전기 자동차의 모터 제어 장치의 역할

소개

전기 자동차 (EV)로의 전환은 오늘날 자동차 산업에서 가장 중요한 트렌드 중 하나입니다. 소비자, 정부 및 산업 모두와 같은 전통적인 연소 엔진 차량에 대한 지속 가능하고 환경 친화적 인 대안을 향한 전기 자동차는 핵심 솔루션으로 등장했습니다. International Energy Agency (IEA)에 따르면 2022 년에 글로벌 전기 자동차 판매는 1 천만 대에 이르렀으며 2020 년 4.3%에서 모든 글로벌 자동차 판매량의 14%를 차지했습니다. EV 시장은 빠르게 성장할 것으로 예상됩니다. 전기 자동차 판매가 2030 년까지 글로벌 자동차 판매의 58%를 차지할 것이라고 추정합니다 (IEA, 2023). 이러한 빠른 성장은 부분적으로 EV 파워 트레인, 특히 모터 제어 장치 (MCU) 및 관련 모터 제어 시스템의 기술 발전에 의해 주도됩니다.

모터 제어 장치는 전기 자동차의 파워 트레인에서 중요한 구성 요소입니다. 차량 전기 모터의 "뇌"로 기능하며 속도, 토크 및 전반적인 성능을 제어합니다. 이 장치는 전기 모터가 효율적이고 안전하고 배터리 및 기타 차량 시스템과 조정하여 작동하도록합니다. 이 블로그에서는 전기 자동차에서 MCU의 역할에 대해 더 깊이 파고 들고, 작동 방식을 탐색하고, 최첨단 기술을보고, 모터 제어 시스템의 혁신이 전기 운송의 미래를 형성하는 방법을 조사 할 것입니다.

모터 제어 장치 (MCU) 란 무엇입니까?

에이모터 제어 장치 (MCU)전기 모터의 성능을 조절하는 전자 시스템입니다. 그것은 모터의 컨트롤러 역할을하며, 속도, 토크 및 방향과 같은 주요 매개 변수를 제어하여 모터가 최적의 방식으로 작동하도록하는 것을 담당합니다. 전기 자동차에서 MCU는 배터리 관리 시스템 (BMS), 재생 제동 시스템 및 드라이버 인터페이스를 포함한 여러 차량 시스템과 통신 할 책임이 있습니다.

높은 수준에서 MCU는 여러 핵심 구성 요소로 구성됩니다.

• 전력 전자 장치 :전력 전자 장치 회로는 배터리에서 전기 모터로의 에너지 흐름을 제어하는 ​​데 도움이됩니다. IGBTS (절연 게이트 바이폴라 트랜지스터) 또는 MOSFETS (금속 산화물 세미 도자 전계 효과 트랜지스터)와 같은 전력 트랜지스터를 사용하여 모터에 의해 사용하기 위해 DC 전력을 교대 전류 (AC)로 변환합니다.
• 마이크로 컨트롤러 :이것은 모터 작동을 결정하는 알고리즘을 실행하는 MCU의 중앙 처리 장치 (CPU)입니다. 다양한 센서에서 입력 하고이 데이터를 처리하며 전력 전자 장치에 명령을 보내 모터 성능을 조정합니다.
• 통신 인터페이스 :최신 MCU는 컨트롤러 영역 네트워크 (CAN) 버스와 같은 통신 프로토콜을 사용하여 MCU, 배터리 관리 시스템, 재생 제동 및 EV 내의 기타 서브 시스템 간의 정보를 전달합니다.

모터 제어 시스템에는 모터 성능을 조절하는 데 필요한 모든 구성 요소가 포함되어 있지만 MCU 자체는 기능 및 효율성 측면에서 모터 동작의 핵심 드라이버입니다. 속도, 토크 및 배터리 충전과 같은 요인을 모니터링하는 다양한 센서의 데이터와 데이터를 기반으로 작동합니다.

모터 제어 장치의 유형

모터 제어 장치 (MCU)는 제어하는 ​​모터 유형에 따라 분류됩니다. 모터는 교대 전류 (AC) 또는 직류 (DC)로 전원을 공급할 수 있으므로 MCU는 각 모터 유형의 작동 특성 및 요구 사항을 충족하도록 다르게 설계됩니다. 대체로 모터 제어 장치는 AC 모터 제어 장치와 DC 모터 제어 장치의 두 가지 주요 범주로 나눌 수 있습니다. 각 유형, 특정 기능 및 전기 자동차 (EVS) 응용 분야에 더 깊이 빠져 들자.

AC 모터 제어 장치

AC 모터는 DC 모터에 비해 더 높은 효율, 더 나은 성능 및 더 긴 수명을 제공하는 능력 때문에 전기 자동차에서 일반적으로 사용됩니다. AC 모터 제어 장치 (AC MCU)는 동기 모터 및 비동기 (유도) 모터를 포함하는 AC 모터의 작동을 제어하는 ​​역할을합니다.

AC 모터 제어 장치의 주요 기능

• DC를 AC로 변환 :EV에서 배터리는 직류 (DC) 전력을 제공합니다. AC MCU는이 DC 전원을 AC 모터에 요구하는 AC로 변환해야합니다. 이것은 MCU의 주요 구성 요소 인 인버터를 사용하여 수행됩니다.
• 속도 및 토크 제어 :AC MCU는 모터에 공급되는 AC 전류의 주파수와 진폭을 조정하여 모터의 속도와 토크를 제어합니다. 이를 통해 차량은 안정적인 속도를 효율적으로 가속, 감속 또는 유지할 수 있습니다.
• 재생 제동 :DC 모터와 마찬가지로 AC 모터는 재생 제동을 사용할 수 있으며 AC MCU는 운동 에너지를 전기 에너지로 변환하여 배터리로 공급되는 모터 작동 방향을 역전 시켜이 프로세스를 제어합니다.
• 운동 보호 :AC MCU에는 과전류 보호, 열 관리 및 결함 감지와 같은 내장 안전 기능이 포함되어 있습니다. 이는 모터가 안전한 매개 변수 내에서 작동하여 과열, 전기 결함 또는 기계적 문제로 인한 손상을 방지합니다.

전기 자동차의 AC 모터의 유형

• 동기 AC 모터 :동기 모터에서 로터는 고정자의 회전 자기장과 동일한 속도로 회전합니다. 이 모터는 고속에서 더 효율적이며 종종 고성능 전기 자동차에 사용됩니다.
• 유도 모터 (비동기 모터) :전기 자동차에 사용되는 가장 일반적인 유형 인 유도 모터는 로터에 영구 자석이 필요하지 않으므로 비용과 복잡성을 줄입니다. 유도 모터는 견고성으로 유명하며 주류 EV에서 널리 사용됩니다 (예 : 많은 모델에서 유도 모터를 사용하는 Tesla가 만든 것).

DC 모터 제어 장치

AC 모터는 전기 자동차에서보다 일반적으로 사용되지만 DC 모터에는 성능 특성이 유리한 특정 응용 프로그램이 여전히 있습니다. DC 모터 제어 장치 (DC MCU)는 특정 유형의 EV 또는 더 큰 EV 플랫폼 내 보조 시스템에서 찾을 수있는 DC 모터를 제어하도록 설계되었습니다.

DC 모터 제어 장치의 주요 기능

• 속도 및 토크 제어 :DC 모터는 속도와 토크 측면에서 자연스럽게 제어하기에 더 간단합니다. DC MCU는 모터에 공급 된 전압을 조정하여 속도 또는 토크를 변경합니다. 이것은 PWM (펄스 폭 변조) 또는 필드 약화와 같은 다른 기술을 사용하여 수행 할 수 있습니다.
• 운동 방향 역전 :DC 모터는 공급 된 전압의 극성을 간단히 교환하여 쉽게 반전 할 수 있습니다. DC MCU는 전류의 방향을 전환하여이를 용이하게하여 차량이 순조롭게 앞뒤로 움직일 수 있습니다.
• 재생 제동 :AC 모터와 마찬가지로 DC 모터는 재생 제동을 사용할 수도 있습니다. DC 모터 제어 장치는 제동 중에 차량의 운동 에너지가 전기 에너지로 변환되어 배터리로 다시 전송되도록합니다.
• 배터리 보호 :DC MCU는 또한 배터리 관리 시스템 (BMS)과 함께 작동하여 배터리가 과전류, 과열 및 깊은 방전을 방지합니다.

전기 자동차의 DC 모터 유형

• 브러시 된 DC 모터 :이 모터는 브러시 세트를 사용하여 전류를 로터로 전달하여 모터 회전에 필요한 자기장을 만듭니다. 브러시 된 DC 모터는 간단하고 비용 효율적이지만 브러시와 통근자 사이의 마찰로 인해 시간이 지남에 따라 마모됩니다. 이들은 일반적으로 작거나 덜 강력한 EV 또는 보조 시스템 (예 : 전기 스쿠터)에서 사용됩니다.
• 브러시리스 DC 모터 (BLDC) :이 모터에는 스테이터의 권선에서 전류를 전환하기 위해 전자 컨트롤러를 사용하여 브러시가 없습니다. 이는 유지 보수를 줄이고 모터의 효율과 수명을 증가시킵니다. 브러시리스 DC 모터는 전자 자전거 및 전기 스쿠터와 같은 소규모 차량을 포함하여 현대식 EV에서 일반적으로 사용됩니다.

전기 자동차의 MCU의 주요 기능

1. 모터 작동 제어

모터 제어 장치의 주요 역할은 전기 모터의 작동을 제어하는 ​​것입니다. 여기에는 속도, 토크 및 방향의 세 가지 중요한 매개 변수 조절이 포함됩니다. MCU는 모터가 효율적으로 실행되도록하고 운전자의 명령에 실시간으로 응답합니다.

• 속도 제어 :MCU는 공급 된 전원의 전압과 주파수를 조정하여 전기 모터의 속도를 관리합니다. 전압을 변경함으로써 MCU는 모터의 속도를 증가 시키거나 감소시켜 차량이 부드럽게 가속화되거나 감속 할 수 있습니다. 운전자의 스로틀 입력은 MCU의 속도 조절 알고리즘에 직접적인 영향을 미치며, 이는 모터로 얼마나 많은 전력을 보내야하는지 지시합니다.
• 토크 제어 :토크는 전기 모터에 의해 생성 된 회전력을 나타냅니다. 차량이 언덕을 가속화하거나 등반하거나 빠른 전력을 제공하는 능력이 중요합니다. MCU는 차량 속도, 하중 및 배터리 충전 상태와 같은 요소에 따라 모터의 토크 출력을 조정해야합니다. Torque를 제어함으로써 MCU는 차량이 정지에서 시작하는지 또는 고속도로 속도로 가속되는지 여부에 관계없이 매끄럽고 효율적인 운전을 보장합니다.
• 방향 제어 :MCU는 모터 회전 방향을 변경하여 차량이 앞으로 또는 반전 될 수 있습니다. 대부분의 전기 자동차의 경우, 모터 권선의 전기 흐름을 되돌리면 방향이 제어됩니다. MCU는 드라이버의 입력을 기반 으로이 조정을 원활하게합니다.

이러한 핵심 모터 작동 제어는 EV가 다양한 주행 조건에서 예측 가능하고 효율적으로 동작하도록 보장합니다. MCU는 정지 앤 고기 교통 체증이든 고속도로에서 순항하든 전기 모터가 정밀도와 응답 성으로 운전자의 입력에 응답 할 수 있도록합니다.

2. 에너지 관리

전기 자동차에서는 운전 범위를 극대화하고 배터리 수명을 보장하는 데 효율적인 에너지 관리가 필수적입니다. MCU는 배터리와 전기 모터 사이의 에너지 흐름을 관리하여 차량이 피크 효율로 작동하는 동안 배터리를 손상시키지 않도록합니다.

• 에너지 효율 :MCU는 운전 조건에 따라 모터로 전달되는 전력을 조정합니다. 모터 제어 장치 (MCU)는 전기 자동차의 에너지 효율에 크게 영향을 미칩니다. 예를 들어, 유도 모터 (Tesla의 모델 S에 사용)는 고효율로 알려져 있으며 일부 모델은 전기 에너지를 기계적 전력으로 변환하는 데 93-95%의 효율을 달성합니다. MCU의 효율성은 EV가 주행 범위를 최대화하는 데 도움이되며, 잘 설계된 시스템은 최적화 된 솔루션에 비해 에너지 사용량을 최대 5-10% 향상시킵니다.
• 배터리 보호 :MCU는 배터리 관리 시스템 (BMS)과 긴밀히 협력하여 배터리가 과충전, 깊은 방전 및 과열로부터 보호됩니다. 배터리의 전압, 온도 및 충전 상태를 모니터링하여 MCU는 배터리가 안전한 한계 내에서 작동하여 수명을 연장하도록합니다.
• 배터리 재생 :MCU는 또한 에너지 재생, 특히 재생 제동을 통해 역할을합니다. 운전자가 브레이크를 적용하면 전기 모터는 역전으로 작동하여 운동 에너지를 전기 에너지로 다시 변환하여 배터리로 다시 보냅니다. 이는 특정 주행 조건 (예 : 빈번한 정지 및 고 그 트래픽이있는 도시 운전과 같은 전체 에너지 회복을 최대 15-20%까지 증가시킬 수 있습니다. MCU는이 프로세스를 조절하여 운전자의 입력 및 차량 조건에 따라 제동력을 조정합니다. 재생 제동은 에너지 절약에 기여하고 EV의 운전 범위를 확장합니다.

3. 안전 기능

안전은 차량 제조업체와 소비자 모두에게 가장 중요한 관심사이며, 모터 제어 장치는 전기 자동차의 안전한 작동을 보장하는 데 중요한 역할을합니다. MCU는 사고, 장비 고장 또는 중요한 구성 요소 손상을 방지하기 위해 전기 모터 및 관련 시스템의 성능을 모니터링 할 책임이 있습니다.

• 오류 감지 :MCU는 전력 전자 장치의 과열, 단락 또는 오작동과 같은 결함에 대한 모터 및 관련 시스템을 지속적으로 모니터링합니다. 불규칙성이 감지되면 MCU는 모터를 차단하는 것과 같은 안전 메커니즘을 자동으로 트리거하거나 시스템이 추가 손상되지 않도록 시스템을 보호 할 수 있습니다.
• 과전류 보호 :전기 모터와 배터리 모두에 대한 위험 중 하나는 과전류이며 전기의 흐름이 안전한 수준을 초과하여 과열 또는 손상을 일으킬 수 있습니다. MCU는 과전류 조건이 발생할 때를 감지하는 보호 알고리즘을 통합하고 모터의 전력 출력 감소 또는 모터를 일시적으로 종료하는 것과 같은 시정 조치를 취합니다.
• 열 관리 :전기 모터와 모터 제어 장치는 작동 중에 열을 생성하며 과도한 열은 모터와 전자 제품 모두 손상을 일으킬 수 있습니다. MCU는 종종 액체 또는 공기 냉각 시스템을 통해 모터 온도를 조절하여 온도가 안전한 작동 한도 내에 유지되도록합니다.

4. 커뮤니케이션 및 통합

모터 제어 장치는 분리되어 작동하지 않습니다. 차량 내에서 더 큰 시스템 네트워크의 일부이며 효율적인 작동을 보장하기 위해 함께 협력해야합니다. MCU는 다른 차량 시스템과 통신하여 데이터를 공유하고 성능을 조정하며 전반적인 주행 경험을 향상시킵니다.

• 배터리 관리 시스템 (BMS)과 통신 :MCU는 배터리의 충전 상태 및 건강 상태를 관리하기 위해 BMS와 직접 통신합니다. 이를 통해 MCU는 배터리의 현재 충전 수준에 따라 모터 성능을 조정하여 에너지가 효율적으로 사용되도록합니다.
• 차량 전체 통합 :최신 전기 자동차에는 모두 함께 작동 해야하는 다양한 센서, 컨트롤러 및 시스템이 장착되어 있습니다. MCU는 재생 제동, 기후 제어 및 차량 안정성 시스템을 포함한 다양한 서브 시스템과 연결하여 성능을 최적화합니다. 이 통합은 모든 차량 시스템이 조화롭게 작동하여 부드럽고 효율적인 운전 경험을 제공 할 수 있도록 도와줍니다.
• 사용자 인터페이스 피드백 :모터 제어 장치는 또한 차량의 드라이버 인터페이스와 통신하여 차량 성능에 대한 실시간 피드백을 제공합니다. 여기에는 모터 속도, 배터리 충전 상태 및 재생 제동 상태와 같은 정보가 포함됩니다. 이 데이터는 운전자가 에너지 사용 및 운전 행동에 대한 정보에 근거한 결정을 내리는 데 필수적입니다.

MCU가 EV 성능을 향상시키는 방법

전기 자동차의 성능은 모터 제어 장치의 효율과 응답성에 크게 의존합니다. MCU의 모터 성능을 관리하고 에너지 흐름을 최적화하며 안전이 차량의 전반적인 주행 경험에 직접적인 영향을 미칩니다.

1. 효율적인 에너지 사용

모터 제어 시스템의 주요 기능은 전기 모터가 효율적으로 작동하도록하는 것입니다. 배터리와 모터 사이의 전기 흐름을 제어함으로써 MCU는 에너지 사용량을 최대화하여 차량의 범위를 확장합니다. 예를 들어, 고속도로 속도로 순항 할 때 MCU는 모터 파워를 조정하여 에너지 소비를 최소화하는 반면 정지에서 가속하려면 필요한 토크를 제공하기 위해 전력이 파열되어야합니다.

효율적인 에너지 관리는 연료의 많은 에너지가 열로 손실되는 전통적인 내부 연소 엔진 차량에 대한 전기 자동차의 주요 장점 중 하나입니다. 고급 모터 제어 장치의 도움으로 EV는 훨씬 더 높은 효율을 달성 할 수 있으며 일부 모델은 90%이상의 에너지 효율에 도달합니다.

2. 부드러운 가속 및 감속

전기 자동차는 매끄럽고 조용한 가속으로 유명하며, 이는 대부분 모터 제어 장치의 정확한 제어로 인한 것입니다. MCU는 모터에 전달 된 전력을 조정하여 운전자가 가속기 페달을 누를 때 순간 토크를 제공합니다. 결과는 페달 입력과 차량 가속 사이에 지연이없는 부드럽고 반응이 좋은 승차감입니다.

마찬가지로, 모터 제어 장치는 재생 제동을 통해 원활한 감속을 보장하여 갑작스런 충격이나 불안정성없이 적절한 양의 제동력을 제공합니다. 이는 특히 비상 제동 상황에서 운전자의 편안함과 차량 안전을 향상시킵니다.

EV에서 모터 제어 시스템의 미래

전기 차량 기술이 계속 발전함에 따라 모터 제어 장치가 더욱 발전해질 것입니다. 몇 가지 혁신은 다음을 포함하여 MCU의 미래를 형성 할 것으로 예상됩니다.

• 와이드 밴드 갭 반도체 :미래의 MCU는 실리콘 카바이드 (SIC) 및 질화 갈륨 (GAN)과 같은 넓은 대역 GAP 반도체를 통합 할 것이며, 이는 더 높은 효율을 제공하고 더 높은 온도에서 작동 할 수 있습니다. 이를 통해 충전 시간이 빨라지고 전력 밀도가 커지고 전반적인 성능이 향상됩니다.
• 고급 제어 알고리즘 :인공 지능 및 기계 학습이 증가함에 따라 향후 MCU에는 운전 조건을 예측하고 에너지 사용량을 실시간으로 최적화하는 고급 알고리즘이 장착 될 수 있습니다. 이로 인해 더 큰 효율성, 확장 범위 및 향상된 운전 경험이 향상 될 수 있습니다.
• 자율 주행 통합 :자율 주행 기술이 발전함에 따라 모터 제어 시스템은 차량 센서, 카메라 및 AI 구동 제어 시스템과 완벽하게 작동하여 부드럽고 반응이 좋은 승차감을 제공해야합니다. MCU는이 통합에서 중요한 역할을하여 차량의 모터 기능이 자율 시스템의 전반적인 주행 전략과 조화를 이룰 것입니다.

더 빠른 충전 및 개선 된 배터리 관리 : 향후 MCU는 고속 충전 및보다 정교한 배터리 관리 시스템을 관리 할 수 ​​있도록 더 잘 갖추어져 충전 시간이 빠르고 배터리 수명을 향상시킬 수 있습니다.

결론

모터 제어 장치는 전기 자동차의 필수 구성 요소이며, 모터 성능, 에너지 효율, 안전성 및 다른 차량 시스템과의 통합 관리에 중추적 인 역할을합니다. 전기 자동차 산업이 계속 성장함에 따라 모터 제어 시스템의 중요성 만 증가 할 것입니다. 반도체 기술, 제어 알고리즘 및 자율 시스템의 혁신은 성능, 효율성 및 안전의 개선을 계속해서 전기 자동차 경험을 더욱 향상시킬 것입니다.

모터 작동을 최적화하고 배터리 수명을 연장하며 원활한 운전을 보장 할 수있는 기능을 통해 모터 제어 장치는 차세대 전기 자동차에서 가장 중요한 요소 중 하나입니다. EV 기술이 발전함에 따라 MCU는 지속 가능하고 효율적이며 고성능 운송의 새로운 시대를 안내하는 데 도움이 될 것입니다.