1. 서 론
2. 배터리 마운팅에 대한 신개념 설계
2.1. 해석 조건
2.2. 배터리 충전 및 교환 방법 조사
2.3. 배터리 마운팅 방법의 신개념 제안
3. 해석결과 및 고찰
4. 결 론
1. 서 론
전기자동차(Electric Vehicle, EV)는 전 세계적인 탄소중립 정책과 내연기관 차량의 배기가스 규제 강화에 따라 미래 이동수단의 핵심 기술로 부상하고 있다. 수송부문은 전체 온실가스 배출에서도 중요한 비중을 차지하며, 이를 줄이기 위한 전기차 도입 확대는 각국 정부와 기업의 중요한 전략 과제로 자리 잡고 있다. EV의 핵심 구성 요소 중 하나는 고에너지 밀도의 배터리 시스템으로, 이는 차량 성능, 주행 거리, 안전성 및 비용에 직접적인 영향을 미친다.
배터리 시스템은 단순히 전력을 저장·공급하는 역할을 넘어 차량 차체 설계와 밀접하게 연관되어 있다. 배터리 팩은 전기차 전체 무게의 상당 부분을 차지하며, 무게 중심과 하중 분포에 영향을 주어 차체의 구조적 특성에 큰 변화를 야기한다. 특히 바닥 구조에 배터리 팩을 위치시키는 ‘스케이트보드(skateboard) 아키텍처’는 EV 차체 설계의 표준으로 자리잡고 있으며, 이는 차체 강성, 충돌 안전성, 주행 성능 등에 영향을 준다.(1)
기존 연구들은 전기자동차 배터리 시스템의 구조적 역할과 통합 설계 방안에 대해 다양한 접근을 시도해 왔으며, 특히 배터리 하우징과 차체 구조의 통합 설계가 차량 강성과 충돌 특성에 미치는 영향을 유한요소해석(Finite Element Analysis, FEA) 기반으로 분석한 연구들이 보고되고 있다. 예컨대, 배터리 팩 하우징을 차량 하부 구조와 통합함으로써 비틀림 강성과 굽힘 강성이 향상되고, 측면 충돌 시 배터리 보호 성능 또한 개선될 수 있음이 제시되었다.(1~3)
또한 유한요소해석을 이용한 배터리 팩 자체의 구조 응답 분석 연구는 진동, 충격 및 동적 하중 조건에서 배터리 시스템의 구조적 신뢰성을 평가하고 있으며, 이를 통해 배터리 하우징 재료 및 형상 설계에 대한 통찰을 제공한다.(2)
이와 같은 해석 기반 연구는 배터리 시스템이 단순한 에너지 저장 장치를 넘어 차량 차체의 하중 운반 경로와 안전 구조 설계에 핵심 변수가 되고 있음을 보여 준다.
따라서 본 논문에서는 전기자동차 차체 설계 과정에서 배터리 시스템이 차체 구조에 미치는 영향과 관련된 구조해석 기법을 체계적으로 검토하고, 이를 바탕으로 차체-배터리 통합 설계의 최적화 방향을 제시하고자 한다. 특히 배터리 시스템의 위치, 하우징 구조, 그리고 차체 강성 요구 조건을 고려한 전기자동차 차체 설계 전략을 제안함으로써 향후 EV 개발에서 구조적 안정성과 성능을 동시에 만족시키는 설계 방법론을 확보하는 데 목적을 둔다.
전기 자동차(EV)의 경우, 모터 시스템이 연소 엔진을 대체할 수 있으며 환경적으로 지속 가능한 매우 매혹적인 동력원을 제공한다. 그러나 모터와 배터리의 낮은 전력 성능으로 인해 효율을 높이기 위한 전기 자동차의 중량이 매우 증가하게 된다.
친환경 전기자동차의 개발이 활발히 진행되고 있다. 하지만, 충돌 및 내구성을 고려한 EV에 대한 배터리 장착 안전성 평가 방법의 개발이 시급하다. 특히, 배터리 장착 구조를 갖는 차체 하부 구성품의 안전성 고장에 대한 고객의 신뢰 상실로 이어질 수 있다. 본 연구에서는 EV 배터리의 안전 장착 설계 기술을 개발했다. 이를 위해 배터리 장착을 위한 주요 구성품의 경량화 설계를 제안하고, 배터리 장착 부품의 안전성 평가 방법을 도출해야 한다. 배터리를 차량의 차체 하부 바닥에 장착할 때, 장착되는 구성품을 보강하고 이를 검증하는 방법을 제안했다. 이러한 결과를 바탕으로 주요 구성품의 안전성을 다양한 사례로 연구했다. 또한, 기존 바닥 구조는 배터리 화재의 위험이 항상 존재하기 때문에 EV 사용자가 기존 내연기관 자동차 개념을 사용하기에 불편한 내부 구조가 될 수 있다.(4,5) 이러한 현실에 대응하기 위해 차량 지상고를 유지하면서 기존 차량의 현재 강성을 만족시킬 수 있는 새로운 구조를 고안하고자 한다.(6~8)
2. 배터리 마운팅에 대한 신개념 설계
2.1. 해석 조건
CAE 컴퓨터 시뮬레이션은 상용 프로그램(Nastran Sol. 101 및 Sol. 111)을 사용하여 수행하였다. 시뮬레이션 모델은 306,399개의 솔리드 및 셸 요소와 202,591개의 용접 엔티티로 구성되었다. Fig. 1은 CAE 모델을 기반으로 한 차량의 전체 모습을 나타낸다. 모든 구성 요소는 1-D 용접 요소로 구성 및 장착되었다.
2.2. 배터리 충전 및 교환 방법 조사
전기차 배터리 교체 서비스는 이스라엘의 Better Place Co.에서 상용화되었다. Fig. 2는 이러한 배터리 교체 서비스 사례를 나타낸다. 보통은 배터리 충전에 많은 시간이 소요되는 데 이 방식은 배터리가 방전되었을 때 충전소에서 충전하는 대신 충전된 배터리로 교체해 주는 쉽고 간단한 방법이다. 그림에 나타낸 Batter Place Co. 방식은 한 대의 차량 배터리를 교체하는 데 약 30분이 소요된다. 그러나 향후 첨단 교체 기술의 개발로 교체 시간이 단축된다면 앞으로 충분히 경쟁력 있는 비즈니스 모델로 개발될 것으로 기대된다.
르노삼성 Co.는 SM3 Z.E. 차량에 퀵 드롭 방식의 배터리 교체 기술을 적용했다. 이 방식은 Better Place Co. 방식보다 배터리를 더 빨리 교체할 수 있다. 하지만 지금까지는 배터리 교체보다 배터리 충전 방식이 더 널리 사용되고 있다. 배터리 교체 시스템이 활성화되지 않는 이유 중 하나는 배터리를 자주 교체하면 EV의 안전성에 영향을 미칠 수 있기 때문이다. 장착 구성 요소가 배터리 교체에서 분리될 때 처음 조립했을 때보다 신뢰성이 떨어질 수밖에 없다.
2.3. 배터리 마운팅 방법의 신개념 제안
Fig. 3은 변속 터널이 이 바닥을 통과하기 때문에 기존 차량의 고르지 않은 바닥에 4개의 배터리를 장착하는 개념을 나타낸다. 주변의 많은 부재와 보강재의 간섭으로 인해 바닥 바닥이 너무 고르지 않은 것을 알 수 있다. Fig. 3과 같이 8개의 셀(=무게 48 kg)로 구성된 4개의 배터리 상자(=총 중량 192 kg)가 고르지 않은 차량 바닥에 장착되었다. 이 방법은 Better Place Co.에서 제안한 교체 방법(차량 바닥에서 배터리를 교체하는 방법)에 근거하여 배터리를 교체할 수 없음을 알 수 있다.
Fig. 4는 Fig. 3의 방식에 비해 개선된 방식이다. 그림 4와 같이 평평한 바닥면은 전륜구동 차량의 경우 변속 터널 등과 같이 필요하지 않기 때문에 설계할 수 있다. 그러나 Fig. 4(a)와 같이 강성이 높은 배터리가 차량 충돌 방향에 위치하기 때문에 배터리 위치의 설계 사양은 Fig. 4(b)와 같이 장착하는 것이 좋다. Fig. 4에서 제안한 바와 같이 형상의 복잡성을 낮추어 접합부 강성을 높이고 성형성을 향상시킬 수 있다. 또한 차체 하부의 강성을 높여 충돌 성능을 향상시킬 수 있다. 아울러 Better Place Co.에서 제안한 배터리 교환 방식을 이 설계에 적용할 수 있다. Fig. 5는 Fig. 4에서 제안한 배터리 장착부의 분해 설계를 보여준다. 이 배터리 장착 방식을 통해 Fig. 5(b)와 같이 차량 하부에서 배터리 교환이 가능하다.
3. 해석결과 및 고찰
Fig. 6과 Fig. 7은 각각 기본 모델과 신개념 모델의 BIW (body in white)의 동적 강성에 대한 해석 결과를 나타낸다.
Table 1은 배터리 팩이 없는 기존 모델과 신개념 모델의 경우 다양한 주파수 모드에 따른 동적 강성을 비교한 결과를 나타낸다. 이러한 결과에서 신개념 모델의 동적 강성은 기본 모델보다 1~2 hz 향상되었음을 알 수 있었다. 그러나 신개념 모델의 BIW 무게(178.0 kg)는 Table 1에서 볼 수 있듯이 기본 모델(176.6 kg)과 거의 동일(1.4 kg 초과)했다. 배터리 강성 특성으로 인해 신개념 모델의 동적 강성 증가는 배터리 장비와 함께 더욱 커질 것으로 예상된다. 신개념 모델의 동적 강성 증가를 바탕으로 대비 목표 강성을 고려한 일부 구성 요소의 무게 감소로 인해 경량화가 가능할 수 있다.
Table 1.
Results comparison of dynamic stiffness following as various frequency modes in case without battery pack
Table 2는 기존 모델과 배터리 팩이 있는 신개념 모델의 경우 다양한 주파수 모드에 따른 동적 강성을 비교한 결과를 정리하여 나타내었다. 이 결과로부터 신개념 모델의 동적 강성은 기존 모델보다 향상되었음을 알 수 있었다. 그러나 신개념 모델의 무게는 Table 2에서와 같이 6.8 kg 증가했다. 이 증가는 앞서 Fig. 5에서와 같이 배터리 장착을 위한 마운팅 패널(5.4 kg) 때문이다. 동적 강성 해석 결과, 신개념 모델의 무게는 증가하였으나 강성역시 증가가 하였다. 횡 굽힘, 변형 및 수직 굽힘의 경우 강성이 각각 2~3 hz만큼 증가했고 비틀림은 9 hz 이상 증가하여 신개념 모델이 높은 강성을 가지고 있음을 알 수 있었다. 기존 모델의 경우 배터리가 무게의 역할만 했지만 신개념 모델의 경우 배터리 장착 시 무게의 역할뿐만 아니라 연결체의 역할도 했다. 따라서 이러한 이유로 강성이 증가한 것이다.
Table 2.
Results comparison of dynamic stiffness following as various frequency modes in case with battery pack
4. 결 론
1) 새로운 컨셉 모델의 동적 강성은 기본 모델에 비해 1~2 hz 향상되었음을 알 수 있었다. 기존 모델의 BIW 중량이 176.6 kg인 반면 새로운 컨셉 모델의 BIW 중량은 178.0 kg이었다. 이로부터 중량 증가는 약 1.4 kg이었습니다. 따라서 새로운 컨셉 모델의 중량 차이는 기본 모델과 거의 유사하였다.
2) 배터리 강성 특성으로 인해 새로운 컨셉 모델의 동적 강성 증가는 배터리 장비와 함께 더욱 커질 것으로 예상되었다. 새로운 컨셉 모델의 동적 강성 증가를 기반으로 대비 대상 강성을 고려하여 일부 구성 요소의 중량 감소로 인해 경량화가 가능할 수 있었다.
3) 배터리 팩이 있는 기존 모델에 비해 새로운 컨셉 모델의 동적 강성이 향상되었다. 새로운 컨셉 디자인의 중량은 기본 모델에 비해 6.8 kg 증가하였다. 이 증가는 배터리 팩이 없는 기본 모델과 새로운 컨셉 모델 간의 모델 중량 차이인 1.4 kg보다 훨씬 더 큰 증가였다. 이러한 증가는 배터리 평면 배열을 위한 배터리 마운팅 패널(5.4 kg) 때문이었다.
4) 동적 강성 해석 결과, 신개념 모델의 무게가 증가했지만 기존 모델과 비교하여 강성이 증가하였다. 횡굽힘, 변형, 수직굽힘의 경우 강성이 각각 2~3 hz만큼 증가하였고 비틀림은 9 hz 이상 증가하여 신개념 모델이 높은 강성을 가지고 있음을 나타냈다.
