2013년 07월호 지면기사
/ 글│한 상 민 기자 <han@autoelectronics.co.kr>
볼보 카 그룹은 지난 한해 일반도로에서 회생제동 플라이휠 기술에 대한 테스트를 완료하고 모델 적용을 서두르고 있다. 플라이휠 KERS라 불리는 기술은 순수 기계식 시스템으로 기존의 배터리 하이브리드 시스템에 비해 가볍고 비용이 적게 든다. 높은 연료 효율은 물론 회생제동 에너지를 내연기관의 최대출력과 결합시켜 차에 80마력을 추가한다.
하이브리드 카를 고려할 때 OEM이 가장 신경 쓰는 것은 ‘친환경’이라는 성스러움을 입기 위해 지불해야하는 배터리와 모터 유닛의 비용과 중량, 그리고 파워의 희생이다. 볼보의 플라이휠 KERS는 이런 점에서 배터리가 없는 순수 기계식 하이브리드 시스템인데다 상당한 파워 부스터 능력도 제공해 하이브리드의 공식을 뒤바꿀 솔루션으로 주목받고 있다.
예테보리의 혁신
사실, 하이브리드 카는 더 이상 새로운 것이 아니다. 대체로 기술은 동력을 보조하는 모터와 내연기관으로 이뤄진다. 모터를 위한 전기에너지를 저장하기 위해 배터리를 장착하고 있다. 그런데 볼보는 이같은 하이브리드 카의 개념을 바꾸고 있다.
예테보리의 볼보 R&D센터 내의 S60 플라이휠 KERS(Flywheel Kinetic Energy Recovery System) 프로토타입은 프론트 휠로 구동하는 T5 5실린더 가솔린 터보엔진에 리어액슬 플라이휠을 결합시켰다. 기능은 포뮬러 원(Fl)의 KERS와 같지만 배터리를 장착하지 않는다.
플라이휠 KERS 시스템은 플라이브리드(Flybrid)의 플라이휠, 그리고 최근 플라이브리드의 지분 20%를 획득한 토로트랙(Torotrak)의 CVT 기술을 활용한다. 시스템은 리어액슬에 장착된다. 차의 속도가 줄어드는 동안, 제동 에너지는 플라이휠을 분당 60,000회까지 회전시킨다. 차가 다시 움직이기 시작하면 플라이휠의 회전은 특수 디자인된 트랜스미션을 통해 리어 휠로 전달된다. 프론트 휠을 구동하는 내연기관은 제동이 시작되면 즉시 스위치 오프된다. 플라이휠의 에너지는 차가 다시 움직이거나 순항 속도에 이를 때 차를 가속하는데 사용될 수 있다.
볼보 파워트레인 엔지니어링 부문의 데릭 크랩(Derek Crabb) 부사장은 “볼보는 최신식 회생제동 시스템에 대한 전반적인 실험을 지난해 진행했다. 예를 들어 4실린더 터보엔진과 결합된 시스템 성능을 6실린더 터보엔진과 비교했을 때 최대 25%까지 연료 소모를 줄일 수 있었다. 게다가 추가되는 80마력은 4실린더 엔진의 가속력을 6실린더처럼 만든다”고 말했다.
시스템이 추가하는 80마력은 S60 T5가 지닌 254마력을 334마력까지 확장시킨다. 플라이휠의 에너지가 내연기관의 최대출력(full capacity)과 결합되면 시스템은 차에 80마력을 추가하고 신속한 토크 빌드업으로 재빠른 가속력을 부여한다. S60 플라이휠 KERS 프로토타입은 이에 따라 0 km/h에서 100 km/h까지 5.5초에 도달한다.
S60 플라이휠 KERS는 에코, 하이브리드, 스포츠 등 세 가지 드라이빙 모드를 지니고 있다. 에코 모드에서 내연기관은 제동력의 제공에 따라 멈추고, 리어액슬 플라이휠로 회생제동한다. 가속과 KERS 유닛은 똑똑한 소프트웨어를 통해 리어휠에 사용 가능한 파워를 전개시킨다. 출력은 연비 개선을 위해 254마력으로 제한된다.
시스템이 불러오는 실질적 이득은 인스턴트 토크에서 비롯된다. 하이브리드 모드에서 차는 같은 방식으로 플라이휠을 활용하지만 엔진 출력에 파워를 더해 최대 334마력을 제공한다. 현재 이 기능은 40 km/h 이상에서만 가능하지만 볼보는 양산차에서 전속도 구간에 대응하도록 할 방침이다. 또 CVT 기어 박스는 성능과 효율성 사이에서 최적의 균형을 제공하기 위해 보정돼 있지만 이 역시 쉽게 조정될 수 있다.
스포츠 모드에서는 더 적극적으로 회생제동 에너지를 활용한다. 최대 속도의 60% 회전까지 부스트를 제공하기 위해 플라이휠에 관여하지 않는다. 100% 충전됐을 때에는 8초 동안 지속적으로 80마력을 제공한다. 플라이휠이 제공하는 큰 터보 에너지뿐만 아니라 터보 랙도 없다.
탄소섬유 플라이휠
크랩 부사장은 “플라이휠에 저장된 에너지는 짧은 시간의 동력으로 충분하고 이는 연료 소모에 큰 영향을 미친다. 우리가 얻어낸 수치에 따르면 공식 유럽연비시험기준(New European Driving Cycle, NEDC)에서 절반의 시간에 대해 내연기관을 끌 수 있다. 제동에 따라 플라이휠이 활성화되고, 플라이휠 회전수를 뜻하는 에너지 저장 시간이 제한된다. 기술은 가다 서다를 반복하는 주행상황에서 가장 효과적이다. 바꿔 말하면 연료 저감은 분주한 도심 주행환경에서 매우 액티브한 운전에서 최고의 성과가 나온다고 할 수 있다”고 말했다.
볼보의 최초 플라이휠 KERS 테스트는 30년 전으로 거슬러 올라간다. 그러나 당시에는 높은 중량이란 페널티를 안고 있었다. 플라이휠 KERS는 1980년대에 볼보 260에서 처음 테스트됐다. 스틸로 만들어진 플라이휠이 채용됐고 최근까지도 다양한 제조사를 통해 이 휠을 개량해 왔다. 그러나 스틸로 만들어진 유닛은 너무 크고 무거웠고, 회전력까지 제한하면서 가능한 옵션이 아닌 것으로 결론지어졌다.
때문에 볼보는 탄소섬유강화플라스틱(CFRP)을 시스템에 사용했다. 결과적으로 새 휠은 직경이 20 cm, 무게가 6 kg 밖에 나가지 않는다. CFRP 휠은 마찰 손실을 최소화하기 위해 진공 상태에서 회전한다.
진공상태에서 회전하는 CFRP 플라이휠은 영국의 플라이브리드가 공급한다. 몇 년 전과 비교해 작고 가벼워진 휠은 6만 rpm 혹은 그 이상의 회전을 가능하게 한다. 플라이브리드는 2009년 마그네티 마렐리와 모터스포츠 애플리케이션을 위한 KERS 에너지 저장 시스템을 공동개발했다. 플라이휠 커패시터(Flywheel Capacitor)라 불린 시스템은 전기 모터-발전기에 CFRP 고속 플라이휠을 채용했다. 마그네티 마렐리가 전자 제어기술을 제공했다. 화학 배터리 기반 에너지 저장 시스템을 사용하지 않는 것을 강조한 시스템의 사양은 60 kW, 600 kJ(569 Btu의)였다. 전기 모터와 플라이휠 회전은 안전 기능을 통합한 진공 챔버 내에서 최대 6만 rpm을 기록했다. 작은 전기 펌프가 진공 상태를 만들며 정기적인 유지보수의 필요성을 없앴다. 관련 전자 시스템을 포함한 전체 플라이휠 커패시터 유닛은 약 20 kg이었다.
양산을 위한 길
볼보의 플라이휠 KERS 하이브리드 시스템은 일반적인 S60의 중량에 60 kg을 추가한다. 그러나 결과적으로 시스템은 볼보의 일반적인 살롱 모델과 같은 핸들링과 주행감을 제공한다. 친환경성과 관련해서는 S60 플라이휠 KERS의 CO2 배출량은 최대 183 g/km로 일반적인 가솔린 T5 모델에 비해 10%나 뛰어나다.
크랩 부사장은 “볼보는 프론트 휠 구동 내연기관 차량 리어액슬에 플라이휠 기술을 적용한 최초의 카 메이커다. 우리의 다음 단계는 이 기술이 볼보의 다음 모델에 구현될 수 있도록 완벽하게 적용하고 평가하는 것”이라며 “우리의 시스템은 순수 기계적 시스템이고 매우 저렴하다. 때문에 플러그인과 같은 최상위급 하이브리드 라인이 아닌 더 대중적인 차에 시스템을 사용할 것”이라고 말했다.
현재 이슈 중에는 시스템이 트렁크 공간을 다소 차지하는 문제가 있다. 그러나 볼보의 엔지니어들은 S60의 화물 용량 339리터를 그대로 유지하면서 쉽게 수정할 수 있을 것으로 보고 있다.
플라이휠 KERS는 볼보가 유일한 것은 아니다. 재규어랜드로버, 포드 등도 플라이브리드의 플라이휠과 토로트랙(Torotrak)의 CVT를 이용한 시스템 연구에 참여했었다. 엔지니어링 컨설턴트 리카르도(Ricardo)나 윌리엄스 하이브리드 파워 등도 이 기술을 개발했었다. 토로트랙의 제레미 디어링(Jeremy Deering) CEO는 “볼보의 이번 발표는 미래 하이브리드 기술에 대한 업계의 변화를 의미한다”며 “명백하게 순수한 기계적 하이브리드 시스템이 저렴한 비용으로 CO2 저감에 기여하게 될 것”이라고 말했다. AE
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