오일펌프 동력 손실이 반영된 후 방향 해석을 통한 마일드 하이브리드 차량의 연비 특성 분석

1. 서 론

최근 변속기 효율 증대를 위해 정차 시 엔진을 끄는 기능인 아이들 스탑 엔 고(ISG)기능이 하이브리드 차량에 적용되고 있다. 이 기능은 공회전으로 낭비되는 연료를 줄여 연비 향상에 도움이 된다. 하지만 정차 시 기계식 오일펌프 또한 정지되어 유량 공급이 중단된다. 이 때문에 발진 시 필요한 유량을 전기식 오일펌프를 통해 공급받게 되며 동력 손실이 발생한다. 이러한 동력 손실은 연비에 영향을 미치게 된다.^1,2) 따라서 오일펌프의 동력 손실을 연비 해석 시 반드시 고려돼야 한다. 하지만 설계 단계에서 오일펌프에 의한 영향을 알기 어렵고, 용량 또한 선정되지 않은 경우가 많이 때문에 후 방향 시뮬레이션을 활용하여 오일펌프의 동력 손실 및 용량 선정을 우선적으로 진행해야 한다.³⁾

본 연구에서는 기존 후방향 시뮬레이션에 반영되지 않았던 오일펌프의 손실을 반영하였다. 이를 위해 가상의 마일드 하이브리드 차량을 모델링하고, 유압 라인을 가정하여 연구를 진행하였다. 후 방향 시뮬레이션에 반영한 오일펌프는 기계식 오일펌프와 전기식 오일펌프로 구성하였다.

전기식 오일펌프는 동력원이 모터인 펌프이며 Fig. 1과 같이 구성되어 엔진, 그리고 기계식 오일펌프와 독립적으로 작동할 수 있도록 구성하였다. 이러한 전기식 오일펌프는 기계식 오일펌프에서 공급하는 유량이 부족할 때 보충해주는 역할을 한다. 유량이 부족한 경우로는 엔진 회전 속도가 낮은 구간인 아이들 스탑 엔 고 구간, 저속 주행, 감속 구간과 냉각 유량 및 유압 시스템 작동이 필요한 변속 구간 등으로 구분할 수 있다.⁴⁾ 본 연구에서는 이러한 구간들 중 아이들 스탑 엔 고 구간에 집중하여 전기식 오일펌프의 사용으로 인한 연비 저감 효과를 반영하였으며, 엔진과 기계적으로 연결되어 지속적인 부하를 발생시키는 기계식 오일펌프의 연비 저감 효과 또한 반영하였다.

Fig. 1

Oil pressure system

2. 연구 대상 시스템의 성능 모델링

본 연구에서는 마일드 하이브리드 차량의 오일펌프의 작동으로 인한 동력 손실을 후 방향 시뮬레이션에 적용하기 위하여 마일드 하이브리드 차량과 오일펌프 시스템을 모델링 하였다.

2.1 하이브리드 차량 성능 모델링

연구 대상인 마일드 하이브리드 차량은 엔진과 변속기 사이에 모터를 장착한 차량으로 후 방향 시뮬레이션 검증을 위해 가상으로 모델링된 차량이다. 파워트레인 이외의 시스템으로 엔진과 기계적으로 연결되어 토크 손실을 발생시키는 기계식 오일펌프(MOP)와 배터리와 연결되어 동력 손실을 발생시키는 전기식 오일펌프를 Fig. 2와 같이 도식화 할 수 있다. 이러한 하이브리드 차량 시스템을 식 (1)~(3)과 같이 표현할 수 있다.

$\[ I_v\dot{w_v}=\left(T_e+T_m{r}_m-T_{mop}-\frac{P_B}{w_e}\right)r_{tm}{r}_f-T_o \]$

(1)

$\[ w_v=w_e/\left(r_{tm}{r}_f\right) \text{or} w_m/\left(r_m{r}_{tm}{r}_f\right) \]$

(2)

$\[ P_B=\frac{P_{Eop}}{{\eta }_M{\eta }_B{\eta }_T} \]$

(3)

Fig. 2

Mild hybrid vehicle modeling

2.3 오일펌프 성능 모델링

전기식 오일펌프에 의해 소모되는 모터의 동력은 식 (4)와 같이 정의할 수 있다.⁵⁾

$\[ P_{Eop}=\frac{p_{Eop de} Q_{Eop}}{{\eta }_{Eop/m}} \]$

(4)

전기식 오일펌프 요구 압력(p_{Eop de})은 기계식 오일펌프에서 토출된 유량(Q_Mop)으로 형성된 압력과 요구 메인 압력과의 차이로 정의하였다. 기계식 오일펌프에 의해 형성된 압력은 Fig. 3과 같이 AT 최저 유압 형성 라인을 참고하였다.⁵⁾ 전기식 오일펌프의 토출 유량(Q_Eop )은 전기식 오일펌프의 회전 속도에 대한 유량으로 정의하였다. 이 밖에도 회전 속도에 대한 전기식 오일펌프의 기계 효율(η_Eop/m)을 반영하여 전기식 오일펌프를 통한 손실 동력(P_Eop )를 구하였다. 식 (4)를 통해 구한 오일펌프의 손실 동력을 이용하여 식 (5)와 같이 엔진에서 발전기(Generator)로의 에너지 전달 효율(η_E/M)과 발전기에서 배터리로의 에너지 전달 효율(η_C/E)을 반영하여 엔진의 전기식 오일펌프에 의한 손실 동력(P_Eop/Eg)을 구하였다.

$\[ P_{Eop/Eg}=\frac{P_{Eop}}{{\eta }_{E/M} {\eta }_{C/E} {\eta }_{Eop/m}} \]$

(5)

Fig. 3

Minimum pressure line

식 (5)에서 구한 엔진의 전기식 오일펌프에 의한 손실 동력은 식 (6)과 엔진의 기계 효율인(η_m)을 통해 엔진의 토크 손실로 나타낼 수 있다.

$\[ T_{Eop loss}=\frac{P_{Eop/Eg}}{{\omega }_e{\eta }_m} \]$

(6)

기계식 오일펌프에 의한 엔진의 토크 손실(T_{Mop loss})은 전기 에너지로의 변환 과정 없이 기계적 동력 손실을 통해 구할 수 있으며 식 (4)~(6)의 과정과 기계식 오일펌프의 기계 효율(η_MOP/m)을 고려하여 식 (7)으로 나타낼 수 있다.

$\[ T_{Mop loss}=\frac{p_{Mop de }{Q}_{Mop}}{{\omega }_e{\eta }_{Mop/m}{\eta }_m} \]$

(7)

3. 후방향 시뮬레이션

3.1 동적 계획법

동적 계획법은 글로벌 최적화 기법중의 하나로 주행 사이클을 만족하도록 주행하며, 목적으로 하는 값인 연비, SOC 등을 최적화하여 제어하는 기법이다.^6,7) 동적 계획법의 진행은 식 (8)과 Fig. 4와 같이 표현할 수 있으며 각 경로에서의 목적함수 값에 대해 최적이 되는 경로를 도출할 수 있다. 이 같은 제어 기법이 활용된 후 방향 시뮬레이션은 항상 최적의 경로를 통해 차량이 주행하므로 시뮬레이션 결과는 이상적인 결과를 도출한다.

$\[ J_{kN}^{*}\left(x\left(k\right)\right)=\min \left[J_{k,k+1}\left(x\left(k\right),u\left(k\right)\right)+J_{k+1,N}^{*}\left(x\left(k+1\right)\right)\right] \]$

(8)

Fig. 4

Structure of dynamic programming

4. 시뮬레이션 결과

본 연구에서는 오일펌프를 통한 손실이 반영되지 않은 시뮬레이션 결과와 오일펌프 손실을 고려한 시뮬레이션 결과를 비교 분석 하였다. 시뮬레이션은 3가지 차량 모델로 나누어 진행하였다. 첫 번째 모델은 비교 대상 모델로 아이들 스탑 엔 고 기능이 있지만 오일펌프의 손실을 고려하지 않은 모델이다. 두 번째 모델은 아이들 스탑 엔 고 기능과 기계식 오일펌프 손실을 고려한 모델이다. 세 번째모델은 기계식 오일펌프 손실과 발진 영역에서의 전기적 오일펌프 손실을 반영한 모델이다.

시뮬레이션은 주행 사이클 FTP 75와 NEDC로 진행하였으며, 엔진 작동 점 및 모터 작동 점의 변화와 연비 가감 정도를 분석하였다.

4.1 비교 대상 모델 (Only ISG)

비교 대상 모델은 오일펌프에 의한 손실을 적용하지 않은 마일드 하이브리드 차량이다. Fig. 5의 그래프는 주행 사이클(FTP75, NEDC)를 주행한 차량의 후 방향 시뮬레이션 결과이다. 일반적인 후 방향 시뮬레이션 결과와 동일하게 연비 최적 점에서 주행하기 위해 고단 기어에서 주행을 많이 하며, 감속 구간에서는 회생 제동을 하여 연비를 상승시키는 경향을 볼 수 있다. 또한 일반적인 주행 부하인 공기 저항, 가속 저항, 구름 저항 이외의 저항은 반영되지 않아 엔진 작동점이 저 속 저 토크 영역에 집중되어 있는 것을 알 수 있다.

Fig. 5

Backward simulation results - original model

후 방향 시뮬레이션 연비 결과는 FTP75를 주행하였을 때, 17.2487 km/l이며, NEDC를 주행하였을 때는 17.237 km/l이다. 가감속이 많은 FTP75 보다 NEDC에서 연비가 낮게 나온 이유는 Fig. 6의 엔진 작동 점 비교를 통해 알 수 있다. FTP75의 경우 가감속이 많지만 요구 차량 속도와 요구 구동력이 높기 때문에 엔진이 효율이 높은 영역에서 작동한 것을 알 수 있다. 반면에 NEDC의 경우 가감속이 적지만 저단 기어 주행을 많이 하는 저속 구간이 많이 존재하여 FTP75보다 상대적으로 효율이 낮은 영역에서 엔진이 작동한 것을 알 수 있다. 따라서 FTP75보다 엔진 작동점이 전반적으로 저속 저 토크 구간에 머물게 되어, 연비가 낮은 결과를 얻었다.

Fig. 6

Backward simulation results - original model engine & motor operation point

4.2 기계식 오일펌프 적용 모델 (ISG+MOP)

기계식 오일펌프는 엔진이 구동하는 동안 지속적으로 부하로 작용하게 된다. 따라서 비교 모델의 결과 보다 적용되는 부하가 더 많이 작용한다. Fig. 7은 주행 사이클(FTP75, NEDC)를 주행한 후 방향 시뮬레이션 결과로 기계적 오일펌프의 동력 손실이 반영되어 있다. 첫 번째 그래프(FTP75-토크 그래프)에서 나와 있는 기계적 오일펌프 손실은 엔진이 작동되는 영역에서 지속 적으로 영향을 미치고 있으며, 감속 구간에서는 연료 소모를 하지 않기 때문에 부하로 작용하지 않는 것을 알 수 있다.

Fig. 7

Backward simulation results - MOP model

Fig. 8의 NEDC 주행 결과에서 엔진 작동점이 오일펌프 손실을 고려하지 않은 결과(Fig. 8-엔진 작동점 그래프)에 비해 엔진 작동점이 고 토크 영역으로 올라 간 것을 확인 할 수 있다. 반면에 모터의 작동 점은 저 토크 영역으로 낮아진 것을 알 수 있다. 이러한 결과를 통해 기계식 오일펌프 손실로 부하가 증가하게 되어 모터의 작동 횟수가 줄고 엔진의 작동 횟수가 증가한 것을 알 수 있다.

Fig. 8

Backward simulation results - MOP model engine & motor operation point

기계식 오일펌프를 적용한 모델이 주행 사이클 FTP75와 NEDC를 주행하며 나온 연비는 각각 15.981km/l, 15.9968km/l이다. 비교 대상 차량과 다르게 NEDC에서 연비가 높게 나온 이유는 부하가 적은 주행 사이클에 기계식 오일펌프 부하가 반영되어 엔진이 상대적으로 효율이 좋은 영역에서 작동했기 때문이다. 기계식 오일펌프에 의한 소모에너지는 Table 1를 통해 확인할 수 있다.

Table 1

Backward simulation results - MOP model energy loss

4.3 기계식 & 전기식 오일펌프 적용 모델 (ISG+MOP+EOP)

전기식 오일펌프는 발진 시 부족한 유량을 보조하기 위해 사용하기 때문에 기계식 오일펌프 부하와 다르게 아이들 스탑 엔 고 구간에만 작동하도록 구성하였다. Fig. 9를 통해 발진 시 전기식 오일펌프가 작동하는 것을 확인할 수 있으며, 기계식 오일펌프의 손실에 비해 사용 빈도가 낮아, 연비에 미치는 영향이 미미한 것을 알 수 있다. 하지만 이는 적절한 용량의 전기식 오일펌프가 적용되어 있지 않기 때문이며, 용량 매칭을 통해 추가적으로 보완될 수 있다.

Fig. 9

Backward simulation results - combination model

기계식 오일펌프와 전기식 오일펌프를 적용한 모델이 주행 사이클(FTP75, NEDC)를 주행하여 얻은 연비는 15.9363km/l, 15.9479km/l이다. 기계식과 전기식 오일펌프 손실이 고려된 모델에서도 NEDC의 연비가 더 높게 나왔으며, 이는 앞선 결과와 마찬가지로 엔진이 오일펌프의 부하로 인해 엔진이 상대적으로 효율이 좋은 저속 고 토크 영역에서 작동했기 때문이다. 기계식 오일펌프와 전기식 오일펌프에 의한 소모에너지는 Table 2를 통해 확인 할 수 있다.

Fig. 10

Backward simulation results - combination model engine & motor operation point

Table 2

Backward simulation results - MOP& EOP model energy loss

5. 결 론

오일펌프의 동력 손실을 고려하지 않은 마일드 하이브리드 차량(Only ISG)의 경우 일반적인 후 방향 시뮬레이션 결과와 마찬가지로 엔진의 작동 점이 효율이 높은 영역으로 이동하는 경향을 확인 할 수 있다. 기계식 오일펌프의 동력손실을 반영한 모델(ISG+MOP)과 기계식 오일펌프, 전기식 오일펌프의 동력손실을 반영한 모델(ISG+MOP+ EOP)은 적용하지 않은 차량에 비해 연비 감소율이 약 7 %로 나타났다(Table 3). 또한 오일펌프의 동력 손실은 엔진과 직결된 기계식 오일펌프의 동력 손실이 대부분을 차지하였으며, 이후 오일펌프 용량 설계 시 활용될 것으로 기대 된다.

Table 3

Backward simulation result - fuel economy

이후 연구에서는 현재 고려되지 않은 오일펌프의 용량 최적화에 관하여 연구할 것이며, 오일펌프의 용량 매칭을 통해 하이브리드 차량에 맞는 용량을 제시할 것이다. 더 나아가 변속 시 발생하는 열을 식히기 위한 냉각 유량을 생성할 때, 발생하는 동력 손실을 반영할 것이다. 이러한 연구 결과는 오일펌프 용량 선정과 냉각 시스템 제어에도 활용될 것으로 기대된다.

• 1) 연구 대상 마일드 하이브리드 차량의 구조를 분석하여 모델링하고 이를 활용하여 후 방향 시뮬레이터를 개발하였다.
• 2) 기본적인 유압 시스템을 가정하여 모델링하고 오일펌프의 동력 손실을 엔진의 토크 손실로 등가화하여 마일드 하이브리드 차량 모델에 적용하였다.
• 3) ISG 기능만 있는 차량과 ISG 기능과 기계식 오일펌프 손실 동력이 반영된 차량, ISG 기능과 기계식, 전자식 오일펌프 손실 동력이 적용된 차량을 대상으로 후 방향 연비해석을 진행하여 엔진과 모터의 작동 점 변화와 연비 감소율을 분석하였다.
• 4) 주행 사이클 FTP 75와 NEDC를 통해 ISG 기능의 마일드 하이브리드 시스템 대비 오일펌프의 동력 손실을 반영한 차량(MOP, MOP+EOP)의 후 방향 연비 해석 결과가 약 7 % 감소되는 것을 확인하였다.
• 5) 오일펌프의 동력 손실을 고려한 결과를 통해 기계식 오일펌프와 전기식 오일펌프의 용량 최적화의 필요성을 확인할 수 있다.

Acknowledgments

본 연구는 산업통상자원부의“에너지수요관리사업”의 지원을 받아 수행된 연구 결과임(2016-1740).

References

• Y. J. Lee, G. C. Kim, and Y. D. Pyo, “The Influence of Operating Conditions on Fuel Economy of the Hybrid Electric Vehicle”, Transactions of KSAE, Vol.13(No.3), p35-40, (2005).
• C. S. Kim, C. Y. Bae, C. J. Kim, K. S. Kim, and T. K. Son, “Experimental Research on the Power Saving Effect Evaluation of a Variable Displacement Vane Pump for an Automatic Transmission”, Transactions of KSAE, Vol.22(No.7), p1-7, (2014). [https://doi.org/10.7467/ksae.2014.22.7.001]
• J. S. Oh, M. S. Song, J. H. Kim, Y. C. Kim, J. S. Lee, and H. S. Kim, “A Study of Electric Oil Pump Capacity Design for a PHEV”, KSAE Spring Conference Proceedings, p1613-1615, (2012).
• J. H. Lee, J. H. Kim, Y. C. Kim, and H. S. Lee, “Development of EOP System Driven Independently in HEV Automatic Transmission”, KSAE Spring Conference Proceedings, p139-145, (2014).
• Y. H. Kim, “A Study on Design and Control of Oil Pump System for an Automatic Transmission Based 2-Shaft Parallel Hybrid Electric Vehicle”, Ph. D. Dissertation, Sungkyunkwan University, Seoul, (2012).
• H. I. Kim, J. -H. Kong, W. S. Lim, and J. -M. Lee, “Comparison of HEVs Fuel Economies Using Dynamic Programming”, KSAE Fall Conference Proceedings, p499-504, (2003).
• J. R. Jeong, D. H. Lee, C. W. Shim, D. B. Jeong, K. D. Min, S. W. Cha, and Y. -I. Park, “Comparison of the Fuel Economy of Series and Parallel Hybrid Bus System Using Dynamic Programming”, Transactions of KSAE, Vol.21(No.1), p92-98, (2013). [https://doi.org/10.7467/ksae.2013.21.1.092]