내연기관을 좀 더 효율적으로 사용하기 위한 기술

지금 세상은 전동화 시대로 가고 있다. 자동차회사들은 내연기관의 개량에 많은 공을 들임과 동시에 전동화와의 공존을 위한 아이디어 실현을 강구하고 있다. 전동화와의 공존이라고 하면 하이브리드를 먼저 떠올리는 것이 보통이다. 하지만 그보다 더 낮은 단계의 48V 마일드 하이브리드가 부상하고 있다. 내연기관을 좀 더 효율적으로 사용하기 위한 기술이다.

12V 배터리를 사용하는 모터 출력은 주변 기기를 돌리기에는 적합하지 않다. 그래서 에어컨 컴프레서와 워터 펌프 등 동력이 필요한 주요 장비들은 크랭크샤프트에 벨트 또는 체인을 걸어 강제로 구동시키는 방식을 사용한다. 그로 인해 엔진의 출력을 바퀴에 온전하게 전달하지 못하고 중간에 뺏긴다. 엔진 내 스타터 모터와 점화플러그 등 전기가 필요한 장비에 쓸 출력을 얻기 위해 중간 정류 과정이 필요하기도 하며, 이 과정에서 전기 손실이 발생하기도 한다. 이 문제를 더 적은 비용으로 해소할 수 있는 것이 48V 마일드 하이브리드 시스템이다.

엔진 내에 공급되는 전압을 48V로 올리면 많은 문제를 해결할 수 있다. 에어컨 컴프레서와 워터 펌프의 경우 48V의 전압이라면 모터만으로도 구동이 가능해 벨트 수를 그만큼 줄일 수 있다. 엔진 스타터 모터도 좀 더 힘차게 돌릴 수 있으며, 점화 플러그에도 더 센 전압을 공급해 정확한 연소가 가능하도록 할 수 있다. 전기를 많이 남길 수 있어 배터리 충전에도 효율적이다. 기존의 풀 하이브리드와 비교 시 48V 마일드 하이브리드는 부품의 수가 적다. 구조가 간단해서 다양한 차종에 탑재할 수 있다. 그만큼 기존 시스템 대비 비용을 낮춘 것도 장점이다. 12V 시스템보다 에너지 재활용이 뛰어난 것도 혜택이다.

그 시작은 2013 프랑크푸르트모터쇼에서 존슨 컨트롤이 48V 리튬이온 배터리를 공개하면서부터였다. 이 리튬이온 배터리는 듀얼 전압 구조로 기존의 납 배터리보다 저장 용량이 크지만 보다 빠른 충전이 가능했다. 그만큼 아이들링 스톱 기구의 사용 시간을 늘릴 수 있으며 연비 개선 효과도 15%에 달한다.

2015년에는 콘티넨탈이 '48V 에코 드라이브' 시스템이라는 이름으로 소개하면서 상황 변화가 본격화되기 시작했다. 이 시스템은 12V 전기 네트워크에 48V 전기 시스템과 부품을 추가하는 것으로, 커넥티비티와 ADAS 장비 등으로 인해 전력 소모가 많은 향후 자동차에서 중요한 요소가 된다. 컨티넨탈의 48V 에코 드라이브 시스템은 설치하기도 쉽고, 다양한 기능뿐만 아니라 고전압을 통해 연비성능이 13%(NEC 기준) 향상됐다.

같은 해 보쉬는 48V 마일드 하이브리드 시스템이라는 용어를 사용했다. 보쉬의 시스템은 아이들링 스톱은 물론 브레이크 에너지 회생 기능도 지원된다. 또 급가속 시에는 부스트 기능이 발휘되면서 추가로 15.2kg.m의 최대토크가 더해진다. 모든 종류의 하이브리드에 탑재가 가능하며, 연비 개선 효과는 15%에 달한다.

2016년에는 델파이 오토모티브가 48V 마일드 하이브리드 시스템을 공개했다. 델파이는 혼다 시빅 1.6L 디젤차에 48V 마일드 하이브리드 기술을 구현해 선보였다. 이산화탄소 배출을 10% 이상 저감하면서도 엔진에 대한 설계 변경 요구를 줄이고 차량의 성능을 개선한다는 점이 특징이다. 델파이의 48V 기술은 ‘e-차저’로 불리는 장치를 활용하여 차량의 스타트를 개선한다. 낮은 엔진 회전수에서의 토크를 평균 25% 증가시킨다는 점도 눈길을 끈다.

현대모비스 48V 배터리 시스템 독자개발 성공해

2017년 현대모비스도 48V 마일드 하이브리드에 적용되는 컨버터 통합형 48V 배터리 시스템의 독자 개발에 성공했다. 현대모비스는 기존에 컨버터와 배터리 시스템 2개 부품으로 각각 분리 적용해야 했던 것을 하나의 시스템으로 통합했다. 경량화, 소형화 추세에 맞춰 무게와 부피는 물론 원가절감과 함께 냉각효율도 높였다. 하이브리드 전기차는 엔진에 더한 부가적인 부품들이 많아 통합을 통한 설계 공간 확보와 무게 절감이 특히 중요하다.

이런 부품회사들의 기술 개발을 배경으로 유럽 메이커들은 2016년부터 48V 시스템을 실차에 적용하면서 보조를 맞춰왔다. 아우디가 2014년 LA오토쇼를 통해 공개한 콘셉트카 프롤로그의 핵심 기술이 48V 마일드 하이브리드 시스템이었다. 엔진의 제너레이터를 출력 향상시킨 벨트 구동의 스타터 겸 얼터네이터에 부착함으로써 엔진의 구동력을 보조한다. 또한 구동계의 일부를 고압의 48V 전원으로 해 회생 발전과 구동 보조의 출력을 12kW 정도로 높였다. 12V의 아이들링 스톱에 사용되는 스타터 겸 얼터네이터의 출력이 3kW 정도인데 대해 출력은 4배로 되고 연비효과도 10% 정도 향상됐다. 아우디의 콘셉트카 i-HEV에 채용된 이 시스템에서는 얼터네이터/모터와 전동 에어 컴프레서가 48V 구동으로 되고 그외 전장품용으로 12V의 납축전지도 탑재된다.

아우디 i-HEV는 주행중 가속 페달에서 힘을 빼면 엔진의 시동이 꺼진다. 전기모드가 있는 것은 아니다. 포르쉐가 처음 소개했던 코스팅 기능은 페달에서 힘을 빼면 엔진회전이 공회전 수준으로 떨어지는데 비해 아우디의 i-HEV는 아이들링 스톱 시스템처럼 엔진 시동이 꺼져버리는 기통 휴지 시스템이다. 정지상태에서만 시동이 꺼지는 것이 아니라 주행중에도 그 시스템이 작동한다.

폭스바겐은 디젤 스캔들 직후인 2015년 가을 48V 마일드 하이브리드의 실용화에 나섰다. 올해 출시 예정인 8세대 골프에 48V 일렉트릭 아키텍처와 마일드 하이브리드 시스템을 채용한다. 폭스바겐은 이 시스템의 채용으로 탄소 배출량을 줄이고 연비를 향상시킬 뿐만 아니라, 소형 가솔린엔진과 디젤엔진 모두에 유용한 수단이 될 것으로 보고 있다.

BMW는 2017년 초 자사의 전체 내연 기관 차량에 12V 및 48V 마일드 하이브리드 시스템을 탑재한다고 발표했다. 배터리 전기차의 보급에 시간이 걸리는 만큼 지속적인 내연기관의 효율성 향상과 함께 마일드 하이브리드 시스템을 통한 효율성 향상을 중시한다는 방침이다. BMW 5시리즈는 이미 48V 아키텍처를 기반으로 하고 있다.

현 시점에서 가장 진보된 48V 시스템은 메르세데스 벤츠의 6기통 엔진에 채용된 것이다. ISG(Integrated Starter Generation)라고 하는 스타터와 발전기의 기능을 동시에 갖춘 모터와 리튬이온 배터리가 조합된다. 여기에 48V 온보드 네트워크도 갖춰 에어컨과 워터 펌프도 전동화하고 모터로 과급하는 전동 수퍼차저도 다는 등 48V 보조 전원의 장점을 충분히 활용하고 있다. ISG+48V 보조 전원+전동 수퍼차저를 장착한 이 마일드 하이브리드 시스템은 48V 온보드 네트워크를 갖추고 기존 얼터네이터를 조합한 다른 메이커들의 시스템과는 다르다.

IHS오토모티브는 2023년 전동화차가 연간 2,044만 대가 팔릴 것이라고 전망했다. 그 중 절반인 1,060만 대 가량이 48V 마일드 하이브리드 모델이 차지할 것으로 보았다. 당장에 추가 비용이 적게 들면서 효율성을 높일 수 있다는 점을 이유로 들었다. 48V 마일드 하이브리드 시스템은 개발도상국용 자동차에도 채용이 쉬워 전 세계적으로 폭넓게 채용될 것으로 전망된다.

채영석

글로벌오토뉴스 국장