HEV / FCEV¿ë ±¸µ¿¸ðÅÍ ±â¼úµ¿Çâ

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창걸 편
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1 환경차량용구동모터기술개발동향 ( 하이브리드및연료전지전기차 ) 김호기수석연구원 ( 현대자동차 )

2 목 차 서론 개발의배경및필요성 환경차량시장예측 HEV 미국판매동향 본론 환경차량 HEV FCEV/EV 42V 결론 기술동향 향후전망

3 개발의배경및필요성 (1) 대기오염 지구온난화 에너지 유해배기가스 (HC, CO, NOx) 규제 대기온실효과 (CO2 규제 ) 석유자원고갈 배기가스규제강화 동력시스템의저연비화 저연비화대체에너지개발 - CARB - EURO 저공해자동차의일정비율의무화 - 소형경량화 - 주행저항저감 - 초저연비화 3-Liter Car 개발 신개념의동력시스템 - 전기식 - 전기식 + 기계식 ( 하이브리드 ) 연구개발전략적제휴 GM+Toyota Ford+Benz 전기자동차 ( 배터리, 연료전지 ) 하이브리드전기차

4 개발의배경및필요성 (2)

5 개발의배경및필요성 (3)

6 개발의배경및필요성 (4)

7 MA차RKETSHA환경차량시장예측 HEV(ICE) HEV(ICE) + FCEV (HEV 가주류 ) HEV(ICE) + FCEV ( FCEV Market 증가 ) 50 % 42% 신% 30 % R40 20 %E10 % 양산활성화 : 정부보조금으로경쟁력유지 경쟁사발표자료 05 년 TOYOTA 30 만대 /6 모델 07년 GM 100만대 /5모델 10년 FORD 신차의 20% J.D Power 북미 05년 HEV판매량 39% TRUCK 예상 점진적으로신차의 30% 이상이 HEV or FCEV 12 년 TOYOTA 전차종 HEV 확대적용 22% 미국실적 / 년 24000/ 년 370,000 대 / 년 (2%) 1,500,000 대 / 년 (7%) / 년 30

8 HEV 미국판매동향 13 년 872,000 대 08 년 500,000 대 00 년 9,350 대 01 년 18,421 대 02 년 38,000 대 03 년 54,000 대 99 년 17 대

9 환경차량의분류 환경차량

10 환경차량구동모터 / 제어기시스템구성 환경차량 하이브리드하이브리드전기차 (HEV) (HEV) 전기차전기차 // 연료전지연료전지전기차전기차 (EV/FCEV) (EV/FCEV) Driver BMS BMS 또는 FCC 시스템시스템 ECU TCU MCU BATTERY BLDC 모터 MCU BATTERY 또는연료전지 구 성 엔진 클러치 CVT 유도모터 감속기 모터주요기능 동력동력보조 :: 가속가속시 제동에너지회수제동에너지회수 :: 감속시감속시 아이들아이들스톱 :: 차량차량정차정차시엔진엔진정지 주동력원주동력원 제동에너지회수제동에너지회수 :: 감속시감속시

11 환경차량시스템의분류 환경차량 전기자동차 직렬형하이브리드전기차 배터리 모터 변속기 모터발전기엔진 변속기 제어기 제어기 배터리 병렬형하이브리드전기차 복합형하이브리드전기차 모터 배터리 엔진 변속기 제어기 엔진 변속기 배터리 모터 제어기

12 환경차량의구동모터적용예 환경차량 하이브리드하이브리드전기차 (HEV) (HEV) 전기차전기차 // 연료전지연료전지전기차전기차 (EV/FCEV) (EV/FCEV) 동력시스템시스템구성 엔진 BLDC 모터 CVT 제어기 유도모터 제어기 감속기 모터주요기능 동력동력보조 :: 가속가속시 제동에너지회수제동에너지회수 :: 감속시감속시 아이들아이들스톱 :: 차량차량정차정차시엔진엔진정지 주동력원주동력원 제동에너지회수제동에너지회수 :: 감속시감속시

13 H E V 동력시스템동력시스템개요개요라인압변속비클러치엔진출력배기가스전자스로틀출력제한토크충전상태냉각차단기출력제한 CVT 제어기엔진제어기모터제어기배터리제어기 HCU 동력분배차량운전정보고장진단하이브리드차량제어기 H/W S/W

14 모터제어기내부구조 H E V 배터리 전력단속기 모터제어기 (MCU) Inverter Motor Engine 보조배터리 (12V) 직류변환장치 6 전력소자구동부 6 CVT TPS BMS 제어기 CVT 제어기 엔진제어기 Signal Interface (CAN 통신, 디지털 I/O)

15 모터제어구조 H E V HCU 하이브리드제어기 (Hybrid Control Unit) MCU - 토크제어 (Motor Control Unit) AC 모터 PRND 속도 위치정보 Ⅱ RDC Ⅰ 레졸버 Accel. Input Brake Input I/O ADC Input 선택 모드선택 / 동력분배 엔진토크지령 CAN CAN 모터토크지령 모터온도 / 배터리전압 토크상수 전류제한 전류지령 - 전류제어기 PWM 전류피드백 Ⅲ Ⅳ V DC 파워보드 ( 인버터 ) R 동기모터 엔진 CAN ECU ECU 엔진엔진토크토크제어제어 (Engine (Engine Control Control Unit) Unit)

16 모터제어기하드웨어구조 H E V MCU MCU 제어부 -CPU & Memory -I/O 인터페이스회로 - 전원공급장치 -CAN 통신 IGBT 구동부 -IGBT 게이트구동회로 -IGBT 고장진단회로 - 아날로그전류제어회로 -PWM 발생기 전력부 - 지능형전력소자 (600V, 400A) - 전류센서 - DC bus 캐패시터

17 모터 / 파워소자개발동향 H E V 신뢰성및고성능화 Motor BLDC 기존구조활용가능 제조공정이난이 소형화에한계 짧은정출력구간 손실과대 (88%) 에너지밀도 (0.6kW/Kg) Honda Insight 적용 SPM 소형경량화가능 제조공정간단 효율개선 에너지밀도 (1kW/Kg) 고속운전에불리 ( 매입형대비 ) Sachs, Toyota Prius 적용 Outer rotor PM & IPM Toyota Prius 적용 소형경량화가능 제조공정자동화가능 고효율 ( 최대 92%) 및기계적강건 고속운전가능 (6,000rpm) 에너지밀도 (1kW/Kg) Power device IGBT 산업용 IPM Drive function Self-protection function Self-diagnosis function 차량전용 IPM System protection function System control function

18 Honda Civic HEV Layout H E V

19 Honda Insight H E V 차량외관 Drivetrain 시스템구성 주요제원 구성 엔 진 사양 Lean-1.0 VTEC 51kW, 92.2Nm 비고 변속기모터배터리 M/T 또는 CVT 영구자석형동기모터 10kW, 49Nm Ni-MH 6.5Ah, 144V Melco Panasonic

20 Toyota Prius H E V 차량외관 Drivetrain 시스템구성 주요제원 구성 사양 비고 엔 모 진 터 1.5l I4, VVT-i 53kW, 115Nm 영구자석형동기모터 33kW, 350Nm 변속기 배터리 동력분할기구 ( 유성기어 ) Ni-MH 6.5Ah, 274V

21 차량외관 Toyota Estima ( 유성기어 ) Drivetrain H E V 시스템구성 프론트 주요제원 리어 구성 사양 비고 인버터 전륜모터 배터리 후륜모터 엔진프런트모터리어모터배터리 I4 2.4 D VVT-i 96kW, 190Nm 영구자석형동기모터 13kW, 110Nm 영구자석형동기모터 18kW 6.5Ah, 216V HEV 전용

22 Nissan Tino H E V 차량외관 Drivetrain Built-in Traction Motor CVT Pulley 시스템구성 주요제원 구성 사양 비고 엔 진 4-cylinder DOHC,1.8L 73kW 변속기 벨트식 CVT (Motor-integrated) Jatco 모 터 영구자석형동기모터 17kW 배터리 Li-ion with Mn electrode

23 HEV 제어방식비교 H E V

24 HEV 개발현황 (1) H E V

25 HEV 개발현황 (2) H E V

26 차량주행정보회생제동고장진단차단기력제한직류전원변환기출토크연료전지차량동력시스템개요 FCEV / EV H/W S/W 제어기 모터제어기차량제어기직류전원공급장치 연료전지엔진제어기 제어기통신모터감속기 연료전지엔진 배터리 연료개질기 연료탱크 ( 메탄올 )

27 FCEV System 개념도 FCEV / EV 물탱크 공기압축기 FCU MCU 모터 연료전지스택 연료변환기 연료탱크 인버터 수소 공기 전기 통신 FCU 시스템제어기 MCU모터제어기 물

28 EV 시스템분류 FCEV / EV 제어기 배터리시스템 보조배터리 직류전압변환기 파워스터어링 감속기 탑재형충전기 구동배터리 모터 모터제어기 배터리제어기 에어컨 Power Flow 제어기통신

29 Toyota FCHV-4 FCEV / EV 차량외관 Drivetrain 시스템구성 주요제원 구성 연료 전지 사양 고체고분자형 출력 : 90kW 비고 모 터 영구자석형동기모터 80kW, 260Nm 배터리 니켈수소전지

30 차량외관 GM Hy-wire Rotor Drivetrain Stator Planetary gear FCEV / EV Drive shaft Differential 시스템구성 Transaxle Motor 주요제원 구성연료전지모터감속기 사양 출력 : 94kW 영구자석형동기모터 (Outside Rotor Type) 80kW 유성기어 감속비 1:4 비고 Transaxle Motor

31 모터제어기내부구조 FCEV / EV 배터리 / 연료전지 전력단속기 CEU (Control Electric Unit) 모터제어기 (MCU) 파워부 300V 유도모터 6 외부전원 ( 단상 220V) 충전기 직류변환장치 (300V/12V) 보조배터리 (12V) 전력소자구동부 6 BMS/FCC 제어부 Signal Interface (CAN 통신, 디지털 I/O)

32 모터제어구조 FCEV / EV VCU - 토크지령생성 (Vehicle Control Unit) MCU - 토크제어 (Motor Control Unit) AC 모터 PRND 속도 위치정보 Ⅱ Ⅰ 엔코더 I/O Ⅲ Ⅳ Accel. Input 토크지령 모터온도 / 배터리전압 전류지령 V DC E Brake Input ADC Input 선택 토크지령생성 Profile 토크상수 전류제한 - 전류제어기 PWM 유도모터 전류피드백 파워보드 ( 인버터 )

33 모터제어기하드웨어구조 FCEV / EV MCU MCU 제어부 - CPU & Memory - I/O 인터페이스회로 - 전원공급장치 전력소자구동부 - IGBT 게이트구동회로 -IGBT 고장진단회로 - 아날로그전류제어회로 -PWM 발생기 파워부 - IGBT Dual Module (600V, 400A) - 전류센서 - DC bus 캐패시터

34 모터제어방식 FCEV / EV 하이브리드전기차용 ( 동기모터 ) 연료전지 / 전기차용 ( 유도모터 ) 제어기본블럭선도 토크지령 - N act i qs * i ds * 제어 / 연산 i s * 전류제어기 v s * 인버터 토크지령 - N act i qs * i ds * 제어 / 연산 i s * 전류제어기 v s * 인버터 속도 위치센서 PMSM ~ 속도 위치센서 IM ~ 제어특성 순시토크제어 ( 정지토크제어 ) 토크분및자속분전류의분리제어 모터파라미터변화에둔감 순시토크제어 ( 정지토크제어 ) 토크분및자속분전류의분리제어 회전자저항변화에민감한토크제어특성 용도 일정출력및고속의동적가 감속특성이요구되는경우 설치공간이협소한적용처 ( 고출력밀도가요구되는경우 ) 정확한토크제어가요구되는경우 일정출력및고속의동적가 감속특성이요구되는경우 고출력 (50kW 이상 ) 이요구되는경우 토크 출력파형 출력파워 속도 모터전류 (U 상 )

35 운전모드에따른파워전달 모터제어성능 회생제동원리 FCEV / EV 운전모드 전류및파워전달경로 비고 배터리 V s V b R s L s 가속 ( 모터링 ) + + I s V s V b - ω - T T=V b *I s /ω 0 감속기 ω > 0 T > 0 배터리 V s V b R s L s 감속 ( 회생제동 ) + + I s V s V b - ω - T T=V b *I s /ω 0 감속기 ω > 0 T < 0

36 42V V System 42V Why 42-Volts? 연비개선 미국 PNGV 연비 80mile/gal (34km/L ) 목표 / 2004년 prototype 제작계획 유럽 3 liter car ( 연비 100km/3L 목표 ) 배기가스저감 편의성증대 ( 현재 ) 고급차량의평균전력소비량 : 800W~1.5kW (60A~110A) 2005년예상평균전력 : 3.0kW~7.0kW (210A~500A) 새로운기술등장 고전력화예상 Electromechanical Engine Valve : 6,000rpm운전시 2kW의전력소요 Electric Active Suspension, Electric Power Steering, 통신장비 x-by-wire : Steer-by-wire, Brake-by-wire, Throttle-by-wire, etc 14V system 의실제전류의한계 ~ 200 Amp 새로운기술과 구조의필요성 대두 20 Total NA 15 Vehicle Production 10 (millions) 5 Forecasted Distribution of Power Consumption Amount kW~10kW 2kW~4kW 1kW~2kW 2006 Year

전력효율증가 ( 동일전력대비전류소모량 (1/3 배 ) 단품효율향상 Wire size 감소 wiring 무게감소 기계식

37 42V PowerNet 의전압규정 42V 인체안전성측면 1.1 KΩ 45mA : 50V 38mA : 42V 심장쇼크 / 근육마비 성인남 : 90mA 성인녀 : 60mA 전기적측면 전력효율증가 ( 동일전력대비전류소모량 (1/3 배 ) 단품효율향상 Wire size 감소 wiring 무게감소 기계식 Relay 와 Fuse 반도체소자 ( 비용저감, 응답속도향상, 반영구적 ) 전도성노이즈감소 Morgan 인체 Smoot & 모델 59mA: 65V dc 42V 전압규정 14V 전압규정

42V V System 효과 (1) 42V 전원전압과반도체 단면적의추이곡선 도전성 EMI 의감소 기계적 Relay 와반도체소자비교 Electromechanical Valve V out 42V V=42V 14V V=14V I L 3 t on t V=14V 2010 년 1 V=42V t on t -

38 42V V System 효과 (1) 42V 전원전압과반도체 단면적의추이곡선 도전성 EMI 의감소 기계적 Relay 와반도체소자비교 Electromechanical Valve V out 42V V=42V 14V V=14V I L 3 t on t V=14V 2010 년 1 V=42V t on t - 반도체단면적축소 - 소자가격감소 - 소자소형화 (FET 의경우, 같은부하저항및손실조건에서 80% 감소예상 ) - dv/dt 3배증가 -di/dt3배감소 ( 전류크기 3배감소 ) - 도전성 EMI는전류에의존 - 도전성 EMI 10dB 감소가능 - 빠른동작 - 수명연장 - 벨브작동을최적화 - 연비향상 - 엔진동특성향상 - 저공해

39 42V System 효과 (2) 42V Steer-by-wire Electric Active Suspension Electric Power Steering INPUT STEERING WHEEL Manual Torque RACK Manual Force RACK FORCE 토크센서센차속센서 E.C.U 제어부전력부전 BLDC MOTOR 위치력센서 감속기 BALL SCREW Assist Force - 작동시에만에너지소모 - Flexibility 향상 - 유압펌프, 벨트및 pulley, 유압오일의사용無 Electro-hydraulic 에비해 높은 Bandwidth - 연비향상 - EV-Car 대응 ( 유압식 Power Steering 대체 ) - 환경친화 (CO, HC 등개선 )

40 42V 시스템의핵심기술 42V 발전계형식 개발업체 장단점 비고 일체형 ISA VALEO DELPHI VISTEON ISAD 장점 - 단일 MOTOR 로시동및발전 - 아이들링시 NVH 특성개선 - 발전량가변이자유로움 - 엔진고효율 / 동력지원운전가능 - Idle Stop 기능가능 - POWER TRAIN 성능및효율개선에중시한시스템 - HYBRID SYSTEM 과동일 단점 - 구성사양 / 설계대폭변경 분리형 장점 ALTER S/MOTOR MELCO VALEO DELPHI - ENGINE ROOM LAYOUT 변경및타부품과의간섭성없음 - 상대적저가 SYSTEM 구축 단점 - ALTERNATOR 의발전효율개선효과적음 - STATER MOTOR 로인한중복요소 -42V 전원공급제공 - ISA 보다시스템효율낮음 - 장기적 ISA 로발전될전망. 한시적시스템임

41 42V 시스템적용안 42V EMV MCU S/W 주행제어 (Idle Stop) 에너지관리제어 엔진고효율운전제어 36V 42V POWERNET DC/DC Wiper Motor Water Pump MDPS GDI ISA EMS 14V NET Blower Fan RAD Fan ABS P/T 계 Lamp AUDIO Multi-Media Vision Power Window Motor A/C Comp Active Susp. ***** Body Chassis

42 Motor Revolution Power 62kW 100 r/min Weight ( kg ) Inverter Capacity 135kVA Weight ( kg ) Volume (L) Induction Motor - Al Frame - Water Cooling - Short Coil-end Power/Weight Ratio High Speed High Current Permanent Magnet - Reluctance Torque r/min - Increasing Pole - Concentrate Winding 0.65 (kw/kg) 1.09 (kw/kg) 1.65 (kw/kg) 2.06 (kw/kg) 1st Generation 2nd 3rd(~ 99) 4th(~ 00) Water Cooling High Integration Power/Volume Ratio Trend of Motor and Inverter Optimized Layout of Parts SH-micro processor Synchronous Motor Full Digital Control IGBT 2 1 parallel Modified cooling parts (Heat sink etc.) (kva/l) 6.75 (kva/l) 7.94 (kva/l) 16.9 (kva/l) Low Loss High Efficiency 20.6 High Cooling Capability 15.5kg 3.00 (kw/kg) 4.00 (kw/kg) 5th( 02) - Direct Water Cooling - Built-in Sensor Module 24 (kva/l) 기술동향 9kg 27 (kva/l) 1st Generation 2nd 3rd(~ 99) 4th(~ 00) 5th( 02) 6th 6th 7L

43 Fuel Consumption Improvement (%) Battery Voltage Hot Idle Stop ST Eng. DC Motor DC DC Motor Motor 14V T/M Bat. 14V PbALT Acid Idle Stop + Re-Gen. + Torque Assist ST Eng. Lundel Type Electric P/TP System Road Ma p T/M Eng. M/G Bat. 14V Pb Acid Starter // ALT Drive Minimal Hybrid ST T/M Bat. 42V Side Mount SSG ST Eng. 3 6 M G Bat. 42V T/M Direct Drive ISG ISG Honda Insight Auto-Shift *MT **M4WD Eng. 12 T/M MG Bat. 42V or High Voltage Motor Driving Eng. MG M G High Voltage Bat. T/M Full Full HEV Motor Output(kW) 42V >42V Mild Hybrid Auto-Shift MT MT HEV M4WD HEV Toyota Estima Full Hybrid Toyota Prius Nissan Tino GM ParadiGM * Manual Transmission ** Motorized All Wheel Drive 기술동향 Pure --EV EV 30

44 기술전개 환경차량기술발전방향 EV 배터리 (Spec. 에너지위주 ) 구동모터및제어기 회생제동 HEV 배터리 (Spec. Power 위주 ) 구동모터및제어기 ( 엔진 / 변속기통합제어 ) 회생제동 ( 유압제동과동시제어 ) FCEV 배터리 구동모터및제어기 ( 연료전지통합제어 ) 회생제동 기술동향 연료전지시스템 Toyota FCHV ( 02) Gasoline Price + ICE Cost Gasoline Price + HEV Cost Hydrogen Price + FC Cost 발전방향 Toyota Prius ( 97) GM EV1 ( 96) 7 억 4 천만대 ( 50 ; 35 억대예상 ) Toyota Crown ( 01) VW LUPO ( 00) 200 원유수급불균형 고유가 HEV 생산 Volume 증가 시스템가격 Down ICE Vehicle 20?? ICE HEV FCEV

전기모터구동시스템기술개발동향 기술동향 차량목표기술동향기술내용 연비향상 기계, 유압시스템 전기모터化 메카트로닉스化 액츄에이터 : 전기모터 제어 : 전기 / 전자제어 전동식스티어링 (EPS,EHPS) 전동식브레이크 (EHB,EMB) 전동식컴프레셔 안전, 편의성 증 대 전기, 전자제어시스템확대적용 DC 모터시스템 BLDC 모터化 지능화, 다기능化 파워윈도우

45 전기모터구동시스템기술개발동향 기술동향 차량목표기술동향기술내용 연비향상 기계, 유압시스템 전기모터化 메카트로닉스化 액츄에이터 : 전기모터 제어 : 전기 / 전자제어 전동식스티어링 (EPS,EHPS) 전동식브레이크 (EHB,EMB) 전동식컴프레셔 안전, 편의성 증 대 전기, 전자제어시스템확대적용 DC 모터시스템 BLDC 모터化 지능화, 다기능化 파워윈도우 :Anti-pinch 기능 엔진쿨링팬 :PWM 속도제어 샤시시스템 :X-By-Wire 기술 얼터네이터고출력化 (100A 120A 이상 ) 전기부하급증 신전원 (42V) 체계化 액츄에이터 : BLDC 모터 (6kW) ISG( 통합스타터 / 얼터네이터 ) 제어 : 인버터기술 배기가스, 환경규제대응 하이브리드및연료전지차상용化 전기식 P/T (PowerTrain) 化 고출력전기구동모터 (10kW 이상 ) 고출력인버터기술 전력변환및에너지관리시스템

46 환경자동차 (EV 및 HEV,FCEV,42V System) 의향후전망 Electric Vehicle - 고성능, 저중량, 고효율배터리개발이단시일내에이루어지기힘들것으로전망됨 - 배터리충전장치등과같은사회간접자본미비, 경제적차원등도 EV 의상품화에제약조건으로작용 - 최종의에너지원으로는연료전지가될것으로판단되며상품화의시점에대한부분은 2010 년전후로예측됨 Hybrid Electric Vehicle - 내연기관자동차와 EV 의단점을상호보완함으로써배기가스저감과동시에연비및가속성능의개선할수있는 HEV 가현실적대응방법임 ( 승용및상용 ) - 고전력발전및분배를위한 42V 시스템조기상품화

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untitled 연료전지 자동차 산업발전 시나리오 미래형 친환경 자동차 핵심부품기술 발전전략 세미나 ¾ 전기 자동차 시범 운행 단계에서 투자 규모 축소 ¾ 하이브리드 자동차 양산 진입, 시장 확대 단계 ¾ 연료전지 자동차 기술 검증 후, 시범 운행 단계로 진입 Insight (Honda) 양산 Civic (Honda) Prius (Toyota) 소량 생산 or 시범 운행 Proto