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KAIDA 오토모티브 포럼 - 하이브리드 자동차의 현재와 미래 (2)

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글 : 유일한(chepa@global-autonews.com)
승인 2017-06-22 02:47:02

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한국수입자동차협회에서 6월 21일에 개최한 제 2회 오토모티브 포럼의 주제는 ‘하이브리드 자동차의 비전(Vision of Hybrid Vehicles)’이었다. 한양대학교 이형철 교수, 토요타 아베 시즈오 상무이사, PEVE 타카하시 오사무 상무이사, 만도 김재산 상무가 참가해 하이브리드에 적용되는 주요 기술들과 앞으로의 전망 등을 이야기했다. 그 중에서 하이브리드 자동차용 배터리와 관련된 이야기, 최근 아우디 A8을 통해 주목받고 있는 48V 하이브리드 시스템에 대한 내용을 정리해 소개한다.

 

하이브리드 자동차용 배터리


프라임어스 EV 에너지 주식회사(Primeearth EV Energy Co, Ltd.)는 1996년, 토요타와 파나소닉이 합작해서 설립한 회사로 배터리의 개발, 제조, 판매를 진행하고 있다. 주로 제작하는 것은 하이브리드용 자동차 배터리로 토요타, 렉서스 하이브리드 라인업에 폭 넓게 적용되고 있으며, 그 용도에 따라 니켈수소전지와 리튬전지로 구분하여 생산한다.

 

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배터리의 선택은 하이브리드 자동차의 특성에 따라 결정된다. 니켈수소(NiMH) 전지의 경우 셀을 얇게 제작할 수 있고 입출력 특성이 뛰어나며, 사용이 편리하고 높은 신뢰성을 자랑하며 리튬이온(LiB) 전지의 경우 크기를 작게 만들면서도 고용량을 실천할 수 있으며 상용화를 쉽게 할 수 있다. 그래서 HEV인 프리우스는 니켈수소 전지를, PHEV인 프리우스 프라임은 리튬이온 전지를 사용하고 있다.

 

배터리는 과거보다 진화했고, 용량도 늘어났다. 1997년 최초의 프리우스에 적용되었던 니켈수소 전지는 원통형이었고 출력이 600~800 W/kg밖에 되지 않았지만, 홋날 셀 일체 모듈로 바뀌면서 출력도 증가했다. 4세대 프리우스에 적용되는 전지는 168개의 셀을 적용해 과거보다 셀 숫자와 용량도 늘었고 출력도 증가했다.

 

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이러한 배터리에는 최신 기술들이 도입된다. 현재 제작되는 니켈수소 전지는 6셀 직렬 접속을 통한 일체화와 전류 경로를 단축하고 축전지 표면에 리브, 돌기를 적용해 냉각성을 향상시킨다. 이와 같은 가공 과정에서 정밀도가 중요시되기 때문에 공구도 전용 공구를 제작해 사용할 정도이며, 이를 통해 용접 시 위치 정밀도를 확보하고 있다. 또한 밀봉, 씰 기술에도 신경을 쓰고 있으며 압착, 압점, 열용착 등 다양한 방법을 능숙하게 다룰 수 있도록 하고 있다.

 

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물론 이와 같은 정밀 제작 과정은 리튬이온 전지도 마찬가지이며, 배터리 팩의 전수검사는 물론 각 공정에서 품질 보증을 완료한 뒤 후속 공정으로 차분하게 보내고 있다. 공정 중 이물관리를 통해 배터리에 유해한 금속 이물을 철저히 관리하고 있으며, 제조 조건을 준수한다고 한다. 이와 같이 까다롭게 제작하는 이유는 배터리를 분해하고 수리하는 것이 쉬운 일이 아니기 때문이며, 고객들이 배터리로 불편을 느끼면 안 되기 때문이다. 앞으로 배터리 제작 기술은 하이브리드의 발전과 함께 더 발전할 것으로 보인다.

 

48V 하이브리드 시스템


48V 하이브리드 시스템은 하이브리드의 근본적인 문제를 조금이라도 개선하기 위해 탄생했다고 할 수 있다. 48V 기반의 마일드 하이브리드 시스템이 갖는 장점은 시스템 구성이 간단하고 일반 하이브리드에 비해 비교적 저렴한 가격으로 구현이 가능하며, 연비에 대한 개선이라는 하이브리드의 목적을 그대로 실천할 수 있다는 점이다.

 

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일반적으로 차체 내에서 흐르는 전기는 12V를 기반으로 하고 있지만, 본래 전압이 높을수록 전기의 흐름이 빠르고 손실도 적어진다. 48V까지로 한정된 이유는 전기가 60V를 넘어가면 인체에서 쇼크를 견디기 힘들어지기 때문에 그 이상의 흐름을 구현하기 위해서는 다양한 안전장치를 구사하고 승인을 받아야 하는 등 복잡한 절차와 비용의 소모가 따라오기 때문이다. 즉 법규 상 최대 전압이 48V라는 것이다.

 

앞으로의 보급 전망은 꽤 높다고 할 수 있다. 비교적 간단한 구조와 저가로 인해 2025년까지 전체 시장에서 25%의 자동차가 48V 하이브리드를 적용할 것으로 보이며, 유럽 내에서는 2030년까지 전체 자동차의 51%를 차지할 것으로 추정되고 있다. 어디까지나 추정치이기 때문에 미래에 진짜로 이렇게 될 지는 알 수 없지만, 이번에 아우디가 새로 출시하는 A8에 48V 하이브리드가 적용된다는 사실을 고려하면 의외로 보급이 빨라질지도 모른다.

 

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시스템 구성은 비교적 단순하다. 모터와 발전기를 통합시킨 48V MG, 차체에 흐르는 전기를 48V 또는 12V로 변환시키는 직류 전원 컨버터, 그리고 48V 배터리가 주 구성이 된다. 모터의 위치에 따라 스타트/스톱에만 사용하거나 동력에 적극적으로 개입할 수 있고, 모터를 후방에 배치해 4륜구동 시스템을 만들 수도 있다.

 

장점은 기존 엔진 스타트/스톱 시스템보다 작동이 더 빠르고 부드러우면서 효율적이라는 것, 발진 시 모터의 힘을 조금 빌려 토크를 보충할 수 있으며, 효율을 높여 소모되는 에너지를 개선한다. 또한 그동안 엔진의 힘을 빌려야 했던 에어컨, 히터, 스티어링 어시스트 등에 전기를 적용해 엔진의 힘이 오롯이 동력으로 전달되도록 한다. 이를 통해 연비를 낮출 수 있으며, 최대 20%의 개선이 이루어질 것이라고 한다.

 

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하이브리드는 그동안 ‘자동차가 내연기관에서 전기차 또는 연료전지차로 넘어가기 위한 과도기적인 자동차’라는 이미지를 갖고 있었다. 그러나 하이브리드는 과도기적인 차가 아니라 그 자체로 독립적인 기술을 갖고 있는, 그리고 전기차의 어머니가 되기에 충분한 자동차이다. 그 방식도 다양하지만, 하이브리드는 연비 개선과 운전의 즐거움 유지라는 커다란 목표들을 획득하기 위해 오늘도 진화하고 있다. 앞으로의 하이브리드는 좀 더 작고, 효율적이며 낮은 가격으로 보급이 쉽도록 발전할 것이다.

 

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