1. 서론
지난 호에서는 스마트폰과 연계한 웨어러블기기(Werable Device)와 관련된 특허출원 동향에 대하여 기술하였는데 삼성전자의 스마트워치인 갤럭시기어,소니(Sony)의 스마트워치, 이어폰 추가형 구글-글래스 및 나이키의 퓨얼밴드와 아디다스 마이코치에 초점을 맞추어 논의 하였다.
웨어러블기기 관련하여 출원된 특허는 소니사 75건, 나이키(Nike) 88건, 아디다스(Adidas) 18건, 삼성전자 53건 그리고 구글 118건의 특허가 검색되었는데 특허의 양과 질적인 측면에서 구글의 탁월함이 드러나기 때문에 향후 삼성전자가 웨어러블기기를 개발함에 있어서 구글의 제품들을 주 벤치마킹 대상으로 삼아야 할 것으로 생각된다.
이번 호에서는 폭스바겐의 친환경자동차 XL1에 대하여 논의하고자 한다. 이차는 올 2월 10일 국내에 첫 공개되었는데 주행연비가 111km/ℓ라고 발표하였다. 본 고에서는 XL1의 연비에 대하여 기술적, 특허적으로 검토해 보고자 한다.
2. 폭스바겐 XL1 국내 첫 공개
‘1리터로 111km를 달린다’는 폭스바겐 XL1이 국내에 2월 10일 광화문에서 공개됐다. 그림 1에 공개된 차량의 모습을 제시하였다. 그런데 이 차는 전기를 꽂아서 배터리를 충전해 달리는 플러그인 하이브리드차다. 배터리를 가득 충전한 후 배터리로 50km를 가고, 경유 1ℓ를 이용해 61km를 더 달리는 셈이 된다.
순수한 디젤엔진 주행을 포함하는 하이브리드 모드연비를 61km/ℓ라고 말할 수 있다. 순수한 하이브리드 모드 연비가 61km/ℓ라는 연비도 평범한 하이브리드 차량에서 도달하기 어려운 수치이다. 기존 하이브리드 차량대비 추가적인 연비 저감요소로 첫째 공기저항계수의 저하를 들 수 있는데 과감하면서도 미래지향적인 디자인과 더불어 최신 탄소섬유 강화 플라스틱 소재(CFRP)의 모노코크 구조를 통해 최첨단 경량디자인(795kg)과 완벽한 공기역학(Cd=0.189)을 실현했다.
스포츠카의 공기저항계수가 0.3정도인 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 DSG 변속기, 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. 그림 2에 혼다 Insight 차량의 구동계 및 연비 관련 사항을 정리하였다. 혼다 Insight와 비교했을 때, 폭스바겐 XL1은 중량이 55kg 적게나가고 Cd값은 0.189이고 배기량이 적은 2기통 T/C 엔진을 사용하며 CVT 대신에 7단 DSG 변속기를 이용하고 있다.
1) 차량중량의 차이에 의한 연비 향상 요인
130kg의 차량 중량저감에 의하여 연비가 9~12% 좋아졌다는 예를 참고로 했을 때 55kg 저하에 의해 연비 4.3%가 향상된다.
2) Cd 값 차이에 의한 연비 향상 요인
Cd 값 저하률을 고려하면 연비가 20% 향상된다.
3) 하이브리드 T/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.
위의 4가지 요소에 의해 연비향상을 고려하면(혼다 Insight 대비 84.3%의 향상) 약 52km/ℓ의 연비가 산출된다. 이 간단한 계산결과와 비교했을 때, 하이브리드 주행연비 61km/ℓ는 상당히 신뢰도가 높은 수치라고 평가할 수 있다.
3. 특허적 입장에서의 폭스바겐 XL1에 대한 분석 (탄소섬유 차체 채용에 대해)
탄소섬유 차체에 대한 폭스바겐이 출원한 특허는 검색이 되지 않았다. 대신 디스크브레이크의 캘리퍼에 탄소섬유를 적용한 예(EP 0980988), 그리고 트랜스미션의 기어쉬프트장치에 적용한 예(EP 0860630) 등이 검색되었다. 아직 카본차체를 적용한 양산차의 생산은 다른 메이커들에 비하여 뒤처져 있다고 생각된다.
양산성을 가진 카본차체 차량에 대하여는 BMW와 Toyota가 가장 앞서 있다고 판단된다. BMW가 i3 전기자동차를 국내에서 올 4월에 판매할 예정이라 하는데 여기에 카본파이버 차체가 채택될 예정이다. 카본파이버 재료는 미국의 SGL 카본에서 공급하지만 카본 차체의 생산은 독일의 란츠후트 BMW 공장에서 이뤄진다. 카본 파이버를 써 경량화 노력을 기울인 결과 i3의 공차중량을 1,195kg으로 줄일 수 있었다.
4. 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 가솔린엔진의 사양에 대하여 정확한 명시가 없는 것이 주 특징이라고 할 수 있다.
표 1에 폭스바겐이 하이브리드카에 대하여 출원한 특허 중 등록된 주요 특허를 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 디커플링 클러치 Electric Machine 및 트랜스미션이 위치하는 경우(US7761211) 등이 있었다.
US2008-0236915에 제시된 전자기적인 Control 트랜스미션은 폭스바겐 만이 갖고 있는 특수한 구조의 트랜스미션인 것으로 판단된다.
5. 듀얼클러치-트랜스미션 특허분석
폭스바겐이 듀얼클러치-트랜스미션에 대하여 등록되었거나 공개된 특허들을 출원국가별로 분류해 보았을 때, 총 32건이 검색되었는데 미국 8건, EP 13건 및 일본 0건 및 중국 11건이었다. 표 2에 듀얼클러치-트랜스미션에 대한 중요 특허 리스트를 제시하였다.
그림 3에 듀얼클러치-트랜스미션의 작동원리도 를 나타내었다. 그림 3에서 보는 바와 같이 듀얼클러치-트랜스미션은 클러치가 2개(K1, K2) 장착된 변속기로 K1은 EW1과 연동하여 홀수단의 변속을(1, 3, 5, 7단), K2는 EW2과 연동하여 짝수단의 변속(2, 4, 6 단)을 담당하게 된다.
이 변속기의 장점은 변속이 빠른데다 차체를 경량화 할 수 있어 연비효율성이 좋아진다는 장점이 있다.
6. 결론
폭스바겐 XL1차량에 대한 연비데이터 111km/ℓ에 대하여 기술적 측면과 특허적 측면에서 검토해보았다. 배터리 충전으로 가는 50km 주행분을 뺀 61km/ℓ에 대하여 검토해 보고 경유 1ℓ를 사용하여 61km를 가는 차량으로 상당히 획기적인 기술을 사용하였음을 파악하였다.
일본 Honda Insight의 2배의 연비효율을 지니게 된 이유는 1) 55kg의 중량저감 2) Cd 값의 저하 3)T/C 디젤엔진 사용에 의한 효과 4) 7단 DSG 변속기를 이용한 효과를 거론하였다.
향후 초저연비차량의 R&D 방향을 이 XL1차량으로부터 찾을 수 있겠다.
– 탄소섬유의 적용 : 항공 우주분야 다음으로 자동차분야가 탄소섬유의 적용분야로 거론되고 있다. 단순한 Chopped 상태의 CFRP 뿐만아니라 3차원직물형태의 CFRP 연구가 필요하다.
– 유동저항의 경감 : 운동선수들이 상어 표피를 모사한 운동복을 입고 수영, 스피드스케이팅 종목에서 좋은 성적을 거두었다는 일화가 있는데 유체역학적인 기술개발을 통하여 Cd 값의 저감을 위한 노력을 계속하여야 한다.
– T/C 디젤엔진 사용 : 가변밸브타이밍, 가변기통가솔린엔진, 가솔린 GDI엔진의 차기 엔진으로 T/C 디젤엔진이 유망시 된다.
– 고효율 자동변속기를 이용 : 유성치차나 CVT의차기 유망기술로 7단 DSG 변속기 등이 유망시 된다.
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 가상 현실을 예측해 보았을 때 NO 라는 대답이 다수를 점하게 될 것이다. 최소한 2050년대까지 엔진을 포함하는 하이브리드시스템과 전기차 그리고 Fuel Cell 자동차가 혼재되어 운행되는 세계를 볼 것으로 예상한다.
http://www.global-autonews.com/board/view.php3?table=bd_035&gubun=1&idx=92