2.1 실험장치 구성

본 실험에서 사용한 동력계는 AVL 사의 48inch single roll ZÖLLNER 차대동력계이며 이는 장비 System에 차량의 공차중량, 공기저항, 구름저항 등을 입력하여 공도주행을 모사할 수 있는 장비이다. 최대 4500kg 의 전륜 또는 후륜 구동 방식의(2axle 구동방식) 차량 실험을 위해 설계되었다.

데이터 측정은 차량의 OBD를 통해 측정하였으며 LabVIEW 프로그램을 이용하여 GUI(Graphic User Interface)기반으로 측정시스템 설계를 구성하였다. 주행모드는 차량의 전면 유리에 Driver's Aid를 부착하여 Dynamometer Control Unit와 연동하여 주행모드의 타겟 속도와 차량의 실제 속도가 실시간으로 모니터링 된다. 그리고 주행하며 측정된 차량의 데이터는 OBD 단자를 통해 DAQ Board를 거쳐 노트북에 저장된다. 실험실 온도 환경은 Air Conditioner System을 통해 20~25℃를 유지하며 실험이 진행되었다. Fig. 1은 해당 실험의 전체적인 구성과 개략도를 나타내는 그림이다.

그림 1. 장비 구성 및 데이터 수집

Fig. 1. Equipments setting and data acquisition

본 연구에서 사용된 적산전류계는 10ms으로 데이터를 취득하였으며 배터리팩에서 인버터로 인가되는 고전압 케이블에 적산전류계의 후크를 걸어 전류를 직접 측정하였다. 적산전류계는 HIOKI사의 CT6845-05를 사용하였다. 측정위치는 Fig. 2와 같고 적산전류계의 사향은 Table 2와 같다.

그림 2. 테스트 차량에 설치된 적산전류계

Fig. 2. Accumulating ammeter mounted on the test vehicle

2.2 실험방법

서로 다른 특징의 주행모드를 차대동력계에서 차량을 고정시킨 후, 바퀴를 구동시켜 실험을 수행하였다. 실차주행하며 BMS에서 제공하여 OBD 단자에서 읽히는 전류와 적산전류계에서 측정된 배터리의 소모 전류를 비교 분석하였다. 연구에 선정된 주행모드는 주행특징이 다른 3가지 모드를 선정하여, 다양한 실차 운전 조건으로 구성하였다. 각 각의 모드는 정속주행이 특징인 ASM2525모드와 가감속구간이 잦은 UDDS모드 그리고 급가속 및 고속주행이 특징인 US06모드로 주행모드이다. 실험을 위해 사용된 차량은 현대자동차의 2019년식 KONA Electric 모델로 진행하였으며 실시간으로 OBD 단자를 통해 배터리 팩의 전압 및 전류, 그리고 98개 셀 각 각에 대한 전압, 전류, SOC 등의 데이터를 취득하였다. 또한 OBD에서 읽히는 전류와 적산전류계를 이용해 직접 측정한 전류의 오차를 비교하였다. 본 실험에서 적산전류계는 차량 구동계에 설치되기 때문에 실 도로 주행 시 고정을 제대로 하지 않으면 고전압 케이블에서 이탈되어 안전사고 위험이 있으므로, 유의해야 한다.

3.1 주행모드별 특징 분석

3가지 주행모드를 통해 실험을 진행 하였다. 3가지 주행모드는 SI엔진을 장착한 중소형 자동차의 배출가스 정밀검사 모드로서 정속주행이 특징인 ASM2525모드, 차량의 도심주행 경향을 반영하여 가감속이 잦은 것이 특징인 UDDS모드, 급가속 및 고속주행이 특징인 US06모드이다. 각각 주행모드의 최고속도는 40km/h, 91km/h, 130km/h 수준며 가장 큰 가속도를 가지는 주행모드는 US06모드 이다. 또한 주행시간은 ASM2525모드는 335초 UDDS모드는 1370초 US06모드는 600초 이고 주행거리는 각각 3.61km, 12km, 12.88km이다. 주행모드에 관한 세부사항은 Table 3와 같다.

그림 3. 주행모드 속도 프로파일

Fig. 3. Driving mode speed profile

3.2 전류측정 방법 비교

전류측정은 차량의 배터리 팩에서 인버터로 인가되는 고전압 케이블에 적산전류계의 후크를 걸어 전류 값을 직접 측정하였으며 적산전류계의 결과와 OBD에서 읽히는 ‘배터리팩 전류’를 비교하여 오차를 확인하였다. Fig. 4에서 파란색 선은 OBD에서 읽히는 전류이고 빨간색 선은 적산전류계를 이용하여 직접 측정한 전류이다. 두선을 겹치게 하여 두 전류측정 방법에 따른 차이를 Fig. 4에서 확인하였다.

적산전류계로 직접 측정한 전류 값과 차량의 OBD에서 읽히는 값의 차이는 거의 유사하였으며 가장 차이가 심한 구간은 ASM2525모드의 경사구배 10% 주행에서 1.59%의 오차율을 보였다. 이러한 결과를 바탕으로 OBD에서 읽히는 ‘배터리팩 전류’값을 사용하여 전비를 계산하였다. 자세한 수치와 오차율은 Table 4을 통해 표시하였고 오차 산출 식은 식(1)과 같다.

그림 4. 전류측정방법에 따른 전류비교

Fig. 4. Comparison according to current measurement method

4.1 주행모드별 전류소모량 분석

주행모드별 전류소모량을 분석하고 이를 전비로 계산하였다. ASM2525모드 에서는 경사구배 0%, 5%, 10%를 주행했을 때 배터리팩의 전류를 나타내었고 UDDS모드와 US06모드는 경사구배 0%, 5%를 주행하였다. 해당 주행모드는 가감속이 많이 포함된 주행모드이므로 경사구배 10%에 대하여 실험차량의 주행 성능이 부족하였다. 따라서 주행이 가능한 UDDS모드와 US06모드는 경사구배 0%, 5%에 대하여 주행하였다. 각 각의 주행모드에서 배터리팩의 전류를 Fig. 5에 나타내었다. 3가지 주행모드를 경사구배별로 주행한 결과 급가속 및 고속주행이 특징인 US06모드의 경사구배 5% 구간이 16.26Ah로 전류소모량이 가장 컸으며 UDDS모드의 경사구배 5% 구간이 12.91Ah로 그 다음을 이었다. 정속주행이 특징인 ASM2525모드의 경사구배 0% 구간에서는 1.35Ah로 전류소모량이 가장 적게 나타났다.

그림 5. 주행모드별 경사구배에 따른 배터리 소모 전류

Fig. 5. Battery consumption current according to the inclination for each driving mode

4.2 주행모드별 전비 계산

주행모드에 따라서 배터리 충 방전 특성이 다르므로, 이를 정량화하기 위하여 전비를 계산하였다. 실험에 적용된 3가지 주행모드들은 모두 주행거리가 다르므로 전류소모량에 대한 주행거리의 결과인 전비를 계산하였다. 전비 계산방법은 한국산업표준(Korean Industrial Standards, KS)의 KS R 1183을 인용하여^[12] 계산하였으며 에너지 소비 효율 Q의 분모는 전력 분석계를 통해서 얻은 전동기 시스템의 입력 전력을 적산한 것이고, 분자는 모사 차량의 실차 주행 모드 주행 차속을 적산하여 주행거리를 산출한 것이다. 계산은 식(2)와 같다.

where Q : Actual vehicle driving mode simulation energy consumption efficiency (km/kWh)

v(t) : Actual vehicle driving mode driving vehicle speed (km/h)

V(t) : Motor system input voltage (V)

I(t) : Motor system input current (A)

tf : Test completion time (s)

동일한 경사구배 조건에서 주행모드별 전비는 ASM2525, UDDS, US06 순으로 전비가 높았다. ASM2525는 40km/h속도로 정속주행이 특징이며 UDDS는 도심 특성을 반영한 가감속이 잦은 주행이 특징이고 US06은 급가속 및 고속 주행이 특징으로 각 각 모드의 주행특성으로 인해 전비가 차이 난 것으로 판단된다. 모든 경사구배 조건에서의 전비는 ASM2525모드의 경사구배10%가 가장 낮았으며, 경사구배 0%, 5% 에서는 US06모드가 가장 낮았다. 자세한 수치는 Table 5를 통해 표시하였다.