산업기술/제조/경영

Nikkei Monozukuri_2020.11 특집 (p39-61)

EV 시대의 메카 기술
EV전용 플랫폼과 새로운 기술 등

전기자동차(EV) 시장은 급격하게 확대되고 있다. 하이브리드차(HEV)나 연료전지차 등을 포함하면 전동화 비율은 더욱 높아질 것이다. 이와 같은 상황 속에서 기계 계(Mechanical System) 부품이나 기술이 활약하는 장은 어디에 있을까? EV화로 창출되는 새로운 요구에 대응한 새로운 기술이 필요하다. EV 시대의 메카 기술을 취재했다.

Part 1. 총론
전동화로 변혁이 요구되는 부품 업체, 강점을 살려 기존에 없는 요구 실현

자동차의 파워트레인으로 모터를 사용하는 전기자동차(EV)나 하이브리드차(HEV) 등 전동차의 시장 규모는 착실하게 확대되고 있다. 전자∙전기 부품의 탑재량이 증가하는 반면 기계계 부품은 감소하고 있다. 지금까지 자동차 산업을 지탱해 온 기계계 부품업체에 큰 변혁의 태풍이 불어오고 있다.

EV로 대표되는 전동차가 주류가 되는 시대(이하, EV 시대)에서, 그곳에서 사용되는 부품에 대한 요구를 선점해 자사의 보유 기술을 활용하면서 바꿔야 할 곳을 바꾸면서 발전시켜 나가는 자세가 필요하다. 본 특집에서는 베어링 부문의 대응을 중심으로 EV 시대에서의 기계기술(메카기술)에 대해 소개한다.

-- 전동차에 기계 부품은 필요 --
본격적인 EV 시대를 앞두고 기계계 부품업체에 어떠한 영향이 나타날지에 대해 생각해 보자. 그곳에서는 크게 3개의 단면이 있다.

가장 큰 것은 구성부품의 변화다. EV에서는 엔진 대신에 모터가 탑재되고, 연료 탱크는 배터리로 대체된다. 이로 인해, 예를 들면 엔진을 구성하는 부품은 EV에서는 사용되지 않게 되면서 자동차업계 전체에서 봐도 부품 수가 감소하고 있다.

EV의 구성부품 수는 엔진차보다도 감소할 것이라고 하지만 그래도 수만 개는 된다. ‘주행하고’ ‘회전하고’ ‘정지하는’ 자동차의 기본 성능을 실현하기 위해서는 많은 기계계 부품이 필요하다.

예를 들면 베어링. 엔진보다 수는 줄지만 모터에서도 필수 부품이다. 그러나 엔진 베어링을 그대로 모터에 사용할 수는 없다. 여기서 필요한 것이 EV에 대응한 진화다.

-- EV만의 과제에 대응 --
예를 들면, 제이텍트(JTEKT)는 EV나 HEV에 대응한 베어링을 잇달아 발표하고 있다. 19년 10월에는 ‘크리프 마모 억제 볼 베어링’, 20년 5월에는 ‘전기자동차 모터용 고속회전 그리스 윤활 볼 베어링’, 20년 6월에는 ‘전동차 구동 모터용 전식(電蝕) 방지 베어링’을 발표했다.

전식(電蝕) 방지 베어링은 베어링 내를 통과하는 전류로 인한 오류를 방지하는 것이다. 기존의 자동차에서는 거의 문제가 되지 않았지만 전동화가 진전되면서 5년 정도 전부터 문제가 현재화되기 시작했다. 전식 방지 베어링 그 자체는 이미 복합기 등에서도 사용되고 있다. 그러나 내구성이나 비용 문제로 그대로 유용은 불가능해 EV용으로 새롭게 개발할 필요가 있었다.

또한 고속회전 베어링은 모터의 소형∙경량화에 따른 회전 속도의 향상에 대응하는 베어링이다. EV용 모터는 기존의 자동차용 베어링에서는 생각하지 않았던 영역의 회전 수를 사용하기 때문에, 대폭으로 증가하는 발열의 악영향을 무시할 수 없게 된다. 기존을 능가하는 스펙(사양)에 대응하지 않으면 EV용 모터에는 채용되지 못할 것이다.

크리프 마모, 즉 베어링이 외륜째 어긋나서 주위와 부딪히는 현상이 일어나는 요인은 회전의 빈번한 시동∙정지라고 한다. EV에서는 에너지 재생 시 등, 엔진차에서는 생각지도 않았던 회전 패턴이 발생하기 때문이다.

물론 베어링에 요구되는 요건은, EV 적용에서 새롭게 필요한 성능이나 스펙만이 아니다. 소형화∙경량화라는 기존에도 있었던 과제에 대한 대응이 계속적으로 요구된다. 지금까지 타 분야에서 축적된 기술을 새롭게 자동차에 응용한다고 해도, EV의 경우는 무게, 크기, 비용과 같은 기본적인 요구 레벨이 원래 높다. 기존의 기술도 종합하여 더욱 높여나가지 않으면 EV 시대에 기계 요소 부품업체가 살아남기는 어렵다.

-- 플레이어도 변한다 --
-- 제조 기술에서도 독자적인 색 --
-- 신세대 EV도 등장 --

Part 2. 사례편
고속 회전이나 전식(電蝕) 방지로 베어링 개량, 저비용과의 양립이 관건

대표적인 기계 요소 부품의 하나인 베어링. 엔진에 비하면 수는 감소하지만 전동차의 모터에도 베어링은 필수다. 바퀴 주변이나 스티어링 기구 등 회전 운동을 하는 부품에는 베어링이 계속 사용된다. 그러나 EV 시대의 베어링에 요구되는 성능이나 기능은 엔진차 시대와는 크게 다르다. 각 사는 그에 대응하기 위해 고군분투하고 있다.

-- 모터의 고속 회전화에 대응 --
EV의 구동용 모터에서는 소형화∙경량화와 고출력화를 양립하기 위해 고속회전화가 필수다. 모터의 회전축을 지탱하는 베어링에도, 고속 회전화에 대한 대응이 요구되고 있다.

베어링의 피치원 지름(mm)과 회전수(rpm)를 곱한 수치인 ‘dmn값’. 엔진용에서는 100만 이상의 스펙을 요구하는 일은 드물었지만 EV용에서는 당연한 일이다. 150만 이상을 승부수로 보고 있다. 고속회전화의 걸림돌이 되는 온도 상승의 제어를 둘러싸고 베어링업체들이 치열한 경쟁을 벌이고 있다.

국내 대형 베어링업체 중에서 앞서고 있는 곳은 NTN이다. NTN은 15년에 dmn값을 그 때까지의 약 2배인 108만으로 높인 제품을 발표했다. 20년 3월에는 일본정공(NSK)이 dmn값 140만의 제품을 발표했고, 5월에는 제이텍트(JTEKT)가 dmn값 150만 이상을 발표하는 등 고속회전 대응 베어링 발표가 잇달았다.

이 기술 경쟁의 중심이 된 것은 윤활제로서 그리스를 미리 넣어 두는 ‘깊은 홈 볼 베어링’이다. 이상한 온도 상승을 초래하는 최대 요인이자, 개량의 포인트가 된 것은 전동체(볼)의 간격을 일정하게 유지하는 부품인 케이지(혹은 리테이널)다. 베어링업체들은 이 점에 대한 인식은 같았지만 구체적인 대책은 서로 달랐다.

현시점에서 가장 고성능은 dmn값 150만의 제이텍트다. 제이텍트는 고속회전 대응만이 아니라 최근 1년동안 다양한 EV 대응 베어링을 발표했다.

-- 케이지에 의한 간섭을 줄여 발열 저감 --
dmn값 150만에서 상정하는 회전수는 2만 5,000rpm 이상(내경 30~40mm, 외경 60~65mm의 베어링)이다. 제이텍트는 기존과 크게 다른 모양의 케이스를 개발해 비용 상승 요인이 되는 재료 변경이나, 소형화에 걸림돌이 되는 베어링의 크기 증가 없이 고속 대응을 가능하게 했다.

베어링의 온도 상승 원인은 크게 2개다. 그 중 하나가 케이스다. 회전 속도가 높아지면 원심력으로 인해 케이스가 변형되고, 베어링을 구성하는 다른 부품(외륜, 실, 전동체)과 간섭하며 마모가 일어나고 발열하게 된다. 또한 그리스 윤활 볼 베어링에 들어 있는 그리스가 원심력으로 인해 외륜 측으로 이동, 내륜 측의 궤도 부분이 윤활 부족(그리스 부족)이 되는 것도 발열의 원인이 된다.

고속 회전화를 실현하기 위해서는 이러한 과제를 해결해야 한다. 우선, 케이스의 변형으로 인한 다른 부품과의 간섭이다. 이 분야의 그리스 윤활 볼 베어링의 경우는 플라스틱제의, 축 방향으로 다수의 손톱이 나 있는 ‘크라운 케이지’가 사용된다. 손톱과 손톱 사이(포켓)에서 볼을 유지하는 방식이다.

그러나 플라스틱제 크라운 케이지는 회전수가 높아져 원심력이 커졌을 때 케이지의 손톱 끝 부분이 외측(방사선 방향)으로 변형되면서 간섭을 초래하기 쉽다. 일반적인 대책은 크라운 케이지의 고리 부분의 강성을 높이는 것이다. 비틀어서 손톱이 이동하는 양을 줄인다. 그래서 통상은 케이지 재료를 강성이 높은 것으로 바꾸거나 고리 부분을 두껍게 하는 식으로 개량한다.

예를 들면, 고리의 두께를 1mm 이상 증가해 케이지의 강성을 높이면 원심력에 의한 변형을 줄일 수 있다. 그러나 이 방법은 케이지의 고리 부분이 두꺼워지기 때문에 베어링 전체의 폭도 넓어질 수 밖에 없다. 모터의 소형화를 위해 고속화를 추진하는데, 베어링이 커진다면 본말전도의 결과를 초래한다. 케이지를 보다 강성이 높은 재료로 변경하는 방법도 있지만 비용이 상승한다.

-- 변형을 무리하게 억제하지 않고 원인을 제거한다 --
-- 수지계 코팅으로 절연 --
-- 외륜에 홈을 만들어 크리프 마모를 제어 --
-- 외륜에 얕은 홈을 형성 --

Part 3. 분해편
테슬라 ‘모델3’의 유니크한 부품

미국 테슬라의 전기자동차 ‘모델3’를 분해 조사했다. 여기서는 그 일부를 사진으로 소개한다.

-- 전륜 구동 유닛 --

-- 후륜 구동 유닛 --

-- 프런트 서스펜션 --
Upper Arm은 스틸 프레스 제품을 수지로 내벽 처리하였고, 립(Rib) 구조가 보였다. Lower Arm과 너클 부분은 알루미늄 단조품이다.

-- 스티어링 멤버 --
알루미늄 합금의 관재(管材)에 수지를 인서트 성형한 것으로 보인다.

-- 프런트 모터 --

-- 버스바(Bus Bar) --
전력 배전에 사용한다. R부는 20장 이상의 얇은 동판을 겹쳐서 쉽게 구부러지도록 했다.

-- 인버터의 냉각 구조 --
수냉식. 케이스에는 절삭 가공으로 성형한 것으로 보이는 타원형 핀이 다수 배열되어 있다.

Part 4. 동향편
전용 플랫폼의 신세대 EV, 충실한 닛산과 독자성의 혼다

기존의 엔진차에서 유용하는 것이 아니라 처음부터 전기자동차(EV)에 대한 적용을 전제로 개발한 플랫폼을 채용하는 신세대 EV. 그러한 EV가 유럽 시장을 중심으로 21년에 속속 등장한다. 흥미로운 것은 그곳에는 각 사의 EV 전략의 차이가 선명하게 반영되어 있다는 점이다.

-- 신세대 EV에는 각 사의 생각이 강하게 반영 --
신세대 EV의 최대 특징은, 기존의 엔진차의 플랫폼을 유용해 개발하는 경우가 많았던 기존의 EV와는 달리 EV에 대한 깊은 고민 끝에 EV 적용을 전제로 개발한 플랫폼을 채용하고 있다는 점이다.

예를 들면 닛산자동차의 ‘아리야’(일본에서 21년 중 발매), 프랑스 Groupe PSA의 ‘푸조 e-208‘(유럽에서 19년 후반에 발매), ‘시트로엥 e-C4’(유럽에서 20년 여름에 발매), ‘DS 3 크로스백 E-Tense’(유럽에서 19년 가을 발매), 독일 폭스바겐의 ‘ID.3’(유럽에서 20년 9월에 일부 모델에서 납차 시작), 혼다의 ‘Honda e’(유럽에서 20년 여름, 일본에서 20년 10월 발매) 등이 그에 해당한다. 모두 19년 후반부터 21년 말에 걸쳐 등장하는 신형 EV다. EV 적용을 염두에 두고 개발한 플랫폼을 채용하고 있다.

플랫폼 개발 과정에서 EV에 대한 깊은 고민과 검토가 영향을 끼친 탓인지, 신세대 EV에는 EV에 대한 자동차업체들의 생각이나 전략이 강하게 반영되어 있다는 점이 흥미롭다. 예를 들면, 엔진차 수준의 총소유비용(TCO)을 중시해 저가격화를 추구하는 업체, 이들 EV를 리드하는 성능이나 장비, 쾌적성을 중시하는 업체, 엔진차와는 다른 경쟁축으로 EV만의 매력을 추구하는 업체 등이다. 폭스바겐의 ID.3나 Groupe PSA의 e-208 등은 TCO 중시. 닛산의 아리야는 성능∙장비∙쾌적성 중시. 혼다의 Honda e는 독자적인 경쟁축을 중시하는 신세대 EV라고 할 수 있다.

아래에서는 EV의 매력을 중시하는 닛산과 혼다의 대응을 살펴본다. 엔진차를 대신해 선택을 받기 위해서는 소비자를 끌어당기는 매력이 필수다. 닛산은 충실도, 혼다는 독자성으로 시장을 개척한다.

-- 가득 채운 아리야 --
“(차세대 EV 아리야에는) 닛산차의 매력이 모든 담겨 있다. (중략) 닛산에게 아리야는 단순한 신형차 중 하나가 아니다. 닛산의 역사 속에서 새로운 문을 여는 모델이다”. 20년 7월 15일, 보도진을 대상으로 온라인에서 열린 아리야의 월드 프리미어에서 닛산자동차의 우치다 마고토(内田誠) 사장은 이렇게 말했다.

이 말에서 알 수 있듯이 아리야는 닛산의 EV를 리드하는 기함 차종이다. 소비자의 요구를 충족시키는 높은 성능, 충실한 장비, 쾌적함을 추구한 EV다. 아시와니 굽타 COO는 “최첨단의 스타일링, 상쾌한 주행, 라운지와 같은 실내 공간, 그리고 가득한 첨단기술. 아리야는 ‘닛산 인텔리전트 모빌리티’의 정점 모델이다”라고 강조한다. “이런 자동차를 타고 있다고 자랑할 수 있는 자동차를 만들고 싶었다”(아리야의 개발책임자 나카지마(中嶋) 씨).

이를 실현하기 위해 내장한 많은 최신기술 중 하나가, 새롭게 개발한 전동 구동 4륜 제어 기술 ‘e-4ORCE’다. 상위 등급의 4륜 구동(4WD)차에 탑재하지만, 최상위 등급에서는 정지부터 100km/h까지의 가속 시간이 최단 5.1초로 닛산의 스포츠카 ‘페어레이디Z’에 필적하는 수준이다. 그러한 가속 성능과 함께 e-4ORCE 탑재차에서는 “어떤 환경, 날씨에서도 보다 안심하고 안정적인 즐거운 드라이브가 가능하다”(나카지마 씨).

와인딩 도로에서는 코너에 진입할 때는 회두성이 뛰어난 후륜 구동계 주행으로 한다. 그리고 코너 안에서 전후 토크 배분을 균등하게 한 4WD계 주행으로 전환하고, 코너에서 빠져나간다. 코너에 진입할 때는 미끄럼 방지 장치인 브레이크 제어도 조합한다. 후부 출력을 높인 상태에서 내륜 측의 브레이크를 조금씩 잡음으로써, 지연 없는 기분 좋은 주행이 가능하다고 한다. 또한 코너 바로 앞에서 감속할 때는 후부 브레이크를 먼저 작동시키고, 시차를 두고 전부 브레이크를 건다. 이를 통해 단순하게 브레이크를 걸었을 경우에 발생하는 차량 앞 부분이 가라앉는 현상을 방지하고 플랫한 승차감을 실현하고 있다.

-- 베스트 주행을 추구하는 Honda e --

-- 끝 --

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