48V 배터리로 연비 15% 개선한 마일드 하이브리드 주목

[시오니]

2013 프랑크푸르트오토쇼에서 존슨 컨트롤이 48V 리튬 이온 배터리를 공개했었다. 이번에 공개된 리튬 이온 전지는 마일드 하이브리드를 위한 것이다. 존슨 컨트롤은 그 배터리를 사용한 실차 테스트를 12월부터 시작한다고 발표했다. 이 리튬 이온 배터리는 듀얼 전압 구조를 채용했다. 존슨 컨트롤에 따르면 48V 리튬 이온 배터리는 기존의 납 배터리보다 저장 용량도 크지만 보다 빠른 충전이 가능하다. 그만큼 아이들링 스톱 기구의 사용 시간을 늘릴 수가 있다는 설명이며 연비 개선 효과는 15%에 달한다고 한다. 생산은 미국 미시건주에서 한다. 외지의 자료를 통해 48V 배터리의 개발 현황과 전망을 살펴 본다(편집자 주)

(참고자료 : 글로벌오토뉴스 2013년 6월/7월/8월/9월 칼럼 및 뉴스, 김필수 교수 칼럼(2004년),컨티넨탈, 발레오, 일본 닛케이 오토모티브테크놀러지 2014년 1월호)

글 / 채영석 (글로벌오토뉴스국장)

'현재 일반 승용차의 정상상태에서의 발전용량은 1.2[KW]에서 1.5[KW]정도이다. 이 정도의 용량으로는 자동차에 탑재되는 각종 통신장비, 각종 전자제어장치 등 전력이 많이 요구되는 시스템에 대한 전원 공급에 한계가 되고 있다. 앞으로 2005년경에는 자동차에서 요구되는 발전 요구용량은 약 3.0[KW]에서 7.0[KW]정도가 될 것으로 판단되고 있고 그 이후에는 더욱 증가되리라 판단되고 있다.

또한 미국, 일본 및 유럽에서 강화되고 있는 환경보호에 따른 배기가스 규제 및 연비개선을 위한 신기술 개발도 급격하게 늘고 있어서 이러한 전원 요구량은 더욱 커질 것으로 보인다. 최근 미국 PNGV 계획에 따른 80[Mile/G](약 34[Km/l) 차량 개발, 유럽의 3l-Car(약 100 [Km/l) 프로젝트 및 일본의 그린 카 프로젝트도 완성 단계에 있어서 더욱 전자화는 커지리라 예상되고 있다. 이러한 복합적인 상황에서 42[V] 전원시스템은 상기의 여러 조건을 수용할 수 있는 기본 시스템으로 도입될 것으로 판단된다.'(2004년 글로벌오토뉴스 칼럼(김필수 교수)

엔진 룸 내에 있는 12V 배터리를 높은 전압으로 바꾸고자 하는 시도는 처음이 아니다. 2001년에도 일본 토요타자동차가 크라운에 42V 배터리를 사용한 마일드 하이브리드를 설정했었다. 하지만 투자된 비용에 비해 연비개선효과가 적어 자취를 감추었다.

최근에는 48V 배터리를 사용한 마일드 하이브리드카가 다시 주목을 끌고 있다. 유럽에서 2020년부터 이산화탄소 배출량을 95g/km로 낮추어야 하는 규제에 대응하기 위한 전동화의 일환이다. 스트롱 하이브리드에 비해 비용이 많이 들지 않는다는 점도 주목을 끄는 이유 중 하나다.

특히 독일에서는 2011년 자동차 5사가 48V 전원의 규격 LV148을 책정하고 실용화를 위해 부품회사와 협력하고 있다. 이를 통해 48V 대응 요소기술이 정비되어 점차 실용화에 가까워지고 있다. 또한 순간적으로 높은 전류를 흐르게 할 수 있는 리튬 이온 2차 전지가 보급되어 기존 납축전지와 달리 회생과 어시스트의 효율을 높인 것도 기여하고 있다.

물론 48V 시스템은 보다 고전압의 스트롱 하이브리드 시스템에 비하면 연비개선효과는 낮다. 하지만 인체에 위험한 직류 전압의 60V보다 낮은 전압을 사용하기 때문에 안전 대책에 문제가 없다. 나아가 12V 시스템과 비교하면 전압이 높은 만큼 모터를 고출력화했을 때 손실을 줄일 수 있다.

문제가 하나 둘 해결되어가자 유럽의 부품업체들은 2016년부터는 실용화가 가능하지 않겠느냐는 의견들을 제시하고 있다. 엔지니어링 회사인 영국의 리카르도(Ricardo)사는 전 세계적으로 10여건에 달하는 48V 시스템에 관한 개발 프로젝트가 진행되고 있으며 일본에서도 1차 서플라이어와 자동차회사와의 사이에 두 개의 프로젝트가 진행되고 있다고 밝히고 있다.

정확한 제품화 시기는 아직 발표되지 않았지만 유럽에서는 아우디와 볼보 등이 시작차를 만들어 개발 중인 것으로 알려져 있다.

2011년에 48V화로의 이행을 표명한 독일 메이커들로는 아우디, 폭스바겐, 포르쉐, 다임러, BMW 등이 있다. 그 중 아우디는 2012년에 이 기술을 채용한 컨셉트카 i-HEV를 공개했다. A7을 베이스로 해 48V 벨트 구동식 올터네이터/모터(스타터)를 보닛 안에 탑재하고 트렁크에 48V 리튬 이온 배터리와 DC-DC 컨버터를 탑재했다. 이 시스템에서는 올터네이터/모터와 전동 에어 컴프레서가 48V 구동으로 되고 그 외 전장품용으로 12V의 납축전지도 탑재된다.

아우디 i-HEV의 i는 intelligent를 의미한다. 주행 중에 가속페달에서 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 버린다. 정지상태에서만 시동이 꺼지는 것이 아니라 주행 중에도 그 시스템이 작동하는 것이다.

48V 구동의 올터네이터/모터로 회생, 어시스트를 하는 것뿐 아니라 내리막길 등에서 엔진을 아이들링 또는 완전 정지시켜 타성으로 주행하는 코스팅 기능에 의한 것이다. 그로 인해 평균 10%의 연비 성능의 향상을 기대한다고 한다. 실제로 아우디 테크데이에 참가해 뮌헨 근교에서 짧은 시승을 했을 때의 느낌은 의외로 위화감이 없었다. 이것은 내연기관의 효율성을 극대화하기 위해 여전히 많은 연구가 이루어지고 있음을 보여 주는 내용이다. 약 60km의 와인딩 로드를 주행했을 경우 엔진 정지 시간은 전체 주행시간의 28%에 달했다고 한다. 내비게이션의 지도로부터 도로상의 언덕길 등을 예측해 내리막길에 도달하기 전에 엔진을 정지시키는 기능도 갖추고 있다.

프랑스의 PSA푸조시트로엥 그룹은 2013년 11월 48V 시스템에 관한 회의 'Automotive 48V Power Supply System'에서 48V 시스템 탑재차의 EMC(전자(電磁)환경양립성) 대책기술에 관해 발표해 이에 대한 검토가 진행되고 있음을 알렸다.

일본 메이커도 2013 도쿄오토쇼를 통해 이에 관한 개발이 진행되고 있음을 보여 주었다. 미쓰비시가 소형 MPV 컨셉트 AR에 배기량 1.1리터의 직분 터보 엔진과 48V 올터네이터/모터를 조합한 시스템을 선보였다. 3기통 엔진을 가로배치하고 통상의 올터네이터 위치에 벨트 구동의 올터네이터/모터를 탑재했다.

48V화의 이점은 보다 고출력의 모터를 사용할 수 있다는 것이다. 12V 계에서는 정격 출력이 1.8kW로 아이들링 스톱시 엔진 재시동이 주체로 모터로 보조하지는 못한다. 48V로 하면 전류를 대폭 늘리지 않고 출력을 10~12kW로 할 수 있다. 일반적으로 배선의 저항 손실은 전류량의 제곱에 비례한다. 12V를 48V로 하면 같은 출력을 발생하는데도 전류량을 1/4로 할 수 있기 때문에 저항손실은 1/16로 저감된다.

이때문에 올터네이터/모터를 제품화하는 메이커가 늘고 있다. 이미 프랑스 발레오사가 제품화했고 보쉬와 컨티넨탈, 캐나다의 마그나사 등도 개발 중이다. 출력은 각 업체에 따라 다르지만 발레오에 의하면 NEDC(New European Driving Cycle)에 따른 연비 개선효과가 최고 15%에 달한다고 한다.

48V 시스템은 채용하는 등급에 따라 그 효과가 다르다. 전력 사용량이 3kW가 넘는 중대형차의 경우는 기존 12V 올터네이터로는 발전량이 한계에 가깝다. 때문에 48V 시스템으로 연비개선과 전력 부족의 해소를 동시에 추구한다고 할 수 있다. 그에 비해 유럽 기준 B/C 세그먼트 양산차들은 순수하게 연비개선 효과를 추구한다. 모터 토크에 의한 어시스트는 저회전에서 효과를 발휘하기 때문에 엔진의 배기량을 한 단계 낮출 경우 떨어지는 가속성능의 확보에 유효하다. 터보 엔진에 의해 다운사이징한 배기량을 더욱 낮출 수 있어 48V 전원을 채용한다는 얘기이다.

이산화탄소 저감 비용에서도 최대 50% 낮아

48V 시스템은 이산화탄소 배출량을 1g/km 낮추는데 비용이 40~70유로로 스트롱 하이브리드의 95유로보다 낮다는 이점도 있다.

발레오사는 2008년부터 48V 시스템을 개발하기 시작해 2010년부터 '하이브리드 4 All' 이라고 명명해 푸조 207을 베이스로 48V 구동 올터네이터/모터, ECU, DC-DC 컨버터, 리튬 이온 2차 전치 또는 커패시터를 탑재하고 있다. 발레오사의 올터네이터/모터는 크로폴형이라고 부르며 통상의 올터네이터와 거의 비슷한 구조다. 정격출력은 8kW로 최고출력 12kW, 최대토크는 55Nm이다.

특이한 것은 12V계를 48V로 변환하기 위한 컨버터도 갖추고 있다는 점이다. 48V 배터리의 충전 상태가 낮았을 때 엔진을 제시동한 장면을 고려해 쌍방향의 기능을 가진 DC-DC 컨버터를 탑재한다.

시스템 비용에 관해 발레오사측은 비용의 절반 이상은 배터리 가격이 결정한다며 현재는 용량 0.28kWh의 배터리를 사용하고 있는데 0.17kWh 정도까지 낮출 가능성이 있다고 밝히고 있다. 비용이 그만큼 낮아질 수 있다는 것이다.

도입 당시 가격은 시스템 비용으로 1,000 유로 이하를 목표로 하고 있으며 그 후 600~700유로를 최종적인 목표로 설정하고 있다. 발레오는 유럽시장에서 판매대수가 많은 B/C 세그먼트차에 채용을 노리고 있다.

수냉 타입 제안하는 콘티넨탈사

독일의 콘티넨탈사는 GM에 120V의 올터네이터/모터를 제공하고 있다. 이 기술을 바탕으로 수냉타입으로 전압을 48V로 낮추는 유도모터를 사용한 올터네이터/모터를 개발 중이다. 이 시스템을 사용한 마일드하이브리드 시스템을 폭스바겐의 6세대 골프에 탑재한 차량을 시험 제작했다. 콘티넨탈은 NEDC에서의 연비효과를 13%로 보고 있다. 우선 아이들링 스톱 기구에 의한 개선이 5.4%, 코스팅에 의한 타성 주행이 0.6%, 감속시의 회생에서 7%다. 올터네이터/모터는 최고출력 13kW의 것을 사용한다.

DC-DC 컨버터는 발레오사와 같은 쌍방향 타입으로 출력은 최고 3kW. 또 배터리는 한국 SK 이노배이션사와 합작 설립한 독일 SK Continental E-Motion(SCE)사가 생산한다. SK이노배이션차가 베터리 셀을 생산하고 SCE사가 배터리팩을 조립한다.

리튬 이온 2차 전지는 3원계로 셀의 전압은 3.6V, 용량은 10Ah의 라미네이트형이다. 48V의 전압을 얻기 위해 이 셀을 직렬로 13개 결합한다. 단순 계산으로는 46.8V로 되는데 충전 상태에 따라 전압은 변하기 때문에 만 충전하면 문제가 없다고 한다.

어떤 자동차에 적합한가에 대해서 SCE사는 2017년에 도입되는 유로6c 규제를 클리어하는 디젤차에 맞출 수 있을 것이라고 예측하고 있다. 같은 시스템으로 배기가스의 규제치를 클리어하려면 추가 후처리 장치가 불필요하다고 해석할 수 있다.

콘티넨탈은 양산차 메이커들이 기존의 12볼트 전기 시스템이 가진 성능을 모두 활용하고 나면 보조 48볼트 시스템으로 눈길을 돌릴 것이라고 믿고 있다. 지금은 더 복잡한 120V 마일드 하이브리드에서만 볼 수 있는 일부 기능들을 콘티넨탈의 48볼트 시스템에서도 제공할 수 있다. 콘티넨탈은 48볼트 아키텍처에 구동 부품을 추가하여 혁신적인 48볼트 에코 드라이브 시험용 자동차를 완성했다.

이 자동차는 최적화된 시스템 솔루션으로 통합된 48볼트 시스템 부품들을 지니고 있는 것이 특징이며, 일반적인 제너레이터를 대체한 벨트 구동형 48볼트 올터네이터/모터, 벨트 텐셔너, SK 콘티넨탈 이모션(SK Continental E-motion)의 48볼트 리튬이온 배터리 셀을 베이스로 한 SCE의 배터리팩, 12볼트 전기 시스템과 연결해주는 DC-DC 컨버터 등을 포함한다. 영하의 기온에서도 빠르고 조용하게 재시동이 가능하고 더 효율적으로 정상 상태로 회복이 되는 점은 48볼트 에코 드라이브의 여러 장점 중에서 특히 눈에 띈다. 이는 에너지 절약 기능에 더 많은 전류를 사용할 수 있음을 의미한다.

보쉬와 마그나도 올터네이터/모터를 개발하고 있다. 보쉬는 2013년 6월 자사 기술워크샵에서 아이들링 스톱 탑재차와 하이브리드차 사이에 큰 갭을 메우는 48V 대응품을 소개했었다.

자세한 사양은 아직 밝혀지지 않았다. 용량 0.25kWh의 리튬 이온 2차 전지와 조합해 감속시에 회생 에너지를 축적하고 가속시에 파워를 증강시키는데 보조한다. 특히 중형차에 도움이 될 것으로 보이며 연비 향상 효과는 7% 정도라고 한다.

마그나사도 48V 마일드하이브리드 시스템을 개발 중이다. 2013년 5월에 '사람과 자동차의 테크놀러지전'에 전시한 것으로 최고출력 12kW, 최대토크 55Nm의 성능을 가진 올터네이터/모터이다. 전시된 타입은 측면에 호스용 홀이 있는 수냉품으로 공냉품도 개발하고 있다고 한다.

장점은 회생과 어시스트에 의한 연비향상과 재시동 시간의 단축, 그리고 노이즈의 저감 등이라고. 연비 향상은 10% 이상의 효과가 기대된다고. 마그나는 미국과 유럽, 일본 자동차회사들이 관심을 보이고 있다고 밝히고 있다. 2017년부터 양산 목표라고 한다.

48V 시스템을 실현하기 위해서는 모터, 인버터, DC-DC 컨버터, 리튬 이온 배터리가 필요하게 되는데 서서히 요소기술도 정리되어왔다. 예를 들면 인버터에 사용하는 모터 드라이버와 파워 MOSFET(금속 산화막 반도체 전해효과 트랜지스터)는 만일을 고려해 내압 100V 정도의 소자가 필요하게 되는데 지금까지 범용 소자는 거의 없었다.

독일의 규격 책정에 협력해 48V 시스템용의 모터 드라이버와 파워 MOSFET을 개발하고 있는 것이 독일 Infineon Technologies 사다. 이 회사는 3상의 모터드라이버의 내압을 90V로 높인 TLE9180과 허용 전류가 180A로 내압이 100V인 파워 MOSFET IP-B180N10S4-02를 개발해 48V 올터네이터/모터를 작동시키는 평가 시스템을 시험 제작했다.

네델란드의 NXP Semiconductors사는 기존 12V계와 48V계의 트랜시버 IC를 개발하고 있다. 모터 드라이버와 파워 MOSFET의 48V계 디바이스를 제어하기 위해서는 ECU가 필요한데 이 ECU가 12V계와 48V계의 양방향에 있으면 48V계가 단전됐을 경우 CAN과 Flexray에 연결되어 있는 12V계의 마이콘에 높은 전압이 걸린다. NXP는 이 내압에 대응한 CAN과 Flexray 대응 트랜시버 IC를 2012년부터 공급하고 있다.

한편 48V 시스템이 실현되면 에어컨 컴프레서와 전동 파워 스티어링(EPS)등 큰 전력을 사용하는 시스템도 48V로 이행할 가능성이 있다. 예를 들면 EPS에서는 12V에 비해 배선에 있는 저항을 줄여 효율을 높인다.

현재 48V의 시스템을 이미 EPS의 내부에 채용하고 있는 것이 제이텍트다. 높은 추력, 기어비 가변기구를 채용한 EPS 등을 승압 타입으로 해 12V의 전지전압을 48V로 승압해 모터를 구동하며 2003년부터 양산 실적이 있다.

이 시스템은 전원이 12V이기 때문에 EPS 가까이까지 전원을 배선하면 저항 손실이 증가해 버리는 단점이 있다. 그래서 12V의 납축전지의 극히 가까이에 승압 시스템을 배치하고 거기에서 48V로 전압을 올리고 그 후 배선으로 모터에 전력을 공급하는 시스템을 채용하고 있다.

여기에서 만약 48V의 전원을 처음부터 사용하면 승압 시스템이 불필요하게 된다. 또한 인버터와 ECU를 모터와 일체화하는 등으로 비용을 낮출 가능성도 높아진다.

배터리 전기차와 하이브리드 전기차, 그리고 연료전지 전기차보다 좀 더 현실적인 연비 성능 향상 및 이산화탄소 저감을 위해 필요한 전동화 기술 중 하나인 48V 시스템의 채용이 보편화될 날이 머지 않아 보인다.



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