연료를 태워 동력을 얻는 가솔린 자동차와 쏘나타 PHEV의 가장 큰 차이점은 또 하나의 심장, ‘모터’에 있습니다. 이 모터만으로도 약 44km를 주행할 수 있는 쏘나타 PHEV는 그 성능과 효율을 최대치로 끌어올리기 위해 다양한 제어 시스템도 함께 탑재했습니다. 이번에 소개할 내용은 쏘나타 PHEV에 탑재된 모터와 효율을 높이기 위한 회생 제동 시스템, 그리고 통합 제어 시스템입니다.


쏘나타 PHEV



성능과 효율을 모두 품은 모터 기술


현대자동차는 PHEV 개발에 있어 경쟁차의 시스템과는 사뭇 다른 독자적인 병렬형 하드타입 시스템, TMED(Transmission Mounted Electric Device) 타입을 채택했습니다. TMED 타입은 기존 파워트레인 구조에 모터를 삽입한 것으로 엔진과 변속기 사이에 모터가 위치하고, 엔진과 모터의 출력을 끊거나 전달하는 엔진 클러치를 갖춘 것입니다. 이 시스템의 가장 큰 장점은 6단 자동변속기 구조에서 토크컨버터를 없애고 그 공간에 모터를 탑재해 경쟁차와 비교하면 보다 간단한 구조와 적은 모터 용량으로도 구동 효율을 극대화할 수 있다는 것입니다.


쏘나타 PHEV의 모터 기술


구동 효율에서 전기 모터의 역할은 중요합니다. 일반적으로 모터는 물리학의 기본 원리인 자석과 전자석의 원리로 회전합니다. 철심에 코일을 감은 고정자(전자석) 쪽으로 회전자 안에 매입한 자석을 가까이 둔 후, 코일에 교류 전류를 흐르게 하면 고정자에서 발생하는 회전자계와 자석이 반응해 힘(토크)이 발생합니다. 쏘나타 PHEV는 이 같은 원리로 움직이는 모터 중에서도 초고효율 모터라 불리는 IPM(매입형 영구자석: Interior Permanent Magnet) 동기 모터를 채택했습니다. 


쏘나타 PHEV IPM 동기 모터


우리가 알고 있는 모터는 크게 직류를 사용하는 모터와 교류를 사용하는 모터로 나뉩니다. 직류는 역사가 오래되고 제어성이 좋아 널리 사용되어왔지만, 정류자와 브러시에 의한 정류 작용이 필요합니다. 즉 회전자와 마찰되어 있는 상태로 회전하기 때문에 마모로 인한 보수가 필요하고 소형화 및 경량화에도 한계가 있는 것으로 평가받습니다. 그에 반해 교류는 구조가 간단하고 견고하며, 제어기의 발달로 직류 모터 이상의 성능을 발휘할 수 있습니다. 여기서 교류는 널리 사용되는 유도 모터와 에너지 절약을 목적으로 도입된 동기 모터로 나뉩니다. 동기 모터는 다시 영구자석을 붙이는 방법에 따라 회전자 표면에 영구자석을 붙인 표면자석형 동기 모터와 회전자 안에 영구자석을 내장한 매입자석형 동기 모터로 구분됩니다. 쏘나타 PHEV가 채택한 IPM 동기 모터는 회전자에 영구자석을 내장하고 있어 기본적으로 회전자 측에는 전류가 흐르지 않으므로 손실이 발생하지 않아 적은 전력으로도 같은 출력을 낼 수 있습니다. 게다가 적은 에너지 손실로 발열도 억제하고, 모터의 방열 면적과 열 용량도 줄일 수 있어 소형화, 경량화가 가능합니다. 이 밖에도 쏘나타 PHEV는 전기모터에 적합한 친환경 전용 변속기 및 감속기를 개발해 내연기관과 다른 동력 특성에서도 자연스러운 운전감을 선보입니다.



쏘나타 PHEV 모터, 소음과 진동을 디자인하다


쏘나타 PHEV 모터, 소음과 진동


모터의 효율을 높이는 연구와 함께 중요하게 생각해야 할 부분은 바로 소음·진동(NVH)입니다. 현대자동차는 모터 설계 개발자들의 끊임없는 노력으로 구동 모터의 효율과 소음 진동의 최소화라는 두 마리 토끼를 잡았습니다. 내연기관차의 엔진 소음은 소비자의 귀에 익숙하지만, 친환경차의 전기 모터 소음은 소음의 주파수 영역대가 달라서 운전자의 귀에 거슬릴 수 있습니다. 이에 현대자동차는 소음을 최대한 저감시키는 모터를 개발하기 위해 노력해왔습니다. 그 결과 현대자동차의 친환경차는 성능과 효율은 물론 정숙성 부문에서도 소비자에게 높은 점수를 받고 있습니다



모터에서 시작하는 회생 제동 시스템


친환경차의 핵심 기술에서 가장 중요한 기술 중 하나는 바로 회생 제동 시스템. 자동차에 작용하는 관성의 원리를 이용해 버려지는 에너지를 충전하는 방식입니다. 친환경적으로 에너지를 회생시키기 위해서는 모터의 힘이 절대적으로 필요합니다. 회생 제동의 과정을 살펴보면 먼저, 차량이 감속하거나 내리막길을 주행하게 될 때 운동에너지가 전기에너지로 변환되면서 배터리를 충전합니다. 이때 모터에 작용하였던 기계 에너지가 전기에너지로 변환되면서 배터리에 축적됩니다. HEV와 PHEV, EV, FCEV 등에 공통으로 들어가는 모터는 그 용도와 기능에 따라 크기를 달리하지만, 회생 제동 기술은 모두 동일합니다. 이는 친환경차의 에너지 효율을 높이는 데 지대한 역할을 합니다.


내리막길에서 힘을 발하는 회생 제동 시스템


회생 제동 시스템



관성의 법칙, 회생 제동 시스템을 만나다


속도를 가진 물체가 계속 움직이려고 하는 성질, 관성의 법칙. 자동차 역시 일정 속도 주행 중 가속 페달을 밟지 않아도 연료소모 없이 달리던 힘으로 주행이 가능합니다. 친환경차의 회생 제동 시스템은 이런 자동차의 관성을 이용합니다. 쏘나타 PHEV도 정속 주행 중 운전자가 완만한 감속을 위해 가속 페달에서 발을 떼었을 경우, 가솔린차의 엔진 브레이크가 작동하는 것처럼 속도가 점점 줄어들게 됩니다. 이때 더 감속시키기 위해 브레이크 페달을 밟으면 회생 제동 시스템이 더욱 활발하게 작동합니다. 그래서 회생 제동은 내리막길을 주행할 때 활발해집니다. 차가 오르막길을 오를 때 운전자는 가속 페달을 밟게 되고 이후 내리막길에서는 가속 페달의 기능을 이용하지 않은 채 탄력받은 속도로 내려가는데, 이때 관성의 영향을 받은 모터가 발전기 역할을 하며 발생된 전기에너지를 배터리에 저장하는 것입니다. HEV 시스템이 기존 내연기관차와 비교해 연비 면에서 단연 탁월한 차이를 보여 주는 이유가 바로 이러한 회생 제동 시스템 때문입니다. 브레이크 작동 시 마찰열로 사라지는 에너지를 배터리에 충전함으로써 연비 효율을 높일 수 있는 것입니다.



회생 제동 협조 제어 브레이크 시스템


회생 제동 협조 제어 브레이크 시스템


회생 제동 시스템에서 가장 중요한 역할을 하는 것은 브레이크입니다. 모터가 발전기로 작동하는 회생 제동이 구현되는 동안 에너지는 재생되지만, 회생 브레이크만으로는 운전자가 원하는 만큼의 제동력을 구현하는 데 한계가 있습니다. 그 때문에 일반 유압 브레이크와 함께 필요한 제동력을 발현하는 기술이 필요해집니다. 개발자들은 이를 통합형 브레이크 제어기와 유압 공급 장치를 활용한 회생 제동 협조 제어 브레이크 시스템으로 구현했습니다. 주행할 때 운전자가 가속 페달에서 발을 떼면 위화감이 없을 정도로 가볍게 회생 브레이크가 작동해 일차적으로 운동 에너지가 회수됩니다. 이후, 운전자가 브레이크를 밟으면 브레이크 페달을 밟는 속도와 페달을 밟는 양에 따라 운전자가 요구하는 제동력이 어느 정도인지 판단하고, 제동력의 범위 내에서 최대한 회생 제동 협조 제어 브레이크를 써 주되, 부족한 부분을 유압 브레이크로 보완합니다. 통합형 브레이크 제어기는 전기로 작동하기 때문에 엔진이 정지했을 경우에도 제동력을 확보할 수 있으며 일관된 제동 안전성을 제공합니다. 자연스러운 브레이크 페달 조작감 구현을 위해 통합형 브레이크 제어기 내부에 별도의 페달 시뮬레이터 장치를 두었으며, 차 내 전기 공급이 중단되는 비상 상황 발생 시에도 운전자가 밟은 페달의 힘이 각 바퀴로 전달되도록 하는 이중 안전 구조를 갖췄습니다.




똑똑한 통합 전력 제어의 표준, 통합 제어 시스템


차량 곳곳에 전기에너지가 활용되는 친환경차는 흩어져 있는 각 제어기를 한곳에서 통합적으로 컨트롤하는 통합제어 기술이 중요합니다. 현대자동차만의 기술력으로 완성한 하이브리드 전력 제어 모듈(HPCU: Hybrid Power Control Unit)은 하이브리드 시스템 제어는 물론, 모터 제어 및 고전압 배터리의 전압을 12V로 변환하는 기능 등을 수행합니다. HPCU는 구동 모터와 HSG(Hybrid Starter Generator: 하이브리드 스타터 제너레이터) 토크를 제어하는 인버터(Inverter), 차량의 구동력을 분배하고 차량 운전 모드를 관장하는 HCU(Hybrid Control Unit) 그리고 차량 전 장부하에 전원을 공급하고, 보조 배터리를 충전하는 LDC(직류 변환 장치)로 구성되어 있습니다. 이 중에서 하이브리드 시스템의 핵심 부품은 인버터라 할 수 있습니다. 간략히 말해 인버터는 배터리에서 나오는 전류를 모터용 AC로 바꿔서 모터를 구동하고, 모터가 발전기로 작동했을 때의 AC를 DC로 변환해서 배터리에 저장하는 역할을 합니다. 일반적인 인버터는 전류를 변환하고 모터의 회전수만 제어하는 비교적 단순한 역할을 맡지만, 친환경차의 인버터는 더욱 정밀하고 복잡한 제어 성능이 필요합니다. 특히 운전자가 가속 및 감속 페달을 밟을 때에도, 순간적으로 변하는 토크를 제어해야 하므로 더욱 섬세한 제어 성능이 요구됩니다. 또한, 전류를 변환하는 과정에서 발생하는 열은 냉각시스템을 통해 억제하는 한편, 일정한 온도 이상이 되면 출력을 제한하는 등의 보호 기능도 갖췄습니다. 


통합 제어 시스템


현대자동차의 독자 기술로 탄생한 고출력 밀도의 전력 변환 장치는 부피와 중량을 절감시켰을 뿐만 아니라 알고리즘 및 제어 로직 등 성능 면에서도 진화했습니다. 인버터와 같은 전력 변환 장치는 각각의 시스템을 제어하는 제어기가 있어야 하는데, 차량의 협소한 공간에 맞도록 여러 제어기를 통합하고 시스템을 간소화하는 것도 중요한 기술 중 하나입니다. 이에 통합형 제어기를 사용하는 쏘나타 PHEV는 차량의 효율이 극대화될 수 있었습니다. 제어가 제대로 구현되지 않으면 일차적으로 차가 움직이지 않으며, 이차적으로 앞서 언급한 운전성과 같은 차의 성능에 문제가 생기게 됩니다. 

눈에 보이지는 않지만, 쏘나타 PHEV를 포함한 자동차의 기본과 개성, 능력까지 총괄하는 기능이 바로 제어 시스템으로부터 탄생하는 것입니다. 현대자동차는 친환경차의 기본적인 제어 성능을 독자 개발한 것은 물론, MCU(Motor Control Unit), TCU(Transmission Control Unit) 등의 다양한 제어 관련 소프트웨어를 독자 기술로 개발해냈습니다.



마치며…


쏘나타 PHEV 속에 숨겨진 HEV 기술 소개를 마지막으로 총 6편으로 기획된 쏘나타 PHEV R&D Story를 마칩니다. 현대자동차는 설립 이후 48년의 여정 중에 절반인 24년간 지구와 환경 그리고 인류를 위한 아름다운 컨버전스를 위해 아무도 가지 않는 길을 뚜벅뚜벅 걸어왔습니다. 그렇게 탄생한 쏘나타 PHEV, 세상에 없던 새로운 개념의 친환경차로서 개발자들과 연구원들의 자부심과 긍지로 고객들의 마음에 아로새겨진 결실이 되었습니다. 쉼 없는 담금질 끝에 태어났고 PHEV 시대의 새로운 개척자이자 기존 PHEV 차량을 뛰어넘는 새 기준이 될 쏘나타 PHEV에 많은 관심 가져주시길 바랍니다. 감사합니다!


쏘나타 PHEV R&D Story



* 현대자동차그룹 연구개발본부의 ‘R&D STORY’ - 쏘나타 PHEV편에서 원문을 확인할 수 있습니다.




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