신개발 경전기자동차와 실증 실험
한국과학기술정보연구원 전 문 연 구 위 원 진 영 훈 (yh jin @ re se at.re .kr)
1. 서론
○ 자동차를 둘러싸고 있는 가장 큰 문제로 환경 문제와 에너지 문제를 들 수 있다. 특히 환경 문제의 해결은 지구온난화에 대응하여 CO2 배 출량을 감소하는데 있다. 일본은 교토의정서의 비준으로 CO2 배출량을 1990년에 비하여 6%의 감소를 요구하고 있어 자동차의 CO2 배출량을 대폭 줄이는 것이 현실적인 과제이다.
– 에너지 문제는 화석연료의 고갈에 대해 연비의 향상, 대체연료의 개 발 등이 추진되고 있으며, 미래의 자동차의 하나인 연료전지 자동차 의 개발도 진행되고 있다. 그러나 해결해야 할 과제가 산적되어 있어 양산화 되기까지는 많은 시간이 소요될 것으로 전망된다.
○ 환경, 에너지 문제를 해결하기 위해서는 전기 에너지를 활용하는 방법 이 제일 유망하다. 현재 일본의 전기자동차의 CO2 배출량은 최신 하이 브리드 자동차와 비교해도 낮은 수준으로 억제가 가능하다. 이러한 이 유로 일본에서는 환경 에너지 문제 대응의 일환으로 전기자동차를 개 발하고 있다.
2. 차량의 개념
○ 전기자동차가 현재까지 보급이 잘 안 되고 있는 이유로 주행거리가 짧 고, 충전시간이 길며, 가격이 비싸다는 3가지 문제점을 들 수 있다. 그 원인은 주로 구동용 전지에 기인한다. 이를 해결하기 위해서 급속 충·
방전이 가능하며, 목표 10년간 20만 km 주행의 긴 수명을 특징으로 하 는 새로운 리튬 이온 전지를 탑재한 전기자동차 'R1e'를 개발하였다.
○ R1e는 수도권의 업무용을 목표시장으로 소형·경량·저가격의 경전기자 동차 개념을 추구한다. 많은 업무차량의 사용 형태가 경자동차에 적은 인원이 탑승하여 근거리 이동 용도이므로 승차 정원을 2명으로 결정하 였다. 수도권에서 업무에 필요한 주행거리는 80km로 급속 충전에 의해 편리성을 향상시켜 주행거리의 단점을 보완하였다.
– 전기 자동차의 운행비용은 가솔린 자동차, 최신 하이브리드 자동차와 비교해서 매우 낮아 차량 가격이 증가하는 것에 대한 보완이 가능하 다. 특히 주행거리가 큰 업무용 차량에는 라이프 사이클의 총 비용이 가솔린 자동차보다 낮도록 억제가 가능하다.
○ R1e는 주행거리가 짧은 것을 커버하기 위하여 충전을 다양화해서 편리 성의 향상을 도모하였다. 통상은 차량에 탑재된 충전기를 이용하여 가 정용 AC 100V/220V 충전에 의해 낮은 비용으로 어디서나 충전이 가 능하다. 충전 스탠드에서 급속 충전으로 15분에 80%의 충전이 가능하 여 가솔린 급유에 비해 손색없는 충전시간의 실현으로 행동반경이 넓 어졌다.
3. 차량의 개요와 파워 유닛
○ 전력회사의 업무용 차량 운용실적에 기초하여 차량의 목표를 설정하였 으며, 승차 정원은 2명, 주행거리는 80km, 가솔린차와 동등한 주행성능 을 목표로 하였다. 충전방법은 차에 탑재된 충전기에 의해 업무에 사용 치 않는 시간에 충전하며, 소요시간은 AC 100V로 약 9시간, 200V로 약 5시간, 그리고 급속충전기에서 단시간 내에 충전가능하며 80%용량 까지의 충전시간이 15분 소요되는 것을 목표 성능으로 설정하였다.
– 모터, 인버터, 컨버터, 감소기 등 파워 유닛은 엔진 룸에 탑재하고, 구동용 배터리는 앞좌석 밑이나 뒷좌석 부위에 탑재한다. 이러한 방 법으로 2명과 화물 적재 공간을 확보하고 80km의 주행이 가능한 용 량의 배터리의 탑재를 실현하였다.
– 모터는 고출력을 얻을 수 있는 3상 영구자석 동기 전동기를 사용하 여 실용적으로 충분한 구동성능을 확보하였다. 모터는 최대출력이
40kW, 최대 토크가 150Nm, 최고회전수가 6,000rpm, 그리고 26kg 중 량의 모터를 탑재하였다.
○ 인버터는 비용과 중량을 절감하고 차량 탑재성의 개선을 위하여 구동 모터용 인버터, 컨트롤러, 고전압 릴레이, 퓨즈로 구성된 고전압 부를 일체화하였다. 또한 가정용 콘센트에서 충전 가능하도록 차량 탑재 충 전기를 탑재하였다.
4. 배터리
○ 급속 충·방전이 가능한 리튬 이온 전지를 사용한 배터리 팩이 개발되었 다. 이 전지는 방열특성이 우수하고 수명이 대폭 향상되어 큰 전류가 쉽게 흐르는 것이 가능하다. 배터리 모듈은 적층 판(積層 板) 형의 셀 12매로 구성되었다. 용량은 25Ah, 전압 21.6V, 내부구조는 2 병렬 6 직 렬, 자연 공기냉각으로 -30~+60도에서 동작한다.
○ 주행거리 80km를 실현하는데 필요한 에너지의 양은 약 9kWh로 앞에 6개, 뒤에 10개, 모두 16개의 모듈을 차량에 탑재하였다. 배터리 팩은 배터리 제어장치(BCU), 모듈, 그리고 Junction box로 구성되어있다.
Junction box는 Fuse, 전기 센서, Main relay, Pre-charge relay, Quick-charge relay, Safety plug로 구성되어 있다.
○ 배터리 관리 시스템은 배터리 총 전압, 전류, 그리고 센서 온도를 검출 하고, SOC(State Of Charge), SOH(State Of Health)를 추정한다. 센서 전압의 균등화와 차량 제어장치의 통신 기능을 수행한다. 배터리의 수 명을 추정한 결과 7년경과 후 70,000km 주행 후의 용량 저하가 15%
미만으로 추정되었다.
4. 평가 및 결론
○ 사용한 전지 셀의 특성에서 대 전류의 충전에 관해 온도 상승을 확인 한 결과 급속 충전을 반복해도 전지의 수명에 주는 영향은 작은 것으 로 생각된다. 시작차로 급속 충전 시험한 결과 15분 이내에 80%까지
급속 충전이 가능하였다.
– 주행 평가를 위하여 10·15 모드로 시작차량의 주행거리를 평가한 결 과 1회 충전으로 95km의 주행이 가능하였다. 주행 평가시험은 이동 체 통신망을 이용한 원격계측 시스템 SUCS(Subaru User Communication System)을 사용하였다.
○ 일반도로에서 실용주행시험을 실시한 결과 1회 충전으로 80km 이상의 주행이 가능함을 확인하였다. 현재 개발한 시작차량을 전력회사 업무에 사용하여 실증 시험을 하고 있다. 이 시험은 지역 특성에 대응하여 변 화하는 사용조건에 대하여 주행거리의 목표 80km에 부족함이 없는지 확인하고 개선점을 추출하여 대책수립하기 위한 것이다.
○ 전기 자동차 R1e는 도시지역의 단거리 이동을 중심으로 소형 commuter (좁은 데서도 회전이 가능한 출퇴근용 초소형 자동차) EV로 개발하였 다. 급속한 충·방전이 가능한 고밀도 리튬 이온 전지를 탑재하여 급속 충전기능을 실현하였다. 1회 충전으로 80km의 실용 주행이 가능하였다.
출처 : 荒井 一眞, 吉井 成光, 樓井 正人, 十川 能之, 西田 尙司, “新開發 輕電氣自動車とその實証 實驗”, 「自動車技術(日本)」, 61(9), 2007, pp.95~100
◁전문가 제언▷
○ 전기자동차는 배터리로 전기모터를 구동하는 환경 친화적인 자동차로 1873년 영국의 R. Davidson에 의해 최초로 소개되었다. 그러나 가솔린 자동차의 급속한 발전과 충분한 주행거리를 확보하지 못하는 배터리의 기술적인 문제 때문에 실용화가 늦어져 왔다. 제1세대 전기자동차는 1971년에 일본에서 고도성장기의 대기오염과 광화학 스모그 등의 환경 오염의 사회문제 해결을 위해 경자동차를 중심으로 개발되었다.
○ 1990년대 후반에 미국 캘리포니아 주의 ZEV(Zero Emission Vehicle) 도입의 의무화로 본격적인 2세대 전기자동차의 개발이 시작되었다. 가 솔린차를 대체하기 위하여 4명이상의 탑승이 가능하고 충분한 주행거 리를 확보하여 가솔린차와 동등한 성능이 요구되었다.
○ 전기자동차는 전기에 의해 구동되므로 대기오염의 확산 방지에 가장 효과적인 차량이지만 한 번의 충전으로 가능한 주행 거리가 짧고, 배 터리를 포함한 전기장치의 중량이 무거우며, 충전 인프라가 구축되어 있지 않은 문제점이 해결되어야 한다. 최근에 일본에서 개발된 경 전 기자동차는 승차 정원 2명, 주행거리는 80km로 급속 충전에 의해 편리 성을 향상시켜 주행거리가 짧은 단점을 보완하였다.
○ 전기 자동차가 배출가스의 절감에 최선의 대안이라는 공감대가 조성되 어 있고, 많은 기술자들이 이를 위해 노력하고 있어 빠른 장래에 상용 화가 가능할 것으로 전망된다. 우리나라도 전기자동차에 대한 관심이 높아지고 있다. 국내에서도 친환경적이며, 편리하고 효율이 높은 경전 기 자동차가 개발되기를 기대한다.
