전기차 모터의 속도 제어 방법과 모터효율 역회전 방법

전기차 모터는 주로 3상 교류 발전기를 사용하며 속도 제어 방법에는 회전자계 극수 제어, 슬립 제어, 주파수 제어가 있습니다. 각 제어방법을 살펴보고 모터의 효율과 감속기 및 역회전 방법도 알아보겠습니다.

 

전기차에서 변속기 대신 인버터로 속도 제어하는 이유

전기차에서 변속기 대신 인버터를 사용하여 속도를 제어하는 이유는 다음과 같습니다.

 

인버터를 사용한 속도제어는 변속기를 사용하는 것보다 효율이 높습니다. 인버터를 통해 모터의 회전속도를 조절함으로써 소요 동력을 감소시킬 수 있습니다. 인버터를 사용하면 별도의 변속기가 필요하지 않으므로 모터의 구조가 간단해집니다. 그만큼 전체 시스템의 크기와 무게를 줄여줍니다.

 

인버터를 통한 속도 제어는 다양한 운전 조건에 맞게 모터의 회전속도를 유연하게 조절할 수 있습니다.  인버터 제어는 AC 모터의 부하 역률을 최적화시키고 효율성을 향상시킵니다. 에너지가 절감되고 그만큼  주행 거리를 늘릴 수 있는 장점이 있습니다. 

 

회전속도와 소요동력 사이의 관계

회전속도와 소요동력 사이의 관계는 다음과 같은 수식으로 나타낼 수 있습니다.

 

P2 = P1 x (N2/N1)^3

여기서,

P1: 정격시 동력

P2: 인버터 제어시 동력

N1: 정격회전속도

N2: 인버터 제어시 회전속도

 

위의 수식은 회전속도의 세제곱에 비례하는 관계를 보여줍니다. 회전속도를 변화시킬 때, 동력은 회전속도의 세제곱에 따라 증가 또는 감소합니다.

 

예를 들어, 회전속도를 정격회전속도의 절반으로 감소시키면, 동력은 (1/2)^3 = 1/8로 감소합니다. 반대로 회전속도를 정격회전속도의 두 배로 증가시킨다면, 동력은 2^3 = 8배로 증가합니다. 이 수식은 인버터를 사용하여 회전속도를 가변적으로 제어할 수 있는 장점이 있습니다. 

 

 소요동력을 효율적으로 관리하기 위해 회전속도를 적절히 조절함으로써 큰 에너지를 절약할 수 있습니다. 

 

회전자계 극수제어

모터의 회전수는 모터의 극수, 주파수, 슬립에 의해 결정됩니다. 회전자계 극수 제어는 모터의 극수와 주파수를 조절하여 속도를 제어하는 방법입니다. 모터의 회전수(N)는 다음과 같은 공식으로 계산됩니다:

 

N = ((120 x f) / P) x (1-S)

 

여기서

N: 모터의 회전속도 (rpm)

P: 모터의 극수

f: 주파수

S: 슬립

 

위의 공식을 활용하여 극수(P), 주파수(f), 슬립(S)를 조절함으로써 원하는 속도(N)를 얻을 수 있습니다. 예를 들어, 극수와 주파수를 적절하게 설정하여 원하는 회전속도를 조절할 수 있습니다.

 

전기차 3상 교류 모터 원리

 

슬립제어

슬립 제어는 모터의 실제 회전속도와 원하는 회전속도 사이의 차이를 조절하여 제어하는 방법입니다. 슬립(S) 값을 조절하여 모터의 속도를 조정할 수 있습니다. 슬립 제어는 저속 운전 시 손실이 증가할 수 있지만, 정확한 속도 제어가 필요한 경우에 유용합니다.

 

주파수 제어

주파수 제어는 모터에 가해지는 주파수를 변화시킴으로써 속도를 제어하는 방법입니다. 주파수 제어를 위해 인버터라는 장치를 사용합니다. 인버터는 주파수를 변환하여 모터에 제공하는 역할을 합니다. 주파수를 조절함으로써 모터의 속도를 연속적으로 조절할 수 있으며, 슬립 제어보다 더 효율적인 운전이 가능합니다. 주파수 제어는 모터의 속도 뿐만 아니라 회전력(Torque) 조절에도 사용됩니다.

 

감속기와 모터 역회전 방법

전기차 모터의 높은 회전 영역과 출력을 고려하여 자동차는 감속기를 사용합니다. 전기차에서 모터는 인버터를 통해 3상 코일의 연결 순서를 변경함으로써 회전 방향을 정방향과 역방향으로 변환할 수 있습니다. 따라서 전후진을 변환하기 위한 별도의 변환기어가 필요하지 않습니다.

 

모터의 효율

모터는 내연기관에 비해 효율이 높습니다. 특히 영구자석형 동기모터는 매우 높은 효율을 가지고 있으며, 효율이 95%에 이를 수 있습니다.

 

그러나 고온과 고회전수에서는 효율이 저하되는 경향이 있으므로 적절한 냉각 설계가 중요합니다. 냉각 장치에는 공기의 흐름을 이용하여 냉각하는 공랭식과 모터 내부의 액체 냉각액을 통해 냉각하는 수랭식이 있습니다. 냉각 장치는 모터 뿐만 아니라 배터리와 전자제어 장치에도 설치되어 최적의 성능을 발휘하기 위해 열적 특성을 관리해야 합니다.