Hot Tech - 친환경 차량(xEV/EV) 내 필수부품 리졸버에 대하여
HOT TECH에서는 최신 산업기술의 특성, 업계동향 및 향후전망 등을 살펴봅니다.
기술개발의 배경
리졸버는 친환경 차량에 적용되는 전기모터의 회전각과 회전속도를 감지하여 차의 구동을 돕는 부품이다.
약 250만대의 시장규모(2014년 기준)01 와 평균성장률 20.6%02 의 높은 성장률을 보이는 친환경차량 관련 필수 부품임에도 불구하고 일본기업에서 관련 특허를 독점하고 있어 그 간 독자개발이 어려웠다.
이에 한국산업기술평가관리원에서는 지난 2010년 초부터 산업원천기술개발사업(스마트그린카 전동화 핵심부품기술개발)의 하나로 리졸버 국산화 지원을 시작하여 그로부터 2년 뒤인 2012년, 국내 완성차업체에서 그동안 전량 수입해 온 리졸버 개발에 성공함으로써 가혹조건 내에서의 제품 내구성 및 신뢰성 평가를 거치고 현재 국내 방위산업체 차량에 적용을 앞두고 있다.
그린카용 전동기에 사용되는 리졸버는 고정밀, 내환경성에 대한 높은 신뢰성뿐만 아니라 차량의 연비 개선을 위해 소형화, 경량화에 중점을 두고 있다.
이는 리졸버가 그린카의 특성상 기존 자동차의 엔진과 토크(㎏.m) 및 속도(rpm)에서 최소 동일한 성능을 발휘하는 전동기의 상태를 측정, 제어하기 위해서는 필수적인 각도 센서 제품이기 때문이다.
그림 1 은 리졸버와 전동기를 포함한 전동기제어시스템의 구성도이다.
시스템의 구성은 전동기제어기(MCU: Motor Control Unit), 인버터(Inverter), 리졸버, 3상 전동기로 구성되어 있다.
전동기제어기는 시스템의 제어부로서 시스템의 구동제어, 전동기의 구동상태 감지, 각종 신호처리 등을 수행하며, 마이크로컨트롤러(u-Controller) 또는 디지털신호처리기(DSP: Digital Signal Processor), 입력 및 출력 인터페이스회로(Interface Circuit), 신호변환회로 등으로 구성되어 있다.
인버터는 차량전 원인 배터리로부터 직류전원(DC)을 공급받아서 전동기구동용 교류전원(AC)의 형태로 변환시키는 장치이다.
리졸버와 RDC의 주요 기능
리졸버는 전동기의 회전각과 회전속도를 감지하는 핵심센서로서, 전동기제어기의 제어명령에 의하여 구동되는 전동기의 운전 정보를 다시 전동기제어기로 피드백하는 기능을 수행한다.
일반적으로 모터용 각도 센서를 분류하면 광학식 및 자기방식으로 나뉜다. 광학식 엔코더는 고정밀도·고분해능이기 때문에 계측용이나 공장자동화 등의 용도로 사용되고 있다.
그러나 크기와 내구성, 비용면에서 자기방식의 성능이 뛰어나기 때문에 그린카용 자동차의 전동기에서는 자기방식(특히 리졸버 방식)이 일반화되고 있다.
자기방식 각도 센서의 검출방식별 성능 비교는 표 1 에 정리하였다.
이 중 리졸버는 타 각도센서 대비 모든 항목에 대해 우위를 가지고 있으며 절대 위치각을 검출할 수 있다는 특징 덕분에 그린카용 주요 전동기의 98% 이상에 채용되고 있다.
그림 2 의 권선도와 같이 가변자기저항형 리졸버는 그린카용 전동기의 회전축에 연결되어 있는 회전자(Rotor)가 전동기 구동에 따라 회전하게 되어 있다.
고정자의 여자권선(Exciting Winding. R1-R2)에 정현파(sin, cos) 인가시 전동기의 회전 속도에 비례하여 곡면 구조로 설계된 회전자와 고정자(Stator)간 공극(Air Gap) 구조에 의한 투자율(μ)이 변화하게 된다.
고정자의 유기권선(Output Windings. S1-S3, S2-S4)에 90도의 위상각을 갖는 2종류의 정현파가 출력되는 파형에 대한 그래프는 그림 3 과 같다.
리졸버의 경우, 출력된 신호의 형태는 변조된 교류형태의 신호로서 속도와 위상각의 값을 직접 구하기에 용이하지 않으므로 신호처리 및 데이터 변환을 위하여 RDC(Resolver to Digital Converter)라는 집적회로를 사용한다.
그림 4 는 리졸버와 RDC 구성도이다.
RDC의 주기능은 리졸버 1차측 여자권선(Exciting Winding, R1-R2)에 특정 주파수의 정현파를 인가하고, 리졸버 2차측 유기권선(Output Windings, S1-S3, S2-S4)을 통해 출력된 90도 위상각을 가지는 2종류의 정현파(sin,cos)로부터 전동기의 회전속도 및 회전각, 이상 상태여부를 확인하여 전동 기제어부(DSP: Digital Signal Processor)에 디지털화된 신호로 변환, 전달하는 역할을 수행하게 된다.
이때 리졸버와 RDC간 입력 및 출력은 인터페이스 회로로 구성되어야 하며 정확한 신호 전달이 이루어졌을 경우 측정값의 정밀도 및 신뢰성을 향상시킬 수 있다.
리졸버가 산업용/자동차 전동기에 적용되는 경우 거의 대부분 RDC와 세트 형태로 적용되고 있으며 RDC 칩셋의 경우 리졸버 제작업체(ex. Tamagawa社 AU6802N1) 또는 칩제조회사(ex.ADI社 AD2S1210)를 통해 공급되어지고 있다.
이러한 세트 형태로 구현되는 이유는 주요 전동기의 높은 회전(12,000 rpm~ 20,000 rpm)과 MCU(Micro Controller Unit)에 연산부담을 적게 하기 위함이며 회로설계 검토 및 생산효율성 측면에서의 비용절감 부분이 반영되었기 때문이다.
그러나 최근에 출시되고 있는 MCU 제품군에는 친환경차량(xEV/EV) 어플리케이션을 위해 최적화된 주변장치 또는 소프트웨어 기반 알고리즘(RDC Function) 제공을 통해 고성능 전동기제어를 구현가능하도록 솔루션을 제공하고 있다.
그리고 RDC 기능이 탑재된 MCU의 경우 RDC와 같은 별도의 칩셋이 필요없게 되어 추가비용 절감이 가능하며, 향후 친환경 차량(xEV/EV) 어플리케이션에 확대 적용되리라 예상된다.
시장동향 및 전망
가변자기저항형(Variable Reluctance) 리졸버가 처음으로 채용된 것은 도요타 자동차가 1997년 10월 북미에서 출시한 SUV 타입 ‘RAV4-EV’ 전기차 구동용 모터의 각도 센서에 적용된 이후 하이브리드차 프리우스에 양산 적용되면서였다.
이후 하이브리드 차량 증가 및 자동차의 전동화와 함께 적용범위를 넓혀가고 있다.
현재 하이브리드 차량 내 견인용 모터와 발전기에는 거의 대부분 적용되고 있으며 이외 후륜 구동모터, 인휠(In-wheel) 모터, EPS용 모터에 탑재되고 있다.
모터 각도센서로서 채용되는 기준은 모터의 탑재 위치와 비용의 균형 측면에서 고려되어 결정되고 있다.
예를 들면 모터가 엔진 룸내에서 사용되고, 열적으로 열악한 환경에서도 견딜 수 있는 내구성이 필요하거나 또는 기어박스에 장착되어 내유성 특성을 가져야하는 경우 리졸버 채용이 우선시 되고 있다.
견인모터용 각도센서의 시장 규모는 수량 기준으로는 주로 모터의 수량과 동일하다.
표 2에서와 같이 2010년 시장은 164만 8천개로 추산되고 있으며 2013년 이후에 계속해서 높은 성장이 기대되고 있다.
2016년 시장상황 또한 531만개로 연평균 성장률이 20.6%에 달할 것이라 예측된다.
01 차세대자동차(HEV/EV)생산대수 예측(2010~2016년), 야노경제연구소
02 트랙션모터용 각도센서 시장규모 예측(2010~2016년), 야노경제연구소
참조문서
1. 산업원천기술개발사업(그린카 모터용 레졸버 국산화 개발) 과제계획서
2. 차재모터시장의 최신동향과장래전망2011, 야노경제연구소
3. 2013년 친환경차 결산 및 주요 특징, 한국자동차산업연구소