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[오토저널] 차량 주행 진동에너지 재생시스템 기술 동향

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글 : 원선웅(mono@global-autonews.com)
승인 2020-11-16 10:06:15

본문

차량 주행시 차의 동력으로 사용되는 에너지는 약 30% 내외이다. 자동차 업계와 학계에서는 효율개선을 위한 연구는 끊임없이 진행되어 오고 있다. 최근에는 사용되지 않고 버려지는 70%의 에너지를 재사용하는 연구가 활발히 진행중에 있다. <그림 2>는 자동차 주행시 손실되는 에너지의 형태의 재생시 예측되는 연비향상 효과를 제시한다. 수년전부터 개발되고 있는 재생에너지의 형태는 차량의 정시시 브레이크에 발생되는 에너지이며, Regenerative Braking 적용시 최대 30%의 연비 향상이 예측되며, 이미 상용화 및 양산화 되어 차량에 장착되어 시판되고 있다. 회생제동 시스템에 이어 차세대로 최근 각광받고 있는 기술은 자동차 주행시 진동에너지를 하베스팅하는 Regenerative Shorck Absorber이다.

 

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차량 주행시 발생하는 진동을 회생하면 <그림 3>에서 보는 바와 같이 일반 세단의 경우 최대 400W의 전기에너지의 재생사용가능하며, 철도의 경우는 최대 10kW까지 재생사용가능하다. 즉, 차량의 무게가 증가할수록 재생가능한 진동에너지의 양 또한 증가한다. 또한, <그림 4>에서 보는 바와 같이 일반 연소엔진 차량의 경우 2~3% 정도지만, 미래자동차인 하이브리드 자동차 및 전기차의 경우 최대 10%의 연비향상이 예측된다. Regenerative Shock Absorber 시장은 기존 기계식 부품의 전장화에 따른 사용자 편의성 추구 수요에 따라 시장이 지속적으로 확대되고 있고, 기존 차량을 비롯하여 친환경 전기자동차와 하이브리드 자동차 등 전기에너지를 사용하는 전장부품이 계속 증가함에 따라, 보조 에너지원으로서의 핵심부품으로 주목받고 있으며, 지속적으로 성장 가능한 기술로 2025년 예측 시장 규모는 68.83 Billion(약 81조원)로 예측된다.

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진동에너지를 이용한 에너지 하베스팅은 기계적 진동을 전기 에너지로 전환하는 기술로 <그림 5>와 같이 정전기(Electrostatic), 전자기(Electromagnetic), 압전(Piezoelectric), 정전기 등을 이용하는 방식이 있다. 자동차 주행시 발생되는 진동은 최대 3~5Hz 정도의 주파수 및 변위의 범위이기 때문에, 자동차 주행진동 하베스팅 방법에는 전자기 방식을 이용하여 개발하고 있다. 이와 관련하여 가장 우수한 연구조직은 현재 버지니아 공대에 재직중인 Zuo 교수가 이끄는 팀으로써 Stony Brook 뉴욕대학에 재직했던 2010년부터 관련 연구를 시작하였다. <그림 6>은 Zuo 교수가 제안한 Elecromagnetic Energy-Harvesting Shork Absorber 시제품을 보여준다. Bevel gear, Rack & Pinion 등을 이용하여 차량진동의 특징인 직선운동을 회전운동으로 변환시켜 로터리 발전기를 기반으로 전기에너지를 재생하는 특징을 가지고 있다. 최근에 연구가 진행된 Shock Absorber 시제품이며 Driving arm과 Flywheel 등을 이용하여 로터리 발전기를 구동하는 방식으로 진동에너지를 하베스팅한다.

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국내에서는 한국전기연구원 주관으로, 현대로템, 삼현, 인게이지, 영남대가 공동으로 국책사업으로 참여하여 차량용 현가장치 적용 전자기식 에너지 하베스팅 기술을 2016년부터 최근까지 개발하였다<그림 7>. 본 기술은 민군차량 모두에 적용할 수 있도록 개발되였으며, 특히 군수차량 작전 수행시 차량의 안정성을 확보하고, 전자식 무기, 무전기 등의 에너지원으로 활용하여 군용 차량의 전투력 향상과 작전반경, 작전수행 시간 연장을 위한 ESS(Energy Storage System)로 활용이 가능하다. 에너지 재생 효율을 극대화하고자 차량진동의 직선운동에너지를 회전운동으로 기구적인 운동변환이 필요없도록 Hall bach 배열의 고효율 선형발전기를 적용하였다. 특히, 한국전기연구원에서는 차량의 진동 저감을 위한 에너지 하베스팅 시스템의 능동 제어 기법을 개발하였다. 제안된 제어 기법은 P&O(Perturb and Observe) 알고리즘을 사용하는 최대 전력 점 추적 (MPPT)에 의해 달성되고, 동기식 벅 컨버터의 전류 제어기에서 작동된다. 제안된 제어 기법을 적용한 전력 변환장치는 주행중에 차량의 진동 및 충격을 전기 에너지로 능동적으로 변환할 수 있다. 발전 된 전력은 배터리에 직접 전달될 수 있고, 제어된 전류에 의해 자동차 쇼크 업소버의 감쇠력이 조정될 수 있다. 즉, Shock Absorber의 본래의 기능인 진동감쇄를 통한 승차감 향상 및 진동에너지 재생기능을 동시에 구현하는 기술이다.

본 고에서는 재생제동시스템에 이어 차세대 자동차 에너지 재생기술로 최근 각광받고 있는 Regenerative Shorck Absorber 국내외 기술동향에 대해 소개하였다. 최근 사용자 편의성 증대에 따른 각종 차량용 기계부품의 전장화와 온실가스 저감을 위한 친환경 자동차의 부상으로 차량용 전기에너지의 사용은 지속적으로 증가하고 있으며, Regenerative Shorck Absorber는 차량 전장품의 전기에너지 사용을 분담할 수 있으므로 향후 미래 자동차 시장에서의 기술 경쟁력 제고에 큰 가치가 있다고 생각된다. 다만, Shock Absorber시스템에 추가적으로 설치되어야 코일, 영구자석 등 각종 전자기부품으로 인한 중량 증가로 인한 연비손실이 있기 때문에 경량화가 매우 중요하고, 또한 Shock absorber의 본래의 기능인 차량진동 감쇄를 통한 승차감 유지를 어떻게 할 수 있느냐가 본 기술의 상용화 및 양산화를 결정짓는 핵심 난제라고 판단된다.

글 / 김진호 (영남대학교)
출처 / 오토저널 2020년 9월호 (http://www.ksae.org) 
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