BMW PLUG IN HYBRID

성능과 효율의 균형을 위한 솔루션

2015년 09월호 지면기사  /  글│BMW Korea



BMW는 다양한 분야의 친환경 기술 개발과 함께 성능과 효율의 균형을 합리적으로 이룰 수 있는 하이브리드 기술 개발에 많은 노력을 기울여 왔다. 얼마전 국내에 공식 판매를 시작한 BMW i8은 BMW 하이브리드 기술의 현주소를 보여주는 좋은 예다. 플러그인 하이브리드 i8 뿐 아니라 머지않아 다른 BMW모델에도 플러그인 하이브리드, 나아가 EREV 기술이 적용될 예정이다.


지속되는 ‘운전의 즐거움’

인류의 미래를 생각하는 사람들은 후손들에게 깨끗한 환경을 물려줄 수 있는 방법을 고민했고, 자동차의 배기가스를 줄이는 것이 효과적인 방법이라는 결론을 얻기에 이르렀다.

자동차 회사들은 친환경적인 자동차를 만들기 위한 기술을 개발하는 데 많은 노력을 기울였으며, 특히 BMW는 환경의 중요성을 인식하고 일찌감치 친환경적인 자동차를 만들기 위해 다양한 시도를 해왔다. 그러나 BMW는 환경친화성만 중요하다고 생각하지 않았다. 미래의 BMW에서도 ‘운전의 즐거움’을 경험할 수 있어야 한다고 생각했다. 운전의 즐거움이야말로 그동안 많은 소비자가 BMW를 선택한 이유이며 BMW의 가장 중요한 유전자이기 때문이다.

BMW는 이런생각을 ‘Effieicnt Dynamics’ 전략을 통해 제품에 반영해 왔다.
EfficientDynamics 전략은 자동차의 모든 부분이 상호작용해 효율을 극대화하도록 기술을 개발하는 것이다. 그중에서 중요한 부분중 하나로 꼽히는 것이 구동계의 효율을 높이는 것이다. 주행 중 배기가스를 내놓지 않는 전기 구동계가 가장 이상적인 친환경 기술이라는 데에 동의하지 않는 사람은 거의 없다.

그러나 이미 보편화된 휘발유, 경유, LPG 등 화석연료 중심의 자동차 관련 인프라가 전기차 중심으로 바뀌려면 적잖은 시간과 노력이 필요하다. 따라서 전기차 시대가 열리기 전까지는 엔진을 사용하는 자동차를 더욱 효율적이고 친환경적으로 만들어야 한다.

그래서 BMW는 다양한 분야의 친환경기술 개발과 함께 성능과 효율의 균형을 합리적으로 이룰 수 있는 하이브리드(HEV) 기술 개발에 많은 노력을 기울여 왔다. 얼마 전 국내에 공식 판매를 시작한 BMW i8은 BMW 하이브리드 기술의 현주소를 보여주는 좋은 예다.

BMW i8에는 하이브리드 기술의 가장 발전된 형태인 플러그인 하이브리드(Plug in Hybrid, PHEV) 기술이 담겨 있다. i8 뿐 아니라 머지않아 다른 BMW 모델에도 플러그인 하이브리드 기술이 적용될 예정이다.



전기차에 가까운 HEV

PHEV를 설명하려면 먼저 바탕이 되는 하이브리드 기술부터 말해야 이해하기가 쉽다. 친환경차에 관한 관심이 높아지면서 하이브리드 카라는 용어도 이제는 그리 낯설게 느껴지지 않게 됐다. 원래 자동차에서 하이브리드란 성격이 다른 동력원을 결합해 주행에 필요한 힘을 얻는 기술을 말한다. 그러나 현재 자동차에 가장 널리 쓰이는 형태가 휘발유 엔진에 전기 모터를 결합한 것이어서, 하이브리드 카라고 하면 대개 휘발유 엔진과 전기 모터 구동계를 갖춘 차를 말한다.

하이브리드 카는 주행 조건에 따라 엔진의 힘으로, 때로는 전기 모터의 힘으로 달리고, 특정한 상황에서는 엔진과 전기 모터가 함께 주행에 필요한 힘을 내기도 한다. 물론 전기 모터가 바퀴를 굴리는 힘을 내려면 전기가 필요하다. 그래서 하이브리드 카에는 반드시 전기를 저장하는 배터리가 있다. 이 배터리는 브레이크를 밟는 등 차가 속도를 줄일때의 운동 에너지를 전기로 바꾸거나 엔진과 함께 작동하는 발전기에서 전기를 만들어 충전한다. 간단히 말하면 전기 모터에 공급되는 전기는 자가발전을 통해 얻는 셈이다.

이런 특성을 지니고 있기 때문에, 하이브리드 카에서 배출되는 배기가스의 양을 줄이려면 그만큼 주행 중 엔진이 작동하는 시간을 줄이고 전기 모터가 작동하는 시간을 늘리면 된다. 전기 모터가 오랜 시간 작동하려면 그만큼 많은 전기가 필요하고, 자동차 자체적으로 만들어내는 전기는 한계가 있기 때문에 배터리 크기(충전용량)를 키우는 것이 가장 단순하고도 확실한 해결책이다. 그러나 배터리를 무작정 키울 수는 없다. 값이 비쌀 뿐 아니라 무겁기도 하고, 차에서 차지하는 공간도 크기 때문이다. 따라서 배터리의 크기는 차의 성격과 하이브리드 구동계의 특성에 가장 알맞게 정해진다.

PHEV는 이와 같은 하이브리드 카의 특성을 한층 전기차에 가깝게 발전시킨 것이다.
일반 하이브리드 카는 자가발전을 통해서만 배터리를 충전할 수 있기 때문에 목적지에 도착했을 때 배터리 충전율이 낮은 상태로 차를 세워놓으면 그 다음에 출발할 때에도 여전히 배터리 충전율이 낮은 상태다. 따라서 충분한 충전이 이뤄지기 전까지는 전기 모터로 주행할 수 있는 거리가 제한된다. 그러나 PHEV에는 일반 하이브리드 카에는 없는 외부 전원을 이용한 충전 기능이 있다. 이 기능을 이용해 차를 세워놓았을 때 배터리를 충전해 놓으면 전기 모터로 주행할 수 있는 범위가 넓어진다. 그리고 대부분의 PHEV는 이런 장점을 더욱 잘 살릴 수 있도록 일반 하이브리드 카보다 충전용량이 큰 배터리를 사용한다.

PHEV는 엔진을 사용하는 전통적인 내연기관 자동차에서 전기차로 발전하는 여러단계 중 전기차의 바로 이전 단계에 해당하는 기술이다. 이미 시판되고 있는 전기차도 있지만, 아직까지 충전 인프라가 충분히 갖춰져 있지 않기 때문에 사용자들은 항상 주행 가능한 거리에 대한 우려를 안고 있다. 그러나 PHEV를 비롯한 하이브리드 카는 배터리에 저장된 전기를 모두 다 사용하더라도 엔진을 작동시켜 움직일 수 있고, 엔진 구동에 필요한 연료는 비교적 쉽게 구할 수 있어 주행 가능거리를 걱정하지 않아도 된다. 따라서 지금과 같은 자동차용 에너지 공급 인프라에서는 하이브리드 카, 특히 PHEV가 가장 친환경적이면서도 합리적인 구동계 형태라고 할 수 있다.




성능과 효율의 균형

BMW의 하이브리드 기술은 Efficient Dynamics 전략의 틀 안에서 꾸준히 발전해왔다. 이는 항상 성능과 효율의 균형이라는 관점을 생각하며 기술을 개발해왔다는 뜻이기도 하다. 이는 하이브리드 카에서도 마찬가지다. BMW의 하이브리드 카는 여러 주행조건을 고루 고려해 엔진과 전기 모터를 유연하게 사용함으로써 성능과 효율의 균형을 이루도록 만들어졌다. 이런 방향은 BMW의 최신 PHEV에서 더욱 두드러지고 있다.

보통 하이브리드 카는 연료소비를 줄이는 데 초점을 맞춰 개발된다. 가다 서기를 반복하며 느린 속도로 주행하는 상황에서는 엔진이 작동하면 연료소비가 매우 많아지므로 집중적으로 전기 모터를 활용하도록 만들어진다. 물론 환경 측면에서도 그런 상황에서는 최대한 전기 모터를 이용해 주행하는 것이 바람직하다. 자동차가 밀집해 저속으로 달리는 곳에서는 여러 차에서 나오는 배기가스가 주변 공기를 쉽게 오염시키기 마련이다.

그러나 일반적인 하이브리드 카의 문제점 중 하나는 연료소비를 줄이기 위해 성능이 좋지 않은 엔진을 쓰는 경우가 많다는 것이다. 그런 차는 특정 상황에서는 연료소비가 좋을 수 있지만, 고속도로를 달리거나 먼 거리를 달릴 때에는 얘기가 달라진다. 전기 모터의 도움을 받기 어려울 뿐 아니라 엔진의 힘이 충분하지 못해 오히려 연료소비가 많아질 수도 있기 때문이다.

반면 BMW의 PHEV는 모든 주행조건을 고루 고려해 엔진과 전기 모터가 각각 최적의 성능과 효율을 내도록 개발됐고, EfficientDynamics 전략에 따라 여러 기술적요소가 이들을 뒷받침한다. 특히 엔진과 전기 모터가 상호보완적인 역할을 한다는 것이 BMW PHEV의 특징이다. 엔진이 충분한 힘을 내지 못하는 낮은 회전수에서는 회전이 시작되는 순간부터 최대 토크를 발휘하는 전기모터가 바퀴를 굴리고, 회전수가 충분히 오른뒤에는 엔진이 바퀴를 굴려 충분한 성능을 이끌어낸다. 트윈파워 터보 엔진과 전기 모터 모두 뛰어난 성능과 효율을 내고, 두 동력원이 철저한 시험을 통해 정교하게 만들어진 에너지 관리 시스템을 통해 제어되기 때문에 가능한 일이다.



i8과 X5 xDrive40e

지난 3월 국내에 공식 출시된 BMW i8에서도 그런 특징을 확인할 수 있다. BMW 최초의 플러그인 하이브리드 스포츠카인 i8은 미래적인 스타일만큼이나 혁신적인 성능과 효율을 자랑한다. BMW i8은 정지 상태에서 시속 100 km까지 4.4초 만에 가속하고 시속 250 km까지 속도를 낼 수 있는 스포츠카다.

그러나 엔진 배기량은 일반 소형차 수준인 1.5리터에 불과하다. 물론 BMW의 트윈파워 터보와 여러 기술에 힘입어 최고 출력은 231마력에 이른다. 뒷바퀴에 연결된 엔진과 더불어 i8의 뛰어난 성능과 효율을 더욱 높은 수준으로 끌어올리는 것은 앞바퀴에 연결된 전기 모터와 고성능 배터리, 그리고 에너지관리 시스템으로 구성된 eDrive다. BMW i8의 eDrive 전기 모터는 131마력의 힘을 내 엔진과 함께 총 362마력의 출력을 낸다.

i8은 효율을 극대화한 설계와 7.1 kWh 대용량 배터리 덕분에 거리는 최대 24 km까지, 속도는 최대 시속 120 km까지 전기모터만으로 달릴 수 있다. BMW i8은 엔진과 전기 모터를 고루 사용해 주행했을 때 유럽 표준 시험 사이클 기준으로 최대 약 600km 주행이 가능하다.

i8에서도 알 수 있듯, BMW PHEV는 트윈파워 터보 엔진과 eDrive 시스템으로 구성된다. 이와 같은 구성은 i8과 같은 특별한 모델 뿐 아니라 현재 판매되고 있는 BMW의 일반 양산 모델 라인업에도 점차 확대 적용될 예정이다. 올해 제네바 모터쇼에서 발표한 X5 xDrive40e는 BMW의 첫 PHEV 일반 양산 모델이다. 특히 BMW 고유의 상시 4륜구동 시스템인 xDrive와 eDrive 기술을 결합한 첫 모델이기도 하다.



X5 xDrive40e는 BMW가 개발한 2모드 풀 하이브리드 시스템을 더욱 발전시킨 것으로, 8단 스텝트로닉 변속기 내부에 동기식 전기모터를 설치하고 트렁크 바닥 아래에 놓인 배터리로부터 전기를 공급받는다. 2.0리터 트윈파워 터보 엔진과 eDrive 시스템은 총 313마력의 출력을 내고, 9.0 kWh 용량 배터리를 이용해 최대 31 km 거리(유럽 기준), 시속 120 km까지 전기 모터만으로 주행할 수 있다. X5와 같은 대형 스포츠 액티비티(SAV)에서도 이와 같은 성능을 얻을 수 있는 것은 i3과 i8 등 BMW i 시리즈 개발 과정에서 얻은 eDrive 기술 노하우 덕분이다.


엔진은 거들 뿐

지난해 BMW는 최신 기술을 소개하는 이노베이션 데이(Innovation Days) 행사에서 3시리즈 세단에 PHEV 기술을 적용한 시험 제작차를 선보였다. 4기통 트윈파워 터보 엔진과 eDrive를 결합한 구동계를 사용한다는 점은 지금까지 나온 다른 BMW PHEV와 같지만, 이러한 구조가 시판되는 세단에도 곧 적용될 수 있음을 알리는 신호탄이라고 할 수 있다. 지난해에 이어 올해에도 BMW는 이노베이션 데이 행사를 통해 2시리즈 액티브 투어러의 PHEV 프로토타입을 공개했다.

3시리즈 세단 기반의 PHEV는 내년에 330e라는 이름으로 BMW 모델 라인업에 정식으로 포함될 예정이다. 시스템 출력 252마력을 내는 BMW 330e는 정지 상태에서 시속 100km까지 6.3초 만에 가속한다. 복합 연비는 47.6km/l(유럽 기준, 잠정치), 이산화탄소 배출량은 49 g/km로 경제성과 친환경성을 겸비한다.



BMW 330e와 더불어 2016년에 출시될 예정인 BMW 740e는 대형 럭셔리 세단의 경제성 기준을 새롭게 세울 것이다. 4기통 트윈파워 터보 엔진과 eDrive를 결합한 구동계는 총 326마력의 시스템 출력을 내면서도 BMW 330e와 같은 47.6 km/l(유럽 기준, 잠정치)의 놀라운 경제성을 자랑한다. 또 순수 전기 모드로 최대 40 km까지 주행할 수 있어 단거리 이동 시에는 전기차와 같은 조용하고 부드러운 주행성능을 만끽할 수 있다.

앞으로 eDrive가 BMW 라인업에 본격적으로 적용되면 BMW 고유의 뛰어난 핸들링과 성능을 그대로 느낄 수 있으면서도 이산화탄소 배출량은 대부분 모델에서 지금의 경차 수준인 100 g/km 이하로 줄일 수 있을 것이다. eDrive의 확대를 위해, 올해부터 BMW는 독일 딩골핑 공장에 대규모 투자를 통해 eDrive 시스템의 대량 생산을 준비 중이다. 2020년까지 수 천만 유로를 투입해 설비와 인력도 확충할 계획이다. PHEV의 효율과 성능도 더욱 높아져서, 전기차 모드로 주행할 수 있는 거리는 100 km, 리튬이온 배터리팩의 충전용량은 20 kWh, 하이브리드 시스템 합산 출력은 500 kW에 이를 전망이다.



PHEV는 앞으로 엔진 의존도는 더욱 낮추고 eDrive의 의존도를 더 높이는 방향으로 발전할 것이다. 궁극적으로는 주행은 완전히 eDrive로만 이뤄지고, 엔진은 배터리 충전용으로만 사용하게 될 것이다. 이러한 개념이 쓰인 PHEV를 주행거리 연장(range extender, EREV) 방식 플러그인 하이브리드라고 한다.

흥미로운 사실은 BMW는 이미 이와 같은 주행거리 연장방식 PHEV를 양산하고 있다는 것이다. 국내에는 출시되지 않았지만, 전기차로 알려진 BMW i3 REX가 바로 그것이다. i3의 선택사항으로 발전용 엔진을 추가하면 엔진이 만든 전기로 배터리를 충전해 주행거리를 늘릴 수 있다. 평소에는 일반 전기차처럼 차를 세워두었을 때 외부 전원으로 배터리를 충전하고, 주행 중 배터리 충전량이 크게 줄었을 때에는 엔진으로 발전해 배터리를 충전하는 방식이다. 엔진은 발전을 거드는 존재일 뿐, 실제로는 완전한 전기로 주행하는 것이다.

이처럼 미래에나 가능할 법한 기술은 지금 우리 주변에서 볼 수 있는 BMW를 통해 현실로 다가와 있다. PHEV의 미래 역시 BMW EfficientDynamics 전략 속에서 바로 지금 우리 생활의 일부로 스며들고 있다.
 

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