12 BMW 이노베이션데이- 3. 에너지 관리, 그 자체가 혁신이다.

BMW가 2012년 9월 20일 독일 뮌헨 북부 마이자흐(Maysach)에 새로 설립한 BMW드라이빙 아카데미(Driving Academy)에서 전 세계 자동차 전문기자들을 대상으로 그들이 개발 중인 기술을 소개하는 행사를 가졌다. 올 해에는 2011년 4월의 이노베이션데이를 통해 발표했던 실린더 모듈을 베이스로 한 새로운 엔진 패밀리와 예측 주행제어 시스템 등의 개발 진행 상황에 대해 소개했다. 그 세 번째로 자동차의 모든 분야에서 단 몇%라도 무게를 줄여 효율성을 높이고 탑승자의 편의성을 높여 운전의 즐거움을 제고하고자 하는 노력들을 소개한다.

글 / 채영석 (글로벌오토뉴스국장)

효율성은 엔진의 성능만을 말하는 것은 아니다. 트랜스미션을 비롯한 동력 전달장치부터 차체의 중량 저감, 공기역학 성능 제고, 각종 마찰 제어 등 모든 부문에서 끊임없는 추구해야 하는 과제다.

BMW의 이피션트다이내믹스 전략은 다양한 기술 솔루션을 도입해 연료 소모와 이산화탄소 배출을 줄이는 동시에 성능 향상을 추구한다. 예를 들어 배터리 전기 자동차(BEV) 와 플러그인 하이브리드카(PHEV)에서 이피션트 다이내믹스 전략은 전기 구동장치의 주행 가능 거리를 늘리는 데 초점을 맞추고 있다. "인텔리전트 에너지 관리"(Intelligent Energy Management)라는 슬로건 하에, BMW 그룹의 기술자들은 전기 자동차 또는 플러그인 하이브리드 자동차의 에너지 소모를 줄이는 데 도움이 되는 다양한 개별 솔루션을 개발하고 있다. 보조 시스템의 효율적인 작동으로 절약된 모든 배터리 에너지는 전기 모터로 공급되며 따라서 주행 가능 거리가 더욱 늘어난다. 이러한 새로운 기술들 가운데 일부는 내연기관 엔진이 달린 미래의 자동차에도 이전이 가능하다.

BEV와 PHEV의 경우, 추운 날씨에 차안 승객실 난방에 필요한 열을 효율적으로 공급하는 것도 특별한 도전 과제다. 차의 배터리에 저장된 에너지는 가능한 한 차를 구동하는 데 사용해야 한다. 차의 실내는 주택 부문에서 잘 알려진 기술인 히트 펌프의 도움을 받아 난방을 한다. 순전히 배터리 전력만을 사용하는 난방과 비교하여 히트 펌프의 높은 효율성을 제대로 활용하려면 모든 주행 조건 하에서 신뢰성 있게 작동할 수 있는 기술이 필요하다.

히트 펌프와 동일한 원리 적용으로 난방 에너지 50% 절약 가능.

건물 난방에 사용되는 시스템과 마찬가지로, 차에 사용되는 히트 펌프도 주변에 있는 저온의 열원을 이용하는데, 이 경우 주변 공기로부터 얻은 열만을 사용한다. 에어컨 컴프레서를 이용해 냉매를 압축하여 더 높은 온도로 올려준다. 이 원리는 냉난방 겸용 에어컨과 비슷하다. 난방 시에는 냉매의 흐름을 냉방과 반대 방향으로 흐르게 하여 열을 내게 하는 것이다. 그런데 자동차에 사용하려면 승객실을 가열, 냉각, 그리고 제습도 할 수 있는 기술이 필요하다. 그래서 추가적인 구성 부품과 레귤레이터를 더해 기존 냉매 회로를 확장했다. 외부 공기에 존재하는 열뿐만 아니라 본래부터 실내에 있던 열도 열원으로 사용할 수 있으며, 이 과정은 차 천제를 모니터링하는 인텔리전트 열 관리 시스템에 의해 제어된다.

BMW 의 배터리 전기차에 장착된 에어컨 시스템은 기존의 동력원을 사용하는 자동차에 뒤지지 않는 성능을 제공한다. 여기에는 다양한 온도의 공기를 다양한 영역에 분배하는 기능도 포함된다. 히트 펌프를 사용하면 안락성과 편의성을 높여주는 이러한 영역별 난방 기능도 실현할 수 있다. BEV 및 PHEV에 히트 펌프를 장착하면 실내 난방에 필요한 에너지의 약 50%를 절약할 수 있다. 바깥 기온이 섭씨 0도인 경우, 주행 사이클에 따라 차의 주행 가능 거리가 10~30% 정도 늘어난다. 기존 동력원을 사용하는 차에 적용할 계획은 현재 가지고 있지 않다.

적외선 난방 표면으로 에너지 절약.

이피션트다이내믹스 전략에 통합된 핵심 부분인 "인텔리전트 에너지 관리"는 특히 차의 보조 시스템들의 에너지 소비를 줄이는 데 기여한다. 난방 시스템 분야에서, 현대적인 적외선 난방 표면은 낮은 전력 소비뿐만 아니라 현저히 향상된 안락성을 약속하는 새로운 솔루션이다. 오늘날의 통상적인 히터와 에어컨 시스템은 차 내부의 공기 온도를 높이고 그 열을 운전자와 승객에게 전달하여 따뜻하게 해주는 방식이다. 반면, 적외선 난방 표면을 채택한 시스템은 에너지를 적외선으로 변환시켜 탑승자의 몸을 직접 따뜻하게 해준다.

"건강에 좋은" 복사열을 방출하는 적외선 난방 표면.

벽난로에서 나오는 열과 마찬가지로, 적외선 난방 표면에서 생성되는 복사열은 적외선 램프의 치유적인 온기에 비할 만큼 매우 쾌적하고 아늑한 따스함을 전해준다. 전기식 적외선 난방 표면은 특히 자동차에 적용했을 때 심지어 더 큰 혜택을 제공해준다. 스위치를 켜고 단 1분 후면 난방 효과가 나타나기 때문에 겨울철에 매우 유용하다. 또한, 이 열은 바람을 일으키지 않고도 분배가 가능해 완전히 조용하다. 또한 열 출력을 매우 정확하게 필요한 곳에 집중시킬 수 있다. 이론적으로는, 예컨대 운전자 혼자 여행하는 경우에는 운전자에게만 난방을 집중시켜 효율을 더욱 높이는 것도 가능하다. 오늘날의 관점에서 볼 때, 적외선 난방 표면은 도어 패널, 바닥 공간 및 대시보드의 특정 부분에 장착할 수 있다.

적외선 난방 표면은 기존 난방 시스템을 지원하는 용도로 사용될 것으로 전망된다. 특히 엔진 웜업(시동 운전) 단계에서 적외선의 신속한 난방 효과는 큰 이점이 될 것이다. 난방 시트처럼 개별 조절이 가능한 회로를 채택해 탑승자 개개인이 기호에 따라 온도를 조절할 수 있다. 특히 순수하게 전기로만 구동하는 배터리 전기 자동차(BEV)에 적외선 난방 표면을 적용하면 효율성 면에서 이득이 된다. 이러한 차에는 난방에 이용할 폐열을 제공해주는 내연기관 엔진이 없어, 차의 실내 온도를 안락한 수준으로 유지하려면 반드시 전기 에너지를 사용해야 하기 때문이다.

가변식으로 설계된 새로운 2세대 에어 벤트 컨트롤.

에어 벤트 컨트롤은 초기 단계에서 다양한 모델에 도입된 이피션트다이내믹스 전략 중 하나다. 차에 차가운 공기를 공급해주는 에어 인테이크는 항상 차의 공력 성능을 저하시키는 요인이 된다. 에어 벤트 컨트롤 시스템은 에어 인테이크와 라디에이터 사이에 위치한 움직이는 슬랫(Slat)을 이용해 이러한 단점을 보완한다. 예컨대 엔진과 보조 시스템들의 냉각 요구가 낮은 경우에는 에어 벤트가 닫힌다. 그 덕분에 차의 공력 성능이 향상되고, 따라서 연료 소모도 줄어들고 원치 않는 외부 소음도 최소화된다.

2003년에도 에어 벤트는 이미 BMW 5시리즈의 키드니 그릴 뒤쪽에 장착되었다. 그리고 2007년부터는 1세대 에어 벤트 컨트롤 시스템이 다양한 BMW 모델들에 장착되었다. 이 시스템은 차에 탑재된 엔진에 따라, 서로 연결된 3개의 상부 및 2개의 하부 슬랫을 이용해 3가지 다른 벤트 위치를 설정할 수 있다.

2세대 에어 벤트 컨트롤 시스템의 도입과 더불어 설정 위치의 수가 더 많이 늘어나 차에서 요구되는 정도에 맞춰 더욱 유연하게 냉각 공기의 흐름을 제어할 수 있게 되었다. 이제는 전기 모터를 이용해 상부 및 하부 슬랫 모두를 정확히 지정된 위치로 여닫을 수 있게 된 것이다. 2세대 에어 벤트 컨트롤 시스템은 지금까지보다 더 많은 변수 정보를 가져오고 평가할 수 있는 더욱 직관적인 센서 기술도 내장하고 있다. 이렇게 하면 냉매, 에어컨 컨덴서, 변속기 오일, 촉매 컨버터, 터보차저가 공급하는 과급 공기 등의 온도가 모두 혜택을 받는다. 차의 주행 속도도 중요한 제어 변수가 된다.

처음 운행을 시작하면서 차를 출발시킬 때에는 엔진 및 그 보조 시스템들이 최대한 빨리 최적의 작동 온도에 도달할 수 있도록 모든 슬랫들을 닫은 상태로 유지한다. 이후 냉각 요구량이 증가함에 따라 가장 먼저 하부 슬래트가 30도 각도로 열린다. 고속도로에서는 차의 공기역학이 성능에 중요한 영향을 미친다. 그래서 부하가 낮을 때에는 에어 벤트가 여러 중간 단계를 거치며 점진적으로 닫히는데, 이 과정에서 하부 슬랫의 각도가 15도로 줄어든다. 기온이 높은 날에 최대 부하로 고속도로를 달리면 최대한의 냉각 성능이 요구되므로 하부 슬랫이 완전히 열리게 되고, 이어 상부 슬랫도 냉각을 돕기 위해 열린다. 슬랫의 위치는 여러 정해진 단계로 움직인다. 이 때 상부 슬랫이 항상 가장 나중에 열리고 또 가장 먼저 닫힌다는 점에 주목할 필요가 있는데, 이는 상부 슬래트가 공기저항을 줄이는 데 가장 크게 기여하기 때문이다. 전체적으로 2세대 에어 벤트 컨트롤 시스템은 공기저항계수 Cw를 0.015 낮춰준다.

하이브리드 드라이브 유닛의 인텔리전트 에너지 관리.

BMW 그룹의 이피션트다이내믹스 전략은 전동화 자동차에도 중요한 과제다. 하이브리드카(HEV) 와 플러그인 하이브리드카(PHEV)에서도 에너지 관리는 중요한 이슈다. BMW는 전기 모터와 고성능 배터리를 위한 미래 지향적인 운영 전략을 개발했다. 최적의 충전 전략을 채택하여 순수 전기 모드로 주행 가능한 거리를 늘렸다. 그리고 무공해 주행의 경우에도 실제로 의미 있고 바람직한 지역에서만 주로 전기 모터를 사용하도록 했다. 시내나 주거 지역에서 목적지를 앞두고 몇 킬로미터를 주행하는 경우 등이 여기에 해당한다.

미래에는 단지 변속기 컨트롤 유닛 또는 전기 자동차와 하이브리드 자동차의 충전 전략에만 경로 정보가 사용되지는 않을 것이다. 기본적으로, 다양한 시스템이 주행 경로와 운전자의 요구(각 운전자에 관한 데이터도 포함) 모두를 더 잘 이해하고 있을수록 전방 도로에 더 잘 대응할 수 있다. 심지어 오늘날에도, 이러한 정보는 내연기관 엔진의 전체 열 관리 시스템을 예측 제어하는 데 도움이 된다.

예측 에너지 관리 : 내연기관 엔진의 작동 온도 최적화.

2012년 7월부터, 6기통 또는 8기통 가솔린 엔진과 프로페셔널 내비게이션 시스템이 장착된 BMW 뉴 7시리즈 모델에 예측 열 관리가 기본 제공되고 있다. 일단 목적지가 결정되면, 이 관리 시스템은 냉각수의 예측 열 조정을 통해 엔진 내의 온도 균형이 유지되도록 도와준다. 최고 냉각수 온도의 조정, 역동적인 주행을 위한 일정량의 냉각 능력 비축 등 엔진의 열 관리 시스템이 제공해야 하는 효율적인 요구사항들은, 다른 온보드 데이터와 연계하여 주행 이력 및 현재 경로에 관한 정보를 분석해 인식하고, 적절한 시점에 충족시킬 수 있다.

차가 도심을 운행하고 있는 것으로 감지되면, 이 시스템은 열 관리 시스템이 제공하는 예측된 엔진 성능 토대로 효율성 면에서 최적의 엔진 작동 상태로 만들어준다. 예를 들어 교차로에서 출발하거나 다른 차를 추월하는 등 짧은 시간에 집중 가속을 할 때에는 냉각수 온도가 떨어지지 않게 해준다. 심지어 차가 출발할 때 시스템이 경사를 감지하면, 예측 가능한 엔진 출력 요구 변화에 대응하기 위해 목표 지향적인 방식으로 필요한 양의 냉각 능력을 냉각 시스템 내에 비축해 놓는다. 따라서 예측 열 관리 시스템은 엔진이 훨씬 더 원활하게 출력을 전달할 수 있게 돕고 엔진 자체 및 엔진 격실에 있는 모든 구성 요소들의 열 안정성을 보장하는 등 추가적으로 중요한 역할을 한다.

인텔리전트 에너지 관리는 BMW 그룹의 이피션트다이내믹스 전략에 포함되어 있는 중요한 부분이다. 현재 그리고 미래에도, 에너지 절약은 모든 자동차 설계와 세부 자동차 구성 요소에서 최우선 목표가 될 것이다. 자동차 전체에 흐르는 데이터를 네트워크로 연결하는 것은 여전히 큰 잠재력을 제공한다. 미래에는 더 많은 예측 기술과 인텔리전트 컨트롤 시스템이 "커넥티드 드라이브와 이피션트다이내믹스의 만남"이라는 모토 하에서 더욱 안전하고 효율적인 드라이빙을 가능케 할 것이다.


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