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2016. 01. 22
제   목 : 배터리클럽 이야기(43) 격화되는 연비전쟁 배터리로 연비 향상을 꾀한다.
작성자 : 조회 : 2426

요즘처럼 날씨가 추워지면 시동 문제로 배터리를 교체했다는 글을 자주 접하게 된다. 대부분 수명이 다 한 배터리 문제가 원인이었고 배터리 교체로 문제를 해결했다는 글들이다.

그러나, 배터리 수명이 줄어든 원인에 대한 글을 찾는 것은 쉽지 않다. 어차피 시동만 걸리면 알터네이터에서 배터리를 충전시켜줄 테니 자연스레 수명이 다한 배터리가 원인이라고 생각 할 뿐 다른 이유에 대해서는 생각조차 하지 않는 것이다.

 

 


 

차량용 블랙박스 장착이 일상화 되면서 상시 전원 연결에 따른 방전이 배터리 수명을 단축시키는 주된 원인으로 지목하는 사람도 있지만 이보다 더 근본적인 문제가 있다.

 

하이브리드카(HEV)를 대표로 하는 에코카 기술이 비약적으로 진화하여 10년 전에는 생각할 수 없을 만큼의 배기가스 클린화를 실현하였다. 그러나 차량 구입 시 비용 증가와 차량 실내 공간의 감소를 초래했다. 이를 경이적이라고도 할 수 있는 정숙성을 ‘자동차 같지 않은’이라는 감각적인 표현으로 고객의 마음을 움직여 왔다.

 

 


자동차 메이커들의 에코카 기술 전쟁의 중심에는 ‘연비 전쟁’이 자리하고 있다. 격화하는 연비 전쟁은 자동차의 전장 부품을 동작시키는데 필요한 전력을 발전하는 알터네이터(alternator)가 있다.

 

 

<자동차 알터네이터(제너레이터)>


알터네이터는 자동차에 필요한 전력 공급과 배터리 충전을 담당하는 부품이다. 시동을 끈 상태에선 배터리가 차량에 전력을 공급하지만 시동을 걸면 알터네이터가 생산한 전기로 차량 내 각종 전기 장치가 운영되고 배터리를 충전한다. 그리고 이 전기를 생산하기 위해 엔진 동력 일부를 사용한다.

 

지금까지 전기 부하가 일정 이상이 되지 않는 이상 항상 납/산 배터리에 충전 전류가 흐르고 있어 알터네이터는 엔진에 대한 저항의 하나로서 존재하고 있었다. 이와 같이 모든 부분에서 손실을 없애 연비 향상을 기하고 있는데 그 중에서도 최근 특히 주목 받고 있는 것이 알티네이터의 손실 저감이다.

 

알터네이터와 배터리 그리고 차량 내 전력 공급 구조는 연비 향상에 모든 관심이 쏠리면서 몇 년 전부터 새로운 전력 공급 기술이 차량에 사용되고 있다.

 

이를 두고 스마트 알터네이터라고 부르는데 최근 차량들은 시동이 걸린 상태에서도 알터네이터가 아닌 배터리 전력으로 차량 내 모든 전력 공급이 가능하게 되어 있다. 이 상태가 되면 알터네이터는 동작하지 않기 때문에 동력 손실은 줄고 그 만큼 연비는 높아지게 된다.

 

 

<스마트 알터네이터와 회생 제동 기술이 접목된 르노 'ESM'>

 

여기에 브레이크를 밟거나 관성으로 엔진이 구동 될 때 전력을 생산할 수 있는 회생 제동 시스템까지 적용되면서 엔진 동력에 의한 알터네이터 구동은 더욱 최소화 되는 방식으로 변하게 됐다.

  

알티네이터 손실 저감을 위해서는 첫째, 자동차에서 사용되고 있는 전류량을 검지하여 알터네이터의 발전력을 전환하는(high/low) 기술의 도입이다. 이는 배터리의 충전 상황을 상세하게 파악한 후 필요한 때에는 발전하고 필요가 없을 때에는 발전하지 않는(필요 최저한의 발전) 것으로 필드 전류 제어 기술의 실현이다.

 

둘째, 빈번한 충/방전을 반복할 수 있는 납/산 배터리의 진화에 의한 충전 성능의 향상이다.

 

 

 

<배터리 적용 기술>


셋째, 아이들링 시와 같은 엔진 저부하 영역에서 알터네이터 발전량을 억제하는 제어 기술도 도입이다. 아이들링 스톱 기구를 탑재하고 있는 차량은 비 탑재 차량과 비교하여 스타터(starter)에 의한 엔진 시동 회수가 수십 배까지 증가한다. 이로 인해 몇 년 전의 납/산 배터리에 요구되고 있던 성능과는 비교가 안 될 정도로 요구는 어려워지고 있다. 아이들링 스톱 기구의 등장에 의해 더욱 더 납/산 배터리의 방전할 기회가 증가한다. 이것은 원래 비싸지 않은 납/산 배터리의 충전 인수 성능을 더욱 더 진화시킬 필요가 있는 것을 의미하고 있다.

 

 

 

유럽 시장에서 시작해 지금은 전세계적으로 널리 사용되고 있는 가장 보급화된 연비 향상 기술인 엔진 스타트-스톱 시스템의 유럽 내 조사결과에 따르면 엔진 스타트-스톱 시스템을 이용하면 평균 10% 정도의 연비 향상 효과가 있는 것으로 알려지고 있으며, 시내 주행에서는 그 효과가 15%까지 높아진다고 한다.

 

 


그러나 아이들링 스톱 기구는 시시각각 변하는 납/산 배터리 상태에 의해 그 동작을 실시할 수 있을지를 판단해야 한다. 판단에 필수가 되는 납/산 배터리 상태를 파악하기 위한 배터리 센서에 대해 알아보면 배터리의 어스 케이블(earth cable)과 배터리 마이너스 단자의 사이에 설치되어 있다. 흐르고 있는 전류치와 방향(충전/방전), 전압, 배터리의 추정 온도, 배터리의 내부 저항(열화 판정에 이용한다)을 검지하여 그 정보를 ECU(전자 제어 유닛)에 송신한다.

 

 


전류치와 방향은 Shunt Resistors(분류기)에서, 전압은 배터리 센서에도 인가되고 있는 배터리 전압, 온도는 배터리 센서 내부에 있는 온도센서, 내부 저항은 배터리 전압으로부터 각각 연산되고 있다. 배터리 센서의 측정 결과는 아이들링 스톱 기구를 동작시키는지 아닌지를 판단할 뿐만 아니라 알터네이터의 발전량을 조정하기 위한 가장 중요한 정보로도 되어 있다.

 

이와 같이 알터네이터는 납/산 배터리와 끊으려야 끊을 수 없는 관계이다. 그러나 최근에는 알터네이터의 역할이 발전에서 자동차의 연비를 좌우하는 중요한 전장 부품으로 자리하고 있다. 엔진에 의해 단지 구동되어 발전하는 것만이 아니라 필요한 때만 발전을 실시하는 것과 동시에 동력원으로서 활용되게 되어 있다.

 

전기 자동차(EV)가 본격적으로 보급되는 시대가 오고 있지만 내연기관을 이용한(HEV) 자동차와의 판매 비율이 바뀌는 데에는 아직도 시간이 필요하다. , 내연기관의 고효율화를 대표로 하는 연비 향상을 위한 기술 개발은 종착점에 도달한 것이 아니라 새로운 진화가 필요한 것이다. 그리고 현재도 기술자들은 필사적으로 개발을 계속하고 있다.

 

 

 

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