▲ 김훈 리스크랩 연구소장(공학박사/기술사)

내연기관차는 크게 동력장치와 동력전달장치, 조향장치, 현가장치, 제동장치, 차체 등으로 구성된다. 이에 비해 전기차는 연료탱크와 연료펌프, 머플러, 엔진, 변속기, 발전기, 추진축 등이 없다. 

내연기관차는 약 3만개의 자동차 부품을 사용한다. 상대적으로 부품 수가 적은 전기차는 1만8900여 개를 사용한다. 전기차에서 내연기관차와 동일하게 사용하는 부품은 현가장치와 조향장치, 제동장치뿐이다. 두 차량의 가장 큰 차이는 동력장치와 동력전달장치다. 

전기차의 핵심부품은 배터리와 모터, 인버터, 감속기다. 배터리는 외부전원에서 공급받은 전기에너지를 저장ㆍ공급하는 역할을 한다. 배터리는 리튬이온배터리를 사용하는데 기전력이 3.75V인 하나의 셀이 16개 모여 60V인 모듈을 구성하고 이 모듈이 다시 10개로 모여 600V의 배터리 팩을 이룬다. 

각각의 배터리 모듈에는 각 셀의 전류와 전압, 온도를 감지해 관리하는 BMS(Battery Management System)가 있다. BMS는 배터리의 전류와 전압, 온도 등을 모니터링하고 셀 간 편차를 줄여주는 셀 밸런싱 역할과 배터리의 과충전ㆍ과방전을 제어하는 역할을 수행한다. 

모터는 내연기관의 엔진을 대신해 전기에너지를 운동에너지로 바꿔주는 동력 구동원이다. 엔진 역할을 모터가 대신함에 따라 내연기관차에서 발생하는 진동과 소음이 전기차에선 사라졌다. 

구동 모터는 전동기지만 경우에 따라선 발전기 역할도 한다. 내리막길을 주행하거나 브레이크를 밟을 때 생기는 운동에너지를 전기에너지로 전환해 배터리에 저장하는 회생제동시스템이 그것이다. 이때는 컨버터가 필요하다. 

특이한 건 배터리의 전원이 직류전원인데도 배터리의 직류를 교류로 바꿔주는 인버터를 사용하면서까지 교류 모터를 사용한다는 점이다. 

직류 모터는 구조도 간단하고 토크도 높지만 내구성이 약해 브러시라는 부품을 2년마다 교환해야 한다. 하지만 교류 모터는 브러시가 없어 주기적인 보수가 불필요하고 수명도 오래간다. 최근에는 브러시가 없는 직류 브러시 모터도 개발됐지만 아직 전기차 적용에는 한계가 있다.

인버터는 전기차의 핵심부품이다. 배터리에 저장된 직류를 인버터를 통해 교류로 변환해 모터를 회전시킨다. 고압의 직류를 3상 교류로 변환하면서 모터의 회전수를 제어하는 전압과 전류를 변환하는 기능을 수행한다. 

배터리의 직류를 교류의 사인 파형으로 변환하고 주파수를 변화시켜 모터의 구동 회전수를 조절한다. 또 인버터는 주행에 필요한 성능을 구현하기 위해 모터의 속도와 토크를 제어하고 차량 속도와 가속도, 브레이크를 감지해 적절한 제어 신호를 생성한 뒤 주행 중 발생하는 운동에너지를 직류로 변환해 배터리에 공급한다. 

인버터의 핵심소자는 IGBT다. IGBT는 트랜지스터의 일종으로 두 개의 트랜지스터 조를 이용해 순차적으로 on/off 한다. 이때 한쪽의 스위칭 소자가 on일 때 흐르는 전류를 순방향으로 출력하고 다른 쪽 스위칭 소자가 on일 때는 반대 방향으로 출력시켜 출력전압을 교류와 유사한 파형인 사인곡선에 가까운 형태로 출력한다. 

특히 전기차에는 차량의 주행 중 각종 전자장치에서 필요한 전원을 공급해 주는 저전압 직류변환기(LDC,Low Voltage DC Converter) 가 설치돼 배터리에 저장된 고압의 전류를 12V로 낮춰 공급한다. 

김훈 리스크랩 연구소장(공학박사/기술사)

※ 외부 필자의 기고 및 칼럼 등은 FPN/소방방재신문 편집방향과 일치하지 않을 수 있습니다.

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