인휠 모터는 차세대 구동 장치로서의 가능성을 꾸준히 타진해왔다. 인휠 모터는 구동력을 직접 바퀴에 전달하기 때문에 에너지 효율이 높다. 아직 적용 예는 적지만 적용 가능성을 높여가는 방향으로 개발이 진행 중이다. 

환경문제에 대한 관심과 인식이 높아지면서 자동차의 환경 성능에 대한 요구가 증가하고 있다. 이로 인해 전기화(diversification)가 자동차 산업의 주요 트렌드가 되면서 하이브리드 전기차(HEV), 배터리 전기차(BEV), 연료전지차(FCV)와 같은 자동차 구동 시스템의 다양화가 이뤄지고 있다.
 

구동 장치의 ‘혁명’

자동차의 차체 구조와는 독립적으로 다양한 구동 시스템에서 동작할 수 있는 인휠 모터(In-wheel motor)의 역사는 생각보다 깊다. 1890년대 페르디난트 포르쉐로 거슬러 올라간다. 

각 바퀴에 장착되는 인휠 모터는 엔진과 같은 파워트레인 부품을 없애고 각 바퀴의 구동력을 제어할 수 있다. 토크 벡터링(torque vectoring)과 유사한 방식으로 각 바퀴의 구동력을 독립적으로 제어한다. 때문에 환경 성능, 안전성, 편의성을 향상시키고 차체 무게를 줄일 수 있다. 또한 전기차의 단점인 동력 손실 문제를 해결하고 실내 공간을 추가 확보할 수 있다.
 

그러나 인휠 모터 시스템은 정밀 제어가 어렵고 구조가 복잡하다. 다수의 모터를 제어해야 하기 때문에 고성능 프로세서와 정밀 센서가 뒷받침되어야 한다. 또한 가속 및 언덕 주행에 필요한 큰 구동 토크와 충분한 최대 속도를 달성하기 위해 원하는 대로 모터 사이즈를 늘릴 수 없다. 모터와 배터리를 연결하는 전원 케이블과 신호 도선의 단선 문제도 인휠 모터의 실용화를 막는 걸림돌이다. 때문에 일부에서는 무선 인휠 모터 개발도 진행하고 있다.
 

상용화 초읽기

ProteanDrive PD18 및 PD16 인휠 모터로 잘 알려진 프로틴 일렉트릭(Protean Electric)은 자동차 산업에서 인휠 전기 구동 솔루션의 개척자로서 최근 100번째 특허를 획득했다. 이 회사는 현재 출원 중인 특허를 포함해 150개 이상의 특허를 보유하고 있다. 약 70건의 발명품과 관련된 전 세계 특허는 아시아, 유럽, 북미 시장에서 ProteanDRIVE® 기술로 보호받고 있다. 지난 3월에는 상업용 트럭, 트랙터, 트레일러를 위한 전기 인휠 구동 시스템을 개발하기 위해 휠 엔드(wheel end) 솔루션 회사인 코멧(ConMet)과 제휴를 맺었다.
 

국내 변속기 전문업체인 엠비아이는 지난 3월 ‘차동장치 통합형 모터2단변속기’를 개발한 데 이어, 차동장치 내부에 2단 변속 모듈을 내장한 전기차용 ‘차동장치 통합형 모터2단변속기’를 개발하는 데도 성공했다.

이번에 개발한 ‘인휠형 모터2단변속기’는 기존의 타이어휠 내부에 설치돼 저속1단, 고속2단의 동력을 전달하는 고출력 고효율 제품으로, 기존의 바퀴 속에 2단 변속 시스템을 내장한 것은 전 세계에서 최초다.

테슬라, BYD 등 주요 전기차 회사들은 전기차를 위한 2단변속기 개발에 실패해 대신 2개의 감속 모터를 채용하고 있는 실정이다. 이들 업체는 하나의 감속 모터 만으로는 언덕길 등판 능력이 현저히 떨어지고 주행거리도 짧으며 배터리 소모량도 커, 차선책으로 감속 모터를 2개로 늘리고 구동 시스템과 차체를 전면 재설계했다.
 

엠비아이가 개발한 인휠형 모터2단변속기는 등판 시 고 출력으로, 정속 주행 시 고효율을 내는 제품으로 내연기관차의 엔진 역할을 하는 강력한 초슬림 모터 2단변속 모듈을 내장했고 외부 충격흡수와 내구성까지 갖췄다. 각각의 바퀴에 모터와 변속기가 내장돼 각기 동력을 생산할 수 있기 때문에 90도 직각 주차나 360도 회전은 물론, 인휠 동력 바퀴 모듈만 교체하면 쾌적한 세단이나 첨단 스포츠카, 4륜 구동차로 쉽게 변신할 수 있다.

엠비아이의 유혁 대표는 “차동장치 통합형 모터2단변속기와 인휠형 모터2단변속기는 자율주행 기술과 더불어 자동차 업계의 패러다임을 바꿔놓을 양대 핵심기술로, 이번에 엠비아이가 세계 최초로 개발에 성공함에 따라 전기차 대중화가 10여년 이상 앞당겨질 것”이라고 말했다.

지난 2010년부터 인휠 시스템을 개발해온 현대모비스는 현재 기아자동차 레이 전기차와 현대자동차 쏘나타 하이브리드에 인휠 시스템을 장착해 신뢰성 검증 등 다양한 테스트를 진행하며 완성도를 높이고 있다. 현대모비스가 개발에 성공한 모델은 인휠형 모터감속1단 제품이다. 현대자동차는 2020년 인휠 모터를 장착한 차량을 상용화할 계획이다.

 
지난 1월 일본 베어링 제조업체인 NSK도 변속기가 내장된 전기차용 인휠 모터를 선보였다. 16인치 바퀴 안쪽에 들어가는 NSK의 프로토타입 모터는 2개의 개별 모터와 높은 구동 토크 및 속도를 제공하는 2개의 유성 기어로 구성된 변속기를 통합했다. 

두 모터의 속도 및 토크를 제어함으로써, 변속기 시스템은 가속 중에도 부드러운 기어 변속을 제공한다. 높은 기어 동작에서는 두 모터가 같은 방향으로 회전한다. 그러나 낮은 기어링이 필요할 때는 반대 방향으로 회전한다.
 

NSK는 프로토타입 인휠 모터 개발을 통해 확보한 지식을 바탕으로 감속기가 내장된 허브 유닛 베어링, 일방향 클러치(one-way clutch) 유닛, 소형 케이지 및 롤러 베어링, 내 부식 베어링과 같은 인휠 부품의 상용화를 목표로 하고 있다.

NSK는 지난 4월 도쿄대, 토요전기제조와 공동으로 송전 코일을 설치한 도로에서 인휠 모터에 무선으로 전력을 공급하는 데도 성공했다. 주행 중 도로의 송전 코일과 차량의 수전 코일의 위치를 맞추기 어렵기 때문에 위치 어긋남에 강한 자계 공진결합방식을 채택했다. 수전 코일은 차체가 아닌 인휠 모터에 설치해 송전 코일과의 거리를 짧게 했다.
 

NSK는 인휠 모터의 에너지 회생을 효율화하기 위해 리튬이온 커패시터를 채택했다. 리튬이온 커패시터는 대전력을 처리할 수 있으며 충방전의 반복에 강하다. 구동용 배터리의 용량을 줄이기 위해, 회생 에너지는 구동용 배터리에 충전하지 않고 리튬이온 커패시터에 저장한다. 인버터에 SiC 전력반도체를 사용함으로써 인휠 모터 출력을 바퀴 당 3.3 kW에서 12 kW로 향상시켰다. 실험 차량은 앞바퀴 좌우에 인휠 모터를 장착했지만 네 바퀴 모두 장착하면 출력이 48 kW가 되므로, 미쓰비시의 i-MiEV와 동등한 출력을 낼 수 있다.  
 

AEM_Automotive Electronics Magazine