업계는 모터로 엔진 효율성을 지원하는 48 V ‘에코 하이브리드화’가 이륙 준비를 마쳤다고 보고 있다. 차량 전기 시스템의 48 V화는 전통적인 12 V 스톱/스타트 기능의 낮은 마이크로 하이브리드에서, 120~400 V로 구동하는 더욱 강력하고 복잡한 풀 하이브리드 간의 격차를 줄이는 데에서 출발하고 있다.

48 V의 재도전

초창기 대부분의 차는 라이트와 점화만을 위해 6 V 전기 시스템을 채택했다. 그러나 기술이 진보하고 더 큰 고압의 엔진들이 스타트를 위해 강력한 스타터 모터를 요구하게 되고, 공조 시스템 등과 같은 다른 전자장치들이 차에 도입되면서 12 V 시스템이 필요하게 됐다. 1950년대 후반부터 12 V는 명실상부한 업계의 표준이 됐다. 물론 12 V가 지난 50년 간 자동차의 전기 시스템 표준으로 군림하는 동안 예외는 있었다. 예를 들어, 중대형 상용차와 군용 차량 등 일부 거대한 디젤엔진의 시동에서 고압의 이점을 얻기 위해 24 V가 채택되기도 했다. 

1950년대의 전환처럼, 현재 자동차는 강력한 전자화의 가속으로 전통적 배터리 시스템이 수용력 한계에 직면했고, 특히 세계적인 배출규제 클리어를 위한 에코 하이브리드화, 마일드 하이브리드화가 급속히 요구되면서 48 V 시스템을 적극 고려하고 있다.

48 V는 작은 모터로부터 더 많은 파워를 제공할 뿐만 아니라, 포괄적이고 치밀한 안전을 요구하는 60 V 이하에 있다. 즉 적은 비용으로 풀 하이브리드의 성능을 쫓는 것이다.

12 V에서 4배 이상 증가한 48 V로의 이행은 동일한 전력을 1/4의 전류로 보낼 수 있다는 말이다. 12 V의 일반적 스톱/스타트 시스템과 비교해 48 V는 최고 출력이 12 kW 정도가 될 수 있어 8~10 kW의 스타터를 고려할 수 있게 된다. 또 리튬이온 배터리 셀 또한 48 V 팩에서 더 높은 성능을 발휘한다. 시스템 출력이 높아지면서 엔진을 끌 수 있는 영역도 대폭 확대돼 차량 연비 효율이 더 좋아지는 것이다.

일반적인 스톱/스타트는 정지 상태에서만 엔진을 끄지만 더욱 업그레이드됐거나 48 V 기반인 시스템은 브레이크, 스티어링 등 다른 제어 계통을 전기적으로 그대로 유지하면서 시스템화된 모듈에서 ECU 제어를 통해 감속 중이거나 관성주행 중에 아이들링, 아예 엔진을 끌 수도 있고 나아가 과급기 대신 모터로 가속력을 지원할 수도 있다. 스타터, 연료펌프, 스티어링, 터보차저, VDC(Vehicle Dynamic Control), 공조 등 대전류가 들어가는 데에만 48 V로 하고 나머지 시스템은 종전처럼 12 V로 한다. 더 낮은 전류에 따라 더 가는 와이어, 적은 구리선을 통해 비용과 중량을 저감할 수 있는 장점도 제공한다. 예를 들어 일반적인 3 kW급 발전기는 12 V에서 250 A를 발생시키는데, 이는 일반적인 와이어링 하네스와 커넥터의 제한이다.

사실 48 V로의 전환은 방열 윈드실드(heated windshield), 열선 시트, 전자 스티어링 휠 등과 같은 새로운 컴포넌트들과 파워의 증대 요구로 1990년대부터 논의돼 왔다. 대상 또한 12 V의 막강한 지배력으로 불가능할 것 같은, 예를 들어 라이트, 점화, HVAC, 인포테인먼트 등 거의 모든 전통적 시스템들이 고려 대상이었다. 그러나 전기 시스템에 대한 대규모 업그레이드는 새로운 전압에서 구동할 모든 것에 대한 높은 적용 비용 때문에 이뤄지지 않았다.

48 V는 당장 드라이브 어시스트 모터에서 이점을 제공할 수 있지만 다른 부품에서는 그렇지 못했다. 가장 큰 장애 요인 중 하나는 12 V로 스텝 다운하기 위한 DC/DC 컨버터의 비용이었다. 때문에 당시의 구상은 조용히 보류됐다.
그러나 하이브리드 카가 대중화되고 전기 파워 스티어링(EPS), eHVAC, e냉각ㆍ윤활 펌프, 새로운 섀시 시스템 등의 수요가 그 어느 때보다 크게 증가하면서, 48 V는 엔진 배출가스 저감을 위한 e터보를 포함하는 e부스트 시스템 등 고전압 시스템의 요구와 함께 시스템 비용이 다수의 서브시스템을 장착하는 데 큰 문제가 없을 정도로 내려가고 있다.

스톱/스타트 기술의 리더 중 하나인 발레오와 같은 회사는 분명하게 48 V 시스템, 마일드 하이브리드가 업계의 현 이슈라고 말하고 있다. 다만 비용이 내려갔다고는 하지만 각기 다른 전압에서 다양한 전기 서브시스템의 추가는 12 V 시스템 대비 비싼 것이 사실이다. 때문에 비교적 비용에 덜 민감하고 배출규제에 예민한 유럽의 카 메이커들로부터 48 V 시스템, 48 V 스톱/스타트 기술이 론칭되고 있다. 내비간트ㆍ프로스트앤설리번 등 시장조사기관은 48 V 시스템을 채택한 신차의 판매가 2020년까지는 완만하지만, 2020년을 넘어서면서 크게 증가할 것으로 보고 있다.

 

모터 지원으로 규제 클리어

전 세계 주요국의 배출규제는 48 V, 마일드 하이브리드화의 주요 동력이다. 거의 비슷한 수준에서 동일한 파워트레인 시스템 혁신을 요구하고 있다. 예를 들어 유럽은 2015년 CO2 배출량을 130 g/km(5.5 l/km), 2021년 95 g/kg(4 l/100km) 이하로 맞출 것을 요구하고 있고, 미국은 2025년까지 54.5 mpg(4.3 l/100km), 일본과 중국은 각각 2020년까지 105, 117 g/km로 낮출 것을 강제하고 있다.

파워트레인의 효율성 혁신은 전통적인 방법만으로는 달성할 수 없다. 총체적이고 균형적인 접근이 필요하다. 이는 파워트레인 자체에서도 그렇다. 콘티넨탈에 따르면, 95 g/km는 효율성이 32%인 엔진과 같다. 효율성이 30%인 엔진이 이를 달성하기 위해서는 30%의 에너지 회생이 요구된다. 30%의 에너지 회생과 함께 75 g/km에 이르려면 엔진 효율성은 38%는 돼야한다. 즉 2020년, 2025년의 목표 달성을 위해 엔진 효율성 개선이 최우선이고, 여기에는 파워트레인의 부분적 전기화와 스톱/스타트 기술의 업그레이드가 요구된다.




스톱/스타트 기술은 간단히 말해 자동차가 정지했을 때 엔진을 자동으로 끄고, 운전자가 클러치 페달을 다시 밟으면 즉각적으로 엔진을 재가동하는 것이다. 예를 들어 신호등에 걸렸을 때처럼 차가 완전히 정지한 상태에서 엔진을 끄고, 녹색등이 켜지고 페달을 밟으면 다시 엔진이 작동함으로써 공회전을 줄여 연료 소모와 배기가스 모두를 저감한다. 시스템의 연료 소모 감소량은 통상 도심 교통일 경우 일반 차 대비 최고 8% 수준이다. 그러나 최근의 기술은 관성주행 등 다양한 주행 상황에서도 유사 기능이 적용되고, 터보차저와 같이 엔진 출력도 보조해 연료 소모량을 최대 15%까지 절감할 수 있다.

때문에 OEM들은 이 기술을 거의 모든 모델 라인업에 통합해 시티 드라이빙에서 7~10%의 삭감을 기대하고 있다. 피아트, BMW 등은 유럽에서 스톱/스타트 기능을 기본화했고 폭스바겐, 포드, GM 등도 옵션을 크게 늘리고 있다. 반면 ACEA 2015 목표를 이미 충족하고 있는 토요타, 현대 등은 적극적이지는 않지만 역시 거의 모든 모델에서 옵션화를 하고 있다.

업계에는 시장의 리더인 발레오, 덴소를 비롯해 다양한 서플라이어들이 각기 다른 스톱/스타트 기술과 제품을 제공하고 있는데, 대략 강화 스타터(Enhanced Starter), 직접 스타터(Direct Starter), 벨트 통합 스타터 제네레이터(B-ISG), 크랭크 통합 스타터 제네레이터(C-ISG)로 구분한다.

강화 스타터 시스템은 일반적인 스타터와 비교해 다발적인 시동 요구에 부합하도록 강화된 스타터와 에너지 회수를 위한 수정된 발전기로 구성되는 가장 저렴하고 대중적인 시스템이다. 대표 솔루션으로는 덴소의 AE(Advanced Engagement), TS(Tandem Solenoid), ES(Enhan ced Starter), PE(Permanent Engaged)와 보쉬의 EL(Efficiency Line) 등이 있다. 직접 스타터는 다른 스톱/스타트 시스템의 경우처럼 발전기와 스타터 대신 즉각적인 재시동을 위해 직분사 및 연소를 이용한다.





신속한 재시동은 강점이지만 재시동 중의 배출과 NVH가 약점이다. 마쯔다의 i-Stop(Idling stop technology)이 해당된다. 12 V와 48 V 모두에 해당하는 B-ISG 시스템은 엔진 스타트 시간을 최소화하고 회생제동으로 배터리를 충전한다. 시스템은 내연기관의 벨트 드라이브 시스템 내에 일반적인 발전기와 같은 방식으로 통합될 수 있다. 최대 수정사항은 벨트 텐셔닝 시스템의 강화다. 프랑스, 독일 등 글로벌 카 메이커들의 최근 모델들에 적용된, B-ISG의 대명사격인 발레오의 i-StARS, 울트라 커패시터와 DC/DC 컨버터를 추가한 48, 100 V 기반 I-BSG(Inverter Belt Starter Generator)를 비롯해 INA, 덴소, 보쉬, 콘티넨탈, 델파이, 다나, 히타치 등 많은 서플라이어들이 다양한 제품을 내놓고 있다.

48 V 이상인 C-ISG는 기어박스 벨 하우징에서 클러치와 엔진 사이 엔진 크랭크샤프트 끝부분에 영구자석 모터를 직접 얹은 시스템으로 출력은 15~90 kW로 다양하다. 콘티넨탈의 ISAD(Integrated Starter Alternator Damper), ZF-Sachs의 다이나스타트(DynaStart), 보쉬의 IMG(Integrated Motor Generator), 혼다의 IMA(Integrated Motor Assist) 시스템 등이 이에 속한다. 이 시스템은 마일드 하이브리드처럼 스톱/스타트와 회생제동 기능뿐만 아니라 가속 중 터보 부스트 기능을 제공할 수 있다.

크랭크에 얹는 만큼 복잡성이 덜하고 토크를 샤프트에 직접 전달할 수 있다. 그러나 이를 적용하기 위해선 파워트레인의 대대적 수정이 필요하고 파워 어시스트 기능을 위해 고압 시스템이 요구되는 만큼 다른 시스템에 비해 적용 비용이 크게 높다. 폭스바겐, 다임러 등 다수의 OEM은 C-ISG가 엔진에 더 높은 파워 토크를 제공할 수 있어 특히, 북미에서 장래의 지배적 시스템이 될 것으로 보고 비용분석에 따라 C-ISG의 채택을 진행 중이다.

시장 전망

스톱/스타트 시스템의 일반적 발전 방향은, 기본적으로 정지와 재시동이 자주 일어나는 환경에서 기존 스타터 모터보다 내구성이 좋은 모터의 개발, 출발 지연으로 인한 불만을 줄이기 위한 재시동 센서 강화 등이다. 또 주차 시나 저속주행을 반복할 때 원치 않는 엔진 정지를 막기 위해 핸들 조향 각도를 인식하는 센서가 개발됐고, 시동 정지와 무관하게 에어컨·라디오 등을 지속하고 배터리 성능을 제어하기 위한 전원 조정 및 배터리 관리 시스템도 개선되고 있다.

경사로에서 시스템 작동으로 인한 밀림을 방지하기 위해 브레이크 압력 센서와 도로경사 감지 센서 등이 추가되고, 운전자가 있을 때에만 시스템이 작동하도록 하기 위해 안전벨트 센서 등도 추가되고 있다. 이 모든 장치들을 ECU가 종합적으로 판단해 시스템을 작동한다. 재시동 시간은 초기 1~2초에서 현재의 300~800 ms, 나아가 200~300 ms으로 더욱 빨라지고 있다. 잠재적 CO2 배출 저감은 2020년이면 최고 15~20%까지 향상될 것으로 보인다. 배터리는 전통적인 납축전지에서 EFB(Enhanced Flooded Battery), AGM(Advanced Glass Mat), 리튬이온 배터리로 가고 있다. 

스톱/스타트 시스템은 미래의 자율주행 기술에도 꼭 필요한 기능으로 여겨지고 있다. 현재는 차가 정지한 이후나 감속 시 등에서 작동하지만, 앞으로는 도로상황을 감지하고 차가 자동으로 정지할 때에도 작동하게 될 것이다. 특히 48 V 시스템은  하이브리드 엔지니어, ECU, 자동주행 그룹의 협업을 통해 더욱 혁신되고, 이른바 ‘e호라이즌’을 통해 도로를 미리 알고 이에 따라 파워트레인 뿐만 아니라 전체 차량 시스템의 에너지 관리에 개입하게 될 전망이다. 48 V 하이브리드 카와 플러그인 하이브리드 등은 차량의 GPS, 교통정보, 디지털 맵 데이터 등 실시간 운전 상황을 통해 에너지를 최적화할 방안을 스톱/스타트 시스템과 회생제동으로 마련할 것이다.

프로스트앤설리번에 따르면, 유럽의 스톱/스타트 시스템 시장은 2020년 2,300만 대 규모가 될 전망이다. 일반적인 스톱/스타트 시스템이 2015, 2016년까지 시장의 절반을 차지할 것이지만 2016년을 지나 2020년까지 B-ISG 시스템이 65%를 점유하며 시장의 지배적 시스템이 될 전망이다. 현재의 스톱/스타트 시스템은 유닛 당 평균 125~200 유로 정도다. 잠재력은 g/km 당 20~30유로 정도다.

북미시장은 2020년까지 700~800만 대 규모가 될 전망이다. 북미의 경우 도로사정, 주행문화 등에 따라 전통적인 스톱/스타트 시스템보다 마일드, 풀 하이브리드를 선호한다. 때문에 2020년까지 B-ISG, C-ISG의 마일드 하이브리드 시스템이 엔진 어시스트 기능과 함께 지배적 시스템이 될 전망이다. 경상용차(LCV)와 럭셔리 세그먼트가 마일드, 풀 하이브리드, B-ISG, C-ISG로, 시티카 등 낮은 세그먼트가 전통적인 스톱/스타트 시스템을 활용할 전망이다. 프로스트앤설리번에 따르면 2011년 현재 B-ISG는 평균 250~350유로, C-ISG는 1,200~1,500유로 정도다.  

국내 카 메이커의 경우 현대ㆍ기아자동차가 거의 모든 모델과 엔진에 전통적인 12 V 스톱/스타트 시스템을 옵션으로 넣고 있다. 아직까지 B-ISG, C-ISG 등의 최신 시스템은 상용화되지 않았다. 서플라이어는 발레오, 덴소, 보쉬, 레미 등이다. 그러나 연비 경쟁의 심화, 신속한 재시동 요구, 소비자 정보력 등 브랜드 경쟁에 따라 차세대 시스템 개발이 진행되고 있다. LG화학은 최근 48 V 리튬이온 배터리 개발을 완료하고 현대자동차에 공급키로 했다. 삼성SDI도 48 V 리튬이온 배터리 시스템 개발을 마쳤다. 

48 V 기술 평가 및 도입이 어려운 이유
48/ 12 V 전압 혼합 네트워크의 구현은 다른 전위 사이에 DC/DC 컨버터에 의한 부스트(boost)와 벅(buck)이 대단히 중요하다. 자동차 산업에서 이러한 새로운 기술을 제대로 평가하고 도입하기란 결코 쉬운 일이 아니다. 그 이유 중 하나는 도입에 따른 과제와 위험을 어떻게 처리할지 고려할 필요가 있기 때문이다. 48 V 시스템을 부분적으로 도입하는 경우, DC/DC 컨버터의 다양한 안전 측면을 고려한 스위칭 기능 추가에 따른 비용 상승도 과제다.

또한 48 V 와이어의 완전한 절연, 48 V/12 V가 단락되지 않도록 네트워크의 완전 분리와 그에 따른 비용도 고려해야한다. 발전기의 로드 덤프가 발생했을 경우를 대비하고 퓨즈 및 커넥터의 규격 등도 함께 검토할 필요가 있다. 또 다른 이유는 전체 그림이 보이지 않는다는 것이다. 48 V 시스템과 12 V 시스템은 단독으로 동작하더라도 그것을 조합해 차량을 움직이면 어떻게 될지 차량 한 대로 관찰하기가 어렵다.

또한 배선 부분이 보통 온도와 고온부가 존재할 경우, 여러 전압과의 조합이 나오기 때문에 차량 1대에서 도입, 평가 및 검토가 어렵다. 12 V 시스템은 구리선에서 알루미늄 선으로 변경했을 경우, 부품 크기 조정 및 전체 배선 총중량, 총비용을 가늠하기 어려워지는 것도 사실이다.

콘티넨탈 48 V 에코 드라이브
콘티넨탈의 “48 V 에코 드라이브” 시스템은 차량의 기본인 12 V 전기 네트워크에 48 V 전기 시스템과 부품을 추가한 B-ISG 마일드 하이브리드 시스템이다. 이 시스템은 2016년 두 개의 OEM을 통해 상용화될 예정이며, 현재 다수의 해외 OEM과 프로젝트가 진행 중이다. 콘티넨탈의 48 V 모듈은 전자식 터보차저인 e부스트를 통해 일반 차의 파워트레인에 과급이 아닌 모터를 통한 14 kW의 파워를 추가해 강력한 가속력을 제공한다.

또 모듈은 관성주행을 가능케 한다. 운전자가 관성주행이 가능해 가속 페달을 늦출 때에 시스템은 e모터가 결속되지 않고 엔진과 구동축 연결을 잠시 끊어 엔진을 공회전 상태에 둠으로써 연료소모를 줄이는 코스팅(Coasting) 기능을 수행한다. 아예 엔진을 끄는 세일링(Sailing)도 가능하다. 정상 모드에서 제동 시엔 보다 향상된 에너지 회생을 실시한다. 48 V 스톱/스타트 시스템은 일반적인 12 V보다 재시동이 부드럽고 신속하다.





콘티넨탈의 솔루션은 차량의 트랜스미션 변경을 요구하지 않고 최소한의 엔진 캘리브레이션만하는 매우 효율적인 패키징의 48 V B-ISG다. 모듈이 작으면 작을수록 풀 하이브리드에 적용도 쉬워진다. 작은 터보차저 엔진에서 낮은 rpm 토크를 보완하고 12 V 시스템 대비 4배 이상의 제동 에너지를 회수함으로써 NEDC 사이클에서 CO2 배출 저감을 10~13%, 새로운 WLTC 사이클에서 7~10% 개선할 수 있다.

콘티넨탈의 e모터로 작동하는 GM의 e어시스트는 48 V 마일드 하이브리드 시스템으로 모듈이 내연기관의 앞 쪽에 마운트된다. 콘티넨탈의 e모터는 5 kW급(최대 13 kW) 인버터 통합 수냉식 유도 모터다. 유닛의 무게는 12 kg이다. 15 kW까지 토크를 전달하려면 벨트가 매우 중요하기 때문에 샤플러의 저저항 벨트 텐셔너를 이용한 콘티테크의 강화 벨트를 사용한다. 차에는 리튬 배터리와 작은 DC/DC 컨버터가 트렁크에 실린다. 12 V 배터리로 착각할 만큼 작은 배터리는 SK 콘티넨탈 E-모션이 제공했다. 48 V 모듈은 인버터를 e모터에 통합해 케이블을 제거함으로써 종전의 시스템 대비 BOM을 절반으로 줄었다. 

AEM_Automotive Electronics Magazine