전기차의 구성1. 모터, 감속기, 인버터

평소 자동차를 굉장히 사랑하지만, 전기자동차가 세세하게 어떻게 구성되어 있는지 공부해본 적은 없는 것 같습니다. 따라서 전기차가 어떻게 구성되어 있는지 이것저것 알아보다가 재미에 들려 이 곳에 정리해두려 합니다. 전기차를 가고, 서고, 돌게 하는 시스템을 나눠 소개하며 내연기관 차량과 어떤 점이 차이가 있는지도 아래와 이후 글들을 통해 나누고자 합니다.

르노 CMF-EV 플랫폼, Reanult Group newsroom

먼저, 전기차의 주요 시스템 구성을 간단히 살펴보겠습니다. 대부분의 전기차는 아래와 같이 110V ~ 220V 완속 충전과 그 이상의 전원으로 빠르게 충전할 수 있는 급속 충전이 모두 가능한 시스템으로 구성되어 있음을 보실 수 있습니다. 차량의 구동에 쓰이는 부품들은 배터리팩으로부터 고전압으로 인가되어 제어되지만 계기판이나 창문 여닫이 기능, 라디오 등 자동차의 수많은 기능들은 여전히 저전압 배터리로부터 전원을 얻어 작동되게 됩니다. 그동안 납축전지를 채택해왔으나 환경보호 차원에서 2030년부터 납축전지 사용을 제한하자는 움직임도 있어 리튬 기반의 저전압 배터리로 바뀔 것 같네요.

전기 자동차의 전력 계통 구성도

Volkswagon EV platform, Volkswagon AG newsroom

 
조금 더 자세히, 전기 자동차의 주요 구동 부품인 모터, 감속기, 인버터에 대해 살펴보겠습니다.

1. 전기모터

Volkswagen MEB platform, Electric Powertrain 전개도, Volkswagen AG newsroom

모터는 2개 혹은 4개의 바퀴를 굴리는 동력원으로써, 기존 자동차의 엔진 역할을 합니다. 크게 직류 전원을 사용하는 직류모터(DC), 교류 전원을 사용하는 교류모터(AC)로 나뉩니다. 직류모터는 브러쉬 모터와 브러쉬가 없는 브러쉬리스 모터로 나뉘게 되는데, 높은 회전수를 오랫동안 유지해야하는 전기차 특성 상 브러쉬 회전에 의한 분진 발생이 심하고 마모가 빠른 브러쉬 모터는 전기차에 적합하지 않다고 합니다. 브러쉬가 없는 브러쉬리스 모터는 이러한 단점을 보완한 모터이긴 하나 열관리가 쉽지 않고 파형 특성 상 세밀한 제어 시 보다 부드러운 움직임을 보여주는 교류모터에 뒤쳐지므로 초기 전기차 시장에는 BLDC가 일부 채용되었다가 최근에는 찾아보기 힘들게 되었죠.

모터의 종류

대부분의 전기차에 적용된 교류모터는 유도전동식과(IM, Induction Motor) 동기전동식(PMSM, Permanent Magnet Synchronous Motor)으로 나뉘는데, IM은 유도 전류에 의한 회전자의 미끄러짐을 통해 회전하는 방식으로 구조가 단순해 제작비용이 저렴하고 고출력화가 가능하다는 장점이 있지만, PMSM 대비 효율이 낮고 초기 회전 영역에서 토크가 낮다는 단점이 있어 PMSM가 전기차에 가장 많이 쓰이고 있습니다. 특히 전기차가 고급화 될수록 승차감을 비롯한 발진 튜닝에 있어서도 세밀한 제어가 중요시 되기 때문에 이 점에서 강점을 지닌 PMSM는 넓은 회전수 영역대에서 효율도 좋아 대부분의 완성차사에서 적용하고 있습니다. 다만 제어의 복잡성이 높아지기 때문에 이 복잡성의 오류를 커버할 수 있는 여러 단계의 Failure mode 대응 전략이 수반됩니다.

J. Kovanda, P.Kobrle, Selected Problems of Electric Vehicle Dynamics, 2012.

위 그림은 BLDC와 PMSM 모터의 Back EMF(Back Electromotive Force, 역기전력) 파형을 보실 수 있는데요. BLDC는 사다리꼴(Trapezodial) 형태, PMSM은 사인파(Sinusodial) 형태의 전류로 구동되기 때문에 BLDC 대비 PMSM 모터가 좀 더 부드러운 토크와 출력을 만들어낼 수 있습니다.
 
재밌는 점은 테슬라가 초기에 IM 방식을 적용했는데, 모터 내부에 Coolant를 순환시켜 기가 막힌 냉각효율을 달성함과 동시에 고출력화를 실현해냈습니다. 하지만 후속차량에는 PMSM를 채택하였는데, 추측컨데 초기 PMSM 모터는 IM 대비 비용이 높았고 열관리만 제대로 하면 동기전동식 모터에 버금가는 효율을 뽑아낼 수 있지 않을까라는 생각을 테슬라 설계자들이 했던 것 같습니다.

Tesla Model S

Comparative study of the Tesla Model S and Audi e-Tron Induction Motors

2. 감속기

Volkswagen MEB platform, Electric Powertrain 전개도, Volkswagen AG

모터 옆에는 모터의 회전수를 줄여주는 감속기가 있습니다. 모터는 엔진 대비 회전수가 굉장히 높기 때문에 오히려 회전 속도를 낮추고 높은 토크를 얻어내기 위해서 반드시 필요한 부품이죠. 낮은 회전수에서부터 효율이 높은 모터 특성 상 반드시 필요한 부품입니다.
 
아래 그래프는 닛산 EV의 전성기, 유럽 내 중소형 EV의 대중화를 이끌었던 닛산 Leaf 차량의 모터 효율을 나타내는 그래프 입니다. 거의 모든 회전수에 걸쳐 90%를 넘나드는 기가 막힌 효율성을 보여주고 있죠.

닛산 Leaf의 모터 회전수에 따른 모터 토크 그래프, Nissan Motor Co., Ltd

LG전자-마그너의 모터, 감속기 조립 패키징, LG전자

 대부분의 전기자동차는 1개의 기어비를 갖는 감속기를 사용하지만, 고성능 전기차는 2개의 기어비를 사용하기도 합니다. 전기차의 다단화된 감속기의 필요성은 의견이 분분하지만 빠른 속도에 도달한 상태에서 추가적인 급가속력을 발휘하기 위해선 다단화가 필수적이라는 것은 분명합니다. 하지만 이때의 빠른 속도라는 것은 시속 120~140km 수준이 아니라 200km/h를 넘나들 정도의 굉장한 속도일 때이므로, 실 운전 속도구간에서는 다단화는 굳이?라는 생각이 듭니다. 또한, 감속기의 다단화는 무게 증가로 이어지기 때문에 주행거리 증대를 위해 1kg이라도 줄이고 싶은 자동차 회사 입장에서는 전기차 변속기의 다단화를 망설일 수 밖에 없습니다. 변속기 제조 회사들은 전기차에 2단 변속기를 적용하면 5~7% 정도의 효율 향상을 이끌어낼 수 있다고 말하지만 이로 인한 비용 증가는 소비자의 몫으로 이어지기 때문에 고성능 전기차 한정으로 다단화가 적용될 것으로 예상됩니다.
 
감속기의 원리는 제 다른 글에 좀 더 자세히 다루었으니 참고하시길 바라겠습니다.

3. 인버터

Volkswagen MEB platform, Electric Powertrain 전개도, Volkswagen AG

앞서 말씀드린 IM, PMSM 모터는 교류 전원을 사용하는 모터이지만, 배터리는 직류 전원을 공급합니다. 따라서 직류를 교류로 바꿔주는 장치가 필요한데, 이 역할을 인버터가 수행합니다. 반대로, 운전자가 가속페달에서 발을 때면 전기차는 회생제동을 통해 배터리를 충전하게 되는데, 이때 인버터는 발생하는 교류를 직류로 변환해주기도 합니다.

회생제동, Bosch

참고로 회생제동을 통한 에너지 회수율은 약 60%로, 마찰과 열, 회생제동 간 이질감 개선을 위한 모터 정밀 제어를 포함한 전력계 손실을 통해 40%는 회수되지 못한다고 합니다.
 
한편 인버터를 분류하자면 전류형(Current Source Invertors, CSI)과 전압형(Voltage Source Invertors, VSI)으로 나눌 수 있습니다. 전류형은 전류 원(Source)의 직류를 교류로 바꿔주며, 전압형은 전압 원(Source)의 직류 전원을 교류 전원으로 바꿔주게 됩니다. 전기차에는 전압형(VSI)이 널리 쓰이는데, 다른 인버터 유형에 비해 설계 및 제어가 비교적 간단하며 전기차의 다양한 운전 조건에서 모터의 회전수와 토크를 정밀하게 제어하기 용이한 PWM(Pulse Width Modulation) 제어 방식을 사용할 수 있기 때문입니다. 그리고 VSI 개념에서의 직류 전원은 배터리라고 봐도 되겠습니다.
 
인버터는 전기차 구동 시스템에서 전압 변환과 모터의 정밀 제어에 있어서 신뢰성 확보가 매우 중요하기 때문에 개발 조건도 매우 까다롭다고 합니다. 온도, 진동, 수명 조건을 모두 만족해야 하며 경량화 조건을 충족하기 위한 부품의 체적을 최적화가 필요함과 동시에 강성까지 확보해야 하니 말이죠. 그리고 무엇보다 통신을 비롯한 여러가지 보호 기술이 요구됩니다. 인버터의 진단 통신 기능을 통해 전력 시스템의 고장을 판단하고 고장 시 보호회로를 가동하여 고장 조건에서도 운전자를 안전하게 보호해야 하기 때문입니다.
 
지금까지 전기차 구동계 중 모터, 감속기, 인버터에 대해 나눠봤습니다. 세 가지 부품만 정리해봤는데도 전기차가 전자제품으로 느껴질 정도 입니다. 전기차 안에서 점차 다양해지는 전력 시스템과 이를 제어하기 위한 제어기술들의 이상 작동 시 발생할 수 있는 다양한 사고를 예방하기 위한 개발 표준이 왜 생겨나고 있는지 와닿네요.