환경공학개론 레포트 - 친환경 xEV(전동화차량)의 개념과 공학적 원리를 정리하여 서술하시오.

I. 서론

주차장에서 전기차가 출발할 때 들리는 소리는 내연기관차와 꽤 다르다. 엔진 회전수가 올라가는 소리 없이 차가 바로 움직이고, 가속페달에서 발을 떼면 생각보다 강하게 속도가 줄어드는 차종도 있다. 겉모양만 보면 같은 승용차인데 안쪽에서 에너지가 흐르는 방식은 크게 달라졌다. xEV라는 말은 이런 전동화 차량을 넓게 묶는 표현으로 쓰이며 하이브리드차, 외부 충전이 가능한 플러그인 하이브리드차, 배터리 전기차, 수소연료전지 전기차가 대표 범주에 들어간다. 네 종류 모두 바퀴를 움직이는 과정에 전기모터를 활용하지만 전기에너지를 어디서 얻고 저장하는지, 내연기관을 함께 쓰는지에 따라 구조와 환경 성능이 달라진다. 그래서 친환경이라는 이름만 보고 같은 기술로 취급하기보다 에너지 변환의 경로를 따라가며 원리를 보는 편이 맞다.

II. 본론

1) 엔진 중심 자동차에서 전기에너지 중심 구동계로

내연기관차는 연료가 가진 화학에너지를 연소시켜 열에너지로 바꾸고, 그 압력으로 피스톤과 크랭크축을 움직여 기계적 회전을 만든다. 여러 단계의 변속 장치를 거쳐 바퀴로 동력이 전달되며 연소 과정에서 열 손실이 크다. 전동화 차량은 전기모터가 회전력을 만드는 비중을 높인다. 모터는 전류가 흐르는 코일과 자기장의 상호작용으로 토크를 만들며, 정지 상태에 가까운 낮은 회전수에서도 큰 토크를 낼 수 있다. 그래서 복잡한 다단 변속기 없이 감속기 중심으로 구동계를 구성할 수 있고, 응답이 빠르다. 전동화의 핵심은 엔진을 없애는지 여부보다 차량 안의 에너지 흐름을 전기적으로 제어하는 비중이 커진다는 데 있다.

하이브리드 전기차는 내연기관과 전기모터를 함께 사용한다. 외부 충전 장치에 꽂지 않는 일반 하이브리드는 연료를 넣어 주행하면서 엔진과 회생제동으로 배터리를 충전한다. 저속이나 출발 구간에서는 모터가 효율적인 영역을 맡고, 속도와 부하 조건에 따라 엔진과 모터를 함께 쓰거나 엔진 중심으로 바뀐다. 자동차의 제어기는 주행 상황, 배터리 충전 상태, 요구 토크를 계산해 어느 동력원을 쓸지 정한다. 엔진을 항상 같은 방식으로 돌리는 것보다 효율이 좋은 운전 영역을 활용할 수 있고, 정차 중 엔진을 끄는 기능도 연료 소비를 줄이는 데 도움이 된다.

플러그인 하이브리드는 하이브리드 구조에 더 큰 구동용 배터리와 외부 충전 기능을 더한 형태다. 충전된 전기가 충분한 동안에는 전기모터 주행 비중을 높이고, 배터리 충전량이 낮아지면 내연기관을 함께 쓴다. 짧은 통학이나 장보기 거리는 전기만으로 움직이고 장거리에서는 연료를 사용할 수 있어 충전 기반시설이 완전히 갖춰지지 않은 환경에서 과도기 기술로 쓰이기 좋다. 다만 실제 환경 성능은 충전을 얼마나 자주 하는지에 따라 크게 달라진다. 플러그인 하이브리드를 충전하지 않고 무거운 배터리를 싣고 엔진 위주로 달린다면 설계상 기대했던 연료 절감 이점을 충분히 얻기 어렵다.