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전기식 건설기계용 충전인프라 및 기반기술개발 박차

◧탐방-건설기계부품연구원 전기동력연구그룹

오성덕 기자 | 기사입력 2024/05/27 [14:55]
오성덕 기자 이메일 아이콘 기사입력  2024/05/27 [14:55]
전기식 건설기계용 충전인프라 및 기반기술개발 박차
◧탐방-건설기계부품연구원 전기동력연구그룹
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차별화된 기술력을 자랑하며 국내외 건설·산업기계에 적용되는 전동화 시스템과 핵심요소 부품분야를 중점적으로 연구하는 곳이 있다. 바로 건설기계의 신뢰성 향상과 전동부품기술 발전에 마중물 역할을 담당하고 있는 건설기계부품연구원 전기동력연구그룹이다.

 

글로벌 건설기계 시장은 탄소중립에 대한 각종 규제가 강화되면서 제작사들은 배터리 기반의 전기 소형 건설장비 상용화와 함께 중대형 장비로 확대하기 위한 기술 개발에 적극 나서고 있다.

 

국내에서도 소형 굴착기를 시작으로 중대형 장비에 배터리 기반의 전기 동력시스템을 적용하기 위한 연구가 활발히 진행되고 있다.

 

5톤급 굴착기 100% 전동화 ‘전기구동실린더’ 모듈 개발 등

전기 건설기계용 인버터 2종 열해석·설계 제어 검증 연구 추진

탄소중립 실천 등 건설기계 분야 국가 경쟁력 강화 ‘구슬땀’

 

건설기계부품연구원 전기동력연구그룹에서는 전기·수소 모빌리티용 전기구동시스템의 핵심 요소 부품들인 전기 모터를 비롯한 인버터, 전력변환장치, 전기구동액추에이터 등에 대한 설계·해석·제어 기술 등의 부품기술개발과 전동시스템을 적용한 실차 성능 및 신뢰성 연구, 중소·중견기업의 전동화 기술 확보 지원에 구슬땀을 흘리고 있다. 

 

또한, ‘전기식 건설기계용 충전 인프라 및 기반기술개발’ 사업과 기계식 실린더를 전기식으로 대체하기 위한 ‘굴착기용 전기구동실린더 개발’ 연구 등 굵직한 연구사업들을 추진하며 건설기계 분야의 국가 경쟁력 강화에 크게 기여하고 있다. 

 

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핵심 연구

현재 산업통상자원부 주관 ‘단위 kg당 2kN 이상의 추력밀도를 갖는 5톤급 굴착기용 전기구동실린더 개발’ 과제에 주관기관으로 참여, 전기구동실린더 제어 기술과 35만 사이클의 내구성능, 5톤 전기 굴착기 실차 적용 실린더성능 검증 등에 대한 연구를 진행했다. 

 

이 과제는 수요기업에서 생산하는 5톤급 전기 굴착기의 100% 전동화를 위해 유압 실린더와 유사한 추력 밀도를 갖는 전기구동실린더 모듈 개발을 목표로 진행됐다. 

 

전기구동실린더는 전동기를 이용해 동력을 생성하고, 전동기의 회전운동을 직선운동으로 변환해주는 왕복운동기구를 통해 작업동력을 생성·전달하는 원리를 갖고 있다. 

 

이 실린더는 통상 운전자(조이스틱)의 작업동력에 대한 지령이 통합 제어기로 입력되면, 통합 제어기는 운전자의 입력 신호를 통합 제어 알고리즘을 통해 연산한 후 디지털 또는 아날로그 신호 등으로 전동기 드라이브에 전달한다. 

 

이 같은 신호를 수신한 전동기 드라이브는 통합 제어기의 지령을 속도, 토크 제어 알고리즘을 통해 연산해 전동기에 전기 에너지를 입력하면 전동기의 기계적 출력에 의해 스크류가 최종 동력을 작업부로 전달하는 구조다. 

 

실린더를 통해 전달되는 작업동력은 굴착 작업은 물론 다양한 어태치먼트를 활용해 암석을 깨거나 바닥에 구멍을 뚫는 작업, 선적 작업, 절단 작업 등 다양한 용도로 사용할 수 있다. 

 

전기동력연구그룹은 그동안의 연구를 통해 건설기계용 전기구동실린더 1종 개발을 성공적으로 완료했다

 

이와 함께 지난 2021년부터 산업부 주관 ‘응답시간 150ms 미만으로 원격제어(RF/LTE)가 가능한 5톤급 건설용 전기굴착기 개발’ 국책과제에 공동연구개발기관으로 참여하며, 과제 최종 목표인 5톤급 전기굴착기 개발에 박차를 가하고 있다. 

 

현재 전기 건설기계용 인버터 2종에 대한 열해석·설계, 제어, 성능 검증 등의 연구를 진행하고 있다. 

 

세부적으로 살펴보면, ‘고효율 전동 시스템 모듈화 기술’ 개발부문에서는 전기구동시스템 적용을 위한 5톤급 전기굴착기의 최적 레이아웃 설계 연구에 집중하고 있다. 

 

또한, 통합 제어 시스템과 유압 시스템 모듈 단위 호환성 검증, 유닛 배터리 팩 확장형 시스템와 밸런싱 알고리즘 개발, 배터리 BMS/Master MAS 시제품 제작과 신뢰성 평가, 모터와 인버터 수냉 방열 시스템 공용화 기술 개발 등의 연구도 병행하고 있다. 

 

‘실시간 원격 통합 제어 기술’ 개발 부문에서는 굴착기의 원격조정 시뮬레이터 메커니즘 설계와 모션 동기방법 개발 연구와 함께 LTE 기반 원격 영상 컨텐츠 통신기술과 실시간 굴착기 제어 AR 컨텐츠 등을 개발하고 있다. 

 

‘최적화 설계 기술’ 개발 부문에서는 작업환경을 고려한 구동시스템의 제어 로직 최적화 연구와 응력집중 취부 위치 강건화를 위한 구조해석 기반 최적화 설계, 소선회를 위한 In-wheel type 고집적 파워트레인 설계와 제어 최적화 연구를 수행하고 있다. 

 

‘시험·평가기술’ 부문에서는 5톤급 전기굴착기 성능 검증을 진행하는 한편, 과충전, 과방전, 단락안전 등 안전 관련 평가를 통한 배터리 신뢰성 확보 기술 개발에 나서고 있다. 

 

이 같은 연구들을 통해 선보일 고효율, 최적화 기술이 접목된 소형 전기 굴착기는 향후 기술시장 선점과 굴착기 관련 부품, 시스템 안정성과 신뢰성 평가 기술 향상에 기여할 것으로 기대를 모으고 있다. 

 

특히, 원격 제어 기술은 작업 공간이 협소한 도심지나 인간이 들어 갈 수 없는 오염 지역과 같은 극한 환경 조건에서 무인으로 구동 할 수 있는 기술로, 원전이나 건물 해체 작업에 적용 할 수 있을 것으로 예상된다. 

 

한편, 전기동력연구그룹은 이 같은 연구 역량과 경험을 기반으로 지난 2022년부터는 산업부의 지원 아래 ‘전기식 건설기계용 충전인프라 및 기반기술개발’ 국책과제에 총괄 주관기관으로 연구를 이끌어 가고 있다. 

 

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이 과제는 ‘건설기계용 50~75kW급 전기구동시스템 개발’ 연구와 ‘건설기계용 5kWh급 공용화 배터리모듈 및 고전압 배터리팩 개발’, ‘건설기계용 200kW급 이동식 충전 시스템 개발’ 등 크게 3가지 분야로 구성돼 있다. 

 

연구진은 그동안의 연구를 통해 건설기계의 작업 부하를 모사할 수 있는 시뮬레이터 기반의 전기 동력 시스템 평가 환경을 구축하는 한편, 굴착기에서 요구되는 다양한 작업에 대한 실제 동력 데이터를 취득, DB화하는 데 성공했다. 

 

특히, 이번 과제를 통해 구축한 ‘건설기계 부하 모사 시뮬레이터 기반 전기동력시스템 평가 설비’는 실제 건설기계에서 요구하는 로드 프로파일을 기반으로 개발된 전장 부품을 실제와 유사한 부하 조건으로 성능 검증이 가능해 개발 기간 단축은 물론 내구 신뢰성 확보가 가능하다. 

 

연구진은 향후 다양한 건설기계의 작업별 로드 프로파일을 DB화해 건설기계용 전기 동력시스템에 대한 내구성능 평가, 검증 등에 활용할 계획이다.

 

또한, 에너지 소비 효율 향상을 통한 1회 충전 작업 시간 향상을 위해 전기건설기계 전용 플랫폼에 대한 연구와 함께 중대형 대표 건설기계에 적용하기 위한 전기 동력 시스템을 비롯해 전동화 장비 다각화를 위한 연구에 나설 예정이다. 

 

 

인 / 터 / 뷰

 

전기건설기계 보급·확산 주력

 

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▲ 진원준 그룹장    

건설기계부품연구원 진원준 전기동력연구그룹장은 “저속·고토크 특성을 갖는 건설기계는 빈번한 정역회전과 순간적인 고토크 운전 등 가혹한 운전특성을 고려한 설계, 해석, 제어 기술이 필요하다”며, “또한, 진동, 충격, 분진, 분무 등 열악한 환경에서 작업이 이뤄지는 사용 환경을 고려한 설계가 뒷받침돼야 한다”고 강조했다.

 

이어 “이에 전기동력연구그룹에서는 배터리 기반의 전기건설·산업기계용 전기 동력시스템을 비롯해 건설·산업기계용 전동 액추에이터 기술, 전기건설·산업기계 성능과 신뢰성 확보 기술 등 다양한 연구개발과 프로젝트를 수행하고 있다”고 소개했다. 

 

특히, 건설·산업기계용 전기 동력시스템의 핵심 부품인 전기모터 설계·해석을 비롯해 고신뢰성 인버터 및 전력변환장치 설계·제어, 전동 액추에이터의 구조해석·설계, 제어 기술 연구에 집중하고 있다.

 

이외에도 실제 장비에 전기 동력시스템을 적용하며 핵심 부품의 성능 검증에도 노력을 기울이고 있다. 

 

진 그룹장은 “‘전기식 건설기계용 충전 인프라 및 기반 기술개발’ 과제를 통해 가격 경쟁력 확보를 위한 전기 동력시스템과 배터리 팩 시스템의 공용화 기술 및 건설기계 전용 충전 인프라 개발을 추진하며 전기건설기계의 보급·확산을 위한 기반을 마련해 나가고 있다”고 말했다. 

 

이어 “지금까지의 연구를 통해 건설기계의 작업 부하를 모사할 수 있는 시뮬레이터 기반의 전기 동력 평가시스템을 구축하고, 굴착기에서 요구되는 다양한 작업에 대한 실제 동력 데이터 취득과 DB화에 성공했다”고 설명했다. 

 

시뮬레이터 기반 전기동력평가시스템 구축

실제 동력 데이터 취득 DB화 성공 ‘자긍’

 

현재 기존 내연기관 굴착기를 개조해 전기 동력시스템과 배터리 팩 시스템을 장비에 적용한 후 충전 시스템과의 연계를 통한 실증을 준비하고 있다.

 

진 그룹장은 “건설기계의 높은 작업부하에 대응하기 위해 사용되는 저효율 유압 실린더를 대체하기 위해 진행한 ‘단위 kg당 2kN 이상의 추력밀도를 갖는 5톤급 굴착기용 전기구동실린더 개발’ 과제를 통해 개발된 건설기계용 전기구동실린더는 건품연에 설치된 전용 평가 장비를 이용해 35만 사이클에 달하는 내구성을 검증했다”고 말했다. 

 

또한, 5톤급 전기 굴착기의 작업부에 장착한 후 다양한 작업을 진행하며 유압 실린더 대비 동등 이상의 성능도 검증했다.

 

끝으로 진 그룹장은 “앞으로 전기 건설기계 시장 확대와 국내 기업의 글로벌 점유율 향상을 위한 핵심 기술 연구와 전동화 부품을 개발하는 국내 중소·중견기업의 기술 경쟁력 확보를 위한 연구와 지원에 적극 나서며 전기 건설기계 분야 국가 경쟁력 확보에 이바지할 계획”이라고 덧붙였다. 

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