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주행거리 연장형 전기자동차의 엔진발전 기술 현황

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글 : 채영석(webmaster@global-autonews.com)
승인 2013-01-03 13:14:00

본문

1. 서론
최근 산업의 발달, 인구의 증가, 경제 규모의 증대 등으로 인해 자동차의 보급이 확산되고, 유가 상승과 CO2를 포함하는 배기가스에 대한 전 세계적인 환경 규제가 강화됨에 따라, 최근 친환경 자동차 시장은 급격히 성장하고 있다. 이러한 다양한 변수에 대한 미래적 대책 방안 중 하나로 전기자동차의 개발을 추구하고 있는 상황이다. 이에 따라 EV(Electric Vehicle)의 개발이 이루어졌으나, 고가 및 대중량의 배터리로 인하여 1회 충전 후 주행거리의 증가에 대한 저가 해결방안이 요구되었다. 이후 전기동력과 내연기관을 동시에 사용하는 HEV(Hybrid Electric Vehicle)가 시장에 등장하여, 연비 및 배기성능을 획기적으로 증대시킬 수 있었다. 하지만 배터리의 낮은 에너지 밀도 및 높은 가격 등으로 시장 확대에 어려움을 겪는 측면이 존재하고 있다.

글 / 임옥택 (울산대학교)
출처 / 한국자동차공학회 오토저널 2012년 11월호

일반적으로 PHEV(Plug in Hybrid Electric Vehicle)는 대표적인 친환경차인 HEV의 에너지 저장용량을 증대시키고, 외부에서 충전이 가능하도록 하여 전기에너지로 주행 가능한 거리(AER : All Electric Range)를 확장시킨 구조의 자동차를 정의한다.

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외부전원을 통해 배터리의 충전이 가능한 PHEV와는 달리 RE-EV(Range Extended Electric Vehicle)는 일반적인 차량의 주행에는 전기 모터를 사용하고 배터리가 일정량 소진 시에는 내연기관을 통해 배터리를 충전하는 방식이다. 따라서 RE-EV는 기존의 하이브리드가 가지고 있는 충전지의 낮은 에너지 밀도에 의한 제한 등의 실용성 증대를 위한 제약의 측면에서 좀 더 유리하며, 결과적으로 좀 더 전기차의 성격에 가까운 특성을 가진다.

본 고에서는 RE-EV에 대한 국제적인 연구동향을 통해 현재까지 개발 혹은 연구 중인 기술에 대해서 알아보고 앞으로의 국내 연구동향에 대한 방향성을 보이고자 한다.

2. 앳킨슨 사이클 (Atkinson Cycle)
RE-EV용 엔진의 대부분은 앳킨슨 사이클 방식을 채택한다. 이상적인 사이클의 경우 총 6개 과정에 의해 작동한다. 앳킨슨 사이클을 적용한 엔진 특수한 형태의 크랭크 축에 의해 작은 압축비로 큰 팽창비를 발생 할 수 있고 오토사이클을 적용하는 가솔린 엔진에 비해 연비가 약 10% 개선할 수 있는 이점이 있다.

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하지만 초기에 낮은 엔진 회전속도에서는 출력이 낮고 회전속도가 높아지면 출력이 비례적으로 증가하는 경향을 나타낸다. 반면, 전기 모터의 경우 최초 구동 시에 최대토크가 발생하고 모터 회전속도가 증가함에 따라 출력이 감소하는 경향을 보인다. 이러한 각 동력원의 장단점을 보완하여 차량의 동력시스템으로 최초로 상용화시킨 차량이 일본 Toyota의 Prius이다.

3. RE-EV 엔진 개발의 세계 동향
일본의 Toyota는 HEV 개발에 있어서 가장 많은 성과를 보여주고 있다. 1997년에 1.5ℓ-43kW의 가솔린 엔진과 30kW 구동용 모터 및 15kW의 발전기를 장착한 복합형 HEV인‘Prius’를 세계 최초로 시판하였다. Prius 엔진의 경우 앳킨슨 사이클을 적용하여 연소 효율을 증대시켰다. 대부분의 HEV 자동차에 적용되는 앳킨슨 사이클은 흡기 압축비를 낮추더라도 폭발 과정에서 압축비를 높이는 이점이 있기 때문에 동일한 연소체적의 일반 엔진에 비해 더 큰 출력을 발생시킬 수 있는 장점이 있다.

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이를 적용한 하이브리드 차량용 엔진의 개발이 진행 중이며, Prius III에도 이 기술을 적용한 엔진이 탑재되었다. 현재는 다임러의 Smart 차량에 대응하기 위한 모델명‘IQ’차량의 개발이 되고 있으며, 본 차량은 미국과 일본 시장 대응용 가솔린 1.3, 1.0ℓ엔진과 유럽시장 대응용 디젤 1.4ℓ엔진을 탑재하였고 25.5km/ℓ의 연비를 확보하였다.

미국의GM은GM Volt‘ Voltec’System을사용한앳킨슨사이클 방식의 엔진이 장착되었다. 본 엔진 4개의 실린더가 구성하는 총배기량은 1,400cc이고 약 100HP의 출력을 발생하며 15.7km/ℓ의 연비 실현이 가능하며, 전기모터와 병행하여 사용하면 평균연비는 39.5km/ℓ로 비약적인n 상승을 보인다.

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유럽의 VW에서 개발한 VW Golf 디젤 하이브리드는 55kW급 1.2ℓ디젤엔진을 탑재한
엔진과 20kW의 전동식 모터를 장착하여 연비는 29.3km/ℓ을 달성하였다. 이 외에도 현재 컨셉카로 개발하여 양산 준비를 진행 중인 XL1의 경우 PHEV 방식이고 이 때 적용되는 엔진과 제원은 <그림 3>, <표 3>과 같다.

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독일계 차량부품기업인 MAHLE는 C세그먼트 승용차에 적합한 엔진인 MAHLE REx Engine을 개발하였다. 본 엔진은 30kW 출력에 낮은 가격, 작은 부피 패키지, 좋은 NVH(Noise, Vibration, Harshness) 성능, 그리고 적합한 연료효율을 타겟으로 개발된 엔진이다. NVH 수준을 유지하기위해 엔진 회전속도를 4,000rpm 이하로 제한하였으며 2,000~4,000rpm에서 최대부하운전이 가능하다. 이 외에 MAHLE에서는 3가지의 컨셉 엔진을 구상하고 있으며 <표 4>에서 이에 대한 비교를 볼 수 있다. 먼저 Wankel Engine은 높은 NVH 성능에 의한 정숙성이 뛰어나고 패키징 부피가 작다는 것이 장점이다.

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Micro Gas Turbine의 경우 또한 진동 및 소음특성이 좋고 패키징 소형화가 특징이다. Reciprocation Engine의 경우는 가솔린과 디젤이 공통적으로 엔진의 제작단가가 적다는 것과 생산시간이 상대적으로 짧다는 것이 특장점이다.

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영국의 Lotus는 2011 프랑크프루트 모터쇼에서 자연흡기 및 흡기관내 분사방식을 사
용하는 저비용 소형엔진을 제시하였다. 본 엔진은 2-valve PFI(Port Fuel Injection)방식의 1.2ℓ3기통 엔진으로, RE-EV의 전기모터 및 배터리 충전이 주 목적이다. 엔진의 주요 특징은 무게가 56kg으로 경량이고 이로 인해 제조원가의 절감, 패키징의 소형화 및 CO2 배출량 감소 등의 이점을 보이는 것이다.

4. 국내외 특허장벽
RE-EV에 사용되는 엔진기술과 관련된 특허의 상당수는 해외에서 출원된 것이 대다수이며 이로 인해 특허장벽의 문제가 발생하여 국내에서의 기술개발에 걸림돌로 작용하고 있다. 기술 분류로는 앳킨슨 사이클 및 고압축비에 의해 엔진효율을 향상시키는 기술부터 알루미늄 라이너 및 표면의 텍스쳐링 기술까지 다양한 기술에 대한 특허출원 내용이 있으며 <표 6>과 같이 특허가 출원되어 있다. 특허출원의 대다수가 해외에서 나온 것이기 때문에 국내에서 RE-EV용 엔진 개발 시 많은 제약이 따르는 어려움이 있다. 또한 각 기술로 국내외 기술격차가 최대 4년의 차이를 보이는 항목이 있으므로 이에 대한 기술력을 증진시키기 위한 연구개발이 시급한 상황이다.

5. 결론
기존의 HEV가 지니는 문제점 중 하나인 배터리의 낮은 에너지 밀도로 인해 발생하는 최대주행거리의 문제점을 해결하기 위해 개발된 RE-EV는 친환경과 동시에 실용성이라는 두 가지 이점을 지닌 차량이다.

RE-EV는 최소한의 전기적인 성능을 만족하는 모터, 배터리가 필수요소이기 때문에 이를 제외한 공간에 엔진을 배치할 수 있게 된다. RE-EV에서의 엔진은 구동을 목적으로 하는 것이 아니기 때문에 배치성에 있어서는 기존차량보다 자유도가 높은 편이다.

RE-EV은 전기자동차의 일종으로 경량화가 최대 관건이 될 것이다. 이런 이유로 RE-EV 엔진은 경량화와 소형화가 강력하게 요구되고 있다. RE-EV에서 엔진을 이용한 충전/발전을 이용하는 이유가 배터리의 용량을 줄임으로써 제작 비용을 줄이기 위한 것이기 때문에 RE-EV 엔진을 생산할 때의 비용이 높아지는 것은 RE-EV를 만드는 의미를 퇴색시키는 것이다. 따라서 사용 가능한 저렴한 기술이 RE-EV 엔진에 적용 될 수는 있지만 고가의 첨단기술이 적용되지는 않을 것이며, 이를 바탕으로 국내에서의 연구가 진행되어야 할 것이다.
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