[전기차 모터 동향]BMW는 왜 WRSM을 택했는가? [WRSM IPMSM 장단점 비교]

 

이번글은 특집글로 WRSM과 PMSM의 고도화 싸움에 BM의 WRSM에 대한 비판글이 너무나도 많기에 한번 이야기를 해보자

 

결론부터 놓고 말하면 필자는 모터관련한 논문도쓰고 연구도 하면서 느끼는 생각이 최후의 도달점은 WRSM이라 생각한다. 사실 전자석 제어방식에서 수많은이점과 발열최소화 희토류 리스크 해결까지 수많은 장점을 가지고 있으니까 이는 아마 모터를 하는 사람들이라면 꿈의 도달점이라고 말해도 과언이 아닐 것이다.

 

PMSM이나 WRSM의 구조에 관한글은 아래를 참조해 주길 바라며 오늘은 단순 비교분석에 대해 초점을 두고 이야기해 보자

 

전기차용 구동모터 IPMSM에 대한 분석

 

전기차 모터 WRSM 분석 (Wound Rotor Synchronous Motor) [이론과 특징, 장단점]

 

 

하지만 지금 당장 PMSM과 WRSM으로 차량을 만든다면 뭘택해야 하는가에 대한 문제에 대해 질문한다면 PMSM이 압도적으로 유리하고 WRSM의 한계는 명백하다 대답해야 하는데 오늘은 이거에 대해 비교해 보자.

 

이러한 특징적 차이는 크게 4가지 문제로 아래와 같이 구분할 수 있다.

• 내구성문제
• 효율성문제
• 제어문제
• 발열문제

그렇다면 하나하나 이야기해 보자

 

우선 들어가기에 앞서 WRSM을 무슨 개쓰레기처럼 이야기하는 사람들이 존재하는데 기술적 한계는 있지만 활용가능성은 있다는 것이 많은 논문에서 주장하는 입장이었다. 관련 비교논문만을 살펴보아도 효율성은 떨어지지만 충분하게 훌륭한 모터다 정도라는 생각이 많은데 하나하나 살펴보며 이야기해보자

 

1. 내구성 문제

뭐 PMSM의 구조는 더설명할 필요 없을 테니 WRSM의 내구성에 대해 먼저 살펴보자

 

브러시의 태생적인 한계

 

먼저 로터의 전자석 파트를 슬립링과 브러시를 활용해 직류를 전달하는 시점에서 내구성은 PMSM과 비교할 수 없을 정도로 떨어진다.

 

접촉을 하냐 안 하냐의 문제로만 이야기해도 단순 접촉을 해서 전기를 전달한다고? 따라오는 문제가 마모 분진부터 시작해 화재가능성까지 고속으로 갈수록 답도 없는 문제로 이야기되는 것이 사실이다.

 

또한 PMSM 에대비해 구조적인 복잡성의 문제는 생산단가증가부터 수명저감으로 이어지는 치명적인 단점으로 슬립링과 브러시의 문제를 반드시 해결할 필요가 있다.

 

물론 이러한 문제의 해결법에 대해서 학자들도 멍 때리고 있는 것이 아니라 비접촉식 전자유도 브러시에 대한 연구를 지속적으로 진행해 왔고 아래와 같은 비접촉 방식에 대한 연구를 진행하고 있고 실제로   Mahle 사의 EESM와 ZF사의 I2S이 개발되고 있다.

 

 

 사실 이게 상용화된다면 브러시가 가지는 구조적 분진문제나 수명에 대한 논의는 전혀 문제가 아니게 되지만 솔직히 효율성에 대한 지표나 세부 테스트 자료들이 부족하여 지금은 말하기 이른 것이 사실이다.

 

이러한 문제가 해결되기 전까지는 지금은 WRSM에서는 브러시 교체 분진 수많은 따라오는 세부적인 문제들이 산재해 있기에 아직은 시기상조다 라 필자는 생각한다.

구조로 인한 역률과 효율, 수명 감소 및 제어 난이도 증가

 물론 그렇다고 끝나는 게 아니라 WRSM의 경우 코일일을 많이 사용하니 회로자에서의 인덕턴스 증가로 인한  역률저하부터 따라오는 자연스러운 PMSM과 다른 방향으로 제어난이도가 올라간다. 그로 인하여 당연하게 문제가 발생할 수밖에 없고 또한 WRSM의 경우에서는 우리가 로터에서의 화제위험성도 꽤나 중요한 문제가 되는 것이다. 

 

 또한 영구자석을 활용하는 것이 아니니 코일에 흐르는 전류에 따라 계속 받는 힘이 바뀔 것이고 이것이 또 코일 점적률이 떨어지거나 수많은 위험성을 가지고 있는 것은 사실이다. 다만 에폭시나 여러 기술들로 어느 정도 해결된 사안이니 이러한 위험성을 해결하기 위해 희토류 자석과 와 비슷한 수준으로 돈이 든다는 것만 알아두자.

 

뭐 사실 해결한다 해도 부품이 추가로 달리는 구조적인 단점은 부품내구성 문제부터 수만은 문제를 야기하겠지만,  브러시 문제가 해결된다면 후자의 경우 가벼운 문제라 충분히 해결가능한 게  사실이고 말이다.

 

물론 WRSM이 구조적인 장점이 없는 것은 아닌 게 PMSM이 가지는 발열로 인한 고질적인 문제가 영구자석 감자와 불가역감자의 문제에서 자유롭기에 꽤나 잘 쓸 수 있는 것도 사실이다.

 

2. 효율성문제

 

우선 아래 토크와 출력을 비교해 놓은 운전특성곡선을 살펴보자

 

실제로 퍼센트로 두 개를 비교했는데 WRSM의 경우 저속구간의 효율이 PMSM 보다 높다, 분명 WRSM이 가지는 특장점으로 초기운전시 토크가 높다는 것이 얼마나 좋은 장점인지는 일반인들에게 설명할 필요가 없을 것이다.

 

하지만 가장 큰 문제는 출력밀도다. 

출처-High Speed Performance Improvement of the WRSM and its Comparison with the IPMSM

 

 실제로 테슬라또한 유도기를 사용하다 IPMSM으로 넘어온 전례가 있는데 그 이유자체를 많은 공학 전문가들은 결국 PM이 들어간 모터가 가지는 출력을 따라갈 수가 없어서 라는 이야기를 많이 한다.

 

특히 이는 고속 운용에서 차이가 두드려지는데 PMSM의 경우에 일반적 설계 시 최고 운전효율점을 약계자 제어로 설정해 놓은 PMSM이 도심주행이 아니라는 가정하에는 WRSM보다 효율성이 높다. 이는 명백히 공학적으로 증명된 사실이고

또한 릴럭턴스 토크를 활용할 수 없는 WRSM의(사용은 가능하지만 오히려 손해니까) 한계가 명백하기에 대세가 PMSM으로 고정된 것이다.

 

전기차 모터의 토크리플 종류[마그네틱토크, 릴럭턴스토크,토크리플]

 

실제로 동일중량대비 토크를 더 낼 수 있는 PMSM이 존재하는 한 없어지기는 힘들고 WRSM이 가지는 내구성 문제가 해결된다 가정한다면,  필자의 생각에는 구동용은 PMSM으로 가고 항속형 모터를 WRSM으로 가져가는 전기차들도 출시가 가능하고 꽤나 다양한 조합의 자동차가 나올 수 있다.

 

3. 제어문제

 까놓고 말해서 PMSM의 제어난이도는 압도적으로 높다 BLDC 같은 간단한 제어를 가진 모터를 안 쓰고 넘어오게 된 이유도 사실 출력의 문제가 주되었다고 필자는 생각하지만 WRSM의 제어난이도에 비해서는 꽤나 어렵고 복잡하다.

 

전기자동차 모터 기술 약계자 제어의 활용 과 최적 운전점 찾기

 

실제로 현대차는 이걸 해결하기 위해  WRSM을 활용하는 현대차에서는 듀얼인버터를 활용해 초고출력 제어를 활용하고 있는 것을 확인할 수 있으며 전진각 제어의 난이도는 어느 정도 아는 필자가 봐도 혀를 내두를 정도로 복잡하다.

출처-현대자동차 포럼

 

WRSM의 경우에는 오히려 자석의 세기를 조절할 수 있으니 이러한 문제를 꽤나 단순히 해결할 수 있는 것처럼 보이지만

사실대로 말하면 변수가 오히려 추가되는 모양새라 그렇게 단순하게 내려가는 문제는 아니다.

 

하지만 사실상 정밀제어 영역으로 들어가면 자석 세기 제어를 통한 WRSM이 압도적인 이점을 가지는 것도 사실이고, 이는 PMSM이 절대 가지지 못하는 장점이기도 하다.

 

절대적 난이도가 쉬워지는 것은 아니라는 정도로만 이해하자

 

4. 발열 문제

이문제가 꽤나 심각한데 실제로 PMSM이 대세화된 이후 모터자체가 가지는 문제를 해결하기 위한 엄청난 자본투자와 연구가 진행되었다. 그로 인해 꽤나 많은 기술적 한계점들이 해결되었으며 정리된 부분들도 많지만 이는 나중에 다루기로 하고

 

단순하게 생각해 보자 PMSM의 구조상 내전형을 활용하기에 외부에 권선이 집중되어 있고 주로 발열문제가 발생하는 것은 권선이기에  전체적인 발열을 잡는 것은 하우징에 냉각수를 통해 해결할 수 있다. 

 

하지만 WRSM은? 회전자에도 코일이 존재한다는 문제가 있고 이를 해결하기 위해서는 어떤 방식을 적용해야 할지 감도안 온다.

 

사실 BMW에서도 나름대로의 해결책은 내 논거고 이게 과연 어느 정도까지 버텨줄지는 향후 5년 정도를 내다봐야 하기에 조금 더 기다려보자.

 

지금은 구조적으로 발열 잡는 것이 중요한 건데 PMSM이 WRSM에 비해 열발생량이 많은 것은 객관적인 사실이니 문제가 없을 수도 있다.

 

5. 번외 문제

희토류 문제?

전기차 모터에 사용되는 희토류 및 자석 종류[네오디뮴, 사마륨, 알니코 ,페라이트]

 

까놓고 말해서 희토류 저감기술이 극한까지 와서 큰 문제는 없다는 게 필자의 생각이다. 솔직히 중국에서 단가 올려봤자 크게 타격을 안 입을 수준이라 설명하면 되겠는가? 이미 비축해 둔 량이 충분해 차량 생산하고 넘어갈 정도의 비축량은 가지고 있을 것이다.

 

솔직한 말로 누가 희토류 문제를 언급한다면 그건 크게 고려사항이 아니라는 사실을 알려주자

 

 

결론

	WRSM	PMSM
가격	비슷
희토류 리스크	없다	적지만 있다.
효율성	더 높다(1~5%)	높다
냉각 문제	내부 권선 냉각 문제	비교적 쉽다
제어 난이도	비교적 쉬움	매우 어려움
수명	짧다	길다

 

대충 정리하자면 위에 표정도로 정리할 수 있을 것 같다.

 

결국 BMW가 wrsm방식을 슬립링 마모라는 단점을 감수해 가면서까지 쓰는 이유는, 희토류 저감이나 원가절감보다는 정밀 제어의 범위가 넓고, 정 역률 제어를 통해 효율을 높일 수 있다는 게 주요 골자다.

 

종합적 효율만을 놓고 비교해 보면 1~5% 정도의 효율상승을 기대해 볼수도 있고 PMSM보다 낮은 발열이라는 장점이 있는 만큼 사용가능한 모터는 맞다.

 

다만 위에서 설명한 대로 수명 분진리스크부터 시작해서 냉각문제까지 엄청난 양의 문제들을 내포하고 있고 지금 당장 출시 한 것에 대해서는 필자도 회의감을 느낀다.

 

심지어 고출력으로 장거리 운행을 뛰는 사람들을 기준으로는 오히려 PMSM이 효율이 높은 것도 사실이고 말이다.

 

테슬라 인디펜던스 데이 캡쳐

 

물론 24년 현제의 기준으로 알려진 것이므로 이것이 지금 정답이다라고 할 수는 없다 테슬라또한 비희토류 모터를 발표하고 어느 정도 활용하기 위해서 연구를 하고 있는 시대에 도달했고.

 

 미래에는 WRSM만 활용한 전기차나 PMSM과 WRSM을 조합한 전기차들이 나올 것이라 필자는 생각한다.

 

지금은 WRSM이 부족한 게 맞고 리스크가 큰 것도 맞지만 WRSM은 전기차에 아예 사용이 불가능한 것은 아니지만 접촉식 브러시로 내년 것은 정말 필자는 모르겠다. 정도로 글을 마친다.