2025.08.05 현대자동차
디 올 뉴 넥쏘, 혁신적인 연료전지 시스템과 PE 시스템의 진화로 수소전기차 리더십을 이어가다
수소전기차의 퍼포먼스는 PE 시스템과 고전압 배터리, 그리고 연료전지 시스템의 정교한 조화 속에서 완성된다. 그리고 7년 만에 세대 변경을 이룬 디 올 뉴 넥쏘는 고객에게 더욱 진보한 이동 경험을 제공하기 위해 총체적인 진화를 이뤘다.
새롭게 등장한 현대자동차 넥쏘는 단순한 세대교체를 넘어서는 의미를 지닌다. 글로벌 수소전기차 시장에서 최다 판매 기록을 세운 넥쏘는 고객이 가장 손쉽게 접할 수 있는 수소 모빌리티로 자리매김했기 때문이다. 이처럼 수소전기차의 대중화를 이끌어 온 넥쏘는 현대차가 지향하는 수소 사회의 비전을 명확히 담았다고 해도 과언이 아니다.
7년 만의 세대교체를 이룬 디 올 뉴 넥쏘의 파워트레인 개발 과정 역시 단편적인 성능 향상에 그치지 않았다. 개발에 참여한 연구원들은 수소전기차가 품은 잠재력을 한층 끌어올리고, 향후 수소 모빌리티 시장에서의 리더십을 더욱 강화하는 의지를 담았다. 나아가 이를 직접 경험하는 고객에게는 한 차원 높아진 이동 경험과 수소 기술에 대한 신뢰를 제공하고자 했다. 디 올 뉴 넥쏘의 개발에 참여한 현대차 EV구동설계2팀, 전동화시스템설계팀, 배터리설계2팀, 인버터설계2팀, 전동화에너지솔루션추진1팀, 전동화시스템시험2팀 소속 연구원들과 함께 새로운 파워트레인 개발에 담긴 이야기를 들어 보았다.
Q. 디 올 뉴 넥쏘에 적용된 PE 시스템은 어떤 기술적 변화가 있었나?
전성배 책임연구원 | 세대 변경에 발맞춰 새로운 넥쏘의 PE 시스템은 총체적인 개선을 이뤘다. 주된 변화로 모터 냉각 방식의 변경과 모터, 인버터, 감속기를 하나로 통합한 3 in 1 구조, 2-스테이지 인버터의 적용을 꼽을 수 있다. 이를 통해 수치상의 성능 향상을 이뤘을 뿐만 아니라 근본적인 구조 개선으로 공간 활용도를 높일 수 있었다. 또한 고객의 실제 운용 환경에서 체감할 수 있는 동력 성능과 내구성 향상에 초점을 맞춰 개발했다.
Q. 구동 모터의 냉각 방식을 변경한 이유는 무엇인가?
전성배 책임연구원 | 이전 넥쏘는 구동 모터의 냉각에 간접적인 수냉 방식을 사용했다. 반면 새로운 PE 시스템은 모터 내부에 오일 분사 파이프를 적용해, 열이 일어나는 부위에 냉각유를 직접 분사하는 방식을 채택했다. 이 방식은 냉각이 필요한 곳을 집중적으로 관리함으로써 기존 간접 냉각 기술의 단점인 냉각 편차를 해소할 수 있다. 냉각 효율이 획기적으로 향상되면서 구동 모터의 연속 구동 성능 역시 크게 높아져 다양한 주행 조건에서도 안정적인 성능을 발휘할 수 있다.
Q. 2-스테이지 인버터를 적용한 배경도 궁금하다. 기술적으로 어떤 이점이 있었나?
이춘복 책임연구원 | 2세대 넥쏘의 개발 초기, PE 시스템을 새롭게 구성하는 데 있어 기존 모델보다 수준 높은 상품성 구현을 목표로 삼았다. 특히 동력 성능 측면에서 주행 거리와 출력을 모두 향상시킬 수 있는 고효율의 모터 시스템이 필요했다. 그리고 이를 실현하기 위해 현대차그룹이 세계 최초로 개발한 ‘2-스테이지 모터시스템’을 적용했다.
듀얼 인버터 구조의 해당 시스템은 주행 상황에 따라 *토폴로지를 전환해 효율과 성능을 모두 만족시킬 수 있다. 이를테면 동일 모터 전류 대비 모터에 인가하는 전압이 증대되는 효과가 있어 기존 넥쏘 대비 모터 출력을 25%가량 높일 수 있었다. 뿐만 아니라 기존 모터 시스템보다 전류를 더 적게 쓰고 효율도 높은 SiC(실리콘 카바이드) 소재의 반도체를 사용해 PE 시스템의 효율 상승에 기여했다.
*토폴로지(Topology) : 모터의 전압을 조절하는 인버터 내부의 회로 설계 및 배치
Q. 해당 기술을 수소전기차에 적용하기 위해 별도로 거친 과정이 있다면?
이춘복 책임연구원 | 배터리 기반 EV와 비교하면 연료전지 시스템의 전압이 낮아 새 인버터를 안정적으로 적용하기 위한 별도의 절차가 필요했다. 따라서 전압 특성을 최적화한 400V급 시스템을 신규 개발하였으며, 낮은 전압에서도 효율을 높일 수 있도록 전력 반도체 개선과 함께 새로운 모터 제어 기법을 적용해 출력과 효율 향상을 동시에 구현할 수 있었다.
Q. 결과적으로 새로운 PE 시스템의 성능은 어느 정도 향상되었나?
전성배 책임연구원 | 연료전지의 내구성을 보완하기 위해 배터리 용량과 출력을 높이면서 자연스럽게 모터 출력도 끌어올릴 수 있었다. 이에 따라 PE 시스템 설계 단계에서 상품성 강화를 목표로 모터 출력을 기존 113kW에서 150kW로 33% 향상시켰으며, 감속기 기어비도 대폭 높였다. 이러한 개선 사항들로 실제 주행 성능이 체감할 수 있을 정도로 향상되었다.
Q. 감속기의 기어비 증대와 퍼포먼스 향상에는 어떤 상관 관계가 있나?
강문석 연구원 | PE 시스템에서 구동 모터의 출력단에 장착되는 감속기는 모터의 토크를 증대 시켜 휠에 전달한다. 내연기관 자동차로 보면 변속기와 유사한 역할을 한다. 따라서 감속기의 기어비, 즉 감속비에 따라 실제 동력 성능을 결정하는 데에 큰 영향을 준다. 디 올 뉴 넥쏘의 PE 시스템은 실제 구동 성능을 향상시키기 위해 감속비를 7.98에서 10.657로 키웠다. 이와 같은 감속비의 변화로 구동 모터의 토크가 390Nm에서 350Nm로 줄었음에도 불구하고 실제 바퀴로 전해지는 휠 토크는 18%가량 높아졌다. 덕분에 발진 가속 상황뿐만 아니라 가파른 경사를 오를 때에도 향상된 구동 성능을 체감할 수 있을 것이다.
Q. 배터리 기반 전기차와 비교하면 수소전기차의 배터리 시스템은 어떤 특징이 있나?
강서하 연구원 | 고전압 배터리는 파워트레인에 따라 요구 사양이 다소 상이하다. 가령 배터리 전기차는 주행에 필요한 거의 모든 에너지를 고전압 배터리로 충당하기 때문에 에너지 밀도가 가장 중요한 요소로 작용한다. 반면 수소전기차는 충방전이 반복적으로 빠르게 이뤄지므로 출력 특성과 내구성을 중점으로 설계해야 한다. 디 올 뉴 넥쏘의 배터리 시스템의 개발 과정 역시 이러한 특성을 고려했다. 또한 E-GMP 기반 전기차에 주로 적용되는 V2L 기능을 수소전기차 최초로 도입하면서 배터리 용량을 대폭 늘려 고객의 사용 편의성을 높이고자 했다.
Q. PE 시스템과 배터리 모두 성능이 향상되었는데도 불구하고 부품의 부피가 오히려 작아진 것이 놀랍다. 비결이 무엇인가?
강서하 연구원 | 넥쏘의 성능을 높이기 위해 배터리 시스템의 출력과 용량을 늘려야 할 필요가 있었다. 그러나 배터리 시스템이 트렁크 하단에 위치하는 구조적인 특성상, 상품성을 위해 부피 증가를 최대한 피해야 했다. 이에 따라 새로운 넥쏘의 배터리 시스템은 출력과 에너지 밀도를 높이는 방향으로 개발이 이뤄졌다. 여러 방안을 검토한 결과, 배터리 시스템의 부피는 동일하게 유지하면서 출력을 기존 40kW에서 80kW로 2배 향상시켰다. 배터리 용량 역시 기존 6.5Ah에서 11Ah로, 에너지양은 1.56kWh에서 2.64kWh로 늘려 출력과 에너지 밀도를 크게 개선할 수 있었다.
이춘복 책임연구원 | 구동 모터와 감속기, 인버터를 하나로 통합한 3 in 1 구조가 주효했다. 일체형 설계로 핵심 동력 부품의 크기를 줄이면서 구조를 더 견고하게 만들 수 있었다. 또한 PE 시스템의 소형화로 공간을 보다 효율적으로 활용할 수 있었으며, 무게를 줄여 에너지 효율성도 높였다.
Q. 새로운 PE 시스템의 내구성과 기술적 신뢰도를 높이기 위해 어떤 테스트와 검증을 거쳤는가?
변태준 책임연구원 | 내구 신뢰도를 향상시키는 영역은 자동차 개발 과정에서 가장 기초적이고 중요한 분야라고 할 수 있다. 따라서 현대차그룹이 현재까지 축적한 여러 내구 평가 과정을 활용해 PE 시스템의 내구성을 극대화하고자 노력했다. 전기차 사용자들의 빅데이터를 활용한 것이 대표적인 사례다. 데이터 가운데 가장 가혹한 운전 조건을 산출하고, 이에 해당하는 운전자가 30만 km를 주행하는 동안 내구 문제가 일어나지 않도록 검증하는 과정을 거쳤다.
Q. 차세대 PE 시스템 개발 과정에서 가장 극복하기 어려웠던 기술적 과제는 무엇이었나? 또 이를 어떤 방식으로 해결했는지 궁금하다.
강서하 연구원 | 개발 과정에서 PE 시스템과 연료전지 시스템의 전반적인 성능 향상을 위해 배터리 출력을 2배 증대시킬 필요가 있었다. 그런데 출력이 증가함에 따라 배터리 셀의 발열도 함께 늘어나며 이를 냉각시키기 위한 설계가 필요했다. 연구 개발을 거쳐 2개의 냉각 경로를 구성한 공랭 구조를 적용했으나 냉각 팬 소음이 실내로 유입되는 문제가 있었다.
냉각 성능은 유지하면서 소음을 줄이기 위해 설계, 시험, 품질 부문 연구원들이 모여 실차 대상 시험을 진행했다. 원인 분석을 통해 주행 속도나 운전 환경에 따라 배터리 온도를 효과적으로 관리할 수 있도록 냉각 시스템의 작동 범위를 정밀하게 조정했다. 또한 실내로 소음이 유입되지 않도록 구조적인 보완을 거쳐 문제를 해결했다.
변태준 책임연구원 | 시험 부문에서는 부품 시험을 위한 대상화 과정이 가장 큰 난관이었다. 전기차 부품 시험을 할 때는 실제 차량처럼 시험 장비에 동력계를 장착하는 작업이 필요하다. 그런데 수소전기차의 경우 PE 시스템이 연료전지 스택을 지지하는 스택 프레임 아래에 매달리는 구조를 지녀 기존 방식으로는 시험이 어려운 상황이었다.
또한 PE 시스템 대상 시험은 실제 차량처럼 모든 제어 장치를 갖출 수 없어 최상위 제어기인 VCU(Vehicle Control Unit)를 포함한 3가지 제어기 만으로 구성해야 한다. 문제는 대부분의 제어기가 연결되지 않은 상태를 VCU가 오류로 인식해 구동 자체가 불가능한 상황이 발생했다. 때문에 VCU 소프트웨어를 수정하거나, 가상 신호(모사 신호)를 보내는 별도 장치도 필요했다. 특히 연료전지 스택을 제어하는 최상위 제어기(Fuel cell Control Unit, FCU)는 구조가 매우 복잡하다. 2개월 넘게 FC 제어 개발팀과의 협업으로 VCU를 구현해 시험을 마무리할 수 있었다.
Q. 디 올 뉴 넥쏘의 연료전지 시스템 개발 과정에서 중점을 둔 부분은 무엇이며, 고객이 이를 어떤 방식으로 체감할 수 있을까?
정상훈 책임연구원 | 디 올 뉴 넥쏘는 약 7년 만에 등장하는 후속 모델로, 고객들에게 더 안정적이고 신뢰할 수 있는 연료전지 시스템의 성능을 제공하고 싶었다. 이를 위해 기존 넥쏘 고객의 의견과 필드 테스트에서 얻은 피드백을 반영해 문제점을 개선하고 내구성을 강화하는 데에 집중했다. 뿐만 아니라 연료전지 시스템의 전반적인 동력 성능을 개선하고, 1회 충전 시 항속 거리도 늘려 고객이 체감할 수 있는 수소전기차 상품성을 대폭 강화했다.
Q. 연료전지 시스템의 성능과 효율 향상을 위해 구체적으로 어떤 개선 작업을 거쳤는지 궁금하다.
정상훈 책임연구원 | 연료전지 시스템의 성능은 크게 수소와 산소의 반응으로 전기를 생산하는 ‘연료전지 스택’과, 주변을 구성하는 ‘운전 장치(Balance of Plant, BoP)’의 구조와 설계에 의해 결정된다. 디 올 뉴 넥쏘의 연료전지 시스템의 경우, 연료전지의 운전 장치 부품의 구조적 개선과 성능 향상을 통해 시스템의 출력을 상향하는 방향으로 개발했다.
수소 공급계와 공기 공급계의 개선을 통하여 연료전지 스택으로 공급하는 수소와 공기의 양을 증대시키고, 공기 공급계를 구성하는 압축기와 가습기를 최적화했다. 아울러 열관리 시스템 영역에서는 냉각 펌프의 성능을 높이고 스택 내 잔여 산소를 제거하는 COD(Cathode Oxygen Depletion) 히터를 개량해 냉각 성능을 최적화할 수 있었다. 이처럼 연료전지 시스템을 이루는 각 요소의 정밀한 개선을 거쳐 결과적으로 스택 최대출력을 16%(95kW → 110kW) 개선할 수 있었다.
Q. 고객 입장에서는 연료전지 스택의 내구성과 수명을 고려하지 않을 수 없다. 내구 성능을 강화하거나 이를 검증하기 위해 어떤 과정을 거쳤나?
정상훈 책임연구원 | 무엇보다 차량 실사용 조건에서의 내구 성능을 보완하기 위해 노력했다. 디 올 뉴 넥쏘의 발전부(스택 컴플리트)는 기존 사양을 유지하면서 내구성을 강화하는 방향으로 설계를 변경했다. 대표적으로 전해질막의 손상을 방지하는 기술과 스택 내부의 구조적인 취약점을 분석하고 보강하는 설계를 적용했다. 또한 연료전지 시스템 개발 과정에서는 부품 단위부터 실차 단위의 다양한 내구 검증 시험을 수행했다. 특히 실주행 조건을 모사한 평가를 거쳐 보증 수준을 상회하는 내구 성능을 진단하였으며, 기존 사양과의 비교 평가를 병행해 내구성을 높일 수 있었다.
Q. 저온 시동성과 혹한 상황에서의 성능 개선이 이뤄졌는지 궁금하다. 기존 모델과 비교하면 어떤 차이가 있나?
정상훈 책임연구원 | 연료전지 시스템은 수소와 산소 반응을 통해 전기에너지를 생산하며, 그 과정에서 부산물로 물을 생성한다. 그러나 기온이 낮은 겨울철, 스택 내부에 남아 있는 수분이 얼어붙어 연료전지 시스템에 치명적인 손상을 줄 수 있다. 1세대 넥쏘에는 이를 방지하는 CSD(Cold Shut-Down) 로직이 적용되어 있었다. 그러나 시동을 끌 때 수분을 강제로 제거하는 과정에서 수소를 소모하고 소음을 유발해 고객들의 불만 요소로 지적되곤 했다.
또한 저온에서 장시간 방치된 차량은 스택 내부 온도가 낮아져, 시동 직후 연료전지의 성능이 정상 궤도에 오르기까지 시간이 걸리기도 했다. 이러한 문제를 해결하기 위해 연료전지 시스템을 능동적으로 보호하고 냉간 시동성을 개선하는 ‘Wake Up’ 기능을 새롭게 도입했다. 이 기능은 운전자 개입 없이 FCU가 주기적으로 작동하여, 연료전지 시스템과 주변 환경을 점검하고 적절한 보호 조치를 수행한다. 또한 고전압 배터리의 전력을 활용해 스택 내부 온도를 조절하며, 필요시 CSD 로직을 통해 수분 제거까지 수행한다. 이를 통해 스택 손상을 방지함은 물론, 동절기 저온 조건에서도 안정적인 시동성을 제공한다.
Q. 수치로 확인되는 성능 향상 이외에도 연료전지 시스템을 강화한 부분이 있다면?
정상훈 책임연구원 | 자동차의 SDV(Software Defined Vehicle)화와 같이 모빌리티의 발전에 따라 차량 제어기의 중요성과 함께 사이버테러의 위험성도 빠르게 부각되고 있다. 이에 따라 신규 연료전지 시스템을 개발하면서 제어기에 대한 사이버 보안 대응 설계를 중점적으로 반영하였다. 예컨대 FCU와 FSVM(Fuel cell Stack Voltage Monitor)의 경우 북미, 유럽 그리고 국내의 사이버보안 법규(R155/R156)를 만족한다. 또한 무선(OTA) 소프트웨어 업그레이드 기능을 지원하여 고객 경험을 지속적으로 개선할 것으로 기대한다.
사진. 최대일, 김범석
