본문내용
1. 변압기 설계
1.1. 변압기 설계 개요
변압기는 전압을 올리고 내리는 장치로서 교류에만 작동하는 기기이다. 2개 이상의 코일을 공통 자로에 결합시킨 것으로, 한쪽 코일에 교류 또는 리플 전류를 흘리면 다른 쪽 코일에서 자력선 변화에 따른 전류 변화가 생겨 코일 턴 수에 비례하는 전압이 유기되는 원리를 이용한다. 이러한 전자유도 작용을 통해 한 편의 권선에 공급한 교류 전기를 다른 편의 권선에 동일 주파수의 교류 전기의 전압으로 변환시켜주는 역할을 한다.
변압기를 설계할 때는 core의 크기, coil의 굵기 및 전압에 따르는 coil의 회수 등을 정하는 문제가 가장 중요하다. 이외에 여러 가지 참작사항들이 많이 있지만, 기본적인 변압기 설계의 핵심은 이러한 요소들을 적절히 결정하는 것이다. 변압기 설계는 다음의 단계를 거치게 된다.
1.2. 변압기 설계 과정
변압기 설계 과정은 다음과 같다. 먼저 변압기 설계를 위한 준비 단계에서 용량, 주파수, 1차 전압, 2차 전압, 2차 전류 등의 변압기 사양을 결정한다. 이를 바탕으로 1차 코일의 선경과 2차 코일의 직경을 계산한다.
그 다음 단계에서는 1차 권수와 2차 권수를 결정한다. 1차 권수는 1차 전압과 주파수, 자속의 최대값을 이용한 계산식으로 구하고, 2차 권수는 2차 전압과 1차 권수의 비율로 계산한다.
이어서 용량별 철심과 보빈 데이터를 참고하여 변압기를 제작한다. 먼저 1차 코일을 0.313mm 에나멜선을 650회 감은 후 절연지로 감싼다. 2차 코일은 0.7mm 에나멜선을 143회 감고 절연지로 감는다. 그 후 E1 철심을 180도 마주보며 교대로 삽입하여 두께가 6.26mm가 되도록 한다. 코어의 모퉁이를 단단히 조여 진동이 발생되지 않게 한 뒤, 입출력 단자를 연결하여 변압기 제작을 완료한다.""
2. 전기 자동차
2.1. 전기자동차 구성요소와 기능
전기자동차는 동력발생장치(전동기, 감속기), 에너지 저장/관리시스템(배터리, 충전기, 통합전력제어장치), 차체 샤시 플랫폼(샤시 플랫폼, 조향 현가 장치, 회생제동장치), 공조장치(압축기, 열 교환기 등)를 주요 구성요소로 한다.
전동기와 감속기는 배터리의 전기에너지를 운동에너지로 변환시켜주며, 전동기 회전 수를 줄여 토크를 증대시켜주는 기능을 한다. 배터리는 외부 전원으로부터 공급받는 전기에너지를 저장 공급해주는 역할을 한다. BMS(배터리 관리 시스템)는 배터리 성능을 제어하여 전류와 전압을 모니터링하며, 배터리에 이상이 감지될 경우 사용을 차단한다.
인버터는 고전압 직류전원을 다양한 주파수와 전압의 교류 전원으로 변환하여 전동기의 토크와 속도를 제어한다. 가속과 감속 명령을 담당하므로 전기차의 운전성을 높이는데 매우 중요한 역할을 한다. 충전기는 배터리를 충전하는 기기로, 가정용 전원과 급속 충전기가 있다. LCD(LOW Voltage DC-DC converter)는 배터리의 고전압을 각종 장비에 적합한 12V의 저 전압으로 강압하는 장치이다.
회생제동장치(Regenerative Breaking System)는 제동 시 발생하는 운동에너지를 전기에너지로 변환하여 배터리를 재충전하는 장치이다. 전동식 압축기는 전기에너지를 에너지원으로 사용하는 공조용 냉매 압축기이다. 배터리 히팅/냉각 시스템은 배터리를 최적의 온도로 유지시켜 성능이나 수명 저하를 예방하고 주행거리를 확보하는 기능을 하는 장치이다. On board Charger(OBC)는 완속 충전이나 휴대용 충전기를 사용하여 충전할 경우 전기 자동차에 입력된 교류 전원을 직류전원으로 변환하는 기능을 하는 장치이다. Vehicle Control Unit(VCU)는 통합전력제어장치에서 가장 중요한 부품 중 하나로 모터 제어, 회생제동 제어, 공조 부하 제어, 전장 부하 전원공급 제어 등 차량의 전력 제어와 관련된 대부분을 관장하고 있다.
이처럼 전기자동차는 다양한 구성요소들이 유기적으로 연결되어 전기에너지를 운동에너지로 변환시켜 구동하는 시스템이다. 이와 같은 전기자동차의 구성요소와 기능은 전기차 기술 발전의 핵심 요소가 되고 있다.
2.2. 전기자동차의 기술 발전
전기자동차의 기술 발전은 지속적으로 이루어져 왔다. 19세기말에 개발되었던 전기자동차는 축전 성능 및 운행거리의 한계, 화석연료엔진 자동차에 비교하여 주행성능의 저하, 전기저항 제어 기술의 미숙함으로 인해 점차 사람들의 기억에서 사라져갔다.
그러나 화석연료의 고갈과 대기오염으로 인한 지구온난화 현상, 생태계 파괴 등의 문제로 인해 친환경적인 자동차의 개발에 대한 관심이 높아졌다. 이에 따라 전기자동차는 태양열 자동차를 제외하고 가장 실용 단계에 있는 자동차로 주목받게 되었다.
현재 시점에서 전기자동차는 휘발유 엔진 차량에 비해 그 열효율이 높지 않지만, 곧 그 효율이 2~3배 가량 커질 것으로 예상된다. 하지만 열 효율만 해결된다고 해서 전기자동차를 상용화할 수 있는 것은 아니다. 전기자동차의 무게가 휘발유 엔진 차량보다 약 200~300kg 무겁다는 점과 생산단가가 비싸다는 것도 해결해야 할 과제이다.
이와 같은 문제점들을 해결하기 위해 전기자동차 기술 발전이 활발히 진행되고 있다. 1990년대 중반 이후 벤츠, 포드 등 주요 자동차 업체들이 전기자동차 개발에 나섰으며, 2000년~2003년에는 수소연료전지 자동차 시험운행을 계획하는 등 전기자동차 기술의 발전이 이루어지고 있다.
특히 전기자동차의 핵심 부품인 배터리 기술 발전이 두드러지고 있다. 기존의 배터리 방식 외에도 연료전지를 동력원으로 하는 방식이 연구되고 있다. 연료전지는 수소와 산소의 화학반응 에너지에서 발생한 전기로 모터를 구동하는 방식으로, 기존 배터리에 비해 작고 가벼우며 빠른 시간에 재충전이 가능한 장점이 있다. 또한 수증기만을 배출하는 친환경적인 특성을 갖고 있어 미래형 동력원으로 주목받고 있다.
이처럼 전기자동차 기술은 배터리, 연료전지, 경량화, 생산단가 절감 등 다양한 측면에서 지속적으로 발전하고 있으며, 이에 따라 전기자동차의 실용화와 보급 확대가 이루어질 것으로 전망된다.
3. 연료 전지 발전기
3.1. 연료전지 발전기 종류
연료전지는 전해질의 종류에 따라 구분할 수 있다. 알칼리형 연료전지 발전기, 인산형 연료전지 발전기, 용융탄산염형 연료전지 발전기, 고체산화물형 연료전지 발전기, 고분자전해질형 연료전지 발전기, 직접메탄올 연료전지 발전기 등 다양한 종류가 있다.
알칼리형 연료전지 발전기는 1960년대 군사용으로 개발되었으며, 순 수소 및 순 산소를 사용하므로 효율이 비교적 높고 저온형이어서 취급이 쉬운 장점이 있다. 그러나 순도가 높은 수소가 필요하므로 특수한 용도에 한정되어 있다.
인산형 연료전지 발전기는 1970년대 민간차원에서 처음으로...
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