전기자동차의 전력 변환 장치(변압기, 인버터, 컨버터)

이번 시간에는 H모빌리티클래스 "카인사이드아웃" 과정의 "전력변환장치 구조 및 작동 원리"를 바탕으로 정리를 해보았다. 
기존 내연기관에서도 배터리가 들어가고 전자장치가 많이 들어갔지만 전기자동차로 바뀌며 전력 변환 장치가 더 많이 들어갈 것이라 생각한다. 때문에 이러한 장치들의 중요성이 높아질 것이기에 정리해보려고 했다! 

전기자동차의 전력 변환 장치에는 세 가지가 있다. 변압기, 인버터, 컨버터이다.

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변압기

먼저 변압기는 교류 전압의 크기를 변환하는 장치를 말하며 주로 송전, 배전 과정에서 사용된다. 전력을 장거리로 송전할 때 변압기로 전압을 높여 전력 손실을 줄이고 사용 시에는 다시 변압기로 전압을 낮추어 사용한다.

사실 전기차에서는 전기차 충전을 위한 OBC에 들어있지 않을까? 
혹은 송전 과정에만 쓰이는 것인지는..

변압기의 구성

• 변압기는 두 개의 코일로 구성되어 있다. 두 코일은 철심을 공유하며 전자기 유도 현상으로 전압을 변환한다.

전압 변환 과정

• 1차 코일에 교류 전압을 인가하면 자기장이 생성된다. 철심을 통해 전달된 자기장으로 2차 코일에 전압이 유도된다. 이때 전압은 코일의 감은 수에 비례하며 이것으로 전압을 조절할 수 있다.

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인버터

인버터는 직류를 교류로 변환하는 장치이다. 인버터는 주로 태양광 발전이나 전기차에서 사용된다. 태양광 패널에서는 직류로 생성되기에 가정에서 사용하려면 교류로 변환하는 인버터가 필요하다. 전기차의 경우에는 운전 시 인버터가 배터리 직류를 교류로 변환해준다. 전기차에서 인버터는 매우 중요한데, 전기차 모터가 교류로 작동하기 때문에 직류를 효율적으로 변환하는 것이 중요하다.

인버터의 원리

단순한 사각파를 생성하는 인버터는 입력과 네 개의 스위치로 구성된다. 두 쌍의 스위치를 번갈아가며 껐다 키며 전류의 방향을 바꾼다. 이를 반복하여 사각파 교류 전력을 생성하는 것이다. 또한 스위치의 속도를 조절하면 주파수를 조절할 수 있다. 사각파 출력 기기는 과열이 발생하거나 윙윙거리는 소리가 나곤했다.

우리는 사인파를 생성해야 한다.

• 사인파 생성을 위해서는 PWM기술을 사용한다. 이는 다양한 폭의 펄스를 생성할 수 있는데 이를 이용해 사인 곡선과 유사한 형태를 만든다.
• 비교기는 사인파와 삼각파를 비교해 펄스를 생성한다. 첫 번째 비교기는 S1, S2, 두 번째 비교기는 S3, S4 스위치를 제어한다. (NOT gate를 이용해 S1과 S2가 반대가 되도록 보장)
• 사인파 값이 삼각파보다 클 때 비교기가 1 신호를 출력하고 아니면 0을 출력한다. 이 로직으로 MOSFET 스위치가 켜지고 꺼지며 전압 펄스를 생성한다.
• A와 B 지점 사이 전압 차이가 사인파를 형성하게 된다. 삼각파가 미세할수록 더 정교한 사인파가 만들어진다.

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컨버터 

컨버터는 직류 전압을 다른 형태의 직류 전압으로 변환하는 장치이다. 전자기기, 전기차, 산업용 전력 시스템 등에서 사용된다. 예를 들어 전자기기 내부에서 필요한 전압으로 변환하는 컨버터가 있다. 배터리에서 나오는 전력은 다양한 장치에 맞게 변환되어야 한다. 예를 들어 라이트, 에어컨, 모터 등 구동하기 위해 각 다른 전압이 필요하다.

전압 변환 방식

저항 분배를 통한 전압 변환

• 말 그대로 저항을 이용해 전압 분배
• 효율이 낮고 외부 부하 저항에 따라 전압이 변동될 수 있음
• 때문에 전기차에서 사용하지 않는 방식이다.

PWM을 이용한 전압 변환

• 일정 duty cycle을 이용해 원하는 평균 전압을 얻는 방식 ex)30%만 스위치를 키면 전압이 30%로 되는..

컨버터의 종류

컨버터는 Buck 컨버터와 Boost 컨버터로 나눌 수 있다.

Buck 컨버터

• Buck 컨버터는 입력 전압을 낮추는 컨버터이다.
• 주로 스위치(모스펫), 인덕터, 다이오드, 커패시터로 구성된다.
• 스위치가 꺼졌다 켜짐에 따라 인덕터에 전류가 흐르면서 에너지를 저장하고 방출한다. 이 과정으로 출력 전압을 낮춘다.

Boost 컨버터

• Boost 컨버터는 입력 전압을 높여 출력하도록 하는 컨버터이다.
• 마찬가지로 스위치, 인덕터, 다이오드, 커패시터로 구성된다.
• 스위치로 인해 인덕터에 전류가 흐르고 인덕터에 축적된 에너지가 출력 전압을 높이는 데 사용된다. 예를 들어 12V를 48V로 높여 파워 스티어링 모터에 공급할 수 있다.

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특히 요즘 전기차가 800V 다.. 예전에는 400V였다 하는데 더 이해가 잘 가는 것 같다. 800V로 바뀌며 인버터 등 모든 부품이 새로워질 것이다. 800V를 블랙박스, 헤드라이트, 와이퍼, 오디오 등 여러 제품에 들어가는 저전압으로 바꾸는듯.

또 완속 충전기는 교류 220V를 그대로 전달하는데, 때문에 차량 내부에 교류를 직류로 바꿔주는 On board Charger를 쓰는 것 같다. 

반면 급속 충전기는 충전기 내부에서 교류를 직류로 정류하는 것으로 이해했다.