승용 전기자동차의 실도로 주행시 주행거리 및 에너지소비효율에 관한 연구

1. 서 론

전기자동차가 실제 도로에서 주행할 때 1회 충전 주행거리 및 에너지소비효율은 교통상황, 운전자의 운전 성향, 공조장치 사용 유무, 외기온도 등의 다양한 요인으로부터 영향을 받는다. 현재 전기자동차 1회 충전 주행거리 및 에너지소비효율은 차대동력계에서 실내인증모드를 주행하며 측정된 데이터와 보정계수(0.7)를 이용하여 산출하고 있다.¹⁾ 한편, 차대동력계에서 측정한 데이터에 보정계수를 곱하여 산출한 공인 값과 다양한 실도로 주행 환경이 반영된 실제 1회 충전 주행거리 및 에너지소비효율 간 차이는 매우 크다고 보고되고 있다.²⁾ 이러한 차이의 원인을 분석하기 위해 많은 연구자들이 다양한 주행 경로를 개발하여 전기자동차의 에너지소비효율 및 1회 충전 주행거리를 측정ㆍ분석하고 있다. 여름과 겨울철 외기온도 조건,³⁾ 계절변화에 따른 에너지소비효율 변화,⁴⁾ 운전자의 운전 성향에 대한 차이,^2,5) 도로 교통상황 및 고도조건⁶⁾ 등 다양한 요인에 따른 전기자동차 실도로 주행시험을 진행하며 영향인자에 대해 분석하고 있다.

Corchero 등³⁾은 계절과 지리적 위치에 따른 전기자동차의 에너지소비효율 변화에 대한 연구를 수행하였다. 그들은 Northern demo region에서 주행한 30,000회 이상의 데이터를 분석하여 1년 중 7월에 소비한 에너지소비효율(0.16 kWh/km)이 12월에 소비한 에너지소비효율(0.32 kWh/km)보다 2배 정도 낮은 것을 확인하였다. Hollweck 등⁴⁾은 스페인, 독일, 노르웨이의 계절별 에너지소비효율에 대한 연구를 수행하였으며, 전기자동차의 에너지소모는 겨울철에 가장 컸으며, 여름철 에너지소비가 가장 낮은 것을 확인하였다. Jafari 등⁵⁾은 전기자동차의 운전자 성향에 따른 연구를 진행하였다. 공격적인 운전자의 경우 온순한 운전자 보다 약 18 % 더 배터리 에너지를 소모하였으며, 약 45 %의 에너지소비효율 차이를 보인다고 보고하였다. 또한, 공격적인 운전자의 배터리 수명은 온순한 운전자보다 약 38.9 % 더 짧은 것으로 확인하였다. Al-Wreikat 등⁶⁾은 전기자동차의 실도로 주행 시 에너지소비효율에 영향을 미치는 인자들(운전자 성향, 외기온도, 교통상황, 고도 조건 등)에 대한 연구를 진행하였다. 외기온도가 약 19 ^oC일 때 에너지소비효율은 0 ^oC일 때 보다 약 2배 좋은 것을 확인하였다. 또한, 도로의 고도에 따라 오르막 경사 3 %에서 에너지소비는 50 % 증가하는 반면, 내리막 경사 3 %에서는 에너지소비가 80 % 감소하는 것을 확인하였다.

현재 국내에서는 차대동력계를 이용한 전기자동차의 에너지 소비 효율 및 주행거리 연구가 활발히 진행되고 있다. 노경완과 노만수⁷⁾는 전기자동차의 에너지효율 및 1회 충전 주행거리 측정 연구를 진행하여, 현행 시험방법에 대한 단축시험 방법을 제시하고 타당성을 검증하였다. 이와 함께 노만수 등⁸⁾은 외기온도 및 충전방식에 따른 전기자동차의 1회 충전 주행거리, 충전특성 및 연비 분석을 진행하였다. 전기자동차의 주행거리는 외기온도 -7 ^oC 조건에서 가장 짧았으며, 25 ^oC 조건에서 가장 긴 것을 확인하였다. 또한, 완속충전 효율이 급속충전 효율보다 좋아 완속 충전 시 연비가 더 높다고 보고하였다. 이와 같이 전기자동차의 에너지 소비 효율 및 1회 충전 주행거리 연구는 차대동력계를 이용하여 활발히 진행되고 있는 반면, 도로 환경을 반영한 실도로 주행 연구는 미흡한 실정이다.

본 연구에서는 수도권 지역의 주행특성을 반영한 두 가지 경로를 주행하며 전기자동차의 실도로 주행 데이터를 수집하여, 1회 충전 주행거리 및 에너지소비효율을 분석하였다. 분석을 통해 차대동력계에서 측정하여 계산한 공인 1회 충전 주행거리 및 에너지소비효율과 실도로를 주행하며 측정한 데이터를 비교하고자 한다.

2. 시험내용 및 방법

2.1 시험 차량 및 장비

본 연구에 사용한 차량의 상세 제원은 Table 1에 나타내었다. 분석에 사용한 CAN(Controller area network) 데이터는 UDS(Unified diagnostic services) 프로토콜을 사용하여 전기자동차의 1회 충전 주행거리 및 에너지소비효율 관련 데이터를 취득 후, 분석을 진행하였다.⁹⁾ 데이터는 IntrepidCS社의 Value-CAN4와 Vehicle Spy3를 사용하여 1 Hz 단위로 취득하였으며, 실도로 주행 시 CAN 장비를 통해 취득하여 분석에 사용한 항목을 Table 2에 정리하였다.

Table 1

Specification of test vehicle

Table 2

CAN data list

2.2 시험 장비의 상관성 분석

전기자동차의 실도로 주행 시험을 진행하기 전 시험 장비(CAN)의 데이터 신뢰성 확보를 위해 차대동력계에서 전기자동차 1회 충전 주행거리 및 에너지소비효율 측정 시험 모드인 MCT(Multi-cycle test)모드¹⁰⁾(상온, 25 ^oC)를 주행하며 CAN 데이터와 전력적산계 데이터를 동시에 취득하였다. 데이터를 취득한 CAN 장비와 전력적산계의 사양은 Table 3에 나타내었다. MCT모드는 UDDS-HWFET-UDDS-CSC모드를 두 번 반복하며 SOC(State of charge) 0 %가 될 때까지 진행하는 시험모드로 속도 프로파일 그래프는 Fig. 1¹¹⁾과 같다.

Table 3

Specification of Voltage-Ampere meter and CAN

Fig. 1

Velocity profile of multi cycle test(MCT) mode

UDDS모드와 HWFET모드를 주행하며 취득한 데이터의 배터리 전압, 전류에 대한 상관성 분석을 진행하여 Fig. 2 (a), (b)에 나타내었다. 배터리 전압에 대한 상관성 분석 결과 UDDS모드와 HWFET모드의 기울기는 각각 0.9303, 0.9385이며, 결정계수는 각각 0.9887, 0.9882로 확인하였다. 또한, 배터리 전류에 대한 상관성 분석 결과 UDDS모드와 HWFET모드의 기울기는 각각 0.9860, 0.9802이며, 결정계수는 각각 0.9906, 0.9738로 확인하였다. 결정계수는 추정한 선형 모형이 주어진 자료에 적합한 정도를 나타내주는 척도로 사용이 가능하며, 0부터 1 사이의 값을 갖는다. 0에 가까울수록 X와 Y 사이 선형 상관관계의 정도가 낮은 것을 의미하며, 1에 가까울수록 선형 상관관계의 정도가 크다고 할 수 있다. UDDS모드와 HWFET모드의 배터리 전압 및 전류를 통한 장비의 상관성 분석 결과 결정계수가 전압은 0.9882, 전류는 0.9738 이상으로 모두 1에 근접하는 것을 확인하였다. 따라서 시험 장비를 통해 취득한 실도로 주행 데이터는 높은 신뢰도를 갖는다고 판단하였다.

Fig. 2

Correlation of battery voltage and current in UDDS and HWFET modes

2.3 시험 경로

전기자동차의 경우 실제 도로 주행 경로 관련 규정이 없기 때문에 기존 내연기관차량의 주행경로 조건인 RDE-LDV¹²⁾를 만족하는 시험 경로에서 시험을 진행하였다. REE-LDV의 시험도로 구성요건 중 주행도로 정의로 도심, 교외, 고속도로 구간을 구분하고 있다. 도심 구간은 차량 속도 60 km/h 이하 주행도로, 교외 구간은 차량 속도 60 km/h 초과, 90 km/h 이하 주행도로, 고속도로 구간은 차량 속도 90 km/h를 초과하는 주행도로를 의미한다. 주행도로 구성 조건 중 도심 구간 34 %, 교외 구간 33 %, 고속도로 구간 33 %의 주행 점유율을 갖도록 하고 있다. 각 경로의 주행 점유율은 ± 10 % 이내에서 조정 가능하지만, 도심 경로의 점유율은 29 % 이상이어야 한다. 또한, 주행도로 구성은 도심, 교외, 고속도로 구간 순서의 연속 구간으로 구성되어야 하며 각 경로의 최소 주행거리는 16 km 이상이어야 한다.

Route A는 국립환경과학원(NIER)에서 개발한 NIER-R2이며 경로 구성은 능곡역에서 출발하여 연세대학교, 광화문, 신촌역 등을 지나 서강대교까지 주행하는 도심 구간과, 서강대교부터 강변북로를 지나 북로JC, 제2 자유로를 주행하는 교외 구간, 인천국제공항고속도로를 주행하는 고속도로 구간으로 구성된다.¹³⁾ Route B는 RDE-LDV 경로 조건을 만족하며 수도권 지역 주행 특성을 반영한 시험 경로이다.¹⁴⁾ Route B의 경로 구성은 한양대학교에서 출발하여 신사역, 청담역, 강남역 등을 지나 양재 IC까지 주행하는 도심 구간과 양재 IC부터 강남순환도시고속도로, 서해안고속도로를 지나 광명 IC까지 주행하는 교외 구간, 광명 IC부터 제2 경인고속도로를 지나 여수대로까지 주행하는 고속도로 구간으로 구성된다. 시험 경로에 대한 개략도 및 고도를 Fig. 3 (a), (b)에 나타내었으며, 경로에 대한 정보는 Table 4에 나타내었다. 시험 경로의 고도 중 급격한 경사를 보이는 구간은 터널 진입에 따라 급격한 경사를 갖는 것으로 확인하였다.

Fig. 3

Route A and Route B for driving cycle

Table 4

Trip summary of test route in urban, rural, motorway

3. 시험 결과 및 고찰

3.1 실도로 주행 특성 분석

3.1.1 실시간 주행 데이터

Fig. 4는 Route A와 Route B를 주행하며 취득한 전기자동차의 주행 데이터(차속, 가속도, 순간 배터리 소모량)를 시간에 대해 나타낸 것이다. 시간별 취득 데이터 분석을 통해 전기자동차의 실도로 주행 시 배터리 소모 특성 및 영향 인자를 확인하고자 하였다. 두 경로를 주행하며 경로 이외의 에너지소비효율에 영향을 줄 수 있는 요인들은 일정하게 유지한 상태로 시험을 진행하기 위해 운전자와 전력장치 사용 등의 조건은 동일하게 하였고 공조장치는 사용하지 않은 상태로 시험을 진행하였다. Fig. 4에서 차량의 속도가 감소함에 따라 순간 배터리 소모가 음수로 나타나는 구간이 있는데, 이는 회생제동 영역으로 배터리가 충전되는 구간이다. Fig. 4 (a), (b)에서 차량의 속도 변화에 따라 차량 가속도 (+)구간에서 배터리 소모가 발생하고, 차량 가속도 (-)구간에서 회생제동으로 인한 배터리 충전이 발생하는 것을 확인하였다.

Fig. 4

Real-time of vehicle speed and acceleration and instantaneous battery consumption on Route A and Route B

Route A와 Route B를 주행하며 실시간 속도에 따른 누적 배터리 소모량에 대한 그래프를 Fig. 5에 나타내었다. 도심, 교외, 고속도로 구간에 따른 누적 배터리 소모량은 도심에서 고속도로 구간으로 갈수록 기울기가 더 커지며 더 많은 배터리를 소모하는 것을 확인하였다. Fig. 5를 통해 정지구간이 적고 차량의 속도가 높을수록 배터리 소모는 높은 것을 확인할 수 있다.

Fig. 5

Real-time vehicle speed and cumulative battery consumption characteristics on Route A and Route B

Fig. 4의 실시간 주행 데이터에서 확인한 순간 배터리 소모가 (-) 구간인 회생제동 작동구간을 구간별로 구분하여 Fig. 6에 나타내었으며, 회생제동량 및 회생제동 발생 횟수를 Table 5에 나타내었다.

Fig. 6

Regenerative braking characteristics on Route A and Route B

Table 5

Quantitative analysis of regenerative braking characteristics on Route A and Route B

Route A와 Route B를 주행할 경우, 두 경로에서 구간별 회생제동량은 Route A는 도심 구간 1.164 kWh, 교외 구간 0.647 kWh, 고속도로 구간 0.364 kWh로 총 2.175 kWh 발생하였다. Route B는 도심 구간 1.272 kWh, 교외 구간 0.551 kWh, 고속도로 구간 0.766 kWh로 총 2.589 kWh 발생하였다. 전체 회생제동량 대비 도심 구간에서의 회생제동량은 각 경로에서 약 53.5 %, 49.1 % 발생하는 것을 확인하였다. 각 경로에서 구간별 회생제동 발생 횟수를 보면, Route A의 도심 구간은 702회, 교외 구간은 206회, 고속도로 구간은 99회로 총 1,007회 발생하였다. Route B는 도심 구간 677회, 교외 구간 200회, 고속도로 구간 154회로 총 1,031회 발생하였다. 각 경로의 전체 구간 대비 도심에서 회생제동 발생 횟수가 각각 69.7 % (Route A), 65.7 % (Route B)로 도심에서 높은 비율로 회생제동이 발생하는 것을 확인하였다. 또한, 회생제동 1회당 회생제동 발생량을 계산해보면 Route A의 도심 구간은 0.0017 kWh, 교외 구간은 0.0031 kWh, 고속도로 구간은 0.0037 kWh이며, Route B의 도심 구간은 0.0019 kWh, 교외 구간은 0.0028 kWh, 고속도로 구간은 0.0050 kWh인 것을 확인하였다. 이를 통해 저속보다 고속에서 1회 회생제동이 작동할 때 더 많은 에너지를 회수하지만, 도심 구간에서 높은 비율로 회생제동이 발생함에 따라 전체 구간 중 가장 많은 양의 에너지 회수를 한 것으로 판단된다.¹⁵⁾

3.1.2 구간별 에너지소비효율 및 1회 충전 주행거리

Route A와 Route B를 주행하며 취득한 구간별 차량 가속도에 대한 배터리 소모량을 Fig. 7에 나타내었다. Table 6은 차량 가속도에 대한 배터리 소모량 변화 기울기와 결정계수를 나타낸 것이다. 두 경로의 구간별 가속도에 따른 배터리 소모량에 대한 결정계수를 확인하였을 때, 0.900 이상으로 높은 상관성을 갖는 것을 확인하였다. 또한, 기울기를 분석하였을 때 Route A와 Route B 모두 도심, 교외, 고속도로 구간 순으로 기울기가 커지는 것을 확인하였고, 이는 같은 가속도일지라도 속도가 높을수록 배터리 소모가 더 많이 발생하는 것을 의미한다.

Fig. 7

Battery power characteristics for the instantaneous acceleration in urban, rural, and motorway regions

Table 6

Inclination & correlation coefficient of battery power vs. acceleration

두 경로의 구간별 주행거리와 배터리 소모량 및 에너지 소비효율을 Table 7에 정리하였다. 구간별 에너지소비효율은 구간별 이동거리를 구간별 배터리 소모량으로 나누어 계산하였다. 두 경로를 비교했을 때, 교외 구간과 고속도로 구간에서 큰 경향 차이가 발생하는 것을 확인하였다. 교외 구간을 비교하였을 때 Table 4에 정리한 Route A가 Route B보다 평균속도가 8 km/h 이상 빨랐던 것이 배터리 소모가 더 많았던 주요 원인으로 판단된다. 또한, 고속도로 구간을 비교하였을 때 Route A가 Route B 보다 평균속도가 7 km/h 더 빨랐던 것과 Table 5에 나타낸 고속도로 구간의 회생제동량이 Route B가 2배 이상 많은 것이 Route A의 배터리 소모량이 많았던 주요 원인으로 판단된다. Fig. 3(b)에 나타낸 Route B의 고속도로 구간 고도를 보면 후반부에 주로 내리막으로 형성된 것을 확인 가능하다. 이를 통해 Fig. 5에 나타낸 Route B의 후반부 부분에서 회생제동량 발생에 따른 배터리 소모가 감소하여 누적 배터리 소모량의 경향 차이를 보인 것으로 판단된다.

Table 7

Energy consumption efficiency(ECE) characteristics of Route A and Route B

Route A는 도심구간에서 10.442 km/kWh, 교외구간에서 9.061 km/kWh, 고속도로구간에서 6.546 km/kWh였으며, Route B에서는 도심구간에서 9.157 km/kWh, 교외구간에서 9.839 km/kWh, 고속도로구간에서 8.085 km/kWh로 측정되었다. 이러한 보정계수(0.7)를 곱하지 않은 시험 차량의 실제 두 경로 결과와 보정계수(0.7)를 곱하여 산출하는 공인 에너지소비효율에 대한 값을 도심, 고속도로, 복합으로 구분하여 Fig. 8에 나타내었다. 시험 결과, 도심 및 교외구간 보다 고속도로구간에서 에너지소비효율이 낮은 것을 확인할 수 있다. 이는 Fig. 6 및 Table 5에서 확인한 도심구간의 많은 회생제동과 Fig. 7에서 확인한 고속주행 시 더 많은 배터리 소모에 의한 영향으로 보인다. 이러한 영향으로 인해 도심구간 대비 고속도로구간의 에너지소비효율은 Route A는 37.3 %, Route B는 11.7 % 더 낮은 것으로 확인하였다.

Fig. 8

Comparison of energy consumption efficiency in urban, motorway, and combined mode

본 연구에 사용한 시험 차량의 공인 에너지소비효율은 도심 6.8 km/kWh, 고속도로 5.7 km/kWh, 복합 6.3 km/kWh 이다. 복합 에너지소비효율은 도심 및 고속도로 에너지소비효율에 가중치 0.55, 0.45를 곱하여 계산하며, 계산식을 식 (1)에 나타내었다. 식 (1)을 이용하여 Route A와 Route B의 복합 에너지소비효율을 계산하면, Route A는 8.689 km/kWh, Route B는 8.675 km/kWh이다. 공인 에너지소비효율이 6.3 km/kWh인 것과 비교했을 때 Route A 주행 시 27.5 %, Route B 주행 시 27.4 % 더 높은 에너지소비효율을 갖는 것으로 확인하였다.

$\[ \text{복합 에너지소비효율 }=\begin{array}{l}0.55\times \text{도심 에너지소비효율}\hfill \\ +0.45\times \text{고속 에너지소비효율}\hfill \end{array} \]$

(1)

$\[ \text{복합 }1\text{회 충전 주행거리 }\begin{array}{l}=0.55\times \text{도심 }1\text{회 충전주행거리}\hfill \\ +0.45\times \text{고속 }1\text{회 충전주행거리}\hfill \end{array} \]$

(2)

$\[ 1\text{회 충전 주행거리 }=\text{ 시험 차량 배터리 용량 }\times \text{ 에너지소비효율} \]$

(3)

Route A와 Route B를 주행한 데이터를 이용하여 시험차량의 1회 충전 주행거리를 계산하였다. 각 구간별 1회 충전 주행거리는 식 (3)과 같이 각 구간별 에너지소비효율에 시험 차량의 배터리 용량을 곱하여 계산하였다. Route A 주행을 통해 계산한 도심 1회 충전 주행거리는 399.929 km이고 고속도로 1회 충전 주행거리는 250.712 km이다. Route B 주행을 통해 계산한 도심 1회 충전 주행거리는 350.713 km이며, 고속도로 1회 충전 주행거리는 309.656 km이다. 계산한 도심과 고속도로 1회 충전 주행거리를 이용하여 식 (2)에 나타낸 계산식으로 복합 1회 충전 주행거리를 계산할 수 있다. 보정계수(0.7)를 곱하지 않은 실제 두 경로의 복합 1회 충전 주행거리 및 공인 1회 충전 주행거리를 Fig. 9에 나타내었다. Route A주행 시 복합 1회 충전 주행거리는 332.781 km, Route B 주행 시 복합 1회 충전 주행거리는 332.237 km로 나타난다. 이는 시험 차량의 공인 1회 충전 주행거리가 271 km인 것과 비교했을 때 Route A 주행 시 18.6 %, Route B 주행 시 18.4 % 더 긴 주행거리를 주행 가능하다고 판단하였다. Fig. 8과 Fig. 9에서 확인한 실제 도로 주행 시 에너지소비효율 및 1회 충전 주행거리는 저온과 급가감속 주행을 반영해 보정계수(0.7)를 곱하여 산출하는 값보다 더 높은 값을 갖는 것으로 확인할 수 있었다.

Fig. 9

Comparison of range in certified mode, Route A, and Route B

4. 결 론

본 연구에서는 도로 환경이 반영된 전기자동차의 실도로 주행 시 1회 충전 주행거리와 에너지소비효율 특성을 분석하였다. 본 연구로부터 얻어진 결론은 다음과 같다.

• 1) 도심 구간 대비 고속도로구 간의 에너지소비효율은 주행 경로에 따라 각각 37.3 % (Route A), 11.7 % (Route B) 낮았다. 이는 전체구간 대비 도심 구간에서 발생하는 많은 회생제동과 저속주행보다 고속주행 시 더 많은 배터리의 소모에 의한 영향으로 판단된다.
• 2) Route A의 도심, 교외, 고속도로 구간의 에너지소비효율은 각각 10.442 km/kWh, 9.061 km/kWh, 6.546 km/kWh이며, Route B의 도심, 교외, 고속도로 구간의 에너지소비효율은 각각 9.157 km/kWh, 9.839 km/kWh, 8.085 km/kWh 이다. 두 경로의 복합 에너지소비효율을 계산하면 8.689 km/kWh, 8.675 km/kWh이며, 공인 에너지소비효율(6.3 km/kWh)과 비교했을 때, 각각 27.5 %, 27.4 % 더 높게 나타났다. Route A의 1회 충전 주행거리는 각각 339.929 km (도심 구간), 250.712 km (고속도로 구간)이며, Route B의 1회 충전 주행거리는 각각 350.713 km (도심 구간), 309.656 km (고속도로 구간)이다. 두 경로의 복합 1회 충전 주행거리는 각각 332.781 km (Route A), 332.237 km (Route B)로 공인 1회 충전 주행거리인 271 km 대비 Route A 주행 시 18.6 %, Route B 주행 시 18.4 % 더 높게 나타났다. 이러한 1회 충전 주행거리 및 에너지소비효율이 상이하게 나타나는 원인으로는 실시간으로 변화하는 도로 환경 및 주행 경로 등의 영향이 반영된 것으로 판단된다.
• 3) 본 연구를 통해 교통상황 및 주행 경로 등에 따른 1회 충전 주행거리 및 에너지소비효율은 차이가 발생하는 것으로 확인하였다. 따라서 전기자동차 1회 충전 주행거리 및 에너지소비효율의 영향인자에 대한 더 정확한 분석을 위해서는 보다 많은 사례의 실도로 주행 시험 데이터 확보가 필요하다.

Acknowledgments

A part of this paper was presented at the KSAE 2022 Spring Conference

이 연구는 한국연구재단 중견연구자지원사업(2019R1A2C1089494)와 중견연구후속지원사업(RS-2023-00208502)의 지원으로 수행되었습니다. 지원기관에 감사드립니다.

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