파워의 유혹: xEV와 모터의 기회

IONIQ5 N이 기대되고 있다. 

OEM의 e파워트레인 경쟁이 본격화되면서 더욱 다양한 모터, 기술에 성장기회가 제공되고 있다. xEV의 무게 추가 풀 하이브리드에서 배터리 전기차로 급반전되면서 200 kW급 싱글모터, 450 kW-듀얼모터 이상이 전기차 경쟁 기준이 되고 더 출력 높은 고성능 모터 개발, 채택, 이를 뒷받침하는 주변기술이 요구되고 있다. 

글 | 한상민 기자_han@autoelectronics.co.kr

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“3개 모터가 있는 차량은 확실히 프리미엄 및 서브 프리미엄 제품입니다. 예를 들어 스탠더드 모델이 아닌 사륜구동은 각 차축에 하나씩 듀얼이면 됩니다. 그러니까 기능적 관점에서 3개 전기모터를 가장 많이 사용하는 모델은 정밀한 제어/차량 다이내믹스를 위한 토크 벡터링 등 0~100배의 성능을 제공하는 프리미엄 혹은 퍼포먼스 카이고, 이런 테슬라 플레이드(Tesla Plaid)나 아우디 E-tron S와 같은 3개 모터 장착 전기차 볼륨은 최소화됩니다. 반면 인휠 모터가 있는 스케이트보드 플랫폼은 최대 4개 모터를 가질 수 있지만, 그 초점은 성능이 아니라 플랫폼 디자인에 중점을 둡니다.”

xEV 전기모터 시장 전망, 그리고 OEM의 차별화 질문에 대한 프로스트앤설리번(Frost & Sullivan)의 바라트 쿠마르 스리니바산(Bharath Kumar Srinivasan) 선임 애널리스트의 답변 중 하나다.

다양한 유형의 전기차에서 전기모터는 구동에 직결되느냐 보조냐, 다른 요소와 함께 어떻게 동작하느냐에 따라 그 사양, 기능, 동작 등 요구사항이 다르다. 예를 들어, 전기모터는 마일드 하이브리드(20 kW 이하), 토요타 프리어스(60 kW)와 같은 풀 하이브리드(20~150 kW)에서 발전, 동력보조, 부분적인 전기주행 등 주로 2차적인 역할을 맡고, 플러그인 하이브리드(40~150 kW)와 배터리 전기차(70~300 kW)에서는 주동력원으로 차량의 중심이 되기도 한다. 특히, 배터리 전기차의 경우는 다른 애플리케이션에 사용되는 모터와 성격이 다른데, 주동력으로 특정 사양을 충족하면서 차량 트랙션에 맞춰야만 한다. 무게에 따라 차량 주행거리에 막대한 영향을 미치기 때문에 작고 가벼워야 하며, 고효율, 고전력밀도, 효율적인 회생제동, 견고성, 낮은 유지보수성, 신뢰성 등이 요구된다.

모터를 차량 아키텍처에 따라 구분해보면, 모터가 전기구동 모드 없이 벨트를 통해 엔진과 연결돼 스타터 제네레이터 역할을 하는 P0, 엔진 크랭크샤프트에 연결돼 동력보조 역할을 하며 비용 효율적인 CO2 저감 솔루션이 되는 P1(마일드 하이브리드), 엔진과 트랜스미션 사이 인풋 샤프트에 연결돼 발전과 전기구동을 하는 P2(풀 하이브리드), 트랜스미션 출력 부분에 위치해 전기주행에 유리한 P3(플러그인 등 하이브리드), 모터가 액슬에 바로 연결되는 배터리 전기차나 AWD 하이브리드에 대한 P4 아키텍처에 따라 달라진다.   

메이커들은 그동안 30~60 kW급 모터를 풀 하이브리드, 플러그인 하이브리드, 배터리 전기차 전반에 걸쳐 사용해왔고, 60~100 kW급 모터를 플러그인 하이브리드와 배터리 전기차, 100~150 kW 이상을 배터리 전기차에 주로 장착해왔다. 해당 모터의 멀티 EV 선택은 메이커들의 파워트레인 정책, 특히 풀 하이브리드 이상 고전력 애플리케이션에 대한 규모의 경제 및 개발기간 단축을 위한 멀티 아키텍처 접근 방식 때문이었는데, 그 접근 중심축이 시장의 변화에 따라 풀 하이브리드에서 배터리 전기차로 이전되면서 더욱 출력이 높고 일부 고성능 모델을 통한 차별화 전략으로 다양한 모터와 주변 기술에 기회가 돌아가고 있다. 




쉐보레의 2024 이쿼녹스는 180 kW(242마력) 싱글 모터, 블레이저 SUV의 경우엔 퍼포먼스 ‘SS’ 배지를 단 쉐보레 최초의 EV가 될 것으로 듀얼 모터 최대 580마력이 예상된다. 



내재화된 모터  

“모터는 모터 애플리케이션 관점에서 차이가 더 큽니다. 따라서 마일드 하이브리드용 소형모터 대부분이 아웃소싱되는 동안 고전압 모터는 대개 메이커의 인하우스에 있습니다. OEM은 볼륨이나 프리미엄 메이커에 관계 없이 플러그인 하이브리드와 배터리 전기차 모터 IP를 인하우스화해 미래 요구와 수요를 해결하는 동시에 그들의 모터를 최대한 차별화하고 최적화하려고 합니다.”

프로스트앤설리번의 조사에 따르면, 현대기아차를 제외한 모든 OEM이 마일드 하이브리드 모터의 개발, 제조를 아웃소싱하는 동안, (포드를 제외할 때) 거의 모든 메이저 OEM이 전기차를 위한 전기모터 개발, 생산 역량을 확보하고 있다. 

BMW는 배터리 전기차용 모터를 직접 개발 제조, 폭스바겐은 배터리 전기차와 플러그인 하이브리드를 위한 모터 개발, 생산을 인하우스화 했다. 다임러는 배터리 전기차와 플러그인 하이브리드 모터 개발을 조인트벤처를 통해 하고 제조는 아웃소싱한다. 현대기아차는 풀 하이브리드부터 배터리 전기차까지 현대모비스를 핵심 서플라이어로 모터 개발, 생산을 모두 내재화했다. 전기차의 파이오니어로 나섰던 르노-닛산-미쓰비시, GM은 물론, 하이브리드 카에 비중을 두고 배터리 전기차에 소극적이었던 일본의 토요타, 혼다 등도 이미 배터리 전기차용 모터 개발, 생산을 내재화했다. 테슬라도 직접 모터를 생산한다.    

프로스트앤설리번의 스리니바산 애널리스트는 “일반적으로, 전기차에서 가장 중요한 요소는 모터가 아니라 전체 차량 비용과 주행거리에서 차지하는 역할을 고려할 때 배터리입니다만, 전기모터가 점점 더 원동기(prime-mover) 역할을 하고 있다는 점에서 각각의 OEM에 특정한 전기모터 성능 및 동작은 잠재적으로 고유의 강점이 될 수 있습니다”라고 말했다.  




지난 10년간 xEV 판매 추이(위) 및 2020년도 타입별 판매량(아래),  출처 | Frost & Sullivan





PM or non-PM         

구동모터는 일반적으로 영구자석 동기모터(PMSM)와 비동기 유도모터(IM)가 지배적이다. 하지만 갈수록 희토류 사용을 줄이고 자석 없는(비용과 환경) 모터 사용에 중점이 맞춰지고 있다. 

“비영구자석 모터와 비교해 PMSM은 더 높은 성능과 전력 밀도를 제공합니다. 동일한 출력에 대해 더 작은 패키지를 제공합니다. 비영구자석 솔루션을 고려하는 목적은 환경에 더 큰 영향을 미치고 마지막으로 가격 변동성과 같은 관련 위험을 초래하는 지리적 종속성을 갖는 희토류 물질에 대한 의존도를 줄이는 것입니다. AC 유도, 외부여자형 동기모터(EESM) 및 릴럭턴스 모터는 PM이 아닌 대안 솔루션으로 고려되고 있습니다. 또 다른 옵션은 희토류가 없는 영구자석입니다. 그러나 적어도 예측 가능한 미래 동안 PMSM 선호는 지속될 것입니다.”

비동기 유도모터(IM)는 저비용, 고신뢰성, 고속 연속운전 적합성을 통해 배터리 전기차의 주동력 중 하나이고, PMSM, EESM 등 동기식 모터는 높은 비용에도 불구하고 탁월한 효율성, 더 높은 전력 밀도, 스타트-스톱 애플리케이션 적합성을 통해 광범위한 xEV 애플리케이션으로 많은 OEM의 선택을 받고 있다. 
자석과 희토류 의존도를 없애거나 줄일 수 있는 스위치드 릴럭턴스 모터(SwRM), 동기 릴럭턴스 모터(SynRM)나 하이브리드 PM 스위치드 릴럭턴스 모터(PM-SwRM), 하이브리드 PM 동기 릴럭턴스 모터(PM-SynRM) 등 릴럭턴스 모터(RM)도 각광받기 시작했다. 이런 모터는 트랙션 요구와 매우 일치하는 우수한 토크-속도를 특성으로 한다. 

특히, 이같은 이동은 영구자석 모터 비용의 30~50%가 자석인데다, 희토류에 대한 중국의 통제력(전 세계 공급의 약 60%)이 모터 가격에 심각한 영향을 미칠 수 있기 때문이다. 이에 따라 모든 OEM, 공급업체가 희토류 사용 저감을 위해 자석을 사용하지 않는 모터 개발에 적극적이다. 게다가 이런 영구자석 없는 모터 시스템은 조정 가능성이 높고 넓은 범위에서 높은 효율을 제공하는 데다 2단 변속기 사용을 제거할 수 있는 옵션도 제공한다.




95% 효율을 자랑하는 말레의 희토류-프리 트랙션 모터     



그동안 르노와 테슬라 정도를 제외하면, BMW, 다임러, 포드, GM, 현대기아, 닛산, 스텔란티스, 토요타, 볼보, 폭스바겐, 중국의 OEM 등 거의 모두가 영구자석 모터를 선호했지만, 현대기아, 토요타, 혼다, 스텔란티스는 희토류 없는 영구자석, BMW와 르노는 외부여자형, 다임러, GM, 닛산, 폭스바겐은 유도모터, 테슬라는 릴럭턴스 모터(영구자석을 사용하는 하이브리드형) 등 대체 모터기술을 추구하고 있다. 예를 들어 르노는 조에(ZOE)를 통해, BMW는 iX의 5세대 e파워트레인에 자체 개발한 외부여자형 모터를 선보였다. 토요타의 경우는 네오디뮴 50%를 란타넘과 세륨으로 저감했다. 

BMW의 경우 2013년 i3의 하이브리드 아키텍처의 PMSM에서 2020년 소형의 BEV용 5세대 파워트레인을 위한 EESM으로 이동했는데, 그 결과 모터 속도는 11,400 rpm에서 16,000 rpm으로, 출력과 토크는 125 kW/250 Nm에서 90~300 kW/200~500 Nm로 대폭 향상됐다. 중량을 48.4 kg으로 유지하면서 전력밀도를 30% 늘렸다. 

스리니바산(Bharath Kumar Srinivasan) 애널리스트는 “가장 최근에 본 인상적인 모터 중에는 BMW, 말레(Mahle)의 외부여자형 모터와 테슬라의 영구자석 동기형 릴럭턴스 모터가 있습니다. 또, e프로펠트(ePropelled)는 전기모터의 효율성을 개선하기 위해 보편적으로 적용할 수 있는 권선 설계와 소프트웨어를 포함하는 혁신적인 솔루션을 보유한 회사입니다”라고 소개했다. 


 

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직각권선  
차세대 모터 개발의 핵심기술 중 하나는 직각권선(rectangular windings)이다. 모서리가 둥근 직사각형 와이어의 지오메트리는 전기차의 효율성과 열 제거 기능을 증가시키기 위한 사실상의 권선 표준 유형으로 빠르게 자리 잡았다. 스테이터의 충전율은 원형 와이어의 약 75%와 비교해 최대 90%에 도달하기 때문에 전류 전달 능력이 매우 높다. 또 전기모터를 효과적으로 소형화해 무게와 크기를 줄이도록 한다. 충전율이 높으면 저항도 낮아져 열 손실이 줄어들고 더 안정적인 작동이 보장된다. 전기자 온도가 10~15도까지 감소된다. 더 열 성능이 좋은 파워트레인, 드라이브트레인이 오랜 기간 더 높은 출력, 토크를 가능케 하는 것처럼 열 제거 영역도 약 30%에서 70% 더 높아져 냉각기능이 향상된다. 이뿐만 아니라, 이 직각권선의 사용 증대는 적증제조와 같은 대체 제조공정을 더 적합하게 만든다. 사진은 2017 쉐보레 볼트 드라이브 유닛.

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Axial Flux motor    

“축방향 자속 모터와 같은 새로운 디자인은 마켓셰어 증가에 도움이 되는 증가된 전력밀도를 제공합니다.”

최근에 핫한 모터 기술 중 하나는 축방향 자속 모터(Axial Flux motor)다. 이 기술은 손실 감소, 고전력 밀도의 소형 패키지를 가능케 해 고유한 솔루션을 제공하려는 OEM에게 매력적인 기술이 되고 있다. 
특히, 모터 길이가 방사형 자속 모터의 절반에 불과하고 직경이 약간 더 크기 때문에 낮은 중량과 볼륨을 통해 컴팩트한 패키지를 가능하게 한다. 이에 따라 이 모터는 퍼포먼스 애플리케이션을 위해 여러 모터를 함께 사용할 수 있게 한다. 특히, 방사형 자속 모터 대비 최소 3배 이상의 높은 전력밀도는 모터 중량을 혁신적으로 저감한다. 

이와 함께 요크리스(yokeless) 디자인은 자석, 구리, 고정자 철 등의 재료의 30~60%, 수반 손실 감소를 통해 주행거리를 늘린다. 큰 직경은 더 낮은 작동 속도, rpm에서 더 높은 토크를 제공한다. 

이런 이유로, 예를 들어 축방향 자속 모터기업 YASA는 2021년 7월 메르세데스 벤츠에 인수됐고, 그 솔루션은 AMG의 퍼포먼스 전기차(AMG.EA) 전용 플랫폼에 채택됐다. YASA는 160 kW와 200 kW 모터 라인을 갖고 있는데, 향후 메르세데스 벤츠와 함께 다양한 라인업을 선보일 것으로 보인다. 또, 르노의 하이브리드 파워트레인은 와일럿(Whylot)의 모터를 사용할 예정이다. 

이 밖에도 축방향 자속 모터기업으로는 벨기에의 마그낙스(Magnax)를 비롯해 아비드 테크놀러지(Avid Technology), 매질렉(Magelec), 하인즈만(Heinzmann), 파이파워(Phi Power AG), 맥스웰(Maxxwell) 등이 있다. 축방향 자속 모터는 고성능 차량 및 특정 하이브리드 애플리케이션과 함께 각광 받을 전망이다. 




축방향 자속 모터기업 YASA는 2021년 7월 메르세데스 벤츠에 인수됐고, 그 솔루션은 AMG의 퍼포먼스 전기차(AMG.EA) 전용 플랫폼에 채택됐다. 



열 관리  

모터는 가까운 장래에 특정 출력의 요구, 기술 업그레이드를 충족하기 위한 재료 및 제조기술의 개선이 요구된다. 프로스트앤설리번에 따르면, 미 환경부(DoE)와 중국 NEV 기술 로드맵에 따라 2025년까지 35~50 kW/l 이상 전력밀도, 25,000 rpm 이상, 95% 이상 모터 효율, kW 당 3.3~4달러 이상이 요구된다. 또, 모터 하위 시스템에서는 더 높아진 발열에 대한 향상된 열 관리, 높아진 rpm 충족 기능, 더 빠른 트랜션트 처리 능력, 저마찰 및 NVH 성능, 가변 주파수 드라이브(VFD) 사용 증가로 인한 누설 전류 대책 등이 요구된다. 

스리니바산 애널리스트는 “전기모터의 기본 기술은 지난 수십 년 동안 대체로 안정적이었습니다만, 변경된 것은 VFD의 사용 또는 인버터입니다. 처음에는 (산업용 애플리케이션을 위해) 더 낮은 비용과 향상된 신뢰성을 갖춘 VFD의 개발이 주요 돌파구였습니다. 또, 추세의 지속은 탄화규소 및 질화갈륨과 같은 와이드 밴드갭 소재를 사용해 차량용 애플리케이션을 위한 VFD의 소형화입니다. 이런 소재는 더 빠른 스위칭과 더 높은 동작전압을 허용해 열 손실을 줄입니다”라고 말했다.

배터리, 전자장치 등 자동차의 모든 부분에서 핵심 관리영역이자 비용문제가 되는 열은 전기모터에서도 마찬가지로, 전기모터의 출력이 증가하고 소형화에 대한 요구가 증가함에 따라 모터의 긴 수명을 보장하기 위한 방열 대책이 더욱 중요해졌다. 전기모터의 손실은 코어 손실, 기계적 손실 및 구리 손실로 인한 것인데, 이 모든 것은 전기모터 부품의 최적 온도보다 높은 온도 때문에 발생한다. 또 고온에서 모터가 장시간 작동하면 자석 및 권선의 특성에 영향을 미치고 결과적으로 전체 성능이 시간이 지남에 따라 저하된다.  

따라서 열 관리는 필수이고 전기모터의 쿨링은 트랜션트 동작 한계에 가깝게 전기모터의 동작 경계를 강화하고 전력밀도를 증가시켜 동일한 전력에 대해 모터 크기를 소형화하는 상당한 이점을 제공하는 핵심이다. 
쿨링 솔루션은 애플리케이션에 따라 다르지만, 일반적으로 공랭식, 액냉식, 나노입자가 포함된 오일냉각으로 분류되는데, NREL(National Renewable Energy Laboratory)에 따르면 냉각 솔루션의 유무에 따라 전기모터는 중량을 15~30%, 전력밀도를 20~50%, 비출력(kW/l)을 100~300% 토크 밀도를 100~300% 향상시킬 수 있다. 

현재 OEM에서 수냉은 전기모터의 표준 냉각방식이고 오일 또는 ATF가 대안이 되고 있다. 공랭식은 간헐적 작동과 낮은 출력을 가진 마일드 하이브리드 애플리케이션으로 제한된다. BMW와 다임러는 배터리 전기차에 수냉, 플러그인 하이브리드에 각각 냉각수 또는 트랜스미션 오일, 스테이터 및 로터 쿨링 방식을 채택하고 있다. 폭스바겐은 액냉이면서 배터리 전기차에서는 로터 쿨링을 추가한다. 테슬라, 토요타, 현대기아차의 배터리 전기차는 오일쿨링, 포드의 전기차는 오일 및 액냉방식이다. 

“IC 엔진과 마찬가지로 전기모터도 소형화, 고속 동작 모터로의 추세에 따라 소형화되고 있습니다. 이를 달성하기 위해서는 개선된 열 관리와 감소된 손실이 중요 영역입니다. 공랭식 모터는 이제 저전력 애플리케이션으로 제한되는 반면, 고전력 모터는 오일 또는 냉각수 기반 액냉방식을 사용합니다. 배선 설계 관점에서는 우리는 스테이터 권선 슬롯의 충전율을 향상시키는 직각 와이어링으로의 이동을 보고 있습니다. 또, 적층제조는 개선된 권선 설계를 위한 전기모터 설계에 점점 더 적합해지고 있습니다.”


 

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전기모터 베어링 
xEV로의 전환은 새로운 차원의 베어링을 요구한다. 모터 속도가 30,000 rpm에 도달하면서 전체 시스템 중량을 증가시키지 않으면서 더 높은 출력에 대해 지속적으로 증가하는 수요를 충족시키기 위해 베어링은 더 높은 힘을 처리하면서 더 개선된 레이스웨이 지오메트리가 필요하다. 또, 내연기관보다 더 빨라진 트랜션트로 베어링은 미끄러지지 않으면서 전기모터의 빠른 가감속을 처리할 수 있도록 설계돼야만 한다. 높은 rpm은 열과 부하를 증가시켜 사용 중인 윤활유 외에 디자인, 소재, 특성 개선의 요구를 높인다. 고속, 트랜션트에 대한 더욱 강화된 마찰 손실 최소화, NVH 감소가 중요하다. 고전압 및 빠른 스위칭에서 발생하는 누설 전류는 표면 피팅으로 인한 조기 고장을 피하기 위한 절연이 요구된다. 사진은 SKF 베어링.

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늘어나는 고출력 모터 

프로스트앤설리번에 따르면, 전 세계 xEV 전기모터 시장은 2025년 총 3,600만 대, 2030년 6,600만 대 시장이 예상된다. 특히 이는 두 가지의 뚜렷한 전기화, 배터리 전기차와 마일드 하이브리드의 성장과 함께 한다. 

유럽 OEM은 비영구자석 모터와 하이브리드 모터에 관심을 보여왔고, 특히 다른 지역에 비해  EESM 비중(2030년 약 8%)이 높을 것으로 전망된다. 유럽의 모터 수요는 엄격한 이산화탄소 기준과 전기화에 대한 막대한 투자로 단기적으로는(~2025년) 마일드 하이브리드, 장기적으로는(~2030년, CO₂ 배출 60 g/km 이하) 배터리 전기차가 주도할 전망이다. 특히, 배터리 전기차의 경우 하나 이상(1~3개) 모터가 장착되기 때문에 모터 수요에 영향력이 크다. 유럽의 플러그인 하이브리드는 장기적으로도 배터리 전기차의 지원 역할에 그칠 것으로 보인다.   

미국의 파워트레인 전기화는 그동안 풀 하이브리드가 지배적이었고 다른 핵심 지역에 비해 느리게 진행됐지만, 새 정부의 전기차 정책과 함께 모터 판매량을 배터리 전기차가 주도할 전망이다. 특히 미국은 다른 지역보다 더 높은 출력의 차량을 요구하기 때문에 100~150 kW, 150~250 kW, 그 이상의 고출력 모터 비중이 높고, 멀티 모터 배터리 전기차의 높은 판매가 예상된다. 또, 주목할 점은 미국에서 테슬라의 시장 입지와 테슬라의 유도모터 및 PMRM에 대한 선호가 PMSM에 큰 영향을 미칠 것이란 점이다.  

한편, 타 지역 대비 중국은 >150 kW 모터 점유율이 가장 높고, 60~150 kW 모터 점유율이 가장 낮은 양극화 시장이 예상된다. 듀얼, 트라이 모터 뿐 아니라, 소형 시티카 시장이 매우 커 타 시장과 달리 저전력 모터(2030년 약 25%) 수요가 두드러질 것으로 보인다.  

마지막으로, xEV 전기모터 시장 전망 관련 볼륨 OEM의 차별화 전략에 대해 스리니바산 애널리스트는 “볼륨 메이커의 고성능 모델은 기술의 전시, 광고 이후 실제 기술 중 일부가 적용된 볼륨 모델을 홍보하는 데 도움이 됩니다. 또 그들은 EV 스타트업과도 경쟁할 수 있습니다. 하지만 이는 그들의 초점, 타깃이 아닙니다. 신생기업의 경우 시장에서 눈에 띄고 고유의 강점을 보유하는 것이 더 중요하기 때문에 고성능 모델에 더 집중할 필요가 있습니다만, 볼륨 또는 기존 OEM의 경우 대중시장에 더 초점을 맞춥니다. 지금 프리미엄 메이커는 테슬라의 모델 3와 같은 모델, 제안되고 있는 20,000달러 수준의 저렴한 대중시장 모델을 만들 수 있고, 볼륨 메이커는 고성능 모델을 위해 스포츠 또는 퍼포먼스 부서를 가질 수 있습니다. 성공은 그들이 가져올 차별화에 달려 있습니다. 또, 예를 들어, 코너 모듈과 같은 요소도 답이 될 수 있습니다”라고 말했다.





피스커의 SUV 오션 스포츠는 205 kW(275마력) 싱글 모터, 오션 원은 410 kW(550마력, 제로백 3.6초) 듀얼 모터로 구동한다.     

EV6 GT는 430 kW 듀얼 모터로 584마력(일반 모델 168 kW, 229마력)을 발휘한다. 제로백은 3.5초, 최고속도는 260 ㎞/h다. 

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AEM_Automotive Electronics Magazine