한국수입자동차협회(이하 KAIDA, 회장 정재희)가 6월 21일 서울 중구에 위치한 페럼타워에서 제 2회 ‘KAIDA 오토모티브 포럼’을 개최했다. 관련 자동차 회사와 학계 전문가들이 모여 ‘하이브리드 자동차의 비전’을 주제 삼아 하이브리드 기술의 전통과 가치, 향후 전망을 살펴봤다. 윤대성 KAIDA 부회장의 포럼 소개와 정재희 KAIDA 회장의 인사말로 시작된 행사는 사회를 맡은 허건수 교수의 발표자 소개에 이어 국내외 학계, 업계 전문가들의 발표, 패널 토론, 질의 응답의 순서로 진행되었다.
한국수입자동차협회 윤대성 부회장은 KAIDA 오토모티브 포럼의 개최 의미에 대해 “기존 내연기관 자동차는 하이브리드, 플러그인, 전기, 연료 전지 등의 연료 기술과 커넥티드, 자율 주행 같은 IT 기술의 접목을 통해 눈부시게 발전하는 중”이라며 “그에 따라 KAIDA는 주요 기술 경향을 포럼을 통해 심도 깊게 조명해 업계 및 소비자에게 정확한 정보를 제공하고, 기술적 측면에서 자동차 시장의 방향성을 짚어보는 자리를 꾸준히 마련할 계획”이라고 말했다.
하이브리드 자동차 기술의 이모저모를 소개한 한양대학교 이형철 교수는 “현재 하이브리드 자동차는 자동차 시장에서 큰 비중을 차지하며 그에 따라 관련 기술의 연구 개발은 자동차 기술 분야의 주요 연구 분야 중 하나”라며 친환경차의 역사와 산업 동향, 하이브리드 자동차의 개요와 기술적 전망 등을 다뤘다.
“수년 전 예측에서는 2015년이면 천만 대 이상이 될 것이라고 전망했지만 실제 200만 대를 넘지 못했다. 그렇지만 유가 변동이나 기후 협약에 따라 배기가스와 연비에 대한 규제가 강화되는 건 명확한 일이라 각 제조사들은 부가기능, 이모빌리티, 정보 네트워크를 비롯한 새로운 기술을 통해 상품성을 높일 수 밖에 없다”고 현실을 설명했다. 더불어 “초소형 전기차를 개발하거나 재난 발생 시 전기차를 비상 전원 공급기로 쓰는 부가적인 기능을 개발해 적용하는 등 전기차나 하이브리드 자동차의 미래는 밝을 것”이라고 전망했다.
토요타자동차 아베 시즈오(Shizuo Abe) 상무이사는 토요타 하이브리드 시스템에 대해 포괄적이면서도 세세한 설명에 나섰다. “토요타의 하이브리드 시스템은 EV(Electric Vehicle), PHV(Plug-in Hybrid Vehicle), FCV(Full Cell Vehicle) 등과 같은 차세대 친환경 자동차 개발을 위한 모든 요소를 포함하는 핵심 기술”이라며 “업계를 선도적인 토요타의 하이브리드 기술을 소개한다”고 말했다.
#토요타 하이브리드 시스템
하이브리드 시스템을 개발해 처음으로 상용화를 이뤄 업계 표준이 된 토요타의 기술전략과 역사에 대해서는 상세하게 기술한다. 자동차가 궁금하다면 프리우스 하이브리드 시승기를 클릭하라(편집자 주).
하이브리드의 탄생은 1997년에 소개한 초대 프리우스에서 비롯됐다. 올해 1월말을 기준으로 판매1천만 대를 기록해, 이산화탄소 배출량 감소에 크게 기여한 셈이다. 흥미로운 건 전체 판매량과 하이브리드 자동차의 판매량 비율로 따졌을 때 한국은 76.2%로 나타나 국가적인 지원이 따르는 노르웨이(77.6%)에 이어 2위를 기록했다는 점. 3위인 프랑스가 50.7%를 기록했으니 인상적인 수치다.
프리우스의 연비 향상 메커니즘은 다음과 같다. 아이들링 정지, 브레이크 회생, EV주행 모드 확보의 세 가지 기술이 전체적으로 결합되어 뛰어난 효율을 낸다. 흔히 하이브리드 시스템을 마이크로, 마일드, 스트롱으로 분류하는데 우리는 스트롱 하이브리드 시스템을 초대 프리우스부터 구현해왔다.
스트롱 하이브리드에는 두 가지 방식이 있는데 두 개의 모터를 쓴 시리즈 하이브리드는 엔진이 만든 전기를 모터로 보내 구동하는 방식이고, 패러렐 하이브리드는 모터가 엔진 구동을 보조하는 개념의 방식이다. 토요타는 두 개의 방식을 병행해서 사용한다.
신형 프리우스의 연비는 일본(JC08) 기준으로 리터당 40.8km를 기록했다(국내 기준 34.4km/ℓ). 일단 엔진 자체의 효율성을 높이고 전기 손실을 줄이기 위한 전략을 짰다. 모터 자체만으로 주행하는 영역을 늘리고 엔진 작동 영역을 고부하 영역으로 옮겼다. 그러니까 엔진 효율이 가장 좋은 부분만을 주목했다는 얘기. 엔진(2ZR-FXE) 최고열효율은 40%로 나타났고 그릴 셔터를 추가하고 차체 하부를 평평하게 만들어 공기저항계수는 Cd 0.24를 기록했다.
플러그인 하이브리드 자동차인 신형 프리우스 프라임은 순수 전기차의 불안요소를 해결한 선도 자동차의 역할을 맡는다. 비교적 적은 배터리 용량으로 높은 성능을 실현하는 것을 목표로 삼았다. 개발할 때 조사해보니 1회 주행거리 분포가 비교적 짧은 20km 이내였으므로 휘발유를 쓰지 않는 구간 설정을 그렇게 잡았다.
각종 실험을 통해 나타난 예상 휘발류 소비량 감소 수치는 74%. 실제로 측정 하니 44% 감소에 불과해 상세한 분석에 나섰다. 여러 요인 중 EV 모드에서 엔진 시동이 걸리거나 주행 이외(에어컨 등)에 전력을 소모하고 전지를 완충하지 않고 주행해 결과가 악화된 것으로 드러났다. 신형 프리우스 프라임은 이 모든 걸 보완 후 출시한 모델이다. 두 개의 모터를 구동에 사용(출력 68kW)해 전기 모드 때 엔진 켜짐을 가급적 줄였다. 모터 출력을 한층 높여 EV 커버 범위를 한층 높인 것인데, 배터리 주변에 히터를 세팅해 저온 때 EV 주행 성능을 끌어올린 것은 물론이다. 히트펌프 에어콘 역시 새롭게 달았다.
토요타의 환경 전략은 이렇게 귀결된다. 하이브리드 기술을 바탕으로 모든 파생 모델(EV, PHV, FCV)에 대응하는 것. 우리의 목표는 2050년에는 2010년 대비 이산화탄소 배출량을 90% 감축하는 것이다. 당연히 엔진은 존속될 것으로 예상한다. 연비에만 초점을 맞춘 하이브리드에 대한 해석 또한 달라질 것이다. LC500h의 동력 성능은 상징적인 예시다. 이제 하이브리드 자동차는 연료효율 뿐만 아니라 주행성능을 비롯한 각종 장점을 내세워야 한다. 아, 하나 더! 내구레이스(WEC) 개막전이 열렸던 실버스톤과 2차전 스파 프랑코샹에서 하이브리드 경주차로 우승을 거뒀다. 물론 상징적인 르망24시레이스 또한 계속 참가할 예정이다. 토요타는 승리할 때까지 달린다.
프라임어스 EV 에너지(Primearth EV Energy 이하 PEVE) 타카하시 오사무(Osamu Takahashi) 상무 는 하이브리드 자동차용 배터리 발표에서 하이브리드 자동차에 탑재되는 고성능 니켈수소전지와 리튬전지 기술에 대해 소개했다.
PEVE는 자본금 200억엔으로 지난 1996년 설립된 배터리 전문회사로 토요타(80.5%)와 파나소닉 (19.5%)의 합작회사다. 토요타 시에서 동쪽으로 100km 떨어진 시르조카 코사이 시에 위치하며 미야기 현의 공장과 중국 상하이 인근(창수)에 니켈수소 공장을 갖고 있다. 생산량은 140만 대 분량의 하이브리드 자동차 전지를 포함해 모두 170만대 분량의 전지를 생산하고 있으며 2000년부터 독자 기술로 니켈수소 전지 양산화에 성공, 현재는 2세대 리튬이온 전지를 토요타와 공동 개발한 상태다.
타카하시 오사무 상무는 “니켈수소 전지(NP2) 패키징의 설계에는 셀의 위아래를 절연 용접하고 고품질 전극 재료를 써서 저항을 줄이며 표면에 돌기를 넣어 발열을 줄이는 등 기술 개발에 심혈을 기울였다”고 밝히며 “리튬이온 전지(2세대 LiB)는 니켈수소에 비해 무게가 20~30% 가볍지만 폭발 위험이 있는 등 장단점이 있다”고 기술적 측면을 소개했다. 이어 “액상 형태인 니켈수소 배터리는 제조공정이 무척 중요하다”고 말하며 PEVE가 가진 기술(접합, 용접, 밀봉, 실링)적 우위와 초음파와 전자빔, 레이저를 사용한 공정의 철저한 품질 우선주의를 설명했다.
“공정 단계별 품질 보증을 완결해야만 후속 과정으로 보내고 유해한 금속 이물질을 완벽하게 통제(외부반입금지, 발생 시 공정 단계에서 즉시 제거)하며 생산품은 전수검사를 통해 출력을 보증하고, 추적관리를 통한 사후서비스를 운영한다”고 말하며 “작업은 철저하게 표준화되어 있으며 이를 위해 작업자 기능 레벨 인증 제도 운영한다”고 자부심을 드러냈다.
만도 김재산 상무는 자사의 48V 하이브리드 시스템을 소개하며 48V 마일드 하이브리드 시스템의 도입 배경과 장단점, 시스템 구성 및 주요 기능, 연비개선효과 등을 제시하고 시스템 성능 향상을 위해 검토하는 신기술을 밝혔다.
“왜 하필이면 48V 시스템인가?”라는 의문에 “인간이 쇼크사를 일으킬 수 있는 수준이 60V”라고 밝힌 김재산 상무는 “마이크로 하이브리드 시스템이나 풀 하이브리드 시스템에 비해 48V 시스템이 ‘가성비’가 가장 뛰어나다”는 견해를 말하며 부품 회사의 개발 조건에 부합함을 밝혔다.
이어 “조사기관마다 모두 다른 수치 하나의 큰 의미를 부여할 생각은 없다”면서도 “2025년에는 25%, 2030년에는 50%가 마일드 하이브리드 시스템을 적용할 것”으로 전망을 밝혔다. “이미 유럽에서는 대세가 된 시스템이며 순수한 내연기관의 생산은 앞으로 어려울 것”이라며 “모든 자동차의 전기화가 이뤄진다면 가장 가격 대비 효과적인 시스템이 무엇인가를 고민했다”고 말했다.
그 결과 알터네이터를 제거 후 유닛을 스톨하는 간편한 방식의 P0, 엔진과 변속기 사이에 클러치와 모터 세팅해 에너지 회생 효율을 높이는 P2, 트랜스퍼에 모터를 붙여 구동축을 직접 돌리는 P3, 리어 디퍼렌셜에 모터를 장착하는 P4 등 4가지 시스템을 소개한 뒤 “자동차 전원을 48V로 바꾸면 고전압이 필요한 부품(전기 슈퍼차저나 에어컨 콤프레서 등)의 효율성이 개선되고 아이들 스톱의 전환 시간이 단축되어 실제 15~20%의 연비 향상을 가져온다”고 밝혔다. 드라이브 모터와 인버터를 개발하는 만도는 “현재 P3, P4 시스템을 완성 중이며 하이브리드 적용 섀시를 개발에 힘쓰고 있다”고 전했다.
한국수입자동차협회 정재희 회장은 “KAIDA 오토모티브 포럼을 지속적으로 선보이게 되어 기쁘다”며 “앞으로 KAIDA 오토모티브 포럼을 계속 발전시켜 국내 업계 및 글로벌 자동차 시장에 대한 이해와 향후 흐름 파악에 도움이 될 수 있도록 노력하겠다”고 포부를 밝혔다.
(각 발표 세션 후에는 사회자인 한양대학교 허건수 교수의 진행으로 패널 토론 및 질의 응답 시간이 이어졌다. 이하는 질의응답)
Q 하이브리드 시스템은 결국 전기차로 가는 과도기 기술이 아니겠는가?
A 하이브리드 시스템은 전기차에 비해 한층 복잡하고 높은 제어 기술이 필요하다. 고로 과도기 기술이라고 치부할 수는 없다. 현실적으로 볼 때 정부 보조금이 없다면 전기차는 보급이 더딜 수밖에 없고 배터리의 획기적인 발전은 비용과 기술적 측면에서 어렵다. 그리고 모든 자동차가 전기차가 된다면 발전소 발전량이 2배가 되어야 하는데 원자력이나 화력 발전소를 줄여나가는 추세에 그게 적절할까? 대중들은 친환경 자동차 개발을 스포츠로 여기는가 싶은 생각이 든다. 2010년 기준으로 인류가 쓰는 에너지 공급원을 보면 원유 40%, 석탄과 원자력 8%, 풍력과 태양 등 대체 에너지 5~6%로 구성된다. 현실적으로 화석연료가 없다면 어려울 것이다. 현대는 거대한 하나의 솔루션이 모든 걸 해결해줄 수 있는 시대가 아니다. 각각의 기술이 모여 당면한 문제를 풀어나가야 한다. 친환경 자동차 문제는 스포츠 경기가 아니라 오케스트라로 봐야 한다. (이형철)
Q (마찬가지) 하이브리드 시스템은 결국 전기차로 가는 과도기 기술이 아니겠는가?
A 현재 우리에게는 다양한 에너지원이 있다. 토요타는 에너지 변환 시스템을 통해 최적화를 산출하기 위한 기술을 중시한다. “장기적으로 봤을 때 어떤 기술이 주류가 될 것인가?”라는 질문에 대한 답은 우리의 몫이 아닌 고객(소비자)이 결정할 것이다. 우리는 어떤 시스템이 결정되더라도 바로 제시할 수 있도록 전방위적인 기술을 준비하고 있다. 친환경 자동차에도 여러 시스템이 있지만 현재로서는 하이브리드 시스템이 환경과 연료 문제에 대한 하나의 답이 아닐까 생각한다. 그래서 우리는 하이브리드 시스템의 전세계적인 확산을 중시하는 것이다. 토요타 차종 기준으로 아직 15%만 하이브리드 시스템을 쓰고 있는데 전체로 확산시키는 것이 우리의 사명이다. (아베 시즈오)
Q 디젤 하이브리드 기술의 전망은 어떤가?
A 사실 디젤 엔진과 하이브리드 시스템의 기술 개발은 어렵지 않다. 가격 경쟁력이 문제다. 디젤 엔진은 휘발유 엔진에 비해 무겁고 상대적으로 비싸다. 거기에 하이브리드 시스템마저 쓴다면 시장에서 어떻게 받아들일까? 특히 국내에서는 경유 가격이 상대적으로 저렴해 실제 운용하며 자동차 구매자금을 회수하는 구조인데 소비자들이 비싼 디젤 하이브리드 자동차를 구매할지 의문이 든다. (이형철)
Q (마찬가지) 디젤 하이브리드 기술의 전망은 어떤가?
A 이 자리에서 토요타의 실제 개발이나 판매 계획을 언급할 수는 없지만 기술적인 부분이나 과제를 묻는다면 이형철 교수에 동의한다. 디젤 엔진 자체가 비싸고 하이브리드 시스템 또한 비싸다. 조합했을 때 성능 대비 보급이 어려울 것이다. 기술개발자 입장은 기술 자체로 개발 비용을 낮추기 위해 노력해야 한다. (아베 시즈오)
Q 배터리 기술 개발과 전망, 미래기술의 흐름은 어떤가?
A 리튬 배터리는 가볍고 소형화가 가능하다. 반면 연소 가능성이 있어서 사용 한계가 있다. 전지 생산에 있어서 니켈수소는 액체이기 때문에 리튬이온에 비해 제품 제조가 쉽다. 5년 정도가 지나면 니켈수소가 리튬이온 대비 비슷한 성능을 확보하지 않을까 판단한다. 물론 20년까지 본다면 리튬이온의 확장성이 더 좋을 것이다. (타카하시 오사무)
Q (마찬가지) 배터리 기술 개발과 전망, 미래기술의 흐름은 어떤가?
A 언제나 전기차의 미래를 논할 때는 “배터리 기술이 획기적으로 발전하면”이라는 단서가 붙는다. 과연 획기적인 기술로 가볍고 저렴한 제품을 만들 수 있을까라는 의구심이 든다. 실제 배터리 개발자들을 만나봐도 “너무 큰 기대는 말라”는 반응이 많다. 아직까지 획기적인 솔루션은 없는 상태다. (이형철)
Q 플러그인 하이브리드의 전망과 시장 상황은?
A 개발의 중심으로 판단하고 있다. 플러그인 하이브리드 시스템은 전기차에 비해 편의성에서 불편이 없다. 전기차는 무조건 인프라의 과제가 생긴다. 전기차로 장거리를 주행하려면 급속충전이라는 조건이 따른다. 단시간에 충전하는 기술에는 비싼 가격과 대규모 설비 투자가 필요하다. 가정이나 회사에는 불가능한 시스템이다. 그건 수소 역시 마찬가지다. 배터리 용량이 작은 플러그인 하이브리드는 내연기관의 편리함에 가정이나 직장에서도 손쉽게 충전이 가능하다. 인프라와 관련된 보조금은 일본에도 존재한다. 전기차의 미래에 대해서는 기업, 정부, 개발자 등 유관자들의 다양한 협의와 논의를 통해 이뤄내야 할 것이다. (아베 시즈오)
Q 엔진 기술을 숙성시켜 효율성을 높이면?
A 물론 엔진 그 자체의 기술도 끊임 없이 개발하고 있다. 하지만 내연기관이 가진 열효율의 한계는 분명하다. 엔진 자체만으로 세계 각국의 규제를 넘을 수는 없다. 과연 소비자가 비용을 낼 것인가? 자동차를 취미로 타는 사람은 다르지만 대부분의 사람들은 자동차를 이동수단으로 쓰는 것이 일반적이다. 당연히 가성비를 따질 수밖에 없다. 현재로서는 하이브리드 시스템이 가까이 가고 있지만 승자가 될지는 모르겠다. (김재산)
Q 엔진 기술을 숙성시켜 효율성을 높이면?
A 이산화탄소 저감의 기준에 따라 달라진다. 지구온난화를 막기 위해 기온 상승을 2도 이하로 낮춰야 하는 건 세계적인 합의다. 토요타의 목표는 1/10 감량 수준이다. 거꾸로 얘기해 지금의 가솔린 엔진 효율을 10배로 하는 것이 가능한가? 당연히 불가능하다. 엔진 열효율은 현재 40%지만 이론적으로 최대 60%까지 높일 수 있다. 내연기관의 개발 한계에 도달하더라도 이산화탄소 저감은 30%에 불과하다. 결국 내연기관으로 이산화탄소 삭감 수준을 맞출 수는 없다. 반드시 다른 수단이 필요하다. ‘전동화’라는 것! (아베 시즈오)
Q 특정 국가에 배속되지 않는, 예를 들면 화물선 배출가스 같은 사례도 있지만, 탄소배출에 대한 각국의 책임을 묻는 파리협정은 정치적인 제스처가 크지 않는가? 세계의 공장인 중국이 배출하는 이산화탄소는 결국 타국 기업의 의뢰로 만든 것일 텐데?
A 기업가는 말할 수 없지만 학계에서 온 나는 가능하다. 이산화탄소 배출 문제는 쉽게 말해 ‘신제국주의’ 아닌가 싶다. 석탄, 석유, 천연가스의 사용량을 줄이자는 얘기인데 이미 오랫동안 탄소를 배출해온 유럽과 미국을 비롯한 선진국들의 책임이 한층 크다고 본다. (이형철)
최민관 기자 editor@hankookilbo.com
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