상용차는 우리의 생활에서 가장 쉽게 체감할 수 있는 물류 분야는 물론, 대중교통과 건설 등, 다양한 분야에 걸쳐 널리 활용되고 있다. 그러나 상용차는 승용차 대비 운용 대수가 크게 적은데도 불구하고 차체가 크고 무거우며, 주행거리가 길어 전체 차량 중 온실가스와 유해물질의 배출 비중이 큰 편이다. 실제로 산업통상자원부가 지난해 발표한 ‘제4차 친환경자동차 기본계획’에 따르면 상용차는 승용차보다 최대 16배 높은 온실가스를 배출하고 있는 것으로 나타났다.

자동차 제조사와 주요 국가의 환경 관련 당국은 이러한 배경 아래 순수 전기 및 수소연료전지 파워트레인을 활용한 친환경 상용차의 개발을 적극적으로 추진하고 있다. 특히 수소연료전지 시스템을 장착한 차량은 주행 중에 대기 오염을 정화하는 효과를 가져, 도심을 운행하는 상용차를 대체했을 때 높은 대기질 개선 효과를 기대할 수 있다.

현재 친환경 상용차는 전기 파워트레인을 장착한 버스를 중심으로 그 저변을 확대하고 있다. 전기 버스는 뛰어난 무공해성과 더불어 전기 모터의 특성으로 한층 쾌적한 주행 성능을 자랑한다. 그러나 배터리 기술력의 한계로 인해 주행거리가 상대적으로 짧아 연속적인 운용이 어려우며, 내연기관에 비해 난방 효율이 낮아 겨울철 운용에도 다소 무리가 있는 것이 사실이다.

전기 배터리 대신 수소연료전지를 에너지원으로 삼는 수소전기버스는 이러한 문제에서 비교적 자유로운 편이지만, 이 역시 혹독한 시내 주행 조건에서 파워트레인에 높은 부하가 가해져 전반적인 운용 효율이 떨어지는 문제를 안고 있다. 따라서 자동차 제조사들을 중심으로 이러한 이슈에 대한 해법이 지속적으로 연구되어 왔다.

이와 같은 친환경 상용차 이슈에 대응하기 위해 산업통상자원부는 ‘FC REEV(Fuel Cell Range Extender Electric Vehicle)’ 트레일러의 개발을 목표로 국책 사업을 진행하고 있다. 이는 기존의 전동화 버스에 수소연료전지 시스템 기반의 별도 차량을 장착해 파워트레인의 운행 부하를 줄이고 주행거리를 늘려 친환경 이동 수단으로서의 가치를 더하는 기술이다.

현대로템은 최근 수소전기트램, 액화수소 기관차 등 차세대 수소 모빌리티를 개발하면서 쌓은 노하우를 바탕으로 본 사업에 참여하고 있다. 현대로템은 트레일러 내부에 담기는 수소연료전지조합체(Power Module Complete, PMC)가 독립 구동이 가능하도록 구성하는 기술을 개발함과 동시에, 효율적인 패키지의 설계를 맡았다. 또한 부가적으로 냉각과 공기 공급을 위한 설비와 함께 PMC의 통합 제어를 위한 시스템 개발도 담당하고 있다. 현대로템 뿐 아니라 다수의 국내 기업들이 트레일러 패키지의 설계 및 제작과 더불어 전동화 버스와의 주행 협조제어 기술, 그리고 각종 소프트웨어 기술의 개발에 참여하고 있다.

FC REEV 트레일러는 별도의 트레일러 패키지 내부에 PMC를 중심으로 전반적인 차량 구동을 위한 부품들을 탑재한다. 수소연료전지 시스템을 장착한 차량과 마찬가지로 공기 공급과 냉각을 위한 냉각 설비와 수소 탱크와 같은 기본적인 장치는 물론, 전동화 버스와의 물리적 연결을 위한 전력 및 통신 커넥터 등이 추가된다. 이를 통해 버스와 트레일러는 커넥터를 거쳐 상시로 협조제어를 수행하며 원활한 구동을 구현함과 동시에 메인 파워트레인의 부하를 줄인다. 결과적으로 이를 장착한 전동화 버스는 250km 이상의 주행거리를 추가할 수 있을 것으로 예상된다.

현대로템은 현재 수소연료전지 스택 1기를 결합한 PMC를 기반으로 FC REEV 트레일러에 탑재할 60kW급 연료전지 시스템의 다양한 성능 지표를 테스트하고 있다. 이 시험은 의왕연구소에 위치한 수소철차개발실에서 국가 안전 기준에 따라 이뤄지고 있으며, 이곳에서 연료전지 시스템의 출력 및 효율과 같은 기본적인 테스트와 함께 통신 인터페이스 설계 검증 및 전력분배 제어 시험 등 여러 시험을 진행하고 있다.

또한 현대로템은 이 프로젝트를 통해 외부 전원 공급이 없어도 독립적으로 구동이 가능한 발전시스템을 구성하는 것을 주 목표로 하고 있다. 따라서 연료전지 동력 모듈 시스템은 연료전지 외에도 단독 구동을 위한 다양한 시스템을 갖추고 있다. 연료전지시스템의 냉각을 위한 냉각장치와 전원 공급을 위한 내부 고압 배터리, 수소 공급을 제어하는 *HMU, 외부 공기 흡입 및 정화를 하는 공기공급시스템, 각종 제어기와 편의장치의 전원공급을 위한 저전압용 *LDC, *BEQ, 저압 배터리 등이 그것이다. 해당 시스템의 개발이 완료되면 PMC의 단독 구동이 가능한 것은 물론, 탄소 저감과 공기정화 효과가 있는 친환경 발전시스템을 사용할 수 있게 된다.

*HMU(Hydrogen storage system Management Unit) : 수소 저장장치 제어기
*LDC(Low voltage DC/DC Converter) : 저압 DC/DC 컨버터
*BEQ(Battery Equalizer) : 배터리 밸런싱 유지 장치

FC-REEV 트레일러는 전동화 버스의 *VCU와 같이 다양한 제어기와의 지속적인 통신을 기반으로 구동된다. 우선 Sub-VCU는 전동화 버스의 VCU와 연결되어 연료전지 시스템 및 전동화 버스 간의 협조 제어를 역할을 한다. FCU는 연료전지시스템을 제어하며, Sub-VCU와 FCU가 원활하게 작동하도록 돕는 FSCU를 추가 구성하고 있다. 특히 FSCU는 냉각 유닛과 HMU를 모니터링하여 냉각팬의 속도, 수소가스를 제어하며, 트레일러 전체 시스템의 효율과 내구성 관련 요소들을 관장하는 역할을 한다.

*VCU(Vehicle Control Unit): 차량제어장치
*FCU(Fuel-cell Control Unit): 연료전지 제어장치
*FSCU(Fuel-cell System Control Unit) : 연료전지 시스템 제어기

현대로템은 국가 R&D 사업 로드맵에 맞춰 연료전지 시스템의 개발을 진행하고 있다. 해당 프로젝트는 참여 기업 간의 활발한 커미셔닝을 통해 장치 전반에 높은 내구성과 신뢰도를 확보하고, 연료전지의 수명 예측 알고리즘을 기반으로 제어 시스템을 구성할 계획이다. 2025년 개발이 종료된 이후에는 본격적인 상용화를 진행하여 전동화 버스 시장을 중심으로 기술의 저변을 넓혀 나갈 계획이다.

향후 FC REEV 트레일러의 상용화가 이뤄지면 현대로템은 철도차량 분야에서 나아가 로드 모빌리티 시장으로도 사업 영역을 넓힐 수 있게 된다. 아울러 현재 개발 중인 연료전지 시스템은 독립 구동이 가능하도록 설계된 만큼, 전동화 트럭과 같은 로드 모빌리티와 더불어 선박과 건설 현장 등에서 사용하는 이동형 발전시스템으로도 활용이 가능해 수소 에너지의 대중화에도 기여할 수 있을 것으로 전망된다.