자동차의 충전장치

저자 소개
김민복 교수는 현대전자(주) 자동차 전장품 생산기술 과장을 거쳐 현대자동차 자동차 품질조사 고객지원 팀장을 역임했다. 그후 현대자동차 정비기술지원 하이테크팀에서 근무했으며, 현재 신흥대학교 자동차과 겸임 교수 겸 e-자동차 전기 연구원으로 활동하고 있다. 주요 저서로는 ‘최신 자동차 전기, 전자 제어 엔진’ 외 다수가 있다.
 

연재순서 1. 자동차의 전장품 분류  2. 시동장치 3. 충전장치  4. 점화장치 5. 등화장치  6. 계기장치 7. 자동차용 전선, 커넥터  8. 전자 제어 엔진(1) 9. 전자 제어 엔진(2)  10. 전자 제어 섀시(1) 11. 전자 제어 섀시(2)  12. 전자 제어 전기

자동차의 충전장치는 엔진을 구동하여 필요한 전기장치에 전력을 공급하고 잔류 전기량으로는 배터리를 충전하는 장치이다. 이 장치는 엔진이 회전할 때 전기를 만들어 공급하고 엔진이 저속 회전할 때나 정지할 때는 필요한 전기를 배터리로부터 공급받는 기능을 한다.

엔진이 회전할 때는 알터네이터(Alternator, AC 발전기)의 출력은 일정하지 않아 엔진이 저속일 때 알터네이터의 공급분만 받고 부족분은 배터리로부터 보충받게 된다. 이때 배터리의 방전분은 엔진이 고속일 때 충전하게 돼 전력의 공급량과 부하량이 조화를 잘 유지할 수 있도록 설계하고 있다. 발전기의 출력 전류는 일반적으로 승용차 기준 60A~120A정도이며 부하로부터 소모 전류는 표 1과 같다. 그러나 발전기의 출력 전류는 엔진의 회전 속도와 온도에 따라 변하며 자동차의 부하로부터 소모 전류는 주행조건이나 운행조건에 따라 동작되는 부하의 전류가 달라 이에 대한 전력 공급과 부하에 대한 소모 전류를 고려하지 않으면 안된다.

발전기의 출력 전류는 보통 저속 상태에서 발전기의 최대 출력 전류의 20%~50% 정도밖에 출력되지 않아 하절기 야간주행 시 부하 전류에 대한 전력 공급도 고려해 주어야 한다. 예컨대 발전기 용량이 80A인 자동차가 여름철 야간주행 시 전조등을 켜고 에어컨을 작동하면 30A 이상 전류가 흐르게 되고, 엔진 과열로 라디에이터 팬이 작동하면 단번에 40A를 훨씬 상회하여 흐르게 된다. 이때 도로가 막히고, 비까지 내리면 상황은 최악의 조건이 되어 배터리는 방전상태를 높이게 된다. 이 상황이 길어지면 차량은 엔진 부조를 하게 되고, 최악의 경우 시동이 정지되고 만다. 따라서 충전장치는 이와 같은 경우를 충분히 고려해 구성품의 용량을 설정해 주지 않으면 안된다.

충전장치의 기본 구성은 그림 1과 같이 기전력을 만드는 알터네이터와 전기를 저장하는 배터리, 그리고 점화 스위치와 충전경고등으로 간단히 구성되어 있다. 전기를 만드는 발전기의 원리는 코일의 자속 변화를 받아 코일 내에 유도기전력이 발생하는 전자유도 현상을 이용한 것으로 유도기전력의 크기는 자속이 변화하는 속도와 자속의 세기, 그리고 코일의 권수에 비례하여 발생한다. 그러나 그림 2와 같이 영구자석을 이용한 발전기는 실제 발전기의 전력원으로 사용하는 데에는 한계를 가지고 있다.

영구자석을 사용하는 발전기는 자속의 세기가 일정하여 실제 출력이 될 수 있는 전력의 크기는 영구자석의 회전 속도에 의존하여야 하는 문제로 부하의 용량이 증가하는 경우, 부하에 따라 이를 제어할 수 있는 방법은 현실적으로 영구자속의 회전수를 변화시키는 방법 외에는 없다.

우리가 이용하는 가정용 전기의 경우 상용 주파수가 60Hz로 고정되어 있고, 자동차의 알터네이터(AC 발전기)의 경우에도 부하의 증가로 공급 전류가 증가하기 때문에 알터네이터의 회전수에만 의존할 수가 없다. 따라서 전자유도발전기의 기전력을 제어하기 위해서는 영구자석 대신 코일(coil)의 자속이 세기를 제어하여야 하는 과제만 남게 된다. 코일의 자속이 세기를 제어하기 위한 방법으로는 엔진의 회전수에 따라 자속의 쇄교수가 변화하는 자속의 세기와 코일에 흐르는 전류량은 비례 관계를 가지고 있어 2가지 방법을 생각할 수 있다.

하나는 발전기의 스테이터 코일(Stator coil)을 필드 코일(Field coil)로 사용하는 방법과, 두 번째는 로터 코일을 필드 코일로 사용하는 방법이다. 자동차용 발전기는 크게 나누어 DC 발전기와 AC 발전기가 사용되고 있는데, 전자는 DC 발전기라 하며 후자는 AC 발전기라고 부른다. 여기서 말하는 필드 코일이란 영구자석 대신 코일을 사용한 자계 코일을 말한다. DC 발전기는 고정자인 스테이터 코일을 필드 코일로 사용하고 회전자인 아마처 코일(Armature coil)로부터 유도기전력을 출력하도록 한 발전기를 말한다. 따라서 출력되는 유도기전력은 커뮤데이터(Commuatator)와 브러시(Brush)와 접속되는 브러시를 통해 출력하고 있어 출력 전류와 엔진의 고속 회전 시 내구성 문제로 현재는 거의 적용하지 않고 있다. 이에 반해 AC 발전기는 스테이터 코일을 고정자로 하고, 로터 코일을 필드 코일로 한 발전기로 현재 주종을 이루고 있는 발전기이다.

AC 발전기는 브러시와 접속한 슬립링(Slip ring)을 통해 기전력을 공급하고 있어 엔진의 고속 시에도 브러시 마모가 적고 스테이터 코일을 통해 유도기전력을 출력하고 있어 안정적으로 높은 출력을 얻을 수가 있다. 또한 로터(Rotor)를 필드 코일로 사용하고 고정자를 스테이터 코일로 사용해 제조가 용이하고 소형화가 가능한 이점을 가지고 있다. 따라서 현재는 AC 발전기가 주종을 이루고 있다. 이러한 이유로 자동차의 발전기는 제너레이터(Generator)라고 표현하는 대신 알터네이터(AC 발전기)라고 표현하고 있다.

알터네이터

알터네이터의 구조는 구동 벨트를 걸 수 있는 풀리(Pully)와, 풀리와 연결된 로터, 그리고 로터의 회전 자계에 의해 유도기전력이 발생하는 스테이터(Stator)로 구성되어 있다. 스테이터 코일은 3상 Y-결선으로 되어 있어 출력되는 기전력은 3상 교류 전압이 엔진 회전수에 비례하여 출력하도록 되어 있다. 따라서 AC 전기를 DC 전기로 변환하기 위해 실리콘 다이오드를 통해 3상 전파 정류회로가 필요하게 된다. 또한 엔진 회전속에 비례하여 출력 전압은 증가하게 돼 배터리 방전 시 정전압 충전이 가능하도록 전압 레귤레이터(Regulator)가 내장되어 있다.
스테이터의 구조는 그림 3의 (a)와 같이 스테이터 코어에 코일이 관통식(S-자식)으로 감겨져 있는 구조이다. 이것은 로터로부터의 자속이 가능한 많이 통과될 수 있도록 철심 역할을 하는 동시에 진동과 충격을 충분히 고려한 것이다. 이에 반해 로터의 구조는 그림 3의 (b)와 같이 전류를 흘려 자속을 만들기 위한 필드 코일(로터 코일)과 자속에 따라 자극을 형상하기 위한 폴 코어(Pole core) 또는 로터 코어, 그리고 전압을 공급해 주기 위한 슬립링(Slip ring), 냉각작용을 위한 팬(Fan)으로 구성돼 있다. 따라서 필드 코일(로터 코일)에 전류를 흘리면 자속은 로터의 폴 코어를 따라 N, S극으로 배열되어 로터가 회전을 하면 N극에서 S극으로 이동해 회전 자계는 자속의 변화를 스테이터 코일에 주게 된다.
이때 회전 자계는 스테이터 코일 안을 통과하여 스테이터 코일의 자속이 변화를 받아 유도기전력을 발생할 수 있게 된다. 보통 로터의 폴 코어는 N극과 S극이 한 조로 6개 조의 폴 코어로 이루어져 있어 로터가 1회전할 때 N극과 S극은 6번 교번하는 셈이 된다. 따라서 로터가 1회전하면 스테이터 코일 측에는 6사이클의 교류 기전력이 발생한다. 이때 발생하는 교류 기전력의 크기는 로터의 회전 속도와 로터의 자속밀도에 비례한다.

자동차용 전장품은 모두 DC용으로, 스테이터 코일로부터 발생된 AC 기전력은 정류 다이오드를 통해 DC 기전력으로 변환하여 배터리 및 부하로 공급된다. 그림 4와 같이 6개의 정류 다이오드를 사용한 3상 전파 정류회로는 단상 전파 정류회로에 비해 전력 효율이 좋고, 리플(Ripple)률이 낮아 자동차용 발전기의 정류회로로 사용하고 있는 대표적인 회로이다. 3상 전파 정류회로의 정류 과정은 로터가 60° 회전할 때 스테이터 코일의 상전압은 +측 다이오드 3개와 -측 다이오드 3개를 통해 각 상전압이 1사이클(360°)씩 정류된 기전력을 출력하게 된다. 이때 정류된 전압은 +측 다이오드를 통과한 + 기전력과 -측 다이오드를 통과한 - 기전력의 합이 상전압에 √3배가 되어 배터리 및 부하로 공급하게 된다.
여기서 사용된 트리오 다이오드(Trio diode)는 로터 코일(필드 코일)에 전원을 공급하기 위한 정류 다이오드이며, 중성점 다이오드는 스테이터 코일의 중성점으로부터 출력되는 기전력을 이용해 알터네이터의 출력을 향상시키기 위해 사용한 다이오드이다. 근본적으로 알터네이터의 출력을 향상시키기 위해서는 로터 코일과 스테이터 코일의 권수와 용량, 정류회로의 용량을 증가시켜야 하기 때문에 필연적으로 발전기의 크기가 커지는 문제가 따르게 된다. 그러나 중정점 다이오드를 이용하면 크기를 크게 하지 않고도 알터네이터의 출력을 10%~15%까지 향상시킬 수 있는 이점이 있다.

엔진의 회전수가 증가하여 약 900 rpm(알터네이터 풀리 회전수 900×2.5) 이상이 되면 스테이터 코일의 중성점으로부터 출력되는 전압은 레귤레이션 전압 가까이 상승해 정류용 다이오드를 통해 흐르는 전류분과 중성점 다이오드를 통해 흐르는 전류분이 출력 전류값으로 돼 출력 전류는 증가할 수 있게 된다.
알터네이터의 출력 전압은 엔진의 회전수에 따라 비례하여 증가하기 때문에 엔진의 회전수와 관계없이 출력 전압을 일정하게 만들어 주지 않으면 안된다. 따라서 알터네이터에는 3상 전파 정류회로와 함께 전압 레귤레이터가 필요하게 된다. 전압을 일정하게 하는 전압 레귤레이션 방법에는 릴레이를 이용한 접점식 레귤레이터와 집적회로(IC)화된 무접점식 IC 레귤레이터가 이용되고 있다. 근간에는 소형 경량화가 가능하고 전압을 정확히 제어할 수 있는 이점으로 인하여 IC 레귤레이터가 주류를 이루고 있다.
IC 레귤레이터는 하이브리드 IC로 만들어져 알터네이터의 내부에 실장되어 있으며, 그 내부 회로는 그림 5와 같이 5~8개 정도의 외부 단자를 가지고 있다. L-단자는 충전경고등과 필드 코일과 연결되어 있는 단자이며, S-단자는 알터네이터의 조정 전압(대개 14V±0.5V 범위)을 검출하여 Tr 1을 게이트하는 단자이다. F-단자는 필드 코일의 전원을 공급하기 위한 스위칭 단자이다. 전압 레귤레이터의 기본 동작은 엔진 회전수가 상승하여 알터네이터의 조정 전압이 약 14.5V 이상이 되면 S-단자를 통해 게이트되어 Tr 1의 베이스 전류를 차단한다. Tr 1의 베이스 전류가 차단되면 F-단자를 통해 흐르던 로터 코일(필드 코일)의 전류는 순간 차단되고 B-단자로 출력 전압이 낮아지면 로터 코일(필드 코일)에 전류는 개시하여 14V±0.5V 범위를 유지하도록 한다.
이와 같이 알터네이터의 출력 전압은 IC 레귤레이터에 의해 일정하지만, 알터네이터의 출력 전압이 일정하다고 해서 출력 전류가 일정하게 흐르는 것은 아니다. 엔진이 저속 상태에서 출력 전압을 일정하게 출력할 수 있는 것은 로터 코일에 흐르는 전류를 최대한 증가시켜 발전 전압을 얻기 때문이다.

알터네이터가 저속 상태에서 비교적 전류 소모가 큰 전조등이나 에어컨 등을 작동하면 출력 전압은 저하하게 되고, 알터네이터는 규정 전압을 유지하려고 IC 레귤레이터는 F-단자를 통해 로터 코일의 전류를 증가시킨다. 그러나 엔진이 저속 시에는 로터 코일의 전류를 증가시키는 것도 한계가 있어 배터리로부터 부담을 지울 수밖에 없다.

엔진 속도가 서서히 증가해 발전 전압도 증가하여 알터네이터의 회전 속도가 그림 6과 같이 5000 rpm정도 되면 최대 출력 전류는 포화상태에 이르게 된다. 이때 엔진의 크랭크 샤프트 풀리와 알터네이터 풀리 비가 1:2.5이므로 알터네이터 회전수가 5000 rpm이라면 엔진 회전수는 2000 rpm부터 출력 전류는 포화상태에 이르게 된다.
그러나 운전자는 알터네이터의 출력을 얻기 위해 엔진 회전수를 항상 2000 rpm 이상 유지할 수가 없어 알터네이터를 설계할 때는 엔진이 저속 시나 고속 시에도 배터리의 충전 부족이 일어나지 않도록 소모 전류를 고려하여야 한다. 또한 최근 자동차는 실내 공간의 확보와 기능성 장치의 증가로 엔진룸의 공간은 과거에 비해 훨씬 조밀화 되어 있고 열간 시에는 알터네이터의 출력 전류가 약 5%정도 감소하게 돼 온도에 대한 대책이 요구되고 있다.

충전장치의 고장 현상과 점검

충전장치의 고장 현상에는 크게 나누어 충전 부족(충전이 되지 않는 것)과 과충전 현상으로 구분할 수 있다. 충전 부족 현상의 경우는 먼저 배터리 결함을 생각할 수 있고, 두 번째는 알터네이터 자체의 결함을 생각할 수 있다.

주행중 배터리 결함에 의한 것이라면 재시동 시 시동성 불량으로 배터리 결함으로 쉽게 판단할 수 있다. 알터네이터 자체의 결함에 의한 것이라면 먼저 충전경고등을 확인하고, 이상이 없는 경우라면 벨트 장력검사 및 커넥터 연결상태 등을 체크해 보는 것이 수순이다. 알터네이터 벨트의 장력이 부족하거나 오일의 도포에 의한 벨트의 슬립 현상으로도 충전 부족 현상으로 이어질 수 있다. 충전경고등은 점화 스위치 ON 시 점등되지만 점등되지 않는 경우라면 L-단자를 접지해 충전경고등이 점등하는지 확인하여 보면 쉽게 판단할 수 있다.
L-단자를 접지해 충전경고등이 점등되는 것이라면 IC 레귤레이터의 이상으로 판단할 수 있다. 시동 시 충전경고등은 곧 소등되지만 점등된 채로 있다면 알터네이터의 자체 결함이므로, 알터네이터의 최대 출력검사를 해보면 좋다. 알터네이터의 최대 출력검사는 엔진 회전수를 약 2500rpm 상승시켜 알터네이터에 부하를 최대로 걸어 이때 출력되는 전류를 측정하는 방법이다. 이때 출력되는 전류를 측정하여 알터네이터의 용량의 85%이상 출력되면 정상이다. 최대 출력 시험 시 주의할 점은 최대 부하를 거는 시간이 10초이상 길면 알터네이터의 내부가 열화될 수 있어 가능한 짧은 시간에 행하는 것이 좋다. 만일, 알터네이터의 출력 테스터가 없는 경우라면 간이점검방법으로 그림 7과 같이 전류 테스터(DC 100A 이상)나 클램프 테스터를 이용해 알터네이터의 B-단자 케이블에 클램프를 연결하고, 엔진 회전수를 약 2500 rpm 상태에서 전조등과 에어컨 등을 작동시켜 전류를 측정한다. 이때 측정치가 알터네이터의 용량의 약 60% 이상이면 좋다고 판단할 수 있다.
한편, 알터네이터의 과충전에 의해 발생되는 현상은 엔진 회전수에 따라 전압이 상승하는 경우와 엔진 회전수와 관계없이 알터네이터의 조종 전압이상 출력되는 경우가 있다. 전자의 경우 전원을 공급하고 있던 전장품이 연손되어 파손되는 현상이 순간적으로 발생하게 되며, 후자의 경우는 배터리 과충전으로 전해액이 빨리 감소하여 배터리 수명이 단축되는 경우가 발생하게 된다.

엔진의 회전수에 따라 전압이 상승하는 현상의 주요 원인은 IC 레귤레이터의 이상이며, 엔진의 회전수와 관계없이 알터네이터의 조종 전압이상 출력되는 현상의 주요 원인은 알터네이터의 커넥터 접촉 불량에 기인하는 경우이다.

주행 중 알터네이터의 과충전 현상으로 전장품이 연손되는 경우는 안전에 치명적인 결과로 이어질 수 있다. 외국 자동차의 경우에는 이러한 문제를 방지하기 위해 과전압 보호회로를 내장하고 있는 차량도 있다. 금회의 충전장치는 이만 줄이고 차회에 가솔린 엔진의 점화장치에 대해 소개한다. <끝>

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