전기차 모터 기술 현황

[테크월드=선연수 기자]

자동차에서 가장 중요한 건 엔진이다. 전기차의 모터는 기존 내연기관차의 엔진 역할을 수행한다. 화학 연료를 태워 엔진을 구동하는 것과 달리, 충전된 배터리의 전기를 활용해 전기차를 운행하는 모터는 친환경적일 뿐만 아니라, 기존 엔진의 연료 효율이 20%가량인데 반해 기본 50% 이상의 에너지 효율을 나타낸다. 당장의 차량 가격, 충전 인프라 문제 등에도 불구하고 전 세계 정부들이 전기차를 비롯한 각종 친환경 자동차 보급을 위한 규제를 신설하는 이유기도 하다.

모터의 분류

전기차를 구동하는 모터는 직류(DC)모터와 교류(AC)모터로 나뉘며, 전기차의 경우 교류모터를 주로 사용한다. 직류모터는 구동 시 내부 브러쉬의 회전에 의한 마모와 오염, 분진과 소음으로 인해 위험 부담과 부품 교체 비용의 문제를 안고 있어 잘 사용되지 않는다. 그러나 직류모터는 기동 토크가 크고 교류모터에 비해 제어가 간단해, 부품 단의 단점을 보완한 BLDC(Brush-less Direct Current motor)도 존재한다. 이는 브러쉬 문제를 보완한 기술로 부품 교체 없이 사용할 수 있으나, 정격출력이 1.2배를 넘지 못해, 해당 범위를 초과할 시 모터의 열을 관리하기 어려우며 비용이 높은 것이 단점이다.

주로 사용되는 교류모터는 직류 방식의 배터리로부터 에너지를 공급받기 위해 인버터를 필요로 한다. 교류모터는 가격이 저렴하며, 직류모터에 비해 안정성과 내구성이 높아 유지비 측면에서도 유리하다. 다만, 교류라는 특성으로 인해 제어 장치는 비교적 복잡하다. 교류모터에는 동기모터, 유도모터, 정류자모터 등 다양한 종류가 있으며, 전기차에는 주로 동기모터가 활용된다.

모터의 새로운 보금자리

기존의 인라인(In-line) 방식은 모터를 차축에 연결해 축에 연결된 2개의 바퀴를 동시에 구동하는 형태였다. 이와 다르게 인휠(In-wheel) 방식은 자동차 바퀴휠(Wheel) 자체에 모터가 장착되는 형태로 각 바퀴가 독립적으로 구동되는 기술이다. 기존 시스템에 사용되던 변속기나 차동기어가 필요없게 되면서 차체를 더 가볍고 간단하게 제작할 수 있다. 바퀴를 직접 제어하기 때문에 토크 응답성이 높고, 에너지 효율이 높으며, 차량이 회전할 경우 바퀴마다 토크가 온전히 독립적으로 발생해 안전성 또한 비교적 우수하다. 그러나 각 바퀴에 모터를 장착하고, 이에 따른 온도, 속도 등을 감지하는 센서 또한 각각 장착함으로써 높은 비용을 요구하게 된다. 또한 모든 바퀴를 감지하고 제어해야 하기에 고난이도의 데이터 분석·시스템 설계가 필요하다.

전기차 모터 기술 현황

인휠 방식이 획기적인 기술로 유망한 것은 사실이지만, 시스템 설계와 안정성 측면에서의 문제로, 아직 기술이 적용된 제품을 찾아보기는 힘들다. 현대자동차의 전기차 모터를 공급하는 현대모비스는 현재는 전륜이나 후륜, 또는 전륜·후륜 듀얼 모터 방식을 지원하고 있다. 현대차의 ‘코나 EV’는 최고 204마력, 40.3㎏m 토크를 가지며, 전륜·후륜 듀얼 모터를 사용한다.

테슬라는 Cu 유도 모터를 사용하며, 이것이 Nd계 희토류 영구자석 동기 모터에 비해 고출력 중대형 전기차에서 에너지 효율적 측면에서 더 효과적이라고 밝혔다. 테슬라가 선보인 테슬라 모델S P100D는 전륜, 후륜에 각각 총 두 개의 모터를 탑재했다. 듀얼 모터를 통해 전·후방 모터가 독립적으로 제어됨에 따라 미끄러운 빗길이나 회전 등에서의 대응 제어가 훨씬 유리하다. 전면 모터는 최대 259마력, 25.5㎏·m 토크를 가지며, 후면 모터는 최대 503마력, 66.4㎏·m 토크를 갖는다. 또한, 최근 국내에 출시된 앞둔 전기차 모델3 또한 듀얼 모터를 탑재하고 있다.

BMW가 올해 공개한 전기차 ‘미니 쿠퍼 SE’는 후륜 전기 모터를 장착했으며, 이는 184마력, 27.5㎏·m 토크를 갖는다. 이는 기존 i3 시리즈에 탑재된 모터를 조금 업그레이드한 버전으로, i3 120Ah에 탑재된 eDrive는 최대 출력 170마력, 25.5㎏·m 토크를 가졌다. BMW는 eDrive로 엔진과 모터를 운전자가 선택할 수 있도록 버튼 기능으로 제공하고 있다.

총 세 가지 모드로, ‘AUTO eDrive 모드’는 차량 시동 시 이 모드로 자동 설정되며, 차량 내 수하물 용량과 전기 배터리 잔량에 따라 전력을 시속 80㎞까지 허용하고, 전력 소진 시 가솔린 엔진으로의 변환 시점을 알려준다. ‘MAX eDRIVE 모드’는 최대로 가속해도 전기 모터 구동이 유지되며, 최대 140㎞까지 주행할 수 있다. 마지막으로 ‘SAVE BATTERY 모드’는 가솔린 엔진을 사용하며, 전력을 아낄 수 있는 모드다.

메르세데스-벤츠의 ‘EQC’는 앞차축, 뒤차축 듀얼 모터로 최고출력 408 마력, 78.0㎏·m 토크를 가진다. 앞쪽의 모터에는 고정자를 비교적 덜 단단하게 고정하고, 뒤쪽의 모터는 단단하게 감아 토크 성능을 강화해, 가속 시 후륜 모터에 최대 토크가 실리게 되는 구조다. 벤츠가 새롭게 선보인 EQV는 최고출력 200마력을 내며, 향후 화물 운송용 밴으로도 출시될 예정이다.

전기차 통합 시스템 제어

자동차를 직접 구동하는 모터 자체만의 효율도 중요하지만, 이를 포함해 배터리, 인버터, 컨버터 등으로 구성되는 파워트레인을 한 번에 구현하고 관리하는 통합 솔루션이 계속 출시되고 있다.

각 부품들을 하나의 유닛으로 통합해 모듈화됨으로써 부품이 차지하는 공간을 줄일 수 있고, 제품에 맞춰 다양한 모양을 구현해 최적화할 수 있는 것이다. 특히나, 자율주행 시대의 도래에 앞서 세심한 효율 관리가 더욱 중요해질 것으로 예상된다. 폭스바겐은 2019 프랑크푸르트 모터쇼에서 ‘MEB 플랫폼’에 기반해 제작되는 최대 204마력, 31.6㎏·m 토크를 갖는 모터를 탑재한 ‘ID.3’를 소개했다. 여기서 MEB 플랫폼은 대용량 배터리를 바닥에 설치함으로써 차량 내 공간을 확보하고, 충전 속도가 향상되도록 파워 시스템 설계 방식을 주로 다룬다.

현대차는 올 초 ‘E-GMP(Electric-Global Modular Platform)’라는 전기차 전용 플랫폼을 소개했다. 이는 자동차 기능 전반에 걸친 통합 솔루션을 제공한다. 동력 부품 관리, 배터리 교체, 충전 시간 단축, 고객 맞춤형 차량 인테리어·하드웨어 구성 등을 지원하며, 궁극적으로 커넥티드 카 서비스를 구현하려는 목적이다.

인휠 시스템이 각 바퀴마다 적용되고, 더 높은 에너지 효율을 원하게 되며, 고객에 따른 다양한 요구 사항도 더욱 다양해지고 있다. 이를 위해 차량 공간을 보다 효율적으로 활용하고, 복잡해지는 기술을 쉽게 컨트롤 할 수 있는 플랫폼의 당위성은 더욱 중요해질 것으로 예상된다.

- 이 글은 테크월드가 발행하는 월간 <EPNC 電子部品> 2019년 10월 호에 게재된 기사입니다.