EV 파워트레인이란?

전기 자동차(EV)는 전력에 의존하여 움직이는 차량을 말합니다. 이 전력은 일반적으로 배터리(BEV) 또는 연료 전지(FCEV)를 통해 공급됩니다. EV 파워트레인은 전기 에너지를 기계적 동작으로 변환하는 전기 자동차 내 시스템을 말합니다.

EV 파워트레인은 다음으로 구성됩니다.

• 에너지 저장 시스템 - 배터리 또는 연료 전지
• 파워 일렉트로닉스 - 인버터/컨버터 및 관련 제어 장치
• 전기 기기 - 에너지 변환 시스템(전기 모터)
• 기계 시스템 - 변속 시스템

참고로, EV 드라이브트레인에는 구동축과 해당 기계 부품도 포함됩니다. 또한, EV 파워트레인은 작동 중에 배기 가스를 발생시키지 않으므로 보다 친환경적인 운송 방법을 제공하는 데 도움이 됩니다.  

파워트레인은 차량을 움직일 수 있도록 동력을 생성하고 제어하는 차량 내부의 구성 요소 집합입니다.

배터리 전기차(BEV)는 전기차의 표준이 되고 있습니다. 전기차는 단순한 디자인과 낮은 유지 관리 비용 덕분에 2023년에는 전 세계 전기 자동차 보유량의 70%를 차지했으며, 2022년에는 전기 경상용차 판매의 98%를 차지했습니다.

BEV 파워트레인에는 전기 에너지를 저장하기 위한 배터리 팩, 전기 모터를 구동하기 위한 전력 변환용 인버터, 전기 에너지를 기계적 동작으로 변환하는 전기 모터(원동기라고도 함) 및 모터에서 바퀴로의 출력을 제어하는 기어박스로 구성되어 있습니다.

엔진, 연료 분사 시스템 및 배기 시스템이 필요한 내연기관 엔진(ICE)과 달리 EV 파워트레인은 배기관의 배기 가스 배출과 ICE 소음이 없는 전혀 다른 구조입니다. 구동 부품이 적어서 점화 플러그 및 오일 교환 등과 같이 세심한 유지보수가 필요한 항목이 더 이상 필요하지 않으므로 마모가 적고 일반적으로 유지비가 낮습니다. 

전 세계가 보다 지속 가능한 미래를 위해 노력함에 따라 전기차의 이점이 널리 알려지게 되었습니다. 전기차의 핵심 부품은 배터리이지만, 그 이면에는 전기 흐름을 조율하는 전력 전자 부품 및 제어 장치가 있습니다.

실제로 전력전자는 EV 파워트레인 시스템에서 매우 중요한 부분입니다. 또한 전력전자는 최적의 에너지 변환은 물론 전기차의 최적 운행, 안전성 및 성능을 보장합니다.

EV 파워트레인의 동력 발전 시스템

동력 발전 시스템은 차량 이동에 필요한 전력을 공급합니다.

배터리 팩: 배터리 팩에는 기본 에너지 저장 메커니즘으로 사용되는 수많은 셀(일반적으로 리튬 이온 셀)이 포함되어 있습니다. 리튬 이온 셀은 에너지 밀도가 높으며 단위 체적당 많은 양의 에너지를 저장할 수 있습니다. 연료 전지는 또 다른 유형의 에너지 저장소입니다.

또한 배터리 팩에는 배터리 관리 시스템(BMS)이 통합되어 있으므로 과충전이나 방전을 방지하는 전략을 제공하여 배터리의 안전한 작동을 보장합니다.

온보드 충전기: 온보드 충전기는 외부 충전원(전력망)에서 교류(AC) 전력을 직류(DC) 전력으로 변환하여 배터리에 저장합니다. 온보드 충전기는 차량 제어 장치 및 외부 충전소와 통신하여 전력 공급을 조절합니다. 또한 사이버 보안 기능을 포함할 수 있습니다.

EV 파워트레인의 전력 분배 시스템

전력 분배 시스템은 전력공급원의 전력을 제어합니다. 이 시스템은 배터리의 DC 전력을 모터에서 사용할 수 있도록 AC 전력으로 변환하는 인버터를 포함한 전력 전자 부품을 통합합니다. 또한 다양한 전력전자 제어 토폴로지는 효율을 높이거나 최대 토크를 달성하는 등 다양한 인버터 스위칭 전략을 제공하여 성능을 높이는 데 도움을 줄 수 있습니다. 

DC-AC 인버터(트랙션 인버터): DC-AC 인버터는 배터리의 DC 전원을 AC 전원으로 변환하여 모터의 속도와 가속도를 제어하는 데 필요한 교류 전압을 생성합니다. DC-AC 인버터에는 다수의 인쇄 회로 기판(PCB)이나 버스바, 혹은 둘 모두에 의해 연결된 절연 게이트 양극성 트랜지스터(IGBT) 또는 실리콘 카바이드 금속 산화물 반도체 전계 효과 트랜지스터(SiC MOSFET) 전력 소자가 통합됩니다. 이러한 전력 반도체 소자는 고속 스위치로 작동하며 전기 모터에 대한 높은 수준의 전류 및 전압을 “on” 및 “off”로 전환하여 사인파 전류 파형을 시뮬레이션합니다.

DC-DC 컨버터: DC-DC 컨버터는 배터리의 고전압 DC 출력을 조정하여 조명, 엔터테인먼트 시스템 또는 에어컨 등과 같은 보조 시스템에 전원을 공급하는 데 필요한 저전압 DC를 공급합니다. 이 장치는 전력 반도체, 다이오드, 커패시터 및 자기 소자를 포함한 전력전자 기술을 통합합니다. 또한 DC-DC 컨버터는 충전기 및 접속 배선함을 포함하는 동력 전달 모듈(PDM)에 통합될 수도 있습니다.

차량 제어 장치: 차량 제어 장치는 EV의 중앙 통신 허브로, 다양한 시스템, 센서 및 컨트롤러로부터 데이터를 수집하여 처리합니다. 온보드 충전기, 배터리, 모터 및 기타 시스템 간의 활동을 동기화합니다.

전력 분배 장치: 전력 분배 장치는 차량 내의 각 시스템이 적절한 양의 전력을 공급하도록 보장합니다. 이 유닛은 스위치, 퓨즈, 릴레이 및 반도체 소자와 같은 전력 전자를 통합하여 시스템 과부하를 방지하고 효율적인 작동을 가능하게 합니다.

펌웨어 및 ECU: EV 파워트레인 구성 요소의 효율적이고 안전한 작동은 펌웨어로 구동되는 전자 제어 유닛(ECU) 컬렉션에 의해 조율되며 데이터의 효율적인 교환 및 처리를 보장합니다.

열 관리 시스템: 열 관리 시스템은 극한의 온도로부터 배터리와 모터를 보호하여 EV의 구동 시스템과 생태계 전반에 걸쳐 효율적이고 안전한 프로세스를 보장합니다.

EV 파워트레인의 전기-기계 에너지 변환

트랙션 모터: 트랙션 모터는 도로 구동력을 생성하여 차량을 전진시키는 주요 구성 요소입니다. 일반적으로 다음과 같이 구성됩니다.

• 고정자: 모터의 고정된 부품으로, 고정자를 중심으로 원주 방향으로 간격을 둔 슬롯에 구리 코일이 감긴 자기 투과가 가능한 강판 적층으로 구성됩니다. 
• 회전자: 모터의 회전 부품으로, 일반적으로 고정자 설계와 최적으로 상호작용하여 토크를 생성하도록 전략적으로 배치되어 있으며, 영구 자석과 자기 투과가 가능한 강판 적층으로 구성됩니다. 자석이 필요하지 않은 다른 모터 토폴로지도 있으며, 영구 자석 대신 "농형(squirrel cage)" 구성을 사용하여 토크를 생성하는 유도 기기를 예로 들 수 있습니다. 

전류가 고정자의 코일을 통과하면서 회전 자계가 유도됩니다. 이 자계는 회전자의 자석(또는 유도 모터의 농형(squirrel cage) 구성)과 상호 작용하여 회전자를 회전시키고 운동을 발생시킵니다. EV의 가속 페달은 제어 시스템 및 전력 전자를 통해 배터리에서 모터로 흐르는 전력의 양과 주파수를 제어함으로써 모터에 의해 생성되는 토크를 제어합니다.

대부분의 EV에는 AC 모터(브러시리스 영구 자석 모터와 같은 동기식 모터 또는 유도기와 같은 비동기식 모터)가 장착되어 있습니다.

기어박스 및 변속기: ICE 차량과 같이 엔진 또는 모터의 출력을 휠에 필요한 출력과 일치시키려면 종종 기계식 변속기가 필요합니다. 전기 모터는 내연 기관보다 훨씬 더 넓은 속도 범위에서 토크를 생성할 수 있고 제로 속도에서도 토크를 생성할 수도 있기 때문에 EV 기어박스는 대개 ICE 차량의 기어박스보다 훨씬 단순합니다. 즉, ICE 변속기에 일반적으로 존재하는 클러치 및 넓은 기어 범위가 필요하지 않습니다. 그러나 전기 모터는 일반적으로 바퀴에 필요한 속도보다 더 빠른 속도로 회전하도록 설계되어 있으므로 속도를 줄이고 사용 가능한 토크를 높이는 데 기어박스가 사용됩니다.

대부분의 전기차 변속기는 단일 고정 기어비를 가지고 있으며 기어비를 변경하기 위한 구성 요소가 필요하지 않습니다. 다단 기어박스는 고성능 또는 대형 상용 EV에서 사용 가능한 토크 및 속도 범위를 확장하는 데 유용할 수 있습니다.

HEV 파워트레인에서 기어박스는 일반 기어 또는 유성 기어 세트를 사용하여 하나 이상의 모터 및 엔진의 동력을 결합하는 데 중요한 역할을 합니다. 이 기어박스는 주행 조건에 따라 모터 및 엔진과 함께 작동하여 가장 효율적인 방식으로 동력을 공급합니다. 여기에는 내연기관 엔진이 작동하지 않는 상태의 차량 운행은 물론 주행 조건이 적합할 경우 발전 모드에서 엔진 및 모터를 사용하여 배터리를 충전하는 운행도 가능합니다.

차동 장치는 일반적으로 전기차의 기어박스에 통합되어 있지만, 파워트레인 레이아웃에 따라서는 별도의 구성 요소로 있을수도 있습니다.

전동 파워트레인에는 세 가지 주요 유형이 있으며 서로 다른 구성과 기능을 제공하고 다양한 요구 사항과 선호도를 충족시킵니다.

배터리 전기차(BEV): 순수 전기차라고도 하는 BEV는 충전식 배터리 팩에 저장된 에너지에서 모든 동력을 얻습니다. 또한 연료 탱크와 같은 2차 에너지 저장장치를 사용하지 않습니다.

BEV는 외부 소스에서 충전해야 하며, 현재 주행 거리는 약 160~640km(100~400마일) 범위입니다. 경우에 따라, 이 범위가 고급 EV에서는 더 늘어날 수 있습니다. BEV의 예로는 Tesla Model 3, Nissan LEAF 및 BMW i3가 있으며 최근에는 많은 신모델이 새시장에 출시되었습니다.

하이브리드 전기차(HEV): HEV는 내연기관 엔진과 전기 구동계를 결합하여 기존 ICE 차량에 비해 연비와 성능을 개선했습니다.

HEV는 다양한 범위까지 전기로 구동됩니다. 하이브리드 전기차에는 다음과 같은 여러 유용한 기능이 통합되어 있습니다.

• 운동 에너지를 다시 전기 에너지로 변환하여 배터리에 저장하는 회생 제동(BEV에도 사용됨공)
• 공회전 시 엔진을 중단시켜 배기 가스 배출을 줄이는 스타트-스톱 시스템
• 배터리를 재충전하거나 전기 모터에 추가 동력을 제공하는 전기 발전기(ICE에 의해 구동됨)

현재의 HEV는 약 640~960km(400마일~600마일) 범위에서 다양한 주행 거리를 갖습니다. PHEV를 제외하고, HEV는 일반적으로 외부 소스에서 충전되지 않습니다. HEV의 예로는 Ford Fusion Hybrid, Toyota Camry Hybrid 및 Honda Civic Hybrid가 있습니다.

플러그인 하이브리드 전기차(PHEV):PHEV(HEV의 하위 클래스)는 외부 소스로 충전할 수 있습니다. PHEV는 전기만으로 30~80km(20~50마일)의 거리를 주행할 수 있으므로 단거리 도심 주행에 적합합니다. 장거리 주행의 경우 PHEV는 가솔린 또는 디젤을 사용할 수 있습니다. PHEV의 예로는 Toyota Prius Prime, Chevrolet Volt 및 Honda Clarity가 있습니다.

연료 전지 전기차(FCEV)는 네 번째 유형의 전기차입니다. 배터리 대신 수소 연료 전지에서 전류를 생성하는 방식으로 작동합니다.

내연기관 엔진은 한 세기 이상 차량의 주요 동력원으로 사용되었습니다.

ICE는 오랜 기간 사용되었음에도 불구하고 여러 가지 과제가 있으며, 그 중 가장 중대한 문제는 화석 연료의 연소로 인한 환경 오염입니다. 그 결과로서 정부와 개인이 전기 동력 차량의 도입을 위해 공동으로 노력하게 되었습니다.

비교해볼 ICE 및 EV 파워트레인의 주요 차이점은 다음과 같습니다.

EV 파워트레인의 장점

EV 파워트레인의 장점은 개별 주행 습관 및 선호도, 충전 스테이션 인프라와의 근접성에 따라 달라집니다. 전기차 파워트레인의 주요 장점은 다음과 같습니다.

• 제로 탄소 배출: 오염 및 온실 가스 감축이라는 측면에서 BEV 파워트레인의 가장 중요한 이점은 화석 연료의 연소로 인한 배기관의 배기 가스 배출이 없고 BEV 수명 동안 탄소 발자국이 감소한다는 것입니다.
• 소음 공해 감소: BEV 파워트레인은 온실 가스 배출이 없을 뿐만 아니라 가청 소음을 덜 발생시켜 조용한 환경을 조성하는 데에도 기여합니다.
• 에너지 효율: BEV 파워트레인은 ICE 파워트레인보다 에너지 효율이 훨씬 뛰어나 저장된 에너지의 80% 이상을 동작으로 전환합니다. 또한 회생 제동 등과 같은 기능을 통해 에너지를 재활용할 수 있습니다.
• 유지 관리 비용 절감: 구동 부품이 적기 때문에 EV 파워트레인의 유지 관리 비용이 낮아지며 이상적인 조건과 적절한 관리 상태인 경우 배터리 수명이 12년까지 지속될 수 있습니다. 다른 배터리와 마찬가지로 시간이 지나면 가용 용량은 줄어들게 됩니다.
• 연료 비용 절감: BEV에 동력을 공급하는 전기 비용은 일반적으로 ICE 차량의 가솔린 또는 디젤 비용보다 낮습니다. 미시간 대학교의 연구에 따르면 미국 내에서 EV와 비교하여 가솔린 차량에 연료를 공급하는 데 두 배 이상의 비용이 듭니다.
• 총 소유 비용(TCO) 절감: BEV는 일반적으로 선구매 비용이 높지만 연료 및 유지 관리 비용을 절감할 수 있으므로 TCO가 낮아지며, 이 때문에 차량 수명 동안 더 저렴하게 가동할 수 있습니다.

EV 파워트레인의 단점

EV 파워트레인에는 다음과 같은 몇 가지 단점도 있습니다.

• 비용: 현재 전기차는 파워트레인 구성 요소(주로 배터리)의 비용이 높기 때문에 ICE 차량보다 높은 선행 투자가 필요합니다.
• 충전 시간: ICE 차량의 연료통을 채우는 데 몇 분 정도 걸리는 것과 비교했을 때 배터리 충전 시간은 대개 충전소의 충전 용량에 따라 30분에서 몇 시간까지 걸립니다.
• 소비자의 주행거리 불안: 현재, BEV는 단일 충전으로 제한된 주행 거리를 갖습니다. 충전소가 주유소만큼 광범위하게 존재하지 않으며 배터리를 충전하는 시간이 더 오래 걸리기 때문에 소비자는 BEV를 사용하여 장거리 여행을 하는 것에 대해 불안감을 갖습니다.

EV 파워트레인 설계는 주로 효율적인 열 관리와 주행 거리 증가를 목표로 합니다. 출력 밀도(단위 체적당 공급 전력) 증가를 촉진하여 동력 발전 및 열방출 간의 정교한 균형을 맞춥니다. EV의 주행 거리, 효율 및 전체 성능은 구성 요소, 시스템, 아키텍처 수준에서 최적화할 수 있습니다.

예를 들어, 주행 모드를 주행 시스템 아키텍처에 주행조건을 통합하여 여러 구성이 가능하도록 하면 차량 성능이 크게 향상됩니다.

하드웨어의 아키텍처에 통합된 ECU는 향상된 기능을 제공합니다. 예를 들어, 운전자의 가속 페달 명령을 모터 및 배터리에 대한 명령으로 변환하여 0~60mph 가속 및 최적의 에너지 소비와 같은 특정 요구 사항을 충족시킵니다. 이러한 ECU는 동적 프로그래밍 또는 소비 최소화 전략 등의 알고리즘에 의해 구동됩니다.

전기화를 추진하는 데 있어 EV 파워트레인은 효율성, 친환경성 및 성능에서 향상된 이점을 제공하는 흥미로운 혁신 기술입니다. 점점 더 많은 소비자가 EV로 전환함에 따라 시장에는 SUV 및 고급 승용차에서 트럭 등에 이르기까지 보다 다양한 모델이 등장하게 될 것입니다.

이러한 기술 혁명의 최전선에 서 있는 Ansys는 전 세계가 에너지를 가능한 최선의 방법으로 사용하는 방식을 변화시키고 있는 클린 기술 솔루션의 발전을 지원하고 있습니다.

Ansys ConceptEV® 소프트웨어는 전체 EV 파워트레인 시스템의 성능을 향상시키는 설계 및 시뮬레이션 플랫폼입니다. 이를 통해 각 분야의 엔지니어링 팀이 구성 요소 모델을 구성하여 연결하고 차량 수준의 요구 사항을 평가할 수 있도록 하고, 개발 프로세스 전반에서 걸쳐 빠르고 정확한 의사 결정을 가능하게 하고내 다음을 통합할 수 있습니다.

• 다중 충실도 구성 요소 모델
• 내장형 제어 알고리즘
• 구성 요소 설계 툴과의 통합
• 파워트레인 기능 시뮬레이션
• 시스템 트레이드 오프 정량화

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