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CNG 하이브리드 시내버스 개발

페이지 정보

글 : 채영석(webmaster@global-autonews.com)
승인 2013-06-07 14:33:43

본문

1. 개발 배경
세계적으로 점점 강화되고 있는 배출가스 규제 및 화석 연료 수급 문제에 따른 고유가 시대에 대응하기 위하여 친환경, 저연료비 차량인 하이브리드 차량에 대한 관심 및 기술개발은 세계적으로 점점 더 고조되고 그 경쟁 또한 치열해지고 있다. 현대자동차에서는 이러한 세계 자동차 시장 환경 변화에 대응하기 위해 연비 개선 및 유해물질 배출감소가 가능한 CNG 하이브리드 시내버스를 개발하게 되었다.

글 / 김형진 (현대자동차)
출처 / 한국자동차공학회 오토저널 2013년 2월호

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2. 하이브리드 개요
하이브리드란 화석에너지(디젤, 가솔린, 천연가스 등)와 내연기관 및 전기, 유압 등과 전기모터 등을 조합하여 두 개의 에너지 소스와 두 개의 구동 시스템으로 차량을 구동시키는 것을 말하며 종류로는 Electric, Hydraulic, Mechanical, Fuelcell 등이 있으며 일반적으로 내연기관과 전기의 조합이 주로 사용되고 있다.

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상용차량에 주로 사용되는 하이브리드 시스템은 크게 병렬형(Parallel)과 직렬형(Series)으로 구분된다. 그림 5, 6에 병렬형 시스템과 직렬형 시스템 구성도를 나타내었다.

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두 시스템을 간단히 비교하면, 병렬형에서 엔진은 차량을 구동시키는데 직접적으로 작용하는 반면 직렬형에서 엔진은 발전기와 결합하여 전기를 발생시키는 역할만을 담당하며 차량의 구동은 대형 모터를 이용하여 이루어진다. 즉 병렬형은 모터만으로의 구동, 엔진만으로의 구동 및 모터와 엔진을 결합한 다양한 구동이 가능하며, 직렬형은 오직 모터만으로 차량을 구동시키는 차이가 있다. 따라서 직렬형에서는 대용량의 배터리 시스템과 구동모터가 필요하며, 차량단위로 비교 시 중량 및 비용 측면에서 병렬형에 비해 불리한 측면을 가지고 있다. 반면 병렬형은 직렬형 대비 복잡한 주행모드를 가지고 있어 차량의 제어난이도가 직렬형 대비 어렵다.

해외의 개발 동향을 보면 상용차량용 병렬형 하이브리드 시스템은 Allison(미국), Eaton(미국), Volvo(스웨덴), Hino(일본) 등에서 개발하였고, 직렬형 하이브리드 시스템은 BAE(미국), Simense(독일) 등에서 개발하였다.

3. 해외 동향
해외의 하이브리드 버스는 1997년 HINO의 Coaster 직렬형 하이브리드부터 2012년 ISUZU의 ELGA 병렬형 하이브리드 버스까지 많은 차량들이 개발 및 운행 중에 있다. 해외의 주요 하이브리드 버스는 다음 그림7~13과 같다.

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- Orion(1998, 미국) : BAE 직렬형 시스템 탑재
- NewFlyer(1998, 미국) : GM Allison 병렬형 시스템 탑재
- Foton(2007, 중국) : Eaton 병렬형 시스템 탑재
- Volvo7700(2008, 스웨덴) : I-SAM 병렬형 시스템 탑재
- Benz(2009, 독일) : ZF 병렬형 및 직렬형 시스템 탑재
- TATA Star(2011, 인도) : Eaton 병렬형 시스템 탑재
- ISUZU ELGA(2012, 일본) : Eaton 병렬형 시스템 탑재

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해외 지역별로 살펴보면, 중국이 하이브리드 버스 보급에 가장 적극적이며 약 8,000여 대(2011년말 기준)가 운행 중에 있다. 또한 북미지역에서는 약 6,000대의 하이브리드 버스가, 유럽 및 일본은 각각 약 1,000여대가 보급되어 운행 중이다. Volvo 7700(7900 포함) 하이브리드 버스의 경우 전 세계적으로 약 1,000여 대 판매하였으며, Volvo에서는 2014년 이후 저상 버스는 모두 하이브리드로 제작하겠다고 발표하였다.

각 지역별 하이브리드 버스 보급 지원정책을 보면, 중국의 경우 중앙정부에서 약 20~40만 위안(3,500~7,300만 원)을 지원하고 지방정부에서도 별도 지원을 하고 있으며, 유럽 및 미국의 경우 일반 버스와 하이브리드 버스 가격 차액의 약 80% 수준(160만 달러) 지원, 일본의 경우 차액의 50% 지원(지자체 별도지원) 등을 실시하고 있다.

4. 현대자동차 CNG 하이브리드 시내버스 (Blue City)
현대자동차에서는 1999년 직렬형 하이브리드 마을버스(카운티) 선행 개발을 시작으로 10여 년 이상 하이브리드 버스 기술 개발에 매진하여 2012년 저상 CNG하이브리드 시내버스(Blue City) 기술 개발을 완료하였다. 기본 차종은 장애인 및 교통약자의 탑승성이 좋은 저상버스를 채택하였다.

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차량을 구성하는 주요시스템은 배터리 시스템,CNG 엔진 및 구동시스템, 유압식 쿨링시스템, 하이브리드 제어기(HCU : Hybrid Control Unit) 등이며, 세부적으로 살펴보면, 배터리 시스템은 차량 후부 상단에 탑재하였으며, 리튬 폴리머 타입으로 배터리 모듈,
냉각시스템, BMS(Battery Management System) 등으로 구성되었으며 전체용량은 3.8kWh이다.

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CNG 엔진은 기존 시내버스에 적용된 엔진(290마력, 110kg.m) 대비 소용량의 240마력, 90kg.m 엔진을 적용하였으며, 하이브리드 구동시스템은 6속의 AMT(자동화수동변속기, Automated Manual Transmission)와 영구자석식 구동모터(82마력,58kg.m), 배터리 시스템으로부터 직류 전원을 받아 교류로 변환 구동모터에 공급 및 제어하는 인버터로 구
성되어 있다.

유압식 쿨링시스템은 엔진룸 우측에 탑재되었으며,쿨링모듈, 유압펌프 및 유압모터로 구성되어 FCU(Fan Control Unit)에 의해 최적의 쿨링 제어를 수행한다.

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HCU(Hybrid Control Unit)는 하이브리드 버스의 최상위 제어기로써 차량정보, 운전자정보, 엔진 및 변속기 정보, 모터 및 배터리 정보 등을 받아 엔진, 모터,변속기 제어기 등을 통제하여 동력분배, 배터리 용량관리, 회생제동 등을 수행하며 최적의 주행성능 및 연비 개선을 가능하게 한다. 하이브리드 버스의 기본 주행모드는 그림 19와 같다.

그림 19에서 보는 바와 같이 차량 정차 시에는 자동으로 엔진을 정지시켜 공회전을 방지한다(ISG : Idle Stop & Go). 차량의 출발 시에는 하이브리드 구동모터만을 이용 저속 주행 또는 운전자의 의지에 따라 구동모터와 엔진을 결합하여 주행이 가능하다. 가속 및 오르막길에서는 엔진의 출력에 하이브리드 구동모터의 출력을 합쳐서 주행하며, 정속 시 등 엔진만으로 구동이 가능한 경우는 기존의 엔진만으로도 주행을 실시한다. 또한 감속 시(제동 및 타행 주행)에는 구동모터가 발전기의 기능을 수행하여 제동 시의 운동에너지를 전기에너지로 변환하여 배터리에 충전시킨다. 상기의 주행모드 등이 종합되어 차량의 구동이 원활하게 이루어지며 연료 절감도 가능하게 한다. 그림 20~23에 각 모드별 에너지의 흐름을 나타내었다.

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5. 시범운행 현황 및 결과
현대자동차의 저상 CNG 하이브리드 버스를 서울시내노선에 투입하여 시범운행 및 모니터링을 실시하였다. 모니터링은 환경부, 서울시 및 천연가스차량협회와 공동으로 실시하여 객관성을 확보하였으며, 서울시 3개 운수회사에 2013년 7월부터 7대를 순차적으로 투입하여 연비개선 및 배기가스 저감 효과를 검증하였다. 표 1에 모니터링 현황을 나타내었다.

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표 1에서 보는 바와 같이 보다 객관적인 자료를 확보키 위해 간선 및 지선버스 노선에 차량을 투입하였으며, 세부적으로는 서울시내의 서로 다른 5개 노선에 투입하고 운수회사의 기존 운전자가 동일한 운전방식으로 주행을 실시하였다. 2012년 7월부터 9월까지 모니터링을 실시한 결과 동일노선의 동일차종 대비 아진교통은 38.25%, 서울승합은 29.45%, 서울버스는 34.15%의 연비 개선효과가 있었으며, 평균적으로 약 33.77%의 연비 개선효과를 확인할 수 있었다.

표 1의 실제 서울시 노선 주행 시의 연비개선 효과를 기준으로 차량 적용효과(1년, 1대 기준)를 표 2에 나타내었다. <표 2>에서 보는 바와 같이 시내버스 1년 주행 기준 시 대당 연료비 약 1,400만 원 절감, 온실가스(CO2) 약 32t 저감이 가능하며 시내버스의 내구연한인 9년을 기준 시는 대당 연료비 약 1억 4천만 원, 온실가스(CO2) 약 288t 저감이 가능한 것으로 확인되었다.

6. 결론
현대자동차에서 개발 완료한 저상 CNG 하이브리드 시내버스(Blue City)는 하이브리드의 기능을 완벽히 구현한 연비절감, 환경친화 차량으로 환경부, 서울시 및 천연가스차량협회와 공동으로 실시한 서울시내 시범운행을 통해 그 효과를 객관적으로 검증하였다.

기술적 측면으로는 국내 최초 양산수준의 CNG 하이브리드 버스로, 세계 최초로 시스템 국산화와 차량개발을 동시에 수행하였으며 시내버스의 주행특성을 고려한 시스템 및 제어로직을 자체 개발하였다.

경제성측면으로는 1년간 1대당 1,000만 원 이상의 연료비 절감이 가능하며 환경측면으로는 30t 이상의 온실가스(CO2) 저감이 가능한 차량으로 2012년 서울시 시범보급에 이어 2013년부터 전국적으로 본격적인 확대 보급이 이루어질 것으로 기대된다.
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