[H-모빌리티 클래스] 카인사이드아웃 14차시: 자동차 개발 기술의 변화

오늘은 H-모빌리티 클래스 14차시 자동차 개발 기술의 변화 수업으로 ‘친환경 차량 파워트레인 기술의 최신 변화’에 대해 학습하였다. 이번 강의에서는 엔진, 변속기 및 하이브리드 시스템, 모터와 인버터, 배터리 기술이 어떤 방향으로 발전하고 있는지 정리하였다.

특히 자동차 개발 기술은 단순히 출력을 높이는 방향이 아니라, 연비와 전비 향상, 배출가스 저감, 원가 절감, 패키징 개선, 열관리 고도화를 함께 추구하는 방향으로 변화하고 있다는 점을 중심으로 이해할 수 있었다.

---

학습 목표

1. 친환경 차량 파워트레인을 구성하는 주요 부품의 최신 기술 동향을 설명할 수 있다.
2. 엔진 효율 개선, EREV, 축방향 자속 모터, 셀투팩 등 핵심 기술의 기본 원리와 장점을 정리할 수 있다.
3. 연비와 전비 향상, 배출가스 저감, 원가 절감이라는 자동차 개발 목표를 기술 변화와 연결하여 설명할 수 있다.
4. 모터, 인버터, 배터리의 열관리 기술이 차량 성능에 미치는 영향을 이해할 수 있다.

학습 내용

자동차 개발 기술 변화의 방향

자동차 개발 기술은 내연기관 중심에서 전동화 중심으로 빠르게 변화하고 있다. 하지만 전동화가 진행된다고 해서 내연기관 기술이 완전히 사라지는 것은 아니다. 엔진은 배출가스를 줄이고 효율을 높이는 방향으로 개선되고 있으며, 하이브리드와 EREV 같은 구조에서는 여전히 중요한 역할을 담당할 수 있다.

이번 차시에서는 친환경 차량 파워트레인의 최신 트렌드를 엔진, 변속기 및 HEV, 모터 및 인버터, 배터리 기술로 나누어 살펴보았다. 각 영역은 서로 독립적인 기술처럼 보이지만, 실제 차량에서는 연비와 전비, 성능, 원가, 패키징, 열관리라는 공통 목표를 위해 함께 최적화된다.

기술 개발의 주요 목표

• 배출가스 감소: 내연기관과 하이브리드 시스템에서 환경 규제를 만족하기 위해 중요하다.
• 연비와 전비 향상: 같은 에너지로 더 먼 거리를 주행하기 위한 핵심 목표이다.
• 출력 성능 개선: 운전자가 체감하는 가속 성능과 고속 주행 성능을 높인다.
• 원가 절감: 대량 생산과 시장 확대를 위해 반드시 고려해야 한다.
• 열관리 고도화: 모터, 인버터, 배터리의 성능과 수명을 유지하기 위해 중요하다.

엔진 기술의 변화

전동화가 확대되고 있지만, 엔진 기술은 여전히 효율 개선과 배출가스 저감을 목표로 발전하고 있다. 특히 하이브리드 차량이나 EREV처럼 엔진이 보조 또는 발전용으로 사용되는 구조에서는 엔진의 역할이 달라지고 있다.

엔진 기술의 핵심은 연소 효율을 높이는 것이다. 같은 연료를 사용하더라도 더 많은 에너지를 유효한 출력으로 바꾸고, 불완전 연소나 배출가스를 줄이는 방향으로 발전한다.

프리 챔버 제트 점화 방식

점화 플러그는 가솔린 엔진에서 혼합기를 점화하는 핵심 부품이다. 프리 챔버 제트 점화 방식은 작은 보조 연소실인 프리 챔버에서 강한 불꽃을 먼저 만든 뒤, 그 불꽃을 메인 연소실로 분사하여 연소를 일으키는 방식이다.

이 방식은 엔진이 차갑거나, 엔진 부하가 낮은 상황에서도 점화를 안정적으로 수행하는 데 도움이 된다. 강한 화염 제트가 메인 연소실로 퍼지기 때문에 연소가 빠르고 안정적으로 진행될 수 있다. 다만 불꽃이 전달되는 오리피스가 막힐 수 있다는 단점도 있다.

6행정 시스템

일반적인 내연기관은 2행정 또는 4행정 구조로 설명된다. 4행정 엔진은 흡입, 압축, 폭발, 배기 과정으로 동작한다. 강의에서는 최근 발표된 6행정 시스템을 다루었는데, 이는 흡입, 압축, 폭발, 압축, 폭발, 배기의 흐름으로 구성된다.

4행정에서는 네 과정 중 폭발 행정이 한 번이므로 전체 사이클에서 폭발 비중이 25%이다. 반면 6행정에서는 여섯 과정 중 폭발이 두 번 발생하므로 폭발 비중이 약 33%가 된다. 즉, 같은 사이클 안에서 일을 하는 구간을 늘려 효율을 높이려는 접근으로 볼 수 있다.

과급 시스템의 발전

과급 시스템은 엔진에 더 많은 공기를 공급하여 출력을 높이는 기술이다. 대표적인 방식은 터보차저이다. 터보는 엔진에서 배출되는 배기가스의 에너지를 활용해 공기를 압축하고, 이를 다시 엔진으로 공급한다.

터보는 버려질 수 있는 배기가스 에너지를 재활용한다는 장점이 있다. 그러나 운전자가 가속 페달을 밟은 뒤 실제 출력이 올라오기까지 지연이 생기는 터보 랙이 단점으로 지적된다.

이를 보완하기 위해 전동식 차저 시스템도 활용된다. 전동식 차저는 배기가스가 아닌 전기 모터를 이용해 공기를 공급한다. 경우에 따라 전기와 배기를 함께 사용하는 방식도 가능하며, 이를 통해 응답성과 효율을 개선할 수 있다.

수소 엔진과 로터리 엔진

수소 연료를 활용한 엔진은 탄소를 포함하지 않는 수소를 연료로 사용한다는 점에서 배출가스 저감 측면의 장점을 가진다. 다만 수소는 매우 잘 타는 특성이 있으므로, 열과 흡기계를 최대한 분리하는 특수 구조가 필요하다.

로터리 엔진은 크기가 작고 구조적 특징이 뚜렷한 엔진이다. 전동화 차량에서는 EREV의 발전용 엔진처럼 사용될 가능성이 있다. EREV는 전기차에 발전용 엔진을 추가한 구조로, 차량 구동은 전기모터가 담당하고 엔진은 배터리를 충전하거나 전력을 생산하는 역할을 한다.

변속기 및 하이브리드 기술의 변화

전동화가 진행되면서 변속기의 역할도 변화하고 있다. 기존 내연기관 차량에서는 엔진의 효율 영역을 활용하기 위해 다단 변속기가 중요했다. 그러나 하이브리드와 전기차에서는 모터가 넓은 속도 영역에서 토크를 제공할 수 있으므로, 변속기는 점점 단순해지고 모터 제어의 중요성이 커지고 있다.

변속 단절 최소화

변속 과정에서 동력이 잠시 끊기면 운전자는 가속이 끊기는 느낌을 받을 수 있다. 이를 줄이기 위해 듀얼 클러치나 다판 클러치 같은 기술이 사용된다.

듀얼 클러치는 다음 변속 단계를 미리 준비하여 변속 속도를 높이고, 동력 단절을 최소화하는 방식이다. 다판 클러치는 빠른 변속을 위해 여러 장의 클러치를 사용하는 구조이며, 부드러움보다는 퍼포먼스에 초점을 둔 방식으로 이해할 수 있다.

하이브리드 변속기의 단순화와 모듈화

하이브리드 차량에서는 엔진과 모터가 함께 구동력을 만든다. 이 때문에 변속기 구조는 기존 내연기관차와 다르게 설계될 수 있다. 불필요한 부품 수를 줄여 경량화하고, 모터와 변속기를 모듈화하여 다양한 하이브리드 차량에 대응하는 방향으로 발전한다.

모듈화가 이루어지면 차량 종류나 성능 요구에 따라 모터 크기나 구성 방식을 유연하게 바꿀 수 있다. 이는 생산성과 원가 측면에서도 장점이 있다.

EREV의 개념

EREV는 Extended Range Electric Vehicle의 개념으로, 전기차에 발전용 엔진을 추가한 구조이다. 차량의 직접 구동은 전기모터가 담당하고, 엔진은 주로 전기를 생산하여 주행거리를 늘리는 역할을 한다.

EREV에서는 내비게이션 정보를 활용하여 앞으로 필요한 구동력을 예측하고, 그에 맞게 엔진 작동 시점을 제어할 수 있다. 또한 NVH 측면도 고려해야 한다. 예를 들어 고속 구간에서는 엔진을 적극적으로 사용하고, 저속 구간에서는 EV 모드로 조용하게 주행하는 전략이 가능하다.

차세대 휠 허브 감속기와 유니 휠

고성능 전기차에서는 앞쪽에 모터 하나, 뒤쪽 각 바퀴에 모터를 배치하는 등 여러 개의 모터를 활용하는 구조가 가능하다. 이때 각 바퀴 가까이에 모터와 감속기를 배치하면 구동력 제어와 공간 활용 측면에서 장점이 생긴다.

유니 휠은 각 휠에 모터 구동 관련 구조를 배치하는 형태로 이해할 수 있다. 이는 차량 내부 공간을 더 효율적으로 활용하고, 전동화 플랫폼의 패키지 혁신으로 이어질 수 있다.

기술	핵심 내용	기대 효과
듀얼 클러치	다음 변속 단계를 미리 준비	변속 속도 향상, 동력 단절 최소화
하이브리드 변속기	모터와 변속기 구조를 단순화·모듈화	경량화, 원가 절감, 차종 대응성 향상
EREV	전기차에 발전용 엔진 추가	주행거리 확장, 전기 구동 중심 운행
유니 휠	휠 주변에 구동 구조 배치	공간 활용성 향상, 패키징 개선

모터 및 인버터 기술의 변화

전기차에서 모터와 인버터는 구동 성능을 결정하는 핵심 부품이다. 모터는 전기에너지를 회전 운동으로 바꾸고, 인버터는 배터리의 직류 전원을 모터 구동에 필요한 교류 전원으로 변환한다. 전기차의 성능과 전비를 높이기 위해서는 모터 자체의 효율뿐 아니라 인버터 제어와 냉각 기술도 중요하다.

듀얼 스테이지 인버터

인버터는 배터리의 DC 전원을 3상 AC 전원으로 변환하여 모터를 구동한다. 전기차는 저속에서는 강한 토크를 낼 수 있지만, 고속 영역으로 갈수록 토크가 약해지는 특성이 있다. 듀얼 스테이지 인버터는 이러한 고속 영역의 출력 저하를 보완하기 위한 기술로 이해할 수 있다.

듀얼 스테이지 인버터는 승압하는 부분과 변환하는 부분을 나누어 구성한다. 고속 주행 시 승압을 통해 모터에 더 높은 전압을 공급하면 출력 성능을 향상시킬 수 있다. 즉, 고속 영역에서도 모터의 성능을 유지하기 위한 전력변환 구조이다.

Close End Winding과 Open End Winding

인버터와 모터 권선 연결 방식에 따라 Close End Winding과 Open End Winding 구조가 있다. Close End Winding은 하나의 인버터를 사용하는 구조로, 전비 향상 측면에서 장점이 있다.

Open End Winding은 두 개의 인버터를 사용하는 구조이다. 강의에서는 출력이 약 1.7배 향상될 수 있다고 정리하였다. 다만 인버터가 두 개 사용되므로 구조와 제어가 더 복잡해질 수 있다. 따라서 전비와 출력 중 어떤 목표를 우선할지에 따라 적합한 구조가 달라질 수 있다.

축방향 자속 모터와 모터 구조 변화

현재 대부분의 전기차에는 방사형 자속 모터가 탑재되어 있다. 방사형 자속 모터는 고정자 안에서 회전자가 회전하고, 자속이 모터 중심축에서 바깥쪽으로 방사형으로 흐르는 구조이다. 대량 생산에 적합하고 기존 전기차에 널리 사용된다.

반면 축방향 자속 모터는 고정자와 회전자가 디스크 형태로 마주 보며 축방향으로 배치되는 구조이다. 형태가 얇고 넓은 팬케이크 형태에 가까우며, 최근 고성능 소재와 제조 기술 발전으로 주목받고 있다.

축방향 자속 모터가 주목받는 이유

축방향 자속 모터는 토크 밀도 측면에서 장점이 있다. 자속이 흐르는 경로가 짧고, 자속을 생산하는 면적이 모터 대비 넓기 때문이다. 이로 인해 같은 크기에서 더 높은 토크를 기대할 수 있다.

또한 얇은 팬케이크 형태는 차량 패키징에 유리하다. 모터가 차지하는 공간을 줄이거나, 기존과 다른 위치에 모터를 배치하는 데 도움을 줄 수 있다. 효율 측면에서도 장점이 있다. 구리선이 감기는 엔드 와인딩 부분이 짧아 저항 손실을 줄일 수 있기 때문이다.

구분	방사형 자속 모터	축방향 자속 모터
구조	고정자 내부에서 회전자가 회전	디스크 형태의 고정자와 회전자가 마주 봄
자속 방향	중심축에서 바깥쪽으로 방사형 흐름	축방향으로 흐름
장점	대량 생산에 적합하고 기존 적용 경험이 많음	높은 토크 밀도, 얇은 형상, 효율 개선 가능
적용 의미	현재 전기차의 일반적 구조	고성능 차량과 패키징 혁신에 유리

모터와 인버터의 냉각 기술

전동화 차량에서 열관리는 파워트레인 설계의 핵심 기술이다. 모터와 인버터는 높은 전력을 다루며, 이 과정에서 많은 열이 발생할 수 있다. 열을 제대로 제거하지 못하면 출력이 제한되고 부품 수명이 줄어들 수 있다.

인버터 냉각과 SiC 전력 반도체

인버터에는 SiC, 즉 실리콘 카바이드 전력 반도체가 적용될 수 있다. SiC 반도체는 고온에서도 동작 가능하고, 인버터의 효율과 전력 밀도를 개선할 수 있다. 하지만 더 작은 면적에서 더 많은 전력을 처리하기 때문에 단위면적당 발생하는 열은 오히려 크게 증가할 수 있다.

기존 수랭식 방식만으로는 높은 열유속을 감당하기 어려울 수 있다. 이를 해결하기 위해 전력 모듈 상단과 하단에 모두 냉각 채널을 두는 양면 냉각이나, 열원에 더 가까운 직접 액체 냉각 방식이 활용될 수 있다.

모터 직접 오일 냉각

모터에서는 엔드 와인딩 부분에서 열이 많이 발생한다. 직접 오일 냉각은 열이 실제로 발생하는 엔드 와인딩에 오일을 직접 분사하거나 순환시켜 열을 제거하는 방식이다.

열원에서 바로 열을 제거하면 모터의 열 포화를 방지할 수 있고, 연속 출력 성능을 높일 수 있다. 전기차가 고성능화될수록 짧은 시간의 최대 출력뿐 아니라, 일정 시간 동안 높은 출력을 유지하는 능력도 중요해지므로 모터 냉각 기술의 중요성이 커진다.

배터리 기술의 변화

배터리는 전기차의 주행거리, 가격, 안전성, 충전 성능을 좌우하는 핵심 부품이다. 최근 배터리 기술은 소재, 구조, 열관리 측면에서 동시에 발전하고 있다. 특히 에너지 밀도와 가격, 안정성 사이의 균형을 맞추는 것이 중요한 과제이다.

양극재의 변화

기존에는 에너지 밀도를 높이기 위해 하이니켈계 양극재가 많이 사용되었다. NCM 계열 양극재는 높은 에너지 밀도를 통해 주행거리 확보에 유리하다. 그러나 니켈과 코발트 같은 원자재의 가격 변동성과 수급 불안정성, 열적 안정성 문제가 단점으로 작용할 수 있다.

이에 대한 대안으로 LFP, 즉 리튬인산철 배터리가 주목받고 있다. LFP는 가격 경쟁력이 높고, 열적 안정성과 화재 위험 측면에서 장점이 있다. 또한 수명이 길다는 특징도 있다. 반면 에너지 밀도가 낮아 같은 부피에서 저장할 수 있는 에너지가 적다는 단점이 있다.

이 단점을 보완하기 위해 LMFP와 LNMO 같은 소재도 언급된다. LMFP는 LFP에 망간을 첨가하여 에너지 밀도를 높이려는 방식이고, LNMO는 높은 전압을 구현하여 강한 출력을 낼 수 있는 스피넬 구조로 정리할 수 있다.

양극재	특징	주요 의미
NCM	하이니켈계 중심, 높은 에너지 밀도	주행거리 확보에 유리하지만 원자재와 안정성 이슈가 있음
LFP	가격 경쟁력과 열적 안정성 우수	수명이 길고 안전성이 높지만 에너지 밀도가 낮음
LMFP	LFP에 망간을 첨가	LFP의 단점인 에너지 밀도 개선을 목표로 함
LNMO	고전압 구현이 가능한 스피넬 구조	높은 출력 확보 가능성이 있음

Cell to Pack 구조

기존 배터리는 셀, 모듈, 팩 순서로 구성된다. 하지만 모듈은 배터리를 보호하고 관리하는 데 필요하면서도, 전체 부피에서 공간을 많이 차지할 수 있다. Cell to Pack, 즉 CTP는 모듈 단계를 제거하고 셀을 바로 팩으로 구성하는 구조이다.

CTP 구조는 불필요한 공간을 줄여 배터리 팩 내부의 에너지 저장 공간을 늘릴 수 있다. 이는 에너지 밀도가 낮은 LFP 배터리와 특히 좋은 시너지를 낼 수 있다. LFP는 소재 자체의 에너지 밀도는 낮지만, CTP 구조를 통해 팩 단위의 공간 효율을 높일 수 있기 때문이다.

더 나아가 Cell to Chassis 구조도 언급된다. 이는 배터리 셀이 차량 차체 구조물의 일부가 되는 방식이다. 부품 수를 줄이고 제조 공정을 단순화하며, 차체 강성까지 함께 개선할 수 있는 방향으로 이해할 수 있다.

배터리 열관리와 회생 제동 연계

배터리는 온도에 매우 민감하다. 강의에서는 배터리가 15~35도 범위에서 가장 잘 작동한다고 정리하였다. 온도가 너무 낮으면 출력과 충전 성능이 떨어지고, 너무 높으면 열화와 안전 문제가 발생할 수 있다.

능동형 배터리 열관리

능동형 배터리 열관리는 운전자가 배터리의 시작 온도나 관리 온도를 능동적으로 제어하는 기술이다. 예를 들어 고출력이 필요한 주행 전에는 배터리를 적정 온도로 올리고, 주행 중에는 냉각을 통해 열적 여유를 확보할 수 있다.

고성능 전기차에서는 배터리 프리컨디셔닝이 중요한 기술이 된다. 출발 전이나 충전 전 배터리를 적정 온도로 맞추면 출력 성능과 충전 성능을 개선할 수 있다.

회생 제동과 통합 열관리

회생 제동은 차량 감속 시 운동에너지를 전기에너지로 회수하는 기술이다. 강의에서는 회생 제동만으로도 강한 제동을 구현할 수 있고, 브레이크를 아끼며 온도도 효율적으로 관리할 수 있다고 정리하였다.

회생 제동은 단순히 에너지를 회수하는 기능을 넘어, 차량의 열관리와도 연결된다. 기계식 브레이크 사용이 줄어들면 브레이크에서 발생하는 열을 줄일 수 있고, 회수된 에너지는 배터리 관리 전략과 함께 활용될 수 있다. 따라서 전동화 차량에서는 제동 제어와 열관리, 에너지 관리가 하나의 시스템으로 통합되어야 한다.

자동차 개발 기술 변화의 의미

이번 차시에서 다룬 기술들은 각각 엔진, 변속기, 모터, 인버터, 배터리라는 다른 영역에 속해 있다. 하지만 공통적으로는 친환경 차량의 효율과 성능을 높이고, 원가와 공간 제약을 줄이며, 열과 안전 문제를 해결하는 방향으로 발전하고 있다.

엔진 기술은 배출가스와 연비 개선을 목표로 발전하고, 변속기와 HEV 기술은 전동화에 맞게 단순화와 모듈화를 추구한다. 모터와 인버터는 고출력과 고효율을 위해 새로운 구조와 냉각 기술을 적용하고, 배터리는 소재와 패키징 혁신을 통해 주행거리와 가격, 안전성의 균형을 맞추려 한다.

정리해보면 자동차 개발 기술의 변화는 하나의 부품 개선이 아니라 차량 전체 시스템을 최적화하는 방향으로 이루어진다. 앞으로의 자동차는 기계, 전기, 전자, 제어, 열관리 기술이 더 밀접하게 결합된 시스템으로 발전할 것으로 보인다.

학습 소감

이번 14차시를 통해 자동차 개발 기술이 단순히 내연기관에서 전기차로 넘어가는 흐름만은 아니라는 점을 이해할 수 있었다. 엔진, 변속기, 모터, 인버터, 배터리 각각이 효율과 원가, 성능을 높이기 위해 계속 변화하고 있다는 점이 인상 깊었다.

특히 축방향 자속 모터와 Cell to Pack 구조처럼 부품의 구조 자체를 바꾸어 성능과 공간 효율을 개선하려는 접근이 흥미로웠다. 앞으로 친환경차 기술을 볼 때 특정 부품 하나만 보는 것이 아니라, 차량 전체 시스템 관점에서 기술 변화가 어떤 의미를 가지는지 함께 생각해야겠다고 느꼈다.