전 세계적인 환경규제 강화와 화석연료의 사용 제한 등으로 내연기관 기반의 동력시스템에서 Zero-Emission 달성이 가능한 전기 구동 기반의 동력시스템으로의 모빌리티 플랫폼 전환이 빠르게 이뤄지고 있다.
이미 전 세계적으로 자동차에 대한 전기동력시스템과 충전 인프라에 대한 기술개발과 상용화는 상당 부분 진행된 상태다.
하지만, 건설·산업기계 적용을 위한 전기 동력시스템과 충전 인프라 등 미래 건설기계의 기반 마련을 위한 기술과 인프라 구축 상황은 미진한 상황인 것으로 알려져 있다.
건설기계 가혹조건 적용 가능 ‘고내구성 전동기’ 전력변환시스템 개발 추진
이동식 충전·공용화 배터리팩·전기구동시스템 통합 실차 기반 실증 연구도
전문가들은 건설·산업기계의 성공적인 전동화 시스템 기술개발을 위해서는 다품종·소량 생산 등 양산성 한계와 함께 다양한 작업환경, 작업조건에 따른 전기 동력시스템의 동작 특성 차이를 고려해 자동차와는 다른 시각에서 접근할 필요성이 있다고 입을 모은다.
한편, 전기식 건설기계의 경우 현재 시장 도입기로 지속적인 고속 성장이 예상되고 있다. 실제로 지난 2022년 92억 불의 시장 규모가 오는 2027년 248억 불로 예상되고 있으며, 건설기계용 리튬이온 배터리는 2027년 89억 불 시장으로 확대될 것으로 전망되고 있다.
현재 해외 선진기업들은 전기식 건설기계와 충전 인프라를 개발, 양산에 적극 나서고 있는 반면, 국내 기업들은 초기 모델 개발 완료 수준에 머무르고 있는 것으로 알려져 있다.
따라서 국내 전기식 건설기계 개발과 보급 확산의 저해 요인인 충전 인프라 부족과 가격 경쟁력 향상을 위해 선제적인 투자 필요성이 대두되고 있다.
특히, 전기식 건설기계 원가의 높은 비중을 차지하는 배터리의 경우 건설기계 전용 배터리 공용화 기술을 통한 가격 경쟁력 확보는 물론 건설기계만의 특성인 고부하, 고용량, 현장의 다양성 등을 고려한 이동식 충전 인프라와 전력 시스템에 대한 필요성도 부각되고 있다.
이에 건설기계부품연구원은 지난 2022년부터 산업통상자원부의 지원 아래 전기식 건설기계 보급·확산의 관건인 충전 시스템과 가격 경쟁력 확보를 위한 공용화 배터리 및 전기구동시스템 개발·실증을 목표로 ‘전기식 건설기계용 충전인프라 및 기반기술개발’ 과제를 진행하고 있다.
현재 ‘건설기계에 전력을 공급하는 패키지형 이동식 충전 시스템’과 ‘친환경 건설기계 산업 경쟁력 제고를 위한 핵심부품 공용화 기술 개발’ 등의 연구에 집중하고 있다.
특히, ‘핵심부품 공용화 기술 개발’ 분야에서는 다양한 종류와 기종의 건설기계와 농기계 등에 공통으로 적용 가능한 5kWh급 공용화 배터리 모듈과 고전압 배터리 팩 시스템 개발 연구와 기존의 엔진을 대체하기 위한 모터, 인버터, 통합제어기 등으로 구성된 전기구동시스템 개발과 실차 적용 통합 평가기술 개발 연구가 진행되고 있다.
한편, 1세부 과제인 ‘건설기계용 50~75kW급 전기구동시스템 개발’ 연구에서는 건설기계의 사용 환경과 가혹조건에 적용 가능한 고내구성의 전동기와 전력변환시스템 개발이 이뤄지고 있다.
이후 이동식 충전 시스템과 공용화 배터리팩 시스템, 전기구동시스템을 통합한 실차 기반의 실증 연구에도 나설 예정이다.
연구내용
이 연구는 ‘건설기계용 50kW·75kW급 전기 구동시스템 개발’을 목표로 하고 있다.
1차년도 연구에서는 전기식 건설기계의 기술동향 분석과 함께 건설기계 시스템 분석 및 개념설계를 진행하고, 전동화 부품 요구사양 분석과 개발 목표 수립, 건설기계용 핵심부품에 대한 단품 및 통합 평가기술개발, 통합 실증을 위한 운용방안 도출 등의 연구를 수행했다.
2차년도에는 50kW·75kW급 전동기와 75kW급 인버터 시작품에 대한 설계·제작 연구를 비롯해 건설기계 운용을 위한 제어알고리즘 개발, 건설기계용 단품평가기술 보완, 중소형 건설기계 실차시스템 기반의 통합시스템 검증을 위한 통합제어기와 통합 평가 환경 개발 등의 연구가 이뤄졌다.
이 같은 성과들을 기반으로 현재 진행 중인 3차년도 연구에서는 50kW·75kW급 전동기와 75kW급 인버터 개선품에 대한 설계·제작과 함께 건설기계용 전동화 부품 성능 확보, 건설기계 운용을 위한 제어알고리즘 개선 등의 연구를 진행하고 있다.
또한, 단위 부품 연계 통합 제어 시스템 검증과 실차 기반 통합 평가 환경 개선 연구도 병행하고 있다.
연구진은 향후 진행되는 4차년도 연구에서는 50kW·75kW급 전동기와 75kW급 인버터 개선품에 대한 신뢰성 확보 기술 개발과 함께 건설기계 운용을 위한 제어알고리즘 고도화, 건설기계용 전동화 시스템 신뢰성 확보, 1·2·3세부 연계 중소형 실차 시스템 기반 통합 성능 평가, 실차 기반 통합 평가 환경 고도화 등에 나설 예정이다.
마지막 5차년도에서는 50kW·75kW급 전동기와 75kW급 인버터 최종 개선품에 대한 설계·제작을 비롯해 건설기계 운용을 위한 제어알고리즘 검증, 건설기계용 전동화 시스템 실차 적용 성능 확보, 1·2·3세부 연계 중소형 실차 시스템 기반 통합 실증, 건설기계 실차 기반 통합 평가 환경 개발(실증) 등을 추진한다.
한편, 이 연구에서 선보일 전기식 건설 기계용 핵심 부품은 건설기계 전동화의 핵심 부품으로 활용될 것으로 예상되는 만큼 향후 국방이나 산업 차량 등 전동화 추진 분야에서 핵심 제품으로 활용될 것으로 기대를 모으고 있다.
또한, 건설기계용 전동기·인버터 설계 기술은 산업차량 전동화 기술로도 활용될 것으로 예상된다.
특히, 온실가스 저감을 통한 탄소중립 실현하는 건설기계의 신사업 창출은 물론 전기식 건설기계 기반 기술 확보로 인한 중소 중견기업의 기술 경쟁력 향상, 중소기업의 전기식 건설기계 시장 경쟁력 확보 등의 효과도 거둘 것으로 전망된다.
인 / 터 / 뷰
고토크 전동기 인버터 시작품 제작 기술 확보
건설기계부품연구원 여시준 전임연구원은 “이번 연구는 친환경 건설·산업기계의 보급 확대를 위한 전동화시스템 구동 기반 기술 확보와 글로벌 환경규제에 대응해 미래 친환경 건설장비 시장에서의 국가 경쟁력 확보를 목표로 진행 중인 연구”라고 말했다.
현재 건품연에서는 건설·산업기계 적용을 위한 전기구동시스템과 통합제어시스템 연구에 구슬땀을 흘리고 있다.
그는 이어 “기존 전기 자동차와 건설·산업기계의 전기구동시스템은 요구 동작 특성에서 서로 다른 특징을 갖고 있는 만큼 이 부분을 중점적으로 고려해 고토크의 전동기 설계 기술, 고신뢰성의 인버터 설계·구동 기술과 통합 전기구동시스템 운용기술을 이용한 시스템 평가 기술 개발에 집중하고 있다”고 밝혔다.
연구진은 그 동안의 연구를 통해 눈에 띄는 성과들을 도출하며 연구의 성공도를 끌어 올리고 있다.
실차 작업동력 데이터 기반 평가 기술 개발 성능 검증까지 마쳐
여 연구원은 “그동안 50kW·75kW급 고토크 전동기와 75kW급 고신뢰성 인버터에 대한 설계 기술과 시작품 제작 기술을 확보했다”며, “또한, 전기 동력 평가장치를 이용한 실차 작업동력 데이터 기반의 평가 기술을 개발하고, 성능 검증까지 완료했다”고 소개했다.
이어 “특히, 개발품에 대한 실차 단위 평가를 위해 기존 엔진식 건설기계의 실차 적용을 위한 구조해석 기술과 최적 레이아웃 설계 기술 기반의 전동화 개조 기술 확보에도 성공했다”고 강조했다.
연구진은 이 같은 성과들을 기반으로 건설·산업기계의 대표 장비인 굴착기를 대상으로 실차 적용과 실증에 나설 예정이다.
여 연구원은 “이번 연구를 통해 선보인 50kW·75kW급 전동기와 인버터를 8톤급 굴착기에 적용해 실제 작업현장에서 사용하는 작업 기준으로 전동화시스템의 통합 운용 검증과 작업부하 특성 실증을 진행할 계획”이라고 밝혔다.
끝으로 여 연구원은 “남은 연구기간 동안 개발한 50kW·75kW급 전동기와 인버터의 1차 시작품에 대한 성능 검증을 진행하고 이를 통해 도출되는 데이터를 활용해 개선점을 도출할 예정”이라며, “이를 기반으로 효율, 전력 밀도, 신뢰성 개선을 위한 설계 기술을 반영해 고효율·고신뢰성을 갖는 전동화시스템 개발을 진행할 계획”이라고 말했다.
이어 “또한, 타 세부 과제에서 진행 중인 배터리, 이동식 충전기 기술 등과 융합해 8톤급 굴착기의 전기동력시스템과 배터리 시스템, 이동식 충전시스템을 통합 적용한 후 실증에 나설 예정”이라고 덧붙였다.
