Editorial Board

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.

Fig. 2 
Mild hybrid vehicle modeling

연구 대상 유압 시스템은 Fig. 1과 같이 구성하였다. 엔진과 기계적으로 연결된 기계식 오일펌프는 메인 유압 라인에 직결되어 유량을 발생시킨다. 모터에 의해 작동하는 전기식 오일펌프는 체크 벨브를 거쳐 메인 유압 라인에 연결되어 있다. 체크 벨브는 메인 유압 라인의 유량이 전기식 오일펌프 방향으로 역류하는 것을 방지하도록 되어 있다. 따라서 전기식 오일펌프는 모터의 작동 여부에 따라 결정되도록 구성하였다.

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

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.

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.

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.

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.

Fig. 4 
Structure of dynamic programming

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

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.

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