전기차의 핵심부품 인버터 파헤치기!

전기차의 핵심부품 인버터 파헤치기!

4차 산업혁명과 더불어 신재생에너지 발전과 전기차 산업이 대두되고 있고, 환경 문제와도 결부되어 에너지를 절약하기 위한 각종 정부 정책 및 기업들의 움직임이 가시화되고 있다. 어떻게 하면 에너지 생산 및 소비를 효율적으로 할 수 있을지에 대한 연구가 계속되는 가운데 그중에서 핵심이 되는 부품은 전력을 변환시켜주는 장치인 인버터이다.

 인버터는 상용 전원으로부터 공급된 전력을 입력받아 자체 내에서 전압과 주파수를 가변하고 전동기에 공급해 사용자가 전동기 속도를 효율적으로 이용할 수 있도록 제어하는 장치이다. 쉽게 말해 사용자가 원하는 전력으로 상황에 맞게 변환시킬 수 있는 전력 변환 장치이다.

 

                      [그림1. 인버터]                                        [그림2. 인버터를 통한 제어]

출처 : LS산전

 예를 들어 전기차는 배터리로부터 전기를 발생시키면 인버터는 고전압 직류의 배터리 전류를 전기차 모터에 적합한 배터리 전류로 전환한다. 토크가 높을수록 차의 속도가 빨라지는데 인버터는 토크를 제어하고 가속이나 감속을 할 때 적정하게 모터가 역할을 할 수 있도록 전기를 조절해 주는 역할을 한다.  뿐만 아니라 인버터로 모터 속도 제어 시 사용자가 얻을 수 있는 장점에는 ▲에너지 절약 ▲생산성 향상 ▲유지보수성 향상 ▲쾌적한 환경 ▲저소음화 등이 있다.

-부하 상태에 따른 회전수 제어를 통해 구동 전력을 절감시킴으로써 에너지를 절약한다.

-생산 제품에 따른 최적의 라인 속도를 구현해 생산성을 향상시킨다.

-기계에 무리를 주지 않는 운전을 수행함으로써 기기의 수명을 연장시켜 장비의 유지보수성 향상에 긍정적인 영향을 미친다.

-공조 등에 있어서 필요 유량에 따른 최적의 환경을 조성해 사용자에게 쾌적한 작업 환경을 전달한다.

-부하에 맞게 회전수를 낮춰 기계, 바람 등에 의해 발생하는 소음을 저감시켜 저소음화를 실현한다.

- 인버터 분류

[그림3. 주 회로 방식과 제어 방식에 따라 분류한 인버터]

출처 : motioncontrol

 주 회로 방식으로 분류 시 인버터는 전류형 인버터와 전압형 인버터로 나뉜다. 여기서 전류형이란 전류 원의 직류를 교류로 변환하는 방식이고, 전압형은 전압 원의 직류를 교류로 변환하는 방식이다. 전류형 인버터는 전원 회생 제어를 쉽게 진행해 관성 부하의 정역 운전 등에서는 유리하지만 높은 가격이라는 단점을 지니고 있다. 전압형 인버터는 또 제어 방식에 따라 PAM 방식과 PWM 방식으로 나뉜다. PAM 방식은 출력되는 펄스의 진폭을 변조하는 방식이고 PWM 방식은 출력되는 펄스의 폭을 변조하는 방식이다. PAM 방식은 모터 저소음 화를 목적으로 활용되고 있지만, 모터 효율, 시동 토크 등에서 문제점을 가지고 있다. 최근 대부분 인버터에 채용되는 방식은 전압형 PWM 방식 인버터이다. 효율, 모터의 토크 특성이 좋다는 장점이 있지만, 무엇보다 경제적이기 때문이다.

- 구성과 원리 (범용 인버터 기준)

                 [그림4. 인버터 구성 요소]                                 [그림 5. 인버터 회로 구성도]

출처 : motioncontrol

 전기적으로는 DC 직류를 AC교류로 변환하는 역 변환 장치이지만 일반적으로는 AC전원의 전압 및 주파수를 제어하기 위한 전력 변환 장치를 통칭한다. 전력용 반도체(Diode, Thyristor, Transistor, IGBT, GTO 등)을 사용하여 컨버터 부분에서 상용 교류 전원을 직류전원으로 정류를 시킨 후, 평활 회로 부분에서 이 정류된 전류를 안정한 직류 전류가 되도록 평활한다. 

[그림6. 정류 및 평활 후 직류 형태]

출처 : motioncontrol

 그리고 인버터 부분에서 평활 된 직류 전압을 고속 스위칭해 펄스 형태의 교류로 변환시켜 전동기에 공급함으로써 전동기 속도를 고효율로 제어하게 하는 것이다.

- 인버터의 전망

[그림 7. 구동 모터 시장 전망]

출처 : SNE Research

[그림  8. 인버터의 분야별 용도]

출처 : 효성중공업

 인버터는 기술적인 부분에 있어서 과거에는 트랜지스터를 썼지만, 현재는 IGBT라는 신소자로 대체되어 제어 자체도 고정밀 고기능으로 변화하여 단순히 모터를 구동하는 것이 아닌 기계 특성에 맞게 아주 세밀한 제어가 가능하게 됐다. 모터가 사용되는 산업이라면 어느 분야에서든 인버터가 사용되고 있으며 특히나 최근 전기차 산업과 신재생 에너지 발전 산업이 확장되면서 점점 더 높은 효율의 인버터를 요구하고, 그에 따라 인버터의 시장 역시 계속해서 확대될 전망이다.