전기자동차 이해 2

 

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구동계통, 냉각계통, 제어계통

1. 구동계통

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ㅁ 일반 자동차 : 클러치, 변속기, 감속기(엔진 출력의 회전수와 토크 조절)

ㅁ 전기 자동차 : 구동모터, 감속기

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2. 구동계통 - Motor, MCU

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ㅁ 전기자동차의 모터는 MCU로 제어

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ㅁ 전기자동차의 모터는 발전기 구조와 같음

- 전기 -> 회전 / 회전 -> 전기

- 감속 시 발전기 모드로 전력생산 -> 배터리 충전

- 전기자동차의 모터는 저속에서 고속까지 무단으로 부드럽게 변환 가능하기 때문에 변속기가 필요하지 않음

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ㅁ 전기모터 토크선도

- 전기차는 발진 시에 바로 최대 토크 발생

- 모터의 회전력은 전류 크기에 비례 : 전류가 커지면 인버터 소자, 전선 허용 전류값을 높게 설정

- 모터의 회전속도는 전압에 비례 : 모터의 회전속도를 높이려면 전압값을 높게 설정

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ㅁ 전기모터 특성곡선

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ㅁ MCU의 역할

- 가속패달 조작량 및 조작속도 검출 -> 차량의 가속과 감속 변화 -> 차속이나 부하 등 조건에 따라 모터의 토크와 회전속도 제어

- 직류모터일 경우 : 전류/전압 크기 제어

- 교류모터일 경우 : 배터리의 직류를 교류로 변환하고, 다시 교류의 파형을 제어

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ㅁ 직류모터

- 제어방식 : 가변저항의 크기를 변화시켜서 전류의 크기를 변화시킴

- 전류와 모터 토크가 스탭 형태로 변화 -> 운전자의 불편 초래 -> 이를 해결하고자 반도체 스위치를 이용하여 DC모터를 제어하는 방식 개발 (PWM 제어방식) -> 전기자동차의 부드러운 운전 가능

* PWM 제어방식 : 반도체 스위치로 고주파 펄스신호를 조작함으로써 모터의 출력을 제어 / 도통, 비도통 시간 제어 -> 전류 크기 결정

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ㅁ 교류모터

- 직류모터보다 효율이 높음

- 가속 패달의 누름동작(Stroke)에 대해 교류전류 진폭 변화

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3. 냉각계통

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ㅁ 전기자동차는 전력, 구동계통의 발열이 큼 -> 냉각계통을 통해 온도를 낮춰야 함

ㅁ 전력계통의 온도 상승 -> 저항 증가 -> 에너지 효율 감소 -> 부품 파손

ㅁ 냉각수 : 일반 자동차와 같이 물과 에틸렌글리콜을 1:1로 섞어서 사용

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4. 제어계통

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ㅁ VCU (Vehicle Control Unit)

- 제어계통에 가장 중요한 컨트롤러

- 운전자의 명령을 처리

- 차량 전반의 운영 담당

- 하위제어기(BMS, MCU 등)를 관장

 

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직렬시 HEV의 구조와 특징

1. 하이브리드 자동차의 구분

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2. 동력전달방식에 따른 HEV 분류

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ㅁ 직렬형 하이브리드

- 여러 가지의 에너지 변환 단계에 따라서 에너지 효율이 감소

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ㅁ 병렬형 하이브리드

- EV 모드로 주행 시 효율이 직렬형에 비해 떨어지고, 주행 거리가 짧음

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ㅁ 동력분기형 하이브리드

- 유성기어 장치로 분기

- 직렬형 하이브리드와 병렬형 하이브리드 단점 보완

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3. 직렬식 HEV

ㅁ 직렬형 HEV는 배터리가 충분한 경우 배터리 전원으로 모터를 구동하고, 모터로 바퀴를 굴려서 주행함

- 배터리가 방전되었을 경우 엔진 -> 발전기 -> 배터리 -> 모터 -> 바퀴 구동 => 에너지 변환 효율 저하

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ㅁ 직렬식 HEV의 장점 : 엔진 운전점 효율이 높음 -> 연료를 아낄 수 있음

* 일반 자동차 : 엔진이 주행조건에 따라 일정하지 않은 효율 / 동력변환을 위해 클러치, 토크컨버터, 트랜스미션, 감속기 등이 필요

* 직렬식 HEV : 필요한 경우에만 배터리 충전 -> 엔진의 운전점 항상 높은 효율 / 모터, 감속기만 필요

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ㅁ 직렬식 HEV의 단점 : 기계-전기-전기-기계 -> 에너지 변환 효율이 낮음

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동력분기식 HEV의 구조와 특징 : 동력분기장치의 작동원리

 

 

1. 동력분기형 HEV

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ㅁ 직렬식 HEV의 에너지 변환 효율 단점 -> 엔진의 동력을 바로 바퀴로 전달하는 기능 필요

ㅁ 필요에 따라 엔진 동력을 직접 구동부로 전달하는 방법에는 변속기나 유성기어 같은 동력분기장치를 이용하는 방법이 있음

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2. 직렬 구조의 효율을 높이는 방법

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ㅁ 효율 향상을 위해 유성기어 사용

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3. 유성기어 (Planetary gears)

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ㅁ 선기어, 피니언기어, 링기어 간의 회전제어 -> 동력 입출력 제어 및 기어비 변경 -> 감속/증속

- 기어비 = 출력측 기어 잇수 / 입력측 기어 잇수

- 기어비가 작다 -> 속력이 빠름(증속), 토크가 약함

- 기어비가 크다 -> 속력이 느림(감속), 토크가 강함

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ㅁ 유성기어 구조

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ㅁ 유성기어 작동원리

ㅁ 피니언 기어와 캐리어 사이 운동 구속 -> 입력비:출력비=1:1 -> 직렬

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ㅁ Single Pinion Planetary Gear(SPPG) 유성기어의 속도와 토크 관계

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ㅁ 유성기어는 일반적으로 Gear shift device에 사용

ㅁ 유성기어를 응용하면 HEV에 다중 입출력 제어 가능 (동력분기 수행)

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동력 분기식 HEV의 구조와 특징 : 동력분기식 HEV의 운전모드

 

 

1. 동력분기형 HEV의 운전 모드

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ㅁ 동력분기식

- 직렬식, 병렬식 결합 시스템

- MG1(발전용), MG2(구동용)

- 동력분기를 위해 유성기어 사용

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ㅁ EV mode : 저속운행 시 충전된 배터리에서 모터 2로 전기를 공급해 모터 2로만 차체 구동

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ㅁ Ignition : 모터 1으로 엔진의 시동을 걸어 엔진 구동이 시작

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ㅁ HEV mode : 엔진과 모터 2를 모두 사용하여 구동, 엔진 동력을 이용하여 모터 1은 발전기가 되어 배터리를 충전

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ㅁ Regen mode : 회생제동을 통해 모터 2로 배터리를 충전

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2. Toyota Camry HEV vs. HMC Sonata HEV

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ㅁ 병렬식보다 동력분기식 모터의 출력이 더 큼

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3. 동력분기식 HEV - 토요타 프리우스

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ㅁ 배터리가 완전히 충전된 상태에서는 회생제동이 필요 없음 -> 유압 브레이킹 사용

ㅁ 안전을 위해 회생제동과 유압 브레이킹 함께 사용

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4. 동력분기식 HEV의 변속기

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ㅁ 동력분기장치의 위치와 개수에 따른 동력분기 방식 구분

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ㅁ 동력분기식 HEV : 전기모터가 변속기로 작용 -> 전기모터의 출력을 시스템 요구에 따라 결정, 비교적 큰 전기모터 사용

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5. 동력분기식 HEV - 입력분기형

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ㅁ 3개 기어의 조합으로 다양한 운전 모드를 만들 수 있음

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- Sun 기어 고정, Carrier 입력, Ring 기어 출력 -> 배터리 충전 모드

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- Ring 기어 고정, Carrier 입력, Sun 기어 출력 -> 엔진 구동 주행

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ㅁ 입력분기형 HEV

- EV 모드, Regen 모드, 적극적인 fuel-cut 개입 가능

- 시스템 비용은 높으나, 연비 향상

- 예) Toyota Prius

 

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병렬식 HEV의 구조와 특징 : 병렬식 HEV의 종류 및 특징

 

1. 직렬 구조의 효율을 높이는 방법

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ㅁ 직렬형의 효율 문제 -> 엔진의 동력을 바퀴로 전달하는 다른 방법 : 동력분기장치, 변속기

- 동력분기장치를 사용하여 엔진 동력을 직접 구동축으로 전달하는 방법 : 동력분기형 HEV

- 변속기를 사용하여 엔진 동력을 직접 구동축으로 전달하는 방법 : 병렬형 HEV

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2. 병렬식 HEV 구조

ㅁ 엔진과 모터의 동력을 변속기를 이용하여 구동축으로 전달

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ㅁ 병렬식 HEV의 장점

- 기존 엔진 구조에 모터만 장착 -> 개발 용이

- 전기모터를 변속기로 활용하지 않기 때문에 구조에 따라 전기모터의 출력을 자유롭게 선정 가능

- 모터 장착 부위 -> 모터 크기, 운전모드가 달라짐

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3. 병렬식 HEV의 분류

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ㅁ 모터의 장착 부위에 따라 5가지로 분류

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ㅁ P0형 병렬식 HEV

- 가장 작은 모터와 배터리

- 모터가 엔진에 직접 붙어있음 / 모터는 엔진 + 벨트로 연결

- 소형 모터 사용 -> ISG 정도의 기능만 제공

* 모터는 기존의 Starter와 Alternator를 대체하여 HSG 또는 ISG로 불림

- 배터리팩은 12V AGM이나 12V Dual, 48V 주로 사용

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ㅁ P1형 병렬식 HEV

- 모터가 엔진의 플라이휠에 장착됨 / Flywheel Mounted Electric Device(FMED) 형으로도 불림

- 모터는 Integrated starter generator (ISG)로 불림

- ISG의 장착 위치 -> ISG의 크기가 제한 -> EV 모드 사용 동력을 제공할 수 없음

- ISG(Idle Stop & Go)와 회생제동 정도의 기능만 제공

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ㅁ P2형 병렬식 HEV

- 가장 일반적인 병렬형 HEV 기관 중 하나

- 전기모터가 클러치와 변속기 사이에 장착됨

- Transmission Mounted Electric Device(TMED) 형으로도 불림

- 모터의 크기 제한이 P0형이나 P1형만큼 엄격하지 않음 -> 상대적으로 큰 모터 장착 가능 -> 회생 제동으로 더 많은 발전

- 클러치 제어를 통해 모터가 엔진과 분리 -> EV모드

- 유럽의 폭스바겐, 한국의 현대자동차에서 주로 P2형 채택

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ㅁ P3형 병렬식 HEV

- 변속기의 출력부에 장착

- 모터 크기의 제한이 적음 -> EV 모드 주행 가능 -> 회생제동으로 많은 발전

- 중국의 BYD이 P3형 HEV 채택

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ㅁ P4형 병렬식 HEV

- In-wheel motor는 단독으로 사용되지 않고 P2형 또는 P3형과 조합되어 사용

 

 

 

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