Transactions of KSAE, Vol. 19, No. 6, pp.97-106 (2011) Copyright C 2011 KSAE 1225-6382/2011/114-14 프리우스 III 의차량출력분석에기초한연비예측방안에관한연구 정재우 * 서영호 최용준 최성은 김형구 정기윤 자동차부품연구원그린카파워트레인연구본부 A Study on the Fuel Economy Prediction Method Based on Vehicle Power Analysis of PRIUS III Jaewoo Chung * Youngho Seo Yongjun Choi Sungeun Choi Hyounggu Kim Kiyun Jung Green Car Powertrain R&D Division, KATECH, 74 Yongjeong-ri, Pungse-myeon, Dongnam-gu, Cheonan-si, Chungnam 330-912, Korea (Received 15 March 2011 / Accepted 28 June 2011) Abstract : Both an optimal design of the engine operating strategy and fuel economy prediction technique for a HEV under the vehicle driving condition are very crucial for the development of vehicle fuel economy performance. Thus, in this study, engine operating characteristics of PRIUS III were analyzed with vehicle running conditions and the correlations between vehicle tractive power and fuel consumption were introduced. As a result, fuel economy performance of PRIUS III with various test modes were predicted and verified. Errors of predicted fuel economy were between -5% and -1%. Key words : HEV( 하이브리드자동차 ), Fuel economy( 연비 ), Vehicle power( 차량출력 ), Engine( 엔진 ) 1. 서론 1) 최근의배기규제와 CO 2 규제등으로인하여, 연료소모효율이높은친환경자동차에대한관심과개발필요성이그어느때보다도높아져가고있는상황이다. 이러한기술적개발필요성에따라일본을위시한자동차기술선진국에서는 HEV 및 PHEV 등의대체동력차량에대한연구개발및상용화가추진되고있으며, 우리나라또한이들에대한연구개발과상용화의요구가증가되고있다. 한편으로연료경제성을중시하는 HEV와같은차량의경우, 연비성능의극대화를위하여서는연료의주소비동력발생원인내연기관의작동상태최적설계및차량상태에서의소모연료량의예측기술의개 * Corresponding author, E-mail: jwchung@katech.re.kr 발이중요한위치를차지하고있으며, 이에대한다양하며심도있는연구들이진행되고있다. 1) 이러한차량내연료소모특성을예측하기위한방안으로서각부품들을세부적으로모델링하고이로부터연료소모를예측하는것이일반적이며, 2) 한편으로이의방법이근원적기술개발이라는측면이존재하나, 기타의차량에대한벤치마킹을통한작동개요의이해등은관련기술의효율적개발과개선에있어서필요한일이라사료된다. 국외적으로 ANL(Argonna National Labratory) 에서는시판중인 HEV에대한시험분석을통하여 HEV와적용엔진의작동특성을이해하고성능개선추진시에필요한각종의개념과데이타를제공하고있다. 3-5) 이러한 HEV 차량에대한분석결과는국내에서도제공되고있으며, 6,7) 이의결과는국내연구개발의초석에많은기여를하였다고사료된다. 97
정재우 서영호 최용준 최성은 김형구 정기윤 본연구에서는최근의 HEV인프리우스 3세대차량 8) 의차대동력계상주행시연료소모와요구동력등을분석하여, 차대동력계상태에서의 HEV의엔진작동전략을확인하였으며, 이의원리적인출력분배특성을이용하여일차적으로차대동력계상태에서의차량연비를예측할수있는방안을제공하였다. 이러한연구결과가 HEV용내연기관의최적화설계및제어에대한기초자료로활용되기를기대한다. 2. 실험장치및실험방법본연구에서는연비의측정이용이한차량동력계상에서주행실험을수행하였으며, 이때의엔진및기타시스템관련정보를수집하여연비성능과주요부품의작동상태데이터를취득하였다. 이를위하여시험용차량, 차량동력계시스템및데이터취득시스템등의실험장치의구성이수행되었다. 실험차량은가장최근의 HEV인도요타프리우스 III를선정하였으며, 이의차량상태및엔진상태관련정보는도요타사의데이터스케너인 Techstream을사용하였다. 차대동력계는 AVL 사의 4 Wheel drive 형식이며, 배기분석시스템과동시에적용됨으로서특정주행모드에서의배기분석과카본발런스법을이용한연비계산을수행하였다. Fig. 1은차대동력계실험장치구성의개략을나타내었으며, Table 1과 2에는차량제원및차량전용데이터취득장치를이용하여취득한주요한엔진 Fig. 1 Schematic of vehicle dynamometer system Photo. 1 Photographs of vehicle test and data aquisition system Table 1 Specifications of test vehicle (Toyota PRIUSIII) Engine Electric motor Traction battery Displacement (cc) 1,797 Cylinder In-line, 4-cylinder Maximum power 73kW/5200rpm Maximum torque 142Nm/4000rpm Motor type Torque Power output Voltage Permanent magnet AC synchronous motor 207Nm 60kW (80 hp) 650 V max. Type Sealed Nickel-Metal Hybrid (Ni-MH) Voltage 201.6V Power output 27 kw (26hp) Hybrid system net power 100 kw (134 hp) 관련데이터항목을제시하였다. 데이터취득장치의샘플주기는약 0.12초였다. 상기실험장치구성후실험시의차대동력계상주행모드는 CVS 75모드, NEDC 모드, 80km정속주행, 그리고단계가속주행의 4가지였으며, 그각각을 Fig. 2~4에나타내었다. CVS 75와 NEDC 모드는최종적으로연비예측결과의결과검증에활용되었으며, 이미잘알려진바와같이각각가솔린차량및디젤차량의인증시험모드이다. CVS 75 모드는가감속이상대적으로빈번하며, 최고속도가약 90km/h인반면, NEDC 모드의경우, 최고속도는 120km/h로서 CVS 75 모드에비하여높은차속과등속주행조건이상대적으로많은특성을가진다. 그러나이러한주행모드들은 98 한국자동차공학회논문집제 19 권제 6 호, 2011
프리우스 III 의차량출력분석에기초한연비예측방안에관한연구 Fig. 2 CVS 75 test mode Table 2 Acquired engine data from techstream (data scanner) Measurement item Unit Vehicle speed km/h Engine speed rpm Air flow rate from airflow meter m/sec Atmosphere pressure kpa Intake manifold pressure kpa Engine coolant temperature C Intake air temperature C Initial engine coolant temperature C initial intake air temperature C Air-fuel ratio - Heated oxygen sensor output impedance signal ohm EGR step position step VVT control status 0 or 1 Catalyst temperature C Fuel cut condition ON or OFF 0 or 1 Fuel cut idle 0 or 1 Low load fuel cut 0 or 1 Required engine torque kw Actual engine torque Nm 전반적으로과도운전이상대적으로많이존재함으로서, 차속에따른엔진의작동특성을정확히분석하기어려운점이존재하였다. 이에따라일정한차속에서의엔진작동관련데이터취득이필요하였으며, 80km/h 정속주행및 0-120km/h 까지의계단식차속증가형태의주행실험을수행하였다. 특히, 80km/h의주행은가속및감속시의엔진거동을중점적으로확인하기위하여수행되었으며, 120km/h Fig. 3 NEDC mode 까지의차속변화실험은각정속상태에서의엔진거동을중점적으로분석하기위하여수행되었다. 실험시의배터리 SOC(State Of Charge) 상태에따라차량의연비는영향을받을수있으나, 엔진관련데이터의수집동안데이터스케너특성 ( 스케너의각데이터군에대한선택적데이터취득특성 ) 으로인하여배터리 SOC는엔진관련데이터와동시에모니터링이불가능하였다. 따라서 SOC의상태가연비에미치는범위를검토하기위하여엔진데이터의취득은포기하는대신배터리관련데이터군의취득만을수행하여연비에미치는 SOC의영향정도를검토하였다. SOC 관련차량실험은초기 SOC가비교적안정적인경우에대하여높은 SOC 상태그리고낮은 SOC 상태에서의연비변화폭을간접적으로제시함으로서그정확성에대한간접적제한범위를제공하고자하였다. Transactions of the Korean Society of Automotive Engineers, Vol. 19, No. 6, 2011 99
Jaewoo Chung Youngho Seo Yongjun Choi Sungeun Choi Hyounggu Kim Kiyun Jung (a) Vehicle speed = 80km/h Fig. 4 Steady-state vehicle speed test (b) Vehicle speed = 0-120km/h Fig. 5는기준조건에비하여 SOC가높은조건그리고낮은조건에서의차속과 SOC 상태변화를데이터스케너를이용하여측정한결과이다. 결과그림에서보이듯이 SOC 상태는 CVS 75 모드의경우 Phase 2또는 3이종료되면서거의동일한수준에도달하는것을확인할수있으며, 최대 67.4% 의 SOC 상태와최소 51.7% 의 SOC 상태에있어서의연비는기준상태인 SOC 58.8% 인조건에대하여각각 -2% 그리고 14% 정도의오차범위를가지는것을확인할수있다. (Table 3 참조 ) Table 3 Fuel economy test results according to start SOC conditions Start conditions Cold Fuel economy (km/l) Start SOC (%) End Initial SOC state 32.870 58.8 65.4 Standard for comparisons 33.610 67.4 64.3 Higher SOC start 28.942 51.7 65.4 Lower SOC start 본실험의경우, 비교적엔진의 SOC는안정적인상태에서실험이시작되었으며, 이에따라 SOC 변화에대한최대오차범위는약 14% 이내인것으로판단된다. 3. 분석결과 3.1 차량의요구출력및차량효율의정의차량의연비를모델링하기위한일반적인과정에서는엔진에요구되는요구출력의산정이필수적이다. 따라서차량의주행에필요한요구출력 (tractive power) 으로부터엔진에요구되는출력을산정하는것이실제적으로연비를예측하기위한기본전개과정이라고할수있다. 이에차량의구동과엔진구동과의관계를확인하기위한첫번째단계로서차량의요구출력의계산과정수립및차량요구출력과엔진출력과의관계를검토할필요가있다. 이러한차량출력으로부터연료소모특성을파 100 한국자동차공학회논문집제 19 권제 6 호, 2011
A Study on the Fuel Economy Prediction Method Based on Vehicle Power Analysis of PRIUS III (a) Standard vs. high SOC Fig. 5 SOC profile during CVS 75 mode test (b) Standard vs. low SOC 악하는개념은연비우선의 HEV등과같은차량에있어철저히차량연비위주의운전설계가필요하므로, 차량주행상태에따른엔진작동및연료소모특성의규정은매우효율적인연비성능설계를가능하게할것으로사료된다. 차량주행시의차량주행동력즉, tractive power 9) 는 road load 또는주행저항으로계산될수있으며, 토크단위의주행저항과단위시간동안의차량이동거리의곱으로표현될수있다. 차량의주행저항과 tractive power 는각각식 (1) 과 (2) 에나타내었다. sin (1) (2) where, : Road load coefficient (N) : Road load coefficient (N/(km/h)) : Road load coefficient (N/(km/h) 2 ) : Vehicle weight ( kgm) : Resistance force (N) : Vehicle speed (km/h) : Distance (m) : Vehicle (tractive) power (W) 따라서차량주행시요구되는출력은속도와도로구배만의함수로될수있으며, 도로구배를고려하지않는경우, 오로지차속만의함수로나타낼수있다. Transactions of the Korean Society of Automotive Engineers, Vol. 19, No. 6, 2011 101
정재우 서영호 최용준 최성은 김형구 정기윤 한편 tractive power와연료가가지는출력 ( 에너지 ) 의비를차량효율 (vehicle efficiency) 2) 로정의한다. 이는전술하였듯이차량의경우, 어떠한주행상태라하더라도, 연비에대한최적화가필요하며, 차량의주행시엔진제어전략은바로연비를기준으로설정될가능성이매우높기때문이다. (3) (4) where, : Fuel power (W) : Vehicle efficiency (%) : Fuel mass flow rate (kg/s) : Lower heating value of fuel (J/kg) - 43,000kJ/kg 되지않는특성을제시하고있다. 따라서아래의절에서는가속조건및등속조건을기준으로좀더자세히구분하여결과를제시하였다. 3.2.1 가속시의차량요구출력및연료출력의관계 Fig. 7은 80km/h까지의가속시에계산된차량요구출력 ( ) 에대한차량효율 ( ) 과의관계를나타낸것이다. 그림에서보이듯이이두인자간에는매우밀접한관계가있음을알수있으며, 이관계의모델화및적용기준의도출은차속에대한차량연비의계산이가능함을의미한다. 한편 80km/h 까지의차속증가시의차량효율 ( ) 은1.6% 미만에존재하고있으며, 차량요구출력 ( ) 의증가에대하여차량효율 ( ) 은선형적으로증가되고있음을보여준다. 3.2 차량운전조건에따른엔진작동특성 운전조건에따른분석은실험이수행된다양한운전모드를전반적으로검토하였으며, 아래의 Fig. 6 에는일예로서단계별차속증가시의차속에따른엔진의작동특성을보여주고있다. 전반적으로는아래의실험결과에서보이듯이차속이 30km/h 이하의가속구간에서는엔진은구동되지않는특성을보이고있으며, 정상상태의경우, 60km/h 미만의경우에도엔진은작동되지않는특성을나타내고있다. 한편감속시에는엔진은작동 Fig. 7 Tractive power and fuel power analysis (acceleration duration) Fig. 6 Example of request engine power according to vehicle speed 102 한국자동차공학회논문집제 19 권제 6 호, 2011
프리우스 III 의차량출력분석에기초한연비예측방안에관한연구 3.2.2 등속상태의요구엔진출력한편상기의단계적인차속증가시의등속상태데이터를이용하여차량요구출력에대한엔진요구출력과의관계를검토하였으며, 그결과를아래의 Fig. 8에제시하였다. 참고문헌 3) 에서는프리우스 II 및기타차량의엔진출력을차량출력과비교하여제시한바있다. 이때엔진출력과차량출력은비교적선형관계를이루고있으며, 특히엔진의 chattering을방지하기위하여최소엔진출력이존재함을제시한바있다. 본연구에사용된프리우스 III의경우또한등속상태에서는차량의요구출력에대하여엔진출력은비교적비례관계를가지고있음을제시하고있으며, 엔진의최소요구출력은약 7kw 에서 8kw 정도에존재하는경향을제시하였다. Fig. 8에제시된등속운전시의차량요구출력에대한엔진요구출력과의상관식을이용하여등속조건에서의엔진출력이선정될수있다. 3.2.3 Feed-back 제어에의한 Fuel-cut 특성엔진의작동은엔진의속도와밀접한관계가있으나, 한편으로엔진의제어특성과도밀접한관계가있다. 즉, 엔진의연료효율을높이기위하여차량의특정운전조건에서엔진의 fuel-cut을적용하고있으나, fuel-cut을수행하기위하여서는시동후정확한엔진의연료분사제어가가능한시점까지는 fuel-cut은수행되지못한다. 따라서연료분사의 feed-back 제어를위한준비기간동안은차량의속도와는별계의예외적인지속적인연료분사가진행되어지는특성을나타낸다. 일예로 NEDC 모드의경우, 초기에는연료분사가지속되고있으나, 일정기간이진행된이후특정차속에서는연료분사가이루어지고있지않음을확인할수있다. 이러한연료분사의제어는 feed-back 수행을위한 Heated O 2 센서의상태와밀접한관계를가지며, Heated O 2 센서의경우, 센서가가열되어야만정상적인작동이가능 10) 하기때문에이기간동안은 fuel-cut은수행되지못하는특성을가진다. 4. 프리우스 III 의동력계상연비예측과정의수립 Fig. 8 Relationship between tractive power and required engine power during constant vehicle speed conditions (max. speed 120km/h) 4.1 프리우스 III 용엔진의요구출력과연료소모량과의관계 본연구에서등속상태시차량의요구출력과엔진의요구출력과의관계를제시하였다. 한편일반적인내연기관과는달리 HEV 차량에서는엔진의효율이높은영역에서만작동되기때문에비교적 Fig. 9 O 2 sensor impedance signal, fuel cut signal and vehicle speed profile during NEDC mode test Transactions of the Korean Society of Automotive Engineers, Vol. 19, No. 6, 2011 103
Jaewoo Chung Youngho Seo Yongjun Choi Sungeun Choi Hyounggu Kim Kiyun Jung Fig. 10 Required engine power vs. fuel flow rate 열효율은유사한범위내에서존재하며, 따라서엔진의요구출력과소모연료량은 1차원적인비례관계가더욱뚜렷이나타난다. 이의결과를 Fig. 10에제시하였으며, 이로부터요구엔진출력에대한연료소모량을직접적으로계산할수있는식을제시하였다. 4.2 프리우스 III 차량의연비예측계산과정수립과검증 상기의검토내용을토대로하여다음과같은연비예측계산과정을수립할수있다. 동력계상에서의연비예측계산과정을간단히설명하면다음과같다. 동력계의경우, 도로구배는존재하지않으므로, 차량의구동출력 (tractive power) 은차속의함수이며, 순간적인차속으로부터순간의차량구동출력을계산할수있다. 한편차속의가속, 정속, 감속에따라연료공급형태가달라지므로, 이의구분을위하여, 약 1초전의차속과현재의차속을비교하여가속, 정속, 감속상태를판단하였으며, 각경우의연료공급량을계산한다. 단, 예외적인경우로서, O 2 센서가가열되기전에는연료는차속과관계없이공급되며, O 2 센서의가열또는 feed-back 제어의준비여부는 O 2 센서의임피던스를확인하여결정한다. O 2 센서가충분히가열되는경우 O 2 센서의임피던스는일정수준이하로제시된다. 10) O 2 센서의가열을통하여 feed-back 제어가수행되는경우, 가속및정속주행시는차속에따라 fuelcut 조건이형성되며, 가속은 20~30km/h 이상의조건에서그리고정속의경우는 60km/h 이상의조건에서부터연료가공급되는특성을가진다. 단, 가속시연료공급개시조건이차속은 20km/h Fig. 11 Fuel consumption prediction process of PRIUS III during dynamometer tests 104 한국자동차공학회논문집제 19 권제 6 호, 2011
A Study on the Fuel Economy Prediction Method Based on Vehicle Power Analysis of PRIUS III Table 4 Verification of fuel economy calculation (NEDC mode) Conditions Using data scanner Using tractive power Inputs Fuel cut signal, A/F signal, MAF signal, Requested RPM Vehicle speed, O 2 sensor impedance Test distance (km) Test 10.2 19.7 Fuel economy (km/l) Calculation Err (%) 18.2 6 20.39-3 Table 5 Verification of fuel economy calculation (CVS 75, Phase 3, Hot start) Conditions Inputs Test distance (km) Test Fuel economy (km/l) Calculation Using data scanner Fuel cut signal, A/F signal, MAF signal, Requestes RPM 5.77 21.89 21.77 1 Using tractive power Vehicle speed, O 2 sensor impedance 22.94-5 Table 6 Verification of fuel economy calculation (CVS 75, Phase 1 & 2, Cold start) Conditions Inputs Test distance (km) Test Fuel economy (km/l) Calculation Using data scanner Fuel cut signal, A/F signal, MAF signal, Requestes RPM 11.95 32.2 33.49-4 Using tractive power Vehicle speed, O 2 sensor impedance 32.64-1 Err (%) Err (%) 와 30km/h 사이에존재하며, 아직그규칙성은정확히판단되지못한상황이다. 그러나, 차대동력계상의연비예측결과는가속시의연료공급개시차속을 30km 이상의조건으로설정하는경우, 비교적좋은예측결과를제시하였다. 상기의계산식을이용하여다양한차량주행모드에서의연비계산결과를검증하였으며, 그결과를 Table 4, 5, 6에운전모드별로제시하였다. 우선적으로데이터스케너인 Techstream에서제공하는데이터의정확성을검증하기위하여, 데이터스케너의데이터를이용하여계산한순간연료분사량의합산으로부터계산된연비와동력계상배기가스분석을통해구한연비와의오차는 -4% 에서 6% 정도의범위를제시하였다. 한편으로본연구에서제시한방법으로연비를계산하는경우는 -5% 에서 -1% 까지의오차범위내에서비교적정확한결과를나타냄을알수있다. Fig. 12에는각주행모드에서의순간분사질량율의데이터스케너제공결과와계산결과와의비교를나타내었다. 계산결과는엔진의작동영역을비교적정확히예측하고있음을알수있으나, 연료분사량의변동이상대적으로많이나타나고있음을알수있다. 이 (a) NEDC mode (b) CVS 75 (Phase 1& 2) (c) CVS 75 (Phase 3) Fig. 12 Comparisons of calculated fuel flow rate and measured fuel flow rate during chassis dynamometer tests Transactions of the Korean Society of Automotive Engineers, Vol. 19, No. 6, 2011 105
정재우 서영호 최용준 최성은 김형구 정기윤 는가속 / 정속 / 감속의판단시 1초전의속도와의비교라는단순한방법을사용함으로서생기는현상으로서, 좀더체계적인운전조건의판단방안의제공은실제엔진의작동상태를구체적으로예측하는데도움이될것으로예상된다. 5. 결론본연구를통하여얻을수있었던연구결과를아래에간단히제시하였다. 1) 프리우스 3세대차량용엔진의경우, 가속시차량요구출력은차량효율 ( 차량요구출력 / 연료출력 ) 과는밀접한관계가있음을확인하였으며, 이로부터가속시의연료소모량을예측할수있었다. 2) 등속상태의경우, 차량의요구출력과엔진요구출력과의관계는선형적인관계가있음을확인하였으며, 엔진의최소요구출력은약 7~8kW 정도임을확인할수있었다. 3) 엔진의 fuel-cut 조건은연료분사의 feed-back 제어를위한 O 2 센서의활성및차속에밀접한관계가있음을확인하였으며, O 2 센서의가열이이루어지지않은경우, 차속이 20km/h 이하의조건과감속시에서만 fuel-cut 이발생되었다. 4) 그러나 O 2 센서의활성과함께연료분사의 feedback 제어가이루어지는경우, 가속시는 30km/h 이상그리고정상상태에서는 60km/h 이상의조건에서만연료가분사되는특성을제시하였다. 5) 상기의차량구동시의엔진작동특성을이용하여간단한연료소모량예측계산을수행하였으며, 이의경우, 10% 이내의오차에서연비가예측됨을확인하였다. References 1) S. Yang, H. Kwak, C. Myung and S. Park, Optimization of the Hybrid Engine System to Improve the Fuel Economy, Fall Conference Proceedings, KSAE, pp.1413-1418, 2005. 2) E. K. Nam, Fuel Consumption Modeling of Hybrid Vehicles in PERE, SAE 2005-01- 0627, 2005. 3) M. Duoba, H. L.-Busch, R. Carlson, T. Bohn and S. Gurski, Analysis of Power-split HEV Control Strategies Using Data from Several Vehicles, SAE 2007-01-0291 4) R. W. Carson, M. J. Duoba, T. P. Bohn and A. D. Vyas, Testing and Analysis of Three Plugin Hybrid Electric Vehicles, SAE 2007-01- 0283, 2007. 5) M. Duoba, H. Ng and R. Larsen, In-suit Mapping and Analysis of the Toyota Pruis HEV Engine, SAE 2000-01-3096, 2000. 6) U. Yeo, J. Ryu, G. Kim and Y. Lee, A Study on the HEV Control Characterisitcs under Various Driving Conditions, Spring Conference Proceedings, KSAE, pp.33-38, 2003. 7) Green Network, http://greenet.katech.re.kr/, Katech. 8) N. Kawamoto, K. Naiki, T. Kawai, T. Shikida and M. Tomatsuri, Development of New 1.8-liter Engine for Hybrid Vehicles, SAE 2009-01-1061, 2009. 9) G. Sovran and M. S. Bohn, Formula for the Tractive-energy Requirements of Vehicles Driving the EPA Schedules, SAE 810184, 1981. 10) PRIUS REPAIR MANUAL (I-1), 2009. 후 기 본논문은지식경제부에서지원하는 2010년도산업원천기반기술개발사업의수행연구결과이며, 이에관계기관에감사를전합니다. 106 한국자동차공학회논문집제 19 권제 6 호, 2011