최근 전기차 및 하이브리드 자동차 시스템에서도 모터의 사용이 늘어나며, 차량의 효율성과 안전을 극대화하는 핵심 기술로 모터 제어 기술이 주목받고 있는 가운데 ‘스마트 액추에이터’가 전기차의 핵심적인 모터 제어 기술로 주목받고 있다.

현대자동차그룹은 최근 현대자동차그룹 차세대 하이브리드 시스템 테크 데이(Hyundai Motor Group Next-Gen. Hybrid System Tech Day)를 개최하고, 한층 진화된 하이브리드 기술력을 공개했다.

전동화 전환기에 핵심적인 역할을 수행하고 있는 차세대 하이브리드 시스템의 특징은 두 개의 모터가 신규 변속기에 내장돼 다양한 전동화 특화 기술을 적용해 주행 성능과 승차감을 개선하고 차량 내 경험을 강화하는 특징을 갖고 있다.
 

P1 신규 모터는 시동 및 발전, 구동력 보조 기능을 수행하고, P2 구동 모터는 구동 및 회생 제동을 담당한다.

특히 엔진에 직접 체결된 P1 모터를 통해 엔진 시동에 걸리는 시간을 단축하고 연료 소모량을 줄였으며, 엔진의 부하와 P1·P2 모터의 구동력을 정밀하게 조절해 엔진이 고효율 영역에서 운전할 수 있도록 하는 ‘로드 레벨링’의 효율을 높였다.

이렇게 현대 하이브리드 시스템이나 전기차에서는 모터의 정밀 제어가 무척 중요해졌다.

이런 가운데 최신 모터 제어 기술로 스마트 액추에이터가 떠오르고 있다.

최근 마우저가 발간한 ‘11 Experts Discuss Advanced Motor Control for Modern Electric Vehicles’라는 eBook을 보면 최신 모터 제어 기술의 방향성을 제시하고 있는데, 그 중심에는 ‘스마트 액추에이터’가 있다.

스마트 액추에이터는 단순한 기계식 액추에이터가 아닌, 센서, 제어기(MCU), 액추에이터가 하나의 통합 시스템으로 구성된 장치다.

이 시스템은 센서가 차량 내 다양한 물리적, 전기적 데이터를 실시간으로 수집하면, 마이크로컨트롤러(MCU)가 고주파 샘플링을 통해 그 데이터를 정밀하게 처리하고, 이에 따른 제어 신호를 액추에이터에 전달하여 동작을 수행하는 구조다.

이러한 통합된 설계 덕분에 차량의 동적 제어, 승차감 개선, 에너지 효율화 및 안전성이 모두 동시에 달성될 수 있다.

스마트 액추에이터의 핵심은 실시간 피드백 루프다.

센서는 전류, 속도, 전압 등 중요한 변수들을 빠르게 측정해 MCU에 전달하고, MCU는 높은 샘플링 주파수를 활용해 미세한 변화도 즉각 감지한다.

이러한 실시간 데이터 처리는 차량의 부하 변화나 외부 환경 변화에 대해 신속한 대응을 가능하게 해, 모터의 성능을 최적화하고, 예기치 못한 상황에서도 안정적인 작동을 보장한다.

스마트 액추에이터 설계 시 모델 기반 설계(Model-Based Design) 접근법이 중요하다고 전문가들을 강조하고 있다.

엔지니어들은 매트랩(MATLAB) 및 시뮬링크(Simulink) 같은 도구를 사용해, 제어 알고리즘을 가상 환경에서 먼저 테스트한다.

MIL(Model-In-the-Loop) 단계에서는 알고리즘의 기본 동작을 검증하고, SIL(Software-In-the-Loop) 단계에서는 해당 알고리즘이 실제 코드로 변환되었을 때 동일한 성능을 내는지를 확인한다.

최종적으로 HIL(Hardware-In-the-Loop) 테스트를 통해 실제 하드웨어 상에서의 작동을 검증, 문제점을 사전에 파악하고 수정하여 안정적인 시스템 구축을 목표로 한다.

이러한 설계 및 테스트 단계는 전력 소비와 정밀 제어 사이의 균형을 맞추는 데도 큰 역할을 한다.

정밀한 제어를 위해 높은 샘플링과 빠른 스위칭 속도가 필요하지만, 이는 전력 소비 문제를 일으킬 수 있다.

기존의 MOSFET과 같은 스위칭 장치들은 특정 주파수 범위 내에서 효율적으로 작동하지만, 그 한계를 넘어서면 효율 저하와 과열 문제가 발생할 수 있다.

이러한 문제를 해결하기 위해 최근에는 갈륨나이트라이드(Gallium Nitride, GaN)나 실리콘 카바이드(Silicon Carbide, SiC) 같은 첨단 반도체 재료를 스마트 액추에이터에 적용하는 추세다.

이들 재료는 높은 스위칭 속도와 효율성을 제공함으로써, 보다 정밀하고 효율적인 제어가 가능하게 한다.

스마트 액추에이터는 차량의 동적 제어와 승차감 개선에 결정적인 역할을 한다.

센서와 MCU 간의 긴밀한 피드백을 통해, 차량의 부하 변화에 따라 즉각적으로 전압이나 토크를 조절할 수 있어, 부드러운 주행과 에너지 효율 향상에 이바지한다.

또한 고급 제어 알고리즘과 정밀한 데이터 처리를 통해, 긴급 상황에 대비한 빠른 제어가 가능해지며, 이는 차량의 안전 시스템과도 밀접하게 연결돼 있다.

이러한 스마트 액추에이터는 다양한 테스트와 검증 단계를 거쳐 최적화되기 때문에, 실제 자동차 개발 및 양산 과정에서 신뢰할 수 있는 핵심 기술로 자리 잡고 있다.