과연 신비한 휠모터란 무엇일까요? 알고 보니, 이는 자동차의 '동력, 변속, 제동' 기능을 하나의 모터에 통합한 시스템입니다. 이 모터는 각 바퀴의 가장자리에 직접 장착되어 특정 바퀴를 독립적으로 구동합니다. 비야디는 모든 차종에 네 개의 독립적 휠모터를 탑재했으며, 이 혁신 기술을 'e-4D'라고 명명했습니다. 이는 네 개의 독립적 모터가 각 바퀴에서 별도로 동력을 출력함으로써 진정한 의미의 제자리 360도 회전이 가능하며, 어떠한 조향장치도 필요 없이 손쉽게 선회할 수 있게 해줍니다.

휠모터와 휠사이드 모터:

구조적으로 보면:

1. 휠모터: 휠모터는 바퀴 내부에 직접 통합되며, 기존 브레이크 부품이 타이어 안쪽에 위치했던 자리에 정밀하게 설치됩니다. 이 설계는 모터를 수용하기 위해 일부 공간을 교묘히 차지하지만, 동시에 바퀴의 전체 중량—이른바 '비스프링 질량'—을 자연스럽게 증가시킵니다. 또한 가용 공간이 제한적이기 때문에 이러한 모터는 일반적으로 매우 높은 출력을 제공하지 못하며, 일반적인 최고 출력은 약 50~80킬로와트 정도에 그칩니다. 그러나 모터의 출력이 높아질수록 비스프링 질량도 더욱 무거워져 결국 차량의 조종성능이 저하될 수 있으며, 특히 코너링 시 이러한 현상이 두드러집니다.

2. 휠모터: 이 모터는 휠 내부에 직접 통합되지 않고 외부에 장착되며, 구동축을 통해 좌우 바퀴에 각각 동력을 전달함으로써 구동을 실현합니다. 이러한 설계는 기존의 중앙집중식 구동 시스템과 유사한 점이 있습니다. 그러나 기존 시스템과 달리, 차량은 더 이상 차동기어 장치에 의존하지 않으며, 두 개의 독립된 모터가 구동축을 통해 직접 바퀴에 추진력을 제공합니다. 주목할 만한 점은 전체 모터 어셈블리가 차량 프레임 상단에 설치되어 비스프링 질량의 일부를 이루게 된다는 것입니다. 이러한 설계는 차량의 핸들링 성능을 크게 향상시킬 뿐 아니라 공간 배치의 유연성을 대폭 높여주며, 시스템이 매우 강력한 출력을 낼 수 있도록 합니다. 일반적으로 한 개의 바퀴만으로도 200~300킬로와트의 출력을 생성할 수 있으며, 차량 전체의 종합 출력은 최대 800~1000킬로와트에 달하기도 합니다—이러한 출력 성능은 실로 놀라울 정도입니다! 실제 적용 사례를 보면, 이 수준의 출력은 일반적으로 약 1000마력급 슈퍼카와 견줄 만한 성능을 발휘합니다.

성능 측면에서:

1. 휠모터: A급 이하 차량에만 적합하며, 이는 차량 전체에 특별히 뛰어난 조종 성능을 제공하지 못하기 때문입니다.

2. 휠모터: 일부 고성능 차량—예를 들어 스포츠카급 또는 B급 이상의 차량—은 더욱 강력한 동력, 뛰어난 가속 성능, 그리고 뛰어난 핸들링을 실현할 수 있습니다.

부품 증감:

1. 휠 허브: 한 종류는 내부에 감속 기어가 장착되어 있고, 다른 한 종류는 그렇지 않습니다. 현재 전기모터에서 높은 출력을 얻으려면—특히 자동차와 같은 고속도가 필요한 응용 분야에서는—반드시 변속기를 함께 사용해야 합니다. 변속기가 없으면 더 이상 출력을 향상시키는 것이 불가능합니다. 예를 들어, 전기자전거에 주로 사용되는 저속 모터는 일반적으로 최대 30~40킬로와트 정도의 출력을 내지만, 기어식 설계와 결합하면 이러한 모터들도 손쉽게 50~80킬로와트의 강력한 동력을 발휘할 수 있습니다.

2. 휠베이스형: 일반적으로 당사의 모터 설계는 분당 15,000~20,000회전의 고속에서도 작동할 수 있어 상대적으로 높은 출력을 제공합니다. 이 구조는 두 바퀴 굴림 차량의 경우 한 대의 모터와 전자제어장치, 감속기를 포함하며, 기존의 디퍼렌셜 장치를 완전히 없애버립니다. 대신 동력이 기어를 통해 좌우 바퀴로 직접 전달됩니다. 이에 비해 네 바퀴 굴림 차량의 경우 이러한 시스템을 *두 세트*나 설치해야 하며, 이로 인해 비대칭적인 바퀴 회전 속도를 조절하는 데 사용되던 기존의 디퍼렌셜 장치가 완전히 대체됩니다. 따라서 디퍼렌셜 장치는 더 이상 어떠한 기계적 스트레스도 받지 않으며, 그 역할은 전자시스템을 통해 이루어지는 토크 배분 기능으로 대체됩니다.

3. ESP: 감소하지 않음; 여전히 토크와 회전수를 모니터링해야 함.

4. 에어 서스펜션: 휠 사이드 모터는 개별 모터로 구동할 필요가 없기 때문에, 두 개의 반축이 실제로 운동적으로 분리될 수 있습니다. 이로 인해 서스펜션 설계가 더욱 뛰어나지면서도 에어 서스펜션 시스템의 설치에는 전혀 영향을 미치지 않습니다.

휠모터의 장점:

1. 기동성: 각 바퀴가 독립적으로 구동되어 뛰어난 오프로드 주행 능력을 갖추고 있습니다. 이 차량은 토크에 즉각적으로 반응하며, 예를 들어 한쪽 바퀴가 갑자기 지면과 접촉을 잃어도 차량의 나머지 부분은 여전히 안정적으로 작동할 수 있습니다. 심지어 극한의 조건에서도 차량의 안정성과 출력은 거의 영향을 받지 않습니다.

2. 조향: 모터 구동을 통해 각 바퀴는 전진과 후진 모두 가능하며, 속도도 자유롭게 조절할 수 있습니다—이로 인해 차량은 이론적으로 매우 작은 회전 반경을 구현할 수 있습니다. 본질적으로 이는 마치 완벽한 원을 그려내는 것과 같습니다.

3. 안전과 안정성: 차량의 안정성을 신속하게 조절하여 고속 주행 중에도 손쉽게 드리프트를 완료할 수 있습니다. 고속 주행 중 앞바퀴가 갑자기 펑크가 나더라도, 시스템이 차체의 기울어짐을 감지하는 즉시 각 모터의 속도와 토크를 즉각 조정해 차량의 균형을 빠르게 회복하고, 차체가 계속해서 안정적으로 전진하도록 보장하며 제어력을 잃지 않도록 합니다.

휠모터의 단점:

1. 가격이 비싸며, 고급 차종에만 적합합니다.

2. 제어가 상당히 도전적입니다—심지어 전륜 조향이 갑자기 작동하지 않아도 차량이 진로를 벗어나 안전 문제가 발생할 수 있습니다.

3. 설계 측면에서 볼 때, 실제로 추가적인 부품이 하나 더 들어가면서 전체 크기가 약간 커지게 됩니다. 표준 외함을 사용하더라도 여전히 알루미늄을 사용한다면 결국 마그네슘 합금으로 변경해야 할 가능성이 높으며, 심지어는 실리콘 카바이드를 추가로 접목해 더욱 컴팩트한 설계를 구현하려 한다면 비용 상승은 피할 수 없게 됩니다.

자전거 가치:

비야디의 고급 브랜드 양망 모델은 완전히 자체 개발한 최첨단 기술을 탑재하고 있습니다. 이 차량의 휠 허브 어셈블리는 내장형 단일 모터를 사용하며 약 200킬로와트의 출력을 낼 수 있습니다. 네 대의 모터가 협력해 작동할 경우, 차량 전체 출력은 800킬로와트에 가까워집니다. 소형화와 고효율성을 실현하기 위해 이 시스템은 실리콘 카바이드 기반 전자제어 모듈을 채택했습니다. 또한 각 휠 허브 어셈블리는 앞뒤에 듀얼 디퍼렌셜 락을 장착해 두 개의 모터가 동기화되어 잠길 수도 있고, 한쪽 바퀴만 독립적으로 구동될 수도 있도록 설계되었습니다. 동시에 중앙 락 기능도 전체 설계에 포함되었습니다. 계산 결과, 이러한 구성의 비용은 한쪽당 약 2만 위안(모터 2개 및 전자제어 유닛 2개 포함)이며, 앞뒤 두 시스템의 총 비용은 무려 4만 위안을 훌쩍 넘습니다.

실리콘 카바이드 전력 전자소자의 가격은 약 4000~4500위안이며, 모터 비용은 대략 3000~3500위안이고, 나머지 1500위안은 변속기에 사용됩니다.

전기 제어: 실리콘 카바이드는 의심할 여지 없이 비야디가 자체적으로 공급하며, 이는 회사 내부에서 생산 비용이 훨씬 낮기 때문입니다—모듈과 부품 봉인 모두 마찬가지입니다.

모터 외함: 일부는 외부에서 조달했으며, 내부에도 일부가 있습니다.

감속기어: 직접 제작한 기어와, 총다 및 쌍환과 같은 모방 기업들.

2차 부품은 대부분 내부에서 제조될 가능성이 높으며, 3차 부품은 대부분 외부에서 조달됩니다.

기업 배치:

1. 화웨이: 우리는 이미 2020년에 휠 액슬 어셈블리를 개발하기 시작했으며, 현재 B 샘플도 완성되었습니다. 다만, 휠 액슬 시스템은 자연스럽게 고급 브랜드를 타겟으로 하기 때문에 아직까지 이러한 제품을 탑재할 적합한 차종을 찾기가 어려운 상황입니다.

2. 비야디: 특허 포트폴리오 구축 초기인 2018년부터 이미 상당한 우위를 점하고 있습니다.

3. 셰플러: 비야디와 동시에 관련 연구를 진행 중이며, 2019년 말 유럽에서 차량 전체에 대한 시험 및 조정 작업을 완료했습니다. 또한, 차량 관리를 위한 제어 알고리즘을 자체 개발했습니다.

4. 테슬라: 현재 우리는 모델 S 플레이드의 3모터 버전을 개발 중입니다. 이 중 후륜구동은 휠모터를 사용하고, 전륜구동은 DC모터가 구동합니다. 전자식 차동장치와 조향 시스템을 어떻게 협력해 제어하느냐가 핵심이 될 것입니다—이론적으로는 앞축에 휠모터를 장착하면 시스템 전체의 제어 복잡성이 높아질 수 있습니다. 따라서 우리는 후축에만 휠모터를 장착하기로 결정했습니다.

5. 폭스바겐: 또 하나의 순수 전기차 모델이 있으며, 이 차량은 후륜구동 방식에 휠모터를 사용하고, 전륜구동 방식에는 직류모터가 동력을 제공합니다. 이는 사실상 듀얼모터 레이아웃을 모방한 것입니다.

전기차 휠모터 부품 제조가 직면한 도전 과제:

1. 논리적으로 볼 때: 적용 범위에는 D급 차량—즉, 가격이 낮지 않고 고객의 정의와 관련된 문제가 있는 차량—이 포함됩니다. 따라서 전체 차량 단위에서 추진하는 것이 부품 단위에서 추진하는 것보다 일반적으로 더 원활하게 이루어집니다.

2. 구성 요소 기술: 고도의 통합—핵심인 '3전' 기술을 마스터하는 것이 매우 중요합니다.

1) 전력 측면에서, 이는 실리콘 카바이드 기반의 모터 컨트롤러를 포함하며, 해당 IGBT 스위치 주파수는 일반적으로 약 10 kHz입니다. 그러나 실리콘 카바이드의 스위치 주파수는 최대 20 kHz까지 가능하며, 경우에 따라 30 kHz까지 도달하기도 합니다. 더 높은 스위치 주파수는 순간 전압을 크게 증가시켜 모터의 내전압 설계에 직접적인 영향을 미칩니다.

2) 회전수가 15,000 rpm을 초과하는 고속 모터는 동적 균형 및 NVH 문제를 수반하며, 제조상의 큰 도전 과제를 야기합니다.

3) 고출력 부품에는 높은 용량의 방전 배터리가 필요합니다. 일반적으로 표준 열 관리용 배터리는 3~5C의 방전 속도로 작동하며, 이는 100kWh급 배터리가 최대 500kW의 출력을 낼 수 있음을 의미합니다. 그러나 휠 사이드 모터 한 대당 200kW가 필요하고, 네 대를 합치면 총 800kW(200kW×4)에 달하므로, 8C의 고배율 방전 능력을 갖춘 배터리가 시급히 요구됩니다. 하지만 현재 이러한 배터리를 개발하는 데는 상당한 도전 과제가 있으며, 주된 제약 요인은 배터리 내부 저항을 효과적으로 줄이고 열을 적절히 제어하는 방법에 있습니다. 만약 배터리의 에너지 저장 용량이 200kWh로 증가한다면, 4C의 방전 속도만으로도 충분히 요구 사양을 만족할 수 있게 되며, 이는 에너지 밀도와 방전 능력 간의 중요한 균형을 잘 보여줍니다.

4) 그 외: 베어링, 냉각 윤활, 제어 알고리즘, EMS 등.

비야디의 강점:

열 관리 측면에서: 4세대 하이브리드 시스템을 개발하면서 냉매 기반의 배터리 셀 냉각 기술을 구현했습니다. 이는 현재 가장 효율적인 냉각 방식이기도 합니다.

배터리 관련 정보: 이 하이브리드 모델은 전륜구동 160kW 모터와 후륜구동 200kW 모터를 탑재하고 있으며, 차량 전체 배터리 용량은 40kWh로, 8C 방전 속도를 지원합니다. 비야디는 이 분야에서 뛰어난 성과를 보여주고 있습니다—이전에 삼원계 리튬배터리를 사용했을 때는 방전 속도가 거의 15C에 달했으며, 약 12C의 안정적인 출력에서도 여전히 높은 효율성을 유지했습니다. 반면 인산철 리튬배터리를 사용할 경우 일반적으로 방전 속도가 8~10C에 이르며, 안정적인 출력은 항상 8C 이상을 유지합니다.

비야디의 두 가지 배터리 카테고리 중 하나는 에너지형이고, 다른 하나는 출력형입니다. 에너지형 배터리는 높은 에너지 밀도를 갖는 반면, 출력형 배터리는 훨씬 더 높은 방전 속도를 자랑합니다. 이 두 종류의 배터리는 각각 다른 화학 조성으로 이루어져 있으며, 특히 주목할 만한 점은 출력형 배터리의 생산 비용이 일반적으로 더 높다는 것입니다.

비야디 앙왕은 인산철리튬을 채택할 가능성이 높으며, 망간철리튬 배터리는 비용이 크게 상승하기 때문에 채택될 가능성은 낮습니다.

응용 시나리오:

비야디의 솔루션은 차량 가격이 최소 50만 위안에 도달해야만 이 제품이 실현 가능해집니다. 한편, 테슬라와 폭스바겐의 일부 솔루션은 초기에 전륜구동 방식과 집중형 동력 시스템을 채택한 뒤 점차 휠 사이드 구동 방식으로 전환될 것으로 보이며, 이는 가격대가 약 30만 위안 수준인 모델의 현실화를 가능하게 할 것입니다.

앙망 시리즈 차량:

내부 코드명은 1234입니다. 여기서 1은 이미 출시된 견고한 오프로드 차량을 나타내며, 2와 3은 두도어 쿠페를, 4는 도심형 SUV를 의미합니다.

파라미터: 해당 차량은 1,000킬로미터의 주행 가능 거리를 갖추어야 하며, 0에서 62마일/시간(0에서 100킬로미터/시간)까지의 가속 시간이 약 2.9초에 불과해야 하고, 최고 속도는 260킬로미터/시간을 넘어야 합니다.

비야디 내부에는 크게 호평받는 두 가지 특허 구조가 있습니다. 하나는 U자형 구조이고, 다른 하나는 사다리꼴형 구조입니다.

1. R1의 주요 특징은 사다리꼴 구조를 채택한 점입니다. 두 개의 변속기가 중앙에 위치하고, 두 개의 모터는 변속기 바로 옆에 배치되어 있는데, 이러한 배열 방식이 마치 사다리를 연상케 합니다. 전자제어유닛은 모터와 감속기어의 상단에 설치되어 있어 전체 구성품이 상대적으로 높아 보입니다. 그러나 이 설계에는 감속기어에서 직접 뻗어나온 반축이 포함되어 있어 결과적으로 장치의 전체 높이가 크게 증가하게 됩니다. 그럼에도 불구하고 중심축을 기준으로 좌우로 뻗어나가는 두 개의 반축은 유독 길게 설계되었습니다. 이러한 구조는 특히 오프로드 차량에 적합한데, 일반적으로 이런 차량들은 독립형 서스펜션 시스템을 갖추지 않고 더욱 견고하고 더 큰 스트로크를 가진 서스펜션 설계를 채택하기 때문입니다. 따라서 사다리꼴 구조는 이러한 용도에 이상적인 선택이 됩니다.

2. R2-R3 부품은 U자형 구조를 채택했습니다: 두 개의 모터는 중앙에 배치되고, 나머지 두 개는 양쪽에 마주보도록 배열됩니다. 좌우측 모터는 일직선으로 정렬됩니다. 또한, 두 개의 감속기가 각각 모터의 양측에 설치되고, 전자제어장치는 U자형 공간에 교묘하게 내장되어 더 이상 부품 상부에 배치할 필요가 없어 전체 기기의 높이를 효과적으로 낮출 수 있습니다. 다만, 이러한 배치로 인해 반축의 길이가 짧아지게 됩니다. 이와 같은 콤팩트한 설계는 전체 차지 면적을 줄일 뿐 아니라, 차량이 회전할 때 바퀴의 조향 및 수직 운동의 복잡성을 저감합니다. 실리콘 카바이드 기술과 결합된 고속 성능 덕분에 출력 밀도를 크게 향상시키면서도 시스템 설계에 완벽히 통합될 수 있습니다.

현재 이 두 가지는 동시에 추진되고 있으며, 진행 상황도 기본적으로 동일합니다.