[전기자동차의 이해] 전기자동차의 주요 구성 부품

전기 자동차의 주요 부품은 배터리, 전기모터, 인버터/컨버터, 배터리 시스템이 있다. 배터리는 재충전이 가능한 2차전지가 사용되고 전기자동차의 품질에 크게 영향을 미친다. 전기모터는 이러한 배터리를 통해 구동력을 발생시키는 장치이다. 인버터/컨버터는 직류와 교류를 변환시켜주는 역할이다.

배터리 시스템은 배터리의 충전과 방전을 조절하고, 보호하는 역할을 하여 배터리의 품질을 향상시킨다. 이것들은 하이브리드 자동차에도 공통적으로 구성되있는 부품들이지만 전기자동차의 경우는 고성능 배터리와 고속충전기술이 추가로 필요하다는게 특징이다. 역시 이중에서도 배터리와 전기모터가 단연 전기자동차에 있어 핵심 기술이라 할 수 있다.

전기자동차의 구성도

구동 모터 및 제어기

최근 개발되고 있는 전기자동차 종류에는 BEV, HEV, PHEV 등 여러 가지 형태가 있다. 하지만 전기자동차에 적용되는 구동 시스템 관점에서 보면 그리 크게 다르다고는 할 수 없다. 즉, 전기 자동차의 구동 시스템 가운데 구동 모터 및 제어기는 토오크-속도특성, 냉각특성, 부피 및 무게, 시스템 전압 그리고 가격 등을 종합적으로 고려하여 차량의 요구조건을 만족시킬 수 있도록 선정되어 지는데, 어떤 형태의 전기 자동차이든 차량에서 요구하는 기본적인 사항(고효율, 높은 출력밀도, 고출력, 저소음 및 진동, 제작의 용이성, 경쟁력 있는 가격 등)들은 유사하다고 볼 수 있다.

전기 자동차에 적용되는 구동 모터로는 개발초기에 비교적 간단한 직류 전동기(Brushed DC Motor)가 사용되었으나, 최근에는 유지보수가 용이한 유도 전동기(Induction Motor) 또는 영구자석 전동기(Brushless DC Motor)가 사용되고 있으며, 일부에서는 스위치드 릴럭턴스 모터(Switched Reluctance Motor)의 적용을 검토하고 있다. 

전기자동차용 모터 제어기는 운전자의 의도에 따라 차량의 목표성능을 만족시킬 수 있도록 빠른 응답특성과 넓은 속도영역에서의 원활한 운전특성 및 축전지의 전압변동에 대한 고른 출력특성, 그리고 감속 시 회생제동 특성 등을 고려하여 설계되어야 하며, 차량의 특성에 맞는 Parameter Setting을 통한 Calibration을 수행할 수 있도록 하여야 한다. 또한, 제어기의 자기진단기능과 Data 저장기능, 그리고 차량에 장착된 다른 제어기들이나 외부 컴퓨터와의 정보교환을 위한 Interface 기능이 필요하다.

전동기(모터)

전동기(모터)는 전력을 이용하여 회전운동의 힘을 얻는 기계이다. 전동기의 축에 기계적 부하(이 회전력에 의해 작용하는 각종 기계)를 연결하여 운전하며, 전동기의 크기는 보통 전력단위(㎾), 또는 마력(HP, 1마력＝0.75㎾)으로 표시한다.

전류에서 회전력(torque)을 끌어내는 원리는 "자계 속을 흐르는 전류에는 자기력이 작용한다"라는 것이며, 이 자기력의 방향은 자계와 전류 방향에 직각이 된다. 이 관계는 플레밍의 왼손 법칙으로 표시된다.

실제의 방법으로는 다음 두 가지가 있다. 첫째 방법은, 자계에 직각으로 코일을 놓고 전류를 흐르게 하는 것이다. 코일의 양쪽을 흐르는 전류가 반대 방향으로 흘러 토크가 발생하므로 이것을 연속적으로 끌어낸다(직류전동기 등). 둘째 방법은 변화하는 자계 속에 도체를 두었을 때 전자유도의 법칙에 따라 도체에 전류가 흘러 먼저와 같은 원리로 토크가 발생하는 것을 이용하는 것이다(유도전동기). 두가지 중 어느 쪽이나 발생하는 힘은 자속의 밀도와 전류의 곱에 비례한다.

전동기에서 동력을 끌어내는 방법은 이처럼 매우 간단한 것으로, 그것은 발전기의 원리인 것의 반대로 되어 있다. 실제로 전동기는 1873년의 빈의 박람회에서 정지하고 있는 발전기(그람의 발전기)의 전류를 끌어내는 단자에 전류가 흐르는 도선을 잘못 연결했다가 이 발전기가 돌아간 사실을 계기로 개발된 것이다.

전동기는 목적에 따라 여러 가지 성질의 동력 장치를 만들 수 있고, 그 성능도 안정성이 있어 다른 원동기에 비해 가볍고 소형이다. 또 고장도 적고 보수도 간단하다. 그리고 전력은 전선을 가설할 수 있는 곳에는 수송이 가능하며, 필요한 양을 끌어내어 사용할 수 있는 이점이 있다. 그런 까닭에 예컨대 증기 기관차는 전차로 바뀌고 배기 가스가 없는 이점으로 지하철도 개발되었다. 그리고 가정 전화 제품으로 쓰여 가사의 방법들을 일변시키게 되었다. 

또 소형이고 간단히 장치할 수 있을 뿐 아니라 고속으로 회전하며 또 안정성이 있어 고성능 기계를 만들 수 있게 되어 생산의 기계화나 기계의 자동화와 오토메이션(automation)을 촉진시켰다. 이런 이유로 이제는 석탄이나 석유, 원자력으로서 공급되는 1차 에너지의 대다수는 일단 전기 에너지로 바뀐 다음 급전망을 통해서 공장이나 가정으로 배전되며 거기서 필요한 형태의 동력으로 변환되고 있다.

충전 장치

전기자동차 충전 시스템은 차량에 장착된 탑재형 충전기(On-board Charger)를 비롯하여, 내연기관 차량의 주유구에 해당하는 인렛(Inlet)과 커넥터(Connector), 주유기에 해당하는 충전스탠드(Charging Stand)와 급속충전기(Quick Charger) 등으로 구성되어있다. 사용자의 편의성을 확보하기 위하여 다양한 차종에 대한 호환성을 담보하는 충전시스템 및 인프라의 표준화가 절실함.

대분류	소분류	내 용
장착 위치	탑재형 충전기	가정용 단상전원을 이용하여 개별차량에 탑재된 충전기를 통해 구동용 축전지를 충전,통상30A용량까지 사용
	별치형 충전기	3상 교류전원을 이용하여 최대400A용량까지 충전하는 장치로 통상 급속 충전기로 사용
전력 공급 방식	유도형 충전 방식	유도형 충전방식은 변압기의 원리와 같이 자기적 결합에 의해 축전지와의 직접적인 접촉 없이 축전지를 충전하는 방법 도체 접촉부의 노출이 없으므로 충전 중 누전의 염려가 없어 사용 환경의 제약이 거의 없고 대용량의 경우 전선의 두께를 크게 줄일 수 있는 장점이 있으나 효율이 낮고 전자파에 대한 대책 수립에 어려움이 있다.
	접촉형 충전 방식	축전지에 공급하는 전력을 직접적인 도체의 연결에 의해 수행하는 방식 유도형에 비해 효율이 높고 일반적으로 많이 사용되나 대용량일 경우 전전의 두께가 굵어지고 충전 중 누전 등의 안전에 대한 대책을 강구해야 한다.

전기자동차의 충전장치는 장착위치에 따라서 차량에 탑재되는 탑재형 충전기와 외부에 설치하는 별치형 충전기로 구분되며, 축전지에 전력을 공급하는 방식에 따라 유도형 충전기와 접촉형 충전기로 구분할 수 있다.

리튬-이온 전지

리튬 이온 전지(Lithium-ion battery, Li-ion battery)는 이차 전지의 일종으로서, 방전 과정에서 리튬 이온이 음극에서 양극으로 이동하는 전지이다. 충전 시에는 리튬 이온이 양극에서 음극으로 다시 이동하여 제자리를 찾게 된다. 리튬 이온 전지는 충전 및 재사용이 불가능한 일차 전지인 리튬 전지와는 다르며, 전해질로서 고체 폴리머를 이용하는 리튬 이온 폴리머 전지와도 다르다.

리튬 이온 전지는 에너지 밀도가 높고 기억 효과가 없으며, 사용하지 않을 때에도 자연방전이 일어나는 정도가 작기 때문에 시중의 휴대용 전자 기기들에 많이 사용되고 있다. 이 외에도 에너지밀도가 높은 특성을 이용하여 방위산업이나 자동화시스템, 그리고 항공 산업분야에서도 점점 그 사용 빈도가 증가하는 추세이다. 그러나 일반적인 리튬 이온 전지는 잘못 사용하게 되면 폭발할 염려가 있으므로 주의해야 한다.

리튬 이온 전지는 크게 양극, 음극, 전해질의 세 부분으로 나눌 수 있는데, 다양한 종류의 물질들이 이용될 수 있다. 상업적으로 가장 많이 이용되는 음극 재질은 흑연이다. 양극에는 층상의 리튬코발트산화물(lithium cobalt oxide)과 같은 산화물, 인산철리튬(lithium iron phosphate, LiFePO₄)과 같은 폴리음이온, 리튬망간 산화물, 스피넬 등이 쓰이며, 초기에는 이황화티탄(TiS₂도 쓰였다. 음극, 양극과 전해질로 어떤 물질을 사용하느냐에 따라 전지의 전압과 수명, 용량, 안정성 등이 크게 바뀔 수 있다. 최근에는 나노기술을 응용한 제작으로 전지의 성능을 높이고 있다.

조향 장치

기존의 내연기관 차량에 사용되는 Power Assist Steering System에서는 엔진의 구동력을 이용하여 유압 펌프를 동작시키는 Hydraulic assist type이 사용되었으나, 전기 자동차에서는 유압장치 대신 전기모터를 사용하는 Electric assist type이 사용되어 차량 Package 및 제어 능력 면에서 상대적인 장점이 있다. Column Type Electric Power Steering은 직류 모터가 Steering Column에 부착되어 있고, 차속 센서와 Steering shaft에 장착된 Steering 센서의 신호에 기초해 Motor가 회전하여 핸들조작을 Assist하도록 구성되어 있다.

DC/DC 컨버터

전기 자동차에 사용되는 DC/DC 컨버터는 크게 강압(Step-down)에 사용되는 경우와 승압(Step-up)에 사용되는 경우로 나누어 생각할 수 있다. 강압 컨버터는 내연기관 자동차의 교류 발전기와 같은 역할을 하는 장치로, 주로 200~300V 정도의 구동용 축전지에서 차량의 편의장치에 사용되는 +12V 수준의 보조축전지를 충전하기 위해 사용되며 전류 용량은 대략 100A 내외이다. 반면 승압 컨버터는 연료전지 등에서 발생되는 비교적 낮은 전압을 이용해 구동용 축전지를 충전할 수 있는 수준 정도의 전압으로 승압하기 위하여 사용되며 통상 20~40kW 정도의 용량을 갖는다.

냉난방 장치

전기 자동차용 냉난방 장치 가운데 냉난방을 동시에 해결할 수 있는 열펌프(Heat pump)를 이용한 시스템의 경우 전동 압축기가 사용되는데, 압축기의 회전수를 조절하기 위해 압축기에 내장되어 있는 전동기의 회전속도를 제어하게 된다.

회생제동 시스템

회생제동 시스템은 구동 모터의 발전기능에 의해 차량의 운동에너지를 전기에너지로 바꿔주는 것으로써, 이를 통해 제동력을 얻는다. 그러나 회생제동력은 모터의 성능과 축전지의 충전상태에 따라 한계가 있으며, Regenerative Efficiency를 향상시키기 위해서는 유압 브레이크의 제동력을 최소화시키는 것이 바람직하다. Regenerative Efficiency가 높다는 것은 차량에 의해 사용되는 축전지의 에너지 효율이 높다는 것을 의미하며, 과거에는 회생제동과 Hydraulic Braking을 개별적으로 제어했으나, 최근에는 보다 효율적인 제어를 위해 통합 단일제어기가 사용되는 추세이다.

발전기 및 AC/DC 컨버터

직렬형 하이브리드 전기 자동차에 주로 사용되는 발전기는 엔진에서 발생되는 기계적 에너지를 전기적 에너지로 변환하는 장치로, 통상 AC/DC 컨버터를 이용하여 차량에 장착된 축전지를 충전하거나 구동용 모터를 동작시킨다.

Super-Capacitor 및 I/F 장치

전기 자동차의 일회 충전 당 주행거리를 증가시키고 축전지의 수명을 향상시키기 위한 축전지의 Load-Leveling에 관한 연구가 활발하게 진행되는 가운데, Super-Capacitor라고 불리는 Electrochemical Double Layer Capacitor가 가장 적합한 대안으로 꼽히고 있다. Super-Capacitor는 차량의 가속운전 구간에서 필요한 순간 최대출력을 축전지와 분담하여 구동 시스템에 공급하고, 감속 구간에서는 회생제동 시스템을 통하여 축전지 충전 시 발생할 수 있는 과 충전 문제를 해결한다.