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글로벌오토뉴스 채영석 국장은 30년 동안 자동차 전문기자로 활동해 왔으며 인터내셔널 엔진 오브 더 이어, 월드 카 오브 더 이어의 심사위원이다. 골드만 삭스 등 투자은행들과 다른 시각으로 산업 분석을 해 오고 있다. 지금까지 3,000종 이상의 차를 타고 시승기를 쓰고 있으며 세계적인 모터쇼와 기술세미나 등에 참석해 글로벌 차원의 트렌드 분석에 힘을 쏟고 있다. 2013년 골드만 삭스가 유가 200달러 시대를 이야기했을 때 역으로 유가 폭락 가능성이 있다는 칼럼을 쓰기도 했다.

파워트레인의 미래 - 7. 내연기관의 현재와 미래 (3)

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글 : 채영석(charleychae@global-autonews.com)
승인 2017-05-24 15:43:17

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지금 자동차회사들은 내연기관의 개량에 많은 공을 들임과 동시에 전동화와의 공존을 위한 아이디어 실현을 강구하고 있다. 전동화와의 공존이라고 하면 하이브리드를 먼저 떠 올리는 것이 보통이다. 하지만 그보다 더 아래 단계의 마일드 하이브리드가 부상하고 있다. 내연기관을 좀 더 효율적으로 사용하기 위한 기술이다. IHS오토모티브는 2023년 전동화차가 연간 2,044만대가 팔릴 것이라고 전망했는데 그 중 절반 가량인 1,060만대 가량이 48볼트 모델이 차지할 것으로 보았다. 48볼트 시스템은 마일드 하이브리드 시스템이다. 후지경제연구소는 보고서를 통해 PHEV가 가장 확장성이 높고 그 다음으로 BEV, HEV 순으로 전망했다.

 

 

48볼트 마일드 하이브리드 시대가 온다

 

하이브리드보다 추가 비용이 적은 마일드 하이브리드 시스템을 채용하고자 하는 움직임이 유럽을 중심으로 활발하게 일고 있다. 유럽 자동차업체들은 2016년~2017년부터 48볼트전원 시스템을 본격적으로 채용하기 시작했다. 이 시스템은 개발도상국용 자동차에도 채용이 쉬워 전 세계적으로 폭 넓게 채용될 것으로 전망되고 있다.

 

2013 프랑크푸르트오토쇼에 존슨 컨트롤이 48V 리튬 이온 배터리를 공개했다. 당시 공개된 리튬 이온 전지는 마일드 하이브리드를 위한 것이었다. 이 리튬 이온 배터리는 듀얼 전압 구조로 기존의 납 배터리보다 저장 용량도 크지만 보다 빠른 충전이 가능하다. 그만큼 아이들링 스톱 기구의 사용 시간을 늘릴 수가 있으며 연비 개선 효과도 15%에 달한다.
 
2015년 콘티넨탈이 '48볼트 에코 드라이브' 시스템이라는 이름으로 소개하면서 상황 변화가 본격화되기 시작했다. 이 시스템은 12볼트 전기 네트워크에 48볼트 전기 시스템과 부품을 추가하는 것으로, 커넥티비티와 ADAS 장비 등으로 인해 전력 소모가 많은 향후 자동차에서 중요한 요소가 된다. 이 전동화는 현재 12볼트 스타트-스톱 시스템을 기반으로 한 낮은 등급의 하이브리드화와 더 정교한 고압 하이브리드 솔루션 간의 격차를 줄여준다.  컨티넨탈의 48볼트 에코 드라이브 시스템은 설치하기도 쉽고, 다양한 기능뿐만 아니라 고전압을 통해 연비성능은 13%(NEC 기준) 향상됐다.

 

2015년부터 보쉬도 48V 마일드 하이브리드 시스템을 개발했다. 스톱 스타트는 물론 브레이크 에너지 회생(Braking Energy Recuperation) 기능도 지원된다. 또 급가속 시에는 부스트 기능이 발휘되면서 추가로 15.2kg.m의 최대 토크가 더해진다. 48V 시스템은 모든 종류의 하이브리드에 탑재가 가능하며, 연비 개선 효과는 15%를 기대하고 있다. 기존 시스템 대비 비용을 낮춘 것도 장점이다. 기존의 풀 하이브리드와 비교 시 48V는 부품의 수가 적다. 구조가 간단해서 다양한 차종에 탑재도 가능하다. 새로 개발된 리튬 이온 배터리 팩의 크기도 줄었다.

 

2016년 봄에는 델파이 오토모티브가 48V 마일드 하이브리드 시스템을 공개했다. 델파이는 혼다 시빅 1.6리터 디젤차에 48V 마일드 하이브리드 기술을 구현해 선보였다. 고객맞춤형 아키텍처는 48V 기술의 효율을 높여 이산화탄소 배출을 10% 이상 저감하면서도 엔진에 대한 설계 변경 요구를 줄이고 차량의 성능을 개선한다는 점이 특징이다. 델파이의 48V 기술은 ‘e-차저’로 불리는 장치를 활용하여 차량의 스타트를 개선한다. 낮은 엔진 회전 수에서의 토크를 평균 25퍼센트 증가시킨다는 점도 눈길을 끈다.

 

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2017년 봄에는 현대모비스도 48V 마일드 하이브리드에 적용되는 컨버터 통합형 48V 배터리시스템의 독자 개발에 성공했다고 발표했다. 2018년 현대기아차에 채용을 목표로 개발이 진행 중이다. 현대모비스는 기존에 컨버터와 배터리시스템 2개 부품으로 각각 분리 적용해야 했던 것을 하나의 시스템으로 통합했다. 경량화, 소형화 추세에 맞춰 무게와 부피는 물론 원가절감과 함께 냉각효율도 높였다. 하이브리드 전기차는 엔진에 더한 부가적인 부품들이 많아 통합을 통한 설계 공간 확보와 무게 절감이 특히 중요하다.

 

이런 부품회사들의 기술 개발을 배경으로 2016년부터 실차에 적용되기 시작한 48V 시스템은 2017년 들어 유럽 메이커들을 중심으로 채용이 늘고 있다. 아우디가 2014년 LA오토쇼를 통해 공개한 컨셉트카 프롤로그의 핵심 기술이 48V마일드 하이브리드 시스템이었다. 엔진의 제너레이터를 출력을 향상시킨 벨트 구동의 스타터 겸 올터네이터에 부착함으로써 엔진의 구동력을 보조한다. 또한 구동계의 일부를 고압의 48V 전원으로 해 회생 발전과 구동 보조의 출력을 12kW 정도로 높였다. 12V의 아이들링 스톱에 사용되는 스타터 겸 올터네이터의 출력이 3kW 정도인데 대해 출력은 4 배로 되고 연비효과도 10% 정도 향상된다.

 

아우디는 2012년에 이미 이 기술을 채용한 컨셉트카 i-HEV를 공개했다. 이 시스템에서는 올터네이터/모터와 전동 에어 컴프레서가 48V 구동으로 되고 그 외 전장품용으로 12V의 납축전지도 탑재된다. 아우디 i-HEV의 i는 intelligent를 의미한다. 주행 중에 가속 페달에서 힘을 빼면 엔진의 시동이 꺼진다. 전기모드가 있는 것은 아니다. 포르쉐가 처음 소개했던 코스팅 기능은 페달에서 힘을 빼면 엔진회전이 공회전 수준으로 떨어지는데 비해 아우디의 i-HEV는 아이들링 스톱 시스템처럼 엔진 시동이 꺼져 버리는 기통 휴지 시스템이다. 정지상태에서만 시동이 꺼지는 것이 아니라 주행 중에도 그 시스템이 작동하는 것이다.

 

폭스바겐은 디젤 스캔들 직후인 2015년 가을48V 마일드 하이브리드의 실용화에 주력한다고 발표했다. 폭스바겐 브랜드에서는 2018년 출시될 예정인 8세대 골프에 48V 일렉트릭 아키텍처와 마일드 하이브리드 시스템 블루모션(Blue Motion)을 채용한다.

 

폭스바겐의 48V 일렉트릭 아키텍처는 탄소 배출량을 줄이고 연비를 향상시킬 뿐만 아니라, 소형 가솔린 엔진과 디젤 엔진 모두에 유용한 수단이 될 것으로 보고 있다. 48V 시스템은 현재의 12V 시스템보다 에너지 재활용이 뛰어나 10~12kW라는 작은 모터도 사용 수 있게 된다. 이에 따라 현재 하이브리드보다 낮은 비용이 장점이다.

메르세데스 벤츠의 6기통 엔진에도 48볼트 시스템이 채용됐다. 그동안의 모터 출력은 주변 기기를 돌리기에는 적합하지 않았다. 그래서 에어컨 컴프레서와 워터펌프 등 동력이 필요한 주요 장비들은 그동안 크랭크 샤프트에 벨트 또는 체인을 걸어 강제로 구동시키는 방식을 사용했는데, 이로 인해 엔진의 출력을 바퀴에 온전하게 전달하지 못하고 중간에 뺏기곤 했다. 엔진 내 스타트 모터와 점화 플러그 등 전기가 필요한 장비에 필요한 출력을 얻기 위해 중간 정류 과정이 필요하기도 했으며, 이 과정에서 전기 손실이 발생하기도 했다.
 
엔진 내에 공급되는 전압을 48V로 올리면 이와 같은 문제를 많이 해결할 수 있다. 특히 에어컨 컴프레서와 워터펌프의 경우 48V의 전압이라면 모터만으로도 구동이 가능해 벨트를 그만큼 줄일 수 있다. 엔진 스타터 모터도 좀 더 힘차게 돌릴 수 있으며, 점화 플러그에도 더 센 전압을 주입해 정확한 연소가 가능하도록 할 수 있다. 전기를 많이 남길 수 있어 배터리 충전에도 효율적이다.

 

BMW는 2017년 초 자사의 전체 내연 기관 차량에 12V 및 48V 마일드 하이브리드 시스템을 탑재한다고 발표했다. 전기차와 수소전기차의 보급에 시간이 걸리는 만큼 지속적인 내연 기관의 효율성 향상과 함께 마일드 하이브리드 시스템을 통한 효율성 향상을 중시한다는 방침이다.  BMW 5시리즈는 이미 48볼트 아키텍처를 기반으로 하고 있다.

 

이 외에도 PSA푸조시트로엥과 르노 등 유럽의 많은 메이커들이 2016년~2021년 사이에 48V 마일드 하이브리드를 투입한다는 계획을 발표하고 있다.

48볼트 시스템의 채용에 대해 일본 메이커들은 소극적이다. 48볼트 시스템을 채용해 전기전자 아키텍처를 재구축하는 등 일본 자동차산업의 경쟁력을 높일 수 있다는 의견이 있기도 하지만 분위기가 다른 것은 분명해 보인다.
 


플러그인 하이브리드와 배터리 전기차의 싸움?

 

유럽 메이커들은 지금까지 디젤 엔진을 하이브리드의 대항차로 여겼다. 하지만 2021년~2030년에 규제가 더욱 엄격해지는 것에 더해 폭스바겐의 디젤 게이트로 인해 디젤 일변도로 하기에는 한계가 드러나게 됐다. 변함없이 하이브리드에 올 인하고 있는 토요타의 장점이 부각되는 대목이기도 하다.

 

유럽 메이커들이 당장 토요타와 같은 풀 하이브리드에 주력하는 것은 만만치 않다. 그래서 연비규제에도 효과가 있고 토요타의 하이브리드 전기차와도 경쟁할 수 있다는 판단으로 48V 마일드 하이브리드와 플러그인 하이브리드 전기차를 전면에 내 세우고 있다.

 

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유럽 메이커들이 플러그인 하이브리드에 집중하는 이유는 토요타와의 차별화가 포인트라는 지적이 일반적이다. 1997년 첫 양산 하이브리드 프리우스를 출시한 이래 변함없이 하이브리드화를 추진해 현재 연간 100만대 규모의 하이브리드 전기차를 판매하고 있는 토요타와 같은 길을 갈 수 없다는 것이다.

 

풀 하이브리드는 주로 토요타가 장악하고 있었는데 연간 판매대수 100만대를 달성하는데는 15년 정도가 걸렸다. 유럽 메이커들이 공동으로 48V 마일드 하이브리드를 투입하게 되면 좀 더 짧은 시간에 연간 100만대의 시장을 구축할 수 있게 된다는 생각이다.

 

그와 동시에 추구하고 있는 것이 플러그인 하이브리드 전기차(PHEV)다. 폭스바겐그룹은 폭스바겐 브랜드에서 골프 GTE, 아우디 브랜드의 A3 e-tron 등 PHEV를 적극적으로 투입하고 있다. BMW도 2시리즈와 3시리즈, 7시리즈 등에 iPerformance라는 이름으로 PHEV 버전을 속속 추가하고 있다. . 메르세데스 벤츠도 PHEV 버전의 추가를 적극적으로 추진하는 등 독일 메이커들은 소형차에서 대형차까지 세그먼트를 가리지 않고 PHEV 버전을 투입한다는 계획을 발표하고 있다. 볼보도 전 모델에 PHEV 버전을 라인업한다.

 

주목을 끄는 것은 토요타도 프리우스 PHEV버전에 대한 마케팅을 강화하고 있다는 점이다. 프리우스 PHEV는 급속 충전과 200V 보통 충전 외에도 100V 가정용 전원으로도 충전할 수 있고 양산차로서는 세계 최초로 태양광 충전시스템을 채용한 것도 차별화 포인트다.
 
주행 측면에서는 구동용 모터에 더해 발전용 모터(제너레이터)도 구동에 사용하는 듀얼 모터 드라이브 시스템을 채용해 강력한 가속을 실현한다. 이는 3세대 프리우스 PHEV가 애매한 부분이 있다는 평가를 받았었는데 그 이유는 하이브리드 연장선상에서의 PHEV라는 구조 때문이었다. 다시 말해 보통은 EV모드로 주행하고 배터리가 없어도 하이브리드카로 장거리 주행이 가능하다는 설명으로는 하이브리드 전기차와의 차별화를 주장할 수 없었다는 얘기이다.
 
지금까지의 PHEV는 EV모드의 주행거리가 짧고 배터리 용량이 고갈되면 그 무거운 배터리를 탑재함으로 인해 연비가 생각만큼 좋지 않았다. 4세대 프리우스 PHEV는 그런 점을 감안해 EV에 HEV 시스템을 추가한다고 하는 새로운 사고방식이다. EV 기능을 중시한다고 하는 점도 있다. 미쓰비시자동차의 아웃랜더가 그 좋은 예로 오늘날 PHEV는 BEV의 진화형이라고 하는 인식이 있다. 때문에 최근에는 BEV와 PHEV를 혼용하는 예가 늘고 있다.
 
토요타는 4세대 프리우스에 그런 개념의 PHEV를 라인업해 근본적인 시장의 변화를 추구하고 있다. 이를 바탕으로 토요타는 PHEV와 기존의 HEV로 규제를 클리어한다는 생각을 갖고 있다. 토요타는 BEV는 어디까지나 주행거리 100km 정도의 근거리 이동용으로 소형차용으로 판단하고 있다. 당초 2009년 미국에서 배터리 전기차가 부상했을 때는 하루 주행거리 60km를 상정했던 것이다.

 

토요타는 그동안 HEV를 통해 축적해 온 배터리 매니지먼트 기술을 바탕으로 PHEV에 대한 비중을 높여 간다는 방침이다. 4세대 프리우스에 PHEV 버전이 추가된 것도 그동안 쌓아온 노하우를 바탕으로 가격 억제를 할 수 있었기 때문이라고 밝히고 있다.

 

PHEV와 48V 마일드 하이브리드 시스템은 비용에 큰 차이가 있다. 그것을 공통 규격으로 해 비용을 줄여 양산효과를 높이는 노력이 경주되고 있다. 핵심은 표준화와 개발 기간을 단축하는 간편 시스템, 부품 메이커 주도에 의한 완성차 메이커의 부담 저감, 그리고 낮은 비용의 하이브리드 시스템의 실현 등이다.

 

표준화에 대해서는 2011년 6월에 이미 폭스바겐 그룹과 다임러 AG, BMW 등이 48V 마일드 하이브리드의 공통 사양을 책정하기로 합의한 바 있다.

 

처음 소개됐을 때는 48V 마일드 하이브리드 시스템의 도입이 생각만큼 빨리 증가하지 않을 것이라는 전망이 있었다. 가격 문제가 예상보다 쉽지 않기 때문이다. 연비성능이 10% 정도 향상된다 해도 소비자의 입장에서 차량 구입가격에서 아직까지는 그 이상의 차이가 난다.

 

유럽에서는 PHEV에 대한 세제 우대 등은 이미 정립이 되어 있는데 비해 48V 마일드 하이브리드에 대한 대책이 아직까지 없다는 점도 걸림돌이었다. 때문에 당장에 효과가 좋은 플러그인하이브리드에 더 집중하는 자세를 취했다.

 

또한 배기가스에 대한 규제 강화와는 반대로 시장은 SUV 증가세가 두드러진다. 차체가 큰 만큼 이산화탄소 배출량도 그만큼 많다. 그로 인해 총량 배출과 총량 연비를 충족하기가 어렵다.

 

결국 이런 복잡한 문제 때문에 48V 마일드 하이브리드가 급격한 신장세를 보일 것으로는 보이지 않는다는 것이 일반적인 의견이었다. 그럼에도 IHS는 전동화 시대의 도래와 함께 2020년 경에는 연간 판매 100만대에 달할 것이라는 전망을 내놓았다. 보쉬는 2020년 400만대를 예상했다 이유는 프리미엄 브랜드들이 대 배기량차가 많아 가능한 빨리 적용해 규제에 대응하고자 할 것이기 때문이다.

 

또한 2021년경에는 48V 마일드 하이브리드가 플러그인 하이브리드의 판매를 앞지를 것으로 내다봤다. 보쉬와 발레오 등은 2021년이 48V 마일드 하이브리드의 원년이 될 것이라고 전망한 배경이기도 하다. IHS오토모티브는 2025년에는 세계 시장의 10% 정도에 해당하는 1,000만대 규모에 이를 것이라고 전망하고 있다. 프로스트 & 설리반은 폭스바겐이 48V 시스템의 선두주자가 될 것으로 예상했다. 상당 기간 동안 내연기관과 전동화 기술의 공존이 이어질 것으로 전망된다.

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