왜 테슬라와 아우디는 전륜에 유도모터(im)를 사용할까?

이 글은 어디까지나 필자의 생각이며 정확한 사실을 대변하는 것은 아니다.

 

인터넷에 돌아다는 자료를보면 전기차모터는 죄다 pmsm만을 사용한다는 말이 많다, 어느 정도는 맞는 말로 pmsm이 대세화 된 것은 사실이나 일반적으로 후륜에는 pmsm을 사용하고 전륜에는 IM을 사용하는 차량들이 가끔 보인다.

 

 

왜 고성능 전기차는 전륜과 후륜 모터의 세기가 다를까?

 

 하지만 고성능 차량들을 확인해 보면 두 개나 3개의 모터를 PMSM으로 사용하지만, 앞과 뒤의 출력을 다르게 하여,  전륜의 세기가 더 낮은 것을 쉽게 확인해 볼 수 있는데, 이는 전기차의 무게중심적 특성과 전륜이 항상 더 적은 부하를 견딘다는 가정은 꽤나 쉽게 나온다.

 

그렇다면 실제로 전륜 IM을 사용하는 차는 어떤 것들이 있을까?

 

아우디 q4 e-tron 50

아우디 q4 e-tron 모터스펙

 

테슬라 모델3 스펙

 

테슬라 전륜모터스펙

 

흥미로운 자료지만 대충 요약해서 표로 정리해 보면 아래와 같은 특성을 지니는데 모든 전기차들이 전륜에 사용하며 출력이 약하다는 특성을 보여준다.

	전륜	후륜
아우디	70kW	150kW
테슬라	158kW	239kW

 

물론 후륜에 사용하는 PMSM의 장점은 더 이상 말하기도 입 아프지만 실제로 아래글처럼 수많은 장점들을 가지고 있기에 전기차의 모터에서 대세화 되었고 양쪽다 pmsm을 사용하는게 맞는거 아닌가? 라는 생각이 들기도 한다.

 

왜 전기자동차는 주로 PMSM 모터를 사용할까?

 

 그렇다면 IM은 정말 못쓸만한 것일까? 꽤나 흥미로운 이야기를 먼저 하자면 테슬라의 초기 모델인 모델 S의 경우에도 효율은 85%~90%로 알려져 있다는 점이고 고속구간에서는 생각보다 큰차이가 안난다. 자그렇다면 이제 이야기해 보자 

 

우선적으로 IM의 경우 시동시에나 저속에서 효율이 떨어지는 것은 두말할 필요가 없는 사실이다.

출처-Performance Comparison of High-Speed Motors for Electric Vehicle

 

 특히 이는 저속이나 기동시에는 PMSM과의 차이가 20% 이상 날 정도로 차이가 심한데 동일 출력으로 설계 시에는 사실상 IM은 선택지가 되기 미안할 정도로 토크밀도가 떨어지고 효율적 설계의 난도가 높은 것은 지금도 엔지니어들이 인정하는 사실이이다.(실제로 설계엔지니어 들과 이야기해 보면 IM을 아무리 잘설 계해도 양산형 기준 효율이 80%를 넘기는 힘들다는 이야기를 많이 한다. 필자학부 때 기준으로는 70% 맥시멈이었다)

 

 문제는 고속구간으로 넘어가면서부터 발생한다. 뭐 견고함이나 신뢰성의 부분은 두모터가 큰 차이가 없지만 IM의 고속도 PMSM에서의 항상 문제로 제기되어 왔던 역기전력이나 Eddy current loss에서 자유로운 부분이 있다는 것이 큰 장점으로 의외로 고속도 지원형 모터로는 고려할 사항이 된다는점이다.

출처-Performance Comparison of High-Speed Motors for Electric Vehicle

 

 사실상 고속으로 가게 된다면 생각보다 im이나 pmsm이나 손실에서는 큰 차이가 없을 수 있다는 게 꽤나 흥미로운 주장이다, 다만 문제점은 동일무게로 가져가게 된다면 크기가 커져 더 굵은 전선을 사용해야 하므로 아래와 같은 현상이 관찰된다는 것인데

출처- Performance Comparison of High-Speed Motors for Electric Vehicle

 

 이는 바꿔 말하면 가속모터를 pmsm으로 하고 항속형 모터를 im으로 한다면 발열이나 냉각문제에서 비교적 자유로울 수 있을 것이다라는 점을 시사한다. 심지어 구조적으로 간단하며 코깅토크나 자석으로 인한 로터의 온도 유지 문제에서 자유롭고 자석문제에서도 해방되니 양산단가는 압도적으로 낮아질 수밖에 없다는 점또한 IM을 선정한 이유로 풀이된다.

 

 거기에 장점으로 im의 제어난이도는 pmsm보다 압도적으로 낮으니 고성능 차에서는 적용하기엔 무리가 있지만 일반인이 사용하는 대량생산 차에서 충분히 적용할만한 매력적인 선택지라는 거다.

 

 장점만 이야기했지만 물론 단점으로 단일로 사용하기엔 저속에서 효율이 낮다는 소리는 곧 대다수의 주행상황에서는 전비를 잡아먹는 하마라는 소리다. 심지어 제어난이도가 압도적으로 높을 뿐 완벽하게 가능하다면 pmsm이 그 성능을 이기는 것도 증면된 사실이고 말이다. 그렇기에 고성능 차량에서는 무조건적으로 pmsm을 사용해야 하는 것은 사실이지만(bmw을 제외한 모든 고성능 자동차돌이 그렇게 하고 있다.) 여러 모터 기술이 올라오며 상용화단계에 가까워진다면 가속형 모터와 항속형 모터를 구분에서 활용하는 시대가 오는 것도 가능할 것이고 어느쪽이 옳았는 지는 결국 시장이 완성된 이후에 지켜봐야 할것이다