PE모듈

PE모듈(power electronics module)

PE모듈(power electronics module)은 기존 내연기관 자동차에서 엔진과 변속기가 하는 역할을 대체하는 전기자동차의 구동시스템을 작은 크기의 부품으로 합쳐 설계한 구성요소를 말한다. 구동용 모터와 감속기, 전력 변환을 위한 인버터로 구성된다.

발전

PE모듈은 배터리를 제외하면 전기자동차가 주행하는 데 가장 필수적인 부품이다. 2021년 출시한 현대자동차㈜의 아이오닉5나 기아자동차㈜의 EV6에는 모터와 인버터, 감속기가 통합하여 탑재되었다. 엔진은 간접분사, 직접분사 혹은 4기통, 6기통으로 구분한다. 각각의 특징도 있고 100년이 넘는 시간 동안 발전한 방향도 다르다. 전기차의 PE시스템은 짧은 시간에도 많은 변화를 가졌다. 2015년까지만 해도 사용되던 모터와 인버터가 분리되고, 주황색 3상 케이블로 연결했던 형태의 PE시스템은 모터와 인버터를 일체형으로 구성하면서 케이블과 커넥터를 없애더니, 결국 최근에는 모터와 인버터, 여기에 감속기까지 합쳐진 PE모듈로 설계되었다. 자동차로 구분하자면 2016년도까지 출시했던 쏘울이나 아이오닉 전기차가 1세대, 코나, 니로, 포터나 봉고에 들어간 2017년에서 2019년까지 사용한 PE모듈이 2세대 정도로 구분할 수 있다. 그리고 2020년 이후 가장 최근의 전기차에 적용하는 PE모듈이 3세대라고 볼 수 있다. 현대자동차그룹이 개발한 전기자동차 플랫폼인 E-GMP에 적용된다. 이렇게 변화를 거치며서 PE시스템은 발전을 더해가며 단순해지며 PE모듈로 불리게 되었다. 그러면서도 효율은 약 90%에서 92%로 2세대에 개선했고, 3세대는 약 94%까지 발전했다. 이는 모터의 최고효율이 아니라 모터인버터 효율의 곱으로, 연비 모드 운전점에서의 평균효율을 의미한다. 출력밀도도 1.3kW/kg에서 지금은 3.0kW/kg으로 발전했다. 불과 5~6년 사이에 이뤄진 발전이다.

특징

3세대 PE모듈의 특징은 800 볼트의 고전압으로 충전 시간을 기존의 35분에서 18분으로 단축한 것이다. 또 기존의 전기차는 대부분 400볼트 시스템이기 때문에 별도의 기구 없이도 400 볼트나 800 볼트 충전기를 모두 사용할 수 있게 만들었다. 그리고 1세대가 출력 kW, 최대속도가 11,000rpm을 냈다면, 3세대 PE모듈은 구동모터를 기준으로 했을 때 출력 160kW, 최대속도 19,000rpm의 성능을 낸다. 그리고 EV6 GT 버전에 탑재된 모터는 출력 270kw, 최대속도 21,000rpm을 구현했다. 모양에서도 차이가 있다. 크기가 작아졌는데 중요한 건 높이가 기존 대비 30mm나 낮아졌다는 것이다. 전기자동차에서는 PE시스템의 높이를 낮추면 그만큼 실내 공간이나 트렁크 크기를 더 확보할 수 있다. 또 전륜은 물론 후륜에 넣기에도 적합하다. 그리고 작아진 만큼 냉각 성능도 중요한데, 오일을 사용해 직접 냉각하는 방식을 사용해서 효율을 개선했다. 3세대 PE모듈은 전륜과 후륜에 각각 모터를 배치해 4륜구동을 적용하는 타입으로 개발했다. 일체형이다보니 모터 위에 인버터가 위치하면서 트렁크 공간을 차지하는 구조가 됐다. 결국 모터와 인버터의 하우징을 일체화하면서 인버터 높이를 기존 대비 30mm 가까이 낮춰서 넉넉한 트렁크와 모터 인버터 일체형 PE모듈을 동시에 완성할 수 있었다.

구성

• 구동모터 : 일반 내연기관의 엔진처럼 전기차의 구동력을 발생시킨다. 고전압 배터리에 저장된 전기에너지를 운동에너지로 변환하여 구동력을 발생하며 감속 시 발전기의 역할을 한다. 또 내리막길 등 탄력 주행 시 발생하는 운동에너지를 전기에너지로 전환해 배터리에 저장하는 회생제동시스템을 가능하게 한다.
• 감속기 : 모터의 회전수를 필요한 수준으로 낮춰 전기차가 더 높은 회전력(토크)를 얻을 수 있도록 하는 장치다.
• 인버터 : 고전압 배터리에 저장된 직류전원(DC)을 교류전원(AC)으로 변환하여 모터의 토크를 제어하는 부품이다. 인버터 파워모듈에는 기존의 실리콘(Si) 전력반도체 대비 효율이 뛰어난 실리콘 카바이드(SiC) 전력반도체를 적용한다. SiC 전력반도체는 효율 신소재인 탄화규소를 이용해 전력을 변환∙처리∙제어하는 전력반도체로, 존에 사용되던 실리콘 전력반도체 대비 강도와 열전도율이 높고, 에너지 손실량이 적은 것이 특징이다.

전망

당분간 전기차의 PE모듈은 영구자석형 모터라는 큰 틀은 유지하면서 효율을 개선하고 원가를 절감하는 방향으로 발전할 것으로 예상된다. PE모듈의 발전은 가장 에너지가 높은 자석인 희토류 영구자석을 대체하는 재료가 등장하거나 더 높은 성능의 철심 코어나 저항이 낮은 구리 코일과 같은 재료 기술이 발전하면서 PE모듈 역시 함께 개선될 것으로 보인다. 1세대에서 부피를 줄이고 성능을 개선해 3세대 PE모듈을 개발한 것처럼 재료에서 시작해 구조 설계의 개발을 이뤄내며 차근차근 발전해 나갈 것이다.

참고자료

• 삼성전자주식회사, 〈교류/직류 전자렌지의 마그네트론 구동회로 (Magnetron driving circuit for an AC/DC microwave oven)〉, 《키프리스》, 2001-04-06
• 현대자동차그룹, 〈(전기차 백과사전 A to Z) 쉽게 알아보는 전기차의 구동 원리〉, 《HMG저널》, 2020-03-16
• 배종갑 기자, 〈현대차그룹, 전기차 전용 플랫폼 ‘E-GMP’ 최초 공개〉, 《전북도민일보》, 2020-12-02
• 이승연 기자, 〈'500km 이상 주행' 현대차그룹, 전기차 전용 플랫폼 'E-GMP' 최초 공개〉, 《블로터》, 2020-12-02
• 유창욱 기자, 〈현대차그룹이 선보인 전기차 전용 플랫폼 'E-GMP'의 특징은?〉, 《이투데이》, 2020-12-02
• 〈(AD) 현대차그룹, 전기차 전용 플랫폼 'E-GNP' 최초 공개〉, 《UPI뉴스》, 2020-12-04
• 주식회사 한화, 〈바야흐로 '전기차 전성시대'! 전기자동차의 심장 EV모터를 아시나요?〉, 《네이버 블로그》, 2021-03-17
• 현대자동차그룹(HYUNDAI), 〈전기차 부품의 핵심 기술 PE(Power Electric)시스템으로부터 시작된 전기자동차의 시대 | HMG 프레젠테이션 5편〉, 《유튜브》, 2022-03-01

같이 보기

• 전기자동차
• 구동모터
• 감속기
• 인버터

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