전기차 파워 트레인 | 전기차 파워트레인, 전기모터 기술 3645 좋은 평가 이 답변

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1. 전기차 파워트레인 구조
– 원가 구조
– 모터 적용 유형
. AWD, RWD, FWD, In-Wheel-Drive
2. 모터 기술
– AC DC 구조
– AC 인버터
– 브러쉬 리스, BLDC
– 테슬라 모델3 PMSRM
3. 전기차 휘토류 중요성
– 네오디움, 란터늄
– Neodymium, Lanthanum
4. 한국 모터 기술
– 태화기업, 계양전기
– LG전자

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전기차 3대 핵심이라는 ‘파워트레인·배터리·플랫폼’ 뭐길래 – IT조선

전기차 주행거리 증가를 위해선 3대 핵심 부품인 파워트레인, 배터리, 플랫폼의 성능 향상이 필수다. 전기차의 전동화 파워트레인은 전기모터와 인버터, …

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Source: it.chosun.com

Date Published: 11/27/2021

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전기차의 진화, ‘파워트레인’으로 좌지우지 된다 – 테크월드뉴스

전기차의 파워트레인은 시스템 전체 관점에서 에너지 효율을 극대화 시킬 수 있는 기술로 발전되고 있다. 이를 위해 자동차 주요 부품 기업은 파워트레인 …

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Source: www.epnc.co.kr

Date Published: 1/17/2021

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전기 파워트레인시장, 누가 우승자 될까? – 산업일보

이 때문에 전기차 및 하이브리드 차량에 탑재되는 파워트레인(Electric Powertrain)의 채택이 높아질 것으로 전망되고 있다.

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Source: www.kidd.co.kr

Date Published: 4/18/2021

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전기차 시장 핵심 먹거리 ‘파워트레인·배터리·플랫폼’ 기술 뜬다

전동화 파워트레인은 전기모터와 인버터, 감속기 둥 구동계 부품을 아우르는 시스템을 의미하며 바퀴에 동력을 전달하는 역할을 한다. 전기차에선 배터리 …

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Source: www.edaily.co.kr

Date Published: 5/2/2021

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자동차(전기차) 핵심 부품(엔진,모터,파워트레인,전력변환기 …

전기차의 파워트레인은 동력을 만드는 모터와 전기의 특성을 제어하는 파워일렉트로닉스, 그리고 전기에너지를 저장하는 전지팩으로 구성된다.

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Source: setoo0922.tistory.com

Date Published: 8/1/2022

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[카&테크]전기차의 핵심, ‘구동시스템’ 진화 – 전자신문

전동화 파워트레인은 전기차에서 배터리만큼이나 빼놓을 수 없는 첨단 기술이다. 전기모터와 인버터·감속기 등의 구동계 부품을 아우르는 시스템이다.

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Source: www.etnews.com

Date Published: 11/20/2022

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파워트레인의 진화, 전기차 경쟁의 룰을 바꾼다

전기차 파워트레인은 동력을 만드는 모터와 전기의 특성을 제어. 하는 파워일렉트로닉스, 그리고 전기에너지를 저장하는 전지팩. 으로 구성된다. 연료를 …

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Source: www.lgeri.com

Date Published: 9/22/2022

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파워트레인의 의미, 전기차와 내연기관에서의 … – CAR with MC

엔진, 트랜스미션, 차동 장치, 구동축 등 동력과 관련된 모든 장치를 통틀어 파워트레인에 해당하며 하이브리드 전기차 및 전기차에서는 배터리, 전기 …

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Source: carwithmc.tistory.com

Date Published: 12/15/2022

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부산시, 전기차 핵심 e-파워트레인 부품기술 허브 구축나선다

e-파워트레인은 전기차에 탑재된 배터리의 전기 에너지를 운동에너지로 변환하여 자동차을 움직일 수 있게 하는 모든 부품의 집합체로 전기차의 핵심 요소 …

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Source: www.smartcitytoday.co.kr

Date Published: 7/10/2021

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전기차 파워트레인, 전기모터 기술
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주제에 대한 기사 평가 전기차 파워 트레인

  • Author: 엔지니어TV
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  • Date Published: 2020. 8. 13.
  • Video Url link: https://www.youtube.com/watch?v=lKUjTXArSwE

전기차 3대 핵심이라는 ‘파워트레인·배터리·플랫폼’ 뭐길래

전기차를 구성하는 파워트레인, 배터리, 플랫폼은 주행거리 등 전기차 성능 향상을 위한 3대 핵심요소로 꼽힌다. 전기차는 내연기관차 대비 무겁고, 모터를 사용하는 특성상 동력 전달 구조도 처음부터 최대 토크(회전력)에 도달하는 등 차이점이 많다. 파워트레인, 배터리, 플랫폼의 경량화·집적화에 따라 중량·설계 등이 달라져 주행거리에 영향을 받는다.

파워트레인과 배터리, 플랫폼은 각각 전기차에서 구동계와 동력원·차대(자동차의 뼈대)를 담당한다. 완성차 업계는 파워트레인과 배터리의 효율성 향상, 플랫폼의 설계 범용성 확장 등 부품의 전기차 생태계에 최적화를 꿈꾼다.

비테스코 테크놀로지스의 EMR3·EMR4 파워트레인 출력 차이 비교 / 비테스코 테크놀로지스

3일 완성차 업계 의견을 들어보면 전기차의 향후 가장 큰 과제는 주행거리와 충전시간 개선이다. 최근 출시된 전기차들의 1회 충전 최대 주행거리는 대부분 아직 400㎞대인 경우가 많다. 날씨가 추운 겨울에는 배터리 성능이 제원보다 떨어져 더 짧아지는 상황도 생겨, 완성차·전동화 파워트레인 솔루션 기업은 주행거리 제약을 극복하는데 몰두 중이다.

전기차 주행거리 증가를 위해선 3대 핵심 부품인 파워트레인, 배터리, 플랫폼의 성능 향상이 필수다. 전기차의 전동화 파워트레인은 전기모터와 인버터, 감속기 등 구동계 부품을 아우르는 시스템을 의미한다. 전력 효율성을 결정짓는 부품으로 전기차의 구동 효율을 높여 주행거리를 늘린다.

내연기관차의 엔진·변속기와 대응하는 전동화 파워트레인은 배터리에서 생성된 동력원과 토크(회전력)를 바퀴에 전달한다. 모터가 인버터로부터 전력을 받아 회전하고, 이 토크로 바퀴를 구동해 전기차를 움직인다. 제동 시에는 차량 운동에너지를 회생제동을 통해 전기에너지로 변환해 발전기처럼 전력을 충전하는 기능도 수행한다.

인버터는 배터리에 직류 형태로 저장된 전기를 교류 전압으로 변환해 모터 구동에 필요한 3상 전원(가정용 220V와 달리 380V급인 전력으로 고신뢰성 모터 구동에 적합)을 공급하는 기능을 수행한다. 감속기는 내연기관의 변속기와 유사한 기능을 하며 모터의 높은 회전수를 차량 운행에 필요한 적절한 회전수로 조절해 바퀴에 큰 토크의 동력을 전달한다.

첨단 구동 기술·e-모빌리티 솔루션 기업인 비테스코 테크놀로지스의 경우, 최근 고도화된 통합 전동화 구동시스템인 ‘EMR4’를 내놓기도 했다. EMR4는 모듈화와 확장성·표준화를 달성하면서, 출력 범위는 80~230㎾까지 증가시켰다. ‘EMR3’ 등 이전 모델 대비 크기와 무게도 줄여 경량화와 설계 공간 확보에도 성공했다.

비테스코 테크놀로지스 관계자는 “EMR4의 경우 기술력과 전문성을 집약해 통합형 전동화 플랫폼으로 설계했다”며 “출력 범위 증가 외 에너지 효율 등도 확장돼, 현재 전기차 시장에서 요구하는 높은 효율을 충족하는 모델이 될 것으로 기대한다”고 설명했다.

폭스바겐 그룹의 MEB 전기차 전용 플랫폼 / 이민우 기자

배터리 소재로 최근 주목받는 것은 ‘실리콘 음극재’다. 음극재는 양극재에서 발생한 리튬이온을 받아 저장했다가 방출하면서 전기를 발생시키는 역할을 한다. 실리콘 음극재는 가볍고 부피가 작다. 기존 ‘흑연 음극재’보다 충전시간을 줄이면서, 에너지 밀도는 향상시킬 수 있어 배터리 업계에서는 실리콘 음극재에 큰 관심을 쏟고 있다.

전기차 플랫폼은 파워트레인, 차체, 서스펜션 등 자동차의 핵심 구성 요소를 갖춰 놓은 전용 차대다. 전기차는 플랫폼을 활용해 배터리 용량을 다르게 변경, 적용할 수 있다. 동일 플랫폼으로 필요에 따라 다양한 종류의 차량을 제작할 수 있다. 현대차 그룹의 E-GMP, 폭스바겐 그룹의 MEB플랫폼 등이 대표적인 전기차 전용 플랫폼이다.

E-GMP 같은 전기차 전용 플랫폼은 내연기관차 플랫폼과 달리 엔진룸이 없고 배터리가 차체 하단에 배치된 비교적 단순한 형태를 띤다. 전용 플랫폼답게 내부 구조를 전기차 특성에 맞게 개발해 최적의 부품 설계와 무게 밸런싱 최적화를 꾀한다.

현대자동차의 아이오닉5·EV6 등은E-GMP를 기반으로 제작한 전용 전기차다. ‘아이오닉5’는 1회 충전에 따른 최대 주행거리가 429㎞다. 향후 출시되는 현대차 그룹의 신형 전기차 모델은 더욱 향상된 최대 주행거리를 가질 예정이다.

이민우 기자

전기차에서 가장 대중적으로 알려진 부품은 배터리다. 전기를 저장하는 부품으로 용량과 밀도에 따라 최대 주행거리가 달라진다. 이론적으로 전기차 주행거리를 높이고 무게를 낮추기 위해선 배터리의 에너지 밀도가 높아야 한다. 밀도가 높을수록 같은 무게에 저장할 수 있는 전기 용량이 더 커진다.배터리 소재로 최근 주목받는 것은 ‘실리콘 음극재’다. 음극재는 양극재에서 발생한 리튬이온을 받아 저장했다가 방출하면서 전기를 발생시키는 역할을 한다. 실리콘 음극재는 가볍고 부피가 작다. 기존 ‘흑연 음극재’보다 충전시간을 줄이면서, 에너지 밀도는 향상시킬 수 있어 배터리 업계에서는 실리콘 음극재에 큰 관심을 쏟고 있다.전기차 플랫폼은 파워트레인, 차체, 서스펜션 등 자동차의 핵심 구성 요소를 갖춰 놓은 전용 차대다. 전기차는 플랫폼을 활용해 배터리 용량을 다르게 변경, 적용할 수 있다. 동일 플랫폼으로 필요에 따라 다양한 종류의 차량을 제작할 수 있다. 현대차 그룹의 E-GMP, 폭스바겐 그룹의 MEB플랫폼 등이 대표적인 전기차 전용 플랫폼이다.E-GMP 같은 전기차 전용 플랫폼은 내연기관차 플랫폼과 달리 엔진룸이 없고 배터리가 차체 하단에 배치된 비교적 단순한 형태를 띤다. 전용 플랫폼답게 내부 구조를 전기차 특성에 맞게 개발해 최적의 부품 설계와 무게 밸런싱 최적화를 꾀한다.현대자동차의 아이오닉5·EV6 등은E-GMP를 기반으로 제작한 전용 전기차다. ‘아이오닉5’는 1회 충전에 따른 최대 주행거리가 429㎞다. 향후 출시되는 현대차 그룹의 신형 전기차 모델은 더욱 향상된 최대 주행거리를 가질 예정이다.이민우 기자 [email protected]

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전기차의 진화, ‘파워트레인’으로 좌지우지 된다

[테크월드=이나리 기자] 전기차가 대중화되기 위해서는 주행거리와 가격대가 내연기관차 수준에 이르러야 된다. 이를 지원하기 위해서는 전기차의 핵심 기술로 불리는 파워트레인 역할이 매우 중요하다.

전기차 시대가 본격화 되면 첫째, 전기차 모델 간 연비 경쟁이 치열하게 펼쳐지게 된다. 고효율 모터를 채용하고 고밀도 전지를 개발하는 것도 필요하지만, 전기차 파워트레인 시스템 전체 관점에서는 에너지 효율이 더 중요시 될 것이다. 둘째, 초기 가속성, 정숙성, 부드러운 감속 등 전기차 만의 독특한 사용 경험이 전기차 모델 간 경쟁의 새로운 요소로 부각될 것이다. 마지막으로, 전기차 부품 중에서 원가 비중이 가장 높은 파워트레인의 내구성에 따라 전기차 모델 간의 재판매 가치가 달라지게 된다. 이는 자연스럽게 전기차 모델간 경쟁요소로 이어질 가능성이 높다.

전기차 필수 기술로 강조되고 있는 파워트레인의 기능은 무엇일까? 파워트레인은 화석연료, 전지 등에 저장된 에너지를 운동에너지로 변환하고 자동차, 항공기, 선박 등을 움직일 수 있게 하는 등 동력을 부여하는 모든 부품의 집합체다. 자동차에서 파워트레인은 동력 장치에서 생산한 동력을 바퀴에 전달하는 과정에서 필요한 시스템을 지칭한다. 파워트레인 부품 중에서 핵심은 동력을 만드는 부분과 동력을 효율적으로 전달하는 부분이다.

반면, 전기차의 파워트레인은 동력을 만드는 모터와 전기의 특성을 제어 하는 파워일렉트로닉스, 그리고 전기에너지를 저장하는 전지팩으로 구성된다. 연료를 저장하고 배출하는 내연기관차의 연료탱크는 파워트레인에 포함되지 않지만, 전기차의 전지팩은 에너지의 저장과 효율적 관리 역할까지 하므로 파워트레인 구성 요소에 포함된다.

전기차의 파워트레인

전기차와 내연기관차 파워트레인의 가장 큰 차이는 동력을 만드는 방법에 있다. 내연기관차의 동력을 엔진이 만든다면, 전기차의 동력은 모터가 만든다. 엔진을 구동 하려면 휘발유 등 연료가 필요하고, 모터를 돌리려면 전기가 필요하다. 동력을 전달하는 방식도 전기차와 내연기관차는 다르다. 전기차의 경우 동력을 만들고 전달하는 방식이 내연기관차에 비해 간단한 편이다. 따라서 전기차 파워트레인은 내연기관차보다 구조적으로 훨씬 단순하고, 부품수도 최대 80%까지 줄어든다. 원가 측면에서도 파워트레인의 비중은 전기차 부품 중에서 가장 높다. 따라서 파워트레인의 기술은 전기차에서 중요한 경쟁 요소로 여겨진다.

본격적인 전기차 시대를 앞두고 있는 시점에서, 전기차 개발은 전지셀의 에너지 밀도 개선뿐 아니라 효율적으로 전기 에너지를 사용하기 위한 전지팩과 파워일렉트로닉스의 통합 설계, 그리고 전기차 사용 비용을 낮추는 방법 등 여러 방안에 초점을 맞춰서 기술의 진화가 이뤄져야 할 것이다.

연비 개선을 위한 파워트레인 ‘통합화·모듈화’

전기차의 파워트레인은 시스템 전체 관점에서 에너지 효율을 극대화 시킬 수 있는 기술로 발전되고 있다. 이를 위해 자동차 주요 부품 기업은 파워트레인 효율 개선을 통한 연비 향상을 목표로 부품간 통합 또는 모듈화를 위한 기술 개발이 한창이다. 파워트레인은 기능 통합을 통해 전체 시스템의 부피와 무게를 줄이고, 궁극적으로는 에너지 효율 개선과 원가 하락까지 도모하고자 한다.

자동차 부품업체 콘티넨탈(Continental)은 2017년 프랑크푸르트 모터쇼(IAA)에 참석해 48V 마일드 하이브리드 애플리케이션, 전기차와 하이브리드 차량의 고압 볼트 엔진을 공개했고, 적은 부피와 무게를 특징으로 하는 고성능의 파워트레인 모듈(E-엔진) ‘E-드라이브’를 2019년부터 생산할 예정이라고 밝혔다.

E-드라이브는 순수 전기 자동차 또는 플러그인 하이브리드용 고압 드라이브이며, 전기 엔진, 변속기, 전력 전자로 구성된 하나의 장치로 인해 무게 면에서는 물론 성능 면에서도 다른 제품보다 우수하다. 따라서 소형차는 물론 상위 클래스의 차량뿐 아니라 중간 클래스의 차량에도 대량으로 장착될 수 있다. 또한, 기존에 필요로 했던 케이블과 소켓이 통합하는 과정이 없어지면서 비용 절감 효과를 얻게 된다. 더불어 콘티넨탈의 E-드라이브는 150kW, 75kg 수준에서 매우 높은 출력에 도달할 수 있고, 자사의 완전한 전자축 엔진을 통해 320kW 출력 밀도의 모듈과 효율 전송률에 따라 최대 6400Nm의 출력 토크를 제공한다. E-드라이브가 탑재된 전기차는 2019년 최초로 중국에서 출시될 예정으로 알려졌다.

콘티넨탈의 경영이사회 멤버이자 파워트레인 사업본부를 총괄하는 호세 아빌라(José Avila)는 “자동차의 미래는 전기화에 달렸다”라며, “우리는 이런 변화에 친환경적인 방법과 완전한 전기적 엔진 시스템, 그리고 새로운 충전 시스템으로 대응할 것이고, 효율적이고 일상에 적용 가능한 솔루션을 개발하는 것이 콘티넨탈의 최우선 과제“라고 말했다.

보쉬 ‘e-엑슬’

자동차 부품업체 보쉬(Bosch)도 전기차의 전동차용으로 장착할 수 있는 e-액슬(e-Axle)이라는 통합형 파워트레인을 2017년 발표했다. e-액슬은 기존의 전동 파워 트레인에 비해 효율 향상과 저비용을 추구하며, 자동차 브랜드의 개발 기간 단축에 기여하는 올인원 시스템을 채용하고 있는 것이 특징이다. e액슬은 모터, 파워 일렉트로닉스, 트랜스미션(변속기) 등 3종류의 파워 트레인 컴포넌트를 하나의 소형 유닛에 통합해 차축을 직접 구동하는 방식으로 작동한다. 그 결과 파워트레인의 효율을 향상시킬 뿐만 아니라 비용 절감할 수 있다는 것이 보쉬 측의 설명이다.

또 E액슬은 최대 출력 68hp부터 408hp의 범위에서 사용자가 임의로 지정할 수 있기 때문에 SUV 등 대형 차량의 완전 전동화를 실현할 수 있을 것으로 기대된다. 최대 토크는 102kgm부터 612kgm 사이에서 사용자가 지정할 수 있으며, 전기차나 하이브리드 자동차에 탑재 시에는 전륜과 후륜 구동방식에 상관없이 모두 대응할 수 있다. 보쉬는 e-액슬 양산을 2019년으로 예상하고 있다.

독일 자동차 기업 BMW 또한 파워트레인 통합화와 모듈화를 이뤄냈다. BMW가 2017년 11월에 발표한 5세대 전기차 파워트레인은 1회 충전 시 최대 700km까지 주행을 달성할 수 있다. 이 제품은 모터, 변속기, 인버터, 컨버터 등을 하나의 시스템으로 통합한 플랫폼으로 개발함으로써 공간 효율성과 동시에 원가가 절감된다. 또 모듈화된 부품 설계로 다양한 크기로 구현할 수 있기 때문에 다양한 전기차 모델에 효과적으로 적용할 계획이다.

파나소닉 ‘e파워트레인’

파나소닉(Panasonic)도 지난 1월 개최된 CES 2018 전시회에서 소형 전기자동차(EV) 솔루션인 확장형 ‘e파워트레인(ePowertrain)’ 플랫폼을 공개했다. 이번 플랫폼은 에너지 효율이 뛰어난 안전한 파워트레인으로 작은 크기에 높은 효율과 유연한 확정성이 특징이다. 파나소닉 측은 플랫폼은 차량 탑재형 충전기, 정전 박스, 인버터, DC-DC 컨버터가 포함된 파워 유닛과 모터 유닛이 탑재된 기본 유닛으로 구성된다. 또 차량 크기, 속도, 토크 등 사양에 따라 기본 유닛의 조합을 확장하거나 축소할 수 있어 자동차 개발에 소요되는 비용과 리드 타임 경감에도 기여한다고 설명했다. e파워트레인 플랫폼은 일반 승용 차량을 비롯해 EV 바이크, 마이크로 EV 등 다양한 유형의 EV에 사용될 수 있다.

전기차, 더 빠른 충전을 꿈꾸며 ‘특허출원, 표준화 도입, 기술 협약’ 활발

전기차에 있어서 충전과 관련된 기능은 자동차 모델간 경쟁에 있어서 중요한 요소다. 전기차는 2~3분 만에 연료탱크를 가득 채우는 내연기관차의 충전 속도와 경쟁하기 보다는 전기차 모델 간 충전의 속도나 충전의 편의성, 충전하는 동안의 경험 등을 두고 경쟁을 펼치는 것이 더 중요하다. 즉, 전기차 충전 기술은 운전자가 일상 생활 속에서 편리하게 충전할 수 있는지 여부에 따라 구매 영향을 미친다. 또 충전하는 시간에 어떤 차별적 경험을 부여하는 지가 중요하게 될 것이다.

이런 목표를 실현하기 위해서는 많은 과제가 해결되어야 한다. 이를 위해 자동차 업계에서는 전기차 충전 시간을 단축하기 위한 기술 개발과 특허출원이 한창이다. 2017년 12월 특허청의 발표에 따르면 최근 10년간(2007∼2016년) 국내에 출원된 전기차 관련 기술(배터리 등 전기차 부품 자체 기술 제외)은 모두 7799건으로 집계됐다. 연도별로 2007년 202건에서 2011년 1002건으로 연평균 49.2%의 높은 증가세를 보였다. 이후 세계 경기침체의 영향을 받아 2012년 981건, 2013년 719건으로 다소 주춤했다가 2014년 들어 879건으로 다시 늘기 시작해 2015년 1012건, 2016년 1271건으로 연평균 20.9%의 상승세를 기록했다. 이는 전기차 시장의 성장과 맞물려 국내 특허출원도 함께 증가한 것으로 분석된다.

국제 전기차 충전협회 ‘차린(CharIN)’

또 최근 반도체 기업들은 전기차 충전의 표준화를 위해 기업간 협약과 협회 가입을 통해 적극적으로 움직이고 있다. 대표적으로 하이브리드와 전기차 충전 인프라의 세계 표준화를 지원하는 국제 전기차 충전 협회 ‘차린(Charging Interface Initiative e.V, CharIN)이 업계에서 가장 참여율이 높은 편이다.

차린은 2015년 설립돼 독일 베를린에 본사를 두고 있으며, 홍콩, 한국, 인도, 미국 등에 지사가 있다. 차린의 주요 목표는 ▲모든 종류의 배터리 기반 전기차 충전을 위한 글로벌 표준인 콤바인드 충전 시스템(CCS) 출시와 구축 ▲전기차 제조사들이 제품에 CCS를 도입하는데 필요한 순응 검증 시스템 마련 ▲CCS 표준의 전세계적 확산 등 충전 관련 표준 발전에 필요한 요건을 마련하는 것이다. 전기차 표준이 마련되고 공동 플랫폼을 사용하게 되면, 전기차 소유자는 전기차 충전소에 자신의 차량이 호환되는지 여부를 신경 쓰지 않아도 된다.

반도체 업체인 인피니언과 ST마이크로일렉트로닉스(이하 ST), NXP 등은 2017년 2월 차린에 가입을 마쳤고, 가장 최근인 2018년 1월에는 온세미컨덕터도 차린에 가입했다. 이와 관련해 온세미컨덕터 측은 “전문 기술을 바탕으로 차린 생태계에 적극 참여할 뿐 아니라, 콤바인드 충전 시스템(CCS) 표준 개발을 위해 타 업계 선도업체들과 협력해 전기차 충전 인프라 발전에 지속적으로 기여할 것”이라고 전했다.

국내 부품업체인 LG이노텍도 2017년 10월 차린에 가입했다고 밝혔다. 이를 통해 LG이노텍은 기존 차량부품 파트너사와의 관계를 한층 강화하는 계기가 될 전망이다. LG이노텍의 해외 주력시장인 미국, 유럽 지역 고객 상당수가 차린의 ‘콤바인드 충전 시스템’을 표준으로 지지하고 있기 때문이다. 참고로 LG이노텍은 전기차 충전용 통신 컨트롤러(EVCC), DC-DC 컨버터, 배터리 제어 시스템(BMS) 등 고효율, 고신뢰성 전기차 부품을 글로벌 기업에게 공급하고 있다. 그 결과 LG이노텍은 전기차 부품에서만 2016말 기준으로 약 1조 7000억원의 매출을 달성했다.

그 밖에도 차린에는 포드, BMW, 혼다, 현대, 재규어, 콘티넨탈, GM, 다임러 등 100여개의 주요 자동차 제조업체가 참여하고 있다.

전기차 개발을 위한 업체간 기술 협약도 활발히 이뤄지고 있다. 전자 부품 회사인 TDK는 인피니언과 전기차 전용 고효율 인버터 개발을 위한 전략적 제휴를 맺었다. 인피니언은 최신 전력반도체 소자를 개발하고, TDK는 공간 효율성을 극대화하기 위해 커패시터와 관련 부품을 개발하고 있다. 양사는 개발 기간 단축을 위해 기존 인버터에 사용된 불필요한 부품을 제거하면서 동시에 디자인 변경으로 크기와 무게를 최적화했다. 또한, TDK는 도시바와도 유사한 방식의 제휴관계를 맺어서 지역별 시장 변동성에도 대응하고 있다.

올해 1월 반도체 업체 온세미컨덕터는 독일 자동차 제조업체 아우디(Audi)를 자체적으로 운영하는 반도체 협력 프로그램 ‘PSCP(Progressive Semiconductor Program)’의 전략적 파트너로 선정했다. 양사는 이번 협력을 통해 전기차와 자율주행 시스템의 새로운 기능을 도입하고 개발을 가속화하겠다고 밝혔다. 반도체 분야 핵심 역량 개발을 위한 프로그램인 아우디의 PSCP는 안정성을 높이면서 최신 반도체 기술을 차량에 신속히 적용하기 위해 고안됐다. PSCP는 전자공학 분야의 발전을 차량에 효율적으로 도입하겠다는 목적을 갖고 있으며, 반도체 제조사와 직접 협력해 공동 개발을 진행하고 있다.

점점 진화하는 전기차 충전, 이제는 무선이다!

전기차 충전 기술은 빠른 속도 지원뿐 아니라 운전자가 일상 생활 속에서 편리하게 충전할 수 있는 환경을 제공하는 것도 중요하다. 스마트폰을 포함한 다양한 IT 디바이스가 무선충전 기능을 지원해 각광받고 있는 만큼, 전기차도 무선충전을 위한 기술이 개발이 한창이다.

콘티넨탈이 2017년 공개한 전기차 전용 충전 장치 ‘올차지(AllCharge) 시스템’은 운전자가 다양한 유형의 충전소에서도 최대한의 전기를 공급받을 수 있도록 한다. 양방향 올차지 시스템은 자가 충전으로 차량 배터리에서 발생하는 전기를 새로운 방식으로 활용하게 지원 하고, 특히 도심 충전소에서는 충전 시간을 최대 1/12까지 단축시킬 수 있다. 이 시스템은 자동차 외에도 전기·전자 장치(노트북, 드릴, 냉장고) 등에도 전기를 공급할 수 있다. 또 콘티넨탈은 최대 11kW까지 편리하게 충전할 수 프로토타입의 전기 자동차 무선 자동 충전 기술을 공개하기도 했다.

퀄컴의 DEVC 기술을 적용한 테스트 트랙

자동차 부품 업체뿐 아니라 GE와 퀄컴(Qualcomm) 등 글로벌 전자통신 기업도 전기차 충전 기술을 선보이며 자동차 시장에 진출했다. 퀄컴은 일찌감치 2015년 ‘헤일로(HALO)’라고 부르는 무선충전 기술을 공개했다. 헤일로는 별도의 전력 수신기가 하부에 장착된 전기차(VCU)가 헤일로 무선충전 패드(BCU) 부근에 접근하면, 선 없이도 전기차 충전이 가능한 기술이다. 헤일로는 6.6㎾ 출력으로 24kWh 용량 전기차 리튬이온 배터리를 완충하는데 약 3시간 정도 소요되며, 무선충전 출력을 3.3㎾, 6.6㎾, 20㎾로 다르게 설정할 수 있어 충전 시간을 더 줄일 수도 있다.

이후 퀄컴은 헤일로의 진화된 무선 충전 기술인 ‘다이내믹 일렉트릭 비에클 차징(Dynamic Electric Vehicle Charging, 이하 DEVC)’을 2017년 5월에 공개해 주목 받았다. 도로에 매장되는 형태인 DEVC(동적충전장치) 기술은 차량 스스로 100km/h 넘게 달려도 20kW급의 무선충전을 제공한다. 또 거의 비슷한 속도의 차량 2대가 달리거나, 차량이 갑작스럽게 후진을 해도 무선충전을 할 수 있다. 퀄컴은 DEVC 기술 자체를 일반도로보다는 고속도로에 우선적으로 적용시키는 것이 목표다. 따라서 이 기술은 장거리 여행중에 급속충전, 완속충전 충전소에 들려야 하는 운전자의 번거로움을 줄여줄 수 있다. 본격적인 상용화를 위해 퀄컴은 2017년 DEVC 무선 충전 수신기가 장착된 르노 전기 상용차 ‘캉구(Kangoo)’에 DEVC 기술 테스트를 성공적으로 완료했다.

퀄컴은 또 BMW와 함께 전기차 i3와 i8를 위한 무선충전 패드를 개발해 2018년 출시할 계획이다. BMW 무선충전 패드가 220V 전원 콘센트에 연결되면, BMW의 iDrive 시스템에서 확인이 이뤄지고, 무선충전 패드 위에 하이브리드 전기 BMW 차량을 올려놓으면 충전이 시작된다. 전기차 무선 충전기의 유도성 패드는 전기 코일과 자동차의 바닥 사이에 자기장을 발생시켜 차량의 리튬이온배터리를 충전함으로써 3.2kW의 전력을 가능하게 한다. 이 패드는 우선적으로 BMW 530e 퍼포먼스(Performance)에서 사용할 수 있고, 향후 330e, 740e, i8 등 다른 전기 하이브리드 차량에도 장착될 예정이다. BMW 무선충전 패드의 가격과 정확한 출시일은 알려지지 않았지만 BWM i 월박스(Wallbox) 프로 충전소는 900달러의 비용이 소요될 것으로 전망된다.

전기차 시장 핵심 먹거리 ‘파워트레인·배터리·플랫폼’ 기술 뜬다

[이데일리 손의연 기자] 최근 전기차와 자율주행차 등이 현실화되며 미래 모빌리티 시장의 핵심 기술이 주목받고 있다. 전동화 파워트레인과 배터리, 플랫폼 등 세 가지 핵심 기술이다.11일 업계에 따르면 전동화 파워트레인과 배터리, 플랫폼 등 첨단 기술을 두고 완성차 제조사와 글로벌 부품사들의 경쟁이 치열해지고 있다.현재 시장에선 전기차의 심장이라 일컬어지는 배터리가 가장 조명받고 있다.최근 출시되고 있는 전기차들의 배터리 용량과 무게가 지속적으로 업그레이드되고 있다. 제네시스 첫 전기차 모델인 ‘G80 EV’엔 87.2kWh 용량의 리튬이온 배터리가 탑재된다. 해당 배터리는 1회 충전 시 최대 427km까지 주행 가능하며 350kW급 초급속 충전 시 22분 이내에 배터리 용량의 10%에서 80%까지 충전이 가능하다.5년 전 1세대 전기차가 시장에 소개될 당시 전기차 모델 대부분의 최대 주행 거리는 약 100~150km 수준에 머물렀다.빌게이츠가 투자해 주목받은 미국의 전기차 배터리 스타트업 퀸텀스케이프는 전고체 배터리 개발로 업계의 이목을 끌었다. 기존 리튬이온 배터리의 약점을 개선해 내구성과 안전성을 높이고 필름 형태로 얇게 제작하는 기술을 확보했다.올해 현대차가 전기차 전용 플랫폼 E-GMP를 적용한 첫 모델인 아이오닉 5를, 기아가 E-GMP를 적용한 EV6를 출시했다. 전기차 전용 플랫폼을 개발하기 위한 글로벌 업체의 경쟁도 치열해졌다.전기차 플랫폼은 파워트레인, 차체, 서스펜션 등 자동차의 핵심 구성 요소를 갖춰 놓은 전용 차대를 말한다.전기차 플랫폼을 활용해 배터리 용량을 다르게 변경, 적용할 수 있으며 필요에 따라 다양한 종류의 차량을 동일 플랫폼으로 제작할 수 있어 전기차 대중화를 위한 핵심 기술이라 할 수 있다.전동화 파워트레인(구동계)과 관련한 기술 개발 경쟁도 치열해지고 있다.전동화 파워트레인은 전기모터와 인버터, 감속기 둥 구동계 부품을 아우르는 시스템을 의미하며 바퀴에 동력을 전달하는 역할을 한다. 전기차에선 배터리 만큼이나 빼놓을 수 없는 첨단 기술이다.전기차엔 내연기관의 엔진과 변속기 등을 대체하는 전기차 전용 구동계가 필요하다. 고효율 배터리와 결합하는 파워트레인 구동 효율은 전기차 주행거리 향상을 위해 필수적이다.시스템에 포함된 모터는 인버터로부터 전력을 받아 회전하고, 이 회전력이 바퀴를 굴려 자동차를 움직인다. 제동 시 차량의 운동에너지를 전기에너지로 전환하는 발전기 기능도 한다. 인버터는 배터리에 직류 형태로 저장된 전기를 교류 전압으로 변환해 모터 구동에 필요한 3상 전원을 공급하는 기능을 수행한다. 감속기는 내연기관의 변속기와 유사한 기능을 하며 모터의 높은 회전수를 차량 운행에 필요한 적절한 회전수로 감속해 바퀴에 큰 토크의 동력을 전달한다.전동화 파워트레인 분야에선 글로벌 기업인 비테스코 테크놀로지스가 최근 차세대 전동화 구동시스템인 ‘EMR4’를 세계 최초로 공개해 주목받았다. 기존 ‘EMR3’ 등 모델의 기술력과 전문성을 집약한 통합형 전동화 플랫폼이다. EMR3는 20개 이상의 전기차 모델에 적용된 제품이다.EMR4는 EMR보다 무게를 줄였지만 에너지 효율은 향상됐다. 80kW부터 230kW까지 출력 범위도 폭넓다.업계 관계자는 “전기차 전용 파워트레인과 배터리, 플랫폼 등 이른바 트리플(세 가지) 기술은 미래 모빌리티의 핵심 모빌리티로 매우 중요하다”며 “저탄소 경제가 글로벌 화두가 됐기 때문에 업계의 경쟁이 더욱 치열해질 것으로 전망한다”고 밝혔다.

자동차(전기차) 핵심 부품(엔진,모터,파워트레인,전력변환기,섀시,감속기) 정리

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– 엔진, 구동모터 (내연기관 <-> 전동기)

– 파워트레인

– 전력변환기기

– 감속기, 변속기

– 섀시 (현가, 제동, 조향 장치)

엔진, 구동모터 ( 내연기관 <-> 전동기)

엔진

화학에너지 -> 운동에너지 ~ 점화, 급격한 팽창 -> 피스톤에 부착된 커넥팅로드에 의해 크랭크샤프트에 힘이 전달(직선운동이 회전운동으로) -> 발생된 회전력이 변속기와 드라이브샤프트를 거쳐 휠까지 전달

엔진 구조 및 명칭

환경규제 강화 & 자동차 무게를 줄이기 위해 엔진 경량화 -> 실린더 헤드 커버와 실린더 블록을 기존의 철 소재 대신 마그네슘 합금/알루미늄 합금을 사용

구동모터

발생하는 소음과 진동이 매우 적다. 전기차 특유의 조용하고 안락한 승차감

구동모터는 발전기로도 변환한다. 내리막길 등 탄력 주행 시 발생하는 운동에너지를 전기에너지로 전환해 배터리에 저장할 수 있다. 주행 중 속도를 줄일 때도 마찬가지다. 이를 회생제동 시스템이라 한다.

닛산 리프는 BLDC모터를, 테슬라 모델S과 모델3, BMW i3, 피아트 500e는 AC모터를, 현대 아이오닉 일렉트릭, 기아 쏘울 일렉트릭, 폭스바겐 e-골프, 포드 포커스 일렉트릭은 PMSM(영구자석형 동기모터)을 채택

PMSM은 영구자석 동기 모터로, 브러쉬(와 정류자)가 없어서 내구성이 뛰어나고 계자 코일의 손실에 의한 온도 상승이 없어 이에 대한 보호가 필요없다는 장점

차세대 모터로 인휠 모터(In Wheel Motor)가 각광받고 있다. 인휠모터는 각 바퀴에 모터를 장착하는 개념을 의미한다. 구동 과정이 간소화돼 동력손실이 줄고, 각 바퀴 구동력을 독립적으로 제어할 수 있으며, 차체 무게를 줄일 수 있다. 하지만 구조가 복잡해 시스템 제어가 어렵다는 단점이 있다

내연기관 <-> 전동기

엔진 내연기관 <-> 전동기(에너지 변환효율이 고효율이며 배기가스가 없음_연료탱크~구동까지)

내연기관(열기관, 화석연료 화학에너지 – 연소 – 열에너지 – 운동에너지): 에너지 변환 단계가 많아 효율이 떨어진다.

전동기(전기에너지 – 운동에너지): 에너지변환이 간단하여 효율이 높지만, 현재는 원료에서의 변환 효율이 상당히 떨어진다.

그렇기에 law material부터 차량 구동까지의 효율을 따지면 효율의 차이가 10%정도뿐이 나지 않는다.

전체 효율(원료 -> 동력)로 비교 시 효율개선효과 감소

내연기관차량 = 11~22%

전동기차량 = 22~35%

2022.02.21 – [정리, 공부/기계공학 & 시스템설계] – 친환경차 전기차 비교 분석법, LCA Well to Wheel, CO2발생량 분석

그렇기에 지금 당장 전기차로 갈아타는게 우리에게 큰 이득이 아닐 수 있다.

하지만 에너지원에서부터 차량구동까지의 에너지 효율만 보자면 전기차는 아주 우수하다.

insideevs

내연기관이 구동효율이 13% 정도 나온다면 전기차는 73%,

배터리 – 인버터(90%) – 모터(90%이상) – 감속기 – 바퀴로 에너지 흐름이 이어지며 각각의 구간에서의 에너지효율이 높기에 전기차는 에너지원인 전기에서 구동까지의 에너지효율이 상당히 높다. (85~90%라고 말하는 지표도 있다.)

그외의 장점:

내연기관 = 응답속도 느림 -> 엑셀을 밟은 시점으로부터 수백ms 이후 엔진이 응답

전동기 = 액셀을 밟은 순간 수ms 후 빠른 응답을 얻음 -> 고정밀 (토크/속도)제어 가능

전동기: 탑재 위치가 굉장히 자유로움 (배터리로부터 멀어도 괜찮고, 공간만 주어지면 어디든 가능)

파워트레인

<파워트레인>

동력장치에서 생산한 동력을 바퀴에 전달하는 과정에서 필요한 시스템

파워트레인은 동력을 효율적으로 전달하는 부분으로, 성능의 차별성은 얼마나 효율적으로 동력을 만들고 전달하는지에 달림

파워트레인의 기능은 무엇일까? 파워트레인은 화석연료, 전지 등의 형태로 저장된 에너지를 운동에너지로 변환하고 자동차, 항공기, 선박 등을 움직일 수 있게 하는 등 동력을 부여하는 모든 부품의 집합체다

동력 전달 부품만 의미 or 대부분 동력 생산 장치까지 포함하여 구분(전기차는 모터, 배터리까지 포함)

or 대부분 동력 생산 장치까지 포함하여 구분(전기차는 모터, 배터리까지 포함) 파워트레인 부품 중에서 핵심은 동력을 만드는 부분과 동력을 효율적으로 전달하는 부분이다.

파워 트레인은 엔진과 변속기 , 드라이브 샤프트 , 모터 ( 모터 개수 ) 등 동력을 전달하는 메커니즘 세트를 말한다

전기차의 파워트레인은 동력을 만드는 모터와 전기의 특성을 제어하는 파워일렉트로닉스, 그리고 전기에너지를 저장하는 전지팩으로 구성된다. 연료를 저장하고 배출하는 내연기관차의 연료탱크는 파워트레인에 포함되지 않지만, 전기차의 전지팩은 에너지의 저장과 효율적 관리 역할까지 하므로 파워트레인 구성 요소에 포함된다.

http://www.epnc.co.kr/news/articleView.html?idxno=79474

동력을 전달하는 방식도 전기차와 내연기관차는 다르다. 전기차의 경우 동력을 만들고 전달하는 방식이 내연기관차에 비해 간단한 편이다. 따라서 전기차 파워트레인은 내연기관차보다 구조적으로 훨씬 단순하고, 부품수도 최대 80%까지 줄어든다. 원가 측면에서도 파워트레인의 비중은 전기차 부품 중에서 가장 높다. 따라서 파워트레인의 기술은 전기차에서 중요한 경쟁 요소로 여겨진다.

차세대 전기 파워트레인시장을 선점하기 위해 기업들은 인수합병이나 합작법인 설립을 통해 이 시장에서 빠르게 기술력과 마케팅망을 흡수하며 경쟁력을 강화하고 있다.

전력변환기기

전기모터 구동 / 배터리 충전 / 전기 시스템간 에너지 교환을 위해 배터리에서 형태 혹은 에너지량을 변환하는 기기

전기자동차에 사용되는 전력변환장치: OBC, LDC(컨버터), 인버터

인버터:

배터리의 직류전압을 받아서 3상 교류전기를 만들어 3상 모터를 구동하고 제어하는 전력변환장치

회생제동 시 발생한 AC를 DC로 변환하여 배터리에 저장할 수 있게 해준다.

직류 <-> 교류 변환

researchgate

bRd3D youtube

OBC(On-board charger):

상용 교류 전원으로부터 자동차의 고압 배터리를 충전하는 장치

교류 -> 직류

researchgate

자동차의 고압 배터리로부터 직류 전압을 받아서 차량내 12V 저압 직류 시스템에 전기를 공급하는 장치 (차량 내의 여러 시스템 및 장치를 구동하기 위해 필요한 전압인 12 or 24V)

고압직류 -> 저압직류

researchgate

인버터 ~ 98% 효율

OBC ~ 94-97% 효율

LDC ~ 다른 제품들 보다 효율이 낮지만 꾸준히 높여가는 중

<전력변환 동작원리>

Trans + Resistor = 외부의 신호에 의하여 저항성분을 바꿀 수 있는 회로/소자

트렌지스터의 동작

트렌지스터를 일종의 전기 스위치로 이용 + on/off하는 시간 비율을 조절함으로써 부하측으로 전달되는 평균 전압을 제어(PWM같은,, 느낌으로 저항값 조절해서 하는 듯)

+ 직류로부터 +와 -를 갖는 교류전압도 만들어 낼 수 있다.

2020.09.16 – [정리, 공부/전기, 전자, 통신] – 트렌지스터 기본 구조/원리(P/N형, 다이오드, NPN) 트랜지스터

감속기, 변속기

감속기

모터의 특성에 맞춰 동력을 바퀴에 더 효율적으로 전달하기 위해 고안된 일종의 변속기.

모터는 분당 회전수(RPM)가 내연기관 엔진 보다 훨씬 높다. 회전수를 상황에 맞게 바꾸는 변속이 아닌, 회전수를 하향 조정(감속)하는 역할 수행 = 속도를 낮춰 높은 회전력(토크)를 얻어

모터는 기본적으로 엔진에 비해 변속이 많이 자유롭다. 그렇기에 엔진과 같이 변속기가 필요하기 보단, 감속기만 있어도 충분한다.

변속기(Transmission)

엔진의 힘을 자동차의 동력원으로 전환시키는 동력 전달 장치 중 하나.

엔진의 동력(회전력) -> 바퀴를 움직이게 하는 토크(동력원)로 변환

정차 시, 엔진의 공회전을 가능하게 하며 후진을 가능하게 합니다.

세밀한/단계적인 속도 조절이 불가능한 엔진을 보조하는 역할

섀시 (현가, 제동, 조향 장치)

자동차가 구동하는데 필요한 모든 장치를 의미 ~ 엔진이나 파워트레인은 섀시의 범주에서 제외하고 별도의 구성으로 부서를 조직, 별개의 부품으로 간주하는 경우가 많다. (완성차 업계의 기술력을 가장 잘 나타내는 분야가 엔진과 파워트레인 이기에)

1. 현가 장치(Suspension) ~ 주행 시, 노면에서 발생하는 충격이 차체나 탑승자에게 직접적으로 전해지지 않게 충격을 흡수 + 타이어를 노면에 확실하게 접지 시켜주는 장치

제동 장치(Brake) ~ 감속/정지/주차 상태 유지

조향 장치(Steering) ~ 방향전환 ~ 스티어링 휠의 회전을 직선운동(?)으로 바꾸어 바퀴의 방향을 좌우로 움직이게 함

Ref

렛유인 강의 + 산업분석 자료

도서: 미래형 자동차 최신 기술동향과 자동차부품/경량소재 R&D 전략

미래형 자동차 자율주행 친환경자 시장과 기술개발 전략

현대H모빌리티 클레스

유튭

Reseach gate

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[카&테크]전기차의 핵심, ‘구동시스템’ 진화

친환경 모빌리티 시대가 본격화하면서 차세대 전동화 파워트레인에 대한 관심과 기술 경쟁이 치열해지고 있다. 에너지 효율을 높이기 위해 크기와 무게는 줄이는 것은 물론 활용 확장성은 커야 하고, 당연히 비용 절감도 해야 한다.

이런 상황에 파워트레인 기술 기업 비테스코 테크놀로지스(Vitesco Technologies)가 지난 7월 중국 자동차 기술 협회에서 주최하는 ‘제13회 중국 변속기 심포지엄’을 통해 차세대 전동화 구동시스템인 ‘EMR4’를 세계 최초로 공개했다.

‘EMR4’ 전 단계의 구동시스템 ‘EMR3’ 역시 무게, 크기, 출력 밀도 면에서 시장의 기준을 한 단계 높이며, 20개 이상의 전기차 모델에 탑재하는 기록을 세웠다. EMR4는 기존 EMR3 이외 회사의 파워트레인 관련 기술력과 전문성을 집약한 통합형 전동화 플랫폼이다. 구동시스템 분야에서 다시 한번 기술의 표준을 제시했다는 평가를 받았다고 회사측은 설명했다.

전동화 파워트레인은 전기차에서 배터리만큼이나 빼놓을 수 없는 첨단 기술이다. 전기모터와 인버터·감속기 등의 구동계 부품을 아우르는 시스템이다. 차량 바퀴에 동력을 전달하는 역할을 한다.

전기차에는 내연기관의 엔진과 변속기 등을 대체하는 전기차 전용 구동계가 필요하다. 고효율 배터리와 결합하는 파워트레인 구동 효율은 전기차 주행거리 향상을 위해 필수다.

시스템에 포함된 모터는 인버터로부터 전력을 받아 회전하고, 이 회전력이 바퀴를 굴려 자동차를 움직인다. 제동 시 차량의 운동에너지를 전기에너지로 전환하는 발전기 기능도 한다. 인버터는 배터리에 직류 형태로 저장된 전기를 교류 전압으로 변환해 모터 구동에 필요한 3상 전원을 공급하는 기능을 수행한다. 감속기는 내연기관의 변속기와 유사한 기능을 하며 모터의 높은 회전수를 차량 운행에 필요한 적절한 회전수로 감속해 바퀴에 큰 토크의 동력을 전달한다.

모듈화·확장성·표준화를 모두 달성한 EMR4는 기존 제품에 비해 동일 출력 기준 25%의 경량화를 이뤘음에도 전동모터는 80㎾부터 230㎾까지의 폭넓은 출력 범위를 지원한다. 또한 출력 밀도의 향상으로 완성차 제조사는 복잡한 마운팅과 인터페이스 변경 없이도 특정 자동차 모델에 다양한 출력을 구현할 수 있다. 또한 작은 크기의 이점을 살려 공간활용도를 높인 것이 특징이다.

특히 EMR4의 핵심 기술인 인버터의 경우, 통상 사용하는 방사형(Radial)이 아닌 축형(Axial) 인버터를 채택해 다양한 출력의 제품을 단일 생산라인에서 고르게 생산할 수 있다. 또 EMR4의 작동 범위 내에서 최적의 소음·진동·음향 관련(NVA) 성능을 구현하기 위해 기존에 검증된 전동화 구동시스템의 기술을 접목시켰다.

독일에 본사를 둔 비테스코 테크놀로지스는 파워트레인 분야에서 글로벌 경쟁력을 보유한 회사다. 2020년 기준 약 80억 유로의 매출을 달성했으며, 전세계 50여 개 사업장에서 약 4만 명의 직원이 일하고 있다.

박태준기자 [email protected]

파워트레인의 의미, 전기차와 내연기관에서의 파워트레인 구성 요소

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이번 카테고리의 주제는 파워트레인입니다.

파워트레인에 대한 정의를 시작으로 동력 전달 장치에 관한 내용을 차근차근 정리 하겠습니다.

파워트레인이란?

파워트레인은 차량 내 저장된 에너지를 운동에너지로 변환하여 움직이게 하는 시스템으로 자동차 뿐만 아니라 항공기, 선박 등 이동하는 모든 장치에서 찾아 볼 수 있습니다. 자동차에서 파워트레인은 동력을 생성하고 바퀴를 움직이게 하는 모든 구성 요소를 의미 하는 것으로 저장된 동력원을 운동 에너지로 변환하고 변속기, 구동축 및 차동 장치를 통해 차량의 바퀴에 전달하여 앞으로 운동하게 하는 역할을 합니다. 엔진, 트랜스미션, 차동 장치, 구동축 등 동력과 관련된 모든 장치를 통틀어 파워트레인에 해당하며 하이브리드 전기차 및 전기차에서는 배터리, 전기 구동 시스템, 제어 전자 장비까지 포함합니다. 파워트레인이 얼마나 효율적으로 동력을 만들고 전달하는지에 따라 자동차의 성능을 좌우하죠.

종종 파워트레인과 드라이브 트레인이 같은 의미로 사용되지만 두 단어는 명확하게 차이가 있습니다. 엔진을 포함한 동력 전달 부분까지를 통틀어 파워 트레인이라고 한다면 드라이브 트레인은 변속기, 구동축, 차축, 차동장치 및 휠과 같이 구동 바퀴에 동력을 전달하는 부품들을 의미 합니다. 다시 말해 파워 트레인에 드라이브 트레인이 포함되어 있으며 동력을 자동차에서 분배하는 시스템을 드라이브 트레인으로 볼 수 있습니다.

글로벌 환경 규제가 강화되어 차량의 배기 가스 배출 및 이산화탄소 사용량이 제한됨에 따라 자동차 업계에서는 연비 효율을 개선하거나 배기 가스 제어로 환경에 유해한 배출물을 줄이는 등 파워트레인을 중심으로 규제에 대응하고 있습니다. 또한 전기차 시장이 급속도로 넓어짐에 따라 파워트레인 역시 전기차 중심으로 연구가 이루어지고 있는데요, 각 제조사에서는 모터 효율을 높이고 배터리의 충전 성능을 향상시켜 에너지 효율을 개선한다거나 구성품인 모터, 변속기, 인버터 및 컨버터 등을 통합 또는 모듈화하여 전체 시스템의 부피 및 무게를 줄이고, 공간 효율성을 증대시키는 방식으로 기술 개발을 수행하고 있습니다.

파워트레인의 구성 요소: 내연기관

앞서 언급했던 것처럼 파워트레인은 엔진 또는 모터와 에너지 저장 시스템, 변속기 및 구동축과 같은 동력을 생성하고 전달하는 모든 장치를 의미합니다. 저는 블로그 내 엔진 카테고리를 따로 만들었으므로 파워트레인 정리에서는 생략 할 생각입니다. 먼저 내연기관 파워트레인의 구성 요소를 알아봅시다.

클러치(clutch)

클러치는 엔진과 변속기 사이에 장착되어 동력의 흐름을 차단하거나 전달하는 장치입니다. 일종의 스위치와 비슷한 역할로 볼 수 있으며 운전자가 클러치 페달을 밟음으로 엔진에서 발생하는 동력을 변속기에 전달하기도 하고 잠시 분리하기도 합니다. 클러치 덕분에 차량 운전 시 엔진을 정지하지 않고도 기어비를 변환하거나 피동축을 정지, 변경시킬 수 있습니다.

변속기(transmission)

변속기는 엔진에서 발생하는 동력을 차량에서 필요한 만큼 조절하여 바퀴에 전달하는 장치입니다. 크게 수동 변속기와 자동 변속기로 구분 할 수 있으며 오늘날 대부분의 차량은 편의성 때문에 자동 변속기를 사용하고 있습니다. 내연기관 특성상 RPM에 따라 최대 토크와 최대 출력이 발생하는 대역이 다른데, 변속기를 사용하여 주행 상황에 맞춰 엔진의 회전을 일정하게 유지 할 수 있게 합니다. 변속기는 엔진의 출력과 토크에 맞춰 적당한 사양을 사용해야 하는데, 변속기의 허용치가 지나치게 낮으면 과부하로 파손이 일어날 수 있고 지나치게 높으면 변속이 늦어집니다.

차동기어장치 (differential gear)

자동차의 양쪽 바퀴는 선회 할 때나 노면의 저항에 따라 회전수가 다르게 세팅되어 있습니다. 차량 회전 시 회전 방향의 안쪽 바퀴보다 바깥쪽 바퀴가 움직여야 하는 반경이 더 크기 때문에 바깥쪽 바퀴가 더 빨리 돌아야 접지력을 잃지 않고 차량이 정상적으로 움직일 수 있죠. 이렇게 울퉁 불퉁한 도로 또는 차량 회전 시 동력을 배분하여 좌우 바퀴 회전수를 적당하게 변화하는 장치가 바로 차동기어장치입니다. 만약 차동기어장치가 없다면 차량의 선회 시에도 양쪽 바퀴의 회전수가 동일하여 언더스티어 또는 슬립이 발생하여 차체가 매우 불안정 할 것입니다.

종감속장치 (Final reduction gear)

구동 피니언과 링 기어로 구성되어 있는 종감속장치는 구동 중 가장 마지막으로 감속이 이루어지는 장치로 일반적으로 차동기어장치에 연결되어 있으며 추진축이나 변속기 출력축에서 회전력(토크)을 증대시키기 위해 마지막으로 감속하는 역할을 합니다. 변속기만으로는 기관의 토크를 모든 주행상태에 대응하기에 어렵기 때문에 종감속장치가 필요하며 필요에 따라 동력전달방향을 변환시키는 기능도 수행하죠. 종감속장치는 변속기와 추진축에서 전달되는 회전력을 직각 또는 직각과 가까운 각도로 바꿔 차축에 전달함과 동시에 최종적으로 감속하며, 변속기 출력축 회전 속도를 고정감속비(감속비는 증강된 구동토크로 주행 최고속도를 달성할 수 있도록 설정되어야 함)에 맞춰 감속합니다. 여기서 기어비는 차량의 특성과 운전자의 성향에 따라 결정되며, 감속비가 커질수록 가속도는 향상되고 최고 속도와 장거리 항속 연비가 하락하지만 반대로 종감속비가 작을수록 최고 속도와 장거리 항속 연비는 상승하지만 가속 순발력이 떨어지게 됩니다.

추친축 (drive shaft)

추진축은 변속기의 동력을 바퀴에 전달하는 축입니다. FR 차량에서는 변속기의 출력을 종감속 기어에 전달하고 FF 차량에서는 변속기의 출력을 앞바퀴에 전달하죠. 바퀴의 위치는 외부 충격에 의해 변경 되기에 축의 각도 변화가 일어나더라도 회전 운동을 전달 할 수 있어야 합니다.

파워트레인의 구성 요소: 전기차

전기차의 파워트레인은 동력을 생성하는 모터와 전기의 특성을 제어 하는 파워일렉트로닉스, 그리고 전기에너지를 저장하는 배터리 등으로 구성됩니다. 내연기관에서는 파워트레인에 연료탱크가 포함되지 않았지만 전기차에서 배터리는 에너지 저장 뿐만 아니라 효율성 및 제어까지 담당하기 때문에 핵심 요소로 취급하고 있습니다.

모터 (Motor)

모터는 전기 에너지를 바퀴를 움직이는 운동 에너지로 변환하는, 전기차에서 엔진과 같은 장치입니다. 모터는 자동차와 관련된 소음과 진동이 최소화되고, 효율적인 차량 설계를 위한 추가 공간(예: 확장된 실내 또는 보관 공간)을 제공합니다. 또한 일반 내연기관의 엔진처럼 전기차의 구동력을 발생하며, 감속 시 또는내리막길 등 탄력 주행 시 발생하는 운동 에너지를 전기 에너지로 전환하여 저장 하는 등 (회생제동 시스템) 에너지를 다양한 방법으로 활용 할 수 있게 합니다.

감속기 (Reducer)

내연기관의 변속기와 같은 역할을 하는 장치로 모터의 동력을 바퀴에 효과적으로 전달하는 역할을 합니다. 다만 모터가 내연 기관보다 RPM이 훨씬 높기 때문에, 주행 상황에 맞춰 엔진 RPM을 변속하는 변속기와는 다르게 회전수를 하향 조정(감속)해야 하기 때문에 전기차에서는 감속기를 사용하고 있습니다. 모터의 회전수를 필요한 만큼 감속하여 더 높은 회전력으로 효율적인 운행이 가능하도록 하죠. 자전거로 비유하자면 언덕을 올라갈 때 기어를 낮게 하여 속도는 느리지만, 언덕을 더 쉽게 올라갈 수 있는 것과 비슷한 원리입니다.

배터리 (Battery)

배터리는 내연 기관의 연료 탱크와 같이 전기 에너지를 저장하며 배터리의 용량에 의해 전기차의 최대 주행 거리가 결정됩니다. 배터리의 전압에 따라 모터의 회전수와 회전력에도 영향이 있죠. 그러나 배터리의 크기와 무게 또한 객실/보관 공간을 차지하여 에너지 효율성과 연비를 악화시키는 등 차량 성능에 큰 영향을 미치기 때문에 핵심은 가능한 한 많은 전기 에너지를 저장하는 작고 가벼운 배터리, 배터리의 에너지 밀도를 최대화하는 것입니다.

온보드 충전기(On-board Charger, OBC)

온보드차저는 전기자동차를 완속 충전하거나 차량에 입력된 교류 전원을 직류 전원으로 변환하는 장치로 가정용 콘센트에서 사용되는 완속 충전기나 휴대용 충전기의 교류(AC)를 직류(DC)로 변환하는 데 사용됩니다. 교류를 직류로 전환한다는 점에서 인버터(inverter)와 비슷해 보이지만, 온보드차저는 충전을 위한 장치이지만 인버터는 차량 가속과 감속과 관련된 장치라는 점에서 차이가 있습니다.

전력제어장치(Electric Power Control Unit, EPCU)

인버터, LDC, VCU로 구성되어 있는 전력 제어 장치(EPCU)는 배터리와 모터 사이에 전력을 변환하거나 배터리의 전압을 저전압으로 변환하여 전장 부품에 공급 하는 등 전기차 내 전력 흐름을 통합적으로 제어합니다.

이후 포스팅에서 각 구성품을 더욱 자세하게 다뤄보도록 하겠습니다.

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부산시, 전기차 핵심 e-파워트레인 부품기술 허브 구축나선다

자료: 현대자동차그룹

부산시는 15일 ㈜코렌스이엠-부산테크노파크-부산연구개발특구진흥재단과 ‘전기차 e-파워트레인 부품기술 허브센터 협력 구축을 위한 업무협약’을 체결한다고 밝혔다.

e-파워트레인은 전기차에 탑재된 배터리의 전기 에너지를 운동에너지로 변환하여 자동차을 움직일 수 있게 하는 모든 부품의 집합체로 전기차의 핵심 요소이다.

‘전기차 e-파워트레인 부품기술 허브센터 구축사업’은 부산 강서구 미음동 국제산업물류도시 1-2단계 제8공구 일원에 조성 중인 부산형 지역일자리 사업인 ‘전기차 핵심부품 생산·R&D 클러스터’ 입주기업과 지역 자동차 부품기업의 미래차 전환 지원을 위하여 2023년까지 총사업비 220억 원을 투입하여 e-파워트레인 설계, 제품개발, 시험 등을 지원하는 허브센터와 관련 장비를 구축하는 사업이다.

‘전기차 핵심부품 생산·R&D 클러스터 조성사업’은 부산 강서구 국제산업물류도시 내 9만 평 규모의 클러스터를 조성하여 ㈜코렌스이엠 및 협력업체 20여 개사가 입주하고 2030년까지 총 4,129억 원을 투자하여 일자리 4,300여 개와 매출액 7,600여억 원 등을 창출할 것으로 기대되고 있다.

클러스터의 핵심 기업인 ㈜코렌스이엠은 지난 7월 생산·연구시설을 준공하고, 내년 1월 말부터 전기차 파워트레인 시험생산을 시작할 예정이다.

이날 협약식에는 박형준 부산시장을 비롯하여 조용국 ㈜코렌스이엠 회장, 김형균 부산테크노파크 원장, 서동경 부산연구개발특구 본부장 등이 참석한다.

△부산시는 허브센터 구축에 필요한 행·재정적 지원 △㈜코렌스이엠은 허브센터 부지 마련을 통한 좋은 일자리 창출에 기여 △부산테크노파크는 허브센터 및 장비구축 사업시행 △부산연구개발특구진흥재단은 센터 입주에 따른 행정지원 등의 역할 분담을 통해 허브센터가 원활하게 구축될 수 있도록 협력해나갈 방침이다.

박형준 부산시장은 “이번 협력을 통해 전기차 파워트레인 분야의 핵심부품 국산화와 관련기술 선제 도입으로 기존 기업이 미래차 부품기업으로 도약할 수 있는 마중물이 되고, 청년일자리 창출에 큰 역할을 할 것”이라며, “르노삼성차 부산공장과 ㈜코렌스이엠의 전기차 핵심부품 생산·R&D클러스터를 중심으로 미래차 전략산업 생태계 구축과 일자리 창출을 위한 행정·재정적 지원 노력을 아끼지 않겠다”라고 밝혔다.

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