알파고처럼 진화하는 스마트카의 미래(1) - 전기자동차

전기자동차는 축전지, 제어장치, 전동기의 세 가지 주요부로 구성된다.
1) 축전지(배터리)
초기 전기 자동차는 납축전지 사용했다. 그러나 1회 충전 당 주행거리가 짧고, 차지하는 중량 및 체적이 크며, 전지 수명이 매우 짧은 것이 단점이다. 현재는 니켈-수소(Ni-MH), 리튬-이온(Li-ion) 전지가 사용된다. 고가지만 에너지 밀도가 높고 수명이 납축전지에 비해 길다.
전기자동차의 전지로 사용되기 위해 요구되는 에너지 밀도는 약 120~160(Wh/kg)이다. 납축전지는 30~40(Wh/kg), 리튬이온 2차 전지는 120~200(Wh/kg)이다. 그러나 리튬이온 2차 전지의 경우 액체 전해질을 사용하기 떄문에 전극이 손상되어 양극과 음극이 맞닿게 되는 경우 폭발 위험이 있고 내구성에 한계가 있어 최근에는 고체 전해질을 사용하는 전고체 전지로 나트륨-유황 전지가 개발중이다. 나트륨-유황 전지는 이론적으로 에너지 밀도가 최대 760(Wh/kg)로, 높은 에너지 밀도를 갖는다. 리튬-공기 전지와 공기-아연 전지는 기존 리튬이온 2차 전지와 달리 양극 소재로 공기를 사용하는 전지다. 이론적으로 가장 높은 에너지 밀도를 갖고, 양극에서 기체 상태 산소의 산화환원 반응을 이용한다.

2) 전동기
자동차의 구동력에 필요한 출력 특성에 만족해야하고 소형, 경량, 고효율, 신뢰성 및 보수성이 높을 것이 요구된다.
-직류 전동기
직류 전력을 기계적 동력으로 변환시키는 장치다. 즉 브러쉬와 정류자에 의해 토크를 발생하는 모터를 뜻한다.
직류 전동기는 구조가 간단하고 시동토크가 커 가속발진 성능이 양호하며, 간단한 제어장치로 가변속을 할 수 있고 비교적 저렴하다. 더욱이 전지가 직류라 초기의 전기자동차는 이 방식을 채용했다. 그러나 브러쉬 교환과 낮은 효율, 고회전 및 소형에 적합하지 않은 단점이 있다. 
-교류 전동기
전지에서 얻어진 직류전원을 인버터를 통해 교류 전류로 변환시켜 모터를 구동하는 방식이다. 따라서 구동제어장치에 파워반도체를 사용한 복잡한 장치가 되지만, 직류전동기에 비해 소형, 경량이며 효율이좋고 브러쉬가 없어 회전수를 높일 수 있다.
a. 유도 모터 : 로터(회전자)구조가 견고하고 고속화에 따른 소형 경량화에 적합하고, 넓은 출력 범위에서 고효율을 얻을 수 있다. 또한 영구자석 등을 사용하지 않아 가격 면에서 유리하고, 신뢰성이 커서 일의 강도가 높은 곳에 적합하다.
b. 동기 모터 : 영구 자석형 동기모터(Permanet Magmet)하며 현재 전기자동차 모터의 주류를 이루고 있다. 이 모터는 자력이 강한 영구자석을 사용하고, 회전 센서를 설치해 회전자의 회전각과 회전자계를 정확히 동기 시킨 전류를 인버터에 흘려 효율을 높이고 높은 출력을 얻도록 되어 있으며, 소형 경량화에 적합하다. 문제점으로는 고속 경부하시에는 역구자석의 자계를 약하게 하는 여자전류와 영구자석의 자속에 의한 무부하 손실이 발생하기 때문에 효율이 저하된다.

3) 제어장치
자동차 엔진은 넓은 회전수에 대해 일정한 토크 특성을 가지므로 변속기와 클러치를 조합해 저속에서는 저기어비로 발진가속을 하고 고속에서는 고기어비로 고속 주행하도록 되어 있다. 모터는 쉽게 시동, 정지가 가능하므로 고이호전 시나 정지 시에 구동계를 분리시키는 클러치와 같은 메커니즘은 필요없지만 반대로 정지된 자동차를 움직이고 언덕길에서 발진하기 위해서는 등판능력에 따른 시동 토크를 필요로 한다. 또한 모터는 자속 또는 전류의 방향을 변경해 역회전 시킬 수 있지만 후진시 속도를 제어할 제어 기구를 필요로 한다.
 모터 제어는 인버터에 의해 행해진다. 인버터란 직류를 3상 교류로 만들어주는 장치다. 인버터의 가변속 제어 방식에는 가변전압 주파수 제어 방식, 미끄럼 주파수 제어 방식, 벡터 제어 방식 등이 있다.
 교류 모터의 속도 제어에는 유도 모터용과 동기 모터용이 있다. 유도 모터의 경우, 토크를 일정하게 유지하면서 회전 속도를 변화시키기 위해서, 주파수를 변화시키는 동시에 모터에 인가하는 전압을 주파수에 비례하여 증감시키고 있다. 또 동기모터의 회전 속도는 전원의 주파수를 변화시킴으로써 속도 제어가 가능하다. 더욱이 주파수를 회전자의 회전 속도와 일치시키기 위해 피드백 제어를 행하고 있다.

4) 회생 브레이크 시스템
전기자동차는 엑셀 페달의 밟는 양에 따라 모터에 의해 토크(회전력)를 비례적으로 발생시켜 주행하고 있다.
엑셀 페달을 밟지 않을 때에 발생하는 엔진 브레이크의 상당분과 브레이크 페달을 밟을 때에 발생하는 감속 시 에너지를 회생시킬 수 있다. 이 경우 구동 바퀴만 브레이크력이 강하게 작용해 회생 브레이크 에너지가 너무 강하면 차의 안정성에 영향을 준다. 이 때문에 ABS 등을 함께 설치한 회생 브레이크 시스템이 탑재되고 있다.

5)동력전달장치
구동방식에는 FF, FR, RR 등이 있다. 차륜마다 모터를 설치하는 인휠 모터의 경우는 엔진 룸의 공간을 활용할 수 있고, 4륜 조향(4WS)이나 독립구동제어(4WD)도 가능하다.
a. 1축형
고효율, 콤팩트를 목적으로 모터, 감속기(또는 변속기), 차동장치(커브길에서 두 바퀴의 움직이는 거리가 다르게 되는 것을 보완하는 장치)를 동일축상에 일체화한 방식으로 포드의 ETX-2가 최초로 채용하였다. 이 형식은 부품수의 삭감이나 기계 손실의 저감 등의 효과가 크고 자동차에 대한 탑재성 측면에서도 유리하다.
b. 좌우 독립 구동형
2대의 1축형 동력전달장치를 좌우 바퀴에 독립적으로 실치해 2대의 드라이브 유닛으로 좌우 바퀴를 독립적으로 구동하는 방식이다. 모터는 토크 제어로 차동장치 없이 사용할 수 있다. 가장 콤팩트한 형식이다.