월간전기

번역·정리 김대근 기자

에너지 위기의 대책으로서 자전거 이용이 재검토되고 있다. 사람의 힘으로 움직이기 때문에 이산화탄소의 배출이 없고 정체도 없기 때문에 도시에서는 유효한 이동수단으로서 주목을 받고 있다. 그러나 자전거는 지속적으로 페달을 밟아야 하고 비탈길에서의 부하가 크기 때문에 이용자층이 한정되어 있다. 그래서 모터를 이용해 보조력을 제공하는 방법이 고안되었다. 자전거에 처음으로 모터가 탑재된 것은 1980년, 내셔널 자전거 공업㈜(현재, 파나소닉 사이클 테크㈜)에서 발매된「 Electric Cycle」이다. 이 자전거는 주행 시 전기 또는 인력만으로의 전환식이어서 공공 도로를 주행하려면 운전면허가 필요했기 때문에 보급의 확대로까지는 미치지 못 했다. 인력 주행의 보조로서 최초의 전동 자전거는 1993년, 야마하 발동기㈜에서 발매된 「전동 하이브리드 자전거 야마하 파스」이다. 헬멧 착용과 자동차 손해 배상책임보험의 가입, 그리고 운전면허 등이 모두 불필요해짐에 따라 자전거로서의 인지가 널리 확산되었다. 이후 전동 어시스트 자전거는 여러 기업에서 발매되어 현재까지 배터리 성능 및 센싱 기술의 향상에 따라 탑승감이 뛰어난 자전거들이 다량으로 개발되었다. 여기에 도로교통법 시행규칙 개정에 의해 지금까지 최대 1:1이었던 인력과 어시스트(전력보조)의 비율이 2008년도 12월까지 최대 1:2의 비율로 높아짐에 따라 전보다 사용 편리성이 한층 향상되었다. 이상과 같이 전동 어시스트 자전거는 기술적인 면과 법률적인 면에서 이용 환경이 정비돼 가고 있어 향후 보급이 더욱 확대될 것으로 전망되고 있다.

전동 어시스트 자전거의 구성

전동 어시스트 자전거는 크게 자전거 프레임 부분과 전동기 부분으로 분류된다. 프레임 부분은 핸들과 샤프트(軸) 등의 일반적인 자전거 부위를 가리킨다. 이번 회에서는 전동 어시스트 자전거의 근간을 이루는 배터리와 모터 부분의 기능에 대해 해설한다.

배터리

초기의 전동 어시스트 자전거 배터리에는 납축전지가 사용되었다. 그 후 니켈-카드뮴 축전지, 니켈 수소 전지를 거쳐 현재에는 리튬 이온 전지를 채용하고 있다. 리튬 이온 전지는 에너지 밀도가 높아 휴대전화의 충전지 등 첨단 기기를 중심으로 널리 이용되고 있다. 또한, 환경 친화적이며 카드뮴, 납, 수은 등의 환경규제물질을 포함하지 않는다. 또 안전성이 높으며, 수시로 추가 충전을 하여도 메모리 효과가 없다는 이점을 가진다. 배터리의 고성능화는 전동 어시스트 자전거의 경량화로도 이어졌다. 납축전지를 채용했던 초기의 전동 어시스트 자전거의 중량은 30kg 이상이었으나, 2000년 파나소닉㈜에서 발매된 「ViVi 시리즈」는 배터리로써 니켈 수소 전지를 채용하여 당시의 업계 최경량인 19.9kg을 기록했다. 이에 따라 고령자 등 체력이 약한 사람들에게 있어 한층 편리성이 향상된 자전거가 개발되었다. 잔량 검지 방법은 이전에는 전압검지형이 주류를 이루었다. 이것은 휴대전화에 채용되고 있는 방식인데 일반적으로 전압은 충전용량이 낮아지면 급속도로 저하되기 때문에 잔량이 적어질수록 잔량 표시의 감소가 빨라진다. 그래서 신형의 전동 어시스트 자전거에서는 전류적산형이 채용되고 있다. 이것은 배터리의 용량에서 소비된 전류의 차로 잔량검지를 행하는 방법이며, 일정량의 전류가 흘렀을 때 잔량 표시가 변하도록 되어 있다. 한편, 전류적산형의 잔량검지는 온도변화에 따라 오차가 커지는 문제점이 있지만, 전압검지를 통해 보정을 실시하여 정밀도를 향상시키고 있다.

회생 브레이크

회생 브레이크란 평상시에 구동력으로 이용되고 있는 모터를 발전기로서 작동시켜 브레이크 작동시의 제동 에너지를 전기 에너지로 변환하여 회수하는 브레이크 방식이다. 브레이크 패드와 타이어와의 마찰열로 방출되는 에너지를 유효하게 이용하는 방법으로 개발되어 전차 및 하이브리드 자동차에서는 이미 실용화된 기술이다. 내리막길 등에서 브레이크 작동 시 모터가 발전으로 전환되고, 발전된 전기는 배터리에 보충전(補充電, Recharge)되어 어시스트(전력 보조) 시 이용 가능하다. 회생 브레이크를 이용함으로써 주행거리를 20~50% 연장할 수 있다. 하나의 예로 사이클 테크사의 회생 충전 시스템 탑재 모델에서의 회생 제동력의 변화를 [그림 1]에 나타냈다. 회생 충전은 6~24km/h로 브레이크 레버를 가볍게 당기는 동안 작동한다. 좌우 브레이크의 한쪽만을 당기면 반(半) 충전이 되고, 양쪽을 모두 당기면 완전충전이 된다.

브러시리스 모터

축전지에서의 전기적 출력을 기계적 출력으로 변환하는 것이 모터이다. 가장 기본적인 것은 브러시 모터이나 현재의 전동 어시스트 자전거에서는 브러시리스 모터가 사용되고 있다. 2종의 모터 내부 구조를 [그림 2]에 나타냈다. 브러시 모터는 브러시와 커뮤테이터(Commutator, 정류자)에 의해 로터(회전자)가 반회전할 때마다 전류의 방향을 바꾼다. 이를 통해 코일의 자화 방향이 바뀌어 지금까지 서로 끌어당기고 있었던 영구자석의 자극과 반발하여 회전이 지속된다. 커뮤테이터는 회전자에 설치되어 있는 반면, 브러시는 고정되어 있어 이것들이 물리적으로 접촉을 하고 있기 때문에 마찰에 의한 열화가 불가피하다. 이에 반해 브러시리스 모터는 사이리스터 등을 사용하여 스위칭 소자의 제어에 의해 전류의 방향을 바꾸기 때문에 회전 부분과 고정 부분이 접촉하지 않으므로 유지보수성 및 효율이 향상된다.

토크 센싱

전동 어시스트 자전거는 페달을 돌리는 힘과 속도에 따라 모터 출력이 변하기 때문에 페달을 밟는 힘을 센서를 통해 검출할 필요가 있다. 기존에서는 유성 기어 기구로 불리는 방식으로 실시하고 있었다. 이것은 기어의 움직임이 태양의 주위를 도는 행성과 닮아있어 붙여진 명칭으로, 태양기어를 중심으로 유성기어가 자전하면서 공전하는 구조를 가진다. 각 기어는 다른 기어에 구속되지 않고 회전 또는 정지가 가능하다. 이 성질을 이용하여 페달을 밟는 힘을 나누어 한쪽을 직접 구동력으로 하고, 다른 한쪽에 설치한 퍼텐쇼미터(Potentiometer)로 토크를 검출하였다. 그러나 여러 개의 기어로 이루어져 있기 때문에 마찰 저항이 크다는 단점이 있었다. 새로운 방식에서는 비접촉 자왜식(磁歪式) 토크 센서를 채용하고 있다. 이것은 자기의 변형을 이용하여 토크를 검출하는 방법으로서 자기 왜곡 소자(어모퍼스, Amorphous)와 검출 코일로 구성된다. 센서의 각 부품(파나소닉 사이클 테크산)을 [그림 3]에 나타냈다. [그림 3]의 (1)에서 보이는 부품이 센서이다. 이것은 자기 왜곡 소자(2)를 센싱 파이프(3)에 감아 검출 코일(4)로 덮은 것이다. 페달은 크랭크축(Crankshaft)에 연결되어 있어 페달을 밟으면 크랭크축이 약간 뒤틀린다. 이 비틀림에 의해 샤프트에 감은 자기 왜곡 소자의 투자율(透磁率)이 변화한다. 이 변화를 검출 코일로 검지하여 토크의 변화량을 산출한다. 여기서 자기 왜곡 소자는 크랭크축에 접촉하지 않기 때문에 마찰력은 발생하지 않으며 페달의 무게를 바꾸지 않고 토크를 검출할 수 있다. 또 토크 센서 외에도 배터리의 과부하 대책으로서 온도 센서가 설치되어 있다. 위와 같은 동력부의 기술개발과 더불어 프레임 부분의 경량화도 함께 진행되어 왔다. 초기의 전동 어시스트 자전거와 비교하면 총 중량이 약 2/3로 경량화되었으며, 어시스트 주행거리는 3배 이상 길어졌다.

전동 어시스트 자전거의 주행

어시스트 모드

전동 어시스트 자전거의 용도는 탑승자와 그 장소의 환경에 따라 달라진다. 그 때문에 전동 어시스트 자전거에서는 상황에 맞게 최적화된 어시스트를 행할 수 있도록 제어하는 어시스트 모드가 구비되어 있다. 사이클 테크㈜에서 발매된 전동 어시스트 자전거에는 3가지 어시스트 모드가 탑재되어 있다. 각각의 특징을 아래에 설명한다.

(1) 파워모드 | 어시스트력을 항상 크게 유지하여 비탈길을 오를 때나 무거운 짐을 싣고 있을 때에도 쾌적한 주행이 가능하다.

(2) 오토매틱 모드 | 주행조건에 따라 어시스트력을 자동적으로 제어한다. 어시스트력 출력의 강약은 밟는 힘에 의해 인식된다.

(3) 에코 모드 | 주행조건에 따라 어시스트력을 자동적으로 제어하고, 어시스트력을 평상시보다 한층 제어함으로써 1회 충전으로 장거리 주행이 가능하다.

각각의 어시스트 모드에 따른 어시스트력을 [그림 4]에, 주행거리를 [표 1]에 나타냈다.

주행 시의 쾌적성

쾌적한 탑승감을 실현하기 위해 전동 어시스트 자전거에는 다양한 제어를 실시하고 있다. 그 하나로서 정차 시 어시스트력 제어를 들 수 있다. 저속 시 모터에 의한 어시스트력은 밟는 힘의 2배가 되도록 제어되고 있다. 한편, 자전거에 타고 있을 때에는 정차 시에도 페달에 발을 걸치고 있을 때가 많아 정지해 있어도 페달에 하중이 걸리게 된다. 따라서 정차 시에 어시스트력이 작동되지 않도록 어떤 역치를 설정해 그 값을 넘으면 모터가 어시스트력을 가하는 구조로 되어 있다. 또 속도가 지나치게 나오는 것을 방지하기 위해 밟는 힘의 2배의 어시스트력이 작동하는 것은 속도 10km/h까지로 제한되어 있다. 그 이상의 속도 영역으로 넘어가면 서서히 어시스트력이 감소해 24km/h를 넘어가면 어시스트력이 작동하지 않도록 제어되고 있다. 2008년도 법 개정 전후의 어시스트력과 밟는 힘의 관계를 [그림 5]에 나타냈다. 밟는 힘의 검출에는 앞서 기술한 바와 같이 어모퍼스식의 비접촉 자왜식 토크 센서를 채용하고 있다. 운전 시 어시스트력에 의한 위화감을 발생시키지 않기 위해서는 변형이 작은 상태에서 밟는 힘을 검출하는 것이 중요하다.

전동 어시스트 자전거의 향후 전망

현재, 일본 국내에서의 연간 자전거 출하 대수는 약 1000만 대이며, 그 중에서 전동 어시스트 자전거의 출하 대수는 약 30여만 대로 전체의 4% 정도이다. 사이클 테크㈜가 실시한 시승회에서의 설문 조사에 따르면, 인지도는 90% 이상으로 높았지만, 실제로 전동 어시스트 자전거에 타본 사람은 10~20% 정도에 머물렀다. 한편, 시승회에서 전동 어시스트 자전거를 체험해보고 구매를 결정한 사람은 많았다고 한다. 사이클 테크㈜는 앞으로도 시승회를 개최하여 연간 자전거 출하 대수에 대해 10% 이상의 보급을 목표로 하고 있다. 전동 어시스트 자전거의 시장으로서는 일본 국내보다 해외의 보급 속도가 빠르며, 특히 유럽에서의 보급 확대 가능성이 높다. 유럽 전체의 자전거 이용 대수는 일본의 2배 정도이며, 앞으로 전동 어시스트 자전거는 더욱 빠르게 보급될 것으로 전망된다. 또 중국은 자전거 시장으로서는 상당히 규모가 크지만, 자전거 대신 전동 스쿠터가 사용되는 경향이 있다. 단, 법률의 개정에 따라서는 유망한 시장이 될 가능성이 높다. 기술적인 측면에서는 배터리의 진보가 향후 전동 어시스트 자전거 발전의 핵심이 될 것이다. 최근에는 자동차를 중심으로 한 배터리 기술 개발이 급속도로 진행되고 있어, 이와 더불어 전동 어시스트 자전거의 성능 향상도 크게 기대되고 있다.