직접 메탄올 연료전지(Direct Methanol Fuel Cell, DMFC)

자동차 학습/수소(연료전지)자동차 2020. 10. 15. 09:25 Posted by 자동차 전문 교육 자동차 역사가

직접 메탄올 연료전지(Direct Methanol Fuel Cell, DMFC)

 직접 메탄올 연료 전지(DMFC)는 메탄올을 직접, 전기화학 반응시켜 발전하는 시스템이다. 전해질은 이온 교환막에 인산을 담지 시킨 것이다. 작동 온도는 150로 비교적 저온이다. PEFC와 비교하여 개질기를 제거할 수 있으며, 시스템의 간소화와 부하 응답성의 향상이 도모될 수 있는 장점을 갖고 있다. 그러나 반응 속도가 낮은 것에 의한 저출력 밀도, 다랑의 백금 촉매의 사용과 메탄올과 산화제의 Cross Over(고체 고분자막을 통과하는 것) 등의 단점도 있다.

직접 메탄올 연료전지(DMFC)

 직접 메탄올 연료전지(DMFC)는 고분자 전해질 막을 사이에 두고 양쪽에 각각 음극과 양극이 위치한다. 음극에서는 메탄올과 물이 반응하여 수소 이온과 전자를 생성한다. 생성된 수소이온은 전해질 막을 통해 양극 쪽으로 이동하고, 양극에서는 수소 이온과 전자가 산소와 결합하여 물을 생성 시킨다. 이 때 전자가 외부 회로를 통과하면서 전류를 발생시키는 것이 작동 원리이다.

 실제 사용시에는 출력을 높이기 위해 이러한 단위전지를 여러 개 묶어서 스택을 만들어 사용하는데, 일반적인 연료전지의 스택에서는 양극판(bipolar plate)을 사용하지만 마이크로 연료전지에서는 단극판(monopolar plate)을 사용한다. DMFC는 고분자전해질 연료전지(PEMFC)와 똑 같은 구성요소를 사용하지만, 메타올을 개질하여 수소로 만들 필요가 없어 직접 연료로 사용할 수 있기 때문에 소형화가 가능하다. DMFC PEMFC에 비해 출력밀도는 낮지만, 연료의 공급이 용이하고 2차 전지에 비해 높은 출력밀도를 각지 때문에 자동차의 동력원으로서 2차 전지를 대체할 수 있는 가능성이 매우 높은 것으로 알려져 있다.

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고분자 전해질 연료전지(Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell, PEMFC)

 수소이온을 투과시킬 수 있는 고분자막을 전해질로 사용하는 고분자전해질 연료전지(PEMFC)는 다른 형태의 연료전지에 비해 전류밀도가 큰 고출력 연료전지로서, 100 미만의 비교적 저온에서 작동되고 구조가 간단하다. 또한 빠른 시동과 응답특성, 우수한 내구성을 가지고 있으며 수소 이외에도 메탄올이나 천연가스를 연료 사용할 수 있어 자동차의 동력원으로서 적합한 시스템이다. 이와 같이 PEMFC는 무공해자동차의 동력원 외에도 분산형 현지설치용 발전, 군수용 전원, 우주선용 전원 등으로 응용될 수 있는 등 그 응용 범위가 매우 다양하다.

 PEMFC에 대한 연구는 1955년 미국의 GE에서 처음으로 시작되어 1962년에 이미 1KW PEMFC 스택 2개로 이루어진 모듈을 Gemini 우주선 3호부터 12호에 사용하였다. 이후로 PEMFC를 연료전지자동차 등 민간용으로 응용하기 위한 연구가 전 세계적으로 활발하게 진행되고 있다.

 대기오염의 주원인인 내연기관 차량을 대체할 수 있는 무공해 자동차로는 원래 배터리를 동력원으로 하는 전기자동차가 각광을 박고 있었다. 그러나 배터리를 전기자동차 동력원으로 사용할 겨우 충전 시 많은 시간을 요구하고, 에너지 밀도가 낮아 주행거리가 짧으며 배터리의 수명이 짧은 문제점이 있다. 또한 전기자동차가 상용화 되면 많은 전기 충전소의 설치가 필요하며 여기서 사용되는 전기는 대규모 발전소에서 공급되므로 결국 오염원의 이동에 불과하다고 볼 수 있다. 따라서 전기자동차 동력원으로서의 배터리에 대한 단점을 보완하기 위하여, 연료전지 구동방식 또는 배터리와 연료전지를 동시에 사용하는 혼합형(hybrid) 자동차를 구성하는 방법이 최근에 출시되고 있다.

고분자 전해질 연료전지

 우리나라에서는 1990년대부터 대학을 중심으로 단위 전지에 대한 기초연구를 시작하였으며, KIST 연료전지연구센터에서도 1996년부터 고분자전해질 연료전지 원천기술을 개발을 시작한 후 2000 5KW급 스택을 제작하여 연료전지/배터리 하이브리드 골프 카트에 적용한 적이 있다.

고분자 전해질형 연료전지 특징

1. 고분자 막을 전해질로 사용

2. 촉매로 백금을 사용함으로써 비교적 고가

3. 저온에서 운전으로 사동성이 우수함.

4. 고체 막을 전해질로 사용함으로써 취급이 용이함.

5. 주로 자동차, 가정용으로 개발 

 

 

 

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고체산화물 연료전지(Solid Oxide Fuel Cell, SOFC)

자동차 학습/수소(연료전지)자동차 2020. 10. 14. 08:13 Posted by 자동차 전문 교육 자동차 역사가

고체산화물 연료전지(Solid Oxide Fuel Cell, SOFC)

개요

 3세대 연료전지로 불리는 고체산화물 연료전지(SOFC)는 산소 또는 수소 이온을 투과시킬 수 있는 고체산화물로 전해질로 사용하는 연료전지로써, 1937년에 Bauer Preis에 의해 처음으로 작동되었다.

 고체산화물형 연료전지의 특징은 탄화수소를 직접 전기 변환시킬 수 있는데 있다. 전해질은 안정화된 산화이트늄으로 가스가 스며들지 않은 산 이온이 효율적으로 접촉하고 있는 얇은 산화지르코늄 층이다. Cathode는 안정된 산화이트늄으로 된 지르코늄으로 만들어졌고, anode는 니켈-지르코늄 세라믹 합금으로 만들어졌다.

고체산화물 연료전지 원리

고체산화물 연료전지 전해질

 전해질로서 신소재인 지르코니아(ZrO2)가 사용되며 작동온도가 700~1000로서 매우 고온에서 작동된다. Pt 촉매 없이 반응의 가속화가 가능하며 재료의 부식 및 전해질의 손실, 보충에 대한 문제가 없다. 전지 구성요소가 모두 고체이므로 다양한 형태의 제작이 가능하다.

현재까지 개발된 고체산화물 연료전지의 형태는 다음과 같다.

 SOFC는 현존하는 연료전지 중 가장 높은 온도(700~1000)에서 작동한다. 모든 구성요소가 고체로 이루어져 있기 때문에 다른 연료전지에 비해 구조가 간단하고, 전해질의 손실 및 보충과 부식의 문제가 없다. 또한 고온에서 작동하기 때문에 귀금속 촉매가 필요 없으며, 직접 내부 개질을 통한 연료 공급이 가능하다. 고온의 가스를 배출하기 때문에 폐열을 이용한 열 복합 발전이 가능하다는 장점도 있다. 이런 장점 때문에 SOFC에 관해 여러 선진국들의 연구가 활발히 이루어지고 있다.

 일반적인 SOFC는 산소 이온전도성 전해질과 그 양면에 위치한 공기극(양극) 및 연료극(음극)으로 이루어져 있다. 공기극에서 산소의 환원 반응에 의해 생성된 산소 이온이 전해질을 통해 연료극으로 이동하여, 다시 연료극에 공급된 수소와 반응함으로써 물을 생성하게 되면, 이 때 연료극에서 전자가 생성되고 공기극에서 전자가 소모되므로 두 전극을 서로 연결하여 전류를 발생시키는 것이 기본 작동원리이다.

고체산화물 연료전지 과제

고체산화물형 연료전지의 가장 큰 특징은 운전 온도가 약 1000로써 매우 높다는 것이다. 이 온도에서는 수소와 일산화탄소의 전기 화학적 산화 반응이 일어나고 촉매 없이 연료가 개질된다. 운전 온도 1000에서 금속 재료의 적당한 열적-기계적 강도를 요구하기 때문에 가스 누출 방지가 가장 중요한 과제이다. 세라믹 재료 기술의 개발은 고체산화물형 연료전지가 상업적으로 발전을 시작하기 전에 필요한 기술이다. 고체산화물형 연료전지는 상업적으로 자동차 응용에 연구되어 지고 있다 자동차에 사용하기 위한 이 전지 기술의 모형화가 전지전원 공급형 자동차가 아닌 전위밀도를 요구한 것과 접목시키는 것이 궁극적인 목적이다.

 SOFC의 특징은 다음과 같다.

1. 탄화수소를 직접 연료로 사용, CO로부터 안전함

2. 운전 온도는 약 5000~1000로로 열병합 발전 가능

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용융탄산염 연료 전지(Molten Carbonate Fuel Cell, MCFC)

자동차 학습/수소(연료전지)자동차 2020. 10. 13. 00:02 Posted by 자동차 전문 교육 자동차 역사가

용융탄산염 연료 전지(Molten Carbonate Fuel Cell, MCFC)

용융탄산형 연료전지 장점

 보통 제2세대 연료전지로 불리는 용융탄산염 연료전지(MCFC)는 다른 형태의 연료전지와 마찬가지로 높은 열효율, 높은 친환경성, 모듈화 특성 및 작은 설치공간이라는 장점을 갖는다. 한편, 650의 고온에서 운전되기 때문에 인산형 연료전지(PAFC) 또는 고분자전해질 연료전지(PEMFC)와 같은 저온형 연료전지에서 기대할 수 없는 추가적인 장점들을 가지고 있다.

용융탄산 연료전지 전해질

 전해질은 용융탄산염이 사용되고, 고온에서 운전되기 때문에 백금 대신 저렴한 니켈촉매가 사용되며 백금 전극에서 피독물질로 사용되는 CO를 수성가스 전환반응을 통해 연료로 이용한다. 니켈촉매의 사용으로 비용절감의 장점이 있지만 고온에서의 부식성이 높은 용융탄산염을 사용하기 때문에 내식성 재료의 개발이 필요하며 장기 운전시에는 성능이 저하되기 때문에 단기 운전에 적합하다.

 고온에서의 빠른 전기화학반응은 전극 재료에 쓰이는 촉매로써 백금 대신 저렴한 니켈의 사용을 가능케 하여 경제적인 운영이 가능해 진다. 그리고 백금 전극을 이용할 경우 백금 성분에 독성 물질로 작용하는 일산화탄소마저도, 니켈 전극을 이용할 경우 수성가스 전환반응을 통하여 연료로 이용할 수 있게 된다.

 따라서 일산화탄소를 발생시킬 우려가 있어 백금을 사용하는 저온형 연료전지에는 사용하기 힘든 석탄가스, 천연가스, 메탄올, 바이오매스 등 다양한 연료를 용융탄산염 연료전지에는 이용할 수 있다. 또한 용융탄산염 연료전지의 높은 작동 온도는 연료전지 스택 내부에서 전기화학 반응과 연료개발 반응이 동시에 진행될 수 있게 하는 내부개질 형태를 허용한다. 이러한 내부개질형 용융탄산염 연료전지는 전기화학반응의 발열량을 별도의 외부 열교환기 없이 직접 직접 흡열반응인 개질반응에 이용하므로 외부개질형 용융탄산염 연료전지보다 전체 시스탬의 열효율이 추가로 증가하며, 시스템 구성이 간단해진다.

용융탄산염 연료전지 원리

용융탄산염 연료전지 전해질

 용융탄산염 연료전지의 전해질은 낮은 용융점을 가지는 탄화리튬과 탄화포타슘의 혼합물이다. 전극은 다공성 니켈로 만든다. 전극의 부식성과 내구성은 아직 개발에 중요한 문제점이다.

 용융탄산염형 기술의 산 또는 알카리 연료전지 기술 보다 뚜렷한 장점은 일산화탄소, 이산화탄소 및 수소에 대하여 내성이 있는 점이다. 이것은 일산화탄소와 이산화탄소를 분리하는 공정을 필요로 하는 다른 것들보다 초기 투자비가 낮고 시스템 설계가 매우 단순해지는 결과를 가져온다. 용융탄산형 연료전지의 운전온도는 약 650이고, 전지 스택의 열로 전지내부의 탄화수소 기체의 개질을 허용한다. 내부 개질의 장점은 30% 또는 그 이상의 비용을 감소시킨다.

용융탄산염 과제

 용융탄산염 연료전지를 상업화하기 전에 내구성과 신뢰도를 증진 시킬 필요가 있다. 운전온도가 높은 정상운전 되는 동안 용융탄산염 전해질의 결핍과 증발로 인하여 양이 줄어들기 때문이다. 이것은 운전의 안정성과 현재 용융탄산염형 연료전지의 유효 수명의 제약점이다.

 그러나 MCFC는 고온에서 부식성이 높은 용융탄산염을 사용하기 위한 내식성 재료의 개발에 따르는 경제성 문제 및 수명, 신뢰성 확보 등 기술적 검증이 아직 끝나지 않아 본격적인 상업화는 2020년 이후에 가능할 것으로 예상된다.

 미국, 일본 등을 비롯한 선진 외국에서는 기초연구는 물론 시스템 데모에 이르는 개발연구에까지 적극적으로 투자하여 최근 급속도로 많은 발전이 이루어지고 있다. 국내에서도 한국 전력연구원을 중심으로 KIST, 한국중공업 및 여러 대학이 참여하여 용융탄산염 연료전지의 자체 기술을 확보하기 위한 개발 연구를 대체에너지 사업의 하나로 진행하고 있다.

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인산형 연료전지(Phosphoric Acid Fuel Cell, PAFC)

자동차 학습/수소(연료전지)자동차 2020. 10. 12. 00:10 Posted by 자동차 전문 교육 자동차 역사가

인산형 연료전지(Phosphoric Acid Fuel Cell, PAFC)

인산형 연료전지 개요

 인산형 연료전지(PAFC)는 액체 인산을 전해질로 이용하는 연료전지이다. 인산형 연료전지 기술은 20년 이상 개발되고 개선되어 왔고, 전기 생산에 필요한 순수한 수소(70% 이상)를 요구한다. 인산형 연료전지내의 전극은 탄소 지지체의 표면적 위에 촉매로서 백금이나 백금 혼합물을 포함한다. 전극은 카본지(carbon paper)로 이루어지는데, 백금 촉매를 이용하기 때문에 제작 단가가 비싸다. 그러나 카본지의 백금은 연료로서 공급되는 수소 가스 내에 포함되는 일산화탄소에 의해 손상되지는 않는다.

인산형 연료전지 원리

 수소와 산소의 반응이 일어나는 양극(anode)와 음극(cathode) 및 전해질인 인산을 함유하고 있는 매트릭스로 구성된다. 양극, 음극은 기체 확산층과 촉매층으로 구성되며 기체 확산층은 반응 기체를 촉매층의 전 면적에 고르게 분산시키고 촉매층은 활성 site에 분포한다. 다른 형태의 연료전지보다 상용화에 가장 근접해 있으며 발전효율이 비교적 높은 편이다. 그러나 고개의 백금 촉매를 대신할 새로운 촉매개발 문제가 과제이며 신뢰도 및 수명과 성능 향상을 위한 개발도 필요하다.

인산형 연료전지 원리

 인산형 연료전지의 운전 온도는 약 200이다. 이것은 인산 전해질의 안정도를 위하여 허용하는 최대값이다. 이 기술로 현재까지 순수한 발전 효율은 40~50% 정도이다. 이 수준보다 높은 효율을 갖기 위해서는 전지와 스택 구성품의 지속적인 개발에 의한 종합시스템 제어에 의존해야 한다. 일례로 인산형 연료전지의 반응이 발열 반응이므로 연료전지가 반응온도인 200로 유지함이 최적의 운전 조건이 된다. 따라서 연료전지 반등 시 반응열을 냉각시켜야 하며 이때 생성되는 반응열을 이용하면 효율을 80% 이상 높을 수 있다.

인산형 연료전지 전해질

 인산은 저온 연료전지를 위한 전해질로서 필요한 수명을 가진 유일한 물질이다. 이것은 낮은 이온 전도율을 가지고 있다 할지라도 이것의 안정도는 전류 상태를 증진시키는 전지 개발에 기여하였다. 인산형 연료전지 응용은 휴대용, 자동차용 및 고정용 전원을 포함한다.

 한편, 액체 인산은 40에서 응고되어 버리기 때문에 시동이 어려우며, 지속적인 운전 또한 제약이 따른다. 그러나 150~200의 운전온도에 이르면 반응 결과물로 생성되는 물을 증기로 바꾸어 공기나 물의 가열에 이용할 수 있게 된다. 이렇게 발생되는 열과 전력을 합했을 때 전체 효율은 80%에 이르며, 고정형 연료전지 시장에서 성장하고 있다.

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알카리형 연료전지(Alkaline Fuel Cell, AFC)

자동차 학습/수소(연료전지)자동차 2020. 10. 10. 21:32 Posted by 자동차 전문 교육 자동차 역사가

알카리형 연료전지(Alkaline Fuel Cell, AFC)

알카리 연료전지 개요

 알카리 연료전지는 수산화칼륨과 같은 알카리계를 사용한다. 연료로서 순수 수소를 쓰면, 산화제로서는 순수 산소를 쓴다. 운전 온도는 대기압에서 60~120이다. 양극(Anode)의 촉매는 니켈망에 은을 입힌 것 위에 백금-납을 사용하고, 음극(Cathode)는 니켈망에 금을 입힌 것 위에 금-백금을 쓴다. 알카리 연료 전지의 고효율화의 목표는 자동차 산업의 전원 공급용이다. 알카리 연료전지는 알카리가 이산화탄소에 민감하기 때문에 인산형 연료전지의 개발보다 늦게 개발되었다.

알카리 연료전지(Alkali Fuel Cell)

알카리 연료 전지 상용화

알카리 연료전지 시스템에서의 수소의 저장과 이산화탄소의 효과적인 제거는 알카리 연료전지의 상업화에 가장 중요한 요소이다. 자동차에 적용할 경우 연료 전지가 확보할 수 있는 시장 비율은 경제성 기술에 의하여 영향을 받을 것이다. 알카리 연료전지 기술 전망은 수소 저장과 대규모 상화를 시작하기 전에 유통망의 구축을 필요로 한다.

적용 역사

알카리형 연료전지는 일반 민생용은 아니지만 순수소, 순산소를 원료로 발전하는 우주선의 전원용으로 사용된다.

 1962년에는 우주 및 군사용으로 연구가 시작되어 적용 되었고, 현재는 인산형 연료전지(Acid Fuel Cell)의 개발로 인하여 특수 분야에서만 연구 수행 중이며, 국내의 경우 기초 연구가 진행 중에 있다.

 알카리 연료전지의 특징

1. 전해질로 진한(85%) KOH을 사용하는 고온용(205)과 묽은(35~50%) KOH를 사용하는 저온용(120)가 있다.

2. 전해질은 매트릭스(주로 석면)에 체류시켜 사용한다.

3. CO2에 취약하므로 순수한 수소와 산소를 사용

4. 반응속도를 촉진시키기 위해 주로 고압에서 운전

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micro, mild, full and plug-in hybrid electric vehicles에 대한 이해

전 세계적으로 사용되는 대부분의 차량은 여전히 가솔린 / 가솔린 또는 디젤과 같은 내연 기관 (ICE)으로 구동됩니다. 하이브리드 전기 자동차 (HEV)에는 내연 기관과 전기 모터의 두 가지 이상의 추진 동력원이 있습니다.

자동차 제조업체가 HEV를 개발하고 판매하는 세 가지 주요 이유가 있습니다.

CO2 배출 감소 (연료 소비 감소)

배기 가스 독성 배출 감소

파워 트레인 역학 개선 (총 출력 및 토크 증가)

HEV의 파워 트레인은 ICE 차량의 모든 구성 요소와 순수 전기 자동차 (EV)의 대부분의 구성 요소를 포함하기 때문에 매우 복잡합니다. 또한 하이브리드화 수준에 따라 엔진용 연료 탱크와 전기 기계용 배터리의 두 가지 에너지원이 필요합니다.

Toyota Prius V Hybrid Powertrain (HEV)

Image: Toyota Prius V Hybrid Powertrain (HEV)
Credit: Toyota

ICE 차량이 있는 경우 HEV로 변환하려면 다음을 추가해야 합니다.

고전압 배터리 (200 ~ 400V)

전력 전자 컨트롤러 (인버터)

전기 기계

DC-DC 컨버터

HEV의 주요 단점은 추가 전기 부품으로 인해 차량에 더 많은 무게가 추가되고 조립이 더 어렵고 총 구매 및 소유 가격이 상승한다는 것입니다 (ICE 차량에 비해).

대부분의 HEV에서 전기 추진은 영구 자석 전기 기계를 사용하여 수행됩니다. ICE와 비교하여 전기 기계의 주요 장점은 다음과 같습니다.

저속에서 일정한 높은 토크

매우 높은 효율성

즉각적인 토크 전달

에너지 회복 능력

Chevrolet Malibu Hybrid powertrain (HEV)

Image: Chevrolet Malibu Hybrid powertrain (HEV)
Credit: Chevrolet

Legend:

1.        1.8 L internal combustion engine and electric drive unit

2.        lithium-ion high voltage battery system

기존 파워 트레인과 비교하여 전기 기계를 ICE와 함께 사용하면 다음과 같은 이점이 있습니다.

 ▶전기 모터로 토크 지원을 제공함으로써 ICE는 가장 연료 효율적인 지점 (속도 및 토크)에서 작동 할 수 있습니다.

 ▶ICE는 전기 모터 지원 덕분에 파워 트레인의 전체 토크와 파워를 일정하게 유지하면서 크기를 줄일 수 있습니다.

 ▶제동 중 차량의 운동 에너지는 발전기로 작동하는 전기 기계의 도움으로 회수되어 고전압 배터리에 저장 될 수 있습니다.

 ▶전기 모터의 즉각적인 토크 전달로 인해 파워 트레인의 토크 응답이 향상 될 수 있습니다.

 ▶전기 모터가 운전자로부터 즉각적인 토크 요청을 전달할 수 있기 때문에 변속기의 기어비를 낮춰 엔진을 저속 작동 지점 (연비 향상)으로 유지할 수 있습니다.

두 가지 동력원이 있는 하이브리드 제어 시스템은 운전자 입력 및 차량 작동 상태에 따라 ICE와 전기 기계 사이의 토크 분할을 결정해야 합니다.

 

하이브리드 전기 자동차는 다음 기능 중 하나 이상을 수행 할 수 있습니다.

엔진 공회전 정지 / 시동

전기 토크 지원 (충전 및 부스트)

에너지 회복 (회생 제동)

전기 운전

배터리 충전 (운전 중)

배터리 충전 (그리드에서)

하이브리드 전기 자동차는 다른 유형의 하이브리드 전기 자동차 (마일드 및 플러그인)와 구별하기 위해 FHEV (Full Hybrid Electric Vehicle)라고도 합니다.

Full Hybrid Electric Vehicle (FHEV) modes

Image: Full Hybrid Electric Vehicle (FHEV) modes

Legend:
ENG – internal combustion engine
MOT – electric motor (machine)
TX – transmission
BATT – high voltage battery
PE – power electronics module (MOT controller)

공회전 중지 / 시작 기능

차량이 정차 할 때 정지 / 시동 (S & S) 기능은 운전자의 개입 없이 (점화 키를 통해) 내연 기관을 끕니다. 이 기능은 차량의 전체 연료 소비를 줄입니다. 운전자가 운전 의사를 보이면 (클러치 페달을 밟거나 브레이크 페달을 떼면) 엔진이 자동으로 재시동됩니다.

유휴 정지 / 시동 기능이 있는 대부분의 차량에는 저전압 (12V) 배터리 에너지의 소비를 최적화하는 일종의 에너지 관리 기능도 있습니다. 에너지 관리가 없는 기존의 ICE 차량에서 저전압 배터리의 주요 기능은 엔진 시동에 필요한 전기 에너지를 생성하는 것입니다. 엔진이 가동 된 후 모든 전기 소비자의 전기 에너지는 엔진에 부하 토크를 가하는 발전기 (발전기)에 의해 공급됩니다.

차량에 에너지 관리 기능이 있으면 엔진이 작동하더라도 배터리가 소비자에게 전기 에너지를 공급합니다. 이러한 방식으로 교류 발전기는 전기 에너지를 생산할 필요가 없으며 교류 발전기의 부하 토크는 거의 0이며 연료 소비가 감소합니다. 또한 엔진이 연료 효율이 가장 높은 지점에서 작동하거나 차량이 제동 될 때 (에너지 회복을 통해) 배터리가 재충전됩니다.

Renault 1.6 dCi engine (Micro Hybrid)

Image: Renault 1.6 dCi engine (Micro Hybrid)
Credit: Renault

공회전 정지 / 시동 및 에너지 관리 기능의 예는 르노 엔진 1.6 dCi입니다. ESM (Energy Smart Management) 기능이 함께 제공되어 제동 및 감속 시 생성 된 에너지를 저전압 배터리에 저장하여 연료 소비를 더욱 줄일 수 있습니다.

공회전 정지 / 시동 및 에너지 관리 기능이 있는 차량을 마이크로 하이브리드라고 합니다.

전기 토크 지원

전기 모터는 휠에 추가 토크를 제공하여 파워 트레인의 전체 토크 응답을 개선 할 수 있습니다. 토크 보조에는 두 가지 유형이 있습니다.

토크 채우기

토크 부스트

드라이브가 가속 페달을 밟을 때 파워 트레인에서 더 많은 토크를 요구합니다. 내연 기관 (특히 디젤)은 요청 된 토크를 전달하는 데 일정한 지연이 있습니다. 내연 기관의 토크 응답 지연에는 몇 가지 원인이 있습니다.

흡기 다기관의 공기 관성

움직이는 부품의 기계적 관성

토크 제한 (배기 시 연기 방지)

토크 과도 상태 (엔진이 작동 지점을 변경 함)라고 하는 이러한 상황에서 전기 모터는 엔진 토크 응답 지연을 보상하는 추가 토크를 제공하여 지원할 수 있습니다. 이 기능을 토크 충전이라고 합니다.

Honda IMA powertrain (MHEV)

Image: Honda IMA powertrain (MHEV)
Credit: Honda

내연 기관에는 엔진 속도에 따라 달라지는 최대 토크 기능이 있습니다. 엔진 토크에 전기 모터 토크를 추가하면 파워 트레인의 전체 최대 토크가 증가합니다 (포지티브 오프셋). 이 기능을 토크 부스트라고 하며 배터리 고갈로 인해 짧은 시간 (초 단위) 동안 만 제공 될 수 있습니다.

전기 토크 보조 기능은 일반적으로 마일드 하이브리드 전기 자동차 (MHEV), 풀 하이브리드 전기 자동차 (FHEV) 및 플러그인 하이브리드 전기 자동차 (PHEV)에 의해 제공됩니다.

엔진과 전기 모터가 모두 차량 가속을 위한 토크를 제공하면 차량은 하이브리드 / 병렬 모드가 됩니다.

에너지 회복 (회생 제동)

운전자가 브레이크 페달을 밟고 있을 때 차량 속도를 줄여야 합니다. 기본적으로 차량 속도를 줄이기 위해 바퀴에 제동 토크가 필요합니다. 휠에 필요한 총 제동 토크는 여러 가지 방법으로 얻을 수 있습니다.

기초 브레이크 (유압 브레이크)를 통해서만

기초 브레이크와 파워 트레인을 통해

차량에 내연 기관만 있는 기존의 파워 트레인이 있는 경우 운전자가 제동하면 연료 분사가 중단되고 (연료 차단) 엔진이 오버런 (엔진 제동)됩니다. 엔진 브레이크의 양은 엔진의 총 토크 손실 (마찰 토크 + 펌핑 손실 + 보조 장치)과 같습니다.

Audi Prologue concept (MHEV)

Image: Audi Prologue concept (MHEV)
Credit: Audi

Legend:

1.        48V electric machine

2.        48V lithium-ion battery

3.        12V battery

4.        DC-DC converter (bidirectional)

5.        12V electrical system

하이브리드 전기 자동차에서 운전자가 제동 할 때 전기 기계에 음의 토크를 요청할 수 있어 파워 트레인의 제동 능력이 향상됩니다. 모든 하이브리드 전기 자동차에서 차량 제동 중에 전기 기계는 발전기 모드에 있습니다. 차량의 운동 에너지는 발전기의 로터를 회전시켜 음의 토크를 극복하고 전기 에너지가 생성됩니다. 제동 (회복 / 회생) 중 생성 (수확 된) 전기 에너지의 양은 전기 기계의 전력에 따라 다릅니다.

 

전기 운전

전기 기계가 충분히 강력하면 차량을 전기 모드 (EV)로 주행 할 수 있습니다. 이 모드에서는 내연 기관이 꺼지고 전기 모터가 차량 추진에 필요한 모든 토크를 증명합니다.

완전 하이브리드 전기 자동차의 경우 배터리에서 사용할 수 있는 에너지가 제한되어 있기 때문에 전기 모드는 차량 속도 5 ~ 10kph까지만 가능합니다. 플러그인 하이브리드 전기 자동차의 경우 고전압 배터리가 더 높은 용량을 가지며 EV 모드는 최대 90 – 100kph의 속도까지 가능합니다.

 

배터리 충전 (운전 중)

모든 배터리에는 영구적 인 손상을 방지하기 위해 유지 관리해야 하는 최소 충전 상태 (SOC)가 있습니다. 충전 상태는 배터리에서 사용할 수 있는 이론적 인 전기 에너지 양을 나타냅니다. 배터리의 SOC 100 %이면 사용할 수 있는 최대 이론적 전기 에너지 양이 있음을 의미합니다. 배터리의 최소 SOC 20 %이면 이론상 최대 값의 80 % 만 사용할 수 있습니다.

Mitsubishi Outlander powertrain (PHEV)

Image: Mitsubishi Outlander powertrain (PHEV)
Credit: Mitsubishi

배터리의 크기, 전력 및 화학적 성질에 따라 최소 SOC가 다릅니다. 아래 표에는 하이브리드 전기 자동차 유형의 최소 SOC 배터리 기능이 종합되어 있습니다.

Type of hybrid electric vehicle

Micro (S&S)

Mild (MHEV)

Full (FHEV)

Plug-in (PHEV)

Minimum battery SOC [%]

80 … 90

40 … 60

30 … 50

10 … 20

Battery voltage [V]

12

48 / 160

200 – 300

300 – 400

Battery chemistry

lead-acid

lithium-ion / nickel – metal hydride

lithium-ion

lithium-ion

In any hybrid electric vehicle, the function of the SOC level, the battery can be is several states:

§  charge deplete

§  charge sustain

§  charging

 

Image: BMW i8 powertrain (PHEV)
Credit: BMW

배터리가 완전히 충전되면 전기 에너지를 사용할 수 있습니다. 이 경우 배터리는 충전 부족 모드입니다. 배터리의 SOC가 최소 수준에 도달하면 내연 기관이 배터리를 충전하여 SOC가 최소 수준 이하로 떨어지지 않도록 합니다. 이 경우 배터리는 충전 지속 모드입니다. 차량이 제동 할 때 차량의 운동 에너지는 전기 에너지로 변환되어 배터리에 저장됩니다. 이 경우 배터리는 충전 모드입니다.

 

배터리 충전 (그리드에서)

배터리 충전 측면에서 풀 하이브리드 전기 자동차와 플러그인 전기 자동차의 주요 차이점은 PHEV를 전원 소켓에 연결하여 충전 할 수도 있다는 것입니다. 플러그인 하이브리드 전기 자동차의 전력 전자 제어 모듈에는 전원 소켓의 교류 (AC)를 직류 (DC)로 변환하여 고전압 배터리에 저장하는 정류기가 포함되어 있습니다.

 

 

Image: BMW 330e PHEV charging from the grid
Credit: BMW

전기 시스템에서 처리 할 수 있는 기능에 따라 다음 유형의 하이브리드 전기 자동차를 구분합니다.

Functions

Type of hybrid electric vehicle

Micro (S&S)

Mild (MHEV)

Full (FHEV)

Plug-in (PHEV)

idle stop/start

electric torque assistance
(fill and boost)

energy recuperation
(regenerative braking)

electric driving
(EV mode)

battery charging
(during driving)

battery charging
(from the grid)

마일드 하이브리드 전기 자동차 (MHEV)의 경우 두 가지 유형이 있습니다.

벨트 일체형 시동 발전기 사용

크랭크 샤프트 일체형 모터 제너레이터 사용

벨트 일체형 시동 발전기 (BiSG)는 벨트를 통해 내연 기관과 연결되는 프런트 엔드 액세서리 드라이브 (FEAD)에 장착 된 전기 기계를 사용합니다. 이는 자동차 제조업체가 마일드 하이브리드 전기 자동차에 사용하는 가장 일반적인 솔루션입니다. Valeo는 여러 차량 제조업체에서 사용하는 MHEV BiSG 시스템을 개발했습니다.

 

 

Image: Valeo Belt Starter Generator system (MHEV)
Credit: Valeo

크랭크 샤프트 통합 모터 제너레이터 (CiMG)는 엔진과 변속기 사이의 크랭크 샤프트에 장착 된 전기 기계를 사용합니다. CiMG 시스템의 예는 Honda IMA (Integrated Motor Assist) 기술입니다. BiSG CiMG의 주요 차이점은 크랭크 샤프트 통합 모터 발전기 솔루션이 더 강력한 전기 기계와 더 높은 전압 및 전력을 가진 배터리를 사용한다는 것입니다.

아래 표에서 배터리 전압, 전기 기계 전력 및 잠재적 인 연료 소비 이점 측면에서 하이브리드 전기 자동차 유형의 종합을 찾을 수 있습니다.

Parameter

Micro Hybrid

Mild Hybrid

Full Hybrid

Plug-in Hybrid

Battery voltage [V]

12

48 – 160

200 – 300

300 – 400

Electric machine power [kW]
(motor)

2 … 3

10 … 15

30 … 50

60 … 100

Electric machine power [kW]
(generator)

< 3

10 … 12

30 … 40

60 … 80

EV mode range [km]

0

0

5 … 10

< 50

CO2 estimated benefit [%]

5 … 6

7 … 12

15 … 20

> 20

향후 기사에서는 각 하이브리드 전기 자동차 유형에 대해 자세히 설명합니다.

출처: x-engineer.org

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하이브리드 자동차(Mechanism)의 분류

자동차 학습/하이브리드 자동차/PHEV 2020. 10. 6. 21:00 Posted by 자동차 전문 교육 자동차 역사가

하이브리드 자동차(Mechanism)의 분류

1) 직렬형 하이브리드(Series Hybrid System)
 ① 정의
직렬형은 엔진-발전기-모터가 직렬로 연결되고, 엔진의 동력은 모든 발전기를 구동하여 전기에너지로 변환하고, 최종적으로 모터를 구동하여 주행하는 자동차이다. 엔진을 최적의 상태로 작동시키면서 주행이 가능하고, 주행거리가 비교적 길다.
 ② 장단점
- 장점
유독성 가스(CO, HC, NOx)의 배출이 최소화 되면, 별도의 변속 장치가 필요 없다 또한 연비는 가솔린 자동차 대비 2배 정도 좋아진다. 제어가 용이하다.
- 단점
모터를 구동하여 주행하므로 대용량의 모터와 배터리가 필요하며, 따라서 중량과 부피가 증가하고, 원가와 패키지 레이아웃에 불리하다. 또한 교류로 발전하면서 직류로 변환하여 배터리에 충전하고, 다시 모터 구동에는 교류를 사용하므로 에너지 변환 손실이 크다. 특히 가속 및 등판성능 등 구동력이 크게 요구될 때 충분한 구동력의 확보가 어려워 상품성에 단점이 있다.


2) 병렬형 하이브리드 시스템(Parallel Hybrid System)
① 정의 
모터와 엔진의 구동력을 적절하게 사용하여 주행이 가능한 자동차이다. 병렬형 하이브리드 시스템은 다양한 조합이 가능하며, 엔진의 동력을 이용하여 주행하거나 일정 동력을 모터가 보조하여 주행할 수 있다. 또한 필요 시에는 출발 및 저속 운행시에 전기 모터만으로 주행이 가능하다. 현대 대부분의 하이브리드는 병렬형에 속한다.
② 장단점
 - 장점
전기 모터로 엔진을 시동하여 시동초에 연료 소모와 배기 가스 배출을 최소화시킬 수 있으며, 직렬형에 비해 소용량의 모터와 배터리를 사용할 수 있다. 또한 직령형에 비해 에너지 변환 손실이 작은 편이며, 유독성 가스(CO,HC,NOx)의 배출은 가솔린 자동차 대비 약 10% 정도이다. 기존 양산차를 이용하여 생산이 가능하여 개발비가 적게 든다.
- 단점
직렬형보다 엔진이 커서 탑재성이 나쁘며, 주행 조건에 따라 엔진과 모터 등의 작동을 원활하게 함으로 동력 전달 시스템의 구성과 제어가 복합하다.


3) 복합형 하이브리드 시스템(Compound Hybrid System)
 ① 정의
위의 두 시스템의 장점을 결합한 직렬과 병렬의 혼합형이며, 동력전달 시스템의 구성과 제어가 병렬형에 비해 까다롭기 때문에 개발에 어려움이 있다.
전륜과 후륜을 각각 모터와 엔진이 구동할 수 있고, 필요 시에는 직렬형과 같이 발전하면서 주행이 가능하다.
② 장단점
 - 장점
직렬형과 병렬형 하이브리드 장점을 사용할 수 있다.
- 단점
병렬형 하이브리드 시스템에 비행 대용량의 모터가 필요함에 따라 중량이 크게 증가하며, 주행 조건이 복합 시 적절한 제어가 어렵다.

하이브리드(hybrid car) 구조

 

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마일드 하이브리드 전기차(Mild Hybrid)– architectures

자동차 학습/하이브리드 자동차/PHEV 2020. 10. 5. 00:08 Posted by 자동차 전문 교육 자동차 역사가

마일드 하이브리드 전기차(Mild Hybrid :MHEV)– architectures

이 기사에서는 MHEV(Middle Hybrid Electric Vehicles)를 위한 다양한 시스템 아키텍처를 살펴보고, 연비와 주행성 측면에서 가능한 제어 기능 및 장단점을 살펴보기로 한다.

다양한 유형의 하이브리드 전기 자동차와 마일드 하이브리드 전기 자동차를 만드는 방법을 기억하려면 다음 기사를 읽어 보십시오.

 

마이크로, 마일드, 풀 및 플러그인 하이브리드 전기차 이해

마일드 하이브리드 전기차(MHEV) – 소개

 

구조, 위상 또는 구성에 의해 차량에 하이브리드 전기 시스템의 주요 구성 요소의 위치를 파악한다. 전기 시스템과 차량의 나머지 부분 사이의 유일한 기계적 연결은 전기 기계를 통해 이루어지기 때문에, MHEV 아키텍처는 기본적으로 전기 기계의 위치와 파워트레인/드라이브트레인과의 연결 유형(벨트, 통합 또는 기어 메시)에 의해 정의된다.

 

48V 전기 시스템은 다음과 같은 몇 가지 이유로 마일드 하이브리드 MHEV 애플리케이션의 업계 표준이 되었다. 차량에 통합하는 것이 비교적 간단하다.

 모듈형, 안전하고 컴팩트한 제품 구성부품의 중량이 비교적 작아서 차량 총중량에 미치는 영향이 제한됨

 

시스템 비용 대 성능(연료 효율, 토크 증대) 비율이 매우 경쟁적임

크랭크축 장착형 통합 스타터 제너레이터(Honda IMA Mercedes Benz Blue Hybrid)를 제외하고, 본 문서에서 제시하는 모든 마일드 하이브리드 차량 아키텍처는 48V 시스템을 기반으로 한다.

 

MHEV 시스템의 파워트레인 구성은 다음 측면에서 차량의 성능과 특성에 상당한 영향을 미친다.

l  통합비용

l  연비

l  동적 성능(토크 강화)

자동차 OEM과 자동차 Tier 1 시스템 공급업체들은 현재 MHEV를 위한 몇 가지 주요 파워트레인 아키텍처를 분석하고 평가하고 있다. 전기 기계는 다른 파워트레인 구성 요소와 비교하여 다음과 같은 5가지 주요 지점에서 배치될 수 있다.

MHEV powertrain architectures

Image: MHEV powertrain architectures

전기 기계 연결점에 대한 간략한 설명은 아래 표에 설명되어 있다.

P0

전기 기계는 벨트를 통해 프론트 엔드 액세서리 구동(FEAD)에서 내연 엔진과 연결됨

P1

전기 기계는 내연 기관의 크랭크축과 직접 연결된다.

P2

전기 기계는 (벨트를 통해) 측면 연결되거나 내연 기관과 변속기 사이에 통합된다. 전기 기계는 ICE에서 분리되고 동일한 속도(또는 복수의)를 갖는다.

P3

전기 기계는 변속기와 기어 메시를 통해 연결되며, 전기 기계는 ICE에서 분리되고 속도는 휠 속도의 배다.

P4

전기 기계는 차량의 리어 액슬에 있는 기어 메시를 통해 연결되며, 전기 기계는 ICE에서 분리되어 리어 액슬 드라이브 또는 휠 허브에 위치함

 

P0 P1 아키텍처는 엔진에서 전기 기계의 기계적 분리를 허용하지 않는다는 점이다.  반대쪽 P2, P3 또는 P4 구성에서는 클러치를 통해 엔진에서 전기 기계를 분리한다.

Belt Starter Generator Architecture (P0)

벨트 일체형 스타터 제너레이터의 BiSG로도 알려진 이 마일드 하이브리드 토폴로지는 48V 시스템이 기존 차량 아키텍처에 미치는 영향이 제한적이기 때문에 가장 비용 효율적이다.

하이브리드 전기차 애플리케이션에는 기존 파워트레인 구성 요소에 대한 영향과 고전압 배터리의 두 가지 주요 비용 요인이 있다. 통합 비용을 최소화하기 위해 차량 및 전송 아키텍처는 기존 차량과 동일하게 유지되어야 한다. 따라서 최소 비용을 달성하는 가장 쉬운 방법은 12V 교류 발전기(제너레이터)를 교체하여 48V 전기 기계를 기존의 엔진 액세서리 벨트 구동 장치에 통합하는 것이다.

MHEV P0 architecture – Belt Starter Generator (BSG)

Image: MHEV P0 architecture – Belt Starter Generator (BSG)

BiSG 아키텍처에서는 내연기관(ICE)과 전기기계를 분리할 수 없고 부속 벨트를 통해 기계적으로 연결된다. 따라서 이러한 구성의 단점 중 하나는 엔진 마찰 토크가 부스트 토크를 제공할 때와 전기 에너지를 회수할 때 전기 기계의 부가적인 손실이 발생한다.

BiSG MHEV 아키텍처의 주요 특성은 아래 표에 요약되어 있다.

전기기계성능

최대 토크(크랭크축): 최대 50Nm(벨트 풀리 비율 곱하기, : 2.8)

최대 전력: 12 … 14 kW

연속 전력: 2.5 … 3.5kW

효율성: 최대 85%

연료 효율

새로운 유럽 주행 사이클(NEDC): 10 … 12%

전 세계 조화된 경차 테스트 절차(WLTP): 7 … 9%

하이브리드모드

(기능)

유휴 중지 & 시작

이동 중지 & 시작

엔진 부하 시프트

토크 어시스트(채우기)

토크 부스트

요트 / 타행주행

에너지 회복

브레이크 재생

장점

낮은 통합 비용

공기 또는 액체 냉각 전기 기계

통합 인버터(전기 기계 포함)

전기 기계용 모듈식 크기

전기 기계와 ICE 사이의 속도/토크 비율이 가능하여 전기 기계로부터의 전력 수요가 감소함

단점

벨트 구동으로 인한 토크 용량 제한

엔진 마찰 손실의 영향을 받는 에너지 회수

전반적인 특성

토크 부스팅 기능: 중간(벨트 슬립, 내구성 제한)

전기 에너지 회수: 중간(엔진 손실로 인한)

주행성 향상: 중간(토크 부스트 제한)

전기 크리프/주행: (토크 및 벨트 구동력이 제한되어 있음) 불가능

포장: 다른 구성 요소에 미치는 영향이 제한적인 간편한 구성 요소 통합

시스템 효율성: 중간(주로 FEAD의 벨트 드라이브 통합으로 인해)

 

BiSG MHEV 아키텍처는 FEAD(Front End Accessory Drive) 설계에 상당한 영향을 미친다. 더 높은 토크와 더 많은 엔진 OFF/ON 사이클을 유지하려면 벨트 내구성을 높여야 한다. 가변 벨트 텐셔너는 다음을 제공해야 한다.

크랭킹 및 부스트 시 장력 증가(전기 기계에서 엔진으로 교체)

회복 시 장력 증가(엔진에서 전기 기계로 변경)

정상운전 시 장력 감소 (마찰손실을 줄이기 위해)

 

엔진의 NVH(Noise, Vibration and Harshness)와 엔진 크랭크축의 메인 베어링 내구성에도 상당한 영향을 미친다.

현재 48V BiSG MHEV 애플리케이션은 모두 12V 스타터를 사용한다. 그 이유는 콜드 엔진 시동, 특히 오랜 시간 동안 활동을 하지 않으면 높은 전기 기계 토크가 필요하기 때문이다(높은 엔진 마찰로 인해). 이것은 BiSG의 한계로, 전송될 수 있는 토크의 양이 벨트 슬립에 의해 제한되기 때문이다. 개선된 FEAD 벨트 설계와 향상된 내구성으로 12V 스타터를 탈거할 수 있으며 48V 전기 기계로 모든 기능을 수행할 수 있다.

MHEV의 예는 48V 전기 시스템을 특징으로 하는 신형 아우디 A8이다.

Audi A8 48V MHEV

Image: Audi A8 48V MHEV
Credit: Audi

1. DC/DC 컨버터

2. 저전압 배터리(12V)

3. 고전압 배터리(48V)

4. 48V 벨트 구동 시동기-제너레이터

5. 3.0 TFSI 내연기관

또한 상당수의 Tier 1 공급업체도 있으며, 48V P0 마일드 하이브리드 시스템을 자동차 애플리케이션에 통합할 수 있다.

 

 

 

 

 

 

 

 

Valeo’s 48V system MHEV

 

Image: Valeo Hybrid4All 48V MHEV system components
Credit: Valeo

1. 파워트레인 컨트롤 유닛(PCU)

2. 14V 배터리 센서

3. 벨트 스타터 제너레이터(BSG) 8 – 12kW / 55Nm Peak(인버터 포함)

4. DC/DC 컨버터, 60V/12V, 2kW

5. 48V 배터리, 200~600Kj

 

Bosch’s 48V system MHEV

Bosch 48V MHEV – components of the boost recuperation system

Image: Bosch 48V MHEV – components of the boost recuperation system
Credit: Bosch

1. 저전압 배터리(12V)

2. DC/DC 컨버터

3. 전기 기계(전기 & 발전기)

4. 고전압 배터리(48V)

Continental’s 48V system MHEV

Continental 48V MHEV system components

Image: Continental 48V MHEV system components
Credit: Continental

1. 인버터가 통합된 전기 기계

2. DC/DC 컨버터(48V/12V)

3. Li-Iion

Delphi’s 48V system MHEV

Delphi’s 2nd Generation 48V MHEV system

Image: Delphi’s 2nd Generation 48V MHEV system
Credit: Delphi

48-VOLT 출시 지원

A. 전기 모터/제너레이터: Stop & Start 작동 중에 엔진을 시동하고 휠에 약간의 동력을 공급하며, 이후에는 제동 중에 배터리를 충전한다.

B. E-차저(전기 공기 압축기): 정지 상태에서 벗어나 주행하는 동안 부스트 기능을 제공하고 배기 터보차저를 보완하여 터보 지연을 제거

48-VOLT 시스템

1. 48볼트 인버터: DC 배터리 전류를 AC 전류로 변경하여 전기 모터에 전원을 공급한다.

2. 48배터리 리튬이온배터리: 제동 중 재생된 에너지를 저장하여 나중에 차량에 사용할 수 있도록 함

3. 배터리 제어기: 배터리 충전 상태 조절

4. 배전함: 내장 퓨즈 포함

12-VOLT 시스템

5. DC/DC 컨버터: 48V에서 12V로 변경

6. 12인치 배터리오래된 기구이지만 더 작음

7. 12단 전기 배전 센터: 센터 콘솔, 시트 및 창문은 물론 기타 12단 기기에도 전원을 공급한다.

48V P0 마일드 하이브리드 아키텍처는 비교적 낮은 통합 비용과 CO2 배출량 감소 및 동적 성능 향상 측면에서 상당한 이점을 결합하기 때문에 자동차 제조업체가 MHEV에 채택한 주류 기술이다.

Crankshaft mounted electric machine (P1)

전기 기계가 크랭크축에 직접 연결된 P1 아키텍처는 Honda 1세대 통합 모터 어시스트(IMA) 기술로 채택한 솔루션이다. 전기 모터는 제너레이터, 차량 감속 중, 엔진 시동기, 차량 가속 중 모터(엔진을 보조하는 모터)로 기능한다.

MHEV P1 architecture – Integrated Starter Generator (ISG)

Image: MHEV P1 architecture – Integrated Starter Generator (ISG)

이 솔루션의 가장 큰 장점 중 하나는 (슬립으로 인한) 벨트 제한이 없기 때문에 전기 모터가 BiSG보다 높은 토크를 제공할 수 있다는 것이다. 그러나 전기 기계와 크랭크축 사이에는 속도/토크 비율이 없기 때문에 전기 모터의 토크 요구 조건은 상당히 까다로울 수 있다.

P1 MHEV 아키텍처의 두 가지 예는 다음과 같다.

 

 Honda Insight Hybrid 2009(통합 모터 어시스트 기술 포함)

메르세데스 벤츠 S400 블루하이브리드 2010

Image: Integrated Motor Assist (IMA) for mild hybrid
Credit: Honda

예를 들어, 마일드 하이브리드 Honda Insight 2009용 크랭크축 장착 전기 기계의 주요 특성은 아래 표에 요약되어 있다.

전기기계성능

최대 토크(크랭크축): 최대 34Nm

최대 전력: 10kW

효율성: 최대 94%

하이브리드 모드(기능)

유휴 중지 & 시작

이동 중지 & 시작

엔진 부하 시프트

토크 어시스트(채우기)

토크 부스트

요트 / 타행주행

에너지 회복

브레이크 재생

이점

고효율

12V 스타터를 탈거할 수 있음

단점들

전기기계의 크기에 의해 제한되는 출력토크기

엔진 마찰 손실의 영향을 받는 에너지 회수

기존 차량 아키텍처에 대한 높은 영향

전기 구성 요소의 전반적인 비용 증가

전기 기계에서는 공기 냉각이 불가능함

전체적인 특성

토크 부스팅 기능: 높음(전기 기계가 가능한 경우)

전기 에너지 회수: 중간(엔진 손실로 인한)

주행성 향상: 중간(전기 기계의 토크 성능에 따라 다름)

전기 크리프/주행: 가능(전자 기계 토크 기능에 따라 다름)

포장: 어려운 구성요소 통합(이 아키텍처를 위해 특별히 설계된 파워트레인)

시스템 효율성: 높음(기어 메시 또는 벨트 손실 없음)

 

Image: Mercedes Benz S400 BlueHybrid (MHEV)
Credit: Daimler

P0과 비교하여 P1 마일드 하이브리드 아키텍처의 일차적인 장점은 벨트 드라이브의 제거다. 이는 효율성이 약간 증가(벨트 손실은 더 이상 없음)하고 전기기계 토크는 진폭과 반응 면에서 더 높아질 수 있다는 것을 의미한다(벨트가 더 이상 미끄러지지 않음).

이 마일드 하이브리드 토폴로지에 의해 수행되는 기능(모드) BiSG(P0)와 유사하지만, 전체적으로 P1 구성은 기존 차량 아키텍처에 더 높은 비용과 더 높은 영향이라는 두 가지 큰 단점이 있다. 따라서 차량 제조업체와 시스템 공급업체는 MHEV 애플리케이션을 위한 크랭크축 장착 통합 스타터 제너레이터 솔루션의 추가 개발에 투자하지 않고 있다.

드라이브라인 사이드 전기 기계 MHEV 아키텍처

P0 P1 마일드 하이브리드 구성 모두 기계적 분리 없이 엔진 측에 전기 기계가 있다. 이것은 토크 손실 때문에 토크 부스팅과 에너지 회복이 그리 효율적이지 못하게 만든다. 또한, 엔진이 꺼진 상태에서 코스트 작업 중에는 전기 에너지를 회수할 수 없다.

P2, P3, P4 마일드 하이브리드 아키텍처는 주로 전기 기계의 위치설정 때문에 에너지 흐름 효율 측면에서 더 좋다. 이러한 유형의 구성에서 전기 기계는 드라이브라인 연결 장치(클러치), 변속기의 입력축(P2) 또는 변속기 출력축(P3) 또는 리어 디퍼렌셜(P4) 뒤에 위치한다.

 

Image: MHEV P2 architecture – side EM

 

Image: MHEV P2 architecture – integrated EM

 

P2 구성에서, 전기 기계는 변속기에 측면 부착될 수 있고, 벨트를 통해 연결되거나, 변속기에 통합될 수 있으며, 기어 메시를 통해 연결될 수 있다.

 

P2 아키텍처의 주요 이점은 에너지 회수 잠재력의 증가와 추가적인 하이브리드 제어 기능(전기 크리프/드라이브 또는 타행주행 중 에너지 회수)의 가용성이다.

이러한 시스템의 통합비용이 높다는 것이 주된 단점이다.

MHEV P3 or P4 architecture

Image: MHEV P3 or P4 architecture

P3 마일드 하이브리드 아키텍처에서는 전기 모터가 변속기의 출력축에 부착되어 있다. P4 아키텍처에서 전기 모터는 리어 액슬 드라이브 또는 휠 허브에 장착된다.

P3 또는 P4 위상의 주요 장점은 가장 높은 에너지 회복 잠재력이다. P0, P1 P2 구성과 비교했을 때, 드라이브라인이 분리되었을 때 엔진과 변속기 손실은 에너지 재생 중에 고려하지 않는다.

P3 P4 아키텍처는 또한 고토크 전기 기계에 장착될 경우 전기 주행 모드(creep)의 가능성이 있다. P4 아키텍처는 차량의 4륜 구동 기능을 제공하며, 프론트 액슬은 내연기관으로 구동되고 리어 액슬은 전기 모터로 구동된다.

전기 기계가 드라이브라인 쪽에 있기 때문에 P2, P3 또는 P4 아키텍처의 경우 엔진 Stop & Start를 수행하기 위해서는 엔진 측에 다른 전기 기계를 장착해야 한다. 이 기능은 표준 강화 스타터(12V) 또는 벨트 일체형 스타터 제너레이터(12V 또는 48V)로 달성할 수 있다.

P2, P3, P4 마일드 하이브리드 아키텍처의 주요 특성은 아래 표에 요약되어 있다.

전기기계성능

최대 토크(크랭크축): 최대 50Nm

최대 전력: 21kW

효율성: 최대 95%

연료 효율

새로운 유럽 주행 사이클(NEDC): 19 … 22%

전 세계 조화된 경차 테스트 절차(WLTP): 14 … 16%

하이브리드 모드(기능)

Idle Stop & Start(엔진 측에 추가로 전기 기계가 있는 경우)

Stop & Start 이동(엔진 측에 추가로 전기 기계가 있는 경우)

(도로를 통과하는) 엔진 부하 변속

토크 어시스트(채우기)

토크 부스트

요트 / 타행주행

에너지 회복

브레이크 재생

전기 주행(크립)

장점

최고효율
전기 주행(크립)

4륜 구동 모드(P4 아키텍처)

단점

엔진 Stop & Start를 위한 추가 전기 기계 필요

기존 차량 아키텍처에 대한 높은 영향

전기 구성 요소의 전반적인 비용 증가

전기 기계에서는 공기 냉각이 불가능함

전반적 특성

토크 부스팅 기능: 높음(전기 기계가 가능한 경우)

전기 에너지 회수: 높음(엔진 손실의 영향을 받지 않음, 부분적으로 변속기 손실의 영향을 받음)

주행성 향상: 중간(전기 기계의 토크 성능에 따라 다름)

전기 크리프/주행: 가능(전자 기계 토크 기능에 따라 다름)

포장: 어려운 구성요소 통합(이 아키텍처를 위해 특별히 설계된 파워트레인)

시스템 효율성: 높음(기어 메시 손실만 해당)

Getrag는 고토크 순 하이브리드 파워트레인용 전기 모터를 내장한 듀얼 클러치 변속기를 개발하고 있다.

예를 들어, 하이브리드 변화 6HDT451 Getrag Powershift 6DCT451을 기반으로 하며 통합 전기 모터를 사용하여 신유럽 주행 사이클(NEDC)에서 CO2 배출량을 10% 이상 추가로 줄일 수 있다.

Middle-Hybrid 6HDT451은 중산층 및 상위 중산층 부문과 스포츠 유틸리티 차량(SUV)에 전면 횡방향 설치를 위해 개발되었다. 최대 450Nm의 토크는 동시 연소 엔진 및 전기 모터 작동을 통해 전송할 수 있다.

Getrag Powershift 트랜스미션 6HDT451 4륜 구동과 쉽게 결합할 수 있으며, 트랜스미션을 위한 추가 구성 요소 없이 Start/Stop 기능을 보장한다.

Getrag Hybrid Double Clutch Transmission

Image: Getrag Hybrid Double Clutch Transmission

변속기는 다음과 같은 특성을 가진 고속 전기 기계를 통합하고 있다.

마일드 전기 기계에서 플러그인 하이브리드 아키텍처에 이르기까지 다양한 전기 기계 길이를 사용하여 확장 가능한 성능 제공

 26~65kW의 전기 기계 출력(중간에서 플러그인 하이브리드 아키텍처까지)

 48 ~ 400V 사이의 전기 기계 전압(온디에서 플러그인 하이브리드 아키텍처까지)

 

Valeo는 또한 전기 시스템 분야에서 세계 최고의 위치를 공고히 하고 이 분야에서 그것의 확장을 더욱 가속화하는 일을 하고 있다.

Valeo 48V 전기화 파워트레인 솔루션은 가솔린 및 디젤 엔진 모델 모두에 적용할 수 있다. 특히 유럽 시장에서 가장 많이 팔리는 도시형 자동차와 소형 세단에 잘 어울린다.

Valeo 48V Electric Rear Axle Drive (ERAD)

Image: Valeo 48V Electric Rear Axle Drive (ERAD)

발레오는 2016 파리모터쇼에서 내연기관의 연료소비와 CO2 배출량을 줄이면서 차량의 동적 성능을 높이도록 설계된 새로운 솔루션인 48V e4Sport 마일드 하이브리드 시스템을 선보였다. 48 V 시스템은 다음과 같은 몇 가지 주요 구성 요소로 구성된다.

통합 벨트 스타터 제너레이터(BiSG)

전기 과급기

전자식 리어 액슬 구동(ERAD)

고전압 배터리(48V)

 DC/DC 컨버터(48 – 12V)

 

48V e4Sport는 최대 제동 에너지를 회수하여 48V 배터리에 저장하여 다양한 기능을 제공

다음과 같은 용도:

스타터-프로토크를 통해 엔진 토크 증가

전자식 슈퍼차저를 사용하여 가속 및 부스트 단계에서 엔진 출력을 최대화

 

순수전기모드 주행 및 저 그립 노면에서 주행 시, 리어 액슬을 48V eRAD에 연결하여 성능을 향상시켜 4륜 구동으로 차량을 효과적으로 전환

 MHEV 시스템은 통합 전기적 초충전 기능을 갖춘 48V P4 아키텍처를 향해 지속적으로 진화하고 있다.

Valeo’s roadmap for 48V mild hybrid systems

Image: Valeo’s roadmap for 48V mild hybrid systems
Credit: Valeo

MHEV 아키텍처와 관련하여 유지해야 할 몇 가지 주요 측면:

차량 제조사에서 최초로 도입한 하이브리드 시스템은 P1이었으나 현재는 P0, P3, P4로 대체되고 있다.

MHEV 산업표준은 48 V 전기통신망 기준

 P0 아키텍처는 현재 가장 많이 사용되는 마일드 하이브리드 솔루션

CO2 감소와 효율성의 측면에서 높은 편익으로 인해 시장이 P4 아키텍처로 진화하고 있음

 48 V MHEV 대부분과 전기 초충전 통합 예정

※ 출처 : x-engineer.org

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마일드 하이브리드 전기 자동차 (Mild Hybrid Electric Vehicle,MHEV) – 소개

이 기사는 마일드 하이브리드 전기 자동차 (MHEV)에 대해 논의 할 일련의 기사 / 튜토리얼 중 첫 번째 부분입니다. 이 시리즈는 6 개의 파트로 구성 될 예정이며, 각 파트는 MHEV의 몇 가지 주요 측면에 중점을 둡니다.

 MHEV – 소개

 MHEV – 토폴로지 (아키텍처)

 MHEV – 주요 구성 요소

 MHEV – 전기 아키텍처

 MHEV – 제어 기능

 MHEV –

이 첫 번째 부분에서는 자동차 산업의 주요 트렌드, 왜 우리에게 마일드 하이브리드가 필요한지, 그리고 MHEV가 큰 그림에서 자신을 포지셔닝 하는 위치에 대해 논의 할 것입니다.

자동차 메가 트렌드

자동차 산업은 매우 역동적이며 혁신적인 기술이 매우 빠른 속도로 등장합니다. 새로운 모델이 출시 될 때마다 차량 내부의 기술이 지속적으로 변화하는 데에는 몇 가지 이유가 있습니다.

MHEV의 개발은 주로 두 가지 요소에 의해 주도됩니다.

효율성: CO2 (이산화탄소) 플릿(fleet) 배출 목표

운전의 즐거움: 차량의 역동적인 성능에 대한 수요 증가

CO2 배출 제한 및 목표와 관련하여 전 세계 많은 국가에서 도로 차량에서 생성되는 CO2 양에 대한 규정이 있습니다.

승용차에 대한 과거 차량 CO2 배출 성능 및 현재 표준 (NEDC로 정규화 된 g/km)

이미지: 승용차에 대한 과거 차량 CO2 배출 성능 및 현재 표준 (NEDC로 정규화 된 g/km)

출처: ICCT (International Council on Clean Transportation)

이산화탄소 (CO2) 배출은 지구의 온실 효과에 기여하고 대기 질에 영향을 미치기 때문에 중요성이 높아지고 있습니다. ICCT (International Council on Clean Transportation)는 차량 CO2 배출량에 대한 현재 및 미래 표준을 발표했습니다 (위 이미지 참조).

2021년부터 유럽 연합의 평균 차량 CO2 배출량은 km 95g CO2로 제한됩니다. CO2 배출은 연료 소비와 직접적인 관련이 있기 때문에 평균 연료 소비율은 약 58.8mpg (가솔린 엔진) 또는 65.3mpg (디젤)입니다.

자동차 제조업체 (OEM)는 새 자동차 판매의 평균 CO2 배출량이 이 수준을 충족하는지 확인해야 합니다. 개별 차량은 제한보다 높거나 낮을 수 있지만 차량 평균은 제한보다 낮거나 같아야 합니다. 자동차 제조업체가 차량 (평균) 한도를 초과하면 벌금을 내야 합니다.

결론은 CO2 배출을 줄이려면 엔진의 연료 소비를 줄여야 한다는 것입니다. 후 처리 시스템은 분자의 총 질량을 유지하면서 배기 가스에서 화학 성분의 특성만 변형하기 때문에 이번에는 도움이 되지 않습니다.

승용차 저탄소 기술 로드맵

이미지 : 승용차 저탄소 기술 로드맵

크레딧 : Automotive Council UK

2020 년 이후 CO2 한도를 충족하는 유일한 방법은 에너지 효율을 높이는 것입니다. 따라서 연비 개선을 위한 세 가지 주요 방향이 있습니다.

- 무게 및 손실 감소 (드래그)

- 파워 트레인 효율 증가

- 파워 트레인의 전기 하이브리드화

영국의 Automotive Council CO2 배출 감소의 최종 목적을 가진 현재 및 미래의 자동차 기술에 대한 로드맵을 마련했습니다. 보시다시피, 차량 및 내연 기관 효율의 개선은 파워 트레인의 전기 하이브리드화와 병행하여 수행됩니다.

차량 제조업체의 경우 2020년까지 차량 모델의 ​​상당 부분에 하이브리드 또는 순수 전기 파워 트레인이 장착 될 것이라는 확신이 있습니다. 이것은 평균 CO2 배출 한도를 달성 할 수 있는 유일한 방법입니다.

자동차 산업의 또 다른 중요한 주요 트렌드는 운전의 즐거움입니다. 이는 새로운 차량 모델의 ​​동적 성능과 관련하여 고객의 더 높은 기대치를 의미합니다.

이미지 : 0-100km / h (모든 세그먼트)에 대한 전력 밀도 [kW / kg] 대 평균 가속도 [m / s2], 추세 / 예측 2002 – 2015 – 2025 (C 세그먼트 중앙값)

크레딧 : Magna (Getrag)

Getrag (Magna 소유)에 따르면 파워 트레인의 에너지 밀도와 차량의 평균 가속도 사이의 비율은 수년 동안 지속적으로 증가했습니다. 고객은 새로운 차량에 기대합니다.

 - 향상된 시작 성능

 - 부스팅

 - 즉각적인 반응

빠른 토크 응답으로 인해 전기 모터는 이러한 요구 사항에 대한 완벽한 후보입니다. 내연 기관과 결합된 전기 모터는 파워 트레인의 전반적인 동적 성능

 

MHEV 정의

하이브리드 전기 자동차의 일반적인 정의는 다음과 같습니다. 하이브리드 전기 자동차는 적어도 두 개의 에너지 원을 가진 자동차이며, 각각 하나는 전기적이며 가역적입니다. 하이브리드 전기 자동차의 유형을 잘 이해하려면 마이크로, 마일드, 풀 및 플러그인 하이브리드 전기 자동차 이해 기사를 읽어보십시오.

MHEV (Mild Hybrid Electric Vehicle)를 정의하는 것은 쉬운 일이지만 대부분의 소스는 불완전한 정의를 제공합니다. 하이브리드 전기 자동차의 유형을 살펴볼 때 다음과 같은 주요 측면을 고려해야 합니다.

 - 사용 가능한 전력 ( : 15kW)

 - 고전압 배터리의 전압 ( : 48V)

 - 연료 소비 / CO2 감소 잠재력 ( : 15 %)

 - 전기 기계가 수행하는 기능 ( : 토크 부스트)

마일드 하이브리드 전기 자동차 (MHEV)는 위에서 정의한 주요 측면의 조합으로 정의됩니다.

Mild Hybrid 및 전기차/Micro Hybrid 비교

이미지 : 마일드 하이브리드 전기 자동차 (MHEV)를 만드는 이유

크레딧 : Continental

차량 세그먼트는 다음과 같습니다.

A – 경차

B – 소형차

C – 중형차

D – 대형차

E – 프리미엄 자동차

Continental에 따르면 MHEV는 다음과 같이 정의됩니다.

 10 – 20 kW 사이의 사용 가능한 전력

 48V의 고전압 배터리

연료 소비 / CO2 절감 잠재력 13 ~ 22 % (기존 차량 대비)

비용은 차량의 전기 하이브리드화 수준에 영향을 미치는 또 다른 주요 요소입니다. 전기 부품의 도입은 비용이 더 많이 들기 때문에 하이브리드화 수준은 차량 부문에 따라 다릅니다. 더 작고 비용 경쟁력이 있는 차량은 차량의 전체 가격에 영향을 미치기 때문에 최소한의 전기 하이브리드 화 통합 수준을 갖습니다.

MHEV 자동차 시장에는 현재 고전압 네트워크의 작동 값에 대해 48V와 최대 160V의 두 가지 주요 범주가 있습니다. 초점은 MHEV의 표준 솔루션이 될 48V 솔루션으로 이동하고 있습니다. 마일드 하이브리드 전기 자동차는 또한 수행 할 수 있는 작동 모드의 기능으로 정의됩니다. 아래 표에서 다양한 수준의 차량 하이브리드화, 에너지 특성 및 제어 기능 (작동 모드)의 기능을 종합적으로 볼 수 있습니다.

Micro Hybrid

MHEV 

HEV

PHEV

EV

Topology

Regular starter

BiSG

TiMG

CiSG

Powersplit

Powersplit / Parallel

Direct Drive

Electric power [kW]

2-4

10-15

< 21

15-20

25-60

40-100

> 60

Operating voltage [V]

12

48

48

< 160

150-350

< 400

< 450

Cold engine cranking

Yes

No

Yes

Yes

Yes

Yes

Yes

Idle Stop & Start

Yes

Yes

Yes

Yes

Yes

Yes

Yes

Moving Stop & Start

Optional

Optional

Yes

Yes

Yes

Yes

Yes

Engine load shift

Optional

Yes

Yes

Yes

Yes

Yes

Yes

Torque assist (fill)

No

Yes

Yes

Yes

Yes

Yes

Yes

Torque boost

No

Yes

Yes

Yes

Yes

Yes

Yes

Sailing / Coasting

No

Optional

Yes

Yes

Yes

Yes

Yes

Energy recuperation

Optional

Yes

Yes

Yes

Yes

Yes

Yes

Brake regeneration

No

Optional

Yes

Yes

Yes

Yes

Yes

Electric driving / creep

 No

No

Optional

No

Yes

Yes

Yes

External charging

No

No

No

No

No

Yes

Yes

 

범례:

BiSG – 벨트 통합 스타터 생성기 (엔진 측)

TiMG – 변속기 통합 모터 발전기 (변속기 측)

CiSG – 크랭크 샤프트 통합 스타터 생성기 (엔진과 변속기 사이)

위의 표에서 볼 수 있듯이 MHEV에는 서로 다른 특징이 있으며 주요 차이점은 토폴로지 (아키텍처)와 버스 전압입니다. 전기 기계의 위치 (엔진측, 엔진과 변속기 또는 변속기측)에 따라 다른 제어 기능을 수행 할 수 있습니다. TiMG MHEV 토폴로지는 전체 하이브리드 전기 자동차 (HEV)와 유사한 제어 기능 / 주행 모드 측면에서 최고의 유연성을 제공합니다.

장점 때문에 48V MHEV 시스템이 주요 시장에 진입하고 있습니다. 48V 기술의 가장 큰 장점은 기존 차량 아키텍처의 비교적 간단한 통합과 구성 요소의 높은 효율성입니다.

Mild Hybrid 아키텍처(BiSG)

이미지 : 12V에서 이중 전압 12V-48V 아키텍처 (BiSG)로 전환

크레딧 : Continental

48V MHEV 시스템에는 네 가지 주요 구성 요소가 있습니다.

 - 전기 기계 (BiSG 또는 TiMG)

 - 인버터 (일반적으로 전기 기계와 통합)

 - DCDC 변환기

 - 고전압 (48V) 배터리

48V 하이브리드 시스템의 통합 비용을 최소화하려면 기존 차량 및 전송 아키텍처에 미치는 영향을 최소화해야 합니다. BiSG MHEV 시스템은 기존 차량 아키텍처에 가장 적은 변경 사항을 도입하므로 가장 비용 효율적인 하이브리드 솔루션입니다.

마일드 하이브리드 시장 규모

이미지 : 2030년까지 하이브리드 전기차 시장 점유율 추정

크레딧 : Continental

콘티넨탈에 따르면 가까운 미래에 하이브리드 및 순수 전기 자동차 (PHEV 및 순수 EV)의 시장 점유율이 지속적으로 증가 할 것이라고 합니다. 가장 큰 증가는 48V MHEV 아키텍처에서 비롯 될 것으로 예상되며 2030년까지 약 2,500 만 대가 판매 될 것입니다.

출처 : x-engineer.org

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