엔지니어가 알려주는 자동차

EV 용 배터리 재료 기술 리튬 이온 전지 등의 이차 전지는 휴대폰, 스마트 폰, 노트북 등 IT 기기의 전원으로 널리 사용되고 있으며, 또한 앞으로 전기 자동차 (EV)의 전원 스마트 그리드 용 축전 시스템 등의 용도 전개 이 전망되고 있습니다. 앞으로도 매우 중요한 장치이며, 이 글에서는 리튬 이온 전지의 개요, 구성 재료에 대해 말해 차세대 리튬 이온 전지 재료, 차세대 이차 전지에 대해서도 설명합니다. 1. 리튬 이온 전지의 개요 리튬 이온 배터리의 현재 구성은 주로 탄소계 재료를 음극 활물질로 리튬 이온 함유 전이 금속 산화물을 양극으로 하고 있습니다. 그 작동 원리는 충전으로 양극 재료 LiCoO2 등의 리튬 이온 함유 전이 금속 산화물 양극 재료에서 리튬 이온이 탈리 음극 재료 탄소에 리튬 ..

고속 주행 시 스티어링 휠이 심하게 떨린다. 자동차는 웬만한 속도라면 쾌적하게 주행할 수 있도록 만들어져 있지만, 어떤 원인으로 균형이 무너지면 문제가 발생할 수 있다. 그중 하나가 고속 주행 시의 스티어링 휠 떨림이다. 어떤 특정 속도에 이르면 갑자기 진동이 심해지거나 스티어링 휠이 좌우로 크게 흔들린다. 이런 현상은 휠 밸런스가 어긋난 것이 원인이다. 휠에 타이어를 끼울 때 중량 균형이 균일해지도록 휠의 뒷면이나 림 부분에 납덩어리를 다는데, 이것이 떨어져나가면 균형이 흐트러져 특정 속도에 들어섰을 때 진동이 발생할 확률이 높아진다. 고속도로에서 이런 증상이 나타났다면 빨리 정비소나 타이어 판매점에 가서 정비를 받을 필요가 있다. 빗물이 샌다. 빗물 누수는 여러 문제 중에서도 상당히 골치 아프다. 어..

엔진에서 이상한 소리가 난다 엔진에서 들리는 소리에도 여러 종류가 있는데, 가장 신경 쓰이는 것은 딱딱거리는 금속음이다. 그런 소리의 원인은 밸브 계통일 때가 많으며, 대부분의 경우 태핏 클리어런스(밸브 간극) 과다가 원인이다. 간극을 자동으로 조절하는 기구가 달린 엔진의 경우는 오일을 교환하면 소리가 사라질 때가 많다. 그래도 해결이 안 된다면 수리가 필요하다. 끽끽 하는 소리는 벨트에서 난다. 오래된 벨트는 아무래도 소리가 나기 쉬우니 정기적으로 교체하자. 드르륵거리는 소리는 워터 펌프의 베어링이 손상되었을 때 많이 난다. 방치하면 소리가 커질 뿐만 아니라 물이 샐 가능성도 있으니 수리해야 한다. 쿵쿵거리는 느낌의 낮은 연속음은 커넥팅 로드의 베어링 등에서 많이 나는데, 고장이라고는 할 수 없다. 라..

스티어링 휠이 무거워졌다 가벼워졌다 한다. 이제 파워 스티어링은 자동차의 기본 사양이 되었다. 덕분에 큰 힘을 들이지 않아도 스티어링 휠을 돌릴 수 있는데, 일단 파워 스티어링이 고장 나면 스티어링 휠을 돌리는 것이 얼마나 힘든지 깨닫게 된다. 스티어링 휠이 무거워졌다가 가벼워졌다가 하는 증상은 바로 파워 스티어링 고장의 전조 현상이다. 그 원인은 플루이드의 부족에 있다. 공기가 혼입되어 파워 어시스트가 되다 안 되다 하기 때문에 스티어링 휠의 무게가 불안정해진다. 소량의 누액에 따른 불량이라면 플루이드를 보충하는 것만으로 해결할 수 있지만, 타이로드 부츠가 부풀어 오를 만큼 대량으로 플루이드가 샜다면 분해 정비를 해야 한다. 또 다른 원인으로는 벨트의 슬립(slip, 미끄러짐)도 생각할 수 있다. 타이..

엔진이 과열됐다. 수온계의 바늘이 최대로 치솟고 엔진도 힘이 없어지는 증상이 나타나면 무조건 엔진을 천천히 식히는 것이 중요하다. 그늘에 자동차를 세우고 아이들링 상태를 유지하며 엔진이 충분히 식은 것을 확인한 다음 엔진을 정지시킨다. 그리고 냉각 계통이나 엔진 오일을 점검한 뒤 다시 시동을 건다. 엔진이 멈춰버렸을 경우는 그대로 기다리는 수밖에 없는데, 빨리 식힌다고 엔진에 물을 끼얹어서는 절대 안 된다. 뜨거워진 엔진이 부분적으로 급속히 식으면 각 부분에 비틀림이 발생해 엔진이 망가질 수도 있으니 주의해야 한다. 또 과열 증상이 나타난 자동차는 빨리 정비소로 몰고 가 점검을 받자. 원인을 규명해문제가 있는 곳을 수리하지 않으면 재발할 우려가 있다. 시동이 잘 걸리지 않는다. 요즘 자동차에서는 시동이 ..

EV 전기자동차 배터리의 설계 및 제어 기술 EV 용 배터리의 역사 EV 용 배터리는 납 (Pb) 배터리에 시작 니카드 (Ni-Cd) 전지, 니켈 수소 (Ni-MH) 전지, 리튬 이온 (Li-ion) 배터리로 진화했습니다. 중량 에너지 밀도로 비교하면 납 전지가 30 ~ 40Wh / kg, 니카드 전지와 니켈 수소 전지가 60 ~ 90Wh / kg 리튬 이온 배터리가 90 ~ 250Wh / kg입니다. 중량 기준으로 비교하면 리튬 이온 전지는 납 전지의 3 배에서 8 배의 에너지를 가진 전지입니다. 또한 수치에 큰 차이가 있는 것은, 전지의 외장재가 라미네이트와 캔 (SUS 나 Al), 하이브리드 자동차 용도 나 EV 용도 등 형태와 목적에 따라 에너지 밀도가 다르기 때문입니다. 리튬 이온 전지는 내부 ..

차체와 램프 주위의 일상 점검 램프 종류는 야간 운전뿐만 아니라 안전과도 커다란 관련이 있는 장비다. 제대로 작동하는지 평소에 점검하는 습관을 키우자. 가볍게 둘러본다는 느낌으로 점검한다. 자동차의 차체와 램프 주위는 미관에 큰 영향을 주는 부분이기 때문에 운전자 대부분이 무의식중에 신경을 쓰고 있을 것이다. 그리고 평소와 다른 느낌을 받으면 세심하게 확인할 것이다. 일상 점검은 그와 똑같은 가벼운 감각으로 자동차의 각 부분을 살펴보기만 하면 되는 간단한 작업이다. 타이어의 공기가 빠져서 평소보다 눌려 있지는 않은지, 차체에 상처는 없는지, 방향 지시등을 비롯한 램프가 정상적으로 작동하는지, 렌즈가 깨졌거나 금이 가지는 않았는지 등을 눈으로 살피면서 확인하면 순식간에 점검이 끝난다. 일상적으로 차를 점검..

운전석에서 할 수 있는 이 운전 전 점검 계기판을 잘 살피고 오감을 활용하면 특별히 노력을 기울이지 않아도 점검을 할 수 있다. 점검 습관을 들여 자동차의 작동 상태를 확인한다. 자동차의 상태를 파악하는 것은 운전자가 다해야 할 책임이다. 운전하기 전에는 각 부분이 정상적으로 작동하는지 점검해야 하는데, 살펴야 할 데가 많다 보니 귀찮다는 생각이 들 때가 있다. 그러나 엔진에 시동을 건 후 출발하기 전까지 무엇을 점검할지를 행동 지침으로 만들어 습관화한다면 짧은 시간에 효율적으로 점검할 수 있다. 엔진 시동 소리부터 시작해 시동 전과 후에 변하는 계기의 움직임, 경고등의 점등 상황, 페달을 밟았을 때의 느낌, 기어 변환 시의 충격, 방향 지시등의 점멸 상태 등 폭넓은 항목의 점검이 가능하다. 이때 중요한..

엔진룸의 레이아웃과 일상 점검 포인트 엔진룸 점검은 눈으로 직접 확인하는 작업이다. 익숙해지면 금방 끝낼 수 있다. 각종 부품의 위치를 기억해둔다. 엔진룸은 자동차의 중요 장치가 고밀도로 집적되어 있는 공간이다. 처음 보면 어디에 무엇이 있는지 도저히 가늠이 안 갈지도 모르지만,각 부분을 기능별로 구분하면 쉽게 이해할 수있다. 중앙에는 엔진과 트랜스미션이 있고, 운전석 앞쪽 벽 근처에는 엑셀과 브레이크 관련 부품이 있으며, 배터리 근처에는 퓨즈 등의 전기 부품이 설치되어 있다. 각 기계와 장비의 명칭과 위치를 기억하고 하나하나 확인하면 누구나 짧은 시간 안에 점검을 마칠 수 있다. 무엇보다 먼저 보닛을 열고 내부를 살펴보는 것이 중요하다. ATF 레벨 게이지 엔진이 따뜻할 때 잡아 빼서 ATF의 양을 확..

배터리의 구조 배터리는 자동차가 정상적으로 기능하기 위해 없어서는 안 될 중요한 존재다. 배터리가 대전류를 공급해 스타터 모터를 돌려주기 때문에 엔진을 기동할 수 있다. 또 엔진이 회전하는 중에 알터네이터가 만들어내는 전기량 이상으로 전자 장비가 작동하더라도 배터리가 저장해놓은 전기를 사용하기 때문에 자동차는 아무 문제 없이 주행할 수 있다. 자동차에 탑재된 배터리는 납축전지다. 플러스 극판에는 이산화납, 마이너스 극판에는 순납이 각각 그리드(grid)라고 부르는 격자에 반죽 형태로 발라져 있다. 극판과 극판의 접촉을 방지하는 격리판과 페이스트(paste, 반죽 형태의 전해질)가 떨어지는 것을 방지하는 글라스매트를 배치하고 황산 전해액에 담근 구조다. 배터리 케이스 내부는 6개의 전해조가 독립되어 있다...

스티어링의 구조 스티어링 휠을 조작해서 자동차의 진행 방향을 바꾸는 스티어링 계통은 비교적 구조가 간단하다. 스티어링 휠의 회전력은 조인트가 달린 샤프트를 통해 랙 앤드 피니언(rack and pinion)에서 가로 방향의 움직임으로 변환된다. 타이 로드'를 통해 타이 로드 엔드를 밀거나 당김으로써 앞바퀴의 방향을 바꾼다. 랙 앤드 피니언은 피니언 샤프트에 달린 세로 방향의 기어와 빗처럼 생긴 랙 기어가 맞물리는 단순한 구조다. 파워 스티어링은 엔진의 힘으로 구동된 스티어링 펌프에서 압송되는 액체의 압력을 랙이 이동하는 방향에 가하는데, 이를 통해 운전자는 적은 힘으로도 스티어링 휠을 돌릴 수 있다. 그러나 발명자의 이름을 따 애커먼(Rudolph Ackerman) 링크라고 불리는 장치를 살펴보면 스티어..

브레이크의 종류와 구조 바퀴와 함께 회전하는 디스크 로터나 드럼에 패드 혹은 슈 등의 마찰재를 압착시켜 회전 에너지를 열에너지로 변환하고 열을 대기 중으로 방출해 자동차에 제동을 거는 것이 브레이크의 역할이다.자동차의 브레이크 시스템은 '밀폐된 액체의 일부에 힘을 가하면 액체의 다른 부분에도 같은 압력이 전달된다'라는 파스칼의 원리를 이용해 힘을 전달한다. 브레이크 페달에 가해진답력(踏力)을 브레이크 부스터 가 증폭시켜 마스터 실린더의 피스톤을 움직이면 액압(브레이크액을 밀어내는 힘)이 발생한다. 브레이크액을 매개체로 그 힘을 네 바퀴의 휠 실린더에 전달해 패드나 슈를 작동시켜 제동을 거는 원리다. 자동차용 브레이크는 크게 디스크와 드럼으로 나뉜다. 고급차는 4륜 디스크가 주류이지만 일반적인 경우에는 뒷..

서스펜션의 종류와 구조 서스펜션은 4개의 타이어를 항상 노면에 접지시켜 차체의 안정을 유지하면서 조향과 구동력 전달을 담당한다. 사람에 비유하면 발바닥을 정확히 지면에 접촉하고 몸을 안정적으로 지탱하면서 민첩하게 움직이는 허리 아래의 뼈와 관절, 근육 등에 해당한다고 할 수 있다.구성 부품은 휠의 바퀴를 지지하는 각종 암(arm) 또는 링크, 차체를 지지하는 동시에 노면에서의 충격을 완화하는 스프링, 서스펜션의 움직임을 빠르게 조절하는 댐퍼(또는 쇼크 업소버) 등이다. 각 요소의 지지부와 장착부에는 고무 부싱 을 비롯한 부품을 사용해서 승차감을 높였다. 이런 구성 부품들 가운데 특히 암 또는 링크의 모양과 배치에는 다양한 종류가 있어서 이에 따라 여러 가지 서스펜션 형식이 있다. 스트럿 스트럿(strut..

구동 계통의 구조 엔진이 만들어낸 힘을 자동차의 주행 상황에 적합한 회전수와 힘으로 변환해 타이어까지 전달하는 것이 구동 계통의 역할이다. 변속기와 디퍼렌셜 기어, 드라이브 샤프트 등으로 구성되며, 구동 계통의 부품은 전부 튼튼하게 만들어진다. 변속기는 크고 작은 기어를 조합해 엔진이 만든 힘과 회전수를 변환하는 장치다. 발진이나 저속 주행을 할 때는 출력축의 회전수가 낮은 기어를 선택해 힘을 크게 하고, 속도가 상승할수록 회전수가 높아지는 기어를 순차적으로 선택한다. 수동 변속기의 경우, 발진할 때 힘을 천천히 전달하고 기어를 바꿀 때 엔진에서 전달되는 힘을 일시적으로 차단하기 위해 클러치가 변속기의 앞에 설치되어 있다. 변속기에서 디퍼렌셜까지는 프로펠러 샤프트를 통해 동력이 전달된다. 자동 변속기는 ..

구동 방식과 엔진 레이아웃 자동차가 주행하기 위해서는 회전력을 만들어내는 엔진과 변속을 하는 트랜스미션, 바퀴까지 구동력을 전달하는 파워트레인(Powertrain : 동력 전달 계통에 있는 여러 구성품들) 등이 있어야 한다. 이러한 부품들을 차체의 어느 부분에 배치하느냐에 따라 자동차의 성능과 성격,운전 편의성 등이 크게 달라진다. 자동차의 기본 성능을 좌우하는 구동 방식과 엔진 레이아웃에 대해 알아보자. FF Front Engine Front Wheel Drive 현재 승용차의 주류는 엔진을 차체의 앞쪽에 배치하고 앞바퀴를 구동해 주행하는 FF 방식이다. 엔진에서 구동 바퀴인 앞바퀴까지의 거리가 가깝기 때문에 변속기 또는 기어 박스를 간결하고 효율적으로 배치할 수 있어 실내 공간을 넓게 확보할 수 있다..