EREV에 사용되는 발전기(Generator)와 인버터의 역할과 특징

EREV(Extended Range Electric Vehicle)는 전기차의 주행 가능 거리를 늘리기 위해 내연기관과 배터리가 함께 사용되는 차량입니다. 배터리로 주행이 가능하지만, 배터리 용량이 다 소모되면 내연기관을 활용하여 발전기로 전기를 생성해 차량을 구동하거나 배터리를 충전합니다. 이때 발전기와 인버터가 중요한 역할을 하게 됩니다. 발전기는 엔진이 발생시키는 기계적 에너지를 전기로 변환해 주고, 인버터는 전기를 적절히 변환하여 배터리와 모터에 전달합니다.

이 글에서는 EREV에 사용되는 발전기와 인버터의 역할, 요구되는 기술적 특징, 그리고 실제 사례를 들어 설명해 드리겠습니다.

 

닛산이 개발한 EREV 'e-파워 시스템' [제공=닛산]

EREV에서 발전기(Generator)의 역할

1. 전기 생성
2. EREV의 핵심은 전기 주행 능력입니다. 하지만 주행 거리가 길어지면 배터리만으로는 부족할 수 있습니다. 이때 내연기관이 가동되어 발전기(Generator)가 전기를 생성합니다. 발전기는 엔진의 동력을 이용해 전기를 만들어 배터리를 충전하거나, 차량의 전기 모터에 바로 전력을 공급해 주행을 지원합니다. 발전기는 마치 '이동식 발전소' 역할을 하며, 필요할 때 차량에 에너지를 공급해 주는 중요한 장치입니다.
3. 고효율 전력 변환
4. 발전기가 엔진에서 얻은 기계적 에너지를 효율적으로 전기 에너지로 변환하는 것이 매우 중요합니다. 이를 위해 고성능 발전기가 요구되며, 최소한의 에너지 손실로 전기를 생산해야 합니다. 특히 EREV는 연비 효율이 중요한 만큼, 에너지 변환 효율이 높은 발전기를 사용하는 것이 필수적입니다.

발전기의 요구 사항과 특징

1. 고효율 설계
2. 발전기는 연료 효율성을 높이기 위해 최적화된 설계가 필요합니다. 발전기의 효율이 낮으면 더 많은 연료를 소비하게 되어 EREV의 장점이 감소하게 됩니다. 따라서, 최소한의 연료로 최대 전력을 생성할 수 있는 발전기가 필요합니다. 이를 위해 가변 속도 발전기가 많이 사용됩니다. 가변 속도 발전기는 엔진의 회전 속도에 맞춰 발전기의 출력이 변화하기 때문에, 최적의 전력 생산이 가능하며 연료 소비를 줄일 수 있습니다.
3. 소음과 진동 관리
4. 내연기관이 작동하는 동안 발전기는 지속적으로 전기를 생성합니다. 이 과정에서 발생하는 소음과 진동은 승객의 승차감을 저해할 수 있기 때문에, 이를 최소화하는 기술이 중요합니다. 최근에는 소음 억제 시스템과 진동 감쇠 기술이 적용된 발전기가 개발되고 있으며, 이를 통해 더 조용하고 부드러운 주행 경험을 제공합니다.
5. 경량화
6. 발전기는 차량의 중요한 부품 중 하나이지만, 무게 역시 중요한 요소입니다. EREV는 효율적인 연비와 주행 거리를 제공해야 하기 때문에, 발전기와 관련 부품이 경량화되어야 합니다. 경량화된 발전기를 사용하면 차량의 전체 무게가 줄어들어 연비가 개선되고, 더 긴 주행 거리를 제공할 수 있습니다.

EREV에서 인버터(Inverter)의 역할

1. 직류를 교류로 변환
2. 배터리에서 저장되는 전기는 **직류(DC)**입니다. 하지만 대부분의 전기 모터는 **교류(AC)**를 필요로 하기 때문에, 배터리에서 나오는 전기를 모터에 사용할 수 있도록 직류를 교류로 변환하는 장치가 필요합니다. 이 역할을 하는 것이 바로 **인버터(Inverter)**입니다. 인버터는 EREV의 전기 모터가 원활하게 작동하도록 배터리에서 나오는 전류를 적절히 변환하여 모터에 공급합니다.
3. 에너지 효율 관리
4. 인버터는 단순히 전기를 변환하는 것뿐만 아니라, 에너지 효율을 극대화하기 위해 작동합니다. 모터가 필요로 하는 전력을 적절히 조정하고, 배터리로부터 공급되는 전력을 최적으로 분배하여 전력 낭비를 최소화합니다. 이를 통해 EREV는 더 적은 에너지로도 장거리를 주행할 수 있습니다.

인버터의 요구 사항과 특징

1. 고전압 처리 능력
2. EREV는 높은 전력을 요구하는 전기차입니다. 따라서 인버터는 고전압을 안정적으로 처리할 수 있어야 합니다. 일반적인 승용차 전기 모터는 400V 이상의 전압을 필요로 하며, 대형차량의 경우 그 이상의 전압을 요구합니다. 따라서 고전압 인버터는 모터의 요구 전력에 맞게 전압을 변환하고 안전하게 공급할 수 있어야 합니다.
3. 소형화와 경량화
4. 전기차의 전기 모터와 배터리는 차량 내부 공간을 많이 차지합니다. 따라서 인버터는 최대한 소형화되어야 하며, 차량의 무게를 줄이기 위해 경량화도 필수적입니다. 최근에는 **집적 회로(IC)**와 파워 모듈을 사용한 소형화된 인버터가 개발되어, EREV의 내부 공간을 효율적으로 활용할 수 있습니다.
5. 열 관리 시스템
6. 인버터는 고전압을 처리하는 동안 많은 열을 발생시킵니다. 이를 제대로 관리하지 않으면 인버터의 성능이 저하되거나 손상될 수 있습니다. 특히 고속 주행이나 급가속 시 인버터의 열이 급격히 증가할 수 있기 때문에, 효과적인 열 관리 시스템이 필요합니다. 이를 위해 냉각 시스템이나 열전도성 물질을 활용하여 인버터 내부의 열을 효과적으로 배출하는 기술이 적용됩니다.

실제 사례: 테슬라와 BMW의 인버터 기술

테슬라와 BMW는 EREV와 전기차에서 사용되는 인버터 기술의 선두주자입니다. 두 회사 모두 고성능 인버터를 통해 차량의 에너지 효율을 높이고 주행 성능을 극대화하고 있습니다.

• 테슬라는 실리콘 카바이드(SiC) 기반의 인버터를 사용하여 에너지 손실을 최소화하고, 차량의 주행 거리를 늘렸습니다. 이 기술을 통해 테슬라는 더 긴 주행 거리를 제공하면서도 고속 충전이 가능합니다.
• BMW는 고집적 파워 모듈을 사용한 인버터를 개발하여, 기존보다 더 작은 크기와 더 가벼운 무게로 차량 성능을 향상시켰습니다. 이를 통해 BMW의 전기차와 EREV는 더 효율적으로 에너지를 사용하며, 인버터의 열 관리 문제도 개선되었습니다.

 

400V? 800V?

EREV(Extended Range Electric Vehicle)의 경우, 대부분의 차량은 400V 시스템을 사용합니다. 400V 시스템은 주로 승용차 및 중형 전기차에서 표준으로 사용되며, EREV도 여기에 속하는 경우가 많습니다. 이는 차량의 크기, 사용 목적, 비용 효율성 등을 고려할 때, 400V 시스템이 주행 거리와 성능 간의 균형을 제공하기 때문입니다.

그러나 최근 일부 고성능 전기차 및 전기 SUV에서는 800V 시스템이 채택되기도 합니다. 800V 시스템은 더 빠른 충전 시간과 전력 효율성을 제공하며, 고성능 또는 대형차량에서 주로 사용됩니다. 이 시스템을 사용하면 전압이 높아져 전류를 줄일 수 있고, 그 결과 발열이 감소하고 에너지 손실이 줄어듭니다.

EREV는 전기차와 내연기관이 결합된 차량이므로, 전기차에서 사용하는 배터리 전압이 큰 차이를 만들지 않습니다. 일반적인 EREV 모델은 400V 시스템을 사용하는 것이 더 일반적이지만, 기술 발전과 고성능 전기차의 수요에 따라 800V 시스템을 도입하는 경우도 있을 수 있습니다.

 

현재 대부분의 EREV는 400V 차량이며, 800V 시스템은 고성능 전기차나 대형 전기차에서 더 자주 사용됩니다.

 

맺음말

 

EREV에서 발전기와 인버터는 핵심적인 역할을 담당하며, 차량의 성능과 효율성을 결정짓는 중요한 부품입니다. 발전기는 내연기관의 기계적 에너지를 전기로 변환하여 배터리를 충전하고, 차량의 주행을 지원하는 중요한 장치입니다. 인버터는 배터리에서 나온 직류 전기를 교류로 변환하여 모터에 적절히 공급하고, 에너지 효율을 높이는 역할을 합니다.

고효율 발전기와 인버터의 선택은 EREV의 성능과 주행 거리를 크게 좌우합니다. 발전기의 효율성과 소음, 진동 관리, 인버터의 고전압 처리 능력과 열 관리 시스템 등은 EREV가 성공적으로 작동하는 데 필수적인 요소입니다. 테슬라와 BMW와 같은 기업들은 이미 고성능 발전기와 인버터 기술을 통해 EREV의 주행 성능과 효율을 극대화하고 있으며, 앞으로도 기술 발전을 통해 더욱 효율적인 EREV가 등장할 것입니다.