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48V 마일드 하이브리드 차량의 에너지 관리를 위한 Adaptive Equivalent Consumption Minimization Strategy 개발
전지환(Jeehwan Jeon),김원태(Wontae Kim),정명호(Myungho Jung),김태훈(Taehoon Kim),김진(Jin Kim),이영일(Youngil Lee),박성진(Sungjin Park) 한국자동차공학회 2019 한국자동차공학회 학술대회 및 전시회 Vol.2019 No.11
글로벌 배출가스 및 연비의 규제가 지속됨에 따라 친환경 차량의 관심과 개발이 지속되고 있다. 그에 따라 기존의 내연기관 차량의 시스템에서 큰 변화 없이 규제를 만족시키면서 동력 성능을 높이고 전장화에 따른 고 전력 시스템을 대응할 수 있는 48V MHEV(Mild Hybrid Electric Vehicle)에 대한 연구가 진행중이다. 두 가지의 동력원을 사용하는 48V MHEV의 제어 방법은 크게 규칙 제어 기반과 최적 제어 기반의 제어로 나누어 진다. 규칙 기반 제어는 강건한 설계가 가능하지만 실차 시스템에 적용 시 최적의 연비를 얻어내기 어렵고 최적 제어 이론 기반의 제어는 정해진 차량 시스템과 연비모드 내에서의 최적의 연비를 찾아낼 수 있지만 미래의 주행 정보를 알 수 없는 실차 시스템의 적용에는 한계가 있다. 따라서 현재 차량의 상태와 배터리의 SOC에 따라 등가 계수를 조절해가며 실 시간으로 엔진과 모터의 동력 분배 제어를 수행하는 AECMS(Adaptive Equivalent Consumption Minimization Strategy)에 대한 연구가 활발하게 진행 중이다. 본 연구에서는 48V MHEV 실차 실험 데이터 기반으로 개발된 중형 SUV 시뮬레이션 모델을 개발하고 에너지 관리를 위한 동력 분배 제어 전략인 A-ECMS를 개발하였다. A-ECMS를 통해 연비모드 WLTC에서 전력소모량의 증가에 따라 Rule-based 모델 대비 A-ECMS 모델의 연비 향상도 및 배터리의 에너지 변화량을 비교하였다.
저온 특성을 반영한 등가 회로 기반 48V 마일드 하이브리드 자동차 동적 배터리 모델 개발
전지환(Jeehwan Jeon),노정우(Jungwoo Noh),김원태(Wontae Kim),김태훈(Taehoon Kim),김진(Jin Kim),이영일(Youngil Lee),박성진(Sungjin Park) 한국자동차공학회 2019 한국자동차공학회 부문종합 학술대회 Vol.2019 No.5
48V 마일드 하이브리드 자동차의 연비 및 동력 성능 개선을 위해 기존 기계부품의 전동화와 12V 전장 부품의 승압화에 대한 연구가 진행되고 있다. 하지만, 48V 전장 부품의 종류에 따라 순간 대 전력 사용 시 배터리의 전압 안정성 문제가 발생하게 된다. 따라서 전장 부품의 선정 시 배터리 전압 안정성에 대한 정확한 예측이 필요하다. 본 연구에서는 48V 마일드 하이브리드 자동차 전당 부품의 전력 사용에 따른 배터리 전압 거동을 예측하기 위해 48V 마일드 하이브리드 자동차용 배터리 팩 실험을 진행하였으며, 이를 기반으로 Equivalent Circuit Model(ECM)을 개발하였다. ECM은 First order RC Model 기반으로 개발되었으며, 온도 별 차량 전력 모사 실험을 통해 상온과 저온의 배터리 저항을 반영한 파라미터를 적용하였다. 특히 저온의 경우, 일정 온도 이하에서 배터리의 저항이 급격하게 증가하는 경향을 보이기 때문에 이를 반영한 모델을 구성하였다. 개발된 ECM은 연비 모드에서의 배터리 전압 검증을 위해 48V 마일드 하이브리드 중형 SUV 실차 실험에서 배터리의 충, 방전 전류에 따른 전압거동과 비교하였다.
Battery Hardware In the Loop Simulation을 이용한 전력 제어 및 온도 별 전기자동차 전력 시스템 비교
전지환(Jeehwan Jeon),장지환(Jihwan Jang),노정우(Jungwoo Noh),박성진(Sungjin Park) 한국자동차공학회 2021 한국자동차공학회 부문종합 학술대회 Vol.2021 No.6
전기자동차의 동력 및 전력 부하 시스템은 일 충전거리에 영향을 준다. 전기자동차의 전력 시스템 증가에 따라 제어를 통해 동일한 전력 에너지 상황에서 고전압 배터리 시스템의 전압 안정성 및 State Of Charge (SOC) 개선이 가능하다. 전력 시스템 및 고전압 배터리 시스템에 대한 평가 및 개선을 위해서는 많은 파라미터 조건에서의 검증이 필요하고, 배터리의 경우 온도와 충, 방전 전력의 크기에 따라 화학적인 거동의 차이가 발생해서 모델 만으로는 정확한 배터리 시스템의 거동을 모사할 수 없다는 단점이 있다. 또한, 배터리 시스템의 평가를 위한 실차 실험은 많은 시간과 비용이 소요가 된다. 따라서, 본 연구에서는 Battery Hardware In the Loop Simulation(Battery HILS) 시스템을 통해 실차 기반의 검증된 차량 모델을 개발하고 실제 배터리를 사용해 전력 시스템의 제어로직 및 온도 별 배터리 시스템 거동을 비교, 분석하였다. 이를 통해 전기자동차의 전력 시스템의 로드 레벨링 전략을 통해 같은 전력 소모량에서 배터리 전압강하 및 SOC에 대한 개선을 확인하였다. 또한, 25℃, -7℃, -20℃의 온도 조건의 같은 전력 상황에서 배터리 전압 강하에 따른 SOC차이가 연비모드 WLTP 기준 최대 1.2%의 차이를 확인하였다.
48V 마일드 하이브리드 차량의 연비향상을 위한 제어전략 분석
전지환(Jeehwan Jeon),이재준(Jaejune Lee),박민규(Mingyu Park),박성진(Sungjin Park) 한국자동차공학회 2017 한국자동차공학회 학술대회 및 전시회 Vol.2017 No.11
본 연구에서는 48V 마일드 하이브리드 차량 모델을 개발하여 48V 하이브리드 시스템의 연비 향상 효과를 분석 하였다. 본 연구에 사용된 48V 마일드 하이브리드 차량은 12V 내연기관 시스템의 Starter와 Alternator를 대체하는 48V Belt-driven Starter and Generator(BSG)와 DC/DC 컨버터, 48V/12V 듀얼 배터리 시스템, 전력 제어 시스템으로 구성된다. 48V 마일드 하이브리드 차량은 감속 시 발전제어를 통해 회생에너지를 전기에너지로 저장하여 연비를 향상시킨다. 또한 정차 시, Idle Start & Stop(ISS) 전략을 통해 연료를 차단하여 연비를 증가시킬 수 있고, 가속 시, BSG를 이용한 토크 어시스트제어를 통해 엔진의 토크 부하를 줄여 연료의 사용을 줄일 수 있다. 본 연구에서는 AVL Cruise를 이용해 48V 마일드 하이브리드 차량 모델을 개발하였고, NEDC 사이클 에서의 가속, 감속 시 BSG의 충, 방전 에너지를 분석하였다. 그리고 그 결과를 기존의 비발전제어 차량, 마이크로 하이브리드 차량의 시뮬레이션 결과와 비교하였다. 본 연구를 통해 개발된 48V 마일드 하이브리드 차량모델은 제어 파라미터 최적화와 하드웨어 인 더 루프 시뮬레이션 시스템에 사용될 계획이다.
48V 마일드 하이브리드 차량에서 전동식 A/C compressor 의 연비 영향 분석
김원태(Wontae Kim),전지환(Jeehwan Jeon),김태훈(Taehoon Kim),김진(Jin Kim),이영일(Youngil Lee),박성진(Sungjin Park) 한국자동차공학회 2019 한국자동차공학회 부문종합 학술대회 Vol.2019 No.5
최근 글로벌 자동차회사들은 강화되고 있는 이산화탄소 배출량 규제와 연비 규제에 대응하기 위해 기존 내연기관 차량의 전동화 연구에 집중하고 있으며 그에 따라 기계식 차량부품의 전장화 연구도 활발해지고 있다. 기존 내연기관에 적용된 기계식 Air Conditioning(A/C) compressor는 보기류 중 가장 많은 부하를 차지하며 Idle 상황에서 A/C 작동 시 연료 소모량이 크게 증가하였다. 또한 하이브리드 차량에 Idle Stop and Start(ISS) 제어가 적용되면서 기계식 A/C compressor는 ISS상황에서 작동할 수 없게 되었다. 따라서 여러 가지 기계부품이 전장화 되고 있는 상황에서 기계식 A/C compressor는 주요 전장화 대상이 되고 있다. 하지만 전동식 A/C compressor 작동 시 여전히 큰 연비 감소를 보인다. 본 연구에서는 48V 마일드 하이브리드 차량에서 전동식 A/C compressor가 차량 연비에 미치는 영향을 분석하였다. 차량 모델은 실차 실험 데이터를 사용하여 검증된 48V 마일드 하이브리드 차량 모델을 개발하였으며 차량 제어 전략으로는 Rule Based 및 Equivalent Consumption Minimization Strategy (ECMS)을 적용하였다. 전동식 A/C compressor는 연비모드 SC03에서 실측한 전동식 A/C compressor 소모 동력 프로파일을 사용하였으며 전동식 A/C의 ON/OFF 상황에서 엔진의 POWER, BSFC와 Mild ybrid Starter and Generator (MHSG)의 POWER, 효율 및 손실 에너지를 통해 연비에 미치는 영향을 분석하였다.
12V 듀얼 배터리 시스템 아키텍처에 따른 마이크로 하이브리드 차량의 연비 및 전기 에너지 비교
박민규(Mingyu Park),전지환(Jeehwan Jeon),오현종(Hyunjong Oh),박성진(Sungjin Park) 한국자동차공학회 2018 한국자동차공학회 부문종합 학술대회 Vol.2018 No.6
최근 연비 향상을 위해 12V 마이크로 하이브리드 차량에 충전 수입성이 좋은 리튬 이온 배터리 사용이 증가하고 있다. 하지만 기존 납산 배터리 대비 리튬 이온 배터리의 가격이 비싸기 때문에 가격 상승 대비 연비 향상을 실현하기 위해 많은 자동차 업체들은 납산 배터리와 리튬 이온 배터리를 동시에 사용하는 듀얼 배터리 시스템을 개발하고 있다. 듀얼 배터리 시스템은 기존의 납산 배터리와 함께 작은 용량의 리튬 이온배터리를 같이 사용함으로써 비교적 적은 비용으로 납산 배터리와 리튬 이온 배터리의 장점을 모두 살릴 수 있는 시스템이다. 이러한 듀얼 배터리 시스템은 단순히 두 배터리를 병렬 연결하여 충방전 성능을 높이기도 하지만, 두 배터리 사이에 스위치나 DC/DC 컨버터를 사용해 충전과 방전을 제어하는 다양한 아키텍처가 개발되고 있다. 본 연구에서는 납산 배터리와 리튬 이온 배터리 사이에 스위치가 없는 Passive 듀얼 배터리 시스템과 스위치가 있는 Active 듀얼 배터리 시스템의 비교를 위해 실차시험으로 검증된 파워트레인 모델을 사용하여 Passive/Active 듀얼 배터리 시스템 차량 모델을 개발하였다. 또한 이 두 가지 아키텍처의 듀얼 배터리 시스템 차량 모델과 실제 12V 배터리를 이용하여 HILS(Hardware In the Simulation)를 통한 사이클 시뮬레이션을 수행하였고, 연비모드에서의 연비 특성과 전기에너지를 비교하였다.