전기전자/정보통신

Nikkei Electronics_2017.12 특집요약(p28~44)

자동차의 전동화
‘경박단소(軽薄短小)’ 모터가 급가속

제 1부: 시장동향
‘4조엔 시장’을 향해, 구동부의 ‘영역 침범’이 격화

2020년을 경계로 자동차의 전동화가 급속도로 진행될 것으로 예측되고 있다. 이에 따라 전동차의 ‘주행’, ‘회전’, ‘정지’와 같은 바퀴 부분의 성능 및 비용을 좌우하는 구동 시스템도 급성장하게 될 전망이다. 메가 서플라이어(대형 부품 공급 업체)에서 디바이스 제조업체에 이르기까지 다양한 업체에 의한 주도권 경쟁이 격화되고 있다.

바야흐로 전국시대---. 하이브리드차(HEV) 및 플러그인 하이브리드차(PHEV), 전기자동차(EV) 등 전기 모터를 사용하는 자동차 구동시스템을 둘러싼 개발경쟁은 치열한 양상을 보이고 있다. 구동시스템은 주로 ‘모터’와 모터를 제어하는 ‘인버터’, 모터와 조합하여 큰 토크(회전력)를 발생시키는 감속기로 이루어져 있다. ‘메가 서플라이어’로 불리는 거대한 전장부품 업체부터, 모터 및 인버터 등을 제조하는 대형 차재부품 제조업체, 파워 디바이스 및 수동부품을 취급하는 대형 디바이스 제조업체까지, 다양한 업체가 구동시스템을 위한 신제품의 개발 및 개발∙생산체제의 강화에 나서고 있다.

-- 계속되는 신규업체 진출 --
치열한 경쟁을 통해 짐작할 수 있는 것은 시장 참가자들이 계속해서 등장하고 있다는 점이다. 그 중에서도 기세가 높은 곳이 일본전산(日本電産)이다. 당사는 지금까지 차재 분야에서는 전동 파워 스티어링용 모터(EPS 모터) 및 전동 브레이크용 모터 등의 중소형 모터, 단거리의 운송에 이용하는 저속 상용 EV의 구동 모터를 제조해 왔으나, 2017년 9월에 소형 경량을 장점으로 하는 신제품 ‘E-Axle’을 발표하여 구동시스템 시장 진입을 알렸다.

-- 디바이스 제조업체는 서플라이 체인의 하류(Downstream)로 --
구동 시스템에 있어서 공급사슬의 ‘상류(Upstream)’에 있는 디바이스 업체보다 ‘하류(downstream)’인 인버터 사업으로의 진출을 위해 움직이기 시작했다. 예를 들어 TDK는 도시바와 공동으로 인버터를 개발∙제조∙판매하는 합병회사를 2016년에 설립했다. 2018년에는 본격적인 제품의 판매를 확대한다는 방침이다. TDK는 차재 분야에서 모터용 네오짐 자석 및 HEV용 DC-DC 컨버터에 강점을 가지고 있다. 이것에 인버터를 추가함으로써 차재의 파워 일렉트로닉스 관련사업을 강화하려는 의도가 엿보인다.

-- ‘전동화 시장’의 급격한 확대로 찬스 도래 --
-- 신제품 및 증산 체제로 요격 --
-- ‘기전일체(機電一體)로 소형화 및 비용 절감 --

■ 구동 시스템으로 80% 셰어를 노린다, 중국과 유럽에 커다란 찬스
전동차 시대를 내다본 혼다의 모터, 소형화와 비용 절감으로 수평 전개를 쉽게

“(전동화를 위한) 커다란 무기를 손에 넣었다” --- 혼다 기술 연구소 사륜 R&D 센터 제4기술개발실 주임연구원인 가이즈카(貝塚) 씨는 이렇게 말하며 뿌듯해 했다. 커다란 무기라고 하는 것은 2016년 이후, 혼다의 하이브리드(HEV)에 채택된 새로운 구조의 가동용 모터를 가리킨다. 기존형의 구동형 모터에 비해 출력 및 토크를 같은 정도로 유지하면서 부피를 약 23%, 무게를 23% 절감했다. 그 결과, 인버터 및 저속기 등을 포함한 구동 시스템 ’i-MMD’의 소형화로 이어졌다. 현행 어코드의 HEV에 채택한 2모터(모터와 발동기)의 구동 시스템에서는 기존형 모터를 이용하는 경우에 비해, 높이를 약 9.2%, 폭을 약 9.7% 줄일 수 있었다.

구동 시스템의 소형화에 따라, 보다 많은 차종으로의 수평전개가 ‘쉬워졌다’(가이즈카 씨)라고 한다. 기존형의 모터를 이용한 구동 시스템의 사이즈로는 수평전개가 가능한 것이 “세단 타입을 중심으로 2~3차종 정도”(가이즈카 씨) 였다.

새로운 구조의 모터를 표준으로 하여 각각의 차종이 요구하는 사양에 부응하여 약간의 변경을 통해 다양한 HEV에 전개할 생각이다. 거의 동일한 구조를 갖춘 모터를 대량 생산함으로써 부재의 조달 비용 및 제조 비용 등의 절감을 노린다.

-- 코일 끝도 절감 --
-- 저렴하며 조달이 쉬운 전자 강판을 채택 --

제 2부: 연구 개발
‘기전일체(機電一體)’로 소형 경량, 구동부를 휠(Wheel)에 결합

전동차량의 구동시스템에서는 모터 및 인버터, 감속기의 3개를 일체화함으로써 고효율화와 소형∙경량화, 비용 삭감 등을 시스템 전체에 실현하려는 대응이 활발하게 이뤄지고 있다. 또한 소형∙경량화를 추진함으로써 구동 시스템을 차륜에 결합한 ‘인휠모터(In Wheel Motor)’를 실현할 수 있게 되었다.

2017년 10월 27일~11월 5일에 개최된 ‘제45회 도쿄 모터쇼 2017’. 최신의 자동차 제품 및 콘셉트카가 즐비한 옆에서 각 부품 제조업체는 ‘전동화 시대’를 응시한 신제품을 선보여 어필하고 있다.

그 중에서도 모터 및 인버터와 같은 ‘전기’ 부분과 저속기와 같은 ’기기’ 부분을 하나로 통합한 ‘기전일체’ 타입의 구동 시스템을 잇따라 내놓았다. 모터와 감속기, 또는 모터, 감속기, 인버터를 일체화한 구동 시스템으로 크게 나눠진다. 그 대부분이 2019년경부터의 양산을 목표로 하고 있다. 또한, 구동 시스템을 차체가 아닌, 차륜(휠 안)에 삽입시키는, 다시 말해 ‘인휠모터’의 제안도 잇따랐다. 이 인휠모터도 2025년경에는 제품 라인업에 추가될 전망이다.

-- 일체화로 소형화∙고효율화 --
기전일체화(化)가 활발하게 이루어지는 것은 구동 시스템의 소형∙경량화 및 비용 절감, 고효율화가 가능해지기 때문이다. 인버터가 일체화 된다면, 모터의 바로 옆에 배치할 수 있어 모터와 인버터를 접속하는 와이어 하네스(WIRE HARNESS)를 단축하거나 옮길 수 있다. 그만큼 소형∙경량화가 가능해지며 하네스부에서 발생하는 손실을 줄일 수 있다. 저속기를 일체화 시킨다면, 톱니 바퀴의 윤활유와 모터의 냉각유를 공유할 수 있으므로 냉각기구를 간소화하여 소형화하기 쉽다.

예를 들어 모터와 감속기, 인버터를 하나로 결합시킨 ‘삼위일체’의 독일 Robert Bosch사의 구동 시스템은 별도로 준비해 조합시킨 경우에 비해 부피를 대폭 줄일 수 있었다고 한다. 인버터와 모터의 접속부는 기존의 긴 와이어 하네스에서 짧은 직사각형의 버스바로 변경했다. 그 결과 인버터와 모터의 접속에 필요한 공간을 줄여 소형화 할 수 있었다. 또한 접속부의 전력 손실을 줄여, 구동 시스템의 효율을 수% 향상시킬 수 있었다고 한다.

-- 차재 충전기도 삽입 --
다양한 제조업체가 기전 일체의 구동 시스템을 출전한 가운데, 각 제조업체는 각자의 강점을 살려 제품을 어필한다. 메가 서플라이어의 경우, 라인업이 풍부하다는 것을 강조한다. 예를 들어 보쉬(Bosch)사의 삼위일체의 구동시스템은 모터의 최대출력이 50~300㎾, 모터와 감속기를 결합한 시스템의 최대 토크로 1000~6000Nm라는 폭넓은 범위에서의 커스터마이즈가 가능하다.

-- 저속기로 차별화 한다 --
기기부품을 특기로 하는 업체가 강점으로 삼는 것은 감속기이다. 예를 들어 독일의 대형 부품업체인 쉐플러(Schaeffler)사는 삼위일체형 구동시스템으로 감속 비율이 약 15인 높은 감속기를 사용한다. 타제품의 감속기는 10전후가 일반적으로, 높은 것도 13정도이다. 감속비가 높을수록 시스템으로서의 토크를 향상시키기 쉽다.

-- 인휠모터(In Wheel Motor)에 현실감 --
기전일체의 구동 시스템을 소형∙경량화 한 다음에는 인휠모터(이하, IWM)의 실현이 보이기 시작한다. IWM의 이점은 많다. 예를 들어 엔진 및 모터로부터의 출력을 차륜까지 구동력을 전달하는 기구가 필요 없어짐으로써, 구동 효율의 향상과 차량공간의 확대가 가능해 진다.

또한 4륜 독립으로 구동력을 정교하게 제어할 수 있다는 이점이 있다. 그 결과, 차량이 미끄러지거나 바퀴가 공회전하는 등을 방지하여 안전성을 높일 수 있다. 코너를 회전할 때 발생하는 ‘롤링’이나 급가속이나 급정거 시에 차체가 전후로 쏠리는 ‘피칭’을 억제할 수 있으므로 쾌적성이 향상된다.  

-- ‘크고 무겁다’는 단점을 해소 --
이점이 많은 IWM이지만, 휠에 탑재하기 위해서는 크고 무거우며 비용이 높다는 과제가 있다. 또한 휠에 모터를 탑재함으로써 스프링 하중량이 증가하여 비포장도로 주행 시 흔들림 등으로 승차감이 떨어진다는 과제도 있다.

수 년 전까지는 이런 과제에 짓눌려 실용화까지는 거리가 멀었다. 그러나 최근에는 소형∙경량화, 비용절감을 위한 시도가 성과로 이어져 2025년경의 실용화를 목표로 연구 개발에 박차를 가하고 있다.

실제로 이번 도쿄 모터쇼에서는 도요타자동차가 콘셉트카를 출전하거나 각 부품 업체가 개발품을 전시하는 등, IWM의 제안이 이어졌다. 그 중에서 주목을 모은 것은 전후 좌우의 차륜에 IWM을 채택한 도요타의 연료전지차(FCV) 콘셉트카이다. IWM은 모터와 감속기 등으로 구성된다. 인버터는 차체 측, FC 스택 위쪽에 탑재해 있다. 콘셉트카는 2025년의 자동차를 상정한 것이라고 한다.

IWM을 채택한 이유는 항속거리를 늘리기 위해서라고 한다. 목표로 한 것은 ‘프리우스 수준의 상속거리’(도요타 설명자)로 그것을 달성했다. 구체적으로는 1번 충진 당 항속거리(JC08 모터연비)로 1,000km이다.

IWM의 채택으로 비어있던 차내공간을 수소탱크의 대용량화로 이용하여 FC 스택의 전기변환효율의 향상과 항속거리의 연장에 기여했다고 한다.

-- 에어리스 타이어로 진동 흡수 --
전시장 부스에서 설명을 담당했던 도요타의 개발 담당자는 “기술 과제는 아직 남아있다”라고 말하면서도, “수년 전에 비해 실용화에 크게 전진했다”라고 밝혔다. 모터의 최대출력은 약 100㎾로, 최고 회전수는 약 10만rpm으로 높다. 회전수를 높임으로써 모터를 소형화하여 1개당 무게를 20~25kg으로 가볍게 만들었다.

그래도 차륜주위의 무게가 증가됨에 따라 승차감이 떨어질 우려가 있다. 여기에서, 공기 충진이 필요 없는, 다시 말해 에어리스 타이어를 채택했다. 수지로 형성된 스포크(바퀴살) 부분이 용수철과 같은 기능을 하여 충격을 흡수한다고 한다. 이 에어리스 타이어는 스미토모(住友) 고무공업과 공동으로 개발했다.
 
-- 인버터 내장의 IWM도 --
도쿄 모터쇼에 출전한 IWM은 모터와 감속기를 내장한 타입이 많았으나, 그 중에서 인버터 내장품을 선보인 것은 쉐플러(Schaeffler)이다. 감속기를 이용하지 않고, 모터의 토크를 직접 이용한 ‘다이렉트 드라이브’ 타입의 IWM이다. 또한 모터와 감속기를 내장한 타입의 IWM도 개발 중으로, 부스에서는 그 설명 패널을 보여주고 있었다.

-- SiC로 인버터를 소형으로 --
지금까지 소개한 IWM은 모터와 감속기, 또는 모터와 인버터로 구성된 것이다. 모터와 감속기, 인버터의 3개를 모두 휠에 삽입하기에는 아직 크기가 크다. 인버터를 차체 측에 올릴 경우, 모터 수가 늘어난 만큼 인버터 수도 늘어나기 때문에 소형화가 요구된다.

인버터를 소형화하기 위한 비장의 카드로서 자동차 업계의 기대를 모으고 있는 것이 SiC(실리콘 카바이드, 탄산규소)로 만든 파워 디바이스이다. 현행의 차재 인버터로 이용하고 있는 Si파워디바이스에 비해, 인버터의 전력손실을 절반 이하의 큰 폭으로 절감할 수 있다. 손 실이 작아 발열량이 줄어들기 때문에 그만큼 인버터를 작게 만들 수 있다.

-- 덴소 사장이 SiC의 양산 선언 --
SiC 파워디바이스는 인버터의 소형으로 알맞지만, 차재에서의 신뢰성 기준이 없으며, 비용이 높다는 등의 과제가 있어, 극히 일부 전동차량에 채택되는 것에 그치고 만다. 그 중에서도 비용에 관해서는 “자동차에서의 채택이 진행되지 않아 비용이 낮아지지 않는다” “비용이 내려가지 않아 높은 가격 때문에 자동차에서의 채택이 진행되지 않는다”라고 한다. 말하자면 “닭이 먼저인가, 계란이 먼저 인가”라는 제자리걸음 상태였다.

이번 도쿄 모터쇼에서는 이 상황을 크게 바꿀 조짐이 보였다. 그 중에서도 인버터의 유저이며, SiC 파워 디바이스의 제조업체인 덴소가 SiC 파워디바이스의 차재 이용에 엑셀을 밟았다.

도쿄모터쇼에서 덴소가 개최한 프레스 컨퍼런스에서 당사 사장인 아리마(有馬) 씨는 ‘전동화’와 ‘자율주행’의 2분야에서 2020년까지 3년동안 5,000억엔을 투자한다는 계획을 밝혔다. 이 중에서 전동화의 비장의 카드로서 SiC 파워소자를 사용한 인버터를 “2020년경에 양산한다”(아리마 씨)라고 한다.

덴소와 같이 가동 시스템에 손대고 있는 제조업체의 담당자는 “2020년이후에 제품화하는 차세대 제품에서는 SiC 인버터를 전제로 생각하고 있다. 현재의 SiC 파워 디바이스의 가격이 낮아지는 페이스를 유지한다면 이점을 감안하면 충분히 이해될 것이다”라고 입을 모은다. 2020년대에는 차재용도에 있어서의 SiC파워 디바이스의 채택이 진행되어, 인버터 및 구동시스템의 소형화가 진행될 전망이다.

 -- 끝 --