[카&테크]친환경차 심장 '전력제어장치'

친환경차는 직류(DC)와 교류(AC)를 저전압에서 고전압(12V~650V)까지 다양한 전원 주파수(Hz)대역에서 사용한다. 이러한 친환경차에서 전력의 변환과 분배를 담당하는 '전력제어장치(PCU Power Control Unit)'는 우리 몸에서 혈액을 박출하는 '심장'에 비견할 만큼 중요하다.

'전력제어장치'는 △두뇌격인 HCU/VCU(Hybrid/Vehicle Control Unit)와 △직류↔교류를 변환하는 인버터, △270V 고전압을 12V 저전압으로 강압하는 저전압 직류변환장치(LDC Low voltage DC-DC Converter)가 하나의 모듈로 합쳐졌다. 플러그인하이브리드차(PHEV)와 전기차(BEV)는 별도의 내장형 배터리 충전기인 OBC(On-Board Charger)가 추가된다.

'HCU/VCU'는 모터제어장치와 배터리 제어장치·자동변속기 전자제어장치 등 각종 ECU(Electronic Control Unit)와 협조해 차량 상태를 파악하면서 주행을 위한 최적의 알고리즘을 생성한다. 내연기관과 구동모터가 함께 동작하는 하이브리드(HEV)〃PHEV 차량용 제어장치는 HCU(Hybrid Control Unit) 모터가, 구동을 전담하는 전기차용 제어장치는 VCU로 불린다. HCU의 경우 추가적으로 엔진제어장치(ECU)와 협조한다. 가속·제동·변속 등 운전자 의지를 반영해 모터구동과 회생제동 등을 제어하도록 인버터 등에 명령을 내리는 역할이다.

HCU/VCU(Hybrid/Vehicle Control Unit)와 직류↔교류 인버터, 저전압 직류변환장치(LDC) 등 모듈형태로 완성한 현대모비스의 친환경차용 전력변환장치(PCU).

친환경차 구동을 보조하거나 전담하는 모터는 일정한 주파수의 전원을 공급하면 특정 속도로만 회전해 속도 제어가 불가능하다.

이 때 전력제어장치의 '인버터'는 고전압 배터리에 충전된 직류전력을 가변 주파수와 전압 크기를 가지는 교류로 변환해 가변 운영하면서 모터 속도와 회전수를 제어한다. 예를 들어 전원 주파수를 1Hz로 하면 모터는 30rpm, 2Hz는 60rpm, 30Hz면 900rpm 등 속도로 회전한다. 여기에 공급 전류를 증가시키면 모터의 회전력(토크)도 이와 비례해 커지는 형태다.

또한 친환경차는 제동 시 구동모터가 발전기로 전환되는데 이를 '회생제동'이라 한다. 인버터는 이 때 발생되는 교류전력을 직류로 역변환해 배터리에 충전된다.

'저전압 직류변환장치(LDC)'는 270V 고전압 배터리에 충전된 직류전력을 차량 내 공조장치와 점등장치, 멀티미디어기기 및 차량 제어장치 등 운영에 맞춰 저전압으로 낮춰 12V 배터리에 공급한다.

이러한 LDC는 기존 내연기관 차량의 발전기인 얼터네이터(Alternator)를 대체한다. 얼터네이터가 엔진 동력을 벨트로 이끌어 12V 배터리를 충전하는 반면, 친환경차는 이러한 발전기의 역할을 회생제동 기능이 대신하고, 고전압 배터리에 충전된 전력을 LDC가 12V 저전압으로 공급하기 때문이다. 얼터네이터와 달리 엔진의 동력을 빼앗지 않기 때문에 연비 효율 차원에서 한층 유리하다.

외부로부터 전원을 충전하는 전기차와 플러그인 하이브리드 차량의 경우 전력제어장치에 OBC가 추가된다. 이는 상용전원인 교류를 직류로 변환해 차량 내 고전압 배터리를 충전하는 기능을 한다.

현대모비스는 인버터와 저전압 직류변환장치를 2009년부터 양산공급해 왔다. 2011년 부터 HCU/VCU, 인버터와 저전압 직류변환장치 등을 통합한 전력제어장치를 공급, 전력변환 효율을 지속적으로 향상 중이다.

모든 친환경차에 사용되는 전력제어장치는 악조건에서 사용되는 차량 전장품 특성상 15년, 30만km의 내구수명과 안전 규격을 만족해야 한다. 현대모비스는 국제 규격에 부합한 엄격한 설계 검증 등을 통해 전력제어장치의 내구·신뢰성을 확보하며 고도화를 실현했다.

박태준 자동차 전문기자 gaius@etnews.com