전기자동차의 제작과 성능

전 세계 각국의 이산화탄소 감축 정책에 힘입어 전기자동차 시장은 급속한 시장 확대와 함께 미래에 점점 보편화의 속도가 한층 빠르게 될 것이다. 전기 자동차 생산은 테슬라 모터스, 닛산, GM, 미쓰비시, BMW, 르노, 도요다 등을 중심으로 하이브리드 자동차가 초기 시장을 리드할 것으로 보이며, 2020년경부터는 순수 전기자동차 시장이 주류가 될 것으로 전망되나 주요 변수인 배터리 가격 하락 추세에 의해 그 속도는 더욱 빨라질 것으로 보인다. 자동차 미래의 친환경 산업을 이끌어 갈 젊은 인재를 발굴하고 육성하기 위하여 “2010 전국 대학생 녹색 안전 창작 전기자동차 경진 대회”를 개최 ‘녹색성장과 자동차 안전’이라는 가치를 모토로 대표적인 그린카인 전기자동차라는 새로운 콘텐츠에 대해 대학생들의 참 신하고 창조적인 아이디어로 자체 제작한 창작 전기자동차의 주행 성능, 제동 및 조향 안전, 디자인 등 부문별 경쟁이 이루어지고 있지만 자작형 전기자동차에 대한 개발 프로세서나 시험평가 등에 관한 자료가 거의 전무하며 이는 새로 제작할 자작형 전기자동차에 대한 성능 향상 등을 비교 평가할 수 있는 기본 데이터가 없어 자 작형 전기자동차의 설계에서부터 제작 및 시험 평가 등 모든 개발 과정이 정립되어야 할 필요가 있다. 따라서 본 연구에서는 국내의 자작 경주에 적합한 전기자동차를 초 기 설계 제작하여 시험 평가하는 것으로서 먼저 자작자동차에 대한 구상과 스케치를 통해 자작자동차의 외형을 그리고 이 외형을 바탕으로 하여 설계 시 가장 중요한 기본 프레임을 설계한다. 전기자동차에 적합한 모터 선정은 내구와 가속 성능을 동시에 고려하여 최대 54 km 정도의 출력을 나타내는 AGNI MOTORS사의 95R-series DC motor 선정하였다. 프레임 설계는 CATIA V5 18R을 사용하여 도면을 그리고 이 도면 데이터를 이용하여 구조해석도 하였다. 구조해 석은 ADINA 프로그램을 사용하여 해석을 하였으며 이때 해석 결과를 바탕으로 응력의 발생에 의한 변형율 등을 파악한 후 최종 프레임 도면을 완성하였고 이 도면에 따라 프레임을 제작하였다. 또한 프레임 제작 전에 PSAT를 이용하여 가상실험을 수행하였으며 이 가상 실험을 통해 다양한 설계에 필요한 파라미터 값들을 설정하였다. 특히 배터리의 SOC 및 OCV값을 실시간으로 운전자가 파악하도록 운전석 앞에 디스플레이되도록 하였다. 프레임 제작은 Hyper mesh 틀에서 직접 프레임을 제작하고 제작 후 (주) ACT사에서 프레임의 탄성한도 내에서 시험하기 위하여 550 kgf의 압축하중에 대한 강도 실험을 수행하였다. 전기자동차의 주요 부품들을 프레임에 조립하고 기본 테스트를 통해 각 부품의 작동상태와 특히 모터 제어가 원활하게 잘 제어되는지에 대한 검토가 최종적으로 완료된 후 전기자동차의 주행 성능을 평가하였다. 주행평가를 위해 만도 주행시험장에서 직접 성능평가를 실시하였고 전기자동차의 성능평가는 크게 세 가지 방향으로 실시하였다. 첫 번째 성능평가는 전기자동차의 45km 내구 주행성능 평가로서 주행성능 평가 결과 평균 55분의 기록이 나와서 매우 뛰어난 내구 주행 성능 결과를 보여주었다. 두 번째 성능평가는 200m 가속 성능 평가로서 평가결과 평균 14.7초의 가속주행 결과를 보여주었고 세 번째 조향 및 제동 성능평가에서는 평균 44초로 예상보다 미흡한 결과를 보여주어 이에 대한 설계변경이나 조향각 수정이 필요하다. 따라서 이 자료는 향후 새로 제작할 전기자동차에 대한 성능 향상 등을 비교 평가할 수 있는 기본 데이터로 활용이 가능하다.

 

자작 경주용 전기자동차의 제작과 성능평가에 관한 연구로서 전기자동차에 대한 국내외 개발 동향을 알아보고 전기자동차의 기본 프레임의 설계와 구조해석 및 강도 실험 경주용에 적합한 모터 및 컨트롤러의 선정과 실시간 배터리 상태의 디스플레이 및 주행 시험장에서의 다양한 주행 성능 시험을 통하여 다음과 같은 결론을 얻었다.

 

1. 구조해석 평가

Main roll hoop의 상부에서 응력이 가장 높게 나타났고 이는 충돌 시 운전자를 보호할 수 있고 또한 실제 강도 실험에서도 충분한 강도를 가지고 있는 것으로 나타났다. 그 외 impact attenuator 및 진동 해석 결과도 모두 기준에 적합한 것으로 나타나 기본 프레임이 적절하게 설계가 된 것으로 판단된다.

 

2. 부품별 시스템 평가

배터리의 SOC & OCV를 운전자가 주행 중 실시간 확인 가능하도록 디스플레이가 되고 SOC에 따른 주행거리는 전류 사용량, 배터리 온도와 같은 많은 변수가 있어 이에 대한 연구가 향후 지속되어야 할 것으로 보인다. 또한 46km 주행 중 시간에 따른 전압 값을 파악하여 선형화 된 그래프를 완성하여 운전자가 전기자동차를 최적 속도로 제어할 수 있도록 하였다.

 

3. 주행성능 평가

먼저 45km 내구 주행성능 평가 결과 전년도 국내 전기자동차 자작 경주 대회 최고 기록 대비 15분 단축되었으며 이는 구조해석에 의한 경량화 및 PSAT를 통한 가상실험을 통하여 성공적인 운전조건 제어가 가능했음을 보여주고 있다. 200m 주행성능 결과에서 전년도 최고 기록과 거의 비슷한 83 결과를 나타내었고 조향 및 제동시험 결과 이는 전년도 대비 최고 기록에 비해 더 나왔는데 이는 전기자동차의 규정 휠베이스가 넓어서 발생한 것으로 보여 향후 휠베이스나 조향 각에 대한 수정 보완이 필요할 것으로 사료된다.

 

이상의 결과를 통하여 본 연구는 향후 새로 제작할 자작 경주용 전기자동차 개발의 기본 자료로 활용이 가능하며 더 나아가 더욱 향상된 자작용 전기자동차 개발의 비교평가를 할 수 있는 토대가 될 것으로 판단된다.