엔진제어기 또는 여하한 명칭의 통합제어기를 두고 다음과 같은 입력요소들에 기초한 발전기의 목표 동작상태를 계산하고 제어하는 것을 ‘Smart Charging System’이라고 한다.

• 배터리 전압, 흡기온도 및 주변온도 등 변수에 기초하여 계산된 배터리 온도
• 엔진출력(아이들 상태, 가속상태, 현재 RPM 등 변수)
• 발전기 요구부하량(에어컨, 히터, 전조등, 기타)과 발전기의 현재 발전량

이 방법으로 불요한 엔진작동을 제한함으로써 연료낭비를 줄일 수 있고 배출가스도 억제한다. 예를 들어 엔진 시동을 걸 때는 발전기를 무부하상태로 하고 배터리 전압이 떨어진 상태라면 유리창 열선 작동을 잠시 중단시킬 수 있으며 충전 에너지가 충분하다면 무부하 또는 반부하상태로 발전기가 운용될 수 있도록 통합제어기 제어신호를 가변한다. 이러한 능동적인  ‘발전기 부하조절’은 다음 논리 때문에 가능하다.

• 발전기에는 아마추어코일(회전자, Armature Coil)과 필드코일(Field Coil)이 사용되고 있는데 아마추어코일에 일정량의 전류를 흘리면 마치 영구자석처럼 되고 그것이 엔진힘으로 회전하면 필드코일에 유도전류가 흐르게 되면서 운동(회전) 에너지가 전기에너지로 변환된다. 만일 회전자코일의 전류가 0이라면 발전기는 무부하 운전상태가 되고 전류량이 증가됨에 따라 발전량도 커진다. 물론, 변환효율이라는 것이 존재하므로 엔진축 회전에너지가 100% 전기에너지로 바뀌지는 않는다.

• 통상의 경우 전류도 공급해야 하고 회전도 시켜야 하며 일정부문 에너지가 다른 곳으로 빠져나가니까 엔진의 입장에서 보면 발전기는 일을 요구하는 상대방 즉, 부하(Load)이다. 한편, 발전기 입장에서 보면 배터리나 전장계통 장치들이 역시 에너지 공급을 요구하는 부하이다.

▷ 단순예시 #1 : 발전기에서 10A가 어딘가로 흐르고 있다고 가정
      12V x 10A = 120W, 1마력은 0.7457KW이므로 120W는 0.16마력. 여기에 엔진출력~발전기 사이에서 손실되는 에너지까지 고려한다면? 

▷ 단순예시 #2 : 출발선에 동일 사양의 차 두 대가 있다. 발전기 구동벨트를 제거한 A와 노멀상태 B 중 누가 더 빠르게 달려나갈까?

• ‘엔진 → 풀리(Pulley)와 벨트 등 연결구조 → 발전기 → 전기부하’ 라는 연결고리에 있어서 순간 부하량에 기민하게 추종하는 발전량 제어가 필요하다. 부하량을 실시간으로 계산하고 그에 맞게 아마추어코일에 흐르는 전류를 제어한다면 발전량을, 궁극에는 엔진출력을 효율적으로 관리할 수 있다.

이런 기능들은 무조건 충전을 하는 구형 발전기와는 확연히 다른 것이다. 국산자동차에도 기본적인 발전량 부하조절 시스템이 탑재되어 있는데 예를 들어 현대자동차 쏘나타 발전기에는 ‘G단자’라는 것이 마련되어 있고 ECU에 연결되어 있다. 모든 센서입력이 종합되는 ECU는 계산하고, 판단한 후 펄스-폭 제어(PWM) 출력으로 상황에 맞게 발전량을 가감한다.

정밀제어로 발전기구동부(벨트, 풀리)의 부하량을 줄여 종합적인 내구성을 높이는 방법, CAN/LIN 모듈 내장 발전기를 사용하고 내리막길이나 제동단계에서 최대한 에너지를 회수, 배터리를 충전하고 급가속 시 충전을 배제하는 등 효율성을 더 높히는 방법, 가변전압형 발전기(12~25V)를 사용하되 제동감속시 발전된 전기를 슈퍼-커패시터(배터리와 다른, 일종의 대용량 전기 저장용 부품으로 순간적인 체적 당 에너지 저장밀도가 높다)에 저장하고 주행 중 Kick-Up 또는 Start/Stop용으로 활용하는 방법도 적용되고 있는데 어쩌면… 발전기와 배터리, 전장부품의 에너지교환에 있어서 전기/하이브리드 자동차나 다름없는 로직들이 적용되는 셈이다.

 (출처 : http://diagnosticnews.com/wp-content/uploads/smart-charge-3.jpg)

박태수(motordicdaser@daum.net)