새로운 하이브리드는 이 정도는 되어야! 아우디가 개발한 MHEV 플러스 시스템, 신형 A5, Q5에 탑재

프리미엄 플랫폼 컴버넌트(PPC)를 기반으로 한 새로운 A5와 Q5 시리즈를 통해, 아우디(Audi)는 새로운 MHEV 플러스 테크놀로지(MHEV plus technology)를 탑재한 최초의 내연기관 엔진을 출시했다.

 

48볼트 마일드 하이브리드 시스템은 파워트레인 제너레이터(PTG-powertrain generator), 벨트 얼터네이터 스타터(BAS-Belt Alternator Atarter), 리튬 인산철 배터리의 독특한 상호 작용을 통해 내연 기관을 지원하고, 탄소 배출량을 줄이며, 동시에 성능과 민첩성을 향상시킨다.

 

완전히 결합되거나 분리될 수 있는 PTG는 통합 전력 전자 장치와 부분 전기 주행을 가능하게 하는 전기 모터를 특징으로 하며, 이를 통해 소비를 줄이고 더욱 부드러운 주행 경험을 제공한다.

 

“새로운 MHEV 플러스 테크놀로지를 통해 우리는 고객의 요구에 맞춰진 프리미엄 플랫폼 연소를 기반으로 한 새로운 내연기관 차량의 전기화를 추진하고 있다. 이를 통해 우리는 전기차, 플러그인 하이브리드, 효율적인 내연기관 차량으로 구성된 제품 포트폴리오를 강화할 것이다.”라고 아우디 AG의 기술 개발 담당 이사회 멤버인 제프리 부코(Geoffrey Bouquot)는 말한다.

 

MHEV 플러스는 부분 전기 주행, 전기 부스팅, 효율성과 편의성의 상당한 향상과 같은 매력적인 기능을 제공한다.

 

신형 아우디 A5와 Q5의 마일드 하이브리드 시스템은 세 가지 주요 구성 요소로 이루어져 있다. 먼저 통합 전력 전자 장치와 영구 자극 동기 모터(PSM)가 탑재된 콤팩트한 디자인의 새로운 파워트레인 제너레이터(PTG), 48볼트 배터리, 그리고 벨트 얼터네이터 스타터(BAS)다. 특히48V 시스템의 구성 요소는 최적의 작동 조건을 달성하기 위해 액체 냉각된다.

MHEV 플러스 시스템의 구조는 프리미엄 플랫폼 컴버넌트(PPC)를 기반으로 하는 프론트 및 콰트로 드라이브트레인을 갖춘 다양한 모델에 통합될 수 있다.

 

전력 전자 장치와 전기 모터의 상황에 맞는 액체 냉각은 모든 작동 상태에서 전력 및 토크 요구를 충족하기 위해 구성 요소가 최적의 작동 조건에서 작동할 수 있도록 했다.

 

새로운 MHEV 플러스 테크놀로지는 순수 전기 작동 상태를 가능하게 하고, 내연 기관도 지원할 수 있다. 따라서 이 시스템은 성능과 민첩성을 향상시키는 동시에 연료 소비와 CO2 배출량을 줄여준다.

 

예를 들어, A5 2.0 TDI는 최대 10g/km 또는 0.38l/100km까지 절약할 수 있으며, V6 엔진(270kW 콰트로)이 탑재된 3.0 TFSI의 경우 최대 17g/km 또는 WLTP 기준 0.74l/100km의 연료 절감 효과가 있다.

 

추가적인 강력한 구동 모듈로서의 파워트레인 발전기

 

또 다른 주요 장점은 MHEV 플러스 시스템이 성능과 주행 편의성을 향상시킨다는 점이다. 신형 MHEV 플러스 시스템의 작지만 강력한 전기 구동 모듈은 파워트레인 제너레이터(PTG)다.

 

이 구성 요소는 또한 아우디가 이전에 제공했던 MHEV 기술과 가장 큰 차이점을 보인다. 이 기술은 벨트 얼터네이터 스타터로만 작동한다.

 

PTG는 변속기의 출력축에 직접 통합된 전력 전자 장치가 있는 소형 장치에 설치되어 최대 18kW(24PS)의 전력을 구동축에 제공할 수 있다.

이 모듈은 차량이 시동될 때 이미 구동 토크로 사용 가능한 변속기 출력에서 최대 230Nm의 토크를 가능하게 한다.

 

PTG의 소형 변속기는 3.6:1의 비율로 작동한다. MHEV 플러스는 최대 효율을 위해 최대 속도 140km/h까지 PTG를 활용하며, 차량 속도가 더 빠르면, PTG는 통합형 도그 클러치를 통해 구동계에서 분리된다.

 

PTG의 무게는 약 21kg이고 출력축에서 분당 최대 5,550회전을 가능하게 하며, 차량과 구동 방식에 따라 130~140km/h의 속도에 해당한다.

 

주변 부품과 구성 요소를 최소한으로 수정하여 기존 차량 터널의 경계 내에 있는 변속기 출력에 전기 모터를 통합할 수 있는 공간을 만들었고, 기어박스 바로 뒤에 배치하면 여러 가지 장점이 있다.

 

18kW의 구동력 또는 PTG가 제공하는 최대 25kW의 회생 제동력을 추가 손실 없이 액슬 출력에서 바로 사용할 수 있다. 이 구성 덕분에, PTG는 수정 없이 모듈식으로 전륜 및 전륜 구동 차량에 사용할 수 있다.

 

시스템의 높은 편의성 요구 사항을 충족하기 위해서는 전기 모터의 토크, 전류 및 속도를 정밀하게 제어해야 하는데, 작동 온도 범위는 섭씨 영하 40도에서 섭씨 75도까지다.

 

워터 재킷은 전기 모터를 둘러싸고 있으며, 공간을 절약하기 위해 전기 모터에 직접 장착된 공통 냉각수 회로에 있는 소형 고집적 전력 전자 장치를 냉각한다.

 

고성능 전력 모듈은 전력 전자 장치 내의 방열판 주위에 배치된다. 중간 회로 커패시터는 공간을 절약하고 열적으로 최적화된 방식으로 방열판에 둘러싸여 있다.

 

고객 요구 사항에 초점을 맞춘 개발

 

아우디는 예상되는 고객 요구 사항을 염두에 두고 MHEV 플러스 기술을 개발했다. 1세대 스타트-스톱 또는 마일드 하이브리드와 함께 제공되는 기존의 드라이브트레인은 차량이 정지 상태에 있을 때 엔진 정지, 코스팅, 엔진 정지 상태에서 프리휠링, 12볼트 또는 48볼트 에너지 회수와 같은 핵심 효율성 구성 요소에 의존한다.

 

새로운 기술로 전기화가 증가하는 주요 이점으로는 시동-정지 작동의 편의성 향상, 무배출 코스팅, 에너지 회수, 부분 전기 주행(예: 전기 주차 및 기동), 내연 기관의 전기 지원으로 인한 성능 향상 등이 있다.

이 덕분에 차량을 순수 전기 방식으로 운전할 수 있게 되어, 예를 들어 도시에서 천천히 운전하거나, 도시 외곽 도로에서 교통량이 느리게 움직일 때, 또는 다음 마을에 접근할 때와 같이, 내연 기관을 더 오랫동안 꺼둘 수 있다.

 

또한, PTG가 저속에서도 최대 230Nm의 구동 토크를 제공하기 때문에 차량의 시동 응답이 크게 개선되고 더 즉각적이다.

 

그 결과 반응성이 눈에 띄게 향상되어, 특히 출발할 때 처음 몇 미터 동안 민첩성이 뚜렷하게 향상되는 것을 알 수 있다.

 

0~최대 140km/h의 속도 범위에서 PTG는 내연 기관을 지원할 수 있다. 즉, MHEV 플러스는 최대 18kW의 추가 전기 출력을 제공하여 내연 기관이 최대한 효율적으로 작동할 수 있도록 한다.

 

이 속도 범위에서 PTG는 차량이 정지하기 직전까지 회생 제동을 통해 최대 25kW의 에너지를 회수할 수 있다. 통합된 혼합 제동 제어 시스템은 마찰 제동을 사용하지 않고도 압력 없는 제동과 최적의 회생 제동을 가능하게 한다.

 

전기 에어컨 컴프레서 덕분에 MHEV 플러스는 빨간불에서 대기하는 등 내연 기관이 꺼져 있는 경우에도 에어컨 시스템을 계속 작동시킬 수 있다.

 

BAS, 리튬 이온 배터리, iBRS: 이상적인 조합

 

MHEV 플러스 기술의 일부인 벨트 얼터네이터 스타터(BAS)는 엔진 시동과 배터리에 전기 에너지 전달을 담당한다. 벨트 구동 방식은 피니언 스타터에 비해 음향적 이점이 있으며, 내연 기관의 시동 속도를 높일 수 있다.

 

그 결과, 연료 소비가 개선되고 시동 편의성이 향상된다. 또한, 벨트 교류 발전기 스타터는 엔진이 꺼졌을 때 엔진의 에너지를 회수하여 실린더를 재시동을 위한 최적의 위치에 놓을 수 있다.

 

리튬 인산철(LFP)로 만든 리튬 이온 배터리의 저장 용량은 37암페어시이며, 이는 1.7kWh(총)에 해당한다.

최대 방전 전력은 24kW다. 가용성, 전력, 토크에 대한 요구 사항 때문에 배터리는 섭씨 25~60도 범위에서 최적의 조건을 보장하는 저온 수냉식 회로에 통합되어 있다. 아우디가 마일드 하이브리드 시스템에 LFP 배터리를 사용하는 것은 이번이 처음이다.

 

통합 브레이크 제어 시스템(iBRS- integrated brake control system)은 에너지 회수에서 중요한 역할을 한다.

 

MHEV 플러스 기술이 적용된 모델에서 iBRS는 압력 없는 제동을 보장하고, 기계식 휠 브레이크를 사용하지 않고 회생 제동을 통해 필요한 감속을 달성한다. 기계식 브레이크는 브레이크 페달을 더 세게 밟을 때만 작동하기 때문에, 제동감에 영향을 미치지 않는다.

 

정교한 MHEV 플러스 운영 전략

 

하이브리드 시스템의 경우, 50~60% 충전된 배터리가 가장 효율적으로 작동한다는 것이 경험상 통용되는 규칙이다. 왜냐하면, 전기 모터에 높은 전류를 전달하고 에너지 회수 과정에서 높은 충전 전류를 저장할 수 있기 때문이다.

 

하이브리드 시스템의 초점은 전기 레인지가 아니라 배터리를 빠른 주기로 방전하고 재충전하는 데 있다. 이를 통해 가능한 한 많은 에너지를 회수하고 드라이브에 효율적으로 재사용할 수 있다.

 

MHEV 플러스 테크놀로지를 사용하면 제어 소프트웨어가 연소 엔진, PTG, BAS 간의 최적의 상호 작용을 위해 차량의 작동 상태를 평가한다. 이를 위해 두 개의 전기 모터를 최적으로 사용하기 위한 특성 값과 추진 또는 에너지 회수를 위한 원하는 토크 수준이 저장되고 배터리 충전 상태도 고려된다.

목표는 안정적인 작동이며, 제어 시스템은 상황에 따라 다른 결과를 달성하는데, 이는 추가 전기 드라이브의 작동 전략이 각 연소 엔진에 최적화되어 있기 때문이다. 그 결과, 주행 역학을 손상시키지 않으면서도 가능한 한 낮은 연료 소비를 달성할 수 있게 된다.

 

작동 전략은 선택된 전송 모드와 액셀 페달의 변조를 고려한다. 예를 들어, 주행 모드 D에서는 최대 18kW의 추가 전력이 파워트레인 발전기에 의해 적용되는데, 이때 액셀 페달을 약 80% 정도 밟아야 한다. 주행 모드 S에서는 액셀 페달을 조금만 밟아도 18kW의 추가 전력이 이미 제공된다.

 

D의 경우, 고속도로와 도시 외곽 도로에서 연소 엔진을 사용하여 일정한 속도로 주행할 때 PTG의 전기 모터에서 전기 손실을 방지하기 위해 85km/h부터 PTG를 분리할 수 있다.

 

그러나 S의 경우, PTG는 언제든지 즉각적인 반응성을 가능하게 하기 위해 최대 허용 엔진 속도인 5,550rpm까지 결합된 상태를 유지한다.

 

주행 모드 D와 S의 경우, 48볼트 배터리의 목표 SoC(충전 상태)에 따라 작동 전략이 달라진다. D 모드에서는 평균 SoC가 50~55%인 경우, 부분 전기 주행에서 내연 기관의 전기 지원에 충분한 에너지를 확보할 수 있는 최적의 균형을 제공한다.

 

이 SoC는 신호등에서 또는 시내로 진입할 때 부드럽고 긴 제동 단계에서 발생하는 많은 양의 회생 에너지를 저장하는 데도 충분하다.

 

S에서는 약 70%의 더 높은 목표 SoC가 더 스포티한 주행을 위해 내연 기관을 전기적으로 지원하는 데 사용할 수 있는 더 많은 에너지를 보장한다. 예상하시다시피, 스포티한 주행은 더 짧고 더 강렬한 제동 단계를 수반하므로 회수할 수 있는 에너지가 적다.

 

파워트레인 제너레이터를 사용하면 주행 역학 측면에서도 장점이 있다. 즉, 추가적인 토크가 즉시 제공되기 때문에 차량이 부하 변화에 더 즉각적으로 반응하고 코너에서 더 민첩하게 가속할 수 있다.

 

또한, D 모드와 S 모드에서 부하 변화의 유형이 다르게 조절되어 D 모드에서는 더 편안한 핸들링이 가능하고, S 모드에서는 더 반응적이고 역동적인 핸들링이 가능하다.

 

MHEV 플러스 모델은 순수 전기 모드로도 운행할 수 있다. 예를 들어, 차량이 도시에 접근할 때, PTG의 도움으로 속도를 유지할 수 있다.

운전자 또는 어댑티브 크루즈 컨트롤(ACC)에 필요한 동력이 일정 값을 초과하면, 내연 기관이 시동되어 추진력을 담당한다. 시동 임계값은 48볼트 배터리의 현재 SoC와 차량의 속도에 따라 달라진다.

 

현재 SoC가 목표 SoC보다 낮으면, 내연 기관이 더 일찍 켜진다. 한편으로는, 이것은 전기 주행에 추가적인 에너지를 소비하는 것을 피하기 위한 것이고, 따라서 SoC를 더 낮추기 위한 것이다. 반면에, 내연 기관은 BAS 및 PTG와 함께 출력을 증가시켜 필요에 따라 SoC를 다시 증가시킬 수 있다.

 

즉, 배터리를 충전할 수 있게 된다. 이것은 전기 구동 기동, 느린 속도로 움직이는 교통 흐름을 따라가는 크리핑, 또는 주차와 같이 훨씬 낮은 충전 상태로 유지할 수 있는 경우에는 적용되지 않는다.

 

현재 SoC가 목표 SoC보다 높으면, 약간 더 높은 전력 수요가 있을 때 연소 엔진이 나중에 켜진다. 이렇게 함으로써, 48볼트 배터리는 목표 SoC를 향해 방전되어, 향후 에너지 회수 단계에서 충분한 에너지를 흡수할 수 있다.

 

차량 속도가 증가하면, 연소 엔진으로부터 동력을 요청하는 임계값이 낮아지는데, 간단히 말해서, 속도가 빠를수록 내연기관이 자동차에 더 많은 동력을 공급한다는 의미로 볼 수 있다.

 

연료 탱크에 있는 연료와 결합하여 파워트레인의 효율성이 향상되면 차량의 전체 주행거리가 눈에 띄게 개선된다. 따라서 MHEV 플러스 테크놀로지가 적용된 차량은 장거리 여행에 훨씬 더 적합하고, 여행이 훨씬 더 편안해진다.

 

아우디가 개발한 신형 MHEV 플러스 테크놀로지 고객의 요구사항이 시장에 따라 다르기 때문에 미국 시장에 판매된 모델에는 탑재되지 않는다.

 

 

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