2013년 07월호 지면기사
/ 글 | 요하네스 코블러(Johannes Kobler), 아우디, 사진 | 우베 피셔(Uwe Fischer), 아우디
아우디는 스포츠카에 걸맞은 고성능을 전기차 R8 e-tron에 부여하기 위해 최초, 최첨단의 고전압, 고효율 기술을 대거 동원했다. R8 e-tron의 고성능 디자인 전략은 전기차는 물론 내연기관의 효율개선에도 좋은 본보기가 된다.
초경량 디자인
아우디 R8 e-tron의 차체는 아우디의 차세대 초경량 디자인 기술의 집대성이다. 시각적으로 R8 e-tron은 다른 R8 시리즈 모델과 큰 차이가 없다. 차체는 9개 파트로 구성되는데, 다른 시리즈 모델과 공통인 도어, 사이드 미러 하우징, 외부 문틀 피스(sill piece), 윈드실드 크로스 멤버, 루프 아크 등 5개 부문을 제외한 나머지 4개 파트가 완전히 새로운 것들이다.
사이드 피스를 포함한 차체 구조물의 중량은 199 kg에 불과하다. 결과적으로 알루미늄 아우디 스페이스 프레임(ASF)으로 디자인한 R8 쿠페보다 23 kg이나 덜 나간다. 중량 감소는 완전히 새로운 접근방식인 알루미늄과 탄소섬유강화플라스틱(CFRP)으로 이뤄진 멀티머티리얼 스페이스 프레임(MSF)의 결실이다. 금속 컴포넌트가 차체 중량의 75%를, CFRP가 23%를 차지한다. 물론 R8 e-tron의 프론트엔드가 고전적인 알루미늄 구조를 갖고 있지만 승차공간은 CFRP가 지배적이며 리어엔드는 알루미늄과 CFRP가 복합적으로 쓰였다. 차체 컴포넌트별 무게를 보면 B필러가 각각 4.3 kg, 리어 벌크헤드가 10.5 kg, 센터터널이 4.8 kg, 리어엔드가 44.5 kg이다. 사이드 피스는 각각 2.8 kg, 리어 리드는 6.3 kg이다.
아우디는 몇몇 영역에서 매우 급진적인 접근법을 취했다. 특히 차량 후미의 화물 적재 공간 쉘을 CFRP로 만들었는데, 이는 단순히 중량 저감을 위한 것이 아니라 알루미늄 구조보다 5배 높은 에너지 흡수 파형 충돌 구조를 적용했다. 대형 배터리도 최대 비틀림 강성을 제공하는 혁신적인 차체 구조 내에서 이같은 방식으로 고정됐다. B필러와 리어 벌크헤드에서 새로운 샌드위치 콘셉트는 11.5 kg까지 중량을 낮췄다.
R8 e-tron의 외부 스킨은 대부분이 CFRP로 이뤄졌으며, 각각의 컴포넌트들은 모두 위치와 목적에 따라 특수하게 디자인됐다. 예를 들어 프론트 후드에서 몇몇은 차곡차곡 쌓여진 7 레이어의 CFRP로 돼 있다. 반면에 리어사이드 피스의 안쪽 쉘은 플리스(fleece) 소재 주변을 감싸는 단지 두 개의 레이어로 됐다.
디자인과 에어로다이나믹스
언뜻 보기에 붉은 메탈 빛 도장이나 유사한 면, 선을 지닌 외관은 e-tron이 다른 R8 모델과 디자인적 관계를 부인하지 않는 것처럼 느껴지게 한다. 그러나 좀 더 세밀하게 살펴보면 CFRP로 이뤄진 디테일을 알아챌 수 있다. 크롬 스트립은 고광택 싱글프레임의 그릴을 더욱 독보이게 한다. 프론트 스포일, 사이드 미러 하우징, 측면 사이드블레이드, 트렁크 리드, 리어 리드와 디퓨저 등은 모두 무광 탄소섬유로 마감돼 있다.
LED 헤드램프는 상황에 따라 특수한 모양으로 구분된다. 주간주행등은 특히 깊이의 느낌을 강조하며 2, 3차원의 조명을 선사한다. 문이 잠겼거나 열 때, 또 차를 충전할 때는 사이드 윈도 뒤편으로 수평 스트립라이트가 e-tron 로고와 함께 흐른다. CFRP와 알루미늄으로 만들어진 배터리 커버에서도 e-tron 로고가 빛난다. 모든 R8 시리즈 모델의 리어 라이트는 풀 LED 라이트다.
아우디 R8의 전면 바람저항 항력계수는 0.35 cd다. 그러나 R8 e-tron은 무려 0.27 cd를 달성한다. 이는 대략 주행거리를 40 km늘려 최대 215 km까지 확장하는 것과 같다. 이 전기 구동 고성능 스포츠카에는 오일 쿨러가 없고 공기 유입도 필요치 않다. 때문에 프론트 아웃보드의 공기흡입구와 사이드블레이드가 닫혀있다. 단지 열관리 시스템의 쿨링을 위한 공기만이 싱글프레임 그릴의 하부로 들어온다. 프론트엔드를 통해 들어온 공기는 내부를 지나 프론트커버의 배출구를 통해 나간다.
엔진, 배기 시스템 등의 부재는 e-tron 차체 하부를 완벽하게 부드럽게 만들 수 있도록 한다. 이에 따라 뒤쪽으로 길게, 비교적 가파른 각의 디퓨저가 차량의 후미 공기흐름과의 조화를 위해 공기를 안내한다. 세퍼레이션 에지는 R8보다 높은 곳에 위치하며, 200 km/h로 제한된 e-tron의 속도는 스포일러의 필요성을 없앤다.
열관리
R8 e-tron은 열관리를 위해 매우 미래지향적인 멀티-소스 히트펌프(multi-source heat pump)를 개발해 채용했다. 이 펌프는 복잡한 운용을 통해 배터리, 모터, 트랜스미션, 파워일렉트로닉스 등 모든 핵심 드라이브 컴포넌트를 적정 온도 내에서 유지시킨다. 펌프는 또한 실내 공조 시스템의 효율성을 높이기 위해 열을 수거하기도 한다. 이를 통해 전기 에너지의 사용 효율성은 최고 20%까지 증대된다.
히트펌프는 고전적인 냉각 사이클 원리에 기반하고 있지만, 칠러(chiller), 프론트 콘덴서/증발기, 전자 팽창 밸브와 에어 컨디셔닝 유닛 내의 댐퍼 레지스터 등 다수의 최신 컴포넌트로 구성돼 있다. 또 아우디가 개발한 히트 코디네이터(heat coodinator)라 불리는 장치는 관련 시스템의 상호작용을 관리하고 시스템을 적절한 환경에서 운용되도록 하기 위해 43개의 베리언트를 선택한다.
공기열원 히트펌프에 따라 시스템은 열원으로 외기를 이용한다. 외기에서 냉각 사이클 내로의 열전달은 증발기로 동작하는 프론트 콘덴서에서 이뤄진다. 외부 온도가 매우 낮으면 히트펌프는 냉각을 위해 작동하는 칠러로 불리는 특수 증발기를 통해 모터들과 고압 배터리로부터 폐열을 얻는다. 거의 모든 상황에서 댐퍼 레지스터는 응축, 들어오는 신선한 공기와의 열교환 등을 통해 냉각수에 저장된 열에너지로 실내를 가열한다. PTC 보조 히터는 단지 매우 신속히 가열해야하는 경우에만 관여해 차량의 고전압 시스템으로부터 파워를 끌어들인다.
R8 e-tron의 히트펌프는 정차 중에도 동작하며 전통적이거나 표준화된 냉난방 시스템보다 더 빠르게 쾌적한 실내 온도를 제공한다. 히트펌프는 단 1 kW의 전기 파워로 3 kW의 열을 공급할 수 있다. 운전자는 출발 전에 타이머나 스마트폰 앱을 통해 히트펌프를 원격 조작해 구동 시스템과 실내 온도를 최적화할 수 있다. 대부분의 경우 스포츠카는 외부 전원과 연결돼 있는 상태이기 때문에 PTC 보조 히터는 전기 그리드를 통해 필요한 에너지를 끌어다 쓰며, 이에 따라 R8은 언제나 풀 충전 상태에 있게 된다.
배터리
e-tron의 거대한 배터리 시스템은 차량의 심장부다. T자 모양의 배터리 시스템은 길이가 235 cm, 폭이 135 cm이고, 제어유닛을 포함한 높이는 71 cm에 이른다. 모든 주변부를 포함해 CFRP 케이스로 보호되는 시스템의 중량은 577 kg이다. 중량의 대부분은 530개의 각기둥형 배터리 셀이 차지한다.
리어 배터리는 4층 구조이고, 터널의 배터리는 2층의 셀 모듈로 구성돼 있다. 고강도 알루미늄 합금으로 된 긴 플레이트는 배터리 하중을 견딜 수 있는 구조를 형성하는 동시에, 다른 것으로부터 바닥을 구분한다. 냉각수는 정확히 계산된 흐름률과 정밀 가공된 관에 따라 순환한다.
배터리 시스템 매니지먼트는 리어 배터리 위에 위치한 e-box를 통해 진행된다. 이 컨트롤러는 전기 모터 제어 유닛과 각각의 셀 번들의 전압과 온도를 모니터하는 셀 일렉트로닉스 유닛들과 통신한다. 배터리의 충전상태가 매우 낮게 되면 컨트롤러는 완전 방전을 막기 위해 단계적으로 파워 아웃풋을 줄인다. 또 고전압 차량의 전기 시스템의 기능과 안전성을 지속적으로 모니터링한다. 사고가 날 경우에는 배터리를 비활성화시킨다.
R8 e-tron의 배터리는 2가지 방식으로 충전할 수 있다. 가정용 AC 230 V로 충전할 경우 완전충전에 12시간이 걸린다. 외부 장비가 필요한 DC 충전의 경우 파워 인풋에 따라 완전충전은 한 시간 이내에 이뤄질 수 있다. 또 아우디 커넥트(AUDI Connect)를 통해 스마트폰 앱을 통해 충전 관련 각종 정보나 기능을 원격으로 제어하거나 볼 수 있다. 차량의 트랜스미터 모듈과의 통신은 아우디의 보안 서버를 통해 이뤄진다.
전기 모터
주요 통계치는 아우디 R8 e-tron의 다이내믹한 잠재력을 요약해준다. 최고 속도는 200 km/h로 제한돼 있지만 e-tron은 출발에서 100 km/h까지 4.2초면 도달한다. 리어액슬의 두 개의 전기 모터는 95% 이상의 효율을 자랑한다. 이론적으로 e-tron은 12,500 rpm에 도달할 수 있고, 이는 최고 250 km/h를 낼 수 있는 것과 같다.
모든 주변 장치를 포함해 중량이 184 kg에 달하는 영구자석 동기 모터는 힘과 토크에서 높은 농도를 제공하는 동시에 매우 낮은 전기 에너지로 효율적 운용을 할 수 있다. 아우디는 모터 시스템을 위해 로터가 부수적 공기를 통풍시키는 동안 워터 재킷을 통해 스태터 온도를 조절하는 새로운 쿨링 콘셉트를 고안했다. 28 kg의 1속 유성 기어박스는 냉각회로 내에서 통합됐다.
각 모터는 수냉식 파워일렉트로닉스의 지원을 받는다. DC 배터리를 AC로 바꾸는 펄스 인버터는 리터 당 18 kW의 에너지 밀도를 갖는다. 12.5 kg의 중량과 13.5리터란 기록적인 경량 디자인과 소형화가 적용됐다.
드라이브 제어 콘셉트는 리던던시에 대해 설정되고 높은 안전 스탠더드의 요구에 부합한다.
전자식 자세제어 시스템(ESC)과 함께 구동 관련 모든 요구를 조정하는 파워일렉트로닉스 간 통신, 다른 드라이브 제어 유닛 간 통신에 대한 컨트롤러들은 토크 벡터링과 에너지 회수(recuperation)를 관장한다.
리어 휠 간 구동력의 목표된 분배에 대한 토크 벡터링은 개별 모터의 제어와 자체적 반응으로 매우 가변적이고 신속하게 이뤄진다. 이론적으로 고성능 스포츠카는 하나의 휠을 제동할 수 있고 다른 휠을 통해 큰 토크를 불어넣을 수 있다.
아우디는 사람들이 e-tron의 존재를 알 수 있도록 대략 60 km/h까지 차에 인공적인 e-사운드를 부여했다. 소형 컴퓨터는 드라이브 컨트롤 유닛의 데이터를 사용해 e-사운드를 발생시킨다. 언더바디의 견고한 스피커 시스템이 e-사운드를 주변에 방출한다.
구동장치
R8 e-tron의 기본 콘셉트는 최고의 다이내믹한 동작을 전제조건으로 한다.
e-tron에서 배터리는 차축 사이에 낮게 위치하면서 차량의 무게 중심을 낮추며 42 : 58의 차축 하중 분산을 이룬다. 4륜 모두에 적용된 더블 위시본(double wishborn) 타입의 알루미늄 서스펜션과 스페이스 프레임(space frame) 연결은 계열 생산 컴포넌트에서 파생됐다. 전기기계식 파워 스티어링 휠은 13.5 : 1의 정비를 갖는다.
아우디 R8 e-tron은 일종의 최신 초경량 디자인 솔루션으로 이뤄진 달리는 휠 위의 최첨단 실험실이다. 유리섬유강화고분자(GRP)로 만들어진 코일 스프링의 중량은 단지 1.2~1.3 kg으로 스틸 스프링보다 무게가 40%나 덜 나간다. 리어액슬 휠 허브는 단조한 티타늄으로 만들어져 0.6 kg을 저감한다. 프론트액슬 위의 운드 레이어(wound layers)의 CFRP로 된 안티롤 바(anti-roll bar) 튜브와 알루미늄 암으로 이뤄진 하이브리드 안티롤 바는 중량이 2.5 kg 밖에 나가지 않아 35%의 무게를 저감한다.
e-tron은 경량의 19인치 클래드 휠과 마찰에 최적화된 225/35, 275/35 사이즈 타이어를 장착하고 있다. e-tron의 브레이크 시스템은 월드 프리미어급이다. 리어액슬의 휠 브레이크는 전자기계식 스핀들 브레이크다. 순수하게 전자식으로 운용, 제어되는 볼 스크류 드라이브는 디스크 쪽으로 매우 신속하게 패드를 누른다. 프론트액슬은 유압식 브레이크 시스템이다.
리어 브레이크는 전기 모터와 정확히 동기화돼 있어 제동에서 가능한 많은 에너지를 회수할 수 있도록 돼 있다. 수치 자체로도 매우 높은, 최대 약 0.3 g으로 모터 스스로가 제동을 처리한다. 그 위에, 프론트액슬 브레이크 시스템이 점차적으로 도움을 주기 시작한다. 전기 모터는 최대 0.45 g의 에너지를 회복할 수 있다. 또 새로 개발된 eASR(electric single Anti-Slip Regulation)은 제동에 따른 우수한 안정성, 가속에 따른 세련된 구동력을 제공한다.
인테리어
R8 e-tron의 인테리어 역시 효율을 위한 공간이다.
기본적으로 실내는 거대한 배터리 때문에 리어 벌크헤드가 기타 R8 모델보다 앞쪽으로 나와 있고, 센터터널은 크고 각이 져 있다. 높이 조절이 가능한 스포츠 버킷 시트의 섀시는 CFRP로 만들어져 각각 17.6 kg이다.
다기능 스티어링 휠 스포크의 뒷면은 에너지 회수 정도를 조절하기 위한 패들이다. 인스트루먼트 패널에서 LED 스트립은 배터리의 충전상태와 냉각수 온도 등을 표시한다. 큰 파워 미터는 제로에서 100% 사이의 파워 아웃풋 정도와 에너지 회수 정도를 나타낸다. 7인치 컬러 디스플레이는 운전자 정보 및 MMI 시스템을 위한 것이며, 전기 드라이빙과 관련된 모든 정보를 제공한다. 선택된 에너지 회수 레벨에 대한 100 km 당 kWh 소모량을 측정해 표시하고, 주행거리, 주행가능 거리 등이 컬러 다이어그램 등으로 표시한다. 또 MMI 스크린의 내비게이션 맵에 유용한 거리 정보를 표시한다. 제어장치는 저장된 도로 데이터를 기준으로 현재 위치로부터 남은 거리를 계산한다.
디지털 리어뷰 미러는 종전의 광학 미러를 대체한다. 약 130 dB의 매우 높은 동적 범위를 지닌 소형, 경량의 후방 카메라는 사람의 눈과 같은 대비를 잡아낸다. 컨트롤 유닛은 지속적으로 밝고 디테일이 풍부한 이미지가 유지될 수 있도록 데이터를 처리한다. 예를 들어 어둠 속에서도 다른 차량의 헤드라이트 눈부심을 제거할 수 있다.
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