전기자동차 제작 대회를 준비하는 학생들에게 | 전기 파워트레인 제작실습 01

전기차 구동부를 설계하게 된 계기

  어느날 아는 후배가 학부 자동차 제작 동아리에서 전기자동차를 만들어 대회에 출전하려 하는데 모터 구동 시스템에 대해 자문이 필요하다는 요청을 하였다. 마침 나는 대학원에서 전기자동차 관련 연구를 하고 있기 때문에 재미있을 것 같아 아는 한도 내에서 최대한 도움을 주겠다고 흔쾌히 동의했다. 무엇보다 동아리 내 학생들의 열정적인 모습에 괜스레 나도 신이 났다. 자세한 이야기를 나누기 위하여 동아리방에 모여 가벼운 반주(?)와 함께 저녁을 먹으며 회의를 해보았다.

 

  현재 동아리의 상황은 이러했다. 그동안 여러번의 일반 자동차 대회 출전 경험을 통해 자동차 제작에 대한 전반적인 기술과 노하우는 확보되어 있었으며, 앞으로의 트랜드에 맞춰 새로운 도전을 위해 한국교통안전공단과 한국자동차안전학회에서 주관하는 2021 국제대학생 창작자동차 경진대회 전기자동차 부문 출전을 희망하고 있었다. 사실 이전 대회들에선 차량의 동력부를 제작할 때 오토바이의 파워트레인을 활용하였지만 전기자동차의 경우 동력부에 대한 지식이 전무한 상태에서 활용할 수 있는 제품도 한정적이라 막막한 상황이라 하였다.

국제 대학원생 창작자동차 경진대회 공식 사이트

  이에 당장 올해 대회가 목표이기 때문에 시간이 충분치는 않다고 판단, 최대한 필요한 지식만 제공하고 팀을 나누어 최대한 효율적으로 전기차 동력부 제작을 들어갈 수 있도록 계획을 세웠다. 여기서부터 우리 동아리원들의 전기차 동력부 제작을 위해 학습한 지식과 로드맵을 공유할 것이다. 이는 우리 동아리원 후배들에게도 계속해서 관련 기술을 전해주기 위함도 있으며 전기차 제작에 관심있는 또 다른 학생들에게도 도움이 되길 바라는 마음으로 기록하려 한다.

설계에 앞서 필요한 사전 지식

  우선 알아야할 것은 전기차 동력부의 전반적인 구성이다. 구성은 아래 그림과 같다.

전기차 동력부의 전반적인 구성

  먼저 고전압 배터리를 보자. 이것은 차량의 운동에너지를 제공하는 Source로서의 역할을 한다. 보통 아래와 같이 대회에서 지정해주는 배터리의 규격이 있으며, 이 규격에 맞춰 나머지 구동부 부품들의 구체적인 스펙이 결정된다. 따라서 구동부 설계 시 가장 먼저 할 일로 해당 규격을 꼼꼼히 살펴보는 것이 좋다.

2021년도 전기차 부문 대회 배터리 규정

  그 다음 구성으로는 차량에 실질적으로 동력을 제공하는 모터가 있다. 모터는 전기 에너지를 운동 에너지로 바꾸어 주준다. 이때 앞선 대회 규정으로 인해 배터리의 정격 전압 및 용량은 한계가 있기 때문에 동일한 전류로 큰 토크를 낼 수 있는 모터가 대회에 유리하다. 모터의 전원 종류로 볼 때, DC 전원을 공급받는 DC모터와 3상 전원을 공급받는 3상 모터로 나눌 수 있다. 보통 3상 모터가 DC모터에 비해 정밀한 제어 및 높은 효율의 특징을 가지고 있지만 제작 자동차 대회 특성 및 비용적인 부분을 고려할 경우 DC모터 만으로도 충분하다. 또한 이번엔 재료적인 측면으로 볼 때, 영구자석을 이용한 모터의 경우 자석의 높은 자속밀도를 이용할 수 있기 때문에 기본적으로 토크 출력이 높다. 결론적으로 우리 동아리의 경우 영구자석 DC모터를 구매하여 사용하기로 하였다. 이때 모터의 구체적인 규격은 배터리의 정격 전압 및 전류 등을 참고하였다. 안전을 위해 가능한 배터리의 정격보다 모터의 정격을 조금 크게 하는 것을 추천한다.

  배터리에서 전력을 끌어다 모터에 전달할 때, 모터의 동작에 맞게 알맞은 전압이나 전류로 변환해주도록 전력변환회로가 필요하다. 앞서 우린 영구자석 DC모터를 사용하겠다고 하였으니 일명 H-Bridge Converter 회로를 채택하였다. 이에 대한 자세한 내용은 추후 다른 게시글을 통해 다뤄보도록 하겠다. 기본적으로 회로의 소자 용량들을 선정할 때 이번에도 배터리의 정격보다 살짝 더 여유를 두고 크게 선정하는 것이 안전 상 유리하다.

 

  제어회로는 전력변환회로를 컨트롤하기 위한 부품이다. 우리는 주로 DSP라고 부르며 사람에 따라 CPU, MCU 등으로 부르기도 한다. 엄밀히 말하면 이 제어회로로 라즈베리파이나 아두이노 같은 것들도 사용할 수 있다. 다만 몇 가지 조건이 있는데, 우선 10 kHz 정도의 PWM 신호를 발생시킬 수 있는지와 최소 2개 이상의 PWM 출력핀이 있는지가 있다. 위 조건만 만족하면 일단 이론적으로는 제어회로로 무엇이든 사용할 수 있다. 나의 연구실 같은 경우는 주로 TI사의 TM320F28377이라는 전력전자 전용 컨트롤러를 사용하며, 동아리의 경우 해당 부품의 사용법을 익히는데 오래걸릴 것 같아 사용이 편하고 익숙한 라즈베리파이를 사용하였다.

 

  사실 위 회로들 안에 있는 각종 소자들을 구동하기 위해서는 3.3 V~ 15 V 사이의 전원이 들어가 주어야 한다. 이 전원은 모터를 돌릴 때만큼의 전력은 필요하지 않기 때문에 고전압 배터리 보다 작은 용량의 저전압 배터리를 별도로 구비하면 여러모로 편하다. 사실 고전압 배터리에서 전압을 직접 변환해주어 이 소자들의 전원을 공급해줘도 되긴 한다. 그러나 그럴 경우 과전류로 인한 사고 위험이 크고 모터로 향하는 전류의 일부를 뺏기 때문에 대회 성적에 불리해질 수 있다. 해당 대회에서도 모터로 전력만 보내지 않으면 12 V의 저전압 배터리를 추가로 달아도 되도록 허락하고 있으므로 우리 동아리에서는 12 V 납축전지를 추가로 배치하였다. 

전기차 구동부 설계 방법

  여기까지 전기차 구동부를 설계하기 위한 사전 지식이었고 구체적인 제작 이야기의 경우 추후 게시글을 통해 제공하겠다. 추가 게시글이 올라올 때마다 아래 링크를 추가할 예정이니 도움이 되길 바란다.

2021.08.20 - [유용한 지식/모터 제어] - 영구자석 DC 모터는 어떻게 제어할까?1 | 전기 파워트레인 제작실습 02