1. 차량의 일반적인 운동 모델
차량이 주행하는데 필요한 힘과 동력을 먼저 살펴본다. Fig. 2-1 에서 보여주는 것처럼 차량이 임의의 속도로 달리기 위해 필요한 구동력은 가속저항, 구름저항, 등판저항 그리고 공기저항으로 이루어지며 필요한 구동파워은 식 (2-1)과 같이 표현된다. 그리고 구동모터 또는 변속기에서 요구되는 출력토크와 회전속도는 식 (2-2)와 같이 표현된다.
이 구동파워는 엔진의 연소반응, 배터리 셀전지의 화학반응 또는 연료 전지의 화학반응에서 공급된다. 그리고 각 부품으로 전달되는 에너지가 변환될 때 손실이 동반되며 이 손실에너지는 대부분 열의 형태로 나타난다. 이 때 발생된 열은 부품의 열화등 내구를 저하하거나 부품의 열손상으로 시스템이 제기능을 못하게 될 수도 있으므로 반드시 적절한 냉각시스템을 갖추어야 한다.
2. 전기차의 시스템 구성
내연기관 자동차의 개략적인 시스템 구성과 에너지 흐름은 Fig. 2-2 에서 볼 수 있다. 내연기관 자동차는 연료의 연소에 의한 폭발력으로 에너지를 생성하며, 변속기를 통해 전달된 회전력은 자동차 바퀴를 구동하게 된다. 그리고 일부 에너지는 알터네이터, 컴프레서, 냉각수 펌프, 냉각팬 등 보기류를 작동하는 데 소모된다.
이에 반해 전기차는 배터리의 전기에너지로 전기모터를 구동함으로써 구동력을 얻는 차량이다. Fig. 2-3 는 전기차의 시스템 구성과 에너지흐름을 개략적으로 보여준다. 배터리팩의 화학반응에서 발생되는 직류 성분의 전기에너지를 인버터에 의해 적절한 3 상 교류로 변환하여 구동모터를 작동시킴으로써 자동차 바퀴를 구동하게 된다. 그리고 내연기관 자동차와 달리 모든 보기류가 전동화가 되어야 하며, 이 보기류를 구동하기 위해 구동 부품의 특성에 맞게 저전압 또는 교류로 변환하여 해당 부품을 작동하게 된다.
고전압 배터리팩은 충방전이 가능한 2차 화학전지인 배터리셀의 직병렬 조합에 의해 고전압을 구성하고 고출력, 내구 등의 설계 요건을 만족하며, 충전 시 전기에너지가 화학에너지로 저장되었다가 방전 시 화학에너지에서 전기에너지를 생성한다. 그리고 차량에 사용하는 구동모터는 교류모터인 영구자석형 동기모터(PMSM) 또는 유도모터(IM)를 주로 사용하며, 운전자의 페달 조작 시그널에 따라 인버터에서 모터의 목표 토크와 회전속도 구현을 위해 모터에 인가할 3상 전기를 생성하고, 최종적으로 차량이 원하는 속도로 움직이게 된다. 그리고 구동모터는 운동 에너지를 전기에너지로 바꾸는 발전기 역할도 할 수 있으므로 회생 제동의 기능도 가진다.
3. 전기차의 열관리 회로
차량의 열관리는 차량 구동장치에 해당하는 파워트레인 열관리와 캐빈에 거주하는 인체 열관리가 적절히 이루어져야 한다. 그러나 자동차의 구동장치가 내연기관에서 전동화로 바뀜에 따라 열관리 대상이 변화되고 이에 따른 요구조건도 달라졌다. 열관리 회로는 기본적으로 각 시스템의 냉각성능을 충족시킴과 동시에 냉각에 있어 적은 에너지로 효율적으로 운영되어야 하며 캐빈에 있는 승객에게도 열적 쾌적한 환경을 제공할 수 있도록 HVAC 등이 설계되어야 한다.
전기차에서 열관리가 필요한 부위는 배터리, 구동모터 및 그 외의 전장품, 그리고 캐빈 등으로 분류할 수 있으며, Fig. 2-4 에서 나타낸 각 시스템별로 요구되는 유체온도를 고려하여 각 냉각시스템을 독립적으로 또는 통합적으로 배열할 수 있다. 그리고 시스템에 따라 관리목표온도 또는 최적온도가 존재하는 데 이도 같이 고려되어야 한다. 예를 들어 캐빈의 일반적인 목표 관리온도는 23℃ 근방이며 배터리 셀전지의 최적온도는 25℃ 부근이다.
Fig. 2-5 는 내연기관 자동차의 기본적인 열관리 회로를 보여준다. 엔진에서 발생하는 고온의 열은 기본적으로 냉각수를 통해 전달되어 라디에이터에서 방열되며, 발생하는 고온의 열 중 일부는 회로적으로 난방용 히터코어와 병렬로 연결되어 캐빈 난방에 사용된다.
하지만 전기차의 경우는 내연기관의 엔진은 고전압배터리로 대체되고 변속기대신에 인버터 및 구동모터로 대체되었으며 이와 더불어 OBC, LDC 등 전력변환장치가 추가되었다. 그리고 냉각수 폐열을 난방 열원으로 사용하는 내연기관과 달리 전기차에서는 별도의 난방장치를 요구하게 되었고, 벨트 구동방식이 없어지면서 컴프레서, 냉각수 펌프 등이 기계 구동방식에서 전동 구동방식으로 변경되었다. 이에 다소 복잡한 열관리 회로를 구성하게 되는데, Fig. 2-6 은 판매되고 있는 전기차 회로의 한 예를 보여준다. 배터리와 모터의 관리온도가 다르므로 외기온이 낮을 경우 라디에이터를 공용으로 사용하는 통합 회로로 구성되며, 외기온이 높은 경우 개별 회로로 작동될 수 있도록 구성된다. 이 개별 회로에서 배터리 냉각은 에어컨 작동에 의한 냉각수의 온도를 낮춤으로써 가능하다. 그리고 실내 난방은 내연기관과 달리 폐열을 활용한 온수 공급이 불가능하기에 별도의 발열 히터 장치를 사용한다.
