1. 서 론
2. 대상 차량 모델
2.1. 대상 차량 제원 및 3d 모델
2.2. 배터리팩 제원 및 3d 모델
3. 배터리 위치별 차체 프레임 구조해석
3.1. 해석모델
3.2. 구조해석
4. 보강재(Sub frame)가 적용된 구조해석
5. 결 론
1. 서 론
전 세계적으로 심각한 기후변화와 환경오염 문제에 대응하기 위한 다양한 친환경 정책이 발의되고 있으며, 그중에서도 특히 수송부문의 저탄소화와 친환경화가 중요한 연구 분야로 떠오르고 있다. 국토교통부의 2024년 통계(1)에 따르면, 전체 화물차 370만 대 중 약 80%에 해당하는 300만 대의 차량이 1톤 미만의 소형 화물자동차이며, 이 중 약 92%가 경유를 연료로 사용하는 것으로 나타났다. 이러한 상황에서 전기 자동차 보급을 위한 내연기관 자동차의 폐차 후 신규 전기 자동차의 생산이 이루어진다면 신규 차량의 제작으로 인하여 자원 소모가 증가하고 기존 차량 폐차 시 오염물질의 배출이 증가하여 환경오염이 가속된다.(2,3)
이러한 문제를 해결하기 위하여, 기존 내연기관 차량을 전기차로 개조하는 기술이 주목받고 있다.(4)
EV 개조는 내연기관 자동차의 엔진 계통과 배기 계통 등 내연기관에만 사용되는 부품들을 탈거한 뒤 모터, 배터리와 같은 전기 자동차용 부품을 장착하여 개조하는 방식으로 기존 내연기관 차량의 형상을 유지하며 프레임과 구동 계통 부품 등 많은 부품을 재사용할 수 있어 신규 차량 구매보다 비용이 절감되는 것으로 조사되었다.(5)
차량의 개조 시 EV KIT와 같은 완제품을 사용하여 기존의 개조보다 쉬운 개조를 진행할 수 있으며 가격과 성능에 따라 다양한 제품이 있으며, 일반적인 세단 형태의 차량 또는 1톤 이하의 소형 화물차량의 경우 일반적으로 EV KIT를 구매할 때 5,000~15,000달러의 비용이 발생하며 이는 신규 전기차 구매 평균 금액인 56,520달러 대비 70~90% 저렴하다.(6)
개조 전기 자동차(EV Converted vehicle)는 자동차 전과정평가(LCA, Life Cycle Assessment)에 기반한 탄소 배출량을 기준으로 제조 전 단계부터 제조 단계까지의 탄소 배출량이 낮은 내연기관 자동차의 특성과 연료 생산 및 사용 단계에서 탄소 배출량이 낮은 전기 자동차의 특성을 갖게 되어 LCA 기준 총 탄소 배출량을 저감 할 수 있다. 소형 세단 자동차의 단계별 온실가스 배출량은 Table 1의 표와 같으며, 전기차 개조 적용 시 생산 단계(제조 전 단계와 제조 단계의 합)에서 내연기관 자동차의 온실가스 배출량이 적용되고 운행 단계(연료 생산 및 사용 단계)에서는 전기 자동차의 온실가스 배출량이 적용된다. 따라서 생산 단계에서는 전기 자동차 대비 40% 감소하며, 운행 단계에서는 약 30% 감소한다.
Table 1.
Greenhouse gas emissions by vehicle life cycle Stage(7)
| category | ICEV | EV |
| pre-manufacturing | 19.21 | 33.06 |
| manufacturing | 7.41 | 10.55 |
| fuel production and usage | 158.00 | 112.00 |
하지만 내연기관 자동차의 전기 자동차 개조 과정에서 차량의 무게중심 변화와 차체 질량 분포의 불균형이 발생하게 되는데, 현행 자동차 관리법의 자동차 튜닝에 관한 규정 제15조(안전성확인 기술검토의 신청), 제22조(전기자동차로의 튜닝 승인신청)에는 개조 중 무게중심에 관한 기준이나 및 표준설계 개조안이 없어 개조 전기 자동차의 배터리 위치나 추가 중량에 따른 안전 기준이 별도로 명시되어 있지 않다. 무분별한 개조는 주행 성능과 구조적 안전성에 부정적인 영향을 미칠 수 있으며 본 연구에서는 일반적인 승용 차량보다 개조가 쉽고 화물차량 중 대다수를 차지하고 있는 1톤 미만 화물차량을 대상으로 선택하였으며, 전기차 개조 시 배터리의 위치가 차체의 구조적 안전성에 미치는 영향을 분석하기 위하여 차량의 프레임 특정 지점마다 배터리를 장착한 뒤 구조해석을 진행하여 최적의 배터리 장착 위치를 제안한다. 또한 배터리 장착 시 프레임의 구조 안전성을 높이기 위하여 판재로 단순화 되어 제작된 3가지 형상의 프레임 보강재를 장착하여 보강재 유무와 형상에 따른 프레임 보강을 통한 구조 안전성 향상 방안을 제시하고자 한다.(8)
2. 대상 차량 모델
2.1. 대상 차량 제원 및 3d 모델
대상 차량은 기아 봉고3 2020년식 모델로 설정하였고 차량의 제원은 Table 2, Table 3과 같으며, 실제 차량의 프레임을 3d 스캔하여 생성된 메쉬 데이터를 기반으로 역설계하여 3d 모델을 제작하였다.
Table 2.
Specifications of the target vehicle
Table 3.
Specifications of the vehicle frame
| length | 4,760 mm |
| width | 880 mm |
| height | 380 mm |
| thickness | 5 mm |
2.2. 배터리팩 제원 및 3d 모델
배터리는 SJ테크에서 제작된 96S 4P 모듈 배터리 팩 모델 3개를 합친 뒤 외장 케이스와 쿨링 시스템을 탑재하여 완제품을 제작하였고 L자형 브라켓을 사용하여 좌·우 프레임에 하나씩 장착하였다.
3. 배터리 위치별 차체 프레임 구조해석
3.1. 해석모델
본 연구의 시험조건은 전기자동차용 배터리가 장착된 프레임에 가해지는 힘을 바탕으로 프레임의 내구성, 안전성을 측정하는 것을 목적으로 하여 배터리의 3d 모델은 해석모델에서 제외하고 하중으로만 표현하였다.
Table 4.
Battery specifications
| length | 1030 mm |
| width | 400 mm |
| height | 100 mm |
| weight | 56 kg |
| number of battery cells | 6 ea |
| weight of the case and cooling system | 25 kg |
브라켓은 길이와 높이가 150 mm인 L자 형태의 두께 5 mm 강철 소재로 이루어져 있으며 좌, 우 각 3개씩 장착되며 각 브라켓은 250 mm 간격으로 설정하였다.
하중은 배터리와 쿨링 시스템을 합친 무게인 193 kg로 설정하여 양쪽 L자형 배터리 브라켓과 프레임의 결합부에 적용하였다. 해석 조건으로는 프레임의 앞차축 부분과 뒷차축 부분을 고정하였고, 프레임과 브라켓은 단순 접촉을 사용하여 고정한 뒤 맞닿는 면에서 중력 방향으로 하중을 설정하였다. 차량의 섀시와 적재함으로 인한 하중은 프레임과 몸체를 연결하여 지지하는 14개 위치를 특정하여 총 490 kg의 하중을 설정하였다. 각 고정점은 현가장치와 프레임이 결합되는 6개의 위치를 역설계하여 지정하였다.
프레임과 브라켓의 소재는 모두 일반 강철로 지정하였으며 물성값은 Fusion 360 기본 라이브러리 설정을 사용하였고 Table 7의 표와 같다.
Table 5.
Bracket Position (mm)
| bracket case no. | distance from the front end (mm) |
| case 1 | 1000-1250-1500 |
| case 2 | 1650-1900-2150 |
| case 3 | 2400-2650-2900 |
Table 6.
Fixed point locations (mm)
| fixed point | point No. | X | Y | Z |
| left | point 1. | -325 | -950 | -115 |
| point 2. | -340 | -3150 | -35 | |
| point 3. | -340 | -4370 | 115 | |
| right | point 1. | 470 | -950 | -115 |
| point 2. | 490 | -3150 | -35 | |
| point 3. | 490 | -4370 | 115 |
Table 7.
Material properties table
| elastic 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 |
Table 8.
Measurement points (mm)
| measurement points | X | Y | Z |
| point 1. | -285 | -750 | 10 |
| point 2. | -325 | -1250 | 24.5 |
| point 3. | -335 | -1780 | 95 |
| point 4. | -350 | -2100 | 160 |
| point 5. | -350 | -2410 | 170 |
응력과 변위량 측정지점은 프레임 보강재가 없는 전면부에서 프레임 중앙 사이의 5개 지점을 지정하였다.
3.2. 구조해석
배터리 장착 시 프레임에 발생하는 변화를 측정하기 위한 3d 모델은 브라켓의 위치별로 총 4개의 case로 설정하였다.
∙ case 0: 배터리 하중이 미적용된 원본 해석모델
∙ case 1: 운전자와 조수석 좌석 아래
∙ case 2: 개조 전 기존 배터리가 장착된 위치
∙ case 3: 개조 후 고전압 배터리가 장착될 위치
case 1의 경우 실제 차량에서는 앞차축과의 간섭이 발생하여 장착 시 배터리가 캐빈 내부에 위치하게 되지만 측정점이 프레임의 가운데이며 case 1의 경우 기본 보강재가 없는 부분이기 때문에, 다른 case와 같은 브라켓 설치 및 하중 조건으로 해석을 진행하였다. case마다 변위와 응력을 측정된 값은 Table 9의 표와 같다.
Fig. 7과 Fig. 8은 Table 9의 표를 그래프로 나타낸 그림이다.
Table 9.
Measured displacement and stress by bracket position cases
변위량의 경우 자동차 프레임이 개조용 고전압 배터리의 하중을 견딜 수 있도록 설계되어 파손 위험이 없었다. 각 case의 경향성은 프레임 사이의 보강재가 없는 case 2에서 가장 큰 변위를 보였으며, case 1은 양 끝단의 변위가 크고 중간 부분의 변위가 작은 값이 도출되었으며 case 3은 case 1과 반대로 양 끝단의 변위가 작고 중간 부분의 변위가 큰 경향성을 보였다.
응력의 경우 고정점과 가까운 point 1의 경우 모든 case가 비슷한 값이 나왔으며 point 2의 경우 배터리가 있는 프레임이 오히려 해당 지점의 응력을 완화하는 경향성이 보이는데 이는 고정점이 지렛대 역할을 하여 point 2의 응력이 감소하는 것으로 확인된다. 이외의 지점에서 측정된 값은 변위량 결과와 비슷한 경향을 보였다.
4. 보강재(Sub frame)가 적용된 구조해석
보강재는 강철 소재를 적용하였으며 브라켓과 같은 두께인 5 mm 판재 형상을 선택하였으며 형상에 따라 3개의 case로 나누었고 보강재가 설치되지 않은 형상을 포함하여 총 4개의 case에 대하여 구조해석을 진행하였다. 보강재의 형상은 프레임을 안정적으로 지지할 수 있도록 三 형상으로 3개를 놓은 case 2와 보강재의 사이를 한 번 더 지지하여 안정성을 높이는 구조인 H 형상을 가진 case 3과 최소한의 보강재 수량으로 구조적인 안정성을 높이는 X 형상을 가진 case 4로 나누어 구조해석을 진행하였다.
∙ sub case 1: 보강재가 적용되지 않은 형상
∙ sub case 2: 三 형상으로 판재 3개 사용
∙ sub case 3: H 형상으로 판재 3개 사용
∙ sub case 4: X 형상으로 판재 2개 사용
Table 10.
Measured displacement by reinforcement shape cases (mm)
Table 11.
Measured stress by reinforcement shape cases (MPa)
Fig. 10은 실제 변형량이 매우 미세하여 형상 변화의 확인이 어려워 변형 형상 조정 기능을 사용하여 과도하게 변형된 형상을 나타내었다. 변위와 응력의 측정은 Table 8에 표기된 측정점에서 진행하였다.
case 1의 프레임은 보강재를 설치한 형상의 경우 보강재를 설치하지 않은 기본형상에 비하여 5~10%의 변위량 감소가 측정되었는데 이는 기존의 보강재로부터 가장 먼 거리에 있는 배터리 설치 지점이기 때문에 추가 보강재로 인한 변화가 가장 크게 발생하였다. case 2의 경우 배터리의 하중과 섀시 하중이 교차하여 가해지는 point 3과 point 4에서 가장 큰 변화가 관측되었고 추가 보강재로 인한 변화는 약 3% 감소하는 것으로 측정되었다. case 3의 경우 배터리의 하중이 주로 중앙에 분포하며 기존 보강재가 배터리의 하중을 지지하여 변위량에 변화가 거의 발생하지 않았다.
5. 결 론
본 연구를 통해 EV Conversion 화물차량의 배터리 위치에 따른 구조적 안정성과 보강 방법에 따른 효과를 분석하였으며, 해석 결과를 통하여 실제 차량 개조 시 배터리 장착 위치 가이드를 제공할 수 있을것으로 기대한다.
화물차의 프레임은 기본적으로 높은 무게의 화물을 적재할 수 있도록 제작되어 있기 때문에 개조 전기차용 고전압 배터리의 무게를 견딜 수 있을 것으로 예상했으며, 구조해석 결과 프레임의 변위량과 응력이 프레임에 파손을 발생시키지 않았다. 실제 차량에서는 case 1과 case 2의 형상은 차량의 섀시와 캐빈이 보강재의 역할을 하여 변위량 및 응력이 감소할 것으로 예측된다.
실제 차량의 EV conversion 개조 또는 시뮬레이션용 모델 제작 시 배터리 위치는 무게중심을 고려하여 차량의 중앙부분인 배터리 위치 case 3을 기준으로 하여 제작한다. 차량의 무게중심이 기존보다 앞으로 이동하게 되면 차량이 급정지할 때 후미가 과도하게 들려 전면 전복이 발생할 수 있고, 무게중심이 뒤로 이동하게 되면 출발 시 앞바퀴의 접지력이 부족해져 슬립이 일어날 수 있다. case 3의 경우 차량의 무게중심이 기존보다 뒤로 이동하지만 차량의 중심부에 위치하여 안정적인 무게중심을 갖게 된다.
향후 연구에서는 EV Conversion이 적용된 실제 차량을 사용하여, 주행 중 발생하는 진동으로 인한 프레임의 피로와 방지턱 통과 시의 프레임에 가해지는 충격 및 변형을 측정할 예정이다.
시험용 실제 차량은 브라켓에 변형이 발생하지 않도록 사각 파이프를 보강재를 사용하여 가장 제작이 용이한 三 형상을 적용하여 좌·우 프레임에 수직으로 걸쳐 장착하여 제작 중에 있다.
