전기차 인휠모터는 실현 가능할까?
오늘도 영상으로 시작합니다.
인휠모터시스템 매력적인 시스템이죠 사실 어그로를 위해 실현 가능할까 라는 질문을 던졌지만, 정확한 표현은 대중화가 맞겠습니다.
실제로 현대차에서도 2018년 자사의 첫 전기버스 '일렉시티'부터 현재까지 인휠 모터를 적용했었지만 결국 포기하고 일반 모터로 되돌아 간 기록이 있거든요
뭐 인휠모터는 기술의 정수고 전기차에서 결국 실현해야 할 목표라고 말은 하지만 과연 뭐가 문제인 걸까요? 오늘은 이 인휠 모터에 대해서 풀어보죠
"In-Wheel Motor is defined as an electric propulsion system where an electric motor is integrated directly into the wheel hub, enabling independent torque generation and control for each wheel. This configuration eliminates the need for traditional drivetrain components such as a central motor, gearbox, and drive shaft, thus enhancing efficiency, design flexibility, and dynamic performance of electric vehicles."
Takashi Ohira et al., "Development of In-Wheel Motor Drive Systems" (1991)
인휠모터 최저의 정의는 1991년 논문에서 시작됩니다 뭐 이런저런 말은 많지만 중요한 건 결국 각 바퀴 내부에 전기 모터를 직접 통합하여, 차량의 동력을 생성하고 전달하는 구동 시스템으로 정의하는 것이죠 1991년에 정의되었다고 하는데 그럼 최초로 만들어 진건 언제일까요?
현대적 의미의 인휠모터 개념은 20세기 초 독일 엔지니어 페르디난트 포르셰(Ferdinand Porsche)가 설계한 로너-포르셰 전기차(Lohner-Porsche Electric Vehicle)에서 구현화된 기록이 있습니다.
이 차량은 바퀴 내부에 전기 모터를 장착하여 동력을 공급한 최초의 사례지만, 당시의 배터리 기술과 재료 공학의 한계로 인해 상용화에는 이르지 못했죠 물론 지금도 구현은 할 수 있지만 대중화는 불가능에 가깝죠
그렇게 들어간 인휠모터가 다시 주목받은 시점은 1990년대 후반과 2000년대 초반입니다, 이 시기에 전기차 산업이 재부흥하면서, 전기 모빌리티와 플랫폼 설계의 자유도를 높이기 위한 혁신 기술로 인휠모터가 부각되었죠, 지금도 유명하지만, 프로테 안 일렉트릭(Protean Electric)과 엘라페(Elaphe)와 같은 전문 기업들이 고성능 인휠모터 프로토타입을 개발하며 기술 발전을 가속화했습니다. 저 기업이 인휠모터 기반 특허만 320개를 가지고 있어요
이제 상용화 이야기를 좀 해봅시다. 2000년대 중반 이후로는 자동차 제조사들이 인휠모터를 실제 차량에 적용하려는 다양한 시도를 진행되었습니다. 대표적으로 미쉐린(Michelin)은 액티브 휠(Active Wheel) 프로젝트를 통해 인휠모터와 서스펜션을 통합한 기술을 선보였으며, 르노(Renault)는 초소형 전기차 트위지(Twizy)에서 인휠모터를 판매한 차량입니다.
물론 문제는 많지만 말이에요
2018년 현대도 인휠모터 기반의 버스를 만들었습니다. 실제로 판매까지 하였으니 철수를 했죠 아래와 같이 내구성문제부터 수많은 이야기들이 많았더군요
인휠모터의 동작 원리 및 주요 구성 요소
이론을 조금 풀어보죠
인휠모터에서 모터는 뭐 다른 새로운 모터를 사용하는 것이 아닙니다, 일반적으로 영구자석형 동기전동기(PMSM; Permanent Magnet Synchronous Motor)를 사용하죠, 기록을 보면 BLDC나 SRM으로 상용화한 경우도 있고 WRSM도 있긴 하지만 일단 이건 시장에서 탈락하 녀석들이니까요
문제는 일반 차량의 허브와 달리, 로터와 허브를 일체화하거나 허브 내부에 베어링을 적용합니다. 아 감속기는 안다는 경향성이 강해요, 토크를 끌어올리는 방향성 연구로 가더라고요 문제는 구동 회로를 통합을 기본적으로 수행하고, 이로 인해 허브 무게(Unsprung Mass)가 증가하는데 이는곧 모터가 받을 하중증가를 의미하거든요
음 그럼 할만할 것 같은데 뭐가 문제야?라는 생각이 드시죠? 위에 고작 두 문단으로 문제자체는 간단해 보이잖아요? 이게 크리티컬 한 문제가 있습니다
자 우선 감속기 이야기를 좀 해 봅시다 모터기술이 올라오며 현행 감속기는 10:1의 비율을 일반적으로 가진다 설명드렸죠?
지금 모터의 RPM이 보통 22000까지 가기에 일반적인 차량기준 인휠모터가 직접 구동(Direct Drive) 방식일 경우, 대략 최고 1,500~2,000 rpm 정도를 커버하도록 설계되는 것이 일반적입니다.
실제로 구현이 문제가 아니라 도로 주행이 문제예요 대부분의 차량이 감속기를 달아 저 토크 고속 구동 영역으로 가려는 데는 많은 이유가 있습니다. 뭐 이론적인 설명은 복잡하지만 아래와 같이 초기에는 정토크 후기에는 정출력 영역으로 넘어가게 되는데 이건 따로 잡고 설명하고
여기서 핵심은 정토크영역과 감속기를 사용 안 하는 특징으로 토크를 끌어올리는 설계를 해야 하는 게 문제로 지적됩니다. 모터 부피 및 무게 증가 타이어 휠 안쪽에 들어갈 수 있을 만큼 콤팩트해야 함에도, 저속에서 큰 토크를 내려면 권선량·자석용량·슬롯수가 늘어나 모터 직경과 무게가 커질 수밖에 없는 거죠
여기서 차량의 Unsprung Mass(현가되지 않은 질량)가 크게 증가하는 건 뿐만 아니라 휠 안에 들어가야 하니 제한이 최대크기에 제한이 있다는 것이죠.
오케이 그래도 만들 수는 있잖아?
네 만들 수는 있습니다. 아니 만드는 것 자체는 어려운 게 아니에요, 저한테 돈을 준다면 저도 만들 수 있는걸요?
다만 문제로 지적되는 부분이 열관리(Thermal Management)입니다. 저속 영역에서 큰 전류가 필요한 고토크 운전 시, 동손(구리손실)이 증가합니다. 이는 토크가 전류 기반수식이라 그런 건데 간단히 발열이 커진다로 설명하고 넘어가죠.
문제는 인휠 위치 특성상, 통풍이 제한적이고 외부 환경(물, 흙, 진흙)에 직접 노출되므로, 액체냉각·오일냉각 등 적극적인 방열 대책이 필수인데, 그럼 또 저걸 넣어야 하는 제한이 생긴다는 겁니다. 일반적으로 설치되는 모터는 차량 주행 중 고속 회전 시 발생하는 와류, 유동으로 어느 정도 표면냉각이 도움 될 수도 있으나, 일반적으로 동력부품(코일, 권선, 전력반도체 등) 온도를 안정적으로 제어하기에는 추가적 냉각시스템을 필요로 하죠
거기에 베어링이나 기타 부품은 기본이고요
결국 양산자체는 가능하지만 지속적으로 문제가 발생한 겁니다. 비유를 치자면 인간의 심장이 손목 발목마다 달려있다면 현실적으로 관리비가 더드는 시스템이 되는 거죠
인휠모터의 양산화는 재료기술에 퀀텀점프가 일어나야 가능하다 정도로 이번글을 마칩니다.
참고문헌
[1]Ohira, T., et al. (1991). Development of In-Wheel Motor Drive Systems. Proceedings of the International Conference on Electrical Machines and Drives (ICEMD).
