정지 상태에서 시속 100km까지의 도달 시간 3.5초, 최고속도 시속 260km. 기아 EV6 GT의 강력한 성능을 상징하는 기록이다. 최고출력 430kW(585마력), 최대토크 740Nm(75.5kgf·m) 등 EV6 GT는 대한민국 자동차 역사상 가장 빠른 자동차라는 타이틀에 어울리는 스펙도 갖추고 있다. 이처럼 EV6 GT는 폭발적인 동력 성능을 바탕으로 기아의 우수한 전동화 기술력을 전 세계에 널리 알리는 역할을 도맡고 있다.
그렇다면 EV6 GT가 스포츠카에 버금가는 압도적인 성능을 제공할 수 있게 된 비결은 무엇일까? 기아 EV6 GT의 고성능 모터시스템을 개발한 인버터설계팀 정강호 책임연구원과 EV구동설계1팀 정성원 연구원을 만나 강력한 성능의 비결을 알아보았다.
Q. 최근 EV6의 최상위 모델이자 고성능 전기차인 EV6 GT가 출시했다. 이처럼 강력한 성능의 전기차를 개발한 이유는 무엇인가?
전 세계 자동차 시장의 중심이 내연기관 자동차에서 전기차로 빠르게 전환됨에 따라, 고성능 전기차는 자동차 제조사의 전기차 기술력을 가늠할 수 있는 지표가 되고 있다. 또한 고성능 전기차를 원하는 소비자 수요 역시 빠르게 늘어나고 있는데, 이는 고성능 전기차 특유의 호쾌한 가속 성능과 빠른 응답성을 경험했기 때문이다. 따라서 기아는 이러한 전기차 시장의 흐름에 발맞춰 EV6의 고성능 버전인 EV6 GT를 개발했다. EV6 GT는 성능을 대폭 높인 모터시스템(모터, 인버터)과 고출력 배터리를 조합해 역대 최고 수준의 동력 성능을 확보했다.
Q. 최고출력 270kW의 후륜 모터는 EV6 GT만의 차별화된 특징이다. 고출력을 달성하기 위해 모터시스템에 어떤 기술을 적용했나?
기아 EV6 GT가 폭발적인 동력 성능을 발휘하는 비결은 바로 후륜 모터시스템에 있다. 고성능 모델에 걸맞은 고출력을 달성하기 위해 2-스테이지 모터시스템 기술을 적용한 후륜 모터시스템을 새롭게 개발한 것이다. 이를 통해 EV6 GT의 후륜 모터시스템은 기존 EV6 대비 약 170% 수준인 270kW의 최고출력을 구현했다. EV6 GT는 시스템 총 출력이 무려 430kW(585마력)에 달하며, 정지 상태에서 시속 100km까지 단 3.5초 만에 도달하는 압도적인 가속 성능을 발휘한다.
Q. 전기차 모터의 출력을 높이기 위한 방법은 무엇이 있는가?
일반적으로 전기차 모터의 출력을 높이는 방법은 두 가지다. 첫 번째는 모터에 공급되는 전압을 올리는 방법이며 다른 하나는 모터의 인덕턴스(전류당 토크를 발생하는 정도)를 줄이는 방법이다. 전압은 배터리의 용량 및 셀 전압, 직/병렬 구조, 그리고 차량 탑재 레이아웃에 따라 결정되기에 단순히 전압을 올리기엔 현실적인 어려움이 있다. 한편 모터의 인덕턴스를 줄이려면 모터의 전류가 커지고 인버터의 전류 용량 역시 증대하므로 전력 변환 손실로 인한 효율성이 저하된다.
이와 같은 기술적 한계를 극복하기 위해 개발한 것이 바로 2-스테이지 모터시스템이다. EV6 GT의 2-스테이지 모터시스템에는 2개의 인버터를 적용해 배터리 전압과 모터의 인덕턴스의 변화 없이 모터에 더욱 큰 전압을 인가할 수 있다. 이는 곧 EV6 GT가 고출력을 달성할 수 있게 된 결정적인 비결이다.
Q. 2-스테이지 모터시스템 토폴로지는 어떤 기술인가?
우선, 토폴로지(Topology)는 모터와 인버터 사이의 전기적 구조를 의미하는 용어다. 이 토폴로지 구성에 따라 전기차의 출력과 전비가 크게 달라지는데, 2-스테이지 모터시스템 토폴로지는 일반적인 전기차와 달리 듀얼 인버터를 적용해 두 가지 모드(2-스테이지)로 작동한다. 가령 운전자가 일상적인 운전을 한다면 한 개의 인버터를 작동해 효율성을 극대화하고, 운전자가 빠른 가속을 원하는 경우 두 개의 인버터를 활용해 모터시스템의 출력을 최대로 끌어올린다.
Q. 고효율 모드와 고출력 모드(2-스테이지)는 어떤 조건에 따라 전환이 이뤄지는가?
고효율 모드는 통상적인 주행 상황, 즉 저속에서부터 중속의 주행 상태에서 작동하며 한 개의 인버터만을 활용해 EV6 GT를 구동한다. 고출력 모드는 고속의 주행 상황이나 높은 토크가 필요한 상황에서 두 개의 인버터를 작동해 최대 출력을 발휘한다. 이 두 가지 모드의 전환은 모터시스템의 토크와 속도, 배터리 전압에 따라서 모터 컨트롤 유닛(MCU)이 스스로 판단해 결정한다. 또한 운전자의 가속 수요(가속 페달을 밟는 정도)와 배터리 SoC(State of Charge)에 따라서 모드 전환이 이뤄지기도 한다.
Q. 고효율 모드 상태에서 고출력 모드로 전환될 때, 또는 그 반대 상황일 때 운전자가 주행 이질감을 느끼진 않나?
모드 간 주행 이질감 제어는 2-스테이지 모터시스템을 개발하는 과정에서 가장 심혈을 기울인 부분이다. 만약 싱글 인버터 모드에서 듀얼 인버터 모드로 전환될 때 토크의 변화가 있다면 운전자가 놀라거나 주행 이질감을 느낄 수 있기 때문이다. 토크의 변동은 모터 전류의 차이나 불연속성이 생겼을 때 발생하는데, 2-스테이지 모터시스템에는 이를 고려한 모드 전환 제어 알고리즘 기법이 적용되었다. 즉, 2-스테이지 모터시스템은 모터 전류의 충격 없이 자연스럽게 모드 전환이 이뤄지며, 운전자는 별다른 이질감 없이 EV6 GT의 우수한 주행 성능을 만끽할 수 있다.
Q. 강력한 출력을 발휘하는 만큼 모터시스템의 부피 증대가 예상된다. 동일한 E-GMP 플랫폼이라는 조건에서 고출력 모터시스템을 적용하는 데 어려움은 없었나?
만약 기존 모터시스템의 설계 방식대로 고출력 모터와 인버터를 적용했다면, 인버터의 부피 증대로 모터시스템의 크기 또한 크게 늘어났을 것이다. 그러나 EV6 GT는 기존 EV6와 동일한 플랫폼을 사용해야 하므로 제한된 차량 구조에 적합한 고성능 모터시스템을 개발해야 했다. 2-스테이지 모터시스템은 인버터의 부피를 최소화하는 데 결정적인 역할을 한다. 인버터의 전류를 크게 증가하지 않고, 현대차그룹이 자체 개발한 파워모듈(전력반도체)를 활용해 출력 대비 부피를 효과적으로 줄일 수 있었다. 또한 2-스테이지 모터시스템은 모듈화를 통해 동일한 플랫폼에 손쉽게 적용 가능하다. 현대차그룹이 향후 선보일 다른 고성능 전기차에도 적용될 예정이다.
Q. EV6 GT는 압도적인 최고속도 기록으로 많은 사람들의 눈길을 모았다. 시속 260km를 달성할 수 있는 비결은 무엇인가?
전기차는 내연기관 자동차와는 다르게 감속기를 통해 구동하므로 별도의 변속 없이 최고속도까지 도달해야 한다. 이는 곧 모터의 회전속도를 높여야 한다는 의미다. 현대차그룹은 고성능 모델인 EV6 GT에 걸맞은 최고속도 주행 능력을 확보하기 위해 세계 최고 수준의 고회전 전기모터를 개발했다. 주 구동 모터인 후륜 전기모터의 회전속도는 기존 15,000rpm에서 21,000rpm으로 크게 향상됐으며, 전륜 전기모터의 회전속도 역시 이와 동일한 수준으로 끌어올렸다.
Q. 고회전 전기모터의 개발 과정에서 기술적으로 어려웠던 점은 무엇인가?
전기모터의 회전속도 향상은 말처럼 쉽지만은 않다. 전기모터의 회전속도를 높이려면 내구성뿐만 아니라, 냉각과 NVH(Noise Vibration Harshness) 등 다양한 문제를 고려해야 하고, 이를 대응하기 위해 높은 설계 난이도가 요구되기 때문이다. 또한 전기모터의 고속화에 따라 필연적으로 발생하는 원심력 증대, 열 손실 증가 등을 해결하려면 고속 모터에 적합한 전용 기술 개발이 필요하다. 여러 글로벌 자동차 제조사가 고성능 전기차를 만들고 있지만, 고회전 전기모터를 쉽게 적용하지 못하는 이유도 바로 여기에 있다.
Q. EV6 GT에 탑재된 고회전 전기모터의 특징은 무엇인가?
현대차그룹은 고회전 전기모터의 내구성을 확보하기 위해 베어링 케이지의 형상을 최적화하고 영구자석 배치와 회전자 코어 형상을 가다듬어 *응력 분포를 크게 개선했다. 또한 베어링 타입을 오일 윤활 방식으로 바꾸고, 회전자 직접 냉각을 적용함으로써 냉각 효율을 높이고 전기모터, 인버터, 감속기 일체형 구조를 적용하면서 중복되는 마찰 부품을 최소화했다. 이 밖에도 전기모터 고속화에 따른 발열량에 대응하기 위해 손실 최소화 설계를 반영하고 오일 윤활 성능을 확보해 내구성 및 효율성 증대에 초점을 맞췄다.
*응력: 재료에 압축, 인장, 굽힘, 비틀림 등의 외력을 가했을 때, 그 크기에 대응해 재료 내에 생기는 저항력
한편 고회전에서 비롯되는 소음과 진동 문제를 해결하기 위해 회전자 샤프트에도 개선이 이뤄졌다. 고속 회전에 대응하기 위해 회전자의 형상과 설계 방식을 최적화하고, 회전자 샤프트를 2피스(Piece) 방식으로 설계해 높은 품질을 확보했다. 아울러 전기모터 전반으로 안정화, 언밸런스량 최소화, 고주파수 영역 진동 및 소음 저감 설계를 반영해 우수한 고속 회전 성능을 확보했다.
Q. 고회전 전기모터를 탑재한 만큼 고속 주행 상황에서 많은 발열이 예상된다. 냉각을 위한 별도의 기술이 적용됐나?
고성능 전기차에서 강력한 동력 성능만큼 중요한 점이 바로 안정성이다. 즉, 성능 변화 없이 고성능을 오래도록 지속하는 능력 또한 고성능 전기차에서 매우 중요하다. EV6 GT의 전기모터는 고성능에 특화된 냉각 기술을 적용했다. 하우징에만 냉각수가 흐르는 기존 전기모터와 달리, EV6 GT의 모터시스템은 냉각 파이프를 통해 모터의 코일과 내부에 직접 냉각 오일을 분사해 냉각 성능을 크게 개선했다. 특히 EV6 GT는 고성능에 특화된 냉각 설계와 더불어 기존 E-GMP의 기본 모터 냉각 구조를 함께 적용해 전기모터가 21,000rpm까지 회전하는 극한의 상황에서도 효과적인 냉각이 가능하다.
Q. 고성능 모터시스템의 개발자로서 EV6 GT 고객에게 강조하고 싶은 점은 무엇인가?
기아 EV6 GT는 세계 최초의 2-스테이지 모터시스템 토폴로지 기술을 통해 국내에서 가장 강력한 가속 성능을 발휘하는 자동차로 자리매김했다. 아울러 세계 최고 수준의 고회전 전기모터에서 비롯된 시속 260km의 최고속도 또한 EV6 GT의 빼놓을 수 없는 매력이다. 이처럼 우수한 동력 성능과 다이내믹한 주행 품질로 빚어진 EV6 GT는 자동차 마니아를 설레게 하는 고성능 전기차다. 기아 EV6 GT를 통해 마니아뿐만 아니라 많은 고객이 고성능 전기차의 우수한 성능을 마음껏 누려보길 바란다.
사진. 임근재
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