하이브리드 자동차

(앳킨슨 사이클에서 넘어옴)

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이런거 말고!!
하이브리드가 맞긴 맞다...
BRAWLHALLA!!

1 개요

두가지 이상의 구동계를 사용하도록 만들어진 자동차. 대개는 종래의 석유(가솔린, 디젤)를 사용하는 엔진에 전기모터를 추가로 장비한 형태다. 일반적으로 엔진과 모터의 비율에 따라서 세 종류의 하이브리드로 구분된다. 보통은 연비를 높이기 위해 이러한 형태를 취한다. 그러나 기술적인 문제로 기계식 동력 계통을 사용하기 어려울 때 하이브리드 기관을 사용하기도 한다. 하이브리드 자동차로 불리기 위한 필수 조건은 배터리와 전기모터를 갖추고 있어야 한다는 것이며, 배터리와 전기모터만으로 구동되는 차는 순수한 전기차이지만, 거기에 기존 방식의 내연기관을 함께 갖추고 있기 때문에 순수하지 못한(하이브리드) 전기차 또는 순수하지 못한(하이브리드) 내연기관 자동차라 하여 하이브리드 자동차라 하는 것이다.

내연 기관이 비효율적으로 움직일때, 전기 모터가 보충하는 원리이다. 하이브리드 기관은 주로 가솔린 기관에 쓰인다. 가솔린 기관은 최대효율 구간이 협소해서, 전기 모터 기관이 들어가면 효율이 높아진다.

2 역사

하이브리드 차동차 기술은 보통 20세기 말에 태동했다고 알 것이다. 그러나 놀랍게도 19세기 후반에도 하이브리드 차량이 있었다. 1899년 페르디난트 포르셰가 내놓은 믹스테(Mixte)가 그것. 프랑스어로 '혼합된'이란 뜻으로 하이브리드와 뜻이 흡사한다. 4개의 바퀴마다 독립된 전기 모터가 독립적으로 구동되었다고 한다. 내연기관은 오직 전기만 충전하는 용도[1]였다고 한다.

믹스테는 최고 시속 50Km에 달했고 랠리에 참여해 기록을 세우기도 했으며 당대는 여러 구동기관이 난립하던 때여서 순수 전기 기관에서 증기 기관까지 온갖 자동차가 다 있었다.

2차대전 당시 독일의 구축전차인 엘레판트나 영국의 TOG도 하이브리드 기관을 가졌다. 70~80톤에 달하는 엄청난 중량을 감당할 기계식 변속기를 만들기 어렵기에 궁여지책으로 택한 방식이다. 변속기 대신 채용된 셈이므로 연비, 효율성, 내구성 따위는 저 멀리 허공에 던진 물건이다. 따라서 현대의 하이브리드 엔진과는 구조가 유사하다 정도로 봐야 한다. 이와 비슷한 예로 7200~7500 대역의 디젤-전기 기관차의 구조가 똑같다. 새마을호의 기계식 변속기가 엄청난 속도로 노후화 된 방면 이 디젤 전기기관차들은 모터랑 발전기에 브러쉬만 재때 갈아넣으면 고장도 잘 안 나고 엄청 오래간다.

현대 하이브리드 자동차의 시초는 1997년에 출시된 토요타 프리우스이다. 프리우스가 등장했을때는 아직 배터리의 낮은 에너지 밀도가 해결되지 않았을 때였다. 충전 인프라 또한 부족했다. 석유파동 때문에 기존의 주유소를 이용할 수 있으면서도 높은 연비를 요구하며 친환경적인 차량을 요구하던 시장에 부합했던 것이다. 리튬 전지가 대중화된 지금도 배터리의 에너지 밀도 문제는 완전히 해결되지 않아 한동안은 하이브리드 차량을 만날 수 있을 것이다. 현재는 스포츠카 브랜드들도 혼다 NSX, BMW i8, 포르쉐 918 스파이더, 라페라리, 맥라렌 P1 등의 하이브리드 모델을 내놓고 있다.

3 종류

3.1 풀 하이브리드

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토요타 프리우스의 하이브리드 엔진-모터-변속기 세트. 직병렬 하이브리드에 해당하며 모터 단독 작동을 위한 클러치가 있다. 최대 출력은 53kw이다.

엔진과 모터가 동력을 반씩 담당한다. 엔진만으로도 모터만으로도 달릴 수 있다. 직렬, 병렬, 직, 병렬하이브리드로 나뉜다.

1997년에 출시된 프리우스에 채용된 시스템이다. 내연기관만 사용했을 때보다 최대 100% 가량 높은 연비를 보인다. 내연기관만 있을 때는 동력상 여러 약점이 있다. 자동차가 저속으로 움직일 때, 시동 중 잠시 정차했을 때, 내리막길을 갈 때 등은 내연기관의 동력을 허공으로 날린다. 그러나 전기모터가 적절히 보조하면 이런 약점이 보충된다.

풀 하이브리드의 장점은 매우 크지만 도요타 외 차량에는 한동안 거의 채용되지 못했다. 도요타가 특허권을 대거 보유하여 다른 회사들이 얼씬대지 못했기 때문이다. 하지만 시간이 흘러 다른 회사들도 요리조리 특허의 허점을 찾아내 나름의 방식으로 풀 하이브리드를 구현한다.

디젤 기관과는 궁합이 좋지 않다. 휘발유 기관보다 크기가 커서 전기 모터 계통까지 우겨넣기가 어렵다. 또한 디젤 기관은 휘발유 기관보다 최대효율 구간이 넓어서 이득이 그다지 높지 않다.

3.2 마일드 하이브리드

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BMW 엑티브리드의 하이브리드 모터-변속기 모듈. 최대 출력은 15kw이다.

엔진 동력이 기본이고 모터는 보조만 한다. 모터로만 구동이 불가능하다. 토요타의 풀 하이브리드 특허를 피하려고 많은 제조사들이 취한 방식. 최초로 적용된 차량은 BMW 1시리즈이다. 다만 BMW는 마일드 하이브리드라는 용어를 쓰지 않았고, 원리만 사용했다. 마일드 하이브리드에서 전기 모터는 동력을 그저 거들 뿐으로 홀로 작동하지 않는다. 그래서 연비절감은 최대 15% 가량에 그친다. 반면 저렴하고 설계가 간편하다는 장점이 있어, 방식에 따라선 생산비 100달러 정도로 연비 5% 정도를 상승시킨다고 한다.

스탑 앤 고 기능이 마일드 하이브리드를 대표한다. 신호 대기 등으로 잠시 멈췄을 때 시동을 완전히 껐다가 켜서 연료 낭비를 줄인다. 순수 내연기관 차량에도 적용된 기술이지만, 마일드 하이브리드가 채용된 차량은 이 동작이 부드럽게 작동되며 에어컨도 잘 나온다. 그 외는 설계시 엔진의 최대효율 구간을 상대적으로 유연하게 설정할 수 있어서 연비를 개선시키는 식이다. 풀 하이브리드에도 적용되지만, 에어컨이나 히터와 같은 공조시설, 편의시설에 필요한 전기를 분담할 수 있다. 기존에는 이에 필요한 동력을 순전히 엔진에서 부담해야했었다. 이들에 필요한 동력은 큰 편이며 필요한 전기 동력 량이 점점 증가되는 추세이므로 마일드 하이브리드의 적용 영역이 커질 수도 있을 것이다.

기존 설계안에서 간단하게 적용할 수 있어서 제조비가 낮다는 장점도 크다. 전기모터는 내연기관과는 반대되는 저회전시 토크가 강한 특성이 있고, 마일드 하이브리드는 이를 최대한 살리는 방식으로 발전 중이다. 2015년 현재 48V의 고전압 모터를 채용하여 더욱 소형화 되면서 특성을 잘 살리는 형태가 제시 된다. 이전에는 일반적인 내부 전원인 12V로 동작하는 모터가 주로 쓰였다.

디젤 하이브리드 차량은 주로 마일드 하이브리드로 개발 중이다. 디젤 기관은 휘발유 기관에 비해 출력 대비 크기가 크다. 그래서 구조가 간단하고 작은 마일드 하이브리드 적용 시 효율이 높다.

여러 장점이 있지만 전기차와 풀 하이브리드 기술 사이에서 사라질 기술이라는 견해도 있다.

3.3 플러그인 하이브리드

이 문단은 PHEV(으)로 검색해도 들어올 수 있습니다.

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GM VOLTEC PowerTrain의 이중 IPM BLDC 동기전동기 세트. 큰 모터는 구동모터이며, 작은 모터는 ISG(엔진에 시동을 걸때, 주행중에 전동기를 보조하는 역할을 하며 배터리가 방전됐을때는 발전기로 작동)이다. 최대 출력은 111kw(구동모터)+55kw(영구발전기→전동기 전환 시)이다.

전기차의 약점인 충전소 문제를 해결하기 위해 내놓은 전기차와 하이브리드의 혼합형태이다. 접근방식은 크게 두가지로 나뉘는데, 쉐보레 볼트와 같이 전기차의 파워트레인에 항속거리 증가를 위한 발전용 엔진을 단 경우와 쏘나타 PHEV, 프리우스 프라임과 같이 기존의 하이브리드 차량에 추가 배터리를 장착하여 EV 주행거리를 더 확보한 경우이다.[2]

반면 플러그인 하이브리드의 단점은 전기차에 비해 부족한 EV 주행거리와 배터리 무게 증가로 인한 연비 저하, 그리고 가격 상승을 들 수 있다. 물론 한국의 경우 하이브리드 차량의 보조금이 100만원인데 비해 플러그인 하이브리드 차량에 대해선 500만원의 보조금이 지급되고 있기 때문에 제조사 할인을 감안하면 일반 하이브리드 차량과 가격차이가 별로 나지 않는 경우도 있다. 그것보다 더 큰 문제는 전기차와 마찬가지로 자택이나 회사에 충전공간을 마련할 수 없다면 충전소를 찾아서 이리저리 헤메야 하게 되는 것이라고 할 수 있다.

그럼에도 불구하고 플러그인 하이브리드가 주목받는 이유는 전기자동차의 가장 큰 문제점인 짧은 주행거리를 화석연료 기반 차량과 동등한 수준으로 만들어주기 때문. 배터리의 용량이 부족하면 그냥 주유소에서 기름을 채워서 하이브리드 차량처럼 운행하면 그만이다. 구동계의 신뢰성과 정비성면에서도 전기자동차가 유리하며, 모터의 뛰어난 토크도 주행성 개선에 도움을 준다. 엔진 구동 시의 진동은 어쩔 수 없지만 그래도 평균적으로 엔진 구동 자동차보다는 적다. 전기자동차의 장점 대부분을 누리면서 최대의 약점인 주행 거리 문제를 해결하는 플러그인 하이브리드는 전기자동차의 배터리 용량이 비약적으로 발전하거나 지금의 주유소를 대신할 수 있을 정도의 빠른 배터리 교환/충전 기술이 나오기 전에는 전기자동차와 화석연료 자동차의 가교 역할을 할 것으로 기대를 모으고 있다.

4 사용 기술

4.1 회생제동

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회생제동이나 KERS에도 관련 내용이 있지만, 간략한 설명이 없으니 속지 말자. 내연기관만으로 이루어진 차량은 브레이크를 잡을 때는 에너지가 마찰 에너지로 사라진다. 내리막을 갈 때 활용할 수 있는 위치에너지도 추가 동력으로 활용할 방안이 없다. 그러나 전기 모터가 있으면 전기 에너지로 저장할 수 있다. 전기 동력 기관이 있는 자동차에는 필수적으로 달리는 핵심 기술이다.

전기 모터는 종류에 따라서 구동기와 발전기 역할을 동시에 할 수 있다. 따라서 브레이크가 개입될 때 발전기로 구동시키면 마찰 에너지로 사라질 에너지가 전기 에너지로 변환된다. 다만 모든 형식의 하이브리드 자동차의 전기 모터가 발전기 역할을 담당하진 않는다. 구조에 따라서는 전기 모터와 발전기가 따로 달리기도 한다.

감속 중 모터가 발전기로 작동하는 동안에는 브레이크 개입이 덜 되므로 줄어드는 브레이크 계통 유지비도 덤.

4.2 배터리

예전에는 니켈 수소(Ni-MH) 계열이 주로 쓰였으나 점점 리튬이온(Li-ion)이나 리튬이온 폴리머(Li-ion polymer)로 대체되었다.하이브리드 자동차와 전기 자동차의 배터리의 수명 문제는 소비자들의 주요 관심사이다. 때문에 제조사는 전지와 충전 알고리즘 개발과 개선에 많은 노력을 기울인다.

충전지는 보통 여러개의 셀로 이루어진다. 하나의 셀이 수명을 다 해도, 다른 셀이 작동하면 동작 시간만 떨어지고 정상적으로 작동한다. 배터리 셀 전체가 고장나는 일은 거의 일어나지 않는다.

리튬이온 배터리는 충전용량을 낮출수록 충전가능회수가 늘어난다. 가령 충전용량을 최대용량의 10% 이내로 유지하면 충전가능회수가 최대치에 달한다. 반면 충전용량을 최대용량의 100%로 하면 충전가능회수가 최저로 줄어들어 사실상 충전지로써의 역할을 못 한다. 일반적으로 충전용량과 충전가능회수가 경제적으로 최대를 유지할 수 있는 지점은 최대 충전용량의 50~80% 전후이다.

첨언하면 이러한 이유로 리튬 충전지의 최대 충전용량은 물리적 최대 용량의 90%정도로 제한된다. 과충전 되었다, 라는 뜻은 물리적 최대 용량에 가까워진다는 의미이며, 과충전 방지 회로가 이를 조절한다. 또한 물리적 최대 용량에 가까워질수록 화학적 불안정성이 증가하는 문제도 있다.

하이브리드 자동차의 배터리 구조나 충전 알고리즘은 제조자 비밀 사항이 많아 알려진 자료가 많지 않다. 일반적인 리튬 이온 전지의 특성을 고려하면, 가능한 고르게 50~80% 충전 수준을 유지하는 형태라고 추측된다.

4.3 앳킨슨 사이클

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일반적으로 쓰이는 4행정 오토(otto) 기관에는 펌핑로스가 있어서 효율이 저하되므로 피스톤에 복잡한 움직임을 가지게끔하여 손실을 줄이도록 고안된 방식이 앳킨슨 사이클. 구조가 복잡하고 저회전시 토크와 최대 출력이 낮은 문제가 있었다. 그래서 1882년에 발명되었음에도 차량에는 거의 사용되지 않았고, 대형 선박이나 고효율 발전 시설에만 사용되었다.

하이브리드의 시대가 오면서 차량 분야에서도 빛을 보게 된다. 풀 하이브리드에서는 전기 모터가 어떻게든 도와주므로 효율 짱인 기관이 최고였던 것이다. 복잡한 구조도 전자제어를 통해 간략화되었다. 다만 출력 부족은 극복하기 쉽지 않다. 그럼에도 아반떼 등 순수 내연기관 차량에도 소수 탑재된 사례가 보인다. 자세한 내용은 링크 참조.

4.4 유압식 하이브리드

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배터리 대신에 유압을 사용하는 하이브리드. 유압회로는 전기회로와 유사한 부분이 많아서, 차량에도 비슷한 원리로 적용할 수 있다. 에너지 저장 매체가 원자 단위인가, 분자 단위인가의 차이일 뿐이다. 유압은 에너지 저장 밀도가 30% 정도로 낮다는 문제가 있지만, 상대적으로 저렴하고 가벼우며, 간단한 구조에 유지보수도 쉬운 편이라고 한다. 비싸고 취급이 까다로운 배터리와는 달리 매체인 질소 등만 보충하면 된다. 버스나 쓰레기 수거 차량 등 정차와 발차가 잦은 상용차에 적합하다고.

4.5 토요타 FPEG


하이브리드 기술의 본가 토요타에서 만든 차세대 하이브리드 기관. 크랭크 사프트 등 복잡한 기계 구성 요소를 전부 치우고 피스톤에 발전기를 직결한 형태이다. 열효율이 매우 높고, 동력 손실이 거의 없다. 무게와 부피도 기존 내연기관과는 비교가 안 되게 줄어든다. 다만 제어가 극히 까다로우리라 예상되며 정교한 전자제어가 필요하다. 자세한 내용은 기사를 참조.

5 장점

  • 연비가 높고 오염물질 배출이 상대적으로 낮음 - 하이브리드 자동차의 내연 기관은 최대한 최대 효율 구간에서 작동하게끔 설계된다. 최대 효율 구간에서는 연료가 완전연소에 가깝게 이루어지므로, 상대적으로 깨끗한 배기가 이루어진다. 완전연소가 이루어지지 않는대도, 덜 먹으면 덜 싸기 마련이다.
  • 세금 감면 - 자동차 구입할 때 가장 부담되는 취득세[3]를 삼분의 일 가량 정부가 부담한다. 그리고 100만원을 한도로 개별소비세도 감면한다. (조세특례제한법 제109조) 이 밖에도 정부가 시행하는 채권 등에서 최대 200만원 정도 매입 면제가 되고 남산 1,3호 터널 혼잡료 면제, 공영주차료 50%감면 등이 있다. 이러한 세제 해택을 주는 이유는 이산화탄소 배출이 상대적으로 낮기 때문이다.
  • 소음이 적음 - 시동을 걸었을 때는 전기 모터로 구동되므로 소음이 거의 없다. 정속 주행시 소음도 다소 낮은 편이다. 하이브리드는 가능한 최대효율 구간에서 움직이려는 특성이 있다. 이렇게 되면 엔진 진동을 예측하기 쉽고, 상대적으로 소음 잡기가 쉬워진다. 또한 공차 중량이 일반 내연기관 자동차보다 무거운 이유도 있다.
  • 유지비나 고장율 등은 알려진 만큼 과대하지 않음 - 구조적으로 전기 계통과 내연기관 계통이 부하를 나누어 가져서, 연료를 제외한 유지보수 비용이 상쇄되는 점이 있다. 가령 브레이크 소모는 하이브리드 차량이 훨씬 덜하고, 엔진은 가능한 최대효율 구간에서 작동되는지라 꽤 오랜 시간 컨디션이 잘 유지되는 편이다. 내구적인 문제도 20년 가까운 운용 실적으로 큰 문제점은 보이지 않는다. 물론 배터리 교체 시기가 오면 장점이 휙 날아가겠지만.
  • 배터리가 들어가면서 무게는 늘어났지만 배터리가 위치하는 곳이 보통 시트 하단 또는 차 중심부이기 때문에 더욱 안정적인 차체 자세제어가 가능함 - 즉, 같은 섀시를 공유하는 차를 하이브리드로 내놓고 배터리 배치를 통해 무게중심을 낮추면 더 좋은 코너링을 얻게 된다.
  • 가속력이 좋음 - 이는 전기 모터의 특성 때문이다. 연비에 중점을 둔 모델도 가속력이 좋으며, 렉서스(F모델 제외)나 인피니티등 고급 차종도 하이브리드 형식을 채용하는 추세다. 전기모터의 특성상 전기모터의 최대토크는 저RPM부터 바로 나오기에 엔진만 장착한 차종들보다 토크 곡선이 일정하고 가속력이 좋다. 렉서스 GS450h나 인피니티 Q50s 하이브리드 모델이 대표적으로, 동급 동배기량 차종보다 연비가 좋다. 퍼포먼스 위주 세팅도 연비가 일반 내연기관차량보다 우위에 있다.

6 단점

  • 중량이 무거워짐 - 기존의 내연기관에 전기 주행을 위한 전기모터, 배터리까지 합쳐져니 그 무게가 만만치 않다. 늘어난 무게 때문에 최종적인 연비는 그다지 높아지지 않는다는 것이다. 다만 기술의 발달로 이는 개선되고 있다.
  • 배터리가 크고 아름다워서 트렁크 공간이 줄어듦 - YF 쏘나타가 대표적인 예. 하지만 제조사들은 차량 설계시 배터리를 뒷쪽 하부 공간에 위치시키는 등으로 적재용량을 최대한 확보한다. 하이브리드의 대표격인 프리우스는 해치백인데다 뒤쪽이 높은 쇄기형으로 디자인해서 적재용량이 일반 세단보다 오히려 더 크다.

7 미래

과도기적인 기술이라 언젠가는 사장될 기술이다. 결국 전기 자동차로 대체될 전망이 크기 때문이다. 환경문제와 더불어 가격문제에서도 전기차에 뒤쳐지기 때문이다.

구조적으로 복잡해서, 전기차동차 인프라가 충분히 갖추어지면 가격 승부에서 이길 수가 없다. 가령 하이브리드 자동차는 약 40만여 개의 부품으로 이루어진다. 그러나 전기 자동차는 그 1/10이다. 제조비가 저렴하다고 알려지는 마일드 하이브리드 기술도 생각보다 전기자동차의 비교에서 이기기 어렵다.

다만 세계에 촘촘하게 깔린 석유 유통 인프라는 무시할 수 없는 장점이라 내연기관 자동차 역시 쉽사리 사라지지 않을 것이다.

8 하이브리드 자동차 모델

8.1 한국

8.2 외국

8.2.1 국내에 시판한 차량

8.2.2 국내에 들어오지 않는 차량

  1. ↑ 현재의 플러그 인 하이브리드 차량의 구동방식이다.
  2. ↑ 전 버전에서는 PHEV의 특징이 구동부분과 엔진이 분리되어 있다고 들었었는데 그러면 쏘나타 PHEV와 프리우스 프라임은 플러그인 하이브리드가 아니라 그냥 하이브리드 차량이 되어버린다.
  3. ↑ 최근 부동산과 함께 취득세를 개정하면서 기존 등록세를 취득세에 포함시키고 취득에 관련된 등록세를 없앴다. 그래서 취득 시에는 등록세는 없다. 이미 취득세에 포함되어 있기 때문이다.