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모터, 배터리, 컨트롤러, 액셀러레이터가 핵심전동제품의 메커니즘과 구성 부품

모터, 배터리, 컨트롤러, 액셀러레이터가 핵심

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모터, 배터리, 컨트롤러, 액셀러레이터가 핵심 
전동제품의 메커니즘과 구성 부품



전동제품의 작동원리는 간단하다. 구성부품은 크게 보아 모터, 배터리, 컨트롤러, 액셀러레이터 4가지다. 같은 부품이라도 서로 다른 명칭을 사용하는 경우가 종종 있어서 이번호에서는 이런 혼동이 없도록 자세히 알아본다
글 양해룡 (한국스마트이모빌리티협회 퍼스널모빌리티분과 회장, 이브이샵 대표)

 

 

 

실제 전동제품을 타는 라이더라면 한번쯤 내부가 어떤 부품으로 구성되어 있고, 어떤 원리로 작동되는지 궁금한 적이 있을 것이다. 이런 궁금증을 참지 못하고 스스로 제품을 분해하는 경우도 있을 것으로 생각한다.
의외로 모든 전동제품의 작동원리는 상당히 간단하다. 다만 자전거와 마찬가지로 부품명이 영어로 표기되어 있어 유저들이 다소 낯설어한다. 먼저 생소한 단어를 독자들이 이해할 수 있도록 소개하고 제품의 작동원리를 설명하겠다.



1. 전동킥보드의 작동방식과 핵심 부품
전동제품들은 모터(Motor), 배터리(Battery), 컨트롤러(Controller), 액셀러레이터(Accelerator) 총 4가지 부품으로 작동한다. 모터는 배터리로부터 전기를 공급받아 동력을 만들어 주는 역할을 한다. 배터리는 전기연료 정도로 이해하면 쉽고, 컨트롤러는 모든 전기부품이 연결되어 전기적 제어를 하는 부품이다. 마지막으로 액셀러레이터는 보통 오른쪽 손잡이에 위치해 조작 시 컨트롤러로 신호를 보내는 장치로, 이 신호를 받은 컨트롤러는 모터로 보내는 전기량을 조절하며 속도를 조절하게 된다.
 차대에 이 4가지 기본적인 전기부품들만 장착하면 제품을 작동시킬 수 있지만 BLDC, 허브 모터, 인휠 모터 등과 같이 다양한 명칭이 등장해 혼동을 일으키는 경우가 있다.



2. 모터의 종류
요즘 사용하는 모터는 BLDC(Brush Less DC)모터를 사용한다. 말 그대로 일반 DC 모터에 있는 브러시가 없는 모터를 의미한다. 브러시는 모터 내부에 들어있는 카본소재의 굵은 연필심이라고 생각하면 이해하기 쉽다. 브러시의 유무에 따라 일반 DC 모터와 BLDC 모터로 나눌 수 있다. 종종 DCBL로 표기하는 예도 있는데 BLDC 모터와 같은 뜻이다. 이외에도 허브 모터(Hub motor), 인휠 모터(Inwheel motor), 기어드 모터(Geard motor), 다이렉트 모터(Dircet motor) 등의 용어가 사용된다. 

일반적으로 생각하는 모터는 선풍기의 모터처럼 외부는 고정되고 축이 회전하는 방식인데 비해 전기자전거와 전동스쿠터 등에 사용되는 모터는 그 반대로 축이 고정되고 모터 외부가 회전하는 방식이다. 휠 내부에 있는 모터라고 해서 인휠 모터라고 하고 스포크들이 모이는 부위를 허브라 부르는데 이 허브에 모터가 위치해 있어 허브 모터로 불린다. 인휠 모터와 허브 모터는 정확히 똑같은 구조의 모터로 호칭은 다르지만 같은 모터라고 할 수 있다.
 

 

기어드 모터의 내부구조

 

허브 모터의 내부구조

 

 

기어드 모터와 다이렉트 모터는 조금 다르다. 허브 모터 내부에 감속기어와 단방향 클러치가 내장된 형태가 기어드 모터이고 다이렉트 모터는 단방향 클런치가 없는 일반 모터다. 기어드 모터가 출시되기 전까지는 통칭해서 모터라고 부르다가 기어드 모터 나오면서 기어와 클러치가 없는 모터를 다이렉트 모터로 구분하고 있다.
기어드 모터는 자전거 뒷바퀴에 있는 프리휠이 모터 내부에 위치하며 유성감속기가 들어있어 작은 크기로 큰 힘을 만들어 낼 수 있다. 프리휠이 내부에 있기 때문에 내리막길에서는 모터에 부하를 주지 않고 달릴 수 있고 관성주행도 가능하다. 단 다이렉트 모터보다는 주행감이 좋지 않고 내부 기어로 인해서 구동소음이 있다.

홀리스 모터(Hall-less motor)와 홀리스 컨트롤러(Hall-less controller)는 BLDC 모터 내부에 쌀알 크기의 홀센서 3개가 들어있는데 이것이 없는 방식이다. 홀센서는 전자석의 반발력을 이용해서 회전하는 모터 내부에 코일부가 N극과 S극 중 어느 곳에 위치하는지를 알 수 있게 해주는 역할을 한다.
홀센서의 단점은 다섯가닥의 얇은 선으로 센서와 컨트롤러가 연결되어 있는데 전선 중에서 하나라도 단선되거나 모터 내부에 물기가 침투한 경우, 또는 불량이 있으면 제대로 구동하지 않는 것이다. 그래서 탄생한 것이 홀리스 컨트롤러와 홀리스 모터다. 말 그대도 홀센서 없이 구동되는 모터와 컨트롤러로 앞서 열거한 문제점을 해결했다. 하지만 홀리스 제품의 경우 초기 스타트 시 정확한 극성에 대한 정보를 알 수 없기에 무작정 전기를 인가해 모터가 위치를 찾아가야 하므로 초기 구동시 부드럽지 않고 조금 격한 느낌이 있다.
이 정도 정보만 알고 있다면 퍼스널모빌리티 제품의 모터에 대해서는 충분히 파악했다고 할 수 있다.



3. 액셀러레이터(Accelerator)
액셀러레이터(Accelerator)는 의미 그대로 가속기를 뜻한다. 제품마다 형태는 달라도 같은 원리로 작동하며 고장이 나면 다른 액셀러레이터를 사용해도 호환이 가능하다. 이것도 마찬가지로 모터 내부에 들어가는 홀센서와 자석을 이용한 비 접촉식 센서다. N극과 S극의 위치에 따라서 컨트롤러에서 올라온 5V 전기신호를 0~5V 사이로 가변해서 컨트롤러로 다시 보내게 된다. 30㎞ 정도의 속도를 가진 제품이라면 액셀러레이터에서 5V를 신호를 보낼 때 30㎞ 속도를 내게 될 것이고 2.5V 신호를 보내면 대략 15㎞의 속도를 내게 된다. 이 액셀러레이터를 자동차의 구조에 비유해 스로틀(Throttle)이라고도 부른다(스로틀은 ‘목구멍’을 뜻하며 엔진으로 공급되는 연료와 공기 혼합기의 양을 조절하는 위치에 있다. 가속페달은 스로틀 밸브를 여닫아 속도를 조절한다). 
 

 

 

4. 리튬배터리의 BMS
리튬배터리는 수계전해액을 사용하는 기존의 납산전지 등과 달리 유기전해액을 사용한다. 유기전해액은 비정상적인 동작 상태에서 발화나 폭발의 위험성을 내포하고 있다. 폭발을 사전에 방지하기 위한 것이 바로 BMS(Battery Management System) 혹은 PCM(Protection Circuit Module)이다. 기능상 분류에 따르면 배터리의 과방전, 과충전, 과전류 방지 등의 기능을 수행하는 것이 보호회로(PCM)이며, 이외에 추가로 여러 셀이 조합되는 배터리팩의 셀 밸런싱, 과열, 잔량 계산 등에 대한 보호기능이 추가된 형태를 배터리관리시스템(BMS)이라고 한다.
PCM이나 BMS는 우리가 사용하는 가장 작은 단위의 리튬배터리를 사용하는 스마트폰에서부터 수백~수천 개의 배터리가 적용되는 전기자동차나 대용량의 에너지저장시스템에 이르기까지 효율적이고 안전한 사용을 위해서는 반드시 필요한 부품 중의 하나다.

 

bms배터리

 

 

5. 브레이크 컷오프 스위치(Brake Cut off Switch)
전동제품의 브레이크 레버에는 브레이크 컷오프 스위치가 포함되어 있다. 형태는 사진과 같으며 브레이크 레버를 작동시키게 되면 스위치가 ON 되면서 컨트롤러에서 모터 쪽으로 가는 전기공급을 차단해 모터가 구동되지 않도록 하는 기능이다. 

 

전기자전거, 전동스쿠터에 사용되는 브레이크 레버

 

 

 


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