하이브리드 자동차의 외기온 변화에 따른 냉/난방 성능과 엔진 운전 특성에 대한 연구
Copyright Ⓒ 2024 KSAE / 229-06
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Abstract
The increase in vehicles, which is one of the major factors contributing to global warming, has resulted in environmental problems leading to stricter vehicle emission regulations worldwide. Hybrid electric vehicle(HEV), which combines the characteristics of internal combustion engines and electric motors, is effective in improving fuel economy and reducing exhaust emissions. This study examined the Grandeur Hybrid vehicle made by Hyundai Motor Company at Climate Wind Tunnel(CWT). The evaluation was conducted on engine operation characteristics when working the air-conditioning and heating system in summer and winter, the cooling and heating performance was tested at various outdoor temperatures. As a result, the HVAC system is a great influence on the fuel economy aspect, especially engine operating characteristics and battery state of charge(SOC). Experimental results showed that engine stopping and operation depended on the battery’s SOC and outside temperature. Ambient temperature rises, then the engine stop time increases, which is particularly affected by changes in engine coolant temperature. By checking the temperature of electrical components and the amount of heat in the coolant when the engine was stopped, it was confirmed that waste heat could potentially be utilized for heat pump system development. Further studies are recommended to investigate the development of the HEV’s heat pump system as heating in the winter to reduce engine use and improve fuel economy.
Keywords:
Air-conditioning system performance, Coolant temperature, Engine operating condition, Fuel economy, Heating system performance, Coolant temperature키워드:
냉방 시스템 성능, 냉각수 온도, 엔진 운전 조건, 연비, 난방 시스템 성능, 냉각수 온도1. 서 론
지구 환경을 보존하기 위한 일환으로 세계 여러 나라에서는 전기자동차(EV, Electric Vehicle)의 보급에 많은 노력을 기울이고 있다. 하지만 아직은 전기자동차의 한계성, 즉 1회 충전으로 주행할 수 있는 거리와 높은 차량 가격, 이차 전지의 충전 시간 등이 전기자동차의 대중화에 걸림돌로 자리매김 하고 있다.1)
반면 저공해차 2종으로 분류되는 하이브리드 자동차는 회생제동 기술을 이용하여 이차 전지를 충전하므로 별도의 충전기가 필요 없고, 기존의 내연기관과 병행하여 운전하므로 장거리 운전이 가능하고, 짧은 거리지만 이차 전지의 전력으로만 주행하는 전기주행 모드가 있기 때문에 연비 측면에서 현실 대안적인 친환경 자동차가 될 수 있으며, 이러한 장점 때문에 2022년 국내 하이브리드 차량 등록 대수는 약 185,000 여대로 불과 9년 만에 시장은 6배 이상 성장하였다.
자동차 연비는 소비자의 알권리 충족을 위하여 제공되며, 공인연비와 실제 주행 연비 간의 편차로 인하여 공인연비에 대한 소비자 불만 등이 제기되어 2012년부터 실도로 체감연비에 가깝도록 연비 시험방법이 개발되었다. 특히 하이브리드 자동차는 엔진과 이차 전지를 같이 사용하기 때문에 기존의 연비평가 방법과는 다르게 이차 전지의 충전상태(SOC, State of Charge)가 연비에 미칠 수 있으므로, 충전 오차 판정식을 계산하여 허용치를 만족할 것으로 요구하고 있다.2)
하이브리드 자동차는 정숙성, 주행 연비의 우수성 등 여러 가지 장점에도 불구하고, 저온 연비에 대한 소비자 불만이 있는데 이는 유독 겨울철에만 소비자들이 체감하는 연비와 공인연비와의 차이가 많다는 것이다. 여기에는 개선된 공인연비 시험방법을 적용하여도 실제로 사용자가 하이브리드 자동차를 겨울철에 운전할 경우, 차량은 실내 난방을 위하여 엔진을 지속적으로 작동하기 때문에 연비가 나빠지며, 상온 주행시 대비 무려 22.7 ~ 37.9 %까지 연비가 나빠지는 것으로 보고되고 있다.3-5)
송진근6)은 하이브리드 차량을 1년동안 87 km를 약 250회 주행하면서 연비에 미치는 영향을 분석한 결과, 저온(-5 oC)에서 도로 부하가 상온(25 oC) 보다 약 1.35배 높으며, 경로를 한번 주행하는 동안 도로 부하에 의한 에너지 손실은 겨울철이 상온보다 약 21 % 증가하였다. 내부저항의 증가로 이차 전지도 겨울철에 에너지 손실이 증가하지만, 도로 부하의 증가량에 비해 약 1.7 % 증가에 그쳤다. 이는 하이브리드 차량의 주요 동력원이 엔진이므로 이차 전지 사용량이 상대적으로 적기 때문으로 판단된다.
Chung 등7)은 동력 분배형(Power split type) 하이브리드 차량의 에너지 소비에 대하여 정량적으로 분석하여 공회전 손실, 엔진 손실, 전기 손실, 구동계 손실 등에 대하여 살펴보았고, 손실 중에서는 기계적 손실이 가장 크게 나타나는 것을 밝혔다. 특히 FTP-75(Federal Test Procedure), HWFET(Highway Fuel Economy Test), NEDC(National Economic Development Council) 및 WLTC(Worldwide harmonized Light vehicle Test Cycle)의 4가지 주행 모드에서 하이브리드 차량의 연비는 내연기관차 대비 0.3 ~ 36.7 % 향상되는 것을 확인하였다.
김성수8)은 엔진 기반의 차량에서 저온 연비를 향상하기 위한 기술들, 예를 들면 터보 컴파운딩(Turbo compounding) 기술, 랭킨 사이클(Rankine cycle) 기술, 열전 발전(Thermo electric generator) 기술, 배기열 회수(Exhaust heat recovery) 장치 등 차량에서 버려지는 열을 회수하기 위한 다양한 기술들과 엔진 냉각수와 오일을 빠르게 가열할 수 있는 빠른 웜업(Fast warm- up)기술에 대하여 소개를 하였다.
차량이 내연기관에서 전기자동차와 같은 친환경차로 바뀌면서 자동차의 열관리 개념도 통합 열관리 시스템으로 바뀌고 있다. 엔진 이외에 이차 전지와 구동 모터, 인버터 등이 적용되는 친환경차는 파워 트레인(Power train)의 냉각시스템과 실내공조, 이차 전지의 열관리가 모두 결합 되어 통합 관리 되고 있다.9)
Khare 등10)은 혼다 인사이트(Honda Insight), 도요타 프리우스(Toyota Prius), 폭스바겐의 제타(VW Jetta) 하이브리드 차량에 대하여 UDDS 모드로 주행하면서 각각 -6.7 oC, 22 oC 및 35 oC 외기에서 공조 장치가 의한 연료 소모에 미치는 영향을 시험하였다. 봄, 가을조건(22 oC) 대비 -6.7 oC(겨울)와 35 oC(여름)에서 공조 장치를 사용할 때가 공조 장치를 작동하지 않을 때 보다 에너지 사용량이 증가하였으며, 특히 -6.7 oC에서 공조 장치를 사용할 때가 엔진이 가장 많이 작동하여 연비에 불리함을 확인하였다. 차량별 차이는 제타가 가장 많은 연료를 사용하며, 프리우스, 인사이트 순이었다.
Okamoto 등11)은 하이브리드 차량이 추운 날씨에 연비가 저하되는 것을 개선하기 위하여 히트펌프 시스템(Heat pump system)을 제안하였다. 연료 소모를 최소화하기 위해 1차원 열 차량 모델을 이용하여 최적 제어를 한 결과, 기존 대비 연비가 10 % 향상되는 결과를 얻었다.
본 연구에서는 겨울철 난방이 요구되는 외기 조건과 여름철 냉방이 요구되는 외기온도에서 최대 난방과 냉방 성능 시험을 하면서 공조 장치가 엔진의 거동과 냉각수 온도 변화, 이차 전지의 충전상태량 변화에 미치는 영향에 대하여 살펴보았다. 시험 결과는 향후에 이어질 연구인 하이브리드 자동차에서 엔진 냉각과 전장품 냉각, 공조 장치를 연결하여 통합으로 열관리를 하는 방안을 연구하여, 소비자가 불만으로 제기하는 겨울철, 저온에서의 연비를 향상할 수 있는 방안에 대하여 제시 하고자 한다.
2. 시험 장치 및 방법
2.1 시험 차량 및 방법
최근의 자동차는 카메라, 내장된 센서나 계기의 증가로 인하여 복잡해지고, 통신체계도 변경되고 있다. 높은 신뢰성, 고용량 밀도를 요구하고 있는 실정이다. Chang 등12)은 2400 cc 하이브리드 차량으로 다양한 조건의 도로를 주행하면서 주행 경로 특성에 따른 차량의 연비를 이동식 배출가스 시험장비와 OBD에서 제공하지 않는 데이터를 CAN 통신으로 데이터를 취득하여 연비 분석을 진행하였다.
본 연구에서도 2400 cc의 엔진을 탑재한 하이브리드 자동차에 대하여 계절별 연비 특성을 살펴보기 위하여 다양한 외기 온도별로 시험을 진행하였다. 특히 사용자 입장을 고려하여 공조 장치를 작동(여름에는 에어컨을 가동, 겨울에는 히터를 가동) 하면서 차량 실내의 온도변화와 엔진의 거동을 살펴보았다. 연비와 직접적인 영향을 미치는 엔진은 냉각수 온도의 변화에 따라 엔진이 정지 또는 작동을 하며, 차량의 이차 전지 충전상태와도 연관성을 가질 것이다.
시험은 독일 IPETRONIK사에서 개발한 IPETRONIK 모듈을 차량에 설치하고 노트북에 설치된 IPEmotion 프로그램으로 데이터를 측정하였다. 온도를 측정하기 위하여 T타입 열전대를 토출 공기온도를 비롯한 89군데 측정하였고, 각종 공조장치의 시스템 압력 측정을 포함한 전압과 전류를 측정하기 위하여 27개소, 제어 신호인 듀티(Duty)는 3개소에서 특정하였으며, 센서로 측정하기 어려운 각종 신호들은 CAN FD를 이용하여 데이터를 측정하였다. 특히 차량에서 실내온도 변화를 측정하기 위하여 전석과 후석 탑승자의 머리 부분에 각각 열전대를 8개씩, 전석과 후석의 탑승자 발 부분에도 각 좌석당 4개씩 설치하여 온도를 측정하였으며, 공조장치에서 토출되는 공기온도는 벤트 덕트(Vent duct)와 플로워 덕트(Floor duct)에 직접 설치하였다. 그 외 대부분의 열전대 측정위치는 당사에서 정해진 시험 규격에 의하여 설치하였다.
Fig. 1에 차량에 설치된 IPETRONIK 모듈과 측정 데이터를 노트북으로 입수하기 위한 경로를 간략하게 나타내고 있다.
Experimental apparatus of IPETRONIK module
시험 차량은 현대자동차에서 생산한 그랜저 하이브리드 차량이다. 상세 제원표는 Table 1에 나타내었다.
Specification of evaluation vehicle
먼저 냉방 시스템의 성능 시험을 위하여 Fig. 2와 같이 차량에서 에어컨 부품의 위치와 시스템 회로(Circuit)를 확인하였다. 압축기는 27 cc/rev 용량의 전동 압축기를 사용하였으며, 앞서 언급한 바와 같이 최대 냉방 성능 시험시 냉방 성능을 확인을 위하여 설치된 센서를 통하여 데이터를 확보하였다.
Schematic diagram of air-conditioning system with test vehicle
다음으로 겨울철 난방 성능을 확인하기 위한 최대 난방 성능을 확인하기 위하여 Fig. 3에 나타난 것과 같이 엔진과 전장부품의 냉각수가 순환하는 회로와 각 구성품들을 나타내었다. 현재 하이브리드 자동차의 난방시스템은 엔진을 순환하는 냉각수가 공조 장치의 히터 코아(Heater core)로 공급되고, 차가운 외기가 이 열교환기와 열교환하여 따뜻하게 데워진 공기에 의해 실내온도가 상승하게 되는 것이다.
Schematic diagram of coolant flow path both engine and electric parts with test vehicle
인버터를 비롯한 전력 변환기 등 각종 전장부품의 냉각 회로는 Fig. 3의 하단처럼 볼 수 있다. 우측에 위치한 전장 리조버 탱크에서 하이브리드 제발전기(HSG, Hybrid Start-Generator)를 지나, 전장부품 라이디에이터(Elecric radiator)에서 냉각된 후 오일펌프(OPU, Oil Pump Unit)를 지나, 하이브리드 제어기(HPCU, Hybrid Power Control Unit)를 거쳐 다시 리조버 탱크로 순환하는 구조로 전동 워터 펌프를 이용하고 있다.
2.2 환경제어 풍동 및 시험조건
Fig. 4는 실차 환경제어 풍동의 개략도와 제어범위를 보여주고 있다. 환경제어 풍동은 밀폐된 공간에서 온도와 습도, 일사량 및 주행풍까지 조절이 가능하다. 새시 다이나모를 갖추고 있어 실차 상태에서 평지주행과 언덕길 주행 등 다양한 주행 모사가 가능하며, 냉동기와 보일러를 이용하여 풍동내 온도와 습도제어로 다양한 외기와 천정에는 태양광과 파장대가 가장 유사한 할로겐계 램프를 설치하여 일사량을 모사할 수 있기 때문에 실제 차량이 운행하면서 부딪힐 수 있는 다양한 환경 조건에서의 시험이 가능하다. 일사량의 경우, 별도로 Kipp & Zonen사의 CMP6 모델의 Pyranometer를 사용하여 일사량을 측정하였으며, 감도(Sensitivity)는 13.52 ㎶/W/m2이고, 사용 온도범위는 –40 ~ 80 oC, 최대 4000 W/m2까지 측정이 가능하다.
Specification and schematic diagram of climate control wind tunnel
시험은 먼저 에어컨 시험부터 진행을 하였다. 에어컨 시험은 여름철 차량 사용조건을 모사하여 외기온 40 oC, 상대습도는 60 %, 일사량은 830 W/m2에서 차량을 방치하여 실내 평균온도가 55 oC에 도달하면, 에어컨 시스템을 최대냉방으로 설정하여 내기 순환(Recirculation mode)과 얼굴 모드(Vent mode)로 작동하면서 성능을 평가하였다. 이때 차량은 각 주행속도별(50 km/h, 100 km/h, Idle)로 30분씩 시험을 진행하였다. 상세한 시험 조건은 Table 2를 참조하기 바란다.
Experimental condition of air-conditioning system performance evaluation
이어서 최대 난방 성능 시험을 진행하였으며, 상세한 시험 조건은 Table 3에 정리를 하였다. 최대 난방 성능 시험은 겨울철에 차량 공조를 사용하는 조건을 모사하여 영하 20 oC의 외기에서 장시간 방치한 후 차량에서 온도가 가장 늦게 떨어지는 엔진오일을 기준으로 -15 oC에서 난방장치를 가동하면서 성능을 평가하였다. 이때 일사는 없고, 공조 장치는 최대 난방으로 설정하고 외기 유입(Fresh mode)과 바람의 토출 방향은 발 방향(Floor mode)이다. 차량은 50 km/h로 20분간 주행을 하고, 이후 정차 조건(Idle)에서 5분, 다시 100 km/h로 15분간 주행을 하고, 다시 정차 조건에서 25분이다.
Experimental condition of heating system performance evaluation
최대 난방 성능 시험의 경우, 공조 장치의 작동이 엔진의 작동 또는 연비에 미치는 영향을 확인하기 위하여 -20 oC의 외기에서의 시험 이외에도 -15 oC, -7 oC 및 0 oC의 외기에서 시험을 진행하여 차량의 주행 상태뿐만 아니라 외기온도에 따라서도 달라지는 엔진의 거동과 이차 전지의 충전량, 냉각수 온도 변화를 살펴보았다.
3. 실험 결과 및 고찰
3.1 최대 냉방 성능 시험
먼저 외기온 40 oC에서 시험한 최대 난방 성능 시험은 각각 2회 시험을 하였다.
Fig. 5를 보면 차량이 주행하면서 에어컨이 작동하게 되므로 증발기를 지난 공기는 급격히 차가워져 실내로 토출되고, 실내는 빠른 속도로 냉각된다. 1차와 2차 시험 결과가 모두 토출 공기 온도와 실내 평균온도는 거의 비슷하여 큰 차이가 없음을 알 수 있다. 이때 차량은 50 km/h로 30분, 100 km/h로 30분간 주행 후, 정차해서 30분간 시험을 진행하게 된다.
Experimental results of discharge air and average cabin temperature at air-conditioning system test
Fig. 6은 최대 냉방 성능 시험을 진행하는 동안 엔진의 작동과 이차 전지의 충전 상태량 변화, 냉각수의 온도 변화를 살펴보았다. 차량의 주행조건에 따라 달라지기는 하지만, 차량이 50 km/h로 주행할 때 이차 전지의 충전 변화량이 대략 40 ~ 70 %, 100km/h로 주행 시는 60 ~ 85 %, 정차시는 30 ~ 40 %에서 충전과 방전을 반복하고 있다. 충전량이 변동함에 따라 엔진 냉각수 온도도 약간씩 변동하는데 차량이 50 km/h 주행 시는 85 oC에서 엔진이 작동하고, 95 oC에서 엔진이 멈춤을 반복하였고, 100 km/h로 주행할 때는 94 oC에서 엔진이 작동하고, 106 oC에서 엔진이 멈추었고, 정차 시에는 약 92 oC에서 엔진이 작동을 하고, 103 oC에서 엔진이 멈춤을 반복하였다. 공조제어기의 냉각수온 변화에 대한 엔진의 정지와 가동 조건을 보면 냉각수온이 40 oC에서 엔진을 작동하고, 50 oC에서 엔진 정지 신호를 보내게 되므로 냉각수온 보다는 이차 전지의 충전 변화량에 따라 엔진이 작동과 멈춤을 반복한 것으로 보인다.
Experimental results of battery SOC and engine operating characteristics at air-conditioning system test
Fig. 7은 최대 냉방 성능 시험을 진행하는 동안 엔진이 정지 및 작동하는 시간에 대하여 살펴보았다. 1차 시험과 2차 시험결과가 약간은 차이가 있지만, 차량이 50 km/h로 주행할 때에는 46.2 ~ 46.5 % 엔진이 정지 하며, 100 km/h 주행 시는 14.4 ~ 15.1 %, 정차 시에는 58.5 ~ 60.6 % 수준에서 엔진이 작동하지 않았다. 이는 차량이 50 km/h 이상의 속도로 주행을 하더라도 이차 전지의 전력이 충분하면 엔진 작동을 멈추고 모터를 이용하여 일부분 주행을 하는 것으로 보인다.
Experimental results of engine on and off time at air-conditioning system test
Fig. 8은 에어컨 성능 시험을 하는 동안 전장 부품에 냉각수를 공급하는 전동 워터 펌프(EWP, Electric Water Pump)의 작동 상태를 확인하였다. 엔진이 정지와 작동을 반복하는 동안 전장부품 냉각용 워터 펌프의 냉각수 온도는 약 38 ~ 46 oC에서 변동하며, 100 km/h로 주행 시에는 냉각수 온도가 조금 낮아졌다가 정차 시에 온도가 급격히 올라가 최대 63 oC까지 상승하였다. 전동 워터 펌프의 유량은 큰 변동 없이 약 4 ℓ/min으로 흐르다가 정차 시에는 8 ℓ/min까지 상승하였다.
Experimental results of electric parts water temperature and flow rate at air-conditioning system test
3.2 최대 난방 성능 시험
Fig. 9는 외기온 -20 oC에서 시험한 최대 난방 성능 시험 결과이다. 시험은 최대 냉방 성능 시험과 동일하게 각각 2회씩 하였다. 상세 시험 조건은 Table 3에 나타내었다. 실내 평균온도가 -20 oC에서 시작하여 차량이 주행함에 따라 엔진이 작동되게 되고, 점차로 냉각수 온도도 상승하여 뜨거운 냉각수는 히터 코아로 공급되어 실내온도도 점차로 상승하였다. 최대 난방 성능 시험 결과, 1차와 2차 시험 때 토출 공기온도와 실내온도가 차이가 있음을 볼 수 있다. 이에 대한 원인을 Fig. 10에서 살펴보자.
Experimental results of discharge air and average cabin temperature at heating performance test
Experimental results of at 1st and 2nd at heating performance test
Fig. 10은 최대 난방 성능 시험에서 1차 시험과 2차 시험과의 온도 차이 발생에 대한 원인을 분석하였다. 먼저 Fig. 10(a)를 보면 시험을 시작하는 시점에서 이차 전지의 충전상태량이 다른 것을 볼 수 있다. 또한 동일하게 50 km/h를 주행하는데도 불구하고 엔진의 회전수가 차이가 나는 것을 볼 수 있다. 이러한 영향이 Fig. 10(b)에 좀 더 상세히 살펴보면, 1차 시험과 2차 시험간에 이차 전지의 충전량이 약 20 % 차이가 나고, 충전량이 낮은 1차 시험의 경우 빠르게 이차 전지를 충전하기 위하여 엔진 회전수 보상 로직이 작동하여 약 500 rpm 정도 회전수가 높았다. 이로 인하여 엔진 냉각수 온도도 약 12 oC높게 나타난 것이었다. 하이브리드 차량을 시험할 때에는 이차 전지의 충전상태가 공조 성능에 영향을 미치게 되므로 시험 시작 전에 이차 전지의 충전 상태를 확인하는 것이 필요하다.
Fig. 11은 외기온 -20 oC에서 2차로 시험한 최대 난방 성능 시험한 결과이다. 차량이 주행하면서 이차 전지의 충전량이 변동하는 것을 볼 수 있다. 이때 공조 제어기에서는 냉각 수온이 80 oC가 되면 엔진을 정지하고, 70 oC가 되면 엔진가동을 하이브리드 제어기에 요청하게 된다. 50 km/h로 주행할 때에는 냉각 수온이 충분히 상승하지 않았기 때문에, 이차 전지의 충전량이 75 ~ 85%로 변동하며, 모터가 엔진을 보조하면서 운전하는 충전지속 모드(Charge sustain mode)로 작동하며, 100 km/h로 주행시는 이차 전지의 충전량이 70 %에서 엔진이 정지하고, 다시 55 %에서 엔진이 작동하였고 이때 엔진 냉각수온은 70 oC와 83 oC를 반복하였다. 정차시는 이차 전지의 충전량이 55 %에서 엔진이 작동하기 시작하였으며, 이때 냉각수온은 70 oC였다.
Experimental results of battery SOC and water temperature at engine on and off during heating performance 2nd test
Fig. 12는 다양한 외기(-20 oC, -15 oC, -7 oC, 0 oC)에서 최대 난방 성능시험을 하면서 엔진의 작동과 정지 시간을 비교하였다. 차량이 차가운 환경에 방치되었다가 냉시동(Cold start) 후 주행하는 50 km/h에서는 엔진이 충분히 데워지기 전까지는 엔진이 대부분 작동을 하며, 100 km/h로 주행하면서 냉각수가 충분히 상승하고 나면 엔진이 정지하기 시작한다. 이후 정차 시에도 100 km/h 주행의 영향을 받아 냉각 수온에 따라 엔진이 정지와 작동을 반복하였다. 전반적으로 외기온이 높을수록 엔진이 정지하는 시간이 길어지는 경향이며, 이는 공조 장치의 사용과 연관 지어 외기온이 높을수록 냉각 수온이 빨리 상승하기 때문으로 생각된다.
Experimental results of engine off time during heating performance test at various outside temperature
Fig. 13은 다양한 외기 조건(-20 oC, -15 oC, -7 oC, 0 oC)에서 엔진이 정지한 후 다시 작동할 때까지 전동 워터 펌프(EWP, Electric Water Pump)에 의해 순환하는 엔진 냉각수의 열량이다. 동일한 패턴으로 차량이 주행을 하지만, 외기온이 -20 oC와 -15 oC, -7 oC에서는 주행 초기인 50 km/h 주행에는 엔진이 정지하지 않지만, 이후 100 km/h로 주행할 때에는 엔진이 정지하며, 이때 냉각수의 발열량은 7000 kcal/h를 넘는다. 외기온 0 oC에는 앞선 외기온도와는 조금 다르게 50 km/h 주행 초기부터 엔진이 작동과 정지를 반복하며, 이때 냉각수의 발열량은 5500 kcal/h 이상이다. 이상의 결과로 볼 때 엔진이 정지한 후에도 데워진 냉각수의 잠열을 이용하여 짧은 시간동안은 차 실내 난방에 도움을 줄 수 있을 것이다.
Experimental results of coolant heat capacity after engine off at heating performance test
Fig. 14는 전장 부품에서 발생하는 발열이 향후 연구과제인 히트펌프 시스템에서 폐열로 이용할 수 있을지에 대하여 살펴보았다. 하이브리드 제어기와 제네레이터(Hybrid start generator)에서 발생하는 열량을 다양한 외기(-20 oC, -15 oC, -7 oC, 0 oC)에서 분석하였고, 전장 부품 중에서는 하이브리드 제어기의 발열이 가능 높았았다. 외기온 -7 oC에서 50 km/h로 주행시는 약 280 kcal/h의 열량이 하이브리드 제어기에서 발생하였고, 이후 주행을 지속하면서 100 km/h에서는 약 750 kcal/h, 정차 시에는 1100 kcal/h의 발열이 있었다.
Experimental results of electric parts heat capacity after engine off at heating performance test
4. 결 론
하이브리드 자동차에서 공조 장치를 작동하면서 외기 온도별로 냉, 난방 성능시험을 진행하여 엔진의 작동특성과 냉각수온과 이차 전지의 충전상태량 변화를 분석하여 다음과 같은 결론을 얻었다.
- 1) 최대 냉방성능 시험(외기온 40 oC)에서는 이차 전지의 충전 상태량에 따라 엔진이 작동과 정지를 반복하며, 전체 주행시간 대비 50 km/h는 46.5 %, 100 km/h는 15.1 %, 정차시는 58.2 % 정도 엔진이 정지하였다.
- 2) 최대 난방성능 시험(외기온 -20 oC)에서는 50 km/h 주행시는 이차 전지의 충전상태에 따라 엔진이 작동과 멈춤을 반복하며, 냉각 수온이 충분히 상승한 100 km/h에서는 냉각수온이 70 oC에서 엔진이 작동하며, 83 oC에서 멈춤을 반복하였다.
- 3) 다양한 외기 조건(-20 oC, -15 oC, -7 oC, 0 oC)에서 최대 난방성능 시험을 한 결과, 외기온이 높을수록 엔진이 정지하는 시간이 점차로 길어졌다.
- 4) 온 운전시 공조 장치의 작동은 엔진의 작동시간에 영향을 미치며, 주행조건에 따라 약간씩 다르지만 대략 외기온 -20 oC에서는 25.5 %, -15 oC는 30.1 %, -7 oC는 32.5 %, 0 oC는 64.4 % 정도 엔진이 정지하였다.
- 5) 저온 운전시 전장 부품(하이브리드 제어기, 제네레이터, 전장부품 라디에이터)에서 측정한 냉각수온은 하이브리드 제어기가 가장 높았으며, 최대 냉방성능 시험시는 63 oC, 최대 난방성능 시험시는 30.5 oC까지 수온이 상승하였다.
본 연구를 바탕으로 향후에는 하이브리드 자동차에서 히트펌프 시스템을 적용하여 저온시 연비를 향상할 수 있는 방안에 대하여 연구를 진행할 계획이다.
Acknowledgments
A part of this paper was presented at the KSAE 2023 Fall Conference and Exhibition
본 연구는 2022년 산업통상자원부의 자동차산업 기술개발(그린카) 연구비 지원을 받아 수행되었습니다(과제번호: 20018568).
References
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- Korea Energy Agency, Study on the Development of PHEV Fuel Efficiency Evaluation and Improvement of EV, HEV Test Method, Final Report, 2012.
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I. Chung, M. Kim, H. Kang, J. Park and J. Lee, “Fuel Economy Analysis of Hybrid Electric Vehicles in On-Board Driving Condition,” Transactions of KSAE, Vol.25, No.4, pp.408-414, 2017.
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