르노의 E-TECH 하이브리드 시리즈 2편 - 모터스포츠에서 배우다

프랑스 대중이 사랑하는 브랜드인 르노 그룹 역시 최근 전세계적인 트렌드인 전동화에 적극 대응하고 있다. 최근 르노는 'E-TECH'로 명명한 플러그인 하이브리드 라인을 출시하며 미래를 준비하고 있다. 

르노의 전동화 전략 칼럼은 6회에 걸쳐 개제할 예정이며, 르노의 'E-TECH' 플러그인 하이브리드가 어떤 전략으로 어떤 부분에 초점을 맟추고 있으며, 어떤 모델에 적용되는지 살펴볼 예정이다. 2편에서는 르노가 그동안 모터스포츠를 통해 얻은 기술과 노하우가 어떻게 전동화 전략으로 이어지는지 살펴본다.

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레이싱카는 언제 대량생산 모델에 영감을 주게 되는가

모터스포트와 르노의 포뮬러 1 참가는 E-TECH 하이브리드 모터 개발에 있어 핵심이 된다. 레이싱 세계와 일반 양산 자동차를 이어주는 다리는 크게 두가지로 요약할 수 있다. 그것은 에너지 사용과 복구 그리고 혁신적인 멀티모드 도그(Multi-mode dog) 기어박스를 최초로 도입한것이다.

전문가의 지식 공유를 통해 완성한 에너지 최적화

2013년부터 르노DP 월드 F1팀과 르노 엔지니어링은 에너지관리 부문에서 각각의 지식들을 공유해 오고 있다. 포뮬러1에서 사용하는 하이브리드 모터 출시를 준비하기 위해 현재 르노 E-TECH 하이브리드 모델을 담당하고 있는 하이브리드 전문 엔지니어들이 르노의 비히샤띠옹(Viry-Châtillon) 공장에서 포뮬러1의 하이브리드 모터 개발에 전념했다.

그곳에서 엔지니어들은 현재 르노 하이브리드 모델을 디자인하는데 사용하고 있는 에너지 관리에 대한 전략을 세밀하게 검토했다. 에너지 재생과 효율적 사용 측면에서 E-TECH 엔진이 주행의 즐거움과 높은 에너지 효율 모두를 만족할 수 있게 된 것은 모두 이런 지식과 노하우의 공유 덕분이다.

포뮬러1에서 사용하는 엔진이나 E-TECH의 모터 모두에 적용되는 에너지 관리의 법칙은 생성된 에너지가 필요로 하는 전력보다 높을 경우 최적의 에너지 출력(열 출력 vs 전체 연료 사용량)을 찾아 배터리를 재충전하도록 디자인되어 있는 것이다.

F1의 경우, 운동에너지는 감속과 제동 중 회수된 다음 곧바로 배터리를 재충전하기 위해 전기에너지로 변환될 수 있다. 대량생산 자동차의 경우 특히 도로를 주행할 때 적용되는 에너지 관리 법칙은 엔진이 최적의 엔진회전수를 유지하도록 강제하며  배터리를 충전하게 하는 것이다.

충전된 전기에너지는 운전 중 급가속해 엔진을 급격하게 사용하게 될 경우 엔진을 지원하거나 도심지에서 100% 전기차모드로 주행할 수 있게 하는데 사용된다. E-TECH 플러그인하이브리드 엔진이 탑재된 르노의 모델은 멀티센스 드라이빙모드 중 SPORT 모드를 사용하면 배터리와 엔진을 동시에 사용해 다이내믹한 주행과 가속시 효율성을 극대화할 수 있다. 

가속페달에 상당한 압력이 발생하면 자동적으로 두개의 전기 모터는 추가 동력을 엔진에 지원한다. 이 방식은 F1에서 사용하는 방법이며, 운전자는 자동차의 주행모드를 특정모드로 선택해 모든 출력을 사용할 수 있게 되는 것이다. 에너지를 효율적으로 사용할 수 있게 하는 신속한 엔진과 모터의 응답성은 르노의 혁신적인 변속기의 도움이 있기 때문이다.

르노 E-TECH 하이브리드 엔진 파워트레인 아키텍처는 르노 DP 월드 F1팀의 자동차에서 사용하는 엔진과 2개의 전기 모터를 동시에 사용하는 구조와 기본적으로 매우 유사하다.  

이 아키텍처는 멀티모드 도그 기어박스와 조합을 이룬다. 시동시 전기모터를 사용하는 것으로 인식하면, 클러치가 없는 기어박스는 100% 전기 배터리로 시동을 걸 수 있게 한다. 이는 가속하는 동안 기어를 변속할때 생기는 변속충격을 현저히 줄여주게 되어 주행하는 동안 편안함을 유지할 수 있으며 가속시에도 성능을 최고 상태로 유지할 수 있게 한다. 

F1으로 비유하면, 부드러운 기어 변속이 의미하는것은 그립손실을 방지하고 변속충격을 줄여주는 것을 의미하는 것과 같은 의미라고 할 수 있다. 

르노의 F1 드라이버, 니콜라스 에스페쏜과의 인터뷰

르노 스포트 레이싱에서 퍼포먼스 옵티마이저로 있는 니콜라스 에스페쏜(Nicolas Espesson)에게 3가지 질문을 하겠다.

 

Q. 르노의 E-TECH 엔진과 포뮬러1에서 사용하는 하이브리드 엔진의 공통점은 무엇인가?

A. 무엇보다, 두개의 파워트레인 모두 유사한 부품으로 주요 부분이 제작된다. 각각 엔진 1개, 전기모터 2개, 배터리 1개가 필요하다. 르노의 혁신적인 아키텍처는 각 부품들의 사용 측면에서 보면 다양한 선택을할 수 있는 기회를 만들어 주는 것이다. 

르노의 조에(ZOE)와 같이 순수 전기차모드로 운전할 수도 있고, '일반적인' 자동차처럼 엔진으로만 운전도 할 수 있다. 물론 엔진과 모터를 동시에 사용하는 하이브리드 모드로도 운전이 가능하다.

F1의 레이싱카와 르노 E-TECH 모델과의 아키텍처 유사성은, 전기에너지나 화석 연료 에너지나 어떤 에너지원이든 이용할 수 있는 에너지를 동일한 방식으로 사용할 수 있게 하는 것과 같다. 

그래서 에너지 관리는 상당히 중요하다. 간단히 예를 들면, 배터리 충전량이 낮아지면 일정 수준까지 강제로 충전하도록 시스템이 운영되는 것이 에너지 관리가 된다.  

반대로 배터리가 가득 찼다면 엔진 작동을 멈추고 모터만 사용해 주행하도록 시스템을 지능적으로 관리하며 연료 소비를 줄이면서 운전의 즐거움을 더하는것이 르노의 기술이다.

Q. 이번에 채택한 기어박스는 어떤 이점이 있나?

A. E-TECH에 사용하는 도그 기어박스는 내부 마찰이 없어 효율성이 상당히 높아 F1에서 오랫동안 사용되어 왔다. E-TECH 모델에 이 기어박스를 사용해 클러치 조작 없이 부드럽게 변속을 할 수 있게 만드는 것은 F1 레이싱카보다 더 큰 도전과제이기도 했다.  

2개의 전기모터를 사용한 덕분에 기어박스의 회전 속도를 정밀하게 조절할 수 있어 기어변속을 부드럽게 만드는 것이 가능해졌다. 이 기어박스의 독특한 구조는 혁신적인 다수의 특허를 가지고 있으며, 전자제어 장치를 통해 최적의 기어비를 찾아 기어변속시 효율성을 확보할 수 있다는 것이 특징이다. 

E-TECH의 효율성은 2개의 전기모터를 사용해 클러치 없이 기어를 변속해주는 기어박스와 하이브리드기술의 결합으로 완성된다.

Q. E-TECH 하이브리드의 핵심은 에너지 회수 및 재사용이다. 어디까지 활용할 것인가?

A. 확실히 말하면, 우리는 모터를 사용해 추가적인 에너지를 공급할 수 있고 그렇기에 엔진에 전기 모터의 출력을 더할 수 있다. 이것은 당연히 르노가 하이브리드 모델에서도 사용할 수 있고, F1 레이싱카에서도 사용하고 있는 것이다. 그러나 일반적인 양산형 하이브리드 모델에서는 거의 사용할 일은 없을지도 모르겠다. 물론 기능은 존재하지만 말이다. 

주행중 브레이크를 밟아 제동을 시작하면 에너지를 회수해 배터리를 '무료'로 충전할 수 있지만, 가능하면 브레이크 사용을 하지 않고 브레이크 마모도 원하지 않는다. 하지만 제동을 통한 에너지가 회수되면 언제든 다시 사용할 수있을 것이며 특히 시동을 걸때 엔진 대신 배터리로 시동을 걸 수 있어 연료를 전혀 사용하지 않을 수도 있다.

뉴 메간 E-TECH 플로그인으로 완전 전기차모드를 사용하면 WLTP 기준 최대 65km까지 주행거리를 확보할 수 있다. 따라서 완전 전기차모드를 언제든 선택해 주행할 수 있다. 고속도로에서 강력한 가속이 필요하다면 엔진과 전기모터를 동시에 사용해 가속과 추월을 할 수 있다. 하지만 의외로 어려운 것이 운전중 배터리를 충전하는것이다. F1 세계에서는 이 과정을 '과부하(Overload)'라고 부른다.

운전자가 가속 페달과 브레이크 페달을 동시에 밟을 수는 없다. 그러나 하나의 엔진이 가속을 하며 반대로 브레이크가 작동을 하는  '반직관적(counter-intuitive)' 모드는 엔진을 사용해 주행하면서 동시에 발전기의 역할을 하는 전기모터를 이용해 배터리를 충전하는 것이다. 이 모드를 사용하면 엔진 효율성도 높일 수 있다.

잘 알고 있는 것처럼, 우리가 보는 다양한 건축물 역시 수 많은 선택을 할 수 있다. 전기와 연료를 어떤 동력원을 사용하더라도 기어박스의 최적의 비율을 찾는 그 순간에도 엔진과 모터 어느 동력원도 사용할 수 있다. 이런 기술의 발전은 이전에는 절대 경험할 수 없었던 연료의 사용 패턴과 운전의 또 다른 즐거움을 알게해 줄 것이다.

3편으로 이어집니다.

사진,영상:르노