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독일의 전기자동차 관련기술 개발현황

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글 : 채영석(webmaster@global-autonews.com)
승인 2012-06-09 00:48:31

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독일의 전기자동차 관련기술 개발현황

친환경 전기자동차
최근에 자동차 에너지 소비효율의 상승과 환경에 대한 관심이 커져 자동차 업계에서는 기존의 내연기관을 개선하려는 노력을 기울이고 있는 한편 친환경적으로 더욱 진보된 개념인 전기자동차의 개발에 많은 투자를 하고 있다.

글 / 강대건 (탈리스테크)
출처 / 한국자동차공학회 오토저널 2012년 6월호

전기자동차의 대중화를 위해서는 기술적으로 해결해야 할 문제들이 있는데 이번 호에서는 최근에 독일에서 이루어지고 있는 전기자동차와 관련된 기술개발을 일부 소개한다.

차체 경량화
이미 양산자동차에 상당부분 적용된 알루미늄 또는 마그네슘같은 경량소재의 활용은 전기자동차에도 그대로 적용되며 하이드로포밍같은 특수한 생산기술을 접목하면 추가적으로 구조적 경량화를 달성할 수 있다.

구조적 경량화의 새로운 가능성으로 독일 항공우주센터(DLR, Deutsches Zentrum fur Luft und Raumfahrt)는 다양한 친환경 구동콘셉트에 적용 가능하고 높은 연료절감효과 및 승객보호가 가능한 경량 바디구조를 개발하였다. DLR Stuttgart의 Mr.Kriescher
에 따르면 기본개념은 효율적이고 환경친화적이며 동시에 높은 승객안전도와 생산비용이 저렴한 경량바디를 개발하는 것이다.

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이 경량바디는 비교적 간단한 구조이고 거의 모두 샌드위치 엘리멘트로 이루어진다. 이 구조는 내면과 외면이 경량 알루미늄이고 그 사이에는 스폰지 형태의 고강도 플라스틱이 위치해 있다. DLR의 설명에 의하면 이 구조는 경량이지만 높은 안정성을 가지고 있어 크래쉬안전성에 이바지하며 정면이나 측면충돌 시에 바디구조가 큰 영향을 받지 않아 대형 충돌사고 시에도 승객의 생존가능성을 현격히 높일 수 있다.

일반 자동차의 바디는 200~300개의 부품으로 이루어지지만 이 경량구조는 50여 개의 부품만으로 이루어진다. 생산에 필요한 설비와 금형이 최소화 되는 것은 물론이다. 경우에 따라서는 직선의 판재를 별도의 추가 가공없이 1대1로 이 경량바디에 적용할 수 있어 경량바디를 생산하고자 하는 회사들에게 매우 매력적일 수 있다. DLR의 기술지도와 라이선스를 받아서 회사들이 자체모델을 개발 하는 것도 생각해 볼 수 있다.

현장연구개발담당 Mr.Kopp에 의하면 2012년 말까지 DLR은 파워트레인과 외장까지 포함한 프로토타입을 제작할 계획이라고 한다. 자동차의 무게는 롤저항과 가속성능에 직접적인 영향을 끼치고 연료의 3분의2가 자동차의 무게를 움직이는데 사용되므로 이 경량바디는 독일의 자동차회사들에게도 매력으로 다가오며, 특히 대체에너지를 이용한 자동차의 경우 가솔린이나 디젤엔진을 사용하는 자동차의 경우보다 차량의 무게가 훨씬 더 결정적인 역할을 한다.

경량바디 아이디어는 프라운호퍼 연구소로부터 Sustainable Transportation 분야에서‘독일 하이텍 챔피언 2012’로 선정되었다. 탄소강화섬유(CFK)는 소재의 경량특성으로 인하여 자동차업계의 주목을 받고 있으나 높은 가격 때문에 자동차에 적용이 쉽지 않았으나 새로운 생산기술과 자동화기술의 꾸준한 개발로 인하여 생산원가를 낮출 수 있어 전기자동차에도 적용될 수 있는 길이 열리고 있다.

2012년 3월 BMW의 Landshut 부품 공장에서는 초소형 초경량 카본 부품 생산을 위한 새로운 제조 시설을 가동하기 시작했다. 개발 및 구매담당 중역 Dr.Herbert Diess는 우리는 탄소 섬유에서 미래의 중요한 하이테크 소재를 볼 수 있으며 지금까지 우리가 자동차를 설계하고 제작해왔던 방법을 변화시킬 것이라고 강조했다.

BMW의 전략과는 달리 폴크스바겐의 경우 탄소섬유는 고비용의 문제로 아직은 중요한 역할을 하지 못하고 있다고 폴크스바겐의 Driving Performance/Fuel Consumption 부서의 책임자이며‘Weight Watcher’인 Dr.Klaus Rohde-Brandenburger가 말했다. 새로운 소재와 생산기술 개발은 각각의 경량화 기준에 부응하기에 적합하나 그에 이르는 길은 대개가 험난하며 최근의 EDAG, 포드, 폭스바겐에서 개발한 프로젝트에서 이런 사실이 입증되고 있다.

전기자동차의 대중화를 위한 공동 프로젝트 Visio.M

공동 프로젝트‘Visio.M’에서 독일 자동차산업의 기업들은 Muchen공대의 연구원들과 공동으로 작고 효율적인 전기자동차가 안전하고 저렴하게 제작되어 시장에서 의미 있는 점유율을 달성하기 위한 가능성을 연구하고 있다. 이 과제에서 개발하고자 하는‘비젼모빌리티’콘셉트는 15kw의 모터출력과 400kg(배터리 제외)의 공차중량을 가지며 자동차인증카테고리 L7e의 요구 사항을 충족한다. 컨소시엄리더는 BMW이고 독일 연방교육연구부(BMBF)의 투자금액은 총 160억 원(1,080만 유로)이다.

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이 공동프로젝트는 Muchen공대에서 개발한 전기자동차 Mute를 기반으로 하여 차량 안전, 구동체계, 에너지 저장장치 및 사용자 운용체계 등의 구현을 대량생산의 관점에서 연구한다. 특히 주목할 것은 안전에 관련된 설계인데 최소한의 무게에도 불구하고 이 자동차 컨셉트 Visio.M은 기존 내연기관 자동차의 안전과 동등하다는 것이다.

공동 프로젝트에는 자동차 제조 업체 BMW (컨소시엄리더)와 Daimler 외에 학술연구파트너로서 Munchen공대 그리고 Autoliv, 연방도로관리(BASt), Continental Automotive, E.ON, Finepower, Hyve, IAV, InnoZ,Intermap, LION Smart, Neumayer Tekfor,Siemens, Texas Instrument Germany, Tuv Sud가 참여하고 있고, 연방 교육연구부(BMBF)가 중점 프로젝트 지원프로그램‘전기자동차를 위한 핵심 기술 - 전기’의 일환으로 연구비를 지원하고 있다.

자동화된 배터리 생산이 전기자동차를 값싸게

전기에너지 저장장치, 특히 고성능 배터리는 전기자동차의 성능, 신뢰성 그리고 가격을 결정하므로 전기자동차에서 매우 중요한 역할을 하는데 순수 전기자동차나 하이브리드 자동차에서도 마찬가지이다. VDMA 제조 산업 국장이며 VDMA 포럼 E-Motiv의 배터리 생산 산업협의회의 책임자 Dr.Eric Maiser에 의하면 배터리 제조에서 생산기술이 시장에서의 성공에 일익을 담당한다. 지금까지의 배터리 기술의 혁신은 하이브리드 자동차에서 연료비의 절감과 순수 전기자동차에서는 수용가능한 정도의 주행거리의 향상을 가져왔으며, 이제 남은 것은 비용을 줄일 수 있는 생산 혁신이라고 한다.

국제 전문전시회인 자동화 및 메카트로닉스 전시회 Automatica(5. 22~25)는 VDMA의 전문그룹 생산기술 그룹과 Aachen공대의 WZL과 공동으로‘배터리 제조와 생산자동화기술’의 특별전시를 조직한다. 배터리 사업 전망은 매우 밝다. VDMA와 Roland Berger 연구서‘미래분야 전기자동차 - 기계공학의 기회와 도전’에 의하면 2020년에는 하이브리드 자동차 혹은 순수 전기자동차는 새로 등록한 차량의 40%에 달할 것이다. 새로운 배터리 제조공장을 통해 2020년에 48억유로의 규모로 거대한 사업 잠재력이 생길 것이다.

Dr.Maiser의 추정에 의하면 전기자동차 이외에 재생에너지에 적용되는 고정식 배터리의 제조에도 비슷한 크기의 큰 기계수요가 있다. 일반 소비자용 전지의 생산에서는 아시아가 이미 패권을 차지했음에도 불구하고 고성능 배터리 분야에서 독일의 기계산업은 Photovoltaic과 같은 유사분야에서 습득한 그들의 노하우로 인하여 좋은 기회를 얻을 수 있다.

VDMA Robotics + Automation의 매니저 Thilo Brodtmann에 의하면 특히 자동화 분야에서 전 세계 배터리 공장에 추가수요가 많다고 한다. 특별전시에서는 Reis Robotics, Siemens 산업 자동화 시스템, Bosch Rexroth, Schunk, Manz, ISRA Vision은 생산 자동화에 내재된 가능성을 보여줄 예정이다. Reis Robotics는 생산라인이 배터리의 수요증가에 대해서 Scalable 자동화 솔루션을 통하여 어떻게 함께 유연하게 증가하는지를 보여준다. 하이라이트는 EMPT 용접 프로세스(=Electromagnetic Puls Forming Technology)이며 이 기술에서는 예민한 배터리 극점이 열에너지 공급이 없이 배터리 블록과 접합된다.

배터리 제조 및 자동화기술에서는 전체적인 공정체인을 고려해야 한다. 즉 화학물질의 혼합 및 코팅, 셀의 성형을 포함하여 소재공급부터 셀제조, 모듈, 배터리팩까지의 모든 공정을 말한다. 또한 Aachen공대 WZL의 가상 공장에서는 배터리 생산을 시물레이션해 볼 수 있고 비용에 관한 시나리오를 준비할 수 있다.

Aachen공대 WZL의 Prof. Achim Kampker는 독일 연구저변이 가진 배터리 생산에서의 경쟁력을 실현하기 위한 역할을 자임한다. Lithium Ion 고성능 배터리를 위한 상업적 생산공장들이 이제 막 자리를 잡기 시작하였다. 현재 독일에서 배터리 생산업체, 기계엔지니어, 실용기술개발기술자와 공동으로 구축하고 있는 파이로트 생산라인들은 당장 경쟁력있게 생산을 하지는 않더라도 실제 생산조건 하에서 공정개발의 인증을 가능하게 한다.

자동차 제조업체들의 고속 충전기술 개발

15~20분이면 저장장치가 다시 가득 충전되는 것이 목표 : 독일과 미국에서 여덟 개의 글로벌 자동차 제조 업체는 위의 시간 안에 서로 비슷한 장치가 장착된 대부분의 전기자동차를 충전할 수 있는 급속 충전기술을 보여준다. 필요한 표준 직류 고속 충전기술은 차량에 대한 통일된 인터페이스만을 필요로 한다.

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이 시스템의 도움으로 고객들의 편의성이 개선될 수 있고 합리적인 시스템가격으로 인해서 전기자동차의 보급이 확산되고 충전인프라의 구축을 위한 투자가 가속될 전망이다. 국제자동차기술자협회(SAE)에 의해서 통일된 차량 인터페이스는 전기자동차의 고속충전을 위한 표준으로 선정되었다.

결합 충전시스템(Combined Charging System)은 전기자동차측에 통일된 단 하나의 인터페이스를 마련하여 단상 교류전류를 이용한 단상충전, 3상 교류전류를 이용한 교류충전, 가정에서의 직류충전 또는 전기충전소의 초고속 직류충전을 결합시킨다. 이러한 방법으로 고객은 전원의 종류나 충전속도와 관계 없이 충전할 수 있다.

결합 충전시스템의 디자인은 기존의 충전 솔루션의 공동 검토와 분석, 플러그의 인체 공학적 설계 및 유럽과 미국의 소비자 선호도를 기반으로 한다. 결합 충전 시스템은 국제시장을 위해 개발되었고 동일한 전기시스템 및 설치공간, 동일한 충전제어 및 동일한 안전장치를 마련한다.

이 시스템은 충전시스템의 위치에 상관 없이 전 세계적으로 작동하는 광대역 통신을 통해 향후 스마트 그리드로 통합될 수 있는 능력을 극대화 한다. 통합된 충전방식은 개발업무와 인프라의 복잡성을 감소시키고, 충전의 신뢰성을 향상시키며, 고객에 대한 총비용을 줄이고, 낮은 유지보수 비용을 보장한다.

통일된 충전시스템에 기반한 급속충전 방식은 - 결합 충전시스템을 이용한 고속DC충전 - 유럽과 미국에서 전기자동차에 사용될 것이고, Audi, BMW, Chrysler, Daimler, Ford, General Motors, Porsche 그리고 Volkswagen은 이에 대해 합의하였다. 결합 충전시스템을 이용한 충전은 로스앤젤러스에서 개최되는 제26차 전기차량을 위한 심포지엄(EVS 26, 5.6~9)에서 실제 장비와 차량에 적용되는 예가 소개될 것이다.

SAE는 결합 충전시스템을 급속충전을 위한 표준으로 정했고 이 표준은 이번 여름에 공식적으로 발표된다. 또한 유럽 자동차 제조업협회(ACEA)는 2017년부터 유럽의 모든 신규 차량에 대한 단일 AC/DC 충전 인터페이스 로 결합 충전시스템을 선정하였다.

상용 충전스테이션은 올해말경에 준비가 될 것으로 기대된다. 이 계획에 참여하는 모든 자동차 제조업체들은 통합된 충전시스템을 사용하는 자동차를 개발하고 있고 2013년에 시장에 선보일 예정이다.

MBtech, 전기자동차 드라이브 테스트 장비 구축

MBtech의 E-Drive System 책임자 Martin Ott에 의하면 MBtech의 시험설비는 현재 시험수요가 많으나 시험설비가 부족한 상황에 대응하고 전기자동차의 콘셉트를 각각의 부품에 대해서 검증하는 것과 값비싼 프로토타입을 만들어 테스트하는 것의 중간자 역할을 제공함으로써 고객들에게 전기자동차의 Power Train 검증업무를 간소화 시켜준다.

특히 전기구동장치를 가지는 자동차는 매우 이른 단계에서 테스트를 통한 확인을 필요로 하는데, 그 이유는 편의장치, Infotainment 장치, Drive Train 장치들은 서로 의존적이고 냉난방 시스템이나 라디오∙내비게이션과 같은 전력 소비장치들은 전기자동차의 주행거리에 영향을 미치기 때문이다. 갑작스런 스티어링의 필요와 같은 짧은 시간의 피크전류에 의해서 차량의 주행성능이나 배터리의 수명이 직접 영향을 받을 수 있고 지능형 차량 간격유지장치 같은 보조장치에 의해서도 구동계와 주행성능이 영향을 받을 수 있다. MBtech에 따르면 이와 같은 전반적인 상호관계들은 매우 이른 설계단계에서 고려되어야 한다.

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구체적으로는 MBtech의 시험설비는 고전압 부품을 포함한 다양한 전기 액츄에이터의 개발을 동반하며 실제상황에 충실하게 테스트할 수 있는 기회를 열 것이다. 시험설비는 350km/h의 속도 그리고 400kW의 엔진의 출력까지 테스트할 수 있도록 설계되었고 주위 온도는 영하 30℃부터 영상 50℃까지 설정할 수 있다. MBtech 그룹의 전자 솔루션 부문 책임자 Dirk Walliser에 의하면 MBtech는 기존의 EMV 업무와 함께 대체에너지 구동시스템 테스트의 센터로 부상하고 있다.
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