ELECTRICAR


실린더 비활성화 기술이 전기차에도 들어가?

값싼 산업용 모터를 전기차에 적용하기 위한 일종의 비활성화 기술 이야기

2021.04.13

 

GM은 지금까지 ‘다이내믹 퓨얼 매니지먼트(DFM)’가 적용된 엔진을 100만개 이상 판매했다. 이 실린더 비활성화 기술은 픽업트럭인 쉐보레 실버라도부터 SUV인 캐딜락 에스컬레이드까지 적용된 V8 엔진의 실린더를 전부 또는 일부 차단할 수 있다.

 

툴라 테크놀로지스가 개발한 이 개념은 이미 2014년 5월 다룬 적 있다. 흥미롭게도 이것은 점화 플러그나 밸브를 사용하지 않는 전기모터에도 사용할 수 있다. 보다 저렴하고 지속 가능한 비희토류 모터를 실현할 수 있다는 이야기다.

 

DFM과 툴라의 신형 ‘다이내믹 모터 드라이브(DMD)’에 관한 개념은 파워트레인이 낮은 효율로 작동할 때마다(2개의 실린더가 해도 될 일을 8개의 실린더가 빈둥거리면서 한다) 두 개의 실린더는 더 열심히 일하고, 나머지는 쉬도록 하는 게 더 낫다는 뜻이다. 이렇게 하면 실린더 두 개의 스로틀은 활짝 열리고, 나머지 실린더는 하던 일을 멈춘다. 이 방식을 쓰면 배기 및 냉각수를 위한 에너지 손실도 적다.

 

이 그래프에서 DMD는 흰색 선 위의 속도 대비 부하 문제를 해결할 수 없다. 하지만 토크 펄스가 그 아래 영역에서 작동함으로써 잠재적인 이익을 가져다준다. 예를 들어, 필요 시간보다 더 많은 토크를 만들 수 있다.

 

본래 전기모터는 내연기관 엔진보다 효율이 높다. 모터와 엔진 모두를 위한 속도 대비 토크 매핑을 짤 때, 전기모터의 최고 효율 면적이 훨씬 크다. 하지만 여전히 이 효율성의 정점 영역 아래에 위치한 빠른 속도 대비 낮은 토크의 작동 조건이 많다. DMD가 효율성을 높일 수 있는 운영 조건 아래서 말이다.

 

일부 실린더에서 밸브 작동, 연료 분사 및 연소를 차단하는 DFM처럼 DMD는 고전류 토크를 생성하는 짧은 간격의 펄스에 이어 전기가 흐르지 않는 순간을 둔다. 순수한 토크 요구량을 달성하기 위해서다. DMD는 연료 공급과 연소 열의 손실을 줄이는 대신, 전기모터의 로터 코어 내 열 증가와 파워 인버터에서 발생하는 열을 감소시킨다.

 

물론 이 펄스는 확연하게 눈에 띄는 파워트레인 진동을 막기 위해 신중하게 작동돼야 한다. 특히 이러한 진동은 자동차의 섀시나 차체 구조의 고유 주파수와 함께 발생할 수도 있다. 툴라는 이런 종류의 프로그래밍에 풍부한 경험을 가지고 있다.

 

오늘날 가장 효율적이고 전력 밀도가 높은 모터는 테슬라가 아닌 전기차에 전원을 공급하는 희토류 방식의 영구자석(IPM) 모터다. DMD는 이 모터의 효율성을 1% 미만 향상시킬 수 있다. 대부분의 테슬라 모델에서 사용되는 것과 같이 효율이 낮은 AC 유도형 모터에서는 2% 정도 효율성 개선이 기대된다. 하지만 DMD를 구현하는 데 드는 물질적인 비용이 없기 때문에 그것은 여전히 추구할 가치가 있다. 다만 지적재산권 사용료를 지불해야 한다.

 

 

DMD가 실제로 각광받는 곳은 일반적인 모터보다 1/3 저렴하고, 덜 정밀하며 덜 효율적이고, 전기차 업계에서 이제 막 부상하기 시작한 ‘동기 자기저항 모터(SRM)’다. 유도형 모터처럼 SRM은 외부 하우징(고정자) 내부의 전류가 통하는 권선(전자기기 내부에 코일 형태로 감겨 전기에너지를 변환하는 전선)을 사용해 로터의 자기 회전을 유도한다. 하지만 SRM의 로터는 자기장이 유도되는 무동력 전기 권선을 사용하는 대신 자기저항(자기력선속 반대) 성질을 지닌 라미네이트 강판같이 싸고 부드러운 자성 물질로 제작된다. 각 극은 유도형 모터에서처럼 절대 변하지 않는다. 대신 회전을 만들어내기 위해서는 고정된 극을 이리저리 당겨 연속적인 고정자 권선이 계속해서 가변적으로 전환해야 한다.

 

일반적으로 사용되는 산업 응용 분야에서 SRM은 소음이 크며, 축이 회전할 때 주기적으로 토크가 감소하는 ‘토크 리플’을 겪는다. 전자 전환 장치의 발전은 이러한 문제를 해결하는 데 도움을 주고 있다. 또한 툴라가 DMD 로직을 추가하면 보다 정교한 전환이 가능해 효율이 9%나 향상된다.

 

즉, 툴라가 프로그래밍한 SRM은 유도형 모터의 효율성을 능가하고 영구자석 모터와도 견줄 수 있다. 동시에 두 모터보다 비용은 훨씬 더 저렴하다. SRM의 로터에 저렴하고 풍부한 아철산염(페라이트) 영구자석을 추가하면 약간의 비용이 들지만 효율성과 성능을 더욱 향상시킬 수 있다.

 

DMD와 SRM의 구현은 아직 초기 단계다. 하지만 지난달에 내가 다룬 전고체 배터리의 가격이 내려갈 때 즈음 이것들이 양산된다면, 생애 첫 차를 사려는 사람들이 오로지 가격만 고려해 저렴한 장거리 전기차를 선택하는 모습을 볼 수 있지 않을까?

 

 

 

 

모터트렌드, 자동차, 전기차, 전기차 모터

페이스북 트위터 링크
CREDIT

EDITOR : 프랭크 마커스PHOTO : MOTORTREND

모터 트렌드 ©motortrendkorea.com, ©motortrendkorea.co.kr 무단 전재 및 재배포 금지