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전기차 작동 원리가 궁금해?

이제 전기차가 어떻게 작동하는지 알아볼 때다

2021.06.14

 

전기차가 실제로 어떻게 작동하는지 생각해본 게 언제인가? 자동차 마니아 대부분은 내연기관의 작동 원리에 대해 모르는 게 없다. 연료와 공기가 연소실에 들어가서 폭발하고 피스톤을 밑으로 밀어내 크랭크축을 돌려 바퀴를 어떻게 돌리는지 시각화할 수 있는 정도다. 그들은 대체로 직렬, 수평대향, V형 엔진의 차이를 알며 일부는 어쩌면 로터리 엔진에 대해서도 알지 모른다.

 

엔진과 같은 기계적인 공학 개념은 비교적 이해하기 쉽다. 하지만 이 글을 읽는 일반인 중 오직 소수만이 보이지 않는 전자가 자동차의 바퀴를 움직이는 원리와 영구자석 동기 모터가 AC 유도 모터와 어떻게 다른지 설명할 수 있을 것이다. 이 같은 사실에 내기를 걸어도 좋다. 전기공학은 자동차에 미친 사람들에게 흑마술과 마법처럼 보일 수 있다. 이제는 이 대담하고 새로운 전기 모빌리티 세계를 자세히 설명할 때가 된 것 같다.

 

구리 코일은 전자기 로터를 형성한다. 직류 전류는 정류자(검정 부분)와 접촉하는 브러시를 통해 전달된다. 이렇게 하면 모터의 회전을 유지하기 위해 회전주기마다 전자석의 극성이 바뀐다. 

 

전기모터는 어떻게 작동할까?

모터는 자력, 전기장과 자기장 사이의 자연스러운 상호작용으로 작동한다. 전기회로가 닫히면 전자는 선을 따라 이동한다. 이렇게 이동하는 전자들은 N극과 S극으로 된 전자기장을 생성한다. 다른 자기장이 있는 곳에서 이런 일이 발생할 때 반대 극은 서로를 끌어당기고 같은 극은 서로 밀어낸다.


전기모터는 자석 또는 전자석 세트 하나를 축에 달고, 다른 세트는 축을 둘러싼 하우징에 붙이는 방식으로 작동한다. 모터는 전자석 한 세트의 극성을 주기적으로 반전하는데(N극과 S극을 바꾼다), 이런 끌어당김과 반발력을 지렛대 삼아 축을 회전시킨다. 이 과정에서 전기를 토크로 변환하고, 궁극적으로 바퀴를 움직일 수 있다. 반대로 회생제동의 경우처럼 자기력과 전자기력을 다시 전기로 바꿀 수도 있다.

 

 

AC? DC?

가정에 공급되는 전기는 교류(AC)로 도착하는데, 이는 전력의 N/S극 또는 +/- 극성이 초당 60회 번갈아 바뀌기 때문이다(미국과 일부 국가에서는 교류가 110V로 운용되며, 220V를 사용하는 나라들은 일반적으로 50Hz 교류를 사용한다). 직류(DC)는 모든 배터리의 +/–극으로 들어가고 나온다. 앞서 언급한 것처럼 모터는 회전하기 위해 교류가 필요하다. 만약 교류가 없다면 전자기력은 단순하게 N극과 S극을 잠근다. 반면 N/S극이 계속해서 전환하는 주기를 통해 모터는 계속 회전한다.


오늘날의 전기차는 차에서 AC와 DC 에너지를 모두 관리하도록 설계된다. 배터리는 DC 전류를 저장하고 배출하지만, 모터에는 AC가 반드시 필요하기 때문이다. 배터리를 충전할 때, 온보드 차저로 들어오는 에너지는 레벨1이나 레벨2로 충전할 경우 AC 전류이며, 레벨3 고속충전기는 DC 고전압 전류다. 정교한 전력 전자장치가 여러 온보드 AC/DC 변환기를 처리한다. 동시에 100~800V의 충전 전력부터 350~800V의 배터리/모터 시스템 전압, 그리고 12~48V DC 전기를 필요로 하는 많은 자동차의 조명, 인포테인먼트, 섀시 기능 사용을 위해 전압을 올렸다 내렸다 한다.

 

 

전기차에 쓰이는 전기모터 유형

브러시 DC 모터 

우리는 방금 AC가 모터를 돌린다고 말했다. 1900년대 초반 전기차에 동력을 공급한 구식 모터도 다르지 않았다. 반면 배터리에서 나오는 DC 전류는 스프링이 달린 탄소 또는 납 브러시를 통해 로터 코일로 전달된다. 이 브러시는 와이어 코일과 연결된 회전 접점에 동력을 공급하는 역할을 한다. 브러시가 몇 도씩 회전할 때마다 새로운 접점 한 세트에 동력이 공급된다. 그리고 모터 축이 회전할 때마다 로터에 있는 전자석의 극성을 지속적으로 반전시킨다(이 접점의 고리는 정류자로 알려져 있다).

 

로터의 전자기 코일을 둘러싼 하우징에는 일반적으로 영구자석이 있다. 이 방식의 장점은 낮은 초기 비용, 높은 신뢰성, 그리고 용이한 모터 제어다. 전압을 변화시키면 모터의 속도가 제어되고, 전류를 바꾸면 토크가 제어된다. 단점으로는 수명이 짧고, 브러시와 접점을 유지하는 데 비용이 든다. 이 모터는 인도의 철도 기관차를 제외하면 오늘날에는 이동 수단에 거의 쓰이지 않는다. 

 

브러시리스 DC 모터(BLDC)

영구자석이 로터로 이동하고 전자석을 고정자(하우징)에 배치함으로써 브러시가 제거되고 유지 보수를 하지 않아도 된다. 또한 외부 모터 제어기를 이용해 다양한 계자 코일을 +에서 -로 번갈아 전환한다. 이렇게 회전 자기장이 생성된다.


이 방식의 장점은 긴 수명주기와 낮은 유지보수, 높은 효율성이다. 단점은 높은 초기 비용과 보다 복잡한 모터 속도 제어기가 있는데, 제어기의 경우 고정자 코일 전류를 올바르게 작동하려면 일반적으로 3개의 홀센서가 필요하다. 고정자 코일의 전환은 전달되는 토크가 주기적으로 증가하거나 감소하는 ‘토크 리플’이라는 결과를 낳는다. 이런 종류의 모터는 전기자전거 같은 소형 이동 수단에서 인기가 있다. 전동식 파워스티어링 보조장치 같은 부수적인 자동차 용도로 사용된다.

 

 

영구자석 동기 모터(PMSM)

물리적으로 BLDC와 PMSM은 거의 같아 보인다. 두 모터 모두 로터에 부착된 영구자석과 고정자 내부의 계자 코일이 특징이다. 핵심적인 차이점이라면 PMSM은 DC 전류를 사용하고 다양한 코일을 주기적으로 켜고 끄는 대신 영구자석을 회전시키며, 연속적인 사인(Sin) 형태의 AC 전류에서 작동한다는 점이다. 때문에 토크 리플이 발생하지 않고, 로터의 속도와 위치를 결정하기 위한 홀센서가 하나만 필요하다. 따라서 PMSM이 더욱 효과적이고 조용하다.

 

PMSM에서 ‘동기’라는 단어는 로터가 코일의 자기장과 같은 속도로 회전하는 것을 의미한다. 이것의 최대 장점은 전력 밀도와 강력한 기동 토크다. 회전하는 영구자석이 있는 모터의 주요 단점은 특정 속도에서 전력이 공급되지 않을 때 역방향 전동력이 발생한다는 것이다. 이 현상은 모터를 손상하는 저항과 열을 발생시킨다. PMSM은 자동차의 파워스티어링과 브레이크 시스템에서 일부 역할을 담당하기도 한다. 그리고 오늘날 대부분의 배터리 기반 전기차와 하이브리드 자동차의 모터 설계에 들어간다.

 

거의 모든 종류의 영구자석 모터가 갖는 N-S축은 출력축에 수직 방향을 향한다. 그리고 방사형(자성) 유동을 생성한다. 새로운 유형의 축 유동 모터는 자석의 N-S축이 출력축과 평행하게 향하며, 일반적으로 움직이지 않는 고정자 코일을 사이에 두고 있는 디스크 한 쌍에 위치한다. 이와 같은 콤팩트하고 토크가 높은 축 유동 지향은 BLDC나 PMSM형 모터에 적용할 수 있다. 

 

1. 여기서 흰색과 밝은/어두운 회색 와이어는 고정자 코일의 세 단계를 나타낸다. AC 전류가 와이어를 통해 흐르면(파란색 화살표), 자기장('N'과 'S'로 표시된 타원형의 선)이 회전하기 시작한다.

2. 회전하는 자기장 선은 로터의 원형 코일(우측의 검은 부분)을 통과할 때, 이 순환(검은색 화살표)에서 전기의 흐름을 유도한다. 이러한 설정은 토크가 생성되는 또 다른 자기력(회색 화살표)을 만든다.

 

이 그림은 파란색 화살표로 표시된 즉각적인 유도 전자 흐름과 검은색 화살표로 표시된 힘(토크)을 통해 AC 유도 모터에서 ‘다람쥐 쳇바퀴’ 로터가 실제로 어떻게 보이는지를 보여준다.

 

AC 유도 모터

이 모터의 경우, 로터의 영구자석(여기에 쓰이는 희토류가 점점 귀해지고 있다)을 버리고, 앞선 PMSM과 같이 AC 전류가 고정자 코일을 통해 흐른다. 

 

자석을 대신하는 이 개념은 1888년 니콜라 테슬라가 특허를 받았다. 구체적으로 AC 전류가 고정자의 다양한 코일로 흐를 때, 코일이 자속 회전자계를 생성한다는 개념이다. 이 자기선은 로터의 수직 코일을 통과할 때 전류를 유도한다. 그 후 로터가 회전하도록 유도하는 또 다른 자기력이 생성된다. 이 힘은 자기장 선이 로터 코일을 교차할 때만 유도된다. 따라서 회전하는 자기장과 동일한 속도로 회전할 경우, 로터는 토크나 힘을 만들 수 없다.

 

이는 AC 유도 모터가 본질적으로 비동기식이라는 것을 의미한다. 로터 속도는 교류 주파수를 연속적으로 바꿔 제어한다. 부하가 적을 때 모터를 제어하는 인버터는 전압을 낮춰 자기 손실을 줄이고 효율을 높인다. 따라서 정속 주행 중에 유도 모터의 전원이 꺼지면 영구자석 모터에 의해 발생하는 항력이 없어진다. 반면 앞뒤 차축에 PMSM을 사용하는 듀얼 모터 방식의 전기차는 항상 모든 모터에 전원을 공급해야 한다. 

 

BLDC 또는 PMSM 설계의 경우 순간적인 효율성이 약간 더 높을 수 있다. 그러나 AC 유도 모터가 더 높은 평균 효율성을 달성한다. 다른 점은 PMSM보다 기동 토크가 좀 더 낮다는 점이다. 1990년대 중반 나온 GM EV1과 대다수의 테슬라 전기차들이 AC 유도 모터를 사용했다. 

 

영구자석이 더해진 평평한 주철 로터 동기식 릴럭턴스 모터 내부의 로터에서는 금속의 자기저항력을 최적화하기 위해 자속선처럼 속이 빈 독특한 형태가 자주 나타난다. 이러한 빈 공간에 삽입된 소량의 영구자석 소재는 모터 성능을 향상시킬 수 있다. 동시에 완전한 영구자석 모터가 고속에서 겪는 역방향 전동력을 크게 제한한다.

 

릴럭턴스 모터

여기서 ‘릴럭턴스(Reluctance)’라는 단어는 자기저항으로 생각하면 되는데, 이는 물체가 자속과 반대되는 정도를 나타낸다. 릴럭턴스 모터의 고정자는 여러 개의 전자석 극이 특징이며, 매우 국지적인 N 또는 S극을 형성하는 코일이다. 스위치드 릴럭턴스 모터(SRM)에서 로터는 적층 실리콘 강철 같은 부드러운 자성체로 만들고, 고정자의 극과 상호 작용하도록 설계된 여러 돌기가 있다. 다양한 전자석 극은 BLDC 모터의 계자 코일과 거의 동일한 방식으로 켜지고 꺼진다. 고정자와 로터 극의 숫자를 다르게 하는 것은 자기저항의 최소화를 위해 일부 극을 정렬하고, 다른 극은 자기저항을 최대화하기 위해 반대 극 사이에 직접 배치된다. 이후 고정자 극성을 전환하면 로터가 비동기 속도로 회전한다.

 

동기식 릴럭턴스 모터(SynRM)는 로터와 고정자 극의 불균형에 의존하지 않는다. 대신 PMSM 설계처럼 사인 형태의 AC 전류가 더해진 보다 분산적인 코일을 특징으로 하며, 가변 주파수 구동에 의해 속도가 조절된다. 또한 자속 선과 같이 속이 빈 정교한 모양의 로터로 자기저항을 최적화한다. 

 

최신 트렌드는 소형 영구자석을 이 빈 공간 일부에 배치하는 것이다. 이유는 자성과 자기저항 토크의 이점을 모두 얻고, 동시에 비용과 영구자석 모터가 겪는 역방향 전동력(또는 반대되는 전동력)의 고속 효율성을 최대화하기 위해서다. 

 


이 방식의 장점은 비용 절감, 단순함, 높은 효율성 등이다. 단점으로는 소음과 특히 스위치드 릴럭턴스 모터의 경우 토크 리플이 있다. 토요타는 프리우스를 통해 매립형 영구자석 동기식 릴럭턴스 모터(IPM SynRM)를 소개했다. 테슬라는 현재 듀얼 모터 모델에 AC 유도 모터 하나를 쓰고 있으며, 뒷바퀴굴림 방식의 싱글 모터 모델에 영구자석 동기식 릴럭턴스 모터를 사용 중이다.

 

전기모터는 스몰 블록이나 플랫플레인 크랭크 방식의 페라리 같은 소리를 절대 내지 못할 것이다. 그러나 어쩌면 지금으로부터 10년쯤 후에 우린 테슬라 플라이드의 파워트레인을 두고 엔진을 사랑하는 것처럼 바뀔지도 모른다. 그리고 모든 자동차 애호가는 자동차가 어떤 종류의 모터를 사용하는지 자세히 설명할 수 있을 것이다

글_프랭크 마커스

 

 

 

 

모터트렌드, 자동차, 전기차 작동 원리

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CREDIT

EDITOR : 김선관PHOTO : 라이언 루고(일러스트레이션), 게티이미지, 스톡포토

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