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애윤 권
5 years ago
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1 한국산학기술학회논문지 Vol. 12, o. 1 pp , 2011 최성철 1* 1 아주자동차대학자동차계열 Eco-driving Method at Highway including Grade using GPS Altitude data Seong-Cheol Choi 1* 1 Division of Automobile, Ajou Motor College 요약최근의차량연비는환경규제및고가의연료가격으로인하여중요한문제로대두되었다. 연비향상을위한기술개발은엔진, 파워트레인등차량의많은구성품들의성능을개선하였다. 따라서연비는많이향상되었으나연비측정은현재도주어진모드 (LA-4, FTP-75 등 ) 에서컴퓨터모의시험및다이나모에서수행한다. 본논문에서는실제도로의연비향상방안을도출하기위하여약 213Km 영동고속도로를제안하는 3가지다른알고리즘으로모의주행하였다. 이를위해 GPS 수신데이터중에서거리와고도데이터를추출하여각구간의경사도, 주행저항을계산, 알고리즘에따른속도프로파일을약 213Km 전구간에대해서완성하였다. 이속도프로파일로컴퓨터를이용한 AVL Cruise 프로그램으로모의주행하여연비를산출하고 Eco-driving 방안을제안한다. Abstract A vehicle fuel economy is very important issue in view of fuel cost and environmental regulation. The technology development for the fuel economy improvement improved the engine, power train and many components of vehicle. So, the fuel economy is much improved, but up to now the measurement of it tests the given mode(la-4, FTP-75, etc) within computer simulation program and engine dynamo. In this paper, to deduct the method of its improvement of real road, the test vehicle ran 213Km oungdong real highway using 3 different algorithms in computer simulation. For this, I extracted the distance and altitude data from received GPS data and calculated the grade angle, road load and accomplished the velocity profiles according to algorithms in all 213Km distance. The vehicle runs in computer with AVL Cruise simulation program using velocity profile. I calculate the fuel economy using AVL Cruise simulation result and propose the Eco-driving method of them. Key Words : Grade, Road load, Velocity profile, Fuel economy 1. 서론 차량의화석연료사용량에따른지구환경오염및온난화의영향은매우중요한요인임은이미알려진사실이다. 자동차회사들은 1970년이후에전자및반도체 CPU(central processing unit), 센서, 액츄에이터등이급격히발달함에따라자동차엔진, 변속기, 발전기등에전자제어를적극응용적용함으로써차량의연비를꾸준히 향상시켜왔다. 차량의기계적인구조개선즉, GDI엔진, 동력전달장치효율개선, 경량화, 저항감소등도이루어연비향상에기여하였다 [1]. 또한운전자의운전패턴역시중요한요인이고, 특히도로의경사를고려한운전패턴은연비향상에아주중요한요소이다 [2]. 급가속, 급정지, 과속, 저속등은운전자의운전패턴에따른연료과소모의대표적인사례이다. [2-4] 의연구에서연비향상을위한연구는많이진행되었으나, [2] 에서는경사를고 * 교신저자 : 최성철 (csc@motor.ac.kr) 접수일 10 년 12 월 06 일수정일 10 년 12 월 15 일게재확정일 11 년 01 월 13 일 19

2 한국산학기술학회논문지제 12 권제 1 호, 2011 려하고도실제도로가아닌특정주행모드에서, [3] 에서는경사를고려하지않은초기가속특성과주행패턴에대하여, [4] 에서는경사를고려하지않은주로주행속도에관하여연구하여경사를고려한실제도로에서의연구는찾아보기어렵다. [5] 에서는가솔린차량의요소별연료소모량을계산하여연비향상방안을제시하였지만주행에관한실험을하지않았다. [6] 은주행저항의여러요소가연비에미치는영향을연구하였다. 기존의연구와논문은요소별연비개선방안, 기개발된특정모드에서의연비시험등은많이찾아볼수있다. 그러나수신도인 GPS의고도와거리데이터를이용한다음지점의속도를예측하여실제도로를주행한연구는거의없다. 본논문에서는실제고속도로인경사가심한영동고속도로주행시연비향상을위한에코드라이빙방안을제안하고자한다. 이를위해 GPS를장착한차량을이용하여영동고속도로의거리와고도데이터를취득하여차량의 ECU에미리저장한다. 이제차량을실제주행하면서수신된현재위치의거리, 고도데이터와 ECU에저장되어있는다음지점의거리, 고도데이터를이용하여차량의속도를계산, 예측하여 213Km의영동고속도로의속도프로파일을생성하고제안하는 3가지알고리즘으로모의주행하였다. 모의실험은소나타F 차량을모델링하여 AVL사의 Cruise 프로그램에입력하여경사에도불구하고 1정속주행 (CCOTVEL) 알고리즘, 2하한속도제어 (DCOTVEL) 알고리즘, 3상한속도제어 (UCOTVEL) 알고리즘등 3가지를경제속도에오차속도를 -1, -3, -5, -7, -10% 를주어실험하였다. 주행한결과를토대로연료소모를최소로하면서주행할수있는최적의 Eco-driving 방안을도출한다. GPS 고도데이터의불완전수신에의한에러및터널에서의고도문제를해결하기위하여필터를설계하여처리하였다. GPS 고도데이터필터링을위하여 Visual C++ 를, 속도프로파일계산및예측, 결과그래프를위하여 Matlab 을, 모의실험을위하여 AVL사의 Cruise를사용하였다. 2 장은 GPS 데이터필터링및주행저항, 3장은속도프로파일및제어알고리즘, 4장은모의실험및결과고찰, 5 장은결론에대하여논의한다. 2.1 GPS 데이터필터링그림 1은 GPS 수신데이터를보여주는데 GPS 수신데이터는 6가지데이터가 0.2초주기로끊임없이수신된다. 여기에서필요한데이터는두번째 Distance 와다섯번째 Altitude 이다. [ 그림 1] GPS 수신데이터취득한 GPS 데이터는약 50,000라인이상으로중복, 오류데이터가포함되어있다. 데이터필터링은차량이정지하여중복된데이터는삭제하고, 수신불량으로튀는현상은제거하였으며, 터널진입등으로고도가 0 이되는경우는처음과끝을이어주었다. 그림 2는영동고속도로 213km 구간의필터링되지않은 GPS 고도데이터를보여주며, 그림 3은 Visual C++ 를이용하여필터링한데이터를일부확대하여보여준다. 2.2 주행저항차량의주행저항 ( : road load) 은구름저항 ( : Rolling resistance), 공기저항 ( : Aero resistance), 등판저항 ( : Grade resistance), 가속저항 ( : Acceleration resistance) 의합으로계산된다. 즉, (1) 이다. 본논문에서는연비향상을위한주행방안에관한것이므로평지를주행할때가능하면정속을유지하여가속저항을가능하면줄인다. 다만하강경사의등판저항절대값이구름저항과공기저항의합보다큰경우에는가속도가발생하므로가속저항을고려한다. 즉, 식 (2) 와같은조건을만족할때이다. (2) 2. GPS 데이터필터링및주행저항 속도프로파일을계산하기위해서는우선 GPS 고도데이터를필터링을해야한다. 그리고경사도를고려한주행저항을계산하여기존의속도에반영하여야한다. 평탄한도로의주행저항은 로표현되고, 상승경사와식 (2) 를만족하지않는하강경사의주행저항은 로표현되며, 식 (2) 를만족하는하강경사의주행저항은 로표현된다. 따 20

3 라서등판저항 는영동고속도로가포함하는경사도가그림 2와같아서차량속도프로파일계산에변수가된다. 할수있다. 3. 속도프로파일및제어알고리즘 [ 그림 2] GPS 수신데이터의거리와고도 GPS 오동작 [ 그림 3] 필터링한거리와고도데이터 등판저항계산에필요한 번째경사각 은, (3) 로계산되고, 식 (4) 를만족하는경우가속도 은, 로계산된다. 는차량의중량과회전부분의상당질량이다. 이제이가속도에의해증가된속도를 계산하고이를 에더하면 번째속도가계산된다. 즉, (4) (5) 로표현된다. 따라서이변경된속도를공기저항에반영하고주행저항을계산하여야만정확한연료소모를측정 3.1 속도프로파일 (Velocity Profile) 약 213Km의영동고속도로를모의주행하기위해서는추출된 GPS의고도와거리데이터를이용하여속도프로파일생성은필수적이다. 특히경사도에따른등판저항의변화는차량의속도에영향을주고결국주행저항으로이어져연료소모에영향을준다. 즉, 상승경사일경우는등판저항이항상엔진에부하를가해연료를더소모하게하지만하향경사일경우아래식 (2) 를만족할경우는연료를소모하지않고도속도가가속된다. 물론식 (2) 를만족하지않는하향경사에서는연료를더소모해야현재속도를유지하든지가속이된다. 하한속도제어 (DCOTVEL) 알고리즘과상한속도제어 (UCOTVEL) 알고리즘은주행하고자하는도로의거리와고도데이터를미리차량의 ECU에저장한다. 이제차량을주행하면서수신된현재위치의 GPS의고도와거리데이터를추출하여이미저장되어있는다음위치의거리와고도데이터를이용하여경사각을계산, 이를이용하여등판저항을계산한다. 하향경사에서계산된등판저항이구름저항과공기저항의합보다크다면그차이는차량을가속시킨다. 식 (4) 을이용하여가속도를계산한후, 속도로변환하여현재속도와더하면다음지점의속도가된다. 상승경사에서는항상감속도가발생되어다음지점의속도가최대 0Km/h까지감속될수있지만알고리즘에서제한한최대오차로제한하여하한속도를맞춘다. 이러한과정을 GPS 수신데이터를기초로하여약 213Km 전구간을제안하는알고리즘에따라속도프로파일을생성한다. 3.2 알고리즘알고리즘에사용되는변수를아래와같이정의한다. 1 최고속도 : 110Km/h 2 경제속도 : 100Km/h 3 최저속도 : 4 오차속도 : 경제속도의 - % 속도 5 임계각 : 식 (8) 이성립하는등판각 (6) 21

4 한국산학기술학회논문지제 12 권제 1 호, 정속주행 (CCOTVEL) 알고리즘이알고리즘은 213Km 영동고속도로를항상일정한속도로주행하는방안이다. 그림 2에보여주는거리에따른경사도에관계없이항상정속 ( 경제속도 100Km/h) 로주행한다 하한속도제어 (DCOTVEL) 알고리즘제안하는알고리즘은경사각 가 1 일때가속되어최종적으로최고속도까지증가하고, 2 일때점차감속되어최저속도까지감소하여주행한다. 이알고리즘의속도프로파일은 3.1절의방법을이용하여생성한다 상한속도제어 (UCOTVEL) 알고리즘제안하는알고리즘은경사각 가 1 일때가속되어최종적으로최고속도까지증가하고, 2 일때점차가 / 감속되어경제속도로주행하며, 3 일때점차감속되어최저속도로주행한다. 속도설정 계산? 가속도계산 속도수정? 에반영 감속도계산 속도수정 [ 그림 4] DCOTVEL 플로우차트 알고리즘의속도프로파일 제안한 3가지방안의속도프로파일을그림 6에보여준다. DCOTVEL의속도프로파일은주로최저속도로주행하다가하강경사를만나면가속되어최고속도까지가속하여주행한다. 반면 UCOTVEL의속도프로파일 속도설정 계산 은주로경제속도에서주행하다가 인상승경사에서는감속하여최저속도까지, 인하강경사에서 는가속하어최고속도까지증가하여주행한다. 감속도계산 가속도계산 4. 모의실험및고찰 4.1 모의실험 3장에서설명한방법으로제안하는알고리즘으로모의실험하여그결과를표 1에정리하였다. 모의실험에사용된차량은소나타F 2,359cc를사용하였다. 실험에사용된 GPS 거리는 Km 이지만경사를고려한실제거리는 Km로계산되어연비에는이거리를사용한다. 에반영 [ 그림 5] UCOTVEL 플로우차트 22

5 [ 그림 6] 알고리즘에따른속도프로파일 [ 표 1] 연료소모량및연비 알고리즘 평균속도 (Km/h) 연료소모량 (L) 연비 (Km/L) 향상 (%) 주행시간 ( 시간 : 분 : 초 ) CCOTVEL :08:00 1% DCOTVEL :08:31 UCOTVEL :07:39 3% DCOTVEL UCOTVEL :11: :08:11 5% 7% 10% DCOTVEL :13:38 UCOTVEL :08:40 DCOTVEL :16:20 UCOTVEL :09:06 DCOTVEL :20:36 UCOTVEL :09:42 23

6 한국산학기술학회논문지제 12 권제 1 호, 고찰 주행시험결과평균시속이낮을수록연비가우수하다. 그러나평균시속 100Km/h 인 CCOTVEL의연비보다 Km/h 인 UCOTVEL 오차 1% 의경우가 1.9% 더우수한결과를보여준다. 그이유는그림 8의순간연료소모량그래프에서 CCOTVEL은경사각이 + 인경우정속을유지하기위해다른알고리즘보다약간더연료를사용하고, - 경사인경우는두알고리즘이 fuel-cut 사용으로연료소모가 0 일때도연료소모를하면서주행하기때문이다. UCOTVEL은 일때경제속도를유지하기위해연료를많이사용해야하지만 DCOTVEL은최저속도까지감속하여주행하므로연료소모가적다. 따라서 DCOTVEL의연비가가장우수하고 UCOTVEL, CCOTVEL의순으로나타났다. 특히 UCOTVEL의 Km 부근의연료량의급격한증가는경사가 일때경제속도에맞추기위해속도를증가시키기위한것으로판단된다. [ 그림 7] 순간연료소모량 fuel vel. 그림 8은각알고리즘의파워를보여준다. 엔진의파워는연료소모량에비례하므로그림 7의파형과거의비슷하다. UCOTVEL의 Km 부근의급격한파워증가는그림 7의경우와같은방법으로해석이된다. 5. 결론 그림 9는모의실험한연비향상도그래프를보여준다. DCOTVEL 알고리즘이 UCOTVEL 알고리즘보다우수한연비개선성능을보여준다. 특히, DCOTVEL -3% 의경우가평균시속 Km/h, 주행시간 2시간 11 분 2초로 CCOTVEL 대비 2.416Km/h 늦고, 3분2초더걸렸지만연비개선에있어서상대적으로 3.8%(UCOTVEL 대비 0.6% 더향상 ) 의높은효과를보였다. DCOTVEL -10% 인경우시간은많이걸리지만연비개선효과가 6.6% 로우수하여시간이여유롭다면주행할만하다. 그러나고속도로인관계로경제속도를어느정도유지하면서연비를향상할수있는 DCOTVEL3를 Eco-driving 방안으로제안한다. 일반적으로속도가낮으면연비가향상되는경향이있다, 그러나 UCOTVEL 오차 1% 는평균속도가 CCOTVEL보다빠르면서도연비가좋은이유는전방에상승경사가예측되면선제적으로속도를올려주어상승경사에서속도를줄이면서주행하면연비를절약할수있기때문으로판단된다. 수신된 GPS 고도와거리데이터를미리차량에장착하고, 현재주행하면서수신된위치의고도와거리데이터를이용한주행저항을계산하여연비를개선할수있는새로운방안을제안하였다. 향후더연구되어야할분야로는연비를개선하면서정속주행할수있는방안으로사료된다. [ 그림 8] 파워 [ 그림 9] 연비향상도 24

참고문헌 [1] 한태식, 자동차연비개발동향, 오토저널, 23권 2 호, pp. 65~67, 4월, 2001. [2] 박진호, 박영일, 이장무, 경사가포함된도로의주행시실제주행연비예측 ", 한국자동차공학회논문집, 제 8권제3호, pp. 65~76, 3월, 2000.

7 참고문헌 [1] 한태식, 자동차연비개발동향, 오토저널, 23권 2 호, pp. 65~67, 4월, [2] 박진호, 박영일, 이장무, 경사가포함된도로의주행시실제주행연비예측 ", 한국자동차공학회논문집, 제 8권제3호, pp. 65~76, 3월, [3] 송준형, 김덕진, 이천환, 이춘범, 차량운전특성에따른연비성능시뮬레이션 ", KASE 2009 Annual Conference, pp. 2039~2044 [4] 박용성, 최선모, 권해붕, 김종수, 엄성복, 조성우, 자동차운전조건에따른연료소모특성에관한실험적연구 ", 한국자동차공학회 2003년도춘계학술대회논문집, pp. 3~8 [5] 유영철, 송해박, 이종화, 유재석, 박영무, 박경석, 가솔린차량의각요소별연료소모량분석을위한실험적연구 ", Transaction of KASE, Vol. 12, o. 1, pp.153~161, [6] 정영재, 유영우, 류춘근, 장호준, 배구병, Road Load 및 AT shift pattern에의한차량연비및동특성거동에관한고찰 ", 2010 KASE 부문종합학술대회, pp. 1~6 최성철 (Seong-Cheol Choi) [ 정회원 ] 1988 년 5 월 ~ 1998 년 2 월 : LG 산전선임연구원 1998 년 2 월 : 연세대학교공학대학원전자공학과 ( 전자공학석사 ) 1998 년 3 월 ~ 현재 : 아주자동차대학부교수 2002 년 2 월 : 아주대학교전자공학과박사수료 < 관심분야 > 자동차임베디드시스템, 자동차네트워크, 자동차전기전자, 정보통신, LED 조명제어 25

DBPIA-NURIMEDIA

DBPIA-NURIMEDIA Transactions of KSAE, Vol. 26, No. 5, pp.565-573 (September, 2018) Copyright C 2018 KSAE / 156-01 pissn 1225-6382 / eissn 2234-0149 DOI https://doi.org/10.7467/ksae.2018.26.5.565 연료별중형버스의구동성능및연비비교분석 김진성