현대의 다양한 전장 환경에 필요한 경량 및 초경량 전술 기동 차량은 최근에 전기 및 하이브리드 추진 기술을 적용하기 위한 연구가 활발하게 진행되고 있다. 전술 기동 차량은 야지 및 험지의 고속 주행 능력과 저온에서도 성능이 보장되어야 한다. 또한 빠르게 발전하고 있는 최신 배터리 기술이 신속하게 적용되어야 한다.
전술 기동 차량의 성능 구현을 위해서 적용된 기술은 실제의 극한 환경에 운용하여 다양한 기술적 구현을 가능하게 하고, 개발 시에는 인지하지 못했던 시스템 인자의 물리적인 특성과 신뢰성에 영향을 주는 요소를 발견하여 독창성이 있는 시스템 요소 기술로 발전하게 된다. 이러한 과정을 거처 개발된 기술은 민수 분야에 사용할 수 있는 전기 추진 장치 개발의 핵심 원천 기술로 발전하여 기술 경쟁력을 갖는 소중한 기회로 활용될 수 있다.
본고에서는 전기 및 하이브리드 추진 기술을 전술 기동 차량에 적용 했을 때에 얻어지는 장점을 기술하고 저 한다. 험지 주행 등의 특수한 운용 환경에 적합하고 고밀도 에너지 구성 부품을 고려한 차량의 적용 기술에 대하여 설명하고, 현재 활용 중인 차량 모델에 대하여 요약하였다.
전술 차량에 전기 추진 장치를 적용하는 이유
전술 차량에 전기 추진 장치를 적용하면 차량의 전술 운용 측면에서 여러 가지 장점을 가지고 있다. 외국에서 전기 및 하이브리드 추진 전술 차량을 개발하고 실제로 전술적인 운용을 수행하고 운용 유지를 위한 활동을 통하여 얻어진 데이터를 기반으로 장점을 여섯 가지로 요약한 결과가 보고되었다.1
첫번째는 차량 특징을 관리(Signature Management) 하여 생존성(Survivability) 을 높이는 것이다. 전술 차량과 같이 침투 및 야간 기동을 수행하는 차량의 경우에는 차량이 탐지되는 확률이 작전의 성패와 참여 인원의 생존성에 직결되는 매우 중요한 사항이다. 전기 추진 장치는 기존의 내연기관 추진 장치보다 발열량이 적고 소음도 적게 발생하는 특징을 가지고 있어서 탐지되는 가능성을 획기적으로 줄이는 것으로 확인되고 있었다.
특히 작전의 목적에 따라 일정한 거리를 배터리에 저장된 에너지만으로 기동하는 모드인 저소음 기동은 매우 획기적인 작전 시나리오를 가능하게 하였다. 다음 표는 전술 차량이 디젤 엔진을 가동한 일반 차량의 경우와 전기 및 하이브리드 추진 장치의 속도 변화에 따른 소음 크기를 비교하고 있다.
둘째는 효율(Efficiency)의 증대로 연료 소비를 감소시켜 주행 거리를 증가시키고 에너지 공급과 관련된 안전성을 가져올 수 있다. 특히 직렬 형 하이브리드 차량의 엔진의 회전수를 가장 효율이 높은 조건에서 일정 속도로 작동시키고 그 에너지를 전기로 전환하여 배터리와 구동 모터에 전달하여 효율이 극대화 되게 하는 것이 있다. 다음 표는 전기 모터와 디젤 엔진의 효율을 비교한 것이다.
셋째는 차량에 공급하는 연료의 유연성/다양성(Fuel Flexibility/ Diversity)의 특징이다. 전기 및 하이브리드 추진 기동 장치가 적용된 전술 차량은 다양한 운영 환경에서 전기 송전 장치에 의한 전력 에너지, 이동이 가능한 발전 장치인 소형 발전기 혹은 태양광 발전 장치에서 전력을 공급 받을 수 있으며, 화석 연료를 주유하여 자체의 엔진 발전기에 의해 차량의 기동 에너지를 공급 받을 수 있으며, 산악 및 험지 지형 및 장거리 작전 환경에서는 다양한 유형의 에너지 공급원을 활용할 수 있는 장점이 있다.
넷째는 외부에 전력을 공급할 수 있는 기능이다. 최근의 전술 기동 차량은 다양한 환경 및 통합적인 임무를 수행하기 위하여 여러 가지의 임무 장비 즉 이동 형 위성 통신 장치, 네트워크 연동을 위한 장치, 레이저 장치 등이 탑재하게 되고, 이러한 장비들은 전력 에너지가 필요하게 된다. 전기 및 하이브리드 추진 기동 장치가 적용된 전술 차량은 별도의 발전 장치 없이 차량에 장착된 발전 장치와 에너지 저장장치를 활용하여 원활한 전기 에너지 공급이 가능하게 한다.
다섯번째는 전술 차량의 순간 가속을 가능하게 하는 기동 능력(Dynamic Performance)을 향상시켜 준다. 전술 차량은 위협에 대한 회피와 임무 수행의 완성을 위하여 가속 능력의 증대가 꾸준히 요구되어 왔다. 기존의 엔진과 변속기가 기계적으로 연결된 장치에는 이러한 가속 능력의 구현에 제약이 있었고, 이러한 문제는 전기 추진 장치의 도입으로 획기적인 능력 향상이 이루어졌다. 다음은 가속 환경에서의 구동 토크로 이러한 능력을 표현하여 주는 그림이다.
여섯번째는 차량을 구성하는 방법을 사용 목적 및 공간을 최적화하기 위하여 다양하게 할 수 있다. 전술 차량에 적용되는 전기 및 하이브리드 추진 장치는 직렬, 병렬 및 직렬/병렬을 종합하는 방법으로 구성이 가능하고 구성품의 배치(Packaging)도 차량의 임무 성격에 따라 다양하게 구현할 수 있다.
전술 차량 전기 추진 장치 시스템 구성 연구 방향
전술 차량에 적용되는 전기 추진 기술은 운용 환경에서의 상대적인 성능의 우위를 확보하기 위하여 새로운 기술을 적극적으로 도입하는 시도가 꾸준히 수행되어왔다. 신뢰성 및 내구성 확보를 위한 원천 기술의 이해와 물리적인 특성을 파악하기 위한 이론 및 실험 연구 또한 다양한 방법으로 연구되고 있다.
새로운 기술이 적용된 전술 차량은 현장에서 얻어지는 데이터와 민간 기술의 발전에 의하여 새롭게 고안된 기술로 대체되고 성능이 보완되어야 하므로 아키텍처와 구성 부품 및 시스템을 운영 제어하는 알고리즘이 유연성을 갖는 창의적 구성으로 이루어져야 한다. 이러한 목적으로 전기 및 하이브리드 추진 전술 차량의 개발은 모델링에 근거한 시스템 엔지니어링 방법(Model Based System Engineering)이 적극 활용되고 있는 추세이다. 다음 그림은 전기 및 하이브리드 추진 전술 차량의 개발 개념을 요약한 것으로 시스템 요구 조건(Requirement)이 전술 운용 환경 및 운용 유지 조건을 고려하여 설정되고, 전기 추진 장치의 주요 핵심 기술인 전력 및 열 관리(Power and Thermal Management) 기능, 시스템 고장 관리(System Health Management) 기능 등을 고려하여 시스템이 구성된 것을 보여주고 있다. 제안된 시스템 모델은 다양한 S/W와 H/W가 종합된 다양한 시뮬레이터와 시스템 통합 실험 장치를 통하여 입증되게 된다.
전기 및 하이브리드 추진 기동 장치의 가장 핵심이 되는 기술은 전술 차량 추진 장치를 통합적으로 제어하는 장치인 하이브리드 제어 장치(HCU: Hybrid Control Unit)이다. HCU는 전기 추진 차량의 안정성에 중요한 역할을 하므로 성능에 대한 높은 수준의 신뢰성이 요구된다.
아래 그림에서 표시된 바와 같이 HCU 제어 알고리즘은 모델링에 근거하여 구성되는데, 배터리, 모터, 엔진 등의 차량의 구성 부품의 기능이 포함된 모델링과 운전자 특성과 동역학적 물리적인 특성이 포함된 이론 및 데이터 모델이 사용된다. 개발된 제어 알고리즘은 야지 주행 시험 전에 실험실 내에서 시스템 제어 기능을 다양한 종류의 입력 신호에 의하여 확인되게 된다.
모델링에 의하여 설계되고 확인된 HCU 알고리즘은 실제의 차량을 구성하는 구성 부품을 모델링 데이터와 호환하여 검증할 수 있으며, 최종적으로는 다이나모를 사용하여 실제의 차량에 적용하여 모의 주행 실험을 수행하게 된다.
아래 그림은 이러한 과정을 브이모델(V-Model)로 표현한 것인데, 전술 차량의 예상되는 주행 시나리오에 근거한 임무 싸이클(Duty Cycle) 데이터를 입력 신호로 HCU 알고리즘과 구성 부품을 시뮬레이터와 실험 장치를 통하여 보완하고 검증 하게 된다.
전술 차량에 적용되는 전기 추진 장치 구성 부품은 민간 분야 전기 차량에 적용하기 위해 연구되는 결과물을 적용할 수 있으나, 운용되는 환경 및 온도에 대한 엄격한 기준을 요구한다.
특히 전력 전자의 전류 밀도를 높이기 위한 기술이 긴요하며, 실리콘 카바이드(SiC)를 적용하여 효율과 열적 신뢰성을 확보한 변화기(Converter) 등은 좋은 효과를 얻고 있다. 최신 기술이 적용된 고밀도 배터리 및 인버터 기술 또한 적극적으로 적용하여 활용되고 있다.
전술 차량 전기 추진 장치 적용 모델
전술 차량으로 선진국에서 제시되는 모델은 임무 장비가 장착이 가능한 경량 전술 차량(LTV: Light Tactical Vehicle), 이송이 편리한 초경량 전술 차량(UTV: Ultralight Tactical Vehicle)이 대표적이다. 경량 전술 차량(LTV)은 소규모 병력의 이송이 가능하고 무장 및 전술 통신 장치 등이 탑재 가능한 다목적 차량(Multi - Purpose)으로 연료 효율 및 야지 주행 능력에 장전이 입증된 하이브리드 차량으로 개발되었다. 경량 소재를 사용한 초경량 전술 차량(UTV)은 특수 목적용 유틸리티(Utility) 차량으로 전기 구동 및 하이브리드 구동 형태로 소개되었다.
감시 정찰용 무인 차량(UGV: Unmanned Ground Vehicle)과 수송을 목적으로 하는 무인 차량에도 전기 및 하이브리드 추진 장치가 적용되어 활용성이 입증되었다.
전기 및 하이브리드 추진 기술이 적용된 전술 기동 차량은 통합 작전을 수행하는 지휘관 및 병사에게 적보다 유리한 위치 및 심리적 이점을 부여하는 기동성, 치사성 및 보호 기능의 향상을 가져올 것이다. 다양한 임무 장비의 운용 데이터와 병사의 움직임과 생체 신호 정보를 종합하고 전달하는 플랫폼으로 인공지능 및 빅 데이터를 이용한 전장 관리 시스템의 주요 기능도 담당할 것으로 생각된다.
이러한 전술 기동 차량 성능의 상대적인 우수성을 유지하기 위해서 선진국에서는 새롭게 발전하는 전기 추진 요소 기술을 유연성이 있고 신속하게 전투 차량에 적용하는 프로그램을 추진하고 있으며, 획득 및 성능 개선과 군수 관리에 대한 정책적인 변화도 시도되고 있다. 또한 특수한 환경에서 신뢰성 있게 작동하는 전술 차량 전기 추진 장치의 원천 기술은 민수용 기술에 적용되어 제품의 경쟁력을 견인하는 기회가 되고 있으며, 혁신적인 기술 개발을 위한 동기를 부여하고 있다.
* 출처: 한국자동차공학회 제공, 오토저널 2020년 12월호
<참고문헌>
1. Joseph Gerschutz, MILSPRAY, Application of Electric and Hybrid Drive in Light and Ultralight Tactical Vehicles, International Armoured Vehicle Conference, London, UK, January 28. 2015.
현대의 다양한 전장 환경에 필요한 경량 및 초경량 전술 기동 차량은 최근에 전기 및 하이브리드 추진 기술을 적용하기 위한 연구가 활발하게 진행되고 있다. 전술 기동 차량은 야지 및 험지의 고속 주행 능력과 저온에서도 성능이 보장되어야 한다. 또한 빠르게 발전하고 있는 최신 배터리 기술이 신속하게 적용되어야 한다.
전술 기동 차량의 성능 구현을 위해서 적용된 기술은 실제의 극한 환경에 운용하여 다양한 기술적 구현을 가능하게 하고, 개발 시에는 인지하지 못했던 시스템 인자의 물리적인 특성과 신뢰성에 영향을 주는 요소를 발견하여 독창성이 있는 시스템 요소 기술로 발전하게 된다. 이러한 과정을 거처 개발된 기술은 민수 분야에 사용할 수 있는 전기 추진 장치 개발의 핵심 원천 기술로 발전하여 기술 경쟁력을 갖는 소중한 기회로 활용될 수 있다.
본고에서는 전기 및 하이브리드 추진 기술을 전술 기동 차량에 적용 했을 때에 얻어지는 장점을 기술하고 저 한다. 험지 주행 등의 특수한 운용 환경에 적합하고 고밀도 에너지 구성 부품을 고려한 차량의 적용 기술에 대하여 설명하고, 현재 활용 중인 차량 모델에 대하여 요약하였다.
전술 차량에 전기 추진 장치를 적용하는 이유
전술 차량에 전기 추진 장치를 적용하면 차량의 전술 운용 측면에서 여러 가지 장점을 가지고 있다. 외국에서 전기 및 하이브리드 추진 전술 차량을 개발하고 실제로 전술적인 운용을 수행하고 운용 유지를 위한 활동을 통하여 얻어진 데이터를 기반으로 장점을 여섯 가지로 요약한 결과가 보고되었다.1
첫번째는 차량 특징을 관리(Signature Management) 하여 생존성(Survivability) 을 높이는 것이다. 전술 차량과 같이 침투 및 야간 기동을 수행하는 차량의 경우에는 차량이 탐지되는 확률이 작전의 성패와 참여 인원의 생존성에 직결되는 매우 중요한 사항이다. 전기 추진 장치는 기존의 내연기관 추진 장치보다 발열량이 적고 소음도 적게 발생하는 특징을 가지고 있어서 탐지되는 가능성을 획기적으로 줄이는 것으로 확인되고 있었다.
특히 작전의 목적에 따라 일정한 거리를 배터리에 저장된 에너지만으로 기동하는 모드인 저소음 기동은 매우 획기적인 작전 시나리오를 가능하게 하였다. 다음 표는 전술 차량이 디젤 엔진을 가동한 일반 차량의 경우와 전기 및 하이브리드 추진 장치의 속도 변화에 따른 소음 크기를 비교하고 있다.
셋째는 차량에 공급하는 연료의 유연성/다양성(Fuel Flexibility/ Diversity)의 특징이다. 전기 및 하이브리드 추진 기동 장치가 적용된 전술 차량은 다양한 운영 환경에서 전기 송전 장치에 의한 전력 에너지, 이동이 가능한 발전 장치인 소형 발전기 혹은 태양광 발전 장치에서 전력을 공급 받을 수 있으며, 화석 연료를 주유하여 자체의 엔진 발전기에 의해 차량의 기동 에너지를 공급 받을 수 있으며, 산악 및 험지 지형 및 장거리 작전 환경에서는 다양한 유형의 에너지 공급원을 활용할 수 있는 장점이 있다.
넷째는 외부에 전력을 공급할 수 있는 기능이다. 최근의 전술 기동 차량은 다양한 환경 및 통합적인 임무를 수행하기 위하여 여러 가지의 임무 장비 즉 이동 형 위성 통신 장치, 네트워크 연동을 위한 장치, 레이저 장치 등이 탑재하게 되고, 이러한 장비들은 전력 에너지가 필요하게 된다. 전기 및 하이브리드 추진 기동 장치가 적용된 전술 차량은 별도의 발전 장치 없이 차량에 장착된 발전 장치와 에너지 저장장치를 활용하여 원활한 전기 에너지 공급이 가능하게 한다.
다섯번째는 전술 차량의 순간 가속을 가능하게 하는 기동 능력(Dynamic Performance)을 향상시켜 준다. 전술 차량은 위협에 대한 회피와 임무 수행의 완성을 위하여 가속 능력의 증대가 꾸준히 요구되어 왔다. 기존의 엔진과 변속기가 기계적으로 연결된 장치에는 이러한 가속 능력의 구현에 제약이 있었고, 이러한 문제는 전기 추진 장치의 도입으로 획기적인 능력 향상이 이루어졌다. 다음은 가속 환경에서의 구동 토크로 이러한 능력을 표현하여 주는 그림이다.
여섯번째는 차량을 구성하는 방법을 사용 목적 및 공간을 최적화하기 위하여 다양하게 할 수 있다. 전술 차량에 적용되는 전기 및 하이브리드 추진 장치는 직렬, 병렬 및 직렬/병렬을 종합하는 방법으로 구성이 가능하고 구성품의 배치(Packaging)도 차량의 임무 성격에 따라 다양하게 구현할 수 있다.
전술 차량 전기 추진 장치 시스템 구성 연구 방향
전술 차량에 적용되는 전기 추진 기술은 운용 환경에서의 상대적인 성능의 우위를 확보하기 위하여 새로운 기술을 적극적으로 도입하는 시도가 꾸준히 수행되어왔다. 신뢰성 및 내구성 확보를 위한 원천 기술의 이해와 물리적인 특성을 파악하기 위한 이론 및 실험 연구 또한 다양한 방법으로 연구되고 있다.
새로운 기술이 적용된 전술 차량은 현장에서 얻어지는 데이터와 민간 기술의 발전에 의하여 새롭게 고안된 기술로 대체되고 성능이 보완되어야 하므로 아키텍처와 구성 부품 및 시스템을 운영 제어하는 알고리즘이 유연성을 갖는 창의적 구성으로 이루어져야 한다. 이러한 목적으로 전기 및 하이브리드 추진 전술 차량의 개발은 모델링에 근거한 시스템 엔지니어링 방법(Model Based System Engineering)이 적극 활용되고 있는 추세이다. 다음 그림은 전기 및 하이브리드 추진 전술 차량의 개발 개념을 요약한 것으로 시스템 요구 조건(Requirement)이 전술 운용 환경 및 운용 유지 조건을 고려하여 설정되고, 전기 추진 장치의 주요 핵심 기술인 전력 및 열 관리(Power and Thermal Management) 기능, 시스템 고장 관리(System Health Management) 기능 등을 고려하여 시스템이 구성된 것을 보여주고 있다. 제안된 시스템 모델은 다양한 S/W와 H/W가 종합된 다양한 시뮬레이터와 시스템 통합 실험 장치를 통하여 입증되게 된다.
전기 및 하이브리드 추진 기동 장치의 가장 핵심이 되는 기술은 전술 차량 추진 장치를 통합적으로 제어하는 장치인 하이브리드 제어 장치(HCU: Hybrid Control Unit)이다. HCU는 전기 추진 차량의 안정성에 중요한 역할을 하므로 성능에 대한 높은 수준의 신뢰성이 요구된다.
아래 그림에서 표시된 바와 같이 HCU 제어 알고리즘은 모델링에 근거하여 구성되는데, 배터리, 모터, 엔진 등의 차량의 구성 부품의 기능이 포함된 모델링과 운전자 특성과 동역학적 물리적인 특성이 포함된 이론 및 데이터 모델이 사용된다. 개발된 제어 알고리즘은 야지 주행 시험 전에 실험실 내에서 시스템 제어 기능을 다양한 종류의 입력 신호에 의하여 확인되게 된다.
모델링에 의하여 설계되고 확인된 HCU 알고리즘은 실제의 차량을 구성하는 구성 부품을 모델링 데이터와 호환하여 검증할 수 있으며, 최종적으로는 다이나모를 사용하여 실제의 차량에 적용하여 모의 주행 실험을 수행하게 된다.
아래 그림은 이러한 과정을 브이모델(V-Model)로 표현한 것인데, 전술 차량의 예상되는 주행 시나리오에 근거한 임무 싸이클(Duty Cycle) 데이터를 입력 신호로 HCU 알고리즘과 구성 부품을 시뮬레이터와 실험 장치를 통하여 보완하고 검증 하게 된다.
전술 차량에 적용되는 전기 추진 장치 구성 부품은 민간 분야 전기 차량에 적용하기 위해 연구되는 결과물을 적용할 수 있으나, 운용되는 환경 및 온도에 대한 엄격한 기준을 요구한다.
특히 전력 전자의 전류 밀도를 높이기 위한 기술이 긴요하며, 실리콘 카바이드(SiC)를 적용하여 효율과 열적 신뢰성을 확보한 변화기(Converter) 등은 좋은 효과를 얻고 있다. 최신 기술이 적용된 고밀도 배터리 및 인버터 기술 또한 적극적으로 적용하여 활용되고 있다.
전술 차량 전기 추진 장치 적용 모델
전술 차량으로 선진국에서 제시되는 모델은 임무 장비가 장착이 가능한 경량 전술 차량(LTV: Light Tactical Vehicle), 이송이 편리한 초경량 전술 차량(UTV: Ultralight Tactical Vehicle)이 대표적이다. 경량 전술 차량(LTV)은 소규모 병력의 이송이 가능하고 무장 및 전술 통신 장치 등이 탑재 가능한 다목적 차량(Multi - Purpose)으로 연료 효율 및 야지 주행 능력에 장전이 입증된 하이브리드 차량으로 개발되었다. 경량 소재를 사용한 초경량 전술 차량(UTV)은 특수 목적용 유틸리티(Utility) 차량으로 전기 구동 및 하이브리드 구동 형태로 소개되었다.
감시 정찰용 무인 차량(UGV: Unmanned Ground Vehicle)과 수송을 목적으로 하는 무인 차량에도 전기 및 하이브리드 추진 장치가 적용되어 활용성이 입증되었다.
전기 및 하이브리드 추진 기술이 적용된 전술 기동 차량은 통합 작전을 수행하는 지휘관 및 병사에게 적보다 유리한 위치 및 심리적 이점을 부여하는 기동성, 치사성 및 보호 기능의 향상을 가져올 것이다. 다양한 임무 장비의 운용 데이터와 병사의 움직임과 생체 신호 정보를 종합하고 전달하는 플랫폼으로 인공지능 및 빅 데이터를 이용한 전장 관리 시스템의 주요 기능도 담당할 것으로 생각된다.
이러한 전술 기동 차량 성능의 상대적인 우수성을 유지하기 위해서 선진국에서는 새롭게 발전하는 전기 추진 요소 기술을 유연성이 있고 신속하게 전투 차량에 적용하는 프로그램을 추진하고 있으며, 획득 및 성능 개선과 군수 관리에 대한 정책적인 변화도 시도되고 있다. 또한 특수한 환경에서 신뢰성 있게 작동하는 전술 차량 전기 추진 장치의 원천 기술은 민수용 기술에 적용되어 제품의 경쟁력을 견인하는 기회가 되고 있으며, 혁신적인 기술 개발을 위한 동기를 부여하고 있다.
* 출처: 한국자동차공학회 제공, 오토저널 2020년 12월호
<참고문헌>
1. Joseph Gerschutz, MILSPRAY, Application of Electric and Hybrid Drive in Light and Ultralight Tactical Vehicles, International Armoured Vehicle Conference, London, UK, January 28. 2015.