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[Tech Review] 전기 흐름의 종합적 관리, BMW 에너지 관리 시스템

2013-11-04 오전 11:17:06
자동차는 과연 에너지를 소비하는 물건일까, 에너지를 생산하는 물건일까? 답은 당연히 소비 쪽에 가깝다. 동력 에너지를 생산하기는 하지만 화석연료를 소비함으로써 동력을 발생시키고 앞으로 나가기 때문이다.

현 시대 자동차 메이커의 가장 큰 화두는 단연 효율성이다. 얼마만큼 연료를 적게 소비하는지가 해당 메이커의 기술력을 나타내는 지표로 활용되기도 하며, 1리터의 연료로 100km를 주행할 수 있는 자동차는 또 다른 의미의 슈퍼카로서 존재감을 드러내고 있기도 하다.

물론, 그렇다고 운전의 재미까지 포기할 수는 없다. 소비자들의 요구는 날이 갈수록 까다로워지고 있으며, 이를 만족시키지 못하는 메이커는 도태된다. BMW는 이를 위해 이피션트 다이내믹스(EfficientDynamics)라는 개념을 통해 상반되는 두 조건을 만족시키려 하고 있다. 그렇다면 BMW가 내세우는 이피션트 다이내믹스라는 개념은 에너지를 어떻게 효율적으로 사용하고 재생산을 할까? 우리가 가볍게 생각하는 배터리에 초점을 맞춰 BMW의 에너지 관리 시스템에 대해 알아보자.

일반적으로 자동차에 사용하는 에너지를 언급할 때 가솔린이나 디젤 같은 ‘연료’만 생각한다. 하지만 실제 에너지의 흐름은 자동차에서 직접적으로 연료를 소모해 동력을 발생시키고 바퀴를 굴리는 것 외에 거의 모든 작동에서 전기적인 에너지를 이용한다. 예를 들어 에어컨이나 히터를 작동하거나 와이퍼를 움직이는 모든 것들은 전기 에너지다.

하지만 그 전기 에너지는 연료의 사용을 통해 얻어지는 것인 만큼, 자동차에서 사용하는 모든 에너지는 연료가 만든다고 할 수 있다. 따라서 에너지 소모를 줄이기 위해서는 어떻게 적재적소에 맞게 사용할 수 있냐는 차원에서의 총체적인 에너지 관리가 중요하다.

최근의 배터리는 충전과 방전 효율은 물론 예전에 비해 전체적인 성능이 크게 발전했다. 분명 예전보다 배터리의 기술과 성능이 더 발전되었음에도 불구하고 자동차 분야에서는 그와 상응하는 자동차 전자화의 가속화와 전기로 구동되는 편의장비의 증대 등으로 인해 전기적인 에너지도 더 많이 필요해졌다. 그러다 보니 배터리의 성능 향상이 현대적인 자동차들의 요구를 못 따라가고 있는 형국이다.

이런 차원에서 나온 종합적인 대책 가운데 하나가 에너지 관리라는 개념이라고 할 수 있다. 에너지 관리는 한 집안의 살림으로 치면, 가구 소득에 따라 지출을 관리하는 것과 마찬가지다.

예를 들어 평소 수입이 500만원이던 가장이 퇴직한 뒤 200만원으로 줄어들었을 때, 각 분야의 지출을 줄이거나 아예 차단하는 것과 똑 같은 이치다. 여기서 한 집안의 은행 잔고라고 할 수 있는 배터리는 발전기에서 충전에 필요한 전기 에너지를 공급받는다.

그런데 우물에 있는 물을 양수기로 퍼 올려 한꺼번에 빼버리면 우물 아래 지하수가 흐르고 있어도 우물이 쉽게 고갈되고 마는 것처럼, 배터리 역시 남은 에너지를 모두 소진할 경우 충 방전 효율이 떨어지고 이내 수명이 다해버리게 된다. 즉 필요한 만큼만 적절히, 수요와 공급에 맞춰주며 사용해야 한다.

그래서 에너지 관리를 할 때도 ‘우선순위’라는 개념이 있어야 한다. 이는 배터리에 남아 있는 에너지를 사용하는데 있어 무엇이 가장 중요한지를 판단해야 한다는 것이다.

우선순위 1번은 엔진 시동이다. 배터리를 차에 싣고 다니는 가장 근본적인 이유는 시동을 걸기 위해서다. 그리고 시동을 걸기 위해서는 얼마만큼의 에너지가 필요한지를 알아두려면 감시와 평가가 이루어져야 한다. 그리고 다양한 각각의 변수를 감안해 언제든지 엔진 시동을 비롯해 자동차를 운행하기 위한 기본적인 에너지를 확보하고, 필요한 상황과 시기에 맞춰 적재적소에 에너지를 공급해줄 수 있는 모든 기능을 맡길 수 있는 지휘센터도 필요하다. 이 지휘센터와 같은 역할을 하는 것이 엔진 컨트롤 유닛(DME/DDE)이다.

과거의 엔진 컨트롤 유닛은 점화, 연료 분사 등 순수하게 엔진의 모든 기능을 제어하는 것이 중심이었지만, 연료 소모와 CO2 감축 등 환경적인 여러 여건을 고려해 에너지 관리에 대한 부분이 추가되고 있다.

엔진 컨트롤 유닛 내부에 포함된 에너지 관리 유닛은 차 내부의 여러 유닛들과 통신을 주고받으며, 모든 에너지의 흐름의 양과 관련 정보를 실시간으로 파악하고 제어할 수 있는 일종의 통합 시스템으로 구성되어 있다.

이 에너지 관리 시스템이의 구성 요소로는 엔진, 발전기, 배터리, IBS(Intelligent Battery Sensor), 정션 박스 모듈(Junction box module), 엔진 매니지먼트(파워 및 에너지 관리), 에너지 부하를 갖는 시스템 등이 포함되어 있다.

에너지 관리 시스템에서의 역할 분담을 해보자. 배터리에서 소모되는 에너지의 양과 흐름을 지속적으로 감시하는 임무는 배터리 ‘-’단자에 부착된 IBS가 맡는다. IBS에서는 전류와 전압 및 배터리 내부의 터미널 온도를 지속적으로 감시한다.

IBS의 엔진 매니지먼트 시스템은 기본적으로 매번 엔진 시동을 걸 때마다 얼마나 많은 에너지를 사용했는지를 지속적으로 감시하는데, 매 14초 마다 0.5초 동안 현재 배터리에 남아 있는 에너지의 양을 엔진 컨트롤 유닛으로 보고한다. 그러다가 충전량과 방전량의 밸런스를 체크해 수요와 공급의 균형이 깨져 비축된 에너지가 부족할 것 같으면, 실질적인 에너지 관리 차원에서 절약 및 제한에 들어가게 된다.

예를 들어, 추운 겨울날 가족여행을 떠나는 길에 휴게소에 잠시 들렀을 때를 가정해 보자. 급한 볼일이 생긴 운전자가 시동을 끄고 차를 떠나면서 차 안에 있는 가족들을 위해 차 열쇠는 두고 갔다. 이때 차 안에 있던 아내와 아이들은 열선이 작동되는 시트 히터를 3단까지 작동시키고, 아내는 하이파이 시스템을 켜 좋아하는 음악을 듣고, 뒷자리에 있는 아이들은 전동 시트를 이리 저리 움직이며 장난도 치고, 또 한쪽에서는 비디오 게임까지 즐기고 있다면 어떻게 될까? 아마 배터리는 금방 소진될 것이다.

이런 상황에서 IBS는 배터리의 소진 상황을 시시각각으로 엔진 컨트롤 유닛에 전달하고, 만약 배터리 에너지가 부족하다면 전기 에너지를 가장 많이 소모하는 해당 부분의 전기적인 부하를 줄여나간다. 그래도 전기 에너지의 소모가 크다고 판단했을 때는 아예 전기를 차단하기도 한다.

즉 차 안에 있는 사람이 시트 히터를 아무리 최대 온도로 작동시켜도 다음 시동을 위해 시트 히팅 레벨을 줄이거나 꺼버릴 수도 있는 것이다. 물론 나중에 운전자가 차로 돌아와 다시 시동이 걸린 뒤부터는 시트 히터의 기능은 정상적으로 작동한다.

이때도 엔진 컨트롤 유닛에서는 배터리의 상태를 점검하는데, 조금 전처럼 에너지를 많이 소모해 배터리에 남아 있는 용량이 많이 부족한 상황에서는 발전기 관리자에게 전류의 양을 최대로 증가시켜 배터리를 평소보다 더 빨리 충전하도록 명령하고, 동시에 엔진에게는 회전수를 200rpm 정도 더 올리게 하여 배터리를 충전을 보조하도록 설정한다.

에너지 관리를 위한 제어에는 철저하게 우선순위가 정해진다. 예를 들어 야간에는 다른 것보다 헤드램프 같은 라이트는 켜져야 한다. 엔진 시동을 위한 제반 시스템(스타트 모터, 인젝터, 점화 코일 및 스파크 플러그 등) 이외에도 간단한 것이지만 와이퍼나 비상등 같은 것들은 언제라도 작동되어야 한다. 또 차의 문을 잠근 뒤에는 다른 것보다 도난방지 시스템이 우선시 된다.

이렇듯 그 내용들을 보면 자동차 운행에 있어 안전과 실질적으로 관계없는 것부터 우선순위를 기록해두고, 그 순서대로 차근차근 에너지를 차단하고 또 에너지가 필요할 때는 재빨리 복구시키는 것까지 수행하도록 구성되어 있다.

에너지 관리 상황을 판단하는 기준은 크게 클래스A(심각한 상황 : 배터리가 많이 방전된 시점 또는 발전기가 너무 과부하가 걸려 문제가 있는 시점)과 클래스B(일반적으로 배터리만 충전하면 되는 상황)으로 구분합니다. 클래스A와 클래스B 상황에서 전기적인 장치들이 제어되는 순서를 보면 다음과 같다.

에너지 관리를 위해 일반적인 상황(클래스 B)과 심각한 상황(클래스 A) 따라 관리하는 방법도 크게 두 가지로 구분됩니다. 일반적인 클래스 B의 상황에서는 BPM(Basic Power Management) 제어에 의해 아이들에서 엔진 회전수를 200rpm 정도 더 올려주고, 필요한 만큼 전압을 올려 배터리를 충전한다.

클래스 A에 해당될 때는 APM(Advanced Power Management)이 개입해 제어에 들어간다. 이때부터 필요에 따라 전기적인 부하를 줄이거나 파워 터미널을 차단해 에너지 사용을 줄이고, 추가적으로 배터리 자체의 상태 진단 및 자동차 시스템 진단과도 연계한다.

온도나 주어진 상황에 따라 배터리를 충전하기 위한 전압의 목표값도 다르다. 기본적으로 외부 온도가 -20℃~8℃까지는 충전 전압을 14.8V로 높이고, 반대로 외부온도가 19℃~50℃ 사이면 14V로 낮춘다. 8℃~19℃의 통상적인 영역에서는 14.0~14.8V 사이에서 에너지 관리 시스템의 필요에 따라 충전 전압을 조절한다.

그리고 에너지관리 시스템의 통신 라인에 문제가 생겼을 경우에는 전압을 14.3V로 고정해 충전하고, 오류 내용을 별도로 저장하고 알려주기도 한다.

만약 기존에 오래된 배터리는 아무리 충전해도 50% 밖에 채워지지 않으니 그에 따른 에너지 관리를 해왔으나, 새 배터리로 교체된 사실을 알려주면 그때부터는 배터리에 100% 충전이 가능한 만큼 더 효율적인 에너지 관리를 할 수 있다는 내용을 전달한다. 때문에 새 배터리가 들어왔다면 그때부터는 시스템에서 배터리를 기준으로 모든 에너지 관리도 다시 계산한다.

BMW의 경우 현재 남아있는 연료로 주행이 가능한 거리를 km 단위로 알려준다. 시동 초기에는 주행가능거리가 200km 남았다고 하더라도 여름철에 에어컨과 시트 냉각팬을 강하게 틀어놓고 오디오 볼륨을 올려놓고 다니면 10km를 달렸는데도 남은 주행거리는 190km이 아니라 150km밖에 못 간다고 안내할 수도 있다.

이 역시 에너지 관리 시스템이 존재하기 때문이며, 현재 갖고 있는 에너지와 다른 에너지를 얼마나 소모되는지도 함께 계산해서 운전자에게 연료 주입 시점을 알려주게 된다.

연료 보충 시지를 정확히 알려주는 메시지 이외에도 에너지 관리가 필요한 경우, 계기판이나 중앙 모니터에 메시지를 띄워 앞서 운전자에게 에너지 관리 차원에서 일부 기능의 작동이 제한 또는 차단되고 있다는 내용을 알려주는 기능도 있다.

결론적으로 자동차의 전기적인 에너지관리의 총체적인 의미는 ‘에너지의 생성, 에너지의 저장, 에너지의 분배, 적정 수준 유지를 위한 에너지 모니터링’을 어떻게 관리하고 적절히 유지하느냐에 있다고 할 수 있다.

여기에 에너지의 적정 수준을 유지하기 위해서는 에너지의 소비처를 미리 파악해야 하고, 에너지를 만들 수 있는 능력도 가늠해야 하며, 또 비축된 에너지 대비 소비에 필요한 시간도 예측할 수 있어야 한다.

특히 자동차를 운행하는 동안 여러 곳에서 동시다발적으로 많은 에너지를 사용할 때 가장 중요한 것에 대한 우선순위를 정하고, 그에 적합한 에너지의 공급 순서와 공급량을 결정할 수 있어야 한다.

무조건적으로 에너지를 많이 만드는 것이 아니라, 이 전기 에너지를 만들기 위해 또 다른 에너지(연료)가 얼마나 필요한지를 파악하는 것도 중요한 요소다. 전기적인 에너지를 만들기 위해 연료가 더 들어가기 때문이다.

일반적인 차들은 엔진이 시동이 걸려 있는 상태에서는 항상 발전기를 돌리고 있는 셈인데, 이는 그 자체로 에너지를 필요 이상으로 허비하고 있는 것이다. 필요한 만큼만 배터리의 역할을 제대로 할 수 있다면 계속해서 발전기를 돌리면서, 계속해서 배터리를 충전하고 다닐 이유는 없다. 에너지 관리 시스템을 이용해 필요한 만큼만 그때그때 충전해서 사용한다면 그만큼 에너지를 절약하는 것이고, 이는 곧 자동차의 연료소모를 줄이게 된다.

또한 발전기를 돌리지 않으면 그만큼 엔진의 효율은 높아지는 것이고, 그만큼 엔진이 활용할 수 있는 출력을 높아지기도 한다.

BMW 이피션트 다이내믹스의 기술 중 하나인 에너지 관리 시스템은 브레이크 에너지 재생(Brake Energy Regeneration)의 기능과도 연계되어 있다. 여기서 언급하는 브레이크의 개념은 단순히 풋 브레이크를 사용해 제동했을 때를 뜻하는 것이 아니라 엔진이 쉬고 있을 때 잉여 에너지를 회수한다는 의미로 통용된다.

통상 에너지 관리 시스템이 적용된 차들은 배터리가 80% 이상 충전된 상태에서는 더 이상 엔진이 발전기를 돌리지 않는다. 그러다가 주행 중 가속페달에서 발을 떼거나 브레이크를 밟는 동안에는 엔진이 쉬고 있는 상태가 되고, 그때부터는 남아도는 휠의 구동력을 이용해 역으로 엔진을 돌릴 여지가 생긴다.

구르는 힘이 남아 있는 휠은 드라이브샤프트와 연결되어 있고, 드라이브샤프트는 다시 변속기와 연결되어 있다. 이런 상황을 감지한 엔진 컨트롤 유닛에서 변속기 제어 유닛으로 록-업 클러치(Lock-up Clutch)를 작동시키라는 명령을 내리면, 록-업 클러치를 통해 휠의 구동력이 엔진으로 직결되어 발전기를 돌리는 구조이다.

발전기는 이때도 전류를 최대로 키워 짧은 순간에도 배터리를 재빨리 충전하도록 한다. 이런 과정이 없다면 일반적인 차들처럼 계속해서 엔진에 연료를 공급해 발전기를 돌려야 한다.

자동차가 문을 잠그고 차에서 떠난 뒤에는 보안에 관련된 시스템 이외에도 일부 시스템들은 일종의 대기모드(Sleep Mode) 상태로 시스템이 살아 있다가, 시간이 지나면서 시스템이 서서히 차단되는 과정을 거친다. BMW의 경우 연구소 내에 자동차가 사용하는 다양한 시스템들이 깨어나서 잠시 잠을 자거나 완전히 차단될 때까지 여러 종류의 슬립모드만 연구하는 팀을 별도로 운영하고 있기도 하다.

최근에 출시되는 신모델과 향후 등장할 모델은 에너지 관리가 확대 적용된다. 별도의 세팅이 없는 한 실내등은 문을 여는 쪽 좌석에만 비추고, 탑승자가 없는 곳에는 열선을 켜도 작동하지 않게 된다. 이런 모든 작동들이 불필요한 에너지 소모이기 때문이다.

예를 들어 운전자가 시동을 끈 다음 문을 잠그고 집으로 들어가면서 차에 실내등과 미등은 그대로 켜 두고 갔다면, 에너지 관리 시스템이 살아 있다가 다른 시스템들을 체크해 전기 에너지를 사용하는 부분들을 자동으로 차단하게 된다.

시동이 꺼진 뒤 아무런 조작이 없는 경우 시스템 전원을 차단하는 시간도 예전에는 30분에서 최대 60분까지 설정되어 있지만, 최근에는 8분으로 감소되기도 했다.

오토뷰 | 김선웅 기자 (startmotor@autoview.co.kr)
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