한국마린엔지니어링학회지제36권제4호, pp. 430~436, 2012. 5 (ISSN 2234-8352(Online) / ISSN 2234-7925(Print)) Journal of the Korean Society of Marine Engineering http://dx.doi.org/.5916/jkosme.2012.36.4.430 모터구동근거리이동수단의배터리성능에관한연구 고지운 1 고광수 2 박윤철 ( 원고접수일 :2012 년 2 월 14 일, 원고수정일 : 2012 년 3 월 21 일, 심사완료일 : 2012 년 3 월 30 일 ) A Study on Battery Performance of a Motor Driven Local Transportation Vehicle Ji-Woon Ko 1 Gwang-Soo Ko 2 Youn-Cheol Park 요약 : 본연구에서는납축전지가장착된소형전기자동차의여러가지주행특성에따른배터리의전압강하를실증실험을통하여측정하였다. 실험을통하여 2 인승의소형전기자동차의에너지소비량을평가하고주행거리등을점검하기위하여속도별주행특성과주행중에난방장치를가동하였을경우에감소하는주행거리를평가하였다. 전기자동차의주행속도는 km/h 에서 20km/h 씩증가시키면서히터의가동유무에따른에너지소비량을측정하였다. 실험결과본실험용소형전기자동차의에너지효율이가장높은경제속도는 35km/h 로나타났으며, 일회충전으로경제속도로주행할경우에약 75km 의거리를주행할수있으며, 일반적인주행의경우에는약 58km 를주행할수있다. 또한난방장치를최대로가동할경우에는약 35% 의에너지소비가증가하는것을알수있다. 주제어 : 전기자동차, 주행성능, 납축전지, 배터리충전상태 Abstract: This study was conducted to measure battery's voltage drop in a compact electric vehicle to get driving performance in various driving situations. In the experiment, to evaluate the energy consumption and milage, system performance have measured with changing of the driving speed and the reduction of driving distance when the heater was operating. The battery of the car in this study is lead type storage battery. The driving velocity was changed from km/h to 50 km/h with 20km/h intervals and the operating step of the heating device. As results, the electronic consumption rate was maximum at 35 km/h of vehicle speed and if the driver turning the heater at maximum, capacity will lead to 35% of energy consumption increment. Key words: Electric vehicle, Driving performance, Lead-acid battery, SOC (Stage of Charge) 1. 서론 세계적으로환경보호에대한관심이날로증가하고있는가운데우리나라에서는지구온난화의주범인온실가스배출을줄이기위하여많은노력을기울이고있으며, 화석연료의고갈에대응하고, 에너지가격에변동이취약한석유의존경제에서벗어나기위하여다양한노력을하고있다. 이러한노력의일환으로전기자동차, 하이브리드자 동차및연료전지자동차등의전기적구동시스템을기반으로하는차량이외에도친환경차량의개발이다양하게진행되고있다. 최근에들어서본격적인시장형성이예측되는하이브리드전기자동차및연료전지자동차가단연주목받고있다 [1]. 하이브리드자동차는 2개이상의에너지원을가지고있는형태로일본도요타 (Toyota) 는세계최초로 1997년 월양산형하이 교신저자 ( 제주대학교기계공학과, E-mail : ycpark@jejunu.ac.kr, Tel : 064-754-3626) 1 제주대학교일반대학원기계공학과 2 제주대학교첨단기술연구소 430 / 한국마린엔지니어링학회지제 36 권제 4 호, 2012. 5
모터구동근거리이동수단의배터리성능에관한연구 41 브리드자동차인프리우스 (Prius) 를생산하였다 [2]. 현재는국내에서도주요자동차메이커에서양산형하이브리드자동차를속속출시하고있다. 하지만하이브리드자동차역시화석연료를사용하고이에따른배기가스를발생하기때문에완벽한친환경자동차로서는한계를가지고있는반면에전기자동차는배터리성능과충전패턴을고려하였을때, 하이브리드자동차보다경제적이고, 친환경자동차에더가까운구동형태로볼수있다. 전기자동차는 1873년가솔린자동차보다먼저제작되었으나, 배터리의무거운중량, 충전에걸리는시간등의문제때문에실용화되지못하다가공해문제가심각해지면서 1990년대부터다시연구개발이시작되었다. 양산형전기자동차 1호는미국캘리포니아지역에서시판되었으며, 이후에많은차량제조사들이양산형전기자동차를개발하고있으나, 아직도충전시간및주행거리가짧아실용성이약간은부족한실정이다. 하이브리드전기자동차는충전방식에따라외부충전방식과내부충전방식으로구분할수있다 [3]. 외부충전방식은하이브리드전기자동차에장착된배터리를단독구종의전기자동차에서와같이외부전원을이용하여충전할수있는방식이며, 내부충전방식은외부로부터의충전을허용하지않고배터리의충전을내부적으로해결하는방식이다. 내부충전방식에서는배터리 SOC(Stage of Charge) 가낮아지게되면엔진을통한발전으로자체적으로배터리를충전한다 [4]. 외부충전방식의하이브리드자동차는일반전기자동차에가까우며, 도심지의단거리주행또는출퇴근과같이일상적인주행에서는전기모터를주로사용하고있다. 반면에엔진을사용한경우에는장거리주행혹은 SOC가매우낮아전기모터의사용이가능하지못한비상조건의경우에이용하고자하는목적을가지고있다 [5]. 외부충전방식은일반적인내연기관자동차의기본인프라인주유소같은시설이없어국내에서는내부충전방식에비해아직은사용이불편하다. 그러나환경적인측면에서는외부충전방식이내부충전방식에비해연비및배기가스배출면에서우수하다는여러가 지연구결과가있다 [6,7]. 하이브리드자동차가엔진과전기모터의구동에의해주행되는반면에, 전기자동차는차량에탑재된배터리를에너지원으로사용하기때문에배출가스가발생하지않는장점이있다 [8]. 그러나전기에너지를공급하는시설이부족하고긴충전시간과높은가격, 짧은배터리수명등의단점을가지고있다. 이러한단점을극복하기위해서전기자동차의주행중에배터리성능변화에관한연구를통하여전기자동차의효율향상및모터제어를통한주행거리의향상등에대한연구가진행되었다 [9]. 본연구에서는 2인승소형전기자동차의주행특성에따른배터리전압변화량과난방장치를가동할경우에배터리전압변화량을측정하였다. 난방장치의가동은자동차주행거리의감소를가져오며, 자동차운전자의운전패턴에따라서도전기자동차의에너지소비와주행거리가달라진다. 본연구에서는위와같은운전조건에따라서전기자동차의효율개선방안의도출하고자근거리이동용납축전지를사용한전기자동차의성능을실증운전을통하여평가하였다. 2. 실험장치및실험방법 본연구의전기자동차는최고속도 60km/h, 최대등판각도 22 o, 모터의회전수는최대 2,460rpm의속도로회전한다. Figure 1은본연구의전기자동차의개략도이며, 제원은 Table 1과같다. 실험용차량은 12V 납축전지 6개를직렬로연결하여모터에 72V의전압이공급되어구동된다. 냉방장치는없고난방장치로는최대난방시 4.3A 및최소난방시 3.7A의용량을갖는 PTC 히터를사용하고있다. 본연구에서사용된자료처리시스템은주행중에데이터를수집하기위하여이동식자료수집시스템을사용하였으며, 온도, 전압및주파수를측정센서로부터신호를전송받아보정과정을거친후 Data logger에입력된후저장된다. 주행속도는모터의구동측에 rpm센서를설치하여바퀴의회전수를측정한후바퀴의외경을기준으로주행거리를계산하였다. 주행속도변화에따른배터리의전압변화량은 6개의납축전지의전압을개별적 한국마린엔지니어링학회지제 36 권제 4 호, 2012. 5 / 431
42 고지운 고광수 박윤철 으로측정하여평균하였다. 자료저장장치및각종센서는차량배터리에영향을미치지않도록별도로제작된배터리기반의전원을사용하였다. Table 2는전기자동차의성능실험조건이며, 주행속도를, 30 및 50km/h로고정하여 30분동안주행후배터리전압감소량을측정하였다. 또한난방장치가동시의배터리전압감소량은주행속도를 km/h로고정하고난방장치의송풍조절스위치의단수를 1, 2, 3 및 4단으로변화시켜각각에대하여배터리전압변화를측정하였다. 각배터리는충전이중단될때까지각기다른전압변화를나타내고있다. 3. 결과및고찰 3.1 배터리의충 방전특성배터리의특성을파악하기위하여배터리를충전할때전압의변화를살펴보았다. 방전된상태에서플러그를통해충전이시작되면 Figure 2에나타낸바와같이전압이순간적으로급격하게 V까지상승한후시간이흐름에따라선형적으로상승하다가충전이거의끝나갈시점에는 2 차식의형태로증가한다. 배터리가완충되면배터리전압은 15V 전후가되며, 충전시간은약 8시간이소요된다. 완충이후에도충전이계속진행되면각배터리간이전압변화가달라지는랜덤구간이발생하는데이는각배터리의성능이일정하지않기때문이라고판단된다. 이후에도충전을지속하면일정시간이지나서충전전원이자동으로차단되고, 6개의배터리모두가충전전압인 12.9V로수렴한다. Figure 3은배터리방전특성을나타내고있다. 실험은실험용차량을차량용전용리프트를이용하여지면에서이격시킨후무부하상태에가속페달의제어를통하여일정속도 ( 최대속도 59km/h) 로운전될수있도록하였다. 주행이시작되면완충상태에서급격히전압이떨어지고어느정도시간이지난후에는시간에따라선형적으로감소한다. 실험을통하여배터리를충전할때전압변화와차량운행으로인하여감소하는방전시전압변화는서로차이가있음을알수있었다. 또한 6개의배터리중에서각배터리를충전할때전압의변화는같은경향을나타내지만충전이완료된이후에 Figure 1: Schematic of electric vehicle Table 1: Specification of electric vehicle Size(LxWxH)(mm) 2665x1440x1540 Weight(kg) 620 Motor(kW) 7(Single Type) Battery(V) 72 Max. Speed(Km/h) 60 Max. Torque(ps) 24.1 Motor RPM 2,460 Battery 12V, 20HR Velocity (km/h) PTC heater Heater (step) Min op. Max op. Table 2: Experimental conditions 3.7A, 275W 4.3A, 340W Measurement Interval (Min) 30 30 off 30 50 30 1 2 3 4 432 / 한국마린엔지니어링학회지제 36 권제 4 호, 2012. 5
모터구동근거리이동수단의배터리성능에관한연구 43 Voltage(v) 16 15 14 13 12 11 battery1 battery2 battery3 battery4 battery5 battery6 0h 4h 8h 12h 16h 20h 24h Time(hour) Figure 2: Voltage variation at charging mode 량을나타낸것이다. 주행이시작되면일정하게전압이감소한후, 주행이계속진행될수록전압의변화가급격하게진행된다. 이때주행종료후에는서서히전압이회복하여일정한전압으로수렴하는것을알수있으며, 시동전초기전압 V가주행후에는 0.2V로감소하였다. Figure 6과 Figure 7은각각 30km/h와 50km/h로주행하였을경우에대한결과로써 km/h의경우와동일한경향을보이고있으며, 배터리의전압변화량을각각 30km/h일때 0.3V, 50km/h일때 0.6V 로감소하였다. km/h로주행시 0.2V의배터리감소량에비해 50km/h주행시 0.6V의감소량과비교할때 3배의배터리소비량이증가함을알수있다. 주행속도에따른배터리전압의감소량을나타내면 Figure 8과같으며, 주행속도가증가할수록배터리의전압감소량도증가하는것을볼수있다. 주행속도에따른전압강하는식 (1) 과같이나타낼수있다..5 min 30min 50min 70min 90min Time(minute) Figure 3: Voltage variation at a discharge operation 3.2 주행중배터리의성능평가 Figure 4는차량의등판각도의변화에따른배터리전압변화를나타낸것으로평지주행의경우와 20% 내리막길을주행할경우를비교하였다. 내리막길을주행할경우에평지주행에비하여배터리전압변화폭이크게증가하였으며, 이것은배터리가차량제동시혹은가속을하지않는경우의약간의역충전이발생한것으로판단된다. 자동차시동후주행이시작되면배터리의전압이불규칙적으로크게변화는랜덤변화구간에들어가며, 차량이멈춘후에는서서히전압이회복하여일정한전압으로수렴하는것을알수있다. 하지만수렴한전압은초기시동전전압보다떨어지며, 초기전압과정지후전압차가이동중에소비된에너지이다. 등판각도에따른전압변화를살펴보면 Figure 5와같다. Figure 5는 Table 2의실험조건중에서 km/h 의속도로 30분간주행하였을때배터리전압변화 dv v v (1) 여기서 v는속도 (km/h) 이며, dv는전압강하량 (Volts) 이다. 주행속도별전압강하를이용하여단위전압강하를통하여주행할수있는거리를주행속도에대하여나타내면 Figure 9와같다. 주행거리는주행속도가증가하면어느속도까지는주행거리가증가하지만일정한주행속도를초과할경우는반대로주행속도증가에대하여주행할수있는거리는감소하며속도에따른단위전압강하를통하여주행할수있는거리는식 (2) 와같다. dl v v (2) 여기서 v는속도 (km/h) 이며, dl는단위전압당이동거리 (km/volts) 이다. 본연구의실험차량은주행속도가약 35km/h의속도에서최대주행거리를보이며, 이후에는감소하여본연구의최대경제속도는 35km/h임을알수있다. 한국마린엔지니어링학회지제 36 권제 4 호, 2012. 5 / 433
44 고지운 고광수 박윤철 Voltage(v) 13.5.5 Warming up Warming up.0 9.5 Driving Driving 9.0 0 00 2000 3000 4000 5000 Figure 4: Voltage variation with various driving mode.5.0 0 300 600 900 1200 1500 1800 20 2400 Figure 7: Voltage variation at a constant speed of the vehicle(50km/h) 0 300 600 900 1200 1500 1800 20 2400 Figure 5: Voltage variation at a constant speed of the vehicle(km/h) Voltage drop(v) 0.8 0.7 0.6 0.5 0.4 0.3 0.2 0.1 20 30 40 50 Speed(km/h) Figure 8: Voltage drop with variation of the vehicle speed km/v 50 45 40 35 30 0 300 600 900 1200 1500 1800 20 2400 25 20 30 40 50 km/h Figure 6: Voltage variation at a constant speed of the vehicle(30km/h) Figure 9: Unit voltage for 1 km distance with change of vehicle speed 434 / 한국마린엔지니어링학회지제 36 권제 4 호, 2012. 5
모터구동근거리이동수단의배터리성능에관한연구 45 본연구의실험용전기자동차는완전히충전된상태일때배터리전압은 12.9V이며, 완전방전은아니나배터리의안전을위하여차량이멈추는배터리전압은 V이므로 30km/h로 30분주행시 0.3V의감소를나타낸다. 따라서배터리최대용량인 1.4V전압강하를통하여운전할수있는시간은약 2시간 20분정도이다. 주행시간을거리로환산하였을때본실험차량이최대경제속도인 30-35 km/h의속도로운전할경우에는약 75km의거리를이동할수있다. 도로의상황과운전자의습관등여러가지요인으로인하여일반적으로경제속도가아닌속도로운전할경우에는약 58km를주행할수있을것으로판단된다. 3.3 난방장치의가동에따른성능평가전기자동차를 km/h의속도로운전하면서난방장치의가동에따른전압강하를측정하였다. 난방장치의송풍단계를 1단으로설정하였을때배터리의전압변화는 Figure 과같으며, 전압변화는 12.65V에서주행후 12.63V로 0.02V로감소하였다. 같은조건에서송풍단계를 2단, 3단및 4단으로증가하였을경우에배터리전압강화량은 Figure 11 에나타낸바와같이각각 0.07V, 0.07V 및 0.09V 로나타났다. 이로부터실험용전기자동차의운전자에의하여조절되는송풍기의 2단과 3단은같은출력으로송풍되고있음을알수있으며, 운전절환스위치는실제적으로는 3단계의제어를하는것을알수있다. 전압강하를살펴보면 1단의송풍단계에서는 0.02V의감소를보인반면에최대풍속인 4단의송풍단계일때는 0.09V감소량을나타내며약 4배이상의배터리소비를동반하고있음을알수있다. 이것은난방장치를가동하지않고 km/h의속도로 0.066V의전압강하를가져오므로난방장치를 4단으로가동하였을경우에시험차량은 0.09V의전압강하를가져와히터를가동하지않을경우와비교하였을때약 35% 정도의에너지소비가증가한다. 4. 결론 현재시판중인전기자동차의여러가지운전패 턴의변화에따른배터리의전압강하를실험을통하여측정한결과다음과같은결론을얻을수있다. 12.8 12.6 12.4 12.2 0 200 400 600 800 00 1200 Time(Sec) Figure : Voltage variation at a constant speed with operation of the PTC heater operation(1st step) 0. 0.09 0.08 0.07 0.06 0.05 0.04 0.03 0.02 0.01 1 2 3 4 Step Figure 11: Voltage drop with changing of the PTC heater step at the km/h of vehicle speed. (1) 차량의주행속도에따른배터리감소량은 km/h로주행할경우보다 50km/h로주행하였을때약 3배의배터리소비량이증가한다. (2) 본연구에사용된차량의최대경제속도는 35km/h이며, 경제속도로주행할경우일회충전으로약 75km의거리를운행할수있으며, 일반적인운전방법으로는약 58km를주행할수있다. (3) 난방장치의송풍단계를 4단으로하였을경우에 1단으로하였을경우에비하여약 4배의에너지소비가증가함을알수있다. (4) 차량을 km/h의속도로운전할때난방장치 한국마린엔지니어링학회지제 36 권제 4 호, 2012. 5 / 435
46 고지운 고광수 박윤철 를가동하지않았을때보다송풍단계가 4단인최대난방운전을하였을경우에약 35% 정도에에너지소비가증가한다. 후기 이논문은 2011년도정부 ( 교육과학기술부 ) 의재원으로한국연구재단의기초연구사업 ( 과제번호 : 2011-0012326) 의지원을받아수행된것임. 참고문헌 [1] T. Markel, M. Zolot, K. B. Wipke and A.A. Pesaran, Energy storage system requirements for hybrid fuel cell vehicles, Advanced Automotive Battery Conference, pp. -13, 2003. [2] K. David Huang and S. C. Tzeng, Development of hybrid pneumatic-power vehicle, Applied Energy, Vol. 80, pp. 47-59, 2005. [3] F. G. Willis and R. R. Radtke, Hybrid Vehicle System Analysis, SAE 850225, 1985. [4] 최득환, 김현수, 외부충전방식하이브리드전기자동차의연비시뮬레이션, 한국자동차공학회논문집, 제권, 제5호, pp. 121-128, 2002. [5] A. A. Frank, The use of a CVT in a parallel hybrid electric vehicle for super fuel efficiency and high performance, Proc. of International Congress on Continuously Variable Power Transmission, pp. 202-208, 1999. [6] A. Kalberlah, Electric Hybrid Drive Systems for Passenger Cars and Taxis, SAE 9247, 1991. [7] C.H. Kim, E. Namgoong, S.C. Lee, T.C. Kim and H.S. Kim, Fuel economy optimization for parallel hybrid vehicles with CVT, SAE 1999-01-1148, 1999. [8] 길범수, 조종표, 표영덕, 김강출, 도심주행패턴에따른소형전기자동차최적화전략, 한국자동차공학회논문집, 제18권, 제3호, pp. 53-59, 20. [9] 최욱돈, 박영우, 김연준, 이종찬, 전동기의최대효율제어에의한전기자동차의주행거리증 대, 전력전자학회 2002년학술대회논문집, pp. 19-22, 2000. 소특별연구원. 저자소개 고지운 ( 高智云 ) 2011년제주대학교기계공학과 ( 공학사 ), 현재제주대학교에너지응용시스템학부기계공학전공석사과정. 관심분야 : 냉동공조 고광수 ( 高光秀 ) 2005년제주대학교기계공학과 ( 공학사 ), 2007년제주대학교에너지응용시스템학부기계공학전공 ( 공학석사 ), 2007년 - 2008년 GS ENG 설계파트, 2008년 - 20년경인기계냉각탑연구소연구원, 현재제주대학교첨단과학기술연구관심분야 : 냉동공조, 에너지변환 박윤철 ( 朴潤鐵 ) 1990년고려대학교기계공학과 ( 공학사 ), 1992년고려대학교기계공학과 ( 공학석사 ), 1997년고려대학교기계공학과 ( 공학박사 ), 1997년 - 1998년 UIUC Post Doc., 2000년 - 2002년삼성전자 책임연구원, 2007년 - 2008년 UIUC 방문연구원, 2002 - 현재제주대학교기계공학과 ( 교수 ). 관심분야 : 냉동공조, 에너지변환 436 / 한국마린엔지니어링학회지제 36 권제 4 호, 2012. 5