온라인 전기 자동차 개발 방안 (On Line Electric Vehicle)

온라인 전기 자동차 개발 방안 (OnLine Electric Vehicle) 2009. 1. 29 KAIST 그린카 TFT

목차 1.온라인 전기자동차 필요성 2.온라인 전기자동차 개발목표 3.온라인 전기자동차 경제성 분석 4.온라인 전기자동차 사업추진 방안 5.도심형 전기자동차 개발방안 6.결론 및 제안

1. 온라인 전기자동차 필요성 (1/2) 기존 전기자동차의 문제점 #1 배터리 전기자동차 실용화를 위한 최대의 걸림돌 완충후 주행거리 : 최고 200km 수준(48~160Km로 실용화) 까지 주행가능 배터리 수명/무게 : 5년 정도 이용 가능, 180~480kg으로 차량의 1/3 수준 배터리 비용 : 고가의 배터리가 필요 차량가격 상승의 주요인 전기자동차는 가솔린자동차보다 30년 앞서 출현한기술로 세계적인 많은 연구에도 불구하고 당분간 배터리 문제는 근본적 해결이 곤란

1. 온라인 전기자동차 필요성 (2/2) 기존 전기자동차의 문제점 #2 충전소 충전소 건립비용 과다로 인해 사업성 미흡 충전 소요 시간 : 쾌속 충전 시에도 10분 이상 충전필요 (통상 30분) 잦은 충전 빈도 : 배터리 용량 제한으로,100~150km마다 충전 필요 충전소 건설비 : 전국에 1만개 교환소(20억원/개) 건설시 20조원 배터리 교체방식(이스라엘)으로 충전시간은 줄일 수 있으나충전소 수는 줄일 수 없고, 막대한 배터리 비용도 해결 곤란

2. 온라인 전기자동차 개발목표 (1/5) 온라인 전기자동차 설계 개념 고속 고효율 집전장치 장착 기존 배터리 기존 충전소 배터리용량을 1/5로 축소 (비상용으로 사용) 심야 충전 무상도로에 저렴하게 건설 `` 인버터 • 차량가격: 배터리 용량과 사용회수를 대폭 감소시켜 단가 하락 • 에너지비: 심야전기로 비용저감, 온라인 충전으로 고효율 보장 • - 인프라비: 도로변의 고가 충전소를 대신하여 저렴하게 구현

2. 온라인 전기자동차 개발목표 (2/5) 온라인 전기자동차 급전-집전 원리 고주파용 코어 정밀한 가이드(~1cm) 차량하부의 집전코일(2차) 도로상의 1차측 급전코일에서 발생한 고주파 교류자장이 짧은 공극을 통해 차량하부의 2차측 집전코일에 전압을 유기하여, 전기에너지 전달 짧은 공극(~1cm) . + 도로상 단일선 급전코일(1차) 집전장치 회전축 집전판 롤러 . + <측면> <정면> 롤러스케이트형 집전장치 급전장치

2. 온라인 전기자동차 개발목표 (3/5) 온라인 전기자동차 기술적 구성 (1/2) 집전판 제어장치 (좌우) 차량 집전코일 도로상 단일선급전코일 차량 진행방향 선로: 200~500m 도로상 장애물 집전판 롤러 고속(120km/h) 주행시 도로 장애물 충돌에도 안전한 롤러 스케이트형 모노레일 집전장치 기술

2. 온라인 전기자동차 개발목표 (4/5) 온라인 전기자동차 기술적 구성 (2/2) 모듈형으로서 신속한 공사와 관리가 용이한 스마트도로 건설기술 고주파 인버터 차량통신 중계장치 커패시터 비활성 선로 활성 선로 비활성 선로 선로인덕턴스 공진 커패시터 고효율(80%) 공진형 전력전자 회로기술 (예) 부하측 DC, 10kW (300V, 33A) x 10 개 인버터 전원 20kHz, 111kW (600V, 185A) 정류 장치

2. 온라인 전기자동차 개발목표 (5/5) 개발 목표비용검토

3. 온라인 전기자동차 경제성 분석 (1/4) 서울시 적용사례 #1 (총 인프라 투자비 비교) 다른 방식보다 2~3배 경제적

3. 온라인 전기자동차 경제성 분석 (2/4) 서울시 적용사례 #2 (최소 신규 인프라 투자비만 비교) 3만대 이상이면 OLEV가 경제적

3. 온라인 전기자동차 경제성 분석 (3/4) 전국 적용사례 (2020~2030년 기준) 2.1~2.7배 OLEV가 경제적 • 비교 대상 (다음 기종을 중심으로 비교) • o 온라인 전기차(On Line Electric Vehicle): 100% 전기차 중에서 가장 배터리 의존도가 낮은 것으로, 도심용(최고 70km/h)이 아닌 일반용(80% 효율, 30km 초기주행, 최고 120km/h) 기준 • o 플러그인 하이브리드카(Plug-in Hybrid Electric Vehicle): 현재 하이브리드카 중에서 가장 상용화에 앞서가고 있는 도요타의 Plug-in Prius(2010년 출시예정, 연비: 평균 22km/L, 최고 100km/h) • o 배터리 교체식 전기차(Battery Replace Electric Vehicle): 이스라엘의 ‘프로젝트 베터 플레이스’ 회사의비즈니스 모델로 닛산의 르노 메간(Megane) 전기차(160km주행, 최고 160km/h) • * 100만대 보급, 전국 배터리교환소 1만개(20억원/개), 온라인 도로 6000km(2억원/kmx2) 기준

3. 온라인 전기자동차 경제성 분석 (4/4) 사업타당성 비교 분석

4. 온라인 전기자동차 사업추진 방안 사업추진시 예상 문제점 관련 대책 및 해결방안 시범도시 운영  도시 수 확대 및 도시간 연결운영  전국/고속도로로 점차 확대 전국적인 규모로 동시에 도로 인프라를 구축할 경우 소요되는 시간과 예산 집중 도심용 승용차와 버스를 장거리용으로 개량(모터/집전용량증가) 가능하게 개발 사용량에 비례하는 ‘연간 거리별 과금’과 사회인프라로 보는 ‘고정식 과금’ 중 선택 도심용 전기자동차를 우선 개발할 경우 향후 장거리용 보급 확대시 대안 필요 전기사용량 과금을 경제적이고 효율적 으로 할 수 있는 방안 강구 필요 도심형을 우선 개발하여 세계적인 기술을 선점하고, 시범도시를 선정하여 운행하면서, 장거리용 수출 추진 사업추진 방안

5. 도심형 전기자동차 개발방안 (1/8) 개발 목표 • 향후 5년내 도심 도로에서 주행중 충전과 차량 군집운행이 가능한 전기 자동차 및 스마트 도로를 세계 최초로 개발 * 2년내 핵심기술 개발 및 2012년까지 시제품 개발과 함께 수출 추진 개발 대상 • 도심형 전기 자동차와 스마트 도로인프라 • 1회 충전후 30km 주행가능하고, 70km/h에서 80%이상의 효율로 온라인 집전가능하며, 양산시 동급의 기존의 가솔린차량보다 저가인 차량 • 1km당 도로인프라 건설단가를 2억원이하로 저감할 수 있는 도로급전장치와 도로인프라 기술 • * 향후 장거리용(120km/h)으로 업그레이드 가능하게 설계

5. 도심형 전기자동차 개발방안 (4/8) 국내외 기술발전 로드맵 도로충전 방식이배터리 무게/비용/충전시간 면에서 가장 경제적이고 실용적

5. 도심형 전기자동차 개발방안 (5/8) 개발 기술의 시급성 및 가능성 전기자동차 관련 세계시장 동향 측면 기술개발의 용이성 및 비전 측면 • 기술개발의 용이성 • 기존의 자기유도식 급전방식과 고급승용차에 기적용된 능동 서스펜션 기술 등을 적용하면 가능 • 국내 전력전자 회로기술은 정상급 • IT 연구개발 경험도 풍부하게 보유 • 세계적인 수준의 전력 인프라 보유 • 세계 5위의 자동차 수출국 • OLEV 기술의비전 • 저렴한 차량가격으로 배터리 전기 자동차나 PHEV 시장을 잠식 예상 • 향후 배터리가 획기적으로 개선 (용량/가격)되어도 여전히 유리 • - 전기차의 성능향상(모터, 조향장치 등)시 더욱 경쟁력이 강화 일본, 유럽, 이스라엘 등이 전기자동차를 2010년까지 상용화할 것을 발표 중국은 하이브리드형 개발을 포기하고, 전기자동차에만 전념할 것을 선언 * 장기적으로 전기자동차로 전환 불가피 세계적인 기술주도권 경쟁 측면 배터리 전기차는 배터리 개발이 관건이나, 신기술 개발에 있어서 주도권 확보 곤란 PHEV도 일본, 유럽 등이 10여년전부터 기술을 선점하여, 후발주자로서 불리 OLEV는 배터리나 모터 등을 제외한 전력 변환장치가 핵심이므로 우리가 주도 가능

5. 도심형 전기자동차 개발방안 (6/8) 연구비 및 연구기간 (단위:억원) 개발 기간 : 4년 연 소요 인력 : 20 명

5. 도심형 전기자동차 개발방안 (7/8) 기술적 기대효과 산업 경제적 기대효과 • 도심형 전기 자동차의 주행 중 충전기술과 스마트 도로 기반 차량 상호간 군집운행 기술 개발을 통한 세계 관련기술 표준화 주도 • IT, 자동차, 도로 기술의 결합으로인한 융복합 부품기술 발전으로 미래기술 선점 및 유관산업으로의 시너지 효과 극대화 • 전기 자동차의 배터리 용량 경감(차량가격과 무게 감소)으로 인한 전기 자동차 보급 가속화 • 원자력 발전비중(40%내외)이 큰 우리나라의 사정을 감안할 때 전기자동차 보급을 늘리면 원유수입이 줄어, 세계 5위의 석유수입국으로서의 석유 수급에 대한 부담 완화 사회적 기대효과 • 매출 증대 효과 : 연간 36억불 • 고용 창출 (신규일자리창출) 효과 : • * 고용 인원은 지능형자동차, 텔레매틱스, 내비게이션 등의 분야에서 IT 자동차와 직접 관련된 업무 종사자를 말하며, 신규 일자리 창출 인원은 산업연관분석표의 고용유발계수에 의거 산출 (자료: ETRI 융합신서비스연구팀, 2008.8) • 주행 중 CO2를 전혀 배출하지 않고, 전기 발전시 CO2 배출량을 감안하더라도 동급의 가솔린 차 대비 절반수준이어서친환경적이며 도심 친화적

5. 도심형 전기자동차 개발방안 (8/8) 연구개발 로드맵 2009 2010 2011 2012 전기자동차/도로 핵심기술 개발 전기자동차/도로 최적화기술 개발 실용화 시험 연구목표 연구내용 • 도로 급전 인프라 기술 개발 • 도로주행가능 집전장치기술 개발 • 고주파 전력전자 회로기술 개발 • 슈퍼캡 + 배터리 하이브리드카 개발 • 도로 급전 인프라 최적화기술 개발 • 도로주행용 집전장치 시험기술 개발 • 전력전자 시스템 최적화기술개발 • 도로시험 인프라 설치 및 시험평가 주행중 충전 • 고효율 고안전 통합 주행 시험 • 고안전 군집 주행 시험 • 통합 테스트 베드 구축 군집주행 • 전력레인 기반 자율주행 기술 개발 • 차량간 통신 기술 개발 • 저속 주행시 차량간 거리 감지 융합 센서 기술 개발 • 전력레인 기반 고안전 군집운행 기술 개발 (진입/이탈 포함) • 차량-인프라간 통신 기술 개발 • 고안전 제동 제어 기술 개발 • 전기자동차 시험모델 설계 및 구축 • 군집주행 장비 시험모델 설계 및 구축 • 전기자동차 실용모델 설계 및 구축 • 군집주행 장비 실용모델 설계 및 구축 • 시험용 전기차 • 통합 시험장 연구결과물 (제품)

6. 결론 및 제안 결 론 • 온라인 전기자동차(OLEV)는 차량가격, 에너지비, 인프라 건설비에있어서가장 경제적인 방식이며, 세계시장 진출에 유리 • 따라서, 차량 단가를 낮추고(목표: 1400만원이하), 도로 인프라 건설비를 절감(2억원/km이하)할 수 있는 신기술 개발이시급 • * 중진국형 추격식 연구개발보다 선진국형 창조형 연구개발로 전환하여 그린카 관련 세계적 기술경쟁력 확보 필요 제 안 • 유력한 그린카 후보로서도심형 온라인 전기자동차(OLEV)를 PHEV 등과 함께 최소한의 개발비(정부: 4년, 100억원)로 실용화할 것을 제안 • IT도로 인프라 기술개발  시범도시 선정  전기차 국내보급 확대를 정부가 주도할 필요

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