아우디 콰트로, 전기 모빌리티 시대의 콰트로를 말하다

지난 40년간 아우디는 영구적인 콰트로 4륜구동을 발전시켜 왔고, 자동차 업계와 모터스포츠 분야에서 파워트레인 기술에 패러다임의 변화를 만들어냈다. 아우디는 1980년부터 축적한 노하우를 다음 단계로 확장할 준비를 하고 있다. e-트론 모델의 전자식 콰트로는 아우디가 전기 모빌리티 시대를 준비하는 새로운 기준이 될 것이다. 물론 즐거운 운전과 높은 효율성은 기본이다.

아우디 콰트로와 e-트론을 결합해 고성능과 고효율의 완벽한 조합을 만들어 냈다. 아우디는 이용 가능한 에너지를 효율적으로 관리하면서 가변성, 역동성, 정밀도 등이 높은 새로운 4륜구동 시스템을 만들어 내고 있다.

 

아우디는 왜 일렉트릭 콰트로가 필요한가?

4륜구동 제어 시스템 프로젝트 리더인 마이클 베인은, '아우디에게 일렉트릭 콰트로는 강력한 성능과 고효율의 완벽한 조합이며, 구동 차축의 효율성과 4륜 구동 시스템의 트랙션 그리고 다이내믹한 성능을 모두 만족시킬 수 있기 때문'이라며 콰트로 시슽템의 필요성을 강조한다.

현재 e-트론 모델은 후륜 구동이며 전륜 구동용 모터는 전원이 별도 공급되지 않고 동시 구동된다. 모터는 비동기식이기 때문에 고유의 전력 손실이 없고 이 구동 시스템은 에너지 소비도 적다.

예를 들어, 고도의 드라이빙 다이내믹스, 높은 토크 전달이 가능한 고속주행 또는 빗길이나 눈길, 진흙길 등에서 마찰계수가 낮아진 상태로 주행하게 될 경우 운전자가 모르는 아주 짧은 순간(millisecones)에 프론트 액슬이 추가 작동하게 된다.

 

타 브랜드의 4륜 구동 시스템보다 아우디의 콰트로 시스템이 더 나은 점은?

아우디는 프론트액슬 모터1개와 리어액슬 하우징에 설치된 모터 2개를 특징으로 하는 구동 네트워크를 e-트론 S에서 매우 가변적인 토크 분배를 가능하게 한 최초의 자동차 브랜드다. 정교한 제어와 조절을 통해 가변적으로 구동력을 배분해 일렉트릭 콰트로가 최적의 성능과 효율을 구현할 수 있게 한다. 

아우디는 리어액슬의 전기 토크 백터링, 기계적 디퍼렌셜의 제동 개입으로 인한 휠의 선택적 토크 제어, 전자식 파워트레인에서의 높은 에너지 회수 성능 등의 기능을 모두 하나로 통합했다. 또한 운전자는 개별적으로 선택할 수 있는 프로그램을 통해 개인 취향에 맞는 시스템을 사용할 수 있다.

 

e-트론과 e-트론 S모델의 일렉트릭 콰트로 활성화 방식은?

일렉트릭 콰트로는 마찰계수가 낮은 노면에서 접지력이 떨어지는 상황, 특히 다이내믹한 주행 조건에서 운전자가 높은 트랙션을 원하거나 최대 에너지 회수가 필요하다고 판단되는 상황, 즉 제동과 감속 중 에너지를 회수해야 할 상황에서 작동을 시작하게 된다.

운전자가 e-트론을 0.3g 수준으로 감속을 시작할 경우 전기모터는 발전기의 역할을 하고 자동차의 운동에너지를 전기에너지로 변환해 배터리를 충전한다. 일상적인 주행상황에서 90%가 넘는 상황이 이에 해당한다. 더 강한 브레이크 페달 압력이 가해질 경우에 한해 시스템이 추가로 유압 휠 브레이크를 부드럽게 작동시키게 된다.

예를 들어, 100km/h로 주행 중 e-트론 S는 최대 270kW의 출력으로 운동에너지를 회수하게 된다. 포뮬러 E 레이싱카의 250kW와 비교되는 부분이다. 운전자가 가속중에 최대 출력을 원하게 되면 e-트론 S 모델은 총 370kW, 99.2kg.m의 토크로 부스트를 제공한다. 주행 모드 또는 회생 모드 어느 모드에서든 상호 연결되어 언제나 최상의 토크 배분을 할 수 있도록 콰트로 시스템은 준비하고 있다.

기계식 콰트로와 일렉트릭 콰트로는 어떻게 다른가?

아우디 e-트론에는 전기모터가 전륜과 후륜에 각각 1개씩 장착되어 있다. e-트론 S 버전에는 전륜에 1개, 후륜에 2개의 모터를 장착한다. 전기 토크 백터링(좌,우의 토크를 제어하는)을 추가해 e-트론 S는 리어 액실에서 콰트로 구동력을 더해 접지력과 민첩성을 더욱 향상시킬 수 있다.

주요 특징은 리어 액슬에 장착된 2개의 전기모터 사이의 기계적 연결이 없는 경우 횡방향의 디퍼렌셜 록 기능 제어와 이에 따른 스포츠 디퍼렌셜의 기능은 순수하게 소프트웨어 기반 작동을 하게 되어 단일 시스템으로 만들 수 있다는 것이다.

결과적으로, 지능형 드라이브 컨트롤 덕분에 아우디는 리어액슬에서 횡방향으로 매우 능동적이고 완벽하게 가변 토크를 분배하고 제어할 수 있게 된 것이다.

 

아우디는 일렉트릭 드라이브 시스템의 높은 가변성을 어떻게 확보했나?

아우디는 대량생산이 가능한 전기차 파워트레인 아키텍처와 모든 핵심 소프트웨어 구성요소 그리고 아우디가 개발한 네트워크의 통합된 정교한 컨트롤 유닛을 결합시켰다.

기계식 4륜구동과 비교하면, 엄청나게 빠른 반응의 구동 시스템을 만든 것이다. 예를 들어 전기 토크 백터링의 경우 센서 측정 그리고 활성화된 토크 분배 사이의 시간 간격은 30밀리초에 불과하다. 이것은 기계식 시스템의 응답속도 대비 75% 빨라진 속도다. 그리고 일렉트릭 드라이브는 더 높은 토크를 낼 수 있다는 장점도 있다. 

e-트론이 코너에 진입했을 때 최대 22.4kg.m의 토크를 바깥쪽의 휠로 보낼 수 있으며 전달 비율로 계산하면 하나의 휠에 214kg.m의 토크를 전달하는 것과 같다. 이것이 구동 시스템이 코너링에서 필요로하는 요(yaw) 모멘트를 생성하는 방법이다. 자동차는 이 상황에서 코너링 하고 있는 방향에서 수직축을 중심으로 회전하며 코너를 빠져나가기 때문에 더욱 큰 접지력을 바탕으로 빠르게 코너를 탈출하는 것이 가능하다.

빙판길이나 눈길을 주행할 경우와 같이 마찰계수가 현저히 낮아질 경우 트랙션을 아주 정밀하게 최적화 하는 것이 가능하다. 구동 휠에 전달되는 각각의 마찰계수를 측정하고 토크를 적절히 분배하면 토크 배분이 최적화되어 전체적으로 트랙션이 향상되면서 안전하고 빠르게 주행할 수 있게 된다. 

 

세밀한 토크 제어는 어떻게 가능한가?

소프트웨어가 최상의 기능을 발휘하기 위해서는 지능형 연동장치가 필수다. 드라이브 컨트롤 유닛(DCU)은 전기모터에 토크를 나누어 주는 역할을 하며 에너지 전환 효율성은 최적화에 결정적인 요소가 된다.

일렉트릭 섀시 플랫폼(ECP)의 통합 컨트롤 유닛은 센서의 신호를 사용해 주행상태를 모니터링하며 진행방향의 종방향과 횡방향에 전달되는 토크의 이상적인 분배를 계산한다. 이것은 콰트로의 다이내믹스 컨트롤 즉 전기 토크 백터링과 프론트 액슬의 제동 개입을 통해 휠 선택적 토크 제어가 가능해지는 것을 의미한다.

아우디 e-트론 S의 경우, 다이내믹 리미트 상황에서 휠 브레이크는 코너링시 안쪽 전륜 휠에 속도를 줄이며 아우디 e-트론의 경우에는 전륜과 후륜 모두 속도를 줄인다. 기계식 액슬 디퍼렌셜의 영향으로 더 많은 토크가 바깥쪽 휠로 토크를 보내 더 빠르게 코너링 방향으로 조향이 가능해진다. 트랙션 컨트롤 시스템(TCR)은 1밀리 초 간격으로 작동하는데 이것은 전자식 스태빌리티 컨트롤(ESC)의 개별 기능 부품들이 직접적으로 전기 모터에서 파워 일렉트로닉스로 통합되었기 때문에 가능해진 것이다.

드라이브 컨트롤 유닛은 트랙션 제어 시스템과 4륜 컨트롤러를 제어하도록 만들었으며 엔지니어는 운전자가 더욱 빠르고 정교한 핸들링을 할 수 있도록 시스템을 구성했다.

 

운전자가 일렉트릭 콰트로를 컨트롤 하는 방법은?

운전자는 2개의 컨트롤러를 통해 일렉트릭 콰트로를 제어할 수 있다. e-트론에 기본 장착되는 아우디 드라이브 셀렉트 시스템은 컴포트, 오토, 다이내믹, 인디비주얼, 올로드, 오프로드의 다양한 모드를 제공한다. 그리고 일렉트릭 콰트로와 서스펜션 및 기타 시스템 설정도 도로 상황과 운전자의 취향에 맞게 설정할 수 있다.

전자식 스태빌리티 컨트롤 시스템은 4가지 프로그램이 설정되어 있다. 노멀, 스포트, 오프로드 온로드 상황에 맞게 안정성, 트랙션, 브레이크 컨트롤을 최적화하고 힐 디센트 컨트롤 시스템의 활성화를 선택할  수 있다. 

그리고 운전자는 레벨 0에서 레벨 2까지 단계별로 에너지 회수 프로그램을 선택할 수 있다. 레벨 0에서는 탄력주행, 레벨 1에서는 약간의 감속, 레벨 2에서는 최대 0.13g의 감속 법위를 갖고 가장 많은 양의 에너지를 회수하게 되며 원페달 드라이빙이 가능해진다. 수동모드에서는 이전에 설정해 둔 레벨로 자동 설정된다.