10월6일 전기자동차 진단교육을 마무리하였습니다. 2013 . 10 . 6 . 일 -커먼레일폴리텍-

[커먼레일마스터]

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RAY EV(Electric Vehicle)소개

기아자동차는 순수 전기모터의 구동력으로 주행 가능한 전기 자동차 RAY EV를 개발하였다. RAY EV는 1회 충전해서 약 130km 주행 가능하고, 최고속도는 130km/h이다. 고전압 배터리를 30분 이내 충전 가능한 급속충전 시스템과 또한, 가정용 AC 110V/220V 전기를 이용해 충전할 수 있는 차량 탑재형 충전기(완속 충전기)를 장착하였다.

1. EV 개요

전기 자동차는 내연기관 차량과는 다르게 새로운 시스템으로 구성되었다. 이에 따른 최신 기술이 적용되어 생소한 용어들이 많아 아래 표와 같이 정리함으로써 이해를 돕고자 한다.

1.2 전기 자동차 란?

전기자동차는 기존에 사용하던 내연기관 없이 순수 전기 에너지를 운동 에너지로 변환해서 구동되는 자동차를 말한다. 동력발생원이 내연기관을 사용하던 것을 전기모터로 대체했고, 엔진에 연료를 공급하던 장치인 연료탱크 대신 배터리를 사용한 것이 큰 특징이라고 할 수 있다. 연료탱크에 연료를 충전하듯 배터리에 전기에너지를 충전할 수 있는 충전장치를 갖추고 있다.

1.3 전기 자동차의 장.단점

1) 장점

① 주행 중 전혀 배기가스를 배출하지 않는 친환경 자동차이다.

② 진동, 소음이 적고 정숙하다.

③ 감속 시 에너지 회수가 가능하고, 정차 중 모터가 정지하므로 에너지 손실이 적어 효율이 높다.

④ 배터리에 저장된 전기는 석유뿐만이 아니라 다양한 에너지에서 만들 수 있어 에너지의 다양화를 할 수 있다.

2) 단점

① 1회 충전으로 항속거리가 짧다.

② 배터리 가격 등 차량에 사용되는 부품들이 고가이다.

③ 충전을 위한 충전 인프라가 부족하다.

④ 충전하는데 시간이 오래 걸리고, 유지 관리 비용이 내연기관 차량보다 많이 든다.

1.4 전기 자동차 주행 모드별 동작

1) 출발/가속

시동키를 ON 후 운전자가 가속페달을 밟으면 전기 자동차는 고전압 배터리에 저장된 전기 에너지를 이용하여 구동모터로 주행한다. 차속을 올리기 위해 가속페달을 더 밟으면 모터는 더 빠르게 회전하여 차속이 높아진다. 큰 구동력을 요구하는 출발과 언덕길 주행 시는 모터의 회전속도는 낮아지고 구동 토크를 높여 언덕길을 주행할 때에도 변속기 없이 순수 모터의 회전력을 조절하여 주행한다.

2) 감속

차량 속도가 운전자가 요구하는 속도보다 높아 가속페달을 작게 밟거나, 브레이크를 작동할 때 전기모터의 구동력은 필요하지 않다. 이때 차량 바퀴의 주행 관성 운동 에너지를 구동모터는 발전기의 역할을 하여 전기에너지를 만들어낸다. 구동모터에서 만들어진 전기에너지는 고전압 배터리에 저장한다. 감속 시 발생하는 운동에너지를 버리지 않고 구동모터를 발전기로 사용하여 배터리를 재충전하는 것을 회생제동이라고 한다.

3) 완속충전

전기 자동차는 고전압 배터리에 저장된 전기를 에너지를 다 사용하면 더는 주행이 안된다. 이때 고전압 배터리에 전기 에너지를 다시 충전하여 사용해야 한다. 충전하는 방법으로는 완속충전과 급속충전이 있다. 완속충전은 AC 100/220V의 전압을 이용하여 고전압 배터리를 충전하는 방법이다. 완속충전 시에는 표준화된 충전기를 사용하여 차량의 앞쪽에 설치된 완속충전기 인렛을 통해 충전하여야 하며, 급속충전보다 더 많은 시간이 필요하다. 급속충전보다 충전 효율이 높은 배터리의 용량의 90%까지 충전할 수 있다.

4) 급속충전

급속충전은 외부에 별도로 설치된 급속 충전기를 사용하여 DC 380V의 고전압을 이용하여 고전압 배터리를 빠르게 충전하는 것이다. 기존 차량의 연료 주입구 안쪽에 설치된 급속충전 인렛 포트에 급속충전기 아웃렛을 연결하여 충전하며, 충전효율은 배터리 용량의 80%까지 충전할 수 있다.

2. EV 시스템 소개

2.1 구성

(파일참조)

1) 구성품 사양

2.3 EV 고전압 회로

RAY EV 자동차의 고전압 결선도를 보면 고전압 배터리, PRA1,2, 전동식 에어컨 컴프레서, LDC, PTC 히터, OBC, MCU, 구동모터가 고전압으로 연결되어 있다. 배터리 팩 안에는 고전압 배터리와 PRA1,2가 방수 TYPE으로 밀봉되어 장착되어 있다. 또한, 고전압을 차단할 할 수 있는 안전플러그가 장착되어 있다. PRA1 은 구동용 전원을 차단 및 연결하기 위해 작동을 하고, PRA2는 급속충전기에 연결될 때 BMS의 신호를 받아 고전압 배터리에 충전될 수 있도록 전원을 연결하는 기능을 한다.

전동식 에어컨 컴프레서, PTC 히터, LDC, OBC에 공급되는 고전압은 정션박스를 통해 전원을 공급받는다. MCU는 직류 330V 단상 고전압을 PRA1과 정션박스를 거쳐 공급받아 교류 330V 3상으로 변환하여 구동모터에 고전압을 공급하고 운전자의 요구에 맞게 모터를 제어한다.

2.4 EV 정션박스

RAY EV 자동차에 공급되는 고전압은 배터리에 PRA1을 거친 후 엔진룸에 있는 정션박스로 공급된다. 정션박스에서 모든 고전압이 각종 장치로 공급된다. 정션박스 외부에는 고전압 배터리에서 공급되는 고전압 케이블( +, - )이 정션박스 내부에 연결되어 있다. 또한, 인버터로 연결되는 고전압 케이블 ( +, - )가 정션박스 내부에서 바로 공급된다. 그 외에 PTC 히터(40A), 전동식 에어컨 컴프레서(30A), OBC(30A), LDC(30A)는 퓨즈를 거쳐 공급된다. 각종 장치로 연결되는 고전압 케이블은 바뀌지 않도록 주의해야 한다.

▶ 정션박스 정비 시 주의사항

① 모든 전원을 OFF하고 보조 배터리(-) 케이블을 분리한다.

② 리어 시트 아래에 위치한 안전플러그 탈거 후 5분 이상 대기한다.

③ 엔진룸에 장착된 정션박스 커버를 분리한다. (T30 별 렌치 이용)

④ MCU로 연결되는 고전압 케이블 단자에 전압을 측정하여 30V 이하인지 확인 후 작업한다.

⑤ 각종 장치로 연결되는 고전압 컨넥터를 분리한다.[PTC히터(파란색), 전동식 에어컨 컴프레서(갈색), OBC(초록색), LDC(검정색)]

⑥ 정션박스를 지지하는 10mm 너트를 탈거한다.

⑦ 고전압배터리 및 MCU로 연결되는 볼트를 탈거한다.

⑧ 정션박스와 고전압케이블을 지지하는 10mm 볼트를 MCU(-) 단자부터 차례로 탈거한다.

2.5 전기식 워터펌프 (EWP : Electronic Water Pump)

전동식 워터펌프는 MCU에 의해서 아래 표와 같이 회전 속도가 제어된다. 전기식 워터 펌프는 LDC, MCU, 모터, OBC를 냉각하기 위해 냉각수를 강제 순환하기 위한 장치이며, 냉각수 리저버 탱크와 라디에이터가 장착된다. 냉각수 주입 시 반드시 주입순서를 지켜야 한다.

▶ 냉각수 주입순서

① GDS를 진단커넥터에 연결한다.

② 리저버 뚜껑을 열고 냉각수가 넘치지 않을 정도로 주유한 후 GDS를 이용하여 EWP를 강제구동한다.

③ EWP가 정상 구동되면 리저버에 다시 냉각수를 보충한다.

④ 공기빼기 및 냉각수 주입 완료 시까지 약 3분간 작동한다.

⑤ 약 3분경과 후 리저버안 냉각수가 맥동 현상이 있으면 종료한다.

⑥ EWP 강제구동 종료 후 리저버 탱크 Min –ax 레벨 중간까지 냉각수를 보충한다.

LDC

LDC란 Low voltage DC-DC Converter의 약자로서 고전압을 12V 저 전압으로 변환하여 차량의 각 부하에 공급하기 위한 전력 변환 시스템이다.

1. 시스템 개요

일반적으로 컨버터란 직류전압을 다른 전압 범위로 변환시키는 장치를 말한다. 예를 들어, 100V, 5A의 입력 전원이 500W이다. 컨버터를 지나면 50V, 10A로 변환시켰을 때 500W로 동일하게 출력이 된다.좌측 상단 회로를 보면, 100V의 입력 전압을 DC-DC converter를 통하여 50V로 하강시키는 것이 최종 목적이라고 가정해 본다. 우측 상단 회로에서 회로 중앙에 가변저항을 설치하면 결론적으로 50V의 전압을 얻을 수는 있으나 가변저항에 의해 총 입력 에너지의 절반이 손실되는 것을 알 수 있다. 에너지 소비율이 중요시되는 친환경 자동차에서 이러한 손실은 최소화해야 한다.

하단 회로는 중앙에 적절한 코일(inductance)과 커패시터(capacitor)를 설치한다. 그림에 표시된 스위치 "A"를 연결, 차단하면 이를 통하여 출력 전압을 조절할 수 있을 뿐 아니라 손실되는 에너지를 최소화할 수 있다.

1.2 LDC 역할

내연기관 차량의 발전기는 엔진에 의해 구동되고 기계에너지를 전기에너지로 변환하는 것으로 필요한 전력을 각종 장치에 공급하였다. 그러나 전기 자동차에는 엔진이 없고, 또 하이브리드 전기 자동차에는 연비향상, 배기가스 저감에서 AUTO STOP 기능을 사용하여 발전기를 사용하지 않고 있다. 이런 이유로 전기자동차, 하이브리드 전기 자동차에서는 고전압 배터리의 전압을 저 전압으로 변환하는 DC-DC 컨버터인 LDC가 필요하게 된다.

LDC는 전력이 변화하는 파워회로와 제어회로로 구성되어 있다. 파워회로에서는 제어회로의 구동신호에 명령에 따라 스위칭 트랜지스터(MOSFET)를 사용하여 입력 직류전압을 ON/OFF하고 교류전압을 트랜스에 공급한다. 트랜스에서는 이 교류전압을 변압하고 다이오드로 정류한다. 콘덴서에서는 정류 후 직류단속전압을 일정하게 평활하고 보조 배터리에 충전한다. 제어회로는 입력의 고전압 배터리가 전압 변동에 따른 변화 시에도 소정의 전압을 출력하도록 제어한다.

LDC 내부에는 과전류에 대비한 과전류 보호회로, 입· 출력 과전압 보호회로 및 과열 보호회로가 내장되어 있다. 과열로 인한 손상을 방지하기 위하여 수랭식 냉각회로가 구성되어 있다.