Nikkei Automotive_2022.1 특집 요약 (p68-73)

도요타의 첫 EV 전용 플랫폼
신세대 EV ‘bZ4X’로 유럽 맹추격

도요타자동차는 21년 10월말, 개발 중인 전기자동차(EV) ‘bZ4X’의 상세를 공개했다. 도요타의 EV 전용 차량 개발 방법 ‘e-TNGA(Toyota New Global Architecture)’의 사고방식에 근거하는 EV 전용 플랫폼(PF)을 처음으로 채용한다. 겨울철에 항속거리가 격감한다는 EV의 과제를 극복하기 위해 새로운 난방 기술을 개발했다. (https://www.webcg.net/articles/-/45328)

전용 PF를 이용한 EV는 독일 폭스바겐 등의 경쟁사가 이미 투입하기 시작했다. 일본 국내 업체의 EV에서는 닛산자동차의 ‘아리아’가 먼저 양산을 시작한다.

도요타는 25년까지 EV 제품군 ‘bZ’ 시리즈에서 7개 차종을 투입할 계획이다. 제1탄이 될 중형 SUV ‘bZ4X’는 22년 중반부터 중국, 유럽, 미국, 일본 등의 세계 각지에서 발매한다.

bZ의 명칭은 ‘beyond Zero’(탄소 배출 제로를 넘은 그 이상의 가치)를 의미한다. 그 중 bZ4X는, 숫자가 차량의 크기를 의미하는데 4는 bZ 시리즈의 중간 크기라고 한다. X는 차량 종류가 SUV임을 나타낸다.

e-TNGA에 기초한 EV 전용 PF는 스바루와 공동 개발한 것이다. 배터리 용량을 억제함으로써 배터리를 차량의 중앙 하부에 평면 배치해 중심을 낮게 했다. “EV에서는 공연히 큰 용량의 배터리를 탑재하게 되면 배터리의 배치가 ‘2층건물’이 된다”(도요타자동차 ZEV팩토리의 이도(井戸) 주임). 각 시장에서 필요한 1회 충전당 항속거리 정보를 바탕으로, 향후 기술 성장을 고려해 배터리의 용량을 결정했다고 한다.

도요타는 모터나 트랜스 액슬, 인버터를 일체화해 소형화를 도모한 전동 액슬(e-Axle)이나, 충전 기능과 전력 분배 기능을 집약해 소형화한 Electricity Supply Unit(ESU)를 처음으로 채택. 이러한 거대 부품을 낮은 위치에 탑재한 것도 중심을 낮게 하는데 기여했다.

도요타자동차 ZEV팩토리에서 EV 개발을 주도하는 도요시마(豊島) 치프 엔지니어는 “e-Axle을 센터 배치함으로써 좌우의 편차를 없앴다. 이 점은 (엔진차용의) TNGA에는 없는 e-TNGA의 장점이다”라고 말한다. 또한 배터리 용량과 더불어 전후 질량 배분을 최적화하거나 보디와 골격의 체결을 연구해 강성을 높였다.

-- 스바루의 4WD 기술을 채용 --
e-TNGA에 바탕을 둔 EV 전용 PF의 또 하나의 특징은, 충돌 안전과 사륜구동(4 WD) 관련해서 스바루의 기술을 많이 채용하고 있다는 점이다. 예를 들면 4WD 차량에서는 스바루의 4WD 기술과 차량통합제어 기술인 ‘X-MODE’를 채용한다.

X-MODE의 새로운 기능으로, 모터 구동의 특성을 살려 높은 주파성을 실현하는 ‘Grip Control’을 개발하였다. 도요타 ZEV팩토리의 이도 주임은 공동 개발에 대해 “스바루에서 많은 기술자가 도요타를 찾아주었다. 서로 무릎을 맞대고 의견을 나누며 개발에 임했다. 또한 스바루는 안전이나 4WD에 대한 생각이 강하다. 대화를 나누는 가운데 많은 깨달음을 얻었다”라고 설명한다.

bZ4X는 전륜 구동(FWD)과 4WD의 2종류의 구동 방식을 준비한다. 차량 치수는 길이4,690×폭1,860×높이1,650(안테나 포함). 휠 베이스는 2,850mm이다. 전후 시트 간 거리를 1,000mm로 D세그먼트 세단 수준이다. 발 아래 공간도 앞뒤 모두 중형 SUV에서는 최고 수준이다.

-- Steer by Wire를 채용 --
배터리의 총 전압은 355V다. 직류 급속 충전에서는 최대 150kW까지 대응하고, 30분에 80%까지 충전할 수 있다. 배터리의 오류를 방지하거나 같은 오류를 징후를 통해 감지하는 대책을 강화하기 위해서 배터리의 전압, 전류, 온도를 다중으로 감시하는 시스템을 채용한다.

또한 배터리 팩의 냉각액이 새어 나와도 배터리가 냉각액에 닿지 않게 설계하고, 동시에 냉각액에는 고저항 타입을 사용했다. 냉각액이 배터리에 닿더라도 단락(쇼트)되지 않도록 배려했다.

구동 모터의 최고 출력은 FWD 차량이 150kW, 4WD 차량이 전후 모터 모두 80kW로 합계 160kW이다.

일부 차종에는 Steer by Wire 및 그와 조합하는 ‘조종간’과 같은 이형(異形) 스티어링 휠도 준비한다. Steer by Wire의 스티어링 휠의 회전 각도는 변경 없이 약 ±150도로 크게 설정되어 있어, U턴이나 주차, 와인딩 로드 주행 등에서 운전자의 부담을 줄여준다.

또한 운전자가 느끼는 조타 토크와 차륜의 스티어링 각도를 독립으로 제어함으로써 조타감을 개선했다. 스티어링 특성은 선택한 드라이브 모드에 따라 달라지는 구조다.

항속거리(WLTC)는 FWD 차량에서 500km 전후, 4WD 차량에서 460km 전후다. 리튬이온 배터리를 탑재해, 배터리 용량을 71.4kWh로 억제했다.

-- 키워드는 ‘직접 공조’ --
배터리 용량을 억제하는데 있어서 중요한 것이 난방 기술이다. 특히 겨울철에는 난방을 사용하면 EV의 항속거리가 격감하기 쉽다. 이 과제에 대응하기 위해 도요타는 새로운 난방 기술인 ‘복사(輻射) 히터’를 차량에 처음으로 채용했다.

“(난방을 사용하지 않는) 봄이나 가을에 비해 겨울은 항속거리가 카탈로그 수치와 실적 수치가 크게 다르다. 그럼 유저에게 폐를 끼치지 않는 수치는 어느 정도일까? 수치는 말할 수 없지만 겨울철의 괴리율(카탈로그 수치와 실적 수치의 차이)의 목표를 설정하고 개발해 왔다”(도요타자동차 ZEV팩토리).

엔진과 같은 열원을 가지지 않는 EV에서 겨울철의 난방 성능과 항속거리를 양립하는 것은 큰 과제가 된다. bZ4X의 개발 책임자인 이도 주임은 “주행 이외의 에너지 소비를 가능한 한 작게 억제하는 연구를 해왔다”라고 설명한다.

이러한 문제 의식과 개발 방침에 따라 도요타가 bZ4X의 난방에서 키워드로 삼은 것이 ‘직접 공조’다. 자동차의 난방은 차실 내부 전체를 따뜻하게 하는 것이 상식이다. 그러나 직접 공조는 차에 타고 있는 사람을 직접적으로 빠르게 따뜻하게 하는 기능이다. 구체적으로는 시트 히터나 스티어링 히터, 그리고 복사 히터로 사람이 있는 곳만을 따뜻하게 한다.

-- 개별적으로 서서히 따뜻하게 하다 --
그렇다면 도요타가 이번에 처음 채용하는 복사 히터는 어떤 것일까? 복사 히터에 이용하는 것은 복사열이다. 원적외선 열선에 의해 전달되는 열로, 스토브나 바닥 난방 등에서도 이용되고 있다. 복사열을 이용한 난방 시스템의 특징은 개별적으로 서서히 데워진다는 점이다.

bZ4X에서는 스티어링 휠 아래의 인스트루먼트 패널부에 열원을 배치하는 것 같다. 무릎 담요와 같은 온열감을 느낄 수 있다. 기술적으로는 계기판이나 도어 트림 등에 열원을 준비하는 것도 가능하다. 필요한 곳만 따뜻하게 하기 때문에 전력 소비를 억제할 수 있다.

복사 히터의 경우는 덴소나 프랑스의 발레오 등 대형 공조 기업이 개발 중이라는 사실을 공표했다. 덴소는 일찍부터 22~23년 무렵에 복사열을 사용한 난방 시스템을 실용화한다고 공개해 왔다.

복사열을 사용한 난방 시스템의 기술적인 어려움은 화상 대책이다. 계기판이나 도어 트림에 내장하는 열원은 100도 정도의 고온이다. 덴소는 화상 대책으로서 “열원을 내장하고 있는 부위의 표피에 닿는 순간에 (해당 부분의) 온도를 50도 이하까지 급격하게 내리는 기술을 이미 개발한 상태다”(덴소의 개발 담당자).

발레오는 복사 히터를 탑재한 시작 차량을 공개했다. 계기판과 도어 트림에 열원을 내장했다. 차량 내부에 배치한 적외선 카메라로 사람의 얼굴 등 온도를 측정해 난방을 자동 조정하는 기능도 갖췄다.

-- 닛산 아리아는 539만엔부터 --
EV 전용 PF나 새로운 난방 기술을 처음 채용하는 bZ4X. 신경이 쓰이는 것은 판매 가격이지만 도요타는 현시점에서 공개하지 않고 있다. 하나의 기준이 되는 것이 닛산의 아리아일 것이다. 닛산은 21년 11월, 아리아의 베이스 모델을 539만엔(소비세 포함)에 판매한다고 발표했다.

아리아는 2종류의 배터리 용량과 2종류의 구동 방식에서 사양을 선택할 수 있다. 배터리 용량은 66kWh와 91kWh. 구동방식은 FWD와 4WD 중에서 선택할 수 있다. 이번에 가격을 발표한 것은 배터리 용량 66kWh에 FWD의 모델 ‘B6’로, 현시점에서 아리아의 최저 그레이드다. 이 그레이드의 차량은 22년 3월 하순에 발매한다.

아리아의 B6 모델에 탑재하는 구동 모터는, 최고 출력 160kW에 최대 토크 300N·m이다. 차량 치수는 길이4,595×폭1,850×높이1,655mm이며, 휠 베이스는 2,775mm. 차량 질량은 1,920kg이다. 항속거리(WLTC)는 470km. 차격과 주요 스펙을 비교해 봐도 알 수 있듯이 도요타의 bZ4X와는 정면 승부가 될 것으로 보인다.

 -- 끝 --

Copyright © 2020 [Nikkei Automotive] / Nikkei Business Publications, Inc. All rights reserved.