토요타 소이치로 오쿠다이라 전무

토요타의 지속가능한 이동성 추구에서 ‘하이브리드 기술’은 언제나 핵심적이다. 토요타는 연료와 파워트레인의 특성을 살린 차량 개발을 중요시하는 동시에 전기, 수소 그리드를 융합, 신재생에너지의 효율적 사용을 추구하고 있다. 플러그인 하이브리드와 연료전지차가 미래다. 지난 1월 도쿄에서 개최된 ‘제6회 오토모티브 월드 2014’에서 있은 토요타 소이치로 오쿠다이라 (Soichiro Okudaira) 전무의 강연을 전한다.

하이브리드의 역사

석유, 석탄, 천연가스, 식물, 우라늄, 수소, 태양광, 풍력, 지열 그리고 전기발전 등 다양한 에너지원을 통해 가솔린, 디젤은 물론 하이브리드, 플러그인 하이브리드(PHEV), 천연가스차(NGV), 순수 전기차(BEV), 연료전지차(FCEV) 등이 도로 위를 달리고 있다. 석유는 싸고 자동차에 있어 상당히 편리하고 취급하기 쉬운 연료여서 오랫동안 주류로 남겠지만, 새로운 대체연료차, 연비개선 노력 또한 갈수록 심화될 것이다. 여기서 토요타가 가장 중요하게 생각하는 기술이 하이브리드다.
세계 최초의 하이브리드 카인 프리어스(Prius)의 개발은 1983년 가을에 시작된다. 당시 개발팀에 떨어진 지시는 “21세기형 차를 만들라!”는 것과 “이 차의 개발을 통해 차 개발 방식을 바꿔라!”였다. 그리고 이 차의 콘셉트를 검토하는 과정에서 토요타가 내린 결론은 ‘21세기의 차는 편리성과 쾌적성을 유지하면서, 특히 에너지와 환경문제가 큰 과제이기 때문에 압도적인 연비 성능을 갖춰야 한다’는 것이었다.
일반적으로 생각하는 압도적인 연비 향상이란 30% 정도의 개선이라 말할 수 있지만, 토요타의 개발팀은 이 정도로는 승인을 얻지 못할 것이라 생각하며 1.5배로 가자고 결정했다. 그러나 이는 승인되지 못했고 결국 2배 이상 향상시키는 것을 목표로 개발을 시작하게 됐다. 30~50%의 향상이라면 종전 기술개발의 연장에서 해낼 수 있지만 2배란 목표는 전혀 다른 것이었기 때문에 팀은 60년대부터 연구해왔던 하이브리드 기술, 그리고 이와 관련되는 모터, 반도체, 배터리 개발 흐름을 쫓으며 프리어스의 개발을 진행했다.


하이브리드의 개발은 관련 수백 종의 특허가 나왔던 1950, 60년대, 더 거슬러 올라가면 1900년대의 포르쉐 등 에너지 위기가 있을 때마다 이뤄졌다. 우리는 1990년대에 들어서며 100여개 기술을 검토해 초점을 맞췄고, 그중 80개를 재검토해 20종의 기술로 압축했다. 그리고 여기서 4가지 하이브리드 시스템을 개발해 시뮬레이션했다. 최종적으로는 2가지 시스템을 남겼고, 결과적으로 엔진과 발전기, 모터를 연결하는 유성기어를 사용하는 하드웨어 시스템을 선택하게 됐다. 그리고 장래를 고려해 비용절감과 효율향상으로 이어질 수 있도록 될 수 있으면 기계와 중량을 최소화하고 소프트웨어 제어에 포커스한 시스템을 만들기로 했다.
결국 이 시스템은 다른 회사의 하이브리드 시스템과 달리 주요 컴포넌트를 결합, 분리시키는 클러치가 없게 됐다. 모터, 엔진, 발전기를 각각 제어함으로써 이들의 출력 관계를 자유자재로 컨트롤 할 수 있었다. 또 내연엔진에서는 CVT, 6AT, 5AT 등 트랜스미션에 따라 RPM, 토크, 사용하는 부분과 엔진 효율의 정도가 제각각인데, 토요타의 하이브리드 시스템은 최고의 효율을 기록하는 부분만 사용할 수 있도록 해 최대 열효율을 얻게 했다. 이렇게 해 탁월한 연비를 기록하는, 엔진과 모터의 두 가지 동력원을 지닌 프리어스를 1997년에 최초 출시하며 21세기가 되기 전에 새로운 차를 개발할 수 있었다.



누계 600만 대

토요타의 하이브리드 카는 현재 콤팩트, 중형, 대형 등 승용차는 물론 SUV, 미니밴, 상용차 등 전 라인업에 포진돼 있다. 이는 일본에서 하이브리드가 아니면 판매가 힘들어지고 있기 때문이다. 하이브리드의 글로벌 판매대수는 1997년 시장에 처음 투입된 이후 순조롭게 증가하며 2012년 100만 대를 돌파했다. 지난해 12월엔 누계 600만 대를 넘어섰다.
누계 600만 대 돌파는 ‘오토모티브 월드 2014’에서 토요타의 ‘지속가능한 이동성을 위한 노력’에 대해 발표하고 있는 지금, 언론을 통해 발표됐다. 이는 하이브리드가 본격적인 보급 단계에 들어섰음을 말해주는 것이다.
초대 프리어스가 도입된 이례로 모터, 인버터, 배터리 등 주요 컴포넌트의 하이브리드 시스템도 진화하고 있다. 프리어스의 연비는 대폭 향상되고 있고 시스템 비용도 크게 낮아지고 있다. 12년 동안 시스템 비용은 1/3로 낮아졌다. 게다가 차세대 프리어스에서 신형 하이브리드 시스템의 최대 엔진 열효율은 현재보다 38.5~40% 이상 향상되고, 모터의 성능 향상과 소형 경량화가 기대되고 있다. 에너지 밀도가 향상된 배터리 탑재 등도 추진되고 있다. 연비 상품력이 대폭 강화되는 것이다.
토요타는 하이브리드 기술을 BEV, PHEV, FCEV 등 차세대 친환경차 개발의 코어 기술로 삼고 있다. 하이브리드 카에 전지 용량을 늘리고 외부 충전 기능을 추가하면 PHEV가 되고, 이 플러그인 하이브리드에서 엔진과 연료 탱크를 제거하면 BEV가 된다. 또 하이브리드 카의 엔진과 연료 탱크를 연료전지와 수소 탱크로 교체하면 FCEV가 된다. 이처럼 하이브리드의 노하우는 신속하게 이전될 수 있다.

충전하는 하이브리드

자동차용 연료는 다양화될 것이고 차도 다양해질 것이다. 항속거리, 충전시간에 과제가 있는 BEV는 근거리 용도로 활용될 것이고, 항속거리가 길고 충전시간이 짧은 FCEV는 폭넓은 용도, 특히 장거리 운행에서 강점을 보인다. 그러나 이 차는 새로운 인프라의 정비가 반드시 함께 이뤄져야만 한다. 대체연료는 일장일단이 있고 지역별 차이가 있어 하나로 통일할 수 없기 때문에 토요타는 전방위적으로 대응하고 있다.
다시 BEV는 주행 중 배출가스가 전혀 없고 차가 조용하며 가정에서 충전이 가능하다는 이점이 있지만 주행거리가 짧고, 배터리 비용이 높으며, 충전시간이 길다는 한계가 있다. 또 급속충전 인프라의 확대도 요구된다. 때문에 근거리용, 카 셰어링과 같은 특수 용도에 최적화돼 있다. 때문에 예를 들어 토요타 시에서는 이같은 전기차를 활용하는 하모라이드(Ha:mo RIDE)라는 프로젝트를 실시하고 있다. 2010년부터 5년간 진행되는 이 프로젝트에는 초소형 전기차 100대가 투입돼 공공기관과 협력을 통한 근거리 라스트마일 커넥트, 카 셰어링의 가능성을 테스트하고 있다. 토요타 시 저탄소사회 시스템 실증 프로젝트의 일환이다.
토요타는 차세대 일반 승용차로 PHEV를 밀고 있다. 토요타 프리어스 플러그인은 프리어스에 배터리 용량을 늘리고 충전 기능을 추가한 모델이다. 전기만으로 약 26 km를 주행할 수 있다. PHEV는 일상에서 전기만으로 주행할 수 있고 충전 전역을 다 소진하면 하이브리드로 주행한다. 전기차의 주행불안증을 제거한 점이 최대 강점이다. 토요타는 이 차를 하이브리드 카 이후의 차세대 친환경차의 기준으로 보고 개발해왔다. 일본에서 프리어스 PHEV를 구입한 고객 680명의 1년간 평균 연비를 조사한 결과 리터 당 33.9 km로 나타났다. 프리어스의 20.9 km/l와 비교해 매우 높은 값이다. 리터 당 50 km 이상 주행한 고객도 20% 이상으로 집계됐다.  


토요타는 하이브리드 카, BEV, PHEV 등 전기차의 전기주행을 늘리기 위해 리튬이온 배터리의 에너지 밀도를 뛰어넘는 차세대 전지 개발에 나서고 있다. 지향점은 리튬 공기전지다. 토요타는 또 고체전지의 출력밀도를 5배 정도 향상시켰다. 그러나 아직 연구단계에 있고, 현 시점에서는 단지 충분한 출력밀도만 확보했다고 판단하고 있다. 새로운 고체 전해질을 개발함으로써 리튬이온 전지와 동등한 출력밀도를 실현했다. 이 밖에 토요타는 비접촉 충전을 추진하고 있다. 충전할 때마다 케이블을 고객이 꼽는 것은 매우 불편하고 위험하기 때문에 자기공진 비접촉 충전 시스템을 개발하고 있고, 올해부터 일본, 미국, 유럽에서 실증시험을 시작할 예정이다.

수소와 전기의 융합

 FCEV의 연료인 수소는 차량에 탑재된 고압 탱크에 저장된다. 항속거리 확대를 위해 탱크를 늘려도 전기차의 배터리만큼의 극단적 비용 상승이 없다. 모터가 구동하는 부드러운 주행, 신속한 가속성, 700 km에 이르는 중장거리 주행, 3분의 충전시간이 장점이다. 비상용 전원의 공급능력 측면에서도 전기차의 5배 정도다. 일반가정이면 일주일간 사용할 전기를 공급할 수 있다.
토요타의 신형 연료전지의 출력밀도는 현재 리스 판매하고 있는 FCHV-adv의 2배 이상인 3.0 kW/l다. 세계 톱 수준이다. 출력은 100 kW/l이다. 소형화도 이뤄져 차량 시트 아래 장착을 실현했다. 탱크 저장 성능은  FCHV-adv 대비 20% 향상된 5.7 wt%를 달성해 역시 세계 톱 수준을 달성했다. 또 탱크 수를 4개에서 2개로 줄여 저비용도 실현했다.  


차량 시스템 효율은 미국의 주행모드에서 FCHV-adv 대비 60~65% 향상시켰다. 연료전지 시스템에서 가습기를 제거함으로써 신뢰성, 소형 경량화를 실현했다. 또 부스트 컨버터를 적용해 셀 수를 줄이고 모터 크기를 줄였다. 이에 따라 성능, 신뢰성 향상과 저비용화를 실현해 보급형 FCEV 도입을 추진할 수 있게 됐다.
토요타는 2015년부터 승용 FCEV의 일반판매를 시작한다. 인프라 정비와 분리할 수 없기 때문에 미국, 유럽 등 비교적 인프라가 잘 정비된 지역부터 보급할 계획이다. 일본에서는 도쿄, 주쿄, 간사이, 후쿠오카 등 4개 지역에서 순차적으로 시작할 계획이다.
수소연료 사회 구현을 위해 토요타 그룹은 전사 차원에서 대응하고 있다. 토요타의 FCEV 개발뿐만 아니라 히노 자동차와 2016년 도입을 목표로 FCEV 버스를 개발하고 있다. 아이신 전기는 46.5%의 세계 최고 발전 효율을 기록하는 가정용 SOFC 시스템을 개발해 2012년부터 판매하고 있다. 토요타 인더스트리는 FC 포크리프트를 개발해 2012년부터 기타규슈 공장 등에서 실증실험 중이다. 토요타 통상은 소형 수소 충전장치 개발을 검토 중이다.
수소충전소 정비는 카 메이커, 수소 공급 사업자, 국가, 지자체가 협력해 추진해야만 한다. 일본에서는 토요타를 포함 13개 회사가 2011년 1월 FCEV 국내시장 도입과 수소 인프라 정비를 위한 공동성명을 발표하고 2015년까지 100개 충전소 설치를 목표로 하고 있다.
차세대 차량을 보급하기 위해서는 대체 에너지인 전기와 수소를 사회 시스템의 일부로 잘 편입시켜야만 한다. 전기 부문에서는 스마트그리드 도입을 통해 추진되고 있다. 그러나 전기는 대량 이용과 장기적 측면에서 부적합하다. 또 신재생에너지는 변동, 편재 요인이 많고 안정적 공급도 쉽지 않다. 신재생에너지를 통한 전기를 이용하여 수소를 제조, 저장하고 필요할 때 수소를 이용 발전하는 전기 그리드에 수소 그리드를 융합한 하이그리드(HyGrid) 사회를 실현해 에너지 이용의 최적화를 이뤄야만 하는 상황이다.
예를 들어 독일에서는 북부에서 대량 풍력발전이 이뤄지고 있지만 국내 전력수요는 남부에서 매우 높고, 중부는 전력망 용량이 낮아 북부의 전력을 어떻게 남부로 보낼지가 과제가 되고 있다. 때문에 제조한 수소를 발전소에서 이용할 수 있지만 기존 파이프라인을 이용해 남부로 배송하거나 지하 대량 저장소에 저장해 발전과 연료전지차에 활용하는 방안이 모색되고 있다. 이같은 모든 프로세스의 혁신이 중요하다.   
토요타의 지속가능한 이동성 추구에서 하이브리드 기술은 명백한 핵심이다. 또 좀 더 미래에는 연료와 파워트레인의 특성을 살린 차량 개발이 중요하며 전기, 수소 그리드를 융합해 신재생에너지를 효율적으로 사용하는 것이 매우 중요하다.          

AEM_Automotive Electronics Magazine