전기차용 경량 차체 설계(PBC-EV)

지구 온난화는 자동차 산업의 판도를 바꿀 정도로 심각한 영향을 미치고 있습니다. 자동차가 CO₂ 발생의 주범으로 인식되게 되면서 차량에서 배출되는 CO₂의 감축을 강제하기에 이르렀습니다. 더욱이 화석연료 고갈에 따른 고유가 시장상황과 맞물려 기존의 내연기관 차량의 개선에 머무르지 않고, 전기구동계를 활용한 친환경차량의 개발에 기술역량이 집중되고 있는 실정입니다.

전기차 차체는 차량 사고시 충격을 흡수 및 분산시켜 사고의 충격을 최소화함으로써 탑승자의 안전을 지켜주는 역할을 합니다. 또한, 전기차의 경우 배터리가 파손되지 않도록 지켜주는 역할을 하는데, 여기에 포스코의 기가스틸이 적용됩니다.

포스코는 기가스틸을 사용하여 알루미늄, 탄소 섬유 강화 플라스틱(CFRP) 등 경쟁 소재보다 더 안전하고 가벼운 전기차용 차체, PBC-EV(POSCO Body Concept for Electric Vehicle : 포스코 경량 차체 컨셉)를 개발하였습니다.

주요 결과 - 경량화

기가스틸을 적용하면 차체에 적용되는 부품의 두께를 얇게 제작할 수 있어서 동급 차체 대비 무게가 가벼워집니다. 무게가 가벼우면 당연히 차량 연비도 향상 됩니다.

주요 결과 - 안전성

충돌 시뮬레이션을 통해 테스트한 결과 배터리는 파손되지 않으면서 탐승자는 안전한 것으로 검증되었습니다.
(Euro NCAP 5 star& IIHS good rating 충돌성능 확보)

• IIHS50km/h new MDB
• FMVSS 214P32km/h 75Deg rigid pole
• IIHS4.0 X CVW
• IIHS25% Offset Small Overlap Impact
• FMVSS30180km/h 100% Overlap
• IIHS64km/h 40% Offset

전기차용 배터리팩 설계(PBP-EV)

전기차 배터리는 외부 전력으로부터 전기를 저장했다가 모터에 전력을 공급하여 전기차를 구동시키는 역할을 합니다. 배터리 팩에는 충방전하는 동안 배터리셀에서 발생하는 열을 외부로 효과적으로 방출하기 위한 냉각장치가 있습니다. 차량 사고시에 배터리셀의 보호를 위해 기가스틸이 적용됩니다. 또한, 기가스틸 적용으로 배터리팩을 경량화하여 전기차의 주행거리를 늘릴 수 있습니다.

포스코는 기가스틸, 스테인리스강 및 선재를 사용하여 더 안전하고 가벼운 전기차용 배터리팩, PBP-EV(POSCO Battery Pack for Electric Vehicle)를 개발하였습니다.

좋은 배터리팩의 조건

• 열을 외부로 내보내는 방열특성이 우수해야 함
• 자동차 사고 시에도 전지모듈을 보호하도록 배터리팩 케이스가 견고해야 함
• 주행시 변질되거나 변형됨이 없이 오랫동안 사용할 수 있어야 함

컨셉정의

에너지용량: 60kWH (400km 주행)

전압: 360V

배터리셀: Li-ion 파우치셀

냉각: 간접수냉식

60kWh 일체형대용량배터리

설계

팩케이스/ 모듈설계

구조/ 냉각해석

Feasibility 검증

성형해석/ 공정최적화

시제품제작/ 조립

Upper Case + Lower Assembly(Lower Case + 보강재+ 브라켓) = 배터리팩케이스시제품, 부품제작, 조립

경량 서스펜션 설계(PSC)

서스펜션은 차체의 바닥부에 연결되어 자동차의 기본 성능을 결정하고 노면의 충격이 탑승자에게 전달되지 않게 충격을 흡수하는 역할도 담당합니다. 포스코는 기가스틸를 사용하여 무게를 14~20% 가볍게 하면서도 강성 및 내구성이 우수한 포스코 고유의 현가장치 컨셉을 개발했습니다.

이렇게 탄생한 포스코 경량 서스펜션 컨셉에는 전기차 및 내연기관차량에도 적용이 가능한 PSC-MA(POSCO Suspension Concept for Multi Application)와 4륜 구동 전기차 전용 PSC-EV-4WD(POSCO Suspension Concept for Electric Vehicle) 2가지 형태가 있습니다.

주요 결과 - PSC-MA, POSCO Suspension Concept for Multi Application

PSC-MA는 전기차 및 내연기관차량에 모두 적용 가능한 현가장치 컨셉으로 McPherson 형태의 Front Suspension과 형상이 간단하고 무게가 가벼운 CTBA(Coupled Torsion Beam Axle) 형태의 Rear Suspension으로 구성됩니다. PSC-MA는 설계 결과 20% 현가장치 무게를 줄였습니다.

Rear Suspension(CTBA) 신성형기술 적용된 설계

고강도강판 적용비율 : 90.5%, 기가스틸 적용비율 : 32.4%

줄어든 무게 : 4.4 kg (20.0% 감소)

Front Suspension(McPherson) 기가스틸 적용된 설계

고강도강판 적용비율 : 97.8%, 기가스틸 적용비율 : 70.0%

줄어든 무게 : 5.2kg (20.0% 감소)

주요 결과 - PSC-MA, POSCO Suspension Concept for Multi Application

PSC-EV-4WD은 4륜구동 전기차 전용 현가장치 컨셉으로 McPherson 형태의 Front Suspension과 뒤 쪽에도 구동모터를 장착할 수 있도록 Multilink 형태의 Rear Suspension으로 구성됩니다. PSC-EV-4WD는 설계 결과 17.1% 현가장치 무게를 줄였습니다.

Front Suspension(McPherson) 기가스틸 적용된 설계

Power - 100kW

RPM - 12,000

Torque - 320Nm @ 3000rpm

Front Motor 양산 공급

Rear Suspension(Multilink) 기가스틸 적용된 설계

Power - 40kW

RPM - 20,000

Torque - 95.5Nm @ 4000rmp

Rear Motor 신규 개발 구동모터

Battery Pack(60kWh 이상)

Battery Module 솔루션 사용된 설계

Front Suspension(McPherson Strut 방식)

고강도강판 적용비율 : 97.8%

기가스틸 적용비율 : 70.0%

줄어든 무게 : 5.2kg (20.0% 감소)

Rear Suspension(Multilink 방식)

고강도강판 적용비율 : 88.5%

기가스틸 적용비율 : 48.1%

줄어든 무게 : 3.9kg(14.3% 감소)

픽업트럭용 경량 차체 설계(PBC-LT)

전세계적으로 Light Duty Truck은 승용차 다음으로 큰 시장을 형성하고 있으며, 배기가스, 연비 규제의 강화로 연비향상의 필요성이 크게 증가되고 있습니다. 특히 북미 자동차 시장의 경우 Light Duty Truck 중 풀사이즈 픽업트럭(Ford F시리즈, Chevrolet Silverado 등)의 판매량이 오랜 기간 1, 2위로 유지되고 있으므로 북미 기업평균연비(CAFE) 규제를 만족시키기 위해서는 이러한 모델들의 경량화가 필수적입니다.

이에 포스코는 승용차 뿐만 아니라 풀 사이즈 픽업트럭에 대해서도 가벼우면서도 안전한 철강 차체인 PBC-LT(POSCO Body Concept for Electric Vehicle)를 개발하여 다양한 차량에 대해 우수한 철강 솔루션을 제공하고자 합니다.

주요 결과 - 포스코 첨단 철강 기술 적용

PBC-LT의 개발은 PBC-EV와 마찬가지로 두 가지 부분에 초점을 맞추어 진행 되었습니다. 첫째, 첨단 철강소재의 적용입니다. 기가급 DP, TRIP, 그리고 Mart, HPF와 같은 포스코 첨단강종을 적용하였습니다. 특히 기가급 이상의 초고강도강(UHSS, Ultra High Strength Steel)을 50%이상 적용, 전체적인 프레임, 차체의 강도를 향상시켰습니다. 둘째, 첨단강종 적용 확대를 위해 TWB(Tailor Welded Blank), HF(Hydroforming), HPF(Hot Press Forming), RF(Roll Forming) 등 기존의 공법의 최적화 뿐만 아니라, Tailored HPF, Multi-Strength HPF, 등의 신공법을 적용 하였습니다.

주요 결과 - 경량화

PBC-LT는 68%의 AHSS, 50%이상의 UHSS를 적용하여 기존 풀사이즈 픽업트럭 대비 20%의 경량화를 달성하였습니다. 또한, 차체의 고강도화를 통해 북미 충돌 법규, 상품성 평가에서 우수한 결과를 얻을 수 있는 솔루션을 구현하였습니다. 이러한 개발 결과는 AHSS, UHSS와 같은 첨단 철강소재의 적용 확대가 안전하고 가벼운 차량 개발을 위한 가장 효율적인 선택임을 보여주고 있습니다.

Steel Grades(AS % of Body Weight)

490DP

13.9%

TS590

20%

TS780

3.5%

980DP

7.1%

1180TR

4.9%

1180TWIP

8.5%

1470Mart/Autobeam

5.3%

1470HPF

14.1%

2000HPF

10.7%

MG

0.9%

MILD

0.3%

HSS

9.8%

ETC

1.0%

Weight Saving Results(kg)

Base Model

Carbin/Deck : 462.6kg

Frame : 255.0kg

총 합 : 717.6kg

PBC-LDT

Carbin/Deck : 368.4kg

Frame : 205.7kg

총 합 : 574.1kg

20.0% Weight Reduction

• AHSS 68%
• UHSS(980Mpa ) 50.6%
• UHSS(1.5Gpa) 30.1%

셀프본딩(Self bonding) 기술

기존 체결법은 체결 부위에 열적, 물리적 손상으로 자성이 저하되어 이를 해결하기 위한 본딩 기술을 개발해야 했습니다. 포스코는 셀프본딩(self bonding) 기술을 개발해 자기적 특성이 저하되는 것을 최소화했으며, 소음과 진동을 크게 개선하였습니다.