4장 전기자동차 구조 4-1 전기자동차 주요부품 4-2 모터 4-3 전지 4-4 인버터/컨버터 4-5 모터제어기

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1 4장 전기자동차 구조 4-1 전기자동차 주요부품 4-2 모터 4-3 전지 4-4 인버터/컨버터 4-5 모터제어기
4-6 회생제동장치 4-7 전지시스템(BMS) 4-8 전기자동차와 내연기관 자동차와의 비교 [동영상] 미래의 자동차-2

2 4-1 전기자동차 주요부품 전기자동차/하이브리드 자동차의 보급은 자동차 산업의 패러다임 변화
4-1 전기자동차 주요부품 전기자동차/하이브리드 자동차의 보급은 자동차 산업의 패러다임 변화 가솔린 자동차 : 엔진 + 변속기와 클러치 전기 자동차 : 2차 전지 + 모터 ▶ 구조 간단 산업구조 : 전지·전자등을 중심으로 하는 제조업체 중심변화 기존의 내연기관 관련 외의 기업도 참여할 수 있는 여지가 발생 가솔린 자동차 : 한 대에 100개 이상의 모터가 탑재 하이브리드 자동차 : 300여개의 모터 탑재 가솔린차 구동력 : 엔진 / 엔진 회전수와 출력조절은 액셀레이터 EV 구동력 : 모터 / 회전수 조절 : 컨트롤러(간단한 문제아님)

3 4-1 전기자동차 주요부품

4 4-1 전기자동차 주요부품 주요부품 : 전지(배터리) 전기모터(및 모터 제어시스템) 인버터/컨버터
4-1 전기자동차 주요부품 주요부품 : 전지(배터리) 전기모터(및 모터 제어시스템) 인버터/컨버터 전지시스템(BMS: Battery Management System) 제어기(Controller) 등 부품명 하이브리드전기자동차 전기자동차(BEV) 수소연료전지자동차 전기모터 ● 배터리 BMS 인버터/컨버터 차량제어기 엔진 - 변속기 수소저장탱크 연료전지

5 4-1 전기자동차 주요부품 전기 자동차 주요부품 :

6 4-1 전기자동차 주요부품 주요부품 : 전지 : 재충전이 가능한 2차전지(전기자동차 품질에 가장 큰 영향)
4-1 전기자동차 주요부품 주요부품 : 전지 : 재충전이 가능한 2차전지(전기자동차 품질에 가장 큰 영향) 전기모터 : 전지를 통해 구동력을 발생 인버터/컨버터 : 직류와 교류를 변환시키는 역할 전지시스템 : 전지의 충전, 방전을 조절하고 보호하는 역할

7 일본전산 자동차용 모터에 도전(1) 일본전산 자동차용 모터에 도전
전기자동차 시장에서 약진을 노리고 있는 일본전산 강점은 크게 세 가지 첫째, ‘브러시리스(brushless) 모터’. IC로 전류를 제어하는 이 모터는 소형화, 효율화, 적은 소음 등의 강점을 가진 것으로 정보기기 분야에서 활약하는 일본전산이 60%의 세계 점유율 차지 자동차 탑재용 주류는 브러시가 부착된 것이지만 ‘정밀한 전자제어가 요구되는 에코카의 확대에 따라 향후에는 브러시리스로 대체될 것’ 둘째, 가격경쟁의 우위성 기술개발센터에서는 설계 표준화(70%를 공통화)와 기계 한 대당 작업 인원을 절반으로 줄이는 등 시제품을 만드는 단계에서부터 작업효율 향상 셋째, 신속한 고객 대응 기술 변화가 빠른 정보기기 분야에서 연마한 세심하고 신속한 고객 대응력

8 일본전산 자동차용 모터에 도전(2) 모터 생산업체 일본전산은 일본의 장기불황 속에서도 10배의 성장 달성
일본전산은 1973년 세 평짜리 시골 창고에서 단 네 명이 시작한 기업이다. 하지만 불과 30년 만에 계열사 140개, 직원 13만 명을 거느린 매출 8조원의 막강 기업으로 성장 직업학교 졸업이 학력의 전부인 엔지니어 출신의 나가모리 사장은 월스트리트 저널이 뽑은 가장 존경 받는 CEO 30인에 선정돼 화제가 되기도 했다. 일본전산의 성공 비결은 직원들의 ‘할 수 있다’는 신념과 끈기다. ‘시도하지 않는 것보다 중간에 흐지부지 그만두는 것이 더 좋지 않다’ ‘신입사원을 살벌한 실전에 배치시켜라’ ‘실력이 없으면 남보다 두 배로 일하라’ ‘끝까지 포기하지 않는 것이 부전승이다’ 등 파격적 경영철학이 경영현장에 살아 숨쉰다. 이곳 직원은 ‘머리가 좋기보단 우직하고 끈질기다’는 평을 받는다. 일본전산은 신념과 끈기를 가진 인재를 뽑기 위해 달리기, 화장실 청소, 밥 빨리 먹기 등 독특한 절차를 통해 신입사원을 선발.

9 4-1 전기자동차 주요부품 전기자동차 구조

10 4-1 전기자동차 주요부품 주요 구성품 특 징 모 터 구동전지 DC/AC Converter 모터제어기 회생제동장치
4-1 전기자동차 주요부품 주요 구성품 특 징 모 터 직류모터와 교류모터 교류모터는 브러시가 필요 없으나 교류의 타이밍을 모터로 얻고 싶은 토크나 회전수에 맞춰 조정하는 것이 어려워 효율이 낮다. 최근에는 브러시리스 AC모터(유도식 교류모터)가 각광 구동전지 가솔린차와 달리 현재의 전기 자동차는 주행거리가 짧기 때문에 가솔린차의 감각으로 운전하다가는 길거리에서 멈추기 십상이다. 그래서 남아 있는 전력량을 아는 일이 매우 중요하다. DC/AC Converter 인버터는 컨버터와 같은 작용을 하면서 직류를 교류로 변환시키는 기능 직류를 교류로 만들기 위해 변조기가 사용 인버터는 컨버터에 비해 구조가 복잡 모터제어기 엑셀 패달 조작량 및 속도를 검출해서 거기서 의도한 구동 토크 변화를 가져올 수 있도록 차속이나 부하 등의 조건에 따라 모터의 토크 및 회전속도를 제어한다. 직류모터 : 전류 → 토크제어, 전압→ 속도제어 교류모터 :진폭→ 토크제어, 주파수→ 속도제어, 자동차의 주행상황 변경 회생제동장치 전기자동차의 에너지 소비를 줄여 주는 데 있어 매우 중요한 역할을 하는 것이 회생 브레이크 전기자동차 모터는 발전기와 구조가 같아 전류를 흘리면 회전하고 반대로 밖에서 힘을 걸어 회전시키면 발전기가 됨 차를 감속시키거나 제동을 할 때 그 힘으로 모터를 회전, 전기를 발전시켜 축전지로 보내는 장치를 만들면 전기소모량을 많이 줄일 수 있다. 엔진차를 전기차로 개조하는 경우 : 엔진 위치에 모터를 장착하고 트랜스미션과 디퍼렌셜기어를 그대로 사용하는 일이 많다. 전기 자동차에 사용되는 모터들은 저속에서 고속까지 무단으로 부드럽게 변환시킬 수 있기 때문에 경우에 따라 변속기와 감속기가 필요치 않을 수도 있다.

11 4-1 전기자동차 주요부품 전기자동차의 주요 구성품 (HEV) (PHEV) (BEV) (FCEV) 구 조 구 동 원
4-1 전기자동차 주요부품 전기자동차의 주요 구성품 (HEV) (PHEV) (BEV) (FCEV) 구 조 구 동 원 엔진 + 모터 모터, 엔진(방전시) 모터 에너지원 화학연료, 전기 전기,화학연료(방전시) 전기 수소 특 징 구동시 내연기관/모터 적절히 별도 인플라 필요없음 배터리전용주행 5km 내외 단거리 전기로만 주행 장거리구동시 엔진 직구동 HEV대비배터리 용량증대(주행거리 60km 내외) Zero-emission 현재 근거리 주행만 가능(100km 내외 수소-산소반응으로 전기생산하여 모터구동 수소탱크,스택장착 시스템 고가 적 용 프리우스(도요다) 시빅(혼다) 아반테LPI(현대) Hymotion(도요다) Sprinter Van(벤츠) 시보레 ‘볼트(Volt) 미쓰비시 I-Miev 닛산 LEAF 현대 블루온(i-10) 스포티지,모하비

12 4-1 전기자동차 주요부품 전기자동차 주요 구성품 부 품 명 특 성 축 전 지 ㆍ리튬이온전지 혹은 리튬이온 폴리머전지 사용
4-1 전기자동차 주요부품 전기자동차 주요 구성품 부 품 명 특 성 축 전 지 ㆍ리튬이온전지 혹은 리튬이온 폴리머전지 사용 전 동 기 ㆍ교류 동기식 모터 사용 제어장치 ㆍ트랜지스터 및 SCR 사용 및 회생제동, 개별적 기능 기타장치 ㆍ제어장치, 변환기, 충전기 분리제작 사용

13 4-1 전기자동차 주요부품 전기자동차/가솔린자동차의 대응부품 구 동 원 에너지원 에너지변환 충 전 기 제 어 기 발 전 기
4-1 전기자동차 주요부품 전기자동차/가솔린자동차의 대응부품 전기자동차 주요 구성품 내연기관 주요 구성품 구 동 원 모터 엔진 에너지원 구동 전지 연료탱크 및 연료 에너지변환 DC/AC Converter 알터네이터 충 전 기 충전기(플러그) - 제 어 기 모터제어기 엔진제어기(ECU) 발 전 기 회생제동장치 기 동 시동모터(크랭킹)

14 4-1 전기자동차 주요부품 HEV(직렬형)구조 연료전지 전기자동차 구조

15 4-1 전기자동차 주요부품 전기자동차, 무엇을 필요로 하는가? 구분 비 고 구동전지
4-1 전기자동차 주요부품 전기자동차, 무엇을 필요로 하는가? 구분 비 고 구동전지 ㆍ리튬이온 전지, 리튬 폴리머 전지, 리튬공기 전지, 아연공기 전지 삼상 교류모터 ㆍ구동바퀴 모터 - 효율이 높음 인버터(Inverter) ㆍ전지의 직류를 교류로 변환 IGBT모듈(KEC) ㆍ대전력이 소요되기 때문에 대전력 스위칭 및 제어용 파워모듈 /IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor) DC/DC 컨버터 (Converter) ㆍ구동모터에서는 수백볼트의 고전압을 필요 ㆍ보조기기에서는 12V의 저전압이 사용 PCU (Power Control Unit) ㆍ인버터와 컨버터 등을 묶어서 하나의 모듈로 만들어 사용 ECU (Electric Control Unit) ㆍ각 부문에서 추가로 ECU가 필요 각종 X by Wire ㆍSteer by wire, Brake by wire 등의 각종 X by Wire (현재의 벨트식 구동을 모터로 대체하여 제어하는 전선으로 연결) BLDC모터 ㆍ각종 소형 일반모터로 사용 ㆍ예전에는 직류모터 사용했으나 ㆍ최근에는 교류모터나 브러시리스 모터 등을 사용하는 경향 변속기 ㆍ인휠 방식일 경우에는 필요 없음

16 4-2 모터 모터 구동용 모터 혹은 회생용 모터의 용도로 사용 종래의 자동차 엔진 혹은 트랜스미션에 해당
4-2 모터 모터 구동용 모터 혹은 회생용 모터의 용도로 사용 종래의 자동차 엔진 혹은 트랜스미션에 해당 인버터에 의한 모터 회전수 제어로 주행속도 제어 HEV는 구동시스템의 동력전달방식에 따라 구동모터의 역할 구분 직렬형(Series), 병렬형(Parallel), 또는 직병렬의 세가지 방식 도요타 프리우스 : 직병렬(혼합) 구동용과 발전기용의 모터 2개가 필요 도요타의 해리어 하이브리드 등의 4WD차량은 3개 현대/혼다 : 병렬방식 1개 모터가 구동/발전 병행 모터의 개수 줄여 크기 축소 / 차량 무게 감소 연비 개선 시속 100km이상에서도 모터구동 모드 있음(가속 붙은 상태의 평지, 내리막길)

17 4-2 모터 교류모터(AC)나 브러시리스 모터(BLDC) 사용이 증가 추세
4-2 모터 교류모터(AC)나 브러시리스 모터(BLDC) 사용이 증가 추세 HEV의 경우 전자부품 사용이 증가해 탑재 수도 더욱 증가 BLDC(Brushless DC) 모터란? DC모터의 정류자와 브러시의 역할 ➜ 반도체 스위치와 Hall 센서가 대신 DC 모터와는 달리 권선이 고정자가 되고 자석이 회전자가 되어 Brush에서의 마찰이 적어 보다 효율이 높고 소음도 없어지는 모터 기술적 차이로 단가가 높다는 단점 전기자동차 사용모터 : 최대 300여개 모터 종류 수 량 구성비율(%) DC Brush Motor 300 92 Brushless DC Motor 12 4 Stepping Motor 9 3 DC 축류 팬 5 2 합 계 326 100

18 BLDC(Brushless DC) Motor
4-2 모터 BLDC(Brushless DC) Motor

19 4-2 모터 최근의 시보레 Volt, 닛산 Leaf, 테스라(Tesla) Motor, 미쓰비시의 i-MiEV 등
4-2 모터 최근의 시보레 Volt, 닛산 Leaf, 테스라(Tesla) Motor, 미쓰비시의 i-MiEV 등 전기자동차의 출시는 파워트레인의 전동화로 ➜ 모터 사용대수 급격히 증가 전기자동차용 모터의 요구 조건 전원은 축전지의 직류전원 시동시의 토크가 커야 한다. 구조가 간단하고 기계적인 내구성이 커야 한다. 속도제어가 용이해야 한다. 취급 및 보수가 간편하고 위험성이 없어야 한다. 소형이고 가벼워야 한다. AC모터 구조

20 4-2 모터 모터는 HEV 및 EV 구동력을 실현하는 중요한 부품 승용차의 주행용 모터출력은 10~ 60kW 정도가 일반
4-2 모터 모터는 HEV 및 EV 구동력을 실현하는 중요한 부품 승용차의 주행용 모터출력은 10~ 60kW 정도가 일반 시판 차량을 개조한 EV나 소형 EV에서는 DC 모터가 사용되지만, 주류는 AC 모터 직류/교류모터 장단점 구분 구 분 장 점 단 점 직 류 ㆍ작은 부피 ㆍ빠른 속도 ㆍ크기에 비해 큰 힘 ㆍ부하에 따라 속도변화가 심하다 ㆍ속도가변이 힘들다 ㆍ수명이 짧다(브러시) ㆍ소음이 심하다 교 류 ㆍ높은 효율과 큰 힘 ㆍ용이한 속도가변(주파수변화) ㆍ수명이 길다.(보수유지비용 저렴) ㆍ저렴한 가격 ㆍ회전속도는 느리다

21 4-2 모터 직류모터와 교류모터의 차이 모터는 일반적으로 회전자와 고정자로 구성
4-2 모터 직류모터와 교류모터의 차이 모터는 일반적으로 회전자와 고정자로 구성 직류모터는 고정자에 일정한 전류가 가해져 발생하는 자장 또는 영구자석에 의해서 발생하는 자장 내에서 회전자의 코일이 받는 힘에 의해서 회전 직류모터 : 회전력은 전류에 비례, 회전속도는 전압에 비례 하는 특징 사용 예 : 소형 장난감에 사용되는 모터, 청소기에 사용되는 모터 교류모터 : 보통 유도모터라고도 한다. 교류모터는 고정자 권선에 교류(보통 60Hz, 1초에 극성이 60번 바뀜.)를 흘려주면 이때 발생하는 자장의 변화에 의하여(전자유도에 의하여) 회전자에 전류가 유도되어 회전력이 발생 회전자의 구조는 소형 모터에서는 단순한 다람쥐 쳇바퀴 모양의 단락된 권선을 사용하고, 대형 교류 모터에서는 권선을 감아서 사용한다(권선형). 교류모터는 우리 생활 주변에서 가장 널리 쓰이는 모터로 용량이 수십W의 소형부터 수백KW에 이르는 대형까지 가정과 산업현장에서 널리 쓰여 선풍기, 세탁기, 냉장고나 엘리베이터, 펌프, 크레인 등에 사용 교류모터는 정류자가 없어서 수명이 아주 길다는 장점이 있다.

22 4-2 모터 가솔린 자동차와 비교 전기자동차 세 가지 우위성
4-2 모터 가솔린 자동차와 비교 전기자동차 세 가지 우위성 바퀴를 제어하는 모터의 토크 응답, 즉 차에 ‘힘을 내라’고 명령하면 그에 따라 힘을 내는 시간이 1000분의 1초로 가솔린 엔진의 10분의 1초에 비해 두 자리 숫자나 빠르다. 바퀴를 보다 고속으로 보다 정교하게 제어 바퀴 하나하나에 모터를 장착하기 쉽기 때문에 타이어 각각을 독립적이며, 정확히 고속으로 제어할 수 있다. 모터의 전류 변화로부터 달리고 있는 노면의 상태를 파악할 수 있다. 미미한 미끄러짐도 순간적으로 감지하여 즉시 타이어의 미끄러짐을 멈출 수 있다 눈길에서도 보다 안정적으로 주행 가능

23 4-2 모터 타이어의 제어 성능을 더욱 높이려면, 바퀴 하나마다 모터를 붙여서 독립적으로 제어하면 좋다.
4-2 모터 타이어의 제어 성능을 더욱 높이려면, 바퀴 하나마다 모터를 붙여서 독립적으로 제어하면 좋다. 가솔린 자동차의 바퀴 하나하나마다 엔진을 붙이는 것은 코스트 면에서 현실적이지 않지만, 모터라면 큰 부담이 되지 않는다. 자동차의 자세 안정성이 좋아지고, 승차감도, 안전성도 좋아진다. 전기자동차 등에서 구동력을 발생시키는 전기모터가 타이어 휠 허브 내에 장착되는 경우 인휠모터는 전기자동차에 사용되지만, 모든 전기자동차가 인휠 모터를 탑재하는 것은 아니다. 인휠 모터

24 4-2 모터 하나의 엔진이 네바퀴를 굴려야 한다는 틀에 박힌 발상을 뒤엎고 각각의 바퀴 안에 모터를 사용해 따로따로 돌리는 MIEV 컨셉트카는 자동차 역사에서 혁신에 가깝다. 현재 전기 자동차 양산의 걸림돌이 되는 축전지 문제점이 해결된다면 인휠 모터 전기 자동차는 새로운 자동차의 패러다임으로 각광받게 될 것 인휠 드라이브의 원리

25 4-3 전지 전기자동차 전지 : 가격을 낮추고 축전용량 및 사용기간 연장 필요
4-3 전지 전기자동차 전지 : 가격을 낮추고 축전용량 및 사용기간 연장 필요 전지 기술은 성능 좋은 전기자동차를 만드는데 가장 핵심 축전지 셀을 모듈화하여 여러 개를 합치고, 축전지 제어 컨트롤러 등을 조합한 유닛을 HEV, PHEV, EV에 탑재 교통 시장에서 하이브리드 전기 자동차(HEV), 순수 전기자동차(EV), 플러그인 하이브리드 자동차(PHEV)가 실질적인 성공을 거두려면 전지기술이 상당히 발전해야 한다. 충전식 전지 기술의 문제 1)안전 2)충전 시간 3)전력 전달 4)극한 온도에서의 성능 5)환경 친화성 6)수명 축전용량 : 리튬 이온, 리튬 폴리머, 리튬공기, 공기 아연 전지사용 용량증가

26 4-3 전지

27 4-3 전지 전지의 발전동향 현재 우리주위에서 가장 많이 사용되고 있는 전지는 '리튬 이차전지’
4-3 전지 전지의 발전동향 Ni-MH Battery 현재 우리주위에서 가장 많이 사용되고 있는 전지는 '리튬 이차전지’ 리튬 이차전지는 휴대용 IT기기 뿐만 아니라, 수송기계, 산업용기기, 전동공구 등 사회전반의 여러 분야에서 활용 Li-ion Battery(LIB) 다양한 전지의 종류 및 용도

28 4-3 전지 전지의 발전동향 대표적인 2차 전지 니켈카드뮴 전지(Ni-Cd) 니켈수소 전지(Ni-MH)
4-3 전지 전지의 발전동향 대표적인 2차 전지 니켈카드뮴 전지(Ni-Cd) 니켈수소 전지(Ni-MH) 리튬이온 전지(Li-Ion) 니켈카드뮴 전지 : 음극재/ 중금속인 카드뮴 인체에 해롭고 환경오염을 일으킬 우려 에너지 밀도가 낮다는 단점 때문에 시장이 빠르게 위축 니켈수소 전지 높은 에너지 밀도/저렴한 가격/기존의 니켈카드뮴전지 대체 가격이 리튬이온 전지에 비해 싸고, 품질이 안정적 고 용량화의 필요성에 따라 리튬이온계 2차 전지의 개발 가속화 전지의 기술 트렌드 리튬이온전지의 고용량화, 슬림화 형상을 자유자재로 바꿀 수 있는 리튬이온 폴리머 전지 전기자동차에 가장 타당 전지 : 리튬공기(?) / 아연공기(?) – 개발 박차

29 4-3 전지 [i-10 전기자동차와 I-MIEV 전지비교] 구분 i-10전기자동차 I-MIEV 전지 형식 리튬이온 폴리머
4-3 전지 [i-10 전기자동차와 I-MIEV 전지비교] 구분 i-10전기자동차 I-MIEV 전지 형식 리튬이온 폴리머 리튬이온 전압/용량 330V/50Ah 최대 출력 62KW 50KW 중 량 200Kg 230Kg 에너지밀도 82Wh/Kg 72Wh/Kg I-MIEV i-10

30 4-3 전지 전지의 특징 종류 특 징 사용 예 Ni-MH 전지 (니켈수소) ㆍ전력 수준이 낮다 ㆍ자가 방전율이 높다.
4-3 전지 전지의 특징 종류 특 징 사용 예 Ni-MH 전지 (니켈수소) ㆍ전력 수준이 낮다 ㆍ자가 방전율이 높다. ㆍ보관 수명이 3년에 불과하다 ㆍ메모리 효과 갖음 ㆍ프리우스 ㆍ캠리 ㆍ하이랜더 리튬이온 전지 ㆍ특정한 높은 에너지 제공 ㆍ무게가 가볍다. ㆍI-MIEV ㆍ높은 가격 ㆍ극한 온도의 사용불가 ㆍ안전에 문제 있음(가장 큰 장애 요인) 리튬폴리머전지 ㆍ전압은 3.6Ｖ로 폭발 위험이 없고 ㆍ전해질이 젤타입-전지 모양 다양- 장점 ㆍ일부 휴대폰 사용(리튬이온전지 대체) ㆍ고분자 겔 전해질 사용으로 과충전과 과방전 인한 화학적 반응에 강함-보호회로 불필요 ㆍi-10전기차

31 2차 전지, 20년 일본 아성깨고 세계 1위로 등극 한국 반도체·조선·TV에 이어 2차 전지도 일본을 제치고 세계 1위로 등극. 2차전지는 일본이 지난 20여년 동안 부동의 세계 1위를 지켜온 분야. 한국은 1999년 2차전지에 진출한 지 12년 만에 일본을 추월 일본 IT전문 시장전망기관 : 최근 보고서 "20년 동안 일본이 지켜왔던 중소형 2차전지(리튬이온전지) 시장 1위가 올해 한국으로 바뀔 것"이라며 "올해 한국은 38.5%, 일본은 38.4%의 세계 시장 점유율을 차지할 것"이라고 전망. [ ] 개별 기업 단위에서는 이미 한·일 역전 삼성SDI : 사업 시작 11년 만인 2010년에 처음으로 일본 산요를 제치고 리튬이온전지 세계 1위 기업 선정(LG화학: 산요에 이어 3위) 신성장 동력산업인 2차전지 시장규모/올해 20조원에 육박하며, 2020년이면 스마트폰·전기자동차 보급 확대로 104조원 규모로 급성장할 것 2020년 메모리 반도체 시장 예상규모인 약 124조원에 육박.

32 한국 2차 전지 세계 1위 신화 달성 삼성SDI는 사업 진출 11년 만인 2010년 일본 산요를 제치고 중소형 2차 전지 시장 세계 1위에 등극 선제투자·속도전으로 상징되는 한국의 '전기·전자 역전의 공식'이 TV·반도체분야에 이어 2차 전지 산업분야에서도 통한 것 일본의 IT 전문기관은 일본이 한국에 뒤진 이유는 "일본 업체들은 기술에서 앞서 있으면서도 '이류(second-rate) 경영'으로 한국에 결국 뒤처졌다"고 분석 처음 리튬이온 전지를 개발한 것은 일본 업체들인데, 무겁지만 안전한 니켈수소전지에서 충분히 수익을 올리고 있었기에 투자를 주저했다. 이틈을 이용하여 한국 업체들은 그 틈을 공격적인 투자와 속도전으로 파고들었다. 삼성·LG 등 한국 휴대기기 업체들이 날로 시장 점유율을 높이는 것도 한국 2차 전지 업체들에 유리하게 작용하고 있다고 분석

33 한국, 전기자동차용 대형 2차 전지 시장 선점 한국은 대형 2차 전지 시장에서 일본이 넘보기 어려울 정도로 시장을 선점했으며 더더욱 강화할 전망 전기자동차용 전지는 휴대폰용 전지보다 6000~8000배 용량이 더 크다. 아직은 시장이 1조원 미만이지만, 미래 시장의 승부는 전기자동차전지에서 갈릴 것이라고 업계에서는 전망 LG화학은 대형 2차 전지 시장인 전기자동차용 전지 시장에서 세계 최선두 기업 자리매김. 2010년 이미 GM, 포드, 볼보, 현대기아차 등 10여개 업체를 전기자동차용 리튬이온 전지 고객으로 선점 삼성SDI는 독일 보쉬와 SB리모티브를 설립하고 2010년 부터 대형 2차 전지의 양산에 들어갔으며, BMW, 크라이슬러, 델파이 확보 SK에너지도 2011년 현대자동차가 생산한 국내 첫 순수전기자동차인 '블루온'에 2차 전지를 공급 일본도 뒤늦게 고객 확보에 나서 대부분 자국 자동차 업체에 2차 전지를 납품

34 한국, 전기자동차용 대형 2차 전지 시장 선점 (2012)

35 4-3 전지 차세대 고용량 배터리(리튬공기 전지) 전기자동차의 부품 수는 내연기관차 대비 60% 수준에 불과
4-3 전지 차세대 고용량 배터리(리튬공기 전지) 전기자동차의 부품 수는 내연기관차 대비 60% 수준에 불과 배터리 가격을 제외할 경우, 가솔린차보다 저렴할 것으로 예상 배터리 현안 문제만 해결되면 획기적인 혁신이 이루어 질것 일반적으로 리튬이온 배터리 사용 – 주행거리 160km 정도 리튬공기 전지 : 전극/기존 니켈이나 코발트 대신 탄소사용 리튬공기 전지 : 무겁고 비싼 금속 대신에 싸고 가벼운 탄소를 사용하기 때문에 EV 무게와 가격을 크게 줄일 수 있다. 단위 부피당 에너지 보유량이 리튬이온 배터리의 10~11배 실제 배터리 팩으로 따지면 성능이 4~5배 이상 늘어나는 셈 전극을 많이 넣고 공기 중의 수분과 이산화탄소가 양극으로 유입되는 것을 막는 기술 등이 개발되면 5년 뒤에는 상용화가 가능할 전망

36 4-3 전지 리튬공기 전지 리튬공기전지 방전작동원리 리튬공기전지 충방전 원리

37 4-4 인버터/컨버터 DC/AC Converter 인버터[inverter/뒤바뀜] : 직류와 교류를 바꾸는 장치(DC ↔AC)
직류전력을 교류전력으로 변환하는 장치(역변환장치) 전력용 반도체(Diode, Thyristor, Transistor, IGBT, GTO등)사용 컨버터[converter/변환기] : 교류, 혹은 직류의 전압을 바꾸는 장치 신호 또는 에너지의 모양을 바꾸는 장치. 회로망·변환기 예: AC 24V → AC 12V 좁은 뜻으로는 DC→AC의 변환을 인버터(inverter) AC→DC의 변환을 컨버터(converter) 어느 주파수→다른 주파수로의 변환을 사이클로컨버터(cycloconverter) 통신·고주파 분야에서는 어느 고주파 신호를 그보다 낮은 중간 주파수로 변환하는 부분을 컨버터라 함.

38 4-4 인버터/컨버터 인버터의 원리 전력용 반도체(Diode, Thyristor, Transistor, IGBT, GTO 등)를 사용 하여 상용 직류전원을 교류전원으로 변환시킨 후 → 다시 임의의 주파수와 전압의 교류로 변환시켜 유도전동기의 회전속도를 제어 하는 것 유도전동기의 자속밀도를 일정하게 유지시켜 효율변화를 막기 위 하여 주파수와 함께 전압도 동시 변화시켜야 한다. 미츠비시 i-MiEV 인버터 현대 블루온 컨버터

39 4-4 인버터/컨버터 회로구성에 따른 Inverter 분류 구 분 동작 특성 비 고 전류형 전압형 PAM PWM
정류부(Rectifier)에서 전류를 가변하여 평활용Reactor로 일정 전류를 만들어 인버터로 주파수를 가변함. 대용량 채용 전압형 PAM 정류부(Rectifier)에서 DC전압을 가변하여 콘덴서로 평활전압을 만들어 인버터부로 진폭을 가변함. 초기에 사용현재는 단종 PWM 정류부(Rectifier)에서 일정 DC전압을 만들고 인버터로 전압과 주파수를 동시에 가변함. 대부분의 인버터에 채용 PAM : 펄스진폭변조, Pulse Amplitude Modulation PWM : 펄스 폭 변조, Pulse Width Modulation 모터 속도제어 : 폭(Width) /주파수 모터 토크제어 : 진폭(Amplitude)

40 4-5 모터제어기 모터 제어기 엑셀 패달 조작량 및 조작속도를 검출해서 거기서 의도한 구동 토크 변화를 가져올 수 있도록 차속이나 부하 등의 조건에 따라 모터의 토크 및 회전속도를 제어 운전자의 오른발의 움직임에 따라 모터의 토크와 회전속도를 제어한다. 여기서 전원은 전지이며, 일정전압의 직류전류를 얻을 수 있다. 직류모터라면 전류 크기/전압 크기를 제어 교류모터일 경우 : 교류로 변환하고, 다시 진폭이나 주파수제어

41 4-5 모터제어기 시보레 볼트 모터 GM 볼트의 리튬이온 축전지/LG화학공급

42 4-5 모터제어기 【1】 EV의 출력제어의 기본 개념
4-5 모터제어기 【1】 EV의 출력제어의 기본 개념 가장 기본적인 직류모터의 제어 방식은 회로 안에 넣는 저항의 크기 변화로 인하여 전류의 값을 변화 저항의 값을 서로 다른 경로를 복수 준비하고, 순차 전환 전류의 크기는 단계적으로 변화하고, 토크도 스텝형태로 변화 구식의 전차에서 발진시 등에서 이러한 상태를 경험 오늘날 이러한 러프한 제어, 토크는 불만을 느낄 것 (저항변화→전류변화→토크변화)

43 4-5 모터제어기 반도체회로를 ON-OFF → 고주파 펄스 상태의 전류 생성 통전시간=펄스수를 제어해서 전류의 크기 결정
4-5 모터제어기 반도체회로를 ON-OFF → 고주파 펄스 상태의 전류 생성 통전시간=펄스수를 제어해서 전류의 크기 결정 통전시간률= 듀티비 펄스폭을 제어하는 수법 전류를 세세히 쪼갬 → 제어결과는 아나로그→ 선형변화 가능

44 4-5 모터제어기 【2】 교류모터의 경우 엑셀 패달의 누름동작(Stroke)에 대해 교류전류 진폭 변화 → 토크 제어
4-5 모터제어기 【2】 교류모터의 경우 엑셀 패달의 누름동작(Stroke)에 대해 교류전류 진폭 변화 → 토크 제어 교류전류 주파수 변화 → 회전 속도 제어 이를 위하여 스위칭 소자를 1상으로 2개씩 준비해서 전류를 펄스 상태로 하고 조밀방향을 변화시켜 교류를 만든다.

45 4-6 회생제동장치 회생제동장치(Regenerative Braking System)
4-6 회생제동장치 회생제동장치(Regenerative Braking System) 전기자동차의 에너지 소비를 줄여 주는 매우 중요한 역할 담당 전기 자동차에 사용되는 모터는 발전기와 동일구조 회전력을 걸어 회전시키면 발전기가 된다. 바퀴의 회전에 부하인 발전기가 물림으로 제동토크 발생 일종의 엔진 브레이크 효과를 얻을 수 있음 차를 감속시키거나 제동을 할 때 그 힘으로 모터를 회전(발전기 역할), 전기를 발전시켜 축전지로 보내는 장치를 만들면 전기소 모량을 많이 줄일 수 있다. 엔진차를 전기차로 개조하는 경우에는 엔진 위치에 모터를 장착 하고 트랜스미션과 디퍼렌셜기어를 그대로 사용하는 일이 많다. 전기 자동차 모터는 저속에서 고속까지 무단으로 부드럽게 변환 시킬 수 있기 때문에 반드시 변속기와 감속기가 필요하지는 않다. 최근에 오리지널 전기차로 개발된 차들은 바퀴를 각각 하나씩 돌 리도록 여러 개의 모터(인휠모터)가 장착

46 4-6 회생제동장치 회생제동 시스템 구성 프리우스 제동장치 개요 (a) 가속 (b) 제동 HEV 가속과 감속 시 에너지 저장

47 4-6 회생제동장치 HEV의 가속 시 전륜 구동축이 바퀴를 회전시켜 노면과 바퀴에 견인력을 전달한다. 제동 시 구동륜이 발전기 로터(회전자) 역할로 변화 회생제동은 자동차의 운동에너지가 발전기(바퀴의 회전축)를 구동해 발 생한 역기전력을 배터리로 회수하고 제동을 수행하는 제동 기술 발전기를 돌리려면 회전력이 필요한데 필요한 회전력은 버려지는 제동 력(감속하는 바퀴 회전축)을 이용 이때 운동에너지를 전기에너지를 변환해 이를 2차 전지에 저장 후 발진, 가속, 등판 시에 모터를 구동하며 에너지를 재이용하기 때문에 HEV의 전체 연비 개선량의 35% 달한다. 가장 큰 장점은 배터리 충전상태(SOC:State Of Charge)의 증가로 가속, 감속을 반복하는 도심주행모드에서 연비 효율을 높일 수 있다. 회생제동으로 유압 마찰 제동량을 줄일 수 있어 브레이크 디스크 로터 및 브레이크 패드 등의 수명이 연장된다. 회생제동으로 제동 토크가 발생함에 따라 운전자는 기존 유압 마찰제동 과 다른 이질감을 느낀다.

48 4-6 회생제동장치 기계식 유압 마찰 제동장치에서는 운전자의 페달 조작량에 대응 하는 만큼 유압제동력이 발생
4-6 회생제동장치 기계식 유압 마찰 제동장치에서는 운전자의 페달 조작량에 대응 하는 만큼 유압제동력이 발생 하지만 FF 방식 HEV 제동 시 먼저 회생제동으로 인한 제동토크 가 걸리고 →일정한 조건을 만족하면 → 기계식 유압 제동으로 전환·작용 HEV는 유압제동과 제동 회생을 적절히 배분해 회생 제동력을 최 대화하고 유압제동을 최소화해 에너지 효율을 극대화 하는 것 하지만 회생 제동의 추가로 전체 제동력이 불필요하게 증가해 운 전자의 의도와는 달리 급격히 감속력을 유발시켜 편안하고 안락 한 제동을 할 수 없게 된다. 다시 말해 HEV는 운전자가 밟은 브레이크 페달량에 따라 회생제 동을 제외한 기계식 유압 제동량의 크기가 달라진다는 것이다

49 4-6 회생제동장치 장점 : 연비개선 효과가 매우 크다 세기를 자유롭게 제어 할 수 있다. 마찰재의 부담이 줄어 듬
4-6 회생제동장치 장점 : 연비개선 효과가 매우 크다 세기를 자유롭게 제어 할 수 있다. 마찰재의 부담이 줄어 듬 일종의 엔진 브레이크 효과를 얻을 수 있음 단점 : 회생제동이 시작되는 시점에서 갑작스런 제동력으로 인해 운전자가 진동을 느끼기 쉽다는 점(엔진브레이크 사용 시-기어 5단 → 1단 변화 때 느낌/ 내리막길에서 엔진의 회전 속도를 바퀴의 회전속도보다 낮게 줄여주면 오히려 엔진이 바퀴의 회전을 방해하여 브레이크를 잡아주는 것 운전자가 밟는 발의 힘과 제동력사이에는 회생제동력의 크기만큼 이질감이 생겨 운전자에게 혼란을 초래하기 쉽다는 점 등은 개선해야 함.

50 4-6 회생제동장치 프리우스 제동장치 문제 2010년 2월, 도요타 자동차의 하이브리드 전기자동차인 프리우 스가 가속 페달 결함으로 인한 대규모 리콜 사태로 궁지에 몰렸 으며, 도요타 자동차는 제동 시스템인 ABS(Anti-Lock Brake System : 미끄럼 방지장치)의 설계에 문제가 있었다고 시인 프리우스가 주행할 때 제동 장치가 순간적으로 작동하지 않는 것으로 느껴지는 것은 하이브리드 자동차인 프리우스가 가솔린 엔진과 전기 모터의 2개 시스템으로 작동하는 데서 비롯 프리우스가 울퉁불퉁하거나 미끄러운 노면을 달릴 때 운 전자가 제동 페달을 밟을 경 우 제동장치 작동 방식이 유 압식에서 전자식으로 전환되 면서 제동장치가 순간적으로 작동하지 않는 것으로 느껴짐

51 4-6 회생제동장치 프리우스 제동장치 문제 최근 판매된 프리우스 회생 제동 장치에 크고 작은 문제가 있다 고 알려져 있다.
4-6 회생제동장치 프리우스 제동장치 문제 최근 판매된 프리우스 회생 제동 장치에 크고 작은 문제가 있다 고 알려져 있다. 눈길과 빗길에서 회생제동이 유압식 마찰제동으로 전환하 는 구간에서 지연시간이 발생해 교통사고로 이어질 수도 있 다고 언론에 보도된 바 있기 때문이다. 일반적으로 기계식 유압 마찰제동과 회생 제동의 차이점은 우 수한 제동 성능의 만족보다는 회생제동 에너지의 회수의 극대 화에 있다. 따라서 회생제동 장치는 엔진, 모터, 배터리, 변속기 등 차량의 하이브리드 부품의 통합 기술과 ABS, ESP, TCS 등의 기술 통합 이 이루어져 최종적으로 제동성능과 안정성을 보장하는 방향으 로 개선돼야 한다.

52 4-6 회생제동장치 모터와 발전기의 동작원리

53 4-6 회생제동장치 전철의 전기제동 구분 발전제동 전기 동력으로 구동되는 차량이나 기기류의 브레이크 방식의 일종
4-6 회생제동장치 전철의 전기제동 구분 발전제동 전기 동력으로 구동되는 차량이나 기기류의 브레이크 방식의 일종 제동을 잡을 때 발전된 전기를 저항기를 통해 열에너지로 외부로 방출해 버림 더운 여름 전동차를 타고 내릴 때 차 밑에서 후끈 뜨거운 공기가 올라와 짜증이 나는 것을 경험한 적이 있었을텐데 이것이 바로 발전 제동 시 저항기에서 나온 열 때문 회생제동 전동기를 발전기로서 작동시켜 운동 에너지를 전기 에너지로 변환해 회수하여 제동력을 발휘하는 전기 제동 방법 만들어진 전기를 전차선으로 보내 인근에 운행중인 차량에 보내 사용

54 4-6 회생제동장치 전철의 전기제동 구분 발전제동 회생제동

55 4-7 전지시스템(BMS) 전지시스템(BMS : Battery Management System) 축전지를 관리하는 시스템
전지시스템 보드 전지시스템 구성도

56 4-7 전지시스템(BMS) 노트북이나 휴대폰의 폭발한 사고가 빈번하게 발생
노트북이나 휴대폰의 폭발한 사고가 빈번하게 발생 2차 전지는 화학소재로 만들어져 전기를 담고 있는 셀들이 모여 구성 전기 사용 용량에 따라 셀들이 조금만 모여도 쓸 수 있는 휴대폰용, 더 모이면 노트북용 2차 전지가 되는데, 모여 진 셀들간의 전기 함축과 출력의 발란스를 조절하지 못하면 폭발 사고가 발생 전기자동차는 대용량 셀들이 노트북이나 휴대폰용과는 비교할 수 없을 정도로 많이 모여야 한다. 축전지 관리시스템에 문제가 발생할 경우 전기자동차가 폭발하는 사고까지 이어질 수 있기 때문에 2차 전지를 만드는데 있어 BMS는 핵심 기술 LG전자, 삼성 SDI 등 기존 2차 전지 생산업체는 물론 자동차 메이커들도 BMS에 높은 관심

57 4-7 전지시스템(BMS) BMS의 기능 : 축전지를 이루는 개별 셀의 상태를 모니터링 응급의 경우에는 축전지를 분리
축전지 체인 내에서 셀 매개 변수에 있는 불균형에 대한 보상 축전지 충전 상태에 대한 정보 제공 축전지 상태에 대한 정보 제공 드라이버 디스플레이 및 경보에 대한 정보를 제공 축전지의 사용가능 범위를 예측 관련 차량 제어 시스템에서 지시 사항을 수락하고 구현 셀을 충전을 위한 최적의 충전 알고리즘을 제공 제공하는 스위치와 돌입 전류를 제한하는 충전이 단계 전에 부하 테스트를 수 있도록 사전 충전 개별 셀을 충전에 대한 액세스 수단을 제공 차량 운영 모드의 변화에​​ 대응

58 4-7 전지시스템(BMS) 차량의 에너지 관리 구성도

59 4-8 전기자동차와 내연기관 자동차와의 비교 내연기관 자동차 : 1리터 휘발유 완전히 연소 ➜ 9.7 kWh 에너지 생성
【1】운용비 내연기관 자동차 : 1리터 휘발유 완전히 연소 ➜ 9.7 kWh 에너지 생성 전기자동차 전지 : 2.7kWh ➜ (1리터 휘발유 연소) 9.7kWh에너지 생성 서비스(보수유지) 비용은 전기자동차가 내연기관차보다 작다. 내연기관차 NiMH(nickel metal hydrogen)전지는 자동차 수명기간동안 지속될 수 있는 반면에, 납산 축전지 사용하는 전기자동차는 정기적인 전지 교체를 필요 그러나 전지기술의 발전으로 도요타 프리우스(Prius)자동차 : 300,000 킬로미터 이상을 전지 교체 없이 주행 가능 도요타 : 10년/150,000 마일 혹은 8년/ 100,000 마일의 보증제 실시 전지의 가격은 계속 낮아질 전망

60 4-8 전기자동차와 내연기관 자동차와의 비교 내연기관의 에너지 효율은?
연료가 투입된 양이 100 → 엔진 가동(손실효율 71%) → 29% 에너지 변환 변속기, 공회전, 부대장치 효율손실 → 손실효율 34% 구동바퀴로 가는 효율 : 19% 내연기관의 경우 : 석유 1리터 투입시 0.19리터가 바퀴의 구동력으로 나타난다

61 4-8 전기자동차와 내연기관 자동차와의 비교 내연기관차와 비교한 전기자동차의 에너지 효율은?
연료가 투입되어 발전/송전 → 에너지 변환효율 56% 사라짐 → 44% 남는 것이다. (내연기관 대비 15%가 좋은 수치) 충전과 모터가 구동되면서 → 85% 정도 살아남는다. 화력발전에 의한 전기기관은 석유1리터 투입 시 → 0.37리터(37%)가 바퀴의 구동력으로 나온다. 내연기관 : 전기자동차 에너지 효율 = 19% VS 37% 내연기관보다 전기자동차 에너지 효율이 2배

62 4-8 전기자동차와 내연기관 자동차와의 비교 장점
부품수가 HEV는 물론, 내연기관차보다 적게(트렌스미션, 레디에이터 등 불필요) 시스템이 단순화 가능하므로, 고장 리스크 범위도 줄일 수 있다. 기술 혁신에서 전지 코스트가 줄어들면 PHEV 보다 값이 쌀 가능성이 있다. 전기자동차는 전기모터로만 구동할 경우 운행비용이 가장 저렴하고 값싼 심야 전기를 이용할 경우 비용을 더 낮출 수 있다. 화석연료를 전혀 사용하지 않아 가장 친환경적이다. 엔진소음이 적고, 진동이 적으며, 차량 수명이 상대적으로 길다. 엔진 소음의 감소로 인하여 소음에 대한 피해가 감소한다. 사고 시 폭발의 위험성이 적다. 다양한 에너지원을 이용할 수 있고, 에너지 효율이 높다. 전력이용의 시간대별 평준화가 가능하고, 싸고 힘 있는 심야 전력으로 자택에서 충전 가능하다. 차량디자인 및 부품배치 자유도가 크다. 전기자동차는 휘발유 자동차와는 다르게 운전 중에 기어를 바꿔줄 필요가 없어 운전조작이 간편하다. 내연기관이 없어 고장이 적은 편이다. 충전을 위한 임의선을 설치하는 비용이 들지 않으며, 미관상도 좋으며 차량에 집전기가 불필요하다. 주행 시 배기가스를 배출하지 않는다.

63 4-8 전기자동차와 내연기관 자동차와의 비교 단점 낼 수 있는 에너지당 중량이, 석유 계 연료에 비해서 매우 크다.
차량 총 중량 20t 트럭일 경우, 현재 기술에서는 전지만으로도 5t정도 되고, 따라서 대형차에 맞지 않는다. 고가의 전지가 필요 자동차 수명보다 전지 수명이 짧고, 전지를 몇 번씩 교환해야만 한다(?) 장거리 주행을 위해서는 급속 충전 스탠드의 전국 규모로 충전해야 한다. 차량 가격이 비싸다. 그러나 기술 개발을 통해 배터리 생산단가를 절감하면 향후 가격 경쟁력에서 충분히 승산이 있다는 분석 일반 가솔린차에 비해 속도가 느리고, 배터리 1회 충전으로 주행할 수 있는 거리가 짧다. 충전 시간이 오래 걸린다. 전지 수명이 짧고, 전지의 잔존시간 확인이 어렵다. 별도의 충전 시설을 위한 인프라 구축도 선행돼야 함. 때문에 정부와 전력공급 기관・업체들의 적극적인 지원이 필요 대한민국의 경우 전기자동차의 도로주행이 현행법에 금지돼 있는 만큼, 관련법 보완도 시급

64 4-8 전기자동차와 내연기관 자동차와의 비교 [동영상] 미래의 자동차-2

65 4-6 평가 자동차 산업의 패러다임 변화 전기 자동차 주요부품 전기 자동차 중요부품의 비중 모터 생산업체 일본전산의 성공비결
4-6 평가 자동차 산업의 패러다임 변화 전기 자동차 주요부품 전기 자동차 중요부품의 비중 모터 생산업체 일본전산의 성공비결 전기자동차 구조 전기 자동차 모터의 사용 추세 BLDC(Brushless DC) 모터란? 전기자동차용 모터의 요구 조건 직류/교류모터 장단점 구분 인휠모터 전기자동차 전지가 해결해야 할 문제점 전지의 종류 니켈카드뮴 전지(Ni-Cd)의 특징 니켈수소전지(Ni-MH)의 특징 리튬이온(Li-Ion)의 특징 한국 2차전지업체의 발전현황 차세대 고용량 배터리의 발전동향 리튬공기 전지의 특징 인버터 컨버터 모터 제어기 회생제동장치

66 Thank you! 14/14