전기차의 핵심 구조
전기차의 핵심 구조는 기존 내연기관차와 근본적으로 달라진 전력 흐름과 동력 전달 체계를 포함한다. 가장 중심이 되는 부분은 고전압 배터리 팩이며, 이 팩에서 얻어진 직류 전력은 인버터를 통해 교류로 변환되어 전기 모터로 전달된다. 이때 인버터 내부에는 IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)나 SiC(실리콘 카바이드) 기반의 파워 반도체 소자가 고속 스위칭을 수행하며, 전력 변환 효율과 응답 속도를 동시에 극대화한다. 전기차의 구조는 크게 배터리 팩, 전력 전자장치(인버터·DC/DC 컨버터), 전기 모터, 감속 기어박스, 그리고 전장 제어 유닛으로 구분되는데, 이들 구성 요소가 유기적으로 결합되어 하나의 통합 제어 시스템처럼 작동한다. 예를 들어, 전장 제어 유닛은 모터 제어 유닛(MCU), 배터리 제어 유닛(BCU), 차체 제어 유닛(VCU) 등과 CAN 또는 Automotive Ethernet 네트워크로 연결되어 실시간 데이터 교환을 수행하며, 회생 제동 시 모터를 발전기로 활용해 배터리로 전력을 회수하는 복합 제어 알고리즘을 적용한다. 이러한 전기차 구조에서는 각 부품 간 전력·신호 경로의 최적화뿐 아니라, 고전압 라인의 안전 격리와 기능 안전(FuSa), 사이버 보안(ISO/SAE 21434) 요구사항을 동시에 만족해야 한다. 특히, 고전압 배터리와 저전압 보조 시스템 사이에는 절연 승압·강압 컨버터가 설치되어 있으며, 이들 사이의 전력 흐름 감시는 BMS(Battery Management System)와 전력 전자장치 간 통신으로 실시간 모니터링된다. 핵심 구조의 설계 단계에서는 각 모듈의 열 특성, 전磁 간섭(EMI), 기계적 진동 내구성, 충돌 시 안전 해제 메커니즘(SDD; Service Disconnect Device) 등을 모두 고려해 통합 패키징이 이루어진다. 따라서 전기차의 핵심 구조는 전력 전자, 제어 이론, 기계 설계, 열 관리 등 다학제적 기술이 결합된 복합 시스템으로 정의할 수 있다.
배터리 시스템
전기차에서 가장 고유한 구성 요소는 배터리 시스템으로, 셀(cell)·모듈(module)·팩(pack) 계층으로 설계되어 있다. 개별 셀은 리튬 이온 전지를 주로 사용하며, 양극(active material), 음극(active material), 전해질, 분리막(separator)으로 구성된다. 셀 내부에서는 리튬 이온의 이동과 화학 반응을 통해 에너지가 저장 및 방출되며, 각 셀의 전압, 온도, 내부 저항 특성은 BMS를 통해 실시간으로 모니터링된다. 동일한 특성을 가진 셀들을 직렬 및 병렬로 연결해 모듈을 형성하고, 다수의 모듈을 팩으로 통합하면 전기차에 필요한 고전압(400V~800V) 전력원이 완성된다. 배터리 시스템은 화재나 과충전, 과방전을 방지하기 위한 셀 밸런싱(cell balancing), 단락 검출, 접촉 불량 감지, 과전류 보호 회로를 포함하며, 팩 하우징은 충돌 안전성 평가(CRASHTEST) 및 IP 등급(IP6K9K) 기준을 충족하도록 설계된다. 열 관리 측면에서는 액냉식(liquid cooling), 공랭식(air cooling), 히트 파이프(heat pipe) 기반 시스템이 적용되며, 특히 액냉식 시스템은 배터리 팩 내부 열교환기를 통해 셀 간 온도 편차를 ±2℃ 이내로 유지하도록 제어한다. BMS 소프트웨어는 외기 온도, 충전 상태(SOC), 방전 속도(DOD), 주행 모드 등을 분석해 냉각 펌프, 솔레노이드 밸브, 히터를 제어하며, 냉각부담이 큰 고속 충전 시에는 별도의 프리쿨링(pre-cooling) 과정을 거쳐 셀 열화를 최소화한다. 또한, 고전압 패키지 내 충돌 감지 센서가 작동하면 SDD가 자동으로 동작해 배터리 라인을 차단하며, 수동으로는 충전구 내 비상 차단 스위치(E-Stop)를 통해 전력 공급을 차단할 수 있다. 배터리 시스템의 신뢰성과 수명은 셀 화학 조성(NCM, NCA, LFP), 전해질 첨가제, 전극 설계, 팩 구조 최적화 등의 요소가 복합적으로 작용해 결정되며, 이를 바탕으로 전기차 주행 거리, 고속 충전 성능, 내구성, 안전성이 최종적으로 좌우된다.
모터 구동
전기차 구조에서 전기 모터와 감속 기어박스는 기계적 동력 전달의 핵심 축을 담당한다. 전기 모터는 동기형(PMSM: Permanent Magnet Synchronous Motor)과 유도형(Induction Motor)으로 크게 분류되며, PMSM은 영구자석 로터를 사용해 높은 출력 밀도와 우수한 효율을 제공하고, 유도형 모터는 가격 경쟁력과 내구성이 장점이다. 모터 구동 시 인버터는 직류 전원을 PWM(Pulse Width Modulation) 기법으로 교류 파형으로 변환하여 모터의 전류와 전압을 정밀 제어한다. 이때 전류 센서와 속도 센서는 폐쇄루프 제어(Closed-Loop Control)로 토크와 회전수를 실시간 조정하며, 벡터 제어(Field-Oriented Control) 알고리즘을 통해 토크 리플(torque ripple)을 최소화하고 응답성을 극대화한다. 감속 기어박스는 단단일 기어(Reduction Gear) 또는 다단 기어 구조를 통해 모터의 고속 회전 특성을 저속·고토크 특성으로 변환하며, 일부 고성능 전기차에서는 2단 변속 기어를 추가해 효율을 더욱 최적화하기도 한다. 또한 모터와 기어박스 사이에는 홀·엔코더 등 위치 센서가 설치되어 있어 미세한 속도·위치 제어가 가능하며, 이 정보는 차량 제어 유닛으로 전달되어 통합 주행 모드, 안정성 제어(ESC, TCS), 전자식 차동 제한 장치(eLSD) 등의 고급 주행 기능을 지원한다. 회생 제동 기능은 모터를 발전기 모드로 전환해 차량의 운동 에너지를 전력으로 회수하며, 제동 제어 유닛(BCU)과 MCU 간 협조로 부드러운 회생 제동 토크를 생성하여 승차감을 해치지 않으면서 배터리로 전력을 효율적으로 되돌린다. 모터 구동 시스템의 설계에서는 열관리 역시 중요한데, 고출력 운전 시 발생하는 손실 열은 모터 하우징의 수랭식 냉각 채널과 히트 싱크를 통해 제거되며, 이를 통해 효율 저하와 손상 위험을 줄인다. 이처럼 모터 구동은 전기차 구조에서 기계적·전력적 측면이 융합된 복합 시스템으로, 전장 제어, 파워 일렉트로닉스, 열관리, 기계 설계 기술이 유기적으로 결합되어야만 최적의 주행 성능과 안정성을 달성할 수 있다.