상용 전기자동차의 에어컨 가동에 따른 배터리 소모 분석
Copyright Ⓒ 2019 KSAE / 159-01
This is an Open-Access article distributed under the terms of the Creative Commons Attribution Non-Commercial License(http://creativecommons.org/licenses/by-nc/3.0) which permits unrestricted non-commercial use, distribution, and reproduction in any medium provided the original work is properly cited.
Abstract
In this paper, a chassis dynamometer and a proving ground were used to analyze battery consumption when a commercial electric vehicle turns on the air conditioner. Three commercial electric vehicles were set up and tested at different air conditioning temperatures to measure battery consumption. The chassis dynamometer used UDDS and HWFET modes. In the proving ground, an intersection road and a high speed circuit were used during the test. Then, the test results of the chassis dynamometer and the proving ground were compared. This study allowed the driver of an electric vehicle to predict battery consumption when using the air conditioner in the summer.
Keywords:
Electronic vehicle, Air conditioner, Chassis dynamometer, UDDS, HWFET, Proving gound키워드:
전기자동차, 에어컨, 차대동력계, 시가지 동력계 주행시험 계획, 고속도로 주행모드, 주행시험장1. 서 론
최근 세계 자동차 시장은 환경규제 강화와 중국 등의 주요 자동차생산국에서 전기자동차 보급 확대 정책 등으로 배터리 동력 전기자동차 보급률이 급속하게 증가되고 있다. 세계 전기자동차 판매는 2016년 77만 4천대에서 2017년 121만대로 증가되었고, 이에 따라 배터리 동력 전기자동차의 시장 점유율은 최근 1 %를 상회하면서 수요가 빠르게 증가하고 있다. 2018년 6월 기준 국내 자동차 등록대수는 22,882,035대 이고 그 중 친환경차는 393,064대로 1.7 % 수준으로 국내 친환경차 보급률도 점차 증가하고 있다.1)
배터리 동력 전기차를 이용하는 운전자는 내연기관에 비해 일충전 주행거리의 한계에 대한 압박을 기본적으로 가지며 그에 따라 에어컨, 히터, 편의장치 등 전기장치의 사용에 따른 배터리 소모로 주행거리 축소에 대한 부담감이 존재한다.2)
그동안 에어컨 사용에 따른 자동차 연비에 대한 다양한 연구가 국내외 연구기관을 중심으로 진행되었다. 차대동력계와 주행시험장에서 에어컨의 송풍량을 조절하여 승용차 연료 절약기법 개발에 대한 연구3)가 있었고, 디젤 차량과 하이브리드 전기자동차의 연비 비교에 대한 연구,4) 디젤 차량의 에어컨 사용 시 출력 감소에 대한 연구,5) 에어컨 사용에 따른 하이브리드 차량의 연비 특성에 대한 연구,6) 차량의 에어컨 압축기가 실차 연비에 미치는 영향에 관한 연구,7) 자동차 에어컨 및 히터 사용조건에 따른 배출가스 및 에너지 소비 효율에 관한 연구,8) 에어컨 콤프레셔 작동에 따른 연료소비량에 관한 연구9) 등이 진행되었다. 그러나 전기자동차의 에어컨 사용에 따른 연비, 에너지소비효율 등에 대한 연구는 상대적으로 부족한 실정이다.
따라서 본 연구에서는 3종의 상용 전기자동차를 선정하고, 차대동력계(Chassis dynamometer)와 주행시험장(Proving ground)을 이용하여 특정 운전조건에서 에어컨 가동에 따른 배터리 소모량을 실험하고 분석하였다.
2. 실험조건 및 실험방법
2.1 실험 조건
실험의 신뢰성을 높이기 위해 차량, 공조, 시험 환경에서 다양한 조건을 사용하였다. 차량은 3종의 다른 차량으로, 에어컨 공조환경은 3가지 모드(Low, 23 °C, off)로, 시험 환경은 차대동력계와 주행시험장을 사용하였다. 모든 시험은 완속충전기를 사용하여 차량 Trip기준 100 % 충전후 시험을 진행하였다. 차량은 기본적으로 풍량은 최대로 하고 윈도우는 모두 닫은 상태에서 에어컨 이외의 오디어 등의 전자장치는 사용하지 않았다.
주행 데이터를 수집하기 위하여 차량 A, 차량 B, 차량 C 3종의 전기자동차를 선정하였다. Table 1은 선정한 3종의 차량의 제원을 나타낸다.
Test vehicle specification
에어컨 작동 시 배터리 소모량을 확인하기 위해 공조조건은 Table 2와 같이 온도 설정을 Low, 23 °C, off 모드로 구성하였고, 모든 시험에는 각각의 Case 1, 2, 3의 설정온도에서 시험을 진행하였다.
Air conditioner temperature set
2.2 시험 방법
본 연구에서 차대동력계 시험을 위해 검토한 주행모드는 “자동차의 에너지소비효율, 온실가스 배출량 및 연료소비율 시험방법 등에 관한 고시11)”를 참고하였다. Photo. 1의 차대동력계 시험설비를 이용하여 실차 주행모드 중 시가지 동력계 주행시험 계획인 UDDS(Urban Dynamometer Driving Schedule)와 고속도로 주행시험 계획인 HWFET(HighWay Fuel Economy Test)를 사용하여 진행하였다. Fig. 1과 Fig. 2는 UDDS와 HWFET의 시험모드에 대한 속도 프로파일을 나타낸다.10,11)
Chassis dynamometer
Description of UDDS test mode
Description of HWFET test mode
본 연구에 적용한 시험모드는 UDDS, UDDS, HWFET, HWFET, UDDS, UDDS, HWFET, HWFET의 순서로 113.92 km 주행하였고 그 중 UDDS는 48.32 km, HWFET는 65.6 km이다. 각 모드 사이 600초의 상온상태 유지(Soaking)를 실시하였다. 상기 시험모드 및 거리를 각 차종별로, 에어컨 온도 설정별로 3cycle 반복시험(총 시험 주행거리 1,025.28 km) 후 평균값을 데이터로 사용하였다. 차량 내부 에어컨 온도 설정은 각 모드별로 Table 2의 공조 온도 설정별로 시험하였고 풍량은 항상 최대로 설정하였다. 차대동력계 시험실 내부 실내온도는 20~30 °C 유지하였고, 완속충전기를 사용하여 차량 Trip기준 100 % 충전후 시험을 진행하였다. 분석 장비는 ㈜지아이티 G-Scan2를 사용하였다.
One cycle distance of chassis dynamometer
주행시험장에서는 고속주회로(총 연장 3.68 km, 편도 3차로, 뱅크부 곡률 반경 100 m, 뱅크부 경사각도 30도)와 차량도로 연계시험 교차로(이하 “교차로”, 총 연장 1.5 km, 4지 교차로 2개, 3지 교차로 1개)에서 시험하였다.
차량내부는 Table 2의 공조 온도 설정별로 시험하였고 풍량은 최대로 설정하였다. 분석 장비는 (주)지아이티 GDS-VCI를 사용하였다.
고속주회로는 Photo 2의 A~B(0~80 km/h), B~C(80 km/h), C~D(100 km/h), D~E(80 km/h), E~A(100 km/h)의 패턴으로 15 cycle을 반복하여 총 55.2 km 주행하였고, 교차로는 Photo 3의 A, E, F, C, B, A, G, H, F, D, A의 패턴으로 30cycle을 반복하여 총 45 km 주행하였다. 고속주회로 55 km, 교차로 45 km 주행을 1cycle로 각 차종별로, 에어컨 온도 설정별로 3cycle 반복시험(총 시험 주행거리 900 km) 후 평균값을 데이터로 사용하였다.
High speed circuit
Intersection road
One cycle distance of proving ground
3. 실험 결과
3.1 차대동력계 시험결과
UDDS 모드에서 차량 A는 최대 에어컨 가동 조건인 Case 1으로 주행 시 공조 설정을 하지 않은 Case 3에 비해 6.5 % 배터리를 추가적으로 소모하는 것으로 나타났고, 차량 B는 2.5 %, 차량 C의 경우는 13.1 %의 배터리를 추가적으로 소모하는 것으로 나타났다. 에어컨 23 °C 설정인 Case2 조건의 경우 Case 3에 비해 차량 A는 2.0 %, 차량 B는 2.5 %, 차량 C는 0.5 %의 배터리가 더 소모되었다.
HWFET 모드에서는 Full 에어컨 조건인 Case 1으로 주행 시 공조 설정을 하지 않은 Case 3에 비해 차량 A는 2.9 %, 차량 B 4.4 %, 차량 C 7.1 %의 배터리가 더 소모되는 것으로 나타났다. 에어컨 23 °C 설정인 Case 2 조건의 경우 Case 3에 비해 차량 A는 2.5 %, 차량 B는 0.4 %, 차량 C는 4.2 %의 배터리가 더 소모된다.
차대동력계 시험에서 에어컨 공조 설정이 배터리의 에너지 소모에 미치는 영향은 충전상태(SOC) 기준 에어컨 Low 설정 시 최대 13.1 %, 평균 6.1 % 추가적인 배터리가 소모되었으며, 에어컨 23 °C 설정 시 최대 4.2 %, 평균 2.0 % 배터리가 더 소모되었다. 전체적으로는 에어컨 설정 온도가 낮을수록 에너지 소모량이 늘어나는 것을 확인할 수 있었다.
Battery consumption at UDDS
Battery consumption at HWFET
Battery consumption at chassis dynamometer
Battery consumption at proving ground
3.2 주행시험장 시험결과
차량도로 연계시험 교차로에서 차량 A는 Full 에어컨 조건인 Case 1으로 주행 시 공조설정을 하지 않은 Case 3에 비해 6.07 % 에너지를 추가적으로 소모하는 것으로 나타났고, 차량 B는 6.30 %, 차량 C의 경우 8.75 %의 배터리가 추가적으로 소모하는 것으로 나타났다. 에어컨 23 °C 설정인 Case 2 조건의 경우 Case 3에 비해 차량 A는 2.86 %, 차량 B는 5.93 %, 차량 C는 3.33 %의 배터리가 더 소모되었다.
고속주회로에서는 Full 에어컨 조건인 Case 1로 주행 시 공조설정을 하지 않은 Case 3에 비해 차량 A는 2.1 %, 차량 B 0.7 %, 차량 C 3.3 %의 배터리가 더 소모되는 것으로 나타났다. 에어컨 23 °C 설정인 Case 2 조건의 경우 Case 3에 비해 차량 A는 1.4 %, 차량 B는 0.7 %, 차량 C는 3.8 %의 배터리가 더 소모된다.
주행시험장 시험에서 에어컨 공조 설정이 배터리의 에너지 소모에 미치는 영향은 충전상태(SOC) 기준 에어컨Low 설정 시 최대 8.75 %, 평균 7.04 % 추가적인 배터리가 소모되었으며, 에어컨 23 °C 설정 시 최대 5.93 %, 평균 4.04 % 배터리가 더 소모되었다. 주행시험장 시험에서도 에어컨 설정 온도가 낮을수록 에너지 소모량이 늘어나는 것을 확인할 수 있었다.
Intersection road at proving ground
High Speed Circuit at proving ground
3.3 차대동력계와 주행시험장의 시험결과 비교
전기자동차의 에어컨을 Low(Full 가동)로 가동 시 에어컨 Off에 비하여 차대동력계에서는 평균 6.1 %, 주행시험장에서는 평균 4.6 %의 배터리가 더 소모되었다. 또한 에어컨을 23 °C로 가동 시 차대동력계에서는 2.0 %, 주행시험장에서는 3.0 % 배터리 소모량 감소가 발생했다.
차대동력계와 주행시험장의 유사 시험로별로 배터리 소모량을 비교하면 시내주행구간(교차로, UDDS)의 경우 에어컨을 Low(Full 가동)로 가동 시 교차로는 평균 7.0 %, UDDS는 평균 7.4 %의 배터리 소모량으로 유사하게 나왔으나 에어컨을 23 °C로 가동 시 교차로는 평균 4.0 %, 평균 1.7 %로 다소 차이가 있었다. 고속도로구간(고속주회로, HWFET)의 경우는 에어컨을 Low(Full 가동)로 가동 시 고속주회로는 평균 2.1 %, HWFET는 평균 4.8 %의 배터리 소모량이 발생했으나, 에어컨을 23 °C로 가동 시 고속주회로는 평균 2.0 %, HWFET는 평균 2.3 %로 유사한 값이 도출되었다.
시험차량 및 시험모드별로 차대동력계와 주행시험장의 시험결과를 Fig. 5에서 비교하였다. 차대동력계와 주행시험장의 시험결과 에어컨 온도 설정별로 배터리 소모량 패턴이 유사한 경향을 나타내는 것을 알 수 있다. 패턴은 유사하나 에너지 소모량의 차이는 실내시험과 실외시험으로 인한 외부 환경(온도, 풍향 등), 노면 조건 등 환경의 차이로 인해 나타나는 것으로 보여진다.
Compare of battery consumption at chassis dynamometer and proving gorund
4. 결 론
본 연구에서는 차대동력계와 주행시험장에서 에어컨 가동에 따라 상용 전기자동차의 배터리 소모량에 대한 시험을 수행하였다. 이를 통하여 다음과 같은 결론을 얻을 수 있었다.
- 1) 전기자동차의 주행 중 에어컨 가동시에는 최대 13.1 %, 평균 5.3 %의 배터리 소모량이 증가하였다.
- 2) 전기자동차의 에어컨 가동 시 배터리 소모량은에어컨 온도 Low(Full 가동) 설정이 23 °C 설정에 비하여 평균 2.81 % 배터리를 더 소모하였다.
- 3) 차대동력계와 주행시험장의 전기자동차 배터리 소모 경향이 유사하게 나타났고 외부 시험환경 조건을 고려한다면 시험 결과에 큰 차이가 없었다.
상기 시험 결과를 참고하면 여름철 전기자동차의 에어컨 사용시에는 배터리 소모량을 감안하여 잔여 주행거리를 예측하여 주행하고, 배터리 소모를 최소화하기 위해서는 온도 설정을 Low 보다는 적정 온도를 설정하여 주행하는 것이 유리함을 알 수 있다.
Acknowledgments
본 연구는 산업통상자원부의 전력산업기반조성사업으로 수행된 2018년 대구 국가산업단지 블록형 마이크리드 구축사업의 지원으로 수행되었으며, 이에 감사의 뜻을 전합니다.
References
- Department of Automobile Operations Insurance, Expected to Exceed 23 Million Vehicles by the End of the Year, Ministry of Land, Infrastructure and Transport, Press Release, p1-7, (2018, Jul, 15).
- M. D. Eom, “Eco-drive Exercise for Low Carbon Emissions”, Auto Journal, KSAE, 31(3), p123-127, (2009).
- Development of a Driving Guide for Improving the Fuel-Economy of Passenger Cars, Ministry of Commerce Industry and Energy, Korea Automobile Testing and Research Institute, (2004).
- S. M. Park, J. N. Park, and H. S. Lim, “Experimental Investigation for Fuel Efficiency and Performance of Diesel Hybrid Electric Vehicle”, KSAE Fall Conference Proceedings, p1603-1610, (2006).
-
Y. C. Youn, K. R. Kwon, and H. Pyeon, “A Study on the Power and Smoke Characteristics for the Intake System Improvement using Air Conditioning System in a Diesel Vehicle”, Journal of the Korean Society for Power System Engineering, p11-15, (2011).
[https://doi.org/10.9726/kspse.2011.15.6.011]
- M. H. Lee, S. W. Kim, K. H. Kim, C. S. Jung, and H. J. Oh, “A Study about Fuel Economy and Exhaust Emission Characteristics According to the Vehicle Test Mode Conditions”, KSAE Annual Conference Proceedings, p647-652, (2012).
-
S. Y. Yoo, and Y. S. Kim, “Experimental Study on Effects of Compressor for Automotive Air Conditioning System on Fuel Economy”, Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineerings - B, 37(1), p59-65, (2013).
[https://doi.org/10.3795/ksme-b.2013.37.1.059]
- S. W. Kim, M. H. Lee, K. H. Kim, and C. S. Jung, “A Study about Emission and Fuel Economy of a Passenger Car according to Blower Strength of and Heater”, KSAE Spring Conference Proceedings, p269-275, (2013).
- Y. H. Lee, C. S. Jung, and S. Y. Yang, “A Study on Fuel Consumption depend on Air-conditioner Compressure Control”, KSAE13-Y0030, p93-96, (2013).
- K. H. Kim, S. W. Kim, J. H. Ha, A. Y. Park, S. K. Oh, S. H. Lee, and H. J. Yang, “The Study on the Assesment Fuel Economy of Electric Vehicle on Test Mode”, KSAE Annual Conference Proceedings, p1287-1288, (2014).
- E. J. Kang, M. S. Chon, J. S. Um, K. H. Kim, and Y. H. Seo, “Characteristics Evaluation of Fuel Economy and Emission according to Driving Mode Conditions of the Vehicle by Fuel Type”, KSAE Spring Conference Proceedings, p199-202, (2015).