(펌) WRSM ,그리고 전기자동차의 모터

모카에 WRSM관련 영상https://youtu.be/GTS9aOQ2VBc

이 올라왔는데 (주)로펌 대표 강창훈분이 나와서 설명했습니다.

현업 모터개발자 분이던데  ㅋㄹㅇ 굴러간당 창당발기인 이였더군요

영상에서 부족했던 부분을 본인이 직접 게시글로 작성했던데 관심있는분 한번 읽어보시길 바랍니다.

저도 비엠전기차 차주이고  이번주에 기본보증이 끝나서 보증연장을 해야하는데(i4_5만넘게 주행하는동안 문제는 한번도 없었네요) 전기차에 유지보수를 해야하는 새로운방식 모터를 장착했으면  내연기관과는 다른 보증기준을 적용했어야 한다고 봅니다. WRSM이 PMSM 보다 못하니 낫니는 차후 문제이고….

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안녕하십니까, 굴러간당 유령회원 gamjavas 입니다.

사실 IT 바닥에서 오래 일 하다가, 워낙 차를 좋아하기도 했던 제가, 전기차를 경험하게 되면서, 부족하지만 모터 개발을 하게 되었고, 그래서 갑자기 모 자동차 채널에 출연을 하게 되기까지 했습니다만, 당일 아침에 전화 한통 받고 바로 이동해서 도착하자 마자 찍은 영상이고, 따로 콘티같은게 없이 그냥 만담처럼 얘기를 해 나가다 보니 두서도 없고, 중언부언도 하고 해서 촬영 후 찜찜한 점이 좀 있었습니다. (게다가 전날 거의 철야를 한 상태에서 눈이 써금써금..ㅠ)

해서, 요즘은 좀 뜸하지만, 그래도 나름 창당발기인으로서 굴러간당의 시작을 함께했던 (썩은물) 애정으로, 여기에 변명? 혹은 넋두리를 좀 써 봅니다.

물론 제 전문 분야이자 관심 분야이기 때문에, 현재 상태에서 남보다 좀 더 많은 내용을 읽어보긴 했겠지만, 제가 아는게 전부 옳다는 얘기도 아니고, 제 진짜 전문분야와도 아주 살짝 거리가 있는 내용들도 다루다 보니, 실수나 잘못 알고 있는 내용이 있을 수 있습니다. 그런 건 지적해 주시면 한 수 배우겠습니다. 

#서두

분명 기존 기술을 개선하기 위해 만들었지만, 다른 단점도 있고, 그걸 극복하느냐 못하느냐가 중요한 것 같고요.

또 그 기술을 구현하는 완성도 못지 않게, 차량에서는 정비성을 고려한 설계도 중요할 것이고요...

그런 점에서, 현행 BMW 전기차에서 발생하는 현상은 명확히 원인이 규명 되고, 그에 따른 후속 조치가 있어야겠죠.

자동차는 탑승자의 생명을 좌지우지 할 수 있는 물건이기 때문에, 충분한 안심을 줄 수 있고, 실제로 안전해야 하니까요.

브러시의 분진 문제를 구조적으로 개선한다던지, 특정 기간 제조품만의 문제이므로 리콜로 해결 하고, 해당 부분에 대한 보증을 영구적으로 늘린다던지 하는 사후 관리가 당연히 필요하다고 생각합니다.

사실, 모터 안에서는 온갖 전기 자기 열 등 물리현상이 동시에 실시간으로 일어나기 때문에 이해하기 쉽지 않은게 사실입니다. 그래도 최대한 쉽게 설명하려고 노력했지만 좀 부족했던 것 같아서 유투브에서 말 한 내용에 조금 살을 덧붙여 보려고 합니다.

개인적으로는 모터가 자동차의 주 동력원으로 사용되기 시작하면서(내연기관보다 먼저 사용될 뻔 했지만, 배터리 때문에 미뤄진거죠), 불완전한 내연 왕복기관이 100여년 간 오버테크에 가깝도록 발전된 것 처럼(물론 복잡도가 엄청 높아졌지만), 모터도 이제 시작이라고 생각합니다. 

다만 출발선 자체가 이미 넘사벽이라..(내연기관 전환효율 20~30%, 모터의 (종류별) 평균 전환율 90%) 더 나은 모터를 마냥 기다리기 보단, 현재 수준에서도 단순 동력기관으로서는 충분히 훌륭하고요, 앞으로 배터리 기술과, 모터의 출력 밀도 개선이 많이 일어날 것이라 생각합니다. 

수십년간 모터 자체의 발전 보다는 제어방식이 발전해 왔고, 그 덕분에 과거에는 오히려 모터의 단점이던 기동과 동시에 최대 출력 발생이 가능해 졌습니다.(수십년간 변경된 것은 VFD의 사용 또는 인버터의 발전이라고 보는 시각이 많습니다.)

즉 BLDC -> PMSM으로의 발전은, 모터의 구조 자체는 크게 변하지 않고(분산권, 자석 배치 정도의 차이이며 컨트롤러는 병행사용 가능) mcu와 고속 전력 반도체 덕분에 복잡한 제어(벡터제어)가 가능해 져서 기존의 단점을 극복할 수 있었으며, 비용부담이 있지만, 높은 제어 자유도는 효율 뿐 아니라 정밀한 제어가 가능한 것이 장점입니다.

#차량용 모터의 개발 흐름 - 오토일렉트로닉스 인용 

당초 유도모터와 영구자석모터로 심플하게 갈려있었고, BMW, 다임러, 포드, GM, 현대기아, 닛산, 스텔란티스, 토요타, 볼보, 폭스바겐, 중국의 OEM 등 거의 모두가 영구자석동기모터(PMSM)를 선호했지만, 조금 다른 노선으로 가고 있는 움직임이 보입니다.

- 현대기아, 토요타, 혼다, 스텔란티스는 희토류 없는 영구자석(코발트-사마륨(방사능;;), 페라이트(약골의 대명사?). 란타넘, 세륨 등의 대체제 사용)쪽으로 연구를 진행하고 있습니다.

- BMW와 르노는 외부여자형(WRSM) 방식을 이미 구현해 출시 했고요

- 다임러, GM, 닛산, 폭스바겐은 유도모터(다시?)를,

-테슬라는 PMaSRM에 카본슬리브를 적용해 열변화에 대한 공극 변화를 억제하고 있습니다.

(출처 https://www.autoelectronics.co.kr/article/articleView.asp?idx=4687)

여기서 테슬라가 읭? 하며 의아해 하시는 분들이 계실 것 같아 설명해 보면,

테슬라는 2012년 발매한 모델s부터 인덕션 모터를 사용하다가(제 모델s가 인덕션 두개 든 녀석 입니다.) 2017년에 모델3를 발표하면서 PMaSRM 방식을 사용했고, 모델s/x에도 인덕션과 병행하다가, 플래드에서는 카본슬리브를 사용한 PMaSRM으로 통일했습니다.

여기서 얘기하는 PMaSRM 방식은, 애초에 희토류 문제를 들며 인덕션 모터를 고집했던 테슬라가 영구자석의 사용을 최소화한 방식으로 개발한, Permenant Magnet assisted Synchronous Reluctance Motor라는 다소 긴 명칭의 모터 입니다. (공식적으로 PMSM이라고 통용)

고정자는 코일을 사용하고, 회전자에 매입형 자석을 사용하는건 전통적 PMSM(IPM)과 비슷한데, 토크를 만드는 방식이 두가지 입니다. (그래서 하이브리드 형이라고 합니다.)

즉 로렌츠력(자석의 인-척력)으로 인한 토크와, 릴럭턴스력(자기 회로의 최단경로를 만들려는 성질)의 토크가 합성된 형태로, 자석의 비율과 로터의 구조에 따라 다르지만 60:40~20:80의 비율로 토크를 생성하는, 가장 진보된 PMSM 방식입니다.

덕분에, 90% 정도였던 초기(인덕션 모터를 사용한) 테슬라 차량의 동력 전환 효율은, PMaSRM으로 바뀌면서 97%가 됩니다. (어디까지나 최대 효율;;) 거기에 플래드에는 카본슬리브를 사용해, 고출력 발생시 열에 의한 공극 변화를 억제함으로써, 출력을 지속적으로 뿜어내기까지 하도록 발전했습니다.

더불어 다른 메이커들도 트렌드에 맞게 PMSR/SynRM/IPM 등, 이름은 다르지만 대동소이한 방식을 채용하고, 고정자의 권선에는 헤어핀 방식을 사용함으로써 (스펙상 최대)효율은 비슷해져 갑니다. (헤어핀 방식은 같은 공간 안에 구리량(코일)을 극대화 하기 위한 방식으로, 헤어핀 형상이라 그렇게 부릅니다.)

그리하여, 현재 PMSM이라 부르는 방식은 대부분 PMaSRM, 줄여서 PMSR(Permenant Magnet Synchronous Reluctance)라고 하는 모터입니다.

아.. 이미 또 너무 두서 없게 와버렸나 싶기도 하지만 조금 더 가보겠습니다ㅠ

#이미 현재의 PMSM이면 충분하지 않아? 어째서 굳이 다음 기술을?

여기서 잘 튜닝만 하면 되지 왜 또 다른 기술을 연구하느냐?

1. 몇가지 이유가 있겠지만, 모터의 성능스펙에는 함정이 있습니다. 최고 효율구간과 스윗스팟이죠.

스펙상 뛰어나더라도, 모든 영역에서 좋지는 않고, 최고 효율 구간에서만 좋기 때문에, 운행시 이 구간을 벗어나면 속은 느낌이 드는거죠.

또 스윗스팟 안에 있으면 과열도 되지 않고, 최고의 효율과 수명을 유지할 수 있지만, 늘 그 안에서만 운행하는건 아니죠.

그래서 듀얼모터를 쓰면서, 가속형 모터와 항속형 모터를 구분해 쓴다던가, 멀티스테이지 인버터를 써서 용도별로 전력 효율을 높이는 노력을 한다던가 하는, 트릭에 가까운 여러가지 보조 기술을 사용합니다.

가능하다면 모터의 넓은 회전수 구간에 걸쳐 최대한 높은 효율을 내는 것이 좋겠죠. 

2. 출력밀도 문제...

분명 모터에서 중요한 건 효율과 출력 입니다.

그런데 출력 밀도가 웬 말이냐?

출력 밀도는 단위 무게당 출력을 의미합니다. 즉 모터의 무게당 출력비율을 의미합니다.

현재 차량용 PMSM 모터들의 경우 킬로그램당 4kW 정도를 내고 있습니다. 그런데 미국 고등 에너지 기획국의 연구 결과에 의하면, 보잉 737 여객기가 5시간 비행을 하기 위해서는 12kW/kg가 필요하다고 합니다.

그렇습니다. 차량에선 그렇게 중요하지 않을 수 있지만, 날아가는 비행체에서는 굉장히 중요한게 무게입니다.

오죽하면 payload(유상운송 무게)라는 말이 있을까요...

여튼, 우주/항공 분야에서는 더 높은 출력 밀도가 필요하고, 그러면서도 높은 출력과 효율이 필요하기 때문에, 여러가지 시도를 하고 있습니다. 그래서 공극 면적을 크게 넓힌 Axial Flux 모터라던가(이게 저희 회사에서 개발중인 모터입니다.), 무거운 철제 코어를 대체하는 시도라던가 등등의 연구가 되고 있습니다. 

물론 차량에도 같은 출력에 더 작고 가벼운 모터가 들어가면 좋겠지요??

3. 그리고 희토류 문제

60%이상이 매장되어 있다고 하는 중국, 중국은 현재 완제품 영구자석은 수출이 되지만, 원재료는 수출을 안합니다.

사실 저도 모터를 만들면서 필요한 자석을 직접 만들고 싶은데, 그게 현실적으로 불가능합니다. 

직접 만들수만 있다면 한 덩어리에 부분적으로 다른 극을 착자할 수 있어서, 원하는 형태로 자석을 제작할 수 있는데, 

주문제작이 되긴 하지만, 낱개로 자석을 하나씩 붙이다 보면 자석이 날아가서 구입한지 일주일도 안된 맥북프로 액정이 깨지기도 하고.. 여튼 그런식으로 중국은 자원 장난질을 치고 있어서, 향후 가격 전망이 그다지 희망적이지 않지요. 물론 네오디뮴은 매장량 보다는 가공시 유독물 문제도 있고요... 또 높은 온도에서 감자를 최소화 하기 위한 다이스프로슘도 필요한 등등.. 

이런 말썽꾸러기 자석을 쓰지 않기 위한 모터 방식은, 이미 전세계 모터의 80%를 차지하는 인덕션 모터! 그리고 릴럭턴스 모터, 그리고 권선계자(WRSM)형 모터가 있습니다. 

하지만 릴럭턴스 모터는 효율이 좋지 않고, 그나마 인덕션은 90%라고 했으나 PMSM에 비해서는 좀 낮고, 그렇다면 인덕션 보다 좀 더 나은 WRSM이 비 희토류 모터 중에서는 제일 낫네?  맞습니다.

하지만 앞에 얘기했듯, PMSR이 이미 자석 사용량을 굉장히 줄였기 때문에, 원가문제라면 저라도 안전한 선택이라면 PMSM(PMSR)을 선택하는게 맞다고 생각합니다. 현재로서는...

#그렇다면 WRSM은 왜?

사실 BMW의 WRSM모터를 열어보지 않아서 잘은 모르겠지만, 단순하게 굳이 원가절감을 위해, 엔지니어링에 환장한 BMW 공돌이들이? 라는 생각이 처음 들었습니다.

게다가, BMW의 경우 2013에 발매한 i3에 이미 하이브리드 아키텍처의 PMSM을 사용했다고 하는데, 이게 당시엔 하이브리드라고 HSM이라고 불렀지만, 사실은 이게 PMaSRM에 가까운 방식입니다. 

뭐 무엇 때문에 마음이 바뀌었을지는 모르겠지만, 남보다 먼저 PMaSRM이라는 진보된 방식을 썼던 그들이 퇴보한 기술을 사용하려는 이유가 있을까요?

찾아본 자료에 따르면, 2020년 소형의 BEV용 5세대 파워트레인을 WRSM으로 바꾼 결과, 모터 속도는 11,400 rpm에서 16,000 rpm으로, 출력과 토크는 125 kW/250 Nm에서 90~300 kW/200~500 Nm로 대폭 향상됐다고 합니다. 

또, 중량을 48.4 kg으로 유지하면서 전력밀도를 30% 늘렸다고 합니다.... (일단 그들의 주장은)
(출처 https://www.autoelectronics.co.kr/article/articleView.asp?idx=4687)

즉, 제작자의 설계 의도에 따라 정해지는 것이 차량의 출력이고, 여기에는 효율이라던가, 제작 난이도, 원가 등 여러가지 변인이 작용하기 때문에, 모터의 특성이 좋다고 같은 체급의 타사 전기차와 직접 비교하는 것 보다는, 동일 상황에서 통제변인 변화에 따른 개선점을 보는게 맞겠죠. 

그리고 영상에서도 자막으로 표기했지만, WRSM은 르노에서 먼저 SM3 ZE와 ZOE에 적용 했습니다. 모터는 컨티넨탈에서 제조했고요. 다만 메이저(?) 모델이 아니다 보니, 문제가 있건 없건 잘 알려지지 않았을 수 도 있겠고요....

Mahle의 유도방식 EESM (Electrically Excited Synchronous Motor)

ZF의 I2SM(In-rotor Inductive-excited Synchronous Motor) 

그리고 좀 더 찾아 보면, 슬립링을 사용하지 않은 유도방식의 WRSM을 Mahle에서 EESM, ZF에서 I2SM이라는 이름으로 내놓고 있습니다. 이 경우 마찰로 인한 마모는 적지만, 전력손실이 어느정도 있겠지요.

( EESM=WRSM, ASM=비동기모터(AC 인덕션 모터))

즉 WRSM은, 정지시에나 움직일때나 늘 같은 자속(온도가 올라 감자 되기 전까지)을 내는 영구자석 대신, 전자석을 이용한 전류 제어를 통해, 약자계 제어를 하지 않고, 1.더 넓은 회전수 범위를 커버하고 2.일정역률 운행을 할 수 있도록 전류제어를 하는 방식에 방점을 찍는 것이지, 브러시의 유무는 부차적인 문제이고, 브러시를 사용하지 않는 방식도 연구/개발되고 있다는 얘기 입니다. 

BMW는 회전자에 전류를 공급하는데 브러시를 사용 했고, 브러시에서 분진이 생겨 구동계 트러블을 내는게 현재 상황이고, 이는 BMW의 구현상의 이슈이지, WRSM 방식 자체의 치명적인 문제 수준은 아니라는 얘길 하고 싶고요.

이미 글이 너무 길어져 버렸네요, 마지막으로, 제가 알고있는 PMSM 대비 WRSM에 대한 특징은 간략히 요약해 보겠습니다.

1.  wrsm방식을 슬립링 마모라는 단점을 감수해 가면서까지 쓰는 이유는, 희토류 저감이나 원가절감보다는 더 정밀 제어가 가능하고, 정 역률 제어를 통해 효율을 높일 수 있다는 데 있습니다.
2. pmsm의 경우, 기저속도를 경계로, 기저속도 이하는 일정토크 영역(MTPA;암페어당 최대 토크), 기저속도 이상은 일정 출력 영역이로 구분하는데, 기저속도 이상에서는 약자계 제어가 필요합니다.
   1. 기저 속도란 전기 모터가 정격 전압과 정격 전류에서 최대 출력(또는 정격 출력)을 낼 수 있는 가장 높은 속도입니다. 자전거 페달을 낮은 단에서 서서히 올려 최고단에서 최고속으로 돌리는 상태라고 생각하면 됩니다
   2. 영구자석은 저속에서 토크에 + 되는 효과를 주지만, 기저속도 이후의 고속 영역에서는 속도를 증가시키기 위해 약자계제어가 필요하며, 이 경우 d축 전류 소모로 인한 -요인이 되며. 열을 발생시킵니다!
3. 반면 wrsm은 회전자에서 필요한 만큼의 자속만을 만들고, 고속에서는 끄거나, 줄일 수 있으므로 제어 자유도가 높으며, 통합 벡터제어방식을 적용해(스테이터와 로터 연동) 손실에 대응하는게 아니라 손실을 애초에 만들지 않는 일정 역률 운전이 가능합니다. 이는 더 복잡한 제어가 필요하지만, 그게 (요즘 기술로)가능해져서 기존 pmsm 제어기에 통합 사용시 시스템 효율도 1-2% 추가 향상 가능합니다. 
4. 자동차의 일반적인 사용 패턴을 고려하면 wrsm은 이런 이점이 있습니다
   1. 저속에서는 1-2% 효율 떨어지나 출력은 5-10% 더 사용 가능해 경사로 출발시 이점이 있습니다.
   2. 중속- 부분 부하 운전 효율:
      1. 일반적인 주행 조건에서 자주 발생하는 부분 부하 운전 시 WRSM은 최적의 자속을 유지할 수 있습니다.
      2. 효율 개선: 부분 부하에서 2-4% 정도로, 일반적인 주행 조건에서의 전반적인 효율 향상으로 이어집니다.
   3. 고속도로 주행 시 효율:
      1. 고속 주행 시 회전자(계자) 전류를 줄여 철손을 감소시킬 수 있어 2-3% 정도 효율 증가
      2. 장거리 주행 시 이는 상당한 에너지 절약으로 이어질 수 있음
      3. 잦은 가속과 감속, 정지-출발이 많은 도심 주행에서 1-2% 정도 효율 개선 가능
   4. 회생 제동 효율 향상:
      1. WRSM은 회전자(계자) 전류 조절을 통해 회생 제동 시 더 넓은 속도 범위에서 효율적인 발전이 가능
      2. 효율 개선: 회생 제동 시 3-5% 정도
      3. 특히 내리막길이나 도심에서의 잦은 감속 시 에너지 회수율이 향상
   5. 극한 기후 조건에서의 성능:
      1. 고온이나 저온 환경에서 WRSM은 회전자(계자) 전류 조절을 통해 더 안정적인 성능을 제공할 수 있습니다.
         1. 성능 개선: 극한 조건에서 5-10% 정도의 출력 및 효율 유지 가능
         2. 이는 다양한 기후 조건에서의 주행 안정성 향상으로 이어집니다.

5. 이로인한 부가적인 장점

   1. 배터리 수명 연장

      1. 효율적인 에너지 사용으로 인해 배터리의 충/방전 사이클이 감소할 수 있습니다.
            - 배터리 수명 연장: 5-10% 정도
            - 장기적으로 배터리 교체 주기를 늘릴 수 있어 유지 비용 절감으로 이어집니다.

   2. 주행 거리 증가:

      1. 전반적인 효율 향상으로 인해 동일한 배터리 용량으로 주행 거리가 증가할 수 있습니다.
         - 주행 거리 증가: 3-5% 정도
         - 이는 주행 가능 거리에 대한 불안감(range anxiety) 감소로 이어질 수 있습니다.

   3. 토크 특성 개선:
      1.  WRSM은 저속에서 높은 토크를 제공할 수 있어 출발 성능이 향상될 수 있습니다.
         - 성능 개선: 저속에서 5-10% 정도의 토크 증가 가능
         - 이는 특히 경사로 출발이나 가속 성능 향상으로 이어집니다.
   4. 유지보수 관점:
      1. 브러시 타입의 WRSM은 브러시와 슬립링 교체가 필요할 수 있어 유지보수 비용이 증가할 수 있습니다.
      2. 그러나 전체적인 효율 향상과 배터리 수명 연장으로 인한 비용 절감이 이를 상쇄할 수 있습니다.

#결론:

1. PMSM의 약자속 제어 오버헤드와 WRSM의 고속 회전 시 효율 이득은 일반적으로 수 퍼센트 내외의 차이를 만듬. 그러나 이 차이는 모터의 크기, 출력, 사용 환경 등에 따라 크게 달라질 수 있습니다.

2. 그러므로 비단 둘 뿐 아니라, 실제 응용에서는 효율뿐만 아니라 비용, 신뢰성, 제어의 용이성 등 다양한 요소를 종합적으로 고려하여 모터 유형을 선택해야 합니다.

3. WRSM을 전기자동차에 적용할 경우, 다양한 주행 조건에서 1-5% 정도의 효율 향상을 기대할 수 있고, 확장해서 주행 거리 증가, 배터리 수명 연장, 다양한 주행 조건에서의 성능 향상 등으로 이어질 수 있습니다.

4. 그러나 제작 비용, 복잡성, 유지보수 등의 문제도 고려해야 합니다. 따라서 WRSM의 장점을 최대한 활용하면서 단점을 최소화할 수 있는 최적의 설계와 제어 전략이 필요합니다.

쓰다보니 또 용두사미가 된 감도 있지만, 이정도로 정리해 보았습니다.

마지막으로, WRSM 방식은 기존 방식의 한계를 극복하기 위한 도전이기에, 응원을 보내는 바입니다.

또 BMW는 자동차 제조사로서의 책임 있는 후속조치를 해 주길 바랍니다.

긴 글 읽어 주셔서 감사합니다.

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글과 영상을 다보고 느낀 제생각은 

BMW는 성능을 높이고 내구성을 희생한 선택을 한것 같은데 이러한 이유이면 더더욱 전기차의 보증기간을 내연기관과 달리해주어야 한다고 봅니다 

본문원글은 링크로 걸어두었습니다 

원글 글쓴분이 일일히 대댓글도 달았더군요