인휠 모터(In-Wheel Motor)

인휠 모터 시스템이 적용된 전기차 플랫폼

인휠 모터 시스템(In-Wheel Motor System)

인휠 모터 시스템은 전기자동차의 구동 모터가 4개의 바퀴 안에 각각 장착된 자동차입니다.

기존 전기자동차는 내연기관의 엔진에 해당하는 전륜 모터 1개, 후륜 모터 1개가 자동차의 앞뒤로 한 개씩 장착되어 바퀴의 회전축에 전달되는 방식인데 인휠 모터 시스템은 구동 모터가 바퀴마다 따로따로 설치되어 휠 안쪽으로 들어가 있는 형태입니다.

인휠 모터의 형태

기존 전기차와 다른 점은 자동차의 구동계가 4개의 바퀴 휠 안쪽으로 들어가 있기 때문에 앤진룸에 들어가는 PE시스템의 공간이 줄어들어 실내를 더 넓게 사용할 수 있고 조향 기능도 개선됩니다.

자동차의 4개 바퀴마다 조향장치, 현가장치, 구동 모터가 각각 적용되어 4개의 바퀴가 따로따로 구동될 수 있게 됩니다.

자동차의 바퀴는 충격을 많이 받는 부분이기 때문에 인휠모터에 들어가는 장치들은 모두 내구성이 검증되어야 합니다.

특히, 바퀴의 내부에 들어가는 모터에는 냉각시스템, 제동장치, 전기모터, 감속기 등 많은 부품이 들어가야 하는데 고장 없이 오랜 시간 동안 충격을 견디고 주행 가능하게 하는 기술력이 필요합니다.

국내에서는 2024년쯤 양산될 수 있을 것으로 기대합니다.

인휠모터는 이미 오래전부터 개발되어 있지만 내구성 및 여러 가지 개선, 보완할 점이 많아서 아직은 상용화되기에 시간이 더 필요해 보입니다.

최근 현대자동차의 아이오닉5에 장착, 시험 적용된 차량이 공개되기도 하였습니다.

인휠 시스템이 적용된 자동차는 4륜구동으로 적용하게 되면 조향기능 개선에 의한 크랩 드라이빙(Crab Driving), 제로 턴(Zero Turn), 사선 드라이빙(Diagonal Driving), 피봇 턴 드라이빙(Pivot Turn) 등 여러 가지 인휠 시스템 자동차만의 다양한 구동 방식이 가능해집니다.

 

인휠 모터 시스템 장, 단점

장점

공간 활용성 극대화

현대자동차의 기존 E-GMP의 PE시스템이 각 바퀴 안에 들어가는 구조라고 생각하면 됩니다.

PE시스템이 사라지고 그 자리를 실내 공간이나 트렁크 공간으로 활용할 수 있는 장점이 있습니다.

인휠시스템이 적용된 차세대 E-GMP는 바닥 면의 배터리에 4개의 바퀴만 장착된 간단한 구조의 새로운 전기차 플랫폼이 구현될 것입니다.

 

조향효율 극대화

기존 전기차는 차체에 장착된 전기모터로부터 샤프트를 통해 동력을 전달받기 때문에 바퀴의 조향 기능이 한계가 있습니다.

인휠모터를 적용하게 되면 조향장치도 4개의 바퀴마다 별도로 설치되기 때문에 바퀴의 회전 방향이 90도로 꺾여 구동할 수 있는 기능구현이 가능합니다.

 

구동 효율이 좋아짐

내연기관은 연료를 연소하면서 엔진의 열 손실이 발생하고 변속기와 바퀴로 전달되기까지 19%만 효율이 발생합니다.

그에 비해 전기자동차는 발전, 송전을 거처 에너지 변환효울은 56%가 사라지고 최종 37%가 바퀴의 구동력으로 남습니다.

평균적으로 기존 내연기관의 효율은 16~20%이고 전기자동차는 31%인데 약 두배 가까운 효율이 발생합니다.

내연기관은 전기차에 비해 두 배 이상의 이산화탄소를 배출합니다.

이런 에너지변환 효율을 더 높여줄 수 있는 기술이 인휠모터입니다. 전기모터로부터 전달되는 과정이 줄어들어 효율이 더 좋아지는 겁니다. 따라서 연비향상 효과도 기대할 수 있습니다.

드라이브 샤프트와 디퍼런셜 기어 등 기존 자동차의 구동 전달계가 간소화되어 자동차의 무게 또한 줄어듭니다.

차체의 무게는 줄어들지만 인휠모터 자체의 무게가 늘어날 수 있기 때문에 가벼운 인휠모터 시스템을 설계하는 것이 필요한 과제입니다.

 

단점

발열

브레이크 발열, 전기모터 발열, 감속기와 전자 시스템의 발열 등 휠 안쪽에 구동, 제동 시스템을 넣게 되면 높은 열이 발생하게 되고 이를 효과적으로 식혀줄 수 있는 냉각 시스템이 필요합니다.

 

내구성

주행 시 계속되는 진동과 노면으로부터 전달되는 충격에 대한 내구성이 필요합니다.

지금의 도로를 주행하는 자동차의 바퀴에는 브레이크만 휠 내부에 장착되어 있습니다.

브레이크만 충격에 버티면 되는데 인휠모터 적용 시 에는 바퀴 안에 있는 모든 부품이 충격에 버틸 수 있는 내구성이 필요합니다.

 

무게

바퀴 안에 들어가는 부품이 많아지면 바퀴의 무게가 증가하고 바퀴가 무거워지면 승차감, 운동성, 핸들링이 나빠집니다. 따라서 휠 강성이 높아져야 합니다. 그렇게 되면 휠 무게 또한 증가합니다.

현가하질량이 증가하여 진동과 주행 성능을 개선하기 위한 기술이 필요합니다.

현가하질량(Unsprung Mass)

서스펜션의 스프링보다 아래에 위치한 휠과 타이어 등을 포함하는 구조물의 무게를 뜻한다. 즉, 현가하질량은 차량의 현가장치인 서스펜션의 아랫부분에 있는 질량의 총합을 뜻한다. 현가하질량이 줄어들면 불필요한 진동이 감소하기 때문에 주행 성능 개선에 도움을 준다. 또한 바퀴의 관성이 적어지고 타이어의 접지력이 높아지며 핸들링 성능과 승차감이 향상된다. 반대말은 현가상질량이다. 출처-해시넷

 

감속기의 구성이 어렵다

바퀴의 토크를 높이기 위해서 감속기는 필수로 필요합니다.

작은 바퀴에 모든 부품을 넣고도 감속기까지 넣으려면 바퀴 내부의 설계가 어려워집니다.

 

인휠모터 시스템의 가장 큰 숙제는 내구성 검증입니다.

자동차는 아스팔트 길만 주행하는 것이 아니고 비포장도로도 많이 주행하기 때문에 일반 자동차에 인휠모터를 적용하려면 지속적인 진동과 충격에 견딜 수 있어야 합니다.

초기의 인휠모터 적용될 자동차는 아마 근거리 도심 내부 주행용 저속 자동차나 트램 등 포장된 도로만 안정적으로 주행 되는 자동차가 우선 상용화될 것으로 예상됩니다.

 

인휠 모터 시스템의 구동 성능

 

크랩 드라이빙

크랩 드라이빙(Crab Driving)

게가 옆으로 걷는 듯한 모양으로 자동차의 4개 바퀴가 90도로 꺾여서 평행으로 이동하는 구동입니다. 바퀴의 구동 모터가 바퀴 속으로 들어가서 가능한 기능입니다.

앞, 뒤 차와의 간격이 좁을 때 평행주차 할 수 있게 됩니다. 지금의 자동차가 평행 주차를 하려면 넓은 공간이 필요하지만 크랩드라이빙 구동이 가능하다면 좁은 공간에서도 평행주차를 쉽게 할 수 있습니다.

 

제로 턴

제로 턴(Zero Turn)

모든 바퀴가 자동차의 중심을 기준으로 회전하도록 회전 방향을 바꿉니다. 이렇게 되면 자동차는 제자리에서 360도 회전할 수 있게 됩니다. 좁은 길에서 자동차의 방향을 반대로 바꿔 뒤로 빠져나가야 할 경우, 주차 엘리베이터와 같이 앞으로 들어갔다가 뒤로 나와야 하는 경우 편리합니다.

 

사선 드라이빙

사선 드라이빙(Diagonal Driving)

4개의 바퀴가 모두 같은 방향으로 조향하면서 사선으로 주행 되는 기능입니다. 주행 중 차선 변경 등 자동차의 자세를 바꾸지 않고 측면이동이 가능한 구동입니다.

 

피봇 턴 드라이빙

피봇 턴 드라이빙(Pivot Turn)

기존 내연기관의 차량과는 반대로 앞바퀴는 그대로 있고 뒷바퀴가 조향 되어 차량의 뒷부분으로 회전되는 기능입니다. 후진으로 조향이 자유로운 모습입니다.

 

인휠 모터 관련주

핸즈코퍼레이션 – 자동차용 알루미늄 휠 생산업체

케이알모터스 – 이륜차 제조업, 인휠모터 개발 중

에스엔티 모티브 – 전기차 모터 개발업체, 인휠모터 개발 중

HL만도 – 인휠모터 개발 중

피티지 – BLDC모터 개발 업체, 인휠모터 개발 거래 시작

 

인휠 모터 시스템 활용성

현대모비스에서는 이미 인휠모터 시스템을 이용한 이코너(e-Corner)모듈을 개발하여 인휠모터 시스템을 적용한 전기차를 개발 중입니다.

지난 2018년 현대 자동차에서 일렉시티 전기버스를 개발하여 인휠모터 시스템을 적용한 차량이 도로를 달린 적이 있지만 내구성 문제로 이후 사용이 중단되었습니다.

인휠모터 시스템은 내구성 문제 등으로 일반자동차보다는 PBV(목적 기반 자동차)와 같은 저속 도심형 자동차에 먼저 적용될 것으로 예상됩니다.

전동 킥보드에 사용되는 인휠 모터

인휠모터는 이미 전동 킥보드와 전기자전거, 전기 오토바이에 적용되어 사용 중입니다.

하지만 전기자동차에 인휠모터가 사용되려면 위에 나열된 단점들이 보완되어야 합니다.

인휠 모터 시스템이 자동차 마다 적용되면 미래 자동차 교통의 모습이 바뀔 것으로 예상됩니다.

 

 

이미지출처 - 현대모비스, electronicdesign, greencarcongress, bicyclelife