전기자동차 구성 요소

 

 

전기자동차는 배터리에 저장된 전력으로 모터를 회전하여 주행합니다. 
배터리 전력으로 구동되어서 유해 배출가스가 발생하지 않습니다. 또한, 내연기관 엔진이 필요 없어서 자동차 구조를 단순화할 수 있습니다. 전기자동차를 구성하는 주요 부품으로 배터리, 전기모터, 감속기, OBC(On Board Charger), 통합전력제어장치가 필요합니다. 모두 배터리의 전력으로 모터를 구동하기 위한 부품입니다.

 

 

구동모터

구동모터는 배터리로부터 전원을 공급받아 자동차를 구동하는 역할을 합니다.
즉, 전기 에너지를 운동 에너지로 전환해서 전기자동차를 움직입니다. 구동모터를 사용하기 때문에 주행 중에 발생하는 소음과 진동이 매우 적고 내연기관 엔진보다 크기가 작아 공간 활용성을 높이는 데 유리합니다.
구동모터는 발전기(회생제동 시스템)로도 사용됩니다. 주행 중 속도를 주이거나 내리막길 등 탄력 주행 시 발생하는 운동 에너지를 전기 에너지로 전환해 배터리에 저장합니다.
전기자동차 구동용으로 사용되는 대표적인 모터는 'DC 브러시리스 모터(BLDC)'라고 불리는 '유도식 교류모터' 입니다.

 

 

 

감속기

감속기는 모터의 특성에 맞춰 동력을 바퀴에 더 효율적으로 전달하기 위해 고안된 일종의 변속기입니다. 
하지만 변속기가 아닌 감속기라고 부르는 데에는 이유가 있습니다. 모터는 분당 회전수(RPM)가 내연기관 엔진보다 훨씬 높습니다. 회전수를 상황에 맞게 바꾸는 변속이 아닌, 회전수를 하향 조정(감속)해야 하죠. 
감속기는 모터의 회전수를 필요한 수준으로 낮춰 전기차가 더 높은 회전력(토크)을 얻을 수 있도록 합니다. 

 

배터리

배터리는 전기 에너지를 저장하는 부품입니다. 
충/방전이 가능한 2차전지인 리튬이온, 리튬인산철 등 리튬 계열 배터리를 주로 사용합니다.
전기차 부품 가격 중 배터리가 차지하는 비중은 40% 이상인데 전기차의 주행가능 거리와 모터 최고 출력은 보통 배터리 용량에 따라 좌우됩니다. 주행가능 거리가 길어질수록 충전 횟수가 줄어들어서 전기차 사용이 더 편리해집니다
하지만 배터리 용량을 키우는 일은 그리 간단하지 않습니다. 배터리가 차지하는 부피와 무게 때문인데 주행 거리만 생각해서 큰 배터리를 장착하면 사용공간도 줄어들고 무게 때문에 에너지 효율도 떨어집니다. 배터리 업체들은 효율적으로 주행거리를 늘리기 위해서는 배터리의 에너지 밀도를 높이고 리튬배터리는 화재 및 폭발 위험성도 있기 때문에 안전성을 확보하기 위해서 노력하고 있습니다.
전기차 배터리는 충전 패턴에 따라 수명이 달라지는데, 일상적인 사용 조건이라면 폐차할 때까지 배터리 내구성에 대한 걱정 없이 운행할 수 있습니다. 보통 배터리를 100% 방전될 때까지 주행하고 다시 충전하는 경우라면 1,000회, 50%를 사용하고 다시 충전하는 경우라면 5,000회, 20%를 사용하고 다시 충전하는 경우라면 8,000회까지 배터리 사용이 가능합니다. 

전기자동차는 배터리 용량이 20%~30% 정도 감소 되면 수명을 다한 것으로 판단하여 새로운 배터리로 교체가 필요합니다. 이렇게 교체된 폐배터리를 ESS나 다른 곳에 재사용하는 방법도 논의되고 있습니다.

 

일반적으로 전기차 배터리는 셀(Cell), 모듈(Module), 팩(Pack)으로 구성됩니다. 배터리 셀을 여러 개 묶어서 모듈을 만들고, 모듈을 여러 개 묶어서 팩을 만듭니다. 전기차에는 최종적으로 배터리가 하나의 팩 형태로 들어갑니다.

배터리 관리 시스템 (Battery Management System, BMS)

전기차의 배터리는 수십 개에서 수천 개에 이르는 셀로 이루어져 있습니다.
배터리 셀(Cell)은 사용 가능한 특정 전압, 온도를 가지고 있고, 배터리 팩이나 모듈에 있는 각 셀의 상태(전압)가 비슷해야 배터리의 내구성과 성능이 최적의 상태를 유지할 수 있습니다.
이 모든 것을 관리해주는 기능을 하는 것이 배터리 관리 시스템(BMS) 입니다. 셀의 전압이나 온도, 밴런싱 상태를 감시하고, 배터리에 이상이 감지될 경우 배터리 전원을 사용(충전, 방전)하지 못하게 합니다. 

배터리 히팅/냉각 시스템

배터리는 화학적으로 에너지를 저장하고, 화학적 반응으로 충전과 방전을 하게 됩니다. 화학적 반응은 온도에 굉장히 민감합니다. 온도가 낮으면 반응이 느려집니다. 배터리의 내부저항이 증가되어서 배터리의 전압이 낮아지고 배터리가 빨리 닳습니다. 온도가 높으면 반응이 잘되지만 배터리의 수명이 단축됩니다.
배터리 히팅, 냉각 시스템은 배터리를 최적의 온도로 유지시켜 성능이나 수명 저하를 예방하고 주행거리를 확보하는 장치입니다. 

 

온보드차저(On Board Charger, OBC)

온보드차저(이하 OBC)는 완속 충전이나 휴대용 충전기(AC 220V)를 사용하여 충전할 경우, 
전기자동차에 입력된 교류 전원(AC)을 직류 전원(DC)으로 변환하는 장치입니다. 

 

 

 

 

통합전력제어장치(Electric Power Control Unit, EPCU)

통합전력제어장치(EPCU)는 차량 내 전력을 제어하는 장치를 통합하여 효율성을 높여주는 역할을 하며  인버터, LDC, VCU로 구성되어 있습니다.

1) 인버터 (Inverter)
배터리의 직류 전원(DC)을 교류 전원(AC)으로 변환하여 모터의 속도를 제어하는 장치입니다. 가속과 감속 명령을 담당하므로 전기차의 운전성을 높이는 데 있어서 매우 중요한 역할을 맡습니다.

2) LDC (Low voltage DC-DC Converter)
전기자동차 주 배터리의 전압을 저전압(DC 12V)로 변환해 자동차의 전장 시스템에 전원을 공급하는 장치입니다.

3) VCU (Vehicle Control Unit)
VCU는 EPCU에서 가장 중요한 부품 중 하나입니다. 모터 제어, 회생제동 제어, 공조 부하 제어, 전장 부하 전원공급 제어 등 차량의 전력 제어와 관련된 대부분을 관장하고 있습니다. 

 

 

 

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