차세대 자동차라고 하면 무엇을 떠올릴까? ‘어차피 우리와는 관계없어요’라고 생각하는 기업이 의외로 많다. 차세대 자동차는 세계적으로 유명한 자동차 메이커가 그 동안 쌓아온 기술을 결집해 거액의 투자를 해서 개발한 것으로, 중소기업에는 관계없는 세계라는 것. 그러나 그렇지 않다. 필자는 시판 전기자동차(EV)를 완전하게 분해해 그 속을 해명했다. 물론 시스템 전체의 통합은 대기업이 담당하지만, 각각의 기기를 분해해 보면 실제로는 많은 부분이 제조 기업에 의해 유지되고 있으며, 더구나 형기술이 관계되어 있었다.

이번 연재에서는 자사의 형기술을 연마해 ‘그 부품이나 기술이 없으면 차세대 자동차 그 자체가 성립하지 않는다’고 자부하며 열심히 일하고 있는 중소기업의 기술을 소개한다.

차세대 자동차란

일반적으로 차세대 자동차는 기존의 자동차가 동력으로서 내연기관(가솔린, 디젤)을 사용하고 있는 것에 대해, 어떠한 전기 구동의 동력을 가지고 있는 것이 많다.

내연기관에 전동 구동 기술을 조합시킨

① 하이브리드 자동차 (HV)

② 플러그인 하이브리드 자동차 (PHV)

③ 전기자동차 (EV)

④ 연료전지 자동차 (FCV)

등을 총칭해서 차세대 자동차라고 부른다. 그림 1에 각 차세대 자동차 구동계통의 개념도를, 이하에 구조의 특징을 나타냈다. 또한 자동 운전 기술도 차세대 자동차에 사용되는 중요한 기본 기술이라고 할 수 있다.

▲ 그림 1. 차세대 자동차의 구동 구조

1. 하이브리드 자동차 (HV)

HEV라고도 한다. 비교적 용량이 적은 전지팩을 탑재, 주행 중 엑셀 페달을 떼었을 때에 생기는 ‘회생제동’을 이용해 발전시킴으로써 배터리에 전기를 모은다. 이 원리는 기존의 내연기관의 ‘엔진 브레이크’에 대해 ‘발전제동’이라고도 한다. 만들어진 전기는 모터를 돌리는 에너지로서 재이용된다. 빈번하게 가감속을 하는 주행에서는 연료를 대폭으로 절약할 수 있다. 주행 모드도 가솔린만으로 달리거나, 전기 모터만으로 달리거나, 혹은 그 양쪽으로 달리는 3가지가 모두 가능하다.

HV를 널리 시장에 보급시킨 것은 도요타의 프리우스나 아쿠아 등이 대표이다. 최근에는 많은 자동차 메이커가 자사의 라인업에 HV 버전을 더하고 있다.

2. 플러그인 하이브리드 자동차 (PHV)

Plug in HV의 자동차를 말한다. HV에 외부에서도 충전이 가능한 Plug를 가지고 있기 때문에 그 이름이 붙어 있다. HV는 전기만으로 달리는 거리는 짧지만, PHV는 전지 용량을 크게 하고 있으며, 외부에서도 충전이 가능하기 때문에 전기자동차로서의 특징을 함께 갖고 있다. 대표적인 PHV로서는 도요타의 프리우스 PHV를 들 수 있다.

3. 전기자동차 (EV)

이것은 순수하게 전기만으로 달리므로 ‘전지자동차’라고도 할 수 있다. EV를 효율적으로 사용하기 위해서는 1회의 충전으로 어떻게 긴 거리를 달릴 수 있는지가 초점이 된다. 

또한 급속 충전 스탠드의 수와 액세스, 충전 시간이 짧은 것도 중요하다. 시판된 EV는 일본 국내에서는 닛산 리브, 미쓰비시의 i-MiEV가 알려져 있다.

4. 레인지 익스텐더 (Range Extender)

이 자동차는 많이 들어서 익숙한 분도 많을 것으로 생각한다. 간단히 말하면, 정차 중에도 엔진으로 발전기를 돌려 전지에 전기를 모을 수 있는 자동차이다. 그럴 시간이 있다면, 연료를 사용해 엔진으로 달리면 되지 않는가 하는 의견도 있다. 

그러나 일반적으로 이러한 종류의 자동차 엔진은 파워가 작아 대출력 모터의 힘으로 달리기 때문에 엔진을 가지면서도 전기로 달리는 EV이다. 작은 엔진을 가지고 효율 좋은 회전 영역에서 발전기를 돌려 전기를 만들고 전기 모터를 돌리므로 EV의 일종이라고도 할 수 있다. 미국의 GM 쉐보레의 볼트가 선구적인 존재인데, 일본 국내에서는 닛산의 노트 e-POWER도 이 분류에 해당된다.

5. 연료전지 자동차 (FCV)

수소를 고압 탱크에 모아 두고, 변환 셀로 수소와 산소를 반응시켜 전기를 만들어 전기로 달리는 자동차이다. 결코 수소를 태워서 달리는 것은 아니다. 고압의 수소를 이용해 전기를 만들기 때문에 매우 긴 항속 거리를 얻을 수 있다. 현재 보급되어 있지 않은 이유 중 하나는 거액의 투자가 필요한 수소 스테이션이 조금밖에 없다는 것이다. FCV로서는 도요타의 미라이나 혼다의 FCX 클래러티가 알려져 있다.

차세대 자동차 보급의 예측

그림 2에 차세대 자동차 대수의 증가 예측을 나타냈다. 현재 HV는 시장 규모가 크고, 당면 환경 대응 자동차의 주류가 될 것으로 볼 수 있다. PHV나 EV는 2025년 이후에 급격한 증가를 보이고, 2030년경에는 HV, PHV 및 EV 시장이 대항할 것으로 보인다. 구입 시의 보조금이나 차종의 확충도 진전해 2035년에는 EV가 600만대, PHV는 500만대를 넘을 것으로 예상되고 있다.

▲ 그림 2. 차세대 자동차 대수의 증가 예측

출처 : 후지경제 ‘2017년판 HEV, EV 관련 시장 철저 분석 조사’

현재의 EV는 아직 리튬이온 전지의 에너지 밀도가 작고, 또한 전지 코스트도 60~100엔/Wh로 높다. 차량에 적재할 수 있는 전지의 양이 제한되어 항속 거리는 가솔린 자동차에 비해 짧지만, 동일 메이커에서도 새로운 모델마다 항속 거리는 길어지고 있다.

닛산의 홈페이지에 따르면, 주행 모드 JC08에서 초대 리프는 탑재하고 있는 전지 용량이 24kWh로 주행 200km까지였는데, 리프의 최신 모델에서는 전지 용량이 40kWh로 확대되고 주행 거리도 2배인 400km까지 증가했다. 

EV의 전기 제어기기

그림 3에 EV 전체의 전기 흐름을 나타냈다. 외부에서 차재 충전기로 전기를 받아, 전지팩에 저장한다. 충전이나 방전의 상태는 전지 관리 시스템으로 항상 감시되고 있다. 에너지 효율을 높이기 위해 승압 컨버터로 전지팩의 직류전압을 더욱 높인다. 그 고압 직류를 인버터에 부여하고, 인버터는 3상 교류를 만들어낸다. 그리고 이것을 구동 모터(3상 교류 모터)에 공급한다.

▲ 그림 3. EV 전체의 전기 흐름

(닛산 리프의 서비스 자료를 기초로 필자 작성)

한편, 표시기기 등 저전압 12V 전압을 사용하는 부분에는 반대로 강압 컨버터로 전압을 내려 12V 배터리에 충전한다. 또한 그림 3에는 포함되어 있지 않지만, HV에는 발전한 전력을 전지에 회수해 저장하는 기능이 있다.

이와 같이 EV는 전기 제어기기의 집합체이다. 그림 1을 보면, 차세대 자동차는 어떤 방식도 모터를 제어하는 ‘인버터’가 있는 것을 알 수 있다. 이에 중요한 제어기기인 인버터에 대해 설명한다.

인버터는 직역하면 ‘역변환기’로, 직류를 교류로 변환해 교류를 만들어내고 교류 구동 모터의 속도를 가변하는 중요한 것이다. 파워 반도체를 넣은 인버터의 구조를 그림 4에 나타냈다. 인버터는 견고한 알루미늄 박의 내부에 여러 가지 부품이 들어가 있다. 일반적으로는 알루미늄 다이캐스트로 만들어진 상자형 형상이 많다.

▲ 그림 4. 인버터의 구조 (단면 모식도)

인버터의 구조를 설명하면, 직류전력은 일단 캐패시터에 저장된다. 그것을 제어회로로 펄스폭 변조 방식에 의해 교류로 변환한다. 펄스폭 변조 방식이란 직류를 교류로 변환하는 경우의 제어 방식 주류의 호칭이다. 간단히 말하면, 고속으로 직류를 잘게 잘라 그 간격을 가변함으로써 전압 평균값을 교류전압의 파형에 근접시킨다.

직류를 잘게 자르는 역할을 하는 것이 파워 반도체(파워 모듈이라고도 한다)이다. 그림 5에 전형적인 파워 반도체의 구조를 나타냈다. 인서트 성형된 PBT 수지제 등으로, 외부와 전기를 주고받는 금속단자를 인서트 성형한다. 파워 반도체의 고속 스위칭으로 발생한 열을 신속하게 냉각수로 전달하는 기능은 하부의 히트싱크가 맡는다. 히트싱크 구조는 모재에서 여러 개의 핀이 나오고 있는 ‘핀핀형’이 대부분이다. 

▲ 그림 5. 전형적인 파워 반도체의 구조

그림 4는 한쪽면 냉각 방식의 전형적인 인버터 구조인데, 최근에는 보다 소형화를 추진하기 위해 냉각 효율을 높인 양면 동시 수냉 방식도 도요타의 렉서스 등에 적용ㆍ시판되고 있다.

소형ㆍ고밀도화의 진전

차세대 자동차에 공통으로 요구되는 기술의 트렌드는 소형ㆍ고밀도화이다. 즉 동일 출력의 모터를 구동하기 위한 인버터의 체적ㆍ중량을 어떻게 작게, 가볍게 하는지의 기술 개발 경쟁이기도 하다. 소형ㆍ고밀도화로 하지 않으면 안되는 배경은 이하와 같다.

① HV :  기존의 내연기관 외에 모터나 인버터, 승압 컨버터 및 전지팩을 탑재할 필요가 생긴다. 따라서 나중에 추가되는 인버터는 가볍고 작은 것이 중요하다.

② EV : HV와는 달리 내연기관이나 자동변속기는 없다. 그러나 항속 거리를 벌기 위해 대용량 전지팩이 필요해진다. 양산차은 전지팩만으로 300kg 이상이나 된다. 더구나 전지는 소모되어도 중량 자체가 줄지는 않는다.

이와 같은 배경을 생각하면, 자동차는 영구적으로 모든 부품의 소형화, 경량화의 추구가 필요해진다.

직류를 교류로 변환해 교류 모터를 돌리는 중요한 제어기기인 인버터의 고밀도화는 매우 발전되어 있다. 그림 6에 인버터의 고밀도화 변천을 나타냈다. 평가지표는 모터 출력을 인버터 체적으로 나눈 것으로 나타내진다. 제1세대에서 제4세대에 걸쳐 고밀도화는 달성되어 왔다. 앞으로 SiC(탄화규소)나 GaN(질화갈륨)이 파워 반도체에 양산 적용되면, 고밀도화는 비약적으로 발전할 것으로 예상된다. 소형화를 추진하기 위해서는 형기술의 진보도 요구된다. 중소기업의 기술 개발력을 보여줄 기회이다. 다음 회부터는 어느 부분에 어떠한 형기술을 활용할 수 있는지 실례를 들어 차례로 소개해 간다.

▲ 그림 6. 인버터의 소형ㆍ고밀도화 트렌드

(닛산오토모티브시스템즈(주) 제공 자료를 기초로 필자 작성)

<다음 회 이후의 예고>

1. 열전도율이 좋고 강도도 겸비한 2종류의 알루미늄합금을 일체화한 히트싱크

일부는 높은 열전도를 가지고, 장착 부분은 강도도 확보하고 있는 2종류의 알루미늄 다이캐스트 기술을 도쿄고압공업(주)가 개발했다. 수지의 성형에서는 2색성형법을 알고 있겠지만, 금속인 알루미늄합금의 2색성형을 확립했다.

2. 형상 시제작 등에 최적인 ‘석고 몰드 제조법’

고객의 요구에 대해 유연하게 대응 가능한 방법이 석고 몰드이다. ㈜하시바몰드의 석고 몰드 기술은 치수의 증가ㆍ감소에도 자유롭게 대응할 수 있고, 얇은 부분에서는 살두께 0.8mm로 대응할 수 있기 때문에 히트싱크로서도 활용 범위는 넓고 납기도 짧다.

3. 금속 표면에 특수처리를 해서 성형 시에 수지와 강하게 결합시키는 방법

금속단자에 특수표면처리를 해서 기계적으로도 기밀적으로도 금속과 수지를 완전하게 고착시키는 방법을 ㈜토아덴카가 실용화했다. 파워 반도체의 인서트 성형만이 아니라, 각종 일체화 버스바나 리튬이온 전지의 전극 취출부의 수지 충전부 등의 기술을 소개한다. 

1972년에 ㈜히타치제작소 입사. 파워 반도체 부문 제조부 장, 제조기술사업부 주관기사로서 생산기술 전반의 향상 에 종사. 그 후 ㈜히타치나카 테크노센터 차세대 자동차연 구회 코디네이터를 거쳐, 2010년에 린텍기술사사무소를 설 립. 여러 기업의 개발ㆍ생산의 지도, 금형을 사용한 대형 개발의 지도를 하고 있다. 전문은 자동차 부품, 일렉트로닉 스 관련.

카노 히데오 (鹿野 英男)   린텍기술사사무소 소장

본 기사는 일본 일간공업신문사가 발행하는 <형기술>지와의 저작권 협정에 의거하여 제공받은 자료입니다.