전기차 파워트레인 - 모터, 인버터 및 감속기

0. 이 글에서 다루는 내용

• 배터리, 인버터, 모터, 감속기, 차동장치가 에너지를 변환하는 순서

• 영구자석 동기 모터(PMSM)와 유도 모터의 토크, 효율, 재료, 열적 차이

• 현대 E-GMP와 같은 통합 전기 구동 시스템, 회생 제동, 냉각, 안전

1. 결론: 전기차 파워트레인이란 무엇인가?

전기차 파워트레인은 고전압 배터리 직류(DC) 에너지를 인버터를 통해 3상 모터 전력으로 변환한 후, 감속기, 차동장치, 바퀴를 통해 전자기 토크를 전달합니다. 엔진의 좁은 회전 범위에 맞추기 위해 필요한 다단 변속기를 생략할 수 있지만, 배터리 전압, 반도체 스위칭, 모터의 자기 및 열 설계가 주행 거리와 성능을 결정합니다.

2. 에너지 흐름

그림 1 — 배터리에서 구동 전력이 흐르는 방식

휠에 전류가 흐르고, 회생 제동을 통해 전류 방향이 반전됩니다. 인버터는 양방향 전력 변환기입니다.

3. 모터 토크

단순화된 표면형 PMSM 모델의 경우, 전자기 토크는 다음과 같습니다.

여기서 p는 극쌍 수, \psi_f는 자속, i_q는 회전 자기장에 수직인 q 축 전류입니다. 고속에서는 역기전력이 배터리 전압에 가까워지므로, 자계 약화에는 d 축 전류가 사용됩니다. 인버터는 위치 센서 또는 센서리스 관측기에서 얻은 전기각을 추적합니다.

유도 전동기는 영구 자석 대신 슬립 유도 회전자 전류를 사용합니다. 희토류 자석을 사용하지 않지만 회전자 동손이 발생하므로 저부하 효율과 제어 최적화가 중요합니다. 일상적인 주행에는 PMSM을, 고속 주행이나 재료 제약이 있는 경우에는 유도 전동기를 사용하는 것이 하나의 지름길일 뿐이며, 축 수, 열용량, 비용 및 재활용 가능성을 고려해야 합니다. 함께.

4. 인버터 및 감속기

3상 2레벨 인버터는 데드 타임이 있는 6개의 스위치를 구동하여 PWM 평균 전압을 생성합니다. 대략적인 손실 추정치는 다음과 같습니다.

f_s 값이 높을수록 전류 리플과 소음은 감소하지만 손실과 EMI는 증가합니다. SiC MOSFET은 고전압, 고온, 고속 동작에 적합하며, 실리콘 IGBT는 비용과 기술 성숙도 측면에서 여전히 강점을 보입니다.

고속으로 작동하는 모터는 소형화할 수 있으므로 고정 감속기를 사용하면 토크가 증가합니다. 모터, 인버터 및 기어 효율이 각각 \eta_m, \eta_i, \eta_g일 때,

주행 거리는 최고 효율이 아닌 저부하, 고속 주행 및 경사로에서의 사이클 평균 효율에 따라 달라집니다.

5. 전류 플랫폼 예시

현대자동차 그룹은 E-GMP를 모터, EV 변속기(감속기), 인버터를 포함하는 통합 PE 시스템으로 설명합니다. 사륜구동 차량은 사용하지 않는 모터를 기계적으로 분리하여 저항을 줄일 수 있습니다. 제조사마다 명칭은 다르지만, 배터리, 전력 제어 장치, 구동 모터, 감속기, 냉각 장치는 점차 소형 고전압 모듈에 통합되고 있습니다.

6. 회생 제동 및 마찰 제동

가속 페달에서 발을 떼면 모터가 발전기 역할을 하여 바퀴의 운동 에너지를 배터리로 되돌려 보냅니다. 높은 SOC, 낮은 온도, 충전 전력 제한 또는 낮은 접지력은 회생 제동을 제한할 수 있으므로, 이 경우 유압식 마찰 제동이 나머지 제동을 담당합니다. 블렌디드 컨트롤러는 요청된 감속을 회생 제동 부분과 마찰 제동 부분으로 나눕니다.

이를 통해 페달 감각과 제동 거리를 유지합니다. ABS/ESC가 작동하면 회생 제동을 빠르게 중단하고 4륜 마찰 제동을 사용해야 합니다. 이상.

7. 구성 비교

8. 까다로운 조건 및 안전

배터리 내부 저항과 출력은 온도에 따라 변하며, 모터와 인버터는 짧은 피크 후 열 포화 상태에 도달합니다. 냉각수 유량이 증가하면 펌프 전력도 소모되므로 주행 사이클에 따라 공유 루프 또는 개별 루프를 선택해야 합니다. 절연 저항, 사전 충전, 접촉기, 충돌 고전압 절연 및 잔류 전압 표시는 안전 요구 사항인 동시에 성능 요구 사항입니다.

9. 실제 선택 사항

• 주로 도심 주행: 저속 토크, 원활한 회생 제동 및 저부하 효율을 우선시하며, 고정 감속비가 기준이 됩니다.

• 주로 고속도로 주행: 실제 주행 사이클에서 모터 최고 속도, 계자 약화 손실 및 2단 기어의 질량을 비교합니다.

• 눈길 및 SUV: 회생 제동을 제거했을 때 듀얼 모터 토크 응답 및 마찰-제동 전환을 평가합니다.

• 상업용 및 견인: 연속 열용량, 냉각 이중화, 기어 수명 및 고전압 서비스 절차를 우선시합니다.

10. 3줄 요약

전기차는 인버터, 모터 및 감속기를 통해 배터리 직류를 휠 토크로 변환합니다.

PMSM 대 유도 모터, SiC 대 실리콘, 고정 감속비 대 다단 감속비는 효율, 재료, 발열 및 비용 측면에서 시스템적 절충점입니다. 주행 가능 거리는 블렌디드 브레이킹, 고전압 절연 및 사이클 평균 효율을 모두 고려한 후에만 설정됩니다.

참고 자료

• 현대 E-GMP 발표
• 현대 E-GMP 전력 전기 시스템
• 도요타 고전압 시스템 안전 문서
• IEEE 전력 전자 학회