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[자동차 이야기(74)] 전기자동차(EV)

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[자동차 이야기(74)] 전기자동차(EV)

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순수 전기자동차와 플러그인 하이브리드 자동차는 무엇이 얼마나 다른 것인가?

2020년 세계자동차 시장에서의 화두는 단연 전기 자동차와 자율주행 자동차이다. 이중에 과연 전기자동차를 다음번 자동차 구매대상으로 리스트에 올릴수 있을지 아니면 제외시켜야 할지 생각중인 사람들도 있을 것이다.그래서 이번에 전기자동차와 플러그인 자동차에 대해 한번 알아보려고 한다.

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1. 전기자동차

전기자동차 하면 순수하게 동력원이 배터리만 있고 내연기관은 없는 자동차이며 배터리를 이용해 모터를 구동하고 이를 동력원으로 자동차를 주행 하는 시스템을 이야기 한다. 이때 중요한 것은 역시 배터리의 용량과 성능이 되겠다. 배터리의 용량을 늘리는 것은 현제 상태에서는 차량의 크기를 키우고 배터리를 더 많이 탑제하면 간단하게 용량을 늘릴수는 있지만 자동차 무게가 늘어나고 무엇보다 배터리 가격이 높아져서 자동차 전체 비용이 올라간다는 문제가 있다. 따라서 최근 자동차 개발은 전기차 전용 플랫폼 개발과 고용량 배터리 적용으로 주행 거리를 늘리고 자동차 용도에 맞게 최적의 크기를 결정하고 높은 주행 효과를 고려해서 배터리와 모터의 조합을 구성하는 것이 자동차를 개발하는 연구원들의 몫이다.

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2. 전기자동차의 특성

전기자동차는 모터를 이용하여 구동력을 얻는 관계로 모터의 구동방식과 모터의 용량이 중요하다. 모터의 수명 또한 중요한데 최근에 모터구동은 BLDC 모터를 사용하며 모터의 수명은 반영구적으로 사용이 가능하다고 한다. 전기모터의 구동토크는 회전과 동시에 최대토크를 출력하는데 전통적인 내연기관의 경우 최대토크를 출력하기 위하여는 일정알피엠까지 도달해야 최대의 힘을 출력하기 때문에 자동차가 처음 출발시 가속감이 떨어지는 느낌을 받게되지만 모터는 처음 출발시부터 최대의 힘을 발휘하기에 가속느낌이 뒤에서 큰 힘이 밀어주는 것처럼 힘있게 출발할 수 있다.

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3. 전기자동차 구성

전기자동차의 구성은 기존 내연기관 자동차 구성은 그대로 유지 하면서 동력장치 구성인 내연기관과 변속기 시스템이하던 역할은 모두 없어지고, 모터와 감속기로 단순화 되면서 고전압 배터리와, 모터와 고전압 배터리를 컨트롤하기 위한 차량제어시스템이 새롭게 적용되었다. 적용장치의 구분은 교류전기로 작동되는 모터&발전기, 감속기, 직류 고전압 배터리, 교류모터로 구동되는 에어컨 컴프레서, 모터와 유압으로 작동되는 제동장치 등이 일반 내연기관 자동차와 크게 구분이 된다. 이외 자동차 시스템은 기존 내연기관 차량에 적용된 것들과 대부분 동일한 시스템이 적용되며, 최근에 개발되고 있는 전기차 전용 플랫폼이 다른 점이라고 할 수 있다.

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4. 전기자동차 플랫폼

플렛폼은 자동차를 구성하는 기본 구조를 의미한다 집을 지을 때 기초가 되는 골조와 같은 역할이다. 기존에 자동차를 보면 내부 가운데 부분이 볼록하게 올라와 있는 구조로 되어 있는 것을 볼 수 있다. 이곳이 배기가스가 흐르는 배기관과 동력전달을 위한 프로팰러 샤프트 등이 차량 앞쪽에서 발생한 동력과 배기가스를 차량 뒤쪽방향으로 보내는 일종의 통로가 된다. 전기자동차는 배기가스가 발생하지 않고 동력 전달도 앞 뒤에 따로따로 구성되기 때문에 중간에 통로가 필요하지 않아 전기자동차 전용 플랫폼 구성은 차량실내 공간을 넓고 크게 활용할수 있는 장점이 있다.. 이때 중요한 것은 충분한 차량 강성구조와 추돌시 충격 분산을 통한 탑승객 보호가 가장 큰 관건이다. 다행스럽게도 국내 자동차 업체가 이러한 전기자동차 전용 플랫폼을 적용한 차량을 출시하면서 예상을 뛰어 넘는 소비자 반응으로 이어지고 있다.

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5. 전기자동차 제어 시스템

전기자동차 제어는 고전압 배터리와 모터 시스템이다. 전기자동차의 배터리는 얼마나 오랫동안 전기에너지를 사용할 수 있는지와 얼마나 빨리 원상태로 충전이 이루어지는지가 중요하다.. 매우 단순할 것 같지만 배터리의 에너지를 얼마나 균일하게 소비하고 재생하는지는 운전자의 주행패턴과 배터리의 온도, 외기온도, 주행거리, 주행경로, 모터제어, 제동시 발전제어, 등 많은 변수들의 정보를 가지고 정밀하게 제어하는 알고리즘이 필요하다. 이를 구현하기 위해서 차량의 공기흐름을 차단하거나 통과 시키는 별도의 플랩을 장착시키고 버려지는 열을 회수하여 재활용하고 타이어의 컴파운드 비율과 패턴도 다르게 한다. 또한 제동시에는 차량 제어시스템은 물리적인 유압 제동시스템과 회생제동이라는 모터를 발전기로 변환시켜 회생제동을 하는 것을 제빠르게 둘로 구분하여 정밀하게 제어한다. 이런 작은 변화들이 전기자동차의 전체적인 효율을 높여주고 있다.

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6. 전기자동차 모터 작동

전기 자동차 모터 구동은 고전압 배터리를 전원으로 사용하는데 보통 전기자동차에 배터리 전압은 300~800V까지 고전압을 이용하여 모터를 구동하고 고전압 배터리는 직류전원(DC)이다. 모터를 구동하기 위해서는 교류(AC)로 변환이 필요하고 교류로 변환된 전기를 모터에 순차적으로 보내면서 모터를 회전시켜 동력을 발생 시킨다. 이때 모터의 위치를 정확하게 파악을 해야 순차 제어가 원활하게 되고 부드럽게 모터가 회전을 할 수 있는데 모터의 위치를 실시간으로 파악하는 레졸버센서가 모터회전자 위치를 정확하게 검출하는 것이 중요하다. 이외에도 토크센서, 전류센서, 온도센서 등등 여러 센서들이 유기적으로 작동을 해야만 정상적인 주행을 하는 것이다.

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7. 고전압 배터리

고전압 배터리는 국내제조 메이커들이 세계적인 성능과 품질 경쟁력을 가지고 있어서 전기자동차 및 하이브리드 차량의 경쟁력을 높여주고 있다. 고전압 배터리의 종류는 현재 리튬이온폴리머(리튬, 니켈, 코발트, 알루미늄산 NCA, 리튬 니켈망간 코발트산NMC, 인산철 리튬LFP)등 종류가 다양한데 현재 리튬이온폴리머 배터리가 가장 우수한 것으로 경쟁력을 갖추고 있다. 리튬이온배터리의 경우 전해질이 액체성분이 아니고 젤 형태의 전해질을 사용하며 일정 강도 이상의 충격이 가해지면 화재가 발생할 수 있는 위험성도 존재한다. 아마 가끔 언론 보도에서 접하는 것처럼 충전중 또는 주행중에 화재가 발생 했다는 보도를 접했을 것이다 이는 정확히 제조사의 배터리 문제라고는 밝혀지지 않았지만 고전압 배터리가 충방전 되는 경우 일정한 가스가 발생하고 배터리 구성물질의 화학적 변화의 문제 발생이 있을수 있다는점을 배제 할수 없다,

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8. 냉난방 장치와 냉각수

전기차에도 일반 차량과 마찬가지로 냉난방 장치가 있다. 난방장치를 먼저보면 기존의 자동차시스템은 내연기관에 의해 데워진 냉각수가 차량실내에 있는 히터코어(라디에이터)에 순환되고 이코어에 블로워모터를 이용하여 바람을 일으켜 통과시키는 형태로 히터가 작동되는데, 전기자동차는 내연기관 대신 주행모터, 인버터컨버터, 배터리에서 발생하는 열을 냉각 시켜주는 냉각수를 이용하여 히터코어에 순환시켜 난방을 하게 된다. 이때 전기자동차 냉각수 온도는 내연기관보다 평균온도가 조금 낮은데 내연기관은 85~110도 정도, 전기자동차는 대략75도 미만에서 관리가 된다, 이에 따라 초기 난방시에는 PTC히터를 이용하여 난방을 보조하는데 PTC방식은 전기 소모를 많이 하게 되어 이런 경우에는 배터리 관리시스템인 BMS장치가 배터리SOC상태에 따라 정밀하게 제어를 하게 된다. 냉방장치는 컴프레셔가 일정한 압축과 냉매를 순환시켜야 하는데 내연기관은 엔진의 동력을 밸트를 이용하여 컴프레셔를 구동하지만 전기자동차는 모터와 컴프레셔가 하나의 장치로 작동을 하는데 컴프레셔의 압축 순환 방법이 다른 방식을 사용한다. 일반적인 내연기관의 컴프레셔는 피스톤이 슬라이딩 되면서 흡입과 압축을 하는 방식인데 전기자동차는 스크롤 방식의 컴프레셔를 이용, 흡입과 압축을 하고 냉매를 순환 시킨다. 냉매는 2017년 이후 차량들은 국제 환경규제로 인하여 yf1234가스를 사용하는데 냉매오일은 일반 차량은 PAG를 사용하며, 전기장동차는 절연성이 강화된 냉매오일POE(Polyester Oil A,폴리 알킬렌 글리콜)은 내마모성 및 화학적 안전성과 저온 유동성이 우수한 냉매오일을 사용한다.

9. 전기자동차 사용방법

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류충효 신한대 기계자동차융합공학과 교수

전기자동차를 사용하는 방법은 특별한 주의 사항보다는 주행 방법과 주행 패턴에서 가급적 배터리의 소모를 얼마나 적게 하면서 주행을 할 수 있는지가 중요하다, 이는 기존 내연기관에서 연료를 적게 소비하고 주행하는 것과 똑같이 급가속, 급제동은 하지 않는 것이 좋다. 전기 자동차의 회전수는 최대10,000rpm이상도 가능하다. 제조사에서는 활용 가능 rpm을 최대6000~7000정도로 제한을 하지만 가속페달을 많이 밟으면 밟을수록 전기소모는 많아진다. 그리고 겨울철 난방장치를 과하게 사용할 때도 전기를 많이 소모하게 된다. 최근 전기 자동차의 겨울철 실 주행거리가 제원표와 다르게 적게 주행을 한다는 소비자의 불만도 이런 이유가 있다, 또한 겨울철 온도가 내려가면 배터리의 활성화가 낮아지는 것도 하나의 원인이다. 따라서 전기 자동차의 특성을 잘 이해하고 자신의 운전 특성도 잘 고려하여 좀더 현명한 운전 습관으로 전기 자동차의 주행 거리를 늘리고 에너지 절약도 할 수 있는 방법을 익히는 것이 도움이 된다.


류충효 신한대 기계자동차융합공학과 교수