전기자동차의 심장 ‘모터’ 시장의 성장세에 주목하라

[테크월드=신동윤 기자] 일본 야노경제연구소가 올해 4월 발표한 ‘2018 자동차 모터 시장의 최신 동향과 장래 전망’ 보고서에 의하면, 2016년 자동차용 전기 모터 시장의 누적 생산 갯수는 약 29억 9900만 개(차량 생산 대수 기준)로 약 30억 개 규모에 도달했다.

이는 대부분 날이 갈수록 강화되고 있는 전세계 각국의 환경 규제로 인해 모터를 파워트레인으로 사용하는 전기 자동차의 생산 대수가 급증하고 있는 것에 기인한다. 하지만 이외에도 안전성과 편의성 향상을 위해 자동차의 파워트레인 이외의 부분에서도 많은 전동화가 이뤄지는 등 다양한 영역에서 자동차용 모터의 사용이 증가하고 있기 때문에 자동차용 모터 시장은 더욱 확대 일로를 걷게 될 것으로 예상된다.

또한 모터와 함께 모터를 제어하는 인버터, 모터와 조합해 큰 토크를 얻기 위한 감속기 등 전기자동차의 파워트레인을 구성하는 다양한 구성요소에 대한 수요 또한 크게 증가할 것으로 예상되고 있다.

EV용 모터 수요 2025년 2080만 개 규모까지 성장

자동차에서 모터는 전기 자동차의 파워트레인 외에도 파워 윈도우와 파워 시트 그리고 각종 전동 압축기와 전동 펌프 등 다양한 곳에 활용되고 있다.

차세대 자동차에 사용되는 모터는 소형 경량화, 저비용과 함께 주행가능거리를 늘리기 위한 고효율화가 필수다. 주행거리 연장은 EV 보급의 열쇠이기 때문에, 모터의 고효율화는 매우 중요한 과제가 되고 있다. 하지만 주행 조건이나 교통 혼잡과 같은 다양한 상황에서 사용되는 만큼 산업용, 혹은 가정용 모터보다 더 높은 효율성을 요구한다.

모터의 가격은 출력과 특성, 냉각 방식의 차이에 따라 큰 차이를 보인다. 또한 상시 동작해야 하는 PHEV(Plug-in Hybrid Electric Vehicle)이나 EV용 전기 모터가 간헐적으로만 동작하는 HEV용 모터에 비해 높은 내구성과 신뢰도를 요구하기 때문에 더 가격 또한 더 높게 형성돼 있다.

모터의 가격은 큰 폭의 하락을 기대하기 어렵지만, 전기자동차의 보급으로 수요와 생산이 크게 늘면서 향후 완만한 하락이 예상된다. 2016년에 428만 개가 판매된 기계 모터 시장은 2020년 970만 개, 2025년에는 2080만 개까지 시장이 확대될 것으로 전망된다.

파워트레인은 PSMS가 대세

전기 자동차의 파워트레인에 사용되는 모터는 크게 4가지로 구분할 수 있다. DC모터와 유도모터, 영구자석형 모터(Permanent Magnet Synchronous Motor, 이하 PMSM), SRM(Switched Reluctance Motor)가 그것이다.

특히 PMSM은 높은 효율과 저속에서 높은 토크를 제공해 저속 특성이 우수할 뿐 아니라, 신뢰성과 내구성이 높고 유지보수가 간편하다는 특징으로 인해 현재 각광을 받고있다.

얼라이드 마켓 리서치(Allied Market Research)가 2016년 6월 발표한 자료에 의하면, 전세계 PMSM 시장은 2016년에서 2022년까지 연평균 10.9%의 성장율을 보이면서 2022년에 이르면 311억 달러 규모의 시장을 형성할 것으로 전망된다. 특히 이 보고서에 의하면 PMSM은 공장자동화, 소비자 가전, 사무 자동화, 실험실, 의료, 국방, 오토모티브 등 다양한 분야에 활용될 것이지만, 가장 큰 비중을 차지하면서, 이런 빠른 성장을 견인하는 요소로 오토모티브 시장을 꼽고 있다.

현재 DRS 테크놀로지, 에머슨 GE, 지멘스AG, 미쓰비시전기, 도시바 등의 업체들이 포진하고 있는 이 시장에서 가장 빠른 성장세를 보일 지역은 아시아태평양지역으로, 중국의 빠른 성장세가 아태지역 PMSM 시장의 가장 중요한 시장으로 자리잡을 것으로 예상하고 있다.

MHEV가 초기 시장 주도할 것

2015년 폭스바겐 배출가스 조작사건 이후 자동차에 대한 환경규제가 엄격해지면서 많은 국가에서 내연 기관을 제한하는 정책을 추진하고 있다. 노르웨이, 독일, 인도, 영국, 프랑스는 물론, 대만과 일본 등도 내연기관 차량의 판매 금지를 추진하고 있는 상황이다.

이런 흐름에 영향을 받아 대안으로 등장한 것이 바로 전기자동차다. 전기자동차는 이미 신차 시장의 1.3% 수준까지 성장하고 있으며, 특히 48V 하이브리드 시스템, 수요연료전지차량 등이 등장하면서 선택의 폭을 넓히고 있다.

특히 충전 인프라의 구축 등 전기자동차로 바로 가기 어려운 현실적인 상황 속에서 전기 모터로 연비 향상이라는 보조적인 역할을 하는 하이브리드 차량이 가장 현실적인 대안으로 고려되고 있으며, 최근에는 최소의 시스템으로 큰 효과를 누릴 수 있는 48V 시스템이 인기를 모으고 있다.

48V 시스템은 현재 MHEV(Mild Hybrid Electric Vehicle)이라고 불리는 시스템으로 기존의 100V 이상의 고전압과 별도의 전기모터, 고용량 배터리를 사용하지 않고 시동용 모터를 B-ISG(Belt-driven Integrated Started Generator)로 대체하고 이를 이용해 하이브리드의 효과를 내는 것이다. 이는 기존의 내연기관 자동차도 쉽게 개조할 수 있다는 것이 장점이며, 일반적인 HEV와 마찬가지로 정차 시에는 시동을 끄고 가속할 때는 48V 배터리의 전기 에너지로 모터를 돌려 엔진에 힘을 보태는 것이다. 또 속도를 줄일 때는 HEV처럼 회생제동으로 발전하는 방식이다. 다만 HEV와 달리 전기모터 단독으로 주행할 수 없으며, 연비절감 효과도 15% 수준으로 크지 않다.

다만 가격대성능비 측면에서 기존 하이브리드 대비 30%의 비용으로 70% 수준의 에너지를 절감할 수 있다. 르노에서 발표한 자료에 의하면 일반 HEV가 이산화탄소 배출량을 30% 줄이기 위해 500만원의 비용이 들지만, MHEV는 70만원의 추가 비용으로 이산화탄소 배출량을 7~10% 줄일 수 있다.

MHEV에서 가장 중요한 것은 모터와 함께 48V 배터리다. 기존의 12V 배터리를 사용하는 모터의 출력은 엔진 구동을 돕기에는 턱없이 부족해 차량의 배터리를 48V로 교체하고, 이를 통해 좀 더 고출력의 모터를 사용하는 것이다. 이를 통해 스타터 모터를 좀 더 강력하게 구동하는 것은 물론이고 점화플러그에도 더 센 전압을 공급해 정확한 연소가 가능하도록 개선할 수 있다.

2013년 처음 48V 리튬이온 배터리를 선보였던 존슨컨트롤에 이어 콘티넨탈, 보쉬, 델파이 오토모티브 현대모비스 등의 업체가 관련 시스템을 발표한 바 있으며, 아우디, 폭스바겐, BMW, 메르세데스 벤츠 등의 유럽 자동차 업체를 중심으로 도입을 준비중이다.

IHS오토모티브는 전기자동차가 2023년에 이르면 연간 2044만 대가 판매될 것으로 전망했으며, 그중 절반 수준이 1060만 대를 48V MHEV가 차지할 것이라고 예상하고 있다. 이는 추가 비용이 적게 들며, 기존 자동차에도 쉽게 적용할 수 있다는 점 때문에 개발도상국 등에서도 많은 수요가 발생할 것으로 예상되기 때문이다.

인 휠 모터에 대한 기대감 고조

전기자동차 분야에서 가장 주목을 받는 기술 중 하나는 바로 인 휠 모터다. 내연기관 자동차부터 최근의 전기자동차 대부분까지, 중앙의 모터에서 생성된 출력을 여러 구동계를 거쳐 바퀴에 전달하는 방식은 크게 변화하지 않았다. 하지만, 전기모터라서 가능한 변화 중 하나는 바로 바퀴 안쪽에 모터를 장착하고 이를 통해 출력을 바로 바퀴에 전달하는 것이다. 이는 지금까지 여러 구동계를 거치면서 발생하는 출력의 손실을 최소화할 수 있으며, 파워트레인을 크게 간소화할 수 있다.

인 휠 모터는 휠 안에 모터를 위치시키는 방법으로, 이를 통해 휠 안에 모터와 제동장치, 허브가 하나의 모듈로 구성된다. 이 방식은 전기자전거나 스마트휠, 전동킥보드 등에도 이미 사용되고 있는 기술이지만, 자동차에 적용하기 위해서는 몇가지 추가로 고려해야 할 부분이 있다.

상대적으로 가벼운 자전거나 전동킥보드 등은 작은 힘으로도 구동할 수 있으며, 그다지 높은 속도를 내지 않기 때문에, 자동차와 같이 무거운 무게를 감당하면서 노면의 충격이나 침수 등의 가혹한 환경에서 견뎌내야 하기 때문이다.

또한, 구동 휠이 하나인 자전거나 전동킥보드와는 달리 자동차는 두개, 혹은 네개의 바퀴에 모터를 장착해야 하기 때문에 일반 자동차의 디퍼런셜 역할을 위해 각 바퀴에 대한 미세한 회전 제어 기능이 별도로 필요하다.

하지만 인 휠 모터 방식은 전기자동차에게 여러가지 획기적인 이점을 제공할 수 있게 된다. 우선 여러 단계의 동력 전달 과정을 거치지 않고 모터가 바퀴를 직접 굴리기 때문에 동력 손실을 최소화할 수 있으며, 단순화된 구조 덕분에 무게를 줄일 수 있어 연기 개선 효과도 얻을 수 있다. 더구나 이런 단순한 구조는 자동차의 형태에 대한 제약을 크게 줄일 수 있기 때문에 전혀 새로운 디자인의 자동차를 보게 될 수도 있다. 예를 들면 엔진이나 변속기 등이 필요없기 때문에 전방의 보닛이 아예 없는 구조를 만들 수 있어 자동차의 내부 공간 활용에 있어 큰 이점을 제공할 수 있을 것으로 기대되고 있다.

현재 현대모비스를 비롯해 혼다, 토요타 GM 등 여러 업체들이 인 휠 시스템 개발에 박차를 가하고 있으며, 프로틴 일렉트릭(Protean Electric)과 같은 인 휠 시스템 개발업체는 오빗(Orbit)이라는 인 휠 시스템 적용 자율주행차를 자동차 제조업체인 피스커를 통해 선보일 예정이라고 밝히고 있다.

물론 인 휠 모터 시스템이 장점만 있는 것은 아니다. 다수의 모터를 제어해야 하기 때문에 고성능 프로세서와 정밀 센서가 필요하며, 정밀한 제어가 어렵다. 또한 더 큰 구동 토크를 얻거나 최대 속도를 높이기 위해 더 큰 모터를 사용하는 것이 어렵다. 또한 모터와 배터리를 연결하는 전원이나 신호 케이블의 단선 문제도 해결해야 할 문제다.

인 휠 모터 시스템 분야에서는 단연 프로틴 일렉트릭이 선도적인 입지를 차지하고 있으며, 150여여 개 특허와 프로틴드라이브(ProteanDrive) 시스템을 통해 시장을 주도해 나가고 있다. 국내에서는 그동안 자전거용 인휠 모터 시스템에서 쌓아온 노하우로 전기자동차용 통합형 모터2단변속기를 개발하는 데 성공했다고 발표했다.

현대모비스도 지난 2010년부터 인 휠 모터 시스템 개발을 시작해 2020년 인 휠 모터를 장착한 차량을 상용화할 계획이다. 이외에 일본의 NSK도 변속기가 내장된 전기자동차용 인휠 모터의 프로토타입을 공개한 바 있다.

중국과 일본 전기자동차에 집중 투자

전기자동차에 대한 관심은 전세계적으로 뜨겁지만, 그 중에서도 중국은 가장 뜨거운 시장 중 하나다. 이런 전기자동차의 열풍에 힘입어 전기자동차용 모터 시장 또한 달아오르고 있다. 지난 2016년 중국은 60만 대의 자동차에 구동모터가 설치된 것으로 알려져 있으며, PMSM이 45만 대에 설치되면서 주류를 차지하고 있으며, 유도모터가 14만 대를 기록했다. 또한 승용차는 34만 1900대, 상용차는 25만 3500대가 생산됐다.

중국 시장에서는 상위 15개의 자동차용 모터업체가 주로 활약하고 있으며, 15개 업체들의 구동모터 설치량은 평균 1만 대를 초과했으며, 전체 시장의 23.2%의 점유율을 차지한 BYD가 1위를 차지했다.

BYD의 압도적인 점유율에는 미치지 못했지만 베이징자동차(北汽), 간저우헝지우, 위통(宇通), 안웨이쥐이(安微巨一), 롄허자동차전자등은 2위 그룹을 형성하고 있으며, 이 업체들의 누적 생산량은 30만 대에 달해 전체 생산량의 50%를 차지했다.

한편, 점유율 상위권을 차지한 BYD 같은 업체들의 주력 제품은 PMSM이었다. 물론 베이징자동차·찡진 같은 업체들은 PMSM과 유도모터를 같이 취급하기도 했지만 주력은 PMSM이었다. 이에 반해 쟝링이나 간저우헝지우전기유한공사 등의 업체는 유도모터를 주로 취급한 업체로 분류할 수 있다.

2014년부터 중국 신에너지 자동차시장은 폭발적 성장 단계에 진입했다. 2014년 중국 전기자동차 생산량이 7만 8600대에 달했으며 전년대비 349% 성장했다. 2015년 증가율도 지속적으로 330% 이상 유지해 생산량이 34만 500대에 달했다. 2016년에 이르러서는 59만 5000대에 달해, 폭발적인 증가세를 보여주고 있다.

구동모터의 방식으로는 PMSM이 여전히 주를 이루며, 설치량이 45만 대를 초과해 77%를 차지하고 있다.

일본 또한 전기자동차로 인한 시장의 재편이 일어나고 있다. 일본 자동차 부품업게는 세계 자동차 시장의 전기자동차로의 전환에 발맞춰 전기자동차 중심으로 재편되고있다. 특히 전기자동차 부품 중 구동 시스템에 대한 수요가 지속적으로 증가하고 있어 이 부분에 대한 관심이 증폭되고 있다.

일본의 모터 제조업체인 일본전산의 예측에 따르면 구동모터 관련 시장은 2016년 1조 5000억 엔에서 2030년에는 3조 9000억 엔으로 약 2.5배 이상 증가할 것으로 예상하고 있다. 특히 중국 자동차 시장의 전기자동차에 대한 공격적인 투자에 힘입어 일본 기업들은 중국 시장 진출까지 목표로 하고 있다. 중국 전기자동차 시장은 2016년 약 60만 대로 규모로 빠른 성장세를 보이고 있으며, 세계 전기자동차 판매량의 40%를 차지하고 있다.

일본 내 주요 모터 제조업체로는 타이호 공업(도요타 납품), 산와정기(스바루와 마쓰다 납품), 미쿠니사(미쓰비시 납품)가 있으며, 3개사 모두 중국 시장진출을 위해 중국 내 공장을 가동 중이다.

국내에서는 현대모비스가 자동차용 모터시장에서 가장 앞서가고 있다. 현대모비스는 2009년 아반떼 하이브리드와 포르테 하이브리드를 시작으로 아이오닉 EV, 초저상 하이브리드 버스 등 현대기아차에 친환경차 구동모터를 공급하고 있다.

지난 2016년 현대모비스가 현대기아차에 공급한 구동모터 물량은 13만여 대로 6720대를 공급했던 2009년과 비교하면 7년 사이 18배가 증가했으며 올 상반기까지 총 누적 공급량은 50만 대에 달한다.

특히 현대모비스는 여러 최신 방식의 전기자동차용 모터를 개발함으로써 아직 다양한 시도가 이뤄지고 있는 전기자동차의 구동방식에 대한 요구를 충족시켜 나가고 있다. 기존의 전기자동차용 모터는 물론이고 인 휠 방식, 그리고 MHEV 등을 개발, 상용화를 진행 중이다.