[논문]전기, 하이브리드 및 연료전지 자동차의 향후 동향

이현동; 최종률

문제 정의

따라서, EV의 일충전 거리, 충전시간 등에 있어서의 현실적 한계를 극복하기 위하여, 내연기관 자동차와 EV의 단점을 상호 보완함으로써 배기가스를 저감시키는 동시에 효율 및 가속성능상의 개선을 꾀할 수 있는 HEV를 개발하는 것이 자동차 선진국 메이커들의 현실적이며 공통된 대응방 법이다. 향후 2010년 이후 전체 자동차 시장의 십수%를 HEV가 차지할 것이라고 예상하는 견해가 지배적임에도 불구하고, HEV는 저공해 자동차로서 궁극적인 형태라고 할 수 없고 과도적인 단계라는 인식에는 변함이 없다.
현재 양산시판 중에 있는 승용 HEV의 경우 그 배기가스 배출은 LEV(Low Emission Vehicle) 수준이며, 연료 소비량은 약 20-25km/Liter정도이다. 향후의 승용 PHEV에서는 ULEV(Ultar Low Emission Vehicle), 또는 더 나아가 SULEVfSuper Ultra Low Eznission Vehicle) 수준으로 배기가스 배출를 감소시키고, 연료 소비량에 있어서는 iOOkm를 주행하는데 3리터의 가솔린을 소비하는 소위 3리터 자동차'의 수준인 30-35km/Liter의 수준으로 개선시키는 것을 목표로 하고 있다. 이를 위하여 배기가스 배출 저감 측면에서 촉매장치의 개선, 새로운 저공해 엔진의 개발 등의 연구개발이, 그리고 연료 소비량의 개선을 위하여 차체의 경량화, 저마찰 타이어 및 CVT의 적용, 제어 성능의 향상 등의 연구가 활발히 진행되고 있다.
따라서, 본 논문에서는 미래형 자동차에 대한 구분 및 각각의 특성에 대하여 살펴본 후 구동시스템 중 배터리, 모터, 인버터 등과 같은 전기적 구성요소에 대한 세계적 연구 추세와 향후 동향에 대하여 고찰해보고자 한다.

제안 방법

EV 또는 HEV용 구동계에서 전기적 동력 시스템을 크게 배터리, 모터, 전력용 반도체, CPU, 그리고 모터 제어기법으 로 나누어 고찰해 본다.
뿐만 아니라, 각 제어기간의 통신은 필수적이므로 CPU는 RS232, CAN (Control Area Network)등과 같은 통신 기능을 기본적으로 내장하게 될 것이다. 현재 EV용은 아니지만, 모터제어 전용 으로 이러한 기능이 포함된 CPU가 이미 생산 판매되고 있는 실정이며[7], 그 몇 가지를 표 1에 정리 비교하였다. 전력용 반도체와 마찬가지로 차종에 따라 원하는 기능이 내장된 EV 및 HEV 메이커 주문형 CPU는 점차 고속화, 고성능화, 다기능화될 것으로 판단된다.

대상 데이터

그림 6. 승용 PHEV용으로 양산 적용 중인 Ni-MH 배터리의 구조.(a) 원통형(b) 각형

성능/효과

현재의 기술력으로 보아 승용차용으로 HEV를 구성함에 있어 PHEV와 SHEV의 우열을 단정짓기에는 아직 이르지만, 효율 및 출력 면에서 PHEV가 우수한 것으로 결론되어지는 경향이며, 결국 이러한 PHEV가 세계시장 진출에서도 유리할 것으로 판단된다. 승용 PHEV 개발에 있어 그 성능 목표로서 고려되어야 하는 주된 사항으로 ①연료 소비량 (km/Liter), ②HC, CO, NOx 등의 배기가스 배출 수준을 들 수 있다.
현재 EV 및 HEV용으로 연구개발 단계에 있는 SRMe IM과 마찬가지로 간단하고 강건한'구조를 가지고 고속운전이 가능하며 고토크 발생의 장점이 있으나, 토크리플이 크고 전자기적 잡음과 기계적 진동이 IM이나 PMSM에 비하여 크게 발생한다는 단점이 있다.고정자의 구조는 IM의 것과 상이하여 기존의 생산기반을 활용할 수 없지만, 대량생산시 재료비가 저렴하고 생산공정이 단순하므로 EV 및 HEV용으로 양산시 그 가격이 매우 저렴할 것으로 예상된다.
EV, HEV 그리고 FCEV을 막론하고 미래형 자동차용 구 동시스템의 핵심은 모터 구동, 배터리, 전력변환장치 등과 같은 전기적 시스템이라고 결론지을 수 있다. 이와 관련된 기술들은 비자동차용 응용분야에 있어서 산업계 전반적으로 이미 어느 정도 성숙 단계에 들어서 있는 것으로 판단된다, 따라서 이들을 어떻게 활용하여 자동차 응용 분야에 적합하도록 시스템을 구성해 나갈 것인가 향후의 과제가 될 것이다.

후속연구

향후 영구자석 가격의 지속적인 하락, 제조기술의 발전 등에 의하여 PMSMe 그 출력 용량을 더욱더.확대시켜 나갈 것으로 예상되며, 모터의 출력용량 측면 애서 SRM 역시 기존의 IM이 적용되는 상당 부분 차지할 것으로 기대된다.
향후 영구자석 가격의 지속적인 하락, 제조기술의 발전 등에 의하여 PMSMe 그 출력 용량을 더욱더.확대시켜 나갈 것으로 예상되며, 모터의 출력용량 측면 애서 SRM 역시 기존의 IM이 적용되는 상당 부분 차지할 것으로 기대된다. 또한, 매입형 영구자석 동기전동기와 같이 연구자석의 전자기적 토크와 회전자 형상에 의한 릴럭턴스토크를 동시에 사용할 수 있는 형태의 모터가 현재 EV 및 HEV용으로 적용되는 IM 또는 BLDCM을 대체해 나갈 것으로 기대된다M.
확대시켜 나갈 것으로 예상되며, 모터의 출력용량 측면 애서 SRM 역시 기존의 IM이 적용되는 상당 부분 차지할 것으로 기대된다. 또한, 매입형 영구자석 동기전동기와 같이 연구자석의 전자기적 토크와 회전자 형상에 의한 릴럭턴스토크를 동시에 사용할 수 있는 형태의 모터가 현재 EV 및 HEV용으로 적용되는 IM 또는 BLDCM을 대체해 나갈 것으로 기대된다M.
이는 기존의 범용 IPM의 전류 정격이 150A인 것에 비하여 그 전류 용량에 있어서 큰 진전을 보였고, 각상마다 고유의 고장 처리 및 신호를 발생시킨다는데 그 특징이 있다 [6]. 그러나, 현재 비슷한 용량의 IPM에 비하여 그 크기와 중량에 있어서 다소 불리한 점이 있으며, 소형 경 량화 작업이 향후의 과제가 될 것이다.
EV 및 HEV-g- CPU는 모터의 구동뿐만 아니라 배터리의 상태 감시, 차량 전반에 걸친 제어 등과 같은 광범위한 기능을 수행하여야 하며, 현재 16비트의 마이크로 컴퓨터가 가장 보편적으로 적용되고 있다. 그러나, 최적 제어, 인공지능 등과 같은 많은 연산량이 요구되는 제어기법들이 EV 및 HEV 분야에 적용되고 있고, 배터리, 엔진, 모터, 차량 등과 같은 각각의 구성요소에 대한 제어기가 서로 통합되는 추세에 있으므로, 향후 EV 및 HEV용 CPU로 고속의 32비트 DSP(Digital Signal Processor)가 적용되리라 예상된다. 또한, 메모리는 물론이고 디지털 입출력, A/D변환, D/A 변환, PWM 발생 등과 같은 기능성회로들이 내장된 형태의 CPU가 개발되어 적용되리라 예상된다.
그러나, 최적 제어, 인공지능 등과 같은 많은 연산량이 요구되는 제어기법들이 EV 및 HEV 분야에 적용되고 있고, 배터리, 엔진, 모터, 차량 등과 같은 각각의 구성요소에 대한 제어기가 서로 통합되는 추세에 있으므로, 향후 EV 및 HEV용 CPU로 고속의 32비트 DSP(Digital Signal Processor)가 적용되리라 예상된다. 또한, 메모리는 물론이고 디지털 입출력, A/D변환, D/A 변환, PWM 발생 등과 같은 기능성회로들이 내장된 형태의 CPU가 개발되어 적용되리라 예상된다. 뿐만 아니라, 각 제어기간의 통신은 필수적이므로 CPU는 RS232, CAN (Control Area Network)등과 같은 통신 기능을 기본적으로 내장하게 될 것이다.
또한, 최근에는 EV 및 HEV용 유도전 동기의 구동제어 기법으로 그림 12(b)와 같은 구조의 직접 토크제 어방식 (Direct Torque Control, DTC)[8~10] 의 적용 가능 여부가 검토되고 있다. FOC와 DTC의 특성을 비교한 표 2에서 보이듯이 DTC는 그 구현에 있어서 간단하고, 알고리즘 자체가 모터 정수의 변화에 강인하기 때문에 온도, 습도와 같은 환경조건이 열악하고, 부하의 변동이 극심한 차량 응용 분야에서 FOC보다 그 적용성이 더욱 뛰어나리라 예상된다.
EV, HEV 그리고 FCEV을 막론하고 미래형 자동차용 구 동시스템의 핵심은 모터 구동, 배터리, 전력변환장치 등과 같은 전기적 시스템이라고 결론지을 수 있다. 이와 관련된 기술들은 비자동차용 응용분야에 있어서 산업계 전반적으로 이미 어느 정도 성숙 단계에 들어서 있는 것으로 판단된다, 따라서 이들을 어떻게 활용하여 자동차 응용 분야에 적합하도록 시스템을 구성해 나갈 것인가 향후의 과제가 될 것이다. 이를 위하여 하드웨어 및 소프트웨어의 신뢰성 확보, 소형 경량화, 양산화 등과 관련된 기술개발이 우선급선 무이며, EV 및 HEV용 전기적 구동시스템의 단품 및 전체 시스템에 대한 시험규정을 확립하고 시험방법 및 절차를 정립하는 것 또한 매우 중요한 과제라 하겠다.

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