과학기술, 전기자동차의 핵심부품

전기자동차는 자동차가 구동을 하기 위한 구동력을 만들어내는 방식이 기존의 내연기관의 방식과 다르다는 점이 가장 큰 차이점 일 것이다. 내연기관은 화석연료를 실린더 내부에서 연소시킨 폭발력으로 피스톤의 상하 왕복 직선운동을 만들고 다시 직선운동이 캠기구를 통해 회전운동으로 변화하는 과정으로 구동력이 발생된다. 설명에서 이해할 수 있듯이 자동차가 궁극적으로 구동하기 위해 필요한 회전 구동력을 만들기 위해 내연기관은 여러 단계의 에너지 변환이 필요하다. 연소를 통한 열에너지가 직선 왕복운동의 기계적인 에너지로 변환되고 이것은 다시 캠기구를 통해 회전운동으로 변환된다. 에너진의 변환은 필요적으로 손실을 동반하게 되고 내연기관의 낮은 효율을 초래하게 된다. 반면 전기자동차는 회전 구동력을 전기 에너지로부터 바로 얻어내게 되는데 그런 결과를 얻기 위해서는 전기에너지를 회전에너지로 변화하기 위한 핵심 부품들이 필요하게 된다. 이번 글에서는 전기자동차의 핵심부품에 대한 자세한 설명을 하고자 한다.

 

1) 전기 자동차의 기본 구성

내연기관 자동차와친환경자동차를 구분 짖는 중요한 잣대 중 하나가 배터리시스템과 파워트레인의 차이일 것이다. 내연기관자동차는 기본적으로 시동과 내부의 저 전압 전장부품들을 위한 납 축전지 정도만 탑재하는 것이 일반적이었다면 친환경자동차는 전동화 수준에 따라 다르지만 최대 100 kwh의 니튬이온 배터리까지도 탑재가 된다. 또한 엔진을 대체하여 e-파워트레인 (Electric Power Train)이 적용된다.배터리와 파워트레인 부품을 제외한 나머지 부품들은 내연기관에서 사용된 모든 부품들이 전기차에 Carry over 된다.  아래의 그림은 전기자동차에서 가장 중요한 부분인 동력 구조를 설명한 그림이다. 그림에서 각각의 번호 별로 명칭은 ⓛ : 배터리, ② : 파워트레인(Powertrain)이다. 상세 기능과 구조는 다음장에서 설명하겠다.

 

VW의 MEB Platform

2) 전기자동차 핵심부품 : 고전압 배터리

앞에서 정의한 친환경 자동차 네 가지 분류 모두 공통적으로 배터리가 필요하다. 다만 자동차의 외부에서 에너지를 공급받아 저장할 것인가 아니면 내부에서 에너지를 공급받을 것인가에 따라 용량과 충전방식이 달라질 수 있다. 배터리 시스템은 배터리 팩(Pack)과 BMS(Battery Management System)으로 크게 구분할 수 있다. 배터리 팩은 여러 개의 CMA(Cell Module Assemble)로 구성된 된다. 또한 하나의 CMA는 여러 개의 셀(Cell)로 구성되어 있다. BMS는 베터리팩의 상태를 지속적으로 모니터링하여 최적의 조건에서 사용할 수 있도록 관리하는 시스템이다. 자동차의 전장화에 있어 가장 큰 재료비 비율 차지하는 부품이다.

GM Gen2 배터리 팩

3) 전기자동차 핵심부품 : 전동 파워트레인 (e-Powertrain)

e-Power train은 내연기관엔진을 대신하거나 보조하여 차량에 구동력을 제공하는 역할을 한다. e-Power train의 구성요소로는 모터, 인버터(전력 변환장치),기어박스(감속기)등으로 구성되어 있다. 주요부품들은 각각의 기능과 형상은 아래의 표와 같이 정리할 수 있다. 

 

구분	형상	설명
인버터		전력반도체를 이용하여 전압의 변조(승압, 강압) 하여 배터리에 있은 DC전압을 모터구동을 위한 AC전압으로 변환  자동차에 전달되는 동력요구성능에 따라 모터의 토크와 속도를 조절
전기모터		배터리에 축적된 전기에너지를 인버터가 제어하여 전기에너지를 기계적인 회전 에너지로 만들어주는 역할  자동차의 회생제동을 통해 전기를 발전하는 역할 (발전기)
기어박스		모터에서 발생된 토크를 바퀴로 전달하는 역할을 수행  기어비를 통해 고속의 저 토크인 모터 출력을 속도는 낮추고 토크는 높여 자동차가 필요한 동력성능 제공

 

이번 글에서는 전기자동차를 구성하고 있는 주요 부품들의 구성과 기능들을 이야기해 보았다. 위에서 설명한 배터리와 파워트레인을 제외하고 고전압을 저전압을 감압해주는 DC-DC coverter, 배터리를 충전하는데 필요한 충전기인 OBC(On Board Charger) 등이 추가적으로 더 있지만 이번 글에서 다루지는 않는다. 다음 기회에 각각의 요소별로 상세한 리뷰를 할 때 다시 다루도록 하겠습니다.