전기동력 자동차는 Teardown 벤치마크 분석을 통하여 시스템 단위부터 크게 전동 파워트레인, 열관리, 섀시, 내외장 및 차체로 구분하여 모듈, 부품 및 소재 단위까지 분석을 진행하였다. Teardown 벤치마크 분석 정보의 기술적 의미를 정확하게 해석하기 위하여 차대 동력계를 활용하여 MCT(Multi-Cycle Test) 모드 주행 1충전 주행거리 평가, 급속 및 완속 충전 성능 평가를 병행하여 현재까지 출시된 글로벌 완성차 메이커의 전기동력 자동차의 기술 수준을 분석하였다.
내연기관 자동차에서 전기자동차로 전환되는 과정에서 그 차이점을 시스템 관점으로 <그림 4>와 같이 내연기관의 엔진이 전기자동차의 모터로, 화석연료가 Li-ion 배터리로 전환된 것이라고 할 수 있지만, 이러한 접근은 해당 부품군이 사라지는 것으로만 이해될 수 있으며, 전기자동차의 본질을 이해하고, 이를 바탕으로 현재의 기술 수준을 분석하고, 향후 기술을 전망하기 위해서는 내연기관 대비 전기자동차의 구동 메커니즘의 차이를 이해해야 한다.
내연기관 자동차의 엔진의 경우에는 구동에 필요한 토크의 회전속도 대비 크기가 <그림 5>의 a)와 같이 제한되는 특징으로 엔진만으로 구동할 수 없기 때문에, 회전수에서는 손해를 보더라도 구동 부하를 극복하기 위하여 변속기가 반드시 적용되어야 한다. 그러나 전기자동차의 구동 모터는 전압과 주파수를 동시에 제어하는 인버터와 종감속 기어만을 사용하여도 자동차의 구동에 필요한 이상적인 견인 구동 토크를 구현할 수 있다.
전기자동차 모터의 이상적인 구동 견인 토크 곡선에 회전수를 곱하면 전기자동차의 출력이 되며 토크, 회전수 및 출력의 관계를 이해하면 이를 바탕으로 현재 전기자동차의 기술 수준과 향후 구동 모터가 어떻게 발전할 것인지부터, Li-ion 배터리의 전압, 전력변환 인버터의 스위칭 주파수 상승, 통합 열관리 필요성 및 경량화의 의미까지 파악할 수 있다.
전기자동차 구동의 핵심인 모터의 최고 효율은 기계손을 제외하고, 유도모터 96%, 영구자석 동기모터는 98% 수준으로 효율 향상을 통한 전비 개선의 여지는 크지 않다. 모터의 출력은 다양한 방법으로 변경할 수 있다. 모터를 구성하고 있는 전기강판, 구리 및 영구자석 소재의 제조 기술과 특성이 동일한 수준에서 모터의 출력을 높이기 위해서는 모터의 회전자 직경 확대, 고정자 인가 전류 상승 및 모터의 회전수 상승 등을 적용할 수 있다. 모터의 회전자 직경이 커지는 경우에는 동일한 특성의 소재를 적용할 경우 모터의 크기가 커지면서 효율이 낮아지는 문제점이 발생할 수 있다. 고정자에 인가하는 전류의 밀도를 향상시키는 방법의 경우에는 동손 증가로 인한 발열과 전기강판의 자기장 포화로 인한 한계가 발생할 수 있다.
전기자동차 구동 모터를 구성하고 있는 소재의 특성은 그대로 유지하고, 모터 회전자의 크기를 줄여서 토크를 30% 정도 낮추는 대신 기존 최대 10,000rpm 회전수에서 20,000rpm으로 회전수를 상승시키게 되면 출력은 60% 높아지는 것이 가능할 수 있으며, 이러한 변화를 지난 10년간의 Teardown 벤치마크를 통하여 확인할 수 있었다.
1세대 전기자동차의 경우에는 400V 수준의 고전압 배터리가 적용되었으나, 현재는 고전압 배터리의 전압을 800V 이상으로 적용하는 사례가 증가하고 있다. 전기자동차의 배터리의 전압이 상승하면 고속 회전에 유리하며, 초기 구동 토크가 낮아지더라도 배터리 전압이 상승하여 일정 토크 운전 영역이 길어지기 때문에 출력이 높아질 수 있다.
전기자동차의 고전압 배터리의 전압이 상승하면 구동 모터의 회전수 상승에 유리하며, 동일한 전류를 적용할 경우 충전 시간이 단축되는 장점도 있지만, 가장 큰 장점은 동일한 출력에서 전류가 전압 상승에 비례하여 감소하며, 이로 인하여 전류의 제곱에 비례하는 손실이 줄어들기 때문에, 배터리의 전압이 2배 상승할 경우 손실은 이론적으로 75% 저감시킬 수 있는 것이다.
그러나, 전기자동차의 고전압 배터리의 전압이 400V에서 800V 이상으로 상승하면 절연 파괴에 의한 부분 방전의 문제와 고전압 배터리의 전원을 단속하는 커넥터의 고장률이 높아질 수 있는 단점을 해결해야 한다.
전기자동차의 인버터는 전력변환 소자를 활용하여 고전압 배터리의 직류를 3상의 교류로 변환하는 PWM(Pulse Width Modulation) 제어를 기본으로 다양한 방식으로 모터를 구동하고 있다.
1세대 전기자동차에 적용된 인버터의 전력변환 소자는 Si 기반의 IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor) 소자이며, IGBT 소자의 스위칭 주파수는 최대 10㎑로 모터의 최대 회전수 10,000rpm 수준에 적합한 전력변환 소자이다.
전기자동차의 구동 모터가 더욱 고속화되고, 효율 상승을 통한 1충전 주행거리 향상이 전기자동차의 상품성을 좌우하게 되면서, 스위칭 주파수를 이론적으로는 100㎑까지 높일 수 있으며, 실제로는 20㎑ 수준을 적용하는 와이드 밴드갭인 SiC 기반의 MOSFET 전력변환 소자의 적용이 지속적으로 늘어나고 있다.
인버터의 전력변환 소자의 스위칭 주파수를 높이게 되면 모터의 고속회전에 유리하며, 스위칭 시 발생되는 손실을 줄일 수 있을 뿐만 아니라 스위칭 주파수가 높을 경우 변환된 교류의 정현파의 품질을 향상시킬 수 있다.
전기자동차 파워트레인의 핵심인 배터리, 인버터 및 모터 모두 열관리 온도에 따라서 성능이 크게 차이가 나며, <그림 9>에서 확인할 수 있듯이 차대 동력계를 활용하여 동일한 전기자동차에서 외기온도 20~25℃의 춘추 조건과 외기온도 35℃의 혹서기 조건에서 토크 및 출력에서 확연하게 성능 차이가 발생하는 것을 확인할 수 있다.
<그림 9>의 성능 비교 결과는 모터의 최대 회전수가 10,000rpm이며, IGBT 소자가 적용된 전기자동차의 결과이며, 전기자동차의 모터 회전수가 더욱 상승하고 전력변환 소자가 SiC MOSFET으로 변경되는 경우에는 인버터 및 모터의 발열이 더욱 심하게 될 수밖에 없기 때문에, 이를 제어하기 위하여 다양한 방법의 열관리 시스템이 적용되고 있으며, 향후에는 버려지는 열까지 회수하는 히트 펌프가 적용된 통합 열관리 시스템의 적용이 늘어날 것으로 예상된다.
현재 승용으로 적용되고 있는 전기자동차의 구동 모터는 인버터와 종감속 기어를 사용하여 자동차 구동에 필요한 이상적인 구동 견인 토크를 구현하고 있기 때문에 종감속 기어 및 디퍼렌셜 기어 이외의 변속기를 필요로 하지 않는다.
그러나 구동 모터가 소형화되고 회전수 상승을 통한 출력 향상 기술이 지속적으로 적용되어서 토크가 더욱 낮아지게 되면, 대형 버스 상용차에서 우선적으로 변속기를 적용하는 것이 더 효율적일 수 있다. 그러나 기존의 내연기관 변속기 소재와 제조 공법으로는 20,000rpm 이상의 회전수와 토크 대역 변화에 대응하는 것이 기술적인 한계에 도달할 수 있으며, 이에 대응할 수 있는 고속회전 대응 변속기 소재와 다양한 가공 공법의 개발이 필요할 것이다.
전기자동차의 경량화라고 하면 대부분 단순한 차체의 경량화라고 생각하며, 구동 모터의 고속화와 관계가 없어 보일 수 있지만, 경량화는 구동 모터의 초기 구동 견인 토크가 낮아질 수 있게 만들 수 있는 핵심 기술이다. 즉 경량화를 통해 모터의 토크를 낮추어도 초기 구동이 가능하게 하고, 최적화된 토크 및 출력을 구현하는 파워트레인을 바탕으로 경제적이고 효율적인 전기자동차가 될 수 있게 한다.
진정한 경량화는 경량 소재를 적용하는 것이 아니라 적재적소에 알맞은 소재를 적용하는 것이며, 전기자동차의 경량화도 중요하지만, 경량화의 효과가 차체 대비 10배 이상 높은 구동에 관계되는 파워트레인과 현가 하질량(Unsprung Mass)에 해당하는 섀시 부품의 경량화가 더욱 중요해지고 있다.
글 / 성시영 (케이에이앱스)
출처 / 오토저널 2025년 7월호
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