전기차에는 어떤 모터가 들어갈까? (feat. BMW ix3, PMSM)

안녕하세요
공부하는 웅이입니다.

-----
(24.05.06)

현재 논란중인데, PMSM이 맞냐는 글이 있네요.

제가 서치해본 결과, PMSM은 AC동기식 모터 중에 한 부류이고.

아래 글에서 AC 동기식모터를 쓴다고 나와있습니다.

하지만 논란이 되고 있는 부분이 브러시를 쓰는지 여부인데. 

 

자세히 아시는 분은 댓글 부탁드려요~~

https://bimmerlife.com/2022/04/23/bmws-fifth-generation-edrive-electric-motors-explained/

BMW’s Fifth-Generation eDrive Electric Motors Explained

 

 

 

--------

(이전글)

요새 글을 거의 안쓰다 싶이 했는데, 최근에 책을 읽고 열심히 살아야겠다는 다짐을 하고서 다시 시작했습니다.

 

기존에 내연기관을 타다가 전기차를 탔을때 느꼈던 초반 가속력은 아직도 잊을 수가 없네요.

 

전기 모터를 사용하여 동력을 생성하기 때문에, 기존의 엔진과 변속기에서 오는 동력 전달의 메커니즘이 간략화 되고, 부품이 줄어들어, 가속성을 체감하기에 좋았습니다.

 

특히나 내연 기관 차량은 엔진에서 연료와 공기 혼합물을 배기 밸브와 인렛 밸브를 통해 피스톤 상부의 실린더 내부로 유입하는여, 피스톤 상부에서 하부로 이동하여 압축과정을 거쳐서 높은 압력과 고온 상태로 만들어, 점화 플러그에서 불꽃을 일으켜 폭발시키면서 일어나는 열에너지를 피스톤의 운동에너지로 전환하면서, 엔진의 동력을 만들어냅니다. 이때 폭발 하면서 엔진에서는 큰 소음과 진동을 발산하고, 자동차 메이커 사인 현대자동차나 기아자동차에서는 이를 잡기위해 NVH에 집중하고 있는 것이지요 ㅋㅋ

 

하지만 전기자동차에서는 이 과정이 생략된 채로 고전압 배터리에서 나오는 전기 화학 에너지를 모터에서 바로 사용하기 때문에 빠른 가속과 저소음이라는 장점을 얻을 수가 있습니다.

 

최근에 세차를 하면서, 찍은 사진입니다.

 

 

과연 어떤 모터를 쓰고 있길레, 전기차의 가속성능이 좋은 걸까요?

 

우선 BMW IX3에 대해서 네이버에 검색하면 다음과 같습니다. M Sport 단일 트림으로 나왔고, RWD(후륜)인데 최대 출력이 281마력이며, 배터리 용량은 74kWh로 표현되고 있습니다.

 

사실, 80 kWh 총 배터리 용량을 가지고 있지만, 이중 일부는 BMS인 배터리 관리 시스템에 의해 사용되고 있습니다. 그렇기에 보통은 Gross 정보가 아닌 Net 용량을 산출하며, 보통 net 용량이 더 적은 경향을 보이는데요.

 

6kWh 정도가 보통 BMS에서 사용되고 있으며, 이는 배터리의 수명 및 안전을 유지하기 위해서 보통 전기차 메이커들은 다음과 같이 배터리 용량을 분할해서 사용하고 있습니다.

 

출처 : 네이버

 

자 그러면, BMW IX3에 사용되는 모터는 어떤 것일까요?

 

BMW iX3에는 PMSM (Permanent Magnet Synchronous Motor)이 사용됩니다.

이 모터는 최대 출력 281마력과 최대 토크 400Nm를 발생시키며, 약 40.78 kg.m

 

0-100km/h 가속 시간은 6.8초입니다. 이 모터는 전반적으로 고효율이며, 높은 속도에서도 안정적으로 동작합니다. 또한, BMW에 사용된 PMSM 모터는 충전 효율을 높이기 위해 93%의 효율성을 가지고 있습니다. 이러한 모터 특성은 BMW iX3의 주행 거리를 늘리는 데 큰 역할을 합니다. 하지만 일반 차량에 비해서 IX3의 공식 인증 환경부 거리는 짧은 특성을 보이는데요.

 

그 이유는 바로 차량의 전고가 1,670 mm 이기 떄문입니다. 대표적으로 전비가 좋은 ev6 같은 경우 1,545 ~ 1,550 mm 입니다.

 

전고 같은 경우, 높을수록 공기저항이 증가하는데, 이는 차량이 주행 중에 공기를 밀어내야 하기 위해 더 많은 에너지를 필요로 하기 때문이죠. 저는 사실 전고가 높아서 더 많은 짐을 실을 수 있고, 개방감이 더 높은 이점을 중요시 여기기 때문에 전비를 포기했습니다 ㅋㅋㅋ

 

중요한 것은 차량의 공기저항 같은 경우 차량의 전면적과 Cx 값, 즉 공기역학적인 형태 등에 따라 결정됩니다. 전면적은 차량의 전면부가 차지하는 면적을 의미하며, Cx 값은 차량의 공기역학적인 형태를 나타내는 지표입니다. 차량의 전면적과 Cx 값이 동일하다면, 차량의 전고가 높을수록 공기저항이 더 커지게 됩니다.

 

* Cx ( aerodynamic resistance coefficient ) : 차량의 공기역학적인 형태를 나타내는 지표, 차량이 공기를 밀어내기 위해 필요한 에너지 양을 결정하는 중요한 요소 중 하나

따라서, 고강도 철강 등으로 제작된 일반적인 차량의 경우, 전고가 높을수록 연비가 안 좋아지는 경향이 있습니다. 그러나 최근에는 경량화, 고강도 철강, 알루미늄 및 카본 파이버 등의 새로운 재료와 기술이 개발되어, 전고를 높이더라도 공기저항을 줄일 수 있는 방법이 많아졌습니다. 이러한 기술을 사용하여 제작된 차량은 전고가 높더라도 연비가 안 좋아지지 않거나, 오히려 개선되는 경우도 있습니다. 하지만 가격은 비싸기 때문에 보통 전고가 높으면 연비가 안좋다라는 상관관계는 유효합니다. 현재 2023년 기준.

자 그렇다면, BMW에서는 왜 PMSM를 사용했을까요?

 

높은 효율성을 갖고 있지만 비싼 금액이 큰 단점을 갖고 있는게 바로 PMSM 이라고 생각합니다. 그렇다고 버리기에는 높은 효율성을 무시할 수가 없죠. 그리고 이만큼 기술개발이 된 모터도 현재 존재하지 않습니다.

 

 

Q. 전기차 시가총액 1위인 테슬라에서도 PMSM을 사용할까요?

 

아닙니다. 테슬라Tesla 는 Synchronous motor 대신에 AC induction motor를 사용합니다. AC induction motor는 구조가 단순하고 내구성이 좋아서 전기 자동차 제조에서 많이 사용됩니다. 하지만 BMW iX3에 사용된 모터는 이보다 좀 더 효율적인 고속 충전과 더 멀리 주행할 수 있는 기능을 갖고 있는 Synchronous motor인 PMSM를 사용하고 있습니다. 또한 BMW ix M 과 i4 모두 BMW의 5세대 eDrive 기술을 사용하여 제작한 PMSM 모터를 사용하고 있습니다.

 

사실, 테슬라만 AC 모터를 사용하고 타 브랜드들은 그렇지 않습니다. 테슬라만 독자 충전 규격을 갖고 있는 것과 유사한데요.

 

예를 들어, 벤츠 재규어 아우디 같은 경우에 BMW 와 같은 동기식 모터를 사용하고 있습니다.

- Audi e-tron: 265kW의 출력을 내는 Synchronous motor를 사용
- Mercedes-Benz EQC: 전면축에 150kW, 후면축에 80kW의 Synchronous motor를 사용
- Porsche Taycan: 전면 및 후면축에 Synchronous motor를 사용하며, 최대 출력은 761마력
- Jaguar I-PACE: 394마력의 출력을 내는 Synchronous motor를 사용

- Tesla는 AC induction motor를 사용
- Rivian은 Synchronous motor를 사용하여 자사의 전기 픽업트럭 및 SUV에 넣었음

 

이외에도 Synchronous motor 는 전력 회사와 발전소, 기계 및 산업용 동력 분야에 널리 사용되고 있습니다!!

 

그만큼 PMSM이 사실은.....좋고 효율성이 좋은데, 가격이 상당히 비쌉니다.

 

PMSM에는 희토류가 사용되는데요. 바로 네오디뮴, 프라세오디뮴 이것들은 채굴과 추출이 비싸고 중국에서 공급량을 다 잡고 있기 때문에 구하기가 쉽지 않습니다. 관련해서 여러 기업에서는 이를 대체하는 새로운 물질을 찾으려고 하지만 사실 쉽지는 않은 현실입니다. 실제 대학 동기도 랩실에서 관련 프로젝트를 진행중인데 쉽지 않다고 하소연 하는 현실입니다. 그리고 고성능 자석, 고성능 절연체, 고온에 대한 내성이 뛰어난 고급 재료 등의 고가의 재료와 기술, 연구 개발 비용이 막대하기에 쉽지 않습니다. 전기차 가격이 내려가려면 배터리 가격도 문제지만, 그다음으로 중요한 것이 모터쪽이라 이쪽에서도 변화가 곧 일어나겠죠?

 

 

 

그래도 PMSM 장점을 나열해보면?

 

자기 복합 제조 기술: 자기 복합 제조 기술은 전통적인 자석 조립 방법과 다른 방법으로, 더욱 효과적인 자석 배열을 만들어 내는 기술입니다. 이 기술은 고유한 자기 조립 능력을 가진 나노 입자를 사용하여, 자석 강도 및 성능을 최적화하고 모터의 성능을 향상시킵니다.

고온 재료 기술: PMSM은 높은 온도에서도 높은 성능을 유지할 수 있어야 합니다. 이러한 요구 사항을 충족시키기 위해, PMSM의 자기 재료 및 접착제는 고온에 대한 내성이 뛰어난 고급 재료로 대체되고 있습니다.

코일 냉각 기술: 전기 모터는 높은 출력 및 효율성을 유지하기 위해 적극적으로 냉각되어야 합니다. PMSM의 경우, 코일 냉각 기술은 높은 출력 및 효율성을 유지하면서도 더욱 작은 모터 크기를 가능하게 합니다.

제로 자석 손실 기술: PMSM의 자석이 손상되면 모터의 성능이 저하됩니다. 최근 기술 혁신은 이러한 손실을 최소화하기 위한 새로운 자석 재료 및 더 효과적인 자석 가공 방법을 개발하고 있습니다. 이러한 기술은 모터의 성능을 향상시키고, 유지보수 비용을 감소시키는 데 큰 기여를 할 것으로 예상됩니다.

 

위 장점을 토대로 바라본 PMSM은 높은 성능 및 효율성을 갖추고 있다고 판단 가능합니다. 그래서 전기차가 오래 달릴 수 있다고 하는 이유가 바로 이런 이유 떄문아닐까요?

 

그렇다면 Synchronous motor에는 어떤 종류가 있을까요?

 

 

Permanent Magnet Synchronous Motor (PMSM): 이 모터는 회전자에 자석이 내장되어 있으며, 고속 회전과 높은 효율성을 제공합니다. PMSM은 전기 자동차 및 하이브리드 차량에 많이 사용됩니다.

Interior Permanent Magnet Synchronous Motor (IPMSM): 이 모터는 PMSM과 유사하지만, 회전자에 자석이 내장되어 있습니다. 이 모터는 고속 회전과 높은 효율성을 제공하며, 전기 자동차 및 하이브리드 차량에 많이 사용됩니다.

Surface Mounted Permanent Magnet Synchronous Motor (SMPMSM): 이 모터는 회전자 표면에 자석이 부착되어 있습니다. 이 모터는 높은 토크 및 높은 효율성을 제공하지만, PMSM과 IPMSM보다는 복잡한 구조를 가지고 있습니다.

Reluctance Synchronous Motor (RSM): 이 모터는 회전자와 정자 사이에 자기장을 형성하지 않는 것이 특징입니다. 대신, 회전자와 정자 사이에 공기 간극이 있고, 회전자가 자기장을 추적하며 회전합니다. 이 모터는 간단한 구조를 가지고 있으며, 산업용 동력 분야에서 많이 사용됩니다.

Brushless DC Motor (BLDC): 이 모터는 회전자에 자석이 내장되어 있으며, 전기 자동차 및 드론 등에 많이 사용됩니다. BLDC는 간단한 구조를 가지고 있고, 높은 효율성과 고효율 전력 변환을 제공합니다.

이 외에도 Synchronous motor에는 다양한 종류가 있으며, 종류에 따라 다른 특성을 가집니다.

 

 

모터는 깊게 팔수록 배워야할게 산더미 처럼 많습니다. 여기까지만 알아도 사실 전문가급 이상이므로, 오늘은 여기 까지 글을 작성하고, 집근처에서 충전하면서 엠비언트가 이쁘게 나온 사진 공유하며 마치도록 하겠습니다. 전기차는 탈수록 더욱 공부하고 알아가야겠다는 생각이 들었습니다. 요새 도로에 전기차 정말 많아지고, 최신식의 기술이 탑재된 차량들에 대한 기사와 유튜브 영상을 보고 있으면, 기술발전이 정말 빠르게 진행되고 있음을 체감하네요. 재밌으면서도 무섭기도하네요. 2023년 화이팅!