8륜구동 전기자동차
한국과학기술정보연구원 전 문 연 구 위 원 심 영 일 (apsim@ reseat.re.kr)
1. 머 리 말
○ Eliica는 일본 Keio 대학 전기자동차 연구실의 Hiroshi Shimizu 교수 팀이 개발한 바퀴가 8개 달린 8륜 전기자동차의 이름이다. 바퀴를 8개 단 이유에 대해서는 여러 가지 이유가 있겠지만 배터리가 무거워서 그 런 것은 아니다.
○ 사람이나 물건을 운반하는 운동체로서 바퀴가 8개 달린 것이 합리적이 라는 것이 그 이유이다. 왜 합리적이냐에 대해서 본문에서 설명하였다.
Eliica에 적용된 기술의 전반적인 소개와 8륜으로 한 의미를 주안으로 해서 기술하였다.
2. 전 기 자 동 차 의 요 소 기 술
○ 전기자동차의 요소기술로는 전원, 모터, 속도 제어 등이 중요하다. 이 가운데 특히 주목할 만한 것은 전원으로서는 리튬이온 전지(Lithium- Ion Battery), 모터로서는 영구자석식의 동기 모터, 인버터(Invertor)용 의 트랜지스터(Transistor)가 있다.
○ 리튬이온 전지
– 2차전지로서 오래전부터 실용적으로 사용되어 온 것으로는 납전지이 다. 1980년대에는 니켈카드뮴 전지, 1990년대에는 니켈수소 전지를 거쳐서 리튬이온 전지가 출시되었다.
– 전지의 성능을 결정하는 3대 요소는 에너지 밀도, 순시출력을 나타내 는 파워 밀도, 수명을 가리키는 충 방전 반복 가능회수 등이며 납전 지에 비해서 니켈수소가 약 2배, 리튬이온 전지가 약 3배 이상 뛰어
나다.
○ 영구자석식 동기모터
– 최근의 모터로서 주류를 이루고 있는 것은 영구자석식 동기모터이다.
이는 영구자석으로 종래의 페라이트에서 네오디뮴과 같은 희토류 금 속을 사용한 자석이 적용되기 시작하면서부터이다.
– 1980년대 처음으로 일본의 Sumitomo특수금속에서 네오디뮴-보론(Nd -B : Neodymium-Boron)자석을 발명했다. 이 자석은 아주 강력하고 원재료도 풍부하여 가격도 싸다. 더욱이 200℃가 넘는 고온에서도 성 능이 저하하지 않는다.
○ 인버터
– 인버터는 얼마만큼의 대 전류가 흐르고 얼마만큼의 전압에 견딜 수 있는가에 따라서 성능의 우수함이 결정된다. 그 성능을 결정하는 주 요한 인자는 파워 트랜지스터(Power Transistor)이다. 파워 트랜지스 터는 오래전부터 바이폴라 트랜지스터(Bipolar Transistor)를 사용해 왔다.
– 최근에는 절연 게이트 양극성 트랜지스터(IGBT: Insulate Gated Bipolar Transistor)가 주류를 이루고 있다. IGBT의 발명은 미국에서 하였으 나 실용적인 기술로 완성한 것은 1990년이 지나서 일본의 반도체 메 이커가 하였다.
3. 전 기 자 동 차 의 차 체 구 성 기 술
○ 전기자동차의 차체는 기존의 내연기관 자동차의 차체와 동일한 것을 사용하였지만 전동차량의 이점을 최대한 살리기 위해서는 전동화의 목 적에 맞는 차량을 설계하는 것이 중요하다.
○ 자동차에서 요구되는 기본적인 요건에는 가속감, 넓이, 승차감의 3가지 가 있다. 전기자동차의 차체 구성상 새로운 개념을 도입한 기술에도 다
– 첫째는 차륜 내에 모터를 삽입한 인 휠 모터(In-Wheel Motor)이다.
모터를 모든 차륜 내에 각각 삽입하여 독립적으로 작동시켜 줌으로 써, 고효율, 경량화, 유효공간의 확대를 기할 수 있다.
– 둘째는, 차 바닥아래에 중공(中空)의 프레임(Frame)을 구성해서 이 중공 공간에 배터리를 비롯한 기타 주요부품을 삽입하는 컴포넌트 빌트인 프레임(Component Built-in Frame)이다. 전지, 인버터, 제어 장치 등이 바닥아래에 수납되어 경량화, 저중심화, 유효공간의 확대 등의 이점이 있다.
– 셋째는, 차륜의 직경을 작게 하여 2개의 바퀴가 유압 파이프로 결합 되어 하나처럼 움직이도록 만든 특수한 현가장치인 탠덤 휠 서스펜 션(Tandem Wheel Suspension)으로 승차감의 향상, 코너링 속도 향 상, 유효공간의 확대 등의 이점이 있다. 이 기술을 적용한 것이 8륜 전기자동차이다.
○ 이러한 3가지 기술을 조합해서 하나의 대차구조화 한 것을 집적대차(集 積台車)라고 부른다. 3가지 기술은 각각의 특징이 있지만 이들의 집합 체인 집적대차로서의 종합적인 특징은 자동차에서 요구하는 기본적 요 건인 가속감, 승차감, 넓은 공간 등을 모두 만족 시켜주고 있다.
4. 고 성 능 전 기 자 동 차 의 개 발 사 례
○ 고성능 전기자동차의 개발사례로 Eliica라고 이름 붙인 전기자동차를 소개한다. 차의 용도는 세단 및 스포츠 카 양쪽의 특징을 갖고 있다.
집적대차의 개념을 적용하였으며 바닥 윗면은 널찍하며 바퀴 안에 설 치된 개별모터는 바닥아래의 전지로부터 전원을 받아 강력한 파워를 낼 수 있다.
○ 컴포넌트 빌트인 식 프레임이기 때문에 무게 중심이 아래쪽에 있어 승 차감 향상과 차체의 안정성에 효과적이다. 탠덤 휠 서스펜션으로 8개의 바퀴로 되어 있어 악로에서도 승차감이 좋고 타이어의 접지력이 우수 하여 급커브에서도 안정성이 있다.
○ 전지에는 망간산 리튬을 극판으로 사용한 리튬이온 전지를 사용했다.
Eliica에는 이 전지를 4개 묶음을 1모듈로 해서 20모듈을 직렬로 한 것 을 한개 조로한 것을 4개조 탑재하였다. 각조 전지로부터 각각 2개씩의 모터에 전력을 공급하도록 되어 있어 모터나 전지에 이상이 생겨도 곧 바로 정지하는 일이 없도록 고장안전(Fail safe)성을 높여주고 있다.
– 탠덤 휠 서스펜션 시스템에서는 조향기구도 중요한 설계요소가 된다.
Eliica에서는 앞 2축과 4번째 축도 조향이 가능하기 때문에 선회반경 을 짧게 할 수가 있고 선회 시에 타이어의 미끄러짐을 억제할 수도 있다.
– 인 휠 모터는 유성치차에 의한 감속기구로 되어 있고 허브 베어링 및 디스크 브레이크를 조합시켜서 각 차륜에 삽입시킨 구조로 되어 있다. 유성치차의 감속비는 6.293이다.
○ Eliica의 서스펜션 기본구조는 더블 위시본(Double Wishbone) 방식을 채용 했다. 그 이유는 서스펜션의 성능을 최대한으로 낼 수가 있고 암 (Arm)을 장착하는 위치를 낮출 수가 있기 때문에 바닥 면이 강도가 매 우 높은 컴포넌트 빌트인식 프레임에 접속이 용이하게 된다.
○ Eliica에서 가장 중요한 설계 요소 중의 하나는 차체 디자인 이다. 전기 자동차가 숙명적으로 갖고 있는 탑재 가능한 전력량이 한계가 있기 때 문에 소비 에너지를 최대한으로 감해주는 것이다. 두 번째는 차체 개념 으로 봐서 세단과 스포츠카 양쪽의 특징을 갖도록 설정했지만 세단으 로서의 넓이를 확보하기 위해서는 공기저항이 커질 수밖에 없다는 것 이다.
○ 속도 테스트 결과 최고속도는 370km/h로 일반 승용차 이상의 능력을 발휘하였다. 가속성능은 시속 100km와 160km에 도달하는 시간이 각각 4.1초 및 7.0초 걸렸다. 세계 최고 수준의 가속성능을 가지고 있는 스포 츠카 포르쉐(Porshe) 911터보가 시속 100km 및 160km에 도달하는 시 간이 4.2초 및 9.2초인 것에 비하면 Eliica는 이를 능가하는 가속성능을 가지고 있음이 명확하여졌다.
5. 맺 음 말
○ 전기자동차의 가까운 장래의 가능성에 대하여 기술하였다. 특히 8륜차 로서 의의에 대해서 기술하였다. 여기서 가리키고 있는 바와 같이 요소 기술로서의 Lithium-Ion Battery, 영구자석 모터, 그리고 Invertor용 트 랜지스터가 2000년을 경계로 실용적인 기술로 이용되게 되었다는 것이 중요하다.
– 이러한 기술을 통합해서 개발한 Eliica는 아직 시작차이지만 가속감 에 관해서는 지금까지의 차와는 비교가 안 되는 성능을 실현하였다.
앞으로 이와 같은 기술을 더욱 발전시켜서 신뢰성, 내구성, 생산성을 충분히 높여줌으로써 상품가치가 있는 전기자동차의 가능성을 높여 주게 될 것이라고 생각한다.
출처 : 淸水 浩, 江本 聞夫, 河上 凊源, “8輪驅動電氣自動車Eliica”, 「自動車技術(日本)」, 61(9), 2007, pp.83∼ 88
◁전문가 제언▷
○ Eliica는 2004년에 개발된 8개의 바퀴로 설계된 전기자동차로 그 성능 은 정지 상태에서 시속 160km/h까지 도달하는데 불과 7초밖에 소요 안 되는 일반 스포츠카와 비교해도 그리 뒤지지 않는다. 또한 최고 속 도로 시속 370km/h까지 낼 수 있어 기존의 전기자동차와는 비교가 안 되는 대단한 성능이다.
– 가장 중요한 배터리의 용량과 충전시간은 4분 충전에 200km를 달릴 수 있다고 한다. 일본 Keio 대학에서 개발한 것으로 2008년 생산을 목표로 하고 있다. 가격은 약 3,000만 엔 선이라고 한다.
○ 전기자동차는 내연기관을 사용하는 차에 비해서 비교할 수 없을 정도 로 조용하고 그야 말로 배출가스가 전혀 없는 제로 에미션(Zero Emission) 자동차이다. 하지만 그 동안 화석 연료를 사용하는 내연기관이 계속 발 전하면서 주행거리도 짧고 값도 비싼 전기자동차는 자취를 감추게 되 었다.
○ 몇 년 전 GM이 발표한 전기자동차 EV 1도 니켈-메탈 하이브리드 베터 리를 얹고 1회 충전으로 250km 이상 달릴 수 있었지만 값이 너무 비 싸 실용화 되지 못하였다. 그러나 이번에 발표된 Eliica는 이제까지와는 달리 성능도 좋고 가격도 적당하여 실용화의 가능성을 충분히 보여 주 고 있다.
○ 지구 온난화와 고유가 및 친 환경 문제는 하이브리드 자동차 → 전기 자동차 → 연료전지 자동차 등의 미래형 자동차가 실용화 될 날이 다 가오면서 화석연료를 사용하는 내연기관 자동차는 이제 역사의 뒤안길 로 서서히 사라질 날이 가까워 오는 것 같다.
