중형저상버스의 성능 평가 및 하이브리드화에 관한 연구 :A study on performance evaluation and hybridization of medium-sized low-floor bus

김기수

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자료유형: 학위논문

저자정보: 김기수 (서울과학기술대학교, 서울과학기술대학교 대학원)

지도교수: 박영일

발행연도: 2017

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이용수10

이 논문의 연구 히스토리 (4)

2017

중형저상버스의 성능 평가 및 하이브리드화에 관한 연구

김기수 기계설계로봇공학과 2017.01 학위논문

2016

중형저상버스 병렬형 하이브리드화를 위한 동력전달계 용량매칭

김기수 , 박영일 , 노윤식 외 1명 한국산학기술학회 논문지 2016.08 학술저널

디젤 중형저상버스의 병렬형 하이브리드화 및 용량 설계

김기수 , 김진성 , 신재훈 외 2명 한국자동차공학회 춘계학술대회 2016.05 학술대회자료

2015

시뮬레이터를 이용한 중형 저상버스의 주행성능 예측

김기수 , 김진성 , 박영일 외 1명 한국생산제조학회지 2015.10 학술저널

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최근 기후 이상변화와 대기 질 악화에 대한 심각성이 대두되고 있으며, 화석 에너지 고갈에 대한 우려도 꾸준히 재기되고 있다. 이에 따라 선진국을 중심으로 자동차 연비 규제가 강화되면서 친환경 자동차에 대한 투자와 연구 개발 경쟁이 본격화되고 있다. 현재 대부분의 투자와 연구 개발은 소형 및 승용차를 중심으로 이루어지고 있으며, 대중교통 수단으로 높은 비중을 차지하는 시내버스에 대한 연구는 미미한 실정이다. 현재 국내에는 친환경 시내버스로 CNG 저상버스가 높은 비율을 차지하고 있으며, 교통약자의 이동편의 증진 법 개정에 따라 저상버스의 보급 및 정부 지원이 더욱 확대될 전망이다. 그 동안 친환경 시내버스에 대한 연구로 디젤 하이브리드 버스 및 CNG 하이브리드 시내버스 개발에 관한 연구가 수행되었으나 중형급 저상버스에 대한 연구 개발은 전무한 실정이다. 본 논문에서는 세계적인 환경 문제와 교통약자의 이용편의 증진에 대응하기 위해 중형저상버스의 성능 평가 및 하이브리드화에 관한 연구를 수행하였다.
디젤 중형저상버스를 개발 차량으로 선정 후 성능 평가 시뮬레이터를 개발하여 구동성능 및 연비 평가를 수행하였으며, 실차 시험결과를 시뮬레이션 결과와 비교 분석하였다. 디젤 중형저상버스의 하이브리드화를 위해 시스템 최적화가 필요하며, 이 과정을 통해 동력원 최적 용량과 기어 비가 결정된다. 기존의 연구 방법에서는 모든 경우에 수에 대한 반복 연산으로 최적화를 수행하기 때문에 결과 도출에 많은 시간이 요구되었다. 본 연구에서는 Hill-climbing 탐색 알고리즘과 황금분할 탐색 알고리즘을 적용한 설계 프로세스를 구축하여 하이브리드 시스템 최적화에 요구되는 시간을 획기적으로 단축하였으며, 기어 비 최적화 수행 시 Local optimal points로 빠질 수 있는 경우에 대한 해결 방안을 제시하였다. 또한 기존 방법에서는 Feasible region 내에서 목표한 동력 성능을 만족하지 못하는 한계가 발생될 수 있었다. 본 연구에서는 관련 오류의 판별이 시스템 최적화 과정에서 이루어 질 수 있도록 개발된 시뮬레이터를 적용한 프로세스를 제안하였으며, 전 방향 중형저상버스 모델을 통해 동력 성능을 검증하였다.
본 연구에서 하이브리드 시스템 최적화 설계로 도출된 결과를 도태로 디젤 하이브리드 중형저상버스의 성능 평가를 수행하고 디젤 중형저상버스와 비교를 통해 성능 향상을 예측하였다.
본 연구의 결과는 향후 하이브리드 시스템 최적 설계 및 하이브리드 중형저상버스 개발 연구에 활용될 것으로 기대된다.

Recent years have witnessed escalating concerns about climate change and air quality deterioration, and concerns about fuel energy depletion have also been constantly raised. In response to such concerns, developed countries across the globe have been taking the lead in strengthening automotive fuel economy regulations, thus fueling investment and R&D races competing for eco-friendly vehicles. Currently, most of such investments and R&D programs are revolving around smaller vehicles and passenger cars, and only limited research is available as regards buses, a popular means of local public transport. In South Korea, low-floor buses powered by compressed natural gas (CNG city bus) occupy the highest proportion of eco-friendly local bus services. With the amendment of the Act on Promotion of the Transportation Convenience of the Mobility Disadvantaged, the distribution of and government support for CNG city bus are expected to expand. According to research on eco-friendly city buses, studies have been conducted to develop diesel hybrid electric buses and CNG hybrid electric city buses; however, no study has ever been conducted on medium-sized low-floor buses. This paper presents the results of performance evaluation of the medium-sized low-floor bus and its hybridization yielded in our study that was conducted in an effort to respond to global environmental problems and promote the transportation convenience of the mobility-impaired persons. After choosing the diesel low-floor bus as the development target, we developed a performance evaluation simulator for vehicle performance and fuel efficiency evaluations, and compared the simulation outcomes with field experiment results. This procedure is essential for determining the optimal component sizes and gear ratios which can serve as the basis for system optimization necessary for the hybridization of the diesel medium-sized low-floor bus. In the conventional research approach, optimization is explored by performing iterative operations for all applicable cases under high time budget for obtaining results. In this study, hill-climbing search and golden section search algorithms were applied to the design process setup, markedly shortening the time required for hybrid electric system optimization. This paper also presents a solution in case of missing values in local optimal points when performing gear ratio optimization. Another limitation of the conventional approach is cases falling short of the target vehicle performance set within a feasible region. To address this problem, the proposed process uses a simulator designed to enable the related detection during the system optimization process. Vehicle performance was tested with an forward simulation model of the medium-sized low-floor bus. We evaluated the vehicle performance of a diesel hybrid electric of the medium-sized low-floor bus on the basis of the results derived from the hybrid electric system optimization design and predicted its performance improvement by comparing the results obtained with those of the diesel medium-sized low-floor bus. The results of this study are expected to serve as basic data for future hybrid electric system optimization designs and R&D of hybrid electric of the medium-sized low-floor bus.

I. 서 론 1
1. 연구의 배경 및 목적 1
2. 연구의 동향 4
3. 연구의 방법 6
II. 디젤 중형저상버스의 성능 해석 9
1. 중형저상버스 제원 및 구조 9
2. 차량 성능 해석 시뮬레이터 및 성능 평가를 위한 데이터 11
3. 중형저상버스의 시뮬레이션 및 실차 시험 결과 20
4. 성능 해석 결과 비교 및 고찰 35
III. 하이브리드화를 위한 동력전달계 최적설계 40
1. 하이브리드 시스템 및 모델링 40
2. 최적 시스템 설계 프로세스 46
3. 차량 목표 성능 54
4. 동력원 조합 영역 설계 57
5. 시뮬레이션 결과 및 고찰 59
6. Backward simulation을 통한 연비 해석 결과 비교 67
IV. Forward simulation을 통한 하이브리드 시스템 성능 해석 68
1. 시스템 모델링 68
2. 구동성능 해석 74
3. 연비 해석 및 고찰 77
V. 결 론 83
VI. 부 록 85
1. 연료 변화에 따른 중형저상버스의 성능 평가 85
2. 연비 해석 결과 비교 및 고찰 91
3. 디젤, 가솔린, CNG, 디젤 하이브리드 연비 해석 결과 비교 92
참고문헌 93
영문초록(Abstract) 96
감사의 글 98

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