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[EV·PHEV와 인프라 설비의 최신기술동향 4]
전원 관리에 의한 전력절약 기술 동향
향후 자동차에서의 전기에너지 비율은 전기자동차를 필두로 하여 그 비율이 점점 높아질 것으로 예상된다. 이에 따라 전기에너지를 ‘어떻게 하면 효율적으로 관리해 나갈 것인가’하는 문제가 차후 미래 자동차 요소기술의 핵심 관건이 될 것으로 부각되고 있다. 이를 위해서는 자동차뿐만 아니라, 이동체 및 가전제품, 휴대기기 등, 보다 폭넓고 다양한 ‘저전력 기술’ 관련분야에서 산학연 연계의 기술 개발이 적극 추진될 필요성이 있다. 본고에서는 자동차에 채용되고 있는 저전력 기술과 자동차 이외에서 채용되고 있는 저전력 기술 중 자동차로의 응용전개 가능성이 있는 기술에 관하여 정리했다.
번역·정리 김대근 기자 자동차에 있어서 전장부하에 대한 전력공급은 엔진의 회전에너지를 얼터네이터에 의해 전기 에너지로 변환시켜 발전하며, 그 전력을 전장부하에 직접, 또는 일단 배터리에 충전한 후에 공급하고 있다. 이와 같이 차량에서 소비하는 전력은 모두 가솔린 혹은 경유를 한번 연소시키고 나서 전력을 생산하는 것이기 때문에 소비전력량이 연비에 영향을 미치게 된다. 이 소비전력이 연비에 미치는 영향은 엔진 배기량 및 주행상태 등에 따라 다른데, 2리터급 자동차의 모드주행에서는 주행 중의 소비전력 10A당 2~3%의 연비악화가 발생하고 있다. 또한 내연기관을 갖지 않는 전기자동차는 차량에서의 에너지 저장이「전력」의 형태가 되며, 감속 시의 회생발전을 제외하고는 전기부하는 기본적으로 이 에너지에서 소비된다. 이에 따라 직접적으로 항속거리에 미치는 영향이 커지게 되므로([그림 1] 참조) 향후 소비 전력 저감 기술의 중요성은 점점 더 높아질 것으로 예측된다.
자동차용 저전력 기술 저전력 기술의 접근법 자동차의 소비전력을 절감하기 위해 다양한 방법들이 제안되고 있으며, 그 개요를 [그림 2]에 나타냈다. 저전력 기술로서는 크게 전기계 내에서의 손실 저감과 전기계 이외의 부분에서 시스템 기기 변경을 통한 소비전력 절감, 그리고 운용에 의한 전력 절감을 들 수 있다. 먼저, 1항목의「전기계 내에서의 손실 저감」에 대해서는 MOSFET를 이용한 동기정류 및 차내 오디오 앰프를 기존의 아날로그 앰프(A, AB급 동작)에서 디지털 앰프(D급)로 변경하는 등의 예를 들 수 있다. 두 번째 항목인「전기계 이외의 시스템 기기 측 변경을 통한 소비전력의 절감」에 관해서는 전기로부터 기계, 열, 빛으로 변환하는 부분에서 고효율 시스템으로의 변경을 통해 저전력을 도모하는 수단을 정리하고 있다. 구체적인 예로서 PTC(Positive Temperature Coefficient) 히터의 히트펌프 방식을 들 수 있다. 또 헤드라이트의 광원과 관련해서는 기존의 할로겐에서 HID(High Intensity Discharge lamp), 그리고 LED화를 통해 효율 향상을 꾀하고 있다.
승압전원에 의한 저전력 기술
자동차에서의 전장품(전기장치 부품)이 증가하고 있는 가운데 12V계의 전장품에서 전력을 많이 필요로 하는 시스템은 필연적으로 소비전류가 많아지는 측면을 가진다. 그로 인해 배선 저항에 따른 전압강하 및 대전류에 의한 액추에이터의 발열 등 시스템의 전력이용률이 나빠진다. 그러한 가운데 예를 들면 12V 전원을 승압회로를 통해 고전압화하여 시스템을 구동함으로써 전력이용률을 향상시킴과 동시에 시스템 전체의 효율을 높이는 방법이 있다. 이 기술은 가전제품에서는 에어콘 및 냉장고, 세탁기 등에서 실용화되어 있으며, 이 제품들은 필요에 따라 액추에이터의 구동전압을 가변제어하는 PAM(Pulse Amplitude Modulation) 제어를 이용하고 있다. 자동차에서의 승압화 기술은 HEV의 모터 구동부에 실용화되어 있으며, 또한 일부의 전동 파워 스티어링의 모터 구동부에도 실용화되어 있다. [그림 3]은 랙 동축 전동 파워 스티어링에서 승압회로를 채용한 예이다. 배터리 근처에 DC/DC 컨버터를 배치하고, ECU(Electronic Control Unit: 전자제어장치)에는 고전압 저전류의 상태로 전력공급을 하고 있다. 이 승압화 기술은 자동차 시스템 전원의 고전압화(42V)가 정체되어 있는 현상에서 소비전력이 큰 전동시스템(12V계)의 효율 향상 수단으로 유효한 기술이다.
폐에너지 이용기술(회생발전)
폐에너지 회수의 가장 실용적인 수단으로서는 회생발전을 들 수 있다. 자동차에서는 가속에 의해 소비된 에너지를 감속 시 기계적 제동에 의해 열로써 폐기해 왔지만, EV 및 HEV에서는 적극적으로 회생발전을 실시하여 에너지 효율을 개선하고 있다. 최근에는 연비 개선의 요구로부터 통상의 ICE(내연기관)차에서도 회생발전(충전)이 주목되고 있다. 각 배터리 제조업체는 충전 수입성이 개선된 납 배터리를 공급하여 회생충전 성능 개선에 기여하고 있다. 또한 회생 성능을 높이는 것으로서 커패시터와 25V 얼터네이터를 사용한 마쓰다「i-ELOOP」및 회생충전용 리튬전지를 사용한 스즈키「ENE-CHARGE」라고 하는 시스템이 나와 있다.([그림 4] 참조)
운용에 의한 전력 절감이「운용에 의한 전력 절감」이라는 것은 기기의 사용방법, 또는 설치 방법의 고안에 따라 저전력을 실현하는 수단이 분류된다. 기기의 사용방법으로는 사용자에게 에너지 절약을 권장하는 방법과 업무량에 맞춘 에너지 투입을 통한 방법이 있다. 또한 최근의 새로운 시도로서 인간특성(감성)을 이용한 기술도 도입되고 있다.
사용방법에 따른 저전력 기술 차량에 있어서는 ECO 페달과 같이 발진 및 주행 시에 액셀을 세게 밟아 연료를 과도하게 소비하는 경우 그 사실을 운전자에게 알리기 위해 액셀의 반력(反力)을 올리는(조금 무겁게 하는) 시스템이 있다.([그림 5] 참조) 동시에 시각적으로도 램프색의 변경 등에 의해 운전자에게 알림으로써 연비가 좋은 운전이 이루어질 수 있도록 지원하고 있다. 이에 따라 여러 운전 상황에 있어서 5~10%의 연비개선이 기대되고 있다. 전기자동차 및 하이브리드 자동차 등 모터에 의해 차량 구동력을 발생시키는 경우에 있어서도 파워미터 등을 이용함으로써 사용자에게 전력 절감을 권장하는 시스템이 채용되고 있다.([그림 6] 참조) 다음으로 2번째 항목인「업무량에 맞춘 에너지 투입」에 대한 방법의 예를 들어본다. 차량 내에서는 많은 펌프(냉각수, 오일, 연료 등)들이 사용되고 있으며, 가솔린의 연료펌프를 하나의 예로 들어보자면 기존에는 직류모터를 이용하여 펌프를 구동했지만, 최근에는 브러시리스 모터(3상 동기모터)를 이용함으로써 소비전력을 36% 절감하고 있는 사례가 있다. 또, 엔진 냉각용의 워터펌프도 전동화(電動化)가 시작되었다.([그림 7] 참조) 기존에는 엔진 동력의 일부를 이용하여 펌프를 돌려왔지만, 아이들링 스톱(Idling Stop) 및 하이브리드차가 모터로 주행할 시에는 엔진 동력으로 펌프를 돌릴 수 없기 때문에 모터에 의해 펌프를 구동시키고 있다. 이와 같이 펌프 구동의 전동화를 통해 필요한 때에 필요한 양만큼 움직일 수 있게 함으로써 저전력을 실현하고 있다.
 
설치에 의한 저전력 기술
가전제품에 있어서는 냉장고와 벽의 틈새를 적절하게 확보해 설치함으로써 소비전력을 25% 절감하는 사례나 에어컨 실외기 주변의 공기흐름을 확보함으로써 소비전력을 냉방에서 17%, 난방에서 25% 절감하는 사례가 보고되어 있다. 차량에 있어서도 공기의 흐름을 최적화함으로써 13%의 전력 절감을 실현한 예가 나와 있으며, 이렇듯 기기의 설치 방법은 저전력을 실현하기 위한 중요한 개발요소가 되고 있다. 차량에 있어서 에어컨 시스템의 주요부품들은 엔진룸에 설치되기 때문에 냉각을 고효율로 실시하기 위해서는 엔진에서의 열을 방지하는 것이 중요하다. [그림 8]의 위의 그림에 나타나 있듯이 기존에서는 전동 팬 바람의 일부가 엔진에서 가열되어 다시 냉각이 필요한 콘덴서로 되돌아가는 구조로 되어 있었다. 그리하여 [그림 8]의 아래와 같이 열풍 유입 방지 덕트를 설치하는 구조로 변경함으로써 콘덴서 전의 기온을 약 5℃ 낮출 수 있게 되었으며, 컴프레서 동력 환산으로 13%의 저전력화를 실현할 수 있었다. 이렇듯 설치의 고안을 통한 열부하 저감은 저전력화에 기여하는 바가 크다. 이상 살펴본 사례에서와 같이 에너지 절약 환기 시스템 및 업무량에 맞춘 구동법을 이용한 사용방법의 변경, 또는 설치방법을 변경하는「운용방법」의 고안에 의해 저전력화를 도모할 수 있게 되었다.
<Energy News>
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