순수 전기차의 구조와 설계는 기존 내연기관 차량과 다르며, 복잡한 시스템 엔지니어링을 요구합니다. 최적의 제어 프로세스를 구현하기 위해서는 고출력 배터리 기술, 모터 구동 기술, 자동차 기술 및 최신 제어 이론을 통합해야 합니다. 국가 전기차 과학 기술 발전 계획에서, 우리는 "3대 수직·3대 수평" 연구 개발 전략을 지속적으로 고수하고 있으며, "순수 전기 구동" 기술 전환 전략에 따라 "3대 수평"의 공통 핵심 기술 연구를 더욱 중점적으로 추진하고 있습니다. 즉, 구동 모터 및 제어 시스템, 고출력 배터리 및 관리 시스템, 그리고 파워트레인 제어 시스템에 대한 연구를 강조하고 있습니다. 각 주요 자동차 제조업체는 국가 발전 전략에 맞춰 자체적인 사업 개발 전략을 수립하고 있습니다.
이 책은 신에너지 파워트레인 개발 과정의 핵심 기술들을 정리하여, 파워트레인의 설계, 시험 및 생산에 필요한 이론적 기반과 참고 자료를 제공합니다. 총 3장으로 구성되어 순수 전기차 파워트레인의 전기 구동 핵심 기술을 분석하며, 먼저 전기 구동 기술의 원리와 분류에 대해 소개합니다.
그림 1 파워트레인 개발의 주요 연결 고리
현재 순수 전기차 파워트레인의 핵심 기술은 다음과 같은 네 가지 범주로 나눌 수 있습니다.
그림 2. 파워트레인의 핵심 기술
모터 구동 시스템의 정의
차량 배터리의 상태와 차량 동력 요구량에 따라, 차량 내 에너지 저장 발전 장치에서 출력되는 전기 에너지를 기계 에너지로 변환하고, 이 에너지를 전달 장치를 통해 구동 바퀴로 전달합니다. 또한, 차량 제동 시 기계 에너지의 일부는 전기 에너지로 변환되어 에너지 저장 장치로 되돌아갑니다. 전기 구동 시스템은 모터, 변속 장치, 모터 제어기 등의 구성 요소로 이루어져 있습니다. 전기 구동 시스템의 기술 매개변수 설계에는 주로 출력, 토크, 속도, 전압, 감속비, 전원 공급 용량, 출력 전력, 전압, 전류 등이 포함됩니다.
1) 모터 컨트롤러
인버터라고도 불리는 이 장치는 배터리 팩에서 입력되는 직류를 교류로 변환합니다. 주요 구성 요소:
◎ IGBT: 전력 전자 스위치, 원리: 컨트롤러를 통해 IGBT 브리지 암을 특정 주파수와 순서로 제어하여 스위치를 닫아 3상 교류를 생성합니다. 전력 전자 스위치를 제어하여 닫으면 교류 전압으로 변환할 수 있습니다. 그런 다음 듀티 사이클을 제어하여 AC 전압을 생성합니다.
◎ 필름 정전 용량: 필터링 기능; 전류 센서: 3상 권선의 전류 감지.
2) 제어 및 구동 회로: 컴퓨터 제어 보드, IGBT 구동
모터 컨트롤러의 역할은 직류(DC)를 교류(AC)로 변환하고, 각 신호를 수신하여 해당 전력과 토크를 출력하는 것입니다. 핵심 구성 요소로는 전력 전자 스위치, 필름 콘덴서, 전류 센서, 그리고 다양한 스위치를 작동시켜 전류를 여러 방향으로 흐르게 하고 교류 전압을 생성하는 제어 구동 회로가 있습니다. 따라서 정현파 교류를 직사각형으로 나눌 수 있으며, 이 직사각형 영역들은 동일한 높이를 가진 전압으로 변환됩니다. x축은 듀티 사이클을 제어하여 길이를 제어하고, 최종적으로 면적에 대한 등가 변환을 구현합니다. 이러한 방식으로 직류 전력을 제어하여 특정 주파수와 순차적인 스위칭을 통해 IGBT 브리지 암을 닫아 3상 교류 전력을 생성할 수 있습니다.
현재 구동 회로의 핵심 부품은 수입에 의존하고 있습니다. 콘덴서, IGBT/MOSFET 스위칭 튜브, DSP, 전자 칩 및 집적 회로는 자사 생산이 가능하지만 생산 능력이 부족합니다. 반면 특수 회로, 센서, 커넥터는 자사 생산이 가능하며, 전원 공급 장치, 다이오드, 인덕터, 다층 회로 기판, 절연 전선, 방열판 등은 자사 생산이 가능합니다.
3) 모터: 3상 교류를 기계 동력으로 변환
◎ 구조: 전면 및 후면 덮개, 본체, 축 및 베어링
◎ 자기 회로: 고정자 코어, 회전자 코어
◎ 회로: 고정자 권선, 회전자 도체
4) 송신 장치
기어박스 또는 감속기는 모터에서 출력되는 토크 속도를 차량 전체에 필요한 속도와 토크로 변환합니다.
구동 모터의 종류
구동 모터는 다음과 같은 네 가지 범주로 나뉩니다. 현재 신에너지 전기 자동차에는 교류 유도 모터와 영구 자석 동기 모터가 가장 널리 사용되고 있습니다. 따라서 본 논문에서는 교류 유도 모터와 영구 자석 동기 모터의 기술에 중점을 두고 설명합니다.
| DC 모터 | 교류 유도 모터 | 영구 자석 동기 모터 | 스위치드 릴럭턴스 모터 | |
| 이점 | 비용 절감, 제어 시스템 요구 사항 최소화 | 저렴한 비용, 넓은 전력 범위, 발전된 제어 기술, 높은 신뢰성 | 높은 출력 밀도, 높은 효율, 작은 크기 | 구조가 간단하고 제어 시스템에 대한 요구 사항이 낮습니다. |
| 불리 | 유지보수 요구 사항이 높고, 저속, 저토크, 수명이 짧습니다. | 작고 효율적인 면적, 낮은 전력 밀도 | 높은 비용, 열악한 환경 적응성 | 토크 변동이 크고 작동 소음이 높습니다. |
| 애플리케이션 | 소형 또는 미니 저속 전기 자동차 | 전기 비즈니스 차량 및 승용차 | 전기 비즈니스 차량 및 승용차 | 혼합 동력 차량 |
1) 교류 유도 비동기 모터
교류 유도 비동기 전동기의 작동 원리는 권선이 고정자 슬롯과 회전자를 통과하는 구조입니다. 고정자는 높은 자기 전도성을 가진 얇은 강판으로 이루어져 있습니다. 3상 전류가 권선을 통과하면 패러데이의 전자기 유도 법칙에 따라 회전하는 자기장이 발생하고, 이 자기장이 회전자를 회전시키는 원인이 됩니다. 고정자의 세 코일은 120도 간격으로 연결되어 있으며, 전류가 흐르는 도체는 코일 주위에 자기장을 생성합니다. 이러한 특수한 구조에 3상 전원을 공급하면, 특정 시점에 교류 전류의 변화에 따라 자기장의 방향이 바뀌면서 균일한 회전 세기를 가진 자기장이 생성됩니다. 이 자기장의 회전 속도를 동기 속도라고 합니다. 만약 내부에 폐쇄 도체가 놓여 있다면, 패러데이 법칙에 따라 자기장이 가변적이기 때문에 도체는 기전력을 감지하여 도체에 전류를 발생시키게 됩니다. 이러한 상황은 마치 자기장 내에서 전류가 흐르는 고리처럼 작용하여 고리에 전자기력을 발생시키고, 이로 인해 회전자가 회전하기 시작합니다. 유도 전동기는 송곳니 케이지와 유사한 구조를 이용하여 3상 교류 전류를 흘려 고정자에 회전 자기장을 생성하고, 송곳니 케이지 끝단의 단락된 막대에 전류가 유도되어 회전자가 회전하게 됩니다. 이것이 바로 이 전동기를 유도 전동기라고 부르는 이유입니다. 전자기 유도를 이용하는 이 전동기는 회전자에 직접 전류를 연결하여 유도하는 방식이 아니라, 회전자 내부에 절연 철심을 채워 넣어 작은 크기의 철심으로 와전류 손실을 최소화합니다.
2) 교류 동기 모터
동기 전동기의 회전자는 비동기 전동기의 회전자와 구조가 다릅니다. 회전자에는 영구 자석이 설치되어 있으며, 표면 장착형과 매립형으로 나눌 수 있습니다. 동기 전동기의 회전자는 실리콘 강판으로 만들어지며, 매립형에는 영구 자석이 내장되어 있습니다. 고정자에도 위상차가 120도인 교류 전류가 연결되어 정현파 교류 전류의 크기와 위상을 제어합니다. 이를 통해 고정자에서 발생하는 자기장이 회전자에서 발생하는 자기장과 반대 방향이 되어 회전 자기장을 형성합니다. 이러한 방식으로 고정자는 자석에 이끌려 회전자와 함께 회전합니다. 고정자와 회전자의 자기 흡수 작용으로 반복적인 사이클이 발생합니다.
결론: 전기 자동차용 모터 구동 시스템은 기본적으로 주류로 자리 잡았지만, 단일한 형태가 아니라 매우 다양합니다. 각 모터 구동 시스템은 고유한 종합 지표를 가지고 있으며, 현재 전기 자동차 구동 시스템에는 대부분 비동기 모터와 영구 자석 동기 모터가 적용되고 있습니다. 일부는 스위칭 릴럭턴스 모터를 시도하기도 합니다. 모터 구동 시스템은 전력 전자 기술, 마이크로 전자 기술, 디지털 기술, 자동 제어 기술, 재료 과학 등 다양한 분야를 통합하여 다학제적 응용 및 발전 가능성을 보여주고 있다는 점에 주목할 필요가 있습니다. 이는 전기 자동차 모터 시장에서 강력한 경쟁력을 갖추고 있습니다. 미래 전기 자동차 시장에서 자리를 잡기 위해서는 모든 종류의 모터가 모터 구조 최적화뿐 아니라 제어 시스템의 지능화 및 디지털화 측면을 지속적으로 탐구해야 합니다.
게시 시간: 2023년 1월 30일
