환경조건 및 중량변화에 따른 차종별 에너지소비효율 변화 특성에 관한 연구

2.1 시험방법

시험방법은 국내 에너지소비효율 측정 공인 시험방법인 산업통상자원부 고시 제2022-14호 「자동차의 온실가스 배출량 및 연료소비율 시험방법 등에 관한 고시」에 따라 실시하였다.

해당 고시에 따르면, 에너지소비효율 측정은 도심 주행을 모사한 FTP-75모드(도심모드)와 고속도로 주행을 모사한 HWFET모드(고속모드)를 이용한다. 해당 시험모드의 속도 프로파일을 Fig. 1과 Fig. 2에 나타내었다.

Fig. 1

FTP-75 mode (Urban test mode)

Fig. 2

HWFET mode (Highway test mode)

에너지소비효율은 시험모드 주행 시 발생하는 탄소 성분의 배출가스(THC, CO, CO₂)를 통해 연료 소모량을 계산하는 카본-발란스법을 적용하여 1L의 연료로 주행 가능한 거리를 계산하게 된다. 계산 방법은 가솔린 차량(하이브리드 포함)을 식 (1)에 디젤 차량은 식 (2)에 나타내었다.

여기서, CWF는 연료의 탄소 함량(%), SG는 연료의 밀도(kg/m³), NHV는 연료의 저위발열량(J/g)을 의미하고 THC, CO, CO₂는 시험 간 발생한 각 배출가스의 배출량(g/km)를 의미한다.

차량의 에너지소비효율을 정확하게 측정하기 위해서는 사전에 차량을 준비하는 작업이 필요하다. 우선 시험 차량을 차대동력계에 설치한 후 차량 예열(80 km/h 속도로 30분 주행)을 수행한다. 차량의 예열이 종료되면 차량의 주행저항을 차대동력계에 재현하게 된다. 주행저항이란 차량이 외부에서 주행할 때 차량이 받는 저항인데 이를 수치화한 실도로 부하력 계수를 이용하여 주행저항 재현을 하게 된다. 실도로 부하력 계수는 f₀(N), f₁(N/(km/h)), f₂(N(km/h)²) 세 가지 수치로 되어 있고, 차량이 특정 속도에서 받는 부하(N)는 식 (3)과 같이 계산된다.⁴⁾ 해당 계수는 각 자동차 제작사가 각 차량의 에너지소비효율 인증을 위해 실제 도로에서 측정한 데이터를 제출받아 적용하였다.

주행저항 재현이 끝나면, FTP-75모드의 1, 2 구간을 주행하는 예비 주행을 수행하고, 종료되면 20~30℃ 조건에서 12~36시간 차량을 식히는 Soaking을 진행한다. Soaking이 종료되면 FTP-75모드를 수행하고 FTP-75모드 종료 후 3시간 이내에 HWFET모드를 수행하여 각 시험모드 별로 에너지소비효율을 최종적으로 계산한다.

에너지소비효율 인증에서의 환경조건은 20~30℃이고 공조 장치나 기타 부가기기를 작동시키지 않고 측정한다. 본 논문에서는 환경조건 및 중량조건 변화에 따른 에너지소비효율 변화 특성을 보고자 하였다. 따라서 인증 시험방법에 따른 상온조건에서의 시험 결과와 저온조건(-7℃), 중량조건에서의 결과를 각각 도출하여 비교를 진행하였다.

저온조건에서는 국내 저온 배출가스 시험 고시인 「제작자동차 시험검사 및 절차에 관한 규정」에 따라 각 실도로 부하력 계수를 1.1배 하여 주행저항을 재현하였고, -7℃에서 12~36시간 Soaking을 진행한 후 공조 장치를 작동(22℃, AUTO)한 상태에서 본 시험을 진행하였다.

총중량조건은 국내 고시에 별도의 시험방법이 정해져 있지 않아 유럽의 EURO Green NCAP 문서를 근거로 실도로 부하력 계수 중 중량 증가와 관련된 f₀값을 국내 인증 시험방법 기준인 공차중량+136 kg의 등가 관성 중량 대비 총중량에서의 등가 관성 중량 증가율을 기준으로 값을 증가시켜 주행저항을 재현시키는 방법을 사용하였다. 총중량 기준 f_o를 계산하는 식을 식 (4)에 나타내었다.

하이브리드 차량의 경우 고전압 배터리의 전류변화량을 측정 및 적산하여 배터리의 영향이 낮은 시험 결과(고전압 배터리 순에너지 변화량 1% 이하)를 측정하여 비교하였다.

2.2 시험장치

본 연구에서는 차량의 에너지소비효율을 계산하기 위해 측정이 필요한 THC, CO, CO₂ 를 측정하기 위한 배출가스 분석장치(Horiba MEXA)와 차량을 설치하여 실도로와 유사하게 주행할 수 있는 장치인 차대동력계(AVL Zollner)를 사용하였다. 또한 시험 진행 간 환경조건(25℃, -7℃) 모사할 수 있는 환경챔버 내에서 시험을 진행하였고, 하이브리드 차량의 고전압 배터리 영향도를 측정할 수 있는 전력적산계 및 전류클램프를 사용하였다. 시험장비의 전체적인 구성은 Fig. 3과 같고 차대동력계의 제원은 Table 1, 배출가스 분석기의 제원은 Table 2에 나타내었다.

Fig. 3

Schematic diagram of chassis dynamometer

Table 1

Specification of the chassis dynamometer

Table 2

Specification of the emission analyzer

2.3 시험용 차량

본 연구에서는 가솔린 차량 3종, 디젤 차량 3종, 하이브리드 차량 2종에 대해 시험을 실시하였다. 시험용 차량은 2022년 및 2023년에 연도별로 등록 대수가 많은 차량을 기준으로 하였고, 엔진 형식(MPI, GDI), 차량 타입(Sedan, SUV, RV), 배기량, 차량 중량 등 다양한 종류의 차량으로 선정하여 차종별로 환경조건과 중량조건이 에너지소비효율에 미치는 영향을 평가하고자 하였다. 선정된 8개 차종의 제원을 Table 3에 나타내었다.

Table 3

Specifications of test vehicles

2.4 시험용 연료

시험용 연료는 연료 물성 변화에 따른 시험 결과의 편차를 최소화하기 위해 차량 유종별로 같은 연료를 사용하였으며, 특히 휘발유는 에너지소비효율 계산에 물성값이 적용되기 때문에 밀도, 탄소 함량, 저위발열량에 대한 물성 분석을 별도로 실시하여 적용하였다. 물성 분석 결과는 Table 2와 같다.

Table 4

Specifications of test fuel(Gasoline)

3.1 차종별 시험모드별 에너지소비효율 특성

3.1.1 도심모드 에너지소비효율 측정 결과

1) 에너지소비효율 측정 결과

Fig. 4에 차종별로 도심모드(FTP-75모드)를 저온조건과 총중량조건에서 측정한 에너지소비효율 결과를 나타내었다. 도심모드에서는 하이브리드 자동차인 V7과 V8 차량이 상온조건에서 각각 22.3 km/L, 22.1 km/L로 측정되어 가장 좋은 에너지소비효율을 보였고, 3.5 L 대배기량의 가솔린 차량인 V3 차량이 가장 좋지 못한 결과를 보였다.

Fig. 4

Fuel Efficiency Test Result (FTP-75 mode)

전반적으로 에너지소비효율이 상온조건 대비하여 저온조건에서 큰 폭으로 하락한 결과를 보였으며, 총중량조건은 저온조건의 수준이 아니지만 상온조건 대비 다소 하락한 결과를 보였다.

2) 상온조건 대비 에너지소비효율 감소율

Fig. 5에는 상온조건에서 진행되는 도심모드 인증 시험방법 대비 저온조건 및 총중량조건의 에너지소비효율 감소율을 나타낸 것이다.

Fig. 5

Decrease Rate of Each Test Mode (FTP-75 mode)

저온조건에서는 하이브리드 자동차의 에너지소비효율이 35.7%, 32.1% 감소하는 등 다른 차종에 비해 큰 하락폭을 보였다. 하이브리드 차량 다음으로는 디젤 차량, 가솔린 차량 순으로 하락폭이 줄어들었다.

총중량조건에서는 대부분이 10% 이내의 감소율을 보였으나 화물 픽업트럭 디젤 차량인 V6 차량만 14.0% 감소하는 결과를 보였다. 이는 화물차량 특성상 적재함의 중량까지 총중량으로 고려되기 때문에 다른 승용차량 대비하여 총중량이 상대적으로 높아진 영향이다.

3.1.2 고속모드 에너지소비효율 측정 결과

1) 에너지소비효율 측정 결과

Fig. 6에 차종별로 고속모드(HWFET모드)를 저온과 총중량조건에서 측정한 에너지소비효율 결과를 나타내었다. 고속모드에서는 MPI 엔진의 저배기량인 V1 차량이 상온조건에서 25.7 km/L로 가장 높았고, 도심모드와 마찬가지로 대배기량의 가솔린 차량인 V3가 가장 좋지 못한 결과를 보였다.

Fig. 6

Fuel Efficiency Test Result (HWFET mode)

고속모드에서도 도심모드와 마찬가지로 상온조건 대비 저온 및 총중량조건에서는 에너지소비효율이 감소하는 결과를 보였지만 도심모드 대비하여 감소폭이 작았고, 총중량조건보다는 저온조건의 영향이 더 큰 것을 확인 할 수 있었다.

2) 상온조건 대비 에너지소비효율 감소율

Fig. 7은 상온조건에서 진행되는 고속모드 인증 시험방법과 대비하여 저온조건 및 총중량조건의 에너지소비효율 감소율을 나타낸 것이다.

Fig. 7

Decrease Rate of Each Test Mode (HWFET mode)

저온조건에서는 에너지소비효율은 차량 대부분이 10∼20% 수준으로 감소하였고, 도심모드와는 달리 하이브리드 차량보다 디젤 차량의 감소폭이 더 큰 차량도 확인되었으나 대체로 유사한 감소폭을 보였다.

총중량조건에서도 도심모드와 마찬가지로 대부분이 10% 이내의 감소율을 보였으나 화물 디젤 차량인 V6 차량이 13.0% 감소하는 결과를 보였다.

그에 비해 하이브리드의 경우는 총중량에 대한 영향도가 1∼4% 수준으로 다른 차종에 비해 낮은 것을 확인할 수 있었다.

3.2 차종별 시험모드별 CO₂ 배출 특성

다음으로는 앞서 3.1 항의 시험 결과가 나온 원인을 파악하기 위하여 에너지소비효율 계산에서 가장 큰 영향도를 가지는 CO₂ 배출량을 실시간으로 분석하였다.

3.2.1 도심모드 실시간 CO₂ 배출 특성

시험모드 별 CO₂ 배출 특성을 실시간으로 확인하기 위해 Fig. 8에 가솔린 차량(차량: V3)에 대한 CO₂ 배출량을 그래프로 나타내었다. V3 차량은 저온조건에서 15.3%, 총중량조건에서 6.8% 감소하였는데, 저온조건에서는 첫 번째 가속구간을 포함한 초기 구간에서 CO₂ 배출량이 두드러진 것을 확인할 수 있었다. 총중량조건에서는 구간 대부분에서 상온조건과 유사하였지만 가속할 때 CO₂ 배출 상한이 다른 조건에 비해 다소 높은 것을 확인 할 수 있었다.

Fig. 8

Real-time CO2 Emission of the Gasoline Vehicle (FTP-75 mode)

Fig. 9는 디젤 차량(차량: V5)의 시험모드별 CO₂ 배출량을 실시간으로 나타내었다. 가솔린 차량과 마찬가지로 구간 대부분에서 유사한 CO₂ 배출량을 보였으나 특히 저온 시험 초기 구간에서 상온 대비 2배 이상의 배출량을 보였고, 첫 번째 가속구간에서만 배출량이 많았던 가솔린 차량과는 달리 두 번째 가속구간에도 지속해서 CO₂ 배출량이 높은 것을 확인할 수 있어 저온에 대한 영향성이 가솔린 차량보다 디젤 차량에 더 높다는 것을 확인 할 수 있었다.

Fig. 9

Real-time CO2 Emission of the Diesel Vehicle (FTP-75 mode)

Fig. 10은 하이브리드 차량(차량: V8)의 시험모드별 CO₂ 배출량을 실시간으로 나타내었다. 하이브리드 차량의 경우, 가솔린이나 디젤과 같은 일반 내연기관 차량과는 달리 초기 가속구간에서도 저온조건의 CO₂ 배출량이 상온조건과 유사하였다. 하지만 엔진이 작동하여 주행하는 구간(시험모드 간 CO₂가 배출된 구간)이 상온조건 대비하여 저온조건에서 7군데 이상 발생하여 전체적인 CO₂ 배출량을 증가시켰고, 이에 따라 에너지소비효율이 감소함을 확인할 수 있었다.

Fig. 10

Real-time CO2 Emission of the Hybrid Vehicle (FTP-75 mode)

3.2.2 고속모드 실시간 CO₂ 배출 특성

Fig. 11은 고속모드에서의 가솔린 차량(차량: V3)에 대한 CO₂ 배출량을 그래프로 나타내었다. 고속모드의 경우, FTP-75모드 시험 이후에 진행하고, 시험 전 HWFET모드를 1회 주행하여 차량이 예열된 상태에서 본 시험이 진행된다. 그로 인해 초반 가속 시에도 시험모드 별로 유사한 CO₂ 배출량을 보여 도심모드 대비 저온조건에서 에너지소비효율 감소율이 적은 것을 확인 할 수 있다.

Fig. 11

Real-time CO2 Emission of the Gasoline Vehicle (HWFET mode)

Fig. 12는 고속모드에서의 디젤 차량(차량: V5)에 대한 CO₂ 배출량을 그래프로 나타낸 것인데, 구간 대부분에서 시험모드 별로 유사한 경향을 가져가고, 저온조건 및 총중량조건에서 조금 더 높은 배출량을 지속해서 보이는 것을 확인할 수 있다.

Fig. 12

Real-time CO2 Emission of the Diesel Vehicle (HWFET mode)

Fig. 13은 고속모드에서의 하이브리드 차량(차량: V8)에 대한 CO₂ 배출량을 그래프로 나타낸 것인데, 저온에서 차량 시동이 걸리는 구간이 조건별로 다르기는 하지만 도심모드처럼 특별하게 CO₂의 배출량이 증가하는 구간은 없는 것으로 확인하였다.

Fig. 13

Real-time CO2 Emission of the Hybrid Vehicle (HWFET mode)

3.3 하이브리드 차량 전류 변화 특성

하이브리드 차량의 경우 도심모드에서의 에너지소비효율 감소폭이 다른 가솔린이나 디젤 차량에 비해 컸는데, 원인 분석을 위해 고전압 배터리 사용량 및 회생 제동량을 시험모드별로 비교하였다. Fig. 14에 시험 간 사용된 전류량과 회생 제동을 통해 충전된 전류량을 나타내었다.

Fig. 14

Cumulative current changes in hybrid vehicle

전류 소모는 저온의 도심모드에서 가장 많이 하였고, 저온의 고속모드에서 가장 적게 하였다. 회생 제동으로 인한 충전은 총중량조건의 도심모드에서 가장 많았고, 저온조건의 고속모드에서 가장 적었다.

회생 제동의 비율을 보기 위해 방전 전류량 대비 충전 전류량이 얼마나 되는지를 확인해 보면 도심모드의 경우, 총중량조건에서 102.0% 가장 많았고, 고속모드도 총중량조건에서 101.8%로 가장 많았다. 이는 차량 중량이 증가하였을 때 차량이 받는 부하가 증가하면서 회생 제동량에도 영향을 미쳤음을 보여 주고 있고, 이에 따라 하이브리드 차량의 중량 증가는 에너지소비효율 감소에 영향을 크게 미치지 못하는 것을 알 수 있게 해 준다.⁵⁾

그와는 반대로 저온조건에서는 도심모드의 경우 94.8%, 고속모드의 경우, 99.5%로 둘 다 충전량보다 방전량이 많았는데, 저온에서의 배터리 효율 하락과 히터 사용으로 인한 많은 배터리 소모가 하이브리드 자동차에서는 에너지소비효율 하락에 영향을 크게 미친 것을 확인할 수 있다.

Author contributions

J. S. Park; Conceptualization, Data curation, Formal analysis, Investigation, Methodology, Visualization, Resources, Writing-original draft. Y. J. Hong; Data acquisition, Investigation, Writing-review & editing. J. H. Lim; Supervision, Writing-review & editing. M. H. Lee; Funding acquisition, Project adminstration, Supervision, Validation, Writing-review & editing.