[전기]자동차의 성능

자동차 성능과 전기관계

자동차는 전기, 공기, 연료, 기계 및 운전의 특질이 다른 5개분야가 조합을 잘 이루어 자동차를 움직이게 합니다. 여기서 전기를 사람에 비유하면 혈액 및 신경세포와 같으며 혈액이 맑지 못하고 신경이 정상적이지 못한 사람은 체격이 온전할지라도 이상한 행동을 하듯 자동차도 전기가 불안정하면 성능(性能)을 제대로 발휘하지 못합니다. 그러므로 전기가 단순히 자동차를 시동하고 라이트를 켜고 에어컨을 가동하는 기능뿐 아니라 자동차성능을 결정하는 요소로도 작용하므로 전기의 안정적 공급과 각종 전기장치들의 정상적인 동작은 참으로 중요한 것입니다.

 

 

자동차 전기의 종류

모든 자동차는 자동차 전체를 움직이게 하는 1차전기인 배터리전압 (12V or 24V)과 배터리를 충전시키는 발전기가 있고 ECU를 동작시키는 2차전기(5V)가 있습니다.
그런데 이러한 전기적 장치들이 동작하는 과정에 전기적 노이즈인 제3의 전기(일종의 기생전 기 : 寄生電氣)를 만들어 내고 있으며, 본 발명기술에서는 이를 3차전기라고 합니다.

* 1차전기 : 12V 또는 24V
* 2차전기 : 5V
* 3차전기 : 잡음전기, 역기(逆寄)전기, 정(靜)전기, 맥동(脈動)전기, 유도전기,
고조파(高調波)전기, 접지(接地)전기 등

 

전기가 인젝터를 제어하는 과정

엔진에 연료를 직접 공급하는 역할을 하는 것은 1차전기인 DC12V에 의해 동작하는 인젝터 (연료분사 노즐 : Injection Nozzle)가 있으며, 인젝터를 제어하는 장치는 DC5V에 의해 동작하는 ECU(Electronic control unit)로서 사람에 비유하면 뇌에 해당합니다.
ECU는 TPS외 공기흐름센서(AFC), 흡기온센서(ATS), 수온센서(WTS or CTS), 크랭크각센서 (CAS), 차속센서(VSS), 대기압센서(BPS), 모터포지션 센서(MPS)등 여러 가지 센서로부터 발생되는 신호를 입력신호로 받아 이들을 조합하여 인젝터를 제어할 출력신호(구형펄스)를 만들어 냅니다.

 

 

 

예를 들어 액셀레이터(TPS)를 밟을 때 트로틀밸브가 열려 10이란 공기량이 엔진으로 들어가고 이때 인젝터가 다섯번 동작하도록 설계되었다면 ECU는 인젝터를 제어할 출력신호 (구형펄스) 5개를 생성하여 POWER TR에 의해 인젝터를 구동시키는 것입니다.(위그림 참조). 그런데 TPS출력신호는 운전자가 액셀러레이터를 밟는 조건에 따라 구형, 아날로그형, 삼각파형 등 여러가지 모양으로 변화된 파형 들이 ECU에 공급 되게 됩니다.(아래그림 참조)

 

다음으로 출력신호변화가 심한 것은 냉각수온도센서이고 그 다음으로 공기센서등이 있지만 이들은 TPS처럼 출력신호가 갑작스럽고 인위적으로 변화하는 것이 아니라 주위조건에 의해 서서히 그리고 완만하게 변화하므로 ECU가 인젝터를 구동시키는 출력신호를 만드는데 그리 많은 영향을 주지 않습니다.
예를 들어 냉각수온도센서의 경우 온도가 -40℃일 때는 출력신호는 5V이나 냉각수 온도가 130℃까지 올라가면 출력신호는 0.3V까지 떨어지지만 갑작스 럽게 떨어지거나 올라가지는 않는다는 것입니다.
다음은 냉각수온도센서회로로서 온도와 저항변화에 따른 온도센서의 출력신호 변화를 나타낸 그림입니다.

 

 

 

전기신호에 의한 성능 저해사례

- ECU출력신호 오차에 의한 사례
  ECU는 다양한 크기와 모양을 가진 각종센서신호들을 조합하여 최적의 성능을 발휘할 수 있는 출력신호를 만드는 역할을 해야하는데 실제로는 입력과 출력신호량의 비율에 차이가 생기게 만들고 있습니다.
이러한 원인을 TPS로 예를 들면 다음과 같습니다. TPS출력신호는 일종의 아날로그(Analog)성분으로 ECU가 아날로그파형을 구형펄스(디지털파형)로 만들려면 A/N연산방식을 사용하거나 전자공학에서 사용하는 PCM(Puls Code Modulation)방식의 원리등을 응용하여야 합니다.
이때 아날로그신호를 디지털신호로 변환하는 것을 양자화한다고 하며 양자화할 때는 입력신호가 4사5입방식으로 절사 또는 절상되므로 입, 출력량의 비율이 달라져 버립니다.
또한 TPS는 기계적인 부분이기 때문에 시간이 지나면 마모나 열화현상으로 저항치가 변하여 ECU에 공급되는 TPS출력신호량도 달라지므로 액셀레이터의 밟은 양에 의한 엔진에 주입되는 공기와 이때 발생되는 TPS출력신호가 설계치 와 일치하지 않는다는 것입니다.그러므로 TPS출력신호가 자동차의 성능에 많은 영향을 준다고 보아도 과언이 아닌 것입니다.
   
- 3차전기에 의한 사례
  사람 몸에는 요충, 해충, 십이지장충 등 선충류(線蟲類)에 해당하는 비교적 잘 알려진 기생충들이 있는가 하면 원충류(原蟲類), 조충류(?蟲類), 흡충류(吸蟲類)등에 속하는 것들도 있으며, 이러한 기생충들이 인체에 서식하면서 뇌세포를 파괴하고 암을 유발시키며 소화기장애를 일으키는 등 여러가지 병의 근원이 되고 있습니다.
이와 마찬가지로 자동차에서도 전기적 장치들이 작동할 때는 여러종류의 기생전기(寄生電氣)가 발생하여 자동차의 기능(機能)과 성능(性能)을 방해하기도 합니다.
이러한 전기종류를 본 기술에서는 일명 3차전기 또는 기생전기라 합니다.
◇ 기생전기 종류로는 잡음(雜音)전기, 역기(逆氣)전기, 맥동(脈動)전기, 정(靜)전기, 유도(誘導)전기, 고조파(高調波)전기, 접지(接地)전기 등을 말합니다.
◇ 잡음전기 : 전기적 장치들에 통상적으로 생기는 전기
◇ 역기전기 : DC모터, 계전기등 유도성 부하에 발생
◇ 맥동전기 : 교류(AC)를 직류(DC)로 바꾸는 과정에 발생
◇ 정 전 기 : 정전기(靜電氣) 또는 마찰전기
◇ 유도전기 : 코일, 선, 분포용량성 등의 유도(誘導)에 의해 생김
◇ 고조파전기 : 발전기나 2차전기를 만들 때 생기는 파생(派生)주파 수에 의한 전기
◇ 접지전기 : 배터리마이너스와 차체(車體)간에 생기는 전기

이러한 3차전기는 비단 자동차에서뿐만 아니라 우리들 주위에 사용되는 전기*전자장치에는 대부분 발생되는 현상이지만 크기나 모양에 따라 허용치 범위 내에 있으면 대부분 무시(無視)또는 허용(許容)하고 있지만 경우에 따라서는 해당설비에 치명적인 영향을 주기도 합니다.

3차전기에 의한 장애가 생길 수 있는 동기의 또 한가지 사례로는 급발진을 들 수 있으며, 이를 추론적으로 열거하면 다음과 같습니다. 운전을 한 후 엔진시동을 끄는 순간 엔진은 꺼졌지만 ECU가 잔여전압과 신호등에 의해 순간적으로 오동작을 일으켜 인젝터가 한번작동을 하였다면 엔진안에는 연료가 들어갈 수가 있습니다.

※ 참고로 인젝터 한쪽에는 1차전기(12V)의 (+)공급단자가 상시 연결되어 있으므로 엔진시동이 꺼지는 인젝터는 아주 순간적이지만 잔여 전기에 의해 한 스텝 늦게 동작이 멈출 수 있음
그러므로 엔진안에 들어가 있는 연료는 엔진열에 의해 기체화되어 팽창이 극대화된 상태로 있는데 어느 일정시간 경과 후 시동을 다시 걸면 순간적인 과폭발을 할 수 있고 이러한 경우를 급발진이라고 볼 수 있습니다.
그러나 급발진은 수시로 발생되는 것이 아니라 벼락을 맞는 확률처럼 어쩌다 발생되므로 정확한 원인과 결과를 추적하기란 참으로 어려운 것입니다.  

 

 

 

자동차는 움직이는 설비

자동차는 냉*난방설비 처럼 고정된 조건 하에서 연료를 운동에너지로 바꾸는 것이 아니라 이동하면서 수많은 변수에도 최적의 운동에너지를 만들어 내야하므로 차종에 따라 연비가 다르게 나타나는 것입니다.
단지 이러한 조건을 얼마나 잘 소화하여 최적에 가까운 연비를 창출하느냐는 해당 자동차의 질(質)또는 품질(品質)에 달려있다고 보아야 할 것입니다.

 

 

특성이 변화하기 때문에

자동차가 정특성(靜特性)과 동특성(動特性)에 의해 운동질량이 만들어지고 있으며 이 두 가지 특성이 최대의 조건일 때 최적의 연비가 나올 수 있는데 시간과 환경에 따라 이들 특성들이 시시각각으로 변하기 때문에 동일(同一)차라도 연비가 달라진다고 봅니다(모터파워의 연비이론 기준)

(1) 정특성이란 ?
▶ 자동차는 2만여 가지의 부품으로 구성되어 있으며 이들은 고유의 부품특성(部品特性)을 가지고 있습니다. 이것을 통상적으로 재질(材質)이라고 하지요.
▶ 이들 2만여 가지의 부품들을 조립할 때의 생기는 조립특성(組立特性)이 있습니다.

(2) 동특성이란 ?
▶ 연료(량과 질), 운전습관, 일기( 온*습도, 바람, 대기압등), 도로상태, 차무게, 기타 차가 움직일 때 필요한 요소 등이 자동차 연비를 좌우하는데 많은 영향을 준다고 보아야 할 것입니다.

 

품질변화를 계량적으로 설명하면

자동차가 움직이기 위한 구성요소를 분석해 보면 전기, 연료, 공기, 기계, 운전자 등 5대 조건이 있어야 합니다.
여기서 전기와 기계는 자동차내부가 가지고 있는 고유조건으로 정특성에 해당합니다.
그런데 자동차의 부품특성은 이론적으로는 100% 똑같을 수가 없기 때문에 허용치(許容値) 라는 것이 있으며 이를 공식(법적, 기술적)적으로 인정하고 있는 것입니다.

- 그러므로 제품이 똑같다 할 때는 외형이나 기술적 조건이 허용치 범위 내에 있다는 뜻이고, 특성상 똑 같으냐 하는 것은 별개로 보아야 할 것입니다.

이를 가정하여 계량적으로 풀어보면
● 정특성 오차
▷ 부품 한 개당 특성오차가 백만 분지 일(1)이라면
1) 부품특성(이론적) 오차 : 2% →공식: 20,000개×1/1,000,000 ×100% = 2%
2) 조립특성(이론적) 오차 : 2% →공식: 20,000개×1/1,000,000 ×100% = 2%
3) 전기적(이론적) 오차 : 3.5%(전원 14.5V에 부하가 14.0V라면)
→공식 : (14.5 - 14)V÷14.5V×100% ≒ 3.5%
* 종합 오차 : 2% + 2% + 3.5% = 7.5% (오차)

따라서 자동차의 성능오차는 100%±7.5%가 생기는 것입니다.
그래서 모든 제품에는 공식적(법적, 기술적)인 허용오차를 두고 있는 것입니다.
만일에 자동차도 공식적인 허용오차를 100%±10%로 두었다면 비록 동일차종의 성능에
7.5%오차가 나더라도 절차상에는 아무런 문제가 없다는 뜻이 됩니다.
결론적으로 가장 좋은 차는 107.5%가 될 것이며, 가장 나쁜 차는 92.5% 의 차가 되겠지만, 100%보다 좋은 차란 허수(虛數)에 불과합니다.

● 동특성 오차
▷ 이는 자동차를 운행하면서 생기는 오차로서 연료의 질과 량, 운전습관, 일기, 도로면, 차무게, 기타 연료소모에 영향을 주는 변수 등을 말하는데 이들을 계량적으로 표현하기는 참으로 어렵습니다.
예를 들어 연료의 양(질은 제외)만 가지고 설명을 드리면 주유소마다 메터기의 오차가 있을 수 있습니다.
가령 메터기의 오차가 1.5급(1.5%메터기)이라면, 100ℓ의 연료를 넣었지만 실제로는 100ℓ±1.5급 = 98.5ℓ?101.5ℓ이 되므로 최대한 3ℓ의 편차폭이 생기는 것입니다. 이를 이론연비가 12㎞/ℓ인 차에 대입하면 36㎞의 편차가 생기는 것입니다. 또한 동특성의 오차는 정특성 보다 많이 생길 수가 있다고 보며(10%정도), 자동차는 시간이 경과할 수록 정특성이 점점 나빠지므로 동특성도 더불어 나빠지고 변화폭도 크지는 것입니다.

● 결론적 오차
▷ 위의 같은 가정(假定)에 의하면 결론적으로 - 자동차를 아무리 잘 만들어도 성능은 떨어질 수 밖에 없고 - 차종마다 오차가 다를 수 밖에 없다는 것입니다.
예를 들어 공식연비가 10㎞/ℓ인 차의 경우 실제연비는 종합오차(17.5%)에 의해 연비가 8.25㎞/ℓ밖에 안 나온다는 결과가 되는 셈입니다.

 

출처 : motorpower