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[오토저널] 유럽 파워트레인(PT) 기술 동향

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글 : 오토저널(ksae@ksae.org)
승인 2020-10-12 14:11:45

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내연 기관의 본고장인 유럽 자동차 산업은 전례 없는 격변기를 맞이하고 있다. 디젤게이트 이후 디젤차에 대한 규제 강화 및 인식 악화로 디젤차 점유율이 급격히 감소하는 반면, SUV(Sports Utility Vehicle) 판매량은 꾸준히 늘어나 이산화탄소(CO2) 배출 규제를 대응하는 자동차 업체의 고민이 크다. 특히 유럽 신규 배출가스 규제인 유로 6d-temp에서 RDE(Real Driving Emissions) 도입으로 자동차 업체는 시험실뿐만 아니라 실제 도로 주행에서도 배출 가스 기준을 충족시켜야 한다. 유럽의 비영리 소비자 단체는 자동차 연비나 배출가스 저감 기술을 검증하고 자체 평가 결과를 공시하는 등 배출가스 규제에 대한 사회적 관심 또한 크다. EU CO2 규제와 이에 대응하는 파워트레인 전동화 전략 및 탄소중립적 연료는 유럽 자동차 업체의 주요 이슈이다.

 

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유럽 배출가스 규제
현재 유럽 자동차 배출가스 규제의 핵심은 내연기관의 연료소비와 비례하는 CO2 배출량이다. 2015년 NEDC(New European Driving Cycle)로 130g/km였던 업체 평균 CO2 배출 목표치가 2020년에는 95g/km로 강화되었고, 2021년에는 실제 도로 주행조건을 반영한 WLTP(Worldwide harmonized Light vehicles Test Procedure)로 CO2 배출량이 규제될 예정이다<그림 1>. 이후로도 2020년 CO2 목표치(95g/km)를 기준으로 2025년에 15%, 2030년에 37.5% 추가 감축될 예정이다.

디젤엔진 및 PT 전동화 전망
SUV는 유럽에서 인기가 많은 해치백과 왜건 차량의 시장을 잠식하며 성장세를 보일 것으로 예상된다<그림 2>. 현대/기아차의 투싼과 스포티지는 C-세그먼트에서 선전중이며, 코나의 B-세그먼트 SUV 시장도 빠르게 성장하고 있다. 디젤엔진은 유럽의 엄격한 CO2 규제 상황과 C-세그먼트 이상 SUV 및 캐러밴 견인 조건에서 아직까지 유효한 파워트레인으로, 특히 아우토반 등에서 고속주행 시 연비는 디젤엔진의 장점 중 하나이다. 2019년 BMW가 2억 유로의 디젤엔진 관련 투자 계획을 발표하였고, 유럽 자동차 업체 중심으로 디젤엔진의 연비 및 배출가스 개선을 위한 연구개발 또한 지속되고 있어 급격한 퇴출이 아닌 점진적 대체가 예상된다.

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유럽의 강력한 CO2 규제를 대응하는 자동차 업체의 주요 전략은 파워트레인 전동화(Electrification)이다. 일례로 유럽 자동차 판매 4위인 현대/기아차는 2019년 기준 1백만대 이상 판매하였고, 이중 전동화된 친환경차는 12% 정도이다. 또한 유럽 시장에서 유일하게 연료 전지차(FCEV), 배터리 전기차(BEV), 플러그인 하이브리드차(PHEV), 고전압 하이브리드차(HEV), 저전압 마일드하이브리드차(MHEV)의 모든 파워트레인 전동화 포트폴리오로 CO2 규제를 대응하고 있다.

유럽에서는 정부 인센티브(현금 구매 보너스, 등록세 또는 세제 혜택)영향으로 배터리 전기차(BEV)와 플러그인 하이브리드차(PHEV)의 판매가 증가될 것으로 예상된다. 영국과 네덜란드 등은 충전을 하지 않고 운행해 세제 혜택을 악용하는 일부 운전자로 인해 인센티브를 줄인 후 PHEV 판매가 감소하였으나, 유럽 최대 자동차 시장인 독일은 개인에게는 2025년까지, 법인에게는 2030년까지 PHEV 인센티브를 유지하겠다는 방침이다. 강화되는 CO2 규제로 BEV가 유망한 파워트레인 전동화로 여겨지나, 충전인프라 제한과 장거리 주행이 많은 유럽 여건상 BEV 시장 점유율은 데이터 출처에 따라 2030년까지 15~30% 정도 될 것으로 예상된다. 또한 내연기관은 전동화의 도움을 받아 2030년까지 전체 파워트레인의 70% 이상을 유지할 것으로 보인다.

유럽 특화된 PT 전동화
유럽은 중, 소도시로 분산된 라이프스타일이라, 자동차 주행 환경도 가감속과 정체가 빈번한 도심 주행 보다는 정속 및 고속주행이 상대적으로 많다. 특히 독일 아우토반에서는 출퇴근 시에도 고속주행이 많으며 무제한 구간에서는 200kph 가까이 속도를 내는 경우도 흔하다. 이는 회생제동 조건이 적어 HEV의 장점을 살리기에 불리한 조건이다. 또한 디젤엔진의 강한 토크에 익숙한 유럽 운전자들은 가솔린엔진도 높은 토크를 가진 터보차저 엔진을 선호한다. 가솔린엔진 중 터보차저 장착 비율은 2010년 17%에서 2019년 57%으로 꾸준히 증가하고 있고, 높은 토크가 요구되는 SUV에서는 가솔린엔진 중 이미 80%가량이 터보차저를 장착하였다. 유럽 시장에서 현대/기아차와 함께 HEV 시장을 선도하고 있는 도요타는 신형 HEV 모델에서 자연흡기 가솔린 엔진의 배기량 및 전기 모터의 용량을 증대했으나, 터보엔진에 익숙한 독일 자동차 미디어와 소비자는 여전히 부족한 Fun to drive를 지적하고 있다. 시내 주행위주인 중,소형차 외 고속주행이 빈번한 조건에서는 HEV 성장에 한계가 있어 보인다<그림 4>.

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프리미엄 하이브리드 시장을 장악하고 있는 PHEV 경우 독일에서 세제혜택을 받으려면 WLTP CO2 배출이 50g/km 이하 조건이 되야 한다. 이는 배터리와 전기모터 용량을 키우는데 영향을 주고 있다. 따라서 도심 주행에서는 EV모드로 ‘Zero 에미션’이 가능하고 아우토반에서는 전기모터의 적극적인 토크 어시스트로 스포티한 운전이 가능하다. <그림 5>처럼 전기 모터의 출력은 60~100kW의 대용량이 주류가 될 것이다. 

이에 반해 48V MHEV은 고전압 하이브리드차(HEV)대비 가성비가 유리하여 볼륨 모델용 전동화 방안으로 고려된다. HEV에서 사용하는 DC 60V 이상 전압은 법규상 고전압으로 구분되어 특수 보호장치 비용이 필요하기 때문이다. <그림 6>에서와 같이 48V MHEV는 전기모터 위치에 따라 P0~P4로 분류된다. P0 시스템은 기존 12V 알터네이터 위치에 48V 모듈을 장착하고 배터리와 인버터만 추가하므로 기존 내연기관 차량의 변경을 최소화할 수 있어 주류를 이룰 것으로 전망된다. 

이에 비해 P2 시스템은 48V 모듈이 엔진과 변속기 사이에 위치한다. 타행주행 시 마찰손실을 줄이기 위해 클러치로 엔진과 연결을 끊어 발전을 할 수 있고, 구조상 대용량 전기모터 적용도 가능하다. 따라서 추가적 연비개선 및 저속주행 같이 제한적인 EV 주행이 가능하여, P0에 이어 2030년까지 MHEV 중 25% 정도가 P2 시스템이 될 것으로 예상된다.

이와 같이 유럽 시장의 CO2 저감을 위한 파워트레인 전동화는 MHEV, BEV가 주류를 이루고 PHEV와 HEV가 뒤를 이을 것으로 전망되고 있다. 현대자동차 유럽기술연구소는 D-세그먼트 SUV용 디젤 48V P2 MHEV를 선행 개발 중이다. 25kW급의 전기모터를 장착해 유로-7 배기규제 대응 및 운전성 개선 그리고 10% 이상의 CO2 저감 효과를 기대하고 있다.

미래 에너지 전망 (CO2 저감 연료)
또 다른 CO2 저감 분야로 지난 2~3년 간 탄소 중립적 연료에 대한 관심이 커지고 있다. 유럽연합은 재생 가능한 탄소 중립적 에너지 사용을 늘리기 위해 RED II(Renewable Energy Directive II)란 지침을 시행 중이다. 2030년까지 전체 에너지 중 재생 에너지 32% 사용, 운송 에너지 중 재생 에너지 14% 사용을 목표로 한다❶. 탄소 중립적 연료를 자동차 업체 CO2 배출에 포함하는 개정이 2021년 예정되어, 실도로CO2 배출량 개선이 예상된다.

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RED II에서 논의중인 궁극적 탄소 중립적 연료의 CO2 배출량 개념은 자동차의 배기구에서 배출되는 CO2(Tank to Wheel)뿐만 아니라 에너지 생산시 나오는 CO2(Well to Wheel)까지 포함하는 것을 의미한다. 또한 탄소 중립적 연료는 혼합(예 : 에탄올 10% + 휘발유 90%)방식으로 기존 차량의 CO2 감축에 기여 가능한 매우 현실적 방안이다. 반면에 내연기관을 배제한 BEV 및 FCEV을 위한 인프라 구축에는 막대한 투자가 필요하고, 이러한 투자가 경제 수준차이가 있는 유럽 내 모든 지역에서 가능할지는, 특히 COVID-19로 인한 현재의 경제 상황을 고려시, 불투명해 보이기 때문이다. 

디젤용 2세대 친환경 연료 중 하나인 파라피닉 연료는 EN15940라는 규격으로 판매 중이다. 천연 가스, 바이오매스, 석탄 또는 수소 처리 식물성 오일(HVO)등으로 얻어지는 합성물질인 파라피닉 연료를 사용시 일반 디젤유 대비 탄화수소, 일산화탄소 및 입자상 물질(PM) 배출량이 감소되고, 별도의 엔진변경 없이 CO2 배출량 또한 Tank to Wheel 기준으로 최대 5%까지 낮출 수 있다. 

가솔린 연료의 경우 유럽에서는 현재 에탄올을 각각 5, 10% 함유한 E5, E10 연료가 판매중이다. 별도로 메탄올에서 합성 가솔린을 추출하여 CO2 배출을 줄이는 탈 탄소화 방안도 고려되고 있다. 

지구 온실 가스 중 하나인 CO2 배출량 규제 하에 있는 유럽 자동차 산업계에는 오랜 역사의 내연기관에 대한 자부심이 강하다. CO2 규제 대응을 위한 전동화 친환경차 시장에서 토요타의 HEV, 테슬라의 모델3 BEV로 대표되는 아시아와 미국 업체의 공세에 유럽 자동차 업체는 내연기관의 장점을 살린 48V MHEV, BEV 라인업 보강(르노 Zoe, VW e-Golf, ID3) 및 PHEV 시장 강화(BMW 3, VW 파사트)등으로 대응하고 있다. 한편 아우디가 현대/기아차와 FCEV 기술제휴를 하는 등 다양한 방향의 파워트레인 전동화를 시도하고 있다. 또한 파워트레인 전동화와 별개로 유럽에는 탄소 중립적 대체 연료 및 내연기관의 효율 향상에도 지속적인 연구가 이루어지고 있고, 에너지의 생성 단계에서 발생하는 CO2까지 포함하는 Well to Wheel의 포괄적 CO2 배출 개념이 논의되고 있는 점도 주목할 만하다.​

 

글 / 미하엘 빙클러 (현대자동차 유럽기술연구소 PT팀)

출처 / 오토저널 2020년 6월호 (http://www.ksae.org)   

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