클라크가 산업차량용 전용 리튬이온배터리를 장착한 전동지게차를 개발했다. 클라크는 리튬이온배터리 전동지게차(이하 리튬이온 지게차) 양산 준비를 마치고 현장 테스트를 진행중이다.
클라크 한국내수영업팀(이하 클라크)은 “리튬이온 지게차는 ‘심장’에 비유되는 리튬이온 셀, ‘머리’ 역할을 하는 BMS(Battery Management System), 실질적인 작업을 하는 ‘몸’인 지게차로 구성돼 있다”며, “클라크가 선보이는 리튬이온 지게차는 테스트를 통해 제어 성능이 검증된 BMS와 산업차량용으로 개발된 고성능 리튬이온 셀을 활용해 10년간 검증된 스테디셀러 EPXFL/CRXFL를 포함한 전 차종을 활용할 수 있는 것이 특징”이라고 소개했다.

현재 전세계적으로 환경규제가 강화되면서 디젤엔진을 대체하기 위한 기술 개발이 한창이다.

지게차 시장 역시 리튬배터리를 활용한 전동지게차를 시장에 선보이고 있으며, 향후 디젤지게차 일부를 대체할 수 있을 것으로 기대되고 있다.
리튬배터리는 리튬이온과 리튬인산철 2가지로 나뉜다.

주로 중국 배터리 기업들이 생산하는 리튬인산철 배터리는 리튬이온에 비해 가격이 저렴하고 발화 등의 안전성 측면에서 우수한 것으로 알려져 있다.

그러나 리튬이온보다 전압과 에너지 밀도가 낮고 무거운 것이 단점이다.
또한 품질에 대한 우려도 존재한다.

리튬인산철은 사용 시간에 따른 전압 변화의 폭이 크지 않기 때문에 정밀한 제어 기술이 요구 된다. 이는 충전과 방전이 반복될수록 누적되는 전압 변화에 대한 정보에서

오차가 발생될 수도 있기 때문이다. 
반면 리튬이온배터리는 셀당 고밀도 에너지 저장이 가능해, 같은 용량일 경우 리튬인산철보다 더 적은 수의 셀이 사용 된다.

또한 셀의 제어 및 관리에 대한 누적 기술력이 리튬인산철보다 높기 때문에 제어 기술에 대한 신뢰성이 높다.
클라크는 LG화학이 생산하는 고성능 리튬이온배터리, 특히 산업차량 전용 셀을 적용했다.

ESS 등 범용적으로 사용하는 일반적인 리튬이온배터리와 달리 지게차나 크레인 등 산업차량 특성에 맞춰 셀 수량 및 출력 등을 특화한 제품으로, 테슬라 등 해외에서 2년간 테스트하며 성능과 안전성을 검증했다.
또한 원통형 타입 셀로 구성됐으며, 고강도 밀폐식 배터리 외함 구조로 이루어져 있고 IPX4 등급의 방수를 지원해 외부의 충격이나 진동, 분진, 수분으로부터 배터리를 보호한다.
리튬이온배터리는 배터리 및 무선통신 전문기업인 피플웍스에서, 리튬이온 충전기는 D&I 테크놀러지를 통해 제공받고 있다.

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<<충전시간 down 사용시간 up>>

​기존 납산배터리 대비 사용시간과 수명이 긴 것도 장점이다.

납산배터리는 7~8시간을 완충해야 5~6시간을 사용할 수 있지만, 리튬이온배터리는 750Ah 및 24kW 충전기 기준 2시간 20분 충전으로 9~10시간 사용 가능하다.
또한 납산배터리는 배터리 잔량이 없을때까지 사용한 이후 충전하는 ‘완충 완방’이 권고되는 반면, 리튬이온배터리는 휴대폰처럼 수시로 충전해도 배터리 수명이 저하되지 않는다.
클라크는 “하루 10시간 이상 작업해야 하는 물류현장의 경우 납산배터리 지게차는 사용시간이 짧아 예비 배터리나 예비 차량이 반드시 필요하지만, 리튬이온 지게차는 사용시간이 길어 1대만으로도 충분히 대응 가능한데다 시간당 충전율이 60~70%에 달하기 때문에 쉬는 시간을 이용한 수시충전으로 16시간 이상 장비사용이 가능하다”고 설명했다.

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이외에 납산배터리는 충전 또는 방전시 황산가스 등 유해가스가 발생하는데 반해 리튬이온배터리는 유해가스 발생이 전혀 없으며 중금속 유해물질을 포함하지 않아 친환경적이다.
지게차 유지보수도 최소화할 수 있다.

납산배터리는 정기적으로 증류수나 전해액을 보충해야 하고 누락될 경우 화재위험이 발생한다.

또한  -20℃ 이하나 40℃ 이상의 온도에서는 배터리 성능이 저하되는 등 환경의 영향을 받는다.

그러나 리튬이온배터리는 증류수 보충 등이 불필요하고 고장률도 매우 낮아 전기료 외에는 유지보수비가 거의 들어가지 않는다.

또한 -40℃~60℃ 의 외부 환경에서도 일정 수준 이상의 충전 및 방전 효율을 보이기 때문에 납산배터리보다 활용성이 높을 것으로 기대된다.
특히 전압 Drop율이 낮아 배터리 잔량이 줄어도 고출력을 지속적으로 유지할 수 있는 것이 특징이다.

이에 클라크는 리튬이온 지게차가 디젤지게차를 대체할 수 있을 것으로 전망하고 있다.
클라크는 “10시간 이상 고출력으로 연속작업이 가능해지면서 디젤지게차와의 성능 차이가 거의 없어졌으며, 디젤지게차와 달리 번호판 등록과 정기검사 등이 필요없어 관리가 간편해지는 등 메리트가 높아졌다”며, “특히 유류비 절감이 가장 큰 장점”이라고 밝혔다.

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​<<리튬이온 지게차 두뇌 ‘BMS’로 배터리 상태 모니터링>>

​리튬이온배터리는 BMS를 통해 발열이나 전압, 전류 등의 상태를 실시간으로 모니터링할 수 있고, 이를 기반으로 과충전 및 과방전 등을 관리할 수 있다.

즉, 충전시 셀의 온도가 올라가면 BMS가 기준치 이하로 떨어지도록 제어하고 배터리내 셀을 골고루 사용할 수 있도록 밸런스를 잡아주는 역할을 한다.
BMS는 리튬이온 셀의 성능을 극대화할 수 있도록 피플웍스가 직접 개발 생산했으며,

테스트를 통해 성능을 검증했다.
피플웍스 조상혁 팀장은 “피플웍스는 LG화학 배터리 관련 협력사로서 생산설비를 갖추고 있다”며, “이를 기반으로 충전시 발열 정도를 확인하는 시뮬레이션을 통해 화재 사고를 미연에 방지할 수 있도록 BMS 회로를 설계하는 등 기능 개선을 위한 수정사항을 즉시 생산에 반영하면서 데모 테스트를 통해 리튬이온배터리 성능을 향상시키고 있다”고 밝혔다.

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이외에 충전기에도 충전시 불규칙적인 전류가 확인되면 제어를 통해 자동적으로 충전 전류를 낮춰 온도 상승을 방지하는 제어 기능을 적용해 안전성을 강화했다.

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<<전 차종 리튬이온 적용 및 납산배터리와 호환 가능>>
클라크는 생산하고 있는 전동지게차 전 차종에 리튬이온배터리를 적용할 수 있도록 설계해,

기존 납산배터리와 호환 장착도 가능하도록 했다.

따라서 기존에 사용중인 클라크 지게차 납산배터리를 별다른 추가 장치 없이 소프트웨어 업그레이드만으로 리튬이온배터리로 교체할 수 있다.
리튬이온배터리는 납산배터리보다 무게가 가볍고 부피도 작다.

따라서 기존 지게차와의 호환성을 위해 배터리내에 웨이트를 추가해 부피와 무게를 납산배터리와 동일하게 맞췄다.
조상혁 팀장은 “향후 리튬이온배터리 전용 장비가 생산된다면 줄어드는 배터리 무게와 부피만큼 사용자 편의장치 등을 추가할 수 있을 것”이라고 말했다.
클라크는 현재 1.6톤, 2톤/2.5톤, 3톤 지게차에 각각 300Ah, 600Ah, 750Ah 용량의 배터리를 장착한 시제품으로 경동택배 진천터미널을 비롯해 다양한 물류현장에서 필드 테스트를 진행중이다.

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그 결과 실제로 2대의 전동지게차를 사용하던 곳에서 리튬이온 지게차 1대로만 작업해도 충분한 것으로 나타났다.

디젤지게차를 대체한 경우는 유류비 절감 효과가 가장 컸으며 엔진오일 교체비용이나 트랜스미션 유지비용도 절감됐다.

또한 작업자 편의성 측면에서는 디젤지게차로 인한 매연이나 분진, 소음 발생이 없어져 쾌적한 작업환경을 유지하는 효과를 얻었다.

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<<7년 사용시 TCO 약 40% 절감>>
클라크는 리튬이온 지게차가 전동지게차보다 초기 구매비용이 약 30% 비싸지만 장기간 사용할 경우 TCO를 절감할 수 있다고 밝혔다.
또한 리튬이온 지게차, 납산지게차, 디젤지게차 2.5톤 장비별 7년차 TCO를 비교한 결과 리튬이온 지게차는 전기료 외에 추가로 들어가는 비용이 없어 TCO가 약 40% 낮아지는 것으로 나타났다.

클라크는 리튬이온 지게차 확산을 위해 피플웍스 등 협력사와 단가를 낮추는 방안도 계속 모색하고 있다.
가장 활발히 연구 중인 것은 리튬이온 셀을 재사용하는 것이다.

리튬이온은 특성상 사용 환경에 따라서 그 수명과 기준이 달라지기 때문에, 잔존가치가 남아 있는 지게차용 배터리를 ESS(에너지저장장치)에 접목하는 것을 개발중이다.

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조상혁 팀장은 “지게차에 사용했던 배터리 셀을 분해 선별하고 재조합해 ESS 사업에 활용할 수 있게 되면, 이에 대한 비용을 보상받을 수 있기 때문에 리튬이온 지게차 단가가 낮아지는 효과를 얻을 수 있다”며, “향후 5년 이내에 실제로 구현할 수 있도록 기술 개발중”이라고 설명했다.

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D&I 테크놀러지 김지한 과장은 “추가적으로 1대의 충전기로 여러 대의 리튬이온 지게차를 순차적으로 충전하는 기술도 연구하고 있다”고 밝혔다.

약 2시간 30분만에 완충이 가능하기 때문에 지게차를 사용하지 않는 심야시간을 활용하면 충전기 1대로도 여래 대를 충전할 수 있기 때문이다.
클라크는 리튬이온 지게차 주문이 들어오면 바로 생산할 수 있는 준비를 마쳤다.

따라서 시장 확대를 위해 화주가 효과를 직접 체험하고 인지도를 높일 수 있도록 대형 렌탈사를 중심으로 데모 테스트를 지속할 계획이다.
클라크는 “초기 구입가가 높기는 하지만 유지보수를 위한 인건비 등을 줄일 수 있고 장기적으로 TCO를 절감할 수 있어 시장 성장성이 높다고 판단하고 있다”고 밝혔다.