Journal of the Korea Academia-Industrial cooperation Society Vol. 17, No. 8 pp. 582-594, 2016 http://dx.doi.org/10.5762/kais.2016.17.8.582 ISSN 1975-4701 / eissn 2288-4688 김기수 1, 박영일 1, 노윤식 2, 정재욱 2* 1 서울과학기술대학교기계시스템디자인공학과, 2 전북자동차기술원 Components sizing of powertrain for a Parallel Hybridization of the Mid-size Low-Floor Buses Gisu Kim 1, Yeong-il Park 1, Yun-sik Ro 2, Jae-wook Jung 2* 1 Department of Mechanical System Design Engineering, Seoul National University of Science and Technology 2 Jeonbuk Institute of Automotive Technology 요약그동안하이브리드버스에대한연구로플러그인하이브리드, 직렬형, 병렬형하이브리드등에대한연구가많이진행되어져왔다. 하지만연구가진행된대부분의차량들은대형버스이며현재국내에는중형저상버스에대한연구는전무한실정이다. 또한중형저상버스의하이브리드화에대한연구역시미미한실정이다. 본논문은 MATLAB 을이용한시뮬레이션을통해디젤중형저상버스의연비평가를수행하였으며, 이를하이브리드화하였을경우에대한최적의용량조합과기어비를제시하고내연기관시뮬레이션연비결과와비교분석하였다. 하이브리드화를위한구조로전륜과후륜이독립적으로동력을전달하는병렬형하이브리드시스템을선택하였다. 동력원용량설계를위해목표성능을만족하는요구파워를계산하여적용가능한동력원용량영역을설계하였다. 설계영역을만족하는각단품들의용량은스케일링하여구성하였으며, 엔진과모터에대한동력전달계의용량설계알고리즘을제시하고동적계획법을이용하여최적화를수행하였다. 최종적으로본연구를통해내연기관차량인중형저상버스를하이브리드화하였을경우에대한연비향상률과최적의동력원용량, 기어비를제시하였다. Abstract Most studies on hybrid buses are on large-sized buses and not mid-sized low-floor buses. This study uses MATLAB simulation to evaluate the fuel efficiency of such buses powered by diesel. Based on the results, a hybrid electric vehicle system is recommended for the best combination of power and gear ratio. A parallel hybrid system was selected for the hybridization, which transmits front and rear wheel power independently. The necessary power to satisfy the target performance was calculated, and the applicable capacity area was designed. Dynamic programing was used to create and optimize a component sizing algorithm, which was used to scale the capacity of each component of the power source to satisfy the design criteria. The fuel efficiency rate, optimum power source capacity, and gear ratio can be improved by converting a conventional bus into a parallel hybrid bus. Keywords : Backward simulation, Component sizing, Dynamic programming, Fuel economy, Hybrid electric vehicle, Mid-size low-floor bus, Optimization, Parallel hybrid system 본논문은국토해양부교통물류연구사업으로수행중인중형저상버스표준모델개발 ( 과제번호 13TLRP-B068837-01) 연구의일환으로수행되었음. * Corresponding Author : Jae-wook Jung(Jeonbuk Institute of Automotive Technology.) Tel: +82-63-472-2342 email: jjw4393@jiat.re.kr Received July 6, 2016 Revised (1st August 5, 2016, 2nd August 10, 2016) Accepted August 11, 2016 Published August 31, 2016 582
1. 서론최근국내에는대기환경에대한심각성이대두되고있다. 이에대해국내대기환경오염의주범으로디젤차량이지적되었으며정부는이를해결하기위한대책중하나로친환경차를보급확대하는대책을확정발표하였다. 이는현재 2.6% 인신차의친환경차보급률을 2020 년까지 30% 로확대할계획이다. 국내뿐만아니라국외각국의친환경규제를적용하여이를만족시키기위한연구가활발히진행되고있다. 이러한대책중하나로기존의내연기관차량에전기동력원을추가한하이브리드구조로연비를향상시키면서오염물질배출을저감할수있는시스템에대한연구가진행되고있다. 그동안하이브리드버스에대한연구로플러그인하이브리드, 직렬형, 병렬형하이브리드등에대한연구가많이진행되어져왔다.[1,2] 또한, 시내버스에기존의디젤및가솔린엔진대신 CNG 엔진을이용하면서연비향상및배출가스감소효과를극대화하기위한저상 CNG 하이브리드버스가개발보급되어일부지역에서운행중에있다.[3] 하지만개발되어운행되는차량들은전부대형버스이며현재국내에는중형저상버스에대한표준모델이없다. 또한이에대한연구도전무한실정이다. 중형저상버스는기존에개발보급되어운행중인대형저상버스보다작은크기로운영비절감및대형저상버스를도입하기어려운지역에보급이가능하여활용도가높은이점이있다. 또한기존의중형버스는교통약자들이이용하기에불편한부분을중형저상버스의개발보급으로해결할수있다. 선행연구에서는전방향시뮬레이션및후방향시뮬레이션을이용한차량의성능, 연비평가를수행하였다. 개발진행중인버스는디젤엔진을동력원으로사용하는내연기관차량이다.[4-5] 기존연구에서는중형저상버스의하이브리드화에대한연구가전무하였다. 본연구에서는개발중인중형저상버스를하이브리드화하였을경우에대한연비평가와이를위한최적의동력원용량설계연구를진행하였다. 기존의디젤엔진을사용하는버스구조는전륜에엔진이장착된다. 개발후에구조변경을최소화하면서하이브리드화하기위한방향으로후륜에모터를장착하여동력을보조하는병렬형하이브리드시스템용량설계를 진행하였다. 동력원용량설계는최적화기법중하나인동적계획법을이용하였으며, 이를이용한후방향시뮬레이션으로동력원용량최적화설계를수행하였다. 또한기존연구에서는고려되지않았던기어비변화에따른최적연비변화의경향을분석하였으며, 모터의단일기어비에대한최적화도동시에진행하였다. 넓은간격탐색을통해경향성을분석한후추가적으로보다정밀한기어비도출을위해좁은간격으로시뮬레이션을수행하여최적기어비를도출하였다. 본논문에서는위와같은과정을통해최종적으로중형저상버스를하이브리드화하였을경우에대한연비를예측하였다. 2. 본론 2.1 중형저상버스의하이브리드화 2.1.1 차량제원및개발차량의연비평가 Table 1. 은현재개발중인중형저상버스의차량제원이다. 개발중인차량의동력원은강화된차량배기가스규제를만족하는 Euro 6 디젤엔진으로적용되었다. Fig. 1. 는개발차량의구조도이며전륜에엔진이장착되고전륜으로구동하는 Front engine Front drive 시스템이다. 변속기는수동 6단으로적용되었으며, 최대탑승인원은 30명으로이는경쟁사차량들보다높은수용능력을갖추고있다. 선행연구 [4-5] 에서는전방향과후방향시뮬레이션을이용한개발차량의가속성능, 최고속도, 등판성능, 차량연비예측을수행하고이를실차시험과비교하였다. 본연구에서는선행연구를바탕으로, 차량개발과정에서변화된차량제원및조건을적용하여연비평가시뮬레이션으로변화된연비를예측하였다. Table 2. 는시뮬레이션에사용된차량데이터이다. 시뮬레이션에적용된차량의중량은수용가능한인원이모두탑승하였을경우인 5300kg이다. Fig. 2. 은연비평가를위한시뮬레이션에서사용된주행사이클이다. 이는부산시내임의의버스노선에대해운전패턴을기록하여구성한사이클로서총거리 22.47km, 주행시간 4036초이다. 부산시내모드는주행과정차를빈번하게반복하는실제시내버스의주행상황과매우유사한특징을갖는다. 실제주행환경에서는도로의경사도가포함되지만일반적으로연비평가를수행하는차대동력계 583
한국산학기술학회논문지제 17 권제 8 호, 2016 에서는경사도를고려하지않으므로, 본연구를위한시뮬레이션에서도이를고려하지않고연비예측을수행하였다. 연비예측을위해주행사이클로부터차량의요구동력을계산하고구동계를거쳐엔진의작동점을계산하는후방향시뮬레이터를구성하였다. Velocity(m/s) 18 16 14 12 10 8 6 4 Busan City Cycle Table 1. Vehicle Specification Spec. Medium low-floor bus Overall dimension (L W H) 7495 2050 2615 mm Wheel base 4750 mm Engine(ps/kg m) 170 / 41 (3.0L) Transmission Manual 6 speed Suspension (F/R) Double wishbone Air spring / Air spring with ECAS Brake type VAH Tire 205/75R17.5 Riding capacity(persons) 30 Table 2. Parameters for vehicle simulation [5] Parameter Value Gross Vehicle Weight, (kg) 5300 Final drive efficiency, (%) 90 Tire radius, (m) 0.366 Aerodynamic drag coefficient, 0.31 Vehicle frontal area, (m 2) 4.28 2 0 0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000 Time(sec) Fig. 2. Road cycle for simulation 부산시내사이클에대한시뮬레이션결과연비는 7.79km/l로예측되었다. 예측된버스연비는주행가능한모든경우의수에대한최적결과로계산된연비로서구현가능한최적연비이다. Fig. 3. 은주행사이클에대한엔진의작동점을나타낸것이다. 주행사이클인부산시내모드의특성인저속운전과정차, 가속감속이많은특징으로인해비교적낮은회전및토크영역에서엔진작동된것을볼수있다. 또한엔진의효율이매우좋지않은저토크, 저회전영역에서엔진이빈번하게작동된것을볼수있다. 이러한부분에대해엔진작동점을효율이좋은영역으로이동시킨다면연비상당히개선될것으로예상할수있다. Fig. 4. 는부산시내모드의후방향시뮬레이션결과를차량속도에대한엔진의토크로분석한그림으로서차량속도에대해기어가 6단으로변속되는영역을확인할수있다. 또한, 부산시내모드의특성인저속영역에서의엔진작동이빈번한것을확인할수있다. Air density, (kg/m 3 ) 1.205 Rolling resistance coefficient, 0.008 Final drive gear ratio 4.563 Fig. 1. Front engine Front drive type medium size low-floor bus configuration Fig. 3. Engine operating points 584
Fig. 5. Compare Diesel Bus with Diesel Hybrid Bus[7-8] Fig. 4. Engine operating points and optimal shift map 2.1.2 차량하이브리드화및시스템모델링 Fig. 5. 은하이브리드시내버스를개발후보급하여운영중인미국의뉴욕시에서 2006년에발표한 40피트시내버스연비, 질소산화물수치이다. 그림에서볼수있듯이디젤버스대비디젤하이브리드버스의연비가약 40% 정도우수하며, 지구온난화의주범인질소산화물배출량이약 3배정도낮다.[7-8] 일반적으로하이브리드시스템이기존내연기관차량에비해연비및배출가스저감효과가뛰어나다. 이는하이브리드시스템의장점으로서정차와주행을반복적으로수행할때발생되는손실에너지를회생제동을이용하여회수할수있기때문이다. 또한디젤엔진은낮은토크영역에서매우낮은효율을갖는다. 이에대해하이브리드시스템을적용하면, 낮은효율영역에서필요한토크를상대적으로효율이높은모터영역으로이동시킬수있다. 또한, 모터는저속에서부터최대토크출력을낼수있기때문에가속성능을높일수있다. 하이브리드시스템의연비및성능향상효과는차량의제원과시스템구조도에따라많은차이를나타낸다. 이에따라시스템구조에대한탐색과효율을높일수있는하이브리드시스템제어전략연구가필요하다. 따라서하이브리드시스템의장점을적용하기위해본논문에서는현재개발중인중형저상버스표준모델차량을하이브리드화하였을경우를위한최적용량설계를수행하였다. 2.1.3 하이브리드시스템 Fig. 6. 은상용차량에주로적용되는하이브리드시스템으로서직렬형과병렬형방식의시스템구조도이다. Fig. 6. (a) 직렬형시스템은구동모터로차량의모든구동력을내기때문에상당히큰출력의모터가요구되며, 엔진은구동모터와는독립적으로발전기를구동시켜배터리를충전하고전류를생산하는역할만수행한다. 이러한특징때문에엔진을효율이좋은영역에서만구동할수있는장점을갖는다. 하지만에너지가변환되고전달되는과정에서병렬형시스템대비상대적으로더많은손실이발생한다. Fig. 6. (b) 병렬형시스템은엔진과모터가모두구동력에사용되며엔진앞단의클러치사용유무에따라 EV 주행및 Hybrid 주행을선택적으로할수있다. 또한엔진만으로도주행이가능하며, 주행가능한경우의수가많기때문에병렬형하이브리드시스템은제어로직이다소복잡한특징을갖는다. (a) (b) Fig. 6. General architectures of Hybrid Electric Vehicle (a) Series Hybrid Electric Configuration (b) Parallel Hybrid Electric Configuration 585
한국산학기술학회논문지제 17 권제 8 호, 2016 현재국내에개발된상용하이브리드차량은 H 사에서개발하여현재서울시내노선에서운행중인저상 CNG 하이브리드버스가있으며이는병렬형방식으로개발되었다.[3]D 사에서는직렬형방식의하이브리드버스를개발하였고동시에국내최초로병렬식디젤하이브리드버스를개발하였다.[9] 2.1.4 중형저상버스하이브리드시스템모델링 중형저상버스표준모델개발과제로진행중인차량은전륜에엔진이장착되며전륜구동으로동력을전달하는구조이다. 저상버스의특성상버스바닥을낮추었기때문에설계공간에상당한제약을받게된다. 이러한구조에서하이브리드화를적용하기위해기존의개발중인차량구조변경을최소화하면서적용할수있도록, 후륜에구동모터를장착하는병렬형하이브리드방식으로시스템을구상하였다. Fig. 7. 은기존개발차량을하이브리드화한시스템모델링구조도이다. 전륜구동과후륜구동이독립적으로이루어지며축이분리되어있기때문에바닥이낮은저상버스에서적용이용이하다. 구동력의결합은지면으로통해서이루어지며후륜의구동모터가전륜의엔진동력을보조하는방식으로시스템이이뤄져있다.[10] Fig. 7. Separated axle torque combination parallel hybrid medium size low-floor bus drive train 2.2 동력원최적화설계및동적계획법 2.4 절에서모델링한하이브리드시스템의최적연비평가를위해서는동력원조합에대한최적화과정이필요하다. Fig. 8. 은엔진과모터용량의최적조합을찾는과정으로본연구를통해제시한순서도이다. 차량의제원을정의하고주행사이클로부터요구동력을계산한후동력원조합가능한영역을설계한다. 모델링한하이브리드시스템에모터구동부의기어가새로이적용되므로, 동력원최적화과정에추가적으로기어비의최적화과정을포함하였다. 이후에는최적화기법중하나인동 적계획법을이용하여최적연비를도출할수있도록후방향시뮬레이션을수행하였다. 동적계획법이란특정문제에대해최적의해을도출하기위해, 전영역을부분적으로나누어각부분에대해가장이상적인해를순차적으로계산하여최종적으로전영역의최적해를구하는최적화기법이다.[10-12], (1) 하이브리드차량시스템모델은식 (1) 과같이표현되며, 최종적으로주어진주행사이클에대해전영역연비를최소로하는최적의입력 u(k) 를찾는것이하이브리드시스템의목표가된다. 이를전영역연료소비량에대한비용함수로재정의하면식 (2) 와같다.[10-12] (2) 위와같이정의된비용함수에엔진과모터의속도, 토크, 배터리사용영역을제한조건으로적용하여최적해를계산한다. 여기에추가적으로초기설정한 SOC(State of Charge) 와최종 SOC를만족할수있도록패널티함수 (G) 를추가하여식 (3) 으로다시정의된다.[10-12] (3) 최종적으로동적계획법알고리즘은식 (4),(5) 같이표현되며 N-1 부터 0 까지수식을반복적으로풀이하여해를도출한다.[10-12] (4) (5) 586
에대해요구파워를계산한결과 43.82 kw 값이산출되었으며차량속도에대한요구파워는 Fig. 9. 와같다. 등판성능에서필요한요구파워도동일한식 (6) 으로계산되며독립적으로필요한엔진및모터의요구파워는 Fig. 10. 과같이계산되어 106.57 kw 값으로산출되었다. (7) Fig. 8. Flowchart components and gear ratio sizing of hybrid vehicle system[11] 2.2.1 차량목표성능용량설계를위해서는우선차량의목표성능을설정해야한다. 목표성능을만족하는각요구동력을계산하여 3.2 절에서언급할동력원의사용가능한영역을설계하게된다. 하이브리드화를위해설정한차량의목표성능은 Table 3. 과같다. 차량의최고속도는국토교통부에서제시한최고속도제한의무화를고려하여 110km/h 로설정하였다. 가속성능및등판성능은선행연구에서전방향시뮬레이션을통해예측한성능수치를동일하게적용하였다.[4-5] Table 3. Vehicle target performance Component properties and vehicle performance Note Value Maximum speed - 110 km/h Acceleration performance 0 to 100 km/h 24sec Grade ability At 28 km/h 21% 가속성능요구파워는식 (7) 을이용하여계산하였다. 위수식에서 δ 값은회전관성값이며 1.05 값으로가정하였다. 위수식에서사용된 V base speed 는모터맵의토크선도에서정토크가유지되는속도중최대속도를의미한다.[9,11] 식 (7) 로부터계산된요구파워맵은 Fig. 11. 과같으며 zero to 100km/h, 24 초를만족하는값은 105.05kW 로산출되었다. Required power [kw] 100 80 60 40 20 X: 110 Y: 43.83 0 0 50 100 150 Vehicle speed [km/h] Fig. 9. Required power according to the maximum speed (6) 식 (6) 으로위에서제시한차량최고속도 110 km/h Fig. 10. Required power for uphill 587
한국산학기술학회논문지제 17 권제 8 호, 2016 을만족하는범위로설정한값이다. 보다정확한최적기어비를선정하기위해서는단위간격을작은값으로설정해야하지만시뮬레이션수행시간이상당히증가하게된다. Fig. 11. Required wheel power vs. Acceleration time 2.2.2 설계가능한영역탐색및동력원조합앞절에서산출한최소요구파워를기준으로 Fig. 12. 와같은 Feasible region을설계하였다. 엔진의크기는기존내연기관엔진의최대출력인 129kW를상한선으로설정하고앞절에서언급한목표차량의엔진최소요구파워를하한선으로설정하였다. 차량의등판성능에필요한최소요구파워는엔진과모터의출력합을만족하는조건으로파워트레인효율을고려하여설정하였다. Table 4. 는기준엔진과모터맵을스케일링하여위에서정의한 Feasible region을만족하도록구성한동력원의용량이다. 기준엔진맵은 Fig. 13. 으로현재개발차량에장착되어있는 Euro 6 129kW급디젤엔진이다. 엔진맵구성은회사에서제공한데이터와미국 Argonne Lab의 Autonomie 프로그램내데이터를이용하였으며 Fig. 14. 기준모터데이터또한 Autonomie 프로그램내의 T 사특정차량모터모델을이용하여구성하였다. 시뮬레이션을위해구성한동력원데이터는모두준정적인 3차원룩업테이블로모델링하였다. Fig. 13. 기준엔진을 100% 기준으로용량을스케일링하여 7개의엔진맵으로구성하였으며, Fig 14. 모터를기준으로 7개의모터맵으로구성하였다. 이와같이구성한엔진과모터로총 49개의동력원조합이발생된다. 또한모터에적용되는기어비에따라최적해가다르게나타나므로동력원및기어비최적화가동시에수행되어야한다. 최적화를위한모터에적용되는단일기어비탐색범위는 16 에서 34까지로설정하였으며, 용량설계과정에서 2 단위간격으로프로그래밍하여최적화시뮬레이션을반복수행하였다. 이에대한범위는주행사이클및목표성능 Fig. 12. Feasible region of the power unit set Table 4. Power sources for component sizing Component Enigne (kw) Motor (kw) Size 45 (35%) 10 66 (51%) 26 73 (57%) 43 87 (67%) 60 101 (78%) 76 108 (84%) 93 129 (100%) 110 F/D2 Gear ratio 16 34 Fig. 13. EuroⅥ 129kW 3.0L engine map for simulation 588
Fig. 14. PM 30kW motor map for simulation 2.3 후방향시뮬레이션결과본연구에서진행한용량설계시뮬레이션결과최적의동력원용량조합을도출하였다. 모든조합의경우수중주행사이클을모두만족하는조합은 26가지로산출되었으며, 각조합에서기어비탐색을통해연비가가장높은최적기어비를도출하였다. Table 5. 는앞절에서제시한 Feasible region 을만족하는동력원조합에대한시뮬레이션수행결과중주행사이클을모든시간에서만족하는조합과최적연비이다. 시뮬레이션결과최적조합은 7번으로엔진 66kW, 모터 60kW로도출되었다. 시뮬레이션은초기 SOC(State of Charge) 와최종 SOC를 60% 로설정하였다. 시뮬레이션결과중최종 SOC를만족하지못하는조합및모터단일기어비의경우의수는결과분석에서제외하였다. Fig. 15. 는엔진 66kW, 모터 60kW, 모터단일기어비 16 일때주행사이클에대한배터리 SOC 변화량보여준다. Fig. 17. 22. 는 Table 5. 에서 3, 7, 21번조합에해당되는시뮬레이션결과로서엔진과모터의작동점을나타낸것이며, Table 5. 를 Fig. 16. 에서그래프로나타내었다. 후방향시뮬레이션결과중하나인 Fig. 17. Fig. 18. 은엔진용량 66kW, 모터용량 60kW, 모터단일기어비 16에대한동력원작동점을나타낸다. 해당조합에대한연비는 12.71 km/l로서엔진, 모터용량조합및기어비탐색영역에서최적의조합으로산출되었다. 이는기존디젤차량의엔진작동점을보여주는 Fig. 3. 과비교하였을때상당히많은작동점이 OOL(Optimal Operating Line) 부근으로이동되었음을확인할수있다. 기존엔진에서작동되었던저토크영역에서의작동점이효율이좋은엔진맵영역으로이동되었다. 또한가속및제동을매우빈번하게반복부산모드의특성을 Fig. 18. 의모터작동점을통해확인할수있다. 가속할경우에발생되는 Fig. 3. 의 0 50Nm 영역에해당되는엔진작동점이 Fig. 17. 에서는다른영역으로이동된것을확인할수있다. 이는해당영역에서효율이매우좋지않으므로상대적으로동일영역에서효율이좋은모터가작동되었음을 Fig. 18. 을통해알수있다. 또한 Fig. 18. 을보면토크가음수인영역에서상당히많은모터사용이이루어진것을확인할수있다. 이는회생제동으로써에너지회수가이루어진것으로가속과감속을많이하는도심주행사이클인부산모드의특성상하이브리드화로가능해진회생제동이기존디젤차량대비연비향상을극대화하는데매우높은영향을끼쳤다는것을보여준다. Table 5. The best results for each component size Engine size (kw) Motor size (kw) Fuel economy (km/l) # 1 45 43 12.2173 # 2 45 60 12.5525 # 3 45 76 12.5004 # 4 45 93 12.3149 # 5 45 110 12.0869 # 6 66 26 11.6197 # 7 66 60 12.7197 # 8 66 93 12.4657 # 9 73 43 12.3335 # 10 73 76 12.6419 # 11 73 110 12.2911 # 12 87 26 11.5821 # 13 87 60 12.6362 # 14 87 93 12.4532 # 15 101 43 12.2353 # 16 101 76 12.5346 # 17 101 110 12.2005 # 18 108 26 11.4677 # 19 108 60 12.5103 # 20 108 93 12.3157 # 21 129 26 11.3076 # 22 129 43 12.0286 # 23 129 60 12.3362 # 24 129 76 12.2961 # 25 129 73 12.1362 # 26 129 110 11.9647 589
한국산학기술학회논문지제 17 권제 8 호, 2016 Fig. 15. SOC history about optimal simulation result Fig. 18. Motor 60kW operating point with Engine 66kW Fig. 16. The best results for each component size Fig. 19. Engine 45kW operating point with Motor 76kW Fig. 17. Engine 66kW operating point with Motor 60kW Fig. 20. Motor 76kW operating point with Engine 45kW 590
Fig. 19. Fig. 20. 은엔진용량 45kW, 모터용량 76kW, 모터구동부기어비 22 일때의동력원작동점이며연비는 12.21 km/l이다. Fig. 21. Fig. 22. 은기준엔진인 129kW에모터용량 26kW가추가된조합이다. 모터구동부기어비 26 이며연비는 11.3 km/l이다. 이는엔진을 66kW급으로다운사이징한결과와비교하였을때보다연비향상률이떨어짐을알수있다. Fig. 23. Analysis fuel economy results of simulation Fig. 21. Engine 129kW operating point with Motor 26kW Table 6. 는도출된동력원최적용량에대해기어비탐색영역을 10 28로재설정하여수행한결과이다. 기어비 10과 28에서는주행사이클의요구동력을만족하지못하였으며기어비 12에서최적연비가도출되었다. Table 7. 은 Table 6. 의결과를토대로보다정확한도출을위해기어비탐색간격을 1로설정하여도출한결과이며이때기어비 13에서최적연비가도출되었다. 이에대한결과를 Fig. 24. 를통해확인할수있다. Fig. 25. 는추가적으로더욱정확한기어비최적화를위해앞에서넓은간격탐색을통해도출된결과를바탕으로범위간격을 0.1로설정하여시뮬레이션을수행한결과이다. 최종적으로모터의최적기어비는 12.5로도출되었다. 기존디젤차량의시뮬레이션결과산출된연비는 7.79km/L이였으며, 병렬식하이브리드시스템을적용하였을때는최적연비 12.77km/L로향상되었다. 이는기존차량대비 63.93% 향상된수치이다. Fig. 22. Motor 26kW operating point Engine 129kW 본연구에서수행한시뮬레이션용량설계의최종분석결과로 Fig. 23. 에서동력원조합에대한연비변화를확인할수있다. 위과정을통하여용량설계최종결과로엔진 66kW, 모터 60kW 급이도출되었으며이에대해보다정확한모터기어비를도출하기위해추가적인기어비최적화시뮬레이션을수행하였다. Table 6. Fuel economy according to gear ratio (Interval 2) Engine size (kw) Motor size (kw) 66 60 Gear ratio Fuel economy (km/l) 10 Error 12 12.7513 14 12.7366 16 12.7197 18 12.6508 20 12.5861 22 12.5268 24 12.4279 26 12.3270 28 Error 591
한국산학기술학회논문지제 17 권제 8 호, 2016 Table 7. Fuel economy according to gear ratio (Interval 1) Engine size (kw) Motor size (kw) 66 60 Gear ratio Fuel economy (km/l) 10 Error 11 Error 12 12.7513 13 12.7536 14 12.7366 15 12.7277 16 12.7197 일반적으로내연기관차량을하이브리드화하였을경우약 30 40% 연비향상을보인다. 동일한시스템이라도차량의연비는적용하는주행사이클에따라달라진다. 승용차의공인연비를평가하기위해서는특정주행모드를적용하여보정식을통한복합연비를계산한다. 그러나현재국내에는상용차에대한연비평가기준이모호한실정이다. 본연구에서도출된 63.93% 높은연비향상률은특정주행모드인부산사이클에만국한된결과이다. 일반적인경우는보정식을통해복합연비를적용한경우에해당되며, 이번연구를통해도출된높은연비향상률은부산시내모드의특성상가감속이매우빈번히일어나는구간이많기때문에하이브리드화효과가극대화된것으로판단되었다. 3. 결론 (a) 본논문에서는중형저상버스표준모델개발과제로진행중인디젤중형저상버스차량을하이브리드화하는연구를수행하였다. 하이브리드화구조는축이독립적으로분리되어있는병렬형하이브리드시스템을선택하였으며, 용량설계과정을통해동력원의최적용량과기어비를제시하였다. 1) 기존디젤차량에서구조변화를최소화하며상대적으로적용하기쉬운구조로써, 전륜과후륜의동 (b) Fig. 24. Fuel economy according to gear ratio (a) Gear ratio interval 2 (b) Gear ratio interval 1 Fig. 25. Fuel economy according to the detailed gear ratio 력이독립되는병렬식하이브리드시스템을선택하였다. 2) 기존의디젤차량의성능과목표성능을만족하는동력원크기영역을설계하였으며설계영역내에서주행사이클을만족하는모든경우의수에대해최적화를수행하였다. 3) 동력원최적화와동시에모터단일기어비에대한최적화도동시에진행하였다. 추가적으로보다정밀한기어비도출을위해좁은간격으로시뮬레이션을수행하여기어비최적값 12.5 를도출하였다. 4) 동력원의조합을구성하기위해기준엔진과모터데이터를토크기준으로스케일링하여엔진 7가지, 모터 7가지의준정적맵을구성하였다. 5) 동력원용량설계결과로최적의조합과최적기어비에서연비 12.77km/L를도출하였으며, 기존디 592
젤차량연비 7.79km/L 대비 63.93% 의연비향상을확인하였다. 향후다양한주행모드를적용한연비비교분석과연구가필요할것으로생각된다. 후기 본연구는국토해양부교통물류연구사업으로수행중인 중형저상버스표준모델개발 ( 과제번호 13TLRP-B068837-01) 연구의일환으로작성되었습니다. References [1] D. H. Lee, N. W. Kim, J. R. Jeong, Y. I. Park, S. W. Cha, Component Sizing and Engine Optimal Operation Line Analysis for a Plug-in Hybrid Electric Transit Bus, International Journal of Automotive Technology, vol. 14, no. 3, pp. 459-469, 2013. DOI: http://dx.doi.org/10.1007/s12239-013-0050-y [2] J. R. Jeong, D. H. Lee, C. W. Shin, W. S. Lim, Y. I. Park, S. W. Cha, Analysis of Correlation of Fuel Efficiency and Cost Depending on Component Size of Heavy-duty Parallel Hybrid System, Transaction of the Korean Society of Automotive Engineers, vol. 19, no. 3, pp. 73-82, April, 2011. [3] H. J. Kim, B. J. Sung, Development of CNG Hybrid City Bus, Journal of the Korean Society of Automotive Engineers, vol. 35, no. 2, pp. 18-23, February, 2013. [4] G. S. Kim, J. S. Kim, Y. I. Park, C. B. Lee, Driving Performance Prediction for Low-floor Midsize bus Using Simulator, Journal of the Korean Society of Manufacturing Technology Engineers, vol. 24, no. 5, pp. 541-547, October, 2015. DOI: http://dx.doi.org/10.7735/ksmte.2015.24.5.541 [5] G. S. Kim, J. S. Kim, J. H. Shin, Y. I. Park, C. B. Lee, "Component Sizing of a Parallel Diesel Hybrid Medium Low Floor Bus", KSAE Annual Spring Conference, pp. 1035, March, 2016 [6] H. Y. Lee, C. B. Kang, J. S. Kim, S. W. Cha, Y. I. Park, Component Sizing for Development of Novel PHEV System, Transaction of the Korean Society of Automotive Engineers, vol. 24, no. 3, pp. 330-337, 2016. DOI: http://dx.doi.org/10.7467/ksae.2016.24.3.330 [7] G. S. Jung, D. H. Jung, Hybrid-Electric Transit Buses in the USA : Status, Issues and Benefits, Journal of the Korean Society of Automotive Engineers, vol. 33, no. 5, pp. 45-48, March, 2011. [8] R. Barnitt, K. Chandler, New York City Transit (NYCT) Hybrid (125 Order) and CNG Transit Buses Final Evaluation Results", National Renewable Energy Laboratory, November, 2006. [9] Y. R. Kim, Y. G. Lee, K. N. Choi, D. S. Jeong, Y. S. Lim, G. E. Kim, "Development of a Diesel-Hybrid Bus and Measurement of Fuel Consumption and Exhaust Gas Emission", KSAE Annual Conference Proceedings, pp. 2876-2881, November, 2011. [10] M. Ehsani, Y. Gao and A. Emadi, Modern Electric, Hybrid Electric and Fuel Cell Vehicles, Fundamentals, Theory, and Design, CRC Press, New York, pp. 45-48, pp. 130-150, pp. 292-295, 2010. [11] J. J. Choi, T. W. Choi, "Study on the Optimal Control of the Plunge Grinding for Valve Parts in Batch Production", Journal of the Korea Academia-Industrial cooperation Society, vol. 12, no. 11, pp. 4726-4731, 2011. DOI: http://dx.doi.org/10.5762/kais.2011.12.11.4726 [12] S. M. Lee, "The Optimal Harvest Scheme for Pine Trees When Carbon Value is Considered", Journal of the Korea Academia-Industrial cooperation Society, vol. 14, no. 3, pp. 1164-1170, 2013. DOI: http://dx.doi.org/10.5762/kais.2013.14.3.1164 [13] W. Liu, "Introduction to Hybrid Vehicle System Modeling and Control", WILEY Press, pp. 306-320, February, 2013. [14] D. H. Lee, J. R. Jeong, Y. I. Park, S. W. Cha, "The Component Sizing Process and Performance Analysis of Extended-Range Electric Vehicle (E-REV) Considering Required Vehicle Performance", Transactions of the Korean Society of Automotive Engineers, vol. 21, no. 2, March, 2013. DOI: http://dx.doi.org/10.7467/ksae.2013.21.2.136 김기수 (Gisu Kim) [ 정회원 ] 2015 년 2 월 : 서울과학기술대학교기계시스템디자인공학과 ( 공학학사 ) 2015 년 2 월 ~ 현재 : 서울과학기술대학교일반대학원기계설계로봇공학과 ( 공학석사 ) < 관심분야 > 하이브리드자동차시스템, 파워트레인, 차량동역학 593
한국산학기술학회논문지제 17 권제 8 호, 2016 박영일 (Yeong-il Park) [ 정회원 ] 1981년 2월 : 서울대학교대학원기계공학 ( 공학석사 ) 1991년 2월 : 서울대학교대학원기계공학 ( 공학박사 ) 1981년 3월 ~ 현재 : 서울과학기술대학교기계시스템디자인공학과교수 < 관심분야 > 하이브리드자동차시스템, 파워트레인, 차량동역학 노윤식 (Yun-Sik Ro) [ 정회원 ] 1993 년 2 월 ~ 2003 년 2 월 : 현대자동차, 상용샤시설계팀 2006 년 2 월 : 전북대학교기계공학과 ( 한국학석사 ) 2009 년 2 월 : 전북대학교기계공학 ( 박사수료 ) 2003 년 8 월 ~ 현재 : ( 재 ) 전북자동차기술원수석연구원 < 관심분야 > 자율주행자동차 정재욱 (Jae-Wook Jung) [ 정회원 ] 2004 년 2 월 : 경상대학교기계공학 ( 한국학석사 ) 2004 년 8 월 ~ 현재 : ( 재 ) 전북자동차기술원선임연구원 < 관심분야 > 신소재, 샤시내구 594