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

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 SOC가 100 %이면 사용할 수 있는 최대 이론적 전기 에너지 양이 있음을 의미합니다. 배터리의 최소 SOC가 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 용 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 Honda의 IMA (Integrated Motor Assist) 기술입니다. BiSG와 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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