted 27 May 2016)

Abstract : Manufacturers have been applying several technologies that can improve the fuel economy of their cars.

The regulated voltage control(RVC) system, is one of those technologies being used in passenger cars. In RVC, the voltage of an alternator is controlled depending on the electrical load demand or battery SOC, although each manufacturer differs from another in terms of detail. RVC can reduce the load of an alternator by consuming the stored energy of a battery and simultaneously generate energy. In this paper, a diesel passenger car equipped with an RVC system was tested under FTP-75 and HWFET modes to evaluate fuel economy as their initial battery SOC(100, 90, 80 and 60 %). The test results showed that the initial SOC affects fuel economy only under the FTP-75 mode. FTP-75 fuel economy of the 60% SOC was 13.2 % lower than the 100 % SOC. Also, the simultaneous consumption of the two energy sources did not appear in 60 % SOC.

Key words : Fuel economy(에너지소비효율), Battery SOC(배터리충전상태), BCM(바디 제어 모듈), RVC(발전 제어), Electrical load(전기부하)

Nomenclature

CO : carbon monoxide, g/km CO

: carbon dioxide, g/km F.E. : fuel economy, km/L HC : hydrocarbon, g/km

Subscripts BCM : body control module

*

Corresponding author, E-mail: [email protected]

DFM : digital field monitor

FTP-75 : federal test procedure at 75℉

H/L : head lamp ISG : idle stop and go

HWFET : highway fuel economy test MIM : middle in motor

IGBT : insulated gate bipolar transistor RVC : regulated voltage control SOC : state of charge

WLTP : worldwide harmonized light vehicles test

procedures

배터리 충전상태가 경유자동차 에너지소비효율에 미치는 영향 연구

1. 서 론

세계 주요국은 자국의 에너지 안보 및 에너지이 용 합리화, 온실가스 배출량 저감을 위하여 기업평 균 또는 차량등급별 에너지소비효율(이하 연비)과 이산화탄소 배출량 기준을 마련하고 있으며, 고유 가의 지속에 따라 소비자가 승용차 연비에 큰 관심 을 갖게 되면서 연비는 차량구매 시 차량별 비교조 건의 주요 항목으로 작용하고 있다.

자동차 제작사(이하 제작사)는 국가별 정책 부합 및 소비자 구매 매력도를 높이기 위하여 다양한 기 술을 도입함으로써 자사 차량의 연비향상에 주력하 고 있다.

제작사는 다양한 연비향상 기술 중 하나 로 배터리의 충·방전 상태(SOC)에 따른 효율적인 발 전제어기술을 자사 차량에 적용 중에 있다. 과거 차 량대비 최근 차량들은 운전자의 편의 및 안전을 위 하여 다양한 전기･전자 장치를 사용하고 있으며 이 에 따라 효율적인 발전제어 기술은 연비에 대한 기 여도가 크다고 할 수 있다.

각 제작사가 적용하는 발전제어 기술의 세부사항은 각기 다르나 차량의 전기부하 사용량 및 주위환경에 따라서 발전용량을 조절하거나 배터리의 충전상태가 일정 수준 이상일 경우 차량의 발전기 발전량을 최소화하고 배터리에 충전된 에너지를 사용하여 엔진부하를 저감함으로 써 연비를 향상

시키는 공통적인 개념을 가지고 있다. 최근 발전제어 기능은 하이브리드 자동차와 같이 감속 시 발전기의 발전부하를 높여 일종의 회 생제동을 구현하는 수준으로 발전

하였으며 이와 함께 ISG가 적용된 차량을 마이크로 하이브리드로 분류되고 있고 12 V 이상의 전원 시스템과 토크 어 시스트를 할 수 있는 발전기를 장착한 차량을 마일 드 하이브리드로 분류하고 있다.

시험 전 배터리의 SOC가 연비 측정결과에 영향 을 미치는 것은 이론적으로 자명하다. 그러나 현행 국･내외 연비 시험방법은 시험 전 SOC 조건을 어떠 한 상태로 유지하여야 하는지에 대한 구체적인 언 급은 없는 상황이다(다만, 2017년부터 적용될 WLTP 시험법에는 예비주행 전 배터리를 완전 충전하도록 하고 있음). 따라서 보다 신뢰성 있는 결과를 얻기 위해서는 SOC 조건에 대한 정의가 필요하며 이에 대한 정량적인 연구가 필요하다.

본 연구는 배터리의 초기 충전상태가 자동차 연 비에 미치는 정량적 영향을 평가하고자 발전제어 기능이 적용된 디젤 차량을 대상으로 배터리 충전 상태 별 연비시험을 수행함과 동시에 배터리와 발 전기의 전기에너지 입･출력량을 분석하였다.

2. 시험장치 및 방법

2.1.1 시험차량

본 연구의 시험을 위하여 사용된 차량은 ‘C’사의 2 L 급 엔진을 탑재한 디젤 승용차로 Euro 5 배출가 스 기준을 만족하는 차량이며 RVC 기능이 적용되 어 있다. RVC 기능은 배터리 및 발전기, ECM, BCM 으로 구성되어 있으며 BCM은 배터리 전류를 모니 터링하여 SOC 및 RVC 기본동작이 가능하도록 ECM에 신호를 보내고 ECM은 발전기의 발전상태 를 모니터링 함과 동시에 전압제어 신호를 발전기 에 보낸다.

이 차량은 12 V 전원시스템을 사용하고 있고 ISG 기능과 기존 발전기를 통한 회생재동 기능 이 없어 마이크로 및 마일드 하이브리드 범주에서 속하지 않는다고 할 수 있다. 기타 상세한 제원은 Table 1에 나타내었다.

Table 1 Specifications of the test vehicle

Model year 2014

Engine type CI inline 4 cylinder Engine displacement (cc) 1,956

Transmission 6AT

Valve mechanism DOHC 16 valve Max. power (ps/rpm) 156 / 3,750 Max. torque (kg.m/rpm) 35.8 / 1,750 ~ 2,500

Intake charging VGT

Fuel supply type CRDI

Label fuel economy (km/L) 13.3 (city: 11.9 / highway: 15.7)

Curb weight (kg) 1,645

Battery type Lead acid / Flooded

Battery capacity (Ah) 90

Battery voltage (V) 12

Alternator type RVC-DFM

Alternator capacity (V/ A) 14.2/140

Head lamp type Halogen lamp

Sungwoo Kim․Kiho Kim․Jonghan Ha․Seokjoo Kwon․Youngho Seo

Fig. 2 Diagram of the chassis dynamometer system 2.1.2 시험조건

차량의 SOC상태는 100 및 90, 80, 60 %를 비교시 험으로 설정하였으며, 100 % 미만의 SOC 상태 구현 은 시험 시작 전 배터리를 완전 충전 후 차량의 전기 장치(전조등, 상향등, 공조기 블로워)를 사용하는 동 일한 조건으로 시간 차이를 두어 방전하였다. 또한 전기부하에 따른 발전기 상시가동 조건을 구현하기 위하여 시험(주행) 중 전조등(H/L)을 사용하였다.

Table 2는 시험조건별 범례 및 방전 소모전력을 나 타내고 있으며 Fig. 1은 100 % 미만 SOC 상태구현을 위한 방전 전류 및 시간을 나타내고 있다. 그 외 조건 은 FTP-75 및 HWFET 모드 시험방법을 적용하였다.

2.2 시험장치 및 방법 2.2.1 연비측정장치

본 실험을 위하여 자동차에 실제 도로 조건과 동 일하게 부하를 가해주는 차대동력계가 사용되었으 며 상세제원은 Fig. 2와 Table 3에 나타내었다. 본 시 스템은 국내 총중량 3.5 t 미만의 소형, 승용 및 화물 자동차에 대하여 배출가스 및 연비를 측정할 수 있 도록 형식승인 된 시험 장비이다.

차대동력계는 자동차가 실제도로를 주행할 때 정 지→가속→정속→감속 등을 반복하는 과정을 대표 화한 실측 주행모드를 사용하여 주행할 수 있도록 자동차에 부하를 가해주는 장치로서 시험에 사용한

Table 2 Test conditions Condition Status

SOC 100 %

SOC 90 %

SOC 80 %

SOC 60 %

H/L On Batt. SOC

before test 100 % 90 % 80 % 60 % 100 % Additional

electricity load during test

Head lamp

Off

Head lamp

Off

Head lamp

Off

Head lamp

Off

Head lamp

On

Fig. 1 Discharged current and time

차대동력계는 AVL사의 AC동력계로 관성중량(inertia weight), 동력흡수계(power absorption unit), 제어기 (controller)로 구성되어 있다.

배출가스 측정장치(HORIBA Co. MEXA series)는

자동차의 배출가스 중 CO, HC, CO

를 분석할 수 있

A Study about Impact of Battery SOC on Fuel Economy of Conventional Diesel Vehicle

Table 3 Specifications of the chassis dynamometer Roll type & diameter Single Roll

(48inch MIM type) Simulated vehicle weight 454 ~ 5400 kg Electric motor absorber type AC IGBT Vector

Max. speed 200 km/h

Registration of actual speed value ± 0.01 % km/h Registration of actual tractive force value ± 0.1 % F.S.

(F.S.: 5870N) Measurement of driving distance Encoder type Max. flow rate of cooling fan 63000 CFM

는 장치로서 CO 및 CO

는 비분산적외선분석법(Non- dispersive infrared), HC는 열식불꽃이온화 검출기법 (Heated flame ionization detector) 분석방법 사용한다.

자동차에서 배출되는 배기가스는 정용량 시료채 취 장치(constant volume sampler)에서 희석되어 일 부를 포집백(sample bag)에 포집한 후 각 분석기에 보내져 농도를 분석한다. 각 분석된 농도는 중량단 위로 환산되고 각 모드의 주행거리로 나누어 거리 당 배출량(g/km)으로 최종 결과를 표시한다.

2.2.2 연비측정방법

연비 측정을 위해 사용된 모드는 국내 연비시험 방법(자동차의 에너지소비효율, 온실가스 배출량 및 연료소비율 시험방법 등에 관한 고시)의 FTP-75 및 HWFET 모드이며 대기온도 조건 및 soaking 조건 등은 시험법을 준수하였다. 또한, HWFET 모드는 FTP-75 모드 종료 후 곧바로 수행되었으며 임의적 인 배터리 충･방전은 실시하지 않았다. 연비는 배출 가스 측정장치로 측정된 CO, HC, CO

의 결과를 Carbon balance 법을 대입하여 계산하였으며 그 식 은 식 아래 식 (1)에 나타내었다.

    

 ×    ×    × 

 (1)

2.2.3 배터리 및 발전기 에너지이동량 측정

배터리 및 발전기 에너지이동량 측정을 위하여 HIOKI사의 Power Analyzer(3390) 및 Current sensor (9278)를 사용하였으며 상세제원은 Table 4에 나타 내었다. 배터리 입출력 전류는 배터리 (-)측 결선에 전류센서를 설치하여 측정하였으며 발전기 출력 전 류는 발전기 B 단자 결선에 클램프를 설치하여 측

Table 4 Specifications of the power analyzer

Power analyzer model HIOKI 3390 Current sensor model HIOKI CT 9278

Accuracy of voltage ±0.1 % F.S Range setting of voltage measurement 0 ~ 30V

Accuracy of current ±0.1 %F.S Range setting of current measurement 0 ~ 200 A

Sampling rate 10Hz

Integration current mode RMS

Fig. 3 Diagram of the points of probes

정하였고 전압은 배터리 양 전극에서 측정되는 값 을 사용하였다. Fig. 3에 전류와 전압 측정 지점을 나 타내었다.

3. 시험결과 및 고찰

Fig. 4는 배터리 SOC 조건 및 H/L On 상태에서 측 정된 FTP-75 모드 및 각 단위모드(Phase 1, 2, 3), HWFET 모드에서 측정된 연비결과를 나타내고 있 다. FTP-75 모드에서 배터리 충전상태가 높을수록 연비는 높게 나타났으며 완전충전(SOC 100 %) 대 비 충전상태(SOC 90 및 80, 60 %)가 낮을수록 1.2 %, 5.0 %, 13.2 %의 연비가 하락되었다. 반면, HWFET 모드에서는 큰 차이를 나타내지 않았다.

H/L On 시험조건의 연비는 FTP-75 모드에서 완 전충전 조건대비 2.8 %의 연비가 하락되었으며 HWFET 모드에서는 1.5 %의 연비가 하락되었다. 할 로겐 전조등 사용에 따른 연비의 하락률은 기존 선

행연구

와 동일 수준으로 나타났으나 고효율 램

프를 전조등으로 사용한 차량은 이보다 다소 개선

되는 것으로 알려져 있다.

김성우․김기호․하종한․권석주․서영호

Fig. 4 Fuel economy of the each test condition

(a) FTP-75 mode

(b) HWFET mode

Fig. 5 Fuel economy & alternator current of the each test

Fig. 5는 각 시험별 연비결과와 발전기 생산 전류 량을 선형회귀분석과 함께 도시하고 있다. FTP-75

모드에서 각 시험별 연비결과는 발전기가 생산한 전류량은 반비례하였으며 결정계수는 0.98로 매우 양호하여 발전기 부하정도는 FTP-75 연비에 큰 영 향을 미치고 있는 것으로 판단된다.

그러나 HWFET 모드의 결과는 반비례 경향이 나 타나지 않았으며 결정계수는 0.50으로 나타났다.

FTP-75 및 HWFET 모드의 예열구간에서 배터리의 충전상태가 차량에 세팅된 목표 SOC에 도달되어 HWFET 모드 연비에는 거의 영향을 주지 않은 것으 로 판단된다. 단, 위 결과는 고속도로 주행을 모사한 HWFET 모드의 시험방법에 따라 FTP-75 모드 및 예 열모드를 포함하는 원인에 기인한 것으로 실제 고 속도로 운전에서 SOC 상태가 연비에 영향을 미치 지 않음을 의미하지 않는다.

3.2 발전제어에 따른 연비

Fig. 6은 각 조건의 대표 시험에서 획득된 실시간 발전기 생산전류량을 나타내고 있다. FTP-75 모드 에서 SOC 상태가 낮을수록 발전기가 생산하는 전 류의 양은 높았으며 발전제어로 발전기 전류가 0A 가 되는 구간이 나타난 SOC 상태는 100, 90, 80 % 이

(a) FTP-75 mode

(b) HWFET mode

배터리 충전상태가 경유자동차 에너지소비효율에 미치는 영향 연구

Table 5 Integrated current of the alternator & battery (FTP-75) Condition

Integ.

current(Ah)

SOC 100 %

SOC 90 %

SOC 80 %

SOC 60 %

H/L On Alternator 9.461 16.878 25.820 47.655 21.301 Battery charge 2.033 7.101 14.639 33.938 2.562

discharge 6.895 3.847 2.594 0.590 1.418 Alternator

- Battery charge 7.828 9.777 11.181 13.717 18.739

(a) FTP-75 mode

(b) HWFET mode

었으며 60 %에서는 나타나지 않았다.

HWFET 모드에서도 발전제어구간이 동일한 시 험조건에서 나타났으나 예열주행 구간에서 나타났 으며 본 시험 구간에서는 나타나지 않았고 본 시험 에서 소모전류는 25 A 내외로 일정하게 나타났으며 정량적 순서는 초기 SOC와 비례하지 않았다.

Fig. 7은 각 조건의 대표 시험에서 획득된 실시간 배터리 충･방전량을 나타내고 있다. 배터리 충･방 전 전류에서도 발전제어 구간을 동일한 시점에서 확인할 수 있으며 발전제어 구간에서 측정전류량이 양의 값(배터리 에너지를 사용하는)으로 나타남을 확인할 수 있고 SOC 100 % 조건에서는 FTP-75 모드 시작 후 약 140초 이후부터 발전기의 에너지와 배터

리 에너지를 동시에 사용하고 있음을 알 수 있다.

HWFET 모드의 본 시험구간에서 배터리 충･방전량 이 0A에 가깝게 나타나는 것은 본 시험모드에서 발 전제어가 이루어지 않은 것을 시사한다.

H/L On 조건에서는 H/L의 전기부하로 인하여 FTP-75 및 HWFET 모드 전반에 걸쳐 40 A 수준의 일정한 전류를 소모하고 있으며 FTP-75 모드에서 는 타 조건의 발전제어가 나타난 구간보다 높고 HWFET 모드에서는 다소 높게 나타났다. 배터리 충･방전량 역시 0 A에 가깝게 나타나는 것을 확인 할 수 있다.

Table 5는 각 모드에서 발전기가 생산한 전류의 적산량과 배터리에 충･방전된 전류의 적산량을 나 타내고 있다. 시험 시작 전 SOC가 낮을수록 발전기 생산 전류적산량은 높고 배터리 방전 적산량이 낮 은 것은 발전제어의 특성을 보여주고 있다. 그리고 발전기 생산 전류량에서 배터리 충전 전류량의 차 는 SOC가 낮아질수록 높게 나타남에 따라 SOC가 낮을수록 발전기와 배터리 사이에서 에너지 손실이 발생되는 것으로 판단된다.

발전제어가 FTP-75 모드에서만 관측됨에 따라

발전제어에 따른 연비향상 효과는 HWFET 모드에

서는 없는 것으로 판단되며, FTP-75 모드의 특성상

초기 완전 충전이 이루어질 수 없고 완전 충전 시 예

비주행 후 SOC가 95 % 수준이며 soaking 기간 중 소

모되는 전류를 고려한다면 시험 시작 전 SOC는 약

90 % 수준으로 판단된다. SOC 90 %의 발전기 생산

전류량은 16.9 Ah이고 배터리 에너지 사용량은 3.8

Ah이므로 충･방전효율을 고려하지 않고 발전제어

가 적용되지 않았을 때 발전기 생산전류 적산량은

약 20.7 Ah로 추정된다. 이 부하를 Fig. 5(a)에서 나타

난 선형회귀곡선에 대입하면 실제 정상적인 연비시

험에서 발전제어에 의한 연비향상 효과는 1.4 % 수

준으로 판단된다. 단, 각 제작사의차량의 발전제어

는 서로 차이를 가지고 있으므로 위 결과를 모든 차

량에 일반화하여 적용하는 것은 불가능할 것으로

사료되나 위와 같이 일반차량에서도 연비시험 결과

에 SOC와 발전제어가 미치는 영향이 주요함으로

현행 연비시험법에 시험초기 SOC에 대한 정의가

필요함을 시사한다.

Sungwoo Kim․Kiho Kim․Jonghan Ha․Seokjoo Kwon․Youngho Seo

4. 결 론

본 연구에서 배터리의 초기 충전상태가 자동차 연비에 미치는 영향을 평가하고자 발전제어 기능이 적용된 디젤 차량을 대상으로 배터리 충전 상태 별 연비시험을 수행함과 동시에 배터리와 발전기의 전 기에너지 입･출력량을 분석한 결과 다음과 같은 결 론을 얻을 수 있었다.

1) 시험 전 SOC 상태는 FTP-75 모드 연비에 영향을 주었으며 SOC 100 % 대비 90 및 80, 60 % 조건의 연비는 1.2 %, 5.0 %, 13.2 % 하락되었다.

2) FTP-75 모드 연비는 시험 전 SOC 상태 또는 시험 중 전기장치(H/L) 사용에 따른 발전기 생산 전류 량(발전기 부하)과 반비례하였다.

3) SOC 상태가 높을수록 FTP-75 모드 중에서 배터리 방전 전류적산량이 높았다.

4) SOC 60 % 조건에서는 발전제어가 나타나지 않 았다.

5) 발전기 생산 전류적산량과 배터리 충전 전류적 산량 차는 SOC 상태가 낮을수록 높게 나타났다.

6) HWFET 모드 연비는 FTP-75 모드 및 HWFET 예 열모드에서 배터리 충전이 완료됨에 따라 시험 전 SOC 상태에 영향을 받지 않았다.

후 기

본 연구는 국토교통과학기술진흥원에서 지원하 는 연구과제를 통하여 수행된 결과로써 관련기관에 감사드립니다.

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