Fluctuations in fuel prices, concerns over global warming and the environmentally conscious movement in general have led to the development and implementation of several alternative vehicular powertrains. Amongst them, electric vehicles (EVs) and electrical + internal combustion engine (ICE) hybrid vehicles (HEVs) have become particularly prominent. Electric vehicles have several advantages, like producing zero emissions at the local level, having higher well-to-wheel efficiencies, producing less absolute pollution under most possible electrical generation fuel combinations. However, despite having all these benefits, the high cost and low power and energy density of batteries has held the full scale deployment of EVs back. Additionally, since batteries can only be charged using voltages above their discharge potential and at relatively low charging rates, combined with the limitations of real life DC-DC converters, electric vehicles can only regenerate a relatively small portion of the energy available from braking, particularly under low speed urban driving. Batteries also have short lifetimes and require special care in order to prolong them.
To solve these problems, hybrid rechargeable energy storage systems (H-RESS) have been proposed, most prominently a combination of a battery and a super capacitor bank. However, super capacitors are expensive and do not maintain a constant voltage during charge or discharge, so voltage converters are also necessary.
Another alternative to overcome these limitations could be the construction of an electric-hydraulic hybrid powertrain. Hydraulic components are naturally power dense, efficient, very reliable and comparatively low cost. They also require no exotic materials or particularly advanced manufacturing technologies. ICE-Hydraulic powertrains have existed in heavy construction vehicles for many years and have been successfully applied to freight and passenger vehicles successfully in the past. However, electro-hydraulic powertrains cannot be found in passenger vehicles.
An electro-hydraulic hybrid (EHH) powertrain for a passenger vehicle application is proposed as an alternative H-RESS. The proposed powertrain can regenerate a larger fraction of the breaking energy than a pure battery electric vehicle. It can do this because positive displacement pumps can charge a hydraulic reservoir at any rotational speed and because variable displacement pump effectively decouples torque from pressure with no need for a converter.
The present research attempts to evaluate whether such a powertrain would behave as described above. In order to ascertain this, a mathematical model of a passenger vehicle powered by an electro-hydraulic hybrid powertrain was created in Matlab/SimuLink. A pure battery electric vehicle model was also constructed in order to use as a comparison. Both models were tested using the US EPA`s urban dynamometer driving cycle (UDDS).
The results were analyzed in terms of both efficiency gains and reduction of battery transient demand. A 34\% reduction in the energy consumed was found as well as and battery current demand transients exceeding a rate of one half of the battery nominal discharge current were reduced from 17 to 6 over the duration of the cycle. Literature review was also conducted in order to compare the weight and cost of possible H-RESS alternatives.
오늘날 지속가능성의 측면에서 화석연료의 고갈 및 이에 따른 천연자원 가격의 변동, 탄소배출에 따른 지구 온난화는 전 세계적인 문제점으로 대두되고 있다. 이에 따라 교통분야에서는 지속가능성을 확보하기 위한 일환으로 친환경 차량에 대한 동력전달 장치 연구가 진행되고 있으며, 연구개발의 수요 또한 점차적으로 증가하고 있다. 현재까지 다양한 방식의 동력 전달 장치가 개발되었으며, 이 중 전기 자동차, 내연기관 자동차, 그리고 하이브리드 자동차 등이 현재 상용화 되었다. 이 중 전기자동차는 차량으로부터 배출되는 탄소가 없고, well-to-wheel 효율의 측면에서 내연기관 대비 에너지 사용 효율이 우수하며, 자동차의 구조 또한 기존 내연기관 차량 대비 단순화가 가능하여 높은 신뢰성 확보 및 차량 생산과 유지보수의 용이함 등 다양한 장점이 존재한다. 하지만 이러한 다양한 장점에도 불구하고, 배터리의 높은 가격 및 낮은 에너지 밀도로 인해 전기자동차의 보급확산이 지연되고 있다. 이러한 단점을 완화하기 위해 차량에서 발생하는 에너지를 다시 전기에너지로 회수하기 위한 기술인 회생 제동 기술이 적용되고 있지만, 배터리의 방전율보다 높은 전압이 발생하는 경우에만 배터리 충전이 이루어지며, DC-DC 컨버터의 실제 수명 측면에서의 한계점 등으로 인해 효과가 미비한 실정이다. 또한, 배터리는 충전 및 방전을 반복하며 점차적으로 성능이 감소하는 등 수명주기가 제한되어 있으며, 고출력 동작 시 쿨롱 카운팅과 같은 배터리의 충전 상태(SOC)를 측정하기 위한 알고리즘의 정확도가 낮아지는 한계점이 있다.
이러한 문제를 해결하기 위해 2개 이상의 에너지 저장장치를 혼합한 혼합 에너지 저장장치가 제안되었으며, 주로 배터리와 슈퍼 커패시터를 조합하는 방식으로 제안되었다. 하지만 슈퍼 커패시터 사용은 높은 가격, 충전 및 방전 시 전압이 일정하게 유지되지 않는 등의 단점이 있다. 또한, 배터리의 전압과 슈퍼 커패시터의 전압 차이를 동기화하기 위한 부가적인 컨버터 사용이 요구는 단점이 존재한다.
전기차량의 한계를 극복하기 위한 또 하나의 기술로서 전기-유압 동력전달 장치가 있다. 유압을 혼합 에너지원으로 사용하는 것은 유압의 높은 출력 밀도, 고 효율 및 고 신뢰성, 그리고 수퍼 커패시터 대비 상대적으로 낮은 비용이 요구된다는 장점이 있다. 또한, 유압 장치의 제조를 위해서는 특별한 소재가 요구되지 않기 때문에 시스템 설계에 대한 어려움이 적다는 장점이 있다. 내연기관에 유압을 적용한 내연기관-유압 혼합 동력전달 장치는 건설용 중량 자동차에 다수 적용되는 기술이며, 과거에 승용차량에도 적용되었던 사례가 있다.
본 논문에서는 차량의 에너지 활용을 높이기 위해 전기 에너지 및 유압을 혼합하는 전기 승용차량에 대해 유압을 보조 에너지원으로 사용하는 전기-유압 하이브리드 자동차의 기술적 타당성에 대해 검토한다. 제안된 전기-유압 동력 전달 장치는 용적형 펌프를 통해 차량의 속도와 관계 없이 에너지의 저장이 가능하기 때문에 별도의 컨버터가 요구되지 않으며, 높은 밀도의 출력에너지를 에너지 저장장치에 저장할 수 있어 전기자동차 대비 많은 양의 에너지를 회수할 수 있다. 또한 자동차의 속도 제어 측면에서, 슈퍼 커패시터를 사용하는 경우에는 동일한 전기에너지가 사용되므로, 모터의 속도 조절을 위해서는 전압을 동기화하여 공급하기 위한 부가적인 장치가 요구된다. 하지만 유압 방식의 경우에는 전기시스템과 무관한 에너지이므로 부가적인 컨버터 없이도 에너지의 사용이 가능하다. 이러한 전기-유압 하이브리드 동력전달 장치의 효과를 검토하기 위해 제어 모델을 포함하여 전기-유압 하이브리드 차량 및 유압 장치가 제외된 전기자동차 모델을 Matlab/Simulink를 통해 모델링하였다.
이후, 두 동력 전달장치에 대한 에너지 이득 효율 정도와 배터리에 순간적으로 요구되는 에너지 규모인 순시 요구전력을 분석하고자, EPA의 도시주행 모드 사이클 (UDDS)을 사용하여 시뮬레이션을 실시하였다. 실험 결과에 대해 에너지 이득 효율과 순간적으로 배터리에 요구되는 에너지 규모의 저감 측면에서 분석을 실시하였으며, 유압 시스템 적용 시 소비되는 에너지의 저감 및 배터리에 요구되는 높은 순시 요구 전력의 빈도가 감소되는 것을 확인하였다.
