변속기 및 모터 손실을 고려한 TMED Type DCT PHEV의 CS 모드 주행 시 변속맵 개발

1. 서 론

PHEV(Plug-in hybrid electric vehicle)는 점차 강화되는 CO₂ 배출기준과 연비기준을 충족시킬 수 있고, 전기자동차의 단점으로 지적되는 충전 인프라와 짧은 주행거리를 극복할 수 있어 경쟁력 있는 친환경차로 기대되고 있다. PHEV는 구조에 따라 여러가지 운전 모드를 구현 할 수 있고,^1,2) 각 동력원들이 어떤 운전점에서 운전하는지에 따라 연비성능이 결정된다.³⁾ PHEV는 동력 분기형, 직렬형, 병렬형 방식 등으로 나뉘어진다. 동력 분기 방식은 Toyota Prius가 대표적으로 엔진의 동력이 기계 경로와 전기 경로로 분기되어 차량을 구동한다. 직렬형 방식은 엔진은 차량과 단절되어 발전만 수행하고 발전된 동력은 구동 모터로 전달되어 차량을 구동한다. 병렬형 구조는 엔진과 모터사이에 클러치가 있어 클러치가 접합되면 엔진과 모터가 함께 차량을 구동한다. TMED(Transmission mounted electric device) 방식은 모터가 변속기에 장착되어 있는 병렬형 구조로 현대자동차의 아이오닉이 이 방식을 채택하고 있으며, 이 방식에서는 변속을 언제 수행하는지에 따라 엔진과 모터의 운전이 영향을 받고 차량 연비에 차이가 발생할 수 있다.⁴⁾

이 연구에서는 TMED type DCT(Dual clutch transmission) PHEV에 대하여 변속기 및 모터의 손실을 고려한 새로운 변속맵을 도출하고 기존의 엔진 OOL(Optimal operation line) 변속 제어와 비교하였다.

2. TMED type DCT PHEV 모델링 및 시뮬레이터 개발

2.1 연구 대상 차량 구조 및 제원

Fig. 1은 연구 대상 차량인 TMED type DCT PHEV의 구조이다. 연구 대상 PHEV의 파워트레인은 엔진, 클러치, 모터, 배터리, DCT로 구성되어 있다. 클러치의 해제 및 접합 여부에 따라 모터만으로 차량을 구동하는 EV 모드와 엔진과 모터가 함께 차량의 요구 구동력을 만족시키는 HEV 모드를 구현 할 수 있다.

Fig. 1

Structure of TMED type DCT PHEV

Table 1에 연구 대상 PHEV의 제원이 나와있다. 연구 대상 PHEV는 65 kW급 1000 cc 디젤 엔진과 최대 파워 60 kW와 토크 360 Nm을 가지는 PMSM 모터를 사용하고, 6단 DCT를 사용하는 소형 승용차 차급이다.

Table 1

Specification of target PHEV

2.2 PHEV 모델링

엔진: 엔진 모델은 엔진 특성 맵을 이용하여 요구가속 페달량에 따라 토크량을 결정하도록 하였다. 엔진의 토크 응답 특성은 아래의 식과 같이 1차 시스템으로 나타내었다.

$\[ T_{eng}=\frac{1}{{\tau }_{eng}s+1}\cdot f\left({\omega }_{eng}\right) \]$

(1)

Fig. 2는 이 연구에 사용된 엔진의 BSFC(Brake specific fuel consumption) 및 특성맵이다.

Fig. 2

BSFC and characteristic map of the engine

엔진 클러치: 엔진 클러치는 HEV모드 시 접합해 엔진 토크를 전달한다. 엔진 클러치 전달 토크는 아래와 같이 구하였다.⁵⁾

$\[ T_c=Z\times \mu \times F\times R_{eff} \]$

(2)

모터/제너레이터(MG): 모터/제너레이터는 차량 구동 시에는 전동기 역할을 하고, 회생제동 시에는 회수된 에너지를 배터리에 저장하는 역할을 한다. 모터/제너레이터의 파워는 다음과 같이 나타낼 수 있다.

$\[ \begin{array}{cc}P=\frac{T_{MG}\times {\omega }_{MG}}{{\eta }_{MG}}& \left(motoring\right)\end{array} \]$

(3)

$\[ \begin{array}{cc}P=T_{MG}\times {\omega }_{MG}\times {\eta }_{MG}& \left(generating\right)\end{array} \]$

(4)

Fig. 3은 이 연구에 사용된 MG의 특성 및 효율맵이다.

Fig. 3

Characteristic and efficiency map of MG

배터리: 배터리는 모터/제너레이터의 파워에 따라 충전되고, 방전된다. 배터리 SOC는 전류적분법을 이용하여 아래와 같이 모델링하였다.

$\[ SOC={SOC}_{init}-\frac{1}{C_{bat}}{\int }_{t_{init}}^t\frac{P_{bat}}{V_{bat}}dt \]$

(5)

DCT: DCT는 듀얼 클러치와 기어박스로 구성되어 있다. 듀얼 클러치는 클러치 압력 제어에 의해 접합과 해제가 이루어지고 토크를 전달한다.⁶⁾ 기어박스는 체결된 단수에서의 속도와 토크를 기어 비에 따라 결정한다. Fig. 4는 6속 DCT 모델의 구조도⁷⁾이다. Input shaft1은 Clutch1과 1단, 3단, 5단 기어와 연결되어 있고, Input shaft2는 Clutch2와 2단, 4단, 6단 기어와 연결되어 있다.

Fig. 4

Schematic diagram of 6-speed DCT model7)

변속 동역학은 1차 시스템으로 간단히 모델링하였다.⁸⁾

제어기: 제어기에서는 SOC와 차속 등을 이용해 차량의 주행 모드를 결정하고, 드라이버 모델을 통해 주행 사이클을 따라가도록 AP(Acceleration pedal)과 BP(Brake pedal) 크기를 결정한다. 이 AP와 BP 신호에 대해 주행 모드에 따라 엔진과 모터의 요구 토크량을 계산한다. 또한, SOC 밸런싱을 위해 SOC가 낮은 경우 요구 토크를 증가시키도록 제어한다.

2.3 PHEV 시뮬레이터

MATLAB/simulink을 이용하여 연구대상 PHEV의 성능 평가 시뮬레이터를 구축하였다. 시뮬레이터는 주요 부품 모델을 기반으로 제어기, 엔진, 엔진 클러치, 모터, 변속기, 배터리, 차량으로 구성되어 있으며 각 부품 모델은 Table 1의 제원을 사용하였다. Fig. 5는 개발된 TMED type DCT PHEV의 시뮬레이터이다.

Fig. 5

Simulator of target PHEV using MATLAB/simulink

3. 변속기 및 모터 손실을 고려한 변속맵 도출

일반적인 DCT 차량의 변속 제어는 엔진을 가장 효율이 높은 지점인 OOL에서 운전시키기 위해 OOL 변속 제어를 사용한다. 하지만 OOL 변속 제어 알고리즘은 엔진의 효율만 고려되고 변속기 손실이나 모터 효율 등을 반영하지 못하기 때문에 엔진과 모터-변속기 전체의 효율이 가장 높은 점에서 운전되는 것을 보장할 수 없다. 따라서 변속기 손실과 모터의 효율까지 고려하여 파워트레인 효율을 정의하고 이를 고려한 변속맵을 도출하여 연구대상 PHEV의 연비를 향상시키고자 하였다.

3.1 주행 상황에 따른 파워트레인 효율

엔진과 모터-변속기를 포함한 파워트레인 효율을 구하기 위해 변속기 손실과 모터 효율을 고려하였다. DCT의 변속기 손실은 각 변속단에서 DCT 입력 속도와 토크에 대한 토크 손실 맵으로 구하였다(Fig. 6). DCT 토크 손실 맵은 상용 소프트웨어 Autonomie의 데이터⁹⁾를 참조하였다.

Fig. 6

DCT torque loss map (Autonomie9))

모터 손실은 모터 Fig. 3의 모터 특성 곡선의 효율맵을 이용하여 각 운전점에 따른 효율에서 손실을 구하였다.

연구 대상 PHEV는 엔진과 모터가 함께 차량의 구동파워를 만족시켜야 한다. 따라서 차량 파워트레인 효율은 모터의 구동이나 발전 여부에 따라 다르게 적용되어야 한다. 모터가 구동하는 경우 모터파워와 엔진 파워가 입력이 되고, 휠 파워가 출력이 되어 파워트레인 효율이 결정된다. 반면 모터가 발전하는 경우 엔진 파워가 모터를 발전시키고 차량을 구동하기도 하기 때문에 엔진 파워가 입력이 되고, 모터 발전 파워와 휠 파워의 합이 출력이 된다. 따라서 파워트레인 효율을 아래와 같이 정의하였다.

$\[ \begin{array}{cc}\eta =\frac{P_{whl}}{P_{eng}+P_{MG}}& \left(motoring\right)\end{array} \]$

(6)

$\[ \begin{array}{cc}\eta =\frac{P_{MG}+P_{whl}}{P_{eng}}& \left(generating\right)\end{array} \]$

(7)

이때 엔진파워는 연료의 입력파워를 사용하였다. 식 (6), (7)을 이용하여 변속단 별로 모든 휠 요구 토크와 차속에 대하여 파워트레인 효율을 계산하였다.

Fig. 7은 변속단 별 파워트레인 효율을 도출하기 위한 플로우 차트이다. 먼저 하나의 변속단과 요구휠 토크, 차속 입력에 대하여 해당 운전점에서 변속기와 모터의 손실을 고려하여 파워트레인 효율을 계산하고, 다시 휠 토크와 차속을 1간격으로 증가시키며 이 과정을 반복한다. 이렇게 각 변속단 별로 파워트레인 효율맵을 도출한다.

Fig. 7

Flow chart of obtaining powertrain efficiencies

3.2 파워트레인 효율 기반 변속맵 도출

Fig. 8은 위에서 도출한 변속단 별 파워트레인 효율 맵을 이용하여 운전 상황에 따라 가장 효율이 높은 변속단을 선택하는 변속맵이다.

Fig. 8

Shift map based on powertrain efficiency

Fig. 9는 도출된 새로운 변속맵을 적용한 경우와 기존 OOL 변속 제어를 적용한 경우 FTP72 사이클에서의 시뮬레이션 결과를 비교한 것이다.

Fig. 9

Comparison of vehicle response for FTP72 cycle

두 경우 모두 주행 사이클(a)은 잘 추종한다. DCT의 기어단(b)은 거의 유사하지만 OOL 변속 제어의 경우 t=370~400sec에서 6단 변속이 이루어지지만 새로운 변속맵의 경우 5단으로 주행하는 것을 볼 수 있다.

Fig. 10은 Fig. 11의 t=160~340sec 구간을 확대한 것이다. DCT 기어단(b)은 새로운 변속맵에 의해 가속 시에는 업시프트(Upshift)가 먼저 이루어지고 감속 시에는 다운시프트(Downshift)가 늦게 이루어지는 것을 볼 수 있다.

Fig. 10

Results for 160~340 sec

t=180~210sec에서 새로운 변속맵에 의한 배터리 SOC가 OOL 변속 제어에 비해 감소하는 것을 볼 수 있다. 이것은 새로운 변속맵에 의한 변속단이 파워트레인 전체 효율 관점에서 6단으로 먼저 업시프트되기 때문에 구동토크가 작아지고 따라서 부족한 구동력을 보충하기 위해 모터가 작동하고 배터리 SOC가 소모되기 때문이다.

Table 2는 FTP72 사이클에서 연비를 비교한 것이다. Fig. 9 ~ Fig. 10과 Table 2의 결과에서 볼 수 있듯이 새로운 변속맵에 의해 DCT의 시프트시점이나 배터리 SOC 거동이 달라지지만 엔진-변속기-모터 전체 파워트레인 효율이 높은 곳에서 운전되기 때문에 등가 연비는 향상된다.

Table 2

Results of new shift map for FTP72 cycle

새로운 변속맵 적용 시 연료 소모량이 0.388 L에서 0.360 L로 감소하고, SOC 변화량은 +0.001에서 +0.000로 유사한 수준을 보였다. 연료 소모량과 SOC 변화량을 동등 수준으로 비교하기 위해서 다음과 같은 등가 연비¹⁰⁾식을 적용하였다.

$\[ {FE}_{eq}=\frac{D}{\frac{\left(SO{C}_{initial}-SO{C}_{final}\right)\times Q}{E_g}+\frac{m_{fuel}}{{\rho }_{fuel}}} \]$

(8)

위 식은 전기 에너지를 가솔린 등가 에너지로 환산하는 식으로 E_g = 3.251kWh/l 이다. 이 식을 이용해 등가 연비가 31.0 km/L에서 33.4 km/L로 약 7.7 % 향상됨을 확인하였다.

4. 결 론

TMED type DCT PHEV의 변속기와 모터 효율을 고려한 새로운 변속맵을 도출하였다. 이를 위해 연구대상 PHEV의 파워트레인 모델을 구하고 성능 시뮬레이터를 개발하였다. 휠 토크와 차량 속도에 대하여 변속기와 모터 손실을 고려한 엔진-변속기-모터 전체의 파워트레인 효율을 구하고 주어진 운전조건에서 가장 높은 효율을 얻을 수 있는 변속단을 선정하여 새로운 변속맵을 도출하였다. 새로운 변속맵을 적용한 경우 기존 엔진 OOL 변속 제어에 비해 FTP72 주행 사이클에서 7.7 %의 등가 연비 향상을 얻을 수 있다.

Acknowledgments

본 연구는 산업통상자원부 산업융합원천기술 개발사업 “1리터카급 디젤 하이브리드 원천기술 개발(10047586)”과제의 지원으로 수행되었음.

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