차세대 전기차용 인휠 모터 제어 및 하드웨어 설계 전략

전기차 시장이 급성장함에 따라 모터 기술도 지속적으로 발전하고 있으며, 그중에서도 인휠 모터(In-wheel Motor) 기술이 주목받고 있습니다.

인휠 모터는 기존의 중앙 구동 방식과 달리 바퀴 내부에 직접 모터를 탑재하여 동력을 전달하는 방식으로, 구동 효율 향상, 차체 경량화, 공간 활용성 증가 등의 이점을 제공합니다.

하지만 이러한 혁신적인 구조를 실현하기 위해서는 정교한 제어 기술과 최적화된 하드웨어 설계가 필수적입니다.

본 글에서는 차세대 전기차용 인휠 모터의 제어 기법 및 하드웨어 설계 전략을 심층적으로 분석해 보겠습니다.

 

 

1. 인휠 모터의 핵심 제어 기술: 고속 응답성과 에너지 효율 극대화

 

(1) 분산 제어 시스템의 필요성

기존의 전기차 모터는 중앙 집중형 방식으로 하나의 구동 모터가 모든 바퀴에 동력을 전달하는 구조를 가졌습니다.

반면, 인휠 모터는 각 바퀴에 독립적인 구동력이 제공되므로, 이를 효과적으로 제어하기 위해서는 분산 제어 시스템(Distributed Control System, DCS)이 필수적입니다.

• 각 모터별 독립적인 속도 및 토크 제어가 가능해야 하며, 이를 위해 실시간 통신 네트워크(CAN, Ethernet)를 활용한 정밀한 신호 처리 기술이 요구됩니다.
• 도로 조건 및 주행 환경을 실시간으로 감지하여 다이내믹한 토크 분배가 가능하도록 인공지능(AI) 기반의 예측 제어(Predictive Control) 기술을 적용하는 것이 바람직합니다.
• 높은 속도와 급가속 상황에서도 모터 간 응답 지연을 최소화하는 알고리즘 설계가 중요합니다.

 

(2) 고효율 벡터 제어(Vector Control) 및 직접 토크 제어(DTC)

인휠 모터의 높은 회전 속도와 저속 토크 특성을 최적화하기 위해서는 기존의 PID 제어 방식보다 정밀한 벡터 제어(Field-Oriented Control, FOC) 또는 직접 토크 제어(Direct Torque Control, DTC)를 적용해야 합니다.

• 벡터 제어는 모터의 전류를 직류(DC)처럼 제어하여 보다 부드럽고 효율적인 운전을 가능하게 하며, 정밀한 속도 및 토크 제어가 가능합니다.
• DTC는 전류 대신 토크를 직접적으로 제어하는 방식으로, 고속 응답성과 낮은 스위칭 손실을 제공하여 인휠 모터의 발열 문제를 줄일 수 있습니다.
• 각 방식의 장점을 결합한 하이브리드 제어(Hybrid Control) 기법이 최근 연구되고 있으며, 이를 통해 고출력과 고효율을 동시에 달성할 수 있는 방안이 마련되고 있습니다.

 

2. 인휠 모터 하드웨어 설계: 경량화와 방열 솔루션

 

(1) 고출력 밀도를 위한 인휠 모터 구조 최적화

인휠 모터는 바퀴 내부에 직접 탑재되므로 공간 제약이 크고, 구동 부하가 직접적으로 가해지기 때문에 고출력 밀도(High Power Density) 설계가 필수적입니다.

• 모터 코어는 고효율 자성 재료(예: 저손실 전기강판, 아몰퍼스 합금)를 활용하여 전자기적 손실을 최소화해야 합니다.
• 자석 배치는 Halbach Array를 적용하여 높은 토크 밀도를 구현하고, 동시에 리럭턴스 토크를 활용할 수 있도록 설계하는 것이 중요합니다.
• 권선 방식은 Litz Wire를 적용하여 고주파 손실을 줄이고, 역률을 개선하는 방식이 요구됩니다.

 

(2) 방열 및 냉각 시스템의 최적화

인휠 모터는 주행 중 연속적인 구동을 하므로 발열 문제가 심각하게 발생할 수 있습니다. 이를 방지하기 위해서는 효과적인 냉각 솔루션이 필수적입니다.

• 공기 냉각 방식은 구조가 단순하고 유지보수가 용이하지만, 인휠 모터 내부 공간의 제약으로 인해 냉각 성능이 제한적입니다.
• 액체 냉각 방식은 냉각 효율이 높고, 장시간 연속 운전이 가능하지만 시스템 복잡성이 증가할 수 있습니다.
• 최근에는 페이즈 체인지 소재(PCM, Phase Change Material)를 활용한 수동형 냉각 기술이 연구되고 있으며, 이를 통해 방열 성능을 극대화할 수 있습니다.

 

3. 인휠 모터와 회생 제동 시스템의 통합 제어

 

(1) 회생 제동 효율을 극대화하는 제어 알고리즘

인휠 모터는 각 바퀴에서 독립적으로 회생 제동을 수행할 수 있으므로 일반적인 전기차보다 더욱 높은 에너지 회수율을 기대할 수 있습니다. 하지만, 이를 최적화하기 위해서는 정밀한 제어 기술이 필요합니다.

• 브레이킹 시 차량의 중량 이동과 마찰력 변화를 고려하여 최적의 제동력 분배 알고리즘을 적용해야 합니다.
• 기존의 중앙 제어 방식보다, 각 인휠 모터에서 개별적으로 회생 제동을 수행하는 분산형 회생 제동 전략을 적용하면 더욱 높은 효율을 얻을 수 있습니다.
• AI 기반의 머신러닝 모델을 활용하여, 주행 습관 및 노면 조건을 학습하고 회생 제동 성능을 지속적으로 향상시키는 접근법도 연구되고 있습니다.

(2) ABS 및 ESC 시스템과의 통합

인휠 모터 기반 회생 제동 시스템은 ABS(Anti-lock Braking System) 및 ESC(Electronic Stability Control) 시스템과 긴밀하게 연계되어야 합니다.

• 고속 회전 중 급제동 시 회전력 균형이 깨지지 않도록, ABS 시스템과 실시간 연계하여 미끄러짐을 방지하는 기능이 필수적입니다.
• ESC 시스템과 협력하여 곡선 주행 시 각 바퀴의 제동력을 조절함으로써, 차량의 안정성을 향상시킬 수 있습니다.

 

4. 차세대 인휠 모터 개발을 위한 미래 전략

차세대 인휠 모터는 전기차의 경량화, 효율성 향상 및 공간 활용성 증대라는 측면에서 중요한 역할을 할 것으로 예상됩니다. 하지만 실용화를 위해서는 신뢰성 확보, 방열 문제 해결, 제조 단가 절감 등 다양한 기술적 도전 과제를 해결해야 합니다.

• 고효율 전력 반도체(SiC, GaN) 및 지능형 제어 시스템을 도입하여 전력 변환 손실을 줄이고 성능을 극대화해야 합니다.
• 하이브리드 냉각 시스템과 저마찰 베어링을 적용하여 장시간 사용 시 내구성을 확보해야 합니다.
• 스마트 제어 및 AI 기반 유지보수 예측 시스템을 결합하여 신뢰성을 높이는 방향으로 연구가 지속되어야 합니다.

향후 인휠 모터 기술이 본격적으로 상용화되면, 전기차의 주행 효율성과 주행 성능이 한층 더 진보할 것입니다.