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궤도차량용 보조전원공급장치 특성 및 향후 발전방향

2022. 08. 17

글. 페리만 & 티젠 신원철 대표이사

현재 소요군에서 궤도차량에 장착하여 사용하고 있는 보조전원공급장치(Auxiliary Power Unit)의 필요성과 해당 구성품에 대한 특성을 고찰하고 향후 발전 방향을 모색하고자 한다.

서론

보조전원공급장치(이하 ‘APU’)는 차량 축전지 충전 및 주 엔진 정지 상태에서 임무 수행을 위해 차량 및 유압 구동장치의 소요 전원을 공급한다. 최근 차량의 전기 전자 장비의 첨단화로 인해 추가적인 전원공급을 위한 고출력의 초소형 엔진을 이용한 APU의 수요가 증가하고 있는 추세이다. 본 기고문에서는 차량에 전원을 공급해 주는 APU 특성과 향후 발전방향에 대해 알아보고자 한다.

APU 특성 및 필요성

특성

현재 사용 중인 APU 특성은 아래 표1과 같다.

표1. APU 특성

항목 성능
기본 성능 최대출력 정격전압(28.0±0.5VDC) 상태에서 운전될 때 최대출력은 8kW 이상
전압 변동율 부하율 10%(29±5A)에서 85%(243±5A), 85%(243±5A)에서 10%(29±5A)로 부하를 변동시킬 때 전압 변동률은 23~32VDC 이내이어야 하고, 2초 이내에 안정화 전압(25~30VDC)으로 회복
속도 변동율 최소부하(1∼5A), 50%부하(143±5A), 100%부하(285±5A)에서 10분 동안 측정된 회전수는 표의 규정값 이내
부하 엔진 회전수(mrpm)
100 % 2,950±100
50 % 2,800±100
최소 부하 2,600±100
과도전압 특성 정상조건에서 부하율 10%(29±5A)에서 85%(243±5A), 85%(243±5A)에서 10%(29±5A)로 변동시킬 때 서지성전압은 18~40VDC 이내이어야 하고, 스파크성전압은 ±250VDC 이내
리플전압 100%(285±5A) 부하 시 출력전압의 리플전압은 ±2VDC 이내

필요성

궤도차량 엔진 특성상 공회전과 최대 부하 시 연료 사용량의 차이가 크지 않기 때문에 오랫동안 엔진을 돌리면 많은 연료를 소비하게 되므로 APU의 사용이 필수적이다. 훈련 및 작전 운용 시 APU의 유무에 따라 궤도차량의 전력에 큰 차이가 있다.

전장 환경에서 주 엔진을 가동하면 열과 소음이 외부에 노출되어 적 전차나 공격헬기, 무인기에 식별되기 때문에 주 엔진을 대신하여 사용 시 주 엔진 수명 관리 차원에서도 도움이 된다.

참고로 한국 육군의 K9 자주곡사포 개발 시 APU를 장착 예정이었으나 양산 검토 시 생략되었고, 훈련 간 APU만 운용하여도 될 상황에서도 주 엔진을 켜는 결과를 초래하여 K9의 엔진이 조기 마모되는 등의 문제 발생으로 K9 성능개량사업에서 APU 장착이 결정되었다. APU 특성은 표 1과 같으며, APU 형상은 그림 1과 같다.

그림 1. APU

APU의 구성품

APU의 주요 구성품은 엔진, 발전기, 제어장치, 케이블 등으로 구성된다.

엔진

APU 엔진은 그림 2에서 보는 바와 같이 중량이 가벼우면서 크기가 작고, 출력이 크며, 궤도차량의 진동 충격에 내구성이 보장된 엔진이 필요하다. 또한 최초 APU 개발 시 궤도차량의 공간 활용성을 보장받을 수 있으면서 소형크기에 고출력을 발휘하는 독일산 708CC@10kW급 엔진을 선정해 ’05년 수출형 K9 자주포용으로 채택하여 시제를 개발하였다.

그림 2. 국산화 엔진

이후 ’09년 K1구난전차 성능개량, K21보병전투장갑차량에 적용하기 시작하여 ’10년에는 K55A1성능개량형 자주포 및 ’13년 K2전차 등에 적용하였으나 엔진 도입 업체인 독일 Farymann사의 생산 중단으로 인한 수급 불안정이 발생하였다.

이를 해소하기 위해 해당 엔진인 단기통 수평형 공랭식 4행정 디젤엔진을 핵심부품 국산화 개발사업으로 ’14년 11월 ∼ ’17년 10월 국산화 개발을 완료하여 ’18년부터 국산 엔진을 사용한 APU를 생산 해 체계장비에 장착하여 전력화를 추진하고 있다. 그리고 동시에 해외수출을 진행하고 있다. 표 2는 엔진 제원을 나타낸 것이다.

표2. 엔진 제원

구분 내용
형식 공랭식 수평형 1기통 4행정
크기(LxHxW) 580x360x430
중량(kg) 건조 92
최대속도(rpm) 3,000
최대토크 40.6Nm@2,300rpm
배기량(cc) 708
압축비 19:1
사용온도(℃) 50
배기온도(℃) 580
노즐분사압력(bar) 250
오일압력(bar) 5
흡입진공압(kPa) 2
배기가스압력(kPa) 5
엔진오일소모(g/kwh) 1.0

본 디젤엔진은 단기통 실린더의 수평형으로 구동되며, 공기냉각방식, 직접 분사식 4행정 디젤엔진이다. 엔진은 오일 압력에 의해 강제 윤활되고, 연료분사펌프 및 밸브는 크랭크축에 의해 제어된다. 연료 분사펌프는 밸브가 푸시로드와 로커암에 의해 구동되는 동안 직접 구동되며 기술적 특징을 요약하면 다음과 같다.

  • 직접 분사식(Bosch사 분사시스템)
  • 플라이휠로부터 동력 전달
  • 시동기 시동 또는 크랭크 핸들을 이용한 수동 시동 방식
  • 기계식 조속기
  • 기어펌프에 의한 오일 강제 윤활
  • 경량 합금 크랭크 케이스
  • 플라이휠 냉각팬을 이용한 공기방식
  • 수평 구동방식으로 장착 공간 최소화
  • 환경 친화 설계로 크랭크케이스 내부 발생 유증기 연소실로 재처리

발전기

엔진 플라이휠에 부착된 영구자석이 엔진 크랭크케이스에 장착된 고정자(권선 조립체)와 일정 간극을 유지한 상태로 회전하면서 발전을 일으키는 영구자석(PMG)형 발전기로 최대출력 8kW 이상이며 특성과 형상은 표 3, 그림 3과 같다.

표3. 발전기 제원 및 특성

구분 내용
크기 Ø340x90
중량(kg) 10
형태 영구 자석형(PMG)
구동방식 엔진직결
냉각방식 공랭식
결선방식 델타 결선(저전압, 대전류 적합)
최대출력 28VDC, 285A 이상
특성
  • 과도응답특성 양호
  • 타 발전기 대비 크기 감소(영구자석을 계자로 이용 별도회로 불필요)
  • 영구자석 계자 자속크기 조절 어려움(발전 응답속도가 타 발전기 대비 늦음)
그림 3. 발전기

제어장치

제어장치는 체계 사용 부하에 따라 발전기 정전압(28.0±0.5VDC) 제어가 목적이며, 운용자가 쉽게 보고 판단할 수 있도록 발전기 운용상태 및 장비의 부하 상태를 보여주고 데이터를 처리하는 제어기능을 갖는 장비로 장비별 체계 운용 조건을 고려해 설계되고 제작되어 운용된다. 주요 제원 및 형상은 표 4, 그림 4와 같다.

표4. 제어장치 제원 및 특성

구분 내용
발전기 출력제어 정전압(28.0±0.5VDC) 제어
엔진시동/ 정지제어 보조동력장치(엔진) 시동/정지
APU 보호기능
  • 엔진 과열 이상 시 엔진 정지
  • 오일 압력 이상 시 엔진 정지
예열기 구동시스템 동계 시 오일/공기예열
알림 표시
  • 엔진오일 저압
  • 엔진 과열
  • 전원/예열 작동
  • 공기여과기 막힘
  • 연료표시(K9A1, K55A1)
시간 기록계 가동시간 누적표시
적용장비 K9A1, K9 수출형, K55A1, K2, K21, K1ARV, K600
그림 4. 제어장치

결론

궤도차량용 APU는 '05년 K9 말레이시아 수출용으로 최초 개발되었으며, 이후 APU의 개발 및 양산을 지속하여 현재까지 국내의 전차, 자주포, 장갑차의 APU 양산 누계 수량은 0000대, 수출 00대 등 0000대를 궤도차량용으로 생산하였다.

최근 궤도차량의 자동화 기능 및 전기 전자 장비의 첨단화로 인해 장비 운용에 필요한 소요 전력 증대에 따라 궤도차량에 적합한 내구성이 보장되는 고출력의 초소형 엔진을 이용해 전원을 공급하는 APU 소요가 증가 추세이다.

또한 소요군의 편의성 향상을 위하여 냉방장치 장착이 요구되는 등 장비 운용 편의성 확보가 필요하다. 그리고 증가되는 전기부하 해소를 위해 장비마다 특성에 맞춘 별도의 소형, 경량, 고출력의 APU 최적화 배치 및 경제성 확보에 대한 지속적인 연구발전이 필요하다.

체계 장비 안전성 및 내구도 향상을 위하여 체계 장비가 완성된 이후에 기본 APU를 개조 개발하여 적용하기보다 체계 장비 개발 초기부터 기존 개발된 APU를 모델로 하여 최적화된 APU 설계가 필요하다.

참 고 문 헌
  • 1. ㈜페리만&티젠, 핵심부품 국산화개발 지원사업 최종보고서(C140002), 2017.