인휠 드라이브

왜 배우는가: 인휠 드라이브는 전기자동차 구동계의 구조를 바꾸는 방식이라서 구동방식 문제의 기본 개념으로 자주 다뤄진다. 같은 개념을 정의, 구조, 장점, 비교 등 여러 방식으로 묻기 때문에 정의와 원리를 정확히 알아야 한다.

출제 이력: 제137회 1교시 4번, 제120회 1교시 13번, 제114회 1교시 11번

1. 한 줄 정의와 핵심 키워드

인휠 드라이브는 바퀴마다 구동모터를 두어 각 바퀴를 독립적으로 구동하는 방식이다.

인휠 드라이브는 구동 장치를 차체 중앙이나 변속기 뒤쪽에 두지 않고 바퀴 근처나 바퀴 안에 배치하여, 바퀴 하나하나에 구동 토크를 직접 전달하는 구동방식이다. 답안 첫 줄에는 이 정의 문장을 쓰고, 구성 요소와 원리를 뒤이어 한두 문장으로 덧붙이면 된다.

핵심 키워드는 다음과 같다.

• 인휠 드라이브: 각 바퀴를 독립된 구동계로 구동하는 방식의 총칭이다.
• 인휠 모터: 모터, 감속기, 제동장치, 허브를 하나의 모듈로 묶어 바퀴 안에 장착한 구동 장치이다.
• 개별 바퀴 구동: 바퀴마다 별도의 모터가 토크를 공급하여 구동력을 따로 제어하는 방식이다.
• 직접 구동: 변속기나 드라이브 샤프트 같은 동력 전달 부품을 거치지 않고 모터의 출력이 바퀴에 곧바로 전달되는 구조이다.
• 토크 벡터링: 바퀴별 토크를 전자적으로 나누어 주어 선회 성능과 안정성을 높이는 제어 기술이다.
• 비스프링 질량: 현가장치가 지지하지 않는 바퀴 쪽 질량으로, 인휠 구조에서 늘어나는 부분이다.

2. 개념 풀이

인휠 드라이브는 차량의 각 바퀴를 독립된 모터가 구동하는 4륜 독립 구동 파워트레인이다. 이 용어는 바퀴 하나에 모터 하나를 배치한 4모터 구성의 전기자동차를 가리키려고 만들어졌다. 두 개의 모터로 앞뒤 차축을 구동하는 4륜 구동 방식과 구별되는 점이 바로 이 구성이다.

원리는 구동 토크의 전달 경로를 줄이는 데 있다. 기존 차량은 엔진이나 모터의 출력이 변속기, 드라이브 샤프트, 차동장치를 차례로 거쳐 바퀴에 도달하므로, 경로마다 동력이 손실된다. 인휠 드라이브는 모터가 바퀴를 직접 굴리는 직접 구동을 택하여 이 손실 구간을 없앤다. 그 결과 동력 손실이 줄고 구동계 부품 수도 함께 줄어든다.

구동 장치가 바퀴마다 있으면 개별 바퀴 구동이 가능해진다. 각 바퀴의 토크를 독립적으로 제어하므로 좌우 바퀴에 서로 다른 토크를 주어 차량의 방향을 조절할 수 있다. 이것이 토크 벡터링이며, 미끄러운 노면이나 코너링에서 차량 자세를 안정시키는 데 쓰인다. 이 제어가 정밀할수록 조종 성능이 좋아진다는 연구 결과가 있다.

인휠 모터는 감속 기구도 모듈 안에 함께 가진다. 감속기를 바퀴 안에 두는 형식에서는 유성 기어 조합으로 감속비를 만들어, 별도의 감속기 없이도 바퀴에 큰 토크를 얻을 수 있다. 4륜 독립 구동에서는 바퀴 1개당 모터 1개가 기준 구성이다. 모터, 감속기, 제동장치, 허브를 모두 바퀴 안에 넣어야 하므로 부품은 작고 가볍게 만들어야 한다.

제동장치도 같은 모듈에 포함된다. 모터가 제동 토크를 만드는 회생제동을 함께 쓰면 제동 에너지를 바퀴 단위로 회수할 수 있어 효율 면에서 유리하다는 평가가 있다.

인휠 드라이브의 핵심 원리는 구동 토크를 바퀴에 직접 전달하는 데 있다.

3. 등장 배경과 필요성

인휠 드라이브가 주목받은 배경은 내연기관 차량의 구동계가 길고 복잡하다는 데 있다. 엔진, 변속기, 드라이브 샤프트, 차동장치를 거쳐 바퀴에 이르는 구조는 부품이 많고 차체 설계를 제약한다. 전기 모터는 크기가 작고 토크를 빠르게 제어할 수 있으므로, 전기자동차에서는 구동 장치를 바퀴 가까이 옮기는 구조가 현실적인 대안이 되었다.

필요성은 크게 네 가지이다. 첫째, 동력손실과 전비를 개선할 필요가 있다. 구동계 부품이 줄면 무게도 줄어 전비 개선 효과를 기대할 수 있다. 전기자동차는 배터리 용량이 주행거리를 좌우하므로, 손실을 줄이는 효과가 주행거리 차이로 직접 이어진다.

둘째, 실내 공간과 차량 형태의 자유도를 넓힐 필요가 있다. 엔진룸의 대형 모터와 변속기가 없어지면 실내 공간이 넓어지고, 전방 보닛을 없애는 등 디자인 제약이 완화된다. 차체 설계에는 바퀴 구동 모듈만 맞추면 되기 때문이다.

셋째, 바퀴별 구동력을 정밀하게 제어할 필요가 있다. 등속 조인트를 쓴 드라이브 샤프트는 바퀴가 상하좌우로 움직일 때 각도에 따라 동력 효율과 내구성이 영향을 받는다. 인휠 구조는 이 샤프트를 거치지 않으므로 이 문제를 줄이고, 최대 4개 바퀴를 소형 모터로 독립 제어하여 토크 벡터링의 안전성을 구현할 수 있다.

넷째, 특수 기동 능력이 필요한 차량에서 수요가 있다. 제자리 360도 회전과 옆으로 움직이는 크랩 주행은 바퀴별 구동이 있어야 가능한 동작이다. 무인소방로봇의 6X6 인휠모터 시스템은 바퀴마다 장착된 모터로 제자리 회전을 하여 협소한 공간에서 기동한다.