ERS (Energy Recovery System) F1 하이브리드 파워 유닛의 핵심 기술 - Korea Generation

포뮬러 1(F1)은 자동차 술의 최첨단을 보여주는 스포츠로, 차량 성능을 극대화하기 위해 복잡한 하이브리드 시스템을 사용합니다. 이중에 에너지 회수 시스템(ERS, Energy Recovery System)은 하이브리드 파워 유닛의 중요한 구성 요소로, 경주 중 낭비되는 에너지를 회수하고 이를 전기 에너지로 변환하여 차량의 구동력을 높이는 기술입니다.

ERS는 MGU-K(운동 에너지 회수 장치)와 MGU-H(열 에너지 회수 장치)를 통해 회수된 에너지를 저장하고, 이를 가속 시 사용하거나 터보차저에 활용하는 역할의 기술입니다. 

1. ERS의 개념과 목적

ERS(Energy Recovery System)는 F1 차량의 파워 유닛에서 에너지를 회수하고 이를 재활용하는 시스템입니다. ERS는 엔진이 생성한 에너지를 효율적으로 사용해 연비를 개선하고, 추가 출력을 제공하는 역할을 합니다. ERS는 F1 하이브리드 파워 유닛에서 내연기관(Internal Combustion Engine, ICE)과 함께 작동하며, 배기 가스나 브레이킹 시 낭비되는 에너지를 전기 에너지로 변환하는 중요한 기능을 담당합니다.

ERS의 주요 목적

• 에너지 회수: 엔진 배기 가스와 브레이킹 시 낭비되는 운동 에너지를 회수하여 전기 에너지로 변환합니다.
• 출력 증가: 회수된 전기 에너지를 다시 차량 구동에 사용해 추가 출력을 제공합니다.

2. ERS의 구성 요소와 동작 원리

ERS는 두 가지 주요 컴포넌트인 MGU-K와 MGU-H로 구성됩니다. 두 시스템은 각각 차량의 감속 및 배기 가스에서 에너지를 회수하고, 이를 전기 에너지로 변환한 뒤 다시 사용합니다.

1) MGU-K (Motor Generator Unit-Kinetic)

• 동작 원리: MGU-K는 브레이킹(감속) 과정에서 **운동 에너지(Kinetic Energy)**를 회수하는 장치입니다. 차량이 감속할 때 발생하는 에너지를 전기로 변환하여 배터리(에너지 저장소, ES)에 저장합니다. 이 저장된 전기는 가속 시 MGU-K가 다시 모터로서 작동하여 차량에 추가 출력을 제공합니다.
• 역할: MGU-K는 차량이 가속할 때 최대 120kW(약 160마력)의 전기 출력을 추가로 제공합니다. 이는 특히 추월이나 빠른 가속이 필요한 구간에서 유용합니다.

2) MGU-H (Motor Generator Unit-Heat)

• 동작 원리: MGU-H는 터보차저에서 발생하는 **열 에너지(Heat Energy)**를 회수합니다. 터보차저는 엔진 배기 가스를 통해 공기를 압축하여 성능을 향상시키지만, 이 과정에서 많은 열이 발생합니다. MGU-H는 이 열 에너지를 전기로 변환하여 배터리에 저장하거나, 직접 터보차저의 회전수를 제어하는 데 사용합니다.
• 역할: MGU-H는 터보 랙(Turbo Lag)을 줄여 가속 성능을 개선하고, 회수된 에너지를 효율적으로 관리하여 에너지 손실을 최소화합니다.

3) ES (Energy Store, 에너지 저장소)

• 동작 원리: ES는 MGU-K와 MGU-H에서 회수된 에너지를 저장하는 고전압 배터리 시스템입니다. F1 차량에 사용되는 배터리는 경량화와 고밀도 에너지를 자랑하는 리튬이온 배터리로, 짧은 시간 안에 많은 양의 에너지를 저장하고 이를 빠르게 사용합니다.
• 역할: 배터리는 회수된 에너지를 필요할 때 MGU-K와 MGU-H에 전원으로 제공하여 차량의 성능을 향상시킵니다.

3. ERS의 규제와 성능 한계

FIA(국제 자동차 연맹)는 ERS의 성능과 사용에 대한 규제를 통해 모든 팀이 공정하게 경쟁할 수 있도록 하고 있습니다. ERS의 에너지 회수량과 사용량에는 엄격한 제한이 있으며, 이를 통해 팀은 경주 전략에 맞게 에너지를 관리해야 합니다.

주요 규제 사항

• MGU-K의 출력 제한: MGU-K는 최대 120kW(약 160마력)의 출력으로 제한됩니다. 이는 경주 중 추가 출력을 제공하는 중요한 요소로, 제한된 출력 내에서 최대한 효율적으로 사용해야 합니다.
• 에너지 회수량 제한: MGU-K는 한 랩당 최대 2MJ의 에너지만 회수할 수 있으며, MGU-K로는 한 랩에서 최대 4MJ의 에너지를 사용할 수 있습니다.
• MGU-H의 자유로운 회수: MGU-H는 회수할 수 있는 에너지와 출력에 제한이 없습니다. 이로 인해 MGU-H는 엔진 성능을 극대화하는 데 중요한 역할을 하며, 열 에너지를 최대한 많이 회수해 터보차저의 효율성을 높이는 것이 중요합니다.
• ES(배터리) 용량 제한: F1 차량의 에너지 저장소(ES)는 최대 4MJ의 에너지를 저장할 수 있습니다. 이를 넘어서는 에너지는 사용할 수 없으며, 이를 통해 모든 팀이 동일한 조건에서 경주할 수 있도록 규제됩니다.

4. ERS의 전략적 중요성

ERS는 단순한 파워 유닛 보조 시스템을 넘어 경주 전략에서 매우 중요한 역할을 합니다. 각 팀은 ERS를 활용해 추월 시 더 빠른 가속을 얻고, 랩타임을 단축하며, 연료 효율성을 극대화하는 전략을 구사합니다.

1) 추월 전략

ERS는 차량이 추월을 시도할 때 중요한 역할을 합니다. 특히 **DRS(Drag Reduction System)**와 결합하여 사용할 경우, 직선 구간에서 가속 성능을 극대화해 상대 차량을 추월하는 데 유리한 위치를 선점할 수 있습니다.

DRS와의 결합: DRS는 직선 구간에서 공기 저항을 줄이는 시스템으로, ERS와 함께 사용하면 가속 성능을 극대화할 수 있습니다. MGU-K에서 추가 출력을 제공받아 가속력을 높일 수 있습니다.

2) 방어 전략

ERS는 방어 전략에서도 유용하게 사용됩니다. 뒤따라오는 차량이 추월을 시도할 때 MGU-K를 통해 가속 성능을 높여 방어할 수 있습니다. 이 경우, 팀은 에너지 저장량을 잘 관리해 적절한 타이밍에 출력을 제공해야 합니다.

3) 에너지 관리와 랩타임 개선

ERS는 각 랩마다 사용할 수 있는 에너지가 제한되어 있기 때문에, 팀은 경주 내내 효율적인 에너지 관리가 필수적입니다. 에너지를 너무 빨리 소모하면 후반부에 성능 저하가 발생할 수 있으며, 너무 아끼면 성능을 충분히 발휘하지 못해 경쟁에서 밀릴 수 있습니다. 따라서 ERS를 통해 적절한 에너지 분배와 사용 전략을 세우는 것이 중요합니다.

5. ERS의 장점과 한계

ERS는 하이브리드 파워 유닛의 핵심 기술로서 여러 가지 장점을 제공하지만, 동시에 몇 가지 한계도 존재합니다.

장점

• 연료 효율성 향상: ERS는 차량의 감속 및 배기 가스에서 에너지를 회수해 연료 소비를 줄입니다. 이는 경주 중 연비 전략에서 큰 이점을 제공합니다.
• 추가 출력 제공: MGU-K를 통해 전기 에너지를 사용해 추가 출력을 얻음으로써, 내연기관만 사용할 때보다 더 빠른 가속 성능을 발휘할 수 있습니다.
• 에너지 재활용: ERS는 낭비되는 에너지를 재활용해 차량의 성능을 극대화합니다. 이를 통해 더 높은 출력을 얻으면서도 연료 소비를 줄이는 것이 가능해집니다.

단점

• 복잡한 시스템 구조: ERS는 MGU-K, MGU-H, 배터리 등 여러 시스템이 복잡하게 얽혀 있어 이를 관리하는 것이 매우 까다롭습니다. 이는 차량의 설계와 유지보수에 있어 어려움을 초래할 수 있습니다.
• 무게 증가: ERS 시스템은 고전압 배터리와 복잡한 전기 모터가 포함되기 때문에 차량의 전체 무게를 증가시킵니다. 이는 경량화를 목표로 하는 F1 차량 설계에 부정적인 영향을 줄 수 있습니다.
• 고비용: ERS는 매우 고도화된 기술로, 이를 개발하고 유지하는 비용이 크며, 이는 팀 운영 비용에 상당한 부담을 줄 수 있습니다. 특히 중소형 팀들은 이러한 비용으로 인해 기술 경쟁에서 불리할 수 있습니다.

6. ERS의 기술 발전과 미래 전망

ERS는 F1의 하이브리드 기술을 대표하는 시스템으로, 지속적으로 발전하고 있습니다. 앞으로 ERS는 더 높은 효율성과 경량화를 목표로 개선될 것이며, 더 나아가 F1을 넘어 일반 도로 차량에도 적용될 가능성이 큽니다. 하이브리드 차량과 전기차가 대중화됨에 따라, ERS와 같은 에너지 회수 기술은 자동차 산업의 중요한 축이 될 것입니다.

• 전기차와의 연계: ERS의 에너지 회수 및 재활용 기술은 전기차의 효율성 향상에 큰 기여를 할 수 있습니다. 전기차에서 에너지 회수 시스템은 배터리 효율성을 높이는 핵심 기술로 자리 잡을 수 있으며, 이는 자동차 제조사들이 F1에서 얻은 기술적 경험을 기반으로 발전시킬 수 있는 분야입니다.
• 지속 가능한 모터스포츠: F1은 2030년까지 탄소 중립을 목표로 하고 있으며, ERS는 이 목표를 달성하는 데 중요한 역할을 할 것입니다. ERS의 기술적 발전은 연료 소비와 배출 가스를 줄이기 위한 중요한 방법 중 하나이며, 이는 미래의 지속 가능한 모터스포츠로 이어질 것입니다.

ERS(Energy Recovery System)는 F1 하이브리드 파워 유닛의 핵심 기술로, 차량이 낭비하는 에너지를 회수하고 이를 전기 에너지로 변환하여 구동력으로 재사용하는 시스템입니다. ERS는 F1 경주에서 중요한 역할을 하며, 연료 효율성과 성능을 극대화하는 데 기여합니다.

MGU-K와 MGU-H는 각각 감속 및 배기 가스에서 에너지를 회수하고, 이를 적절히 관리해 차량의 가속 성능과 터보차저 효율을 높입니다. ERS는 F1뿐만 아니라 전기차와 하이브리드 차량 기술에도 중요한 기술입니다.