성공하는 IP-R&D전략 - 특허관점에서 본 초저연비자동차
(Ultra Low Fuel Consumption Rate Vehicle)
성공하는 IP-R&D 전략은 한국산업기술진흥협회와 한국지식재산전략원간 협력사업의 일환으로 한국지식재산전략원에서 제공합니다.
초저연비 차량에 대한 명확한 정의는 내려져 있지 않으나, 유럽이나 일본에서 개발 중인 3리터카, 즉 100km를 주행하는 데에 3리터의 연료를 소비하는 자동차, 미국의 PNGV 프로젝트에서 목표로 삼고있는 연비 34km/ℓ를 달성하는 승용차라고 볼 수 있다.
이러한 연비를 만족하는 차량으로 폭스바겐의 디젤승용차인 LUPO(루포) 그리고 일본 토요타의 하이브리드카인 PRIUS(프리우스), 혼다의 하이브리드카 INSIGHT(인사이트)를 들 수 있다.
여기에서는 2014년 상반기 중 국내 일간지 및 매스컴에서 화제가 되었던 초저연비 또는 초저공해 차량을 주대상으로 하여 기술적/특허적 관점에서 살펴보고자 한다.
폭스바겐의 친환경자동차 ‘XL1’ 및 현대자동차의 세계최초 터보LPG 직분사엔진을 탑재한 소나타 차량 및 인피니티 ‘Q50’ 하이브리드 차량에 대하여 논의하고자 한다.
폭스바겐의 친환경자동차 ‘XL1’은 2014년 2월 국내에 처음 공개되었는데, 주행연비가 111km/ℓ라고 발표하였다. 여기에서는 ‘XL1’의 연비에 대하여 기술·특허측면에서 검토해 보고자한다.
저공해차량을 주 대상으로 하여 매스컴에서 선전하는 바와 같이 기술적인 신뢰성이 있느냐 하는 점과 특허적으로 선전하는 기술이 Back–Up되고 있느냐 하는 점에 대하여도 심층적으로 분석하고자 한다.
폭스바겐 XL1 국내 첫 공개
‘1ℓ로 111km를 달린다’는 폭스바겐 XL1이 2014년 2월 10일 광화문에서 공개됐다. 그림 1 에 공개된 차량의 모습을 제시하였다.
그런데 이 차는 전기를 꽂아서 배터리를 충전해 달리는 플러그인 하이브리드카이다. 배터리를 가득 충전한 후 배터리로 50km를 가고, 경유 1ℓ를 이용해 61km를 더 달리는 셈이 된다.
순수한 디젤엔진 주행을 포함하는 하이브리드 모드 연비를 61km/ℓ라고 말할 수 있다. 순수한 하이브리드 모드 연비가 61km/ℓ라는 연비도 평범한 하이브리드 차량에서 도달하기 어려운 수치이다.
기존 하이브리드 차량 대비 추가적인 연비 저감요소로 첫째 공기저항계수의 저하를 들 수 있는데, 과감하면서도 미래지향적인 디자인과 더불어 최신 탄소섬유 강화플라스틱 소재(CFRP)의 모노코크 구조를 통해 최첨단 경량디자인(795kg)과 완벽한 공기역학(Cd=0.189)을 실현했다.
스포츠카의 공기저항계수가 0.3 정도인 점을 감안하면 XL1의 공기역학적인 장점이 입증된다.
와류를 줄이기 위하여 뒷바퀴에는 아예 커버를 씌웠다. 사이드미러를 없애고 도어 부분에 소형카메라를 달아 내부에서 모니터를 통해 볼 수 있게 하여 효율향상에 기여토록 하였다.
여기에 48마력 2기통 TDI 엔진과 27마력 전기모터, 듀얼클러치 방식의 7단 DSG변속기, 리튬이온 배터리로 구성된 플러그인 하이브리드 시스템을 채택하고 있다.
먼저 디젤엔진과 모터 구동의 하이브리드 모드 연비 61km/ℓ를 검증하기 위하여 혼다 INSIGHT 차량의 하이브리드 구동계 사양을 검토해 보았다. 표 1 에 혼다 INSIGHT 차량의 구동계 및 연비 관련사항을 정리하였다.
혼다 INSIGHT와 비교했을 때 폭스바겐 XL1은 중량이 55kg 적게 나가고 Cd값은 0.189이며 배기량이 적은 2기통 T/C 엔진을 사용하며 CVT 대신에 7단 DSG 변속기를 이용하고 있다.
① 차량 중량의 차이에 의한 연비 향상요인
130kg의 차량 중량저감에 의하여 연비가 9~12% 좋아졌다는 예를 참고했을 때 55kg 저하에 의해 연비 4.3%가 향상된다.
② Cd값 차이에 의한 연비 향상요인
Cd값 저하율을 고려하면 연비가 20% 향상된다.
③ 하이브리드T/C 디젤엔진 사용에 의한 효과
하이브리드+디젤T/C엔진의 활용에 의해 약 50% 정도의 연비가 향상된다.
④ 7단 DSG 변속기를 이용한 효과
약 10% 정도의 연비향상을 고려할 수 있다.
이상의 4가지 요소에 의해 연비향상을 고려하면(혼다 INSIGHT 대비 84.3% 향상) 약 52km/ℓ의 연비가 산출된다. 이 간단한 계산결과와 비교했을 때 하이브리드 주행연비 61km/ℓ는 상당히 신뢰도가 높은 수치라고 평가할 수 있다.
특허적 입장에서의 폭스바겐 XL1에 대한 분석
(탄소섬유차체 채용측면)
탄소섬유 차체에 대한 폭스바겐이 출원한 특허는 검색되지 않았다. 대신 디스크브레이크의 캘리퍼에 탄소섬유를 적용한 예(EP0980988) 그리고 트랜스미션의 기어시프트장치에 적용한 예(EP0860630) 등이 검색되었다.
아직 카본 차체를 적용한 양산차의 생산은 다른 메이커들에 비하여 뒤처져 있다고 생각된다.
양산성을 가진 카본차체 차량에 대하여는 BMW와 Toyota가 가장 앞서있다고 판단된다. BMW가 i3 전기자동차를 국내에서 2014년 4월에 판매할 예정이라 하는데, 여기에 카본파이버 차체가 채택될 예정이다.
카본파이버 재료는 미국의 SGL 카본에서 공급하지만 카본차체의 생산은 독일의 란츠후트 BMW 공장에서 이뤄진다. 카본파이버를 써 경량화에 노력을 기울인 결과 i3의 공차 중량을 1,195kg으로 줄일 수 있었다.
하이브리드카 특허분석
폭스바겐이 하이브리드카에 대하여 등록되었거나 공개된 특허들을 출원국가별로 분류해 보았을 때 총 73건이 검색되었는데, 미국 35건, EP 34건 및 일본 4건이었다.
엔진+모터구동 시스템을 갖는 구성요소에 대하여 하이브리드카로 정의하였는데, 특별히 디젤이나 가솔린 엔진의 사양에 대하여 정확한 명시가 없는 것이 주특징이라고 할 수 있다.
표 2 에 폭스바겐이 하이브리드카에 대하여 출원한 특허 중 등록된 주요특허를 제시하였다. 엔진, 클러치, Electric Machine 및 트랜스미션의 조합이 중요한데, 대체적으로 3가지의 경우가 나타났다.
엔진과 Electric Machine 그리고 Gear 사이에 클러치 2개가 위치하는 경우(US8020651), 엔진 Acuating Drive Axle 사이에 전자기적인 Control 트랜스미션이 위치하는 경우(US2008-0236915) 그리고 엔진 디커플링클러치 Electric Machine 및 트랜스미션이 위치하는 경우(US7761211) 등이 있었다.
US2008-0236915에 제시된 전자기적인 Control 트랜스미션은 폭스바겐만이 갖고 있는 특수한 구조의 트랜스미션인 것으로 판단된다.
듀얼클러치-트랜스미션 특허분석
폭스바겐이 듀얼클러치-트랜스미션에 대하여 등록되었거나 공개된 특허들을 출원국가별로 분류해 보았을 때 총 32건이 검색되었는데, 미국 8건, EP 13건, 일본 0건 및 중국 11건이었다.
표 3 에 듀얼클러치-트랜스미션에 대한 중요특허 리스트를 제시하였다. 그림 2에 듀얼클러치-트랜스미션의 작동원리도를 나타내었다.
그림 2 에서 보는 바와 같이 듀얼클러치-트랜스미션은 클러치가 2개(K1, K2) 장착된 변속기로 K1은 EW1과 연동하여 홀수단의 변속(1, 3, 5, 7단)을, K2는 EW2과 연동하여 짝수단의 변속(2, 4, 6단)을 담당하게 된다.
이 변속기의 장점은 변속이 빠른 데다 차체를 경량화할 수 있어 연비효율성이 좋아진다는 장점이 있다.
현대자동차 세계최초 터보 LPG 직분사 엔진
현대자동차와 대한LPG협회가 2014년 6월 10일 서울 강남구 코엑스에서 열린 ‘제36회 국제환경기술-그린에너지전’에서 터보 LPG 직분사 엔진을 탑재한 ‘쏘나타 터보 1.4 LPDI’ 차량을 선보였다.
여기에서 특기할만한 사실은 터보 LPG 직분사 엔진이 세계최초로 개발되었다는 점이다.
터보-LPDI(Turbo-LPG Direct Injection)는 LPG엔진에 다운사이징 기술을 적용해 성능과 연비를 극대화시키고, 이산화탄소와 미세먼지 배출량을 줄일 수 있다고 설명하고 있다.
그리고 다운사이징 기술의 적용에 의해 기존의 2000cc LPI 차량 대비 연비는 10% 개선하고 이산화탄소 배출량은 10% 줄일 수 있다고 선전하고 있다.
여기서 논점으로 삼고싶은 점은 현대자동차에서 개발한 터보-1.4 LPDI 엔진이 정말로 세계최초냐 하는 점이다.
한국에서 처음 발매된 LPDI 엔진은 아반떼 하이브리드 차량에 채용된 1.5 LPI 엔진이다. 만일 다른 회사에서 터보-LPDI 엔진을 개발한 적이 있다면 특허검색 과정에서 찾아낼 수 있을 것이다.
한국의 LPI 엔진을 검색하기 위하여 ((LPI*엘피아이*) and (현대차*현대자동차*기아차*기아자동차*))의 검색식을 사용하여 331건의 특허를 검색하였으며, 전세계적으로 개발된 터보-LPDI 엔진을 검색하기 위하여 ((LPG* LPI*) and (TURBO*TURBOCHARGE*TURBOCHA GER*))라는 식을 세워 윕스검색을 실시하여 33건의 관련특허를 검색하였다.
LPI엔진으로 검색된 331건의 특허는 주로 현대 하이브리드 차량에 적용된 엘피아이 엔진에 적용된 기술을 대상으로 하고 있는 것으로 판명되었고 전세계특허 대상으로 터보엘피지엔진을 검색한 결과 현대자동차의 특허가 유일함을 확인하였다.
그림 3 에 제시된 쏘나타 터보엔진은 하이브리드 차량용으로 개발되어 전세계 최초의 터보 엘피아이 엔진으로 진화된 현대차의 기술적 진보를 보여주는 기술적으로 명품에 해당하는 제품임을 파악하였다.
인피니티 Q50 하이브리드 차량
일본 니산의 고급차그룹에 해당하는 인피니티는 최근 본부를 홍콩으로 옮긴 후 분위기 쇄신을 도모하고 있다고 한다.
최근부터 본격적으로 시판되기 시작한 Q50의 주요 판매전략은 최소한 판매량에 있어 일본계 경쟁차량인 렉서스와 아큐라를 따라잡는 것이라고 한다.
Q50은 기존모델과 마찬가지로 328마력을 내는 3.7리터 V6 엔진을 사용한다. 시승용으로 기자들에게 일주일 동안 제공된 Q50 하이브리드는 302마력을 내는 3.5리터 V6와 50kW 전기모터로 도합 360마력을 발휘한다고 기록했다.
연료절약에 중점을 두는 대다수 하이브리드 차량들과 달리 Q50의 하이브리드 시스템은 가속시의 가속성능을 최대로 끌어올리는 역할을 한다고 보는 게 더 적절하다. 물론 연료소비 절감에도 도움이 된다.
Q50 하이브리드는 자동변속기로 CVT 대신 7단 자동변속기를 사용한다. 시승기에 의하면 변속기는 CVT 못지않게 매끄러우나 전기모터에서 엔진으로 바뀔 때 부드럽지 못한 걸림현상이 발생한다고 한다.
니산자동차의 하이브리드차량에 관한 특허를 분석하기 위하여(Hybridcar) and (Nissan Motors)라는 검색식을 이용하여 미국에 출원된 323건의 특허를 분석하였다.
이 중에서 특별히 파워어시스트 기능을 갖는 하이브리드 차량에 관한 특허를 주목하여 분석을 하였는데, US 7878281 특허에 파워트레인의 구성과 작동메커니즘에 대하여 자세한 사양제시가 있었다.
그림 5 에서 파워어시스트사양의 하이브리드 차량의 엔진, 모터 그리고 트랜스미션의 작동에 대하여 자세한 설명을 하고 있다.
티노 하이브리드 차량은 연비저감을 주목적으로 하고 있으나 Q50과 같은 고급사양 차량에서는 가속승차감 개선을 위한 하이브리드 시스템의 적용이 특별히 강조되며 부각되었다.
결론
첫째, 폭스바겐 XL1차량에 대한 연비데이터 111km/ℓ에 대하여 기술적 측면과 특허적 측면에서 검토해 보았다.
배터리 충전으로 가는 50km 주행분을 뺀 61km/ℓ에 대하여 검토해 보고 경유 1리터를 사용하여 61km를 가는 차량으로 상당히 획기적인 기술을 사용하였음을 파악 하였다.
일본 Honda INSIGHT의 2배의 연비효율을 지니게 된 이유는 ① 55kg의 중량저감, ② Cd값의 저하, ③ T/C 디젤엔진 사용에 의한 효과, ④ 7단 DSG 변속기를 이용한 효과를 거론하였다.
향후 초저연비차량의 R&D방향을 이 XL1차량으로부터 찾을 수 있겠다.
둘째, 현대 하이브리드 차량용으로 개발된 직분사 엘피아이 엔진은 전세계 최초의 터보 엘피아이 엔진으로 진화되어 현대자동차의 기술적 진보를 명확히 보여주었다.
다양한 연료를 사용하는 기술은 향후 예혼합(Pre-Mixed) 층상급기 엔진개발시 유용하게 쓰일 것으로 예상된다.
셋째, 니산 인피니티 Q50 하이브리드 차량은 연료소비절감 목적으로 개발된 기술이 더 한차례 진보하여 가속승차감 개선을 위해 적용이 되었다.
특허분석을 통하여 승차감 개선을 위한 하이브리드기술의 적용이 Blue Ocean영역의 기술임을 확인하였다.
넷째, 21세기를 앞둔 19XX년에 디젤엔진 및 가솔린엔진의 멸종(?)을 2030년대로 예측한 기사들을 읽은 적이 있었다.
과연 2030년대에 접어들면 모든 차량에서 엔진이 없어질 것인가? 앞으로 16년 정도 후의 가상현실을 예측해 보았을 때 No라는 대답이 다수를 점하게 될 것이다.
최소한 2050년대까지 엔진을 포함하는 하이브리드시스템과 전기차 그리고 Fuel Cell자동차가 혼재되어 운행되는 세계를 볼 것으로 예상한다.
향후 엔진을 포함한 파워트레인기술은 어떻게 진보할 것인가?
가장 유력한 후보자는 터보디젤엔진+플러그인 타입 하이브리드 차량으로 생각되며, 두번째로 층상급기엔진+플러그인 타입 하이브리드차량, 세번째로 배터리가 개선된 순수 전기자동차, 기타연료전지차량 등이 혼재된 상태에서 차기 유력주자를 기다리게 될 것이다.