에코카의 핵심기술인 하이브리드 기술에코카의 파워트레인(자동차 엔진의 크랭크 축부터 구동바퀴까지 동력을 전달하는 일련의 장치)으로 연료전지와 유럽을 중심으로 보급이 진행되는 디젤엔진, 바이오퓨엘(Biofuel:생물연료-석유·석탄 등), 천연가스 등의 대체연료 엔진이 격전을 벌이고 있다. 모터의 이용에 의한 하이브리드 기술은 원래 연료전지의 보급까지의 중간 연결고리로만 여겨졌지만, 지금은 에코카의 핵심기술로 인식되고 있다.이것은 미래의 연료전지차(fuel cell vehicle)에 있어서 모터, 인버터, 전지가 기간기술(基幹技術)이면서 파워트레인의 종류를 불문하고 차량 전체의 에너지 효율을 향상시키기 위하여 차량의 운동 에너지를 전기적으로 회수·축적하는 기술이 유효하기 때문이다.높은 효율로 인해 미래 자동차 기술의 핵으로 자리 잡고 있는 연료전지차는 그 에너지원인 수소생성에 가장 유력한 천연가스의 개질 효율이 60%가 안 될 정도로 낮기 때문에, 연료의 채굴에서부터 소비까지의 전 과정(Well-to-Wheel)의 총 효율은 현재 30%를 넘지 못하고 있고 앞으로도 40% 정도로 예상되고 있다.이 때문에 HEV의 효율 개선을 목적으로 한 플러그 인 하이브리드 전기 자동차(PHEV)의 방식이 등장하였다. PHEV는 현재 총 효율 30%를 조금 넘기는 HEV를 기본으로 하여, 수십 km정도의 단거리 주행은 모터만으로 주행 가능하도록 지금보다 용량이 큰 전지를 탑재한 데다 가정용 전원에서도 충전이 가능하도록 한 것이다. 고효율의 상용(商用)전력, 특히 가격이 저렴한 심야전력으로 운용을 하면 HEV의 총 효율이 한층 더 개선됨과 동시에 CO2 등의 환경부하도 낮아진다는 이점이 생긴다. 그리고 앞으로 전지(電池)기술을 발전시켜 PHEV의 엔진을 조금씩 줄이고 2차 전지의 탑재량을 서서히 증가시키면 그 연장선상에서 pure EV(PEV:모든 동력을 전지가 담당)도 떠오를 것이다.이처럼 미래의 에코카는 여러 가지로 전개될 가능성이 있는데, 그 어떤 가능성이든 하이브리드 기술이 핵심 기술이 되므로 전기 기술과 그 기술자가 달성해야 할 역할의 중요성이 늘어날 것은 명백하다.하이브리드 전기자동차를 구성하는 요소기술의 동향이번 장에서는 HEV의 전기기술에 있어 요소기술에 따른 현재의 기술과 미래의 기술 동향에 대해 이야기해본다.1. 모터와 그 제어하이브리드의 방식에 따라 모터는 두 개가 탑재되는 경우와 하나가 탑재되는 경우가 있다. 둘 중 어떤 방식이든 거의 모든 경우에 매입자석형 영구자석 동기모터(IPMSM)가 채용되고 있다. 이것은 전지 구동의 차량용 모터로, 고효율은 물론이고 소형 고출력화, 그리고 차량으로서의 주행 패턴에서 넓은 정출력 영역의 확보가 요구되는 점을 고려하면 당연한 선택일 것이다. 이런 요구 성능 가운데 전기 기술자가 특히 주목해야 할 것은 소형고출력화로, 일반 산업용과 가정용을 비교하면 상당히 높은 레벨이 요구되고 있으며, 이를 충족시키기 위해서는 다음과 같은 여러 가지 검토가 진행되어야 한다.① 소형 고출력화를 위한 고회전화모터의 최대 출력은 최대 토크(torque:회전력)와 최고 회전수의 곱이다. 소형 고출력화를 실현하는 한 가지 접근 방법으로, 기어에 의한 감속기를 전제로 최고 회전수를 (예를 들어 6,000rpm부터 1만 수천 rpm까지)높이는 방법이 채용되고 있다. 이를 위해서 고회전화로 인해 늘어나는 원심력에 대한 기계적인 강도를 고려하여 설계된 회전차(rotor)나 회전수의 제곱에 비례하여 늘어나는 철손의 증가에 대응하기 위해 판 두께 0.3mm 클래스의 전자 강판이 이용되고 있다.② 고회전화를 위한 고전압화고회전화를 위해서는 구동 전압을 상승시킬 필요가 있지만, 배터리 전압을 높이는 것은 코스트·용적(容積)·중량 어느 것에서도 바람직하지 않다. 그래서 배터리 전압을 승압(昇壓)회로로(예를 들면 2백 수십V를 650V정도로) 승압시켜 이용하는 방법을 채용하고 있다. 한 단계 고전압화할 때에는 회로, 배선과 모터 권선 등의 고내압화에 대해 검토를 할 필요가 있다.③ 소형 고출력화에 의한 고자속밀도화(高磁束密度化)전용 개발된 고성능 자석, 전자 강판이 투입되어 고출력화를 도모하는 한편, 자계(磁界) 해석기술을 구사한 소형화가 진행되고 있다. 그 결과, 자속밀도(磁束密度)가 높고 운전조건으로 인해 크게 자기포화(磁氣飽和)하는 모터가 될 경향이 높다. 이것은 모터 인덕턴스(inductance:회로를 흐르고 있는 전류의 변화에 의해 전자기 유도로 생기는 역기전력의 비율을 나타내는 양)의 변동과 공간 고주파, 심지어 토크 파동의 발생을 불러올 수 있으므로 모터의 제어계에서의 배려가 필수적이다.④ 과변조(過變調)(1펄스) 구동의 적극 이용과 고응답화한정된 전원 전압에서 출력을 짜내기 위해서는 전력 변환기의 전압 이용률을 높이는 것이 필수적이다. 따라서 PWM 인버터에서 과변조 및 1펄스 구동이 적극적으로 이용되어, 이 영역에서도 순시 토크 제어가 요구된다. 전기 철도에서는 1펄스 벡터 제어 형태로 이미 실용화되고 있는 기술이지만, HEV의 경우 과도응답 등에서 보다 높은 레벨이 요구되고 있다. 앞으로는 모터의 소형 고출력화와 제조 방법을 포함한 회전기 설계의 발전, 자기포화와 과변조·1펄스 구동과 같은 비선형 영역에서의 제어성능의 개선을 요구하고 있다. 또한 HEV에서는 종래의 엔진출력에 구동된 에어컨용 컴프레셔, 유압에 의해 구동된 파워 스티어링(steering:차량 방향 전환 장치) 등의 보기(補機)도 모터 구동화되고 있다.2. 전력 변압기최신 HEV는 백 수십kW의 모터를 구동하는 인버터를 엔진룸 안에 수납하고 있기 때문에 종래의 보기용(補機用) 배터리와 같은 사이즈로까지 전력 전압기를 소형화하고 있다.전력 변압기의 소형 고출력화 시 가장 문제가 되는 것은 Si 디바이스인 IGBT를 안정하게 동작시키기 위한 열대책(熱對策)이다. 실제로 전력 변환기에서는 IGBT의 소자구조(素子構造)에서의 재검토부터 시작하여 전용 라지에이터에 의한 수냉화(水冷化), 자동차 독자의 구동 패턴에 기초를 둔 발열량을 검토한 다음의 열설계(熱設計)의 최적화 등이 시행되고 있다. 위의 ④에서는 발열량의 견적, 냉각계의 평가·검토를 위해 IGBT의 디바이스 레벨의 동작과 구동회로까지 반영한 인버터 모델과 자계해석에 기초를 둔 인덕턴스를 이용한 모델, 그리고 양자의 제어까지 고려한 전기-열-기계계의 연성 시뮬레이션 기술이 소개되었다. 현재 계산기의 눈부신 발전으로도 이 레벨의 시뮬레이션을 행하기에는 아직까지는 불충분하여, 이 논문에서는 정도(精度)를 유지하는 계산 시간을 삭감하기 위한 각 요소의 시뮬레이션 모델을 제안하여 5초의 가속 운전 시뮬레이션을 16시간으로 실현하여 실시험과의 비교에서 충분한 정도(精度)를 얻을 수 있었던 것을 표시하였다.또 현재 소형 고출력화에 공헌하고 있는 전용 라지에이터에 의한 수냉화는 비용·용적·중량 등 모든 면에서 부담이 커서, 그 냉각 시스템의 간소화가 현안사항이 되고 있다. 냉각 시스템의 간소화를 위해 기대하고 있는 것은 SiC, GaN 등의 신 디바이스의 도입이다. 이것은 고속 스위칭과 적은 온 저항, 그리고 200℃를 넘는 고온 동작이 가능하다는 장점을 가진다. 그 때문에 공냉(空冷) 등 냉각 시스템의 간소화를 목적으로 이런 신 디바이스를 이용한 전력 변환기의 실용화가 기대되며 여러 가지 연구가 진행되고 있다.3. 2차 전지(배터리, 캐퍼시티capacity)2차 전지는 HEV의 구성에 큰 영향력을 가지는 요소 중 하나이다. 실용화 되고 있는 HEV에서는 거의 대부분이 Ni 수소전지를 채용하고 있고, 현재는 차세대용으로 Li 이온 전지의 채용이 검토되고 있는 단계이다. 최근의 HEV에서는 수요확대를 위하여 저연비(低燃費), 저환경부하를 고려하여 ‘환경에 대한 배려’를 할 뿐만 아니라, 가솔린차에는 없는 주행 능력, 예를 들어 힘 좋게 가속을 하되 부드럽게 나아가는 능력 등을 세일즈 포인트로 하고 있다. 동시에 차종 확대를 도모하는 한편, 하이브리드 전용 설계차 뿐 아니라 기존의 가솔린 자동차를 기본으로 하이브리드 판을 이용하는 케이스가 늘고 있다. 하지만 이런 경우 하이브리드 시스템의 각 요소의 배치 장소 확보가 문제가 되고 있는데 그 중에서도 가장 큰 용적을 차지하는 전지의 배치장소가 문제가 된다.이런 이유로 Ni 수소와 비교하여 질량 에너지 밀도·출력 밀도가 모두 2배 이상, 체적 에너지 밀도도 약 1.3배가 되고 있는 Li 이온 전지의 도입은 2차 전지의 패키지의 소형경량화와 함께 모터의 고출력화도 가능하여 HEV의 보급에 크게 공헌할 것이 기대되고 있다.또 현재 주목을 모으고 있는 것이 Ni 수소전지의 질량 에너지 밀도(20Wh/kg) 대용량 캐퍼시티이다. HEV의 경우, 가속 시 모터에 의해 엔진을 보조하기 위해 높은 출력밀도가 요구되는데 일반적으로 양자는 양립할 수 없는 성질을 가진다. 그래서 HEV에서는 전지 용량의 3할에서 7할 정도밖에 유효하게 활용되지 못한다. 이에 반해 캐퍼시티는 출력밀도가 높고 용량의 이용률을 높게 설정할 수 있어 결과적으로 2차 전지의 소형화를 실현할 가능성이 있다.이처럼 Li 이온 전지, 대용량 캐퍼시티의 등장 등에 의해 선택의 폭이 넓어지고 있지만, 앞에서 말한 PHEV를 성립하기 위해서는 현재의 10배 정도의 체적 에너지 밀도가 필요하며 앞으로도 끊임없는 기술 개발을 이루어내야 한다.4. 차세대 전원 시스템이때까지의 자동차 전원 시스템은 14V계가 주류였다. 하지만 엔진 제어, 에어컨, 오디오, 네비게이션 등 차재 기기가 증가하여, 환경대응용 파워 트레인과 섀시(자동차의 차대) 분야에서 여러 가지 동력 기기의 전동화가 진행되고 있다. 그에 따라 14V계의 한계를 넘을 것이 예상되어 고압화에 의한 전원 파워 업은 불가피할 것으로 생각된다.전 세계적으로 여러 가지 논의를 거쳐 42V계의 규격화가 검토되었고, 전압학회에서도 자동차 기술위원회 내 조사전문 위원회가 조직되어 조사활동을 행하고 있다.특히 HEV에서는 엔진 제동을 적극적으로 행하기 위해 종래의 엔진에서의 벨트에 의한 구동에 의해 발생하는 유압을 사용하는 기기류(파워 스티어링, 에어컨 등)의 전동화가 필수적이다.차재(車載) 전원의 고전압화는 하네스(harness)의 세선·경량화, 여러 가지 기기의 전동화(電動化)를 가능하게 하고, 에너지 절감, 고기능화에 공헌할 것으로 기대된다. 한편 고압화에 의해 엄격하게 된 아크(arc)와 리크(누전)에 대한 회로보호대책, 전력 변환기에 의한 노이즈 대책, 보급을 위한 저비용화를 목표로 하네스, 퓨즈, 릴레이(계전기)와 같은 요소부품부터 전체의 전원 시스템의 구성의 재검토가 필요하다.앞으로는 자동차의 차세대 전원 시스템은 14V계, 42V계를 기본으로, HEV의 경우 수백 V의 고압계를 더한 3전원 구성으로 될 것이고 차량 전체 에너지 효율 최대화의 관점에서 전원 시스템의 구성과 각종 기기의 전원전압의 최적화를 검토해 갈 필요가 있다.5. 에너지 매니지먼트HEV는 그 내부에 구동용 모터를 위한 고압계통, 각종 보기(補機)·전장품용(電裝品用)을 위한 저압계통을 가진 데다 각각의 계통에 구동용 모터, 각종 전장품의 전력소비기기(수요가), 엔진에 의한 발전기(발전설비), 그리고 2차 전지(축전설비)를 갖추고 있다. 모든 운전조건(부하)에 있어서는 안정한 전력공급을 가장 효율적으로 실현해야 한다. 그리고 설계 시에는 자동차 특유의 운전 패턴을 고려한 각종 기기(수요예측에 기초를 둔 발변전·배전설비) 용량의 최적설계와 2차 전지를 유효 활용하여 부하 평준화를 목표로 한 엔진(발전설비)의 운전계획 등을 고려할 필요가 있다.이것은 소규모 자립전력 계통을 설계하여 그 에너지 매니지먼트를 행하고 있는 것이면 조금도 다르지 않다. 특히 HEV에서는 모든 기기가 차재되어 있기 때문에 중량·용적·비용에의 제약이 엄격하여 발전기, 전력 변환기, 2차 전지 등의 용량을 최소화할 수 있는 에너지 매니지먼트는 굉장히 중요하고, 전체의 시스템을 시뮬레이트하여 최적화 설계를 행하는 기술이 요구되고 있다.결말여기에서는 HEV의 전기 기술의 역할에 대해서 이야기해 보았다. 이것은 잘 응용하면 성숙도 높은 기술 분야로 비춰지는 전기 기술이다. 자동차라는 산업의 차세대 기간기술에 HEV가 정착할지 안할지는 전기기술의 공헌에 달려있다고 해도 과언이 아니다.

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