아우디 e-트론은 2020년 상반기에만 글로벌 시장에서 1만 7,641대의 판매량을 기록했다. 특히 세계 최대 자동차 시장인 미국에서 전년 대비 50% 이상의 판매량 증가를 보였다. 쟁쟁한 경쟁 브랜드가 버티고 있지만, 고급스러운 인테리어와 자동차로서의 주행 기본기 등 기존 전기차가 부족했던 요소들을 채워 주길 바라는 소비자 요구에 부응한 결과라 할 수 있다. 그러나 무엇보다 전기차로서 새로운 에너지 시스템의 비전을 보여준 점이 가장 큰 어필 포인트라 할 수 있을 것이다. 첨단 배터리 기술과 구동 및 전장 제어 기술이 결합된 아우디 e-트론의 에너지 회수 시스템이 대표적이다.


100→0 km/h 제동 에너지의 70%를 되살린다고?

전동화 파워트레인에서 가장 특징적인 면은 모터의 특성을 활용한 에너지 회수다. 전자석 원리를 활용한 모터는 극성의 변화에 따라 방전과 충전 두 가지 역할을 다할 수 있다. 하이브리드, 플러그인 하이브리드에서 흔히 볼 수 있는 방식이다. 48V 배터리 기반의 마일드 하이브리드 시스템은 구동 모터를 활용하는 것이 아닌 별도의 제너레이터를 통해 감속이나 제동과정에서 에너지를 재생한다.

아우디 e-트론은 두 개의 강력한 전기 모터와 전자식 콰트로를 탑재한 새로운 구동 시스템을 얹었다. 최대한 본연의 강력한 주행 성능에 충실하면서, 전자식 콰트로를 기반으로 네 바퀴로부터 에너지를 회수해 높은 에너지 효율성을 갖췄다.

아우디 e-트론은 운전자가 가속 페달에서 발을 뗐을 때와 브레이크 페달을 밟아 제동할 때 모두 에너지를 회수한다. 두 경우 모두에서 전기 모터가 발전기 역할을 해 운동에너지를 전기에너지로 변환시킨다. 100km/h에서 제동 시 최대 300Nm의 토크와 220kW의 에너지를 회수한다. 이는 해당 조건에서 발생하는 에너지의 70% 이상에 해당하는데, 그 어떤 양산형 전기차에서도 쉽게 볼 수 없었던 수치다.

[▲아우디 e-트론 55 콰트로] 일상 주행 환경에서 제동 시 에너지 회수
<출처: Audi Media Center>


이와 함께 회생 제동 만으로 최대 0.3g의 감속도를 만들어내는데, 이는 일상 주행 시 해당동작의 90%에 해당한다. 이때 고전압 배터리는 발전기 역할을 하는 전기 모터에 의해 충전된다. 이러한 혁신적인 에너지 회수 시스템을 통해 주행가능거리를 최대 30%까지 향상시킨다. e-트론의 유저들이 실제 전력 소모량과 주행거리에 대해 만족하는 이유도 바로 이 덕분이다.


[▲아우디 e-트론의 에너지 회수 시스템]
<출처: Audi Media Center>


이질감↓ 재생 에너지↑, 포뮬러 E 기반 ‘브레이크-바이-와이어’ 시스템

아직 많은 엔진 자동차 유저들이 전기차로 넘어가기를 조금 꺼려하는 이유 중의 하나가 바로 에너지 회수 및 회생 제동의 감각과 브레이크 기반의 일반적인 제동 시스템 사이의 이질감이다. 물론 이 자체를 회생 제동이라는 혁신성으로 받아들이는 유저들도 있지만, 반대로 불편함과 어색함을 표하는 경우도 적지 않다.

아우디 e-트론은 전자제어로 작동하는 유압식 브레이크와의 협응을 통해 어색함을 최소화했다. 이것이 가능한 것은 순수 전기로 구동되는 양산차 중에서 최초로 개발된 ‘브레이크-바이-와이어(brake-by-wire)’ 시스템 덕분이다. ‘바이-와이어’란 전기신호를 활용한 제어를 말한다. 브레이크의 피스톤을 작동하게 하는 힘이 브레이크액의 유압인데, 이것을 조작하는 데 있어 물리적인 조작이 아닌 전기신호로 네 바퀴의 회생 제동을 제어해 90% 이상의 감속 상황에서 에너지를 회수한다.


[▲아우디 e-트론에 도입된 ‘브레이크-바이-와이어’ 시스템]
<출처: Audi Media Center>


브레이크-바이-와이어 시스템은 여느 첨단기술처럼 모터스포츠에서 먼저 적용해 담금질을 거쳤다. 그리고 전기차의 F1이라 불리는 포뮬러 E 대회에서 성공적으로 안착했으며, 현재 아우디 포뮬러 E 팀의 머신에도 적용되고 있다. 참고로 2009년 선보인 e-트론의 콘셉트카에도 이 시스템의 개념이 적용됐다. 이 차는 다름 아닌 ‘아이언 맨’의 R8 e-트론의 기반이다.


패들시프트 및 운전자보조시스템과 연동

아우디 e-트론은 스티어링 휠 뒤편에 있는 패들시프트로 회생 제동 단계를 3단계로 조절할 수 있다. 왼쪽의 (-) 패들과 오른쪽의 (+) 패들의 작동을 통해 에너지 회수와 제동 정도를 조절할 수 있는 것이다.

<▲출처: Audi Media Center>


뿐만 아니라, 지능형 운전자보조시스템(ADAS)과의 협응을 통해 감속과 제동 조절 또한 가능하다. 감지 거리가 긴 전방 레이더와 전면 윈드실드 상단에 있는 광학카메라가 앞 차량과의 거리 또는 장애물을 인식해 점진적이거나 강한 회생제동을 거는 형식이다.

충전 커브와 정교한 배터리 열 관리가 근본적인 차이를 만들다

에너지 회수는 모터와 배터리에 적지 않은 부하를 준다. 특히 이때 발생하는 열을 어떻게 관리하느냐가 시스템 전체의 효율성과 내구성을 결정한다. 아우디 e-트론의 열 관리 기술은 압도적이다. 급속 충전 시 최대 150kW의 출력으로 30분이면 80%까지 충전할 수 있는데, 경쟁자들과의 본질적인 격차는 디테일에 있다.

[▲아우디 e-트론의 충전 성능]
<출처: Audi Media Center>


통상 경쟁브랜드들의 전기차의 경우 초반에는 충전속도가 빠르지만 점차 그 효율이 떨어진다. 짧은 시간 동안만 최고출력으로 충전하고 이후부터는 배터리의 열 열화(heat degradation) 현상으로 충전속도를 높일 수 없기 때문이다. 하지만 e-트론은 위 그림과 같이 장시간 동안 최고출력으로 충전되는 이상적인 충전 커브를 보여준다. 95kWh 용량의 리튬이온 배터리를 완충하는 데까지 45분이면 충분하다.

[▲아우디 e-트론의 액체 냉각형 리튬이온 배터리]
<출처: Audi Media Center>


아우디 e-트론에 장착된 리튬이온 배터리의 정교한 액체 냉각은 배터리가 높은 스트레스 수준이거나 낮은 온도에서도 배터리 온도를 섭씨 25도에서 35도의 최적의 범위로 유지해준다. 22리터의 냉각수가 4개의 냉각수 서킷 총 40m의 냉각라인에서 순환한다. 150kW로 직류 충전하는 동안 찬 냉각수는 배터리 내부 전기저항으로 발생하는 열을 제거한다.

지금까지 정교한 설계를 기반으로 한 아우디 e-트론의 에너지 회수 시스템에 대해 살펴보았다. 아우디폭스바겐코리아가 한국에서 그려 나갈 e-모빌리티의 첫 번째 주자인 아우디 e-트론의 공기역학적 디자인 측면에 대한 이야기는 다음 콘텐츠에서 이어진다.