MHEV plus: 아우디의 차세대 하이브리드 기술
- 파워트레인 제너레이터(PTG)를 전기모터로 활용하는 MHEV plus 기술은 부분 전기 구동을 통해 한층 향상된 효율성을 실현합니다.
- 48V 전기 시스템이 내연기관을 보조하고, CO₂ 배출을 줄이며, 성능과 주행 안락함을 높입니다.
- 아우디 기술개발 이사회 멤버 제프리 부코아: “우리는 고객 맞춤형 전동화를 지속적으로 추진하고 있습니다”.
아우디는 PPC(Premium Platform Combustion) 플랫폼을 기반으로 한 신형 The new Audi A5 및 The new Audi Q5 라인업에 새로운 MHEV plus 기술을 탑재한 첫 내연기관 모델을 선보였습니다. 이 기술은 파워트레인 제너레이터(PTG), 벨트 구동 발전 스타터(BAS), 리튬 인산철 배터리 간의 정교한 결합을 통해 구성되며, 48V 마일드 하이브리드 시스템은 내연기관을 보조하고, 탄소 배출량을 줄이며, 동시에 성능과 주행 민첩성을 향상시킵니다. 전기 구동이 가능한 PTG는 필요에 따라 엔진과 완전히 결합되거나 분리될 수 있으며, 통합된 파워 일렉트로닉스와 전기모터를 탑재하여 연료 소비량을 줄이고, 주행 감각은 더욱 부드러워집니다.
아우디 기술개발 이사회 멤버인 제프리 부코아는 “새로운 MHEV plus 기술을 통해, 우리는 PPC기반의 내연기관 차량에서 고객 맞춤형 전동화를 추진하고 있다”고 말합니다. 또한, “이 기술은 전기차, 플러그인 하이브리드 (PHEV), 고효율 내연기관 차량으로 구성된 아우디의 제품 포트폴리오를 더욱 강력하게 만들어 줄 것”이라고 밝혔습니다.
MHEV plus는 부분 전기 주행, 전기 부스트, 그리고 연료 효율성과 편안함을 동시에 끌어올리는 기능을 제공합니다.
The new Audi A5 및 The new Audi Q5에 적용된 마일드 하이브리드 시스템은 크게 세 가지 핵심 요소로 이루어져있습니다:
- 파워 일렉트로닉스가 통합된 컴팩트 설계의 파워트레인 제너레이터(PTG, 영구 자석 동기 모터 포함)
- 48V 배터리
- 벨트 구동 발전 스타터(BAS)
48V 시스템의 구성 요소는 모두 액체 냉각 방식으로 최적의 작동 조건을 유지하며, 이 시스템은 PPC(Premium Platform Combustion)을 기반으로 하는 전륜과 콰트로 모델에 모두 통합될 수 있습니다. 파워 일렉트로닉스와 전기 모터의 상황별 액체 냉각은 모든 주행 상태에서 출력과 토크 요구 조건을 충족시킬 수 있도록 구성요소를 최적의 상태로 유지시켜 줍니다. MHEV plus 기술은 순수 전기 주행 모드를 가능하게 할 뿐 아니라, 내연기관을 보조할 수도 있습니다. 이는 성능과 민첩성을 높이는 동시에 연료 소비와 CO₂ 배출을 줄여줍니다.
파워트레인 제너레이터: 강력한 보조 구동 모듈
MHEV plus 시스템의 향상된 주행 성능과 쾌적성의 핵심은 새로운 전기 구동 모듈인 파워트레인 제너레이터(PTG)입니다. 이는 아우디가 기존에 제공해오던 MHEV 기술과의 가장 큰 차이점으로, 기존 시스템은 BAS만을 사용했던 반면, MHEV plus는 PTG를 별도로 추가한 구성입니다. PTG는 파워 일렉트로닉스가 통합된 컴팩트 유닛 형태로 변속기의 출력축에 직접 장착되며, 최대 18kW(24PS)의 전력을 주행에 직접 제공할 수 있습니다. 이 모듈은 차량 출발 시점부터 최대 230Nm의 토크를 바로 출력할 수 있으며, 기어비는 3.6:1입니다. 최고 속도 140km/h까지 활용되며 그 이상의 속도에서는 클러치를 통해 구동계에서 분리됩니다. 무게는 약 21kg이며, 출력축 기준으로 최대 5,550rpm의 회전수를 구현할 수 있습니다. (유럽 인증 기준)
고객 중심으로 설계된 MHEV plus 기술
아우디는 MHEV plus 기술을 고객의 기대에 맞춰 개발했습니다. 기존 마일드 하이브리드 시스템이 공회전 정지, 탄력 주행, 에너지 회수 등 기능에 기반했다면, MHEV plus는 이를 한층 발전시켜 스타트-스톱 작동의 편의성 향상, 배출가스 없는 주행, 에너지 회수, 전기 주차, 저속 주행, 부스트 주행 등의 기능을 추가로 제공합니다.
덕분에 차량은 도심 저속 주행, 정체 상황 시에는 엔진을 끄고 전기모터만으로 움직일 수 있습니다.정지 후 출발도 더욱 즉각적이고 민첩해졌습니다. 시속 0~140km/h 구간에서는 내연기관을 보조할 수 있으며, 제동 시 최대 25kW의 회생 제동이 가능합니다.MHEV plus 시스템은 전기 에어컨 컴프레서 덕분에 엔진이 꺼져 있어도 냉방 기능을 유지할 수 있으며, 예컨데 신호 대기 중에도 엔진을 끈 채 실내 쾌적함을 지속할 수 있습니다.
BAS, 리튬인산철 배터리, 통합 브레이크 제어 시스템(iBRS): 이상적인 조합
MHEV plus 시스템 내에서 벨트 구동 발전 스타터(BAS)는 내연기관 시동과 배터리 충전을 담당하며, 더 조용하고 빠른 시동이 가능합니다.이를 통해 연료 소비는 감소하고, 시동 시의 쾌적성은 향상됩니다. 또한, 엔진이 꺼졌을 때도 회전 에너지를 회수할 수 있으며, 재시동 시 실린더를 최적의 위치로 조정해 즉각적인 반응을 이끌어냅니다.
리튬인산철(LFP) 배터리는 37Ah(약 1.7kWh) 용량이며, 최대 출력은 18Kw에 달하고, 25~60°C 사이 온도에서 작동하도록 저온 냉각 회로에 포함되어 있습니다. 이번 MHEV plus 시스템에서 아우디는 자사 마일드 하이브리드 기술 중 처음으로 LFP 배터리를 채택했습니다.
통합 브레이크 제어 시스템(iBRS)은 회생 제동 기능에서 핵심적인 역할을 합니다. iBRS는 유압 개입 없이 회생 제동만으로 필요한 감속을 제공하며, 강하게 브레이크를 밟을 때만 기계식 브레이크가 함께 작동합니다. 제동 시 감각은 변함없이 자연스럽습니다.
정교한 MHEV plus 운용 전략
하이브리드 시스템은 배터리를 50~60% 충전 상태에서 가장 효율적으로 작동합니다. 이 구간에서 전기모터에 높은 전류를 공급할 수 있고, 회생 제동 시에도 높은 충전 전류를 빠르게 저장할 수 있기 때문입니다. MHEV plus 시스템의 핵심은 긴 주행거리보다는, 배터리를 짧은 주기로 충전과 방전을 반복하여 에너지를 최대한 회수하고 이를 곧바로 구동에 재활용하는 것입니다.
MHEV plus 시스템에는 차량의 작동 상태를 실시간으로 분석하는 제어 소프트웨어가 탑재되어 있어, 내연기관, 파워트레인 제너레이터(PTG), 벨트 구동 스타터(BAS) 간 최적의 상호작용을 유도합니다. 이 시스템은 두 전기 모터의 최적 작동 조건과 구동 또는 에너지 회수 시 필요한 토크 값을 기준으로 작동하며, 배터리의 충전 상태 역시 고려합니다. 운용 목표는 '안정적인 시스템 작동'이며, 상황에 따라 다르게 반응하는 제어 전략은 각 내연기관에 맞게 정교하게 맞춤 설계되어 있습니다. 그 결과, 주행 성능을 해치지 않으면서도 연료 소비를 최소화할 수 있습니다.
MHEV plus를 탑재한 모델은 순수 전기 주행도 가능합니다. 예를 들어, 도심에 접근 시, PTG의 도움으로 일정 속도를 유지할 수 있고, 운전자나 어댑티브 크루즈 컨트롤(ACC)이 요구하는 구동력이 일정 수준을 초과할 경우 내연기관이 작동을 시작해 구동을 이어받습니다. 이 시점은 48V 배터리의 현재 충전 상태와 차량의 속도에 따라 달라집니다.
현재 목표 충전 상태(SoC)가 목표 SoC보다 낮을 경우, 시스템은 전기 주행으로 인해 SoC가 더 낮아지는 것을 방지하기 위해 내연기관을 더 일찍 작동시킵니다. 동시에 BAS와 PTG의 보조로 배터리를 충전하는 역할도 수행하게 됩니다. 단, 주차, 정체 구간에서의 저속 주행, 정체 구간에서의 이동과 같은 저부하 전기 주행은 예외이며, 이런 경우에는 낮은 SoC 상태에서도 전기 주행이 계속 유지됩니다.
반대로 현재 SoC가 목표치보다 높을 경우, 내연기관은 더 늦게 작동합니다. 즉, 구동력 요구 수준이 더 높아졌을 때에야 작동하며, 이를 통해 48V 배터리는 점진적으로 방전되어 향후 회생 제동 시 저장 가능한 여유를 확보합니다. 차량 속도가 높아질수록 내연기관의 개입 시점은 빨라지며, 간단히 말해 속도가 높을수록 차량은 더 많이 내연기관의 힘으로 주행하게 됩니다.
연료탱크에 남아 있는 연료와 더불어, 파워트레인 효율 향상으로 인해 차량의 전체 주행 가능 거리는 눈에 띄게 늘어납니다. 이로써 MHEV plus 기술이 적용된 차량은 장거리 주행에 훨씬 더 적합해지며, 해당 여정 역시 더욱 쾌적하고 효율적으로 바뀌게 됩니다.
*본 기사의 나오는 수치는 국내 출시 모델에 따라 일부 상이할 수 있습니다.