내년부터 새로운 인 휠 모터가 생산을 시작한다. 자동차회사가 더 쉽고 빠르게 전기차를 개발할 수 있도록 디자인된 것이 특징이다. ‘프로티언 드라이브’(Protean Drive)라는 이름이 붙은 경량화 기술은 영국 파넘에 본사를 둔 프로티언 일렉트릭(Protean Electric)사가 지난 8년 동안 개발했다. 가브리엘 도날드슨(Gabriel Donaldson) 유럽 사업개발팀장은 “신개념 인 휠 모터를 여러 방식으로 적용할 수 있다”며 “두바퀴굴림 순수전기차에 적용할 수 있고 기존 일반차를 하이브리드차로 만들거나 두바퀴굴림 차를 네바퀴굴림 차로 바꿀 수도 있다”고 설명했다.
프로티언 드라이브 개념은 영구자석과 동기 전기모터가 포함되어 완전히 스스로 움직이는 ‘스마트 액추에이터’(smart actuator)와 그것을 작동하는데 필요한 전자가 결합된 것이다. 각 모터는 최고출력 111마력과 최대토크 127.5kg·m을 내기 때문에 두바퀴굴림 전기차를 예로 들면 시스템출력 217마력, 최대토크 255.0kg·m의 성능이 나온다.
프로티언 드라이브처럼 스스로 움직이는 휠 전기모터를 달면 변속기와 드라이브샤프트를 달 필요가 없어 바퀴 사이의 공간을 한층 더 자유롭게 활용할 수 있다. 케이블 연결은 최소화 했다. 케이블 2개는 전원을 공급하는데 쓰고 다른 작은 케이블은 휠 전기모터를 제어하기 위한 자동차 메인 컴퓨터에 연결한다.
가브리엘 도날드슨 유럽 사업개발팀장에 따르면 한 쌍의 전기모터 무게는 72kg으로 BMW i3의 전기 드라이브트레인(102kg)보다 30kg 가볍다. 그러나 휠 전기모터를 달면 기존 바퀴보다 당연히 무게가 늘어난다.
그래서 프로티언 드라이브를 폭스바겐 골프에 달았을 때 무게가 늘어나는 것을 감안해 자동차 역학 전문가가 따로 서스펜션을 조율했다. 그에 따르면 시험차는 물론 기본형 골프 GTE에서도 늘어난 스프링 아래 무게 관리가 잘 된 것으로 나타났다.
변속기를 제거하면 기존 두바퀴굴림 전기차와 비교해 마찰 손실율을 6~8% 줄일 수 있다. 또한 가속과 감속할 때 효율성이 높아져 회생 브레이크에서 더 많은 에너지를 저장할 수 있다.
프로티언 드라이브는 14인치에서 20인치 이상되는 휠에도 장착할 수 있게 만든다. 지금 사전제작 단계이며 앞으로 중국에서 생산할 예정이다. 처음에는 1주일에 5~10개를 만들 계획이다.
이 기술은 패키징과 효율성에 엄청난 장점이 있지만 기존 전기 드라이브트레인과 비교했을 때 더 비싸며 생산방식으로 인해 가격경쟁력이 떨어진다. 가브리엘 도날드슨 유럽 사업개발팀장은 “프로티언 드라이브는 분명 사업적인 이익을 얻을 수 있지만 지금은 아무도 여기에 돈을 쓰려하지 않는다”고 어려움을 털어놨다. 내년에 중국 자동차회사가 처음으로 이 기술을 자사 모델에 채용할 것으로 보인다.
인 휠 모터는 무엇이며 어떻게 작동할까?
프로티언 드라이브는 많은 순수전기차 전기모터처럼 영구자석과 프로티언 동기 전기모터가 일반 가전제품처럼 교류(AC) 방식을 사용해 작동한다. 교류(AC) 모터와 직류(DC) 배터리 사이에 직류에서 교류로 전환해 전기모터에 전력을 공급하는 인버터가 있다. 회생 브레이크가 작동하면 인버터가 전기모터의 교류(AC) 발전기에서 배터리를 충전하도록 하는 역할을 한다.
전기모터는 보통 별개의 제품이며 따라서 자동차회사는 적절한 컨버터를 공급받아야 한다. 그러나 프로티언 드라이브 시스템은 인버터가 포함돼 있어 연결만 하면 바로 사용할 수 있는 ‘플러그 앤 플레이’(plug-and-play) 방식으로 전기차를 개발하는데 과정이 덜 복잡해진다.
프로티언 일렉트릭사는 새로운 인 휠 모터에 대해 안팎을 뒤집은 ‘인사이드 아웃’(inside out) 모터라고 표현한다. 보통 영구자석은 ‘로터’(rotor)라 부르는 가운데에서 돌아가는 축에 장착되기 마련이다. 그러나 프로티언 드라이브는 ‘스테이터’(stator)라는 전기선이 감긴 고정 장치에 둘러싸여 있다. 결론적으로 프로티언 드라이브는 로터가 바깥쪽에 스테이터가 안쪽에 있다. 이것이 바로 인사이드 아웃 모터라고 표현하는 이유다.
인 휠 모터가 바퀴를 직접 굴리기 때문에 차를 크게 만들 필요가 없다. 프로티언 일렉트릭 사는 “프로티언 드라이브는 자동차산업이 그 어느 때보다 전동화 시스템에 가장 손쉽게 접근할 수 있는 기술”이라고 강조했다.
