오토바이 렉티파이어&레귤레이터 설계의 변화 분석

일반 자동차의 경우 중앙에 있는 amarture 에 있는 코일에 직류 전원을 인가하게 되고, 이 전류를 통해 로터를 자화시켜 스테이터에 자기장의 단속을 일으키게 된다. 그러다보니 rpm 이 자주 변하는 경우 또는 부하의 변동이 큰 경우에도 amarture current 를 변동하면 빠르게 대응이 가능하다. 그리고 더 중요한 장점으론 정류기(rectifier) 의 설계 역시 브릿지 다이오드 만으로 깔끔하게 가능해지는 것이다. 이전의 시스템들은 구동 rpm 에 따라 전압이 변화하다보니 정류기 측에서 전압을 조절할 필요가 있었는데 그런 토폴로지들이 깔끔하게 필요 없어지며 훨씬 넓은 정전압 보장 범위와 출력 안전성을 얻을 수 있었다.

그런데 오토바이의 경우나 고효율 자동차의 경우는 이야기가 쪼금 달라진다. 영구자석 기반의 발전기를 사용하기 때문. 물론 골드윙 같은 이상하게 큰 차량들의 경우 전장이 먹는 전력이 아주 크기 때문에 차량용 알테네이터와 동일한 기반의 기기가 달리지만, K1600이나 다른 차량들을 보면 대부분 영구자석 기반의 알터네이터를 사용한다.

잠깐. BMW R1200시리즈 엔진을 들어 풀리에 물린 알터네이터 이야기 할 꺼라면, 이미 bmw 의 신식 공수냉 엔진은 영구자석 기반 알터네이터를 쓴다.



중간에 노란 선 3개가 나오는것이 삼상 영구자석 발전기. 아래에 까만색 보이는 것이 직류직권 시동전동기.


사실 오토바이가 이런 방법을 쓰는 이유가 무진장 간단하다. 오토바이엔 자동차의 알터네이터 처럼 복잡한 장치를 달 만한 구석이 전혀 나오지 않기 때문이다. 풀리 들어갈 자리도, 풀리를 보호할 곳도 없는데 차량과 같은 토폴로지의 알터네이터를 달기엔 무리수가 크기 때문. 그 결과 매우 예전의 오토바이들 부터 SCR 기반의 shunt 정류기와 함께 오토바이는 영구자석 기반 발전기 토폴로지로 가닥이 잡히게 되었다. 이 부분을 중요하게 봐야 하는 이유가 있는데, 2016년 하반기 최신의 자동차들이 적용하는 영구자석 발전기 토폴로지와는 도입된 배경이 다르기 때문이다. 영구자석 토폴로지는 정류 계통이 시너지를 일으켜야 높은 효율, 대략 95% 이상의 높은 변환 효율을 보이기 때문이다. 영구자석 발전 토폴로지를 적용하는 차량들의 경우 이 렉티파이어와 레귤레이터 모듈의 설계를 아주 멋지게 하여 효율을 끝까지 올린다.

그래서, 이 영구자석 토폴로지의 발전기를 재대로 굴리기 위해 어떤 기술이 사용되어야 하는가. 그리고 기존의 오토바이들이 가진 렉티파이어/레귤레이터 모듈은 어떻길래 출력을 이리도 깎아먹는가 알아보자.

기존의 반도체 시장에 나오던 SCR 소자들은 소자의 최대 내전압과 더불어 소자의 저항값이 꽤나 높은 편에 속했다. 소자의 저항값이 높다? 그렇다. SCR 이나 Triac 과 같이 사이리스터 계통의 NPNP 조합 반도체들은 일반적인 트렌지스터들에 비해 저항값이 생각보다 많이 높다. 로드 덤프용 DB저항중에 GTO 를 저항 대용으로 사용하는 액티브타입 물건이 있는것도 이런 이유에서인데, 높은 저항값을 가지는 만큼, 특히나 FET 들 처럼 밀리 옴 단위가 아니라 보통 8옴에서 10옴이나 하는 저항값을 가지는 만큼 사이리스터 계통 소자들은 Pd(Power depression) 값이 높도록 설계가 되므로 DB저항 등 잉여 전력을 열로 바꿔버려도 문제가 생기지 않았다.

요즘 같아서야 저런 식으로 설계하면 에너지 효율 등급이 너무 낮아서 KC인증을 통과하지 못 하지만, 예전엔 저게 가능했다. 그리고 저 토폴로지는 대단한 과도-안전성을 가지고 있는데다가 정상적인 사용 조건에선 언제나 소자가 풀가동하기 때문에 전체 시스템의 수명이 고른 편에 속했다. 물론 고르게 빨리죽긴 하지만, 수명예측이 일관적인게 생각보다 큰 장점이라는게 이슈트레킹 하는 입장에서 보면 아이고 감사해라 말이 절로 나올 것이다.



그렇게 해서 등장한 R/R 토폴로지. 첫 세대의 물건은 바로 SCR shunt type R/R 이다.



SCR shunt type R/R모듈은 풀 브릿지 정류를 진행하면서 AC 단에 연결된 SCR 을 단락시키는 방법으로 전압을 안정화 하게 된다. 작동은 생각보다 무진장 단순한데, 일정 전압 이하에선 SCR이 작동하지 않아 알터네이터로 부터 들어온 전력 전부를 full bridge 3상 정류하여 출력으로 내보내며, 일정 전압 이상이 되면 각 상별로 연결된 SCR이 작동되어 상간 단락을 일으킨다! 그리고, 위에 서술한 것 처럼 SCR 의 저항값은 생각보다 높아 상간 단락이 되더라도 SCR엔 큰 전류가 흐르지 않으며, SCR은 높은 Pd 값을 가지므로 이러한 단락 조건에서 훌륭한 덤프 로드, 즉 Shunt 의 역할을 하게 된다.

이 토폴로지의 장점이라면 가장 저렴한 원가와 더불어 빠른 응답성이 있는데, 전압의 변동이 발생할 경우 단순히 SCR을 켜고 끄기만 하기 때문에 생각보다 대단히 빠른 과전압 대응 속도를 가진다는 점이 있다. 그리고, 이것보다 덜 중요한 장점이라면, 언제나 엔진에 일정한 부하를 가하기 때문에 엔진의 상태를 추정하기 좋다는 점이다. 엔진의 rpm 이 상승하면서 알터네이터의 발전 전력은 증가하는데, 렉티파이어가 발전된 전력 전량을 끌어다 필요한 만큼 이상의 전력은 전부 R/R모듈의 발열로 소진해버리므로 항상 알터네이터가 100%의 부하율을 가져 공회전시 정확한 엔진 상태를 추정할 수 있다.

그리고 단점도 역시 명확한데, 발전기에서 온 모든 전력을 전량 사용하기 때문에 에너지 효율 측면에서 불리한 것과 더불어 stator 코일에 높은 전류가 흐름에 따라 코일이 빠르게 소손되는 문제, 그리고 높은 열로 인해 R/R모듈 주변에 있는 부품이 손상되거나 R/R모듈 자체가 손상되는 문제가 있다.

이런 문제점들이 꽤나 크게 다가오기 때문에, BMW 등 멋진 여러 브랜드에선 조금 다른 방향으로 선회할 생각을 했다. 정류 소자중 일부만 바꾸어도 효율이 나아지지 않을까? 그리고 SCR의 낮은 도통 전류는 현대의 전자 제어 기반 차량을 구동하기에 충분한 전력을 정류하지 못 하는데 어떻게 하면 대전력도 정류가 가능할까? 하는 것들. 그래서 정류기의 소자를 바꾼 토폴로지가 등장한다.

2세대 물건, FET Shunt type R/R 이다.



여기서부터 대단히 큰 변화가 발생한다. 정류기 부품으로 FET 가 사용되는 것. 다만, FET 의 경우 높은 내전압으로 갈 수록 높은 Rds 값을 가지므로 낮은 Rds 값을 가지는 FET 를 이용하기 위해 여전히 shunt 방식 토폴로지를 사용한다. 그럼에도 불구하고, 브릿지 다이오드의 절반을 FET 내에 있는 플라이백 다이오드를 통해 구성한다는 것은 꽤나 획기적이며, 전체 시스템의 저항을 낮추는데 큰 일조를 하였다. 덕분에 훨씬 높은 전류도 낮은 손실전압만으로 정류가 가능했으며, 이 시대부터 400~500W에 달하는 높은 전력의 알터네이터들을 본격적으로 이용할 수 있게 된다. 또한 FET 는 SCR에 비해 반응속도가 월등히 높으므로, 고 rpm 으로 회전하는 차량의 알터네이터가 만드는 수 khz 의 교류 전력도 고효율로 정류할 수 있게 되었다.

장점이라면 시스템 전체 효율이 좀 올랐다는 것과 발열이 줄어들었다는 것. 하지만 여전히 shunt type 이기 때문에 발전전력의 100%를 사용하며 시스템 소모전력이 적을 경우 R/R모듈이 잉여전력을 전부 열로 변환하는 것은 변하지가 않았다.


그러면 어떻게 해야 알터네이터의 전압을 시스템이 요구하는 전압에 맞도록 내리면서 발전전력의 100%를 다 끌어오는게 아닌 필요한 만큼만 끌어올 수 있을까? 바로 필요한 만큼만 정류하는 것! 이 생각이 나올 때 즈음에는 SCR정류기 라는것이 평균이었는데, 상용 전원을 약간만 내린 트랜스로부터 SCR들을 연결해, 위상제어를 통해서 교류 파형의 일부분만을 정류해 직류로 출력하는 것이었다. 이게 유행할 당시에는 오토바이 알터네이터 처럼 고 주파수를 정류하는것이 어려웠지만, 당시 개발시기에는 충분히 가능했던 상황.

이전의 토폴로지들이 마치 제너다이오드처럼 남는전력 전부를 열로 바꿔버리는 식이었다면, 이제는 직렬로 연결되는 74XX시리즈 레귤레이터처럼 직접 회로에 개입해 전압을 제어하게 되었다.

이렇게 나오는 것이 3세대 물건, SCR series type R/R



3세대부터는 높은 주파수를 처리 가능한 SCR을 통해 직접 전력을 위상제어하여 출력한다. 덕분에 엔진에 시동이 걸린 상태에서도 배터리를 핫 스왑 하는 것도 가능하며, 매우 낮은 렉티파이어 발열과 알터네이터 마그네틱의 발열 및 전체 배선의 발열 저하와 엔진 동력 손실의 절감이 가능해졌다. 오우 여기서부터는 정말 장족의 발전이리라.

이정도면 보통의 유저들은 충분히 만족할 만한 경지에 오른 상태이며, 2016년 현제에도 이 방식을 사용하는 제품들이 고가 라인에서 상당히 많이 보이고 있다.

물론 여기에 만족하지 못 하는 사람들이 있긴 한데, 이 이상의 레벨은 얼마나 효율을 높게 정류하는 가에 대한 이야기이며, 자동차의 영구자석 발전시스템 역시 이 토폴로지로 제작된다.

4세대 FET series type R/R (with MPPT)

특히나 MOSFET rectifiation 의 경우 Active Rectification 이라 하여 SMPS 나 기타 여러가지 전력변환 솔루션에서도 획기적인 기술로서 평가되는 편인데, 이 역시 오토바이용 렉티파이어에 적용되고 있다.






대체로 ECU 에 통합된 경우가 많으며, 대표적인 예시로선 혼다 PCX 가 있는데 바로 이 케이스에 속한다. FET를 통해 전부 능동정류되며, 영구자석 발전기의 경우 MPPT를 적용해야 최대의 효율을 뽑을 수 있는데 이런 기술들도 고성능 마이크로프로세서를 통해 구현되어 있다. MPPT 란 Max Power Point Tracking 이라 불리는 기술인데 주로 태양광 전지에서 발전되는 전력을 최대한 효율적으로 끌어오기 위해 쓰는 기술로, 영구자석 발전기 역시 MPPT 를 해야 최대한 효율적인 발전이 가능하기에 어지간한 정류기 내장 ECU 에선 지원하는 기능이다. 외장형 렉티파이어의 경우 아쉽게도 MPPT 까지 지원하는 경우가 드물지만, 기술의 발전에 따라 차차 늘어나리라 생각하고 있다. 그리고 4륜부에서 영구자석 교류발전기가 도입될 뗀 이게 기본이었다.



이상으로 현제까지 오토바이의 정류 회로가 어떻게 변화하였는지, 어떤 차이점을 가지고 있는지에 대해 알아보았다.
필자로선 최선의 선택지를 고르고 싶은게 사실이긴 한데 이 망할놈의 KR모터스는 여전히 1세대 방식을 사용하는 관계로 빠른 시일 내에 4세대 시스템을 적용하고자 여러 제조업체들을 알아보고 있다. 블로그 방문하시는 분들도 레귤레이터 바꿔보시고, 특히나 3세대부터는 눈에 띄게 성능이 향상되니 교환을 추천드리는 바 이다. 바꾸고 축북받으시랍.

p.s 전 세계 오토바이의 렉티파이어는 거의 대부분 일본 어느업체에서 공급한다. 위의 다이어그램도 그 업체 다이어그램이다.
p.s 2 하지만 KR모터스는 자기네들이 직접 만들어서 더 개판이지.
p.s 3 해외에 4세대 제품 만드는데로는 https://ricksmotorsportelectrics.com/ 라던가 https://compufire.com/ 가 있다. 수입해달라!




덧글

  • CEFV 2016/09/05 14:47 #

    Shindengen 이죠? 두카티도 신형은 모르겠는데 구형은 1세대 달려있고, 해외 포럼 보니 S4R/S2R 계열은 레귤레이터가 시트 밑에 있어서 발열 때문에 수명이 짧다고 불평들이 많더라구요. 브리더 탱크를 제거하고 그 위치로 레귤레이터를 달수 있게 하는 키트도 팔고 있고. 저도 순정품에서 FH020으로 바꿨는데 확실히 발열은 덜한 듯 싶습니다.
  • Lyuso 2016/09/07 20:00 #

    네 말씀하신 그 회사가 맞습니다. 두카티의 경우에도 비교적 최근까지 1세대 방식을 사용하다가 지금은 2세대 방식을 사용중인 것으로 알고있습니다. 덤으로 레귤레이터 자리도 시트 바로 아래쪽 측면으로 변경되었지요. FH020으로의 변경이라 국내에선 흔치 않은게 레귤레이터 변경인데 좋은 경험 이야기 해 주셔서 감사합니다. 확실히 열이 덜 나긴 하는군요.
  • 푸른별출장자 2016/09/07 22:19 #

    원래 모터 사이클은 마그네토 타입의 발전기로 점화 플러그에 고압만 보내면 되던 것이죠.

    저는 자동차 파워 트레인 쪽 일을 하고 있는데 모터 사이클의 구조를 보니 많이 재미있습니다.
    덕분에 잘 읽었습니다.

    Thyristor type은 위상차 정류이기 때문에 손실도 크고 (저항이라고 하기 보다는 정류 소자 내부 전압 강하라는 말이 제대로 일 듯 합니다. - Forward voltage drop )
    또 로드 덤프 상황에서 제어가 쉽지 않은 문제가 있습니다.

    물론 영구 자석 형태의 모터이기 때문에 로드 덤프 시간은 구형의 자동차 타입보다 짧은 대신 과도 전압 발생은 좀 더 복잡해 집니다. (이것 때문에 제가 죽어 나고 있는 중)

    FET를 이용한 SR 방식은 다 좋은데 서지 전류와 로드 덤프시 과도 전압 억제에 상당히 취약한 편입니다.



  • Lyuso 2016/09/07 23:38 #

    그래서 오토바이중에 90년대 초반의 오토바이들이 stator coil 이 2개로 구성되어 있어 하나는 R/R모듈에 물려 전조등과 각종 등화장치를 돌리고 하나는 100V정도의 출력으로 capacitor discharge ignition 유닛에 물려지게 되었었죠.
    말씀하신 것 처럼 thyristor type 의 정류 방식은 내부 전압 강하가 다소 있는 편입니다만 다이오드 계통의 forward voltage drop 에 비해선 꽤나 성향이 다른 특성을 보이다보니 구분해서 적었습니다. 물론 이 부분 때문에 일부 유저 커뮤니티에선 전부하 상황에서 3세대 series 시스템에 비해 1세대나 2세대 shunt 시스템이 효율이 더 높다고 구 세대 시스템이 더 낫다 이야기를 하곤 합니다. R/R출력이 전부하일 경우에 한정하여 SCR을 경유하면서 발생하는 손실이 이전 세대의 다이오드 정류에 비해 크기 때문입죠. 오토바이의 경우 베터리 완충 이후 로드 덤프 상황이 꽤 자주 일어나는 관계로 로드 덤프 컨트롤을 위해 알터네이터의 상간단락이 가능하게끔 되어있는 경우가 있습니다. 보통 단상 알터네이터의 R/R이 해당 구조를 가지게 되네요.

    아무래도 영구자석 동기발전기이기 떄문에 회로 전체의 인덕턴스가 높아 스파이크 전압이 크게 튀는만큼 여러가지로 고민을 할 필요가 있겠습니다. 다만 요즘 오토바이들의 경우 기본적으로 발전기 전력량 대비 소모전력비율이 꽤 높다보니 초기 시동 이후엔 로드 덤프가 발생하는 일이 드물기도 하죠. 특히나 관련 법규들 덕에 발전기 발전전력의 1/4 정도가 전조등 상시점등에 쓰이는 등의 문제가 있겠습니다. 250cc 들의 경우 이 때 여유전력이 불과 아이들 상태에서 20W 내외일 때도 많습니다.


    FET 의 경우 뭘 해도 예민하기 때문에 일반 4륜차 모터드라이브 만들듯이 보호회로 떡칠해야죠 뭐..... (씁) 여러가지 클램핑 방법들이 있는데 수동적으로 TVS 잔뜩 다는 것 부터 능동 과도전압 억제까지 있으니까요. 여기서부터는 만드는 사람들 마음인데 생산하는 사람들이 어떻게 잘 했겠죠?... 저는 만드는 입장이 아니다보니까요. ㅠ



  • 2016/09/07 23:38 # 비공개

    비공개 답글입니다.
  • Lyuso 2016/09/07 23:44 #

    힛 그러셨군요. 요즘 차량들의 경우 전자제어 부분이 워낙 많다보니 관련 부분에서 대단히 신중하게 접근하고 계실 듯 합니다. 노이즈나 스파이크등은 저도 전기 기능사로서 비단 자동차 뿐만 아니라 상용전력 부분에서도 언제나 골머리를 앓는 부분들입니다.
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