전기차에서의 홀 센서(Hall Sensor) 활용 방식

모터의 홀 센서(Hall Sensor)에 대하여 알아보자[홀 센서, 홀센서 수식, 홀센서 구조, 홀 센서역할,

 

 

 이전글에서 홀센서의 개념에 대해 다뤘고 이번글에서는 전기차(EV, Electric Vehicle)에서 홀센서에 대해 세부적으로 다뤄보자, 우선  전기차는 전기 모터를 통해 구동되며, 효율적인 구동을 위해서는 다양한 센서 기술이 필수적으로 사용된다.

 

 그중 홀 센서(Hall Sensor)는 전기차 모터의 핵심적인 센서로, 위치, 속도, 방향 등을 정밀하게 측정하여 모터의 성능을 최적화하고 제어하는 데 중요한 역할을 한다. 물론 엔코더를 사용하는 경우 또한 존재하지만 실제로 닛산 리프의 경우 홀센서를  활용하고 있음을 밝히고 있으니, 이번 글에서는 전기차에서 홀 센서가 어떻게 사용되는지, 그 구체적인 원리와 다양한 활용 방식에 대해 깊이 있게 다뤄보자

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1. 홀 센서의 전기차 활용 배경

전기차는 전통적인 내연기관 자동차와 달리 전기 모터를 기반으로 구동되며, 이 과정에서 모터와 관련된 정보를 실시간으로 감지하고 제어하는 것이 매우 중요하다.  전기차의 구동 시스템은 정밀한 속도 제어, 토크 제어, 회전 방향 감지 등이 필요하며, 이러한 기능을 구현하는 데 있어 홀 센서와 엔코더중 하나를 선택해야 할 필요가 있다.

 

홀 센서는 자석을 이용해 전기 신호로 변환된 정보를 모터 제어 시스템에 전달함으로써 전기 모터가 효율적으로 작동할 수 있게 돕지만 엔코더에 비해 정확성은 떨어지는 단점이 있다. 그러나 엔코더는 그만큼 가격이 높기에 트레이드오프 관계에 있는 홀센서를 활용해서 전기차의 주행 성능을 극대화하고, 배터리 에너지의 효율적인 사용을 가능하게 만들 수 있다면 홀센서를 활용하는 것이 좋은 선택지일 수 있다.

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2. 전기차 구동 모터에서의 홀 센서 활용

전기차에서 사용되는 모터는 일반적으로 PMSM이니다. 이들 모터는 브러시를 사용하지 않으므로, 정밀한 위치 제어가 필수적이고, 여기서 홀 센서는 모터의 회전자(로터)의 위치와 회전 속도를 실시간으로 감지하여 모터 제어 시스템에 중요한 정보를 제공한다.

2.1 위치 감지

전기차의 모터는 매우 정밀한 위치 감지가 필요하다. PMSM 모터 코일에 흐르는 전류를 시기적절하게 전환해야 최적의 성능을 발휘할 수 있는데, 이를 위해 홀 센서는 로터의 위치를 감지하고 제어 시스템에 실시간으로 데이터를 전송한다. 이 정보는 모터 내부의 전자기장 스위칭을 제어하는 데 사용된다.

 

특히, 전기차의 주행 중 모터가 회전하는 동안 정확한 위치 정보가 필요하며, 이는 홀 센서를 통해 이루어진다. 위치 정보가 정확하지 않다면 모터의 효율이 떨어지고 불필요한 전력 소모가 발생하게 되므로, 따라서, 홀 센서를 통해 위치를 정밀하게 감지함으로써 에너지 효율을 극대화할 수 있다.

2.2 속도 제어

전기차 모터의 속도를 정밀하게 제어하는 것은 전력 소모를 최소화하고 주행 효율을 극대화는 역할을 한다. 홀 센서는 로터의 회전 속도를 실시간으로 감지하여, 모터 제어 시스템이 주행 조건에 맞게 적절한 속도를 유지할 수 있는데,

 

예를 들어, 전기차가 가속할 때나 감속할 때, 모터의 속도는 상황에 맞게 변속하는 과정에서, 홀 센서는 이러한 속도 변화를 즉각적으로 감지하여 속도 제어 피드백 루프에 필요한 데이터를 제공한다. 이로 인해, 전기차는 다양한 속도 조건에서 안정적으로 주행할 수 있다. 특히, 정지 상태에서 출발하거나 고속 주행 중 속도를 미세하게 조정할 때, 홀 센서의 역할이 두드러진다.

2.3 방향 감지

전기차의 경우, 모터의 회전 방향을 정확하게 감지하고 제어하는 것이 중요하다. 홀 센서는 자석의 S극과 N극을 구분할 수 있기 때문에, 모터가 시계 방향으로 회전하고 있는지 아니면 반시계 방향으로 회전하는지를 실시간으로 감지할 수 있다. 이를 통해 모터의 방향 제어가 가능해진다.

 

특히 전기차에서 주차 모드나 후진 모드로 변환할 때, 모터의 회전 방향을 정확하게 바꿔줘야 하며, 이때 홀 센서가 이를 감지하고 제어할 수 있는 중요한 데이터를 제공한다. 이 과정은 전기차의 기동성과 주행 안전성을 향상하는 데 크게 기여한다.

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3. 전기차 내 기타 시스템에서의 홀 센서 활용

홀 센서는 단순히 모터의 제어에만 사용되지 않고, 전기차 내부의 다양한 시스템에서도 중요한 역할을 한다.  물론 이는 엔코더와 동일한 역할이므로 어떤 것을 선택할지는 시스템 설계자의 선택이다.

3.1 전기차의 브레이크 시스템

전기차에는 전통적인 마찰 브레이크와 함께 회생 제동 시스템이 적용된다. 회생 제동 시스템은 제동 시 모터가 반대 방향으로 작동하여 에너지를 회수하는 방식으로, 이 과정에서 발생하는 에너지를 배터리에 다시 저장할 수 있다. 이때 홀 센서는 제동 시 모터의 회전 방향과 속도를 정밀하게 측정하여, 회생 제동의 효율을 극대화시키는 역할을 한다.

 

제동 할 때 모터의 회전 방향이 즉시 반대로 전환되며, 이때 홀 센서는 이를 실시간으로 감지하여 제동력을 제어한다. 또한, 회생 제동을 통해 발생하는 에너지를 효율적으로 회수하기 위해서는 모터의 회전 속도와 배터리의 상태를 적절하게 조정해야 하는데, 이 과정에서도 홀 센서가 중요한 데이터를 제공한다.

3.2 전기차 스티어링 시스템(전동식 파워 스티어링, EPS)

전동식 파워 스티어링(Electric Power Steering, EPS) 시스템은 전기 모터를 통해 차량의 조향을 보조하는 시스템이다. 이 시스템에서도 홀 센서가 사용된다. 스티어링 휠의 각도와 조향 모터의 회전 속도를 감지하여, 운전자가 필요로 하는 조향력을 정확하게 전달할 수 있다.

 

홀 센서는 스티어링 휠의 위치와 각도를 감지하고, 이를 통해 차량이 정밀하게 방향을 변경할 수 있도록 돕는다. 이 시스템은 저속에서는 큰 조향 보조력을 제공하고, 고속에서는 작은 조향 보조력을 제공하는 방식으로 작동하므로, 홀 센서는 속도와 위치 정보를 정확하게 감지해 안정적인 주행을 보장한다.

3.3 배터리 관리 시스템(BMS)

전기차의 핵심 구성 요소 중 하나인 배터리 관리 시스템(BMS, Battery Management System)에서도 홀 센서가 활용될 수 있다. BMS는 배터리의 상태를 모니터링하고, 충전 및 방전 과정을 제어하여 배터리의 수명을 연장하고, 차량의 에너지 효율을 극대화하는 시스템이다.

 

일부 전기차에서는 전류 센싱을 위해 홀 효과를 이용하는 홀 전류 센서가 사용된다. 이는 배터리 팩에 흐르는 전류를 실시간으로 측정하여, 배터리의 충전 상태(SOC, State of Charge)를 추정하고 배터리의 과충전이나 과방전을 방지하는 데 도움을 준다. 배터리 관리 시스템은 전기차의 안전성과 성능을 유지하는 데 필수적인 시스템이며, 홀 센서는 이를 지원하는 핵심적인 역할을 한다.