인휠모터

인휠모터(In-Wheel Motor)는 자동차의 휠을 직접 구동하기 위해 휠에 탑재한 전기모터를 가리킨다. 인 휠 모터라고 띄어서 쓰기도 한다. 허브모터(Hub Motor) 또는 전기허브(Electric Hub)라고도 한다. 인휠모터는 전기자동차의 성능 개선에 사용된다. 인휠모터가 장착된 차량 시스템을 인휠시스템이라고 부른다.

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개요

인휠모터는 자동차 바퀴에 구동 모터와 브레이크 시스템(braking system), 서스펜션 시스템(suspension system) 등을 통합하여 부착한 시스템이다. 제조사에 따라 탑재하는 부품의 종류와 구조적인 차이는 있지만 대다수의 인휠모터는 동일한 기본 부품의 구조를 가진다. 미쉐린의 인휠모터 시스템은 휠을 구동하는 전기모터 외에 브레이킹 시스템과 서스펜션 시스템(suspension system)을 장착하였으며 서스펜션 시스템은 전자 제어 방식을 적용하여 3/1000 초 시간내에 피칭운동과 롤링운동의 조정을 자동적으로 추진할 수 있도록 하였다.

기존 자동차는 차량의 엔진룸에 중앙 모터나 엔진을 설치하는 구조로 하여 엔진 동력을 각종 샤프트와 기어 장치를 통해 바퀴에 전달하였다. 이에 반해 '인휠모터 시스템'은 모터의 구동력을 직접 바퀴에 전달하여 동력의 사용효율을 향상시키며 엔진룸에 설치되는 대형 구동모터를 삭감하여 차량 무게를 줄이고 엔진룸의 공간을 별도로 활용하게 한다. 내연기관의 효율이 약 35%~40%이고 전기자동차의 효율도 60% 수준인데 대비해 '인휠모터 시스템'을 장착한 자동차는 최대 90% 이상으로 효율을 증가시킨다.

바퀴에 일체형으로 달린 전동 브레이크는 유압이 아닌 모터의 힘으로 제동을 추진하며 전자제어장치(ECU)를 통해 차량의 앞, 뒤 바퀴를 각각 개별적으로 제어하는 방식으로 제동력의 적정한 분산을 추진한다. 제동 반응이 기존 유압 시스템보다 우수해 주행 안정성이 제고된다.

'인휠모터 시스템'을 장착한 차량은 모터의 제어를 통해 바퀴의 개별적인 제어가 가능하며 별도의 기어 조작이 없이 방향 전환과 속도 조절이 가능하다. 특히 바퀴를 개별적으로 동작시켜 90도로 바퀴가 회전하게 되면 수평으로 이동하는 직각 평행 주차도 가능하고 왼쪽 바퀴와 오른쪽 바퀴를 반대 방향으로 회전할 수 있어 차량이 서 있는 그대로 360도 회전을 추진할 수 있다. 차동기어장치, 브레이크 유압시스템 등 각 종 파이프 라인과 대부분의 동력전달 장치가 없어짐에 따라 차량의 무게는 더욱 가벼워지고 고장 또한 현저히 줄어든다.

일부 인휠모터는 회생제동(regenerative braking)이라 불리우는 디자인을 적용하여 브레이킹 과정에서 발생하는 운동 에너지를 전기 에너지로 전환하여 고전압 배터리를 충전할 수 있다. 토요타의 프리우스(Prius)나 테슬라의 로드스터(Roadster)와 같은 일부 하이브리드카에는 이미 회생제동 기술이 적용되어 있으며 자동차들이 더 길게 주행할 수 있게 하였다.

'인휠모터 시스템'을 적용하게 되면 기존의 엔진자동차뿐 아니라 기존의 전기자동차에 비해서도 다양한 장점이 있다. 엔진룸에 중앙 구동모터를 탑재한 전기자동차보다 가볍고 개별 전자제어를 통해 주행성능이 향상되었으며 차체 또한 모터 제어장치로 집약된 단순 구조이기에 생산공장에서도 제조 라인을 단순화할 수 있어 차량의 개발 및 제조원가를 절감할 수 있다. 적은 수량의 부품을 장착하면 자동차의 무게가 줄어지고 이에 따라 주행거리도 늘어나는 에너지 유효 활용이 증가된다.

장단점

□ 장점

• 위 사진에서 볼 수 있듯이 모터를 바퀴에 장착하면서 간단한 드라이브 트레인으로 불필요한 에너지 소모를 줄일 수 있다.
• 설계가 단순해지며 공간 활용 효율이 90% 상승한다.
• 개별 제어로 주행의 안정성이 좋고 타이어를 90도 회전하여 직각 평행 주차도 가능하다.

□ 단점

• 차량의 서스펜션에 지지되지 않는 거대한 스프링 하중량이 존재하여 차량의 핸들링과 승차감을 저하시킨다.
• 우호적이지 못한 외부 충격에 대응 능력이 취약하다.
• 2개 또는 4개의 모빌라이저를 추가하는데 비용이 많이 추가된다.
• 스프링을 경유하지 않고 휠이 노면에 접촉하는 점과 가깝기에 인휠모터는 약간의 충격을 받으며 이로 인해 내구성 문제가 거론된다.

개발 상황

한국에서는 2010년부터~2014년 사이에 현대차, 현대로템, 현대다이모스, 한국자동차연구원 등이 산업통상자원부 국책 과제로 인휠모터 시스템 개발에 진입하였다. 현대차는 2015년에 <N 2025 비전 그란투리스모> 디자인을 공개하면서 인휠모터 시스템이 적용된 콘셉트 차량을 소개하였으며 이 콘셉트카는 수소 연료전지 기술기반의 레이싱카로, 인휠 시스템 및 경량화 적용을 통해 최고 출력 884 PS를 낼 수 있다고 하였다.

2018년에 현대차는 전기버스 '일렉시티'에 인휠모터를 적용시켜 상용화를 시작하였다. 단, 인휠모터 내 감속기 기어의 작동이 원활하지 못하여 마모 또는 유격이 발생하면서 문제들이 제기되고 이러한 기술적인 문제의 해결이 난이하여 2021년부터 인휠모터의 적용을 포기하였다.

테슬라 및 BYD 등을 비롯한 여러 전기차 회사들도 수년 전부터 2단 변속기(인휠모터 시스템)의 개발을 추진하고 있으며 아직까지 성공을 이루지 못하고 있다.

참고자료

• 윤범진 기자, 〈차세대 전기차 비장의 기술 '인휠 모터'〉, 《AEM》, 2017-07
• 전파소년, 〈차동기어(differential gear)의 관점에서 본 인휠모터전기차〉, 《네이버블로그》, 2020-12-30
• Sam Davis, "In-Wheel Motor Systems Will Propel EV Performance", Power Electronics, 2018-07-19
• LAWRENCE BUTCHER, "Interview: Chris Hilton, CTO, Protean Electric", Automotive Testing Technology International, 2021-01-14

같이 보기

• 휠
• 모터
• 인휠시스템
• 크랩주행

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