자동차 개발 기술의 변화(엔진, 변속기, EREV, 파워트레인, 배터리)

이번에는 자동차 기술의 목표와 변화에 대해 알아보려고 한다.
H모빌리티 클래스 카인사이드아웃 마지막 강의를 정리한 내용이다.
엔진의 변화, 변속기의 변화, EREV, 파워트레인(인버터, 모터, 냉각기술), 배터리 패키징 위주로 살펴볼 것이다!

근데 이미지는 gemini 활용 이미지라 조금 오류가 있을 수 있다. ㅎㅎ.. 

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엔진의 목표와 동향 

엔진 기술은 환경 규제 대응을 위한 배출가스 감축과 연비 향상이라는 두 가지 핵심 목표가 있다. 이를 이루기 위해 크게 세 가지 세부 방안이 있다.

1. 엔진 효율 및 연소 시스템 최적화

첫 번째로 엔진 효율을 높이고 엔진 효율이 높은 영역들을 넓히는 방안이다. 이 효율을 높이기 위해서 다양한 실린더 구조, 부품이 사용되고 있다.

엔진 효율을 높인다는 것은 연소 효율을 높인다는 것이고, 연료가 잘 타야한다는 뜻이다. 이를 위해 점화 플러그의 구조를 바꾼 방식이 있다.

• 프리 챔버 제트 점화 (Pre-chamber Jet Ignition): 점화 플러그 내부에 소형 프리 챔버를 설치하여 1차 연소를 진행한 후, 여러 개의 구멍(오리피스)을 통해 고온 제트 화염을 실린더 내부에 분사하는 방식이다. 여러 지점에서 동시에 화염 핵이 생성되어 연소 기간이 단축되고 점화 지연이 줄어든다. 연소 안정성이 우수하여 냉간 시나 부분 부하 조건에서도 효율이 높으나, 오리피스가 막힐 수 있는 관리적 측면의 단점이 있다.
• 6행정 엔진 시스템 (6-Stroke System): 기존 4행정(흡입-압축-폭발-배기)에 '압축-폭발' 과정을 한 번 더 추가한 방식이다. 전체 사이클 중 폭발 행정의 비중이 25%에서 33%로 증가하여 출력이 비약적으로 상승한다. 또한 혼합기 유입은 한 번만 진행되므로 4행정 대비 연료 소모량과 배출가스를 동시에 줄일 수 있다. 

 

2. 과급 시스템 발전 (Turbo & Electric Charger)

두 번째로 과급 시스템을 발전시키는 방안이다. 엔진 실린더에 자연 흡기 방식보다 공기를 더 많이 공급해 줌으로써 출력과 효율을 높인다. 

• 기존 터보 시스템의 한계:
  • 현재 많이 쓰는 터보 시스템은 배기가스의 에너지로 공기를 더 넣어주는 방식이다. 
  • 슈퍼 차저(크랭크 축에서 발생한 파워를 활용)에 비해 엔진에서 발생한 파워를 온전히 쓸 수 있다는 장점이 있다.
  • 정차 후 출발 시 배기 에너지가 부족해 출력이 늦게 발생하는 터보랙(Turbo-lag) 현상이 발생한다.

• 전동식 차저 및 하이브리드 터보:
  • 터보랙과 같은 단점을 보완하기 위한 방식, 전동 모터를 결합하여 터보랙을 해결한다.
  • 기존 전동식 차저는 모터(전기에너지)로 공기를 공급했다.
  • 하지만 배기열에 강건한 모터를 장착해 전기+배기 에너지로 공기를 과급한 시스템이 개발됐다. 
  • 저속 구간: 배기가스가 부족할 때 모터를 구동하여 공기를 즉각 과급함으로써 터보랙을 최소화한다.
  • 고속 구간: 기존 터보차저처럼 배기 에너지를 적극 활용한다.
  • 감속 구간: 모터를 회생 제동 모드로 사용하여 배터리를 충전하는 에너지 회수가 가능하다.

 

 

3. 대체 연료를 활용한 엔진 (Hydrogen Engine)

마지막 으로 대체 연료를 사용하는 방안이다. 가솔린과 디젤의 경우 대기 오염에 영향을 끼치는 여러 배출가스가 발생하지만 대체 연료를 사용하면 대기 오염에 거의 영향이 없는 배출가스를 발생시킨다.

수소 연료 활용 엔진이 활발히 연구되고 있는데 수소 연료에는 탄소가 없기 때문에 탄화물의 배출가스가 많이 생기지 않는다.

이러한 수소 연료 엔진 중 최근에 발표된 특허를 살펴보겠다. 그림 1과 같이 엔진의 크랭크축이 위로 위치한 이른바 역배치 인라인 6 구조다. 이와 같은 엔진 구조를 채택한 이유가 있다. 수소 연료는 뜨거운 공기와 같이 혼합기가 실린더 내부에 들어가게 된다면 미리 정화가 될 가능성이 높기 때문에 수소 연료 및 흡기 계통이 열에서 멀어져야 한다. 그래서 이와 같이 엔진 전체 패키징을 보게 된다면 뜨거운 배기 계통이나 과급된 공기를 식혀주는 인터쿨러 부분은 위로 위치해 있고 아래로는 수소 연료 및 인터쿨러를 제외한 흡기 계통이 위치한다.

 

4. 로터리 엔진

이외에도 로터리 엔진이 있다. 로터리 엔진은 삼각형 모양의 로터가 돌아가는 간단한 구조로 이루어져 있는 무게 대비 출력이 매우 높기 때문에 소형화가 가능하다. 하지만 삼각형의 로터가 돌아가는 형식이기 때문에 로터의 내구성이 문제가 되어 사용되지 않았다. 이러한 소형화의 이점을 바탕으로 erev 차량에 탑재용으로 각광받고 있다. (erev 차량에는 전기차의 주행 거리를 연장하기 위해서 발전용 엔진이 들어가있다.

이러한 발전용 엔진이 기존의 엔진보다 작으면서 출력이 높다면 공간 확보에 이점이 있기 때문에 배터리를 더 채울 수 있다는 점과 발전 출력이 높은 점이 큰 이득이 된다. 그래서 현재 로터리 엔진이 다시 한 번 각광받으면서 대체 연료에도 대응할 수 있도록 계획 중이다.

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변속기 및 동력 전달 기술

변속기의 핵심 역할은 엔진의 구동력을 손실 없이 휠에 전달하여 연비와 가속 성능을 높이는 것이다. 때문에 구동력 전달 효율을 높이는 것이 중요하다. 

• 변속 단절 최소화:
  • 변속 시 동력이 끊기는 현상을 줄이기 위해 듀얼 클러치(DCT)가 널리 사용된다.
  • 최근에는 각 기어별로 독립적 클러치를 구성하여 변속 속도를 극도로 높인 구조가 등장했다.
  • 다만, 이러한 구조는 부드러움보다는 빠른 응답성에 초점을 맞추어 주로 고성능 퍼포먼스 차량에 탑재된다.
• 하이브리드 전용 변속기:
  • 기존에는 일반 변속기에 모터를 추가하는 방식이었다.
  • 최근에는 부품 수를 줄여 무게를 절감한 전용 변속기가 개발되었다.
  • 이는 모듈화 설계를 통해 모터 크기를 조절함으로써 마일드 하이브리드(MHEV)부터 플러그인 하이브리드(PHEV)까지 다양한 차종에 대응이 가능하다.

 

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주행거리 연장형 전기차 EREV

전기차의 짧은 주행거리와 긴 충전 시간을 보완하기 위해 엔진을 발전용으로 사용하는 EREV 구조가 각광받고 있다.

• 구조적 특징:
  • PHEV보다 큰 용량의 배터리를 탑재했다.
  • 엔진은 휠을 직접 구동하지 않고 오직 배터리 충전을 위한 발전기 역할만 수행한다. 이를 통해 전기차의 정숙성을 유지하면서도 긴 주행거리를 확보한다.
• 지능형 에너지 관리:
  • 요구 구동력 예측: 내비게이션 정보를 활용해 지형과 경로에 필요한 에너지를 예측하고 엔진 가동 시점을 결정하여 배터리 상태(SOC)를 최적으로 유지한다. 
  • NVH: 노면 소음이나 풍절음이 커지는 고속 구간에서 엔진을 가동하여 소음을 상쇄하고, 정숙성이 중요한 저속 구간에서는 순수 전기(EV) 모드 사용을 우선시한다.

 

+ 전기차 구동 구조의 혁신: 유니 휠 (Uni Wheel)

고성능 전기차의 경우 전륜 좌우측 휠에 모터를 두고 후륜에 모터까지 총 3개의 모터를 활용하는 형태가 있다.

• 기능 통합: 기존의 감속기, 드라이브 샤프트, CV 조인트의 기능을 하나로 합쳐 휠 내부에 배치한다.
• 공간 및 성능 이점:
  • 각 휠에 모터를 배치함으로써 좌우 바퀴의 토크를 독립적으로 정밀하게 제어할 수 있다.
  • 차체 중앙을 가로지르는 구동 부품들이 사라지면서 기존보다 훨씬 넓고 다양한 실내 공간 설계가 가능해진다.

 

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전기차 파워트레인

다음으로는 전기자동차 파워트레인의 핵심인 모터와 인버터의 최신 기술 트렌드다.

1. 듀얼 스테이지 인버터 (Dual Stage Inverter)

먼저 기존 인버터는 DC전압을 모터 구동을 위한 3상 AC전압으로 변환한다. 이러한 기존 단일 스테이지 인버터는 배터리 전압에 출력 성능이 종속되는 한계가 있다. 모터의 고속 영역에서는 역기전력으로 인한 효율 저하가, 저속 고토크 영역에서는 높은 전류로 인해 구리 손실(i^2 r)로 인한 효율 저하가 발생한다. 듀얼 스테이지 인버터는 이를 극복하기 위한 토폴로지 혁신이다.

즉 기존 인버터는 고속 주행과 저속 고토크라는 상반된 요구 조건 사이에서 효율적인 타협점을 찾아야 한다. 모터의 속도 토크 곡선에서도 볼 수 있는 한계로 인하여 일반적으로 전기차 모터의 출력을 높이는 방법은 두 가지로 결정된다. 
첫 번째는 모터의 인덕턴스를 줄이는 방법이고 두 번째는 모터에 공급되는 전압을 올리는 방법이다.

모터의 인덕턴스를 줄이려면 모터의 전류가 커지고 인버터의 전류 용량 역시 증대함으로 전력 변환 손질로 인한 효율성이 저하된다. 전압은 차량 탑재 레이아웃 배터리의 용량과 셀 전압, 직병렬 구조에 따라 결정되기에 단순히 전압을 올려 출력을 높이기에는 현실적인 어려움이 있다.

• 작동 원리: 두 개의 인버터를 조합하여 모터에 인가되는 전압을 유연하게 제어한다. 배터리 전압과 인덕턴스 변화 없이 모터에 큰 전압을 인가한다. 
  • 클로즈 앤 와인딩 (Closed-end Winding) 단계: 통상 주행 시 하나의 인버터만 작동시켜 전력 변환 효율을 높이고 전비를 향상시킨다. (ev6 gt, 아이오닉5N 등) 
  • 오픈 앤 와인딩 (Open-end Winding) 단계: 고속 주행이나 높은 토크가 필요한 영역에서 두 개의 인버터가 함께 전력을 공급한다. 배터리 전압이나 모터 구조 변경 없이 출력을 최대 1.7배까지 높일 수 있다.
• 기대 효과: 싱글 인버터 대비 최대 3% 높은 효율을 기록하며, 현대차의 아이오닉 5N, EV6 GT 등 고성능 모델에 적용되어 그 성능을 입증하고 있다.

 

2. 축방향 자속 모터 AFM(Axial Flux Motor)

기존의 방사형 자속 모터(RFM)가 원통형 구조였다면, AFM은 얇은 팬케이크 형태의 디스크 구조를 가진다. 자속이 회전축과 평행하게 흐르는 것이 특징이다.

디스크 형태의 고정자와 회전자가 마주보며 축 방향으로 배치된 구조다. 자속도 모터 회전축과 평행하게 흐른다. 

• 특징
  • 높은 토크 밀도: 자속 경로가 짧고 자속 생성 면적이 넓어 동일 부피 대비 RFM보다 3~4배 강력한 토크를 발생시킨다.
  • 패키징 이점: 얇은 형상 덕분에 엔진과 변속기 사이 공간이나 차동기어 통합형 e-Axle 구현에 절대적으로 유리하다.
  • 고효율: 토크 생성에 기여하지 않는 구리선이 감기는 '엔드 와인딩' 부분이 짧아 저항 손실이 최소화되며, 특히 고토크 영역에서 높은 효율을 유지한다.
  • 적용 사례: 페라리 SF90, 메르세데스-AMG의 차세대 퍼포먼스 구동 유닛 등 하이엔드 고성능 분야에서 채택이 확대되고 있다.

 

3. 냉각기술

고출력 시스템의 상용화로 인해 전력 반도체와 모터 내부의 열을 신속하게 방출하는 기술이 파워트레인 설계의 핵심이 되었다.

인버터 냉각: 실리콘 카바이드(SiC) 대응

350kW 초고속 충전, 500kW 모터 시스템이 적용되며 열 관리 문제가 핵심 과제가 되었다. 특히 실리콘 카바이드의 냉각이 중요해졌다. 

SiC 전력 반도체는 고효율·고온 동작이 가능하다. 기존 실리콘 igbt대비 손실이 적고 효율과 전력 밀도가 높다. 하지만 칩 면적이 작아 단위 면적당 발생하는 열 유속이 매우 높다. 때문에 열을 빠르게 방출해야 SiC 반도체 성능을 100% 활용할 수 있고 다음과 같은 냉각 솔루션이 나왔다.

• 양면 냉각 (Double-side Cooling): 기존에는 하단 베이스 플레이트에만 냉각 채널을 뒀다. 모듈의 상·하단 모두에 냉각 채널을 배치하여 열 저항을 줄인다. 동일 칩에서 30% 이상의 성능 향상을 이끌어낼 수 있다.
• 직접 액체 냉각: 베이스 플레이트를 제거하고 냉각수가 모듈의 핀 구조 사이를 직접 흐르게 하여 냉각 성능을 극대화한다.

 

모터 냉각: 직접 오일 냉각 (Direct Oil Cooling)

모터 냉각 트렌드는 명확하다. 고정자 하우징 외부를 식히는 기존 워터 재킷 방식의 한계를 넘어, 실제 열이 발생하는 지점(고정자 내부 구리 와인딩 부분)을 직접 식히는 방식이다.

• 작동 방식: 기어박스 오일과 같은 절연유를 모터 내부의 뜨거운 지점(구리 와인딩, 엔드 와인딩 등)에 직접 분사하거나 순환시킨다.
• 장점: 열원에서 즉각적으로 열을 제거하여 모터의 열 포화를 방지하고, 연속 출력 성능을 극대화한다. 고성능 차량에서는 기어박스와 모터가 오일을 공유하며 통합 열 관리를 수행하기도 한다.

 

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배터리 기술 동향

1. 양극재의 변화

지난 몇 년간 배터리 시장은 니켈 함량을 80~90%까지 높인 하이니켈계(NCM, NCA) 양극재가 주도했다. 에너지 밀도를 높여 주행 거리를 확보하기 위함이었으나, 원료(코발트, 니켈)의 가격 불안정성과 열적 안정성 저하라는 한계에 직면했다. 에너지 밀도를 높이려면 니켈 함량을 높여야 했고, 함량이 높아질수록 열적 안정성이 떨어지기 때문이다. 이에 따라 다음과 같은 대안 기술이 주목받고 있다.

• LFP(리튬인산철) 배터리:
  • 코발트와 니켈을 사용하지 않은 방식이다.
  • 가격 경쟁력이 압도적이며, 결정 구조가 견고해 화재 위험이 낮고 수명이 길다.
  • 최근 제조 혁신을 통해 낮은 에너지 밀도라는 약점을 극복하며 메인스트림 시장으로 진입하고 있다.
• 하이망간(High-Manganese) LMFP(리튬망간인산철):
  • LFP의 안정성에 망간을 첨가하여 작동 전압을 높인 기술이다.
  • LFP 대비 에너지 밀도를 15~20% 향상시킬 수 있어 중간급(Mid-end) 시장의 핵심 기술로 꼽힌다.
• LNMO:
  • 코발트를 완전히 배제, 5V에 가까운 고전압 구현, 강력한 출력 내는 스피넬 구조 

이처럼 미래 양극재 시장은 하이니켈 일변도에서 벗어나 차량 세그먼트에 따라 LFP, 하이망간, 하이니켈 등으로 다변화된다.

 

2. 패키징의 혁신: CTP(Cell to Pack) 및 CTC(Cell to Chassis)

두 번째 트렌드는 배터리를 담는 패키징의 혁신이다.

 

배터리의 구성을 다시 떠올려 보면
차량용 고전압 배터리 시스템에서는 일반적으로 수십 개의 셀을 더한 하나의 프레임에 묶고 DMS 유닛을 장착한 모듈을 만듭니다. 그리고 이 모듈 여러 개를 다시 모아 냉각탑과 하우징을 결합해 하나의 팩을 완성했습니다. 이 포울 단계는 셀을 물리적으로 보 하고 관리를 하지 했지만 심각한 공간 낭비를 초래했습니다. 모듈의 케이스, 각종 브레이크, 커넥터 등은 에너지를 저장하지 못하는 그저 죽은 공간었습니다. 업계에서는 이 부품들 전체 팩 부피의 약 40%를 차지하는 것으로 분석했습니다. 3dp PPT, LFP 양제와 강력한 시너지를 냅니다.
앞서 LFP는 패키징 기술을 통해 핵단 위의 공간 효율성 10%에서 60% 향상시키면 셀 자체의 낮은 밀도는 핵심 상당 부분 만회할 수 있습니다. 현재 터가 스트림 시장으로 진입하는데 CTP 기술 또한 하나의 결정적인 역할을 했다고 볼 수 있어 습니다.

• CTP(Cell to Pack):
  • 기존 '셀-모듈-팩' 단계에서 모듈 단계를 제거하고 셀을 팩 하우징에 직접 적재하는 방식이다.
  • 팩 부피의 약 40%를 차지하던 모듈 케이스와 커넥터 등의 '죽은 공간'을 제거함으로써 공간 효율성을 10~60% 향상시킨다.
  • 이는 특히 에너지 밀도가 낮은 LFP 배터리와 결합해 큰 시너지를 낸다. 
• CTC(Cell to Chassis):
  • CTP에서 한 단계 더 나아간 방식이다.
  • 차량의 샤시가 팩의 커버 역할을 겸하게 하는 기술이다.
  • 배터리와 차체를 일체화하여 부품 수를 줄이고 생산 비용을 절감하며, 차량의 강성을 높이는 데 기여한다.

 

3. 능동형 열 관리 및 통합 제어 기술

온도는 배터리의 성능, 수명, 안전을 좌우하는 절대적인 변수다. 특히 고성능 전기차를 위해 정교한 능동형 열 관리 전략이 도입되고 있다.

• 배터리 프리 컨디셔닝: 주행 시나리오에 맞춰 배터리 온도를 사전에 조절한다.
  • 네비게이션 기반: 고속 충전 전 배터리 온도를 적정한 온도로 조정한다. 
  • 가속/드래그 모드: 배터리 온도를 30~40℃로 예열하여 내부 저항을 낮추고 최대 출력을 즉각적으로 이끌어낸다.
    • 리튬이온 셀 내부 저항은 온도가 높을수록 낮아지는데 고전력 방전 시 전압 강하를 최소화하고 최대 출력을 끌어낼 수 있기 때문이다.
  • 트랙 주행 모드: 온도를 20~30℃로 낮게 설정하여 고부하 주행 시 발생하는 열을 흡수할 여유 공간을 확보하고 출력 저하(Throttling) 시점을 지연시킨다.

• 하드웨어 및 시스템 통합: 셀과 냉각 패널 사이의 열 전달 경로를 단축하고 방열 소재(TIM),칠러(Chiller)와 모터 오일 쿨러 등 연동하여 냉각 성능을 극대화한다.
• 회생 제동 연계: 회생 제동 시스템과 연동하여 기계적 에너지와 열에너지를 통합 관리한다. 회생 제동을 통해 마찰 브레이크의 열 부하를 줄이고, 회수된 에너지를 배터리 온도 관리와 연동하는 등 차량 전체의 에너지 흐름을 최적화한다.

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특히 캐스퍼는 터보를 사라,, 경차는 터보를 사야한다 이런 말은 많이 들었는데 어떤 차이가 있는지는 몰랐다. 이번 강의로 알게 되었다. 

또 N페스티벌에 eN1 클래스인가? 아이오닉5로 주행하는 대회가 있는데 이 대회에서 작년에 배터리 열 관리가 매우 중요했다고 한다. 이 열 관리로 마지막에 엄청난 역전이 펼쳐졌다는데,, 그만큼 중요하구나 싶다. 
그런 차이는 같은 차량인데 어떻게 갈리는 걸까? 선수가 어떻게 열 관리에 참여하나 또 궁금쓰