확장 범위는 뒤떨어진 기술인가요?
지난주 화웨이 유청둥은 인터뷰에서 "장거리 주행 차량이 충분히 발전하지 못했다고 말하는 것은 말도 안 된다. 장거리 주행 모드는 현재 가장 적합한 신에너지 차량 모드다"라고 말했습니다.
이 발언은 업계와 소비자 사이에서 증강 하이브리드 기술(이하 증강 공정)에 대한 격렬한 논쟁을 다시 한번 촉발했습니다. 이념 CEO 리샹, 웨이마 CEO 션후이, 웨이파이 CEO 리루이펑 등 여러 자동차 기업 대표들이 의견을 밝혔습니다.
웨이 브랜드 CEO 리루이펑은 웨이보에서 위청둥과 직접 대화를 나누며 "철을 만드는 것은 여전히 어렵고, 프로그램을 추가하는 하이브리드 기술은 뒤떨어져 있다는 것이 업계의 공통된 인식입니다."라고 말했습니다. 웨이 브랜드 CEO는 곧바로 M5를 구매하여 테스트해 보라고 권하며, 토론에 또 다른 화약 냄새를 더했습니다.
사실, "인상이 역행하는가"라는 논란이 일기 시작하기도 전에, Ideal과 폭스바겐 경영진은 이 문제에 대해 "열띤 토론"을 벌였습니다. 폭스바겐 차이나 CEO인 펑스한은 "인상 프로그램은 최악의 해결책"이라고 단호하게 말했습니다.
최근 몇 년간 국내 자동차 시장을 살펴보면, 신차들은 일반적으로 주행거리 연장이나 순수 전기 자동차라는 두 가지 동력원을 선택하고, 플러그인 하이브리드 동력원은 거의 다루지 않는 것을 알 수 있습니다. 반대로, 기존 자동차 회사들은 순수 전기 자동차나 플러그인 하이브리드 자동차 중 하나만 선택할 뿐, 주행거리 연장에는 전혀 관심이 없습니다.
그러나 시장에서 확장된 주행거리 시스템을 채택한 신차가 점점 늘어나고, 아이디얼 원과 엔지에 M5와 같은 인기 차량이 등장하면서 확장된 주행거리는 점차 소비자에게 알려졌고 오늘날 시장에서 주류를 이루는 하이브리드 형태로 자리 잡았습니다.
확장된 주행거리의 급격한 증가는 기존 자동차 회사의 휘발유 및 하이브리드 모델 판매에 영향을 미칠 수밖에 없으며, 이는 앞서 언급한 기존 자동차 회사와 신차 간의 갈등의 근원이 됩니다.
그렇다면 장거리 주행은 시대에 뒤떨어진 기술일까요? 플러그인 하이브리드와 다른 점은 무엇일까요? 신차들은 왜 장거리 주행을 선택할까요? 이러한 질문들에 대해, 차동희는 두 가지 기술 경로를 심층적으로 연구한 후 몇 가지 답을 찾았습니다.
1、익스텐디드 레인지와 플러그인 믹싱은 같은 루트이고, 익스텐디드 레인지 구조가 더 간단하다
확장 범위와 플러그인 하이브리드에 대해 논의하기에 앞서 먼저 이 두 가지 동력 형태를 소개해 보겠습니다.
국가표준문서 "전기자동차용어집"(GB/T 19596-2017)에 따르면, 전기자동차는 순수 전기자동차(이하 순수 전기자동차라 함)와 하이브리드 전기자동차(이하 하이브리드 전기자동차라 함)로 구분됩니다.
하이브리드 자동차는 동력 구조에 따라 직렬, 병렬, 그리고 하이브리드로 구분할 수 있습니다. 이 중 직렬형은 차량의 구동력이 모터에서만 나오는 것을 의미하고, 병렬형은 차량의 구동력이 모터와 엔진에서 동시에 또는 별도로 공급되는 것을 의미합니다. 하이브리드형은 직렬/병렬의 두 가지 구동 모드를 동시에 사용하는 것을 의미합니다.
레인지 익스텐더는 직렬 하이브리드 방식입니다. 엔진과 발전기로 구성된 레인지 익스텐더는 배터리를 충전하고, 배터리는 바퀴를 구동하거나, 레인지 익스텐더가 모터에 직접 전력을 공급하여 차량을 구동합니다.
그러나 보간과 혼합의 개념은 비교적 복잡합니다. 전기 자동차 측면에서 하이브리드는 외부 충전 용량에 따라 외부 충전 가능 하이브리드와 외부 충전 불가능 하이브리드로 구분할 수 있습니다.
이름에서 알 수 있듯이, 충전 포트가 있고 외부 충전이 가능하다면 외부 충전이 가능한 하이브리드 모델이며, "플러그인 하이브리드"라고도 합니다. 이 분류 기준에 따르면, 확장된 주행 거리는 일종의 보간 및 혼합입니다.
마찬가지로, 외부 충전이 불가능한 하이브리드 차량은 충전 포트가 없어 외부 충전이 불가능합니다. 엔진, 운동 에너지 회수 등의 방법을 통해서만 배터리를 충전할 수 있습니다.
하지만 현재 하이브리드 방식은 시장에서 동력 구조에 따라 주로 구분됩니다. 현재 플러그인 하이브리드 시스템은 병렬 또는 하이브리드 방식입니다. 직렬 방식(장거리 주행)과 비교했을 때, 플러그인 하이브리드(하이브리드) 엔진은 배터리와 모터에 전기 에너지를 공급할 뿐만 아니라, 하이브리드 변속기(ECVT, DHT 등)를 통해 직접 차량을 구동하고 모터와 힘을 합쳐 차량을 구동합니다.
그레이트월 레몬 하이브리드 시스템, 지리 레이시온 하이브리드 시스템, BYD DM-I 등의 플러그인 하이브리드 시스템은 모두 하이브리드 시스템입니다.
레인지 익스텐더의 엔진은 차량을 직접 구동할 수 없습니다. 발전기를 통해 전기를 생산하거나, 배터리에 전기를 저장하거나, 모터에 직접 공급해야 합니다. 모터는 차량 전체 구동력을 전달하는 유일한 출구로서 차량에 동력을 제공합니다.
따라서 레인지 익스텐더 시스템의 세 가지 주요 부분, 즉 레인지 익스텐더, 배터리, 모터는 기계적 연결이 없고 모두 전기적으로 연결되어 있어 전체 구조가 비교적 간단합니다. 플러그인 하이브리드 시스템의 구조는 더 복잡하며 기어박스와 같은 기계적 구성 요소를 통해 서로 다른 동적 영역 간의 연결이 필요합니다.
일반적으로 하이브리드 시스템의 기계식 변속 부품 대부분은 높은 기술 장벽, 긴 특허 출원 주기, 그리고 특허 풀이라는 특징을 가지고 있습니다. "속도 추구" 신차는 기어 변속을 시작할 시간이 부족하다는 것은 자명한 사실입니다.
하지만 전통적인 연료 자동차 기업들에게는 기계식 변속기가 강점 중 하나이며, 풍부한 기술 축적과 양산 경험을 보유하고 있습니다. 전기화 시대가 도래하는 지금, 기존 자동차 기업들이 수십 년, 심지어 수백 년간 축적해 온 기술을 포기하고 다시 시작하는 것은 불가능한 일입니다.
결국, 큰 U턴을 하는 건 어렵죠.
따라서 보다 간단한 확장형 주행 구조가 신차에 대한 최선의 선택이 되었고, 기계적 전달 과정에서 발생하는 폐열을 충분히 활용하여 에너지 소비를 줄일 수 있는 플러그인 하이브리드가 기존 자동차 기업의 전환을 위한 첫 번째 선택이 되었습니다.
2、장거리 주행은 100년 전부터 시작되었으며, 모터 배터리는 한때 드래그 병이었습니다.
플러그인 하이브리드와 장거리 주행의 차이점과 신차가 일반적으로 장거리 주행을 선택하는 이유를 설명한 후, 기존 자동차 회사는 플러그인 하이브리드를 선택합니다.
그렇다면 확장된 범위의 경우, 구조가 단순하다는 것은 뒤떨어졌다는 것을 의미합니까?
우선, 시간적 측면에서 확장된 범위는 실제로 뒤떨어진 기술입니다.
확장된 주행거리의 역사는 19세기 말 포르쉐의 창립자인 페르디난트 포르쉐가 세계 최초의 시리즈 하이브리드 자동차인 로너 포르쉐를 제작한 데서 유래합니다.
로너 포르쉐는 전기 자동차입니다. 앞차축에 두 개의 허브 모터가 장착되어 차량을 구동합니다. 그러나 주행 거리가 짧았기 때문에 페르디난트 포르쉐는 두 개의 발전기를 장착하여 차량의 주행 거리를 향상시켰습니다. 이는 직렬 하이브리드 시스템을 형성하여 주행 거리 증가의 선구자가 되었습니다.
확장 범위 기술은 120년 이상 존재해 왔는데, 왜 빠르게 발전하지 못했을까요?
우선, 확장 주행 시스템에서는 모터가 바퀴의 유일한 동력원이며, 확장 주행 장치는 거대한 태양광 충전 장치로 이해될 수 있습니다. 전자는 화석 연료를 입력받아 전기 에너지를 출력하고, 후자는 태양 에너지를 입력받아 전기 에너지를 출력합니다.
따라서 범위 확장기의 필수 기능은 에너지의 종류를 변환하는 것인데, 먼저 화석 연료의 화학 에너지를 전기 에너지로 변환하고, 그 다음 전기 에너지를 모터를 통해 운동 에너지로 변환합니다.
기본적인 물리학적 지식에 따르면, 에너지 변환 과정에서 일정량의 에너지 소비가 발생할 수밖에 없습니다. 전체 장거리 주행 시스템에는 최소 두 가지 에너지 변환(화학 에너지, 전기 에너지, 운동 에너지)이 관여하기 때문에 장거리 주행의 에너지 효율은 상대적으로 낮습니다.
연료 자동차가 활발하게 개발되던 시대에 기존 자동차 회사들은 연비가 높은 엔진과 변속 효율이 높은 기어박스 개발에 집중했습니다. 당시 어떤 회사가 엔진의 열효율을 1%, 심지어 노벨상 수준에 가깝게 향상시킬 수 있었을까요?
따라서 에너지 효율을 향상시킬 수 없고 오히려 감소시키는 확장된 범위의 힘의 구조는 많은 자동차 회사에서 소홀히 다루어지고 무시되었습니다.
둘째, 낮은 에너지 효율 외에도 모터와 배터리도 장거리 주행 개발을 제한하는 두 가지 주요 원인입니다.
확장된 범위 시스템에서는 모터가 차량의 유일한 동력원이지만, 20~30년 전에는 차량 구동 모터 기술이 성숙되지 않았고 비용이 많이 들고 부피가 비교적 커서 동력만으로는 차량을 구동할 수 없었습니다.
당시 배터리의 상황은 모터의 상황과 비슷했습니다. 에너지 밀도나 단일 용량 모두 현재 배터리 기술과 비교할 수 없었습니다. 대용량을 원한다면 더 큰 부피가 필요했고, 이는 더 비싼 비용과 더 무거운 차량 중량을 초래했습니다.
30년 전에 이상적인 자동차의 3가지 전기적 지표에 따라 장거리 주행 가능한 자동차를 조립했다면 비용이 급등했을 겁니다.
그러나 확장된 주행 거리는 전적으로 모터에 의해 구동되며, 모터는 토크 히스테리시스가 없고 조용하다는 등의 장점을 가지고 있습니다. 따라서 승용차 분야에서 확장된 주행 거리가 대중화되기 전에는 비용과 크기에 민감하지 않고 출력, 조용함, 순간 토크 등에 대한 요구가 높은 탱크, 대형 광산 차량, 잠수함과 같은 차량 및 선박에 주로 적용되었습니다.
결론적으로, 웨이파이와 폭스바겐 CEO가 장거리 주행이 후진적인 기술이라고 말하는 것은 무리가 아닙니다. 연료 자동차가 붐을 이루는 시대에, 장거리 주행은 비용이 더 많이 들고 효율은 낮은 기술이라는 것은 분명 후진적인 기술입니다. 폭스바겐과 그레이트월(웨이 브랜드) 또한 연료 시대에 성장한 두 전통 브랜드입니다.
시간이 흘러 현재에 이르렀습니다. 원칙적으로 현재의 장거리 주행 기술과 100여 년 전의 장거리 주행 기술 사이에 질적인 변화는 없지만, 장거리 발전기를 이용한 발전, 즉 모터 구동 차량은 여전히 "후진 기술"로 분류될 수 있습니다.
하지만 한 세기가 지난 후, 마침내 장거리 주행 기술이 등장했습니다. 모터와 배터리 기술의 급속한 발전으로, 최초의 두 대의 모터가 가장 중요한 경쟁력을 갖추게 되면서, 연료 시대에서 장거리 주행의 단점을 극복하고 연료 시장을 잠식하기 시작했습니다.
3、도시 작업 조건 및 확장된 범위의 고속 작업 조건에서의 선택적 플러그인 혼합
소비자들은 주행거리가 후진 기술인지 아닌지 신경 쓰지 않고, 어느 차가 연료 효율이 더 좋고 어느 차가 운전하기 더 편안한지에만 신경 씁니다.
앞서 언급했듯이, 레인지 익스텐더는 직렬 구조입니다. 레인지 익스텐더는 차량을 직접 구동할 수 없으며, 모든 동력은 모터에서 나옵니다.
따라서, 장거리 주행 시스템을 갖춘 차량은 순수 트램과 유사한 주행 경험과 특성을 갖게 됩니다. 전력 소비 측면에서도 장거리 주행은 순수 전기 차량과 유사합니다. 즉, 도심 주행 시에는 전력 소비가 낮고 고속 주행 시에는 전력 소비가 높습니다.
특히, 레인지 익스텐더는 배터리 충전이나 모터 전력 공급만 담당하기 때문에 대부분의 경우 비교적 경제적인 속도 범위에서 주행할 수 있습니다. 순수 전기 우선 모드(배터리 전력을 먼저 소모)에서도 레인지 익스텐더는 시동조차 걸지 않고 연료 소비도 발생시키지 않습니다. 그러나 연료 차량의 엔진은 항상 고정된 속도 범위에서 작동할 수 없습니다. 추월이나 가속을 해야 할 경우 속도를 높여야 하고, 교통 체증에 갇히면 장시간 공회전하게 됩니다.
따라서 일반적인 주행 조건에서 저속 도시 도로에서의 장거리 주행 에너지 소비량(연료 소비량)은 일반적으로 동일한 배기량 엔진을 장착한 연료 차량보다 낮습니다.
그러나 순수 전기와 마찬가지로 고속 주행 조건에서의 에너지 소비량은 저속 주행 조건에서의 에너지 소비량보다 높습니다. 반대로, 고속 주행 조건에서 연료 차량의 에너지 소비량은 도시 주행 조건에서의 에너지 소비량보다 낮습니다.
즉, 고속 주행 조건에서는 모터의 에너지 소비량이 증가하고 배터리 전력 소모가 빨라지며, 레인지 익스텐더는 장시간 "최대 부하"로 작동해야 합니다. 또한, 배터리 팩이 있기 때문에 같은 크기의 레인지 익스텐더 차량의 차량 중량은 일반적으로 연료 차량보다 큽니다.
연료 차량은 기어박스가 있어 이점을 얻습니다. 고속 주행 시 차량은 더 높은 기어로 변속할 수 있어 엔진이 경제적인 속도로 작동하고 에너지 소비량이 상대적으로 낮습니다.
따라서 일반적으로 고속 주행 조건에서 장거리 주행 시 에너지 소비량은 동일한 배기량 엔진을 장착한 연료 차량과 거의 같거나 더 높습니다.
장거리 주행과 연료 차량의 에너지 소비 특성에 대해 이야기한 후, 장거리 주행 차량의 저속 에너지 소비와 연료 차량의 저속 에너지 소비의 장점을 결합하여 더 넓은 속도 범위에서 보다 경제적인 에너지 소비를 할 수 있는 하이브리드 기술이 있을까요?
대답은 '예'입니다. 즉, 섞어서 사용하세요.
간단히 말해, 플러그인 하이브리드 시스템은 더욱 편리합니다. 장거리 주행과 비교했을 때, 고속 주행 조건에서 엔진을 직접 구동할 수 있습니다. 연료를 사용하는 경우와 비교했을 때, 플러그인 하이브리드 시스템은 장거리 주행과 유사합니다. 엔진이 모터에 동력을 공급하여 차량을 구동합니다.
또한 플러그인 하이브리드 시스템은 하이브리드 변속기(ECVT, DHT)도 탑재하여, 모터와 엔진의 각각의 동력을 "통합"하여 급가속이나 높은 동력 요구 사항에 대처할 수 있습니다.
하지만 속담에도 말했듯이, 무언가를 얻으려면 무언가를 포기해야 합니다.
기계식 변속 메커니즘의 존재로 인해 플러그인 하이브리드의 구조가 더 복잡하고 부피가 상대적으로 큽니다. 따라서 플러그인 하이브리드와 동급의 장거리 모델 사이에서 장거리 모델의 배터리 용량이 플러그인 하이브리드 모델보다 더 크기 때문에 순수 전기 주행 거리가 더 길어질 수 있습니다. 도심 주행만 하는 경우, 장거리 모델은 주유 없이 충전이 가능합니다.
예를 들어, 2021년형 이상적인 모델의 배터리 용량은 40.5kwh이며, NEDC 기준 순수 전기 주행 거리는 188km입니다. 비슷한 크기의 메르세데스 벤츠 GLE 350 e(플러그인 하이브리드 버전)와 BMW X5 xdrive45e(플러그인 하이브리드 버전)의 배터리 용량은 각각 31.2kwh와 24kwh에 불과하며, NEDC 기준 순수 전기 주행 거리는 각각 103km와 85km에 불과합니다.
BYD의 DM-I 모델이 현재 큰 인기를 누리는 이유는 이전 모델의 배터리 용량이 기존 DM 모델보다 크고, 심지어 동급의 장거리 주행 모델보다 더 뛰어나기 때문입니다. 전기만으로 도시를 이동할 수 있고, 석유를 사용하지 않아 차량 이용 비용도 그만큼 절감될 것입니다.
요약하자면, 새로 제작된 차량의 경우, 더 복잡한 구조를 가진 플러그인 하이브리드(hybrid)는 더 긴 사전 연구 개발 주기를 필요로 할 뿐만 아니라, 플러그인 하이브리드 시스템 전체에 대한 수많은 신뢰성 시험을 거쳐야 하므로, 당연히 시간적으로도 빠른 편이 아닙니다.
배터리와 모터 기술의 급속한 발전으로, 더 간단한 구조로 주행거리를 늘리는 것이 새로운 자동차의 "지름길"이 되었고, 자동차 제작에서 가장 어려운 동력 부분을 직접 통과하게 되었습니다.
하지만 기존 자동차 회사의 새로운 에너지 전환의 경우, 그들은 수년간 연구 개발에 투자한 에너지(인력 및 재정 자원)인 전력, 송전 및 기타 시스템을 포기하고 처음부터 다시 시작하고 싶어하지 않습니다.
플러그인 하이브리드와 같은 하이브리드 기술은 엔진, 기어박스 등 자동차 연료 구성품의 폐열을 충분히 활용할 수 있을 뿐만 아니라 연료 소모량을 대폭 줄일 수 있어, 이미 국내외 전통 자동차 기업의 공통된 선택이 되었습니다.
따라서 플러그인 하이브리드든 장거리 주행이든, 이는 사실상 현재 배터리 기술의 병목 현상에서 벗어나는 전환점입니다. 향후 배터리 주행 거리와 에너지 보충 효율 문제가 완전히 해결되면 연비 문제도 완전히 해결될 것입니다. 장거리 주행이나 플러그인 하이브리드와 같은 하이브리드 기술은 일부 특수 장비의 동력원이 될 수 있습니다.
게시 시간: 2022년 7월 19일