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배터리 교환 시스템 기술
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승인 2015.06.22  
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▲ 최용성 교수
     동신대 전기공학과
전기자동차는 전기를 동력원으로 움직이는 차량이다. 전기자동차의 종류는 배터리로만 가는 전기자동차 (Battery Electric Vechicle, BEV), 동력원으로 배터리에 저장한 전기만을 사용하고 필요에 따라 충전을 시켜줄 수 있으며 내연기관을 갖는 플러그인 하이브리드 (Plug-in Hybrid EV, PHEV), 그리고 전기모터나 내연기관을 동시에 사용하는 엔진이 둘 이상인 하이브리드 전기자동차 (Hybrid EV, HEV) 등 3종류로 나뉜다.

플러그인 충전방식의 전기자동차는 긴 충전시간이라는 사용자 측면의 문제점 이외에도 충전수요의 집중으로 인한 전력망 과부하의 문제점을 갖고 있다. 또한 고가의 배터리 사용으로 인한 차량가격 상승, 짧고 불규칙한 운행거리 및 부족한 충전인프라 등으로 향후 전기자동차의 보급 확대에 문제점이 있다.

따라서, 전기자동차의 보급 확산을 위한 전기자동차 충전인프라 방식으로 배터리 교환 시스템은 방전된 배터리를 충전 플랜트에서 충전하여 전력망에 대한 과부하를 사전에 예방할 수 있는 장점과 함께 배터리 공용화를 통해 차량 가격의 하락을 유도할 수 있다.

현재 전기자동차 배터리 교환 시스템은 기타 전기자동차 충전인프라에 비해 국내․외적으로 연구 및 보급이 매우 미흡하다. 기존 플러그인 방식의 전기자동차 충전은 충전시 많은 전기를 사용하므로 차단기와 같은 안전장치의 오동작, 화재, 감전 사고의 위험이 있다.

단독 주택의 경우 콘센트와 플러그를 실외로 끌어내야 한다. 또한 소비자가 항상 시간적 여유를 갖고 배터리를 충전할 수 있는 것이 아니므로 장거리 주행 중에 배터리가 소진될 경우, 운전자는 길가에서 오랜 시간을 소비해야 한다. 더욱이 사용자의 부주의로 인해 전기자동차의 충전 플러그를 꽂지 않으면 아침부터 다른 교통수단을 찾아야 한다.

이처럼 플러그인 충전 방식의 전기자동차의 충전시간은 급속 30분, 준급속 2~3시간, 완속의 경우 8시간 이내의 시간이 소요되는 반면 사전에 미리 충전된 배터리를 교환하는 방식의 경우 수십초~수분의 시간만 소요되므로 충전에 걸리는 시간을 비약적으로 절약할 수 있다.

미국의 Better Place는 휴대폰 배터리를 교체하듯이 전기자동차의 배터리를 교체하는 방법을 제안하였다. 배터리 교체소에서 다 쓴 배터리를 새로운 배터리로 교체하면 8시간이 걸리던 충전시간을 5분 이내로 단축시킬 수 있다.

이 방식을 실험하기 위해서 Better Place는 닛산과 함께 일본 요코하마에 50만$를 투자하여 최초의 배터리 교환소를 선보였으며, 자동차정비소처럼 생긴 이곳에서 모든 공정이 자동화되어 자동차가 들어와서 배터리를 교체하고 출구를 나오기까지 2분 정도 소요되었다.

국내에서는 전기자동차 배터리 교환식 충전인프라 구축을 위해 국토해양부에서 ‘교통안전융합체계기술개발’이라는 주제로 2010년말부터 본격적인 배터리 교환 시스템에 대한 연구가 진행되었다.

국토해양부의 전기자동차 배터리 교환 시스템은 단순히 배터리를 교환하는 연구뿐만 아니라 전기자동차의 충전인프라 구축전력과 운영 주체별 경제효과 분석, 전기자동차 배터리 공용화 표준 및 제도, 운영관리, 교통-전력-시설 통합 연계 서비스 및 돌발상황 관리, 안전관리 지침 및 안전성 평가, 배터리 생애주기, 대용량 배터리 충전설비 관리/운용 기술 등 배터리 교환 시스템의 통합적인 서비스 관리 체계에 대한 연구이다.

또한 배터리 교환식 충전인프라 구축을 위해 전기자동차 시장 형성 등의 여건 조성과 이용 활성화를 위해 대중교통에 우선적으로 적용하여 전기버스 상단의 배터리를 버스 정류소에 구축된 배터리 교환 장치 (QCM, Quick Change Machine)를 통해 승객들의 승․하차 시간 동안 배터리를 교체하고자 한다.

전기버스의 배터리를 교환하는 QCM 기술은 로봇기반의 배터리 교환장치로 LUM (Lift Up Machine) / LOM (Lift Off Machine) 시스템 기술을 이용하여 전기자동차의 핵심부품인 배터리를 교체하여 20초 이내에 전기자동차용 배터리 교체를 목표로 한다.

또한, 전력망의 과부하 문제를 해결하기 위해 대용량 배터리의 충전을 위한 설비들의 효율적인 관리가 중요하다. 대용량 배터리의 충전설비 운영 관리는 대량의 배터리를 동시에 효율적으로 충전하고 충전설비의 상태를 실시간으로 파악하여 효과적으로 배터리의 충전상태를 모니터링할 수 있어야 한다.

또한, 사용하는 배터리의 생애주기에 대한 관리가 필요하다. 배터리 교환 방식의 전원 공급 체계에서 회수된 배터리의 재활용 또는 폐기 여부를 배터리의 생애 상태에 따라 결정해야 하며, 각각의 배터리에 대한 실시간 이력정보 수집․가공과 배터리 재활용 및 폐기 기준을 명시할 수 있는 표준 가이드라인의 개발을 통해 효율적인 배터리의 활용이 가능하도록 해야 한다.

다음 호에는 전기자동차 전력연계 및 전력운영기술에 대하여 기고하겠다.

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