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전기차의 성능을 향상시키는 포뮬러 E 경주용 자동차

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글/존 블라일러(John Blyler), 마우저 일렉트로닉스(Mouser Electronics)

포뮬러 E 자동차 경주는 자동차 애호가들이 가장 좋아하는 스포츠일뿐만 아니라 자동차 성능을 혁신적으로 발전시키는 기회로, BEV(배터리식 전기차, 또는 줄여서 EV)의 성능 향상에 지속적으로 기여해 왔다. 경주용 EV의 전기적 장치들은 여러 면에서 복잡하게 설계되었다. 오늘날 하이엔드 경주용 자동차에는 60개 이상의 내장형 반도체 프로세서가 부착되어 있으며, 수많은 센서, 원격 검침, 데이터 수집 부품들이 주변 데이터를 활용한다. 이렇게 많은 부품들로 복잡하게 구성된 EV 시스템은 온도, 진동, 압력, 복사 등 극도의 환경 조건에서 작동한다. 다시 말해 EV의 전자공학 시스템은 좁은 공간에서 최고의 성능으로 가동하면서 부품들을 보호해야 한다.
이 글에서는 경주용 EV가 경험하는 4가지 극한 조건을 살펴보고, 이러한 조건들에 대한 중요한 데이터를 모니터링하고 통신하는 과정에서 측정용 전자 센서가 어떤 역할을 담당하는지 설명하겠다. 그리고 이렇게 중요한 전자 센서들을 보호해서 궁극적으로 경주용 EV의 설계, 안전, 성능을 향상시키는 설계 기법과 통찰력도 공유할 것이다.

EV가 경험하는 가혹한 환경
EV가 자동차 경주에 참가하려면 넓은 작동 온도 범위, 진동, 압력을 견딜 수 있고 이와 동시에 EMI, 전압 스파이크, 접지 전류를 감소시키는 전자부품들이 필요하다. 하지만 회로 설계의 측면에서 보면 이러한 모든 부품들을 사용하는 것이 말처럼 쉽지 않다. 상이한 가혹한 조건들(아래에서 살펴볼 4가지 유형)이 EV에 영향을 주기 때문이다.
* 극한 온도(혹한 및 혹서): 물리적 피해 외에도 극한의 온도는 전자장치의 작동과 운전 범위에 영향을 끼칠 수 있다. 혹한이 배터리의 성능에 더 많은 응력을 가하지만 높은 온도도 배터리의 전반적인 작동 범위를 감소시킨다.
* 극한 진동: 내연기관은 강력한 진동을 발생시키지만 EV에서 주된 진동원은 크기가 작은 타이어, 뻣뻣한 서스펜션, 모터, 차동 기어(장착된 경우) 등이다.
* 극한 압력: 내연기관과 EV 모두에서 압력 수준은 온도로부터 직접 영향을 받는다. 내연기관이 자동차의 성능을 최대한 발휘하려면 엔진 오일, 연료, 심지어 수압까지 최적으로 조정되어야 한다. 그러나 경주용 EV에서 압력에 대한 가장 큰 요인은 타이어와 서스펜션 장치이다.
* 극한 복사: 도체 케이블을 통과하는 전자 전류는 인근 전자제품, 센서 데이터, 데이터 흐름을 간섭하는 전자기 복사를 만든다. 높은 DC 및 AC로 전력이 공급되는 경주용 EV라면 EMI 문제가 더욱 증대된다. 또한 가볍고 작은 부품에 대한 수요가 증가하면서 전자부품들이 밀접하게 배치되기 때문에 EMI의 가능성이 증가하고 있다.

전동 장치가 차이를 만든다
기존 내연기관 방식 또는 가솔린 차량과 비교해서 EV가 어떻게 작동하는지 배우면 경주용 EV가 겪는 극심한 환경을 이해할 수 있다. 일반적으로 자동차의 전동 장치는 자동차 바퀴로 동력을 생산하는 부품들로 구성된다. 가솔린 자동차의 경우 전동 장치는 엔진, 변속기, 구동축, 차동 장치, 바퀴를 포함한다. 물론 전동 장치에서 엔진을 제외하면 구동렬만 남는다.
가솔린으로 구동되는 전동 장치와 비교해서 EV의 전동 장치의 경우 복잡한 가솔린 엔진이 간단한 전기 모터로 대체된다. 기능적으로 볼 때 훨씬 덜 복잡한 것이다(그림 1). 그러나 EV의 전동 장치는 모든 전기 동력 시스템에서 발생하는 추가 에너지 누출과 EMI(전자파 간섭)를 줄이기 위해 전력 변환기, 페라이트 코어, 차폐 케이블, EMC(전자파 적합성) 필터 등 전자부품을 추가로 요구한다.

[그림 1] EV와 가솔린 전동 장치의 차이점

FIA(국제 자동차 연맹)가 마련한 포뮬러 E 경주 규칙에 따르면 제조사는 경주용 자동차에 차이를 만드는 혁신 기술을 전동 장치를 주된 공간으로 해서 추가할 수 있다. 이렇게 유연한 정책 덕분에 포뮬러 경주가 시작한 이래 큰 폭으로 기술이 발전되어 왔다. 예를 들어 시즌 2를 준비하는 동안 관련 규정에 따라 팀마다 이전 시즌에 사용하던 전동 장치(모터, 기어 박스, 차동 장치, 공기벽 포함) 설계를 변경할 수 있었다.
이렇게 자유롭게 설계할 수 있게 되면서 시즌 2에서 우승한 르노 스포트(Renault Sport)는 2단 기어 박스 드라이브를 차동 장치에 설치함으로써 차량 내 전자 모터를 가로 방향으로 설치할 수 있었다. 이렇게 설계하자 모터를 변속기와 일직선으로 배치할 수 있어 기어 박스에서 마찰이 감소했다. 또한 모터와 차동 장치 간 구동렬 거리가 짧아져서 인버터가 기어 박스 내에 자리잡았다. 덕분에 적은 공간만 사용하고 전체적인 무게 중심이 낮아져서 운전이 편해졌다. 인버터는 DC 전원식 배터리를 전기 모터 구동에 필요한 AC 전원장치로 변경시켰다.
시즌 3에서는 중량이 더욱 감소하고 향상된 재료를 사용해서 전동 장치의 성능이 향상되었다. 이렇게 관련 시스템들이 함께 개선되면서 속도 증가, 충전 시간 감소, 운전 거리 증가 등 전동 장치의 효율이 전반적으로 향상되었다.

구동 조건의 모니터링 및 소통

주변 데이터를 모니터링해서 소통하는 과정은 경주용 자동차의 성능을 최적화시키는 데 최우선사항이다. 포뮬러 E 경주 동안 경주용 EV는 가솔린 경주용 자동차와 비교했을 때 어떠한 데이터를 모니터링하고 소통하는가? 아래 표 1은 가솔린 엔진과 전기차가 수집하는 데이터의 종류를 비교한 것이다.

[표 1] 가솔린 엔진과 전기차가 수집하는 데이터의 종류 비교

기계적 진동과 EMI 모두에서 발생하는 잡음의 주된 원인은 EV와 가솔린 자동차에서 큰 차이가 있다. EV의 경우 바퀴로 전력을 전달하는 전동기와 (있다면) 변속기가 기계적 진동을 주로 일으킨다. 가솔린 자동차와 비교했을 때 EV는 대전류와 고전압 때문에 EMI의 위험성이 더 크다. 이러한 이유 때문에 EV, 적어도 경주용 EV를 설계해서 검사하는 과정에서 EMI 방사 누출을 감지하는 RF(무무선 주파수) 프로브 센서를 더욱 많이 설치해야 한다.
경주용 EV는 내연기관 자동차와 다른 사항을 요구한다. FIA 기준에 따라 포뮬러 E 경주에 참가하려는 경주용 EV에는 배터리 출력이 200kW를 상회하지 않도록 데이터를 측정 및 모니터링하는 견고한 전류 센서가 부착되어야 한다. 다시 말해 경주 동안 최대 온도와 전류의 흐름을 제어하는 배터리 관리 시스템이 작동해야 한다. 흥미롭게도 전동기의 토크를 관리하는 소프트웨어 시스템을 이용하면 이러한 온도 변수를 제어할 수 있다.
센서가 데이터를 모두 수집하면 자동차의 성능을 모니터링, 제어, 최적화하는 데 도움을 줄 수 있다. 과열, 진동, 압력, EMI 등 센서의 정확도와 기능에 장애를 유발하는 가혹한 경주 환경은 자동차의 성능에 부정적인 영향을 미칠 것이다.

설계 기법

고온, 과도한 진동, 압력(타이어와 쇼크 시스템), EMI를 견딜 수 있도록 견고한 센서를 설계하면 뛰어난 효과를 기대할 수 있지만 이에 대한 비용이 따르게 마련이다. 예를 들어, 온도 센서가 온도를 부정확하게 측정하는 경우 온도 상승을 방지하기 위해 냉각 기술을 추가로 적용해야 할 때가 종종 있다. 주변 온도가 높을 경우 압력 센서는 부정적으로 영향을 받을 수 있으므로, 엔지니어는 적절한 수준에서 냉각 기법을 고려해야 한다.
비슷한 예를 들어, 과도한 진동으로부터 센서를 보호하기 위해 물에 적신 구조물을 추가 설치하면 중량이 증가하고 경주용 자동차에서 차지하는 공간도 증가할 것이다. 그러나 조치를 취하지 않는다면 진동 때문에 센서가 파괴되거나 부정확한 데이터가 수집될 것이다.
EV 경주에서는 센서 본래의 기능을 유지하는 것 외에도 센서를 정확한 곳에 배치하는 것도 필수 요건이다. 경주용 자동차에서 전동기의 온도는 매우 높기 때문에 온도가 가장 높은 곳과 주변부의 온도 차이가 크게 날 수 있다. 따라서 센서를 1mm만 잘못 배치해도 데이터를 잘못 측정하고 드라이버는 전동기를 안전한 수준 이상으로 가속할 수 있다.
경주용 EV를 설계하는 과정에서 직면하는 다른 문제는 앞서 언급했듯이 다양한 전자부품으로 구성된 전동 장치에서 발생하는 에너지 누설과 EMI를 제어하는 일이다. 여러 부품들의 기능을 고려해야 하기 때문에 이러한 전자부품들은 좁은 공간에 함께 배치되는 일이 많고, 극한의 온도, 진동, 압력, EMI 스파이크에 노출된다. 마지막으로 개별 부품은 최대한 에너지 효율이 높아야 배터리 장치의 수명을 연장할 수 있다.
부품들을 단일 장치에 집적시키는 것도 개별 부품의 성능을 최적화하는 방법이다. 성능 최적화는 마우저 일렉트로닉스, 인피니언 테크놀로지스, TDK®가 집적 필터와 전력 변환기 EV 전동 장치 솔루션으로 진행하고 있다.
부품의 소재를 변경해도 대량 발생하는 EMI를 줄이는 데 도움이 된다. 가혹한 환경에서는 기존 실리콘 소재보다 여러 장점을 제공하는 SiC(탄화 규소)를 기반으로 하는 전력 구동 소자 기술의 발전사항을 고려해 보자. 예를 들어, SiC는 훨씬 높은 전기장을 견딜 수 있으며, 이는 SiC 장치가 더 높은 전압과 전류에서 작동하는 데 도움이 된다. 덕분에 고온의 환경에서 전력 밀도가 향상되고 전력 손실의 스위칭이 감소한다. SiC를 사용한 예는 (1) EV 전력 변환기 내의 내장형 쇼트키 다이오드, (2) 모터 작동을 위해 배터리 팩 DC 전류를 AC 전류로 변경할 때 사용되는 인버터가 있다.

결론

경주용 EV들이 포뮬러 E 경주에서 극도의 경주 환경에 노출되면서 EV 설계자들은 혁신적인 방법, 특히 견고한 측정 센서를 이용해서 이러한 장애물들을 극복할 수 있는 방법을 고안해야 할 기회를 얻고 있다. 특히 4가지 주요 환경 변수를 제어할 수 있어야 한다. 포뮬러 E에 참가할 수준의 성능을 갖춘 자동차를 설계하는 방법에 대해 FIA가 엄격한 기준을 설정하지만, 이와 동시에 미래에는 새로운 기술이 발전할 수 있는 더 많은 기회의 창도 제공한다. 따라서 포뮬러 E에 참가하는 경주용 자동차는 자동차 스포츠 열성팬들이 한가하게 즐기는 구경거리가 아니다. 소비자의 영역에서도 EV의 성능, 작동, 그리고 안전이라는 이슈에서 큰 변화가 시작되고 있 는 것이다. 이는 우리의 다음 토론 주제로 이어질 것이다.
마우저 일렉트로닉스가 전기차 기술의 발전을 어떻게 돕고 있는지 자세한 정보가 필요하면 마우저 일렉트로닉스가 운영하는 포뮬러 E 웹사이트를 참조하기 바란다.