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[2021 봄호] 1-전기차 모터의 효율 향상

  • 이승은
  • 2021-04-30 07:00:43

2021 SPRING 기획특집 1

전기차 모터의 효율 향상

Development of Evs and Self-Driving Cars


2021년 현재, 우리는 ‘전기차 시대’의 도입부에 살고 있습니다.
그동안 내연 기관 자동차만을 생산해 오던 세계적인 자동차 회사들이 앞다투어 전기차 시장에 뛰어들고 있는데요.
몇 년 전까지만 해도 전기차는 내연 기관차에 비해 이동 거리에 있어서 큰 약점이 있었지만, 배터리 용량의 증대 덕분에 경쟁력을 갖췄고 판매량이 급증하고 있습니다.
10년 뒤에는 전기차가 내연 기관차의 시장 점유율을 앞지를 것이라는 예측도 있을 정도입니다.
게다가 전기차의 발전에 힘입어, 전기차 기반의 자율 주행차도 연구를 넘어 상용화 단계에 진입하고 있습니다.

이번 기획특집의 주제는 전기차의 발전과 자율 주행차입니다.
전기차의 핵심 부품인 모터와 배터리의 효율 그리고 자율 주행의 핵심 기술인 SLAM까지, 한번 알아볼까요?



전기차와 자율주행 1
올해 초, 국내 자동차 기업에서 순수 전기차를 출시하여 큰 화제가 되었습니다.
전기차는 예전부터 꾸준히 출시되어 왔는데, 이번에 선보인 것은 주행 가능 거리가 한층 늘어났고 초고속 충전이 가능하다고 합니다.
정부가 2022년까지 전기차 43만 대를 보급한다는 목표를 세운 가운데, 환경부는 올해 10만 1,000대를 보급한다는 계획을 발표할 정도로 전기차는 수많은 주목과 기대를 받고 있습니다.

사실 전기차는 내연 기관차보다 역사가 40년이나 앞서지만, 개
개선되어야 할 점 중 하나는 내연 기관차와 비교해 절대적으로 짧은 주행 거리인데요.
이 문제가 조금씩 해결되면서 전기차가 빛을 발하고 있습니다. 주행 거리를 늘리기 위해서는 엔진 효율이 높아져야 합니다.

그렇다면 여기에 핵심적인 영향을 미치는 것은 무엇일까요?
엔진 효율이 어떤 원리로 좌우되며, 궁극적으로 이를 높일 수 있는 방법은 무엇일지. 지금부터 알아봅시다!



전기차 모터 효율의 중요성

자동차의 엔진 효율이란 연료의 연소로 발생한 에너지 중 자동차를 굴리는 데 사용되는 에너지의 비율을 뜻합니다. 전기차의 효율은 약 60~65%로 약 35~40%의 에너지 손실이 발생하는데, 손실의 절반가량은 모터에서 발생한다고 합니다. 전기 모터를 돌릴 때 모터에 있는 전기강판 Electrical steel에서 에너지가 손실되는 것입니다. 전기강판이라는 생소한 용어를 이해하기 위해 우선 전기차의 모터를 살펴볼까요? 전기차에 많이 쓰이는 모터는 교류 전기를 사용하는 AC Alternating current 모터입니다. 직류 전기를 사용하는 DC Direct current 모터보다 내구성이 좋고, 유지 보수가 거의 필요하지 않기 때문이죠. 또한, AC 모터는 정교한 속도 조절에 용이하며 발열 문제가 적습니다. AC 모터의 구조는 아래 그림과 같습니다.

쉐보레의 전기차인 ‘볼트 EV'의 AC 모터

AC 모터를 이루는 부품 중 고정자 Stator회전자 Rotor에는 자성을 띠는 철심이 있어 두 철심의 자기장이 상호 작용하면서 유도 전기를 생성하는데요. 이 철심이 바로 전기강판입니다. 전기강판에는 무방향성 전기강판과 방향성 전기강판이 있습니다. 무방향성 전기강판은 강판 내부의 결정이 방향성 없이 불규칙하게 배열된 전기강판으로, 전동기나 발전기 같은 회전기 제품의 철심에 쓰입니다. 반면 방향성 전기강판은 강판 내부 결정을 한 방향으로 정렬시켜 자기적 성능을 높인 전기강판으로, 변압기 철심의 재료입니다. 둘 중에서 전기차에 사용되는 것은 무방향성 전기강판입니다. 모터, 그 안에서도 전기강판의 에너지 손실이 전기차 에너지 손실에서 큰 비중을 차지하는 만큼, 전기차의 엔진 효율을 높이는 데에 전기강판의 에너지 효율을 높이는 과정이 매우 중요합니다.

전기강판의 철손

전기강판의 에너지 효율을 논할 때 꼭 필요한 개념이 있습니다. 바로 철손Core loss인데요. 이는 전기강판의 효율 혹은 등급을 평가하는 지표로 사용됩니다. 철손은 철심이 특정 주파수에서 소정의 자속 밀도를 얻기 위해 필요한 손실로 정의됩니다. 자속 밀도는 자기장의 세기에 비례하는 값으로, 물체가 자기장에 반응하는 특성까지 고려한 물리량입니다. 철심이 자화될 때, 즉, 자석의 성질을 가지게 되는 과정에서 열이 발생하여 에너지가 손실되는 것이죠. 따라서 철손이 낮을수록 에너지 손실이 적어서 전기강판의 효율이 높다고 할 수 있습니다. 이때 철손은 히스테리시스 손실과 와전류 손실의 합으로 나타냅니다. 먼저 히스테리시스 손실이란 철심에 외부 자기장을 걸었다가 제거했을 때 발생하는 손실입니다. 그래프를 보며 이해해 봅시다. 철심에 전류가 흐르면 전자기 유도에 의해 철심 주위로 자기장이 생성됩니다. 전기가 흐르지 않는, 즉 외부 자기장이 없는 초기의 철심은 내부 자속 밀도가 0입니다(점 o). 자기장의 세기를 늘릴수록 자속 밀도의 값이 증가하다가 특정 세기 이상부터는 자속 밀도가 최대가 되며, 이 시점에서 철심이 ‘포화’되었다고 합니다(점 a). 이때, 포화된 철심에 가했던 자기장을 제거하면 자속 밀도가 어떻게 변화할까요? 자속 밀도가 경로 ao를 따라 감소하다가 결국 초깃값인 0에 도달할 거라 예상할 수도 있지만, 실제로는 경로 ab를 따릅니다.
히스테리시스 손실의 그래프

그 이유는 철심에 걸린 외부 자기장을 제거해도 잔류 자기가 ob만큼 남아있기 때문입니다. 이는 철심뿐만 아니라 모든 자성체에 해당하는 현상입니다. 그런데 자동차를 정지시키거나 운동 방향을 바꾸려면 잔류 자기를 없애야 합니다. ob에 해당하는 잔류 자기를 없애 점 c에 도달하고자 인위적으로 가해 주는 반대 방향의 자기력을 보자력이라 하며, 그래프에서 그 크기는 co에 대응됩니다. 가해 준 보자력으로 인해 에너지 측면에서 손실이 발생하게 되는데, 이 손실이 바로 히스테리시스 손실[링크-히스테리시스 손실 더 알아보기]입니다. 히스테리시스 손실은 아래의 공식으로 표현됩니다.


$$P_h = k_hfB_m^n$$
$k_h$ : 물체의 고유한 히스테리시스 상수
$f$ : 교류 주파수
$B_m$ : 최대 자속 밀도
$n$ : 자성 재료의 성질에 의존하는 스타인 메츠 상수 (철심의 경우, 1.6)


와전류 손실은 이름 그대로 철심에 와전류가 흐르면서 발생하는 손실입니다. 와전류란 자기장이 도체를 통과했을 때 도체 표면에서 소용돌이 모양으로 도는 전류를 의미합니다. 와전류가 흐를 때 도체 표면에 존재하는 저항에 의해 열이 발생하여 에너지가 손실되는 것이 와전류 손실[링크-와전류 손실 더 알아보기]입니다. 와전류 손실은 아래의 공식으로 표현됩니다.


$$P_e = k_e(tfB_m)^2$$
$k_e$ : 도전율(물질에서 전류가 잘 흐르는 정도)
$t$ : 자기장이 통과하는 도체의 두께
$f$ : 교류 주파수
$B_m$ : 최대 자속 밀도



철손은 히스테리시스 손실과 와전류 손실의 합이므로, 아래의 식으로 표현됩니다.



$$P = P_h + P_e = k_hfB_m + k_e(tfB_m)^2$$



히스테리스 손실에 대해 더 자세히 알고 싶다면?

히스테리시스 손실 더 알아보기

와전류 손실에 대해 더 자세히 알고 싶다면?

와전류 손실 더 알아보기

무방향성 전기강판의 철손 저감 방법

앞서 전기차의 주행 거리를 높이기 위해서는 전기강판의 철손을 낮춰야 한다고 했습니다. 철손 공식에 포함된 물리량들의 값을 줄여 철손을 저감하는 방법으론 크게 세 가지를 꼽을 수 있습니다. 첫 번째 방법은 규소강판을 사용하는 것입니다. 규소강판은 순철인 일반 전기강판보다 규소 함유량이 많은데, 철에 규소를 첨가하면 전기 저항이 증가하며 도전율 ke가 감소해서, 결국 와전류 손실을 줄일 수 있습니다. 두 번째는 성층이라 불리는 방법입니다. 성층은 얇은 철심을 여러 겹 겹치는 것으로, 철심 두께의 제곱(t^2) 값을 감소시켜 와전류 손실을 줄일 수 있습니다. 히스테리시스 손실과 와전류 손실 공식에 모두 포함된 자속 밀도 Bm을 줄이는 것이 세 번째 방법입니다. 이런 방법들로 모터에 사용되는 무방향성 전기강판의 철손을 낮출 수 있습니다.


전기강판의 철손을 낮추는 연구들이 전 세계적으로 활발히 이루어지고 있으니, 전기차의 주행 거리 문제의 개선을 기대해도 좋을 것 같습니다.
지금까지는 전기차의 효율을 향상하기 위해 모터의 효율을 높이는 방법을 알아보았는데요.
모터의 효율 향상뿐 아니라 배터리의 효율 향상으로도 전기차의 한계점을 개선할 수 있답니다.
전기차의 배터리 효율은 어떻게 높일 수 있을지 다음 꼭지에서 알아봅시다!


[참고문헌]
1. 이훈. (2021). [특별기획] ‘아이오닉5’부터 준중형 SUV까지 ... 2021년 전기차 대거 몰려온다 : 정부, 올해 10만 1,000대 보급 계획 아이오닉5부터 테슬라Y까지 모든 차종 출격 예정. 전기저널, 40-41.
2. 김재관. (2015). 친환경자동차 구동모터용 전기강판 및 이용 기술. 한국자기학회 학술연구발표회 논문개요집, 64-64.
3. Raluca Maria Fratila, Jesús Martínez De La Fuente, In Micro and Nano Technologies, 「Nanomaterials for Magnetic and Optical Hyperthermia Applications」, Elsevier, 2019, Pages 41-60.
4. Muhammad H. Rashid, 「Power Electronics Handbook (Fourth Edition)」, Butterworth-Heinemann, 2018, Pages 571-589.
5. Maria Dems, Krzysztof Komeza, Jacek Szulakowski, Witold Kubiak, (2018) "Modeling of core loss for non-oriented electrical steel", COMPEL - The international journal for computation and mathematics in electrical and electronic engineering.


기획특집 ② - 전기차 배터리의 진화 편으로 이어집니다.

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ALIMI 26기 전자전기공학과 이승은

예비 포스테키안 여러분을 응원합니다:)

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