제19장 대체연료 자동차 19-1 전기 자동차 ,Electric Vehicles : EVs 19-1-1 전기 자동차의 구조 전기 자동차는 전기를 에너지원으로 하는 전동기(電動機,Electric motor)를 구동하여 주행하는 자동차이다. 따라서 전기 자동차는 축전지, 제어장치, 전동기의 세 가지 주요부로 구성되므로 왕복식 내연기관 엔진을 이용하는 자동차에 비교하면 그 구조가 매우 간단하다. 전기 자동차는 내연 기관 자동차의 연료 대신에 전지의 전기 에너지를 사용하고, 기관 대신에 전동기와 제어장치를 사용하므로 축전지의 성능은 전기 자동차의 성능에 영향을 미치는 주된 인자가 된다. 바퀴 (a) 전기 자동차 (b) 가솔린 자동차 그림 20-1 전기 자동차와 가솔린 자동차의 비교
Power TorqueVelocity Speed Figure Ideal performance characteristics for a vehicle power plant 자동차 엔진의 이상성능특성
Ideal Power, Torque characteristics (b) T, N characteristics of ICE n (rpm) Ideal Power, Torque characteristics (b) T, N characteristics of ICE 내연기관 : Internal combustion engine
ZEV (Zero Emission Vehicles): Minimum requirement HEV : Hybrid Electric Vehicle LDT : Light Duty Vehicle PC : Passenger car ULEV : ultra-low emission vehicle(超低排出가스車 ) SULEV : super ultra-low emission vehicle TLEV – Transitional Low Emission Vehicle LEV – Low Emission Vehicle ULEV – Ultra-Low Emission Vehicle SULEV – Super-Ultra Low Emission Vehicle ZEV – Zero Emission Vehicle 低公害車(LEV）大気汚染物質의 排出이 적고、環境으로의 負荷가 적은 자동차: 電気自動車、메탄올自動車、圧縮天然가스自動車, 하이브리드自動車의４車種을 말한다。 LEV l(regulation) LEV ll HC CO NOx LEV 0.075 3.4 0.2 0.05 ULEV 0.040 1.7 SULEV 0.010 1.0 0.02
2009 President Obama announced a new national fuel economy and emissions policy: Fleet mileage for cars will have to average 42 mpg, and trucks(light truck) will have to average 26 mpg by 2016.
전기 자동차의 특징 19-1-2 전기 자동차의 특징 ① 대기 및 환경 공해를 방지할 수 있다. ② 구조가 간단하다. ③ 2차 전지(충전가능)에 저장된 전기 에너지를 이용하여 회전 동력을 얻는다. ④ 배출가스가 없으므로 배기 장치가 불필요하다. ⑤ 에너지원의 다변화가 가능하다. ⑥ 에너지 종합 효율이 가솔린보다 높다. ⑦ 소음이 가솔린 자동차의 1/4 정도이다. ⑧ 조작이 간단하다. ⑨ 1회 충전으로 주행할 수 있는 거리가 제한된다. ⑩ 중량이 무거워서 가속성이 나쁘다.
표 20-1 가솔린 자동차와 전기 자동차의 주행거리 비교
19-2 하이브리드 자동차 19-2-1 하이브리드 자동차의 원리 및 형식 하이브리드 시스템(hybrid system)은 전기와 다른 동력원을 조합한 시스템 19-2-2 하이브리드 전기 자동차의 형식 (1) 직렬형 하이브리드 시스템 (Series hybrid electric vehicle, Series HEVs) 엔진(내연기관, Internal combustion engines;ICE)은 단지 발전기를 구동하여 전기 에너지를 만들어 축전지에 충전하거나 전동기를 구동하기 위하여 작동하는 방식이다
직렬형 하이브리드 시스템의 장단점 (가) 직렬형 하이브리드 시스템의 장점 ⓛ 엔진-발전기 시스템의 설치 위치의 자유도가 크다. ② 구동 시스템이 단순하다. ③ 단거리 주행(short trip)에 적합하다. (나) 직렬형 하이브리드 시스템의 단점 ① 엔진, 발전기, 전동기의 3가지 추진 요소가 필요하다. ② 전동기는 차의 주행최대 구동력을 얻을 수 있도록 설계해야 한다. 그러나 자동차는 대부분의 경우 최대동력(maximum power) 이하에서 작동된다. ③ 3구동요소가 고속, 장거리를 운행할 수 있도록 최대 구동력을 갖추어야 하므로 축전지가 빨리 소진된다.
(2) 병렬형 하이브리드 시스템 (Parallel hybrid electric vehicle, Parallel HEVs) 복수의 동력원(엔진, 전동기)을 설치하고, 주행상태에 따라 한쪽의 동력을 이용하여 구동하는 방식 시동으로부터 일정속도에 도달하기 전까지는 축전지의 출력을 이용해 전동기로 주행 정속주행할 때는 엔진 출력을 이용하며, 최고속도로 가속시는 엔진과 전지의 출력을 함께 이용하는 방식이다.
(가) 병렬형 하이브리드 시스템의 장점 ⓛ 내연기관 엔진과 전동기/발전기 요소가 필요하다. 전동기는 발전기와 그 역도 가능하다. ② 소용량의 엔진 동력과 소용량 전동기 출력으로 운전이 가능하다. 총동력을 발생하기 위해서 엔진과 전동기는 최대 동력의 1/2만 발생하면 된다. (나) 병렬형 하이브리드 시스템의 단점 ① 동력의 제어 및 혼성작동이 이루어지므로 제어 기술이 복잡해진다. ② 엔진과 전동기의 동력 혼성이 이루어지므로 기계장치가 복잡해진다.
(Series-parallel hybrid electric vehicle, Series-parallel HEVs) (3) 직렬-병렬형 하이브리드 시스템 (Series-parallel hybrid electric vehicle, Series-parallel HEVs) 직렬형과 병렬형의 장점을 복합한 형식이다. 기본 구조 : 병렬형을 기초로 하고 있으며 동력 분리 장치(power split device)를 두어 운전 조건에 따라 엔진(ICE)으로부터의 동력을 구동축을 통하여 앞바퀴로 전달하는 것과 전동기로 나가는 것을 분리하는 역할을 한다. 발전기를 통하여 전달되는 동력은 축전지를 충전하는데 사용된다. 전동기는 엔진과 병렬로 앞바퀴로 동력을 전달한다. 인버터 : 발전기로부터 보내진 에너지를 축전지에 충전하는 작용과 전동기로 동력을 보내는 일을 한다. 자동차가 급가속할 때 : 동력은 엔진과 전동기로부터 구동축으로 전달되어 바퀴를 구동한다. 중앙제어 유닛 : 각종 센서로부터 보내오는 피드백 신호로부터 시스템의 동력흐름을 제어한다.
(가) 직렬-병렬형 하이브리드 시스템의 장점 ⓛ 동력분리장치에 의하여 구동륜과 발전기에 동력을 연속적으로 분배할 수 있다. ② 전동기가 전기동력을 발생하면서 발전할 수 있으므로 병렬형보다 전동기의 사용범위가 더 넓다. (나) 직렬형-병렬형 하이브리드 시스템의 단점 ① 엔진, 동력분배장치, 발전기, 전동기의 4가지 추진 요소가 필요하다. ② 시스템 구조 및 제어 시스템이 복잡하고 비용이 많이 든다. (c) 그림 20-14 HEV시스템의 엔진과 전동기의 작동비율
양호함 우수함 매우
출발, 저속, 주속 등 : 전동기에 의해 주행, 내연기관은 정지 직렬병렬형 하이브리드자동차 Gasoline engine, AC motor, Ni-MH(netal hydride battery): 니켈 – 금속수소화물 시동 및 저속-중속 범위 출발, 저속, 주속 등 : 전동기에 의해 주행, 내연기관은 정지
정상 주행 조건
급가속
전동기는 바퀴의 구동에 의하여 고출력 발전기로 작동 감속 및 제동 전동기는 바퀴의 구동에 의하여 고출력 발전기로 작동 운동에너지는 전기에너지로 회수
재충전 엔진이 발전기구동하여 충전
하이브리드 자동차의 변속기 PSD, 발전기, 전동기,감속기어로 구성 출력축 – 전동기와 바퀴에 연결 출력축 - 발전기에 연결
동력분리장치