일본산업뉴스요약

스즈키, HEV에 시리즈-병렬 방식 검토
이례적인 전방위 전동화 개발

스즈키는 하이브리드차(HEV)의 전방위 전략에 본격적으로 나선다. 기존의 저출력 모터를 사용하는 병렬 방식에 더해, 비교적 고출력의 시리즈 방식과 시리즈-병렬 방식 개발도 진행한다. 스즈키 규모의 자동차 업체로서는 이례적이지만, 경차부터 소형차, 중형차까지 HEV와 플러그인 하이브리드차(PHEV)을 준비해 인도, 일본, 유럽 등의 환경 규제에 대비한다. 전기자동차(EV) 전환 속도가 완만해지면서, 당분간 HEV와 PHEV가 필수적이라고 판단했다.

스즈키의 스즈키 도시히로 사장은 “비화석 에너지가 충분히 보급될 때까지는 HEV는 분명한 역할이 있다”라고 말하며 HEV 전방위 전략의 필요성을 강조한다. 주요 시장인 인도에서는 전동화 진행 속도가 완만해 HEV와 PHEV의 중요성이 더욱 커질 것으로 보기 때문이다. 인도에서 경차급 소형차부터 중형차급까지 생산하는 스즈키로서는 전 차량의 연비를 높이기 위해서는 HEV 방식의 종류를 늘릴 필요가 있다고 판단했다.

스즈키보다 규모가 큰 혼다와 닛산자동차도 HEV를 중시하는 전략으로 전환하고 있다. 다만 닛산은 시리즈 방식, 혼다는 시리즈-병렬 방식에 개발 자원을 집중하고 있다. 스즈키 규모에서 3가지 방식 모두를 개발하는 것은 이례적이다.

스즈키 부사장이자 기술 총괄인 가토(加藤) 씨는 “몇 년 전부터 여러 전동화 기술을 검토해 왔다”라며, 지역마다 다른 환경 규제에 대응하려면 시리즈형 HEV와 PHEV가 필요하다고 강조했다. 시리즈 방식은 엔진으로 발전해 모터를 구동하는 기술로, 승용차 분야에서는 이미 닛산과 다이하쓰공업이 양산하고 있다. 스즈키는 후발 주자이지만 “경쟁사보다 비용 경쟁력을 높일 수 있다”며 자신감을 보였다.

현재 스즈키는 12V 전원을 사용하는 병렬 HEV를 양산하고 있다. 앞으로 48V 전원을 사용한 HEV 기술 ‘슈퍼에네차지(SEC)’를 도입할 계획이다. 또한 도요타자동차의 기술을 적용한 고출력 HEV도 있다. 여기에 더해 시리즈 HEV와 PHEV를 새롭게 개발한다.

여러 HEV 기술을 차량별로 나누어 적용할 계획이다. 경차에는 10k~15kW 모터를 사용한 슈퍼에너차지를 주로 채택할 방침이다. 한편, 경차보다 출력이 큰 중소형 차량에서는 “48V 시스템은 전류가 과도하게 커져 발열 관리가 어려워진다”(가토 부사장). 이 때문에 고전압 모터를 채택해 전류를 억제하고 발열 관리를 용이하게 만든 시리즈 HEV와 PHEV가 필요하다고 설명한다.

현재는 시리즈 방식을 개발 중이지만, 장기적으로는 시리즈 방식을 주로 활용하면서 고속 주행 시 클러치를 사용해 엔진과 타이어를 직접 연결하는 시리즈-병렬 방식도 검토하고 있다. 이는 혼다의 HEV와 유사한 방식으로 보인다. 가토 부사장은 “시리즈 방식의 연장선에 있는 기술이다”라며 기술적으로 큰 장벽은 없다고 설명한다.

HEV와 PHEV용 모터와 인버터 등 전동화 기술 개발과 동시에 엔진 개발도 꾸준히 진행하고 있다. 최근에는 2024년에 글로벌 전략 차량 ‘스위프트’에 새로운 가솔린 엔진 ‘Z12E’를 투입했다. 이 엔진은 앞으로 스즈키의 전동화 전략을 뒷받침할 핵심 엔진이다.

배기량은 기존 K12C 엔진과 같은 1.2L지만, 4기통에서 3기통으로 줄여 마찰 손실 등을 감소시키고 열효율을 높였다. 유럽의 엄격한 배출가스 규제인 유로7 대응을 염두에 둔 조치다. 또한 다양한 탄소중립 연료 사용도 염두에 두고 있다. 스즈키 관계자는 Z12E를 “경차부터 일반 승용차까지 수평적으로 확대해 나가겠다”라며, 주력 엔진으로 삼겠다는 방침을 밝혔다.

Z12E에서는 3기통으로 줄이면서 롱 스트로크 설계를 채택했다. 보어×스트로크는 기존 K12C의 73.0×74.2mm에서 74.0×92.8mm로 변경했다. 스트로크/보어 비는 1.25로, 일반적으로 1.0을 넘으면 롱 스트로크 엔진으로 분류된다.

Z12E의 최대 열효율은 40%에 달했다. 3기통으로 줄이면 실린더당 부피 대비 표면적을 작게 할 수 있다. 그러면 연소실 벽면에서 열이 빠져나가기 어려워지면서 열효율이 향상된다. 또한 고속 연소와 고압축비화를 구현한 것도 열효율 개선에 기여했다. 열효율이 높은 운전 영역도 확대할 수 있었다.

-- 바이오가스와 바이오에탄올에 대응 --
Z12E는 바이오 연료와 합성연료 등 다양한 연료에 대응하는 것도 고려하고 있다. 스즈키 기술자는 “Z12E 엔진에서는 바이오가스나 바이오에탄올과 같은 환경 부담이 작은 연료를 효율적으로 연소시키는 기술을 추구해 나갈 것이다”라고 말했다.

특히 스즈키의 주요 시장인 인도에서는 바이오메탄가스를 연료로 사용하는 압축천연가스(CNG) 차량이 주목받고 있다. 스즈키 관계자는 “일본에서도 바이오 연료 대응이 화제가 되고 있다. CNG와 바이오 연료 모두에 대응할 수 있는 엔진이 필요하다”라고 말했다.

CNG 차량 대응 기술은 이미 Z12E에 도입되었다. 흡기 매니폴드에 CNG용 인젝터를 장착했다고 한다. CNG에 더해 인도에서는 가솔린에 에탄올을 20% 혼합한 연료 ‘E20’의 보급이 확대되고 있다. Z12E는 큰 사양 변경 없이도 E20 연료에 대응할 수 있다고 한다.

엔진의 기본 구조를 유지하면서도 연료 종류에 따라 사용하는 소재를 변경할 수도 있다. 예를 들어 에탄올처럼 부식성이 강하고 고분자 소재에 대한 공격성이 높은 연료에는 벽면에 부식 방지 처리를 하거나 내구성이 더 높은 소재를 사용한다.

앞으로는 개발 중인 마일드 HEV 기술 ‘슈퍼에네차지’에도 Z12E를 적용할 계획이다. 스즈키 기술자는 “엔진이 약한 영역은 모터 구동으로 보완하고, 엔진이 강점인 영역에서는 열효율을 더욱 끌어올린다”라고 설명했다.

-- 48V 신형 HEV, 비용과 경량화를 고려해 기계식 4WD 채택 --
Z12E와 결합할 소형차용 차세대 마일드 HEV 기술이 슈퍼에네차지다. 이 시스템은 범용성을 중시해 다양한 엔진, 구동 방식, 변속기와 결합할 수 있도록 설계됐다. 스즈키 관계자는 “MT(수동변속기)나 FR(전륜엔진·후륜구동) 차량에도 적용할 수 있도록 시스템을 설계했다”라고 밝혔다.

현재 스즈키는 12V 마일드 HEV 기술 ‘에네차지’를 주축으로 전개하고 있다. 경차용 에네차지는 엔진 출력이 자연흡기(NA) 기준 36kW, 모터 출력이 2kW이다. 다만 스즈키 관계자에 따르면, 앞으로 모터 출력이 다소 부족해질 가능성이 있다. 이에 따라 슈퍼 에네차지에서는 전원 전압을 48V로 높여 모터 출력을 강화한다.

도요타자동차의 2모터식 고출력 HEV는 수백 볼트의 전원 전압을 사용한다. 한편 스즈키는 소형차용에서 약 10kW 수준의 모터와 결합할 예정이기 때문에, “소형차에는 출력과 비용 측면에서 48V 시스템이 적절하다고 판단했다”(스즈키 관계자).

기존의 에네차지는 벨트 구동 방식을 채택해 엔진 외부에 모터를 배치했다. 하지만 벨트를 통한 전달 과정에서 에너지 손실이 커 효율 개선에는 한계가 있었다. 슈퍼에네차지는 기어 구동 방식을 채택해 엔진과 변속기 사이에 모터를 배치하는 구조로 설계했다. 이를 통해 감속 시 회생량을 늘릴 수 있어 엔진 부하 감소에 기여한다.

스즈키 기술자는 “일반 차량뿐 아니라 경차에도 탑재하기 위해 최대한 얇게 설계해 범용성을 높였다”라고 설명했다. 또한 타사의 모터 내장 모듈에 비해 슈퍼에너차지는 전체 폭을 약 50% 얇게 할 수 있다고 한다.

다양한 엔진이나 구동 방식, 변속기에 대응할 수 있다. 예를 들어 엔진은 4기통, 3기통, 자연흡기(NA), 직분사 터보에 대응할 수 있다. 구동 방식도 FF(전륜엔진·전륜구동), FR(전륜엔진·후륜구동), 4WD(사륜구동). 변속기에서는 자동변속기(AT), 무단변속기(CVT), 수동변속기(MT)를 선택할 수 있다. 또한 모터 출력과 배터리 용량을 조정해 모터 주행 거리 등을 크게 바꿀 수 있도록 설계했다.

스즈키가 지금까지 성공할 수 있었던 큰 요인으로, 기술 개발에서의 철저한 비용 절감을 들 수 있다. 그러나 이번 전방위 전동화 전략은 비용 상승으로 이어질 가능성이 있다. HEV 종류가 늘어나는 상황에서 부품을 얼마나 공용화해 비용을 낮출 수 있는지가 스즈키 전동화 전략의 성패를 좌우한다.

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