Jennevan's Blog ♡

독일의 디젤 vs. 일본(렉서스)의 하이브리드

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전기자동차 등 친환경차 뿐 아니라 일반 내연기관 자동차에서도 조만간 전기동력을 통한 연비 성능 향상이 본격적으로 이뤄질 것으로 보인다.

30일 업계에 따르면, 늦어도 오는 2016년경에는 기존 12볼트(V) 납축전지 전기 시스템 대신 48V 리튬이온 배터리를 탑재한 일반 상용·승용차가 본격적으로 등장할 전망이다.

조석제 LG화학 사장은 이와 관련 "(일반 자동차용 48V 자동차용 배터리 상용 출시가)오는 2016년 정도에 나올 예정이며 거의 준비가 다 돼 있다"며 "자동차 출시 일정에 따라 본격적인 생산이 이뤄질 것"이라고 말했다.

조 사장은 이어 "금액은 50만원 정도 되지만 판매대수가 워낙 많아서 많은 도움이 될 것"이라며 "우리 배터리(파우치형)가 디자인 등에서 유리한 면이 있다"고 덧붙였다.

실제 완성차 업체들도 48V 전기 시스템 상용화 준비에 박차를 가하고 있다. 독일의 주요 완성차 업체인 폭스바겐과 BMW, 메르세데스-벤츠 등은 2011년 말 48V 전기시스템에 대한 규격을 수립했으며, 이르면 내년 혹은 2016년까지 상용화를 위한 개발을 진행하고 있다.

자동차용 전기 시스템 개발의 배경은 완성차 업계의 자동차 전장화 강화 및 연비 규제 대응 움직임에 있다. 강산들 한국자동차산업연구소 연구원은 "자동차 전장화 가속화로 아우디 A8의 경우 요구 전력이 90년대 중반 1kW 수준에서 현재 2.5kW 수준으로 40% 늘어난 반면 기존 시스템의 용량을 늘리는 데에는 한계가 있다"며 "이를 해결할 방법은 전기시스템의 전류 또는 전압을 높이는 것"이라고 말했다.

이어 "마이크로·마일드-하이브리드차는 12V 기반에서 5% 연비 개선이 가능하지만 48V로 향상되면 15%까지 연비를 개선할 수 있다"며 "엔진 재시동 시간도 12V에 비해 25% 단축되며 진동은 70% 감소해 상품성을 크게 개선할 수 있다"고 덧붙였다.

마이크로 하이브리드차란 정차 시 시동이 꺼졌다가 다시 출발할 때 시동이 켜지는 등 최소한의 전기동력 보조를 해주는 차를 뜻하며, 마일드 하이브리드는 여기에 회생제동, 동력 지원 등의 기능이 추가된 차다. 최근 고급차를 중심으로 이 차의 비중이 늘고 있다. 우리가 흔히 생각하는 하이브리드차는 전기모터가 차량의 동력에 직접적인 영향력을 미치는 소프트·풀 하이브리드차를 일컫는다.

한편 글로벌 자동차 부품 매출순위 3위인 존슨 컨트롤즈의 자료에 의하면, 소프트 혹은 풀 하이브리드차 시장은 2012년 4억달러 수준에서 2017년 30억달러 수준으로 증가하는 데 비해 마이크로 하이브리드차 시장 규모는 40억달러에서 320억달러까지 큰 폭으로 늘어날 전망이다. 대용량 배터리 문제가 해결되기 전까지는 이 시장이 순수 내연기관차 시장을 빠르게 잠식할 것으로 예상된다.

얼마전에 이야기 했지만, 토요타와 BMW가 스포츠카, 경량화, 친환경차 기술과 관련하여 공동개발에 관련된 내용을 발표했습니다.




내용을 살펴보면
1.연료전지 - 2020년까지 연료전지 스택, 수소탱크, 모터, 배터리등 연료전지차량의 기본 시스템을 공동개발 예정이며,
연료전지차 수요 확산을 위한 인프라구축, 표준 책정에 관한 논의를 강화할 계획.
2.차세대 배터리 - 리튬 에어 배터리 기술에서 공동개발 계획
3. 경량화 - 경량화를 위해 첨단소재의 적용을 확대하는 방안을 연구하고 그 결과를 공동 개발 예정인 스포츠카를 비롯한
각 사의 차량에 활용할 방침
4. 스포츠카 - 연내에 중형 스포츠카 플랫폼 공동 개발의 타당성 검토를 완료 예정



이에따라 각각의 장점에 시너지를 가져올 것으로 생각됩니다.
토요타의 친환경차 기술, BMW가 디젤엔진, 경량화 기술,카본화이버 기술 그리고 고성능 차량 기술에
우세하기 때문에 각각의 장점을 시너지 효과로 가져오는것이 가능합니다.




토요타는 전세계 하이브리드 판매의 75%를 차지하고 있으며, 2015년 연료 전지차를 상용화하는 것으로
친환경차 시장의 지배력을 확대하려는 목적이 있고, BMW는 친환경차 브랜드인 i브랜드를 통해 전기차 i3,
플러그인 하이브리드 i8을 출시하며 프리미엄 친환경차 시장에서의 주도권을 확보할 계획을 갖고 있습니다.


연료전지차는 막대한 비용이 들어가지만, 인프라가 부족하기 때문에 공동개발을 통해 기술확보와 함께
생산에 소요되는 비용 절감이 경쟁력이 될 것으로 판단됩니다.


특히, 토요타는 연료전지시스템 기술전수를 통해 자사 기술을 기반으로 하는 연료전지차의 생산 및 보급을 확대하며
규모의 경제를 확보할 수 있을 것으로 예상되며, BMW는 단시일 내 기술을 확보하고
친환경차 라인업 확대를 통해 경쟁력 제고에 나설 전망입니다.

혼다가 지난해(2013년) 9월 선보인 자사의 소형차 피트와 피트의 하이브리드 모델인 피트 하이브리드를 동시에 풀 모델 체인지를 했다.

피트는 폭발적인 판매를 기록했고 2014년 1월~6월까지 일본내에서의 월간 판매량은 121,764대로 1월,3월,4월,5월에는 월간 판매량 톱을 달성하기도 했다.

피트는 익스테리어,인테리어 디자인은 물론 엔진과 변속기의 파워트레인, 플랫폼, 섀시에 이르기까지 모든 부분을 새롭게 디자인했고 거주성과 연비 그리고 주행성능을 발전시켰다는 평가를 받으며 승승장구 하고 있으나 무엇보다도 새로운 피트의 매력은 연비에 있다고 한다.

피트에 새로 적용된 'SPORT HYBRID i-DCD'는 1모터 하이브리드 시스템으로 일본의 연비 측정 기준인 JC08모드에서의 연비는 36.4km/l가 된다. 이는 토요타의 하이브리드 차량인 '아쿠아'의 JC08모드의 연비인 35.4km/l를 넘겼으며 일본 내에서도 전기 자동차와 플러그인 하이브리드 차량을 제외한 차량으로는 가장 좋은 연비를 기록하기도 했다.

그리고 하이브리드 시스템이 적용되지 않은 1.3리터의 가솔린 엔진도 JC08모드의 연비가 26km/l로 기존의 피트 하이브리드의 연비인 26km/l와 거의 다르지 않다는 장점이 있다.

피트 하이브리드의 바뀐 기술

피트 하이브리드에 적용된 'SPORT HYBRID i-DCD'는 2012년 11월 최초로 발표되었는데 이는 기존 시스템인 'IMA'와 비교시 연비 성능을 30% 끌어 올렸다고 한다. 'SPORT HYBRID i-DCD'는 하이브리드 자동차에 최적화 된 배기량 1.5리터의 앳킨슨 사이클 엔진과 22kW의 출력을 가진 모터를 내장했고 7단 DCT와 리튬 이온 배터리를 이용한 IPU(지능형 전원 장치)로 구성되어 있다.

엔진은 기존의 SOHC에서 DOHC로 변경했고 VTEC의 채용에 의해 열효율이 뛰어난 앳킨슨 사이클화를 실현했다. 또한 흡기 밸브를 연속으로 제어하는 전동 VTC(연속 가변 밸브 타이밍 컨트롤)을 이용하는 것으로 앳킨슨 사이클의 효과를 높였다. 이 밖에도 마찰 손실을 줄이는 기술과 경량화도 이뤄내 연비 향상에 기여하고 있다.

혼다는 왜 하이브리드에 DCT를 넣었나?

'SPORT HYBRID i-DCD' 시스템에서 가장 눈여겨 봐야할 기술은 DCT의 채용이다. 피트 하이브리드는 7단 DCT를 채용하며 기존의 하이브리드 차량(IMA)에 채용해오던 CVT를 버렸다. (기존에는 하이브리드 = CVT가 공식처럼 되어 있었다.)

'SPORT HYBRID i-DCD'는 CVT와 AT대신 혼다가 4륜 차량에는 탑재한 경험이 없는 DCT를 채용했는데 그 이유는 '세계 최고의 연비 성능을 달성하기 위해서는 CVT나 AT보다 전달 효율성이 좋은 DCT가 필요했기 때문'이라고 한다

새로운 피트는 가솔린 엔진과 함께 CVT도 새롭게 개발했다. 새로운 CVT의 전달 효율성은 80%대로 CVT로는 상당히 높은 편이다. 하지만 'SPORT HYBRID i-DCD'의 7단 DCT의 전달 효율은 90%대로 효율성에 차이가 있음은 분명한 사실이다. 반면 효율성이 좋은 DCT는 변속시 충격이나 진동이 발생하기 쉬워 주행 성능과 승차감에서는 좋지 않은 선택이라고도 할 수 있다. 충격 및 진동을 최소화하려면 가능한 한 최적의 변속 제어가 필요한 것이다.

'SPORT HYBRID i-DCD'는 이 문제 해결을 위해 혼다에서는 '하이브리드 시스템의 동력은 엔진 외에 모터로부터도 얻을 수 있다. 엔진과 모터의 두 구동력을 잘 균형시키는 제어를 실현하여 충격이나 진동을 억제할 수 있었다'고 설명한다. 그러나 실제로 이를 제어하는 소프트웨어 시스템의 개발은 난항을 겪었다. 'SPORT HYBRID i-DCD'의 개발에서 가장 힘들었다고도 하는데 실제로 하이브리드 시스템의 제어 소프트웨어의 규모도 기존의 IMA 시스템에 비해 2배 이상이 늘었다고 한다. 변속기가 CVT에서 DCT로 변경하게 되었기 때문에 선형 가속도 얻을 수 있게 된 것은 고무적인 일이다 혼다에서는 이를두고 '피트 하이브리드는 세계 최고의 연비 성능의 실현뿐 아니라 얼마나 기분 좋게 달릴 수 있는지에 대해서도 주력했다'고 한다.

하이브리드에 DCT가 세계 최초는 아니다.

'SPORT HYBRID i-DCD'가 획기적인 기술이기는 하지만 실제로 세계 최초의 기술은 아니다. 폭스바겐은 2012년 11월에 발표한 제타 하이브리드에 탑재한 하이브리드 시스템에 자사에서 현재 사용하고 있는 7단 DCT를 적용했던 적이 있다. 그러나 이 하이브리드 시스템의 경우에는 7단 DCT와 엔진 사이의 모터가 있는데, 엔진과 모터를 분리하기 위한 클러치가 내장되어 총 3개의 클러치가 된다. 'SPORT HYBRID i-DCD'의 경우에는 엔진과 모터를 분리하기 위한 클러치는 사용하지 않으며 7단 DCT의 1단을 유성기어로 변경하여 소형화했다. 따라서 모터를 DCT에 내장할 수 있게 된 것이다. 이 때문에 추가 클러치를 사용하지 않고 모터도 DCT에 내장했기 때문에 피트 하이브리드와 같은 소형 차량에도 탑재 가능한 크기를 실현한 것이다.

모터와 IPU도 진화했다.

모터역시 IMA에 비해 성능을 향상시켰다. 'SPORT HYBRID i-DCD'의 모터는 앞서 이야기 한 것처럼 DCT에 내장하고 있기 때문에 변속기 오일을 냉각이 편리하다. 모터의 최고 출력은 IMA의 10kW에서 22kW로 출력이 늘었고 그만큼 발열량에 대응하기 위한 냉각 성능이 필요하지만 유랭에 의한 냉각 효율의 향상으로 공냉이었던 IMA와 같은 크기로 넣을 수 있게 된 것이다. 최대 토크도 78Nm에서 160Nm로 향상되었다. 배터리 팩과 인버터 DC-DC 컨버터등을 탑재하는 IPU도 크게 발전했다. 기존의 피트 하이브리드에 사용하고 있던 니켈 수소 전지를 리튬 이온 전지로 대체했는데, 이렇게 하면 배터리 팩의 최대 출력은 100V에서 173V까지 증가한 모터 출력을 가질 수 있게 된다. 에너지 밀도가 높은 리튬 이온 배터리의 적용과 인터버와 DC-DC 컨버터 등으로 구성된 PCU의 컴팩트화로 IPU의 체적을 기존 대비 23% 무게를 6% 줄였고 IPU를 냉각하기위한 냉각풍의 흐름을 연구하여 배터리 팩 및 PCU를 나란히 배치할 수 있도록 하고 화물칸 높이를 확보할 수 있도록 했다.