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고속열차 주행장치 30% 경량화로 에너지 효율 제고

작성자홍보협력실

등록일 2025-08-05

- 열차 하부를 감싸 공기저항을 줄이고, 경량화·소형화하는 기술 개발 -

□ 한국철도기술연구원(이하 철도연, 원장 사공명)은 고속열차의 운영속도를 높이면서도 공기저항을 줄이고 에너지 효율을 극대화할 수 있는 ‘신개념 대차시스템’을 개발하고 있다.

ㅇ 국제 에너지 비용의 상승으로 지난 10년간 국내 철도 전력 단가도 72%나 증가하였으며, 이에 따라 철도 운영사들의 에너지소비 절감 요구가 그 어느 때보다 커졌다. 특히 고속철도 차량의 에너지 사용을 줄이기 위해서는 차량의 경량화와 공력 저항 저감이 필수적이다.

ㅇ 철도차량의 주행장치인 대차는 전체 차량 중량의 30%를 차지하며 주행저항의 주요 원인 중 하나로 꼽힌다. 따라서 대차는 경량화와 소형화의 효과가 가장 큰 핵심 부품이다.

ㅇ 철도연이 개발 중인 신개념 대차시스템의 핵심은 차량 경량화와 공기저항을 줄이기 위한 설계다. 열차의 전두부형상을 최적화하고, 열차 하부를 밀폐한 ‘캡슐형 대차시스템(인보드대차*)’을 적용했다.

*인보드대차: 차륜 외부에 대차 프레임이 위치하는 기존 열차 대차 방식과 달리, 차륜 안쪽에 대차 프레임을 위치하여 경량화 및 소형화를 중심으로 한 설계방식.

□ 캡슐형 대차시스템 경량화를 위해 대차 프레임은 기존에는 박스형(ㅁ-형) 프레임이 아닌, I-형 단면 구조 적용과 최적화 설계를 통해 기존 EMU 대차 프레임 대비 29.5% 경량화 설계를 달성하면서 시뮬레이션을 통해 개선된 구조의 안전성을 확인했다.

ㅇ 추진시스템은 소형화·경량화를 위해 매입형 영구자석 동기전동기(IPMSM) 구조를 적용하여 고출력·고효율을 달성했다. 기존 유도전동기(Induction motor) 대비 효율이 높고, 동일 출력에서도 크기를 줄일 수 있어 소형화에 유리하다. 구조가 단순해 유지보수가 쉽고, 작동 시 소음과 진동도 적다. 국내 전동차에는 적용된 사례가 있으나, 고속열차에는 아직 도입되지 않았다.

ㅇ 제동시스템은 그동안 철도차량에 적용되던 공압제어시스템 대신 전기기계(Electro-mechanical) 제어 방식을 적용해 소형화했다. 하부 구조를 밀폐할 경우 발열 문제가 발생할 수 있는 점을 고려해 브레이크 냉각시스템을 설계했고, 열/유동 해석 결과 밀폐된 공간에서도 발열에 의한 문제는 나타나지 않았다.

ㅇ 동력전달장치에는 견인전동기와 감속기 사이의 연결 구조를 더 작고 간단하게 개선했다.

□ 철도연은 주요 장치를 설계하고 성능을 분석하여, 전체 캡슐형 대차시스템의 해석모델을 개발했다. 이를 통해 탈선 안전도, 승차감, 진동 특성 등 다양한 항목에 대한 해석 결과를 도출했다. 특히 실제 주행 상황을 반영한 마모 차륜 조건에서도 임계속도* 550km/h를 초과하여 유럽 주행성능과 승차감을 규정하는 표준 규격인 EN 14363 및 EN 12299 기준을 만족하여 안정적인 고속 주행 능력을 입증했다.