전기차의 구동 및 회생제동 원리

전기차는 화석 연료를 전혀 사용하지 않고 고전압 배터리와 모터가 자동차 구동의 주된 동력원입니다. 엔진이 없어 대기오염물질과 온실가스를 배출하지 않는 차세대 이동수단인 전기차의 내부 구조와 작동원리에 대해 알아보겠습니다.

 

화석연료를 사용하는 내연기관은 연료(가솔린, 디젤)를 엔진 내에서 4 행정(흡입, 압축, 폭발, 배기)을 통해 운동에너지를 발생시키고 엔진에서 발생된 힘은 동력 전달장치(클러치-변속기-추진축-종감속 장치 및 차동기어장치-차축-구동바퀴)를 통해 구동바퀴에 전달되고 자동차는 움직이게 됩니다. 이러한 내연기관과 달리 전기차는 엔진과 연료가 없으며 배터리를 충전하여 모터를 가동해 구동하게 됩니다.

 

전기차의 작동 원리는 배터리에 저장된 전기에너지를 전기모터로 공급하여 구동력을 발생시킵니다. 여기에 필요한 부품 및 동력 구조는 구동모터, 감속기, 배터리, 온보드차저, 통합 전력제어장치가 있습니다.

 

1. 배터리 

배터리는 전기에너지를 저장하는 내연기관의 연료탱크와 같은 역할을 하며 배터리 용량(kWh)에 따라 주행거리가 결정됩니다. 따라서 배터리는 고용량이여야 하며 차지하는 부피 감소를 위해 고밀도 배터리 셀 개발 및 효율을 위한 팩 모듈, 팩 설계가 중요합니다. 

 

 1) 배터리 히팅 시스템

배터리는 겨울철 낮은 온도에서 충전량이 감소하고 속도도 느려지기 때문에 배터리를 최적의 온도로 유지시켜 성능저하를 예방하는 것이 중요합니다. 배터리 히팅 시스템은 배터리를 최적의 온도로 유지시킵니다.

 

 2) 배터리 관리 시스템(Battery Management System, BMS)

수많은 배터리의 각 셀의 상태를 유사하게 관리해주기 위한 시스템으로 셀의 충전 및 방전 상태 감시와 이상 감지시 배터리의 전원을 잇거나 끊어 배터리의 내구성과 성능이 최적으로 유지될 수 있도록 합니다. 

 

 3) 온보드차저(On Board Charger)

충전을 위한 장치로 배터리에는 직류로 들어와 충전이 되어야 하며 이때 차량에 입력된 교류 전원(AC)을 직류 전원(DC)으로 변환하는 장치입니다. (완속 충전 시는 교류, 급속 충전 시는 직류)

 

2. 통합전력 제어장치

 1) 인버터(Inverter)

배터리에서 전기모터로 전기에너지를 전달할 때 인버터는 배터리의 직류 전원(DC)을 교류 전원(AC)으로 변환하여 모터의 속도를 제어하는 장치이며 가속과 감속 명령을 담당하기 때문에 중요한 역할을 하는 장치입니다.

 

 2) LDC(Low Voltage DC-DC Converter)

고전압의 배터리의 전압을 저전압(12V)으로 변환해서 자동차 전장 시스템에 공급하는 역할을 합니다. 배터리 대비 낮은 전압을 사용하는 전장 시스템을 위해 전압을 변환하는 장치입니다.

 

 3) VCU(Vehicle Control Unit)

전기차는 모든 구동이 배터리의 전력을 이용하기 때문에 전력을 어떻게 제어하고 사용하는지가 매우 중요합니다. VCU는 EPCU(통합전력제어장치)에서 가장 중요한 부품 중 하나로, 전력제어를 총괄하는 컨트롤 타워이며 전력제어와 관련한 대부분을 처리합니다.

 

3. 전기모터(구동모터)

배터리로부터 전달받은 전기에너지는 모터에서 운동에너지로 전환하여 감속기로 전달합니다. 전기차의 모터는 내연기관의 파워트레인보다 크기가 작아 공간활용에 유리하고, 4 행정 사이클에서 발생하는 소음이나 진동이 없기 때문에 안락한 장점이 있습니다. 이러한 모터는 전기에너지를 운동에너지로 전환하는 역할뿐만 아니라 반대로 운동 에너지를 전기 에너지로 전환하는 역할도 수행합니다. 이를 회생제동이라 하며, 브레이크를 밟거나 탄력주행 시 발전기로 전환되어 배터리를 충전하며 주행 효율성 즉, 전비가 좋아집니다.

 

4. 전기차 감속기

전기모터에서 생성된 운동에너지는 감속기로 전달됩니다. 감속기는 모터의 특성에 맞춰 동력을 바퀴로 효율적으로 전달하기 위한 일종의 변속기 입니다. 모터에서 회전수(rpm)는 내연기관보다 훨씬 높기 때문에 회전수를 감속해야 합니다. 이 때문에 변속기를 감속기라고 부릅니다.

 

전기차의 작동원리는 위와 같이 배터리에서 전기모터, 감속기, 바퀴를 거쳐 구동되며 그 과정에서 몇 가지 전력 제어 장치들을 거치게 됩니다. 주행시 작동원리는 출발 및 가속 시에 모터가 가동되어 배터리의 전력을 이용하고 감속 시나 탄력주행 중에는 회생제동 되며 배터리가 충전됩니다.

 

이상으로 화석연료를 사용하지 않아 친환경적인 전기차의 구동원리에 대해 알아보았습니다.