하이브리드 농업용 트랙터 기술
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글 : 채영석(webmaster@global-autonews.com)|
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승인 2014-08-25 01:39:39 |
본문
하이브리드 농업용 트랙터 기술
1. 농업용 트랙터 개요
농촌인구 감소와 고령화, 농기계 임대 활성화정책, WTO, FTA 등 대내∙외적인 환경변화로 국내 농기계 산업의 어려움은 날로 심화되고 있다. 농기계는 다른 기계산업과 달리 식량주권과 직결되는 국가의 근간을 이루는 기본산업으로 시장개방에 따른 다양한 선진기술의 농업기계가 수입되는 한편 국내 농업기계 제조업체들은 좁은 시장에서 과당 경쟁으로 인한 경영상의 어려움으로 기술개발투자는 더욱 위축되는 실정이다.
글 / 박영일 (서울과학기술대학교)
출처 / 오토저널 5월호
그러나 WTO, FTA의 영향에 따른 내수시장의 하향 추세에도 불구하고 국내 농기계(트랙터)는 수출에 역량을 집중한 결과 미국을 중심으로 연평균 15%의 지속적인 수출 신장세를 보이고 있어 이미 2007년에 18,600대, 2억 달러 수출을 달성하였다. 특히 최근 농촌인구의 감소, 고령화와 에너지 자원부족, 고유가에 따른 생력형 및 에너지 절감형 고성능 농기자재에 대한 국내∙외 수요는 확대될 전망이다.
세계 농업기계 시장 규모의 경우 2013년 약 1,553억 달러이며, 트랙터가 전체 시장 중 307억달러(28.4%)로 가장 큰 시장을 형성하고 있다. 국내에서 트랙터는 2008년 29,920대로 전체 농업기계 생산 중 약 40%를 차지하였으며, 해외 수출량은 199,264대로 전년대비 103.6% 상승하여 2011년 트랙터의 내수 시장 및 해외 시장에서의 중요성은 지속적으로 증가될 것으로 판단된다.
2. 친환경 트랙터 기술
현재 국내 농기계 기술수준은 부품의 경우 선진국의 81%, 소재는 77% 정도로 나타나 선진기술과의 큰 격차를 보이고 있다. 기술수준의 격차는 결과적으로 수출규모에서 큰 차이를 보여 현재 농기계의 수출규모는 유럽이 373억 달러, 미국이 102억 달러, 일본이 19억 달러, 중국이 11억 달러이며, 우리나라는 2억 8천만 달러로 0.5%에 불과한 것으로 나타나 차별화된 기술 개발을 통한 시장 경쟁력 확보가 필요하다. 농업용 기계
중 동력 및 작업기계의 경우 자동차, 상용차, 특장차, 군수용 차량산업과의 연계성이 높아 친환경 자동차 기술, IT, BT산업과의 접목이 가능하여 파급효과 및 상호 시너지 효과가 크다.
농용트랙터는 트랙터 자체의 구동 및 견인력 또는 인출 동력원 등을 이용하여 각종 작업기를 부착하여 농작업을 손쉽게 할 수 있도록 고안된 기계이다. 그러므로 다양하고 편리한 작업이 가능하도록 전자유압 제어를 통한 고효율 HST, CVT, AMT 등 자동 변속기 기술을 핵심으로 다양한 종류의 변속장치가 개발 적용된다. 트랙터의 동력전달계통은 자동차와는 달리 주행부와 작업기 회전을 위한 PTO 출력부로 분할되어 있고 변동 고부하의 트랙터 특성을 고려한 최적화 동력전달 시스템이 필요하다.
국제 유가의 상승과 배기가스 규제가 강화됨에 따라 농업기계의 친환경/고효율 기술 개발이 시급하며 농업기계 중 가장 큰 비중을 차지하는 트랙터의 기술 개발이 요구되고 있다. 하이브리드 기술은 모터의 전기에너지를 동력원으로 추가하여 트랙터 작업에 따라 엔진과 모터의 동력을 효율적으로 이용하므로 고효율의 에너지 사용이 가능하고 배기가스의 감소를 통해 환경규제에 대응이 가능하다. 따라서 친환경 전자식 엔진
기반의 하이브리드 트랙터 개발을 통해 해외 시장 확보에 큰 역할을 할 것으로 기대된다.
농업용 트랙터에 전기구동 시스템을 적용하여 하이브리드화하면 배기가스 규제, 수출규모 확대, 농기계 산업의 고부가가치화 구현이 가능하고 농기계 무인화에 적정한 구동시스템으로 상호 시너지 효과가 있을 것으로 기대된다.
3. 하이브리드 트랙터 기술
트랙터의 하이브리드 기술은 일본, 미국 등 선진 트랙터 업체에서는 전기자동차 또는 하이브리드 자동차와 같은 미래형 자동차의 기술 개발을 농업용 차량으로 적극 개발 추진하고 있다.
Kubota, Yanmar, CASE IH, Schmetz 등 선진 트랙터 회사를 중심으로 연구가 시작되고 있으며, JohnDeere의 경우에는 하이브리드 기술을 일부 적용한 모델을 양산 중이다. Kubota에서는 Compact급 (50HP 이하) 하이브리드 트랙터를 일본의 생기연과 함께 개발 중에 있으며, Yanmar에서는 110 HP급 하이브리드 트랙터를 시험 중에 있고, CASE IH와 Schmetz는 각각 하이브리드 모델인 ProHybrid EECVT와 Eltrac E135를 개발하였다고 보고하였으나 아직까지 양산되지는 않았다. JohnDeere에서는 하이브리드 트랙터(7030E)를 2009년부터 양산하고 있으며, 이는 기존의 발전기를 고효율 발전기로 대체하여 엔진의 잉여에너지를 배터리에 저장하고 라디에이터 팬 및 에어컨 컴프레셔의 엔진 부대장치를 배터리를 이용하여 구동하는 형태로 개발하였으며 엔진 응답속도 향상 및 약 15%의 에너지 절감 효과가 있다. 국내에서는 LS 엠트론이 PHEV 트랙터를 개발하였고 병렬형 하이브리드 트랙터 개발을 시작하고 있는 실정이다.
하이브리드 트랙터의 핵심부품은 전기 에너지 재생을 위한 발전기와 동시에 엔진의 동력을 Assist하는 Motor-generator, 대용량 모터 제어가 가능한 인버터/컨버터, 각각의 구성요소에 대한 전원 공급을 위한 배터리와 배터리를 관리하는 BMS(Battery Management System) 및 최적 동력 제어를 위한 상위 제어기인 HCU(Hybrid Control Unit)로 이루어진다. 각 핵심부품은 이미 하이브리드 자동차에서 사용되고 있는 부품의 사용이 가능하지만 제어기의 경우에는 트랙터가 가지는 독특한 부하 특성에 맞추어 별도의 개발이 이루어져야 한다.
트랙터는 자동차와는 달리 동력전달 계통이 주행부와 작업기 회전을 위한 PTO 출력부로 분할되어 있고 변동 고부하의 트랙터 특성을 고려하여 최적화된 제어기의 개발이 필요하다. 특히 부하변동이 극심한 트랙터의 작업조건에서는 순간 고출력 에너지가 필요하고 변동부하에 따른 제어특성이 용이한 모터의 적용과 함께 작업능률을 극대화 할 수 있는 시스템 통합기술이 중요하다.
하이브리드 트랙터는 동력전달계 전체를 하이브리화 하기도 하지만 일부 부품의 하이브리드화하는 연구 개발도 이루어지고 있다. John Deere 하이브리드 시스템은 트랙터의 냉각 시스템을 하이브리드화하였다. 기존 트랙터는 엔진 냉각을 위한 라디에이터 팬과 에어컴프레셔를 엔진과 연결하여 냉각상태와 상관없이 항상 구동하여 에너지를
소모하는 단점을 가지는데 반해, John Deere 하이브리드 트랙터는 에너지 소모를 보완하기 위해 그림 7과 같이 라디에이터팬 및 에어컴프레셔를 엔진 직결식이 아닌 모터를 이용하여 필요에 따라 구동하는 방식으로 설계하였다.
4. 결론
하이브리드 트랙터는 고효율 동작이 가능한 전자식 엔진을 기반으로 하이브리드 핵심부품 및 후처리장치를 추가하여 농작업 특성에 대응하는 최적 동력 제어 및 배기가스 감소를 목표로 개발하였다. 이를 통해 트랙터 작업의 에너지 사용을 절감하고 PM/NOx의 배기가스를 줄임으로써 Tier 4 등의 환경규제에 대응 가능하다.
하이브리드 트랙터 개발을 통해 Tier 4 대응 기술 개발을 통한 친환경 농업기계 개발을 활성화하고 국내농업기계 수준 및 해외에서의 인지도 향상 효과를 발생시킬 수 있다. 트랙터의 경우 상대적으로 부하 변동의 폭이 크기 때문에 하이브리드 시스템 구성과 최적 제어 적용을 통해 연료 절약이 가능하므로 유가상승에 따른 농가의 경제적 부담을 감소시켜주며 트랙터의 작업 효율을 높여 농민의 작업환경을 개선하고 농가의 수익을 증대시킬 수 있다.
또한 Tier 4 대응 하이브리드 트랙터는 대부분 Add-on 방식을 통해 구축되기 때문에 동급대비 저가로 판매되어 생산비 절감 효과가 있으며 작업 수행의 경우 상대적으로 고효율 동작이 가능하므로 기존 동급 트랙터에 비해 저가로 공급함으로써 트랙터 구매에 대한 부담을 절감시킬 수 있다.
1. 농업용 트랙터 개요
농촌인구 감소와 고령화, 농기계 임대 활성화정책, WTO, FTA 등 대내∙외적인 환경변화로 국내 농기계 산업의 어려움은 날로 심화되고 있다. 농기계는 다른 기계산업과 달리 식량주권과 직결되는 국가의 근간을 이루는 기본산업으로 시장개방에 따른 다양한 선진기술의 농업기계가 수입되는 한편 국내 농업기계 제조업체들은 좁은 시장에서 과당 경쟁으로 인한 경영상의 어려움으로 기술개발투자는 더욱 위축되는 실정이다.
글 / 박영일 (서울과학기술대학교)
출처 / 오토저널 5월호
그러나 WTO, FTA의 영향에 따른 내수시장의 하향 추세에도 불구하고 국내 농기계(트랙터)는 수출에 역량을 집중한 결과 미국을 중심으로 연평균 15%의 지속적인 수출 신장세를 보이고 있어 이미 2007년에 18,600대, 2억 달러 수출을 달성하였다. 특히 최근 농촌인구의 감소, 고령화와 에너지 자원부족, 고유가에 따른 생력형 및 에너지 절감형 고성능 농기자재에 대한 국내∙외 수요는 확대될 전망이다.
세계 농업기계 시장 규모의 경우 2013년 약 1,553억 달러이며, 트랙터가 전체 시장 중 307억달러(28.4%)로 가장 큰 시장을 형성하고 있다. 국내에서 트랙터는 2008년 29,920대로 전체 농업기계 생산 중 약 40%를 차지하였으며, 해외 수출량은 199,264대로 전년대비 103.6% 상승하여 2011년 트랙터의 내수 시장 및 해외 시장에서의 중요성은 지속적으로 증가될 것으로 판단된다.
2. 친환경 트랙터 기술
현재 국내 농기계 기술수준은 부품의 경우 선진국의 81%, 소재는 77% 정도로 나타나 선진기술과의 큰 격차를 보이고 있다. 기술수준의 격차는 결과적으로 수출규모에서 큰 차이를 보여 현재 농기계의 수출규모는 유럽이 373억 달러, 미국이 102억 달러, 일본이 19억 달러, 중국이 11억 달러이며, 우리나라는 2억 8천만 달러로 0.5%에 불과한 것으로 나타나 차별화된 기술 개발을 통한 시장 경쟁력 확보가 필요하다. 농업용 기계
중 동력 및 작업기계의 경우 자동차, 상용차, 특장차, 군수용 차량산업과의 연계성이 높아 친환경 자동차 기술, IT, BT산업과의 접목이 가능하여 파급효과 및 상호 시너지 효과가 크다.
농용트랙터는 트랙터 자체의 구동 및 견인력 또는 인출 동력원 등을 이용하여 각종 작업기를 부착하여 농작업을 손쉽게 할 수 있도록 고안된 기계이다. 그러므로 다양하고 편리한 작업이 가능하도록 전자유압 제어를 통한 고효율 HST, CVT, AMT 등 자동 변속기 기술을 핵심으로 다양한 종류의 변속장치가 개발 적용된다. 트랙터의 동력전달계통은 자동차와는 달리 주행부와 작업기 회전을 위한 PTO 출력부로 분할되어 있고 변동 고부하의 트랙터 특성을 고려한 최적화 동력전달 시스템이 필요하다.
국제 유가의 상승과 배기가스 규제가 강화됨에 따라 농업기계의 친환경/고효율 기술 개발이 시급하며 농업기계 중 가장 큰 비중을 차지하는 트랙터의 기술 개발이 요구되고 있다. 하이브리드 기술은 모터의 전기에너지를 동력원으로 추가하여 트랙터 작업에 따라 엔진과 모터의 동력을 효율적으로 이용하므로 고효율의 에너지 사용이 가능하고 배기가스의 감소를 통해 환경규제에 대응이 가능하다. 따라서 친환경 전자식 엔진
기반의 하이브리드 트랙터 개발을 통해 해외 시장 확보에 큰 역할을 할 것으로 기대된다.
농업용 트랙터에 전기구동 시스템을 적용하여 하이브리드화하면 배기가스 규제, 수출규모 확대, 농기계 산업의 고부가가치화 구현이 가능하고 농기계 무인화에 적정한 구동시스템으로 상호 시너지 효과가 있을 것으로 기대된다.
3. 하이브리드 트랙터 기술
트랙터의 하이브리드 기술은 일본, 미국 등 선진 트랙터 업체에서는 전기자동차 또는 하이브리드 자동차와 같은 미래형 자동차의 기술 개발을 농업용 차량으로 적극 개발 추진하고 있다.
Kubota, Yanmar, CASE IH, Schmetz 등 선진 트랙터 회사를 중심으로 연구가 시작되고 있으며, JohnDeere의 경우에는 하이브리드 기술을 일부 적용한 모델을 양산 중이다. Kubota에서는 Compact급 (50HP 이하) 하이브리드 트랙터를 일본의 생기연과 함께 개발 중에 있으며, Yanmar에서는 110 HP급 하이브리드 트랙터를 시험 중에 있고, CASE IH와 Schmetz는 각각 하이브리드 모델인 ProHybrid EECVT와 Eltrac E135를 개발하였다고 보고하였으나 아직까지 양산되지는 않았다. JohnDeere에서는 하이브리드 트랙터(7030E)를 2009년부터 양산하고 있으며, 이는 기존의 발전기를 고효율 발전기로 대체하여 엔진의 잉여에너지를 배터리에 저장하고 라디에이터 팬 및 에어컨 컴프레셔의 엔진 부대장치를 배터리를 이용하여 구동하는 형태로 개발하였으며 엔진 응답속도 향상 및 약 15%의 에너지 절감 효과가 있다. 국내에서는 LS 엠트론이 PHEV 트랙터를 개발하였고 병렬형 하이브리드 트랙터 개발을 시작하고 있는 실정이다.
하이브리드 트랙터의 핵심부품은 전기 에너지 재생을 위한 발전기와 동시에 엔진의 동력을 Assist하는 Motor-generator, 대용량 모터 제어가 가능한 인버터/컨버터, 각각의 구성요소에 대한 전원 공급을 위한 배터리와 배터리를 관리하는 BMS(Battery Management System) 및 최적 동력 제어를 위한 상위 제어기인 HCU(Hybrid Control Unit)로 이루어진다. 각 핵심부품은 이미 하이브리드 자동차에서 사용되고 있는 부품의 사용이 가능하지만 제어기의 경우에는 트랙터가 가지는 독특한 부하 특성에 맞추어 별도의 개발이 이루어져야 한다.
트랙터는 자동차와는 달리 동력전달 계통이 주행부와 작업기 회전을 위한 PTO 출력부로 분할되어 있고 변동 고부하의 트랙터 특성을 고려하여 최적화된 제어기의 개발이 필요하다. 특히 부하변동이 극심한 트랙터의 작업조건에서는 순간 고출력 에너지가 필요하고 변동부하에 따른 제어특성이 용이한 모터의 적용과 함께 작업능률을 극대화 할 수 있는 시스템 통합기술이 중요하다.
하이브리드 트랙터는 동력전달계 전체를 하이브리화 하기도 하지만 일부 부품의 하이브리드화하는 연구 개발도 이루어지고 있다. John Deere 하이브리드 시스템은 트랙터의 냉각 시스템을 하이브리드화하였다. 기존 트랙터는 엔진 냉각을 위한 라디에이터 팬과 에어컴프레셔를 엔진과 연결하여 냉각상태와 상관없이 항상 구동하여 에너지를
소모하는 단점을 가지는데 반해, John Deere 하이브리드 트랙터는 에너지 소모를 보완하기 위해 그림 7과 같이 라디에이터팬 및 에어컴프레셔를 엔진 직결식이 아닌 모터를 이용하여 필요에 따라 구동하는 방식으로 설계하였다.
4. 결론
하이브리드 트랙터는 고효율 동작이 가능한 전자식 엔진을 기반으로 하이브리드 핵심부품 및 후처리장치를 추가하여 농작업 특성에 대응하는 최적 동력 제어 및 배기가스 감소를 목표로 개발하였다. 이를 통해 트랙터 작업의 에너지 사용을 절감하고 PM/NOx의 배기가스를 줄임으로써 Tier 4 등의 환경규제에 대응 가능하다.
하이브리드 트랙터 개발을 통해 Tier 4 대응 기술 개발을 통한 친환경 농업기계 개발을 활성화하고 국내농업기계 수준 및 해외에서의 인지도 향상 효과를 발생시킬 수 있다. 트랙터의 경우 상대적으로 부하 변동의 폭이 크기 때문에 하이브리드 시스템 구성과 최적 제어 적용을 통해 연료 절약이 가능하므로 유가상승에 따른 농가의 경제적 부담을 감소시켜주며 트랙터의 작업 효율을 높여 농민의 작업환경을 개선하고 농가의 수익을 증대시킬 수 있다.
또한 Tier 4 대응 하이브리드 트랙터는 대부분 Add-on 방식을 통해 구축되기 때문에 동급대비 저가로 판매되어 생산비 절감 효과가 있으며 작업 수행의 경우 상대적으로 고효율 동작이 가능하므로 기존 동급 트랙터에 비해 저가로 공급함으로써 트랙터 구매에 대한 부담을 절감시킬 수 있다.
