전기자동차의 역사

1. Electrochemical system vs. Combustion engine

ㅁ 열기관의 에너지 효율은 이론적으로 열역학 제 2법칙에 의해 결정됨 (카르노 효율)

ㅁ 전기화학 동력 시스템은 열기관에 비해 이론적 효율이 매우 높음

ㅁ 배터리 : 자체에 반응물질을 담고 있음 (에너지저장장치) / 연료전지 : 외부에서 반응물질을 공급해주면 지속적으로 작동함 (발전소)

3. 전기자동차의 역사

ㅁ [1830] 앤더슨 - 최초의 전기자동차 발명 / [1886] 토마스 파커 - 전기자동차 상용화

ㅁ 초창기 전기자동차는 배터리의 성능 부족, 비싼 가격 때문에 인기가 없었음

ㅁ GM의 전기자동차 개발 [1996]

- 배경 : 배기가스 제로법

- GM의 EV1 (AC모터, 니켈수소전지)

환경차의 종류 및 특징 : 동력원의 종류 및 크기에 따른 환경차의 분류

1. 내연기관 및 전기차

ㅁ 친환경자동차(xEv)의 분류 : 동력원(방식)에 따른 분류, 동력원(크기)에 따른 분류, 기능범위에 따른 분류, 전달 방식에 따른 분류

2. 동력원에 따른 친환경차 분류

ㅁ 하이브리드차 (HEV)

ㅁ 플러그인 하이브리드차 (PHEV)

ㅁ 전기차 (BEV)

ㅁ 연료전지차 (FCEV)

- 보조 배터리가 필요한 이유 : 회생제동을 통해 에너지 회수, 연료전지 시스템 기동

3. 동력원(배터리)의 크기에 따른 분류

환경차의 종류 및 특징 :기능범위에 따른 HEV의 분류

1. 기능범위에 따른 HEV 분류

ㅁ ISG

- Idle Stop & Go 시스템

- 정차했을 때 시동을 꺼서 에너지 소모를 줄이고, 출발했을 때 시동을 검

- 일반 자동차의 시동모터(스타터)와 발전기(얼터네이터)를 HSG로 통합

ㅁ Micro-HEV

- 48V 시스템

- ISG 기능 + 회생 제동 기능 -> 연비효과

* 가격 상승 : ~100만원

ㅁ Soft-HEV

- 200V 이하 시스템

- ISG 기능 + 회생 제동 기능 + 주행 보조 동력

* 가격 상승 : ~500만원

ㅁ Full-HEV

- 200V 이상 시스템

- ISG 기능 + 회생 제동 기능 + 주행 보조 동력 + 모터 단독 주행 (EV모드)

- 12V 보조배터리 + 200V 이상 배터리 -> 30~50% 연비 개선

* 가격 상승 : ~700만원

ㅁ PHEV

- 외부에서 배터리 충전 가능

- 12V 보조배터리 + 300V 이상 배터리 -> 50% 연비 개선

* 가격 상승 : ~950만원

2. Soft-Type HEV의 주행모드

ㅁ 시동 : 전기모터로 시동 -> 정숙성&연비 향상

ㅁ 출발/가속 : 엔진 + 전기모터 -> 동력 보조로 파워 UP

ㅁ (언덕) 등판 : 엔진 (Full 가동) + 전기모터 -> 강력한 힘으로 등판

ㅁ 감속/브레이킹 : 회생제동으로 배터리 충전 -> 필요 시 사용 가능

ㅁ 정속 주행 : 전기모터 OFF -> 엔진 효율 UP

ㅁ 정차 : 엔진 OFF -> 다시 발진할 때 엔진 가동 (ISG 기능)

3. Hard-Type HEV의 주행모드

ㅁ 시동 : 조용한 시동

ㅁ 저속주행 시 배터리팩만으로 주행 가능 (모터 : EV모드)

- Hard-Type HEV는 배터리 용량이 약 1.5 kWh로 크기 때문에 배터리만으로 몇 km 이상 주행 가능 -> 주행 에너지원 : 회생제동 에너지 (Regeneration)

ㅁ 정속 주행, 감속, 정지는 Soft-Type HEV와 비슷함

환경차의 종류 및 특징 : 동력전달 방법 따른 HEV의 분류

1. 동력전달 방법에 따른 HEV의 분류

ㅁ 직렬형

- 엔진이 발전기를 돌려서 배터리를 충전하고, 충전된 배터리를 이용하여 모터로 구동축을 움직이는 방식

- 모터 : 구동축을 움직이는 역할 / 엔진 : 발전기 역할 / 배터리 : 대용량 필요

- 엔진이 구동부와 기계적 연결이 없음 -> 엔진의 구동효율 극대화

- 모터가 있기 때문에 트랜스미션과 클러치가 필요없음

- 저속주행 시 연비 우수

- 기계 -> 전기 -> 기계 다단계 에너지 변환 -> 에너지 변환 효율이 낮음, 고속주행시 연비가 낮음

ㅁ 병렬형

- 모터가 엔진과 구동축 사이에 개입하여 토크를 더하는 방식

- 엔진 -> 구동축 (직접 에너지 전달)

- 모터가 엔진, 구동축 사이에 개입하여 토크를 더함

* 모터 장착위치에 따라 P0 ~ P4형

- 가속, 출력이 부족할 때 전기모터가 엔진을 보조 / 기존 자동차로부터 개조가 용이 / 시스템이 단순하며 무게, 비용 제약조건이 적음

- 도심 운전에서는 연비가 낮지만, 고속도로 주행 시 연비가 높음 / 전기동력만으로 주행은 제한적

- 클러치 장착 위치에 따른 병렬 Type

ㅁ 동력분배형

- 동력분기장치(유성기어)로 상황에 따라 엔진동력과 모터동력 조절 가능

- 저속에서는 직렬식, 고속에서는 병렬식 -> 연비와 출력 모두 개선 가능

- 대형 MG + 대용량 배터리팩 필요, 복잡한 구조와 기술 -> 높은 가격

2. 플러그인 하이브리드 전기자동차

- 대용량 배터리팩 / EV모드 / 전기충전소를 이용하여 외부에서 배터리 충전 가능 / 발전용 엔진 내장 -> 발전기 역할로 주행거리 연장

- 엔진 : 배터리 충전, 발전용으로 사용됨 (GM VOLT) or 엔진이 구동계에 연결되어 도움을 주는 차종도 있음 (Sonata PHEV)

- 전기모터가 유성기어로 연결

- 주로 MG2로 구동하며, 대출력이 필요한 경우 유성기어로 연결된 MG1이 추가 동력을 제공

환경차의 개발 동향과 전망

2. BEV vs. FCEV

- BEV : 근거리, 작은 차 / FCEV : 중장거리, 큰 사이즈 차 로 예상

3. 자동차 연비 및 배출가스 규제

ㅁ 2020년 기준 내연기관 + HEV 조합만으로는 연비규제 대응이 어려움

ㅁ 매년 4~5% 연비개선 필요

4. 글로벌 친환경차 판매 현황

5. 글로벌 전기차 배터리 공급 현황

ㅁ '18년은 '17년 대비 46% 성장

ㅁ 1년에 50 ~ 100% 이상 성장

전기자동차 기본 구조

1. 전기자동차 - Ray EV

ㅁ Kia Ray EV

= 주행거리 : 91km / 배터리 용량 : 16.4 kWh / 최대 출력 : 50kW

2. 전기자동차의 기본 구조 - 계통도

ㅁ 전원계통

- 자동차의 동력 담당

- 배터리팩(HV), Aux 배터리(12V), Junction box, DC/DC 컨버터(LDC), AC/DC 인버터, OBC(onboard charger)

- 배터리팩 구조 : Electrical power, Electrical connection(HV), Electrical connection(LV), TMS, Structure, Safety, Control

ㅁ 구동계통

- 모터, 모터제어기(Inverter), 감속기

ㅁ 제어계통

- VCU, MCU, OBC, BMS 등

ㅁ 공조계통

- PTC 히터, Electric A/C 컴프레셔

ㅁ 냉각계통

- 자동차는 냉각이 중요함

- EWP, Radiator, Thermostat 등

ㅁ 제동계통

- 유압제동장치

- 회생제동장치

3. EV의 전원계통도

ㅁ HV 전력은 정션박스에서 분배

- 배터리에서 정션박스로 전달된 직류 전원 -> MCU를 거쳐 3상 교류 전원으로 변환 -> 모터

4. HEV의 전원계통도

ㅁ EV와 비슷함

ㅁ 배터리팩은 PRA를 통해 외부와 연결되며 TMS로 방열, BMS로 제어

ㅁ PRA를 통해 배터리팩 외부로 나간 전류는 HPCU 패키지로 전달

ㅁ HPCU의 인버터를 통해 3상 교류로 변환된 전류는 motor로 전달

ㅁ HV 전류는 HPCU의 LDC(LV DC/DC 컨버터)를 통해 LV로 변환되어 12V 보조배터리 충전이나 전장 부하에 사용

전원 계통

1. Junction box

ㅁ HV 배터리팩에서 공급되는 직류전원을 각 장치로 분배하는 역할

ㅁ 차량 정비를 위한 분해 : Service plug 차단 -> 5분 경과 -> 전압이 30V 이하로 떨어지면 분해

2. LCD, Aux, Battery

ㅁ LDC (low-voltage DC-DC converter)

- HV 배터리팩에서 공급되는 고전압을 저전압으로 변환해 차량 전장부하(12V)에 공급

ㅁ 전기자동차에는 330V Battery가 있는데 12V 배터리를 필요로 하는 이유

- 330V 고전압 배터리가 작동하기 위해서는 PRA 작동이 선행되어야 함 (PRA를 가동하기 위해 필요한 것이 보조배터리)

- 차량 전원장치의 전압은 12V -> 전압균형을 맞추기 위해 12V 배터리 필요 (전력소모량이 클 경우 전압레벨차 발생)

3. OBC (On-board charger)

ㅁ AC 100/220V 전원을 승압하여 HV 배터리팩을 충전하는 제어기 (CC/CV)

ㅁ 가정용 충전은 완속 충전 (220V, 15A) -> OBC에 바로 연결 시 위험 -> 가정에서는 완속충전기라는 별도의 충전기를 사용해야됨

- 완속충전기 -> 220V 승압 -> 직류로 변환 -> OBC -> 배터리 충전 -> 고전압 배터리 (330V)(배터리는 직류장치임)

ㅁ 급속충전기는 승압 필요없이 HV 배터리를 바로 충전

4. HV 배터리팩

ㅁ 배터리 : 에너지 저장 및 재충전이 가능한 2차 전지

ㅁ Cell -> Module -> Pack (배터리를 열적/구조적으로 보호)

- BMS(Battery Management System) : 전지의 충전, 방전을 조절하고 배터리를 보호하는 역할

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