1. 서 론
2. 설계 모델
2.1. 대상 차량 개조 전·후 제원 비교
2.2. 배터리팩 차량 제원
2.3. 3D 모델 설계
3. 서브프레임 단면 형상별 구조해석
3.1. 해석 모델 및 조건
3.2. 해석 결과
4. 서브프레임 접착 방법별 구조해석
4.1. 해석 모델 및 조건
4.2. 해석 결과
5. 결 론
1. 서 론
전 세계적으로 발생하는 급격한 기후위기로 인하여 국내에서도 다양한 친환경 정책이 시행되고 있지만, CCPI(Climate Change Performance Index) 2025 보고서에 따르면 한국은 최하위권인 63위를 기록하며 더욱 강력한 친환경정책이 요구되고 있다. 해당 보고서에서는 낮은 성적의 원인으로 국가 온실가스 감축계획이 파리협약 온실가스 감축경로에 적절하지 않은 점, 신규 석유 및 가스 사업을 늘리려는 투자 의지 등을 지적하였다. 환경부의 2024년도 국가 온실가스 배출량 보도자료(1)에 따르면 온실가스 총 배출량은 6억 9158만톤이며 그 중 수송부문은 약 9750톤으로 전체의 약14%를 차지하며, 2018년도 배출량인 9880만톤과 비교하면 약 1.4%만 감소되었는데 이는 무공해차 보급의 둔화와 휘발유 사용 차량의 증가를 원인으로 지목하였다.(2)
자동차 전과정평가(LCA, Life Cycle Assessment)에 기반한 탄소 배출량을 비교해보면(3) 제조 단계일 때 전기 자동차의 배출량이 많고, 연료 생산 및 사용단계일 때 내연기관 자동차의 배출량이 많은 것으로 측정되는데 EV Conversion이 적용된 차량은 제조단계에서는 내연기관 자동차와 같은 탄소배출량을 보이고 운행단계에서는 전기 자동차와 같은 탄소 배출량을 보여 LCA 기준으로 총 온실가스 배출량이 감소된다.
Table 1.
Greenhouse gas emissions by vehicle-cycle stage
| ICEV | EV | |
| Manufacturing stage | 26.62 | 43.61 |
| Fuel production and usage stage | 158.00 | 112.00 |
이와같이 EV Conversion이 적용된 차량은 온실가스 배출량이 감소되어 친환경적인 이점이 있지만, 고중량의 배터리가 장착되어 기존의 차량과 비교하여 무게중심이 변화하게 되며, 바뀐 무게중심으로 인하여 차량의 운행 안전성 및 구조적인 안전성이 저하될 위험성이 있다. 본 연구에서는 일반 승용차량보다 개조가 간편하고 국내 수송부문 온실가스 배출량의 다수를 차지하는 1톤 화물차량을 개조 대상 차량으로 선택하였으며, EV Conversion을 적용하였을 때, 장착된 고전압 배터리가 메인프레임에 끼치는 영향과 배터리를 지지하는 서브프레임의 파손을 최소화 할 수 있는 서브프레임의 형상 및 장착 방법을 실험하였으며, 최종적으로는 개조 후 운행 수명을 예측하는 것을 목표로 한다.
2. 설계 모델
대상 차량은 기존 연구(4)와 동일한 기아 봉고3 2020년식 모델로 설정하였고, 3D 스캔된 데이터를 기반으로 역설계하여 3D 모델을 제작하였다. 기존 연구의 L자형 브라켓은 장착이 간편하고 비용이 저렴한 장점이 있지만 충격과 피로에 대한 내성이 낮아 개조 후 장기간 운행 시 파손이 발생할 가능성이 높고(5), 변형이 발생한 브라켓에 수리가 필요하여 교체할 때 용접된 브라켓을 뜯어내는 과정 중 메인 프레임에 파손 또는 변형 등 내구성을 저하시키는 손상이 발생할 위험이 있다. 이러한 단점을 개선하기 위하여 본 연구에서는 메인프레임에 직교되는 사각 파이프 형상의 서브 프레임을 용접하여 장착하는 Case 이외에도 브래켓을 사용하여 서브 프레임 자체를 교체하기 쉽게 만든 Case와 정비 용이성과 모듈화를 염두하여 메인 프레임에 볼트 브라켓으로 연결하는 모델을 설계하여 총 3개의 Case로 나누었다.
2.1. 대상 차량 개조 전·후 제원 비교
Table 2.
Target vehicle specification table
비교 차량의 제원은 기아 봉고3 모델을 기준으로 작성하였으며 프레임 제원은 실제 차량을 3D 스캔하여 제작된 데이터를 기준으로 측정하였다. EV부품이 모두 장착된 개조 차량은 총 중량이 약 250 kg 증량되었고, 적재시 하중율은 전륜 4.4%, 후륜은 4.6% 상승하였다. 하중율은 한국교통안전공단 2025 자동차 튜닝 사무편람에서 안내된 계산식에 따라 식 (1)과 같이 계산하였다.(6)
* LI : 하중율(%)
* W : 타이어에 가해지는 하중(kg)
* L : 타이어 1개 최대 허용 하중
* n : 타이어 개수(개)
2.2. 배터리팩 차량 제원
기존 연구와 동일한 제품인 SJ테크-96S 4P 배터리를 좌우 각3개씩 겹쳐 외장 케이스와 쿨링 시스템이 적용된 풀패키지 제품을 사용하였다.
Table 3.
Battery specifications
| Length | 1030 mm |
| Width | 400 mm |
| Height | 100 mm |
| Weight | 56 kg |
| Quantity | 6 ea |
| Cooling system weight | 25 kg |
| Total weight | 193 kg |
2.3. 3D 모델 설계
3D 모델은 실제 차량을 3D 스캔한 뒤 역설계하여 제작하였으며 실제 차량과 동일한 형상과 크기를 갖는다. 또한 배터리팩의 파손이나 변형은 따로 측정하지 않으며 프레임에 발생하는 응력 또는 변형을 측정하는 것을 목적으로 하여 배터리팩 3D 모델은 블록 형상으로 단순화하여 설계하였다.
서브 프레임은 가로·세로 50 mm의 단면과 3t 두께를 가지는 길이 1,680 mm인 사각 강철 파이프로 설계하였고 메인 프레임에 직교하여 총 2개를 메인 프레임 전면부 기준 2070 mm 떨어진 거리에 610 mm간격으로 설치하였다.
Table 4.
Target vehicle frame specifications
| Length | 4,760 mm |
| Width | 880 mm |
| Height | 380 mm |
| Thickness | 5 mm |
| Material | Steel |
브라켓은 서브 프레임 단면을 감싸는 구조의 형상으로 3t두께로 설계하였고, 메인 프레임 및 서브 프레임과 동일한 강철 재질로 설정하였다. 브라켓을 각 프레임과 접촉하는 지점에 1개씩 배치하여 총 4개를 장착하였고 배터리와 서브 프레임이 연결되는 끝부분을 기준으로 각 브라켓 마다 일직선 155 mm간격으로 3개씩 설치하여 총 12개를 장착하여 연결하였다.
3. 서브프레임 단면 형상별 구조해석
3.1. 해석 모델 및 조건
본 연구에서는 내연기관 자동차를 전기자동차로 개조하였을 때 고전압 배터리가 장착된 부분의 응력과 변형량을 측정하기 위하여 메인 프레임의 양 끝단을 고정 구속하였고 중력 하중을 적용하였다.
응력과 변형량을 측정하기 위한 측정점은 과도 변형시 가장 많은 변형이 발생하는 메인 프레임과 서브 프레임이 교차하는 연결부 전,후와 메인 프레임과 배터리 사이의 서브프레임 하부 전,후를 지정하였으며 좌표값은 프레임 전면부의 원점(0,0,0)을 기준으로 하여 측정하였고 Table 5와 같다. 해석이 완료된 모델에 Fig. 8과 같이 과도 변형 옵션을 적용하여 실제 결과로는 확인되지 않는 미세한 변형을 확인할 수 있도록 변형 정도를 조정하여 나타내었으며 변형이 주로 발생하는 지점에 측정점의 좌표를 지정하였다.
Table 5.
probe point (mm)
| Point No. | X | Y | Z |
| Point 1 | 2275 | 460 | 43 |
| Point 2 | 2275 | 415 | 43 |
| Point 3 | 2935 | 460 | 52 |
| Point 4 | 2935 | 415 | 52 |
모든 소재는 일반 강철로 지정하였고 물성값은 Fusion 360의 라이브러리에 기본으로 설정된 값을 적용하였으며 물성표는 다음과 같다.
Table 6.
Material property table
| Young's modulus | 210.000 GPa |
| Poisson's ratio | 0.30 |
| Shear modulus | 80000.000 MPa |
| Density | 7.850 g/cm3 |
| Yield strength | 207.000 MPa |
| Tensile strength | 345.000 MPa |
서브 프레임의 단면 형상은 내부 서포터의 형상에 따라 Cross Section Case 1~4로 나누었으며 다음과 같다.
· Case 1 : 기본 단면
· Case 2 : 십자 서포터 단면
· Case 3 : 리브 서포터 단면
· Case 4 : 교차 이중 서포터 단면
서포터가 없는 기본 단면 형상 Case 1은 550 mm2, 내부에 서포터를 추가한 단면 형상은 Case 2~4 모두 동일한 880 mm2의 단면적을 갖도록 설계하였다.
메인 프레임과 서브 프레임, 배터리는 모두 일반 용접을 사용하여 결합하였다.
3.2. 해석 결과
Table 7.
Stress measured by cross-sectional shape(Mpa)
| General weld | Basic | Cross | Rib | Double intersection |
| Point 1 | 35.373 | 24.553 | 24.759 | 22.969 |
| Point 2 | 15.677 | 11.218 | 10.257 | 11.821 |
| Point 3 | 34.985 | 23.873 | 24.606 | 24.608 |
| Point 4 | 15.167 | 11.162 | 10.508 | 11.73 |
내부에 서포터를 설치한 서브 프레임의 응력 측정값은 서포터가 없는 프레임보다 평균적으로 약 30% 응력이 감소하는 효과를 보였다. Case 2 십자 서포터 단면의 경우 전체 평균보다 높은 응력 감소율을 보였으며 Case 4 교차 이중 서포터 단면이 가장 낮은 감소율을 보였다.
4. 서브프레임 접착 방법별 구조해석
4.1. 해석 모델 및 조건
서브 프레임과 메인 프레임의 접착 조건은 Connection Case 1~3으로 나누었으며 다음과 같다.
· Connection Case 1 : 일반 용접
· Connection Case 2 : 브라켓 용접
· Connection Case 3 : 브라켓 볼트 커넥터
Connection Case 1은 일반 용접을 표현하기 위하여 일반 접착 옵션을 사용하여 메인 프레임과 서브 프레임, 배터리를 연결하였으며, Connection Case 2의 경우 브라켓으로 용접한 상태를 나타내기 위하여 브라켓 모델을 배치한 후 일반 접착 옵션을 사용하였고 Connection Case 3은 서브 프레임의 정비 편의성 증대를 위하여 부품의 접합에 용접을 사용하지 않고 연결하기 위하여 볼트 커넥터를 사용하여 각 부품을 연결하였다.
4.2. 해석 결과
일반 용접된 프레임의 단면별 해석 결과는 3.2 해석결과 항목의 내용과 같다.
브라켓 용접된 프레임의 단면별 해석 결과는 Table 8과 Fig. 17과 같으며, 일반 용접된 프레임과 비교하여 평균적으로 30% 감소하였고 십자 서포터 단면 형상을 적용한 서브 프레임에서 평균적으로 36% 감소하여 가장 높은 응력 감소율을 보였다.
Table 8.
Stress measured by connection case2 (Mpa)
| Bracket-weld | Baisc | Cross | Rib | Double intersection |
| Point 1 | 28.818 | 13.283 | 14.327 | 17.424 |
| Point 2 | 11.624 | 9.245 | 9.174 | 8.144 |
| Point 3 | 29.325 | 15.163 | 15.174 | 16.128 |
| Point 4 | 10.848 | 6.157 | 5.855 | 7.888 |
브라켓-볼트 커넥터로 연결된 프레임의 단면별 해석결과는 Table 9와 Fig. 18과 같다. 일반 용접된 프레임과 비교하여 단면 형상별로 평균 27%의 응력 감소율을 보였으며 해당 형상 또한 십자 서포터 단면 형상을 적용한 서브 프레임에서 응력이 약 31%가 감소하여 가장 높은 감소율을 보였다.
5. 결 론
본 연구에서는 기존의 연구에서 사용된 L자형 브라켓보다 안전성이 높은 서브 프레임 구조를 제안하고 분석하였으며, 해석 결과를 통하여 서브 프레임의 단면 형상과 메인 프레임과 서브 프레임 연결 방법에 따른 응력 변화값을 도출하였고 측정된 구조해석 결과를 요약하면 다음과 같다.
1) 서브 프레임의 내부 서포터 형상 중 십자 단면 서포터를 사용하면 발생하는 응력을 효과적으로 감소시킬 수 있으며 제작 과정도 다른 단면 형상보다 간편하여 효율적으로 판단된다.
2) 메인 프레임과 서브 프레임을 연결하는 Connection Case는 브라켓 용접 연결이 가장 높은 수준의 응력 감소율을 보였지만 정비 용이성 측면을 고려하였을 때는 부품의 파손 또는 변형 발생 시 교체 및 수리가 간편한 볼트 커넥터 브라켓 연결이 가장 효율적인 것으로 예상된다.
기본적으로 화물 차량의 메인 프레임은 고전압 배터리를 장착하여도 즉각적으로 프레임에 파손을 입힐 수 있는 유의미한 변형은 발생하지 않지만 지속적인 운행으로 인하여 배터리를 장착하는 서브 프레임에 또는 서브프레임과 연결되는 메인프레임에 변형이 발생할 가능성이 있다. 현행 EV Conversion의 경우 개조의 적합성만 판별하며 장기간 지속 운행시 발생하는 변형에 대한 안전성 판별 항목은 따로 없기 때문에 개조 시 프레임의 구조적인 안전성을 측정하는 것이외에도 피로 해석 등을 통하여 EV Conversion 개조가 적용된 차량의 장기간 운행 안전성 측정 연구가 필요하다고 판단되어, 향후 연구에서는 본 연구에서 진행되었던 서브프레임 단면 형상과 연결 방법을 토대로 차량이 장기간 운행하였을 때, 메인 프레임과 서브 프레임의 연결부에 발생하는 변형과 피로를 측정하여 개조 전기차의 개조 방법에 따른 수명을 예측하여 개조 전기차의 장기간 운행 안전성을 측정할 예정이다.(7,8)
