전세계 자동차 시장은 4차 산업혁명 및 환경규제 강화 등으로 친환경화·지능화·서비스화 기반의 전기차와 자율차로 급속히 변화 중 이며, 자동차 산업의 근간을 흔드는 파격적인 변화와 혁명이 진행 중이다. 특히 新 기후체제 출범, 온실가스 감축, 탄소국경세 등 환경규제의 지속적인 강화로 미국, 유럽 등 글로벌 선진국을 중심으로 전기차와 같은 친환경차의 생산과 판매가 급속히 확대되고 있다. 또한 자동차의 핵심 경쟁력을 좌우하는 중심축이 엔진 등 기존의 내연기관 시스템에서 모터, 배터리, 소프트웨어 등으로 이동되고 있으며, 차량의 가치 특성과 기능이 소프트웨어에 의해 사용자 중심으로 결정되고, 차량의 첨단화·전동화 추세에 따라 자동차 관련 글로벌 밸류체인이 크게 변화되고 있다. 

나아가 유럽, 북미국가, 중국, 일본 및 국내 여러 주요 자동차 생산기업들은 2035년을 전후로 내연기관 생산 및 개발 중단을 통한 차량의 전동화 목표를 선언하고 있으며, 우리 정부도 “미래자동차 산업 발전전략(2019년)”, “제4차 친환경자동차 기본계획(2021년)”, “자동차 산업 글로벌 3강 전략(2022년)” 등을 통해 과감하고 속도감 있는 친환경차 전환 로드맵을 제시하며 글로벌 자동차 시장 선도를 위해 발 빠른 준비를 하고 있다.​

2022년 글로벌 전기차 판매량은 약 800만대로 2018년 대비 약 5배 수준의 판매를 기록하였으며, 전년 대비 증가량은 2020년 115.2%, 2021년 67.9%로 전기차의 판매가 큰 폭으로 성장하고 있다. 2022년 국가별 전기차 시장은 중국이 전기차 최대 시장으로 확고하게 자리매김하였으며, 중국·유럽·미국이 세계 전기차 판매량의 93.3%를 차지하고 있다. 

특히 중국의 경우 판매량 500만 대를 돌파하며 글로벌 1위를 수성하였으며 시장 점유율도 꾸준히 확대하고 있다. 완성차 그룹별로는 보급형 모델의 판매 확대로 1위를 수성한 테슬라에 이어 전기차 시장에 집중하는 BYD와 초소형 전기차로 입지를 확대한 상하이기차(SAIC)가 2, 3위를 차지하고 있다. 

전기차 시장은 2025년까지 연평균 35% 성장하여 1,180만 대(전체 자동차 판매의 11.8%), 2030년에는 2,850만 대의 전기차가 판매될 것으로 전망되어 전체 자동차 판패 시장의 23.3%를 차지할 것으로 예측된다. 이러한 전기차 보급의 확대로 전기차의 주요 부품인 모터, 감속기, 인버터 등으로 이루어진 전기구동시스템(EPT, Electric PowerTrain) 시장은 급격히 확대되고 있으며, 이로인해 글로벌 자동차사 및 부품사의 구동모터 산업 경쟁이 날로 심화될 전망이다. 

세계 차량용 동력전달장치(전기구동시스템 등) 시장 규모는 2018년 5,195억 달러(약 703조원)에서 연평균 5.8% 성장하여 2024년 7,282억 달러(약 986조원)에 이를 전망이며, 국내의 경우 2018년 24조 2,000억에서 연평균 5.1% 성장하여 2024년 36조 1,000억의 규모에 이를 전망이다.

전기차 판매량의 급격한 증가에 따라 기존 내연기관 차량의 핵심인 엔진에 해당하는 전기구동시스템의 중요성은 더욱더 증대되고 있으며 이러한 주요 글로벌 자동차 제조사 들은 완성도 높은 전기구동시스템 개발을 위해 다양한 투자와 지원을 아까지 않고 있다. 또한, 전기구동시스템의 일체화, 고효율화, 고집적화, 경량화, 소형화 및 가격 경쟁력 강화는 기존 내연기관 차량의 파워트레인과 유사하게 여전히 이슈 사항임은 두말할 나위없다. 

초기 전기차 시장에서는 출·퇴근용으로 소형 전기차가 주로 활용되었으나, 구동 시스템의 효율·출력 등 성능 개선을 통해 고급·대형 차종으로 시장이 확산하는 추세이다. 아울러, 세계 각국의 친환경 정책 영향으로 전기차 시장이 급격히 확대됨에 따라 중·소형차 중심의 시장에서 프리미엄 세단, 대형 SUV, 슈퍼카 등 고성능 전기차에 대한 시장의 수요가 점차 증대되고 있다. 이에, 전기차 선두 업체인 테슬라는 고성능, 고가의 Plaid 모델을 출시하며 프리미엄 시장 선점을 위한 전략을 구사하고 있으며, 포르쉐, 벤츠, 아우디 등 기존 자동차 제조사들의 고성능 전기차 뿐만 아니라 리막, 로터스 등 신생 제조사들도 프리미엄 고성능 전기차 출시를 앞두고

있다. 이러한 고성능 전기차들의 파워 게임이 제조사들의 기술 경쟁으로 이어지고 있으며, 고출력, 고토크의 전기차 출시로 인해 내연기관 하이퍼에 필적하는 고가의 전기차 출시가 이어지고 있다. 

고성능, 고효율 전기차의 실현은 고출력, 고토크 전기구동시스템 개발을 통해 달성될 수 있으며 이를 위해 주요 자동차 제조사들은 구동모터의 작동 전압을 기존 300~400V대에서 800~1,000V대로 상승시키고 있으며, 구동 모터의 속도를 기존 10,000rpm 전후 수준에서 15,000~20,000rpm 수준 까지 증가시키고 있다. 물론 주요 자동차사 및 부품사는 고속화의 장점 등으로 인해 구동모터의 회전수를 20,000rpm 이상까지 증가시키기 위해 끊임없이 노력을 기울이고 있다. 

전기구동시스템의 큰 역할을 담당하는 주요 모듈인 구동모터의 경우 내연기관과 달리 초기 작동 순간부터 최대의 토크가 발생되며, 회전 속도가 높아질수록 토크가 낮아지고 출력이 높아지는 특징이 있어, 차량의 구동에 최적화된 시스템이라 할 수 있다. 높은 기동 토크 및 안정된 출력을 제공하는 구동모터는 내연기관차 대비 높은 동력 성능을 낼 수 있는 전기차의 핵심 요소인 것이다.

내연기관차의 경우 엔진의 낮은 초기 기동 토크를 보완하고, 안정된 고속 출력을 제공하기 위해 다단의 변속기가 사용되지만, 앞서 언급한 구동모터의 차량에 최적화된 특성으로 인해 전기구동시스템에는 주행 상황에 맞춰 작동하는 다단의 변속기가 아닌 단순 회전수를 조절하여 저속에서부터 고속까지 대응할 수 있는 감속기만 필요하여 시스템을 단순화시킬 수 있는 장점이 있다. 

구동모터의 토크와 감속기 기어비의 곱에 의해 차량의 휠 토크가 결정되고, 구동모터의 회전속도에 기어비를 나눈값으로 차량의 휠 속도를 계산할 수 있으므로, 구동모터의 회전속도 증대와 최적의 감속비를 갖는 감속기의 선택은 전기차의 성능을 효율적으로 극대화 할 수 있어, 주요 자동차 및 구동시스템 제조사들은 구동모터의 회전수 및 감속기의 기어비를 지속적으로 증가시키고 있다. 

아울러, 구동모터의 출력은 모터의 회전속도와 토크의 곱으로 계산되므로 동일한 출력을 갖는 모터의 경우 회전속도를 높일수록 그 토크 특성을 저감할 수 있어 모터의 부피 및 중량 저감이 가능하며 이로 인해 구동시스템의 소형화 및 효율 개선 효과를 볼 수 있다. 앞서 기술한 바와 같이 구동시스템 토크는 감속기를 통해 보상할 수 있으므로 충분히 차량이 요구하는 성능을 보장한다.

<표 1>에 정리한 것과 같이 최근에 출시된 현대 IONIQ5, 기아 EV6 GT, 테슬라 Model S Plaid, 루시드 에어 사파이어의 최대 회전속도는 15,000rpm~21,000rpm으로 수년 전에 비해 구동시스템의 속도는 지속적으로 증가하였다. 실제로 현대차의 3세대 모터는 2세대 모터 대비 최고 회전수 및 감속기 기어비를 각각 약 70%, 30% 정도 상향하여 구동 모터를 소형화하는 동시에 차량의 휠 토크 및 휠 속도 성능을​ 20% 이상 개선했다. 

구동모터의 고속화는 구동시스템의 고출력화, 고효율화, 고밀도화, 경량화를 통한 전기차의 성능을 극대화 할 수 있는 방법이지만, 이를 위해 해결해야 할 다양한 추가적인 대책 방안이 요구된다. 구동시스템의 원심력 증대에 따른 회전 강성, 베어링 내구 및 기어 내구 확보, 시스템의 냉각·방열 성능개선, 소음진동 및 손실 저감, 그리고 고속 스위칭 소자의 적용 기술 등이 그것이다. 이러한 기술적 난이도로 인해 글로벌 주요 제조사들은 초고속 구동모터 기술을 자사의 주요 기술로 홍보함과 동시에 더 높은 회전 속도 달성을 위해 연구개발 중이다.

물론 고성능, 고효율 전기차의 실현을 위해 평각동선을 활용한 고 점적률 모터 및 제조공법 기술개발 등의 구동모터 기술, SiC 전력반도체소자를 이용한 출력밀도 증가 등의 인버터 기술, 2단 이상의 다단 감속기를 이용한 구동 시스템 제어 등의 감속기 기술 및 전기구동시스템 일체화를 통한 배터리 전압이용 최적화, 냉각 최적화 및 소형·경량화 기술 등 다양한 기술이 활용되고 적용되고 있다.

고성능 전기차 수요의 확대, 전기차 구매 의사 및 관심도 증대, 환경규제 강화 및 글로벌 자동차 산업 생태계의 전환 등으로 인해 전세계 전기차 시장 점유율이 지속적으로 높아질 것임이 명백하다. 

이에, 전기구동시스템 등 전기차 핵심부품의 글로벌 선진사와의 기술격차를 좁히고 전기차 성능 향상을 위한 전기구동시스템 및 전장부품에 대한 지속적인 연구개발 추진이 필요하다. 더불어 고속·고효율 구동모터 및 전기구동시스템을 평가할 수 있는 인프라 구축, 세계 기술을 선도하고 유지할 수 있는 산·학·연·관의 긴밀한 협조체계 유지 등 다양한 노력을 지속하여야 할 것이다. 이러한 지원과 투자는 전동화 기술 글로벌 탑티어(Top-3) 달성과 전기차 대량 보급을 위한 전기구동시스템의 무결점 고안전·고성능 기술 확보 및 혁신을 가능하게 할 것이다​.

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글 / 이봉현 (한국산업기술기획평가원​)

출처 / 오토저널 2023년 11월호