배터리와 알터네이터를 다시 한 번 상기 시키는 이유가 있습니다.
배터리는 독립적인 존재가 아닙니다. 뭔가 영향을 주는 요소에 흔들리는 녀석이지요..
그래서 시동을 끄고 나서 배터리가 문제가 생겼다는 것은 차량에서 전기가 빠져 나와서 그런것이이지요..
그런데 배터리는 방전이 되고 나서 다시 충전을 해 줘야하는데 그 역할을 하는 것이 알터네이터입니다.
충전을 해 주는 장치 즉 알터네이터가 제대로 작동을 하려면 충분한 주행을 통한 전기공급 입니다.
이러한 부분을 좀 더 구체적으로 다뤄봤으니 참고해서 보셨으면 합니다.
가. 배터리 : 시동 전에는 배터리가 라디오, 미등, 시가, 자동도어, 리모컨장치 등 여러 가지 전기장치에 전기를
공급하다가 시동 후는 배터리는 충전만 합니다.
배터리는 외부로부터 얻은 전기 에너지를 화학적 에너지로 바꾸어 저장하는 장치로 일반적인 자동차에서는
납산 배터리가 사용됩니다. 납산 배터리는 이온화한 <전기분해액(묽은황산)>안에서 플러스와 마이너스 금속에
화학반응을 일으키게 하여 전기를 발생시킵니다. 여기서 만들어지는 전기는 직류로서 플러스와 마이너스의
1개조로 편성된 셀(cell)이라고 불리는 얇은 상자에 넣으며, 1개의 셀은 약 2V의 전압을 축전하게 됩니다.
일반적으로 승용차에서는 6개의 셀을 직렬로 연결한 12V용 배터리가 사용됩니다. 2.5톤 이상 혹은 25이상의
디젤 자동차량의 경우 24V를 사용합니다.(12V배터리 2개를 직렬로 연결)
배터리의 충전은 <알터네이터>라 불리는 발전기에 의해서 이루어지며, 충전과 방전을 반복하는 과정에서
성능이 조금씩 떨어지게 되어 있습니다. 정기적으로 배터리 교환이 필요한 것은 이 때문입니다. 배터리는
저온에서는 화학반응이 원할하게 이루어지지 않아 겨울철에 문제가 많이 발생하며, 화학반응이 원활한
여름철에는 전력을 많이 소비하는 에어컨을 사용하므로 배터리의 소모량이 많이 문제가 발생을 합니다.
최근에 널리 이용되는 앞바퀴 구동 자동차의 엔진 룸에는 많은 부품의 장착으로 인하여 공간이 적어 열의
영향을 받기 쉽습니다. 또 자동차 네비게이션, 블랙박스, 기타 안전을 위한 장치, 편의를 위한 장차 등의
전장품 등이 증가되고 있어 배터리의 용량은 이전 것보다 높은것이 좋습니다.
나. 알터네이터 :
시동이 걸린 후부터는 자동차의 모든 전기장치는 알터네이터 전압으로 동작을 합니다.
알터네이터는 시동이 걸려야 전기를 만들고(절대조건),
엔진 힘이 좋아야 양질의 전기로 충전도 잘 시킨다는 것을 꼭 염두에 두셔야 합니다.
참고로 알터네이터의 의미를 더 살펴보면,
알터네이터는 교류발전기 혹은 AC발전기라고 합니다. 엔진의 동력을 이용하여 로터를 회전시켜 전자유도에 의해
교류 전류를 발생시키며, 교류 전류를 직류 전류로 정류하여 배터리에 충전을 합니다.
1) 크랭크축의 회전으로 전기를 발생
- 자동차에는 점화를 위해 사용하는 전기 외에도 여러 전기 시스템에 사용되고 있습니다. 엔진을 냉각하는 팬이나
와이퍼 및 에어컨, 오디오, 네이게이션, 전동 시트 등으로 수없이 많습니다. 이러한 전기 장치에 필요한 전기를 만들어
내는 것이 알터네이터입니다. 알터네이터는 크랭크 축의 회전력을 이용하여 전력을 발생시키고 있으며, 알터네이터로
발전된 전기는 배터리에 저장될 수 있습니다.
2) 전기 부품의 발전
- 자동차에 사용되는 전기가 직류였기 때문에 예전에는 직류 발전기(DC 제너레이터,발전기)가 사용되었습니다. 그러나
직류발전기는 전력을 발생할 경우 자계를 만들기 위해서 스스로 발전한 전력을 소비하였기 때문에 엔진의 회전수가
높은 경우 이외에는 배터리에 충전을 할 수가 없었습니다. 현재는 저속 회전에서도 발전 능력이 높고 소형이며, 내구성이
뛰어난 알터네이터, 즉 교류발전기가 이용되고 있습니다. 발전된 교류 전류는 직류 전류로 변환하여 각종 전동 부품에
공급이 됩니다. 엔진의 회전수가 높아지면 발전 전압이 상승하므로 전압을 일정하게 유지하는 조정기 등이 설치되어 있습니다.
그렇다면 배터리는 초기에 시동을 걸어주기 위한 최소한의 역할을 감당합니다.
시동 후에는 알터네이터의 동작으로 인해 전기가 생성되고 알터네이터가 배터리를 충전시켜 줍니다.
전기는 자동차 전체에 흘러 다니며 여러 부품 동작에 영향을 주기 때문에 기계처럼 어느 부품에
국한하여 독립적으로 설명하기가 어렵습니다.
배터리방전이 잦다면 배터리불량으로 보기 이전에 충전부족의 원인이 더 크다고 보셔야 합니다.
그러므로 방전이 잦거나 전압이 불안정하면 먼저 전압을 안정시키는 것이 근원을 해결하는 지름길입니다.
따라서 좋은 전기관리가 배터리수명 외 자동차 질을 좋게 하는 지름길입니다.
자동차 알터네이터는 엔진이 동작할 때 배터리를 충전하여 자동차 전장 시스템에 전력을 공급할 수 있게 해주는 장치입니다. 아래 사진은 엔진의 모습입니다. 그중에서 빨간색 원으로 표시한 부품이 알터네이터입니다. 엔진이 회전함에 따라 벨트를 통해 알터네이터를 회전시켜줍니다. 내연기관차는 엔진이 동작하지 않을 때는 배터리를 충전하지 못하고, 엔진이 동작하여 알터네이터를 회전시킬 때 배터리가 충전됩니다.
차를 오랫동안 주차하면 블랙박스 동작에 의한 전력 소모 또는 전장품 암전류에 의한 전력 소모로 인해 배터리가 방전되게 됩니다. 배터리가 방전되면 스타터 모터가 동작하지 않아 엔진을 기동할 수 없어 시동이 걸리지 않습니다. 하지만, 배터리를 충전하여 한번만 엔진을 기동하게 되면 그 이후로는 알터네이터가 동작하면서 차량 부품에 전력 공급이 가능합니다. 그리고 차를 오랫동안 주차하게 되면 배터리 방전되는 것을 염려하여 차를 몰고 한 바퀴씩 돌고 오는데, 엔진을 회전시켜 알터네이터를 통해 배터리를 충전하기 위함입니다.
아래 사진은 자동차 알터네이터의 모습입니다. 마치 모터와 유사하게 생겼습니다.
자동차 제조사마다 사양이 다르고 최근에는 스마트 알터네이터의 개발로 다양한 조건에서 최적화된 운전 성능을 보이지만, 설명의 편의를 위해 승용차 알터네이터의 일반적이고 기본적인 동작에 대해서만 알아보겠습니다. 엔진이 시동 되기 전에 배터리는 보통 12V 내외를 유지하고 있습니다. 그리고 엔진이 기동되면서 알터네이터가 동작하면 14V 정도까지 전압이 상승하게 됩니다.
알터네이터의 핵심 기능만 알 수 있게 아래 그림과 같이 회로를 간략하게 정리하였습니다.
그림. 3 알터네이터와 전압조정기의 회로
먼저 알터네이터 블록을 먼저 알아보겠습니다. 알터네이터는 모터와 마찬가지로 고정자(stator)와 회전자(rotor)로 구성되어 있고 모두 코일로 되어 있습니다. 고정자는 3상 코일로 되어 있으며, 회전자는 DC 모터의 회전자 같이 전자석의 원리입니다. 다만 알터네이터는 자석이 없고, 엔진이 로터를 회전시킵니다. 로터 코일에 흐르는 전류에 의해 전자석이 되고 로터가 회전하면서 고정자에 기전력을 발생시킵니다. 이때 고정자에는 3상 AC 전류가 발생합니다. 3상 AC 전류는 정류기를 통해 DC로 변환되어 배터리에 충전됩니다.
그림. 4 DC 모터의 구조 (고정자는 자석, 회전자는 브러시와 코일로 구성)
알터네이터의 로터는 엔진이 돌고 있을 때 함께 계속해서 회전합니다. 배터리가 완충되었다면 로터에 흐르는 전류를 끊어, 엔진의 부하를 낮추는 것이 효율적입니다. 이때, 배터리가 완충되었으면 로터에 흐르는 전류를 끊고, 배터리가 소모되면 로터에 전류를 흘려주는 역할이 바로 전압 조정기(regulator)입니다. 그림 3의 전압 조정기는 기능을 설명하기 위한 단순화 시킨 회로입니다. 배터리 전압이 높을 때와 낮을 때 전압조정기가 어떻게 동작하는지 알아보겠습니다.
※ 자동차 제조사마다 다르겠지만 일반적인 B, S, L의 의미부터 살펴보겠습니다.
B : 배터리가 충전되는 경로
S : 배터리 전압 센싱, 배터리 전압이 낮으면 로터 코일에 전류를 흐르고 배터리 전압이 높으면 로터 코일에 전류를 흐르지 않음
L : 충전 경고등
(1) 시동 후 배터리 충전이 필요할 때
그림. 5 시동 후 배터리 충전이 필요할 때 알터네이터와 전압조정기 동작
엔진이 회전하고 있기 때문에 로터 코일은 엔진과 함께 회전하고 있습니다. 그리고 배터리 전압이 낮아 R1, R2 전압 분배 회로에 의해 제너다이오드 ZD1을 통과하지 못합니다. Q2는 off 상태가 되며, Q1의 베이스로 전류가 흘러 Q1이 on 상태가 됩니다. 이렇게 로터 코일은 여자 되며, 알터네이터에서 생성된 전류가 트리오 다이오드에서 로터를 통과해 Q1을 통해 접지로 흐릅니다. 알터네이터에서 생성된 전압은 배터리 전압보다 높아 충전이 시작됩니다. 충전램프의 양단은 전위가 같아 램프는 꺼져있습니다.
(2) 시동 후 배터리 충전이 과다할 때
그림. 6 시동 후 배터리 충전이 과다할 때 알터네이터와 전압조정기 동작
마찬가지로 엔진이 회전하고 있기 때문에 로터 코일은 엔진과 함께 회전하고 있습니다. 배터리 충전이 과다하여 배터리 전압이 높다면 R1, R2 전압 분배 회로에 의해 제너다이오드 ZD1를 통과하게 됩니다. Q2는 on 상태가 되며, Q1의 베이스로 전류가 흐르지 못하고 Q2를 통해 전류가 흐릅니다. Q1은 off 상태이며, 로터 코일로 전류가 흐르지 않게 됩니다. 이때 로터가 여자 되어 있지 않기 때문에 알터네이터로 부터 전력 공급이 중단되고 배터리의 전력만으로 전장에 전원을 공급합니다. 또한, 로터가 여자 되어 있지 않아, 함께 회전하는 엔진 입장에서 부하가 줄어들게 됩니다.
(3) 시동 전 Key on 상태
그림. 7 시동 전 Key on 상태 일 때 알터네이터와 전압조정기 동작
Key on 상태는 엔진이 기동되어 있지 않으며, 자동차 제어기들이 on 되어 있는 상황입니다. 따라서 알터네이터는 동작하지 않지만, 제어기들이 배터리를 계속 소모하고 있는 상황입니다. 배터리 전압이 낮은 상태이기 때문에 "배터리 충전이 필요할 때"와 마찬가지로 Q1이 on 상태가 됩니다. 그리고 배터리와 트리오 다이오드 사이의 전위차가 발생하여 충전 경고등이 on 됩니다.
※ 알터네이터가 과온 상태가 되면 저항 RT가 작아지게 되어 "시동 후 배터리 충전이 과다할 때"와 같이 동작합니다. 즉, 레귤레이터가 동작을 멈추고 로터 코일에 전류를 흐르지 않게 됩니다.