[전기차] 모터 제어기 (MCU, Motor Control Unit)

[전기차] 모터 제어기 (MCU, Motor Control Unit)

전기차에 모터만 있다고 전기차가 부드럽고 정밀하게 움직일 수 있는 것은 아닙니다. 전기차가 우리가 원하는 대로 부드럽게 움직이려면 우리의 의지를 전해줄 또 다른 무언가가 필요하죠. 그것이 바로 모터 제어기입니다. 모터 제어기는 모터를 정밀하게 제어하여 효율성과 주행 감각을 올려주는 역할을 하죠. 이번 글에서는 이 모터 제어기에 대해서 간략하게 알아보도록 하겠습니다.

목차

• 모터 제어기
• 모터 제어기의 기능
• 모터 제어기의 종류
• 모터 제어기의 재조사별 명칭
• 모터 제어기 관련 약어
• 모터 제어기의 고장 증상
• 모터 제어기의 수리 비용
• 마치며

 

모터 제어기

모터 제어기 (MCU, Motor Control Unit)는 차량의 구동 모터를 정확하게 제어하기 위해 설계된 전자제어장치입니다. 이런 부분에서 보면 내연기관 차량의 엔진 ECU인(ECM, Engine Control Module)과 하는 일이 비슷한 거죠. 모터 제어기는 보통 인버터와 결합되어 작동하며, 배터리에서 공급되는 전기에너지를 차량 구동에 적합하게 조절하는 역할을 수행합니다.

 

모터 제어기의 기능

• 배터리에서 공급되는 전압 및 전류를 조절함
• 운전자의 주행 요구에 따라 모터의 토크 및 속도를 제어함
• 회생제동 중 전류 흐름을 제어함
• 모터와 인버터의 온도, 전류 상태를 실시간으로 모니터링함
• 차량의 주행 모드에 따른 출력을 설정함

모터 제어기의 하드웨어 구성과 그 기능

모터 제어기는 단순히 모터를 구동하는 기능 외에 다양한 기능을 포함합니다.

• 인버터 (Inverter): 배터리의 직류(DC) 전력을 모터 구동에 필요한 교류(AC) 또는 가변적인 직류 전력으로 변환하는 핵심적인 전력 변환 장치입니다. 스위칭 소자(IGBT, MOSFET 등)와 제어 회로로 구성됩니다.
• 컨버터 (Converter): 전압 레벨을 변환하거나 직류를 직류로 변환하는 등의 역할을 합니다. 전기차 시스템 내에서 배터리 전압을 모터 제어기가 요구하는 전압 레벨로 조정하는 데 사용될 수 있습니다.
• 마이크로컨트롤러 유닛 (MCU, Microcontroller Unit): 모터 제어 알고리즘을 실행하고, 센서 신호를 처리하며, 차량의 다른 제어기들과 통신하는 역할을 하는 프로세서입니다. 모터 제어기의 '두뇌'에 해당합니다.
• 게이트 드라이버 (Gate Driver): MCU에서 생성된 제어 신호를 받아 인버터의 스위칭 소자를 구동하기에 충분한 전압과 전류로 증폭하는 역할을 합니다.
• 센싱 회로 (Sensing Circuit): 모터의 전류, 전압, 속도, 위치, 온도 등 다양한 정보를 측정하는 센서와 해당 신호를 처리하는 회로를 포함합니다. 정확한 모터 제어를 위해 필수적인 요소입니다.

 

모터 제어기의 종류

제어 대상 모터 종류에 따른 분류

구동 모터의 종류에 따라 모터를 제어하는 제어기가 다릅니다.

• PMSM 제어기 (PMSM Controller): 영구자석 동기 모터(PMSM)를 제어하는 데 사용됩니다. PMSM은 효율이 높고 성능이 우수하여 전기차에 가장 널리 사용되므로, PMSM 제어기 또한 가장 일반적인 전기차 모터 제어기입니다. PMSM의 정밀한 토크 및 속도 제어를 위해 주로 벡터 제어(Vector Control) 방식이 사용됩니다.
• 유도 모터 제어기 (Induction Motor Controller): 유도 모터를 제어하는 데 사용됩니다. 유도 모터는 구조가 간단하고 견고하며 가격이 저렴한 장점이 있어 일부 전기차에 적용됩니다. 유도 모터 제어 역시 주로 벡터 제어 방식을 통해 고성능을 구현합니다.
• SRM 제어기 (SRM Controller): 스위치드 릴럭턴스 모터(SRM)를 제어하는 제어기입니다. SRM은 구조적 장점에도 불구하고 복잡한 제어가 필수적이며, SRM 제어기는 토크 리플 감소 및 효율적인 운전을 위한 특화된 제어 알고리즘을 포함합니다. 현재 연구 개발 및 특정 애플리케이션에 주로 사용됩니다.
• BLDC 모터 제어기 (BLDC Motor Controller): 브러시리스 DC 모터(BLDC)를 제어합니다. BLDC 모터는 PMSM과 유사한 구조를 가지지만, 주로 사다리꼴 형태의 역기전력을 가지며 제어 방식에서 차이가 있습니다. 주로 소형 전기 이동 수단이나 전기차 내의 소형 모터 제어에 사용될 수 있습니다.

제어 방식에 따른 분류

모터를 어떤 방식으로 제어하느냐에 따라서도 제어기를 분류할 수 있습니다. 전기차 구동 모터 제어에서는 정밀한 제어를 위해 주로 다음과 같은 방식이 사용됩니다.

• 벡터 제어 (Vector Control / Field-Oriented Control, FOC): 모터의 전류를 토크 성분과 자속 성분으로 분리하여 독립적으로 제어하는 방식입니다. AC 모터를 DC 모터처럼 제어할 수 있게 하여 정밀한 토크 및 속도 제어가 가능하게 합니다. PMSM 및 유도 모터 제어에 널리 사용됩니다.
• 직접 토크 제어 (Direct Torque Control, DTC): 모터의 토크와 자속을 직접 추정하고 제어하여 빠른 동적 응답 특성을 가집니다. 벡터 제어와 함께 AC 모터 제어에 사용되는 주요 방식 중 하나입니다.
• 스칼라 제어 (Scalar Control / V/f Control): 모터의 전압 주파수 비(V/f)를 제어하여 속도를 조절하는 방식입니다. 구조가 간단하지만 동적 응답성이 떨어져 정밀한 제어가 요구되지 않는 상황에 주로 사용됩니다. 전기차 구동 모터 제어에는 잘 사용되지 않습니다.

 

모터 제어기의 재조사별 명칭

모터 제어기는 대부분 인버터와 통합되어 있다보니 별도의 명칭보다는 다른 시스템과 통합되어 있습니다.

제조사	통합 모듈	MCU 통합 여부	설명
현대/기아	PE 시스템	통합	MCU는 인버터 내 소프트웨어/회로 형태로 포함
테슬라	Rear Drive Inverter	통합	MCU는 별도 존재하지 않고 인버터에 통합
BMW	eDrive 시스템	통합	모터/감속기/인버터/MCU 일체형
GM	TPIM (Traction Power Inverter Module)	통합	인버터 제어 회로에 MCU 포함
르노	PEB (Power Electronics Box)	통합 또는 일부 분리형	MCU 회로가 PEB 내부 인버터 제어부에 내장

 

모터 제어기 관련 약어

약자	풀네임	한국어
MCU	Motor Control Unit	모터 제어기
PE	Power Electric	전력 구동 시스템
TPIM	Traction Power Inverter Module	구동용 전력 변환 모듈
PEB	Power Electronics Box	전력 전자 박스
PWM	Pulse Width Modulation	펄스폭 변조
FOC	Field Oriented Control	벡터 제어 기법

 

모터 제어기의 고장 증상

• 출력 반응 지연 - 가속 페달을 밟아도 반응이 늦어집니다.
• 회생제동 비활성 - 감속 시 전력 회수가 이루어지지 않습니다.
• 이상 토크 전달 - 갑작스러운 동력 끊김 또는 급가속이 나타납니다.
• 주행 중 경고등 점등 - MCU 통신 오류 또는 내부 회로 문제로 경고등이 점등됩니다.
• 차량 무반응 - MCU 불량 시 시동 및 구동이 불가능해집니다.

 

모터 제어기의 수리 비용

고장 증상	예상 원인	수리 방법	수리 비용
출력 지연	MCU 소프트웨어 오작동	소프트웨어 재플래시 또는 리셋	30만 ~ 80만
회생제동 미작동	제어 회로 오류	MCU 제어 회로 수리 또는 모듈 교체	80만 ~ 150만
동력 끊김	센서 입력 오류, MCU 연산 지연	센서 점검 + MCU 내부 점검	60만 ~ 130만
차량 구동 불가	MCU 불량 또는 인버터와의 통신 이상	MCU 교체 또는 PE 시스템 전체 교체	100만 ~ 200만
통합 모듈 내장형 MCU 고장	인버터와 MCU 일체형 구성	MCU 분리 불가 → 모듈 전체 교체	350만 ~ 700만

대략적인 금액입니다. 최근 대부분의 제조사는 MCU를 인버터와 통합하여 설계하고 있어, 일부 고장 시 수리보다는 모듈 전체 교체가 필요할 수 있습니다.

 

마치며

모터 제어기(MCU)는 전기차가 부드럽고 효율적으로 움직이도록 만드는 핵심 두뇌입니다. 눈에 보이지 않지만 차량 전체 퍼포먼스와 직결된 만큼, 고장 시 빠른 진단과 점검이 중요합니다. 주행 효율뿐 아니라 회생제동, 출력 반응, 토크 분배 등 복합적인 전기차 기능과 연관되어 있는 부품이니 만큼 제조사에 다라 기능 차이와 통합방식이 다를 수 있습니다. 그래서 소비자도 해당 제조사의 시스템 구조를 어느 정도 알고 있는 것이 도움이 됩니다. 그리고 소프트웨이 업데이트와 냉각 시스템 점검이 전기차 부품 수명에 큰 영향을 주므로 항상 관리를 해주시는 것이 좋습니다.

 

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