전기차 모터의 효율과 출력밀도란?

 

전기자동차에 대해서 논할 때 모터는 고효율과 고출력밀도를 가져야 한다 라는 정의를 쉽게 이야기하곤 합니다. 그래서 이 말의 정확하게 무슨 의미인데?라는 생강이 들기도 하고 무조건 그럼 효율만 좋으면 장땡이야? 출력밀도만 높으면 되는 거야?라는 이야기가 나오곤 하죠 오늘은 이에 대해 하나하나 다뤄봅시다.

1. 모터의효율 (Efficiency)

모터는 이전에 정의하였지만, 전기에너지를 동력에너지로 변환하는 기기입니다. 여기서 효율은 입력된 전기에너지가 얼마나 기계적 에너지로 전환되는지를 나타내며, 결론마 놓고 말씀드리면 전기차 주행 거리와 에너지 소비에 직접적인 영향을 줍니다. 

 

1.1 왜 효율이 높아야 하는가?

근본적인 질문에 가깝습니다. 물론 효율이 높으면 좋은 게 맞지만 조금 낮아도 문제없지 않나?라는 생각이 듭니다. 약간의 손실을 감수하고 굴려도 되는 거잔 아? 아니야? 이런 생각이 들법하죠

 

 여기서 아셔야 할 개념이 일반적으로 전류를 사용하기는 기기에서 손실은 열로 방출됩니다. 가장 기본적인 손실을 구하는 수식인 아래와 같은 수식에 기반해서 말이죠

 

사실 이런 식으로 손실이 발생하게 물리적으로 발생하게 된다면? 크게 문제가 없을 수 있습니다. 진동 좀 나고 마는 걸로 해석될 수도 있지만 가장 큰 문제는 이러한 손실이 열로 발생된다는 점입니다.

 

자석의 큐리온도에 대에서 먼저 논하고 갈까요?

 

이전글에서도 언급하였지만 일정온도 이상에서는 PM모터기준 불가역 감자가 일어나는 경우가 있습니다. 일정한 온도이상에서 자석이 자성을 잃어버리는 현상이죠

 

전기자동차 구동모터는 왜 냉각해야 하는가? 열이 끼치는 영향은?

 

뿐만 아니라 결국 융해부터 내부전식 거기에 기존계산해 둔 모터의 진동변수까지 고려해야 할 수치가 상당히 많아지니, 냉각을 무조건 적으로 해야 하고, 냉각해주지 않으면 결국 고장이 발생하기에  수명이 줄어들죠, 결국 냉각시스템에 필요한 에너지의 양이 늘어나니

 

결론적으로는 우리는 고효율의 기기를 만들 수밖에 없는 겁니다.

 

1.2 효율 산정방법

 

모터의 효율을 산정하는 데 있어 크게 2가지 방식이 나누어지지만 오늘은 위에 수식 중심으로 해석해 보겠습니다.

물론 부하별 특성과 상황에 따른 과부하율 운전상황 등등의 고려사항이 다양하지만

 

가장 간단힌 이론부터 해석해 보기로 하죠 실제 모터의 효율률의 핵심은 저겁니다 출력대비 해석을 기반으로 시스템을 산정하지만 시렞로는

 

  과부하율(Service factor)을 고려합니다. 모터 내부에 손상(Damage)이 발생하지 않으면서 동작시킬 수 있는 최대 부하율을 고려한 후 3상 모터의 경우 역률까지도 고려합니다. 결국 출력에 따른 힘을 따로 산정해야 한다는 것인데 우선 여기까지만 다루자고요

 

결론적으로는 손실에 대한 세부분석을 한다 정도로만 이해하시면 되는 겁니다.

 

2. 출력밀도 (High Power Density)

 출력밀도는 모터의 단위 부피당 출력 성능을 나타내며, 모터의 크기를 작게 유지하면서 최대한 높은 출력을 낼 수 있는지를 평가하는 지표입니다.

 

 이는 전기차 설계에서 공간과 무게에 영향을 끼치기에 체적기준과 출력기준으로 나누어서 고려합니다.

 

간단히 정리하면 다음과 같은 정의로 설명할 수 있죠 결국은 출력밀도를 높이는 것은 크기를 줄이고 무게를 줄여서 이득을 보겠다 정도로 이해하시면 됩니다.

 

이러한 문제를 해결하기 위해서 헤어핀권선 분할코어등 많은 연구가 진행되고 있으니 이 부분은 나중에 다뤄보겠습니다.