기계/조선

특집: 전기자동차용 파워트레인의 계측 제어 기술

이것은 ‘전기자동차용 파워트레인의 계측 제어 기술’ 특집에 관련된 기초적인 용어를 해설한 용어집이다. 독자가 이번 특집을 이해하는데 도움이 되길 바란다.

주행 중의 와이어리스 급전
주행 중의 전기자동차 등에 와이어리스로 전기를 공급하는 기술을 말한다. Dynamic Wireless Power Transfer(DWPT)라고 불리는 경우가 많다.

전력 변환 회로
전력에 대해 전압, 전류, 주파수(또는 직류), 역률(力率), 상수, 파형 등의 전기적인 특성 가운데 1개 이상을 실적적인 손실 없이 변환하는 회로를 말한다. 또한 입출력 간을 전기적으로 절연하는 기능을 가진 경우도 있다. 어느 정도 이상 큰 규모의 전력 변환을 실질적 손실 없이 실현하기 위해서는 반도체 디바이스를 가변 저항으로써 사용하는 것이 아닌, 온이나 오프 스위치로써 사용하는 ‘스위칭 방식’이 필요하다. ‘전력 변환 회로’라는 용어는 이것을 가리키는 것이 대부분이다.

인버터
직류 전력을 교류 전력으로 변환하는 전력 변환 회로이다. DC-AC 컨버터라고도 부른다. 직류에서 단상(單相) 교류, 또는 3상 교류로 변환하는 것이 대부분이지만, 다상(多相) 모터에 있어서는 대응하는 상수의 인버터가 사용된다. 인버터에서는 교류에서 직류 방향으로의 전력 변환도 가능. 모터를 발전기로 사용하는 회생 브레이크나 전력계통에서 직류 전력으로 변환하는 정류(整流) 회로로 사용하는 것도 가능하다.

DC-DC 콘버터
직류 전력을 전압과 전류가 다른 직류 전력으로 변환하는 전력 변환 회로이다. 입출력 간을 전기적으로 절연하는 것과 비절연하는 것이 있다. 전기자동차의 파워트레인에서 이용되는 것은 비절연 DC-DC 콘버터로, ‘초퍼(Chopper)’라고 불리기도 한다. 초퍼에는 출력 전압이 입력 전압보다도 높은 범위에서 운전이 가능한 승압(昇壓) 초퍼, 출력 전압이 입력 전압보다 낮은 범위에서 운전이 가능한 강압(降壓) 초퍼 등이 있다. 또한 2개의 포트 간에 쌍방향으로 전력 변환이 가능한 것도 있으며, 배터리의 충∙방전 등에 사용되지만 포트 간 전압의 대소 관계는 바꿀 수 없는 경우가 많다. 즉, 어떤 방향에 대해 승압 초퍼로 동작하는 회로에서는 역방향에는 오직 강압 초퍼로만 동작한다.

다이렉트 드라이브
감속 기아의 개입 없이 모터와 휠을 직결하는 구동 방식이다. 고응답, 낮은 기계 손실 등, 인휠 모터(In-Wheel Motor)의 특징을 보다 활용할 수 있다.

교반 손실
로터(회전자)에 냉각유가 닿는 모터에 있어서 로터 회전 시의 냉각유 점성에 의한 회전 저항이다. 이것은 회전 수 상승에 따라 급격하게 증가하기 때문에 기존의 e-Axle에서는 스테이터(고정자)와 로터 간의 에어갭으로 냉각유가 들어가는 것을 막고 있다. 한편, 다이렉트 드라이브와 같은 저속 회전 모터의 경우, 로터에 냉각유가 침투해도 교반 손실은 적다.

다중 모터
하나의 모터에 2종류 이상의 권선(마그넷 와이어)이 감겨져 있어 2개 이상의 인버터로 구동하는 모터이다. 3상 인버터를 2대 사용한 2중 3상 모터가 대표적이다. 모터의 용량에 비해 인버터의 용량이 작은 경우에 사용된다. 인버터가 1대 고장이 날 경우에도 구동이 가능한 페일세이프(Fail-safe) 기능을 가지고 있기 때문에 엘리베이터(대만 TAIPEI101의 고속 엘리베이터)나 일부 자동차의 파워스테어링 모터에는 2중 3상 모터가 사용되고 있다.

다군(多群) 모터
1개의 모터에 2개 이상의 인버터를 사용해 구동하는 모터이다. 다중 모터와는 달리 권선 간의 자기(磁氣) 결합이 없고, 군 간에 독립되어 있다는 것이 특징이다. 통상적으로 모터 1극대 별로 인버터를 배치한다. 인버터에 요구되는 압력을 낮출 수 있기 때문에 저전압 대전류 모터에 적합하다.

다상(多相) 모터
3상 모터에 대해 4상, 5상 등 구동 상수를 늘려 구동하는 모터이다. 인버터 출력 결상 시의 페일세이프 기능을 가지며, 상수가 많을수록 토크 리플(Torque ripple)이 저감해 인버터 상 주위의 전류가 저감된다. 3상 인버터 모듈을 이용하는 경우, 2중 3상 등의 6상 모터의 상성은 좋지만, 하프 브릿지 모듈을 이용하는 경우는 5상 등의 상성이 좋다.

홀 IC 센서
홀 효과(전류가 흐르고 있는 반도체에 대해 자장을 제공함으로써 로런츠 힘(Lorentz foece)에 의한 기전압이 발생하는 현상)을 이용해 자극(磁極)인 N/S를 판별하는 자극 센서이다. 기전압을 아날로그로 출력하는 홀 소자에 대해 N/S의 극성을 콤퍼레이터(비교기)를 통해 디지털 값(1,0)으로 출력하는 것을 홀 IC 센서라고 부른다.

리졸버(Resolver)
회전축에 직결되어 회전 각도를 아날로그 값으로 검출하는 회전 각도 센서이다. 교류 여자(勵子) 방식의 코일이 회전축과 함께 회전해 그 자계를 고정된 측의 2개의 코일에 결합시키고, 이 2개의 코일에 유기(誘起)된 기전압에서 회전 각도를 구한다. 여자 회로나 기전압에서 각도를 계산해 디지털 값으로 변환하는 기능이 포함된 전용 IC(R/D 컨버터)와 조합해 사용하는 것이 일반적이다.

위치 센서리스 제어
영구 자석 동기 모터의 회전 각도를 하드웨어 센서를 사용하지 않고 모터의 파라미터와 전류, 전압 등의 상태량에서 추정 연산하는 기술이다. 산업계에서는 1980년대에 에어컨의 압축기 구동에 실용화되었으며, 이후 다양한 분야에서 응용되고 있다. 최근에는 철도 전기차의 영구 자석 동기 모터에도 채택되고 있다.

인휠 모터
EV의 동력원인 구동 모터가 차륜 내에 탑재되어 있을 경우에 이 호칭이 사용된다. In-wheel Motor(IWM), Hub-wheel Motor라고 불리는 경우가 많다. 감속 기어를 사용하지 않고 차륜을 직접 구동하는 다이렉트 드라이브 방식, 감속 기어를 사용하는 리덕션 기어 방식이 있다. 다이렉트 드라이브 방식은 더 나아가 이너로터형과 아우터로터형이 있다. 다이렉트 드라이브 방식은 기어에 의한 백래시가 없어 가장 제어 대역을 높일 수 있지만, 최대 토크 제약이 상충된다.

트랙션(Traction) 제어
차륜의 공전이나 로크를 방지하는 일련의 제어를 트랙션 제어라고 한다. EV뿐만 아니라, 내연기관 자동차에서도 유압 브레이크를 사용한 브레이크 잠김 방지 시스템(Anti-lock Braking System, ABS)이나 연료 분사량을 제한하는 제어가 있다. EV에서는 구동 모터에 의한 광대역 제어를 통해 내연기관 자동차보다 우수한 트랙션 제어가 가능하다.

멀티사인 신호
멀티사인 신호란 어떤 시스템의 주파수 응답을 측정할 때 사용되는 가진(加振) 신호이다. 가장 잘 알려진 가진 신호로는 처프(Chirp) 사인이 있으며, 이것은 가진 시의 주파수를 연속적으로 변화시킨다. 이에 반해 멀티사인 신호는 사전에 지정된 몇 가지 주파수 성분을 동시에 제공해 공진시킨다. 이때 각 주파수 성분의 위상을 세밀하게 조정함으로써 인가(印加) 시의 순간 최대 토크가 너무 크지 않도록 고안되어 있다. 기존의 처프 사인에 의한 시험과 비교해 시험 시간 단축뿐만 아니라, 비선성(非線性) 평가(인가된 주파수 외의 주파수 성분은 모두 비선형 요소에 의한 것이다)도 가능하다.

요우(Yaw), 피치(Pitch), Roll(롤), 히브(Heave)
이것들은 모두 차량의 운동을 나타내는 용어이다. 요우∙피치∙롤 운동은 힘의 모멘트에 의한 회전 운동을 나타낸다. 상하 방향의 축을 중심으로 선회 중에 차량의 진행 방향이 변화해나가는 자율주행이 요우 운동. 횡(橫) 방향의 축을 중심으로 가∙감속 시에 전∙후륜이 올라가거나 가라앉는 것이 피치 운동. 선회 중에 전∙후륜를 중심으로 안쪽 바퀴가 올라가거나, 바깥 쪽 바퀴가 가라앉는 것이 롤 운동이다. 그리고 요철이 있는 노면을 주행 중에 차체가 상하 방향으로 운동하는 것을 히브라고 부른다.

평면 3자유도 운동
차량을 맨 위에서 지면으로 투영한 평면상의 전후, 측면, 회전(요우) 등 3개의 자유도 운동이다.

뛰어오르는 3자유도 운동
3차원 공간에 있어서 차체의 6개 자유도 운동 가운데, 평면 3자유도를 제외한 남은 3개의 자유도 운동이다. 일반적으로 차체에 직교 좌표계를 적용하면 롤, 피치, 히브(상하) 운동이 이에 해당한다.

타이어의 미끄러짐으로 인해 사라지는 에너지
타이어의 접지면에서 발생하는 전후력(前後力), 횡력(橫力)과 그 미끄러지는 속도의 곱으로 표시되는 에너지이다. 자동차가 가∙감속이나 선회 운동을 할 때 타이어의 접지면에서 미끄럼이 발생. 에너지의 일부가 이때 없어진다.

드라이빙 스티프네스(Driving Stiffness)
타이어에 발생하는 전후력을 슬립률(Slip ratio)로 나눈 값이다. 타이어가 가진 고유 특성과 그 접지 하중으로 결정된다. 특히 타이어 특성이 선형 근사(Linear approximation)가 가능한 슬립률이 비교적 작은 영역에서 정의된다. 슬립률은 타이어의 접지면에 있어서 전후방향의 미끄러짐 속도를 그 차륜 위치의 차체 속도로 나눈 값으로 정의된다.

코너링 스티프네스
타이어에 발생하는 횡력을 슬립각(Slip angle)으로 나눈 값이다. 타이어가  가진 고유의 특성과 그 접지 하중으로 결정된다. 특히 타이어의 특성이 선형 근사가 가능한 슬립각이 비교적 작은 영역에서 정의된다. 슬립각은 타이어의 접지면에 있어서 횡방향의 미끄러짐 속도를 그 차륜 위치의 차체 속도로 나눈 값으로 정의된다.

타이어 컴바인드 특성
타이어 횡력이 발생할 때 타이어 전후력을 발생시키면, 그 횡력이 저하되는 타이어의 복합 특성이다.

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●총론
∙ 전기자동차용 파워트레인 제어의 발전
● 키워드 해설
∙ 특집: 전기자동차용 파워트레인의 계측〮제어 기술
 해설
∙ 전기자동차의 주행 중 무선급전의 필요성과 연구 개발을 소개
∙ 전기자동차용 배터리 매니지먼트
∙ 전기자동차용 파워트레인에 이용되는 인버터 기술
∙ 인휠 모터용 고출력 밀도화 기술
∙ 다이렉트 오일 냉각에 의한 콘팩트 일체 구현
∙ 차세대 전동차의 메인 엔진용 모터와 그 제어
∙ 모터 회전자의 위치/속도 검출과 제어
∙ 구동 모터의 고응답성을 활용한 EV 모델 베이스의 차량 운동 제어
∙ 각 바퀴의 구동력 배분에 의한 차량 운동 통합 제어