연비·운전의 즐거움 높이는 프리미엄 기술

1월, 하이브리드-네이션 일본 도쿄서 개최된 ‘Automotive World 2016’ EV JAPAN에서 마그나 파워트레인은 ‘Highly Integrated e-Drive’를 하이라이트했다. 카 메이커의 프리미엄, 차별화 전략과 함께 하이브리드 카, 전기차는 연비 외에도 더욱 강력한 추진력, 속도, 밸런스, AWD 등 달리는 즐거움의 고기능화가 추구되고 있다. 마그나가 카 메이커에 성능, 효율성, 비용 모든 면에서 Highly Integrated e-Drive로 어필하고 있다.

자동차 구동시장에서 2030년까지 전기차와 하이브리드 카는 기하급수적으로 증대될 전망이다. IHS에 따르면 2027년 마일드 하이브리드 시스템은 1,300만 대, 풀 하이브리드는 900만 대, 전기차는 200만 대 수준에 이를 전망이다. 또 하이브리드 카 등 전기차는 종전보다 더욱 향상된 연비와 배출가스 저감 성능은 물론 가속력과 최고 속도라는 운전의 즐거움을 제공하기 위해 더욱 강력한 e드라이브를 요구하고 있다.

강력한 추진력과 최고 속도, 모든 액슬에 대한 동력 분배와 AWD(All Wheel Drive) 기능, 중량 밸런스라는 고기능성이 추가되고 있다. 예를 들어 이런 경향은 이미 렉서스 RX 450h, 볼보 V60 플러그인 하이브리드, 테슬라 모델S, 어큐라 RLX 스포츠-하이브리드, BMW i8 등 여러 모델을 통해 시작되고 있다.

마그나와 같은 구동계 스페셜리스트들은 이같은 업계의 요구와 기술 혁신으로 2027년까지 풀 하이브리드 액슬 드라이브가 약 43만 대, 풀 하이브리드 트랜스미션드라이브가 57만 대, 연료전지·배터리 전기차 등의 액슬 드라이브가 170만 대 규모가 될 것으로 보고 있다.

강력해진 시스템

이런 이유에서 마그나 파워트레인은 1월 도쿄서 열린 ‘Automotive World 2016’ EV JAPAN에서 “Highly Integrated e-Drive” 시스템을 하이라이트했다.
전시된 Highly Integrated e-Drive의 첫 인상은 2년 전 볼보 V60 플러그인 하이브리드에서 봤던 ‘Electric Rear Axle Drive, eRad’ 시스템과 비교할 때 꽤 크다는 것이었지만 설명을 듣고 나니 상당히 콤팩트한 시스템임을 알 수 있었다.

마그나 파워트레인의 한 관계자는 “볼보 V60에서는 리어 액슬 모터가 내연기관의 구동력을 보조하는 역할이 좀 강해 모터크기나 출력이 작았지만 Highly Integrated e-Drive는 보조적인 드라이브는 물론 메인드라이브로도 적극 사용되기 때문에 모터부터 크기나 출력이 더 크다”고 설명했다.

V60 플러그인 하이브리드는 프론트의 2.4리터 D5 터보디젤 엔진이 메인 드라이버였다. 12 kWh의 리튬이온 배터리와 함께 eRAD의 50 kW급 모터는 70마력, 최대 토크 200 Nm로 전기 드라이브, e부스트, 회생제동, AWD 구동력 지원 역할을 수행했다. 반면 ‘Highly Integrated e-Drive’ 시스템은 140 kW급 모터로 60초 동안 최대 3,800 Nm의 힘을 바퀴에 공급한다. 게다가 ASiL D 수준을 만족하면서 하이브리드 카와 배터리 전기차 모두에 적용될 수 있다.

Highly Integrated e-Drive는 전동모터, 기어박스, 인버터 등으로 구성된다. 이같은 통합을 위해 인버터는 액추에이터 컨트롤을 포함해 디자인 측면에서 최적화됐다. 최대 450 Vds, 480 Arms를 특징으로 한다. 전동모터는 최적의 생산비용을 위해 유도 모터가 채용됐다. 모터는 배터리 전기차, 하이브리드 애플리케이션 모두에 가능하도록 180 mm 또는 250 mm의 스테이터 지름을 갖는다. 회전수는 최대 1만 8,000 rpm이다. 기어박스는 콤팩트한 싱글스피드 기어박스로 오프셋과 동축(coaxial) 구조 구현이 가능하다. 파킹 록 액추에이터 옵션이 있고 NVH에 최적화돼 있다.

마그나의 관계자는 “이 모듈 시스템은 플러그인 하이브리드와 배터리 전기차 모두에서 메인 드라이브 혹은 e부스트등 보조 드라이브로 사용이 가능하다”고 강조하며 “차량의 설계 구성에 따라 각기 다른 구동계 레이아웃이 가능하다”고 설명했다.

예를 들어 시스템은 프론트에서 내연기관을 지원할 수 있고, 볼보의 플러그인 하이브리드 사례처럼 AWD 등 애플리케이션의 다목적 리어 드라이브로 사용돼 주된 액슬은 내연기관에 의해, 보조 액슬은 ‘Highly Integrated e-Drive’에 의해 작동될 수 있다. 이는 eAWD 시스템일 뿐만 아니라, 내연기관이 작동되지 않을 때에는 순수한 일렉트릭 액슬 드라이브로도 기능한다.

시스템을 배터리 전기차에 사용하면 메인 드라이브로 프론트나 리어 액슬에 모두 연결이 가능해 원하는 차량 레이아웃에 따라 여러 가지 옵션을 적용할 수 있다. 예를 들어 140 kW급 모터의 한 개 Highly Integrated e-Drive를 프론트에 두거나, 100 kWh의 배터리와 함께 프론트와 리어에 각각 1개씩 두 개 시스템을 배치할 수도 있다. 또 2개의 Highly Integrated e-Drive를 리어의 각 휠에 연결해 구동력을 크게 높여 차량의 역동적인 성능과 주행안전성을 극대화할 수도 있다.

통합의 의미

마그나의 관계자는 “마그나는 OEM 고객의 요구사항에 대해 지속적으로 최선의 솔루션을 제공하기 위해 노력하고 있다”며 “요구사항이란 전기/전자, 기계, 유압, 소프트웨어 시스템을 포함하고 자원, 소통, 비용 등 막대한 엔지니어링 및 제조 노력을 요구하는 통합 시스템의 복잡성에서 오는 문제들”이라고 말했다.

Highly Integrated e-Drive는 인버터와 전기모터, 기어박스, 액추에이터, ECU, 저전압 와이어링 하네스, 디퍼런셜을 하나의 패키지에 매우 콤팩트하게 조립한다. 이런 통합의 이점은 전기 커넥터와 쿨링 커넥션 등 인터페이스 수의 감소, 하우징, 실링, 서멀(thermal) 플레이트 등의 부품을 통한 중량 최적화, 부품과 내부 연결에 의한 패키지 볼륨의 최적화, 차량 통합에서 플러그 앤 플레이 방식의 간소화, 원 시스템 서플라이어의 품질, 안전, 비용 혜택 등이다.

마그나의 관계자는 “고도의 통합은 기술 진화의 일반적인 방법인데, Highly Integrated e-Drive는 여러 혁신 부품을 결합해 다양한 기능을 가진 고성능 제품이면서 확장 가능한 플랫폼”이라며 “간소화, 효율화, 지능화를 추구하는 이 시스템은 향후 전기차 및 하이브리드 카 시장에서 마그나의 성장을 이끌어 줄 것”이라고 말했다.

카 메이커들의 프리미엄 차별화 전략의 가속과 Highly Integrated e-Drive의 기술적 혜택, 플랫폼 요소의 간소화와 통합 기술을 통한 비용적 혜택에도 불구하고 이런 시스템 채용의 가장 큰 문제는 언제나 비용이다.
시간이 갈수록 볼륨이 커지며 비용 문제는 자연스럽게 해결되겠지만, 당장은 성능을 낮추거나 48V로 전압을 다운하는 등 다운스케일링을 하는 것도 한 가지 방법이 될 수 있다.

e드라이브용 전자식 부품

마그나는 전시회에서 e드라이브, 엔진 및 보조 냉각용 전동 워터 펌프, e트랜스미션 오일 펌프, e페이서(ePhaser), 전자식 수퍼차처, 전동 진공 펌프 등의 전기차 관련 제품을 대거 선보였다.

마그나의 관계자는 “우리는 단순히 하나의 부품을 생산하는데 그치는 것이 아니라 연비 개선 및 탄소배출 저감을 위한 최선의 통합 시스템을 만들기 위해 노력한다”며 “열관리 및 에어 순환로 등의 요소들을 고려해 개발한 전자식 부품들은 기존의 엔진과 트랜스미션 등 기계적 부품들에 비해 획기적인 연비 및 탄소 저감을 실현할 수 있다”고 말했다.

iVP2 온디멘드 전동 진공 펌프(EVP)는 마치 터보차저처럼 브레이크 부스터에 충분한 진공을 형성해 파워 브레이크를 증폭시킨다. 플러그 앤 플레이 타입 솔루션으로 모든 종류의 엔진에서 장착 유연성과 함께 기계식 진공 펌프를 대체할 수 있다. CO2배출 저감 성능은 NEDC 기준 기계식 펌프대비 0.5~1 g CO2/km다.

온디멘드 하이브리드 드라이브 트레인용 메인 전동 워터 펌프는 최적의 차량 온도관리를 가능케 한다. 냉각수의 유량 제어가 가능하며 연비와 CO2 배출량 삭감에 기여한다.

아이들 스톱/스타트를 위한 하이브리드 드라이브트레인용 트랜스미션 전동오일 펌프는 기계식 펌프를 대체해 코스팅(coasting), 세일링(sailing) 주행 등을 포함한 엔진 정지 상태에서 트랜스미션의 유압 유지와 윤활을 가능케 하고 연비와 CO2 배출 저감에 기여한다. 기계식 펌프대비 다운사이징된 펌프는 부스트 기능을 통해 변속 품질과 응답성을 개선해 NEDC 기준 최대 2.7 g의 CO2 배출 저감 효과를 가져온다.

3 kg 미만으로 파워 및 제어장치까지 통합한 48V e수퍼차저(eSupercharger)는 엔진 다운사이징, 다운 스피딩을 실현해 최첨단 CO2 배출 저감 전략을 지원한다. 큰 위상 범위의 고효율 전자기계식 캠샤프트 페이서 ‘e페이서(ePhaser)’는 엔진 조건에 상관없는 고정밀, 고역학 제품으로 새로운 연소 과정에 대응한다. 유압에 의한 소비 마력을 배제하며, 냉간 시동 최적화를 가능하게 하는 솔루션이다.

마그나의 관계자는 “마그나가 최고인 이유는 통합과 패키징 부문에 있어 기존 및 타 제품 대비 무게 절감, 공간절약까지 가능한 혁신적인 솔루션을 제공하기 때문”이라고 말했다.