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아이오닉을 더욱 완벽하게 만드는 비밀
파워트레인과 배터리에 관한 모든 것2016/03/24by 현대자동차

아이오닉 하이브리드가 성능과 효율 두 마리 토끼를 잡을 수 있었던 이유,
하이브리드 전용 카파 GDi 엔진과 6단 DCT, 그리고 리튬이온폴리머 배터리를 파헤쳐봅니다

폴라 화이트 컬러의 아이오닉 하이브리드
l 아이오닉 하이브리드는 진일보한 파워트레인과 배터리로 성능과 효율을 모두 만족시킵니다



자동차의 기본성능을 결정하는 것은 바로 파워트레인입니다. 아이오닉 하이브리드는 카파 1.6 GDi 엔진과 6단 DCT 변속기로 최적의 성과를 이뤄냈죠. 더불어 전 세계 회사들이 친환경차에 니켈수소 배터리를 사용하고 있을 때, 현대자동차는 배터리 전문제조사와 협업해 리튬이온폴리머 배터리를 세계 최초로 개발했습니다. 하이브리드 전용 엔진으로 성능과 효율을 동시에 챙긴 카파 1.6 GDi 엔진, 그리고 현존하는 세계 최고 수준의 배터리인 리튬이온폴리머 배터리에 대한 이야기를 들려드립니다.



세 가지 방법으로 파워트레인의 효율을 극대화하라

아이오닉 하이브리드가 주행하고 있는 모습
l 엔진의 연료 효율을 극대화하기 위해 어떤 것들이 필요할까요?

아이오닉 하이브리드 파워트레인은 하이브리드 전용 엔진으로 연료 효율을 극대화시키고자 세 가지 사항에 포커스를 맞춰 개발됐습니다. 첫째는 연소 효율을 극대화할 것, 둘째는 냉각 효율을 극대화할 것, 셋째는 저마찰 엔진을 구현할 것입니다. 첫 번째로 엔진 효율 극대화를 위해 롱스트로크 엔진을 개발했습니다. 엔진은 연소실 내 피스톤 지름 대비 피스톤의 왕복 거리가 길면 열 손실이 줄어들죠. 아킨슨 사이클을 적용하고 흡기 포트 및 연소실을 개선해 엔진 효율을 극대화했습니다.

두 번째로 냉각 효율 극대화에 집중했습니다. 가솔린엔진은 태생적으로 노킹이 많이 발생하곤 하는데, 이를 위해 냉각 시스템의 개선은 필수인데요. 하이브리드 전용 엔진을 위해 분리 냉각 기술을 적용했습니다. 엔진의 헤드와 블록이 한꺼번에 뜨거워지는 것을 막고자 도입된 기술로서, 각각 독립 냉각으로 마찰을 줄이면서 동시에 노킹 발생을 최소화해 궁극적으로 연비 개선 효과를 노린 것이죠. 또한, 연소실 내에서 상대적으로 온도가 높은 배기밸브 부분에 열전도율이 높은 나트륨을 주입하고 냉각 효율을 높여 한 차원 높은 연비 성능 개선을 이뤘습니다.

세 번째로 저마찰 엔진을 구현한 점입니다. 엔진에 따라 마찰 수준은 다른데, 저마찰 엔진일수록 효율이 높죠. 접촉 면적을 축소시켜 마찰 저항 감소에 도움을 주는 저마찰 테이퍼 롤러 베어링과 기존 오일보다 보다 묽은 점성의 저마찰 엔진오일을 개발함으로써 엔진 내 마찰을 최소화했습니다.



하이브리드만의 장점을 이용, 이전과는 차원이 다른 카파엔진을 개발하다

아이오닉 하이브리드에 장착된 카파엔진
l 아이오닉 하이브리드에 장착된 카파엔진은 연소 효율과 냉각 효율, 저마찰 엔진에 초점을 맞췄습니다

연소 효율 및 냉각 효율 극대화, 저마찰 엔진이라는 세 가지 중점 사항으로 이뤄낸 하이브리드 전용 고효율 엔진은 열효율 수치가 무려 40%에 육박합니다. 기존 가솔린엔진은 물론 여타의 친환경 경쟁차와 비교해도 우수한 성능을 자랑하죠. 이는 현대자동차 최초로 이룬 성과로 세계 친환경차 시장을 놀라게 한 수치이기도 합니다.

카파의 기본적인 특징인 롱스트로크 엔진을 기반으로 보다 효율적인 수치의 아킨슨 사이클을 적용해 열효율을 높였습니다. 이는 하이브리드 모델이 가솔린 모델과 달리 모터를 활용할 수 있기 때문에 가능했죠. 하이브리드만의 장점을 이용하면서 최적의 수치를 찾아내는 작업까지 병행함으로써 동력성능이 우수한 차량을 개발해낼 수 있었습니다.



하이브리드 전용 6단 DCT, 든든한 지원군의 이름

아이오닉 하이브리드에 적용된 DCT의 모습
l 아이오닉 하이브리드에 DCT를 적용해 ‘Fun to Drive’를 가능케 했습니다

친환경차는 연비를 극대화하는 데 초점을 맞추다 보니 주행성능은 다소 밋밋하게 느껴질 수 있다는 것이 지금까지의 통념이었습니다. 하지만 아이오닉 개발 초기부터 이러한 틀을 깰 수 있는 방안을 모색했고, 파워트레인 엔지니어들은 DCT라는 듬직한 지원자를 엔진과 전기모터 옆에 붙여두기로 결정했죠.

DCT는 말 그대로 두 개의 클러치를 통해 홀수 및 짝수단 기어의 동력을 번갈아 전달하는 변속기로, 차량의 연비를 한 차원 더 끌어올려줘 역동적인 주행성능을 가능하게 합니다. 현대자동차는 독자 기술로 DCT 양산에 성공하며 적용 범위를 점차 확대하고 있는데요. 아이오닉 하이브리드에 DCT를 적용함으로써 연비는 물론 ‘Fun to Drive’까지 두 마리 토끼를 모두 잡았습니다.

일반 내연기관 차량의 경우에는 기어 단수가 늘어날수록 동력 전달 효율은 다소 불리하지만, 최적의 기어비를 구현할 수 있어 연비에 유리합니다. 그런데 하이브리드 차량은 모터가 토크 어시스트를 하면서 엔진을 제어하는 보조 역할을 수행하므로 기어 단수보다는 동력 전달 효율성이 더 중요하죠. 아이오닉 하이브리드에 탑재된 카파엔진과 전기모터의 특성을 면밀히 검토한 결과 6단 DCT가 최적의 솔루션임을 확인할 수 있었습니다. 아이오닉 하이브리드는 6단 DCT 기어 레이아웃과 베어링, 오일 등에 고효율 요소 기술을 적용해 동급 및 경쟁차 대비 최고 수준의 동력 전달 효율을 달성했으며, 엔진-전기모터-변속기의 유기적인 협조 제어를 통하여 연비와 성능을 극대화하도록 개발했습니다.



세계 최고 수준의 배터리로 연비를 사로잡다

아이오닉 하이브리드의 리튬이온폴리머 배터리
l 아이오닉 하이브리드는 리튬이온폴리머 배터리를 개발해 세계 최고 수준의 용량과 성능을 확보했습니다

우수한 배터리의 조건은 무엇일까요? 첫째는 지속력입니다. 즉, 배터리 자체의 수명이 오래 가야 합니다. 둘째는 안전성입니다. 위험 상황에서도 끄떡없는 배터리 시스템이 필요하죠. 셋째는 소형화입니다. 같은 효율이라면 배터리가 작고 가벼울수록 상품성은 높아집니다. 넷째는 경제성입니다. 개발에 지나치게 큰 비용이 들어가는 배터리는 경제적이라고 할 수 없죠. 친환경차 시장에서도 이러한 배터리의 기본 조건은 유효합니다.

그래서 전 세계 자동차 회사들이 친환경차에 니켈수소 배터리를 사용하고 있을 때, 현대자동차는 국내 배터리 전문제조사와 협업해 세계 최초로 리튬이온폴리머 배터리 개발에 성공했습니다. 리튬이온폴리머 배터리는 이미 용량과 성능, 안전성 면에서 니켈수소 배터리보다 우수함을 인정받고 있죠. 이 배터리를 세계 최고 수준의 배터리로 업그레이드해 아이오닉 하이브리드에 탑재하기 위해 엔지니어들은 또 다른 도전을 시작했습니다. 효율과 출력밀도 측면에서 이전 세대 배터리 대비 목표를 상향 설정한 것이죠. 통상 배터리셀의 경우, 차량 개발보다 2년 선행해 개발 검증 후 차량 개발에 적용하는 것이 관례지만, 아이오닉 하이브리드의 경우는 셀 개발, BMS(Battery Management System) 개발, 시스템 개발을 차량 개발과 동시에 추진하는 새로운 방법을 채택했습니다.



가장 안전한 배터리 시스템을 개발하다

아이오닉 하이브리드의 계기판의 모습
l 아이오닉 하이브리드의 배터리는 이전 차종 대비 출력밀도를 50% 가량 향상했습니다

배터리는 전기 에너지를 화학 에너지 형태로 저장한 상태에서 적절한 제어를 통해 동력원으로 사용하는 시스템입니다. 에너지를 담고 있기에 잘 사용하면 유익하지만, 한꺼번에 모든 에너지를 방출하게 되면 많은 열과 함께 안전상의 문제를 야기할 수 있죠. 현대자동차 배터리 개발팀은 배터리의 전기적 성능을 거듭 개선해왔습니다. 전기적 성능을 개선한다는 것은 더 많은 에너지를 탑재한다는 뜻으로, 안전성의 관점에서는 상반된 특성이죠.

이번 아이오닉 하이브리드의 배터리는 이전 차종 대비 출력밀도를 50% 가량 향상했기 때문에, 무엇보다 안전성 확보에 중점을 뒀습니다. 이에 따라 고출력 배터리 적용에 따른 새로운 안전성 확보 장치도 개발하여 적용했는데, 이것이 바로 VPD(Voltage Protection Device)입니다. 배터리 안전성은 차량 레벨, 시스템 제어기, 팩, 셀 레벨에서의 4중 안전 설계를 기본으로 하고 있으며, 기존 제어기의 불능 상황에서도 팩 단위 안전성 확보를 위해 VPD를 개발 적용한 것이죠. 배터리가 과충전 상황이 되면, 전압이 올라가면서 가연성 가스가 생성되고, 쇼트가 발생하면서 화재나 폭발 등으로 이어지는데요. 이런 현상이 일어나지 않도록 BMS와 함께 VPD라는 별도의 수동 보호 구조를 개발 적용했답니다.



▶ 현대자동차그룹 연구개발본부 간행물 R&D STORY ‘IONIQ’에서 발췌한 내용입니다




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