전기차자동의 액셀을 밟으면 무슨 일이 일어날까?

  액셀 액셀러레이터 가속이라는 장치를 한 번쯤은 들어봤을 거다. 아니 이 글을 보러 온 분들이라면 운전 경험이 한 번쯤은 있는 거라 필자는 생각한다.

하지만 필자는 이런 의문이 든적이 있다.

기름차(내연기관)는 액셀을 밟으면 기름을 더 주는 건가? 전기차는? 더 많은 전기를 주는데 어떤 방식으로 전기를 더 주는 걸까? 높여주는 걸까? 진폭을 키우는 걸까?

 실제로 가속페달을 밟으면 액셀러레이터 케이블과 연결된 스로틀 밸브가 엔진에 유입될 공기의 양을 제어해 ECU가 적절한 비율로 기화된 연료를 섞어 공급해 준다.

 내연기관 자동차의 작동방식은 이제 너무나도 많이 알려져, 공대생에게는 교과서에도 나와있는 상식이지만 솔직히 일반인이 보기에는 이게 뭔 소리야 싶을만하다.

 사실 분사방식부터 최적 점을 찾기 위한 노력과 비율을 찾아내는 연구은 전문가들 사이에서 0.1%라도 효율을 높이기 위한 엄청난 노력과 실험이 들어간 결과겠지만, 일반 소비자입장에서는 그냥 

 산소랑 연료량을 적당히 짬뽕시켜서 엑셀 밟으면 더 많이 분사하는구나 정도의 이해만 있어도 꽤나 잘 이해하고 있는 거다.

 센서부터 조절량까지 이야기하려면 워낙 많은 내용을 이야기하게 되므로 내연기관차는 이 정도만 다루고 오늘은 한번 전기차에 대해 이야기해 보자.

전기자동차의 기본기구조

출처 한국 IR 협의회

전기차가 어떤 모터를 사용하느냐 는 뜨거운 논쟁거리였고 이전에 유도기나 BLDC사용하는 전기차가 개발된 적도 있었지만 지금은 IPMSM을 사용하는 것으로 정형화되어 있다.

 IPMSM(영구자석이 내부에 들어간 동기모터)에 대한 자세한 이야기는 나중에 다루더라도 교류와 교번자계를 사용한다는 사실은 이해해야 하는데 여기서부터 벌써 머리가 아파진다.

조금 더 쉽게 필자와 알아보자

교류와 직류?

 우선 두 개의 사진을 보고 이야기를 이어나가자

직류-시간에 따라 값이 일정함

교류-시간에 따라 값이 변함

 정도의 개념으로 출발을 해보자(물론 리플부터 변수까지 수많은 이야기가 많지만) 여기서부터 이야기를 이어나가면

우리가 타는 전기차는 시간에 따라 값이 변하는 에너지원을 이용한 교류모터를 사용하는 것이 효율적이란 건 이미 시장에서 교류모터가 대세가 됨으로써 증명이 되었다.

그럼 나오는 질문이 어? 배터리는 직류 아니에요 맞다 이를 제어하는 과정을 한 문장으로 나타내보면

 페달을 밟으면 센서가 인지해 MCU(microcontroller unit)에서 인버터에 신호를 줘서 전력전자 공학을 이용한 PWM(Pulse Width Modulation)을 사용하여 교류를 만들어서 제어한다.

 대학 4년 다니면서 이걸 하려면 진짜 죽어나가지만 이건 어디까지나 나 같은 전기 공학도의 영역이고 여러분이 이해할 필요성은 없다. 그러므로 3 상회전자계를 이용하고 약계자제 어를 하고 벡터값에 정의를 내려 단순화하고 이를 DQ변환을 이용하여 계산하는 복잡한 과정들은 나중에 모터나 제어파트에서 자세하게 다루기로 하고 최대한 단순화해서 이야기를 진행해 보자

위에서 봤듯이 우리는 모터에 교류를 사용할 거다.

여기서 주파수와 진폭에 대한 개념을 이해해야 하는데

주파수-1초에 몇 번 진동하냐

진폭-얼마나 크게 흔들리냐

정도의 개념으로 잡고 이야기해 보자 쉽게 설명하면 우리는 저변화하는 값을 통해 전달하므로 1초에 몇 번 번진 동 하냐로 회전을 만들어내고 얼마나 흔들리냐로 힘을 전달한다는 사실만을 이해하자

그렇다면 이걸 조금 더 공학적인 단어로 바꿔보면

교류전류에서 주파수는 회전속도를 제어하고 진폭은 회전력(토크)을 제어합니다.

사실 여기서 최적운전점을 설정하려면 또 머리가 아프지만 일반인들 기준에서는

아 그래 그렇다면 페달을 밟으면 배터리의 직류를 교류로 바꾸고 액셀을 밟으면 인버터에서 진폭과 회전속도를 제어하여 전문가라는 놈들이 설정한 최적운전점을 찾아가는구나!

결국 더 많은 전기를 흘려주는구나 정도만을 알면 된다.

솔직히 전문가들이 1%의 효율을 증가하기 위해 인생을 갈아 넣고 한 분야를 연구한 박사분들이 많지만

소비자의 입장에서는 이러이러하구나 노력했구나 정도의 이해만 해준다 해도 정말 감사한 일이니

지금도 수많은 박사님들이 우스갯소리로 공밀레 공밀레 소리를 내며 갈려나가고 발전을 위해 노력하고 있다는 사실만을 알아주기 바란다.