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현대 LF쏘나타 플러그인 하이브리드, 전동화의 전환점

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글 : 채영석(charleychae@global-autonews.com)
승인 2015-08-19 01:03:02

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현대자동차의 첫 번째 플러그인 하이브리드 모델 LF쏘나타 PHEV가 출시됐다. 전기모드로 44km를 주행할 수 있다는 점과 2개의 배터리를 탑재해 미국기준 43km/리터의 연비를 실현한 것이 포인트다. 배터리 전기차와 연료전지 전기차가 기대보다 부진한 상황에서 부상한 것이 플러그인 하이브리드 전기차다. 이미 많은 자동차회사들이 한 두 개씩의 PHEV를 시판하고 있으며 독일 프리미엄 브랜드들은 전 라인업에 PHEV 버전을 추가한다는 계획이다. 현대차 PHEV의 의미와 기술적 특징을 살펴 본다.

 

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지금 전 세계 자동차회사들은 하이브리드와 플러그인 하이브리드 라인업을 늘리는 쪽으로 가고 있다. 다시 말해 내연기관을 대신할 수 있는 궁극적인 파워트레인은 아직 시간이 필요하다는 생각을 갖고 있다는 것이다. 그럼에도 강화되어가는 연비와 배기가스 규제 기준을 충족시키기 위해 HEV와 PHEV, FCEV를 동원하고 있는 것이다.


이미 시장에는 쉐보레 볼트를 비롯해 토요타 프리우스 PHEV, 볼보 V40 PHEV, 미쓰비시 아웃랜더 PHEV, 포드 C-MAX Energi, 혼다 어코드 PHEV 등 연비 중시형 플러그인 하이브리드 들이 시판되고 있다. 메르세데스 벤츠 S500 PHEV도 많은 주목을 끌고 있다.

 

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BMW의 i3와 i8에도 모두 플러그인 하이브리드 모델이 라인업되어 있다. BMW는 2014년 2월 X5 플러그 인 하이브리드 버전을, 2015년 7월에는 액티브 투어러 PHEV를 이노배이션데이를 통해 언론에 공개했다. 아우디는 e-Tron 이라는 이름으로 플러그 인 하이브리드 버전을 라인업하고 있다.


플러그인 하이브리드의 바람은 스포츠카도 예외가 아니다. 포르쉐 918 스파이더와 아우디 스포츠 콰트로 컨셉트 등 고성능 스포츠카들이 플러그인 하이브리드 시스템을 채용하고 등장했다. 이들 역시 개발을 진행해 오던 것을 본격적으로 양산화하겠다고 발표한 것이지만 전동화의 양상이 단지 연비 중시형만은 아니라는 사실을 보여 주는 내용이었다.

 

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현대자동차는 2020년까지 22가지의 전동화 모델을 출시해 친환경차 부문에서 세계 2위에 오르겠다는 목표를 설정하고 있다. 2020, 22, 2라는 슬로건으로 표현하고 있다. 22가지는 하이브리드 모델 12개와, 플러그인 하이브리드 6개, 배터리 전기차 2개, 연료전지전기차 2개 등이다. 배터리 전기차와 연료전지 전기차의 비중이 낮고 하이브리드와 플러그인 하이브리드에 집중하겠다는 것이다.

 

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현대자동차는 2015년 8월 초 LF쏘나타 플러그인 하이브리드카를 고객에게 인도하기 시작했다. 이는 7개의 파워트레인을 추구하는 쏘나타의 트림 다양화라는 라인업 전략과 더불어 현대차 친환경차의 방향성을 가늠하게 할 수 있는 대목이다. 현대차는 LF쏘나타 PHEV는 HEV에서 EV로 넘어가는 과도기적 존재라고 설명하고 있다. 20세기 말부터 대부분의 글로벌 플레이어들이 해 온 주장과 궤를 같이 하고 있다. 


현대차가 LF쏘나타 PHEV를 통해 표방하고 있는 것은 진화하고 있는 친환경차에 대한 소비자 만족 기준을 충족시켜야 한다는 것이다. 전기 모드에서도 주행 거리가 더욱 확장되어야 하고, 처음 친환경차를 접하는 운전자에게 이질감 없는 주행감을 느끼게 하면서도, 내연기관 수준의 강력한 힘을 탑재하고 있어야 한다는 것이다. 또한 용량이 큰 배터리 때문에 공간성을 침해하지 않아야 한다는 점도 중요한 요소다.

 

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이는 변화하고 있는 운전자의 라이프 스타일을 반영한 결과다. 도시 생활자의 출퇴근 거리는 편도 30~40km  정도이므로 야간 충전으로 출근하고 업무 중 충전해서 퇴근시에 전기모드만으로 주행할 수 있다는 점을 고려하고 있다. 그러니까 내연기관 엔진은 비상용으로 사용할 수 있다는 것이다. 물론 배터리 전기차로는 불가능한 장거리 여행이 가능하다는 점도 PHEV가 현실적인 대안으로 떠 오르는 이유이다.


물론 그 내면에는 갈수록 강화되고 있는 각국의 배기가스 규제에의 대응이 있다. 세계 각국은 다양한 환경 규제 프로그램을 자동차에 적용하고 있다. 미국에서는 무공해차 법규를 통해 공해 물질을 배출하지 않는 배터리 전기차와 수소연료전지 전기차의 일정 비율 판매를 의무화하고 있으며 매년 그 비율을 늘려가고 있다. 유럽연합에서도 이산화탄소 배출량 130g/km 이하를 기준으로 완성차 제작사별 규제를 하고 있으며, 이 기준을 계속해서 낮춰 2020년에는 95g/km 이하, 2025년에는 75g/km 이하로 규제할 방침이다.

 

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최근 빠른 도시화와 산업화, 자동차 보급 증가로 환경오염 문제가 심각해진 중국 또한 이산화탄소 배출량 기준을 2015년 159g/km 이하, 2020년 117g/km 이하로 낮춰갈 계획이다. 이런 세계적인 추세 속에서 PHEV만의 이슈가 생긴다. EV와 HEV 특성을 모두 갖추고 있기 때문에 두 차종에 대한 인증을 모두 받아야 한다는 점이다. 나라별로 각기 다른 규제 사항을 충족해야 하고, 그에 따라 연속적으로 발생하는 안전 부분, 중량에 따른 연비 등의 문제도 함께 해결해야 한다.

 

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플러그인 하이브리드는 크게 PHEV와 EREV로 구분된다. PHEV는 내연기관과 전기모터가 모두 구동용으로 사용되는데 비해 EREV는 전기모터로 구동하며 내연기관은 발전용으로 사용된다. LF쏘나타는 PHEV에 속하며 EREV는 쉐보레 볼트가 대표적이다.


LF쏘나타 PHEV에는 병렬형 하드타입 시스템, TMED(Transmission Mounted Electric Device) 타입이 채택되어 있다. TMED 타입은 기존 파워트레인 구조에 모터를 삽입한 것으로 엔진과 변속기 사이에 모터가 위치하고, 엔진과 모터의 출력을 끊거나 전달하는 엔진 클러치를 갖춘 것이다. 이 시스템의 가장 큰 장점은 6단 자동변속기 구조에서 토크 컨버터를 없애고 그 공간에 모터를 탑재해 경쟁차에 비해 보다 간단한 구 조와 적은 모터 용량으로도 구동 효율을 극대화할 수 있다는 것이다.

 

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구동 효율에 있어서 전기 모터의 역할은 중요하다. 모터는 물리학의 기본 원리인 자석과 전자석의 원리로 회전한다. 철심에 코일을 감은 고정자(전자석) 쪽으로 회전자 안에 매입한 자석을 가까이 둔 후, 코일에 교류 전류를 흐르게 하면 고정 자에서 발생하는 회전자계와 자석이 반응해 힘(토크)이 발생한다.

LF쏘나타 PHEV는 이 같은 원리로 움직이는 모터 중에서도 초고효율 모터라 불 리는 IPM(매입형 영구자석: Interior Permanent Magnet) 동기 모터를 채택했다. 일반적으로 모터는 크게 직류와 교류로 나뉜다. 직류는 역사가 오래되고 제어성이 좋아 널리 사용되어왔지만, 정류자와 브러시에 의한 정류 작용이 필요하다. 즉 회전자와 마찰되어 있는 상태로 회전하기 때문에 마모로 인한 보수가 필 요하고 소형화 및 경량화에도 한계가 있는 것으로 평가받는다.

 

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그에 반해 교류는 구조가 간단하고 견고하며, 제어기의 발달로 직류 모터 이상의 성능을 발휘할 수 있다. 여기서 교류는 널리 사용되는 유도 모터와 에너지 절약을 목적으로 도입된 동기 모터로 나뉜다. 동기 모터는 다시 영구자석을 붙이는 방법에 따라 회전자 표면에 영구자석을 붙인 표면자석형 동기 모터와 회전자 안에 영구자석을 내장 한 매입자석형 동기 모터로 구분된다.


LF쏘나타 PHEV가 채택한 IPM 동기 모터는 회전자에 영구자석을 내장하고 있어 기본적으로 회전자 측에는 전류가 흐르지 않으므로 손실이 발생하지 않아 적은 전력으로도 같은 출력을 낼 수 있다. 게다가 적은 에너지 손실 때문에 발열도 억제하고, 모터의 방열 면적과 열 용량도 줄일 수 있어 소형화, 경량화가 가능하다.

 

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LF쏘나타 PHEV 는 156마력의 힘을 발휘하는 하이브리드차(HEV) 전용 누우 2.0 직분사(GDi) 엔진을 베이스로 하고 있다. 여기에 50kW급 전기 모터와 HEV 전용 6단 자동변속기를 조합해 시스템 최고 출력 205마력을 발휘한다. 9.8kWh 대용량 리튬 이온 폴리머 배터리를 장착해  전기차(EV) 모드만으로 27마일(약 44km)을 주행할 수 있다.

 

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에너지 원인 배터리는 두 개로 분리해 스페어타이어 웰과 리어 시트 하반부에 탑재하고 있다. 좀 더 큰 배터리 용량을 확보하면서도 공간 효율성을 높이기 위한 것이다. 문제는 배터리 시스템상 배터리팩이 2개로 나뉘면 여러가지 문제가 발생할 수 있다. 일반적으로 배터리 팩을 구성하는 배터리 셀과 제어기(BMS;Battery Management System), 전원 단속 장치, 그리고 냉긱 시스템은 하나의 공간에 있어야 한다. 하지만 LF쏘나타 PHEV는 나눠진 두 개의 배터리 팩에서도 안전성 확보를 위해 배터리 제어기와 냉각 시스템을 별도로 개발 장착하고 있다. 그로 인해 두 개의 팩이 균일하게 운용 제어되며 트렁크 공간의 희생도 최소화했다. 배터리의 수명이 30만km 이상의 내구 수명을 확보하고 있다는 점도 주목을 끈다. 또한 4중 안전 설계를 적용해 안전성을 확보하고 있다.


플러그인 하이브리드 전기차는 ‘전기 구동 모터와 배터리를 탑재한 EV’와 ‘엔진과 모터라는 두 가지 동력원을 가진  HEV’의 장점을 살린 것이다. 다시 말해 연료 주유구와 충전 플러그를 동시에 갖추고 있다는 것이다. 이로 인해 최고 120km/h 속도로 전기차 주행을 할 수 있고, 운전자의 모드 선택에 따라 EV 모드 또는 HEV 모드로 주행 또한 가능하다. 주로 전기모터만으로 구동하는 CD모드와 배터리를 일정 수준으로 유지하면서 엔진과 모터로 동시에 구동하는 CS모드로 구성된다.

 

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CD모드는 경제운전을 위한 것으로 출발과 저속 주행시부터 가속 등판, 정속 주행, 그리고 감속과 제동시에 모두 가능하다. 물론 회생 에너지 브레이크 시스템도 채용되어 있다. CS모드는 좀 더 강력한 주행을 원할 경우에 내연기관과 전기모터를 적극적으로 사용한다.


효율성과 주행성의 양립을 위해 가장 신경 쓴 부분은 시스템 구조와 제어 기술이다. 우선 HEV 전용 엔진과 6단 자동변속기를 새롭게 장착했다. 이 엔진과 변속기 사이에 50kW급 모터와 힘을 제어하는 엔진 클러치(Engine Clutch)를 삽입해 시스템 구조를 단순화했다. 이것이 바로 TMED 타입 병렬형 하이브리드 시스템이다. 이 시스템은 현대차가 독자적인 제어 기술을 통해 완성했다.

 

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LF쏘나타 PHEV는 전기차 모드와 하이브리드차 모드 모두 운용되기 때문에 도로 상황, 운전자 컨디션 등에 따른 모드 전환이 자연스럽게 이어져야 한다. CD 모드로 주행하는 동안 급가속이 필요할 경우, 엔진이 작동되도록 한 설계는 운전의 즐거움과 위급 상황의 안전성까지 생각한 것이다. 부드러운 모드 전환도 많은 공을 들였다. 6단 자동변속기의 각 차속마다 응답성은 차이가 없고, 엔진은 작동됨과 동시에 모터 속도에 맞추기 위해 상황에 따라 미리 예열된다. CD 모드에서 CS 모드로 바뀌면서 엔진 토크가 안정될 때까지의 시간은 1.2초 내외. 또한 상황과 조건에 따라 긴밀하게 이뤄지는 변속기의 킥다운(Kick-Down: 엑셀 페달을 밟을 때 더 큰 견인력을 위해 자동으로 저단 기어로 변속)도 LF쏘나타 PHEV의 운전성에 지대한 영향을 미친다.

한편 하이브리드 전력 제어 모듈(HPCU: Hybrid Power Control Unit)도 자체기술로 개발했다.  하이브리드 시스템 제어는 물론, 모터 제어 및 고전압 배터리의 전압을 12V로 변환하는 기능을 수행한다. HPCU는 구동 모터와 HSG(Hybrid Starter Generator: 하이 브리드 스타터 제너레이터) 토크를 제어하는 인버터(Inverter), 차량의 구동력을 분배하고 차량 운전 모드를 관장하는 HCU(Hybrid Control Unit) 그리고 차량 전 장부하에 전원을 공급하고, 보조 배터리를 충전하는 LDC(직류 변환 장치)로 구성되어 있다.

 

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이 중에서 하이브리드 시스템의 핵심 부품은 인버터라 할 수 있다. 인버터는 배터리에서 나오는 전류를 모터용 AC로 바꿔서 모터를 구동하고, 모터가 발전기로 작동했을 때의 AC를 DC로 변환해서 배터리에 저장하는 역할을 한다. 일반적인 인버터는 전류를 변환하고 모터의 회전 수만 제어하는 비교적 단순한 역할을 맡지만, 전동화 차량의 인버터는 보다 정밀하고 복잡한 제어 성능이 필요 하다. 운전자는 운전 조건에 따라 엑셀 및 브레이크 페달을 밟게 되는데, 순간적으로 변하는 토크를 제어해야 하기 때문에 보다 섬세한 제어 성능이 요구된다. 또한 전류를 변환하는 과정에서 발생하는 열은 냉각시스템을 통해 억제하는 한편, 일정한 온도 이상이 되면 출력을 제한하는 등의 보호 기능도 갖췄다.


현대차의 독자 기술로 탄생한 고출력 밀도의 전력 변환 장치는 부피와 중량을 절감시켰을 뿐만 아니라 알고리즘 및 제어 로직 등 성능적인 측면에서도 진화했다. 인버터와 같은 전력 변환 장치는 각각의 시스템을 제어하는 제어기를 필요로 하는데, 차량의 협소한 공간에 맞도록 여러 제어기를 통합하고 시스템을 간소화 하는 것도 중요한 기술 중 하나.

 

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이에 통합형 제어기를 사용하는 LF쏘나타 PHEV는 차량의 효율이 극대화되었다. 제어가 제대로 구현되지 않으면 일차적으로 차가 움직이지 않으며, 이차적으로 앞서 언급한 운전성과 같은 차의 성능에 문제가 생기게 된다. 눈에 보이지는 않지만 자동차의 기본과 개성, 능력까지 총괄하는 기능이 바로 제어 시스템으로부터 탄생하는 것이다. 현대차는 친환경차의 기본적인 제어 성능을 독자 개발한 것 은 물론, MCU(Motor Control Unit), TCU(Transmission Control Unit) 등의 다양한 제어 관련 소프트웨어도 독자 기술로 개발해냈다.


유해한 증발가스의 누출을 막는 밀폐형 연료시스템도 중요한 안전장비다. 자동차 엔진 기관의 부품 중 하나인 캐니스터(Canister)는 연료탱크에서 발생하는 증발가스를 임시로 저장하는 공간이다. 연료탱크에서 발생한 증발 가스를 흡수하고 저장하는 캐니스터는 가솔린차에서 엔진 부압을 통해 실린더 내로 증발가스를 재연소하는 데 일조한다. 하지만 PHEV에서는 EV 모드로 움직일 경우 엔진을 구동하지 않기 때문에 캐니스터에 흡수된 증발가스를 연소시키지 못한다. 이때 포집된 증발가스는 캐니스터 용량을 초과할 수 있어 연료탱크 내에 들어찬 증발가스를 밀폐해두는 시스템이 필 요하다. 증발가스를 엔진이 퍼지(캐니스터에서 엔진연소실로 보내는 것)하는 회수가 극히 적기 때문에 주행이나 주차 중에 발생하는 증발가스를 연료탱크 내부 에 밀폐 보관하는 것이다.

 

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이를 위해 LF쏘나타 PHEV는 연료탱크의 강성을 보강하고, 연료탱크를 밀폐하는 밸브와 가수 유출 진단에 필요한 에어펌프를 추가하는 등 시스템 구성을 새롭게 했다. 현대차가 개발한 고압에 견딜 수 있는 밀폐형 연료탱크는 일정 수준 이상(35kPa)으로 압력이 올라가면 캐니스터에 가스를 빼두는 형식으로 압 력을 유지할 수 있다. 캐니스터에 보관하고 있던 증발가스는 이후 엔진을 사용하면 실린더 내에서 연소된다.


PHEV의 주유법도 눈길을 끈다. 차량에 연료를 주입하기 위해서는 연료탱크에 가득차 있던 증발가스를 먼저 캐 니스터로 보내면서 탱크 압력을 낮춰야 한다. 일반 차량의 시스템이라면 캐니스터로, 그리고 캐니스터에서 외부로 연결되는 호스가 늘 연결되어 있어 주입에 별 문제가 없다. PHEV 시스템에서는 연료 시스템이 밀폐형이기 때문에 별도로 공 기 압력을 빼주는 과정이 필요하다. LF쏘나타 PHEV는 주유를 위해 연료 주입구 개폐 버튼을 누르면, 바로 열리도록 설계되지 않았다. 기존 탱크에 차 있던 증발가스들이 캐니스터로 옮겨가고, 압력이 낮아지면 자동으로 주유구가 열린다. 이는 주유구를 열었을 때 밀폐된 가스들이 대기로 유출되는 것을 방지하기 위함이다. 주유가 끝난 후 캐니스터에 차 있는 가스는 이후 엔진을 통해 연소된다.

 

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플러그인 하이브리드가 주목을 끈 이유는 배터리 전기차의 판매가 기대에 미치지 못했기 때문이다. 그보다 더 기술적으로 한계에 부딛힌 것도 중요한 이유다. 그런 상황에서 자동차회사들은 각국의 규제에 대응하기 위해 가능한 모든 방법을 동원해야 한다.


태양광과 풍력 발전을 통한 발전량이 급증하고 있는 상황에서 전동화에 대한 기술 개발에 대한 요구는 더욱 거세지고 있다. 현대자동차도 배터리 전기차와 하이브리드 전기차, 플러그인 하이브리드 전기차, 연료전지 전기차 등 현 시점에서 가능한 모든 전동화 기술을 동원하고 있다. 그 본격적인 시작이 LF쏘나타 플러그인 하이브리드다.

 

 

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