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4. 친환경 전기 자동차(Electric vehicle: EV)의 구성과 주요 부품 소개

자동차 학습/전기자동차

by 자동차 역사가 2015. 12. 10. 14:47

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친환경 전기 자동차(Electric vehicle: EV)의 구성과 주요 부품 소개

전기 자동차(Electric vehicle: EV) 정의

전기자동차(Electric vehicle: EV)는 주로 배터리의 전원을 이용하여 AC 또는 DC모터를 구동하여 동력을 얻는 자동차이다.


전기 자동차(Electric vehicle: EV)의 역사

가솔린 자동차가 출현되기 훨씬 이전인 1873년 영국의 R. Davidson에 의해 최초로 제작되었으나 1차 세계대전 후 정유 산업의 발달과 내연 기의 기술적 진보에 따라 자취를 감추게 되었다. 80년대에 들어서 자동차 배출가스에 의한 공해문제가 대두되면서 그 해법으로 전기자동차의 사용이 제시되었으나 축전지 기술부족으로 상용화가 미루어져 왔다. 그러나 전자 산업의 발달에 따른 2차 전지의 용량 및 안전성 개선으로 1990년 이 후 급격한 상용화가 이루어 지게 되었다.


전기 자동차 주요 부품 

전기 자동차(Electric vehicle: EV)의 주요 부품은 전지, 모터, 인버터/컨버터, 회생제동장치, 전지 시스템(BMS) 등이 있습니다. 먼저는 전지는 재충전이 가능한 2차 전지를 이용하며, 전기 자동차에 가장 중요한 부품이다. 모터는 전지를 통해 구동력을 발생시킨다. 인터버/컨버터는 직류와 교류를 변환시키는 역할을 한다. 배터리 관리 시스템(BMS, Battery Management System)은 전지의 충전, 방전을 조절하고 보호하는 역할을 하며 전지를 성능을 종합적으로 관리하는 역할을 합니다.


그림1. 전기자동차 주요 부품

모터

모터의 종류에는 직류모터와 교류 모터가 있으며, 축전지로부터 전원을 공급 받아 자동차를 구동하는 역할을 합니다. 교류모터는 브러시가 필요 없으나 교류의 타이밍을 모토로 얻고 싶은 토크와 회전수를 맞춰 조정하기가 어려워 효율은 낮습니다. 최근에는 회전자와 고정의 위치 관계를 정확하게 알아서 교류 전류를 흘리는 방식이 개발되어 브러시 없는 직류모터와 같은 성능을 낼 수 있다. 모터에 부과되는 전압은 회전수와 전류 모든 관계가 있습니다. 전기 자동차로 평지 주행 시 속도를 높이려면 전압을 올리면 되고 오르막길에서 같은 속도로 달리고 싶으면 전압을 올리고 회전수를 유지한 채 전류를 증가시키면 됩니다. 요즘에는 브러시리스 DC 모터(BLDC)라고 불리는 유도식 교류모터가 많이 사용하기도 합니다.

전지

전지는 주행 시 잔여 전력량을 표시 주는 기능이 중요한데, 일반적으로 전지액의 비중이나 전압을 측정하여 전력량을 표시합니다. 그러나 전지 중에는 주위 온도에 따란 남아 있는 전력량을 변화하는 것도 있어 계기판에 표시하는 것이 어려운 기술적 과제입니다.

DC/AC Converter

인버터는 컨버터와 같은 작용을 하면서 직류를 교류로 변환시키는 기능입니다. 직류를 교류로 만들기 위해 변조기를 사용합니다. 이로 인해 인버터는 컨버터에 비해 구조가 복잡합니다.

모터 제어기

엑셀 페달 조작량과 속도를 검출하여 운전자가 의도한 구동 토크 변화를 가져 올 수 있도록 차속이나 부하 등의 조건에 따라 모터의 토크 및 회전속도를 제어합니다. 직류모터는 전류의 크기를 제어하며, 교류모터는 진폭이나 주파수/위상을 바꾸어서 자동차의 주행 조건을 변경합니다.

회생제동 장치

전기 자동차의 에너지를 절감시키는 가장 중요한 핵심 기술 중의 하나이다. 전기 자동차 모터는 발전기와 구조가 같아 전류를 흘리면 회전하고 반대로 밖에서 힘을 걸어 회전시키면 발전기 되는 원리입니다. 자동차 감속 시 제동할 때 그 힘으로 모터를 회전시켜 전기를 발전시켜 축전지로 보내는 장치를 만들면 전기소모량이 많이 절감할 수 있습니다. 전기 자동차에 쓰이는 모터들은 저속에서 고속까지 무단으로 부드럽게 변환시킬 수 있으므로 반드시 변속기와 감속기가 필요하지는 않습니다.


그림2. 전기자동차 구조

그러면 전기자동차 Electric vehicle: EV)의 요소 기술에 대하여 알아 보기로 하겠습니다.

전기자동차(Electric vehicle: EV) 요소기술

1) 전지 기술

가) 전기자동차의 가장 핵심기술은 성능이 우수한 축전지의 개발이다. 물론 구동장치나 제어 장치 및 경량화를 위한 재료개발이 필요합니다.

나) 축전지 성능향상에 영향을 주는 주요인자로는

  ① 에너지 밀도 → 자동차 운행거리 결정

  ② 출력 → 가속력, 최고속도 결정이 있으며 이외에도 안정성, 수명, 충전용이성, 충전효율, 충전시간, 저온 성능등 다양한 요구를 만족하여야 한다.

2) 모터/제어기술

  모터/제어기술도 점점 발달하여 고출력, 소형이면서 효율이 높은 시스템이 개발되고 있습니다. 모터/제어계통의 주요 과제로서 최근 개발상황은 다음과 같습니다.

가) 고출력화

 DC모터를 AC모터로 변환함에 따라 출력과 EV의 동력성능(가속성능, 최고속도)이 크게 향상되어 내연 기관 자동차에 비하여 동일한  수준에 도달하였다.

나) 경량•소형화

  고출력화를 추진하면서 고회전화(~10,000rpm이상)함에 따라 모터가 경량•소형화되어 탑재중량이나 용적도 크게 감소하였다. 최근에는 1kW/kg의 출력 밀도를 초과하는 모터도 개발되고 있고, 모터와 동시에 감속기나 차동장치도 소형화되고 있습니다.

다) 고효율화

  효율이 높은 교류유도 모터에서 동기모터로 변환함으로써 저회전에서 고회전 영역까지 효율이 더욱 향상되었다. 동기 모터는 약한 계자제어에 의해 토크(torque) 특성이 향상되었고, 제어를 포함한 종합효율도 매우 높다.

라) 제어의 고속화/고효율화/소형화

  제어장치나 제어방법의 개발로 제어기술이 크게 발달하였다. 구체적으로는 파워소자인 IGBT 개량, 인버터 개량, 고속마이크로 컴퓨터 사용 및 한 개 칩화, 냉각방법 개선, 제어방법 개선에 따른 고속화, 고효율화를 도모하면서 제어장치의 소형화를 실현하고 있습니다.

3) 기타 기술 개발

충전기로서는 주로 직류 전도방식과 교류 유도방식이 검토되고 있으며, 일본. 미국. 유럽 에서는 충전방식이나 형태, 통신방법 등의 표준화를 추진하고 있습니다. 충전장소는 주간의 보조충전용 충전스탠드와 야간의 각 가정이나 사업소에서의 주충전을 검토하고 있으며, 이에 대응한 충전기를 개발하고 있습니다. 그러나 인프라정비에는 아직 좀더 시간이 걸리기 때문에 자동차 업체에서는 자부담으로 자체충전기(차량탑제형 또는 고정설치형)를 개발하고 있습니다.


이상으로 전기 자동차의 주요 기술과 내용에 대하여 살펴 보았습니다. 전기 자동차의 다른 부분이 궁금하시면 아래 링크를 참조 바랍니다.


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