전기차(electric car)의 구성 및 주요 부품

자동차 학습/전기자동차 2021. 2. 5. 18:27 Posted by 자동차 전문 교육 자동차 역사가

전기차(electric car)의 구성 및 주요 부품

전기차(electric car)의 주요 부품과 구성에 대하여 알아보자.

전기차의 주요 부품으로는 전기차 2차 배터리, 전기차 구동 모터, 감속기, DC-DC 컨버터, 인버터(Inverter)와 이를 총괄하는 VCU(Vehicle Control Unit)등이 있다.

 

 


최근에 전기차 판매량의 증가에 따라 전기차의 대중화 시대도 멀지 않았다. 그러면 전기차와 기존에 우리가 타고 다녔던 내연기관 자동차와의 차이점은 무엇일까?

전기자동차의 구동 원리와 더불어 주요 부품의 종류와 기능들에 대하여 알아 보도록 하자.

아이오닉(IONIQ) 전기차 구조


전기차는 배터리에 저장된 전력으로 모터를 회전하여 주행합니다. 화석 연료를 연소 시켜 구동 에너지를 얻는 내연기관차와 가장 큰 차이점이다. 따라서 전기차에는 기존 자동차에서 가장 중요한 요소였던 엔진과 변속기가 없습니다. 대신, 전기 동력과 관련된 부품이 자리를 잡고 있다. 구동모터, 감속기, 배터리, 온보드차저, 통합전력제어장치 등이 바로 그것이다. 모두 배터리의 전력으로 모터를 구동하기 위한 부품이다.

전기차 구동모터(출처: 현대차)


구동모터
구동모터는 전기 에너지를 운동 에너지로 전환하여 바퀴를 굴린다. 모터를 구동 장치로 사용하며 얻는 장점은 다양하다. 일단, 주행 중에 발생하는 소음과 진동이 매우 적다. 그래서 전기차에 처음 탑승한 분들은 전기차 특유의 조용하고 안락한 승차감에 놀라곤 합니다. 또한 전기차의 파워트레인은 엔진보다 크기가 작아 공간활용성을 높이는데 유리하다. 남는 공간을 실내 공간이나 짐 공간 확장에 활용할 수 있다.

구동모터는 발전기로도 변환한다. 내리막길 등 탄력 주행 시 발생하는 운동 에너지를 전기 에너지로 전환해 배터리에 저장할 수 있다. 주행 중 속도를 줄일 때도 마찬가지이다. 이는 회생제동 시스템이라고 한다. 현재 일부 전기차에는 회생제동을 단계별로 조절할 수 있는 장치가 마련되어 있다. 스티어링 휠의 패들시프트(paddle shift)를 통해 감속과 회생제동 수준을 단계별로 조작할 수 있고, 이를 통해 효율을 개선하는 것은 물론 운전의 재미까지 느낄 수 있다.

감속기
감속기는 모터의 특성에 맞춰 동력을 바퀴에 더 효율적으로 전달하기 위해 고안된 일종의 변속기이다. 하지만 변속기가 아닌 감속기라고 부르는 데에는 이유가 있다. 모터는 분당 회전수(RPM)가 내연기관 엔진보다 훨씬 높다. 회전수를 상황에 맞게 바꾸는 변속이 아닌, 회전수를 하향 조정(감속)해야 하죠. 감속기는 모터의 회전수를 필요한 수준으로 낮춰 전기차가 더 높은 회전력(토크)을 얻을 수 있도록 한다.


전기차 감속기(출처: 현대차)

 

배터리
배터리는 전기 에너지를 저장하는 부품으로, 내연기관차의 연료탱크와 동일한 기능이다. 전기차의 주행거리는 보통 배터리 용량에 따라 좌우됩니다. 배터리 용량이 클수록 주행거리도 늘어나는 것이죠. 그러나 배터리 용량을 키우는 일은 그리 간단하지 않습니다. 배터리가 차지하는 부피와 무게 때문입니다.

큰 배터리를 얹으면 실내 공간 및 짐 공간이 줄어들고, 에너지 효율이 떨어진다. 운동성능에도 부정적인 영향을 미치죠. 따라서 전기차의 주행거리를 효율적으로 늘리기 위해서는 배터리의 에너지 밀도를 높여야 한다.

전기차 배터리 충전시간 및 항속 거리

크기가 작고 가벼우면서 전기 에너지를 최대한 효율적으로 저장해야 한다.

주행가능 거리가 길수록 충전 횟수가 줄어들어서 전기차 생활이 한층 더 편리해진다. 아이오닉5는 전기차 전용 플랫폼인 현대차 e-GMP를 사용하고 개선된 배터리 시스템을 채용하여 최근에는 800V 고전압 직류 전압을 하여 10분만에 몇백 킬로를 갈 수 있다. 최근 출시된 전기차는 배터리 기술 발전에 따라 에너지 밀도가 크게 높아졌습니다. 덕분에 1회 충전 주행거리도 초기 전기차보다 크게 늘었습니다. 기아자동차 쏘울 부스터 EV의 경우 64kWh 용량의 리튬이온 배터리를 탑재해 최대 386km를 달릴 수 있습니다(국내 인증 기준).

 

배터리 수명 연장

배터리 수명도 크게 개선됐습니다. 전기차의 리튬이온 배터리는 충전 패턴에 따라 수명이 달라지는데, 일상적인 사용 조건이라면 폐차할 때까지 배터리 내구성에 대한 걱정 없이 운행할 수 있습니다. 통상적으로 배터리 전력을 100% 방전될 때까지 주행하고 다시 충전하는 경우라면 1,000, 배터리 전력 50%를 사용하고 다시 충전하는 경우라면 5,000, 전력 20%를 사용하고 다시 충전하는 경우라면 8,000회까지 배터리 사용이 가능합니다. 따라서 쏘울 부스터 EV를 하루에 약 77km(전력 20% 사용 시)를 운행한다고 가정하면 8,000( 22) 동안 배터리 교체 걱정 없이 차량을 사용할 수 있는 것입니다.

배터리 관리 시스템(Battery Management System, BMS)
배터리 관리 시스템(이하 BMS)은 이런 수많은 배터리()를 하나의 배터리처럼 사용할 수 있도록 관리합니다. 전기차의 배터리는 수십 개에서 수천 개에 이르는 셀로 이뤄져 있는데, 각 셀의 상태가 비슷해야 배터리의 내구성과 성능이 최적의 컨디션을 유지할 수 있기 때문이다.

BMS
는 배터리와 일체형으로 설계되는 경우가 많으며, 통합전력제어장치(EPCU)에 포함되기도 합니다. 셀의 충전 및 방전 상태를 감시하고, 배터리에 이상이 감지될 경우 릴레이(특정 조건에서 다른 회로를 개폐하는 장치)를 통해 자동으로 배터리의 전원을 잇거나 끊습니다.



 

현대차 아이오닉5(IONIQ5)72kWh 용량의 리튬이온 배터리를 탑재해 최대 550km를 주행 가능하다.

배터리 히팅 시스템
배터리는 낮은 온도에서 충전량이 감소하며 충전 속도도 느려진다. 배터리 히팅 시스템은 배터리를 최적의 온도로 유지시켜 동절기 성능 저하를 예방하고 주행거리를 확보하는 장치이다. 또한 충전 시에도 적정 온도를 유지해 충전 효율성을 높여준다.

온보드차저(On Board Charger, OBC)
온보드차저(이하 OBC)는 완속 충전을 하거나, 휴대용 충전기로 가정용 플러그에 꽂아서 충전할 경우, 차량에 입력된 교류 전원(AC)을 직류 전원(DC)으로 변환하는 장치이다. 교류를 직류로 전환한다는 점에서 인버터와 비슷해 보이지만, OBC는 충전을 위한 장치이며 인버터는 차량 가속과 감속과 관련된 장치라는 점에서 그 역할이 다르다. 참고로 급속 충전은 직류를 이용한다.


전기차 온보드 차저(충전기)(출처: 현대차)

 

 


통합전력제어장치(Electric Power Control Unit, EPCU)
통합전력제어장치(이하 EPCU)는 차량 내 전력을 제어하는 장치를 통합하여 효율성을 높여주는 역할을 하며 인버터, LDC, VCU로 구성되어 있다.

1.
인버터(Inverter)
인버터는 배터리의 직류 전원(DC)을 교류 전원(AC)으로 변환하여 모터의 속도를 제어하는 장치이다. 가속과 감속 명령을 담당하므로 전기차의 운전성을 높이는 데 있어서 매우 중요한 기능을 한다.

2. LDC(Low voltage DC-DC Converter)
LDC
는 전기차의 고전압 배터리의 전압을 저전압(12V)으로 변환해 전장 시스템에 전력을 공급하는 장치이다. 고전압 배터리는 높은 전압을 사용하지만, 자동차의 전장 시스템은 낮은 전압을 사용하기 때문에 이를 변환하는 장치가 반드시 필요하다.

 

3. VCU(Vehicle Control Unit)
VCU
EPCU에서 가장 중요한 부품 중 하나이다. 차량 내 전력 제어기를 총괄하는 컨트롤 타워에 해당하기 때문이다. 모터 제어, 회생제동 제어, 공조 부하 제어, 전장 부하 전원공급 제어 등 차량의 전력 제어와 관련된 대부분을 관장하고 있다.

 

전기차 자동차의 기본 구조는 배터리, 모터, 감속기 순으로 동력이 전달되고 이를 제어하기 위해서 배터리 관리 시스템(BMS, Battery Management System), VCU(Vehicle Control Unit)이 꼭 필요하다. 각 자동차 메이커 및 배터리 제조기술의 발전에 따라 전기 자동차의 항속거리가 점점 길어지는 추세이다.

 

 

 

위 글은 현대차 홈페이지를 참조하여 작성하였습니다.

 

※자동차 2차 전지에 대하여 좀 더 알고 싶으면 아래 링크를 참조 바랍니다.

2021/02/04 - [자동차 학습/전기자동차] - 전기 자동차 전지의 종류와 요구 특성

2021/01/08 - [자동차 학습/전기자동차] - KONA Electric(코나 전기차 사양 및 취급설명서 공유)

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