추진용 전동기
전동기와 구동장치는 전기자동차, 하이브리드 전기자동차, 연료전지자동차의 성공에 중요한 역할을 한다. 이러한 자동차의 응용에 적합한 전동기 유형으로는 PM 동기전동기나 PM 브러시리스전동기, 유도전동기, 가변속전동기(Switched Reluctance Motor, SRM) 등 3가지 유형이 있다. 전동기의 전형적인 요구조건과 구동기술에는 높은 토크 밀도와 전력 밀도, 정토크(Constant torque) 및 정전력 구동을 포함하며 넓은 속도 범위에서 고효율성과 고신뢰성, 견고성 등을 모두 합리적인 가격에 제공할 수 있어야 한다.
단순성, 견고성, 넓은 속도 범위를 제공하는 유도기(Induction machine)는 전기자동차, 하이브리드 전기자동차, 연료전지자동차의 파워트레인에 사용된다. 그 외의 유도기 특성은 고속 회전에서 역기전력이 발생하지 않는다. FOC(Field Oriented Control)는 직류 기기가 동작하는 것처럼 동작한다. 효율은 고유 회전자 손실로 인하여 PM 기기보다 일반적으로 낮다. 같은 이유로 유도기의 크기는 일반적으로 동일한 전력과 정격 속도에서 PM 기기보다 더 크다.
영구자석식(PM) 기기는 높은 효율성, 높은 회전력, 높은 전력 밀도 등의 일정한 특성을 가지고 있다. 그러나 PM 전동기는 회전자의 자계와 반대 성분인 고정자 자계의 발생으로 인하여 특성이 약화될 수 있고, 따라서 PM 자계에 미치는 영향으로 한정된 자계에 약해진 특성으로 인하여 동작 범위가 좁아진다. 그 외에 역기전력은 고속에서 발생할 수 있고, 인버터는 고정자 권선에서 발생하는 최대 역기전력에 견딜 수 있어야 한다. 고정자 권선 회로에 단락 사고가 발생하는 경우에 시스템은 회전자 PM 자계에 문제가 발생할 수 있다. SRM은 구조가 간단한 제어, 초고속 동작, 위험이 없는 작동으로 차세대 자동차에 있어서 전기 추진력의 후보로서 주목받고 있다. 이런 확실한 장점은 다른 종류의 기기보다 트랙션 응용에서 더욱 유리하다. 그러나 SRM은 표준 전동기로서 아직 폭넓게 생산되지 못하고 있으며 가격 면에서도 유도전동기보다 비싼 편이다.
전력 컨버터
하이브리드 전기자동차에서 사용되는 대표적인 전력전자회로에는 정류기, 인버터, dc/dc 컨버터 등이 있다. 하이브리드 전기자동차용 전력전자회로의 설계에서 다음과 같은 과제를 해결해야 한다.

- 전기 설계: 주 스위칭 회로 설계, 컨트롤러 회로 설계, 스위칭 소자의 선택, 스위칭 주파수의 최적화, 손실 계산 등
- 출력단에서 원하는 전압/전류/주파수를 얻고, 양방향 전력 흐름을 실현하기 위한 제어 알고리즘 설계가 필요하다.
- 자기 회로 설계: 필터링, 스위칭, 게이트 구동 장치를 위해 필요한 인덕터와 커패시터, 기타 자성부품에 대한 설계
- 기계 및 열 설계: 전력 소자와 자성부품의 손실 모델링, 냉각 시스템/히트싱크/인클로저의 설계, 전력전자회로의 통합

그림 2는 토요타자동차의 하이랜더 하이브리드 SUV에 채용된 병렬식 하이브리드 전기자동차의 파워트레인 구성이다. 이 구성에서 전륜은 하이브리드 파워트레인으로 구동되지만 후륜은 전통적인 차동 기어가 필요 없는 4륜구동 능력을 얻을 수 있는 분리된 전동기(MG3)로 구동한다. 전면 하이브리드 파워트레인은 유성기어 세트, 내연기관, 2개의 전기 기기 MG1과 MG2가 내장되어 있다. MG1은 주로 엔진 동력을 분할하는 발전기로서 역할을 하고, MG2는 주로 차량을 움직이기 위한 전동기로서 역할을 하며 회생제동 에너지를 발생한다.
그림 3은 그림 2에 제시된 하이브리드 차량을 제어하는 데 사용되는 통합 전력전자장치를 나타낸다. 이 장치는 저전압 하이브리드 배터리와 고전압 직류 버스를 연결하는 양방향 dc/dc 컨버터로 구성되어 있고 3개의 모터 구동 회로는 전면과 후면 전동기/발전기를 제어한다. 추가로 에어컨용 모터 구동 회로, 하이브리드 배터리와 보조 배터리를 연결하는 dc-dc 컨버터도 있지만, 이 회로에는 표시되어 있지 않다.
하이브리드 자동차의 응용에 사용되는 대표적인 2개의 양방향 dc-dc 컨버터가 있다. dc-dc 컨버터 하나는 고전압 직류 버스로 낮은 전압에서 하이브리드 파워트레인 배터리를 연결하는 고전력 컨버터다. 두 번째 저전력 dc-dc 컨버터는 저전압 보조 배터리와 하이브리드 배터리에 접속되어 있다.
그림 4는 GS450h용 THS-II의 전기 시스템을 나타낸다. 이것은 기본적으로 프리우스에서 사용하는 동일한 부스트 컨버터 시스템이며, 시스템 전압은 RX400h에서 사용되는 같은 650VDC로 전동기 출력을 높여주는 장점이 있다. 전동기와 발전기는 영구자석식 기기이다.
이 방법에서 시스템 전압이 상승한다는 의미는 전동기에 가해지는 전압이 상승함으로써 전동기 출력이 증가한다는 것이다. 반면, 시스템 부품은 고전압에 견딜 수 있어야 한다. 그러므로 인버터와 부스트 컨버터, 전동기는 GS450h용으로 650 V를 사용하도록 개발되었다. 그림 4에 표시된 바와 같이 전동기 출력은 147 kW(28.1 kg.m)로, RX400h의 123 kW에 약 1.2배이며 배터리 출력은 RX400h와 비교하여 약 83%로 감소한다. 낮은 배터리 용량으로 배터리의 중량을 줄이는데 도움이 되며 필요한 공간도 줄어든다. 그러나 더 중요한 것은 발전기와 전동기 간 출력의 균형을 유지하는 것이다. 인버터에 필요한 공간을 줄이기 위해서는 단일 커패시터로 양측 인버터 시스템을 수용한다. 그러나 전동기나 발전기의 출력이 맥동하면, 그 결과 인버터 전압의 맥동을 초래하여 발전기나 전동기에 영향을 미치게 된다. 이런 문제를 피하기 위해서 전동기 출력의 맥동을 최소로 유지하는 것이 중요하다.
전면 엔진, 후륜 구동 시스템용 THS-II에서 전동기와 발전기 간의 에너지 균형을 유지하는 것이 매우 중요하다. 배터리와 발전기는 전동기에서 소비하는 전력에 맞게 전력을 공급해야 하며, 만약 과도한 전력을 소비하면 초과분은 배터리에서 공급하고 부스트 컨버터에 과전류의 위험이 발생하면 배터리 전압이 강하한다. 특히, 고출력 전동기 시스템에서 타이어에 미끄럼이 발생하면 큰 과도 전력의 불균형이 발생하며 이런 불균형은 곧바로 수정되어야 한다. 보통 하이브리드 CPU는 전동기의 CPU에서 요구하는 토크를 전달하여 출력의 균형을 관리한다. 그러나 하이브리드 CPU와 전동기 CPU 간의 통신 지연은 때로 전동기에서 소비하는 전력의 크기를 하이브리드 CPU가 인식하는데 지연을 일으킬 수 있다. 고출력 시스템에서 이런 종류의 지연은 전력 균형 제어에 치명적이며, 따라서 한 가지 기법을 추가하여 너무 과도하게 전력을 소비하는 것을  방지하기 위해 전동기 CPU가 출력 균형을 감시한다. 물론 전동기가 소비할 수 있는 전력의 한계가 설정되어 있다.

하이브리드의 제어기술
현재 하이브리드 제어 알고리즘은 주로 시뮬레이션과 경험을 통해 설계된다. 그러나 제어는 가장 중요한 핵심기술이므로 하이브리드의 제어이론에 대한 보다 심도있는 연구가 필수적이다. 하이브리드의 제어에는 기본적으로 2가지 화제가 있다. 첫째는 에너지관리 제어로서 에너지 효율과 배기가스를 최적화하는 것이다. 둘째는 주행제어로서 주행 성능, 쾌적성, 안전 성능을 최적화하는 것이다.
제어기술의 관점에서 하이브리드 시스템은 이산 사건(discrete event)과 연속 동특성(continuous dynamic)이다. 이들 조건 하에서 성능 사양은 무엇인가, 제어법칙을 어떻게 결정하는가, 토크 명령을 어떻게 결정하는가, 토크 명령을 어떻게 전동기와 엔진에 각각 분배하는가, 제어 전략 결정에서 올바른 정책은 무엇인가, 제어와 성능과의 관계는 무엇인가 등은 모두 해결해야만 하는 과제이다.
3가지 주요 부품 즉 엔진, 전동기, 배터리는 각각 최적 동작 영역 내에서 동작할 것이라는 것을 보증할 수 있어야 한다. 더욱이 이들 3가지 주요 부품들의 동적 모델과 전체 하이브리드 시스템은 철저히 연구되어야 한다.