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엔진과 변속기 대신 배터리와 감속기가 있는 전기차의 원리와 …
전기차는 내연기관 자동차와 달리 전기 동력과 관련된 부품으로 이뤄져 있습니다. 구동모터, 감속기, 배터리 등이 있는데요. 이 부품들은 전기차를 …
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Date Published: 10/20/2022
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수동변속기에서 전기차 감속기까지, 파워트레인 전문기업 현대 …
박상문 책임연구원 | 감속기는 전기차에 사용하는 변속기의 일종이다. 모터는 분당 회전수(RPM)가 내연기관보다 훨씬 빠르다. 따라서 일반적인 내연기관의 …
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Date Published: 9/9/2021
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변속기가 없는 전기차, 감속기는 어떤 역할을 할까? – 오토트리뷴
감속기의 가장 큰 역할은 모터의 회전수를 줄여서 토크를 높여주는 것이다. 전기모터는 빠른 속도로 돌아가는데 힘이 없을 때, 회전 속도를 줄이고 힘을 …
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Date Published: 3/7/2022
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서진오토모티브, .전기차 감속기 사업 확대 – 전자신문
서진오토모티브가 전기차 감속기 사업을 확대하며 미래 모빌리티 부품 중심으로 회사 체질을 바꾼다. 현대차·기아 협력사로 오랜 기간 내연 기관 시장 …
Source: www.etnews.com
Date Published: 1/4/2022
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쉽게 알아보는 전기차의 구동 원리 – MSD(Motion System Design)
감속기는 모터의 특성에 맞춰 동력을 바퀴에 더 효율적으로 전달하기 위해 고안된 일종의 변속기다. 하지만 변속기가 아닌 감속기라고 부르는 데에는 이유 …
Source: www.msdkr.com
Date Published: 2/1/2022
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전기차는 변속기가 없을까? – naver 포스트
물론 차량에서 요구하는 토크 및 RPM을 적절히 맞추기 위해 구동측에 감속기를 부착하기는 하지만, 감속기는 변속기처럼 상황에 따라 기어비를 바꾸는 …
Source: m.post.naver.com
Date Published: 6/10/2021
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초고속 전기 모터에서 비롯된 현대차그룹 전용 전기차의 고성능 …
전기 모터의 회전수와 고성능 전기차의 관계. E-GMP의 PE 시스템은 일체화된 모터, 감속기(전기차용 변속기), 인버터에 배터리가 더해져 완성된다.
Source: tech.hyundaimotorgroup.com
Date Published: 6/22/2022
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전기차에 변속기(Transmission)가 없는 이유 그리고 배터리의 …
전기차의 배터리는 전기를 저장할 수 있는 용량의 한계는 물론이고 배터리의 … 모터옆에 달려있는 기어가 있다 그리고 그것을 감속기라 부른다.
Source: www.evpost.co.kr
Date Published: 7/10/2021
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- Author: bRd 3D
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- Date Published: 2021. 6. 28.
- Video Url link: https://www.youtube.com/watch?v=OcYdo3-Tx_o
엔진과 변속기 대신 배터리와 감속기가 있는 전기차의 원리와 관리법
최근 글로벌 전기차 시장이 지속적으로 확대되며, 성장세를 보이고 있습니다. 그만큼 국내에서도 전기차 관련 수요와 관심 늘어나기 시작하였고, 전기차를 구성하는 부품 또한 자연스럽게 이목을 끌고 있습니다.
이렇게 점차 우리 일상 속에 점차 스며들고 있는 전기차에 대해 관심 있으시거나 소유하고 계신 분들을 위한 전기차 다루는 법을 그동안 많이 다뤄보았는데요.
이번에는 내부 부품에 따른 전기차와 일반 자동차(내연기관 자동차)의 원리를 비교해보면서, 알맞은 관리 방법에 대해 알려드릴게요!
내연기관차와 전기차의 차이
흔히 볼 수 있는 차량은 대개 화석 연료를 연소 시켜 구동 에너지를 얻어 주행하게 되는 내연기관차이며, 전기차는 배터리에 저장된 전력을 이용하여 모터를 회전 시켜 주행하게 됩니다. 이는 전기차에 관심이 있는 분들이라면 알 수 있는 가장 큰 차이점인데요.
여기서 주목해야 할 점은 바로 일반 내연기관 차에서 가장 중요한 요소로 자리 잡고 있는 엔진과 변속기가 전기차에는 없다는 사실입니다. 그렇다면, 엔진과 변속기를 대신할 전기차의 대체 부품으로는 무엇이 있을까요?
전기차는 내연기관 자동차와 달리 전기 동력과 관련된 부품으로 이뤄져 있습니다. 구동모터, 감속기, 배터리 등이 있는데요. 이 부품들은 전기차를 움직이는 동력 구조로 사용되고 있습니다. 구동모터 ▶︎ 감속기 ▶︎ 배터리 ▶︎ 온보드차저(On Board Charger) ▶︎ 통합전력제어장치(Electric Power Control Unit) 순으로 전기차를 움직이게 해줍니다. 전기차에 대한 지식이 전혀 없으시다면, 이 부품들이 매우 생소하게 느껴지실 거예요. 각 부품의 역할과 이를 통한 전기차의 구동 원리까지 함께 설명해드리겠습니다.
전기차에는 엔진과 변속기가 없다! 그렇다면?
엔진과 변속기를 대체할 전기차 부품 첫 번째, 감속기!
먼저 감속기에 대해 알아볼게요. 감속기란, 모터의 특성에 따라 동력을 바퀴에 조금 더 효율적으로 전달하기 위해 고안된 ‘변속’이라 할 수 있는데요. 여기서 변속기라 부르지 않는 이유가 궁금하실 거예요. 변속기가 아닌 감속기라 부르는 데에는 이유가 있습니다. 모터는 분당 회전수(RPM)가 내연기관차의 엔진보다 훨씬 높은데요. 회전수를 상황에 맞게 바꾸는 변속이 아닌 회전수를 하향 조정(감속)해야 하는 이유입니다.
즉, 다시 말해 모터의 회전수를 필요한 만큼 감속하여, 더 높은 회전력을 얻을 수 있게 조정하는 역할을 하기 때문인 거죠! 자전거를 타고 언덕을 올라가기에 많은 힘이 드는데요. 여기서 기어를 낮게 하여 페달에 힘을 줘 바퀴를 굴리면 속도는 느리지만, 더 쉽게 언덕을 올라갈 수 있는 것과 비슷한 원리라 생각하시면 됩니다.
두 번째, 전기 에너지를 저장하는 배터리
전기차의 배터리는 전기 에너지를 저장하는 부품으로 내연기관차의 연료탱크와 같은 역할을 합니다. 보통 전기차의 주행거리는 배터리 용량에 따라 좌우되는데요. 배터리의 용량이 클수록 주행거리도 늘어난다는 뜻입니다. 따라서 전기차의 주행거리를 효율적으로 늘리기 위해서는 에너지 밀도가 높은 배터리가 되어야 합니다.
또한 내연기관차에 엔진은 심장이라 불릴 만큼 중요한 부품인데요. 어쩌면 이보다 더 중요한 역할을 하는 것이 바로 전기차의 배터리라고 할 수 있습니다. 전기를 저장할 수 있는 용량의 한계는 물론이고, 배터리의 전압에 따라 모터가 돌아갈 수 있는 회전수와 회전력에도 영향을 미치기 때문에 심장 그 이상의 역할을 하는 필수 부품이라고 볼 수 있죠.
세 번째, 전기 에너지를 운동 에너지로 바꾸는 구동모터
구동 모터는 발전기로도 활약하는 부품인데요. 전기 에너지를 운동 에너지로 전환해 바퀴를 굴리는 일을 합니다. 길을 걷다 보면 전기차는 어느새 우리 옆을 지나가고 있어요. 내연기관차와 달리 주행 중 발생하는 소음이나 진동 소리가 작기 때문입니다. 이는 바로 모터를 구동 장치로써 사용하여 얻는 장점이죠.
네 번째, 온보드차저(On Board Charger)
온보드차저는 완속 충전을 하거나 휴대용 충전기로 가정용 플러그에 꽂아서 충전할 경우, 전기차에 입력된 외부 교류 전원(AC)을 직류 전원(DC)으로 변환시켜주는 장치입니다.
다섯 번째, 통합전력제어장치(Electric Power Control Unit)
인버터, LDC, VCU로 구성된 통합전력제어장치는 전기차 내 전력을 제어하는 장치를 통합하여, 효율성을 높여주는 역할을 합니다.
엔진 없는 전기차, 오일도 필요 없는 걸까?
여기서 궁금한 점이 생기는데요! 앞서 설명 드린 대로라면 전기차에는 변속기와 엔진을 대신하여 배터리, 감속기 등의 부품이 사용되고 있습니다. 그렇다면, 엔진 오일을 비롯한 기타 오일류도 필요 없어지는 걸까요?
전기차에는 내연기관에서 사용하는 엔진이 없기 때문에 엔진오일은 필요하지 않아요. 하지만 감속기 오일이 필요합니다. 전기차도 내연기관차와 마찬가지로 감속기의 수명을 오래도록 연장하기 위해서는 오일은 필수이며, 주기적으로 교체해주어야 합니다. 감속기 오일은 대략 6~8만km 정도 주행했을 경우 교체해주시면 됩니다. 주기에 알맞게 교체해주시면 안전한 전기차 생활을 오래 하실 수 있어요!
Kixx EV, 전기차 전용 윤활유 브랜드!
급변하는 친환경 모빌리티 환경에 전기차 전용 오일은 내연기관차 엔진 오일만큼 많지 않습니다. 그러나 이에 발맞춰 GS칼텍스는 빠른 대응에 나섰습니다. 바로 전기차용 윤활유 브랜드인 Kixx EV를 런칭했는데요. Kixx EV는 감속기 또는 모터 감속기 통합형 트랜스미션 윤활유와 배터리 열을 냉각시켜주는 냉각계 윤활유 등 다양한 전기차용 오일을 선보였어요. Kixx EV는 오일을 통해 부품의 마모 방지 및 배터리가 적절한 온도를 유지할 수 있도록 조절하여, 배터리를 비롯한 다양한 전기차 부품들의 효율적인 작동과 수명 연장에 중요한 역할을 합니다.
이번 글을 통해 일반 자동차와 전기차의 구동 원리와 사용되는 부품의 차이까지 알아보았습니다. 엔진뿐만 아니라 감속기에도 오일은 필수라는 점 꼭 기억해주세요! 좋은 운전 습관은 물론! 부품에 대한 지식과 올바른 관리로 내 차 수명을 늘려보는 건 어떨까요? 🙂
GS칼텍스 또한 다양한 친환경 윤활유 개발을 지속하며, 여러분의 전기차 생활에 더욱 도움이 되고자 노력하겠습니다.
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수동변속기에서 전기차 감속기까지, 파워트레인 전문기업 현대트랜시스
자동차 제조는 연계된 산업이 광범위하다. 고무, 유리, 금속, 가죽, 플라스틱을 비롯한 다양한 소재와 함께 기계, 화학, 전자, IT 등 각 분야의 기술을 폭넓게 아우른다. 그러나 자동차 제조사 혼자서 이 모든 소재와 기술을 다루기란 사실상 어려운 일이다. 따라서 자동차 생산에서는 높은 경쟁력과 풍부한 노하우를 갖춘 부품사(서플라이어)의 역할이 중요하다. 좋은 부품이 있어야만, 좋은 자동차를 만들 수 있기 때문이다.
예전에는 서플라이어가 부품을 생산하는 역할로만 머물렀으나, 부품 모듈화가 가속화되면서 이제는 자동차 제조사에 버금가는 규모와 기술력을 갖춘 전문기업으로 발전했다. 또한 서플라이어에서 선행기술을 주도하는 경우가 늘면서 자동차 제조사와의 협력도 더욱 강화되는 추세다. 독자적인 연구 능력을 바탕으로 자동차 제조사와 함께 신차 개발에도 참여할 정도다. 특히 변속기는 기술적으로 어려운 구동장치로 서플라이어의 역량이 중요한 분야 중 하나다. 구조가 복잡할 뿐만 아니라, 동력 전달 효율, 연료 효율, 크기, 운전성 등 제작 시 고려해야 할 요소가 적지 않기 때문이다.
변속기가 없는 전기차, 감속기는 어떤 역할을 할까?
[오토트리뷴=기노현 기자] 내연기관 자동차는 신형 모델 출시마다 8단 자동변속기 장착, 7단 DCT 장착 등 높아진 변속기 효율을 뽐내지만 전기차는 변속기 효율에 관한 이야기가 없다. 이미 전기차에 관심이 많은 소비자들은 알고 있겠지만, 일반적인 전기차에는 변속기가 없다. 정확히 말하면 다단 변속기가 아닌 1단 감속기를 사용하고, 변속충격이 없어 부드러운 운행이 가능하다.(▲사진출처 : 현대 위아 공식 홈페이지)
자동차에 변속기가 적용 된 이유는 내연기관이 엔진 회전수에 따라 토크가 다르기 때문이었다. 일정한 회전수가 되어야 힘을 발휘하는 특성 때문에 속도 별로 알맞은 기어를 사용해야 가속이 가능하다. 이런 특성 때문에 자동변속기가 없을 때에는 수동변속기를 사용해 변속해야 하는 번거로움이 있었고, 출발을 위해 공회전 상태로 준비가 필요하다.
전기차에서 사용하는 전기모터는 회전을 시작하는 동시에 최대 토크가 출력할 수 있고, 고회전 영역에 일정한 토크를 발휘한다. 덕분에 가속페달을 밟으면 인버터를 통해 전압과 주파수를 조절할 수 있고, 번거로운 변속 작업이 필요 없이 부드러운 가속이 가능하다. 이런 과정에서 모터의 토크를 더 끌어올려 효율적인 운행이 가능하도록 도와주는 것이 감속기다.
감속기의 가장 큰 역할은 모터의 회전수를 줄여서 토크를 높여주는 것이다. 전기모터는 빠른 속도로 돌아가는데 힘이 없을 때, 회전 속도를 줄이고 힘을 세게 하는 것이다. 쉽게 예를 들면 자전거를 탈 때 기어를 낮은 기어비를 선택하면 페달을 열심히 굴렸을 때 속도는 느리지만, 언덕길을 쉽게 올라갈 수 있는 것과 비슷한 원리다.
물론 변속기가 전혀 필요 없는 것은 아니다. 전기모터도 회전수가 고회전 영역으로 올라가면 필요 전류량이 높아지면서 효율이 급격하게 떨어진다. 그리고 전기 모터의 회전수도 한없이 올릴 수 없고, 결국 토크도 감소한다. 이런 이유로 인해 일반적인 전기차는 최고속도가 높지 않다.
현대자동차 코나 일렉트릭에 적용된 감속기 기어비는 7.981이다. 만약 시속 100km에서 모터 회전수가 5,000rpm 이라고 가정하고, 2단 기어비를 4정도로 2배 높이면 회전수를 2,500rpm으로 낮추는 동시에 최고속도도 올릴 수 있다. 이런 이유로 포뮬러 E와 일부 전기 슈퍼카에는 2단 변속기를 사용하는 경우도 있다. 하지만 일반적인 전기차는 변속기를 제거하고 얻는 이점이 많고, 실용 영역에서는 충분하기 때문에1단 감속기어를 사용하고 있다.
변속기가 아닌 2개의 모터를 사용하는 방법도 있다. 테슬라 모델S는 감속비가 다른 모터 두 개를 사용해서 가속, 항속 주행 상황에 맞춰 효율적으로 운행하는 방식을 사용한다. 이 방식도 2단 기어를 적용한 효과를 볼 수 있지만, 엄밀히 얘기해서 하나의 동력장치의 출력을 변속하는 과정이 없기 때문에 변속기라고 할 수 없다.
내연기관 자동차도 한때는 4단 이상 자동변속기는 무게 증가 등 효율 측면에서 쓸모 없다는 이야기가 있었지만, 현재는 10단에 이르기까지 다단변속기가 주를 이루고 있다. 전기차도 마찬가지로 현재는 1단 기어로 충분한 효율을 내고 있다고 판단하고 있지만, 기술 발전을 통해 전기차용 변속기의 효율이 입증이 되면 변속기가 적용 된 전기차가 보급될 날이 올 것으로 기대된다.
서진오토모티브, .전기차 감속기 사업 확대
서진오토모티브가 전기차 감속기 사업을 확대하며 미래 모빌리티 부품 중심으로 회사 체질을 바꾼다. 현대차·기아 협력사로 오랜 기간 내연 기관 시장에서 업력을 쌓은 서진오토모티브는 미래차 시장에서도 차별화한 경쟁력을 강화할 계획이다.
20일 서진오토모티브에 따르면 회사는 5년 내 회사 매출의 30%를 전기차 부품으로 달성할 계획을 세웠다.
서진오토모티브는 1966년 설립돼 내연기관 변속기 전문 기업으로 성장했다. 2018년 현대차·기아 우수 협력사 선정, 2016년 GM 우수 협력사 3년 연속수상 등으로 품질력을 인정받았다.
회사는 1994년부터 기업 부설연구소를 운영하며 원천 기술 확보에 주력했다. 고객사와 협업, 정부 과제로 기술 내재화에 힘을 실었다.
서진오토모티브는 미래차 중심으로 회사 체질 개선에 앞장서고 있다. 현재 회사 매출 대부분은 내연 기관 중심으로 구성됐다. 매출 비중으로는 현재 한 자릿수인 전기차 관련 부품 비중을 수년 내로 큰 폭 확대한다는 방침이다.
회사는 2020년 정부로부터 미래차 중심 사업 재편 승인도 받았다. 신사업 핵심 제품은 전기차 감속기다. 감속기는 배터리, 모터, 인버터 등과 함께 전기차 핵심 부품 중 하나다. 감속기는 모터의 회전 속도를 제어하는 에너지 변환장치다.
서진오토모티브는 오랜 기간 클러치 부품 사업을 하며 경쟁사보다 전기감속기에서 발생하는 진동과 소음 등 노이즈를 줄이는데 특화된 기술력을 확보했다.
신사업 성과도 빠르게 가시화되고 있다. 서진오토모티브는 지난해 디피코와 전기 자동차용 감속기 패키지 공급계약을 이뤄냈다. 공급 규모는 5년간 약 770억원이다.
글로벌 기업 공략도 추진한다. 현재 서진오토모티브는 글로벌 완성차 업체와 전기차 감속기 등 부품 공급 논의 중이다.
서진오토모티브는 전기차 사업 다각화를 위해 2018년 이차전지 제조사 티피에스 지분을 취득했다. 이 회사는 중국 CATL 품질인증을 받은 국내 유일한 회사다.
김성철 서진오토모티브 대표는 “향후 고성능 전기차 수소차 보급과 확산으로 사업 다각화가 빠르게 추진될 것”이라면서 “지속 국내외 전기차, 수소차 관련부품 수주를 위한 투자와 영업 활동에 총력을 기울이겠다”고 말했다.
박소라기자 [email protected]
쉽게 알아보는 전기차의 구동 원리
전기차는 우리 생활의 일부가 되어가고 있다. 특히 뛰어난 경제성과 청정한 성능, 매끈한 주행감 등 전기차는 고유의 특징 덕분에 많은 이들에게 사랑받고 있다. 이런 전기차는 내연기관 자동차와 많은 부분이 다르다.
구동 원리는 물론, 자동차를 사용하고 관리하는 방법까지 다양한 영역에서 차이를 보인다. 전기차에 이제 막 관심을 갖게 되었다면 그 ‘다름’을 이해할 필요가 있다. 전기차를 구성하는 주요 부품의 역할과 구동 원리를 알아보자.
잘 알려져 있다시피, 전기차는 배터리에 저장된 전력으로 모터를 회전하여 주행한다. 화석 연료를 연소 시켜 구동 에너지를 얻는 내연기관차와 가장 큰 차이점이다. 따라서 전기차에는 기존 자동차에서 가장 중요한 요소였던 엔진과 변속기가 없다.
대신, 전기 동력과 관련된 부품이 자리를 잡고 있다. 구동모터, 감속기, 배터리, 온보드차저, 통합전력제어장치 등이 바로 그것. 모두 배터리의 전력으로 모터를 구동하기 위한 부품이다.
구동모터
구동모터는 전기 에너지를 운동 에너지로 전환하여 바퀴를 굴린다. 모터를 구동 장치로 사용하며 얻는 장점은 다양하다. 일단, 주행 중에 발생하는 소음과 진동이 적다. 그래서 전기차에 처음 탑승한 사람들은 전기차 특유의 조용하고 안락한 승차감에 놀라곤 한다. 또한 전기차의 파워트레인은 엔진보다 크기가 작아 공간활용성을 높이는데 유리하다. 남는 공간을 실내 공간이나 짐 공간 확장에 활용할 수 있다.
구동모터는 발전기로도 활약한다. 내리막길 등 탄력 주행 시 발생하는 운동 에너지를 전기 에너지로 전환해 배터리에 저장할 수 있다. 주행 중 속도를 줄일 때도 마찬가지다. 이는 회생제동 시스템이라고 한다. 현재 현대자동차그룹의 일부 전기차에는 회생제동을 단계별로 조절할 수 있는 장치가 마련되어 있다. 스티어링 휠의 패들시프트를 통해 감속과 회생제동 수준을 단계별로 조작할 수 있고, 이를 통해 효율을 개선하는 것은 물론 운전의 재미까지 느낄 수 있다.
감속기
감속기는 모터의 특성에 맞춰 동력을 바퀴에 더 효율적으로 전달하기 위해 고안된 일종의 변속기다. 하지만 변속기가 아닌 감속기라고 부르는 데에는 이유가 있다. 모터는 분당 회전수(RPM)가 내연기관 엔진보다 훨씬 높다. 회전수를 상황에 맞게 바꾸는 변속이 아닌, 회전수를 하향 조정(감속)해야 하는 이유이다. 감속기는 모터의 회전수를 필요한 수준으로 낮춰 전기차가 더 높은 회전력(토크)을 얻을 수 있도록 한다.
배터리
배터리는 전기 에너지를 저장하는 부품으로, 내연기관차의 연료탱크에 해당한다. 전기차의 주행거리는 보통 배터리 용량에 따라 좌우된다. 배터리 용량이 클수록 주행거리도 늘어나는 것.
그러나 배터리 용량을 키우는 일은 그리 간단하지 않다. 배터리가 차지하는 부피와 무게 때문이다. 큰 배터리를 얹으면 실내 공간 및 짐 공간이 줄어들고, 에너지 효율이 떨어진다. 운동성능에도 부정적인 영향을 미친다. 따라서 전기차의 주행거리를 효율적으로 늘리기 위해서는 배터리의 에너지 밀도를 높여야 한다. 크기가 작고 가벼우면서 전기 에너지를 최대한 효율적으로 저장해야 하는 것인데, 주행가능 거리가 길수록 충전 횟수가 줄어들어서 전기차 생활이 한층 더 편리해진다.
최근 출시된 전기차는 배터리 기술 발전에 따라 에너지 밀도가 크게 높아졌다. 덕분에 1회 충전 주행거리도 초기 전기차보다 크게 늘었다. 기아자동차 쏘울 부스터 EV의 경우 64kWh 용량의 리튬이온 배터리를 탑재해 최대 386km를 달릴 수 있다(국내 인증 기준).
배터리 수명도 크게 개선됐다. 전기차의 리튬이온 배터리는 충전 패턴에 따라 수명이 달라지는데, 일상적인 사용 조건이라면 폐차할 때까지 배터리 내구성에 대한 걱정 없이 운행할 수 있다. 통상적으로 배터리 전력을 100% 방전될 때까지 주행하고 다시 충전하는 경우라면 1000회, 배터리 전력 50%를 사용하고 다시 충전하는 경우라면 5000회, 전력 20%를 사용하고 다시 충전하는 경우라면 8000회까지 배터리 사용할 수 있다.
배터리 관리 시스템(Battery Management System, BMS)
배터리 관리 시스템(이하 BMS)은 이런 수많은 배터리(셀)를 하나의 배터리처럼 사용할 수 있도록 관리한다. 전기차의 배터리는 수십 개에서 수천 개에 이르는 셀로 이뤄져 있는데, 각 셀의 상태가 비슷해야 배터리의 내구성과 성능이 최적의 컨디션을 유지할 수 있기 때문이다.
BMS는 배터리와 일체형으로 설계되는 경우가 많으며, 통합전력제어장치(EPCU)에 포함되기도 한다. 셀의 충전 및 방전 상태를 감시하고, 배터리에 이상이 감지될 경우 릴레이(특정 조건에서 다른 회로를 개폐하는 장치)를 통해 자동으로 배터리의 전원을 잇거나 끊는다.
배터리 히팅 시스템
배터리는 낮은 온도에서 충전량이 감소하며 충전 속도도 느려진다. 배터리 히팅 시스템은 배터리를 최적의 온도로 유지시켜 동절기 성능 저하를 예방하고 주행거리를 확보하는 장치다. 또한 충전 시에도 적정 온도를 유지해 충전 효율성을 높인다.
온보드차저(On Board Charger, OBC)
온보드차저(이하 OBC)는 완속 충전을 하거나, 휴대용 충전기로 가정용 플러그에 꽂아서 충전할 경우, 차량에 입력된 교류 전원(AC)을 직류 전원(DC)으로 변환하는 장치다. 교류를 직류로 전환한다는 점에서 인버터와 비슷해 보이지만, OBC는 충전을 위한 장치이며 인버터는 차량 가속과 감속과 관련된 장치라는 점에서 그 역할이 다르다. 참고로 급속 충전은 직류를 이용한다.
통합전력제어장치(Electric Power Control Unit, EPCU)
통합전력제어장치(이하 EPCU)는 차량 내 전력을 제어하는 장치를 통합하여 효율성을 높여주는 역할을 하며 인버터, LDC, VCU로 구성되어 있다.
①인버터(Inverter) : 인버터는 배터리의 직류 전원(DC)을 교류 전원(AC)으로 변환하여 모터의 속도를 제어하는 장치다. 가속과 감속 명령을 담당하므로 전기차의 운전성을 높이는 데 있어서 중요한 역할을 맡는다.
②LDC(Low voltage DC-DC Converter): LDC는 전기차의 고전압 배터리의 전압을 저전압(12V)으로 변환해 전장 시스템에 전력을 공급하는 장치다. 고전압 배터리는 높은 전압을 사용하지만, 자동차의 전장 시스템은 낮은 전압을 사용하기 때문에 이를 변환하는 장치가 반드시 필요하다.
③VCU(Vehicle Control Unit): VCU는 EPCU에서 가장 중요한 부품 중 하나다. 차량 내 전력 제어기를 총괄하는 컨트롤 타워에 해당하기 때문이다. 모터 제어, 회생제동 제어, 공조 부하 제어, 전장 부하 전원공급 제어 등 차량의 전력 제어와 관련된 대부분을 관장하고 있다.
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초고속 전기 모터에서 비롯된 현대차그룹 전용 전기차의 고성능 경쟁력 – 현대모터그룹 TECH
Article 초고속 전기 모터에서 비롯된 현대차그룹 전용 전기차의 고성능 경쟁력
아이오닉 5와 EV6 등 현대차그룹 전용 전기차 모델들이 유럽 올해의 차와 세계 올해의 차를 휩쓸며 ‘K-EV’ 파워를 전 세계에 과시하고 있다. 자동차 전문지, 인플루언서의 시승 영상 등을 통해서도 아이오닉 5와 EV6에 대한 호평은 계속 이어지고 있다.
현대차그룹은 전기차 전용 플랫폼 E-GMP를 활용해 완성도 높은 전기차를 꾸준히 선보이고 있다
이러한 상품 경쟁력은 현대차그룹의 전기차 전용 플랫폼 E-GMP 기반 위에 V2L, 800V 급속 충전 시스템 등 독보적 기술력 외에도 강력한 동력 성능을 발휘하는 초고속 모터 기술이 있었기에 가능했다. 현대차그룹 전용 전기차의 초고속 전기 모터 기술을 소개한다.
현대차그룹 전용 전기차가 제공하는 고성능의 비결, 초고속 전기 모터
E-GMP 기반 전기차의 앞뒤 전기 모터에는 고성능에 대응하기 위한 현대차그룹의 전용 기술이 적용돼 있다
내연기관 자동차의 핵심이 엔진인 것과 마찬가지로 전기차에서는 전기 모터의 역할이 매우 중요하다. 엔진과 전기 모터 모두 자동차의 구동을 담당하는 핵심 부품으로, 전기 모터는 배터리에 저장된 전기 에너지를 기계 에너지로 변환해 전기차의 동력을 발생시킨다. 여러 자동차 제조사들이 완성도 높은 전기 모터를 개발하기 위해 많은 노력을 기울이고 있는 것이 바로 이 때문이다.
현대차그룹은 E-GMP 전기 모터의 성능을 강화하기 위해 기존 전기 모터보다 회전수를 높이는 방식을 택했다. 현대차그룹의 최신 전용 전기차인 아이오닉 5와 EV6는 최고 15,000rpm의 회전수를 자랑한다. 전기 모터의 출력을 순간적으로 높이는 부스트 모드 및 더 높은 차량 속도 등으로 보다 강력한 성능을 제공하는 제네시스 GV60와 GV70 전동화 모델은 동급 경쟁 모델보다 모터 최고 회전수가 월등히 높은 고속 전기 모터(19,000rpm)를 사용한다. (대부분의 타사 전기차 모터 최고속도는 15,000~17,000rpm 내외로 추정된다)
고성능의 초고속 모터 적용으로 가속 성능은 놀라울 정도로 좋아졌다. GV60 퍼포먼스 모델은 부스트 모드를 작동시키면 출력이 490마력까지 상승해 정지 상태에서 100km/h에 도달하는 시간이 4.0초에 불과하다. GV70 전동화 모델은 E-GMP 기반의 전용 전기차 모델이 아닌 파생 전기차 모델임에도 불구하고 4.2초의 100km/h 가속 시간을 자랑한다.
EV6 GT는 고성능 전기 모터를 바탕으로 슈퍼카급 성능을 발휘해 많은 주목을 받고 있다
현대차그룹 고속 전기 모터 기술의 정점은 현존하는 전기차 중 가장 높은 회전수를 자랑하는 EV6 GT에서 찾을 수 있다. 2022년 하반기 출시 예정인 EV6 GT의 앞뒤 차축에 각각 적용된 전기 모터는 최고 21,000rpm까지 회전하며, 이를 바탕으로 430kW(584마력)의 시스템 최고 출력, 740Nm의 최대 토크, 100km/h 가속 시간 3.5초, 최고속도 260km/h 등의 압도적인 성능을 제공한다.
전기 모터의 회전수와 고성능 전기차의 관계
E-GMP의 PE 시스템은 일체화된 모터, 감속기(전기차용 변속기), 인버터에 배터리가 더해져 완성된다
현대차그룹 전용 전기차에 적용된 전기 모터의 회전수가 높은 이유는 모터의 회전수와 전기차 성능 사이의 관계가 밀접하기 때문이다. 이 상관 관계를 알기 위해서는 전기차 구동계의 특성이 엔진과 기어비가 각기 다른 다단화 변속기로 구성된 내연기관 자동차와는 다르다는 사실을 먼저 이해해야 한다.
전기차의 구동을 담당하는 PE 시스템(Power Electric System)은 모터, 감속기, 직류에서 교류로 전력을 변환하는 인버터, 전기 에너지를 저장하는 배터리 등으로 이뤄져 있다. 여기서 전기차의 구동에 가장 크게 관여하는 전기 모터는 회전을 시작하는 즉시 최대 토크가 발생된다는 점이 특징이다. 높은 기동 토크와 안정된 최고 출력을 기반으로 전기차가 내연기관 자동차보다 높은 동력 성능을 낼 수 있도록 한다.
전기차는 이러한 모터의 특성에 맞춰 변속기가 아닌 감속기를 사용한다. 변속기에서 변속단을 변경하는 경우는 고출력 필요 시 저단으로 변경하는 경우와 고속 주행을 위해 고단으로 변경하는 경우가 있다. 전기차에서는 모터가 회전을 하는 순간부터 차를 움직이기 위한 토크가 발생하기 때문에 저단 기어가 필요 없으며, 최대 15,000rpm이상 회전함으로 고단 기어도 필요 없다. 결론적으로 전기차는 주행 상황에 맞춰 ‘변속’이 아닌 ‘모터 회전수’를 변경함으로써 저속부터 고속까지 모든 속도에 대응할 수 있다. EV6 GT의 모터는 최대 21,000rpm까지 회전하기 때문에 정지 상태에서 최고속도 260km/h에 이르기까지 변속기 없이 감속기만으로 주행할 수 있는 것이다.
따라서 전기차의 성능을 극대화하기 위해서는 전기 모터의 토크, 출력, 최고 회전수 향상 등이 필요하며, 휠 토크와 속도에 영향을 미치는 감속기 기어비 최적화가 필요하다.
현대차그룹의 전용 전기차들은 차량 성능을 향상시키기 위해 전기 모터의 회전 속도와 감속기 기어비를 키웠다
이러한 전기차의 성능 지수를 결정짓는 휠 토크와 휠 속도는 다음과 같은 수식으로 확인할 수 있다.
– 휠 토크 ∝ 모터 토크 × 기어비
– 휠 속도 ∝ 모터 속도 ÷ 기어비
이 수식에서 휠 토크, 즉 바퀴에 전달되는 구동력은 전기 모터의 토크에 감속기의 기어비를 곱한 값으로, 수치가 높으면 전기차의 발진 가속 성능이 뛰어나다는 것을 의미한다. 휠 속도, 즉 바퀴의 회전 속도는 전기 모터의 속도(회전수)를 기어비로 나눠 얻을 수 있으며, 값이 클수록 전기차의 최고속도가 빨라진다. 간단히 말해 전기차 구동계의 모든 조건이 같은 상황에서 모터의 회전수를 높이면 주행 속도를 향상시킬 수 있는 것이다. 아울러 모터의 토크가 동일한 상황에서는 감속기의 기어비를 키워 발진 가속 성능을 증대할 수 있다. 실제로 E-GMP의 전기 모터는 2세대 전기 모터 대비 최고 회전수를 약 70% 상향했고, 감속기 기어비를 33% 상향하여 모터 사이즈를 줄이면서도 휠 토크 및 휠 속도 성능을 각각 20% 가량 개선했다.
EV6 GT는 현대차그룹의 다른 전용 전기차와 변속기를 공유하지만 전기 모터의 회전수를 높이는 기술을 적용해 보다 강력한 성능을 발휘한다
EV6 GT는 다른 E-GMP에 적용된 다른 모터 시스템보다도 초고속, 고성능 전기 모터를 사용하는 덕분에 보다 강력한 성능을 자랑한다. 가령 EV6 GT의 모터 시스템에는 모터 고속화 설계와 듀얼 인버터 구조를 통한 고출력 시스템, 고속화 및 고성능을 대응하기 위해 냉각 성능이 강화된 내부 냉각구조 등이 적용됐다. 그 결과, 모터 고속화를 기반으로 1단 감속기 시스템을 사용하는 것만으로도 모터 시스템의 성능을 크게 향상시킬 수 있다.
현대차그룹 고유의 초고속 전기 모터 기술
현대차그룹 E-GMP의 전기 모터는 여러 기술을 바탕으로 고성능과 고효율을 자랑한다
하지만 전기 모터의 회전수 향상은 말처럼 쉽지 않다. 전기 모터의 회전수를 높이려면 내구성, 냉각, NVH 관점에서 높은 설계 난이도가 요구되기 때문이다. 예컨대, 모터 고속화에 따라 필연적으로 발생하는 원심력 증대, 열 손실 증가, 소음 및 진동 확대 등을 해결하기 위한 대책과 기술이 필요하다. 여러 글로벌 자동차 제조사들이 전기차를 만들고 있지만, 현대차그룹처럼 초고속 전기 모터를 쉽게 도입하지 못하는 이유도 바로 여기에 있다.
현대차그룹은 EV6 GT 개발 과정에서 이 같은 문제를 해결하여 세계 최고 수준의 초고속 전기 모터를 완성했다. 우선 연구원들은 초고속 전기 모터의 내구성을 확보하기 위해 베어링 케이지 형상 최적화와 영구자석 배치 및 회전자 코어 형상 최적화를 통해 *응력 분포를 개선했다. 또한, 모터 내부 베어링의 냉각을 오일 윤활 타입으로 설계해 냉각 효율을 높였다. 덕분에 21,000rpm이라는 초고속 대응이 가능한 모터 회전체를 완성할 수 있었다.
*응력: 재료에 압축, 인장, 굽힘, 비틀림 등의 외력을 가했을 때, 그 크기에 대응해 재료 내에 생기는 저항력, 응력의 한도를 초과하면 재료가 파손된다.
EV6 GT를 포함해 E-GMP에 기반한 전용 전기차의 전기 모터는 냉각 효과가 보다 뛰어난 직접 오일 냉각 방식을 사용한다
전기 모터 고속화에 따라 발생할 수밖에 없는 모터 발열량에 대응하기 위해 손실 최소화 설계를 적용하면서 모터의 냉각 성능을 강화했다. 하우징에만 냉각수가 흐르는 기존 전기 모터의 수냉 방식은 모터 외부의 열만 식히고 가장 뜨거운 코일 및 모터 내부를 직접 냉각할 수 없다는 한계가 존재했다. 반면, E-GMP의 모터 시스템에는 냉각파이프를 통한 오일 직접 분사 방식으로 냉각 성능을 크게 개선했다. 특히, EV6 GT는 E-GMP의 기본 모터 냉각 구조와 더불어, 모터 코어 심부까지 오일을 직접 냉각할 수 있어 더욱 강화된 냉각 성능을 발휘한다. 이러한 구조 덕분에 모터가 21,000rpm까지 회전하는 극한의 상황에서도 효과적인 냉각이 가능한 것이다.
초고속에서 비롯되는 소음과 진동 문제를 해결하기 위해 현대차그룹은 회전자 샤프트의 형상과 설계 방식을 최적화했다. 가장 큰 특징은 고속 회전에 대응하기 위해 회전자 샤프트를 2피스(Piece) 방식으로 설계해 기존 제품 대비 품질을 높였다는 것이다. 이 외에도 모터 전반에 걸쳐 거동 안전화, 언밸런스량 최소화, 고주파수 영역 진동 및 소음 저감 설계를 반영했다.
E-GMP 구동 모터에 적용된 기술은 고속화 외에도 헤어핀 권선기술이 있다
EV6 GT를 비롯한 현대차그룹 전용 전기차 모델에는 모터 고속화 외에도 새로운 *헤어핀 권선 기술을 적용해 효율, 냉각 성능, 공간 혁신(패키지), 생산성 등을 개선했다. 일반적으로 헤어핀 권선은 고속 회전 시 교류(AC) 손실을 발생시킬 수 있다. 때문에 손실 발생 메커니즘 분석을 통해 손실을 최소화하도록 모터를 설계했으며, 이는 모터 성능 향상과 초고속 대응으로 이어졌다.
*헤어핀 권선 기술: 모터 내부의 코일 단면이 헤어핀의 형상을 닮은 직사각형인 구조. 기존 원형 코일 대비 코일을 좀 더 촘촘하게 감을 수 있고, 이를 통해 권선 저항을 줄여 효율을 높일 수 있다.
실제 주행에서 확인된 EV6 GT의 고성능
21,000rpm까지 회전하는 초고속 전기 모터를 바탕으로 한 EV6 GT의 고성능은 독일에서 진행된 미디어 행사를 통해 확인됐다
EV6 GT의 고성능과 전기 모터의 높은 회전수는 고유 기술이 있기에 가능했다. 무엇보다 인상적인 사실은 EV6 GT의 고성능이 실제 주행에서도 증명됐다는 데 있다. 대표적인 사례가 지난 4월 초 독일에서 진행된 EV6 GT 인플루언서 시승 행사다. 해당 행사는 EV6 GT의 여러 모습 중 고속 주행 능력을 확인하는 데 초점이 맞춰졌다. 그에 따라 많은 미디어들이 독일의 무제한 고속도로 아우토반에서 EV6 GT의 최고속도를 직접 확인했다.
시승 행사에 참여한 한 유튜브 채널은 200km/h가 넘는 고속 상황에서 EV6 GT의 모터 회전수와 배터리 상태를 보여줬다
그중 ‘Bjørn Nyland’라는 이름의 유튜브 채널은 전용 계측기를 사용해 EV6 GT의 주행 속도에 따라 실시간으로 변하는 전기 모터의 회전수, 배터리의 출력과 온도 및 잔량 등을 보여줬다. 해당 영상(Kia EV6 GT driving at 263 km/h in Germany)에서는 GPS로 측정된 263km/h의 속도에서 EV6 GT의 전기 모터는 20,354rpm까지 회전했고, 이런 극한의 상황에서도 배터리는 평균 온도 28˚C라는 안정적인 상태를 유지했다.
전기차를 통해 친환경적인 특성과 고성능이라는 두 마리 토끼를 잡으려고 하는 현대차그룹의 노력은 계속될 예정이다
지금까지 살펴본 것처럼, 현대차그룹의 전용 전기차는 단순히 친환경적인 모습만을 보여주지 않는다. 오히려 기존의 그 어떤 자동차에서도 볼 수 없던, 차원이 다른 고성능과 주행 경험을 선사한다. 그리고 그 중심에는 다른 자동차 제조사들이 쉽게 완성하지 못하고 있는 초고속 전기 모터가 있다. 회전수 21,000rpm의 첨단 전기 모터를 통해 전기차의 친환경적인 모습과 고성능이라는 이율배반적인 특성을 동시에 달성하고 있는 것이다.
현대차그룹이 지닌 전기차 기술력은 지금 이 순간에도 쉬지 않고 진화하고 있다. 현대차그룹은 보다 친환경적이고 강력한 전기 모터를 개발하기 위해 연구를 멈추지 않고 있으며, 그 결과는 향후 출시될 현대차그룹의 또 다른 전용 전기차에서 확인할 수 있을 것이다.
전기차에 변속기(Transmission)가 없는 이유 그리고 배터리의 중요성
전기차에 변속기(transmission)가 없다는 것은
전기차에 관심이 있는 사람들이라면 대부분 알 것이다.
그런데 왜 필요가 없는 것일까?
우선 이것을 알아보기 위해서는 내연기관 차량에 왜 이것이 필요한가를 알아야 한다. 일반 차량에서 엔진 성능을 몇 마력 몇 토크(torque)라고 이야기하는 것을 많이 들어보았을 것이다. 1마력(Horsse Power-馬力) 은 75kg.m/sec, 즉 75kg의 물체를 1초 동안에 1m 들어 올릴 수 있는 능력을 의미한다. 그리고 약자로 HP라고 표기한다(휴렛패커드의 HP가 아니다.)
그리고 토크란 회전력을 의미한다. 회전 중심점에서 1m 떨어진 지점에서 1N의 힘으로 물체를 돌리는 힘으로써, 1N.m (1토크-뉴턴 미터) 가 되는 것이다.
자동차를 운행하는 데 있어 회전수만(rpm) 높다고 해서 되는 것이 아니라 회전력이(토크) 좋아야 하므로 이 두 가지가 모두 좋아야 한다. 예를 들어 야구선수가 배트를 휘두르는 회전(RPM)만 빠르고 힘을 주지 않고 치면(토크) 어느 정도 선 까지는 공을 보낼 수 있지만 그 이상 보낼 수는 없다.
그래서 마력은 회전(rpm) X 토크가 되는 것이다. 그리고 이러한 것을 적절히 조절하도록 있는 것이 변속기(트랜스미션)이다.
변속장치는 톱니바퀴와 톱니바퀴가(Grea-기어) 맞물려 이루어져 있고 이 톱니바퀴들이 어느 속도에서 최대 토크를 내기 위해서 번갈아가면서 바뀐다. 이때 클러치와 함께 작동되는데 클러치는 엔진의 회전을 변속기로 전달하거나 차단하기 위한 장치이다.
클러치를 밟으면 엔진의 회전이 기어에 전달되지 않고 이때 기어 스틱 이용하여 기어의 크기를 단수에 맞게 맞물리도록 하는 것이다. 그런데 요즘에는 오토매틱 차량이 보편화되어 클러치 페달은 잘 볼 수 없지만 이러한 시스템 자체는 모든 일반 내연기관 차량에 탑재가 되어 있는 것이다.
그리고 기존 내연기관차의 엔진은 이 변속기어와 맞물려 있는데 엔진이 차량의 속도를 내기 위해서 그만한 토크를 바로바로 못 내니 변속기의 도움을 받아 달리는 힘과 스피드를 내는 것이다. 다르게 말하면 차량의 주행에 따른 엔진 효율을 높이기 위한 것이라 말할 수 있겠다.
그러나 전기차에는 모터가 장착되어 있다 모터는 4행정 사이클(흡입-압축-동력 전달-배기)이 필요치 않으며 전기를 연료로 쓴다. 모터는 전원을(시동) 켜면 아이들링도 필요치 않고 이미 최대 토크에서 출발을 하게 된다. 최대토크에서 바로 출발을 하다 보니 타이어 슬립이 날 정도로 가속력이 생기는 것이다. 그리고 이 토크를 어느 정도 회전수까지 유지할 수 있으므로 클러치와 변속기가 필요 없는 것이다.
그렇다고 해서 모터를 장착한 모든 전기차가 트랜스미션이 없는 것은 아니다. 일부 전기차에는 트랜스미션이 장착되어 있으며 주로 특수한 차량에 장착되어 있다 물론 단수는 일반 내연기관 차량보다는 적다.즉 기어의 개수가 적다.
그리고 일반 전기차에도 트렌스미션과 비슷한기능을 하는것이 있는데 모터옆에 달려있는 기어가 있다 그리고 그것을 감속기라 부른다.
이것을 트렌스미션이라 하지않고 감속기라고 불리는 이유는 감속비가 고정되어 있고 모터의 고회전 저토크의 입력을 받아 토크를 높이는 역할을 하는 데 있어서 감속이 일어나므로 이렇게 불리는 것이다.
전기차에 트랜스미션이 없는 것은 여러모로 이득인 면이 많다. 우선 기계적 신호가 줄어들어 응답성을 높일 수 있고 그것으로 인해 변속을 하자마자 바로바로 전. 후진을 할 수가 있다. 특히 후진의 경우 후진 기어가 따로 없으므로 기분 나쁜 소리?와 더불어 기어 와 기어가 맞물리면서 발생하는 덜컥거리는 느낌도 없다. 이러한 부분 때문에 버튼식 SWB(Shift By Wire)에 최적이라 말할 수 있겠다. 그리고 트랜스미션이 없으니 트랜스 미션 오일도 교환할 일이 없다. 물론 감속기에 오일을 교환할 수도 있겠지만 수명이 매우 길어 가혹 운전시만 아니면(가혹 운전 시 120,000km 교환) 폐차할 때까지 교환할 일은 없을 것 같다.
또한 엔진과 트랜스미션이 없으므로 그만큼 부품의 개수 많이 줄어들고 그에 따라 고장이 날 확률 또한 줄어든다. 이제 차량의 내부 부품들도 기계적인 것에서 전자, 전기적으로 바뀌어 가고 있는 것이다. 이런 변화에서 적응해야 할 부분은 운전자를 비롯하여 정비하는 사람들에게까지도 영향을 미치고 있다.
이런 현상은 비단 자동차에만 있었던 것은 아니다. 복사기를 예로 들면 조작부 패널에서 버튼을 누르면 부품과 부품이 맞물려 기계적으로 움직여 복사를 했던 것들이 점차적으로 변화되어 내부 부품들끼리 전자, 전기 신호로 바뀌어 가면서 급기야 디지털 복사기 또는 디지털 복합기로(복사, 팩스, 스캔) 다시 태어났다.
그에 따라 고장률이 적어져 수리 비용을 청구하여 이윤을 남기던 사례가 적어지기 시작했고 복사기 엔지니어들은 컴퓨터와 전자기기를 다시 배워야 했다 그리고 이런 과정을 거치면서 적응을 못한 사람들은 여려움을 겪을 수 밖에 없었다.
다시 본론으로 돌아와 결론적으로 말하면 전기차에 트랜스미션이 없는 것은 엔진과 모터의 특성이 다른 데서 오는 차이점 때문이라고 말할 수 있는데 아예필요 없는것은 아니지만 모터+감속기 만으로도 기존의 내연차량 만큼의 충분한 출력을 낼수 있기때문에 장착하지 않는것 뿐이다.
전기차는 기존의 내연기관 차량의 핵심 부품인 엔진과 트랜스미션이 없는 대신 배터리의 중요성이 부각되고 있는 것이다. 배터리는 가격 비중 역시 전기차에서 차지하는 비중이 매우 크다.
전기차의 배터리는 전기를 저장할 수 있는 용량의 한계는 물론이고 배터리의 전압에 따라 모터가 돌아갈 수 있는 회전수와 회전력에도 영향을 미치기 때문에 어떻게 보면 내연기관차의 엔진 보다 더 중요하다고 할 수 있겠다.
마키님
전기차에 관심이 많은 실제 전기차 유저
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