[카&테크] 현대차·기아 '2-스테이지 모터 시스템'

2-스테이지 모터 시스템 적용 이미지. [자료:현대차·기아]

현대차·기아가 개발한 '2-스테이지 모터시스템'은 전기차의 고질적 고민인 '효율(전비)'과 '성능(출력)' 사이의 상충 관계를 물리적인 변속기 없이 오직 전자적 제어만으로 해결한 혁신적 기술이다.

일반적인 전기차 인버터(배터리의 직류를 모터용 교류로 바꾸는 장치)에는 전력을 제어하는 스위치(전력 반도체)가 6개 들어간다. 하지만, 현대차·기아의 2-스테이지 시스템은 스위치를 12개(6+6)로 늘린 '듀얼 인버터' 구조다.

모터는 회전력을 생성하고, 감속기는 회전력을 바퀴에 전달한다. 인버터는 배터리 직류 전력을 교류로 변환하는 역할을 담당한다. 일반적으로 고출력 위주로 전기차 모터 구동 시스템을 설계하면 도심 주행에서는 효율이 떨어지는 한계가 있다.

현대차·기아는 인버터 역할에 주목했다. 기존 전기차 인버터에는 실리콘 카바이드 반도체 소자로 구성된 6개 스위치가 적용돼 있다. 여기에 실리콘 전력반도체 6개를 추가해 총 12개 스위치로 구성된 2-스테이지 모터 시스템을 고안했다. 이를 통해 모터에 인가할 수 있는 전압을 기존 대비 70%까지 늘리고, 출력도 높인다.

일상적인 도심 주행이나 저부하 상황에서는 6개 스위치만 사용, 전력 손실을 최소화하고 효율을 극대화한다. 급가속이나 고속 주행 등 큰 힘이 필요할 때는 12개 스위치를 모두 가동한다. 이때 전압 이용률을 기존 대비 약 70% 이상 끌어올려 모터의 잠재력을 끝까지 짜낸다.

인버터 내에 스위치 개수를 단순히 2배로 늘리는 것으로 모든 문제가 해결되는 것은 아니다. 스위치가 늘면서 제어해야 할 범위가 늘어나기 때문이다. 이에 현대차·기아는 독자 제어기법과 모드 절환 제어 알고리즘을 적용했다.

서로 다른 제어 기법을 동시에 사용해 효율을 높이고 발열을 줄여 12개의 스위치를 최적으로 제어하는 고유기법 'RSPWN-6 Step'을 적용했다. 절환은 '끊고 바꾸다'라는 뜻이다. 전기·기계에서 회로, 계통을 전환하는 동작을 의미한다. 각 모드로 절환할 때 이질감 없이 자연스럽게 절환하도록 했다.

2-스테이지 모터 시스템 인버터 이미지. [자료:현대차·기아]

2-스테이지 모터시스템은 배터리 전압이 400V~800V 수준이라도, 인버터 제어를 통해 모터에 인가되는 전압을 실질적으로 높여 고속 영역에서의 출력 저하를 막는다. 물리적 기어가 맞물리는 게 아니기 때문에, '효율 모드'에서 '성능 모드'로 넘어갈 때 변속 충격 없이 매끄럽게 출력이 상승한다.

현대차·기아 관계자는 “2-스테이지 모터 시스템은 고출력과 고효율을 동시에 실현하는 혁신적인 기술”이라고 말했다.

함봉균 기자 hbkone@etnews.com