Transactions of KSAE, Vol. 16, No. 6, pp.26-32 (2008) Copyright C 2008 KSAE 1225-6382/2008/096-04 병렬형디젤하이브리드전기자동차최적화 염기태 1) 양재식 2) 배충식 *1) 김현옥 3) 한국과학기술원 1) 한국과학기술원자동차기술대학원 2) 쌍용자동차 3) Optimization of the Parallel Diesel Hybrid Vehicle Kitae Yeom 1) Jaesik Yang 2) Choongsik Bae *1) Hyunok Kim 3) 1) Department of Mechanical Engineering, Korea Advanced Institute of Science and Technology, Daejeon 305-701, Korea 2) Graduate School of Automobile Technology, Korea Advanced Institute of Science and Technology, Daejeon 305-701, Korea 3) Technical Research Center of Ssangyong Motor Company, 150-3 Chilgoi-dong, Pyeongtaek-si, Gyeonggi 459-711, Korea (Received 27 August 2007 / Accepted 18 June 2008) Abstract : This research presents a simulation for the fuel economy of parallel diesel hybrid vehicle. Diesel engines compared to gasoline engines have the advantages of higher fuel economy and lower CO 2 emission. One of the most ways to meet future fuel economy and emissions regulation is to combine diesel engine technology with a hybrid electric vehicle. The simulation of HEV is growing need for rapid analysis of the many configurations and component options. WAVE, a one-dimensional engine analysis tool, was used to a 2.7L diesel engine. ADVISOR, designed for rapid analysis of the performance and fuel economy of vehicle models, was used to conventional and hybrid electric vehicle by the use of output file from WAVE as the input engine data file for ADVISOR. A parallel diesel HEV is at least 19.7~36% higher fuel economy and improved acceleration ability compared to a conventional diesel vehicle. The energy loss of the parallel diesel HEV is 23~38% less than the conventional vehicle using regeneration. Key words : Parallel HEV(Parallel Hybrid Electric Vehicle, 병렬형하이브리드전기자동차 ), Diesel engine( 디젤엔진 ), Fuel economy( 연비 ), Control strategy( 운전전략 ) 1. 서론 1) 최근세계각국에서의환경및연비규제를달성하기위해하이브리드전기자동차 (Hybrid Electric Vehicle) 에대한연구개발이활발히이루어지고있다. 하이브리드전기자동차는두가지이상의동력원을사용하는자동차로서일반적으로동력원으로는기존의내연기관과전기모터가혼합되어사용되고있다. 1) 특히기존의내연기관중디젤엔진은가솔린엔진에비하여효율적이라연료경제성이뛰어나고이 산화탄소배출량이적은장점을가지고있다. 2,3) 이에디젤엔진을사용한하이브리드전기자동차에대한관심이높아지고있으며, 다양한차량구성요소와구동방식을빠르게분석할수있는해석을통한성능연구가많이진행되고있다. 3-5) 본연구에서는디젤하이브리드전기자동차해석을통해시스템의최적화를시도하고자하였으며기존차량과연비및가속능력을비교하여하이브리드효과가미치는영향의분석을통해, 디젤하이브리드전기자동차개발을위한기초정보를제공하고자하였다. * Corresponding author, E-mail: csbae@kaist.ac.kr 26
병렬형디젤하이브리드전기자동차최적화 2. 디젤하이브리드전기자동차의모델링디젤하이브리드전기자동차해석을위해 WAVE 와 ADVISOR(Advanced Vehicle SimulatOR) 를사용하였다. Ricardo사의 WAVE로 2.7리터디젤엔진의 1차원모델링을통한해석하였다. 이를통해얻은엔진성능및연료소비율데이터를 ADVISOR의입력데이터로사용하여기존양산의디젤자동차와디젤하이브리드전기자동차를구성하였다. AVL사의 ADVISOR는차량전체를해석할수있는소프트웨어로일반자동차, 하이브리드전기자동차, 연료전지자동차등에대한성능및연료소비의해석을빠르게할수있다. 2.1 디젤엔진모델링연구에사용된엔진은 2.7 리터디젤엔진으로제원은 Table 1에표기하였다. 최고출력은 4000 rpm에서 192 마력이며최대토크는 2000~3000 rpm 사이에서 410 Nm이다. Fig. 1은구성한엔진구성을보여준다. 엔진 1차원해석소프트웨어인 Ricardo사의 WAVE를사용하여 5기통터보차져장착의고속직접분사 (HSDI: high speed direct injection) 엔진모델을구성하였다. 구성한엔진의흡기계는에어필터, 압축기, 인터쿨러, 흡기플레넘, 흡기매니폴드등을포함하고배기계는배기매니폴드, 터빈, 산화촉매, 공명기등을포함한다. 위와같이구성된 WAVE 엔진모델로 1000 rpm부터 4400 rpm까지 200 rpm 간격으로각회전수조건에서분사시기와분사량을조절해최적의분사시기와분사량을결정하였다. 2.2 차량모델링해석에사용된차량은디젤엔진을사용하는 SUV 모델이다. 현재양산되고있는대상차량을바탕으로일반적인디젤자동차와디젤하이브리드전기자동차의두모델을구축하였으며하이브리드전기자동차의경우는구성요소를최적화시켰다. 6) 두가지차량의구성요소및간략한설명에대해서는 Table 2에표기하였다. Fig. 2 Diesel parallel hybrid vehicle block diagram Fig. 1 Engine model diagram Table 1 Engine specifications Cylinder 5 in-line cylinders Displacement 2,696 cm 3 Bore 86.2 mm Stroke 92.4 mm Compression ratio 17.5 Table 2 Summary of components specifications Model Vehicle Fuel converter Transmission Motor Energy storage Exhaust aftertreatment Control strategy Conventional diesel Parallel diesel hybrid SUV 2.7 L diesel engine 5 speed automatic PM motor 16 kw Lynx NiMH 60Ah 335 V EX_CI Fuzzy control Transactions of the Korean Society of Automotive Engineers, Vol. 16, No. 6, 2008 27
Kitae Yeom Jaesik Yang Choongsik Bae Hyunok Kim 차량은 ADVISOR에서제공되는모델을바탕으로모델링하고자하는대상차량의제원으로수정하였다. 엔진의해석결과를이용하여 2.7 리터디젤엔진을모사하였다. 변속기는현재대상차량에서사용되고있는자동 5단방식으로구성하였다. 디젤하이브리드전기자동차모델에서만사용하게되는모터와에너지저장장치는다양한도로주행해석을통해최적화시켜사용하였다. 해석결과에영향을끼칠수있는배터리충전상태 (SOC: state of charge) 에대해서는시작할때는 70% 충전으로끝날때는 65% 의충전이되도록하였으며주행중에는 70~60% 의 SOC를유지하도록하였다. 주행사이클은각나라에서운전환경에따라다양하게만들어진다. 7) 그중가장일반적으로사용하는네가지의주행사이클에서해석을수행하였다. 첫번째는 UDDS(urban dynamometer driving schedule) 사이클이다. 이주행사이클은미국 EPA (environmental protection agency) 에서만든도심사이클이다. 이사이클은 LA-4, FTP-72 등으로불리기도하며, 주로가벼운트럭이나승용차의배기성능을시험하기위해많이쓰인다. 두번째는 HWFET (highway fuel economy test) 사이클이다. HWFET의경우도미국 EPA에서 CAFE(corporate average fuel economy: 기업평균연비 ) 기준을시험하기위해만든고속도로연비주행사이클이다. 세번째는일본의 10-15 사이클이다. 이사이클은일본에서판매되는차량의주행연비를시험하기위한것으로가벼운트럭이나승용차에주로사용된다. 네번째는유럽의 NEDC(new European drive cycle) 사이클이다. 이사이클은유럽에서판매되는차량의주행연비를시험하기위한것으로가벼운트럭이나승용차에주로사용된다. 네사이클을비교해보면, UDDS 사이클의주행시간과거리가가장길며정지횟수가가장많다. 따라서회생제동효과가가장크게나타나는사이클로하이브리드화효과를가장크게확인할수있는주행사이클이다. HWFET 사이클은공회전 (Idling) 시간과정지횟수가가장적고, 일정속도를유지하는특징이있다. 10-15 사이클은평균가속과감속이많으며최대속도및평균속도는낮다. 그리고주행 시간과거리가짧으며, 공회전시간과정지횟수는짧은거리에비해많다. NEDC 사이클은최고속도가가장높지만낮은속도구간이많아평균속도는낮다. 이사이클도공회전시간과정지횟수가많다. 2.3 주행전략하이브리드차량에있어서주행전략은연비저감에중요한요소를차지한다. 본연구에서는하이브리드의주행전략은엔진이가장효율적인영역에서운전하도록하였다. 기계시스템이시간변화에따라매우비선형적이기때문에연산방식은퍼지연산의방식을사용하였다. 이러한주행전략은엔진을효율적인영역에서운전하도록하기때문에상대적으로토크가높은영역에서의운전이증가하게된다. 만든 WAVE 모델엔진의회전수와부하에따른효율특성을 Fig. 3을통해나타냈다. 적용한주행전략은상대적으로높은토크에서운전을많이하고부하평준화 (load leveling) 를통하여모터를작동시키기때문에배터리의충전상태 (state of charge, SOC) 를유지하기쉽고, 회생제동 (Regenerative braking) 의양도커서배터리를충전하기에도좋은장점이있다. Fig. 3 Fuel conversion efficiency of engine 3. 해석결과 3.1 엔진해석결과엔진해석결과중연비에가장중요한영향을주는제동비연료소비율 (BSFC: brake specific fuel consumption) map을 Fig. 4를통해표시하였고가장연료소비가적은영역은 2000~3500 rpm 사이의토 28 한국자동차공학회논문집제 16 권제 6 호, 2008
Optimization of the Parallel Diesel Hybrid Vehicle Table 4 Energy storage system (ESS) specifications ESS Number of cells Nominal voltage (V) Ah Mass (kg) Nominal energy (C/3) (Wh) NiMH 28 50 335 28 180 175 NiMH 45 25 335 45 210 598 NiMH 60 25 335 60 290 750 NiMH 90 25 335 90 418 1100 Fig. 4 BSFC results from engine model 크가높은영역임을확인할수있다. 3.2 구동계해석결과엔진해석결과를바탕으로구축한 2개의차량모델에대해해석을수행한결과연료소비량및가속성능의효과를확인할수있었다. 3.2.1 구동계최적화 최적화를위해사용한모터와배터리의제원은각각 Table 3과 4에표기하였다. 앞에서설명하였듯이 UDDS 사이클은제일주행시간과거리가길며정지횟수가제일많아회생제동효과가가장크게나타나는사이클이기때문에모터와배터리의최적화를위해 UDDS 사이클을사용하였다. 다른구성요소는모두동일한상태에서모터와배터리에대해연료소비비교를하였다. 비교결과에대해서는 Fig. 5를통해도시하였다. 비교를하는데있어큰영향을줄수있는배터리의 SOC 상태에 Table 3 Motor specifications Motor Max power (kw) Peak efficiency (%) Mass (kg) Max current (A) Min voltage (V) PM 8 8 93 14 300 30 PM 16 16 92 21 300 30 PM 25 25 90 45 270 130 PM 32 32 90 38 300 60 PM 49 49 96 60 400 60 PM 58 58 92 70 480 120 Fig. 5 Fuel consumption comparison of various motors and ESSs 대해서는처음시작점을 70% 의충전상태로맞추고, 5번의주행사이클을운전후끝점을 65% 의충전상태로맞추었다. PM8의모터를사용한경우모터의회생제동출력이낮아배터리의 SOC를유지시켜주지못하는결과를보여 NiMH28 외에는고려하지않았다. 그외의모터는배터리의 SOC를 0.65로유지시켜주는결과를보였다. 연비비교한데이터를보면 PM49 모터를사용한경우가다른모터에비해연비가가장좋은것을확인할수있다. PM49 모터는 Table 3에서보는바와같이효율적이고출력이좋기때문에하이브리드에사용하였을경우연비향상효과가다른모터에비해크게나타난다. 모터의크기가그이상이되면출력은늘어나지만무게가같이증가를하게되어차량전체의효율은떨어져연료소비가늘어나는것 Transactions of the Korean Society of Automotive Engineers, Vol. 16, No. 6, 2008 29
염기태 양재식 배충식 김현옥 을확인할수있다. 그리고모터의크기가그이하로되면무게는감소하나출력도같이감소를하기때문에차량의연료소비의향상효과가낮은것을확인할수있다. PM49를사용하는경우, 연비향상효과는 NiMH60에서가장크게나타나는것을확인할수가있다. 이는 NiMH60 배터리의무게와용량이 PM49 가충전을하고출력으로힘을사용하기에가장적당한것임을알수있다. Table 4를보면알수있듯이 NiMH60 이상의용량을가진배터리는용량이커지며같이무게도증가한다. 이의영향으로오히려연비가나빠지는것을확인할수있다. 또한무게가감소되면용량도감소하여모터가충전과출력을하기에용량이작아 SOC를유지하기가힘들어지고오히려연비가악화된다. 위와같은최적화과정을통해모터는 PM49를배터리는 NiMH60을선정하였다. 3.2.2 엔진운전변수최적화 Fig. 4에나타난바와같이하이브리드엔진의경우운전영역이 1000~2000 rpm에서이뤄지고있다. 따라서 1000~2000 rpm 영역에서터보과급과고압분사의사용을최적화하여출력과연비를향상하고자하였다. 성능개선된엔진은 1차원엔진유동해석프로그램의해석을통하여 BSFC 와배기배출물결과를얻었다. BSFC는 Fig. 6에도시하였다. Fig. 4에도시한기존디젤엔진의 BSFC와 Fig. 6 에도시한개선된디젤엔진의 BSFC 을비교해보면, 1000~2000 rpm 고부하영역에서연비향상효과가 있는것을확인할수있다. 그리고그영역에서토크의향상효과도확인할수있다. 3.2.3 엔진작동영역가장효율적인구간에서엔진이운전될수있도록주행전략을세웠으므로그영향을보기위해작동영역을 Fig. 7과 8을통해도시하였다. Fig. 7의일반적인디젤엔진작동영역에비하여 Fig. 8의하이브리드디젤엔진의경우약 2000rpm 이하에서만운전되고그이상의영역에서는모터의도움으로엔진이운전되지않는것을확인할수있다. 그리고하이브리드의경우, 엔진이효율적으로 Fig. 7 Conventional diesel vehicle engine operation Fig. 6 BSFC map of improved diesel engine Fig. 8 Hybrid electric vehicle engine operation 30 한국자동차공학회논문집제 16 권제 6 호, 2008
병렬형디젤하이브리드전기자동차최적화 작동하기위해토크영역이높은곳에서주로운전되는것을확인할수있다. Fig. 7과 8을비교하면감속구간을나타내는토크가음수인영역을기존구동계에서는확인할수있지만하이브리드구동계에서는회생제동을하기때문에이와같은영역이존재하지않음을확인할수있다. 엔진운전영역과함께 Fig. 6의연료소비율결과를살펴보면하이브리드의경우에운전회전수가낮고토크가높은영역에서작동하는하이브리드의경우에는연료소비가적은영역에서주로운전되고있음을알수있다. 3.2.4 연료소비량기존구동계와디젤하이브리드구동계의연료소비량을 Fig. 9를통해나타냈다. 총 4가지주행사이클에모사한결과로단위환산결과도같이나타냈다. 기존모델의표준연비인 10.4 km/l로총 4가지주행해석결과의평균인 9.85 km/l과비교했을때, 약 5.3% 의오차를보여해석결과가비슷한값을보임을알수있다. 이를바탕으로다른모든주행사이클에서연비비교를해보면, 구동계의하이브리드화에따라최대 36% 에서최소 19% 의연비향상효과가있음을확인하였다. 이는엔진작동영역으로도확인하였지만, 하이브리드의경우에는엔진이더효율적이고연료소비도적은영역에서운전을하기때문으로설명할수있다. 또한잦은정지와출발이존재하는도심주 행의경우에는회생제동을통한에너지저장도연비향상에큰효과를주는것으로설명할수있다. 3.2.5 가속성능 총 3가지의가속성능을평가하였으며최고속도를해석하였다. 그결과는 Table 5에표기하였다. Table 5를통해보면, 하이브리드전기자동차로구성을하였을때가속성능및최고속도가향상되는것을확인할수있다. 이는모터가엔진과함께부하를발생시킴으로써출력이증가하기때문이다. Table 5 Acceleration performance simulation results Mph Km/h Conventional diesel Parallel diesel hybrid 0-60 0-96.6 10.8 sec 9.6 sec 40-60 64.3-96.6 4.8 sec 4.4 sec 0-85 0-136.8 19.6 sec 17.8 sec Max speed 192.3 km/h 197.1 km/h 3.2.6 회생제동 기존구동계에비하여구동계의하이브리드화를할경우회생제동에너지를통하여에너지의손실을막을수있다. 모터에서발생한회생제동에너지를에너지저장장치에저장하고저장된에너지로모터를구동하여연비향상에효과를주는것이다. Fig. 10을통해회생제동발생을확인할수있다. 모터토크가 0 이하인영역이회생제동이발생한영역으로회생제동이많은곳에서발생하였음을확인하였다. 이러한회생제동의효과로하이브리드구동계가기존구동계에비하여에너지손실이더적 Fig. 9 Fuel economy results Fig. 10 Regeneration torque of hybrid model Transactions of the Korean Society of Automotive Engineers, Vol. 16, No. 6, 2008 31
Kitae Yeom Jaesik Yang Choongsik Bae Hyunok Kim 후 기 본연구는미래형자동차기술개발사업단의연구비지원에의해수행된결과입니다. References Fig. 11 Improvement of fuel usage 으며에너지사용에있어향상된효과를 Fig. 9에나타냈다. Fig. 11을통해하이브리드구동계는기존구동계에비해에너지손실이최소 23% 에서최대 38% 까지적은것을알수있다. 4. 결론 2.7L 디젤엔진으로구성한기존의구동계와하이브리드구동계를 WAVE와 ADVISOR를사용하여모사하였다. 연구를통해다음과같은결론을얻었다. 1) WAVE 해석결과가장연료소비가적은영역은 2000~3500rpm 사이의토크가높은영역임을확인할수있었으며, 주행전략을통해이영역에서연료소비를줄일수있을것으로분석되었다. 2) 엔진의운전영역을살펴보았을때, 가장효율적인영역에서엔진이운전되고있음을볼수있었다. 이를통해연비향상효과가나타나고, 회생제동의효과가연비측면에서크게나타나는것을확인할수있었다. 3) ADVISOR로해석결과디젤하이브리드구동계로구성하였을경우연비에있어서 19~36% 의향상효과가있는것으로나타났다. 4) 하이브리드화를통하여모터의출력을추가로사용할수있어차량의가속성능및최고속도가향상되는것으로나타났다. 5) 하이브리드화를할경우회생제동의효과로에너지손실이기존구동계에비해 23~38% 적은것으로나타났다. 1) J. Park, S. Park and H. Kim, Development of Parallel Type Diesel Based Mild Hybrid Electric Vehicle, Fall Conference Proceedings, Vol.2, KSAE, pp.1408-1412, 2005. 2) I. J. Albert, E. Kahrimanovic and A. Emadi, Diesel Sport Utility Vehicles With Hybrid Electric Drive Trains, IEEE Transactions of Vehicular Technology, Vol.53, No.4, pp.1247-1256, 2004. 3) S. B. Inman, D. C. Haworth and M. El-Gindy, Integration of WAVE and ADVISOR Simulations for Optimization of a Hybrid Electric Sport Utility Vehicle, SAE 2002-01-2856, 2002. 4) B. Klebak, S.Inman and R. Noss, Design and Development of the 2002 Penn State University Parallel Hybrid Electric Explorer, the Wattmuncher, SAE 2003-01-1258, 2003. 5) R. F. Rowe, J. A. Topinka, E. K. Brodsky, J. G. Marshaus and G. R. Bower, Design and Optimization of the University of Wisconsin s Parallel Hybrid-Electric Sport Utility Vehicle, SAE 2002-01-1211, 2002. 6) M. Zeraoulia, M. E. H. Benbouzid and D. Diallo, Electric Motor Drive Selection Issues for HEV Propulsion Systems: A Comparative Study, IEEE Transactions of Vehicular Technology, Vol.55, No.6, pp.1756-1764, 2006. 7) M. Montazeri-Gh and M. Naghizadeh, Development of Car Drive Cycle for Simulation of Emissions and Fuel Economy, 15th European Simulation Symposium Proceedings, 2003. 32 한국자동차공학회논문집제 16 권제 6 호, 2008