친환경 자동차 구조 - chinhwangyeong jadongcha gujo

친환경 모빌리티에 대한 관심은 전기차 시장의 성장으로 이어지고 있습니다. 뛰어난 경제성과 높은 성능으로 운전자들의 마음을 사로잡고 있는 전기차에 대해 살펴봅니다.

모터가 엔진을 대신하는 것처럼 전기차의 구조도 내연기관차와 다릅니다. 전기차를 구성하는 주요 부품과 전기차의 특징에 대해 알아봅니다.

전기차는 전기를 동력으로 하는 자동차입니다. 화석 연료를 연소시켜 구동 에너지를 얻는 내연기관차와 달리 배터리에 축적된 전기로 모터를 회전시켜 구동 에너지를 얻습니다.

전기차의 모터는 고효율·고출력 영구자석형 구동모터로 높은 출력과 회전력을 갖고 있습니다. 내연기관차의 엔진과 달리 주행 중에도 소음과 진동이 거의 발생하지 않습니다.

감속기는 모터의 회전을 바퀴에 효율적으로 전달하기 위해 탑재하는 장치입니다. 모터의 회전수(RPM)를 필요한 수준으로 감속해 더 높은 회전력(토크)을 얻을 수 있도록 조정하는 역할을 합니다.

전기차는 모터를 움직이는 전기 에너지를 고전압 배터리에 저장해뒀다가 필요할 때 사용합니다. 배터리 기술 발전에 따라 최근 출시된 전기차의 1회 충전 주행거리는 초기 전기차보다 크게 늘었습니다(현대차 코나 일렉트릭 기준 406km).

EPCU(Electric Power Control Unit)는 전기차의 통합전력제어장치를 뜻합니다. 인버터, LDC, VCU로 구성되어 있습니다.
– 인버터(Inverter): 고전압 배터리-모터 간 전력을 변환(AC↔DC)
– LDC(Low voltage DC-DC Converter): 고전압 배터리의 전압을 저전압(12V)으로 변환해 전장 부품에 공급
– VCU(Vehicle Control Unit): 차량 내 전력 제어기를 총괄하는 컨트롤 타워

OBC(On Board Charger)는 고전압 배터리의 충전을 위해 외부 AC 전원을 DC 전원으로 변환시키는 장치입니다. 보통 급속 충전은 DC 충전으로 진행되기에, 일반적으로 DC 충전기를 급속 충전기라 부릅니다.

같은 거리를 주행했을 때 전기차 충전 비용은 내연기관차의 연료비보다 월등히 경제적입니다. 심지어 출퇴근 거리에 따라 대중교통 이용비보다 유지비가 적게 드는 경우도 있습니다.

전기차는 작동하자마자 최대 토크가 발생해 내연기관차 대비 중저속에서의 가속력이 뛰어납니다. 배터리가 차체 하단에 탑재된 전기차의 경우 무게중심이 낮아 선회성이 우수하고, 가감속 안정성도 좋습니다.

환경부 자료에 따르면 가솔린차를 전기차로 대체했을 때, 1대 당 연간 2톤의 CO₂를 감축할 수 있습니다. 향후 풍력, 태양광 같은 친환경 재생에너지 발전이 보편화되면 전기차는 현재보다 더 친환경적인 이동수단으로 거듭날 수 있습니다.

1. 전기차(Electric Vehicle)

  고전압 배터리에서 전기에너지를 전기모터로 공급하여 구동력을 발생시키는 차량으로, 화석연료를 전혀 사용하지않는 완전 무공해 차량입니다.

• 내연기관차와 달리 엔진이 없이 배터리와 모터만으로 차량 구동
• 엔진이 없으므로 배출가스와 온실가스를전혀 배출하지 않음
• 충전용량이 적을 경우 배터리 주행거리에 제한이 있음

2. 수소전기차(Fuel Cell Electric Vehicle)

  수소전기차는 수소와 공기중의 산소를 직접 반응시켜 전기를 생산하는 연료전지를 이용하는 자동차로서 물 이외의 배출가스를 발생시키지 않기 때문에 각종 유해물질이나 온실가스에 의한 환경피해를 해결할 수 있는 환경친화적 자동차입니다.

수소전기차 작동원리

수소가 연료전지에 공급되면 전자와 수소이온으로 분리되고 이 때 발생한 전자들은 외부 회로로 전달되어 연료전지 자동차의 모터를 구성하는 동력원인 전기 에너지로 사용됩니다. 또한 수소에서 분리된 수소이온들은 전해질 막을 통과해 막 반대편의 연료전지에 공급된 공기중의 산소와 반응하여 물을 생성하게 됩니다. 이 때 생성된 물은 수소전기차의 유일한 배출물로서 남은 공기와 함께 대기 중으로 배출됩니다.

수소전기차 구동원리

수소전기차는 내연기관차와 달리 엔진이 없으며, 전기차와 달리 전기공급 없이 내부에서 전기를 생산합니다.

• 수소탱크 : 충전소에서 충전한 수소를 고압(700bar)으로 저장
• 연료전지 : 수소와 산소를 화학반응시켜 전기를 생산
• 배 터 리 : 연료전지에서 생산된 전기를 저장
• 모 터 : 배터리에 저장된 전기를 이용하여 자동차 바퀴를 구동

수소전기차 연료전지의 구조

수소와 공기 중의 산소를 반응시켜 전기에너지를 생성하는 차세대 무공해에너지입니다.

수소는 (-)극에서 산화되고 산소는 (+)극에서 환원됩니다. 이 반응식에서 볼 수 있듯이, 수산화 이온(OH - )의 농도는 변하지 않고, 단지 수소와 산소로 물이 만들어집니다. 이것은 수소가 공기 중에서 연소하여 물이 되는 반응과 동일합니다.

3. 하이브리드차

  하이브리드차는 엔진과 모터동력을 조합하여 구동하는 자동차이다. 출발과 저속주행시에는 엔진 가동 없이 모터동력만으로 주행합니다. 또한 배터리 충전은 ‘회생제동’이라는 방식으로 이루어지는데, 그 원리는 감속시 브레이크를 밟으면 모터가 발전기로 전환되어 전기를 생성하여 배터리에 충전하는 방식입니다. 이 때문에 연비가 기존의 내연기관차 보다 40% 이상 높고 배기가스는 저감됩니다. 또한 엔진출력에 모터출력이 추가되어 큰 구동력이 필요한 오르막길 등에서도 가속성능이 좋고 정숙한 승차감을 갖는 장점이 있습니다.

하이브리드차 작동원리

연료 소모는 최소화하면서 주행 성능은 극대화하기 위해 출발과 저속주행, 가속주행, 고속주행, 감속주행, 정지 등 5가지 주행 형태별로 모터주행과 엔진주행을 적절히 조합한 주행모드로 주행합니다.

• 엔진에 모터의 동력을 더해 큰 힘으로 구동
• 차량 감속시 회생제동으로 충전하였다가 출발, 저속주행시 모터 동력만으로 주행하기 때문에 가솔린차 대비 연비40% 이상 좋음

4. 플러그인하이브리드차

플러그인하이브리드차는 엔진과 모터동력을 조합하여 차량을 구동하는 면에서 하이브리드차와 동일합니다. 하지만 플러그인하이브리드차는 외부 전원을 연결하여 배터리를 충전할 수 있고, 하이브리드차는 감속시 생산한 전기만으로 충전한다는 점에서 다릅니다. 외부 전원으로 배터리를 충전할 수 있기 때문에 하이브리드차보다 긴 구간을 모터만으로 주행할 수 있습니다.

플러그인하이브리드차 작동원리

배터리를 가득 충전한 후 출발하면 처음 40km 전후까지 배터리 전원의 힘만으로 가는 전기차모드로 주행하고, 그 이후는 배터리 충전량을 일정 수준으로 유지하면서 하이브리드 모드로 주행합니다.

• 전기차 모드와 하이브리드차 모드로 주행이 가능하여 전기차의 짧은 주행거리를 극복
• 출퇴근거리(30~40km)를 연료 소모없이 전기차 모드로만 주행 가능
• 전기차 모드의 주행기능 강화로 하이브리드차 대비 배출가스 40~50% 저감