전기자동차 이야기

현재 세계자동차 시장에서의 화제는 전기자동차와 자율주행 자동차이다. 이중 전기자동차를 다음 구매 1순위로 꼽는 사람들도 있다. 그래서 이번글에서는 전기자동차에 대해 알아보고자 한다.

 

개념

 

전기자동차는 일반적으로 동력원으로 순수하게 배터리만 사용하는 자동차를 말한다. 즉 배터리를 이용해서 모터를 구동하고 이 모터를 이용해서 자동차를 움직이는 것이다. 따라서 무엇보다도 배터리의 용량이나 성능이 중요시된다. 만약 차량의 크기를 키운 상태에서 배터리를 더 많이 장착하면 배터리의 용량은 늘어나게 된다. 하지만 차량 무게가 증가하고 무엇보다도 배터리 가격이 높아진다는 문제가 발생한다. 이 때문에 최근에는 전기차 전용 플랫폼의 개발과 고용량의 배터리를 적용하는 것이 최근 자동차 개발의 주요 경향이 되고 있다.

 

특성

 

전기자동차에서는 모터로 구동되기 때문에 모터의 구동방식과 모터의 용량이 대단히 중요하다. 최근에는 BLDC 모터를 적용해서 모터 수명이 반영구적이라고 한다. 일반적으로 기존의 내연기관은 최대토크를 출력하기 위해서는 일정 회전수에 도달해야 하기 때문에 처음 출발할 때에 가속감이 떨어지는 느낌을 받는 반면에 모터는 처음 출발할 때부터 최대의 힘을 발휘하는 것이 특징이다.

 

구성

 

전기자동차는 기존의 내연장치 구성과 동일하지만 동력장치 역할을 하던 내연기관과 변속기 시스템 역할이 없어졌다. 대신에 이 부분은 모터와 감속기로 단순화 되면서 고전압 배터리와 모터와 고전압 배터리를 제어하기 위한 차량제어시스템이 새로 적용되었다. 이렇게 적용된 장치는 교류전기에 의해 작동되는 모터&발전기, 감속기, 직류 고전압배터리, 교류모터로 작동되는 에어컨컴프레서, 모터와 유압으로 구동되는 제동장치 등으로 구분된다. 그 밖의 다른 시스템은 기존의 내연기관 차량에 적용되는 것들과 대부분 동일하다.

 

플랫폼

 

자동차에서 플랫폼은 자동차를 구성하는 기본적인 구조를 의미한다. 집으로 치면 기초가 되는 골조에 해당한다. 기존의 내연기관이 적용된 자동차를 보면 안쪽 가운데 부분이 볼록하게 튀어나와 있는 형태로 되어 있는데, 이곳은 배기관과 동력전달을 위한 프로펠러 샤프트 등이 차량 앞쪽에서 발생한 동력과 배기가스를 차량 뒤쪽 방향으로 보내는 일종의 통로이다. 이에 비해 전기자동차는 이런 부분이 없다. 왜냐하면 배기가스가 발생하지 않을 뿐더러 동력 전달 장치도 앞 뒤에 따로 있기 때문에 중간 통로가 전혀 필요치 않기 때문이다. 이 때문에 전기자동차 전용 플랫폼은 차량 내부 공간을 넓게 활용할 수 있다는 장점이 있다. 이때 중요한 것은 차량의 강성구조가 충분해야 하고 혹시 발생할 수 있는 추돌시에 충격을 분산시키기 위한 대책이 마련되어야 한다는 것이다.

 

제어시스템

 

전기자동차의 주요 제어 대상은 고전압 배터리와 모터 시스템이다. 이중 배터리는 얼마나 오랫동안 전기에너지를 사용할 수 있느냐와 얼마나 빨리 원래 상태로 충전이 이루어지느냐가 관건이다. 배터리의 에너지가 얼마나 균일하게 소비되고 재생하는가는 운전자의 주행패턴이나 배터리의 온도, 외기온도 등의 여러 변수들의 정보를 가지고 정밀하게 제어하는 알고리즘에 달려 있다. 이런 구현을 위해서 차량의 공기흐름을 차단하거나 통과시키는 별도의 플랩을 장착시키고 또 버려지는 열을 회수하여 재활용하거나 타이어의 컴파운드 비율과 패턴도 다르게 하기도 한다. 이 밖에도 제동시에는 물리적인 유압 제동시스템과 회생제동이라는 모터를 발전기로 변환시켜 회생제동을 하는 것을 재빠르게 둘로 구분하여 정밀하게 제어한다.

 

모터구동

 

모터구동은 고전압 배터리를 전원으로 이용한다. 이때 이용되는 배터리 전압은 300~800V이고 배터리는 직류전원이다. 하지만 모터를 구동하기 위해서는 교류로 변환하고 변환된 전기를 모터에 순차적으로 보내면서 모터를 회전시킨다. 이때 모터의 제어를 원활하게 하기 위해 모터 위치를 실시간으로 파악하는 레졸버센서의 역할이 중요하다. 또한 토크센서, 전류센서 등의 여러 센서들도 작동하면서 전기자동차의 주행을 돕는 역할을 한다.

 

고전압 배터리

 

고전압 배터리의 종류로는 여러 가지가 있지만 현재로서는 리튬이온폴리머 배터리가 가장 우수한 것으로 알려져 있다. 이 배터리는 액체성분이 아닌 일종의 젤 형태의 전해질을 사용하고 있는데 일정 강도 이상의 충격이 가해지면 화재가 발생할 수 있는 위험이 있다. 따라서 고전압 배터리가 충전이나 방전되는 경우에 일정 가스의 발생으로 배터리 구성물질의 화학적 변화의 문제가 발생할 수 있다는 문제점이 있다.

 

냉난방 장치와 냉각수

 

기존의 내연기관이 장착된 자동차에서는 내연기관에 의해 데워진 냉각수가 라디에이터에 순환되고 이코어에 블로워모터를 이용해서 바람을 발생시켜 통과시키는 형태로 히터가 작동되는데 반해 전기자동차에서는 주행모터, 인버터컨버터, 배터리에서 발생하는 열을 냉각시켜주는 냉각수를 이용하여 히터코어에 순환시켜서 난방을 하는 원리이다. 이때 전기자동차 냉각수 온도는 내연기관보다 평균온도가 조금 낮다. 이 때문에 초기 난방시에는 PTC히터를 이용해서 난방을 보조하는데 일반적으로 PTC방식은 전기를 많이 소모하게 된다. 따라서 이런 경우에는 배터리 관리시스템인 BMS장치가 정밀하게 제어한다. 또한 전기자동차에서 냉방장치는 모터와 컴프레서가 하나의 장치로 작동을 한다. 일반적인 내연기관의 컴프레서는 피스톤이 슬라이딩 하면서 흡입과 압축을 하는 방식인데 비해 전기자동차는 스크롤 방식의 컴프레서를 이용해서 흡입과 압축을 하고 냉매를 순환시킨다. 이 밖에 전기자동차에서 사용되는 냉매오일은 절연성이 강화된 냉매오일 POE를 사용하는데 이는 내마모성과 화학적 안전성 및 유동성이 우수하다.

 

전기자동차 사용방법

 

전기자동차를 효율적으로 사용하기 위해서는 가급적 배터리의 소모를 적게 해야 한다. 따라서 기존 내연기관 방식의 자동차와 마찬가지로 급가속이나 급제동은 가급적 자제하는 것이 좋다. 특히 가속페달을 많이 밟을수록 전기자동차의 전기 소모는 많아진다. 또 겨울철에 난방장치를 과도하게 사용할 때에도 전기가 많이 소모된다. 이 밖에 겨울철 온도가 내려가면 배터리의 활성화가 떨어지는 것도 하나의 원인이다. 따라서 전기자동차의 특성을 잘 이해하고 자신의 운전 특성도 고려해서 현명한 운전 습관을 기르는 것이 좋다.