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[생산적인 이야기] 전기차 심장이 배터리라고?

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[무료등록-대박 경품] 솔리드웍스의 클라우드서비스로 확 달라진 제조 현업의 이야기가 찾아갑니다 (12.10)

헬로티 조상록 기자 |

 

[생산적인 이야기]는 활 속에 녹아 있는 적인 소재를 가지고 ‘딱 어디가서 아는 체 할 수 있는 정도’로만 이야기 해보는 코너입니다.

 

전기차 시대가 성큼 다가왔습니다.
테슬라가 전기차 시장에 불씨를 당겼다면, 기존 자동차 기업들은 시장을 쑥쑥 키우고 있습니다. GM, 폭스바겐그룹, 다임러AG(메르세데스 벤츠), BMW, 현대자동차, 르노-닛산 등의 기업들이 서둘러 전기차를 상용화 시키고 있습니다.


이제 충전소 인프라만 잘 갖춰진다면, 전기차 시대는 생각보다 일찍 다가올 것이라고 예상됩니다.

 

그래서 전기차에 대해 한번 정리해볼까 합니다.

흔히 전기차 하면 배터리를 핵심으로 떠올립니다. 물론 맞는 얘기입니다. 하지만 본래 자동차의 심장은 엔진이니까, 전기차에서는 모터가 심장이어야 맞죠.

 

전기차에서 동력을 발생시키고 전달하는 장치 즉, 파워트레인은 구동모터, 감속기, 인버터 등인데요. 여기서는 구동모터만 다뤄보겠습니다.

 

 

1. 테슬라 모델3

 

테슬라(Tesla)는 모터를 자체적으로 생산하고 있습니다. 테슬라는 2012년 세단형 전기차 '모델S'를 선보였을 때 유도전동기(IM)를 적용하였습니다. 현재 많은 자동차 기업이 영구자석을 활용한 동기전동기(PMSM, Permanent Magnet Synchronous Motor)를 사용하는 것과 대조됩니다.

 

이 때 테슬라는 유도전동기에서 히스테리시스(Hysteresis) 및 와전류(Eddy current) 손실로 인하여 발생하는 고정자 및 회전자의 열을 효과적으로 냉각시키는 기술을 적용했는데요. 회전자 속을 파내고 그 자리에 냉매 튜브를 배치시켰다고 하네요.

 

그런 테슬라가 2018년 '모델3'를 선보였을 때는 유도전동기가 아닌 영구자석을 적용한 동기전동기를 사용했습니다. 'IPM-SynRM(Internal Permanent Magnet Synchronous Reluctance Motor)'라는 명칭의 모터는 동기식 릴럭턴스 모터의 형태로, 기존 동기전동기의 장점인 강한 토크를 그대로 가져가면서 단점으로 꼽혔던 고속 시 역방향 전동력(역기전력)을 낮춰준다고 합니다.

 

모델3의 'IPM-SynRM'은 2륜(후륜)의 경우 최고출력 211kW, 최대토크 350Nm의 힘을 발휘합니다. 50kwh 배터리가 적용되는데, 한번 충전으로 최대 386km를 달릴 수 있습니다.

 

▷ 'IPM-SynRM' 기술은 테슬라만의 고유 기술은 아닙니다. 이미 도요타에서는 프리우스에 이 기술을 적용했는데요. 다만, 테슬라는 V자 형태의 영구자석 삽입 공간에 자석을 4분할 하여 넣는 등 각 기업마다 세부적인 기술 형태는 다릅니다. 현대모비스 또한 'IPM-SynRM' 기술을 적용하고 있다고 합니다.

 

 

2. 현대자동차 아이오닉5


다들 아시겠지만, 현대자동차의 아이오닉5(Ioniq5), 기아자동차의 EV6, 제네시스 G80 전동화 모델에는 현대모비스의 EV 구동모터가 들어가 있습니다.

 

이 구동모터 내부 코일에는 '헤어핀 권선 기술'이 적용돼 있는데요. 헤어핀 권선 기술은 말 그대로 헤어핀의 형상을 닮은, 직사각형의 단면을 가진 코일을 활용한 구조를 뜻합니다.

 

기존의 원형(환선) 코일 대비 고정자에 코일을 더 촘촘하게 감을 수 있고, 이를 통해 권선 저항을 줄여 효율을 높일 수 있다고 합니다. 이 기술은 GM을 비롯해 여러 기업에서도 사용하고 있는 기술인데요. 현대모비스 또한 이 기술을 활용했다고 보면 됩니다. 현대모비스는 기존보다 효율이 10% 향상됐다고 합니다.

 

또 모터의 열을 식혀주는 기술도 적용됐습니다. 기존에는 모터 하우징에서만 냉각이 이뤄졌다면 이번에는 모터 내부에 직접 안개처럼 윤활 및 냉각 오일을 분사한다고 하는데요. 이게 가능한 이유가 E-GMP의 모터·감속기 일체형 구조 덕분이라고 합니다.

 

아이오닉5에 적용된 구동모터는 4륜의 경우 최고출력 173kW, 최대토크 605Nm의 힘을 발휘합니다. 58kWh 배터리가 적용되는데, 한번 충전으로 최대 319km를 달릴 수 있습니다. 제로백은 6.1초로 다른 전기차종에 비해 느린 편입니다.

 

 

3. 메르세데스 벤츠 EQS

 

메르세데스 벤츠(Mercedes Benz)를 운영하는 다임러(Daimler AG)는 전기차 시장에서 큰 비중을 차지하지 않습니다. 2020년 기준 전세계 전기차 판매 순위에서 9위(약 3.5만대 판매)에 머물러 있습니다.

 

벤츠는 올해 전기차 플래그쉽 세단 'EQS'를 출시했는데요. 벤츠의 전기차 전용 플랫폼인 EVA(Electric Vehicle Architecture)를 사용하는 첫번째 전기차라고 하네요.

 

벤츠의 전기차에 들어가는 모터는 자체 개발이 아닌 아웃소싱입니다. 전기차 시장 초기에는 테슬라의 모터를 사용했고, 다임러와 보쉬의 합작법인(지금은 보쉬가 전부 인수) 'EM-Motive'에서 생산한 모터를 사용햇씁니다.

 

EQS의 경우 발레오와 지멘스의 합작법인 발레오지멘스이오토모티브시스템(Valeo Siemens eAutomotive)에서 생산한다고 합니다. EQS에 적용되는 모터는 영구자석 동기 전동기(PMSM) 방식의 듀얼모터로, 전면의 서브프레임과 후면의 축(Axle) 어셈블리 내에 낮게 장착됩니다.

 

EQS 듀얼 모터(EQS 580 4MATIC)는 최고출력 385kW, 최대토크 854Nm의 힘을 발휘합니다. 107.8kwh 배터리가 적용되는데, 한번 충전으로 최대 770km를 달릴 수 있습니다.

 


4. BMW i3

 

BMW는 2014년부터 한국에서 순수 전기차 'i3'를 출시했습니다. 이후 PHEV(플러그인하이브리드카) 모델 i8을 선보인 후 X5 xDrive40e, 330e, 740e 등을 선보였는데요.

 

올해는 다시 순수 전기차인 iX, iX3, i4 등을 선보인다고 합니다. 그럼 여기서는 BMW 전기차의 시작인 i3에는 어떤 모터가 들어갔는지 살펴보겠습니다.

 

BMW는 전기차 모터(i motor)를 자체 개발 BMWi 브랜드에서만 독점적으로 사용되고 있습니다. 다만, 플러그인 하이브리드와 하이브리드 자동차용 모터는 'ZF'와 공동 협력을 통해 공급되고 있습니다.

 

BMW는 2014년 i3 모델에 신규 개발된 HSM(Hybrid Synchronous Motor)를 탑재하였습니다. 모터 측면에서는 변형된 매입형 영구자석 동기전동기로 볼 수 있으며 회전자 내에 2층의 영구자석 배치와 Air-barrier의 효과적 설계로 성능을 향상시켰습니다.

 

BMW는 올해 새로운 전기차 모터가 적용된 eDrive 시스템을 선보였습니다. 이번 모터는 영구자석에 희토류를 사용하지 않았다고 합니다. 참고로 대표적인 희토류 원소는 영구자석으로 쓰이는 네오디뮴(Nd)입니다.

 

BMW i 모터(2020년 i3 버전)는 최고출력 125kW, 최대토크 250Nm의 힘을 발휘합니다. 120Ah(42.2kWh) 배터리가 적용되는데, 한번 충전으로 최대 248km를 달릴 수 있습니다.

 


5. 지엠 쉐보레 볼트EV

 

지엠(GM)의 쉐보레 볼트EV(Chevrolet Bolt EV)는 2016년부터 생산된 순수 전기차입니다. (쉐보레 볼트는 플러그인 하이브리드)

 

아이오닉5에서도 잠깐 언급했듯이 지엠은 오래 전부터 모터에 헤어핀 권선 기술을 개발/적용했습니다. 볼트EV 모터에는 개선된(슬롯 당 헤어핀 수를 늘려, 고속 영역에서 모터의 동손을 감소시켰다) 헤어핀 권선 기술이 적용돼 있습니다. 또 Air-barrier를 적용해 코깅 토크, THD 성능을 향상시켰다고 합니다. 

 

볼트EV는 영구자석을 활용한 매입형 동기전동기(IPMSM, Interior Permanent Magnet Synchronous Motor) 방식입니다.

 

볼트EV 모터를 LG전자가 공급한다는 사실은 익히 알려져 있는데요. 정확히 말하면 생산만 LG전자가 맡고, 설계는 지엠에서 맡고 있습니다. 여담이지만 LG전자는 구동모터뿐만 아니라, 인버터, 차내 충전기, 배터리팩, 인포테인먼트 시스템 등 70% 부품을 공급한다고 합니다.

 

쉐보레 볼트EV는 최고출력 150kW, 최대토크 360Nm의 힘을 발휘합니다. 배터리 용량은 54.66kWh인데요. 한번 충전으로 최대 395km를 달릴 수 있습니다.

 


6. 르노 조에(ZOE)

 

르노(Renault)는 2011년 전기차 양산모델 캉구(Kangoo)Z.E, 플루언스(Fluence)Z.E를 선보였습니다. 이 모델들은 콘티넨탈(Continental)의 2세대 구동모터를 달았는데요. 이 모터는 영구자석을 사용하지 않는 권선계자형 동기전동기(WFSM)였습니다.

 

역시 영구자석으로 쓰이는 희토류(대표적으로 네오디뮴)의 가격 부담이 크긴 큽니다. WFSM의 경우 회전자의 자기장을 전류로 제어를 할 수 있어 고속 제어에 유리한 면이 있습니다. 하지만 그와 동시 출력밀도 및 효율이 낮아지는 단점도 있습니다.

 

르노의 대표적인 전기차는 조에(ZOE)와 트위지입니다. 특히 조에의 경우 2020년 유럽에서 가장 많이 팔린 전기차 1위를 차지했습니다. 판매대수 10만657대입니다.

 

조에에 적용된 R115, R135(국내 출시 모델은 R225, R245로 숫자는 최대토크를 말함) 모터는 기존과 같이 권선형 동기전동기이지만, 이제는 콘티넨탈의 공급이 아닌 프랑스 클레옹(CLÉON) 공장에서 생산한 제품을 씁니다.

 

R135 모터는 최고출력 100kW, 최대토크 245Nm의 힘을 발휘합니다. 배터리 용량은 54.66kWh인데요. 한번 충전으로 최대 395km를 달릴 수 있습니다.

 

 

7. 닛산 리프(LEAF)
    
지엠의 EV1이 '세계 최초 대량(800대 생산했다고 합니다) 생산 전기차'라면, 닛산(Nissan) 리프(LEAF)는 '세계 최초 양산형 전기차'입니다.

 

닛산 리프는 출시 때부터 선풍적인 인기를 끌었고, 2019년까지 전세계에서 40만대가량 판매되었습니다. 물론 이제는 다른 전기차들에 밀려 이렇다할 성과를 내지는 못하고 있지만요.

 

리프에 장착된 AC 전기 모터(2019년형, 리프 2세대)는 최고출력 110kW, 최대토크 320Nm의 힘을 발휘합니다. 2017년 출시한 2세대의 경우 40kWh의 배터리를 장착해서 한 번 충전으로 231km를 달릴 수 있습니다.

 

모터는 Nissan EM Motor  'EM57'입니다. 닛산에서 생산한 모터로 2013년부터 리프 모델에 장착되었는데요. 이전, 그러니까 리프가 처음 나온 2010년에는 'EM61'이었습니다.

 

네오디뮴 영구자석을 사용하는 3상 AC(교류) 동기식 모터이고, 무게는 58kg입니다. 모터 하우징에는 알루미늄 주조체의 3열 병렬수로를 채용한 워터재킷을 사용해 냉각 성능을 확보하였습니다.

 

닛산의 EM61, EM57은 리프 전기차가 지난 10년여 간 전기차 시장에서 승승장구할 수 있게 해 준 원동력입니다.




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