전기차
전기차는 고전압 배터리에서 전기에너지를 전기모터로 공급하여 구동력을 발생시키는 차량으로, 화석연료를 전혀 사용하지 않는 무공해 차량입니다.
내연기관차와 달리 엔진이 없이 배터리와 모터만으로 차량을 구동하게 되어 있기 때문에 엔진이 없으므로 대기오염물질과 온실가스를 배출하지 않습니다.
다만, 배터리 용량에 따라 주행가능 거리에 차이가 있습니다.
전기차 작동원리
내연기관 엔진없이 충전된 배터리에서 공급되는 전기에너지를 동력원으로 전기모터 구동
전기차는 내연기관인 엔진이 없기 때문에 외부 전력을 공급받아 배터리에 충전하고, 이 전기 에너지를 동력원으로 삼아 전기모터를 구동시켜서 이동하는 구조입니다.
외부 전력 공급을 통한 충전 필요
결국 외부 전력을 공급받기 위해서 충전기가 별도로 필요합니다.
급속충전기는 50kW급으로 완전방전상태에서 80%충전까지 30분이 소요되며, 완속충전기는 약 6~7kW급으로 완전방전에서 완전충전까지 4~5시간이 소요된다고 합니다.
전기차 구성 부품
EV의 자동차 부품수 약 3,000 개로 매우 단순한 구조로 구성, 리튬2차전지 비용 문제 해결시, 가솔린 차량보다 저가로 생산 가능
현재의 내연기관 자동차의 부품수가 약 3만 개의 부품으로 구성되어 있으나 EV는 약 3,000 개로 매우 단순한 구조로 구성되어 있다고 합니다.
전기자동차 부품 중 리튬2차전지에 많은 비용이 들어가며 이것이 해결되면 가솔린 차량보다 저가로 생산이 가능하여 보급이 가속화 될 것으로 예상된다고 합니다.
전기차의 구동력 - 모터 / AC모터 나 브러시리스 DC 모터등이 대세
내연기관 자동차의 구동력은 엔진에서 나오지만 전기자동차는 모터에서 나온다고 합니다.
초기에는 DC 모터를 많이 사용하였으나 최근에는 AC 모터나 브러시리스 DC 모터를 사용하는데 모터가 바퀴의 안쪽에 직결되어 직접 구동하는 인-휠-모터(In Wheel Motor)는 차체 골격을 최적화 해 충돌 안전성을 향상시키고 최적화된 질량 배분으로 운동성능을 향상시키면서 실내공간을 확대할 수 있는 이점이 있다고 합니다.
인버터(invertor)
배터리의 직류 전원을 전기모터에 사용할 교류전원으로 변환하는 장치
인버터(invertor)는 배터리의 직류전원을 전기모터에 사용할 교류전원으로 변환시키고 정확한 충전을 유지하는 장치입니다.
즉, 모터의 회전속도와 토크를 조절하여 주는 장치인데, 직류모터를 사용하는 전기자동차는 인버터가 필요 없지만, 고성능 교류 모터를 사용하기 위해서는 주파수와 전압 및 회전수와 토크를 자유롭게 변화할 수 있는 인버터가 요구된다고 합니다.
인버터는 변환 주파수 1~20kHz, 용량 10~300kVA인 가변전압가변주파수(VVVF: Variable Voltage Variable Frequency)의 인버터가 사용된다고 하네요.
컨버터(convertor)
인버터와 정반대로 교류를 직류로 변환시키는 장치, 제동회생시스템을 조정하는 역활
컨버터(convertor)는 인버터와 정반대로 교류를 직류로 변환시키는 장치입니다.
일반적으로 전기자동차에는 제동회생 시스템이 적용되며, 감속시 교류모터가 교류발전기로 변환되어 발전하는 회생제동력(regenerative braking power)을 조정하는 역할을 담당합니다.
인버터와 더불어 EV 및 HEV용 동력 전달 및 추진시스템(power-train system)에서 중요한 역할을 담당한다고 합니다.
EV 배터리
재충전이 가능한 2차전지 이용, 최근 리튬이온 2차전지 대세
EV의 각 부품 중에서 가장 중요한 역할을 하는 것이 배터리입니다.
EV에서 연료 역할을 하는 전기를 저장하기 때문입니다.
EV의 배터리는 재충전이 가능한 2차전지가 이용되며 최근에는 리튬이온 2차전지가 대세입니다.
배터리는 배터리 셀(cell), 모듈(module), 배터리 관리 시스템(BMS), 냉각장치 등으로 구성되어 있습니다.
셀은 양극, 음극, 전해액, 분리막, 덮개로 구성되어 있다. 배터리 팩에는 배터리의 상태를 측정하고 통제하는 BMS와 냉각장치가 부착되어 있습니다.
배터리는 전기화학 반응을 이용하여 화학에너지와 전기에너지를 상호간에 자유롭게 변환시킬 수 있는 장치입니다.
배터리의 기본 셀은 음극(anode or negative electrode)과 양극(cathode or positive electrode) 2개의 전극 활물질이 분리막(separator)에 의해 떨어져 있습니다.
두 전극 사이에는 이온 전달을 가능케하는 전해질(electrolyte)로 채워져 있는데 이러한 단위 기본 셀들을 적층하여 단위 셀(single cell)을 만들고 적층하는 방식에 따라 원통형(Cylindrical), 다면형(Prismatic), 주머니형(Pouch) 및 타원형(Elliptic) 등으로 분류하고 있습니다.
배터리 관리 시스템
(BMS: Battery Management System)
배터리 관리 시스템(BMS: Battery Management System)은 배터리의 충전, 방전 조절, 전압/전류/온도 감시, 냉각제어 등을 수행합니다.
배터리를 최적으로 관리하여 에너지 효율을 높이고 수명을 연장해주는 역할을 합니다.
배터리의 전압, 전류와 온도를 실시간으로 모니터링하여 과도한 충전 또는 방전을 미연에 방지하고 배터리의 안전성과 신뢰성을 높여줍니다.
전동화자동차의 주행거리 증가를 위해 배터리 관리시스템의 중요성은 높아지고 있고, 특히 자율 주행을 위해서는 배터리의 정확한 잔여량 계산을 통한 주행 가능 거리 확인, 배터리의 고장에 대한 신속한 감지 등에 이는 BMS의 기술 발전을 통해 확보할 수 있기 때문에 BMS의 기술 발전이 자율주행 기술 발전과 관련이 있다고 할 수 있습니다.
EV 충전시스템
EV 충전시스템은 EV가 활용되기 위해서는 꼭 필요한 중요한 국가 인프라입니다.
EV 충전시스템은 충전방식, 연결방식, 통신 및 제어방식에 따라 구분하고 있습니다.
충전방식에 따라서는 접촉식(conductive), 유도식(inductive) 및 배터리 교환방식(battery swapping)으로 구분할 수 있습니다.
전기적 연결장치는 주유기에 해당하는 커넥터(connector) 및 주유구에 해당하며 EV에 장착되는 인렛(inlet)이 있으며 단상 및 삼상 교류용, 직류 전용 그리고 교류 및 직류가 함께 있는 콤보(combo)형이 있습니다.
비접촉식 충전방식은 충전소 바닥에 교류를 발생시키는 급전 선로를 자성재료(core)와 함께 매설하고 자동차 바닥부에는 지하에서 발생한 교류에 의한 자기장을 받아 유도전류를 발생시켜 에너지를 전달받는 집전장치에서 발생된 전류는 정류기를 거쳐 배터리로 충전되는 방식이라고 하네요.
회생 브레이크 시스템
전기 자동차는 엑셀 페달의 밟는 양에 따라 모터에 의한 토크를 비례적으로 발생시켜 주행하고 있습니다.
감속 또는 제동 시 모터를 발전기로 작동시켜 주행시의 운동에너지를 전기에너지로 변환시켜줌으로써 이 에너지를 전지에 충전할 수 있습니다.
이는 제한적인 배터리 가용 시간을 보완해주는 시스템으로 전기 자동차에 있어서 중요한 기술이라고 할 수 있습니다.
특히 회생 브레이크 시스템은 엑셀 페달을 밟지 않을 때 발생하는 엔진 브레이크의 상당분과 브레이크 페달을 밟을 때에 발생하는 감속 시 에너지를 회생시키는데, 이 경우 구동 바퀴만 브레이크가 강하게 작용하기 때문에 회생 브레이크 에너지가 너무 강하면 차의 안정성에 영향을 미치게 됩니다.
이러한 안전문제를 해결하기 위해 ABS 등을 함께 설치하여 제어하는 회생 브레이크 시스템이 주로 탑재되고 있다고 하네요.
전기자동차는 내연기관에 비해 기계 부품이 감소하고 구조가 단순하지만 그만큼 차량 소프트웨어의 비중과 그 역할이 더욱 커지고 있습니다.
차량의 동작을 정교하게 제어하는 변속기와 기어 등 전기자동차에서 사라져가는 부품들의 역할을 소프트웨어가 대신 수행해야 하기 때문입니다.
하지만 소프트웨어는 기계와 달리 눈으로 볼 수 없기 때문에 전기자동차의 시스템은 내연기관 자동차에 비해 개발과 검증이 까다롭습니다.
미래에 에너지문제와 환경문제를 해결하기 위한 대안으로 전기자동차가 각광받고 발전하는 만큼, 차량 소프트웨어 개발과 검증 기술 역시 함께 성장해야만, 전기자동차의 새 시대를 열 수 있을 것입니다.
출처
전기자동차란?
https://m.blog.naver.com/suresofttech/221136679702
전기차란? 전기자동차의 작동 원리와 구조 및 장점|작성자 하코
https://blog.naver.com/haier_korea/207413022
전기차 개요
https://www.ev.or.kr/portal/evcar?pMENUMST_ID=21540
전기차 에너지 효율의 비밀, 배터리관리시스템(BMS)
https://m.post.naver.com/viewer/postView.nhn?volumeNo=15812205&memberNo=6080211