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BMW의 전기차 개발, 철저한 검증을 통해 진행한다.

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글 : 채영석(webmaster@global-autonews.com)
승인 2010-09-14 07:10:03

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BMW의 전기차 개발, 철저한 검증을 통해 진행한다.

BMW가 2010년 9월 2일부터 6일까지 서울에서 이노배이션데이라는 타이틀로 그들의 파워트레인 전략에 대해 소개했다. BMW가 추구하는 Efficient Dynamics는 파워 트레인 기술의 혁신을 비롯해 에너지 흐름의 효율적인 관리, 엔진 및 차체의 경량화 설계, 그리고 에어로 다이나믹스로 요약된다. 다시 말하면 성능은 향상시키고 차체의 중량은 줄여 연료소비는 줄인다는 것. 물론 연료소비를 줄이는 것은 유해 배출가스 저감과 직결되는 것이기 때문에 21세기 최대의 과제인 친환경 자동차 개발에도 기여하게 된다. 그러면서도 BMW의 브랜드 이미지인 다이나믹성을 살려낸다고 하는 것이 Efficient Dynamics의 기본 테마인 것이다.

글/채영석(글로벌오토뉴스 국장)

BMW는 전 세계 메가 시티를 순회하며 이노배이션데이 이벤트를 개최하고 있다. 그를 통해 그 이피션트 다이나믹스의 일환인 전기차에 대한 그들의 생각을 분명히 하고 있다. 전기차에 대해서는 아직까지도 논란이 많다. 궁극적은 파워트레인이 될 것이다, 아니다 하며 의견이 분분하다는 얘기이다.

전기차는 크게 순수 전기차라고 할 수 있는 충전 전기차와 수소 등 재생 에너지를 사용해 발전하면서 구동하는 발전 전기차로 구분된다. 둘 다 크게는 석유를 사용하지 않아야 한다는 명제 하에 등장한 것이지만 그것은 어디까지나 ‘Tank to Tire(자동차 구동시)’의 관점에서의 이야기이다.

순수 전기차는 동력원인 전기를 생산하는 과정에서 화력 발전 등에서 지금의 가솔린보다 더 많은 이산화탄소를 발생한다. 수소연료전기차 등은 석유나 석탄, 곡물 등에서 수소를 생산하면서 역시 많인 이산화탄소를 만들어 낸다. 20세기의 매연을 중심으로 한 배기가스의 관점에서는 완전 무공해라고 할 수 있다. 하지만 지금은 지구 온난화의 주범으로 꼽히고 있는 이산화탄소가 공해의 대표적인 존재다. 따라서 순수 전기차든, 발전 전기차든 완전무공해라고 할 수 없다.

석유 권력으로부터 벗어나기 위해 전기차를 사용해야 한다는 논리도 설득력이 없다. 석유를 사용하지 않고 전기차를 굴린다고 해도 그 전기차를 생산하는데 리튬부터 시작해 다양한 희토류 금속이 사용된다. 리튬은 볼리비아와 칠레에서 주로 생산되며 망간, 이리듐 등 희토류 금속은 중국이 매장량의 95%를 차지하고 있으며 생산량은 65%에 달한다. 미국과 중동의 석유 횡포로부터 벗어난다고 해도 중국의 자원 권력에서 자유로울 수 없다.

그래서 덩샤오핑이 ‘중동에 석유가 있다면 중국에는 희토류 금속이 있다.’라는 말이 세삼 실감나는 시대에 살고 있다. 그 때문에 토요타 등은 리튬 이온 배터리가 아닌 전혀 다른 개념의 배터리 개발을 위한 별도의 회사를 설립해 연구를 하고 있을 정도다.

이런 이유 때문에 전기차가 석유를 사용하는 내연기관 자동차를 대체한다고는 할 수 없는 것이 현실이다. 그보다는 앞으로 증가하는 자동차의 수요를 하이브리드와 전기차 등 소위 전동화 기술을 채용한 것으로 충당해야 한다는 것이 중론이다.

전동화(Electrification)기술이란 스톱&고를 채용한 마이크로 하이브리드와 마일드, 스트롱 하이브리드, 그리고 레인지 익스텐더라고도 하는 플러그 인 하이브리드와 전기모터만으로 구동하는 전기차 등을 총칭하는 말이다. 현재 메이저 업체들은 대분이 이 분야에 뛰어 들어 연구를 거듭하고 있으며 최근 들어 하나둘씩 그 결과물이 등장하고 있다.

지금까지는 대부분의 메이커들이 전기차를 위한 별도의 플랫폼을 개발하기보다는 개조차로서의 가능성을 타진하고 있다. 더불어 하이브리드카와 마찬가지로 전기차도 시장에 따라 강화되고 있는 배출가스 규제 기준을 충족시키기 위한 수단으로 여기고 있는 것도 부인할 수 없다. 총량 연비 규제를 받는 시장에서 전기차나 하이브리드카로 그 수치를 낮추고자 한다는 것이다.

완성차 업체 중에서 가장 먼저 전기차를 시판하기 시작한 것은 일본의 미쓰비시로 경차를 개조하며 만든 아이 미브가 있다. 이와는 달리 닛산 자동차는 아예 전기차 전용 플랫폼을 개발해 리프(Leaf)라는 전기차를 개발해 냈다. 올 연말쯤에는 시장에 투입될 것으로 예상하고 있다.

그 외의 시장에 나와있는 전기차는 모두가 개조 전기차다. 테슬라를 비롯해 AD프로펄션, 압테라, 그리고 한국의 CT&T 등이 있다. 물론 시판을 앞둔 레오모터스와 AD모터스와 같은 개조차 회사들이 세계 각국에 적지 않게 존재한다. 중국에서는 BYD가 이미 플러그 인 하이브리드카를 시판하고 있다.

그리고 BMW. BMW는 오늘날 내연기관 엔진의 발전을 주도하고 있다. 그 BMW는 차세대 파워트레인에 대해서는 수소 내연기관차에 가장 많은 비중을 두고 있고 그 과도기적인 존재로 전기차 전략을 수행하고 있다. 물론 BMW가 개발하고 있는 전기차는 리튬 이온 배터리를 에너지원으로 하는 것으로 다른 메이커와 기본 컨셉은 같다.

다만 개조가 아닌 전용 전기차라는 점이 다르다. 개조든 전용이든 현 시점에서 전기차는 8시간이라는 충전시간부터 에너지 밀도, 1회 충전으로 가능한 항속거리, 최고속도 등에서 해결해야 할 과제가 많다.

BMW그런 문제를 부문별로 해결하기 위해 투자를 하고 있으며 2013년 출시를 목표로 MCV(Mega City Vehicle)를 개발하고 있다. 특히 MCV에서 주목을 끄는 것은 배터리팩의 탑재위치와 차체 패널을 강철이 아닌 카본 파이버 강화 플라스틱 ( CFRP : Cabon Fiber Reinforced Plastic)으로 하고 있다는 점이다.

CFRP는 강도는 높지만 밀도는 강철의 1/5에 지나지 않는다. 중량도 강철보다는 50%, 알루미늄보다는 30% 가볍다. 심한 온도변화에도 형태 변화가 거의 없다. 포뮬러 원 머신을 통해 충격흡수력이 좋다는 것은 이미 입증되어 있다. 또한 내부식성이 강해 수명이 길다. 유지보수면에서도 장점이 있다. 무엇보다 경량화를 통해 에너지 소비를 크게 억제할 수 있다. 또한 자동차 설계 측면에서는 맞춤형 부품 제작이 가능해 디자인 자유도가 높다. 설계 방식은 전통적인 접착방식과 중공 프로파일 방식, 하이브리드 방식 등이 있다.

궁극적으로는 CFRP차체의 채용과 더불어 250~350kg의 경량화를 실현하면서 BMW의 DNA인 Dynamic도 실현한다는 것이다. 이는 개조 전기차의 경우 300~400kg의 중량이 증가하게 되는데 그렇게 되면 에너지 효율성 추구라는 측면에서 큰 도움이 되지 못한다는 사고에서 출발한 것이다

BMW가 전기차 전용 플랫폼을 개발하고 차체를 고 비용의 카본 파이버로 하고자 하는 것은 이유가 있다. 지금까지와는 다른 도심형 전기차의 필요성, 큰 배터리 용량, 전기차만의 특성을 고려한 안전성, 인구의 60% 이상이 대도시에 거주함으로써 주행 방식이 변화하고 있다는 것 등이다. 대도시에서는 개인의 이동성이 중시되며 그로 인해 운전자의 행동 변화를 수용할 수 있는 자동차가 필요하다는 것이다.

BMW가 개발하고 있는 전기 파워트레인은 세 가지 전재 조건을 갖고 있다. 우선 큰 주제인 Efficiency를 충족해야 하며 운전자에게 즐거움(Joy)를 주어야 한다. 더불어 미래에 대한 책임(Responsibility)도 전제되어야 한다.

Efficiency는 에너지 소비의 효율성 제고와 유지비용 절감을 위한 경량 디자인 등이 포함된다. Joy는 다이나믹한 운동성능을 바탕으로 운전의 즐거움이라는 BMW의 DNA를 충족시켜야 한다는 것이다. Responsibility에는 환경과 지속가능한 자동차사회, 리사이클링, 배터리 기술의 발전 등이 포함된다. BMW는 배터리 기술은 보쉬와 삼성전자의 합작회사인 SB리모티브와 협력해 연구개발을 추진해 오고 있다.

특히 주목을 끄는 것은 전기 파워트레인의 효율성은 내연기관에 비해 월등하다는 BMW 의 주장이다. 예를 들어 내연기관 엔진은 실제 투입한 에너지가 열과 배기가스, 냉방, 마찰 등에 의해 75%가 손실되며 실제 엔진 구동에는 1/4정도만 사용된다는 것이다. 이에 비해 전기모터는 내연기관 대비 1/4 정도의 에너지를 사용하며 그 중 손실은 27%에 지나지 않아 효율성을 극대화할 수 있다. 절대 에너지 소모가 적을 뿐 아니라 투입된 에너지 대부분을 주행하는데 사용할 수 있다는 얘기이다.

브레이크 회생 에너지 등까지 포함해 같은 거리를 주행하는데 전기모터의 에너지 사용이 내연기관에 비해 획기적으로 적다는 결론이 나온다.

중량 측면에서는 전기차가 내연기관 차에 비해 20~25% 정도 더 무겁다. 하지만 엔진 등 구동장치 자체의 중량은 전기차가 더 가볍다. 다만 배터리의 비중이 큰 것이 사실이다. 공간도 구동장치만으로는 내연기관차가 더 많이 차지 않다. 역시 배터리가 차지하는 비중이 전기차가 더 크다. 때문에 전기차만을 위한 별도의 아키텍처가 필요하다는 것이 BMW의 생각이다. 그것이 플로어에 배터리를 탑재하는 등의 방법을 고안한 라이프 드라이브 컨셉이다.

전기차의 구성 요소는 크게 배터리와 모터(Electric Traction Motor), 파워트레인 일렉트릭(컨트롤러), 감속기, 배터리의 온도 등을 종합 제어하는BMS(Battery Management System)등이다.

이중 가장 핵심적인 것은 물론 배터리. 기존 배터리는 셀당 5A가 보통이어서 한 대의 전기차를 위해서는 6,000개 전후의 셀이 필요하다. 미니E의 경우는 5,881개를 사용했다. 배터리는 셀당 2.5~4볼트 사이에서 작동된다. 하지만 이로서는 충분하지 않아 직렬로 연결해 250~400V의 파워를 만들고 전체적으로 96개의 셀을 12개씩 모듈화했다. MCV의 경우 셀당 3.7V, 모듈당 44.5V, 8개의 모듈에 360V를 설정했다.

한국 코캄(Kokam)의 경우 셀당 100A짜리를 사용해 88개의 셀로 팩을 완성하고 있다. BMW는 셀당 A를 묻는 기자의 질문에 답할 수 없다고 했다. 이론 적으로는 90A 정도가 되어야 한다는 얘기인데 SB리모티브와 협력을 통해 목표치를 달성하겠다는 것으로 읽힌다. 다만 지난 봄 뮌헨에서 있었던 이노배이션데이에서 밝히지 않았던 배터리팩의 경우 192개의 셀을 29의 모듈로 했다는 내용이 추가됐다.

MCV의 제원은 4인승에 134마력의 전기 모터를 탑재하게 되며 최고 속도는 170km/h로 잠정 설정되어 있다.

또한 에너지 저장장치, 즉 배터리의 기술이 획기적으로 발전될 때까지는 단기적 대안이기는 하지만 소형의 내연기관 엔진을 추가해 플러그 인 하이브리드(Range Extender)로의 가능성도 고려하고 있다.

이것이 완성되게 되면 전기차는 공간과 비용, 복잡성, 중량 부분 등 전 분야에서 기존 내연기관보다 우수하다는 것이 BMW 측의 주장이다. 물론 별도의 아키텍처를 사용해 가능해진 내용이다.

BMW는 MCV의 완성은 단지 한 대의 전기차에 끝나지 않고 BMW의 다른 모델에도 적용할 수 있도록 하겠다는 복안이다.

BMW의 프로젝트-i는 전 세계 자동차업체들에게 전기차 개발에 대한 새로운 기준점을 마련해 줄 것으로 보인다. 그동안 여러가지 장애요인들로 망설이던 업체들도 벤치마킹을 하게 될 같다. 그렇게 되면 새로운 원자재의 개발과 부품생산의 규모화 등에 의해 전기차의 실용화가 더 빨라질 가능성이 있다. 그래서 BMW는 5~10%의 전망을 5~15%로 상향 조정하고 있는 것이다.

생각보다는 보수적인 전망이기는 하지만 BMW는 MCV를 그룹 내 서브 브랜드로 개발해 전기차에 대한 전략을 강화해 갈 것이라는 의지를 분명히 했다. 새로운 기술이 시장에 도입되어 뿌리를 내리는데는 여러가지 장애가 많다. BMW는 그런 장애를 극복해 가면서 미래에 대한 새로운 아이디어를 만들어 내 자동차업계를 리드한다는 생각인 것이다.
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