말레, 새로운 48V 프로토타입 배터리 공개

말레 파워트레인(MAHLE Powertrain)은 2월 27일부터 28일까지 영국 국립모터싸이클박물관(The National Motorcycle Museum)에서 열린 ‘미래 파워트레인 컨퍼런스(Future Powertrain Conference, FPC) 2019에서 마일드 하이브리드 자동차(mild hybrid road vehicles)의 성능을 향상시킬 수 있는 새로운 48V 배터리 설계를 선보였다. 말레는 이 기술의 가능성을 입증하기 위해 워킹 프로토타입 배터리를 설계하고 개발했다. 

말레 파워트레인의 마이크 바셋(Mike Bassett) 수석 엔지니어는 “48V 시스템의 장점은 훨씬 낮은 비용으로 고전압 시스템과 비슷한 연비 혜택을 제공한다는 것"이라며 "그러나 우리는 이 아키텍처가 비용 및 패키징 제약에 따른 배터리 모듈의 트레이드오프로 인해 근본적으로 제한적이라는 것을 알았다. 파워트레인 부품에 대해 최적의 균형을 맞추기 위해 48V 시스템에 대한 광범위한 연구를 수행한 결과, 이산화탄소 배출을 12~15% 줄일 수 있는 MHEV(Mild Hybrid Electric Vehicle) 개발 경로를 확인했다”고 말했다. 

마일드 하이브리드는 감속 중에 에너지를 효율적이고 신속하게 회수해야 한다. 그러나 패키징 및 원가 요인으로 의해 저장 용량이 작은 보다 소형 배터리를 사용할 것을 권장한다. 필요한 것은 고출력이면서 빠른 충·방전이 가능한 소형 배터리 팩이다. 말레는 이러한 조건을 만족하는 적절한 배터리가 없다는 판단 하에 직접 배터리를 설계하고 제작했다.

바셋은 “모든 제약을 최소화하고 향상된 파워트레인 솔루션의 달성 가능성을 입증하기 위해 48V 차량에서 필요한 것이 무엇인지를 되짚었다”며 “분석은 기존 C 세그먼트 48V 데모 차량에서 이루어졌다”고 말했다. 

말레가 이미 개발한 다운사이징된 중형 차량에는 벨트 구동 시동모터/발전기(Belt-integrated Starter Generator, BSG)와 48V 전기 슈퍼차저가 장착된 1.2L 터보차저 3기통 엔진이 장착돼 있다. 말레에 따르면, 이 차는 새로운 WLTP(Worldwide Harmonized Light-duty vehicle Test Procedure) 테스트에서 12% 낮은 CO₂ 수치를 기록해 양산 2.0 TGDi에 상응하는 성능을 제공한다. 이것은 전적으로 다운사이징을 통해서만 달성되었다고 한다. 말레는 자사의 새로운 48V 고출력 배터리와 함께 동등한 성능의 48V e-액슬(e-axle)을 장착하면 확실히 더 나아질 것이라고 밝혔다.

배터리 팩 최적화

바셋은 “배터리 팩 개발에 필요한 적절한 전지(셀) 선택이 가능해졌기 때문에, 적절한 높은 수준의 성능 목표를 설정하는 것이 중요했다”면서 “균형이 중요한데, 패키징 요구사항과 팩 성능 목표를 필요한 전지의 총 무게와 일치시키면 고출력 성능과 상대적으로 낮은 에너지 저장 용량을 갖춘 팩을 개발할 수 있다”고 말했다. 

부적절한 배터리 냉각은 충전/방전 성능과 배터리 수명에 상당한 영향을 미칠 수 있다. 바셋은 배터리와 주변의 온도 차이를 좁히는 것이 어려웠다고 말했다. 
“우리는 전통적인 공기냉각을 액체 냉각제로 대체하고자 했다. 액체 냉각제는 고온 환경에서 공조 시스템과 연결될 수도 있지만, 냉각제를 전지와 전기적으로 분리하는 과제를 해결해야 했다.” 
엄격한 냉각 전략을 채택한 말레 파워트레인은 자체 시뮬레이션 결과 냉각 성능이 정확히 목표에 도달했다고 밝혔다.

말레 엔지니어들은 회로 설계뿐만 아니라 버스 바 설계 및 소재에 대한 세심한 주의를 통해 단락(short-circuit) 가능성을 최소화했다. 바셋은 “훨씬 더 큰 350~400V 배터리 팩과 비교하면 48V가 기술적으로 안전한 시스템이지만, 단락 회로는 여전히 상당한 에너지를 방출할 수 있다”며 “말레는 시스템 안정성은 물론 성능을 극대화하려고 했다”고 말했다. 

On the road

새로운 설계는 향상된 에너지 회수와 고속 충전을 가능케 해 효율을 높여준다. 바셋은 내연기관(ICE) 효율이 일정하다고 가정할 때 고출력 배터리 팩이 도로에서 확실히 효율을 높여주고 새로운 WLTP 표준에 의거해 12%의 연료 절감 효과를 제공한다고 밝혔다.
말레 파워트레인은 효율적인 파워트레인 기술로 최대 15%까지 효율을 향상시킬 수 있는 배터리 기술을 단 9개월 만에 평가, 설계, 분석 및 프로토타이핑까지 완료했다. □

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