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전기의 중요성
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작성일
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2004-08-29 22:38:54
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조회수
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2782
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Ⅰ. 양질의 전기란?
○ 한국전력에서 양질(良質)의 전기(電氣)란 일정한 전압(電壓), 일정한 주파수(周波數:60Hz) 그리고 무(無)정전(停電)이다. 순간 정전이 생기면 전기로 움직이는 모든 설비들은 제 기능을 발휘하지 못하고 IC등 고부가가치의 전자제품들은 불량 또는 페기 되어야 하므로 경제적 손실은 상상을 초월한다.
○ 그래서 첨단장비나 고품질 전자제품들을 생산하기 위해서는 무엇보다 양질의 전기를 만드는 것이 참으로 중요하고 어려운 일이다.
Ⅱ. 전기가 자동차성능에 미치는 범위 1. 42V 자동차란 ?
○ 전기가 자동차에 얼마나 중요한가를 전 세계적으로 연구를 하고 있는 분야로 아래에 기고한 기사는 전 세계가 연비와 배기가스를 개선하기 위해서는 현재의 12V를 사용하는 전기를 42V로 업그레이드해야 하며 이미 연구가 끝나 상품으로 진행하고 있다는 자료이다.
● 제 목 :〔미리보는 미래카(자동차) 42V전력시스템〕전선무게 줄여 연료 소모랑 절감
● 내 용 :
○ 1950년대에 자동차의 전력공급시스템이 7V에서 14V로 바뀐 후 현재 자동차는 14V시스템이 주로 사용되고 있다. 하지만 연비향상과 높은 안정성, 편의성이 강하게 요구되는 미래형자동차에는 이보다 더 효율적인 전력공급시스템이 요구되고 있다.
○ 이를 위해 개발 중인 것이 바로 42V전력시스템. 이 시스템은 전 세계적으로 연비 및 배기가스에 대한 규제가 대폭 강화되면서 그 필요성이 더욱 커지고 있다. 가장 큰 특징은 각 장치별로 다양한 종류의 전압을 공급할 수 있다는 것이다. 이와 함께 동일 출력에서 전압을 3배 높임으로써 전류가 3분지1로 줄게 되고 이는 곧 전선의 무게는 물론, 차량의 중량도 감소시킬 수 있다.
○ 이를 상용화해 자동차의 전기시스템을 현재의 14V에서 42V시스템으로 업그레이드 할 경우 추가 투자를 하지 않고도 연료소모량을 10%이상 절감할 수 있다. 또 연비도 기준에 비해 2배정도 향상시킬 수 있다. 특히 신호대기나 차량 정차 시엔 엔진을 정지시키고 가속 혹은 오르막길 등반 시에는 모터를 이용, 엔진출력을 지원함으로써 연료와 매연도 줄일 수 있다.
○ 전문가들은 오는 2010년까지 북미, 유렵, 일본등지에서 생산되는 경차의 25% ~ 35% 정도가 42V전기시스템을 사용할 것으로 전해지고 있다. 일부 선진업체들은 현재 42V시스템으로 가기 위한 중간 단계로 14V와 42V시스템을 병행하는 듀얼 볼티지 시스템을 개발, 양산하고 있다. 국내에서는 현대차와 현대모비스등을 중심으로 2006년까지 듀얼 볼티지시스템을 양산 차에 적용한다는 목표로 컴소시엄을 구성, 개발에 적극 나서고 있다. 이를 통해 2015년쯤에는 국내에서도 완전한 42V시스템이 양산 차에 적용 될 것으로 보인다.
★ 도움말 = 현대모비스 카트로닉연구소 이정표팀장 2. 향후 자동차기술의 발전 추세
○ 우리나라(정부)가 앞으로 먹고 살아가기 위한 7개 프로젝트 중에 자동차가 포함되어 있으며, 여기에는 전기자동차, 수소자동차, 하이브리드자동차 개발에 초점을 둔다고 한다. 그런데 이러한 차들의 중요한 핵심기술은 연료도 아니요 엔진도 아닌 전기분야라는 것이며, 이 방향은 비단 우리나라 뿐 아니라 전 세계가 나아가는 방향이므로 전기의 중요성을 새삼 부각되고 있다고 보아야 한다.
Ⅲ. 자동차의 전기가 흔들리는 이유
1. 제네레이터 동작 불안정
○ 자동차에는 1차전기라고 배터리(12V : 2V 6개)와 제네레이터(14V~15V)가 있으며, 자동차운행에 필요한 전기는 제네레이터가 공급하기 때문에 제네레이터 전압은 배터리 전압보다 항상 높아야 한다. 그런데 에어컨을 켤 때 힘이 떨어지는 것은 제네레이터 전압이 흔들리기 때문이며, 이는 제네레이터의 용량이 부족하기 때문이다.
○ 예를 들어 자동차의 배터리가 12V/80A, 제네레이터가 12V/60A라고 한다면 자동차의 전체용량은 용량(그릇을 치면 물이라고 보시고)은 12V/140A가 된다. 여기서 자동차가 정확하게 12V에 동작한다면 140A란 물이 있기 때문에 자동차에 웬만한 전기부하를 달아도 전압(수압)은 흔들리지 않는다. 그런데 제네레이터전압은 배터리전압보다 높은 2V~3V부분은 60A 밖에 안 된다. “전기부하는 높은 전압에만 동작하는 성질”을 가지고 있기 때문에 배터리 전압보다 높은 2V~3V부분이 자동차운전에 절대적 영향을 미치는 것이다. (14V~15V) - 12V = 2V~3V
○ 그래서 자동차가 움직이는 것은 배터리전압이 아닌 제네레이터전압으로 움직인다는 것이며, 제네레이터용량이 약하면 약할수록 전압변동이 많이 흔들리고 에어컨이나 라이트 등을 동시에 켜면 차가 힘이 떨어진다. 그렇다고 제네레이터 용량은 함부로 많이 높이면 기술적으로는 해결은 될지 몰라도 생산가격 무게 등 다른 문제가 생기므로 메이커들이 함부로 용량을 올리지 못한다. 이러한 현상은 자동차에 따라 조금의 차이는 있을 지언정 전세계자동차에서 꼭 같이 일어나는 현상이라고 보아야 한다. 또한 전기는 온도에 영향을 받는데, 온도가 올라가면 자동차 내 있는 전기장치들의 저항치들이 변화하기 때문이다.
2. 접지전기의 불안정
○ 접지(接地)란 전기선 한쪽을 전기적으로 땅에 연결한다는 의미하는 것이다. 접지를 영어로는 어스(earth) 그라운드(ground)로도 사용되는데 사용하는 사람에 따라 적용내용이 다를 뿐이다. 발전소에서 전기를 일으키는 발전기나 변전소에 전기를 받고 보내는 트랜스나 전기모터 등 전기장치들은 전부가 몸체를 땅과 연결을 시켜주어야 한다.
※ 예 : 세탁기 어스를 수도꼭지와 연결 해주어야 함
○ 이처럼 전기는 지구를 기준으로 하여 전위차(電位差)를 말하는 것으로 접지는 지구와 전기적 장치들 간(몸체)의 전위차를 “0 Volt”가 되도록 해주는 것이다. 그러나 실제적으로는 전기선에 저항(抵抗)이라는 것이 있으므로 아무리 굵은 전기선으로 연결해도 0Volt의 전위차를 만드는 것은 불가능 하다. 이를 위해 -375℃에서 도체저항(導體抵抗)을 0(zero)으로 만들 수 있다는 학술은 나왔으나 실용화는 오랜 시간이 필요할 것 같다. 그런데 접지는 왜 해주어야 하는가? 전기는 교류(AC)든 직류(DC)든 간에 2가닥 이상의 선이 필요하며, AC인 경우에는 단상(單相)인 경우 2가닥 삼상(三相)인 경우 3가닥 선이 필요하고, DC는 2가닥선만 있으면 된다. AC인 경우는 유도성분이 많고 DC인 경우는 용량성분이 많은데 어느 쪽이든 도체가 있는 곳이면 전기는 흐르게 되고 전기가 흐르면 유도성과 용량성에 의해 전기가 축척될 수가 있다. 이러한 성분에 의해 전기가 축적되면 경우에 따라서는 전기장치를 망가뜨리기도 하고 동작에 방해를 주기도 하지만 때에 따라서는 인체적 피해를 줄 수도 있다. ※ 예 : 정전기와 감전 같은 현상
○그러면 자동차의 접지는 자동차성능에 어떤 영향을 줄까? 전 세계적 자동차(승용차 기준)는 통상 DC12V를 사용하며 배터리마이너스 단자를 차체와 연결하고 있는데 이를 접지선이라 한다. 접지는 공장에서 차를 생산할 때 차체와 배터리마이너스단자, 차체와 차체간에 연결되어 있지만 자동차가 운행되고 있는 동안 기계적 결함(부품특성과 조립특성)에 의해 저항치가 변하여 접지전위가 올라가게 된다. 그래서 자동차를 운행하다가 접지선을 보강해주거나 정비하면서 조임을 다시 해주기도 하는 것이다. 이는 접지저항(抵抗)을 줄여주는 역할을 의미하며 접지에 의한 접지전기와 자동차성능과는 어떤 관계가 있는가를 수식적으로 풀어보면 다음과 같은 현상이 생긴다.
※ 조건제시 : 조건: 12V자동차에서 접지저항이 0.1Ω(옴)일 때 이곳으로 전류가 10A흘렀다면 배터리마이너스단자와 차체 간에는 1V의 전위차가 생김.
● V(1V) = R(0.1Ω) × I(10A) 이것은 자동차 전원(電源)인 12V가 전기부하에 그대로 공급되지 않고 11V밖에 공급되지 않으므로 전기적 효율이 다음과 같이 떨어지게(감소) 되는 것이다. (12-11)V÷12V×100% ≒8.3%(효율감소) 그런데 자동차 종류에 따라 제네레이터가 만들어 내는 전압이 얼마 인지는 알 수 없으나 많은 차를 조사결과 13V~ 15.5V까지 편차가 나고 있다. 이를 경우 13V와15.5V의 경우 효율편차는 1. 13.0V 경우 : (13.0-11.92)V÷12V×100% = 9%(효율감소) 2. 15.5V 경우 : (15.5-14.21)V÷12×100% =10.75%(효율감소) 따라서 전압변동이 심하면 이종(異種)은 물론 동일차라도 2.45%라는 성능편차가 생길 수 있다는 이론적인 계산이 나온다. 이로 인하여 4륜구동 자동차는 전압변화에 의한 4개의 인젝터는 지연․복구동작에 일정하지 못해 피스톤이 요동을 치게 되어 진동과 소음이 증가하고 연비가 떨어지고 힘이 나빠지는 것이지요. 이러면 배출가스는 당연히 나빠진다. 참고로 이러한 현상은 비단 접지선 뿐 아니라 전기선 전반에 걸친 문제이지만 너무 광범위한 설명이 되므로 접지선만 예를 든 것이다.
3. TPS의 기울기가 틀어진다.
○ 여기서 자동차성능의 90%이상에 영향을 미치는 TPS(전 세계적 공통원리)센서에 대하여 설명하고자 한다. TPS는 기울기가 있는데 자동차전기공학에서는 생소한 용어일 것이다. TPS는 라디오 볼륨과 같은 역할을 하는 것으로 라디오볼륨을 올렸다 내렸다하면 소리 크기가 변하는데 이는 볼륨저항이 바뀌면서 신호세력 크기가 변하는 것이다. 그런데 볼륨이 나쁘면 볼륨을 돌릴 때 마다 소리가 직직거리거나 나왔다 안 나왔다 하거나 저절로 커졌다 작아졌다 하는 경우를 경험 하였을 것이다. 이것은 볼륨이 나쁘기 때문에 생기기 현상으로 자동차의 TPS가 바로 라디오의 볼륨과 같은 역할을 하는 것이다. 그런데 TPS(오디오볼륨 역할)의 저항치는 트로틀 바디의 공기 궤도율과 비례하여 특성곡선이 45도(B형)각도로 변해야하는데 부품불량으로 특성곡선이 오목렌즈 모양 또는 볼록렌즈 모양으로 바뀌게 될 수 있다. 그러면 TPS의 신호세력이 설계치 와 실제치가 다르게 ECU로 공급되고 ECU는 인젝터를 제어할 펄스를 잘못 만들거나 왜곡 또는 지연된다면 자연적으로 공기와의 비율이 틀어져서 연비가 나빠지고/ 힘이 떨어지며/ 소음이 증가하고/ 배기가스가 나빠진다. 여기서 TPS에 공급되는 2차전압 5V가 변하게 되면 ECU에 공급되는 TPS출력신호가 어떻게 변하는가 일부를 소개하고자 한다. ※ TPS저항 5000Ω으로 기준 저항/개도율 설계전압 높은 전압 낮은 전압 편차 폭 5.0㏀/100% 5.0V 5.3V 4.70V 0.60V 4.0㏀/80% 4.0V 4.24V 3.76V 0.48V 3.0㏀/60% 3.0V 3.18V 2.82V 0.36V 2.0㏀/40% 2.0V 2.12V 1.88V 0.24V 1.0㏀/20% 1.0V 1.06V 0.94V 0.12V 0.0V/ 0% 0V 0V 0V 0V
○ 분석
- 위 조건에서 저항/개도율이 2.0㏀/40%일 때 설계신호(이론)는 2.0V이지만 2차 공급전압이 변하여 5.3V일 때는 TPS신호는 2.12.V, 4.7V일 때는 TPS신호는 1.88V가 된다. 이를 경우 공기와 연비의 비율이 깨어지게 되는 것이다.
○ 그러면 TPS신호가 설계수치 되로 나오지 못하는 이유
① 첫 번째 이유 : TPS센서신호 만드는 2차전기가( 5.0V) 일정하지 않기 때문이다.
② 두 번째 이유 :TPS는 액셀러레이터를 밟는 양과 횟수에 비례하여 기계적으로 움직이기 때문에 TPS마모로 인해 저항치가 변질하게 되고 이로 인해 TPS신호도 변하는 것이다. - V = I × R, I = V ÷ R, R = V ÷ I - 전압(V), 전류(I), 저항(R)
③ 세 번째 이유 : 1차전기(12V)에 의해 만들어진 2차전기 및 전기신호가 생성과정에 3차(맥동. 역기. 정전기. 유도전기. 용량전기. 접지전기 등) 전기에 의해 간섭을 받아 흔들리기 때문이다.
④ 네 번째 이유 : 자동차는 온도가 상승하면 전압이 변한다.
Ⅳ. 결론
○ 지금까지의 자동차기술은 석유자원이 풍부하고 지구환경이 좋을 때 석유산업을 활성화하기 위한 수단으로 자동차기술이 발전되었다고 보아야 한다. 그러나 이제는 석유자원의 고갈이 눈앞에 다가오므로 전 세계가 대체자원으로 전기분야에 눈을 돌리게 된 것이다. 그러나 앞으로도 전기자동차가 보편화 할 때까지는 석유연료자동차가 주종을 이루기 때문에 앞으로도 석유연료자동차에 적용되는 전기분야를 집중적으로 연구 개발하여 보다 나은 자동차로 업그레이드되어야 할 것이며, 부족자원이 부족한 우리나라의 에너지절약에 일조 할 것이며 국제경쟁력에서도 우위를 유지할 수가 있다.
또한 소비자들도 전기에 대한 인식이 제고되어야 한다고 본다. |
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