이동성에 대한 개념의 변화와 함께 파워트레인의 진화도 다양한 가능성을 추구하고 있다. 당장에 배터리 전기차나 연료전지 전기차로의 빠른 전이가 불가능하기 때문에 기존 내연기관차의 효율성을 높이려는 움직임이 그것이다. 유럽의 경우 2020년까지 이산화탄소 배출량을 95g/km로 낮추어야 한다. 그런 상황에서 독일 메이커들을 중심으로 48볼트 마일드 하이브리드 시스템의 채용이 빠른 속도로 증가하고 있다. 폭스바겐도 11월 출시되는 8세대 골프를 비롯해 대부분의 주력 차종에 48볼트 마일드 하이브리드 시스템을 채용했다. 폭스바겐의 48볼트 마일드 하이브리드 시스템에 대해 간단히 짚어 본다.

글/채영석(글로벌오토뉴스 국장)

8세대 골프에는 1.5리터 가솔린 엔진과 48볼트 대응 일체형 벨트 구동 스타터 제너레이터(BSG)가 채용된다. 뿐만 아니라 EA211 제품군인 1.0리터 가솔린과 2.0리터 디젤 엔진에도 듀얼 클러치 트랜스미션과 함께 채용한다. 폭스바겐그룹은 앞바퀴 굴림방식 전용 플랫폼 MQB의 거의 대부분에 48볼트 시스템을 채용할 방침이다.

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

48볼트 마일드 하이브리드(mHEV)를 채용하면 골프 GTE나 파사트 GTE와 같은 현재 플러그인 하이브리드와 비교해 기능 범위는 줄어들지만 비용 측면에서 훨씬 효율적이다. 플러그인 하이브리드는 별도의 충전장비를 통해 충전을 해야 하지만 mHEV는 48볼트 벨트 스타터 제너레이터로 해결이 가능하다. 이 발전기는 보조 드라이브에 교류 발전기가 있던 곳에 위치한다. 이는 전기모터로서 상황에 따라 구동력을 높이기 위해 연소 엔진을 지원하기도 한다. 감속 단계에서 발전기는 차량의 운동 에너지를 변환하고 그렇지 않으면 손실될 에너지로 배터리를 충전한다. 이 조합은 폭스바겐에게 큰 변화없이 기존 파워트레인의 효율성을 높일 수 있게 한다.

48볼트 마일드 하이브리드에서 48볼트 작동 전압을 이용한 전기모터인 벨트구동 스타터 제너레이터는 발전기의 강력한 대체품로 작용한다. 또한 시동시 부스트 기능을 통해 구동 토크를 높여 역동성과 편안함을 향상시킨다. BSG의 또 다른 스마트 기능은 시동 과정에서 TSI엔진을 보조해 피니언 스타터의 역할을 수행한다. 이렇게 하면 연료를 절약할 수 있고 시작 프로세스가 훨씬 쉬워진다. 스타터 제너레이터는 엔진에 연결되고 동력은 벨트 드라이브에 의해 크랭크샤프트로 전달된다.

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 48V마일드 하이브리드는 부품의 수가 적다. 구조가 간단해서 다양한 차종에 탑재도 가능하다. 그만큼 기존 시스템 대비 비용을 낮춘 것도 장점이다. 12V 시스템보다 에너지 재활용이 뛰어난 것도 혜택이다.

8세대 골프의 48볼트 배터리는 동승석 시트 아래에 탑재되어 있으며 운전자가 브레이크를 밟으면 운동 에너지를 회수한다. 이를 통해 제동 에너지의 최대 40%를 배터리로 회수하고 저장할 수 있다. 48볼트 네트워크와 나머지 차량 전기장치를 연결하는 것은 DC/DC컨버터로 48볼트를 12볼트로 변환한다. DC/DC컨버터는 기존 12V 그리드에 전압을 공급한다는 것이다.

48볼트 마일드 하이브리드는 여러 유용한 시스템 기능을 제공하기도 한다. FMA(프리 휠, 모터 오프)모드에서는 운전자가 가속 페달에서 발을 때면 엔진이 차단된다. 코스팅 모드로 전환화는 것이다. 운전자가 가속페달을 다시 밟으면 진동의 거의 없이 엔진이 기동한다.

하이브리드 기구 이외의 48볼트화도 추진한다. 전동 과급기와 섀시 제어기구, 전동 워터펌프, 전기 가열식 배기가스 후처리 촉매, 전동 파워 스티어링 등을 48볼트화한다는 것이다. 하지만 기존 12볼트 부품 모두를 48볼트화하는 것은 아니다. 파워 윈도우와 램프류, 전자제어 유닛(ECU)등은 48볼트화보다는 소형 경량화를 추구한다.

폭스바겐은 48볼트의 채용으로 운전특성에 따라 차이가 있지만 연비 성능이 0.4리터/100km 개선될 수 있다고 밝혔다. 그만큼 이산화탄소 배출량도 줄어든다. 폭스바겐이 사용하는 BSG는 프랑스 발레오제다. BSG는 3상 동기모터를 탑재해 최고출력은 9kW, 최대토크는 200Nm, 발전는력은 12kW다. 이용 영역 대부분의 효율은 85%이상에 달한다.

폭스바겐은 2030년까지 유럽과 중국에서 약 40%의 차량의 전동화를 목표로 하고 있다. 때문에 당분간은 내연기관 엔진의 비율은 크게 줄지는 않겠지만 48볼트를 통해 본격적인 전동화를 추구한다는 방침이다. 물론 목표는 배터리 전기차다. 폭스바겐은 MEB플랫폼을 통해 배터리 전기차를 위한 다양한 기술을 개발하고 있다. MEB 플랫폼을 베이스로 개발된 첫 번째 배터리 전기차는 2019 프랑크푸르트오토쇼를 통해 공개될 ID.3다.