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GM, 2세대 볼텍 파워트레인 제원 공개

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글 : 한상기(hskm3@hanmail.net)
승인 2015-04-26 18:17:47

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GM이 2세대 볼텍 파워트레인의 제원을 공개했다. 2세대 볼텍 파워트레인은 신형 쉐보레 볼트에 탑재되는 유닛이다. 성능부터 연비까지 모든 면에서 개선됐다. 내연기관은 1.5리터로 업그레이드 됐으며 드라이브 유닛은 완전히 새로 개발했다. 전기 모터 시스템의 효율도 크게 좋아졌다. GM은 1세대 볼텍에서 얻은 노하우를 바탕으로 더욱 개선된 파워트레인을 개발했다고 밝혔다.

 

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2세대 볼트는 효율 향상이 개발의 최우선 과제이다. GM에 따르면 업계에서 가장 효율이 좋은 플러그-인 자동차이다. 파워트레인은 2세대 EREV(Extended Range Electric Vehicle)로 발전했다. GM에 따르면 거의 모든 부품을 새로 설계했다. LG화학이 공급하는 리튬 이온 배터리(18.4 kWh)는 전지의 수가 288개에서 192개로 감소했고 팩의 위치는 더욱 낮아졌다. 배터리 팩의 전체 무게도 9.8kg이 가벼워졌다.

 

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드라이브 유닛은 새로 개발된 전기 모터와 발전기 등으로 구성된다. 볼텍 파워트레인의 핵심이라고 할 수 있다. 내연기관은 1.5리터로 배기량이 커졌으며 직분사 시스템까지 추가됐다. 주요 부품의 개발은 GM R&D 센터가 맡았다. GM R&D 센터는 50개 이상의 전기차 및 하이브리드 시스템을 분석했고, 이중 가장 알맞은 타입을 2세대 볼트에 적용했다고 밝혔다.

 

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전기 모터의 구조도 달라졌다. 1세대도 2개의 전기 모터가 있었고, 하나는 메인 모터(111 kW), 다른 하나는 발전기 모터(63 kW) 역할을 했다. 2세대는 한 쌍의 전기 모터가 두 가지 역할을 모두 할 수 있는 게 특징이다. 2개의 모터가 움직일 때 발전기는 유성 기어 셋과 병렬로 맞물린다. 그리고 클러치 컨트롤이 정교해지면서 시동 및 NVH 성능이 더욱 좋아졌다.


한 쌍의 전기 모터는 2개의 EV 모드를 내장하고 있다. 투 모터 EV 모드에서는 저회전에서도 최대 토크가 나오고, 원 모터 모드에서는 효율 향상을 위해 출력을 제한된다. 예를 들어 고속도로의 크루징 모드에서는 원 모터 모드로도 충분하다. 주행 모드는 저속 주행 시 효율을 높이는 LER(Low Extended Range)과 일상적인 주행을 위한 FRER(Fixed Ratio Extended Range), 그리고 고속 주행을 위한 HER(High Extended Range)이 있다.

 

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한 쌍의 모터가 맡을 수 있는 능력이 좋아지면서 전체 출력과 토크를 줄일 수 있게 됐다. 따라서 전기 모터의 전체 사이즈 및 베어링의 크기도 감소하는 효과를 얻었다. 2세대 전기 모터의 크기는 1세대 대비 40%가 감소했다. 2세대 드라이브 유닛은 파워 인버터, 트랜스액슬 등과 통합돼 있다. 많은 부품을 통합하면서 전체 부피도 감소하는 효과가 생겼고, 특히 3파장 고압 케이블도 필요 없게 됐다. 파워 인버터의 전체 볼륨도 13.1리터에서 10.4리터로 줄었다.

1세대의 전기 모터는 2개 모두 NdFeB 자석을 사용했다. 반면 2세대는 하나는 페라이트 자석 로터, 다른 하나는 NdFeB 자석을 사용하고 있다. 이를 통해 모터 시스템의 효율은 높이고 비용은 낮출 수 있었다. 페라이트 자석은 많은 공업용 전기 모터에 쓰이고 있는 타입이다. 그동안 사이즈와 작동 온도 영역 등에서 자동차에 맞지 않는다는 평가가 많았다. NdFeB의 경우 값비싼 디스프로슘도 필요로 한다.

 

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GM은 최근 몇 년 동안 개발된 공정을 통해 비용을 낮출 수 있었다고 밝혔다. GBDD(Grain Boundary Dysprosium Diffusion)를 이용할 경우 전기 모터의 사이즈를 줄일 수 있는 것은 물론 희토류의 사용 비율도 크게 낮출 수 있다. 이전에 비해 성능은 더 높아졌지만 희토류의 사용은 80%가 감소했다. 페라이트 자석을 사용하는 모터 A의 효율은 95%로, 96%의 모터 B 보다 조금 낮다. 그리고 전장은 31.5mm, 51.5mm이다.

 

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한 쌍의 전기 모터는 2개의 인버터와 연결된다. PIM-A와 PIM-B가 각각의 모터를 구동하며, 오일 펌프는 3번째 인버터가 맡는다. 3개의 인버터가 하나의 패키지에 통합돼 있으며 이를 TPIM(Traction Power Inverter Module)으로 부른다. TPIM 역시 드라이브 유닛에 통합돼 있다.

 

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TPIM은 하나의 모듈로 변속기와 볼트로 연결된다. 주요 부품으로는 파워 보드와 DC 버스 캐패시터, EMI 필터, 컨트롤 & 게이트 보드, 센서, 버스바 등이다. TPIM을 위한 파워 디바이스는 델파이가 공급했다. 새 공정을 개발해 생산 시간은 50%, 전력 소비는 40%를 줄였다.

 

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드라이브 유닛은 소음과 진동이 감소했을 뿐만 아니라 전체 무게도 45kg을 경량화 했다. 반면 효율은 12%가 상승됐다. 성능이 높아지면서 가속 성능도 개선됐다. GM에 따르면 2세대 볼트의 0→30마일(48km/h) 가속은 2.6초로 19%, 0→60마일(96km/h)는 8.4초로 7%가 좋아졌다.

 

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엔진은 새 에코텍 패밀리가 기반이다. 엔진 개발의 핵심은 효율의 향상과 소음 감소 등이다. 에코텍 패밀리 중에서는 가장 하이브리드에 최적화된 엔진이라고 할 수 있다. 원래는 3기통 자연흡기를 고려했었다. 하지만 3기통 자연흡기의 효율이 부족하다고 판단해 1.5리터 4기통으로 방향을 바꿨다. GM은 엔진의 효율을 높이기 위해 압축비를 12.5:1로 높이는 한편 외부 EGR을 사용했고, 캠샤프트의 포지션도 최적화 했다. 이를 통해 2세대 볼텍 파워트레인은 전기차 모드의 주행 거리가 30%, 공인 연비는 11%가 증가하는 효과를 얻었다.

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