Trans. of Korean Hydrogen and New Energy Society, Vol. 28, No. 1, 2017, pp. 56~62 DOI: https://doi.org/10.7316/khnes.2017.28.1.56 KHNES pissn 1738-7264 eissn 2288-7407 다양한주행모드및시험조건에따른전기자동차효율특성 이민호 김성우ㆍ김기호 한국석유관리원석유기술연구소 The Efficiency Characteristics of Electric Vehicle (EV) According to the Diverse Driving Modes and Test Conditions MIN-HO LEE, SUNG-WOO KIM, KI-HO KIM Research Institute of Petroleum Technology, Korea Petroleum Quality & Distribution Authority, Chungcheongbuk-do 28115, Korea Corresponding author : lice92@kpetro.or.kr Received 10 January, 2017 Revised 7 February, 2017 Accepted 28 February, 2017 Abstract >> Although most electricity production contributes to air pollution, the vehicle organizations and environmental agency categorizes all EVs as zero-emission vehicles because they produce no direct exhaust or emissions. Currently available EVs have a shorter range per charge than most conventional vehicles have per tank of gas. EVs manufacturers typically target a range of 160 km over on a fully charged battery. The energy efficiency and driving range of EVs varies substantially based on driving conditions and driving habits. Extreme outside temperatures tend to reduce range, because more energy must be used to heat or cool the cabin. High driving speeds reduce range because of the energy required to overcome increased drag. Compared with gradual acceleration, rapid acceleration reduces range. Additional devices significant inclines also reduces range. Based on these driving modes and climate conditions, this paper discusses the performance characteristics of EVs on energy efficiency and driving range. Test vehicles were divided by low / high-speed EVs. The difference of test vehicles are on the vehicle speed and size. Low-speed EVs is a denomination for battery EVs that are legally limited to roads with posted speed limits as high as 72 km/h depending on the particular laws, usually are built to have a top speed of 60 km/h, and have a maximum loaded weight of 1,400 kg. Each vehicle test was performed according to the driving modes and test temperature (- 25 o C~35 o C). It has a great influence on fuel efficiency amd driving distance according to test temperature conditions. Key words : Electric vehicle(ev, 전기자동차 ), Neighborhood electric vehicle(nev, 저속전기자동차 ), State of Charge(SOC, 충전율 ), Driving modes(udds, HWFET, US06, SC03, Cold UDDS mode), Test temperature conditions ( 시험온도조건 ), Current( 전류량 ), Driving distance on a single charge (1 회충전주행거리 ) 56 2017 The Korean Hydrogen and New Energy Society. All rights reserved.
이민호 김성우 김기호 57 1. 서론 자동차제작사들은전세계적으로강화되고있는에너지소비효율 ( 연비 ) 및온실가스 (CO 2) 배출량규제에대응하기위하여다양한형태의환경친화적자동차인그린카 (Green Car) 를개발하고있다. 현재개발되고있는그린카에는클린디젤자동차와하이브리드자동차 ( 플러그인하이브리드자동차포함 ), 전기자동차, 연료전지자동차등이있다. 이중에서도전기자동차와연료전지자동차는석유연료와내연기관을사용하지않고, 배기가스를전혀배출하지않는자동차로서현재많은연구가진행되고있는분야이다. 특히전기자동차는경제성과친환경성의이점을갖고있으나배터리중량, 충전에필요한시간, 낮은수익성, 수요부족, 충전인프라등에의해현재대중화되지못하고있는문제점을가지고있다. 이러한문제점을해결하기위하여고효율배터리기술개발이나고속충전인프라구축, 세금지원등각국의정부와기업들이다양한노력을하고있다. 전기자동차효율특성은다양한형태의주행패턴, 환경조건, 도로상황등여러가지변수에의해크게좌우하게되고, 특히, 주행모드및환경조건특성에따라전기자동차 1회충전주행거리및최고속도, 에너지소비효율 (km [ 이동거리 ]/kwh[ 배터리용량 ]) 은다양한형태의결과차이를보이고있다. 1-4 전기자동차에있어서다양한주행모드및환경조건에따른성능측정은크게는기술개발의유도나에너지관리의지표로서활용되고있고, 다른한편으로는소비자에게정보를제공하는일익을담당하고있다. 현재국내의에너지소비효율산정은시가지모드인 UDDS 모드와고속도로모드인 HWFET 모드에서측정한결과를보정 복합하여산출하고있다. 이두가지주행모드는실도로주행및환경조건을완전히반영하지못하고있다고할수있다. 이러한원인들에의해시험차량측정결과와실도로결과간의차이가발생되는것을볼수있다. 그러므로정확한에너지소비효율산출을위해다양한형태의주행 모드와환경조건시험을적용하여차량을개발하고, 인증시험시에도차량에적용함으로서소비자가실제도로에서의주행성능을확인할수있게할필요가있다고할수있다. 성능을확인할필요가있다고할수있다. 본연구에서는국내에서개발된전기자동차에다양한주행모드및환경조건을적용하여시험해보기위하여, 미국 EPA의 5-cycle 시험모드인 UDDS, HWFET, US06, SC03, Cold UDDS 주행모드와환경조건인온도 ( 저속전기자동차 : - 20, - 10, 0, 10, 25, 35, 고속전기자동차 : - 25, - 15, -7, 0, 10, 25, 35,) 에따른에너지소비효율, 1회충전주행거리, 최고속도등의성능특성을확인하고자하였다. 2. 시험차량, 장비및방법 2.1 시험용차량 시험에사용된차량은국내에서개발한전기자동차로서 Table 1에시험차량제원을나타내었다. 본논문의목적은국내에서출시된전기자동차에대해다양한조건등의성능특성을확인하고자하는것이다. 이에저속전기차 1 대와고속전기차 1 대를가지고시험모드및환경조건에따라비교분 Table 1. Specifications of test vehicles Neighborhood Item electric vehicle (NEV) Length Width Height (mm) Wheel base (mm) Eletric-motor (Power/Torque) Battery Electric Vehicle A 2,570 1,440 1,560 3,585 1,595 1,550 1,870 2,775 5 kw / - Nm 50 kw / 167 Nm Lead-acid (165 Ah / 72 V) Lithium-ion polymer (16.4 kwh / 330 V) Max. speed 60 km/h 130 km/h Curb weight 860 kg 1,130 kg Driving distance 45 km 140 km Vol. 28, No. 1, February 2017 Transactions of the Korean Hydrogen and New Energy Society <<
58 다양한주행모드및시험조건에따른전기자동차성능특성 Fig. 1. Schematic diagram of gasoline vehicle emission measurement system Table 2. Key features of the five fuel economy test mode Test mode Average speed (km/h) Max. speed (km/h) Max. acceleration (kmh/s) Ambient condition (Temp. & Humidity) FTP 75 (UDDS) City 34 (21 mile/h) 93 (58 mile/h) 5.3 (3.3 mph/s) 24 (75 ) HWFET Highway 77 (48 mile/h) 96 (60 mile/h) 5.3 (3.3 mph/s) 24 (75 ) US06 High speed & acceleration 77 (48 mile/h) 128 (80 mile/h) 13.6 (8.5 mph/s) 24 (75 ) SC03 Air-conditioning On (A/C) 35 (22 mile/h) 88 (55 mile/h) 8.2 (5.1 mph/s) Cold FTP-75 (Cold UDDS) 35 (95 ) /40%R.H. Cold temp. 34 (21 mile/h) 93 (58 mile/h) 5.3 (3.3 mph/s) - 7 (20 ) 석하였다. 2.2 시험장비및방법 ( 시험모드 ) 자동차연비를측정할수있는차대동력계시스템의전체적인개략도를 Fig. 1에나타내었다. 차대동력계에서해당주행모드및환경조건으로운전하고주행속도별실시간주행거리및배터리전력소비량, 전압, 최고속도등의차량데이터를획득하였으며, 주행시험이끝난후 25 로유지되는 Soaking room ( 준비실 ) 에서완전히충전될때의전력량 ( 충전률 ) 을가지고에너지소비효율 (km/kwh) 을분석하였다. 본연구에사용된시험모드는신연비시험모드인 5-cycle 모드이다 5,6. Table 2는 5-cycle 시험모드의특성을나타낸것이다. 이 5-cycle 모드는실도로에서차량이운행될때일어날수있는대부분의환경조건및운행패턴을반영한모드라고할수있다. FTP-75 모드와 HWFET, US06 모드는기존시험조건과동일한온도조건에서진행되는데, 시험은항온 항습이유지된시험실내 ( 항온 25 ± 1, 항습상대습도 50 ± 5%) 에서실시하였다. SC03 모드는고온조건에서에어컨작동여부에따른연비, 배출가스를측정하는모드로서온도는 35 ± 1, 상대습도 40 ± 5% 환경조건이유지되도록하였으며, Cold FTP-75 모 >> 한국수소및신에너지학회논문집제 28 권제 1 호 2017 년 2 월
이민호 김성우 김기호 59 Fig. 2. Comparisons of energy efficiency according to the test method and temperature Fig. 3. Comparisons of energy efficiency, driving distance, max speed at high speed method 드는저온에서차량의연비, 배출가스를측정하는모드로 -6.7 의온도조건을유지하였다. FTP-75 모드와 Cold FTP-75 모드는시험차량을시험온도조건에서동일하게유지하기위해 12 시간이상 Soaking시킨후시험하였고, HWFET, US06, SC03 모드는예열상태시험으로서차량상태를동일하게유지하기위해시험전에 Preconditioning 모드 (UDDS 1 Phase) 로주행하고본시험을시행하였다. 3. 시험결과및고찰 3.1 저온환경조건특성에따른연비경향 Fig. 2는저속전기자동차에대하여시험방법 (UDDS 및최고속도모드 ) 및온도변화에따른에너지소비효율및 1회충전주행거리특성을나타낸것이다. 여기에서 UDDS 모드시험은기존시험과동일하게가속하여시험모드를따라운전하다가운전할수있는최고속도에서일정속도로주행하고, 감속구간에서는기존방법과동일하게다시감속하는방법으로시험을한것이다. 최고속도모드는시험시작후바로가속하여최고속도로운전하여배터리가완전히방전될때까지운전하여시험한방법이다. 결과를살펴보면처음부터최고속도로유지하며운전하는시험방법이차량속도가지속적으로변경되는 UDDS 모드로운전하는방법보다 0 이상의온도조건의에너지소비효율이평균적으로 10% 증가되 어좋게나오고있으나, 0 이하에서는반대로 10% 감소되어, 반대의경향을나타내는것을볼수있다. 이러한이유는일정속도구동및가속할때의에너지소비와감속때회생제동에따른에너지저장의특성이환경온도에따라틀려지기때문으로생각된다. 상온에서는가속에소모되는에너지가회생제동에서얻어진에너지보다커서 UDDS 모드로운전을함으로서에너지소비가많기때문이고, 저온조건에서는 UDDS 모드의가속에필요한에너지가큼에도불구하고, 최고속도로계속일정하게운전을함으로서모터및배터리효율이급격히떨어지기때문이고, 또한회생제동에의한에너지가없기때문이다. 최대주행거리결과도연비결과와동일한경향을보이고있다. 일정온도이상에서는처음부터최고속도로동일하게운전하는방법이 UDDS 모드로운전하는것보다 1회충전주행거리가길게나타나게되고일정온도이하에서는반대로 1회충전주행거리가짧아졌다. 온도변화에따른에너지소비효율특성은대부분의전기자동차및하이브리드자동차가가지고있는단점을동일하게보이고있다. 저온에서의모터및배터리효율이급격히떨어지기때문에차량의에너지소비효율도급격히떨어져서나타나게된다. 이는모터와배터리 AC / DC converter 등내부부품의효율이온도에크게반응하기때문으로, 이러한단점을극복하기위해많은연구가필요할것으로보인다. Fig. 3은저속전기자동차에대해국내에너지소비 Vol. 28, No. 1, February 2017 Transactions of the Korean Hydrogen and New Energy Society <<
60 다양한주행모드및시험조건에따른전기자동차성능특성 서에너지소비효율과 1회충전주행거리가선형적으로상관관계가큼을알수있고, 충전량에있어서는거의동일한결과를보여주고있다. 또한, 저온온도에서구동전류의증가와배터리효율의감소에의한에너지소비효율이더욱악화되는것을볼수있다. 3.2 연비시험모드특성에따른연비경향 Fig. 4. Comparisons of energy efficiency, charging rate, driving distance according to the test temperature 효율시험으로사용하고있는최고속도운전방법에따른차량성능특성을나타낸것이다. 결과를살펴보면, 앞의결과와마찬가지로온도변화에따라서에너지소비효율, 1회충전주행거리, 최고속도가급격히감소하는것을볼수있다. 온도가상온 35 에서 20 로감소함에따라에너지소비효율은약 52.4 %, 1회충전주행거리는 85.5%, 최고속도는약 0.7% 감소하게된다. 이러한결과를통하여전기자동차의에너지소비효율표시및운행에있어서온도변수를반드시고려하여야하며, 소비자가겨울철운전시에도이러한부분에대하여인지함으로서전기자동차가갈수있는최대주행거리를감안해야될것으로생각된다. 또한, 고려되어야할부분은저온에서 1회충전주행거리가급격히줄어들기도하지만이때의충전율이상온보다적게충전된다는것이다. 이러한이유는배터리특성에따른것으로상온과동일하게배터리를완충전하더라도저온에서는충전할수있는에너지를다충전에사용하지못하는문제점인저온충방전효율감소를고려하여야한다. 이러한문제점을개선하기위하여저온에서의배터리효율을증가시킬수있는기술개발이나배터리가온도변화를받지않도록하는기술적용이필요하다. Fig. 4는 UDDS 모드에서시험온도에따른고속전기자동차의에너지소비효율, 1회충전주행거리, 충전량을나타낸것이다. 저속전기자동차와마찬가지로온도변화에따라 Fig. 5는고속전기자동차에대해미국 EPA에서에너지소비효율모드로사용하고있는 5-cycle 시험모드에따른전기자동차의배터리전류충 방전특성및전력수지, 소비전력등을나타낸것이다. 결과를살펴보면, 배터리충 방전특성이각각의시험모드가가지고있는특성과일치하고있는것을볼수있으며, 차량의가속및감속에따른충전과방전이차량속도에맞추어져일어나고있다. 특히다른시험모드에비해급가감속특성을가진 US06 모드특징과동일하게전류값이크게증감하고있는것을볼수있고, 동일모드 (UDDS) 에서온도차이에의한특성을살펴보면, 저온인경우에전류값이크게증가하고있고, 이때의전력수지및전력량이 2 배이상차이가나는것을볼수있다. Fig. 6은고속전기자동차에대해 5-cycle 시험모드를적용하여시험한에너지소비효율과 1회충전주행거리, 충전량을정리한것이다. 앞의 Fig. 5와마찬가지로 5-cycle의각모드가가지고있는특징을잘나타내고있는결과라고할수있다. 먼저온도에따른특성을살펴보면, 상온 UDDS 가저온 UDDS보다에너지소비효율은 39.7%, 1회충전주행거리는 41.4 % 가더높게나오고있다. 이는저온에서구동전류증가와배터리효율의감소등에의해에너지소비효율을떨어뜨리는원인이되는것으로보인다. UDDS 모드와 HWFET 모드에서는 UDDS 모드가에너지소비효율 0.5%, 1회충전주행거리 2.4% 로약간높게나오는것을볼수있는데, 이러한이유는 UDDS 모드에서는차량가속에서소비되는에너지를감속구간회생제동에너지로어느정도충전하기때 >> 한국수소및신에너지학회논문집제 28 권제 1 호 2017 년 2 월
이민호 김성우 김기호 61 (a) UDDS mode Fig. 6. Comparisons of energy efficiency, charging rate, driving distance according to the test mode (b) HWFET mode Table 3. Test results of vehicle additional device on/off (A/C : SC03 mode, Heater : UDDS mode) Item Air-conditioner Heater On Off On Off Fuel efficiency (km/kwh) 5.834 7.431 4.578 6.620 Driving distance (km) 101.501 133.192 78.014 110.739 Charging rate (kwh) 17.398 17.924 17.041 16.728 (c) US06 mode (d) SC03 mode (e) Cold UDDS mode Fig. 5. Comparisons of battery current (A) and power (kw) according to the test mode 문이며, 고속에의한에너지소비가크기때문으로볼수있다. 하지만, 가 감속에의한다른에너지소비특성을비슷한고속운전영역을가진 HWFET 모드 와 US06 모드결과를통하여확인할수있는데, 급가감속으로운전하는 US06 모드가 HWFET 모드보다에너지소비효율 22.8%, 1회충전주행거리 21.2% 나쁘게나타나고있다. 고속운전보다는급가감속에의한운전에너지소비가가장크다. SC03 모드는고온에서에어컨을사용하는모드로서모드자체의속도분포는중 저속과낮은가감속률을가지고있지만, 에어컨사용에따른에너지소비가크게증가하고있는것을볼수있다. 이러한결과는급가감속모드인 US06 모드와유사한에너지소비효율과 1회충전주행거리를나타낸다. 시험모드별에너지소비효율결과를보면, UDDS 모드가가장좋은결과를보이고, HWFET, US06, SC03, Cold UDDS의순으로나타났다. 이러한결과는 1회충전주행거리에있어서도동일한형태의결과를보이고있다. 시험모드에대한충전량에있어서는모든모드에서유사한결과를보이고있다. Table 3은자동차에서부가적인장치인에어컨과 Vol. 28, No. 1, February 2017 Transactions of the Korean Hydrogen and New Energy Society <<
62 다양한주행모드및시험조건에따른전기자동차성능특성 히터사용에따른에너지소비효율, 1회충전주행거리. 충전량을나타낸것이다. 고온에서에어컨사용에따라에너지소비효율이 21.5%, 1회충전주행거리가 23.8% 감소하였고, 저온에서의히터사용에따라에너지소비효율 30.8%, 1회충전주행거리 29.6% 가감소되었다. 이러한결과를통하여전기자동차에있어서각종부가장치의사용에따라에너지소비효율에미치는영향이큼으로이에대한평가도고려되어야한다고생각된다. 4. 결론 본연구에서는국내에서개발된전기자동차 (EV, NEV) 에대하여다양한주행모드및환경조건을적용하기위해미국 EPA 5-cycle 시험모드인 UDDS, HWFET, US06, SC03, Cold UDDS 주행모드와환경조건인온도 (- 25 35 ) 에따른성능특성 ( 에너지소비효율, 1회충전주행거리, 최고속도등 ) 을시험함으로써다음과같은결론을얻을수있었다. 1) 전기자동차의경우온도변화에따라에너지소비효율, 1회충전주행거리등이급격히감소하였다. 온도가감소함에따라저속자동차인경우에너지소비효율 52.4%, 1회충전주행거리 85.5%, 최고속도 0.7% 감소하였고, 고속전기자동차의경우에너지소비효율 39.7 %, 1회충전주행거리 41.4 % 가감소하였다. 저온운전에따른성능특성은대부분전기자동차가보이고있는가장안좋은환경변수로서, 전기자동차에너지소비효율측정에있어온도변수를고려하도록, 상온및저온시험결과를복합하여에너지소비효율을계산할수있는계산식개발이필요할것으로보인다. 2) 시험모드별에너지소비효율결과를보면, UDDS 모드가가장좋은결과를보이고, HWFET, US06, SC03, Cold UDDS의순으로나타났다. 이러한결과 는 1회충전주행거리에있어서도동일한형태의결과를보이고있다. 전기자동차에있어서저온모드조건이가장많은영향을주고있으며, 에어컨사용모드, 급가감속운전모드, 고속운전모드등으로영향을주고있음을알수있었다. 3) 부가적인장치인에어컨사용에따라에너지소비효율 21.5 %, 1회충전주행거리 23.8 % 가감소하였고, 히터사용에따라에너지소비효율 30.8 %, 1회충전주행거리 29.6 % 가감소되었다. 이러한결과와마찬가지로전기자동차시험에있어서각종부가장치 ( 헤드라이트, 전동오일펌프, 전동워터펌프등 ) 사용에따른영향을에너지소비효율측정에고려하여야할필요성이있다고할수있다. References 1. Youngmi Woo, Youngjae Lee, Ohsuek Kwon, "Energy consumption characteristics of gasoline hybrid electric vehicles under cold ambient conditions", 2011 KSAE Annual conference, pp. 368-371, 2011. 2. Jongsoon Lim, Hyunwoo Lee, Charyung Kim, Youngbok Sin and Yongsung Park, A study of energy consumption test method for electric vehicles, 2011 2011 KSAE Annual conference, pp. 2629-2635, 2011. 3. Youngmi Woo, Jinyoung Jang, Chongpyo Cho, Gangchul Kim, Ohsuek Kwon and Youngjae Lee, "Energy consumption characteristics of an electric vehicle under real world driving conditions", 2012 KSAE conference, pp. 25-28, 2012. 4. Carlson, R., Lohse-Busch, H., Duoba, M., and Shidore, N., Drive Cycle Fuel Consumption Variability of Plug-In Hybrid Electric Vehicles Due to Aggressive Driving, SAE Technical Paper 2009-01-1335, 2009. 5. "Fuel Economy Labeling of Motor Vehicles : Revisions to Improve Calculation of Fuel Economy Estimates", EPA Final Technical Support Document, December, 2006. 6. "Fuel Economy Labeling of Motor Vehicles : Revisions to Improve Calculation of Fuel Economy Estimates : Final Rule", EPA 40 CFR Parts 86 and 600, December, 2006. >> 한국수소및신에너지학회논문집제 28 권제 1 호 2017 년 2 월