제네시스의 새로운 심장, 3.5터보 48V 시스템
3.5터보 48V 일렉트릭 슈퍼차저에 담긴 성능 최적화의 비결
현대자동차그룹이 8기통 엔진 수준의 여유로운 성능을 보다 높은 효율로 구현하는, 최신 파워트레인 3.5터보 48V 일렉트릭 슈퍼차저를 공개했다. 3.5터보 48V 일렉트릭 슈퍼차저는 제네시스 브랜드의 플래그십 세단인 G90 LONG WHEEL BASE(롱휠베이스)에 탑재돼 최고출력 415마력(PS)을 발휘하고, 56.0kgf.m에 이르는 강력한 최대토크를 낮은 영역대인 1,300rpm에서 최대 4,500rpm까지 일정하게 제공해 풍부한 가속감도 경험 가능하다.
3.5터보 48V 일렉트릭 슈퍼차저, 48V 배터리 시스템으로 완성도를 높이다
3.5터보 48V 일렉트릭 슈퍼차저의 장점은 비단 여유로운 성능을 선사하는 데 그치지 않는다. 48V 배터리 시스템으로 작동하는 전동화 구동계를 적용해 효율, 친환경성, 성능 등 기존 엔진의 한계를 극복하고 엔진의 종합적인 완성도를 크게 향상시키며 기술적 진보를 이뤘기 때문이다. 기존 V8 5.0 GDI 대비 최대 8.4% 개선된 3.5터보 48V 일렉트릭 슈퍼차저의 열효율이 단적인 예다. 그렇다면 3.5터보 48V 일렉트릭 슈퍼차저는 어떤 방식으로 내연기관 엔진 기술을 한단계 더 발전시켰을까? 개발에 참여한 엔진설계실 이승석 상무, 엔진설계2팀 남혜동 책임연구원, 충전시스템설계팀 하태종 책임연구원, 엔진시험2팀 장원욱 책임연구원, 전동화연비동력시험4팀 안덕호/장준오 책임연구원, 전동화성능시험2팀 이범기 책임연구원, 중대형엔진PM 한성현 책임연구원을 통해 이와 관련된 자세한 이야기를 들어봤다.
“기존 자연흡기 8기통 엔진과 터보 엔진은 보다 엄격해지는 환경규제 속에서 뚜렷한 변화가 필요했다. 3.5터보 48V 일렉트릭 슈퍼차저는 48V 배터리 시스템과 전동식 슈퍼차저 기술을 통해 더 적은 배기량으로 플래그십 리무진에 걸맞은 여유로운 성능과 정숙성을 선사할 수 있도록 개발됐고, 지난 14년간 활약해온 타우 엔진의 뒤를 잇는 제네시스 브랜드의 새로운 플래그십 파워트레인으로 자리할 것이다.”
Q. 3.5터보 48V 일렉트릭 슈퍼차저의 시스템 구성이 궁금하다
장원욱 책임연구원 | 과급기 엔진은 운전자의 필요에 따라 고출력을 쉽게 발휘하고 저부하 운전 시에는 효율성이 높은 동력 특성을 지녔다. 3.5터보 48V 일렉트릭 슈퍼차저는 48V 배터리 시스템으로 작동하는 전동화 구동계를 사용해 과급기 엔진의 이런 이점을 더욱 극대화했다. 3.5터보 48V 일렉트릭 슈퍼차저에 적용된 전동화 구동계 시스템은 48V 전동식 슈퍼차저, 48V 통합 스타터 알터네이터(Mild Hybrid Starter Generator, 이하 48V MHSG), 48V LDC 통합형 배터리 시스템, 수랭식 대용량 인터쿨러 등으로 구성된다.
남혜동 / 한성현 책임연구원 | 48V 배터리 시스템을 통해 작동하는 전동화 구동계의 역할을 간략히 소개하면 다음과 같다. 3.5터보 48V 일렉트릭 슈퍼차저는 대용량 터보차저를 적용해 엔진 출력을 개선했다. 이를 가능케 한 것이 바로 대용량 터보차저를 보조해 터보랙을 최소화하는 48V 전동식 슈퍼차저다. 48V 전동식 슈퍼차저는 48V MHSG의 회생제동과 48V 배터리 시스템을 통해 구동에 필요한 전력을 공급받는다. 또한 엔진에 부하를 걸어 작동하는 일반적인 슈퍼차저와 달리 전기 모터로 구동하므로 한층 효율적이다.
48V MHSG는 회생제동, 발전기, 토크 보조용 구동 모터, 스타터 모터 등 여러 역할을 수행한다. 48V LDC 통합형 배터리 시스템에서 48V MHSG가 회생제동으로 회수한 전력을 저장하고, 이를 48V 배터리 시스템과 12V 전장 시스템에 각각 공급한다. 수랭식 대용량 인터쿨러는 48V 전동식 슈퍼차저와 대용량 터보차저가 흡입한 공기의 온도를 빠르게 낮춰 엔진으로 공급하고, 엔진의 반응성 개선에도 기여한다. 기존 공랭식 인터쿨러보다 공기 흡입 경로가 짧기 때문이다.
Q. 전동식 슈퍼차저가 터보랙을 최소화하는 원리와 작동 방식이 궁금하다
한성현 책임연구원 | 터보차저는 엔진에서 배출되는 배기가스의 에너지를 활용해 프로펠러 터빈을 돌리고, 이 회전력을 바탕으로 반대편에 위치한 컴프레셔로 공기를 압축해 엔진에 공급한다. 따라서 터보차저 용량이 클수록 압축 가능한 공기량도 많아지고, 엔진 출력 역시 상승시킬 수 있다. 그러나 터보차저 용량을 키우면 공기를 압축하는 데 더 많은 시간이 소요된다는 단점도 발생한다. 운전자가 가속 페달을 밟았을 때 응답이 늦거나, 일정하게 가속이 이루어지지 않는 터보랙 현상이 발생하는 이유다.
장원욱 책임연구원 | 전동식 슈퍼차저와 터보차저가 함께 작동하는 과급 시스템 덕분에 전 영역에서 터보랙 없이 여유로운 출력과 토크를 확보할 수 있었다. 전동식 슈퍼차저는 터보차저만으로 부스트 압력을 충분히 형성하기 어려운 1,750rpm 미만의 낮은 회전 영역에서 부스트 압력을 빠르게 형성한다. 참고로 압축 공기가 이동하는 경로에는 바이패스(by-pass) 밸브가 장착되며, 이는 전동식 슈퍼차저의 작동 여부에 맞춰 개폐된다. 주행 상황에 따라 공기가 슈퍼차저를 거쳐 2차 과급을 하거나 흡기 매니폴드에 바로 보내질 수 있게 유로를 변환하는 역할 등을 한다.
Q. 2단계 과급기 시스템은 제어가 매우 까다로운 편이다. 특히 전동식 슈퍼차저가 작동을 멈추고 터보차저만 작동하는 특정 rpm에서는 엔진으로 유입되는 공기량이 일정하지 않을 수 있고, 출력 변동이 커질 수도 있다. 과급기 시스템을 최적으로 제어하는 방법을 어떻게 찾았나?
한성현 책임연구원 | 과급 시스템이 다양한 주행 조건에 대응할 수 있도록 시뮬레이션을 통해 사전 개발을 거치지만, 시시각각 변하는 실제 주행 환경과 엔진의 상태, 공기 유동 등의 다양한 변수 발생에서는 완벽한 대비책이 되기 어렵다. 만약 예상하지 못한 조건에서 공기 유로를 전환하는 바이패스 밸브가 적절하게 제어되지 못할 경우, 엔진 출력이 급격하게 변화해 의도하지 않은 불쾌한 가속이나 감속 현상이 나타날 수 있는 것이다.
이에 연구원들은 일반적으로 사용하는 전동 플랩식 바이패스 밸브 대신, 신뢰성이 높은 기계식 바이패스 밸브를 적용해 문제를 해결했다. 기계식 바이패스 밸브는 스프링 장력을 이용해 유로를 여닫는 원리로, 바이패스 밸브 전단과 후단에 발생하는 공기 압력차를 이용해 밸브 개도량을 자연적으로 조절한다. 이를 통해 전동식 슈퍼차저가 작동/미작동 전환 시 급격하게 공기량이 변화하는 현상을 방지한다.
Q. 차량 주행 상황에 따라 48V MHSG의 기능과 역할이 달라지는 것으로 알고 있다. 48V MHSG의 기능들이 궁금하다
장준오 / 안덕호 / 이범기 책임연구원 | 48V MHSG는 스타터 모터와 알터네이터(발전기)를 결합한 시스템으로 주행 중 다양한 역할을 담당한다. 48V MHSG에는 차가 완전히 정차하기 전에 미리 엔진을 꺼 효율을 개선하는 Extended ISG(Idle Stop & Go)가 적용됐다. Extended ISG는 일반적인 ISG와 달리 정차하는 상황뿐만 아니라 감속하는 중에도 연료 분사를 중지해 연료 소모 및 배기가스 발생을 감소시킨다.
48V MHSG는 엔진 시동 시 크랭크 샤프트를 돌리는 스타터 모터로도 활약한다. 일반적인 스타터 모터는 약 200rpm의 속도로 엔진을 회전시켜 시동을 거는데, 이 과정에서 스타터 모터와 피니언 기어가 마찰하며 소음과 진동이 크게 발생한다. 반면, 48V MHSG는 큰 힘으로 빠르게 회전해 엔진 시동을 걸어 안정적인 공회전 상태를 돕는다. 또한 엔진 크랭크에 직접 연결된 일반 스타터 모터와 달리, 구동 벨트와 연결된 구조를 채택해 작동 시 소음과 진동이 매우 적은 장점이 있다.
48V MHSG는 출발 시 엔진 구동력을 보조하기도 한다. 차량이 출발할 때는 많은 힘이 필요한데, 48V MHSG가 엔진 구동력을 보조하는 만큼 엔진이 감당할 부담이 줄어 효율성이 향상된다. 또한 즉각적인 구동 모터 반응으로 가속 응답성도 개선된다. 감속 시 버려지는 운동 에너지를 회수하는 회생제동 기능도 48V MHSG가 담당한다. 브레이크 협조 제어를 통해, 감속 중 충전량을 증가시켜 엔진에 불필요한 부하 증가를 막아 효율을 높인다.
48V 배터리 시스템과 전동화 구동계의 작동 원리
Q. 3.5터보 48V 일렉트릭 슈퍼차저가 성능과 효율을 향상하는 방법으로 48V 배터리 시스템을 선택한 이유는 무엇인가?
장원욱 책임연구원 | 12V 전원으로 슈퍼차저, MHSG와 같이 전력 소모가 비교적 큰 전동화 구동계를 작동하려면 상대적으로 많은 전류가 필요하며 전력 손실이 크게 증가한다. 이 때문에 12V 전원에서는 전동식 슈퍼차저가 구동하기에 충분한 전력을 공급하기 어렵다. 반면, 48V 전원에서는 이보다 4배 높은 전압을 통해 전력을 보다 효율적으로 공급할 수 있다. 전력을 많이 사용하는 전동화 구동계인 전동식 슈퍼차저와 48V MHSG가 원활하게 작동 가능한 것도 48V 전원 덕분이다. 이런 전동화 구동계가 주 동력원인 엔진을 보조함으로써 출력과 효율을 높였다.
한성현 책임연구원 | 48V 배터리 시스템에 기반하는 전동화 구동계 기술은 고전압 배터리가 장착되는 풀하이브리드 구동 시스템에 비해 구조가 간단하다. 이런 장점 덕분에 48V 배터리 시스템에 기반한 전동화 구동계 기술은 유럽 자동차 브랜드를 중심으로 빠르게 확산되고 있다.
Q. 3.5터보 48V 일렉트릭 슈퍼차저를 탑재한 제네시스 G90 롱휠베이스는 차량 전원 시스템을 12V 전장 시스템과 48V 배터리 시스템으로 이원화했다. 어떤 점에서 효율적인가?
하태종 책임연구원 | 제네시스 G90 롱휠베이스의 전장시스템(인포테인먼트, 에어컨, 조명 등)은 다른 차와 마찬가지로 12V 전원으로 작동하고 전동화 구동계 시스템은 48V 전원을 사용한다. 모든 시스템을 48V 전원으로 바꾸기보다는 필요한 부품에만 48V 배터리 시스템을 적용하는 게 개발 안전성 측면에서 유리하기 때문이다. 참고로 48V 배터리 시스템에서는 48V MHSG가 48V LDC 통합형 배터리 시스템을 충전한다. 충전된 전력을 12V로 변환하고 이를 전장 시스템에 공급하는 역할은 48V LDC 통합형 배터리 시스템이 담당한다. 기존 발전기의 역할을 MHSG와 LDC가 나눠 맡은 것이다.
효율과 성능까지 모두 아우르는 3.5터보 48V 일렉트릭 슈퍼차저와 48V 배터리 시스템은 내연기관 엔진의 바람직한 진화를 반영하고 있다. 여유로운 성능과 수준 높은 파워트레인 완성도에 대한 새로운 기준을 새롭게 제시하는 3.5터보 48V 일렉트릭 슈퍼차저가 제네시스 G90 롱휠베이스에서 활약할 모습을 기대해본다.
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