글 | 알폰스 그라폰 (Alfons Graf)*, 벤노 쾨플 (Benno Koppl)**
     * Director of Automotive Power Innovations
     ** Principle Engineer in the Competence Center Drives, Automotive Power
     인피니언 테크놀로지스 AG

1 배경
독일 자동차 메이커들이 자발적 CO2 감축 목표치인 140 g/km (2008년)를 맞추는데 어려움이 있을 것으로 알려지면서, 소비자와 정책수립자들로부터 연료소비를 낮추라는 압력이 더욱 거세지고 있다. EU는 자동차의 CO2 배출을 2008년 140 g/km에서 2012년에는 130 g/km로 제한할 계획이며(바이오디젤 포함), 결코 그 제한선을 상향 조정할 의사가 없음을 밝힌 바 있다. 이러한 상황에서 제한 규정을 준수하지 않는 자동차 메이커들은 벌금을 내야 한다. CO2를 많이 배출하는 자동차는 여러 가지 재정적인 불이익을 감수해야 하므로 결국 CO2 감축을 위한 지속적인 노력은 원가절감으로 이어질 것이다.
이 글은 CO2 저감을 통한 잠재적 이점들을 집중 점검하여 수요기반으로 제어가 되지 않는 최근 자동차 내부의 전기 부하 및 보조 장치에 대한 현안을 검토한다. 참고문헌[1]에서는 이와 같은 주제를 보다 광범위하고 상세하게 다루고 있다.

2 CO2의 비용편익
  (cost benefit) 평가
CO2 배출량을 줄이기 위해 수요지향(demand-driven) 기반으로 장치 제어가 가능한 자동차를 제작하려면 많은 비용이 수반된다. 과거에는 이로 인한 이점이 연료소비를 줄이는 것 한 가지였다. 그러나 오늘날의 상황은 다소 달라졌다. 고객사가 연료 절약 및 CO2 배출로 인한 절세를 추구하고 있는 반면, 제조사들은 자동차 소비 조건을 만족시켜 벌금을 피하고 대폭 할인된 가격대의 인기없는 차종을 만드는 데 노력을 기울이지 않음으로써 얻는 이익을 추구한다. 이러한 상황에서 1 g/km의 CO2 배출량 저감이 자동차 구매자와 메이커들에게 얼마나 많은 이익을 제공할 것인가? 연료소비와 전기전력 소비/추가 유료하중(payload) 사이의 관계에 대한 연구결과가 이 질문에 대한 적절한 답이 될 것이다.
그림 1은 100 W 전기 부하 및 50 kg의 추가 유료하중이 자동차 연료소비를 100 km 당 0.1리터씩 증가시킴을 보여준다. 따라서 킬로미터 당 1 g의 CO2 배출량은 약 40 W의 지속적인 전기 부하 또는 약 20 kg의 유료하중 값과 맞먹는다.
그림 2는 CO2 저감을 통해 얻을 수 있는 이점을 보여주고 있다. 앞으로 CO2를 많이 배출하는 자동차는 CO2 배출량이 적은 자동차에 비해 판매에 어려움을 겪게 될 것이다. 킬로미터 당 50 g의 추가 CO2 배출량을 가진 20,000유로짜리 자동차를 팔기 위해 자동차 메이커는 5%의 할인과 1,000유로를 제공해야 한다. 이는 자동차 한 대 당 CO2/km 추가 배출량에 대해 20유로에 해당한다. 즉 OEM 방식의 자동차 메이커는 1 g/km의 CO2 배출 저감에 20유로를 투자하게 되는 것이다. 이 비용은 낮은 소비 조건에 따르지 않을 경우에 제조사가 지불해야 하는 벌금과 같다. 여기서 벌금은 대략적으로 계산된 것이다.
예를 들어, 2007년 1월에 Ferdinand Dudenhoffer는 Smart와 같은 소형차가 720유로를, 그리고 Porsche Cayenne Turbo S와 같은 대형차는 7,100유로를 지불해야 한다는 법률안[2]을 제출했다. Smart가 116 g/km, Porsche Cayenne이 378 g/km의 CO2를 배출할 경우 OEM들은 1 km 당 감소되는 CO2에 대해 그램(g) 당 29.80유로를 절약할 수 있는 것이다.
재정적인 측면에서 볼 때 더 나은 자동차 판매 및 낮은 범칙금을 통해 OEM들은 자동차 한 대 당 1 km에서 배출되는 CO2 양을 줄일 경우 49.80유로의 이익을 낼 수 있다. 이는 매우 괄목할 만한 수치이며 상업적인 측면으로 보더라도 자동차의 CO2 배출 저감은 반드시 고려해 볼 가치가 있다.
자동차 구매자 역시 비슷한 액수를 지불하는 셈이다. 리터 당 1.40유로의 가솔린 가격과 15,000 km의 연간 운행거리를 가정해 볼 때 잠재적으로 연간 8.90유로와 킬로미터 당 CO2 배출량을 절약할 수 있다. 이 수치는 CO2 배출에 따른 미래의 추가 세액을 고려하지 않은 것이다. 이 글에는 세금에 대한 상세사항을 포함하고 있지 않지만, 독일 정부에 따르면 자동차 세금은 현재 부과되고 있는 액수와 동일하나 엔진 성능 기반이 아닌 CO2-기반이 될 것이다. 카테고리 D4에 의하면 2리터 자동차의 민감한 엔진 성능을 기반으로 한 세금(가솔린 및 디젤)은 현재 연간 233유로이다. 카테고리 D4는 175 g CO2/km를 배출한다고 가정할 때 잠재적으로 연간 1.33유로를 절약하며 CO2/km 그램을 감소시킬 수 있다.
그림 3은 자동차 구매자가 절약할 수 있는 연간 금액 10.23유로 및 킬로미터 당 감소된 CO2의 그램을 보여주고 있다. 연간 15,000 km의 거리를 운행할 경우 1 g/km의 CO2가 감소되면 소비자는 100km 당 6.8유로를 절약할 수 있다. 따라서 제조업체와 구매자 모두에게 CO2를 덜 배출하는 자동차가 엄청난 가치가 있다. 이는 자동차 제조업체들이 이미 인지하고 있는 바이기도 하다[3].

 
3 수요기반의 성능 제어를 통한 CO2 저감

3.1 일반 바디 애플리케이션의    수요기반 제어
앞서 언급한 대로 제조업체와 구매자들을 위한 에너지 절약 및 혜택을 위해 우리는 수많은 각각의 애플리케이션을 실험하여 CO2 삭감에 필요한 추가 비용이 상업적으로 가치가 있는지, 그리고 그에 따른 투자에 대한 수익을 얼마나 빠른 시일 내에 거둘 수 있는지 평가했다. 그 결과는 제조비용을 기반으로 하지만 기타 비용이 최종 소비자에게 얼마나 부과되었는가에 대한 계산은 전적으로 OEM에게 달려 있다. 이 계산법은 연료에 부과되는 CO2 세금에 대한 절약 가능성을 포함하는 매우 보수적인 수치이기도 하다.

3.1.1 램프의 수요기반 PWM 제어
백열등 램프는 오랫동안 자동차에 사용돼 온 조명으로서 대개 배터리 전압으로 작동된다. 이러한 램프는 12 V에서 작동하도록 설계되었으나 실제로 대부분은 14.4 V의 더 높은 전하의 전압에서 동작되고 있다. 이는 더 높은 전류를 필요로 하므로 결국 램프의 수명을 단축시킨다. PWM(Pulse Width Modulation) 제어장치는 자동차 생산에서 램프와 함께 사용되는데, 주로 더 높은 전압에서의 동작 수명 단축 및 광도(light intensity)의 흔들림을 방지한다. 만약 램프가 14.4 V에서 작동된다면 모든 자동차 조명에 의해 소비되는 전력은 200 W에서 270 W로 증가한다. 이는 조명이 사용될 때 PWM 제어장치로 인해 약 70 W가 절약됨을 의미한다. 밤낮의 길이가 같다고 가정했을 때 보통 35 W의 전력이 절약되어 0.8 g/km의 CO2 저감 효과 및 0.03 l/100 km의 연료를 절약할 수 있다. 이런 종류의 시스템은 자동차에 쉽게 적용할 수 있기 때문에, 이미 인피니언의 PROFET 및 SPOC 제품군과 같은 보호 MOSFET을 사용하여 양산 자동차에 구현되고 있으며 자동차 한 대 당 약 7유로의 추가 비용이 드는 것으로 추산된다. 따라서 운행거리 약 13,000 km 혹은 0.8년 이후에는 비용을 회수할 수 있다. 이와 동시에 램프 수명의 연장과 더욱 일정한 조명 성능을 제공한다.

3.1.2 LED 사용에 따른 전력소비 감소
자동차 메이커들은 수년 동안 자동차 후면에 LED 램프를 사용해 왔다. LED는 설계 범위를 폭넓게 제공함과 동시에 많은 엔지니어링 이점을 제공한다. CO2 문제와 관련된 핵심적인 혜택은 크게 향상된 발광효율이다. 미래 LED의 광속(luminous flux)은 50  lm/W를 넘을 것이다. 이는 할로겐 램프의 약 2배에 해당하는 수치이다. 주지하다시피 약 200 W의 전력을 소비하는 백열전구로 구성된 오늘날의 조명과 비교했을 때 LED 조명은 최고 100 W 정도면 충분하다. 밤낮의 길이가 같다고 가정하면 이는 대략 50 W의 전력을 절약할 수 있음을 의미하며 CO2 배출을 약 1.2 g/km 삭감하거나 또는 연료소비를 0.05 l/100km 절약하는 효과가 있다.
LED 조명을 자동차에 적용하는 일은 여전히 가격 측에서 문제가 되는데, 보수적으로 계산하더라도 기본 자동차 가격에 45유로가 추가될 것으로 추정된다. 현재 제공되고 있는 LED 제어 부품으로는 TLE8366 과 TLE5045 DC-/DC 컨버터가 있다. 이와 같은 조건에서 LED 조명은 56,000 km의 운행거리 또는 3.7년 이후에 투자 회수가 가능하다.

3.1.3 제어장치의 동작 전류 감소
제어장치의 대기 전류를 줄이는 일은 개발 초기의 최대 현안이 되었지만 제어장치의 실제 동작 전류에 대해서는 현재까지 관심을 덜 쏟았다. 따라서 일반적으로 인포테인먼트 시스템에서 사용되는 이와 같은 제어장치는 4 A의 연속 전류로 이런 종류의 시스템을 동작시킬 수 있는 방법이 있음에도 불구하고 약 8 A의 연속 전류로 동작을 시켰다. TLE6389 또는 TLE8366과 같은 DC/DC 전압 컨트롤러를 사용하게 되면, 필요한 전력을 낮추기 위한 하나의 옵션이 될 수 있다. 인포테인먼트 시스템의 동작 전력을 4 A로 줄이는 것은 50 W의 절전 효과와 맞먹는다. 즉, 이는 1.2 g/km의 CO2 삭감이나 또는 0.05 l/100km의 연료 절약을 의미한다. 이와 같은 시스템 개선은 상대적으로 저렴하며 사용이 쉬운 기술을 바탕으로 가능하다. 제어장치 당 약 5유로의 추가 비용은 7,000 km의 운행거리 또는 동작시간 0.4년 이후에 보상된다.