전기차와 내연기관 차량 패달은 어떤 방식으로 신호를 전달할까?

1. 전기자동차와 내연기관차의 차이

현대자동차 PE 시스템

 

 이전에 우리는 전기자동차에 PE 시스템은  모터와 감속기 인버터로 구성된다는 사실은 널리 알려져 있다. 

하지만 내연기관차에서 기존 엑셀러러이터 라고 불리는 가속 장치인 가스 페달(gas pedal)의 경우 엔진에 유입될 공기의 양을 제어한다고 생각하면 접근이 편할 것 같다. 실제로 가속페달을 밟으면 액셀러레이터 케이블과 연결된 스로틀 밸브가 엔진에 유입될 공기의 양을 제어해 ECU가 적절한 비율로 기화된 연료를 섞어 공급해 준다는 사실은 워낙 기본적인 내연기관의 상식이다. 하지만 전기자동차는 가속을 하는데 공기를 필요로 하지 않고 전기로 제어를 하는데 엑셀(엑셀레이터를 이하 엑셀이라 칭함)을 누르면 어떠한 현상이 일어나는지 오늘 한번 이야기해보려 한다.

 

2. 전기차 동력 전달방식

 사실 전기차의 속도는 기본적으로 주파수에 의해 결정이 되며 진폭에 의해 토크의 크기가 결정이 된다.라는 기본적인 사실에서 출발을 해보자 이 부분도 간단한 건 아니지만 일반적으로 전기차 모터는 PMSM계열의 모터를 사용하고 그러한 모터를 제어하는 데 있어 필수적인 기술은 인버터에서 3 상교류를 만들어 시변전압을 인가해주는 것을 기본으로 한다.

 

 필자가 전공자에게 설명하라 하면 이 정도로 설명하겠지만 사실 이렇게 말했다가는 일반인은 대다수 뭔 개소리를 하는 거냐 라는 눈빛으로 볼 테니 좀 더 자세하게 들어가 보자. 기본적으로 구동모터를 사용하고 인버터를 사용하고 감속기를 사용하는 것까지는 이해를 했으니 이게 각각 무슨 역할을 하는지 부터이해를해보자

 

구동모터는 전압을 인가해 에너지를 동력을 변환하고 인버터는 배터리의 전압을 구동모터로 전달하는 역할을 수행한다 감속기는 전기차의 모터에서 나오는 고 RPM을 저속 고토크로 변환해 주는 역할을 한다에서 이야기를 시작해 보자

 

자료: 한국IR협의회(2020) 재인용

 

위와 같은 상황에서 인버터를 포함한 전력제어 시스템을 MCU (Motor Control Unit)라고 칭하고 실제적으로 가속 페달을 밟으면 어떤 일이 일어나는지 한번 이야기해보자

 

3.MCU의 제어방식

가속 패달 조작량 및 조작속도 검출

 

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차량의 가속과 감속변화

 

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차속이나 부하등 조건에 따라 모터의 토크와 회전속도제어

 

 

 위의 논리구조를 따라가는데 결론적으로 패달을눌럿을때 결국 모터의 토크와 회전속도가 제어되는 것이지만 직류모터와 교류모터일 때는 양상이 조금 다르다 하지만 대부분의 전기차 모터가 교류를 사용하지만 직류의 경우 가변저항기로 적당히 회로변환하면 돼서 상당히 간단하다 전압자체는 고정이라도 전류제어가 쉬워서 생각보다 단순하다.(물론 부드럽게 하기 위에서는 PWM이나 반도체 소자를 사용해하지만 이는 나중글에서 다루기로 하고)

 

하지만 교류모터의 경우 가속페달을 밟았을 때 스위칭 소자를 1상에 2개씩 준비해 전류를 펄스상태로 하고 조밀 방향을 변화시켜 교류를 만든다라고 이야기하지만 이 부분은 전력전자공학과 제어공학이 깊이 있게 들어가야 하는 부분이기에

아래정도의 이해만을 가지고 있자.

현대 NGV 강의자료

 

4. 결론

 결론적으로 하고 싶은 말은 페달을 밟는 것이 EV를 제어할 때 기존 내연기관차는 산소의 량을 제어했다면 전기차의 경우 스위칭 소자를 제어해 토크와 속도를 제어하는 것이다 아 왜 속도만 제어하면 되는데 둘다하냐는 질문이 당연히 나올만하고 이경우 최적효율을 가지는 영역에서 운전을 해야 하고 이를 제어하는 방식이 수많은 전문적인 제어방식들이 존재하므로 결코 단순하게 제어되는 것은 아니며 직관적으로 말하면 페달에 따라 파형의 진폭과 주파수를 제어한다라 이해하면 될 것이다.