주행거리 연장 장치

주행거리 연장 장치(range extender)는 차량의 배터리를 충전하는 발전기를 구동하여 배터리식 전기자동차의 주행거리를 연장하는 연료 기반의 보조 동력 장치(APU)이다. 이러한 구성은 직렬 하이브리드 구동계로 알려져 있다. 가장 일반적으로 사용되는 주행거리 연장 장치는 내연기관이지만, 연료전지나 다른 유형의 엔진도 사용될 수 있다.

주행거리 연장 장치가 장착된 차량은 캘리포니아 대기 자원 위원회(CARB)에 의해 주행거리 연장 전기자동차(EREV), 주행거리 연장 전기차(REEV), 그리고 주행거리 연장 배터리 전기자동차(BEVx)라고도 불린다.

현재 단종된 쉐보레 볼트와 BMW i3를 포함한 많은 주행거리 연장 차량은 주행거리 연장 장치뿐만 아니라 전력망(그리드)에서도 배터리를 충전할 수 있으므로, 플러그인 하이브리드(PHEV)의 일종이다. 하이브리드 전기차(HEV), 마일드 하이브리드(MHEV) 및 대부분의 PHEV는 주로 연소 기관에 의해 동력을 공급받는(엔진과 연료 탱크는 크고 배터리와 전기 모터는 작음) 반면, 주행거리 연장 전기자동차는 그 반대이다.

 동기 
주행거리 연장 장치의 핵심 기능은 차량의 주행거리를 늘리는 것이다. 주행거리 자율성은 전기자동차의 상업적 성공을 가로막는 주요 장벽 중 하나이며, 배터리가 고갈되었을 때 차량의 주행거리를 연장하는 것은 주행거리 불안을 완화하는 데 도움이 된다.

주행거리 연장 장치는 주 연료(배터리 전력 등)를 사용함으로써 주행거리 연장용 연료(가솔린 등)의 소비를 줄이면서도, 가솔린과 같은 단일 연료로 구동되는 차량의 주행거리를 유지할 수 있다. 주행거리 연장용 연료는 일반적으로 주 에너지원보다 환경적, 경제적으로 덜 우호적인 것으로 간주되므로, 차량 제어 시스템은 주 연료를 사용할 수 있는 경우 이를 우선적으로 사용하도록 한다. 그러나 주 에너지원의 주행거리 제한 때문에, 주행거리 연장 장치는 차량이 주 연료의 비용 및 환경적 이점을 많이 누리면서도 주행거리 연장 연료원의 전체 주행거리를 유지할 수 있게 해준다. 즉, 주행거리 연장 장치가 장착된 차량을 사용하여 얻는 이점(비용, 탄소 배출량)은 궁극적으로 차량을 어떻게 운전하느냐, 특히 주행거리 연장 장치를 얼마나 자주 사용하느냐에 따라 달라진다.

예를 들어, 선택 사양으로 주행거리 연장 장치가 있는 BMW i3나 쉐보레 볼트와 같은 자동차는 를 주행할 수 있는 충분히 큰 배터리를 장착하고 있으며, 이는 많은 여정에 충분하지만 장거리 주행에는 충분하지 않다. 따라서 운전자는 통근이나 일상적인 운전에는 배터리 전력을 사용하고, 뉴욕에서 보스턴까지(약 ) 주행할 때는 보조 가솔린 내연기관을 사용하여 배터리 충전(수 시간이 걸릴 수 있음)을 위해 자주 멈추지 않고도 주행할 수 있다. 따라서 차량 소유자는 대부분의 운전에서 더 저렴하고 탄소 집약도가 낮은 전력을 사용하는 이점을 누리는 동시에, 동일한 차량으로 더 긴 여행을 떠날 수 있는 능력을 유지한다.

주행거리 연장 장치가 기존 연료를 사용하는 경우 일반 주유소에서 연료를 보충할 수 있으며, 이는 기존 자동차와 유사한 주행거리를 제공한다.

주행거리 연장 전기자동차는 오직 전기 모터에 의해서만 추진되므로, 일반적인 내연기관 자동차에서 사용되는 변속기 시스템과 관련된 무게와 비용을 줄일 수 있다. 또한 주행거리 연장 장치는 차량의 출력 요구에 맞춰 출력을 높이거나 낮출 필요가 없으므로(이 작업은 전기 모터가 처리함), 피크 출력 요구(가속 시 등)가 아닌 차량의 평균 출력 요구 사항을 충족하는 크기로 제작될 수 있다. 주행거리 연장 장치는 또한 가장 효율적인 회전 속도에 훨씬 가깝게 작동할 수 있다. 이러한 설계 특징을 통해 주행거리 연장 전기자동차는 화석 연료 에너지를 전력과 차량 운동으로 비교적 효율적으로 전환할 수 있다. 내연기관은 또한 높은 RPM(마모를 증가시킴)으로 작동할 필요가 없으므로 수명이 더 길어질 수 있다.

 세대 
 1세대 주행거리 연장 장치는 기성 내연기관이다.
 2세대는 직렬 하이브리드에서 상당히 일정한 부하를 위해 처음부터 새롭게 설계된 피스톤 엔진으로 구성된다. 여기에는 방켈 엔진, 로터리 연소 엔진 및 자유 피스톤 기관이 포함된다.
 3세대는 일정한 부하에서 작동하는 마이크로 터빈과 연료전지이다.

 CARB 규제 
2012년 3월 캘리포니아 대기 자원 위원회(CARB)가 채택한 무공해 차량 규정의 2012년 수정안에 따르면, BEVx로 지정된 주행거리 연장 배터리 전기자동차는 무엇보다도 다음 기준을 준수해야 한다.
 차량의 정격 전기 주행 거리가 최소 여야 한다. 이는 무공해 차량에 요구되는 보다 높다.
 보조 동력 장치(APU)는 배터리 주행거리보다 작거나 같은 주행거리를 제공해야 한다.
 APU는 배터리 충전량이 충전 고갈될 때까지 켜져서는 안 된다.
 차량은 초저배출 차량(SULEV) 요건을 충족해야 한다.
 APU 및 모든 관련 연료 시스템은 제로 증발 배출 요건을 준수해야 한다.

 응용 
주행거리 연장 장치는 해양공학(자율 무인 잠수정), 항공기 및 발전기/유틸리티, 자동차 및 하이브리드 전기차 분야에서 흔히 사용된다.

 자동차 

 쉐보레 볼트 
제너럴 모터스는 쉐보레 볼트를 16 kWh 배터리와 발전기로서의 "주행거리 연장" 가솔린 기반 내연기관(ICE)을 갖춘 전기차량으로 설명하며, 이에 따라 볼트를 "주행거리 연장 전기자동차" 또는 E-REV라고 불렀다. 2011년 1월 인터뷰에서 쉐보레 볼트의 글로벌 수석 엔지니어 파멜라 플레처는 볼트를 "주행거리가 연장된 전기차"라고 언급했다. 볼트는 충전 고갈 모드에서 처음  동안 순수 전기차로 작동한다. 배터리 용량이 완충 상태에서 미리 설정된 임계값 아래로 떨어지면 차량은 충전 유지 모드로 들어가고, 볼트의 제어 시스템은 성능을 향상시키고 고속 효율을 높이기 위해 가장 최적의 효율적인 주행 모드를 선택한다.

제너럴 모터스가 북미의 볼트 소유자들이 주행한 거리를 실시간으로 집계한 결과에 따르면, 2014년 6월 중순까지 그들은 순수 전기 모드로  이상을 주행했다. GM은 또한 볼트 소유자의 운전 중 63% 이상이 순수 전기 모드라고 보고했다. 정기적으로 충전하는 볼트 소유자는 일반적으로 주유 사이에  이상을 주행하며 한 달에 한 번 미만으로 주유소를 방문한다. 2016년 8월 GM이 발표한 유사한 보고서에 따르면, 볼트 소유자들은 EV 모드에서 거의 를 주행했으며, 이는 총 주행 거리의 60%를 차지한다.

 BMW i3 

최소 22 kWh의 배터리 용량을 갖춘 BMW i3 순수 전기차는 가솔린 구동 주행거리 연장용 APU를 선택 사양으로 제공한다. 이 주행거리 연장 장치는 BMW C650 GT 스쿠터에 사용되는 것과 동일한 647 cc 2기통 가솔린 엔진과  연료 탱크를 갖추고 있다. 미국 모델은 원래 탱크 용량이 전자적으로 더 작은 7 L로 제한되었다. 주행거리 연장 장치는 배터리 수준이 6%로 떨어질 때 작동한다. 이는 전기를 생성하여 주행거리를 에서 로 연장한다. 주행거리 연장 모드에서의 성능은 배터리 전력으로 구동될 때보다 더 제한될 수 있는데, 이는 BMW가 주행거리 연장 장치를 충전 장소에 도달할 수 있게 하는 백업 용도로 설계했기 때문이다.

BMW에 따르면, i3 출시 초기에는 주행거리 연장 장치의 사용 비율이 제조사의 예상보다 훨씬 높은 60% 이상이었다. 시간이 지나면서 이 비율은 크게 감소하여 거의 사용하지 않는 사람들도 생겨났으며, 2016년까지 i3의 5% 미만에서만 정기적으로 사용되고 있다.

주행거리 연장 장치 옵션 비용은 미국에서 추가로 , 프랑스에서 추가로 (약 ), 네덜란드에서 (약 )이다.

BMW i3의 주행거리 연장 옵션은 REx라고 불리는 보조 동력 장치(APU)에 대한 CARB 규정을 충족하도록 설계되었다. 2012년 3월에 채택된 CARB 규칙에 따라, REx 장치가 장착된 2014년형 BMW i3는 주행거리 연장 배터리 전기자동차 또는 "BEVx"로 인정받은 최초의 자동차가 되었다. CARB는 이러한 유형의 전기자동차를 "APU가 추가된 상대적으로 높은 전기 주행거리를 가진 배터리식 전기자동차(BEV)"로 정의한다. 일반적인 사용 시 배터리 팩이 고갈된 후 배터리 충전량을 약 6%로 유지하는 APU는 제공할 수 있는 추가 주행거리가 엄격하게 제한된다.

 기타 사례 


다른 주행거리 연장 전기자동차로는 단종된 캐딜락 ELR과 단종된 피스커 카르마가 있다. 2016년 6월, 닛산은 2017년 3월 이전에 일본에서 소형 주행거리 연장 자동차를 출시할 것이라고 발표했다. 이 직렬 플러그인 하이브리드는 2015년 프랑크푸르트 모터쇼에서 선보인 닛산 그립즈 컨셉트 카 크로스오버에서 처음 선보인 e-Power라는 새로운 하이브리드 시스템을 사용할 것이다. 플러그인 기능이 없는 이 기술은 닛산 노트 e-Power와 닛산 킥스 e-Power에 적용되었다.

LEVC TX 런던 택시는 2017년에 출시되었으며, 1.5리터 가솔린 엔진으로 충전되는 33 kWh 배터리를 특징으로 한다.

리 오토 원은 41-kWh 배터리와 소형 1.2리터 가솔린 엔진을 결합한 대형 SUV이다.

이 접근 방식은 라이트버스의 제미니 2 및 뉴 루마스터 버스와 같은 대형 차량에도 사용되었다.

수소 연료전지는 배터리식 전기버스의 주행거리 연장 장치로도 사용되어 주행거리를 늘리는 데 기여했다. 예를 들어, 메르세데스-벤츠 e시타로는 배터리 전기 모델로 의 주행거리를 갖지만, e시타로 연료 전지 버스는 배터리를 재충전하는 60kW 도요타 연료전지 덕분에 의 주행거리를 갖는다.

포드는 완전 전기 픽업트럭을 위해 적재함 장착 가솔린 구동 발전기에 대한 특허를 보유하고 있다. 리비안은 주행거리 연장을 위해 적재함에 장착하는 추가 배터리에 대한 특허를 보유하고 있다. 리비안 전기 트럭은 주행거리 연장을 위해 서로를 충전할 수 있다.

 중궤도 철도 

 선박 

 무인 항공기 
2010년 울버린 3 프로그램에는 무인 항공기를 위한 ICE 주행거리 연장 장치가 포함되었다.

 구동계 

주행거리 연장 전기자동차는 직렬 하이브리드 구동계를 사용한다.

 같이 보기 
 하이브리드 차량 구동계
 마이크로터빈
 하이브리드 차량 목록
 디젤 전기동차

 각주 

 외부 링크 


분류:전기 운송 장비
분류:운송수단 기술
분류:플러그인 하이브리드 차량