전기 자동차용 모터 유형

유럽, 미국, 중국 등 여러 국가에서 정부 지원을 바탕으로 내연기관 자동차에서 전기차로의 전환을 추진하고 있습니다. 일본에서는 도요타, 닛산, 미쓰비시 자동차와 같은 기업들이 전기차(EV)의 급속한 발전을 주도하고 있습니다. 전기차는 가솔린 엔진 대신 배터리와 모터로 구동됩니다. 각 제조사는 이 엔진의 다른 버전을 생산합니다. 닛산이 리프(LEAF) 등의 전기차를 판매해 왔다는 것은 누구나 알고 있을 것입니다.

모터의 두 가지 주요 유형은 DC 모터와 AC 모터로, 각각 DC 및 AC 전원으로 작동합니다. DC 모터는 브러시 DC 모터와 스테퍼 모터로 분류할 수 있습니다. AC 모터의 하위 그룹인 브러시리스 모터는 전류가 흐르면 회전하는 회전자와 회전자를 회전시키는 고정자로 구성됩니다. 이를 바탕으로 위에서 설명한 각 모터의 특징을 소개합니다.
브러시 DC 모터부터 시작해 보겠습니다. 브러시 DC 모터는 회전자에는 코일(전자석)을, 고정자에는 영구 자석을 사용합니다(그림 1). 회전자가 회전하면 자기장이 자동으로 변하고 전류가 흐르는 한 반영구적으로 회전합니다. 구조가 간단하여 비용이 저렴합니다. 그러나 브러시 DC 모터의 단점은 정류자(commutator)에 전원과 접촉하는 카본 브러시가 필요하며, 이로 인해 브러시의 마찰과 마모로 인해 소음이 발생할 수 있다는 것입니다.

그림 1 브러시 DC 모터의 개략도

반면, 스테퍼 모터는 브러시 DC 모터와 달리 회전자에는 영구 자석을, 고정자에는 전자석을 사용합니다. 고정자에는 여러 개의 전자석이 배치되어 있으며, 그중 하나만 켜집니다(그림 2).

그림 2 스테퍼 모터의 작동 원리:
(a) 첫 번째 전자석을 켭니다.
(b) 첫 번째 전자석은 꺼져 있고 두 번째 전자석은 켜져 있습니다.

회전자가 회전자 극에 반응하여 전자석에 접근하면 전자석은 꺼지고 회전자 앞의 전자석은 켜집니다. 이를 반복하면서 회전자는 계속 회전하고 회전 속도는 제어됩니다. 그러나 원활한 제어를 위해서는 많은 전자석이 필요하고 스위칭 제어가 어려워집니다.

이러한 단점을 극복하기 위해 전기 자동차에는 브러시리스 모터가 사용됩니다(그림 3). 브러시리스 모터는 3상 교류 전원으로 작동하며, 브러시 모터와 달리 회전자는 영구 자석이고 고정자는 전자석입니다.

그림 3 브러시리스 모터 다이어그램. U: U상 코일; V: V상 코일; W: W상 코일; 회전자: 자석

브러시리스 모터는 소음이 적고 브러시 마모가 없으며, 전자석 제어가 용이합니다. 그러나 고정자와 같은 전자석을 제어하는 장치가 필요하며, 3상 교류 전원을 사용해야 합니다. 특히, 회전자 속도에 따라 교류 전류를 감지하고 공급하는 위치 센서가 필요합니다.

전기차의 경우, 가속 페달 밟는 강도와 로터 속도에 따라 교류 전류를 제어하는 것이 중요하며, 이를 위해서는 가속 페달 위치 센서가 필요합니다. ECU(전자 제어 장치)는 이러한 센서 값을 기반으로 회전 속도, 토크 및 기타 매개변수에 대한 적절한 값을 얻기 위해 전류의 주파수와 양을 조절합니다.

그림 4 구동전압과 토크의 관계

또한, 구동 전압이 높을수록 토크가 커지고 로터 회전 속도도 빨라집니다(그림 4). 자동차 제조업체들은 시동 전압을 높이기 위해 노력하고 있습니다.

EV 전원 요구 사항

EV 모터의 동력원을 결정하는 요소는 다양합니다. 이러한 요소는 기본적으로 전압, 전력, 특성, 그리고 안전성의 네 가지 범주로 나뉩니다.

리튬 이온 배터리는 전기차에 주로 사용되는 배터리 유형이지만, 셀당 3.6V의 전압만 제공합니다. 일반적으로 7.2V 셀 하나가 모듈로 사용되며, 네 개의 모듈이 직렬 및 병렬로 연결됩니다. 제조업체에 따라 이러한 모듈은 직렬로 연결되어 280V 또는 360V와 같은 전압을 공급하는 데 사용됩니다. 예를 들어, 영구 네오디뮴 자석을 사용하는 3상 AC 동기 모터인 EM61은 345V의 구동 전압으로 작동하며 전기차인 닛산 리프에 사용됩니다.

두 번째는 전기 용량입니다. 이는 전기 용량이 높을수록 주행 거리가 늘어나기 때문에 중요합니다. 2017년 10월 출시된 Leaf는 40kWh의 용량과 EPA 기준 150마일(약 240km)의 주행 거리를 제공합니다. 전 세계적으로 BMW i3는 33kWh의 용량과 EPA 기준 112마일(약 180km)의 주행 거리를 제공합니다. 주요 전기차 제조업체는 테슬라 모터스입니다. 모델 S의 전기 용량은 60kWh에서 100kWh까지이며 110, 220, 440V의 충전 전압을 지원합니다(표 1).

표 1 다양한 전기 자동차 모델의 전력

셋째, 리튬 이온 배터리는 온도에 따라 특정한 전기적 특성을 보입니다. 충전과 방전에 따라 온도가 상승하고, 온도가 70°C를 초과하면 출력 전압이 감소합니다. 또한, 온도가 -30°C 미만으로 떨어지면 내부 저항이 증가합니다.

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마지막으로 안전 문제도 있습니다. 전해질 사용으로 인해 유체 누출이 발생할 수 있습니다. 운전 중 사고를 예방하려면 모듈의 누출을 방지하는 것이 중요합니다.

또한, 차량은 충돌 방지 기능을 갖춰야 하므로 정상적인 조건에서도 일정 수준의 누설 전류가 필요하며, 이는 차량의 무게와 비용을 증가시킵니다. 누설 여부를 판단하는 데 필요한 전압은 가정용 100V보다 높습니다. 가솔린 차량에 장착된 12V 배터리는 전기차와의 비교를 어렵게 만듭니다. 전기차는 고전압 모터부터 저전압 모터까지 다양한 전압을 필요로 하는 부품들로 구성된 집합체입니다. 따라서 다양한 전압을 지원하는 전원으로도 안전 시험을 수행해야 합니다.

참고문헌: https://dev.semiki.org/nha-san-xuat/matsusada?swcfpc=1

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