기아의 전동화 플래그십 SUV인 The Kia EV9의 1회 충전 주행 가능 거리에 대한 관심이 뜨겁다.
전장 5m를 넘는 3열 전동화 SUV가 단 1번의 충전으로 501km를 주행할 수 있는 비결은 무엇인지 소개한다.
디자인, 주행 성능, 연비, 실내 공간, 안전, 편의성, 브랜드 가치 등 소비자들이 자동차를 선택하는 기준은 다양하다.
그 대상이 전기차라면 기준이 더 까다로워진다.
충전 및 주행 가능 거리까지 꼼꼼히 따져야 하기 때문이다.
기술의 발달과 충전 인프라의 확장 덕분에 충전 속도 및 충전 편의성이 빠르게 개선되고 있음에도 불구하고 이런 부분은 여전히 중요하게 생각되고 있다.
기아의 전동화 플래그십 SUV인 The Kia EV9은 전기차가 필요로 하는 모든 조건을 두루 갖추고 등장했다.
기아 디자인 철학을 담은 대담한 디자인, 널찍한 실내 공간, 현대자동차그룹 E-GMP 기반의 전기차 중 최초로 탑재한 99.8kWh 용량의 4세대 고전압 배터리, 800V 고전압 시스템을 바탕으로 24분 만에 10%에서 80%까지 빠르게 충전할 수 있는 성능, 400V/800V 멀티 충전 시스템을 활용한 충전 편의성 등이 대표적이다.
이뿐 아니라 EV9은 전장 5,010mm, 전고 1,755mm에 공차중량이 2,425kg에 달하는 대형 3열 전동화 SUV의 한계를 넘어, 1회 충전으로 501km의 주행 가능 거리를 구현했다는 점 때문에 많은 주목을 받고 있다(국내 2WD, 19인치 휠 기준).
비슷한 크기의 타사 전동화 SUV가 더욱 큰 107.1kWh 배터리를 탑재하고도 주행 가능 거리가 400km 중반대에 머무른다는 점과 비교해도 EV9의 효율은 분명 뛰어난 수준이다.
EV9이 이처럼 우수한 전비 및 주행 가능 거리를 갖출 수 있었던 비결은 무엇인지 자세히 알아보기 위해 EV9의 PE 시스템(전동화시스템설계팀 손병관 책임연구원), 공력 성능(공력개발팀 신용수 책임연구원), 회생제동(제동설계팀 김태헌 책임연구원) 기술 개발을 담당한 연구원들과 만났다.
최신 기술로 성능과 효율을 높인 EV9의 PE(Power Electric) 시스템
Q. EV9은 99.8kWh 용량의 4세대 고전압 배터리를 적용해 여유로운 주행 가능 거리를 확보했습니다. 하지만 큰 배터리를 탑재하는 것 외에도 전비를 높이는 다양한 기술을 적용했을 것 같습니다. 전력 제어 측면에서 개선된 부분은 무엇이 있나요?
손병관 책임 | 연구소 내부적으로 ‘전기차 전장부하류 소모전력 저감을 통한 전비 개선 기여’라는 공감대를 형성해 모든 설계 부문이 함께 아이템을 발굴하고 개선하는 활동을 진행했습니다.
특히 EV9은 다양한 신기술이 적용된 대형 SUV인 만큼 기존 전기차보다 부하량이 많았으나, 램프류를 비롯해 워터펌프, 오일펌프, 라디에이터 팬을 제외한 냉각 시스템(모터, 배터리 관련) 등의 개선 작업을 전사적으로 진행해 전비 향상에 주력했습니다.
가령 사운드시스템 앰프의 경우 항상 작동이 준비된 상태로 둬서 전력을 불필요하게 소모하는 대신, 음소거를 포함한 유휴 상태와 아닌 상태를 구분하여 전압을 가변함으로써 소모전력 저감을 진행했습니다.
이 밖에도 전장 계통의 다양한 부분에서 소모전력 저감을 위한 시도가 이뤄졌습니다.
Q. EV6 GT에 처음 적용됐던 2-스테이지 모터 시스템이 EV9의 후륜 모터에도 적용됐습니다. EV9에서는 어떻게 최적화가 됐는지 궁금합니다.
손병관 책임 | 2-스테이지 모터 시스템은 듀얼 인버터를 적용해 시내/고속도로 정속 주행 시에는 효율을 높이기 위해 인버터 1개로 작동하고, 고속도로 추월 가속처럼 고출력이 필요한 경우 인버터 2개를 모두 가동하는 시스템입니다.
듀얼 인버터를 통해 모터 허용 전압을 170%까지 높이면 다음과 같은 2가지 방향으로 설계할 수 있습니다.
첫 번째는 EV6 GT와 같이 동일한 효율 수준을 유지하면서 고출력 모터 시스템 설계가 가능해집니다.
일반적으로 모터의 출력을 높이려면 모터에 공급되는 전압을 올리거나, 모터 인덕턴스(유도용량, 전류당 자속이 발생하는 정도)를 낮게 설계해야 합니다.
전압은 배터리의 용량 및 셀 전압, 직/병렬 구조, 차량 탑재 레이아웃에 따라 결정되기 때문에 단순히 전압을 올리기엔 현실적인 어려움이 있습니다.
반대로 모터 인덕턴스를 낮추려면 모터 전류와 인버터 전류 용량이 늘어나야 하기 때문에 전력 변환 손실로 인한 효율성이 떨어지고, 결국 주행 가능 거리가 줄어듭니다.
하지만 2-스테이지 모터 시스템을 적용하면 동일한 인덕턴스를 가진 모터의 출력을 높이더라도 기존과 유사한 효율을 가지면서 고출력을 발휘하는 모터 시스템을 구성할 수 있습니다.
두 번째로는 EV9과 같이 동일한 출력 성능을 만족하면서 고효율 모터 시스템 설계가 가능해집니다.
효율을 높이기 위해 모터 인덕턴스를 늘리면 동일한 전압에서 출력이 감소해 차량에서 필요로 하는 출력 사양을 만족할 수 없습니다.
하지만 모터 인덕턴스를 높인 후 2-스테이지 모터 시스템을 적용해 출력을 증대하면 출력 성능을 만족하면서 효율까지 함께 높인 모터 시스템을 개발할 수 있습니다.
이 밖에도 EV9의 모터 시스템은 효율 향상을 위해 초박판(0.2t) 전기강판을 새롭게 적용했고, 2-스테이지 모터 시스템의 제어 로직을 최적화했습니다.
아울러 높은 효율과 소음 및 진동 저감, 연속 주행 성능 등을 두루 만족하기 위해 다목적 최적화 알고리즘을 활용하여 모터 코어를 설계했습니다.
Q. EV9 4WD 모델의 전륜 모터에는 전비 효율성 향상을 위한 디스커넥터 시스템이 적용됐습니다. 고출력, 고효율 특성을 위한 기술이지만 동력 전달 특성, 이질감 등 제어 부분에서 어려움이 있었을 것 같습니다. 앞서 질문한 2-스테이지 모터 시스템도 마찬가지고요.
손병관 책임 | EV9 4WD 모델에 적용한 전륜 디스커넥터 시스템은 다른 E-GMP 전기차에 탑재된 시스템과 동일한 기능을 제공합니다.
일반적으로 4WD 전기차는 전후륜 모터가 함께 작동할 경우 전륜 모터의 회전 손실로 인해 전비 효율이 떨어집니다.
전륜 디스커넥터 시스템은 전비를 고려한 운전 시에는 후륜 모터만 작동하고, 추월 가속처럼 고출력이 필요한 상황에서는 전륜 모터가 함께 작동하는 구조입니다.
이때 후륜 모터의 토크가 최대치까지 도달하기 전에 전륜 모터를 체결하고 토크를 분배해야 운전자가 느끼는 이질감이 덜합니다.
효율과 고성능이라는 2가지 목적을 모두 달성하기 위해 수많은 테스트 및 시뮬레이션을 거쳐 주행 상황별로 최적의 효율점을 확보하는 등 전륜 모터를 체결하고 토크를 분배하는 시점을 개발했습니다.
2-스테이지 모터 시스템의 경우에도 싱글 인버터 모드에서 듀얼 인버터 모드로 전환되는 과정에서 토크의 변화가 발생하면 운전자가 이질감을 느낄 수 있습니다.
이 같은 불편함이 없도록 심혈을 기울였습니다. 모터 전류의 차이나 불연속성이 생길 때 토크의 변동이 발생하는데, 2-스테이지 모터 시스템에는 이를 고려한 모드 전환 제어 알고리즘 기법을 적용한 덕분에 운전자는 별다른 이질감 없이 자연스러운 주행 감각을 만끽할 수 있습니다.
2-스테이지 모터 시스템은 모터 회전수와 토크에 따라 모드 전환을 제어하며, 인버터 활용 모드에 따라 모터의 효율이 달라집니다.
2-스테이지 모터 시스템 자체적으로는 소음, 모터 내구성, 성능 등 종합적인 성능을 고려하면서 전비 측면에서 유리한 방향으로 모드 전환을 최적화 제어합니다.
차량 측면에서는 2-스테이지 모터 시스템의 최적화된 모드 전환에 더해 전후륜 분배에 따른 토크, 모터 회전수에 따른 주행 성능과 모터 효율이 이상적으로 어우러질 수 있도록 전비를 개선하는 평가를 진행합니다.
Q. 전력 변환을 담당하는 인버터의 출력 밀도, 제어 로직 등 개선된 부분은 무엇인가요? 아울러 인버터 파워모듈에 실리콘 카바이드를 적용해 효율 및 주행 가능 거리를 증대했다고 했는데 이에 대한 설명 부탁드립니다. 또한, 기본 모델과 고성능 모델(GT)의 인버터는 동일한 성능으로 개발되는 것인지도 궁금합니다.
손병관 책임 | SiC(실리콘 카바이드)를 적용한 파워모듈은 현대차 아이오닉 5부터 시작해 모든 E-GMP 전기차의 주요 구동을 담당하는 후륜 모터 시스템에 탑재됐으며, Si(실리콘) 파워모듈 대비 인버터 효율을 높여 결과적으로 3~5% 늘어난 주행 가능 거리를 확보했습니다.
EV9의 경우 2-스테이지 모터 시스템을 활용해 모터 인덕턴스를 증대하는 방향으로 설계했고, 기존의 E-GMP 전기차 대비 SiC 파워모듈의 사양을 최적화하면서 인버터 전류를 저감했습니다.
이를 통해 인버터 파워모듈의 손실을 더욱 줄여 효율을 높이고, SiC 사용량을 50% 이상 저감했습니다.
아울러 제어 로직을 새롭게 개발해 듀얼 인버터 모드에서의 효율도 높였습니다.
고성능 모델인 EV9 GT의 경우 고출력 사양에 대응하기 위해 EV6 GT의 시스템을 더욱 개선한 고출력 모터 시스템을 개발 중입니다.
주행 가능 거리 확보를 위해 세밀하게 다듬은 EV9의 공력 성능
Q. EV9에는 공기 저항을 줄이기 위한 3D 언더커버가 처음으로 적용됐습니다. 바닥을 평평하게 만들지 않고 오목, 볼록한 형상으로 만들어 공기 흐름에 도움을 주는 효과를 내는 것으로 보입니다. 3D 언더커버의 형상 및 효과에 대한 설명 부탁드립니다.
신용수 책임 | 차체 중앙의 배터리를 중심으로 차량 앞쪽에는 지면 방향으로 볼록한 형상을, 뒤쪽에는 좌우 후륜 부근에서 위로 오목하게 들어간 형상의 3D 언더커버를 EV9에 최초로 적용했습니다.
주행 시 고속으로 회전하는 바퀴는 큰 공기 저항을 만드는 주요 저항체 중 하나로, 3D 언더커버 형상은 전후륜의 휠과 타이어에 부딪히는 공기 흐름을 바깥쪽으로 유도해 하부의 공기 저항을 효과적으로 줄여줍니다.
앞쪽에서는 하부로 유입된 공기가 볼록한 형상을 따라 흐르면서 앞 타이어에 부딪히지 않고 빠져나가게끔 도와주며, 뒤쪽에서는 중앙을 지난 공기 흐름이 뒷바퀴 부위에서 생성되는 와류와 만나지 않도록 차체 뒤로 유도하는 일종의 통로 역할을 합니다.
3D 언더커버를 개발하기 위해 기존 E-GMP 전기차의 언더커버에서 보완해야 할 점들을 발굴하고, 개선 방향에 대해 내부적으로 많은 연구가 이뤄졌습니다.
이 밖에 다양한 타사 전기차들의 언더커버를 분석해 EV9에 적용할 수 있는 최적의 형상을 찾는 데 참고했습니다.
이를 바탕으로 초기 형상을 개발한 뒤 반복적인 CFD(Computational Fluid Dynamics, 전산유체역학) 유동 해석 및 목업 샘플을 이용한 실차 풍동 평가를 통해 초기 성능 개선 작업을 진행했고, 여러 설계팀과의 협업을 통해 양산차에 적용할 수 있었습니다.
Q. 3D 언더커버 외의 공력 아이템으로 19인치 휠, 프런트 범퍼의 에어커튼이 언급됐습니다. 이와 함께 다른 공력 개선 아이템에 대한 소개 부탁합니다.
신용수 책임 | 19인치 휠과 에어커튼은 디자인 측면에서 공기 흐름이 최대한 차량 측면에 붙어 흐르게 함으로써 에너지 손실을 최소화하고 공력 성능에 도움을 줄 수 있도록 개발했습니다.
특히 EV9은 휠 에어커튼의 입구를 전면 그릴부까지 연장해, 프런트 범퍼 하단부에 집중되는 유동 일부를 측면으로 빠져나갈 수 있도록 했습니다.
이 밖에 적용된 공력 아이템으로는 액티브 에어 플랩, 리어 스포일러 및 사이드 가니시, 프런트 휠 디플렉터 및 스트레이크, 리어 휠 디플렉터, 리어 범퍼립 등이 있습니다.
Q. EV9의 공력 성능(CD 0.28)과 복합 전비(4.2km/kWh, 국내 2WD 19인치 휠 기준)는 얼핏 아주 뛰어난 수치는 아닌 것처럼 보이지만, 너비가 2m에 육박하고 길이가 5m가 넘는 3열 SUV라는 점을 감안하면 이러한 효율을 구현하기 위해 많은 노력이 필요했을 듯합니다.
신용수 책임 | 차량의 공력 성능을 확보하기 위해서는 무엇보다도 뒤로 갈수록 폭이 좁아지는 유선형의 프로파일을 갖는 것이 중요합니다.
하지만 EV9 개발 초기부터 견고하고 강인해 보이는 SUV 디자인 콘셉트 구현, 3열 및 적재 공간 확보라는 목표가 확실했기 때문에 유선형 차체를 구현하기가 어려웠습니다.
이를 해결하고자 디테일한 부분에 집중했습니다. 전륜 휠 아치 가니시가 대표적입니다.
이곳의 미묘한 곡률 변화는 담당 디자이너와 함께 수작업으로 클레이 모델을 수차례 깎아가며 풍동 테스트에 투입한 뒤 공기 저항에 미치는 변화를 거듭 확인하는 작업을 통해 공기 저항을 줄이는 데 최적의 형상을 찾아낸 결과물입니다.
또한, 겉으로는 EV9의 각진 차체가 돋보이는 것 같지만, 리어 스포일러의 하향 각도를 세밀하게 조정하는 등 디자인팀과 함께 공력 개선 작업을 거쳤습니다.
차체 상부의 프로파일이 가진 한계를 극복하기 위해선 차량 하부의 유동 개선 작업도 필요했습니다.
이를 위해 프런트 범퍼부터 리어 범퍼에 이르기까지 전체적인 유동 분석 및 대대적인 개선 작업이 이뤄졌고, 그 결과가 앞서 설명한 3D 언더커버입니다.
높은 전비 달성을 위해 작동 영역을 확대한 EV9의 회생제동 시스템
Q. EV9은 중량(-0.5kg)과 패키징(-30%)을 개선한 2세대 IEB(통합형 전동 부스터)를 처음 적용하고, 회생제동 성능을 개선해 작동 영역을 확대했습니다(고감속 영역 회생제동 증대). 이처럼 제동 시스템 측면에서 전비 및 주행 가능 거리 향상에 효과를 주는 부분이 있다면 설명 부탁드립니다.
김태헌 책임 | EV9에 최초로 적용한 2세대 IEB는 기존 시스템보다 중량과 패키징(사이즈)을 크게 개선해 전기차의 핵심 특성 중 하나인 전비 향상에 기여하는 동시에 엔진룸 레이아웃의 설계 자유도를 높였습니다.
아울러 저감속 영역에서만 주로 활용되던 회생제동을 고감속 영역에도 적극적으로 활용했습니다.
그동안 다양한 친환경차의 회생제동 제어 기술을 개발하면서 쌓은 경험과 노하우, 기술력 등이 있었기에 가능했죠. 또한, 여러 노면 조건에 따라 차량 제어가 어려운 상황에 직면해도 회생제동과 유압제동을 유기적으로 협조 제어하는 등 어떤 환경에서든 회생제동을 통해 전비 향상에 기여할 수 있도록 개발했습니다.
세부적으로 살펴보면 EV9의 회생제동은 감속도에 따라서 전후륜의 회생제동 영역을 가변적으로 제어합니다.
4WD 모델 기준으로 0.2g까지 후륜에서 100% 회생제동이 이뤄지다가 그 이상의 감속 영역에서는 전후 회생제동력 배분이 50:50으로 제어됩니다.
이뿐 아니라 ABS가 개입하는 고감속 영역에서도 제동안정성이 보장되는 범위 내에서 최소한의 회생제동을 유지합니다.
이전보다 회생제동을 길게 유지하는 만큼 에너지 회수율도 늘어납니다.
연구소 내부적으로 측정한 테스트 결과에 따르면 EV9은 0.8g의 고감속 영역에서도 경쟁 모델보다 우위의 회생제동 에너지 회수율을 기록한 것으로 나타났습니다.
전기차의 전비와 주행 가능 거리를 평가하는 연비 인증 모드에서는 고감속 영역이 평가 조건에 많이 포함되지 않아서 기존 대비 크게 개선된 효과를 수치로 표현하기가 어렵습니다.
하지만 실제 운행 조건에서 빠른 감속을 적극적으로 활용하는 운전자나 서킷 주행과 같은 스포츠 주행 환경에서는 개선된 회생제동의 효과를 크게 볼 수 있습니다.
아울러 가혹한 주행 환경에서도 회생제동이 작동하는 만큼 브레이크 시스템의 부하를 줄여주는 덕분에 더욱 안정적인 제동력을 확보할 수 있습니다.
현대차그룹의 회생제동 제어 기술은 전 세계 자동차 제조사 중에서도 최고 수준이라고 말할 수 있습니다.
Q. EV9의 1, 2열 시트에는 열선 시트의 소비 전력을 15~20% 줄여 동절기 주행 가능 거리 향상에 도움을 주는 저전력 열선이 처음 적용됐습니다. 기존의 열선 시트와 비교해 얼마나 전력을 절약할 수 있으며, 운전자가 체감할 수 있는 실질적인 효과(전비, 주행 가능 거리)와 난방 성능은 어느 정도인지 궁금합니다.
시트설계2팀 이상수 책임 & 전기차성능시험1팀 정대기 PL(Project Leader) | 기존 열선 대비 1열 시트(운전석, 동승석)를 1시간 사용하는 조건에서 약 20~25W의 전력을 저감하는 효과가 있습니다.
난방 성능의 최대 온도 조건은 기존 제품과 동일하지만, 승온 속도를 개선해 목표 온도까지 도달하는 시간이 약 10% 단축됐습니다.
시트 열선 사용 시 주행 거리 및 전비를 측정하는 평가 모드가 법규로 따로 마련된 게 아니기 때문에 실질적인 효과를 수치로 공개하기는 어렵지만, 익히 알려져 있다시피 히터 대신 열선을 사용하는 게 전기차의 난방 전력을 저감하는 데 효과적이긴 합니다.
공조 및 시트 열선을 사용하지 않는 상온 주행 거리에 대한 영향도 측면에서 설명하자면, 전장에 걸리는 부하 10W당 주행 거리 및 전비에 약 0.2%의 영향을 미칩니다.
공조 장치를 함께 사용하는 경우 시트 열선의 영향도는 줄어들기 때문에 10W당 0.1~0.2% 정도가 될 것으로 보입니다.
출처 : https://www.hyundai.co.kr/story/CONT0000000000093945
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