전기차 모터 냉각에 대해 알아보자(1)

  전기차 모터는 내연기관 자동차 엔진처럼 필연적으로 열이 발생합니다.

 

 차량 구동모터 방열설계의 핵심기술인 냉각기술(cooling technology)은 모터의 고효율화 및 고성능화, 소형화, 그리고 내구성 확보와 밀접한 관련이 있습니다. 모터에 대한 냉각설계를 두 가지 관점으로 볼 수 있는데 그것은 발열원(heat source)을 줄이기 위한 설계와 발열원으로부터 방출되는 열을 효과적으로 배출하는 설계로 나누어 냉각설계를 하는 것입니다.

 

 모터 자체에서 발생하는 열을 줄이기 위한 노력으로 철심 두께축소, 소재변경, 영구자석(permanent magnet) 배치변경 등이 있습니다. 이러한 방법은 모터에서 발생하는 손실을 줄여 열 발생을 감소시키는 것으로 볼 수 있습니다.

 

 발생된 열을 효과적으로 배출하기 위한 냉각방법으로써 사용되는 작동유체에 따라 세 가지로 분류하여 소개할 수 있습니다. 이는 공기를 이용한 강제대류(forced convection)를 통해 모터 하우징(housing) 또는 모터 내부 부품을 냉각하는 공냉방식(forced air cooling), 모터 하우징 또는 외부 커버(cover)에 냉각수를 흘려 냉각하는 수냉 방식(water cooling) 또는 냉각수 냉각방식, 그리고 전기가 통하지 않는 오일의 절연특성을 활용하여 모터내부 코일과 같은 열원에 직접 오일을 분사하는 오일냉각(oil cooling) 방식이 대표적으로 사용되는 냉각방법으로 분류하고 있습니다.

 

 그럼 시중에 현재 판매되고 있는 다양한 차량에 장착된 모터의 출력 그리고 모터를 냉각하기 위한 냉각 방식을 확인해 볼까요. 다음 그림과 같습니다.

 

 

 

 그림을 순서데로 설명드리겠습니다.

 

 첫 번째가 국내 업체인 현대기아 자동차 입니다. 현대는 아이오닉을 필두로 코나, 니로를 출시하고 있는데, 아이오닉은 88 kW 전기모터에서 개선하여 100kW, 2018년 출시된 같은 플랫폼을 쓰는 코나와 니로는 150 kW의 전기 모터를 사용하고 있습니다. 모터의 최대 출력이 150 kW가 되면 드디어 200마력 정도 되기 때문에 서민들이 가장 많이 선호하는 중형차에 해당되는 쏘나타-그랜저 급에 해당한다고 볼 수 있는 출력입니다. 현대 자동차는 이를 냉각하기 위해 모터 하우징 외곽에 냉각수를 흘리는 간접냉각 방식을 사용하고 있습니다.

 

 두 번째가 미국 GM의 전기차 볼트 입니다. 보시는 그림의 내부에는 엘지전자에서 공급하는 전기 모터가 장착되어 있습니다. 모터의 최대출력이 150 kW 출력인데 특이하게 냉각방식을 오일 직접냉각을 사용하고 있습니다. 보시는 그림에 모터는 더 이상 기존에 우리가 알고 있던 전기 모터가 아니라 무슨 작은 엔진 기어 같습니다. -제 눈에는요... 우측 편에 기어 박스가 장착되어 있고, 오일을 순환시키는 오일펌프도 있으며, 하부에는 가열된 오일을 냉각시키는 판형 열교환기도 장착되어 있습니다.

 

 세 번째가 혼다의 어코드 하이브리드에 모터 냉각을 위해 오일 파이프가 삽입되어 있는 모습을 보여주고 있습니다. 혼다 역시 토요타와 마찬가지로 전기차가 출시되면 하이브리드에 적용된 오일냉각 기술을 응용하여 모터냉각에 적용하지 않을까 생각됩니다.

 네 번째가 BMW 차량(225e)에 장착되는 모터로서 수냉과 공냉을 조합한 수공냉 복합냉각방식을 취하고 있는데, 그림을 자세히 보시면 내부에 공기를 강제 순환하는 루트가 있고, 하우징 외곽에 물이 흐를 수 있는 유로도 있습니다.

 

 다섯 번째가 토요타/렉서스 입니다. 토요타(렉서스 포함)는 20여년전 하이브리드 차를 시장에 출시했었죠. 그리고 모터의 출력을 야금야금 올려가며 하이브리드에서 엔진 대비 모터의 기여도를 향상하고 있습니다. 이미 오래 전 부터 프리우스, 캠리, 아발론 그리고 렉서스 모터와 제너레이터에 오일 냉각방식을 취하고 있습니다. 이 기술 그대로 전기모터가 출시되면 냉각기술도 응용하여 적용할 것으로 추측 됩니다.

 

 마지막으로 테슬라의 전기 모터입니다. 오일냉각에 더해 모터 내부에 회전하는 로터의 축으로 오일을 이송하는 냉각장치를 추가하여 냉각성능 향상을 추가하고 있습니다. 테슬라는 냉각하는 방법도 뭔가 좀 달라보이네요. 모터를 냉각하는 방식도 앨론머스크 스럽네요.

 

 이상으로 다양한 전기차에 장착되는 전기모터의 냉각방식을 소개하는 내용 전해드렸습니다. 다음 편에는 전기모터 냉각에 대해 좀 더 깊이 알아보도록 할까 합니다. 

 

참고 영상 :