Hot Tech - 연료전지 자동차용 공기 압축기
HOT TECH에서는 혁신기업의 기술력과 성과, 성공 노하우, 업계 동향과 전망을 살펴봅니다.
* HYUNDAI Tuscan ix35 FCEV용 원심형 공기 압축기
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2008년 미국의 리먼 브라더스(Lehman Brothers)파산으로 촉발된 글로벌 금융위기는 포드 자동차 등 소위 ‘Big3’를 비롯하여 대부분 자동차 메이커들의 중장기 제품개발 계획의 수정을 불가피하게 만들었다.
이렇듯 침체된 경제상황 하에서 국내의 현대자동차(이하 현대차), 기아자동차들 역시 신차 개발계획에 대한 전략적 고민에 빠졌다.
금융위기를 기폭제로 전 세계 자동차업계는 친환경, 그린카, 스마트카라는 이슈에 전력을 다하고 있는 상황에서 ‘과연 어디로 가야 할 것인가?’를 결정해야만 하는 상황.
하지만 하이브리드(Hybrid)는 이미 도요타의 프리우스(Prius)가 시장을 지배하고 있고, 연료효율이 높은 디젤(Diesel) 엔진은 유럽의 자동차 메이커들이 이미 상당한 기술력을 바탕으로 다양한 차종으로 시장우위를 확보하고 있는 상황에서 차세대 개발방향을 결정하는 데 큰 어려움을 겪었다.
그렇게 기나긴 고심 끝에 결정된 전략적 대안은 바로 ‘연료전지(Fuel Cell) 자동차’였다.
연료전지차는 차체에 탑재된 스택(Stack·전기발생장치)에 수소와 공기를 공급하면 화학반응으로 전기가 발생하고 이를 이용해 구동하는 친환경 전기자동차다.
일반 자동차에서의 심장이 엔진이라고 한다면, 연료전지차에서는 스택(Stack·전기발생장치)이라 할 수 있는데, 이는 멤브레인에 촉매를 코팅한 MEA(Membrane Electrode Assembly)와 바이폴라 플레이트(Bipolar Plate)를 번갈아 여러 개 스택킹(Stacking)한 것을 말한다.
연료전지차가 전기를 일으키기 위한 설비 가운데 공기를 공급하는 장치는 차량의 소음과 효율, 수명 등에 큰 영향을 주는 핵심 제품이다. 현재 연료전지차량용 공기압축기에 사용되는 ‘스크류(용적식) 압축 방식’은 윤활유 급유장치가 추가로 필요해 중량이 무거워지고 부피는 커지며 소음과 진동이 과다하게 발생하는 문제점이 있다.
차세대 자동차로 연료전지차를 채택하며 새로운 방식의 공기압축기가 필요했던 현대차는 한라비스테온공조(HVCC)에 공동연구개발을 의뢰해 왔다.
본 제품의 사례를 통해 한라비스테온공조가 어떻게 기술적인 도전을 극복해 나가면서 개발을 완료하였고, 세계 최초 양산 모델인 Tuscan ix35 FCEV개발에 이바지하였는지 알아보고자 한다.
원심형 공기압축기
연료전지 차량의 공기 공급 시스템은 연료전지 자동차의 전력생산 장치인 연료전지에서 필요한 산소를 공급하기 위하여, 대기 중의 공기를 가압하여 공급하는 장치이다.
주요 구성은 대기 중의 미세먼지 및 화학물질을 제거하는 필터, 유동을 원활히 하여 효율을 높이고 소음을 줄이는 Inlet Duct, 공기를 원하는 압력 및 유량으로 압축하는 압축부, 압축부를 회전시키기 위해 전기에너지를 축동력으로 변환하는 모터 및 제어기로 구성된다.
자동차용 공기공급기는 그 장착성을 고려하여 소형화가 필수적이며, 이를 위해 공기공급기의 회전수가 분당 수만 회에 이르도록 설계된다.
프로톤 교환막 방식의 연료전지에서는 공기공급기의 베어링 윤활에 필요한 Oil이 촉매 또는 전해질을 오염시켜 성능을 떨어뜨리기 때문에, Oil이 없는 베어링을 적용하거나 효율적인 필터설계가 필요하다.
현재 수소 연료전지 자동차에 Prototype으로 적용되고 있는 스크류 압축기는 오일 분리장치를 거쳐도 Oil을 완전히 걸러주기 어려운 상태이며, 자동차용으로는 여전히 너무 무겁고 비싸다.
따라서 기존 스크류 방식의 압축기를 대체하면서 차량용에 적합하도록 저소음/고효율/콤팩트한 공기 압축기가 필요로 하여 고속원심형 압축기를 개발하게 되었다.
주요 요소 기술
고속 원심 압축 방식을 적용한 공기공급기의 핵심 요소 기술은 크게 네 가지로 분류된다.
연료전지 Stack에서 요구하는 압력 및 유량을 발생시키는 원심 압축기 설계 기술, 원심 압축기를 고속으로 회전시켜주는 고효율 고속 BLDC 모터 기술, 고속 회전체로부터 야기되는 회전체 내구 확보 및 소음 최소화 설계 기술, 마지막으로 차량 장착성/양산성/연비 향상을 위한 소형/경량화 설계 기술로 나눌 수 있다.
본 핵심 요소 기술을 활용하여 고효율화/안정화/소형화를 이룩한 최초의 자동차용 원심 압축식 공기공급기를 개발함에 따라 연료전지 자동차의 성능 확보 및 연비 향상, 장착성 향상 등의 효과를 얻게 되었다.
(1) 고속 원심 압축 방식 압축기 설계 기술
연료전지 차량의 스택에서 요구하는 공급 유량 및 압력을 만족하기 위해 원심형 임펠러를 적용한 터보 압축기를 최적화 설계를 실시하고, 다양한 차량 적용 조건을 고려하여 평가/개발을 수행하였다.
최대 유량과 압력 조건을 만족하면서도 소모 동력을 최소화할 수 있도록 고효율 설계를 진행하였으며, 다양한 외기 조건(고지/고온/저온 등)에서도 안정적인 운전성을 확보하기 위해 최소 20%이상의 써지 마진을 확보함으로써 연료전지 차량의 상품성을 증대할 수 있었다.
연료전지 차량용 공기공급기의 특성상, 주행 조건에 따라 작동영역이 크게 변하기 때문에 베인리스 디퓨져를 적용함으로써 성능을 만족하였으며, 다이캐스팅 공법을 적용하기 위한 분리형 디퓨저 및 볼류트 설계를 통해 양산성 향상도 이루었다.
(2) 고효율 BLDC 고속 모터 기술
본 기술의 공기공급기에서는 임펠러를 고속으로 구동하기 위한 장치로 기존에 통상 적용되던 증속 기어박스를 사용하지 않고, 임펠러와 모터 회전자를 직결하는 방식을 채택함으로써 소형화, 고효율화, 저소음을 달성하였다.
용적식 압축기 등에 적용되는 저속 모터(수천 RPM)와 증속 기어의 경우, 기어 박스 윤활을 위한 별도의 오일 공급 장치가 필요하고 기어부에서 회전 불균형과 함께 과도한 소음이 발생하게 된다.
또한 기구부 마찰에 의한 손실로 인해 효율이 저감됨으로 인해 사이즈 및 중량 증대가 불가피한 단점이 있었다.
본 기술에서는 이러한 문제점을 개선할 수 있도록 고속 BLDC모터를 적용한 직결 방식을 채택하였으며, 영구자석 이탈 방지를 위한 Sleeve 구조 설계, 고수파 운전에 의한 스테이터 철손 최소화 설계, 로터 발란싱 기술개발 등을 통하여 고속영역(40,000RPM 이상)에서도 안정적으로 구동 가능한 고효율 고속 BLDC 모터를 개발하게 되었다.
또한 차량의 가속 발진 성능 확보를 위해 Idle에서 최대 회전수 까지의 응답성능을 1초대로 개발하였으며, 이를 위해 로터 경량화 설계는 물론 모터 성능 개선을 실시하였다.
(3) 고속 회전체의 내구/소음 개선 설계 기술
Rotor Dynamics 해석기술은 고속에서 운전되는 회전체의 운전 안정성과 내구 수명 향상, 소음 저감에 핵심이 되는 기술이다.
Rotor - Dynamics 해석기법을 통해 운전 중 로터의 운전 거동 및 공진 주파수, 진동 모드를 예측하고 시험을 통해 이를 검증함으로써 전체 공기공급기의 내구 성능 확보는 물론 소음/진동 최소화를 달성하였다.
또한 베어링의 내구 성능을 개선하기 위해 임펠러의 축하중을 저감하기 위한 해석 및 평가를 진행하여 최적화된 임펠러의 구조를 채택함으로써 고속 베어링의 내구성을 크게 개선할 수 있었다.
(4) 차량 장착성 및 제작성을 고려한 소형/경량화 설계 기술
연료전지 차량은 스택, 구동 모터, 모터 제어기 등 내연기관 차량에서 존재하지 않는 부품들로 인해 차량 레이아웃 확보에 상당한 어려움을 겪고 있다.
따라서 공기공급기 또한 협소한 공간 내에서 장착성 향상과 차량 상품성 확보를 위하여 소형화, 경량화 설계는 필수적인 요소이다.
본 기술에서는 모터케이스, 볼루트 등 케이스류에 대해 알루미늄 소재를 적용하여 경량화를 달성했으며, 구조해석을 통한 강도 보강 설계를 통해 외곽 두께를 최소화하고 전체적으로 콤팩트한 구조를 이룰 수 있도록 했다.
또 외곽의 대형 구조물에 대해 다이캐스팅 공법을 적용하여 원가를 절감하고 생산성을 향상시켰다.
마치며
한라비스테온공조(HVCC)는 1986년 자동차 에어컨 & 히터 시스템 전문기업으로 출발하여, 2013년 모회사인 미국 비스테온사(社)의 공조부문을 인수해 세계 2위 규모의 자동차 공조회사로 주목받고 있는 글로벌 기업으로 부품공급자의 형태에서 보면 시스템공급자라 할 수 있다.
자동차 에어컨 & 히터 시스템 전문기업으로 성장해오던 한라비스테온공조는 2005년 초부터 현대자동차 연료전지 프로젝트에 참여하면서, 자동차용 원심형 공기압축기 연구를 시작하였다.
이를 통해 자동차 에어컨 & 히터 시스템이 아닌 엔진에 관여하는 Powertrain 부품개발 참여하게 된 것이다.
2013년 초 FCEV Tuscan ix 35가 세계 최초로 양산이 되면서 한라비스테온공조의 공기압축기 또한 세계 최초로 양산을 시작하게 되었으며, 이를 통해 자동차용 전동식 터보머신 시장에 진출하게 되었다.
앞에서 설명한 공기압축기의 주요 요소 기술을 바탕으로 전동식 터보차져 및 EGR Booster 등 타 응용제품도 개발 중에 있다.
향후 연료전지 자동차의 수요는 지속적으로 늘어나 2020년초까지 여러 해외 완성차 업체에서 연료전지차가 출시될 것으로 판단된다.
현재 Toyota의 미라이가 2015년에 출시되었으며 Honda는 2016년, Ford, BMW, Daimler는 2021년을 목표로 연구 중에 있으며, 현대자동차는 2018년에 차세대 연료전지차를 출시할 예정이다.
한라비스테온공조는 본 제품 개발을 완료하여 연료전지 자동차용 공기압축기 시장에 진출하였으며, 향후 연료전지차의 공기압축기 수주에 있어 유리한 고지를 선점하였다.
특히 연료전지차용 공기압축기의 경우 소음/진동 문제 등에 있어 보다 까다로운데 이는 전에 없었던 모터를 이용한 고속 회전체 기술이 적용되었기 때문이다.
본 제품 개발의 경험을 바탕으로 전동식 슈퍼차져 및 EGR Booster 등의 다른 전동식 터보머신 등에도 축적된 노하우를 적용 할 수 있을 것이며, 이를 바탕으로 Powertrain 부품업체로 발돋움 할 수 있을 것으로 기대된다.
