전기차 원리에 대해

점점 전 세계적으로 환경규제는 심해지고 정부에서는 친환경 차량을 늘리기 위해 혜택도 늘리고 많은 변화가 되고 있습니다. 특히 전기차는 경제성, 성능, 친환경의 다양한 특성으로 이제 우리 생활에 막대한 영향력을 끼치고 있습니다. 최근에는 미국의 테슬라 회사에서 전기차의 상당한 상승세를 보이고 있죠. 전기차는 내연기관 자동차와 구동원리는 물론 많은 부분에서 차이를 보입니다. 그렇다면 어떤 원리인지 차근차근 알아보시죠. 

전기차 원리

 

일반 자동차의 심장은 엔진이지만 전기차의 심장은 바로 배터리입니다. 연료를 연소시켜 에너지를 얻는 내연기관차와 다르게 전기차는 배터리에 저장된 전력을 모터에 전달한 후 회전하여 주행합니다. 전기차에는 엔진 및 변속기가 없는 대신 구동모터, 배터리, 감속기, 온보드차저, 통합전력제어 장치 등이 역할을 대신하게 됩니다. 그렇다면 각 부품의 역할에 대해 크게 구동모터와 감속기, 배터리와 온보드차저, 통합전력제어장치 3가지로 살펴보겠습니다. 

구동모터 

구동모터는 전기 에너지를 운동에너지로 전환하여 바퀴를 움직이기 때문에 배터리와 아주 밀접한 관계가 있습니다. 배터에 저장된 전기를 이용하여 구동모터로 에너지를 전달하면 구동모터가 자동으로 에너지를 전환하여 구동시킵니다. 구동모터의 장점은 주행 중에 발생하는 소음과 진동이 현저히 적습니다. 또한 크기적인 면에서도 공간 활용성의 일반 엔진에 비해 훨씬 유리합니다. 전기차에는 회생제동 시스템이라고 하는 기능이 있는데 이는 내리막길에서 탄력 주행을 할 때 운동에너지를 전기에너지로 전환하여 배터리에 저장할 수 있어 양방향성 효율을 극대화시킵니다.

감속기 

감속기는 일반 자동차의 변속기와 같은 역할을 합니다. 하지만 차이점은 모터가 회전하면 감속기는 회전력을 적절한 속도와 토크로 바꾸어서 휠에 전달합니다. 내연기관에서 쓰는 변속기에 비해서 크기도 훨씬 작습니다. 모터의 경우 토크가 일정하게 나와 직접 모터의 회전력을 조절할 수 있기 때문에 변속기처럼 다단 미션이 필요가 없습니다. 이렇게 단순화하기 때문에 구조를 훨씬 줄일 수 있는 장점이 있습니다. 디민 테슬라의 로드스터 같은 토크 낭비, 모터 과부하, 고속 영역에서 다른 목적에 의해 의해 다단 미션이 적용될 수 있지만 일반적인 효율을 따진 전기차에는 다단 미션이 들어가지 않습니다. 

배터리 

전기차의 배터리는 전기 에너지를 저장하는 장치로 주행거리는 보통 배터리 용량에 따라 좌우됩니다. 배터리 용량이 클수록 주행거리도 늘어나지만 배터리의 용량을 키우는 일은 부피와 무게 때문에 쉽지 않습니다. 크기가 크면 클수록 실내 공간도 협소해지고 무게도 많이 나가기 때문에 에너지 효율이 좋지 않습니다. 그렇기에 전기차 관련 회사들은 차세대 전기차의 배터리의 핵심 기술을 얼마나 배터리의 에너지 밀도를 높여 최대의 효율을 뽑아낼 수 있을지에 주목하고 있습니다. 만약 최대한의 효율을 뽑은다면 주행거리가 길어지게 되고 충전 횟수도 줄어들어 한층 더 편한 운행이 가능해질 것입니다. 

배터리 관리시스템 

배터리만 덩그러니 있을 순 없죠. 배터리가 있다면 배터리를 관리하는 시스템이 존재합니다. 배터리 관리시스템(Battery Management System)은 BMS라고도 불리고 하는 일은 수많은 배터리를 하나의 배터리처럼 사용할 수 있도록 체계적으로 관리를 합니다. 전기차의 배터리 내부를 살펴보면 수천 개에 이르는 셀들로 구성되어 있고 각 셀의 상태가 서로 비슷해야 내구성 및 성능이 최상으로 유지될 수 있습니다. BMS는 충전과 방전 상태를 감시하고 배터리에 이상이 있다면 자동으로 배터리의 전원을 잇거나 끊을 수도 있습니다.

배터리 히팅 시스템 

배터리의 특성상 낮은 온도에서 충전량이 감소하고 충전 속도도 느려지게 됩니다. 이를 방지하기 위해 배터리 히팅 시스템을 구축하여 배터리의 온도가 낮아지게 되면 온도를 다시 높여 특히 동절기 성능 저하를 예방하고 주행거리를 확보할 수 있습니다. 또한 충전 시에도 관여를 하여 온도를 적절하게 유지시켜줍니다. 

온보드차저 

온보드차저는 완속 충전을 하거나 휴대용 충전기를 이용하여 플로그를 이용할 경우 차량에 입력된 교류 전원 AC를 직류 전원 DC로 변환해주는 장치입니다. 급속 충전은 직류를 이용하기 때문에 필수적인 요소라고 할 수 있습니다. 

통합전력제어장치(인버터, LDC, VCU) 

인버터 

인버터는 배터리의 직류 전원을 교류 전원으로 변환하여 모터의 속도를 제어하게 하게 됩니다. 즉 가속과 감속을 명령하여 전기차의 중요한 역할을 합니다. 

LDC 

LDC는 전기차의 고전압 배터리의 전압을 저전압으로 변환해 전장 시스템에 전력을 넣어주는 장치입니다. 물론 고전압 배터리는 높은 전압을 사용하지만 자동차의 전장 시스템은 낮은 전압을 사용하기 때문에 변환해주는 장치가 필수적으로 필요합니다. 

VCU 

차량 내 전력 제어기를 총괄하는 역할을 하기 때문에 상당히 중요합니다. 앞서 말씀드린 모터 제어, 희생 제동 제어, 공조 부하 제어, 전장 부하 전원 공급 제어 등 여러 전력과 관련된 제어들을 관리하고 있습니다. 

전기차 전망

전기 자동차는 몇 년 전만 해도 우리 일상에서 자주 보이지도 않았고 사람들의 관심 밖에 있었지만 현재는 주식시장뿐만 아니라 주변 곳곳에서 막대한 영향을 끼치고 있습니다. 전 세계는 온실가스 배출량을 점점 줄이도록 하여 친환경 중심의 차량들을 지원하고 규제하고 있습니다. 전문가들의 예상으로는 향 후 2040년에 판매되는 승용차가 57%에 달할 것으로 예측하고 있습니다. 이런 전망들을 보면 전기차에 대한 생각들을 다시 해 볼 필요가 있다고 생각됩니다.