동력을 공급하고 제어하는 방법
1. 가솔린 자동차
엔진 + 변속기 + 연료탱크(가솔린)
엔진에서 연료를 태워서 동력을 발생하고 변속기로 제어한다.
2. 하이브리드 자동차
엔진과 모터 + 변속기와 제어장치 + 연료탱크와 배터리
엔진에서 연료를 태워서 동력을 발생하고 변속기로 제어한다. 그리고, 배터리의 전력으로 모터를 돌려서 동력을 발생시키고 제어장치로 제어한다. 주로 전기에너지를 쓰느냐 주로 가솔린을 이용하느냐에 따라 종류가 나뉜다.
3. 전기 자동차
모터 + 제어장치 + 배터리
배터리에 저장된 전력을 이용해 모터를 돌려서 동력을 발생시키고 제어장치로 제어한다.
운용비와 에너지 효율성
전기자동차의 운용비와 휘발유로 작동하는 내연기관 자동차의 운용비를 비교해볼 수 있다. 내연기관 자동차의 경우, 1리터의 휘발유가 완전히 연소될 때 9.7 kWh의 에너지를 생성한다. 그러나 전기자동차 배터리의 경우, 단지 2.7kWh에너지로 1리터의 휘발유가 연소될 때 발생하는 에너지와 동등한 9.7kWh에너지를 생성할 수 있다. 따라서 운용비는 전기자동차가 더 좋은편이다.
서비스 비용은 전기자동차가 내연기관 자동차보다 더 작다. 내연기관 자동차의 NiMH(nickel metal hydrate)배터리는 자동차 수명기간동안 지속될 수 있는 반면에, 납축전지를 사용하는 전기자동차는 정기적인 배터리 교체를 필요로한다. 그러나 납축전지의 배터리기술이 발전하면서, 전기자동차의 일종인 도요타(Toyota)의 프리우스(Prius)자동차는 300,000 킬로미터 이상을 배터리 교체 없이 가는 것으로 알려져있다. 도요타는 10년/150,000 마일 혹은 8년/ 100,000 마일의 보증제도를 가지고 있고 새로운 배터리의 가격은 앞으로 가격은 계속 낮아질 전망이다.
전기자동차의 에너지 효율성은 전기에너지의 충전과 방전 효율에 따라 정해진다. 보통 한번 충전하였을 경우 충전량의 약 70%에서 85%의 전기에너지가 실제 사용이 가능하다. 또한 충전간에 약 9.5%정도의 에너지 손실이 일어난다. 보통의 전기자동차는 이 동력 소비의 대략 20%정도는 배터리 충전의 비효율성 때문이다. 휘발유자동차의 대부분의 에너지는 열로 발산되어 없어진다. 즉, 휘발유 자동차 엔진은 열효율성이 20%밖에 안 되기 때문에 효율성이 낮다. 따라서 전기자동차의 에너지 효율성은 휘발유자동차의 에너지 효율성보다 좋고, 심지어 하이브리드 자동차의 에너지 효율성보다 뛰어나다.
아래 그림은 전기자동차의 에너지 사용 분포와 전기자동차와 내연기관 자동차의 에너지 소비 분포를 비교한 그림이다.
전기자동차의 고려사항
자동차가 내연기관의 힘이 아니라 순수하게 전기의 힘만으로 구동된다면 자동차 부품시장도 지금과는 많이 달라질 것이다. 가장 먼저 생각해 볼 수 있는 것은 자동차에서 에너지의 근원인 엔진이 모터로 바뀐다는 것인데 자동차를 굴러가게 할 정도의 힘이 있는 구동모터는 일반직류모터의 효율로는 아직 구현하기 힘들고 교류모터라 하더라도 단상이 아닌 삼상 모터가 사용되어야 한다(삼상모터는 교류전압 및 전류가 sine파형으로 발생하게 될 때 3개의 발전코일이 있어 sine파형을 120도 간격으로 발생시키게 되어 효율이 높은 모터를 말함). 따라서 2차전지로부터 전기를 공급받는 구동모터는 교류를 직류로 변환 시켜주는 인버터(Inverter)가 필요하며 대전력이 소요되기 때문에 대전력 스위칭 및 제어용 파워모듈인 IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor) 모듈(KEC)도 포함되어야 한다. 충전되는 전압과 구동모터에 사용되는 전압이 다른 경우라면 컨버터도 필요하다.
또한 구동모터에서는 수백볼트의 고전압을 필요로 하지만 보조기기에서는 12V의 저전압이 사용되기 때문에 DC/DC 컨버터(Converter)는 필수적이다. 도요타에서는 인버터와 컨버터 등을 묶어서 하나의 모듈로 만들어 PCU(Power Control Unit)라고 부르고 있는데 이것이 최근에는 그냥 통용되고 있는 추세이다.
현재의 자동차에서도 전장부품을 제어하기 위해 ECU(Electric Control Unit)가 사용되고 있지만 전기자동차에서는 각 부문에서 추가로 ECU가 필요하게 된다. 가장 대표적인 것이 에어컨 시스템인데 내연기관자동차에서는 엔진에 연결된 벨트로 에어컨을 가동하지만 전기자동차는 정지한 상태에서 아무런 동력이 작동하지 않기 때문에 에어컨을 작동하기 위한 모터가 따로 필요하다(하이브리드자동차의 경우에도 정지 시에는 엔진이 정지하므로 마찬가지다). 따라서 이를 제어하기 위한 ECU도 새롭게 필요하게 되며 이때 모터의 과열을 방지하기 위해 기존의 냉매보다 우수한 냉매의 개발도 이루어져야 한다. 히터의 경우도 마찬가지이다. 냉각수가 데워지는 것을 이용한 기존 방식에서 고전압을 이용한 전기가열식의 PTC 히터와 이를 제어하는 시스템의 개발이 필수적이다.
그리고 기어변속을 제어하거나 각종 부위의 온도를 감지하여 제어하기 위한 ECU도 필요하게 될 것이며 지금도 계속 발전 중인 Steer by wire, Brake by wire 등의 각종 X by Wire(현재의 벨트식 구동을 모터로 대체하여 제어하는 전선으로 연결되는 각종 시스템을 일컬음)도 그 중요도가 점차 높아질 것이다.
전력을 공급하게 될 2차전지는 보호회로를 통해 BMS로 제어하게 되며 배터리의 안전을 위해서는 BMS의 경쟁력을 키우는 것도 중요하며 아직 배터리에 비해 밀도가 낮아서 전력원으로 사용하기는 힘들지만 저장장치로서의 Ultra Capacity도 개발속도에 따라 그 중요도가 높아 질 가능성이 높다.
내연기관내연기관 자동차와의 장·단점 비교
전기 자동차와 기존 화석연료를 이용한 내연기관 자동차를 비교 하면 어떤점이 장점이고 어떤 점이 단점일까? 일단 전기 자동차의 장점으로는 주행중에 유해가스가 전혀 배출되지 않는다. 일반 내연기관 자동차는 미세하게 인체에 유해하고 지구온난화를 만드는 CO2를 발생시킨다 하지만 전기자동차에서는 친환경적으로 이러한 유해물질들은 만들지 않는다. 다음으로 화석연료 보다 비교적 값싸고 깨끗한 전기를 통하여 고효율 저소비 전력으로 이용이 가능 하다. 또한 기계 적으로 발진이 부드럽고 조용하며 점검교환 부품수가 현저히 줄어들어 유지보수 비용이 저렴하다
또한 비싼 가격과 충전소 문제, 전기료 우대 등의 부수적 여건 미비로 인한 전기 자동차 사용 여건 미비도 단점으로 꼽히고 있다. 무엇보다 전기자동차 상용화의 가장 큰 걸림돌은 전기충전소 등의 기반 인프라 구축과 전기자동차에 사용될 전지의 실용성 문제이다. 전기충전소 등의 인프라 구축에는 막대한 재원이 소요될 것으로 보이며 전국적인 충전 인프라 구축을 위해서는 전 국민적 공감대 형성이 필요하다.
하지만 이러한 전기 자동차에도 아직까지는 현실적인 문제들도 남아있다 첫 번째로 충전식이기 때문에 현재의 배터리 용량이 많이 부족하기 때문에 한번 충전 후 항속거리가 짧다. 그래서 많은 기업들이 이러한 배터리, 전기 연료 공급에 대하여 다양한 방법으로 연구중에 있다. 다음으로 차량가격이 아직까지 높다.
많은기업들이 투자와 노력을 지속적으로 하고 있지만 아직까지는 대중화 단계가 아니고 개발 단계이므로 차량개발비, 부품을 포함하여 차량가격이 높다. 다음으로 충전이다. 차량을 구매한다고 하더라도 그 차량에 충전시킬 사회적 인프라가 턱없이 부족하다. 주요소는 길 건너 하나씩은 다 있지만 아직 까지 개발 정착 단계이므로 이러한 사회적인 인프라가 부족 한 것이 사실이다.
| 장점 | 단점 |
| 무공해, 저공해, 저소음 운전 및 유지보수 용이 수송에너지 다변화 가능 주행 효율성 높음 |
주행 성능이 나쁨 배터리 무게가 너무 무겁고 충전 시간이 김 비싼 가격 전기 자동차 사용여건 미비 |
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