그린카 기술의 현재와 미래·¸린카... · 2019-03-31 ·...

한국산업기술평가관리원 61

SUMMARY

그린카 기술의 현재와 미래 (시판 중인 그린카의 실차 성능 분석에 의한)

ｌ저자ｌ 김기훈 / KEIT 그린카 PD

한범석 / KATECH 실장

양인범 / KATECH 센터장

그린카 기술

▶ 그린카란 그린 동력시스템을 활용, 장착 한 하이브리드자동차, 연료전지자동차, 전기자동차 또는 이에 준하는 클린디젤자동차를 말함

▶ 수출 주도형의 국내 자동차 산업에서 그린카 기술은 선진시장의 온실가스, 연비규제 등 새로운 무역 장벽에 대응하고 중국, 인도 등 기술 후발국과의 기술격차를 유지하기 위해 반드시 확보해야 할 기술임

시판 중인 그린카의 기술 수준 분석

▶ 현재 다양한 방식으로 발전하고 있는 그린카 핵심 기술이 실제 차량에서 발현되고 있는 수준을 확인하고 미래 발전 가능성을 탐지하기 위하여 실차분석과 실차 주행 모니터링을 실시

▶ 대표적 시정판매 HEV 그린카인 Toyota의 3세대 Prius, Honda의 2세대 Insight, PHEV인 GM의 Volt와 순수 EV인 Nissan의 Leaf를 선정하여 차량의 구성과 부품 기술을 분석하고 실제 주행 성능을 비교

▶ 현재 판매 중인 하이브리드 자동차는 기술적 성숙도가 비교적 높은 것으로 분석되었으나, 2차전지를 대용량으로 장착한 PHEV 및 EV 차량은 기술적 성숙도, 최적화, 안전도 등 모든 측면에서 개선점이 많은 것으로 분석

▶ 상호 역설적인 차량 성능과 경제성의 관점에서 모터와 엔진의 조화, 경량화의 추구, 신개념의 열관리 기술, 가혹한 사용조건에 대한 시스템 한계를 개선하는 근원적 기술의 확보 노력이 지속적으로 필요

PD ISSUE REPORT APRIL 2012 VOL 12-3

62 한국산업기술평가관리원

1. 그린카 산업 현황

▶ 화석연료의 부족, 산유국의 고유가 정책, 그리고 지구 온난화에 대한 우려 등으로 인해 전 세계적으로 그린카 (친환경 자동차)에 대한 요구가 사회적 이슈가 되고 있음

▶ 그린카란 그린 동력시스템을 활용, 장착 한 하이브리드자동차(HEV), 연료전지자동차(FCEV), 전기자동차(EV) 또는 이에 준하는 개선으로 기존 내연기관 대비 연비가 높고 배출가스나 CO2 배출량이 적은 클린디젤자동차(CDV)를 말함

[그림 3-1] 세계 에너지 소비 현황 및 예측(주, 2030 Energy outlook, BP)

18

15

12

9

6

3

0

Renewables*

Hydro

Nuclear

Coal

Gas

Oil

Billion toe Billion toe

* Includes biofuels

18

15

12

9

6

3

0’90년 ’00년 ’10년 ’20년 ’30년

Non-OECD

OECD

’90년 ’00년 ’10년 ’20년 ’30년

▶ 일본의 Toyota는 ’97년부터 하이브리드자동차인 Prius를 보급하고 있으며 국내에서도 ’08년부터 Prius, Camry, Civic 등 일본의 하이브리드자동차를 수입, 판매하고 있음

▶ 국내 현대자동차에서는 ’04년부터 관공서를 대상으로 하이브리드자동차에 대한 시범운행을 실시하였고 ’09년 아반떼, 포르테 LPI 하이브리드자동차를 일반인을 상대로 양산 판매하기 시작하여 우리나라도 친환경자동차의 시대로 접어들었음

▶ 자동차산업에서 그린카로의 패러다임 변화는 전 지구적인 정치, 사회적인 문제와 연계하여 대세로 자리매김하였으나, 기술적 난제에 대한 완성차업체와 부품업체의 시각차가 존재함

[그림 3-2] 친환경 그린카의 시장 동향

180

160

140

120

100

80

60

40

20

0

’00년 ’05년 ’10년 ’15년 ’20년 ’25년 ’30년 ’35년 ’40년 ’45년 ’50년

Pas

seng

er L

DV

sale

s (m

illio

n)

Hydrogen fuel cellElectricLiquid pertrolem gas/Compressed natural gasDiesel Plug-in hybridDiesel hybird

DidselGasoline plug-in hybridGasoline HybridGasoline

ISSUE 3그린카 기술의 현재와 미래


▶ 자동차는 2만 개 이상의 부품으로 이루어진 종합체로서 완성차업체나 일부 부품업체에서 기술을 선도한다고 하더라도 1차, 2차 부품 공급업체들의 기술 수준이 이를 따라오지 못하면 세계시장에서 상품 경쟁력의 확보가 어려움

▶ 그린카 부품은 기존 생산품과는 전혀 다른 개념의 부품 생산이 필요하므로 제품의 설계에서 검증까지 기존과는 전혀 다른 방식의 개발이 요구될 수 있음

2. 그린카 기술분석 및 모니터링 현황 해외 사례

▶ 미국에서는 ’94년부터 현재까지“Field Operations Program”을 통해 전기자동차(NEV 포함), 하이브리드자동차, 연료전지자동차 등 수십 종의 친환경 그린카에 대한 시범운행을 실시하고 성능평가 자료를 홈페이지를 통해 공개하여 관련 업계, 연구계, 학계뿐만 아니라 일반인들에게도 유익한 정보를 제공

[그림 3-3] 미국 DOE의 Field Operations Program 성능평가 개요

Distance(miles) Fuel Economy(mpg) AC EnergyConsumed(kWH)7 Distance(miles) Fuel Economy(mpg)AC EnergyConsumed

(kWH)7

10 154.8 1.65 10 87.5 1.3020 160.3 3.58 20 95.3 2.6440 117.4 3.31 40 86.1 3.9260 99.4 3.58 60 75.3 3.9280 88.9 3.58 80 70.5 3.92

100 83.7 3.58 100 67.4 3.92200 72.3 3.58 200 61.0 3.92

▶ 또한, 에너지성 산하 EERE(Energy Ef ficiency and Renewable Energy)의 AFDC(Alternative Fuels & Advanced Vehicles Data Center)에서는 대체연료와 관련된 모든 정보를 제공하는 사이트를 운영하고 매년 축적된 정보와 새로운 내용을 지속해서 업데이트하고 있음

[표 3-1] 미국 AFDC의 그린카 연료 관련 정보 제공 개요

항 목 내 용

대체연료포탈 바이오디젤, 수소, 전기, 천연가스, 에탄올, 프로판 등

차량정보 개조차, HEV, PHEV, EV, 배출가스, 연비, 아이들 저감 등

분석데이터 차량, 연료, 인프라, 바이오매스, 지질학, 인센티브 및 법규, 클린시티, 대체연료공급자, 데이터수집도구 등

자체제작도구 차량제작사 및 모델 검색, 대체연료공급소 위치, 인센티브 및 법규, 출판물 검색, 주별 정보 등

기타 각종 뉴스 및 이벤트 정보



▶ ’05년 3월에 미국 Department of Energy(DOE)는 실제 환경에서 연료전지자동차와 인프라를 평가하는 방안 으로 자동차 회사, 에너지 산업계, 부품업체 및 연방정부로 구성된 National Hydrogen Learning Demonstration을 발표 하였으며, ’10년까지 연료전지자동차 상업화를 위한 실증을 수행함

[그림 3-4] Hydrogen Technology Validation

Daimler's F-Cell fuel cell vehicle

BP hydrogen fueling station in Los Angeles, CA

Ford's Focus fuel cellvehicle

Shell's Washington, DCgasoline/hydrogen fueling

station

A Hyundai fuel cell vehicle refuels at the Chevron hydrogen

fueling station in Chino, CA

GM/Chevrolet Equinox fuel cell vehicle

▶ Advanced Vehicle Testing Activity(AVTA) 프로젝트는 DOE 산하 Idaho National Laboratory(INL)와 National Renewable Energy Laboratory(NREL)가 공동으로 xEV차량들을 Fleet Test를 통하여 차량의 성능, 경제성, 수명 등을 평가하고 있으며 차량의 데이터는 데이터 로거, 무선 모뎀과 GPS 유닛을 통해 V2Green 회사로 수집되며, INL이 데이터 분석을 수행함

[그림 3-5] V2Green Server and Communication Module

userInterfaces

UtilityDriverAnalyat

Prediction

Optimization

Diapatch

Reasource Management

DataManagement

WirelessInternet

AMI

VCM

VCM VCM

VCM

The V2Green System

V2Green Server



▶ 일본은 JARI(Japan Automobile Research Institute) 산하의 차세대자동차진흥센터에서 전기자동차와 하이브리드 자동차와 같은 그린카 도입을 확대하기 위한 보조금 지원, 보급 홍보 등에 대한 정보를 제공

[그림 3-6] 일본 차세대자동차진흥센터의 그린카 관련 기술정보 개요

▶ 유럽의 주요 자동차 회사들은 연비 및 배기가스 규제를 만족할 수 있는 클린 디젤 차량 개발에 집중해 왔고 근래에 HEV, PHEV 개발을 본격적으로 진행함에 따라 실시간 모니터링 기반의 성능 평가 및 신뢰성 확보 기술을 꾸준히 진행하고 있으며 ’02년~ ’06년까지 연료전지기술이 적용된 27대의 시내버스를 9개 도시에서 실증 운행하는 Clean Urban Transport for Europe(CUTE) 프로젝트가 EU의 자금 지원으로 진행

[그림 3-7] HyFLEET : CUTE 프로젝트 수행 위치

Amsterdam Hamburg

Reykjavik

Berlin

Luxembourg

BarcelonaMadrid

London

HyFLEET : CUTE Project Locations

H2moves.euis funded by the

European Commission



3. 시판 중인 그린카의 기술 분석 및 모니터링 결과

그린카 기술분석 개요

▶ 차종 선정

[그림 3-8] 시판중인 그린카의 구동 방식 비교

1.8 liter98 hp engine

planetary gearset

42kWmotor/

generator

60kWtraction motor

1.3Liter89 hp engine

10kW / 78 Nmmotor

0.58kWNi metal hydridebattery

54 kWmotor/

generatot

149 kW/500 Nmtraction motor 80 kW/280 Nm

traction motorclutch 1

clutch 3 clutch 2 planetary gearset

1.4 liter84 hp engine

16.0 kWhLi-ion battery

24.0 kWhLi-ion battery

CVT

1.31kWhNi metal hydridebattery

[표 3-2] 분석대상 그린카의 제원

기본정보

모델명 Prius Ⅲ Insight Ⅱ Volt Leaf

제작사 Toyota Honda GM Chevrolet Nissan

생산년도 ’09년 ’09년 ’11년 ’11년

차량제원

전장 4,460 mm 4,376mm 4,498 mm 4,445 mm

전폭 1,745 mm 1,694 mm 1,788 mm 1,770 mm

전고 1,490 mm 1,427 mm 1,430 mm 1,550 mm

중량 1,380 kg 1,380 kg 1,715 kg 1,525 kg

주행성능

최고속도 180 km/h 160.2 km/h 160 km/h 150 km/h

가속(0→96km/h) 9.8 s 12.3 s 8.5 s 9.2 s

연비 29.2 km/l 23.0 km/l 15.7 km/l (RE) -

구동부

모터 60 kW 10 kW 111 kW 80 kW(AC 모터)발전기 42 kW - 54 kW

엔진 73 kW 66 kW 60 kW -

구동방식 Full hybrid Mild hybrid Plug - in hybrid Electric Vehicle

모터 최대토크 207 Nm 78.6 Nm 368 Nm 280 Nm

엔진용량 1,798 cc 1,339 cc 1,398 cc -

최대토크 143 Nmm 166 Nmm 272 kg.m -

배터리종류 Ni - MH Ni - MH Li - ion Li - ion

출력용량 1.3 kWh 0.58 kWh 16 kWh 24 kWh



－ 대상 차종은 200만 대 이상 누적 판매량을 바탕으로 고도의 기술이 축적된 Toyota의 Prius 3세대 모델을 시작으로, IMA(Integrated Motor Assist) 방식과 1,300cc의 소형 엔진으로도 우수한 연비와 주행성능을 자랑하는 Honda Insight 2세대 모델

－ 그리고 플러그인 하이브리드 전기 차량인 GM Chevrolet의 Volt와 순수한 전기 차량인 Nissan의 Leaf를 선정하여 기술 분석을 수행

Toyota사의 대표적인 하이브리드 자동차 Prius 기술 분석 결과

▶ Prius는 40km/h 이하의 저속에서는 전기 모터로 구동하며, 그 이상의 속도 및 부하의 주행에서는 엔진이 구동되고 전기 모터가 보조하는 동력배분형 하이브리드 자동차로서 벤치마크에서는 엔진, 전동화 동력전달장치, 배기 및 제동, 냉각 및 연료공급 라인, 섀시 부품, 내장 및 에어백, 그리고 차체 등으로 총 6개 분야로 구분하여 Teardown 하고, 핵심 부품에 대한 벤치마크 분석을 시행

[그림 3-9] Prius 벤치마크 분석을 위한 핵심 부품 분류도

▶ 기술 분석에 의한 Prius의 특이 사항

[그림 3-10] Prius 2세대 및 3세대 전동 구동모듈 비교



－ Prius의 전동 구동 모듈은 발전을 담당하는 제너레이터 모터와 구동 및 회생제동 발전을 담당하는 구동 모터로 구성되어 있으며, 2세대에 비하여 20% 이상 경량화를 이루면서도 모터의 용량은 50kW에서 60kW로 20% 향상 되었음

－ 전동 구동의 핵심 부품을 20% 이상 경량화시키면서 출력은 20% 이상 향상시킬 수 있었던 것은 일반적인 분포 감기의 코일을 적용하던 2세대 제너레이터와 달리 3세대 제너레이터는 집중감기로 권선 하여 코일 엔드가 소형화 되었으며, 영구자석을 매립하는 분할 코어를 적용하여 소형화를 이루면서 구동 전압이 500V에서 650V로 변경 하였고 소형화를 적용하는 대신 6,400rpm까지 적용하던 2세대보다 100% 이상 향상한 13,900rpm까지 구동하면서 유성기어를 통하여 토크를 보상하는 방법을 적용하였기 때문임

[그림 3-11] Prius 3세대에 적용된 Ni - MH 배터리 모듈

－ 배터리는 초기의 원통형에서 배터리의 효율과 소형화를 위하여 진행된 각형 형태가 그대로 적용된 것을 확인할 수 있으며, 셀의 수도 168개로 동일하고 전압도 201.6V로 동일함

[그림 3-12] Prius 3세대에 사용된 Ni - MH 배터리 모듈의 컨트롤 유닛

－ 배터리의 용량은 2세대와 변함이 없지만 배터리의 관리에 있어, 더욱 효율을 향상하기 위해 배터리 모듈의 위쪽에 3개, 배터리 모듈과 냉각 블로어 사이에 1개 등 총 4개의 열전대를 이용하여 열관리에 활용하고 있으며, 전류 센서는 양극에 설치를 하였고 열전대와 전류센서의 전류에 비례하여 배터리 충·방전을 관리함



[그림 3-13] Prius 3세대의 파워 인버터 벤치마크 과정

－ Prius 3세대 하이브리드의 성능 향상에 기여한 것은 단순히 발전 및 구동 모터의 소형화, 경량화만이 아니라 소형화 되더라도 회전수 및 토크가 증가할 수 있도록 효율을 향상시킨 파워 인버터의 역할이 커서, Prius 3세대의 파워 인버터는 모터에 인가하는 최대 전류가 230A에서 170A로 낮아졌지만, 승압전력은 500V에서 650V로 고압화하여 출력을 향상 시키면서 무게는 기존 2세대 대비 36%, 부피는 37% 감소함

[그림 3-14] Prius 3세대 엔진의 Beltless 전동화

－ Prius 3세대의 고효율화에 기여하는 핵심 기술은 기존 벨트로 구동되던 워터 펌프, 브레이크 부스트 펌프 및 컴프레서와 같은 부품을 엔진의 구동과 상관없이 차량의 주행 중에 필요한 순간에 구동할 수 있는 On - demand화하여 효율을 향상시킨 Beltless 전동화 엔진의 역할도 큰 것으로 판단

－ Prius 3세대 하이브리드 엔진의 초기 저속 회전 영역에서의 토크 손실을 최소화 하는 데 반드시 필요한 기술로 Beltless 전동화 엔진기술은 기존의 내연기관 자동차에도 바로 적용 가능한 기술임



－ Prius 3세대 모델의 경량화를 위한 노력은 고전압과 관련된 케이블을 기존의 동 합금에서 알루미늄 합금으로 대체한 것에서도 확인할 수 있으며, 알루미늄 합금이 동 합금에 비하여 전기전도도인 IACS%가 40% 정도 낮지만 65% 이상 경량소재이기 때문에 동 합금에 비하여 30% 정도의 경량화가 가능

[그림 3-15] Prius 2세대 및 3세대 배기열회수 시스템비교

수온센서(엔진 제어시스템용)

수온센서(온수 탱크용)

히터코어로

온수탱크

워터펌프(히터용)

쿨런트 풀로컨트롤 밸브

－ 2세대부터 경제성과 효율을 위해 저온에서 엔진이 고속회전할 경우 효율 저하, 내마모성 저하 및 배출가스 증가 등을 최소로 하는 엔진 예열 시간 단축을 위하여 배기열 회수 축열 시스템을 적용하였으며, 초기에는 72시간 보온이 가능한 온수 탱크를 적용하였으나 3세대부터는 배기가스를 통한 엔진 냉각수 가열 시간 단축 시스템을 적용

[그림 3-16] Prius 3세대 BIW

－ Prius의 차체는 총 무게가 398kg으로 동급의 차량에 비하여 경량으로 제조된 것을 확인할 수 있었으며, 소재는 340MPa 이상의 강판이 43% 정도 사용되었고 알루미늄 합금은 전방 및 후방 범퍼, 크래쉬 박스, 후드 및 트렁크 리드에 적용되었으며 트렁크 리드의 알루미늄 접합은 마찰교반접합이 적용

▶ Prius의 개선 가능 부품과 부분

－ Prius의 엔진은 벨트 구동에 의한 동력손실을 최소화하기 위하여 워터 펌프 및 컴프레서를 전동화한 특징이 있지만 하이브리드만을 위한 전용 엔진이 아니라 기존에 양산되고 있는 1,800cc 엔진의 주요 부품을 전동화 한 것으로 하이브리드 전용 엔진을 사용할 경우 효율 향상이 가능함

－ Prius 3세대 모델은 경량화를 위하여 차체 강판의 두께를 평균 1.2mm로 설계 최적화 하였으며, 알루미늄 판재 및 압출재까지 적용하였지만 인테리어 부품의 경우에는 강성이 크게 요구되지 않는 콘솔 박스 프레임 및 내장재 부품의 프레임에 3mm 이상의 소재가 적용된 것을 확인할 수 있었으며, 이러한 부분에 대한 추가적인 경량화가 가능함



－ 전동화 브레이크 부품은 배터리 전원으로 구동되며, 부스트 펌프는 정밀제어 방식이 아니라 단순 On/Off 방식으로, 전기적인 문제가 발생하면 제동성능에 영향을 주므로 브레이크용 비상 캐패시터 시스템 등의 보완이 필요함

Honda사의 하이브리드 자동차 Insight 기술 분석

▶ Insight 2세대 모델은 1,300cc의 소형엔진임에도 공인 연비가 23.0km/ℓ수준의 하이브리드 형식의 그린카

[그림 3-17] Insight 벤치마크 분석을 위한 핵심 부품 분류도

[그림 3-18] Insight 2세대 모델에 적용된 IMA 하이브리드 시스템

－ Insight 2세대는 Prius 모터 출력의 10분의 1 수준인 10kW의 소형 모터를 이용한 마일드형 하이브리드자동차임에도 불구하고, 1,300cc의 SOHC i - VTEC 엔진과 소형·경량화를 추구한 IMA(Intergrated Motor Assist) 시스템의 조합으로 우수한 연비와 주행성능을 겸비한 하이브리드자동차

－ Insight 2세대 모델의 특징은 소형 및 경량화가 전기모터 이외에 전원을 공급하고 관리하는 PCU(power control unit)까지도 집약형으로 소형 및 경량화 됨

－ PCU에는 0.58kW급의 Ni - MH 배터리, 모터 구동 인버터, DC/DC 컨버터, 전력변화 제어기까지 하나의 유닛으로 구성되어 설계, 제작되었으며 경량화 및 부가적인 부품을 최소화하기 위하여 공냉 방열 시스템을 적용



[그림 3-19] Insight 2세대 모델에 적용된 소형화 파워 컨트롤 유닛(PCU)

－ Insight 2세대 모델이 기존의 내연기관 및 하이브리드 차량과 가장 큰 차이점을 보이는 것은 진보된 엔진의 특성으로, 1,300cc의 소형 엔진이면서 SOHC 시스템을 적용하고 있지만 피스톤 상부 형상과 실린더 헤드의 형상을 Swirl flow가 형성될 수 있도록 하여, Twin plug 시스템으로 순차적 점화로 아이들링 및 가속 시에도 완전연소의 비율을 높이고 있는 구조

[그림 3-20] Insight 2세대 모델에 적용된 VTEC 및 Twin Plug 시스템

Twin Plugs1실린더 당 2개의 플러그를

대각위치에 배치

실린더 내 흡입 스월(소용돌이: swirl)의 최적화

Sequential Ignaition각 플러그의 점화시기를개별로 직접 제어(8코일)

연소실 콤팩트화협각 밸브 배치 고압축화

배기측 플러그흡입측 플러그

흡입측 플러그

콤팩트 연소실배기포트

－ 하이브리드자동차 및 전기자동차와 같은 친환경 그린카의 경우에는 핵심 기술이 전동화와 관련된 부품에 집중되어 있는 것이 일반적이지만, Insight 2세대 하이브리드는 전동화만이 아니라 내연기관 부품에도 하이브리드의 특성을 최대한 살릴 수 있는 기술이 집약됨

－ Insight 2세대 모델은 실린더 헤드를 배기 매니폴더까지 Buil - in된 일체형으로 제조하였고 삼원촉매를 신속하게 고온으로 예열하기 위하여 실린더 헤드에서 배기가스를 하나로 취합하여 바로 촉매와 연결할 수 있는 시스템을 구축한 것으로 판단되며, 내열특성 향상을 위하여 소재를 변경하지 않고 실린더 내부의 배기 형상의 설계 최적화와 배기포트 상하에서 충분한 냉각이 이루어질 수 있는 구조적용으로 내열특성 문제를 해결하고 있고 이러한 기존 내연기관의 최적화는 하이브리드에서 반드시 필요한 핵심 기술로 판단 됨



▶ Insight 개선 가능 부품 및 분야

－ Insight의 IMA 시스템의 전원은 0.58kWh 용량의 Ni - MH 배터리로 파워 컨트롤 유닛에 포함되어 있으며 전기적인 안전성 확보를 위하여 저밀도의 원통형 구조이기 때문에 실제 주행에서 지속적인 전동 모터의 보조를 위한 배터리의 용량이 부족함

－ Insight 2세대는 회생제동이 거의 없는 경사로 구간에서는 SOC(State of Charge)가 급격하게 저하되며, SOC가 30% 미만이 되는 상황에서는 전동 모터의 보조를 받을 수 없는 구조이기 때문에 실질적으로 배터리의 용량 개선 및 파워 컨트롤 유닛의 시스템 변경이 필요함

－ Insight 1세대의 경우에는 경량화를 극대화하기 위하여 차체, 섀시 및 주요 부품을 대부분 알루미늄 소재를 적용 하였으나 2세대 모델은 대부분 철계 소재로 부품을 변경하였으며, 이러한 부분은 비용 때문으로 보이지만 효율 입장 에서는 추가적인 개선이 필요함

[그림 3-21] Insight 2세대에 적용된 Simple Material Concept

－ 차체의 경우에도 1세대는 알루미늄을 적용하였으나, 2세대는 경제적인 생산을 위하여 3가지 철강 소재를 적용하여 제조하였으며, 제조 단가가 낮은 알루미늄 주조재에 의한 일체화 박육 부품 적용 등의 추가적인 경량화가 필요함

GM사의 플러그인 하이브리드 Chevrolet Volt 기술 분석

▶ GM Chevrolet Volt는 111kW의 전기모터를 주동력으로 하며 배터리 용량은 16kWh로 완충된 배터리로는 최대 80km까지 주행할 수 있고 일정 수준 이하의 배터리 용량에서는 1,400cc 엔진을 이용, 발전을 통하여 주행거리를 연장시키는 RE - EV(Range Extended Electric Vehicle) 방식의 Plug - in 하이브리드 자동차임

[그림 3-22] Volt 벤치마크 분석을 위한 핵심 부품 분류도



▶ Volt 벤치마크를 통한 특이 사항

－ Volt는 크게 2개의 모터가 사용되었으며, 주동력 모터의 용량은 111kW, 동력보조 및 발전용 모터는 54kW의 모터가 적용되었고 모터에 필요한 전원을 공급하기 위한 발전기 개념으로 1,400cc 엔진이 장착되어 있음

－ 100% 완충된 상태에서는 주동력 모터가 먼저 가동되어 가속을 시작하고 일정한 차량의 속도가 유지되는 상황에서는 동력보조 모터가 같이 작동하여 주동력 모터의 부하를 감소시키면서 탄력주행 및 제동 시 회생제동을 담당하도록 제어 시스템이 구성 되었음

－ 리튬이온 배터리가 20% 이하의 SOC 상태에서는 주동력 모터와 동력보조 및 발전용 모터 사이의 클러치 단속이 이루어지고 발전용 모터는 엔진과 클러치로 연결되어 전원을 공급하는 방식의 Range extended 시스템이 적용되어 Plug - in 전기자동차의 주행가능거리 한계 극복을 실현

－ 충전된 배터리로만 구동되는 CD(Charge Depleting) 구간의 경우에는 에어컨 및 난방을 작동하지 않은 상태에서 SOC가 약 20% 정도까지 변화되어 엔진이 구동되는 시점까지의 구동거리인 AER(All Electric Range)이 76.95km로 측정되었으며, 엔진이 구동되기 시작한 CS(Charge Sustaining) 구간에서는 평균적으로 SOC가 22% 정도를 유지하도록 발전하면서 주행 되었고 평균 연비는 22km/ℓ정도의 수준임

－ 고속주행모드인 HWFET 주행시험에서는 CD 구간인 엔진이 구동되기 전인 AER까지의 주행 거리가 75.2km로 약간 줄어들기는 했지만 엔진의 구동에 의하여 충전이 시작되는 CS 구간에서는 오히려 저속모드보다 주행 가속력에 의하여 평균 SOC가 더욱 상승하면서 연비는 23.9km/ℓ로 향상된 결과를 확인함

[그림 3-23] Volt 배터리의 Li - ion 배터리 및 냉각을 위한 Thermal Fin

－ Volt의 배터리 시스템은 차량의 중심에“T”자 형태로 구성되어 장착되고 리튬이온 셀이 한 시리즈에 3개씩, 총 96개의 시리즈로 리튬이온 셀은 총 288개의 셀로 구성되어 용량은 16kWh이며, 배터리의 열관리를 위하여 200㎛의 알루미늄 박판을 프레스 성형한 후에 접합한 Thermal fin을 적용함

[그림 3-24] Volt 섀시 부품 경량화를 위한 알루미늄 주단조 COBA press 적용 부품

ROUGH CASTING+ FLY SEIGHT

ROUGH CASTING

CAST FORGE

TILTED CAST

DESIGN PROCESSMANUFACTURING

PROCESS

ASSEMBLEDPART

MACHINEDPART

UNCORRECTEDCOBAPRESS

PART WITH FIN

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－ Volt에서는 경제적으로 제조하면서도 경량화와 강성을 모두 만족시키기 위하여 주조와 단조의 공법을 결합한 COBA Press 공법을 적용

－ Volt는 전동 ABS 부스트 펌프가 전기적인 문제로 작동되지 않을 경우에는 ABS 모듈의 라인이 다시 마스터 실린더를 통하여 유압을 전달하게 함으로써, 전기적인 문제가 발생이 되더라도 브레이크 페달을 기계적으로 밟아서 제동할 수 있도록 안전 시스템을 확보

－ Volt는 차체 중앙에 T자 형태로 장착된 고전압의 Li - ion 배터리를 보호하기 위하여 고장력강의 적용 비중을 60% 이상으로 높였으며, 핫 스탬핑에 의하여 1,440 MPa 급 이상의 소재까지 다양하게 적용하여 차체의 강성을 확보

－ Volt의 BIW에 좌우 모두 500kg의 집중 하중에서 수직 변위는 최대 0.33mm 정도만 변화가 있을 정도로 우수한 특성을 보이고 굽힘 강성은 14,858N/mm로 동급차종에서 찾아볼 수 없을 정도로 강성이 우수하며, Volt의 차체는 기본적으로 배터리 팩 트레이로 인하여 실질적으로는 더블 프레임 구조이지만 배터리 팩을 제외한 상태에서도 비틀림 강성이 12,567 Nm/deg로 상당히 우수

[그림 3-25] Volt 차체 강성 평가과정 및 평가 결과

1 2 3 4 5 6 7 8 9 100

0.05

0.1

0.15

0.2

0.25

0.3

0.35

변위(mm)

굽힘 감성 수직 변위(LH)

100kg

200kg

300kg

400kg

500kg

12 13 14 15 16 17 18 190

0.05

0.1

0.15

0.2

0.25

0.3

0.35

변위(mm)

굽힘 감성 수직 변위(RH)

100kg

200kg

300kg

400kg

500kg

1 2 3 4 5 6 7 8 9 100

0.5

1

1.5

2

2.5

3

3.5

4

변위(mm)

비틀림 강성 변위

비틀림 강성 : 12.567 Nm.deg

▶ Volt 개선 가능 부품 및 분야

－ Volt의 엔진은 주행구동이 아니라 발전을 위한 엔진으로 GM에서 Volt의 Plug - in hybrid에 적용하기 위한 전용엔진으로 개발한 것이지만, 발전만을 위한 목적으로 사용할 때 기술적으로 효율 개선이 가능 한 것으로 보임

－ Volt의 배터리는 Li - ion 배터리로 열관리를 위하여 수냉 방식을 적용하고 있으므로 누수와 같은 안전에 영향을 미칠 수 있는 부분에 충분한 안전장치가 필요하지만 외부에서 충격이 가해지면 경우에는 냉각수의 누수 가능성이 있으며, 전극의 경우도 누수 된 냉각수에 노출될 가능성이 있어 보완이 필요



[그림 3-26] Volt의 배터리 팩 내부 냉각 라인 형상 및 전극 연결 상태

－ Volt는 열관리를 위하여 배터리 냉각, 에어컨 컨덴서, 전장 부품 냉각 및 엔진 냉각을 위하여 총 4개의 냉각 관련 Core를 적용하였지만 외부 공기 흡입량이 제한된 있는 전방에 모두 몰려 있기 때문에 열관리 효율성이 저하될 수 있는 구조

－ 냉각수 순환 구조에서도 체크밸브를 통하여 적절한 배분이 되지 않는 관계로 전력소모가 많은 전동 워터 펌프 3개가 적용된 점은 보완이 필요

Nissan사의 순수 전기자동차 Leaf 기술 분석

▶ Leaf는 5도어 준중형 해치백이며, 완전충전으로 160km 이상 주행이 가능하고 최고 속도는 140km/h, 배터리는 라미네이트 구조의 Li - ion 전지로 용량은 24kWh, 모터는 싱크로나이즈 3상 교류 모터로 80kW급으로 107마력 정도의 출력을 갖춘 순수 EV

[그림 3-27] Leaf 벤치마크 분석을 위한 핵심 부품 분류도



▶ Leaf 벤치마크를 통한 특이 사항

－ Leaf의 모터는 2,700rpm까지 283Nm의 토크를 유지하고 출력은 80.1kW, 효율은 96% 수준

[그림 3-28] Leaf Li-ion Battery Pack 내부 및 모듈 구성

－ Leaf의 Li - ion 배터리 팩은 하나의 모듈에는 4개의 Li - ion 셀로 구성되며 총 48개 모듈로 구성되어 용량 24kWh, 무게 300kg, 체적 250ℓ이며, 배터리 관리 시스템에서 온도는 모듈의 측면에서 측정, 제어하게 되어 있고 공냉 및 수냉의 냉각 시스템 없이 배터리 팩 내에서 열전대를 통하여 모듈 단위의 전력을 최적으로 제어하는 시스템 임

－ Leaf의 브레이크 시스템은 기존의 하이브리드 차량인 Prius와 같이 전동화에 의하여 제어되고 작동되는 것은 모두 비슷한 면을 가지고 있으나 기존의 하이브리드 전동화에서 전기적인 문제가 발생할 경우 브레이크의 전원을 백업할 수 있는 캐패시터를 적용하여 비상 시 브레이크를 작동할 수 있도록 시스템 구축

－ Leaf 차체는 경량화와 안전성을 모두 확보하기 위하여 후드 및 도어의 경우에는 알루미늄 소재가 적용되었으며, 철강 소재는 일반 마일드강, 고장력강, Trip 강, 초고장력강 및 핫스탬핑 강을 다양하게 적용

[그림 3-29] Leaf 측면 충돌 시 배터리 안전성 확보를 위한 차체 설계

－ Leaf는 크로스 멤버를 연결하지 않고 버퍼처럼 사용하여 측면 충돌 시에도 배터리를 안전하게 보호할 수 있으며, 충격을 다양하게 분산시킬 수 있는 개념의 차체 설계가 적용



▶ Leaf 개선 가능 부품 및 분야

[그림 3-30] Leaf의 고전압 관련 부품 및 고전압 서비스 플러그 위치

－ Leaf도 Volt와 동일하게 고전압 관련 부품이 상당히 많이 존재하고 특히 교통사고 등의 비상상황에서는 반드시 전기적인 부분의 안전성을 확보해야 하므로 배터리의 위험한 고전압을 차단하기 위하여서는 서비스 플러그의 제거가 필요하지만 승객 뒷좌석에서 볼트를 풀어야 제거가 가능한 부분은 승객 및 구조자 모두의 안전을 위하여 개선되어야 할 것

－ Leaf의 접지 포인트는 내연기관 자동차와 차이가 없었으며, 특히, 접지와 관련된 볼트의 경우에는 일반 볼트를 적용한 것은 차후에 개선이 필요

[그림 3-31] Leaf의 경량화 및 개선이 가능한 섀시 관련 부품

－ Leaf의 차체는 경량화를 위하여 철강부터 알루미늄까지 다양한 소재가 적용된 것을 확인할 수 있었지만, 경량화에서 차체보다 훨씬 효과가 큰 섀시 부품은 경량화보다 경제적인 측면을 고려



실차 주행 모니터링을 통한 주행성능 분석

▶ 3개 차종에 대한 실차 주행시험 및 모니터링 실시

－ Toyota의 3세대 Prius, Honda의 2세대 Insight, GM Chevrolet Volt를 가혹한 등판이 요구되는 동일한 주행경로

(왕복 7km의 산악로)에서 실차 주행 시험을 시행하고 주행상태를 원거리에서 모니터링할 수 있는 시스템을 개발

하여 활용함

－ 모니터링에 의해 구해진 시험결과로부터 3개 차량에 대한 주행 성능을 분석하고 기술적 현황과 가능성을 도출함

▶ 배터리 주행 성능 분석

－ Prius는 차량 속도가 20km/h 이하인 저속구간에서는 모터구동, 20km/h 이상인 구간에서는 엔진이 같이 구동되고

감속구간에서는 모터만 구동되며 회생제동이 시작되고 산악로 주행에서도 모터는 구동과 회생제동을 반복함

－ Insight는 엔진은 상시 가동하고 10kW급의 소형 전기모터가 보조역할을 하는 마일드 하이브리드 시스템으로,

산악로의 경우 엔진출력과 전기모터의 구동이 필요하지만 모터 구동에 따라 SOC가 급격히 감소하여 모터가

보조기동 역할을 하지 못함

－ SOC 레벨이 25~30% 사이 구간에서는 보조기동이 필요하지만 SOC 레벨 유지를 위하여 모터가 회생 제동하는

것으로 나타나 배터리 용량 및 모터 용량 개선이 필요

－ Volt는 주행 SOC가 21.5% 이상이며 구동모터의 속도가 6,000rpm 이하인 구간에서는 구동모터만으로 주행하며

구동모터 속도가 6,000rpm 이상인 구간에서는 제너레이터를 함께 구동하였고 SOC 21.5% 이하에서는 엔진 구동을

시작

－ 산악로 주행 시 초기 SOC가 24.3%에서 시작하여 저속 오르막 구간에서 구동모터만으로 구동하였고 최저 SOC

기준은 20%로 그 이하에서는 고전압 배터리 전압 레벨이 350V에서 330V로 급격히 변경

▶ 주행제어 로직 분석

－ Prius 3세대, Insight 2세대, Volt 차량을 가혹한 경사가 있는 동일한 주행 경로에서 주행하며 인위적인 급가속과

급감속을 하여 시스템에 이상 상황 발생시키고 이때 차량이 반응하는 주행로직을 분석함

－ Prius는 모터 온도 180℃ 이상에서 모터가 임의로 정지됨을 확인할 수 있었고 이 때 엔진은 1,000rpm 내외의

Idle 상태를 유지함으로써 차량 배터리 방전 방지, 브레이크 정상 작동 등 차량의 일상 기능을 유지

－ Insight는 Target Engine Torque가 높을 때 IMA 모터가 보조 구동하는 것이 원칙이지만 산악로에서 주행할 때

SOC레벨이 30% 이하로 떨어지자 Target Torque에 상관없이 모터는 보조 구동하지 않고 회생 제동하여 배터리를

충전하는 현상을 나타내어 경사각이 큰 경사로 주행에서 엔진 출력이 모자라면 차량이 뒤로 밀리는 현상이 발생

－ Volt는 모터 온도가 145℃에 도달하면 가속페달을 밟은 상태임에도 엔진, 모터, 제너레이터 모두 Off 상태가 되어

차량이 뒤로 밀리는 현상을 나타내고 모터 과열로 동력시스템 정지 후 냉각시스템이 모터를 급속히 냉각

－ Prius와 Volt는 모터의 온도를 기준으로 모터정지 시스템이 가동되는 반면 Insight는 SOC 레벨에 의해 제어



4. 주요 이슈 및 정책 제안

기술의 현재

▶ 그린카의 기술 성숙도

－ 현재 시장에 진출하여 판매 중인 하이브리드 자동차는 기술적 성숙도가 비교적 높은 것으로 분석되었으나, 대용량

2차전지를 장착한 PHEV 및 EV 차량은 기술적 성숙도, 최적화, 안전도 등 모든 측면에서 개선점이 많은 것으로

분석됨

－ 기술 분석에서 가장 많이 지적된 분야는 엔진과 차체 부분이고, 기술 자체의 한계보다는 비용절감이라는 차원에서

전략적으로 이루어진 것으로 판단

－ 고전압 전장부품 등 단품레벨에서의 기술 성숙도는 전반적으로 매우 뛰어난 것으로 분석되었으나, 다른 분야가

연계되는 시스템과 차량 레벨에서의 최적화, 고효율화 측면에서 다수의 개선점이 발견됨

▶ 가능성을 보여준 전기자동차

－ 부품, 모듈, 시스템 및 차량 레벨에서 많은 부분이 혁신적인 기술들이 적용된 전기자동차의 경우, 시장 초기 제품

임에도 기술적 성숙도 및 안전도 측면에서 많은 가능성을 보여줌

－ GM Volt의 경우, 전기자동차에 대해 일반 소비자의 갖는 짧은 주행거리에 대한 거부감을 발전용 엔진을 적용하여

해소하였으며, 준중형 차량에서의 전기자동차 가능성을 제시

－ Nissan Leaf는 1회 충전에 의해 160km 이상의 주행거리를 달성하여 순수 전기자동차의 최대 주행거리를 증대

하였으며, 신개념의 차체 설계를 바탕으로 한 배터리 충돌 안전관리로 배터리 및 승객의 안전성을 모두 확보할

수 있었고, 별도의 냉각 시스템 없이 배터리의 열관리가 가능한 기술적 진보를 제시

－ Volt 및 Leaf는 IT 기기인 스마트폰을 활용하여 차량의 상태 모니터링, 진단 및 원격제어 시스템의 가능성을 제시

하고 있으며, 단순한 전기자동차가 아니라 스마트 자동차의 상품화를 선도하고 있음

－ 기술적 문제보다는 충전 인프라 연계성, 관련 제품에 대한 표준 규격 등 기술 외적 요인에 의한 한계는 분명히

존재하는 것으로 판단되고, 가격 경쟁력 부분은 비교 대상이 부족하여 아직은 의미 부여가 곤란



▶ 차량 성능과 경제성 사이에서의 최적화

－ 하이브리드의 어원적 정의와 같이 모터와 엔진 두 가지 기술의 조화가 필요함에도 불구하고 모터를 주된 것으로 하는 엔진의 전동화에 선택적으로 치중하거나 전동화를 보조 수단으로 하여 엔진의 성능 최적화에 치중하는 등의 편향된 기술개발 결과를 모니터링을 통해 확인하였으며 모터와 엔진을 통합 조율하여 최적화한다면 추가적인 효율 향상의 가능성을 확인

－ 하이브리드 및 전기자동차 모두 단기간 내에 연비와 주행거리의 향상을 현실적으로 가능하게 하는 것은 경량화이지만 차체 및 섀시 부분에서 추가적인 경량화가 가능한 것을 확인할 수 있었고 경제성의 측면에서 경량 소재 적용을 억제하였다면 경량화가 필요한 부품에 적절한 소재와 공법을 선별하여 적용할 필요가 있음

－ 살펴본 그린카는 모두 과도한 사양의 열관리 관련 부품을 적용하고 기존의 내연기관 자동차의 열관리 개념으로 접근하여 최적의 효율이 필요한 영역에서 전력소모가 과다한 문제가 있으며 극한의 상황에서는 열관리 효율이 급격한 저하되는 문제점을 보여 그린카에 효과적으로 대응할 수 있는 새로운 개념의 열관리 시스템이 필요

－ 실시간 모니터링을 통하여 그린카의 성능과 운영의 제어로직을 간접적으로 분석한 결과 극한의 주행조건 또는 가혹한 등판조건에서 위기상황을 연출할 수 있는 운전 중지 상태가 발생함을 볼 수 있었으며 그 이유가 경제적인 측면의 선택이라면 해당 그린카의 활용범위에 대한 소비자 안내를 강제하거나 근원적인 기술 발전을 위한 노력이 필요

기술의 미래

▶ 그린카 신동력시스템의 미래

－ 그린카의 신동력력 시스템에서 핵심기술은 고전력밀도의 2차 전지 소재기술과 전동모터의 효율을 경제적으로 향상할 수 있는 획기적인 소재가 필요하고 특히 희귀금속의 자원 무기화에 대응하기 위한 희토류 소재의 사용을 최소화하는 배터리 및 구동시스템의 등장이 예상됨

－ 고효율 2차 전지 및 전동모터의 효율 향상을 위한 기술개발은 단기간에 진행할 수 없는 기술적인 난제이기 때문에 현재까지 개발된 그린카와 관련된 기술을 하이브리드 및 전기자동차의 관점에서 최적으로 조화하는 기술을 통하여 기술적 과도기의 공백을 메울 수 있는 전략적 기술 선택이 필요

－ 일부 전기자동차에서 전기모터 구동을 통한 주행성능이 내연기관 자동차보다 우수할 수 있는 가능성을 확인하였으며 發電을 위해 내연기관 엔진을 사용하는 Range - Extended의 기술적 측면에서 현재의 비효율적인 왕복운동 엔진이 아니라 마이크로 터빈 및 로터리 엔진과 같이 회전운동 엔진을 전기 발전 전용 동력으로 활용한다면 기존 하이브리드 및 전기자동차의 단점을 보완할 수 있을 것으로 예상됨

▶ 시스템 최적화, 고효율화 및 차량 제어

－ 차량 레벨의 시스템 최적화뿐만 아니라 지능형 기술과의 융합을 통한 시스템 최적화 및 고효율화 기술의 적용이 가속화될 것으로 판단되고 경제성이 검증된 모든 에너지의 활용 기술이 사용될 것으로 예측

－ 에너지회수, 그린 드라이브 등의 제어기술이 차량 성능에 많은 영향을 미칠 것으로 예상되며, 제어 S/W가 H/W의 단점을 극복하는 역할을 하게 될 것으로 보이고 주행상황 예측 및 기능 모니터링에 기반으르 둔 차량 제어 기술이 적용되어 성능향상과 Fail - Safety를 가능하게 할 것으로 판단

－ 경량화는 모든 그린카에 있어서 공통적인 기술로써 에너지저장 및 구동시스템의 중량 증가를 상쇄할 수 있는 가장 현실적인 방안으로, 차량의 안전과 비용을 고려하여 최적화된 소재의 활용이 예상



[참고문헌]

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11. Robert Parrish et al,“Voltec Battery Design and Manufacturing”, SAE Technical Paper 2011 - 01 - 1360, 2011

12. Michael A. Miller et al,“The GM“Voltec”4ET50 Multi - Mode Electric Transaxle”, SAE Technical Paper 2011 - 01 - 0887, 2011

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14. Ikezoe, M. et al,“Development of High Capacity Lithium - Ion Battery for NISSAN LEAF”, SAE Technical Paper 2012 - 01 - 0664, 2012

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16. Yoshinori Sato et al,“Development of High Response Motor and Inverter System for the Nissan LEAF Electric Vehicle”, SAE Technical Paper 2011 - 01 - 0350, 2011



[국내·외 주요 기술개발 현황]

연구기관명 프로젝트명 개요 연구기간

현대자동차(주) 수소연료전지자동차 모니터링 사업부품 개선용 실도로 환경에서 연료전지차의 성능 및 내구성 평가

2006.08 - 2010.07

한국생산기술연구원하이브리드/연료전지 자동차용 고전압/대전류 커넥터 모듈 국산화 기술 개발

하이브리드/연료전지 자동차용 고전압/대전류 커넥터 모듈 국산화 기술 개발

2008.12 - 2010.09

현대자동차(주)남양연구소

그린카 회생제동 통합 설계 및 제어 기술 개발

그린카 회생제동 통합 설계 및 제어 기술 개발

2009.06 - 2014.05

자동차부품연구원 그린카 핵심기반기술 및 네트워크 구축 부품업체 지원 및 네트워크 구축2009.06 - 2016.05

㈜동희산업 고효율 경량 PV - EV 모듈 개발 고효율 경량 PV - EV 모듈 개발2009.10 - 2011.12


소형 전기자동차 에너지 저장/충전 시스템 개발

경승용 고속전기자동차용 핵심 부품 국산화 개발

2010.02 - 2010.12

㈜현대자동차EV버스용 부품 및 차량시스템 핵심기술개발

EV버스용 부품 및 차량시스템 핵심기술개발

2010.05 - 2012.04


Hybrid차 및 전기차용 차세대 차량용 전력모듈

HEV용 전력모듈 개선 시제품 개발 및 멀티컨버터/인버터 적용성능평가

2010.06 - 2013.05

한국전기연구원스마트그리드 연계 전기자동차 모니터링 기술사업

전기자동차용 충전인프라를 설치하고 모니터링

2010.07 - 2013.03


전기자동차용 차세대 리튬금속배터리 기술 개발

전기자동차용 차세대 리튬금속배터리 기술 개발

2010.12 - 2015.03

자동차부품연구원 지능형 그린카 파워트레인 부품 개발 사업지능형 그린카 파워트레인 부품 개발 사업

2011.05 - 2015.04

현대자동차 차세대 전기차 기반의 그린수송시스템 준중형급 차세대 전기차 개발2011.06 - 2014.05

(재)울산테크노파크

그린 전기자동차(RE - EV) 실용화 연구기반 구축사업

EV 및 RE - EV 분야 공동 R&D 시스템 확보

2011.09 - 2016.08

현대모비스(주) In-Wheel 구동시스템 상용화 기술 개발 후륜 구동 모듈(In - Wheel) 설계 및 개발2011.10 - 2013.09

미국 DOE Field Operations Program 친환경 그린카 시범운행 1994 -

미국 DOE 산하 INL과 NREL

Advanced Vehicle Testing Activity(AVTA) xEV 차량의 Fleet Test 2000 -

그린카 기술의 현재와 미래·¸린카... · 2019-03-31 ·...

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