KR20170135250A - 주행거리 확장형 전기차 시스템 - Google Patents

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Abstract

차량별로 독립적인 파워 소스(power source)를 융합 혹은 분리하여 배터리에 공급하도록 하고, 동력을 별도의 동력전달장치(예를 들어, 트랜스미션, 구동모터)를 이용하지 않고 인-휠 모터(In-Wheel Motor)에 직접 인가하여 구동 효율을 극대화하도록 한 주행거리 확장형 전기차 시스템에 관한 것으로서, 복합 에너지 소스; 상기 복합 에너지 소스를 통해 생성된 에너지를 저장 및 변환하는 에너지 저장수단; 및 상기 에너지 저장수단에서 출력되는 에너지 또는 변환된 전력을 저장하고, 저장한 에너지를 이용하여 전력을 생산하며, 상기 변환된 전력 또는 생산한 전력을 인-휠 모터에 직접 인가하여 동력전달 손실을 최소화하는 파워 트레인 시스템(power train system)을 포함하여, 주행거리 확장형 전기차 시스템을 구현한다.

Description

주행거리 확장형 전기차 시스템{Range extender electric vehicle system}
본 발명은 주행거리 확장형 전기차 시스템에 관한 것으로, 특히 차량별로 독립적인 파워 소스(power source)를 융합 혹은 분리하여 배터리에 공급하도록 하고, 동력을 별도의 동력전달장치(예를 들어, 트랜스미션, 구동모터)를 이용하지 않고 인-휠 모터(In-Wheel Motor)에 직접 인가하여 구동 효율을 극대화하도록 한 주행거리 확장형 전기차 시스템에 관한 것이다.
근래의 전기 차량은 구조적 크게 순수 전기차(Pure EV), Hybrid 개념인 Range Extender 전기차(REEV), 그리고 Fuel Cell을 적용한 수소 전기차(FCEV)로 분류할 수 있다. 예컨대, 파워 소스(Power Source)를 순수하게 배터리로만 공급받을 것인지(EV), 부가적인 발전기를 적용하여 배터리와 발전기로부터 공급받을 것인지(REEV), Fuel-Cell Stack System을 적용하여 스택(Stack)으로부터 공급받을 것인지(FCEV)로 나눌 수 있다. 순수 전기차(Pure EV)는 기본적으로 REEV나 FCEV 보다 상대적으로 고 용량의 배터리 시스템(Battery System)을 적용하지 않으면 만족할만한 주행거리를 달성할 수 없다. 즉, 배터리 자체의 에너지(Energy) 밀도의 한계적인 기술을 인정하지 않으면 안되는 실정이다.
또한, REEV는 부가적으로 고가의 발전시스템을 그리고 FCEV는 부가적인 고가의 H2 Tank와 연료 전지 스택 시스템(Fuel Cell Stack System)을 적용해야 하며, 이 배터리에 전원을 지속적으로 공급할 수 있도록 해야 한다.
한편, 고가의 발전시스템을 적용한 주행거리 확장형 자동차에 대한 종래기술이 하기의 <특허문헌 1> 에 개시되어 있다.
<특허문헌 1> 에 개시된 종래기술은 배터리의 충전 상태(SOC)를 검출하는 배터리 관리 시스템; 차량 속도를 검출하는 차량 속도 검출부; 및 상기 배터리 관리 시스템과 차량 속도 검출부로부터 배터리 충전 상태 및 차량속도를 획득하고, 상기 배터리 충전 상태 및 차량속도를 미리 설정된 배터리 최소 충전상태 및 한계속도와 각각 비교하고, 그 대소 여부에 따라 발전기의 구동을 제어하는 차량 제어 장치를 포함하여 구성된다.
상기 차량 제어 장치는 배터리의 충전 상태가 미리 설정된 최소 충전 상태 이하이거나 상기 차량속도가 상기 한계전압보다 클 경우, 발전기를 구동시켜, 저전압 에러 발생을 억제하고, 배터리 충전상태를 고속주행에 알맞은 상태로 유지한다.
이러한 구성 및 작용에 의해 배터리의 충전 상태와 차량속도에 따라 발전기를 제어하여 배터리의 저전압 에러 발생을 억제하게 된다.
대한민국 등록특허 10-1609476(2016.03.30. 등록)(주행거리확장 전기 자동차의 고속주행을 위한 발전기 작동시점 결정장치 및 그 방법)
그러나 상기와 같은 종래기술은 차량의 기본 구조에 따라 단일의 파워 소스 또는 2가지의 파워 소스 중 어느 하나를 이용하여 차량을 구동시키는 방식으로서, 순수 전기차(Pure EV)는 고 용량의 배터리 시스템(Battery System)이 필요한 단점이 있고, 주행거리 확장 전기 자동차(REEV)는 고가의 발전시스템이 반드시 필요하며, 수소 전기차(FCEV)는 고가의 H2 Tank와 연료 전지 스택 시스템(Fuel Cell Stack System)을 구비해야 하므로, 개별적인 특성에 맞는 차량을 구현하는 비용이 많이 소요되어 경제적이지 못하는 단점이 있다.
또한, 상기와 같은 종래기술들은 동력전달장치인 트랜스미션이나 구동모터를 이용하여 동력을 바퀴에 전달하는 방식이므로, 생성한 동력을 직접 휠에 전달하는 방식에 비하여 구동 효율이 낮으며, 서로 다른 복수의 파워 에너지를 융합 혹은 분리하여 차량에 맞게 사용할 수 없다는 단점도 있다.
따라서 본 발명은 상기와 같은 종래기술에서 발생하는 제반 문제점을 해결하기 위해서 제안된 것으로서, 차량별로 독립적인 파워 소스(power source)를 융합 혹은 분리하여 배터리에 공급하도록 하고, 동력을 별도의 동력전달장치(예를 들어, 트랜스미션, 구동모터)를 이용하지 않고 인-휠 모터(In-Wheel Motor)에 직접 인가하여 구동 효율을 극대화하도록 한 주행거리 확장형 전기차 시스템을 제공하는 데 그 목적이 있다.
본 발명의 다른 목적은 다중(Multiple) 또는 플렉시블(Flexible)한 파워 소스를 융합 혹은 분리하여 파워를 공급할 수 있도록 한 주행거리 확장형 전기차 시스템을 제공하는 것이다.
상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에 따른 주행거리 확장형 전기차 시스템은 주행거리 확장형 전기차 시스템으로서, 복합 에너지 소스; 상기 복합 에너지 소스를 통해 생성된 에너지를 저장 및 변환하는 에너지 저장수단; 상기 에너지 저장수단에서 출력되는 에너지 또는 변환된 전력을 저장하고, 저장한 에너지를 이용하여 전력을 생산하며, 상기 변환된 전력 또는 생산한 전력을 인-휠 모터에 직접 인가하여 동력전달 손실을 최소화하는 파워 트레인 시스템(power train system)을 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기에서 복합 에너지 소스는 화석 연료(Fossil Fuel), 바이오메스(Bio-mass), 핵 가스 석탄(Nuclear Gus Coal), 재생 에너지(Renewable Energy) 중 적어도 2개 이상을 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기에서 에너지 저장수단은 상기 복합 에너지 소스에서 출력되는 연료를 저장하는 연료 저장기; 상기 복합 에너지 소스에서 출력되는 전력을 적절한 전력으로 변환하는 전력 변환기; 상기 전력 변환기에서 출력되는 전력으로 수소를 발생하는 수소 발생기를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기에서 파워 트레인 시스템은 상기 에너지 저장수단에서 출력되는 연료를 저장하는 연료 저장 탱크; 상기 연료 저장 탱크에 저장된 연료로 동력을 발생하고, 발생한 동력을 인-휠 모터에 직접 전달하는 제1 파워 트레인; 상기 에너지 저장수단에서 출력되는 전력을 저장하고, 저장 전력으로 인-휠 모터를 구동하는 제2 파워 트레인; 상기 에너지 저장수단에서 출력되는 수소를 이용하여 전력을 발생하고, 이를 이용하여 인-휠 모터를 구동하는 제3 파워 트레인; 상기 연료 저장 탱크에 저장된 연료로 구동을 하는 내연 기관 엔진을 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기에서 제1 파워 트레인은 상기 연료 저장 탱크에 저장된 연료로 구동을 하는 엔진; 상기 엔진에서 발생하는 동력으로 발전을 하는 발전기; 상기 발전기의 출력 전력을 저장하는 배터리; 상기 배터리에서 출력되는 전원으로 구동하는 인-휠 모터를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기에서 제2 파워 트레인은 상기 에너지 저장수단에서 출력되는 전력을 저장하는 배터리; 상기 배터리에서 출력되는 전원으로 구동하는 인-휠 모터를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기에서 제3파워 트레인은 상기 에너지 저장수단에서 출력되는 수소를 저장하는 수소 탱크; 상기 수소 탱크에 저장된 수소로 전력을 생산하는 소형 연료 전지 스택; 상기 소형 연료 전지 스택에서 출력되는 전력을 저장하는 배터리; 상기 배터리에서 출력하는 전원으로 구동하는 인-휠모터를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따르면 차량별로 독립적인 파워 소스(power source)를 융합 혹은 분리하여 배터리에 공급할 수 있는 장점이 있다.
또한, 본 발명에 따르면 동력을 별도의 동력전달장치(예를 들어, 트랜스미션, 구동모터)를 이용하지 않고 인-휠 모터(In-Wheel Motor)에 직접 인가함으로써, 구동 효율을 극대화할 수 있는 효과도 있다.
도 1은 본 발명에 따른 주행거리 확장형 전기차 시스템의 개략 구성도,
도 2는 본 발명에 따른 주행거리 확장형 전기차 시스템의 실시 예 구성도,
도 3은 본 발명에서 주행거리 확장형 전기차 시스템의 플랫폼 예시도.
이하 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 주행거리 확장형 전기차 시스템을 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.
도 1은 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 주행거리 확장형 전기차 시스템의 개략 구성도이다.
본 발명에 따른 주행거리 확장형 전기차(1)는 기존 주행거리 확장형 전기차에 필수적으로 구비되는 고가의 발전시스템을 제거하고, 소형 연료 전지 스택(small fuel stack)(3)을 장착하며, 가솔린 대신에 압축천연가스(CNG) 탱크(2)를 장착한다. 아울러 동력전달장치를 간소화하기 위하여, 기존 트랜스미터나 구동 모터와 같은 동력전달장치를 제고하고, 인-휠 모터(4)를 채택한다. 아울러 범용화된 대형 배터리(5)를 장착한다.
가솔린 사용의 경우, 발전 모드에서 배출가스가 발생하게 되는 데 CNG의 경우 Zero-Emission이 가능하다. 일반 연료 전지는 차량의 출력을 전부 감당해야 하므로 50kW ~ 100kW급의 대용량 스택이 필요하나, 범용화된 대형 배터리(5)를 장착함으로써, 연료 전지 출력 용량을 20kW급으로 소형화할 수 있다.
또한, 본 발명은 구동축의 동력 전달 손실을 최소화하여 주행거리 연장을 하며, Cross Wheel Drive를 채택하여 2륜으로 4륜의 효과를 구현한다.
이를 좀 더 구체적으로 설명하면 다음과 같다.
도 2는 본 발명에 따른 주행거리 확장형 전기차 시스템의 구성도로서, 복합 에너지 소스(10), 에너지 저장수단(30) 및 파워 트레인 시스템(power train system)(30)을 포함한다.
상기 복합 에너지 소스(10)는 화석 연료(Fossil Fuel)(11), 바이오메스(Bio-mass)(12), 핵 가스 석탄(Nuclear Gus Coal)(13) 및 재생 에너지(Renewable Energy)(14)를 이용할 수 있으며, 이러한 에너지 소스를 적어도 2개 이상 융합 혹은 분리하여 공급하는 것이 바람직하다.
상기 에너지 저장수단(20)은 상기 복합 에너지 소스(10)를 통해 생성된 에너지를 저장 및 변환하는 역할을 한다.
이러한 에너지 저장수단(20)은 상기 복합 에너지 소스(10)에서 출력되는 연료를 저장하는 연료 저장기(21), 상기 복합 에너지 소스(10)에서 출력되는 전력을 적절한 전력으로 변환하는 전력 변환기(22) 및 상기 전력 변환기(22)에서 출력되는 전력으로 수소(H2)를 발생하는 수소 발생기(23)를 포함한다.
또한, 상기 파워 트레인 시스템(30)은 상기 에너지 저장수단(20)에서 출력되는 에너지 또는 변환된 전력을 저장하고, 저장한 에너지를 이용하여 전력을 생산하며, 상기 변환된 전력 또는 생산한 전력을 인-휠 모터에 직접 인가하여 동력전달 손실을 최소화하는 역할을 한다.
이러한 파워 트레인 시스템(30)은 상기 에너지 저장수단(20)에서 출력되는 연료를 저장하는 연료 저장 탱크(101), 상기 연료 저장 탱크(101)에 저장된 연료로 동력을 발생하고, 발생한 동력을 인-휠 모터에 직접 전달하는 제1 파워 트레인(110), 상기 에너지 저장수단(20)에서 출력되는 전력을 저장하고, 저장 전력으로 인-휠 모터를 구동하는 제2 파워 트레인(120), 상기 에너지 저장수단(20)에서 출력되는 수소를 이용하여 전력을 발생하고, 이를 이용하여 인-휠 모터를 구동하는 제3 파워 트레인(130) 및 상기 연료 저장 탱크(101)에 저장된 연료로 구동을 하는 내연 기관 엔진(102)을 포함한다.
여기서 제1 파워 트레인(110)은 상기 연료 저장 탱크(101)에 저장된 연료로 구동을 하는 엔진(111), 상기 엔진(111)에서 발생하는 동력으로 발전을 하는 발전기(112), 상기 발전기(112)의 출력 전력을 저장하는 배터리(113) 및 상기 배터리(113)에서 출력되는 전원으로 구동하는 인-휠 모터(114)를 포함한다.
또한, 상기 제2 파워 트레인(120)은 상기 에너지 저장수단(20)에서 출력되는 전력을 저장하는 배터리(121), 상기 배터리(121)에서 출력되는 전원으로 구동하는 인-휠 모터(122)를 포함한다.
상기 제3파워 트레인(130)은 상기 에너지 저장수단(20)에서 출력되는 수소를 저장하는 수소 탱크(131), 상기 수소 탱크(131)에 저장된 수소로 전력을 생산하는 소형 연료 전지 스택(132), 상기 소형 연료 전지 스택(132)에서 출력되는 전력을 저장하는 배터리(133) 및 상기 배터리(133)에서 출력하는 전원으로 구동하는 인-휠모터(134)를 포함한다.
이와 같이 구성된 본 발명에 따른 주행거리 확장형 전기차 시스템의 동작을 구체적으로 설명하면 다음과 같다.
먼저, 본 발명은 복합 에너지 소스(10)를 융합 또는 분리하여 공급한다. 에너지 소스로는 화석 연료(Fossil Fuel)(11), 바이오메스(Bio-mass)(12), 핵 가스 석탄(Nuclear Gus Coal)(13) 및 재생 에너지(Renewable Energy)(14)를 이용할 수 있으며, 이러한 에너지 소스를 적어도 2개 이상 융합 혹은 분리하여 에너지 저장수단(20)에 공급한다.
상기 에너지 저장수단(20)은 상기 복합 에너지 소스(10)를 통해 생성된 에너지를 저장 및 변환한다. 예컨대, 상기 복합 에너지 소스(10)에서 출력되는 화석연료 및 바이오메스 연료는 연료 저장기(21)에 저장하고, 상기 복합 에너지 소스(10)에서 출력되는 에너지는 전력 변환기(22)에서 적절한 전력으로 변환한다. 예를 들어, DC-DC 변환기 등을 이용하여 알맞은 전력으로 변환한다. 이렇게 변환되는 전력은 파워 트레인 시스템(30)으로 전달되고, 아울러 수소 발생기(23)에도 전달된다.
상기 수소 발생기(23)는 상기 전력 변환기(22)에서 출력되는 전력으로 수소(H2)를 발생하여 상기 파워 트레인 시스템(30)으로 전달한다.
상기 파워 트레인 시스템(30)은 상기 에너지 저장수단(20)에서 출력되는 에너지 또는 변환된 전력을 이용하여, 동력을 생산하고, 이를 인-휠 모터에 직접 인가하여 동력 전달 손실을 방지한다.
예컨대, 파워 트레인 시스템(30)의 연료 저장 탱크(101)는 상기 에너지 저장수단(20)에서 출력되는 화석 연료 및 바이오 메스와 같은 연료를 저장한다. 상기 파워 트레인 시스템(30) 내의 내연 기관 엔진(102)은 상기 연료 저장 탱크(101)에 저장된 연료로 구동을 하여 동력을 발생한다.
아울러 상기 파워 트레인 시스템(30) 내의 제1 파워 트레인(110)은 엔진(111)에서 상기 연료 저장 탱크(101)에 저장된 연료로 구동을 하여 동력을 발생하고, 발전기(112)에서 상기 엔진(111)에서 발생하는 동력으로 발전을 하여 전력을 생산한다. 이렇게 생산되는 전력은 배터리(113)에 저장된다. 여기서 배터리(113)는 범용의 대형 배터리를 의미한다. 그리고 상기 배터리(113)에서 출력되는 전원은 인-휠 모터(114)에 인가되어, 동력 전달 장치를 이용하지 않고 바로 동력을 인-휠 모터에 인가하여, 동력 전달 손실을 방지하게 된다.
다음으로, 상기 파워 트레인 시스템(30) 내의 제2 파워 트레인(120)은 배터리(1210에서 상기 에너지 저장수단(20)에서 출력되는 전력을 저장한다. 그리고 상기 배터리(121)에서 출력되는 전원은 인-휠 모터(122)에 인가되어, 동력 전달 장치를 이용하지 않고 바로 동력을 인-휠 모터에 인가하여, 동력 전달 손실을 방지하게 된다.
또한, 상기 파워 트레인 시스템(30) 내의 제3파워 트레인(130)은 수소 탱크(131)에서 상기 에너지 저장수단(20)에서 출력되는 수소를 저장한다. 그리고 소형 연료 전지 스택(132)은 상기 수소 탱크(131)에 저장된 수소로 전력을 생산한다. 여기서 소형 연료 전지 스택(132)에서 전력을 생산하는 방식은 기존 수소 전기차에서 전력을 생산하는 방식과 동일하게 이루어진다. 다만, 소형 연료 전지 스택(132)은 기존 수소 전기차에 장착되는 고가의 연료 전지 스택 시스템이 아니고, 저가의 소형으로 구현한 것이다. 배터리(133)는 상기 소형 연료 전지 스택(132)에서 출력되는 전력을 저장한다. 그리고 상기 배터리(133)에서 출력되는 전원은 인-휠 모터(134)에 인가되어, 동력 전달 장치를 이용하지 않고 바로 동력을 인-휠 모터에 인가하여, 동력 전달 손실을 방지하게 된다.
도 3은 도 1 및 도 2에 도시한 주행거리 확장형 전기차 시스템의 실시 예 플랫폼이다. 차량 전방에는 배터리 냉각, 전기제품 냉각, 엔진 냉각 등을 위한 냉각 시스템이 장착되고, 차량 후드 위치에는 파워 장치가 장착된다. 전기 파워 장치로는 퍼워 분배 유닛, 저 직류-직류 컨버터, 인버터, 챠저 등을 포함할 수 있다. 아울러 전기 파워 장치에 근접하게는 파워 트레인이 장착되며, 그 근처에는 히터, 벤틸레이터, 공조장치 등이 장착될 수 있다. 아울러 차량의 보디 중심의 하단에는 에너지 저장장치를 장착하는 것이 바람직하다. 가 장착될 수 있다. 또한, 동력 전달 손실을 방지하기 위해서, 차량 바퀴의 근처에는 인-휠 모터가 장착되며, 타이어는 EV Tires를 사용하는 것이 바람직하다.
이상 본 발명자에 의해서 이루어진 발명을 상기 실시 예에 따라 구체적으로 설명하였지만, 본 발명은 상기 실시 예에 한정되는 것은 아니고 그 요지를 이탈하지 않는 범위에서 여러 가지로 변경 가능한 것은 이 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 자명하다.
1: 주행거리 확장형 전기차 2: CNG 탱크
3: 연료 전지 스택 4: 인-휠 모터
5: 배터리 10: 복합 에너지 소스
20: 에너지 저장수단 21: 연료 저장기
22: 전력 변환기 23: 수소 발생기
30: 파워 트레인 시스템 101: 연료 저장 탱크
110: 제1 파워 트레인 111: 엔진
112: 발전기 113: 배터리
114, 122, 134: 인-휠 모터 120: 제2 파워 트레인
121: 배터리 130: 제3파워 트레인
131: 수소 탱크 132: 소형 연료 전지 스택
133: 배터리

Claims (7)

  1. 주행거리 확장형 전기차 시스템으로서,
    복합 에너지 소스;
    상기 복합 에너지 소스를 통해 생성된 에너지를 저장 및 변환하는 에너지 저장수단; 및
    상기 에너지 저장수단에서 출력되는 에너지 또는 변환된 전력을 저장하고, 저장한 에너지를 이용하여 전력을 생산하며, 상기 변환된 전력 또는 생산한 전력을 인-휠 모터에 직접 인가하여 동력전달 손실을 최소화하는 파워 트레인 시스템(power train system)을 포함하는 것을 특징으로 하는 주행거리 확장형 전기차 시스템.
  2. 청구항 1에서, 상기 복합 에너지 소스는 화석 연료(Fossil Fuel), 바이오메스(Bio-mass), 핵 가스 석탄(Nuclear Gus Coal), 재생 에너지(Renewable Energy)를 융합 또는 분리하여 공급하는 것을 특징으로 하는 주행거리 확장형 전기차 시스템.
  3. 청구항 1에서, 상기 에너지 저장수단은 상기 복합 에너지 소스에서 출력되는 연료를 저장하는 연료 저장기; 상기 복합 에너지 소스에서 출력되는 전력을 적절한 전력으로 변환하는 전력 변환기; 상기 전력 변환기에서 출력되는 전력으로 수소를 발생하는 수소 발생기를 포함하는 것을 특징으로 하는 주행거리 확장형 전기차 시스템.
  4. 청구항 1에서, 상기 파워 트레인 시스템은 상기 에너지 저장수단에서 출력되는 연료를 저장하는 연료 저장 탱크; 상기 연료 저장 탱크에 저장된 연료로 동력을 발생하고, 발생한 동력을 인-휠 모터에 직접 전달하는 제1 파워 트레인; 상기 에너지 저장수단에서 출력되는 전력을 저장하고, 저장 전력으로 인-휠 모터를 구동하는 제2 파워 트레인; 상기 에너지 저장수단에서 출력되는 수소를 이용하여 전력을 발생하고, 이를 이용하여 인-휠 모터를 구동하는 제3 파워 트레인; 상기 연료 저장 탱크에 저장된 연료로 구동을 하는 내연 기관 엔진을 포함하는 것을 특징으로 하는 주행거리 확장형 전기차 시스템.
  5. 청구항 4에서, 상기 제1 파워 트레인은 상기 연료 저장 탱크에 저장된 연료로 구동을 하는 엔진; 상기 엔진에서 발생하는 동력으로 발전을 하는 발전기; 상기 발전기의 출력 전력을 저장하는 배터리; 상기 배터리에서 출력되는 전원으로 구동하는 인-휠 모터를 포함하는 것을 특징으로 하는 주행거리 확장형 전기차 시스템..
  6. 청구항 4에서, 상기 제2 파워 트레인은 상기 에너지 저장수단에서 출력되는 전력을 저장하는 배터리; 상기 배터리에서 출력되는 전원으로 구동하는 인-휠 모터를 포함하는 것을 특징으로 하는 주행거리 확장형 전기차 시스템.
  7. 청구항 4에서, 상기 제3파워 트레인은 상기 에너지 저장수단에서 출력되는 수소를 저장하는 수소 탱크; 상기 수소 탱크에 저장된 수소로 전력을 생산하는 소형 연료 전지 스택; 상기 소형 연료 전지 스택에서 출력되는 전력을 저장하는 배터리; 상기 배터리에서 출력하는 전원으로 구동하는 인-휠 모터를 포함하는 것을 특징으로 하는 주행거리 확장형 전기차 시스템.




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