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전기차는 내연기관 자동차와 비교해
부품의 개수가 적어 차량 내에 빈 곳이 많다고 한다.
그렇다면 전기차는 어떤 구조로 되어있고
어떤 종류가 있는지 알아본다.
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자동차 구조의 이해
부상하는 하이브리드/ 전기차/ 수소연료전지차의 원리와 구조를 학습합니다. 목차. 3. 전기자동차. 4. 수소연료전지자동차. 추가) 수소천연가스 자동차 …
Source: www.kotec21.net
Date Published: 7/30/2021
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전기자동차 구성 요소
또한, 내연기관 엔진이 필요 없어서 자동차 구조를 단순화할 수 있습니다. 전기자동차를 구성하는 주요 부품으로 배터리, 전기모터, 감속기, …
Source: treasure01.tistory.com
Date Published: 10/29/2021
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전기자동차 – 해시넷 위키
전기자동차. 전기자동차 동력 구조. 전기자동차(EV, Electric vehicle) …
Source: wiki.hash.kr
Date Published: 4/24/2022
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주제에 대한 기사 평가 전기 자동차 구조
- Author: YTN 사이언스
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- Date Published: 2021. 1. 26.
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All about EV – 1전기차의 구조, 내연기관차와는 다르다 – 현대모터그룹 TECH
Article All about EV – 1
전기차의 구조, 내연기관차와는 다르다
친환경 모빌리티에 대한 관심은 전기차 시장의 성장으로 이어지고 있습니다. 뛰어난 경제성과 높은 성능으로 운전자들의 마음을 사로잡고 있는 전기차에 대해 살펴봅니다.
모터가 엔진을 대신하는 것처럼 전기차의 구조도 내연기관차와 다릅니다. 전기차를 구성하는 주요 부품과 전기차의 특징에 대해 알아봅니다.
전기차는 전기를 동력으로 하는 자동차입니다. 화석 연료를 연소시켜 구동 에너지를 얻는 내연기관차와 달리 배터리에 축적된 전기로 모터를 회전시켜 구동 에너지를 얻습니다.
전기차의 모터는 고효율·고출력 영구자석형 구동모터로 높은 출력과 회전력을 갖고 있습니다. 내연기관차의 엔진과 달리 주행 중에도 소음과 진동이 거의 발생하지 않습니다.
감속기는 모터의 회전을 바퀴에 효율적으로 전달하기 위해 탑재하는 장치입니다. 모터의 회전수(RPM)를 필요한 수준으로 감속해 더 높은 회전력(토크)을 얻을 수 있도록 조정하는 역할을 합니다.
전기차는 모터를 움직이는 전기 에너지를 고전압 배터리에 저장해뒀다가 필요할 때 사용합니다. 배터리 기술 발전에 따라 최근 출시된 전기차의 1회 충전 주행거리는 초기 전기차보다 크게 늘었습니다(현대차 코나 일렉트릭 기준 406km).
EPCU(Electric Power Control Unit)는 전기차의 통합전력제어장치를 뜻합니다. 인버터, LDC, VCU로 구성되어 있습니다.
– 인버터(Inverter): 고전압 배터리-모터 간 전력을 변환(AC↔DC)
– LDC(Low voltage DC-DC Converter): 고전압 배터리의 전압을 저전압(12V)으로 변환해 전장 부품에 공급
– VCU(Vehicle Control Unit): 차량 내 전력 제어기를 총괄하는 컨트롤 타워
OBC(On Board Charger)는 고전압 배터리의 충전을 위해 외부 AC 전원을 DC 전원으로 변환시키는 장치입니다. 보통 급속 충전은 DC 충전으로 진행되기에, 일반적으로 DC 충전기를 급속 충전기라 부릅니다.
같은 거리를 주행했을 때 전기차 충전 비용은 내연기관차의 연료비보다 월등히 경제적입니다. 심지어 출퇴근 거리에 따라 대중교통 이용비보다 유지비가 적게 드는 경우도 있습니다.
전기차는 작동하자마자 최대 토크가 발생해 내연기관차 대비 중저속에서의 가속력이 뛰어납니다. 배터리가 차체 하단에 탑재된 전기차의 경우 무게중심이 낮아 선회성이 우수하고, 가감속 안정성도 좋습니다.
환경부 자료에 따르면 가솔린차를 전기차로 대체했을 때, 1대 당 연간 2톤의 CO₂를 감축할 수 있습니다. 향후 풍력, 태양광 같은 친환경 재생에너지 발전이 보편화되면 전기차는 현재보다 더 친환경적인 이동수단으로 거듭날 수 있습니다.
[전기차 백과사전 A to Z] 쉽게 알아보는 전기차의 구동 원리
배터리
배터리는 전기 에너지를 저장하는 부품으로, 내연기관차의 연료탱크에 해당합니다. 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 떨어집니다. 운동성능에도 부정적인 영향을 미치죠. 따라서 전기차의 주행거리를 효율적으로 늘리기 위해서는 배터리의 에너지 밀도를 높여야 합니다. 크기가 작고 가벼우면서 전기 에너지를 최대한 효율적으로 저장해야 하는 것입니다. 주행가능 거리가 길수록 충전 횟수가 줄어들어서 전기차 생활이 한층 더 편리해집니다.
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 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 1,000회, 배터리 전력 50%를 사용하고 다시 충전하는 경우라면 5,000회, 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 8,000일(약 22년) 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(셀)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 때문입니다.
BMS는 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.
전기차(electric car)의 구성 및 주요 부품
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전기차 (electric car) 의 구성 및 주요 부품
전기차 (electric car) 의 주요 부품과 구성에 대하여 알아보자 .
전기차의 주요 부품으로는 전기차 2 차 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 1,000회, 배터리 전력 50%를 사용하고 다시 충전하는 경우라면 5,000회, 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 8,000일(약 22년) 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(셀)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.
BMS는 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)는 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)
LDC는 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)
VCU는 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)
2015/11/27 – [자동차 학습/전기자동차] – 3. 전기 자동차/하이브리드 자동차, 배터리 관리 시스템(BMS: Battery Management System)
2015/11/24 – [자동차 학습/하이브리드 자동차/PHEV] – 4. 플러그인 하이브리드 전기 자동차 (PHEV -Plug-in Hybrid Electric Vehicle) 및 하이브리드 전기 자동차(Hybrid Electric Vehicle) 비교
2020/10/05 – [자동차 학습/하이브리드 자동차/PHEV] – 마일드 하이브리드 전기차(Mild Hybrid)– architectures
2020/10/03 – [자동차 학습/하이브리드 자동차/PHEV] – 마일드 하이브리드 전기 자동차 (Mild Hybrid Electric Vehicle,MHEV) – 소개
2020/06/12 – [자동차 학습/전기자동차] – 납 축전지 용어 정리(lead–acid battery)
2020/05/06 – [자동차 학습/전기자동차] – 이차 전지의 개념 및 종류
2020/04/06 – [자동차 학습/전기자동차] – 전기자동차용 리튬이온(lithium ion) 배터리(Battery)
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전기자동차 구성 요소
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전기자동차는 배터리에 저장된 전력으로 모터를 회전하여 주행합니다.
배터리 전력으로 구동되어서 유해 배출가스가 발생하지 않습니다. 또한, 내연기관 엔진이 필요 없어서 자동차 구조를 단순화할 수 있습니다. 전기자동차를 구성하는 주요 부품으로 배터리, 전기모터, 감속기, OBC(On Board Charger), 통합전력제어장치가 필요합니다. 모두 배터리의 전력으로 모터를 구동하기 위한 부품입니다.
구동모터
구동모터는 배터리로부터 전원을 공급받아 자동차를 구동하는 역할을 합니다.
즉, 전기 에너지를 운동 에너지로 전환해서 전기자동차를 움직입니다. 구동모터를 사용하기 때문에 주행 중에 발생하는 소음과 진동이 매우 적고 내연기관 엔진보다 크기가 작아 공간 활용성을 높이는 데 유리합니다.
구동모터는 발전기(회생제동 시스템)로도 사용됩니다. 주행 중 속도를 주이거나 내리막길 등 탄력 주행 시 발생하는 운동 에너지를 전기 에너지로 전환해 배터리에 저장합니다.
전기자동차 구동용으로 사용되는 대표적인 모터는 ‘DC 브러시리스 모터(BLDC)’라고 불리는 ‘유도식 교류모터’ 입니다.
감속기
감속기는 모터의 특성에 맞춰 동력을 바퀴에 더 효율적으로 전달하기 위해 고안된 일종의 변속기입니다.
하지만 변속기가 아닌 감속기라고 부르는 데에는 이유가 있습니다. 모터는 분당 회전수(RPM)가 내연기관 엔진보다 훨씬 높습니다. 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 합니다.
배터리
배터리는 전기 에너지를 저장하는 부품입니다.
충/방전이 가능한 2차전지인 리튬이온, 리튬인산철 등 리튬 계열 배터리를 주로 사용합니다.
전기차 부품 가격 중 배터리가 차지하는 비중은 40% 이상인데 전기차의 주행가능 거리와 모터 최고 출력은 보통 배터리 용량에 따라 좌우됩니다. 주행가능 거리가 길어질수록 충전 횟수가 줄어들어서 전기차 사용이 더 편리해집니다
하지만 배터리 용량을 키우는 일은 그리 간단하지 않습니다. 배터리가 차지하는 부피와 무게 때문인데 주행 거리만 생각해서 큰 배터리를 장착하면 사용공간도 줄어들고 무게 때문에 에너지 효율도 떨어집니다. 배터리 업체들은 효율적으로 주행거리를 늘리기 위해서는 배터리의 에너지 밀도를 높이고 리튬배터리는 화재 및 폭발 위험성도 있기 때문에 안전성을 확보하기 위해서 노력하고 있습니다.
전기차 배터리는 충전 패턴에 따라 수명이 달라지는데, 일상적인 사용 조건이라면 폐차할 때까지 배터리 내구성에 대한 걱정 없이 운행할 수 있습니다. 보통 배터리를 100% 방전될 때까지 주행하고 다시 충전하는 경우라면 1,000회, 50%를 사용하고 다시 충전하는 경우라면 5,000회, 20%를 사용하고 다시 충전하는 경우라면 8,000회까지 배터리 사용이 가능합니다.
전기자동차는 배터리 용량이 20%~30% 정도 감소 되면 수명을 다한 것으로 판단하여 새로운 배터리로 교체가 필요합니다. 이렇게 교체된 폐배터리를 ESS나 다른 곳에 재사용하는 방법도 논의되고 있습니다.
일반적으로 전기차 배터리는 셀(Cell), 모듈(Module), 팩(Pack)으로 구성됩니다. 배터리 셀을 여러 개 묶어서 모듈을 만들고, 모듈을 여러 개 묶어서 팩을 만듭니다. 전기차에는 최종적으로 배터리가 하나의 팩 형태로 들어갑니다.
배터리 관리 시스템 (Battery Management System, BMS)
전기차의 배터리는 수십 개에서 수천 개에 이르는 셀로 이루어져 있습니다.
배터리 셀(Cell)은 사용 가능한 특정 전압, 온도를 가지고 있고, 배터리 팩이나 모듈에 있는 각 셀의 상태(전압)가 비슷해야 배터리의 내구성과 성능이 최적의 상태를 유지할 수 있습니다.
이 모든 것을 관리해주는 기능을 하는 것이 배터리 관리 시스템(BMS) 입니다. 셀의 전압이나 온도, 밴런싱 상태를 감시하고, 배터리에 이상이 감지될 경우 배터리 전원을 사용(충전, 방전)하지 못하게 합니다.
배터리 히팅/냉각 시스템
배터리는 화학적으로 에너지를 저장하고, 화학적 반응으로 충전과 방전을 하게 됩니다. 화학적 반응은 온도에 굉장히 민감합니다. 온도가 낮으면 반응이 느려집니다. 배터리의 내부저항이 증가되어서 배터리의 전압이 낮아지고 배터리가 빨리 닳습니다. 온도가 높으면 반응이 잘되지만 배터리의 수명이 단축됩니다.
배터리 히팅, 냉각 시스템은 배터리를 최적의 온도로 유지시켜 성능이나 수명 저하를 예방하고 주행거리를 확보하는 장치입니다.
온보드차저(On Board Charger, OBC)
온보드차저(이하 OBC)는 완속 충전이나 휴대용 충전기(AC 220V)를 사용하여 충전할 경우,
전기자동차에 입력된 교류 전원(AC)을 직류 전원(DC)으로 변환하는 장치입니다.
통합전력제어장치(Electric Power Control Unit, EPCU)
통합전력제어장치(EPCU)는 차량 내 전력을 제어하는 장치를 통합하여 효율성을 높여주는 역할을 하며 인버터, LDC, VCU로 구성되어 있습니다.
1) 인버터 (Inverter)
배터리의 직류 전원(DC)을 교류 전원(AC)으로 변환하여 모터의 속도를 제어하는 장치입니다. 가속과 감속 명령을 담당하므로 전기차의 운전성을 높이는 데 있어서 매우 중요한 역할을 맡습니다.
2) LDC (Low voltage DC-DC Converter)
전기자동차 주 배터리의 전압을 저전압(DC 12V)로 변환해 자동차의 전장 시스템에 전원을 공급하는 장치입니다.
3) VCU (Vehicle Control Unit)
VCU는 EPCU에서 가장 중요한 부품 중 하나입니다. 모터 제어, 회생제동 제어, 공조 부하 제어, 전장 부하 전원공급 제어 등 차량의 전력 제어와 관련된 대부분을 관장하고 있습니다.
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전기차의 기본 구조
전기차는 주요 부품과 구동 원리에서 내연기관 차량과 큰 차이가 있죠. 이번에는 전기차의 구조와 작동원리, 각 부품의 역할에 대해서 간단히 알아보겠습니다.
엔진 대신 모터, 연료탱크 대신 배터리!
전기차는 내연기관의 엔진과 변속기, 연료탱크 등의 주요 구동계의 역할을 모터와 감속기, 배터리가 담당하게 됩니다.
엔진이 작은 전기 모터로 변경되고, 연료 탱크 대신 배터리가 차량 바닥으로 깔립니다. 다단 트랜스 미션도 구조가 단순한 감속기가 대체하게 되어 기존 엔진차와 다른 새로운 공간 디자인이 가능해집니다.
예를 들어, 테슬라는 엔진차에 없던 Frunk 라는 새로운 공간을 만들어 내었습니다. 모델 S가 처음 나왔을 때 큰 이슈가 되었죠.
보닛을 열었더니 빈공간이 쫙~. 모두가 깜짝 놀랐습니다. 덕분에 출시 초반에는 모터쇼에도 보닛을 열어서 Frunk를 볼 수 있도록 전시한 차들이 많았습니다.
그 결과 테슬라 모델S 구매자의 Frunk 인증샷이 수없이 양산되며 인기를 끌었죠.
전기차의 작동원리
그럼, 바뀐 부품들이 어떻게 작동될까요?
사진 : 아이오닉 일렉트릭 구조.
우선 완속/급속 충전기를 통해 리튬 배터리를 충전합니다. 배터리는 충전된 DC전류를 인버터로 보내고, 인버터의 AC/DC 컨버터에서 배터리에서 받은 DC전류를 AC 전류로 변환하여 모터로 보내어 모터를 구동합니다.
엔진의 직선적인 피스톤 운동과 다르게 모터는 회전력을 생성하므로, 바로 이 회전력을 감속기가 적절한 속도, 토크로 구동축을 통해 휠에 전달하면 끝.
전기차 주요 부품들
언급된 주요 부품들을 조금 더 자세히 살펴볼까요?
# 모터
내연 기관의 엔진과 같은 역할이죠. 배터리에 저장된 전기를 이용하여 차량을 구동시킵니다. 현재는 AC모터를 많이 사용하지요.
이 작은 모터에서 상당히 강력한 토크와 힘을 내는데요, 코나 일렉트릭의 모터는 204ps에 41kgf.m로 산타페 디젤 2.0엔진 이상의 출력과 토크를 보여줍니다. (링크: 전기차 모터에 대해 알아보자)
# 배터리
전기차에 필요한 고용량 전력을 저장하는 DC 배터리는 리튬이온 배터리를 사용합니다.
배터리에 저장된 전력량은 kWh 단위로 표기되는데요, 클 수록 주행거리가 늘어나죠. 예를 들어 200키로를 달리는 아이오닉은 28kWh, 400km를 달리는 코나는 64kWh의 용량을 갖고 있습니다.
테슬라나, 볼트 EV처럼 아예 전기차를 염두에 두고 만든 차들은 배터리가 밑에 쭈욱 깔리게 설계된 경우가 많습니다.
그러나, 아이오닉 일렉트릭처럼, 하이브리드, 플러그인 하이브리드도 함께 고려한 모델의 경우, 엔진, 미션 등이 들어가기 때문에 시트 아래 쪽을 배터리 공간으로 많이 사용했죠.
# 감속기
이 사진은 볼트 EV의 모터와 감속기입니다. 왼쪽 부분이 모터이고, 기어가 달린 부분이 감속기죠. 모터가 회전하면 감속기는 회전력을 적절한 속도와 토크로 바꾸어서 휠에 전달합니다.
내연기관에서 많이 쓰이는 미션에 비해서 크기가 정말 작습니다. 모터의 경우 토크가 일정하게 뿜어져 나오고, 직접 모터의 회전력을 조절할 수 있기 때문에 내연기관처럼 다단 미션이 필요가 없죠. 따라서 구조가 훨씬 단순하여 크기를 줄일 수 있습니다.
물론, 저 RPM에서의 토크 낭비나, 모터 과부하, 고속 영역에서의 필요성 등으로 다단 미션이 적용된 경우도 있지만 (포뮬러 E, 테슬라 로드스터), 비용/성능 효율 측면에서 현재 대세는 1단입니다.
# 인버터(inverter) / OBC (on board charger) / DC-DC 컨버터
인버터는 배터리의 고전압 DC(직류) 전류를 고전압 AC(교류) 전류로 변환하여 모터에 공급하는 역할을 합니다. 고전압 AC의 주파수 및 전압을 정밀하게 제어해서 모터의 출력을 조절합니다.
OBC는 AC 완속 충전을 하거나, 휴대용 충전기로 AC 220V에 꽂아서 충전을 할 때, 전력망의 AC 전원을 DC 전원으로 변환하여 구동용(고전압) 배터리를 충전하는 장치입니다.
DC-DC 컨버터는 구동용 배터리의 350V에 이르는 고전압을 오디오 및 각종 전자장비에 적합한 저전압(12V)으로 변환하여 줍니다.
전기차의 기본적인 구조를 이해하는 데 도움이 되셨나요? 언급되지 않은 BMS(Battery Management System)같은 부품들을 비롯한, 주요 부품에 대한 더 자세한 내용은 별도 꼭지로 다루도록 하지요.
토막상식: ①전기자동차의 원리 및 구성품목
전기자동차(electric vehicles)는 화석연료를 사용하지 않는다. 대신 충전되는 배터리를 에너지원으로 한다. 전기자동차는 현재 수소자동차와 더불어 대표적인 친화경 자동차로 불린다.
전기자동차 시장에서는 BMW, 다임러, VW, GM, 포드, 토요타, 닛산, 테슬라 등이 메이저 업체로 활동하고 있다. 더불어 BYD, BAIC, Geely, SAIC 등 중국 업체들도 시장에 적극적으로 참여하고 있다. 이들 중 BYD와 BAIC는 2018년 생산량 기준 세계 1위와, 2위를 차지하기도 했다.
전기자동차 시장에 참여하고 있는 중소업체로는 NIO, Byton. Xpeng(이상 중국), Lucid, Faraday, Future(이상 미국) 등이 있다.
내연기관차와 달리 전기자동차 시장에서는 업체들의 대응 방식이 다르다. 바로 전용플랫폼을 활용한다는 게 대표적인 경우이다. VW, BMW, 포드, 닛산, 미쓰비시, 오펠, 테슬라 등이 각자 개발한 전기자동차 전용 플랫폼을 확보하고 있다. 이들 중에서도 VW의 플랫폼이 단연 돋보인다.
VW는 소형 전기자동차 공용 플랫폼인 ‘MQB’를 이용해 배터리 탑재 위치를 개선하고 충전 속도를 높인 ‘MEB(modular electrification toolkit) 플랫폼’을 개발했다. 2020년부터 ‘MEB 플랫폼’을 적용한 전기자동차를 양산한다는 게 VW의 계획이다.
‘MEB 플랫폼’은 배터리팩, 전동기 등의 주요 부품을 표준화하여 규모의 경제를 달성하기 유리하여 효율적으로 전기자동차를 설계·양산할 수 있다. VW은 단일 ‘MEB 플랫폼’을 이용해 ▲‘I.D. Buzz’(마이크로버스) ▲‘I.D. Crozz’(소형 SUV) ▲‘I.D. Concept’(소형 승용) 등 3 종류의 차종을 양산할 예정이다.
전기자동차의 주요 구성품
전기자동차는 동력발생장치(전동기, 감속기), 에너지저장·관리시스템(배터리, 충전기, 파워일렉트로닉스(인버터, LDC, BMS, 전력공급모듈, 차량탑재형 충전기) ,차체·샤시 플랫폼(샤시 플랫폼, 조향·현가장치, 회생제동장치), 공조장치(압축기, 열교환기 등)를 주요 요소로 한다. 각각의 기능은 다음과 같다.
전동기 & 감속기: 배터리 전기에너지를 운동에너지로 변환시킨다. 전동기의 회전수를 줄여 토크를 증대시키는 역할도 한다.
배터리: 외부전원에서 공급받은 전기에너지를 저장·공급하는 역할을 한다.
배터리관리시스템(BMS): 배터리의 성능을 제어하여 전류·전압 모니터링, 전하상태를 파악하는 역할을 한다.
인버터: 고전압 직류전원(DC)을 다양한 주파수와 전압의 교류전원(AC)으로 변환하여 전동기의 토크와 속도를 제어한다.
충전기: 배터리를 충전하는 기기로, 가정용 전원(완속충전, 220V, AC)과 급속충전기(고전압, DC)가 있다.
LDC(Low Voltage DC-DC Converter): 저전압직류변환기로 배터리의 고전압을 각종 전자장비에 적합한 12V의 저전압으로 강압하는 장치이다.
회생제동장치(Regenerative Breaking System): 제동 시 발생하는 운동에너지를 전기에너지로 변환하여 배터리를 재충전하는 장치이다.
전동식 압축기: 전기에너지를 에너지원으로 사용하는 공조용 냉매압축기이다.
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