하이브리드 자동차의 시스템 가이드
상태바
하이브리드 자동차의 시스템 가이드
  • 김종율 기자
  • 승인 2013.09.04 16:38
  • 댓글 0
이 기사를 공유합니다

하이브리드의 개념을 조금 좁혔을 때 하이브리드의 파워 트레인에는 네 가지 유형이 있다. ①마이크로 하이브리드 ②병렬 하이브리드 ③파워분할, 두 개 모드 또는 직렬-병렬 하이브리드 ④직렬 하이브리드 등이 그것이다. 이 중에서 네 번째 유형이 일반적으로 E-REV 또는 전기 자동차로 알려져 있으며, 시보레 볼트 / 캐딜락 ELR 등이 대표적이다.
자료정리|김종율 기자(people@automotivereport.co.kr)

하이브리드에는 풀(full) 하이브리드 및 마일드(mild) 하이브리드가 있다. 풀 하이브리드는 엔진이나 전기모터만으로 자동차를 구성하며, 이 둘을 조합시키는 것도 무방하다. 마일드 하이브리드는 스타트 스톱 기능을 가지고 있는데, 이것은 연소 엔진과 회생 제동에 도움을 준다. 그러나 풀 하이브리드와 달리 마일드 하이브리드는 완벽한 EV를 실현하지 못한다.

① 마이크로 하이브리드
마이크로 하이브리드는 기존의 내연 기관 구동 차량과 진정한 하이브리드 사이에 존재하는 첫 번째 단계이다.
스타트-스탑 기능이 가장 큰 특징으로 차량이 완전히 정지할 때 엔진을 멈추고, 배터리를 충전하는데 필요한 발전기가 없어도 될 만큼 전기 부하가 낮다. 이런 점은 공회전을 없애고, 브레이크 페달을 밟으면 신속하게 가속화 할 수 있도록 엔진을 회전시켜 주는 역할을 한다. EPA 드라이브 사이클에 많은 시간을 요하지 않아 북미에서  특히 존재감을 나타낸다. 총 주행거리를 길게 할 수 있어 우수한 점수를 받는 것으로 보면 된다.

이 스탑-스타트 기능은 포드가 1.6리터 엔진을 장착한 퓨전(Fusion) 제품에 탑재됐다. 저렴한 비용으로 세단형 자동차의 연료 효율을 향상시킬 수 있도록 Fusion에 스타트-스탑 시스템을 제공하는 것. 포드와 더불어 BMW·포르쉐·기아 등도 이 추세에 동참하고 있다. 자료에 의하면 새로운 CAFE 기준에 의해 이 기술을 사용하는 자동차는 2017년까지 미국에서 800만대의 수요를 형설할 것으로 기대된다.
이 기술에서 더 나아가 자동차 제조업체들은 자동차가 운행하는 동안에도 엔진이 멈출 수 있도록 전자적인 시스템과 배터리를 업그레이드시키고 있다.

② 병렬 하이브리드
병렬 하이브리드는 연소 엔진, 전동기, 전자 제어 클러치를 연결시키는 방식이다. 예를 들면 혼다의 인사이트(Insight)는 1.3리터 인라인 4기통 엔진과 CVT 변속기 사이에 10㎾급 브러시리스 모터를 배치한 병렬 하이브리드 드라이브 트레인을 사용했다.

이 방식은 같은 축에 동력을 공급하므로, 두 개의 동력 소스 속도는 동일하고, 토크 값은 전기 모터를 추가하는 것으로 올릴 수 있다(필요에 따라 추가하지 않는 것으로 내릴 수도 있다). 혼다에 따르면 이것은 동력분할(power-split) 시스템보다 저렴하고 복잡하지 않다는 게 강점이다. 그래서 혼다는 인사이트뿐만 아니라 시빅, CR-Z와 아큐라 ILX 등에도 이 기술을 채용했다.

BAS(Belt Alternator Starter) 마일드 하이브리드는 지금의 차량에 존재하는 발전기를 대체하여 배터리와 모터 장치를 사용하는 병렬 하이브리드의 또 다른 형태이다. BAS 시스템은 공회전 시 엔진을 끄고 감속 중에는 연료 공급을 조기에 차단하여 연료 효율을 높여준다. 이 시스템으로 인해 시작 혹은 가속에 따라 적당한 동력을 제공하고, 회생 제동을 통해 일부 에너지를 복구한다. 특별한 설비를 하지 않더라도 비 BAS 차량과 같은 생산라인에서 제품을 생산할 수 있는 가장 저렴한 하이브리드 시스템 중 하나로 통하기도 한다.

이 기술의 최신 버전은 GM에서 eAssist라고 부르고 있는데, 115볼트 리튬 이온 배터리와 15㎾급 모터 발전기를 GM은 사용한다. GM과 더불어 현재 뷰익 리갈(Buick Regal)과 라크로스(LaCrosse)와 시보레 말리부(Chevy Malibu)에서도 이 시스템을 적용하고 있다.
특히 혼다 CR-Z는 엔진과 CVT 사이에 전기 모터를 배치한 병렬 하이브리드 형태를 갖고 있다는 게 차별점이다.

③ 동력 분할 하이브리드
동력분할(Power-split) 하이브리드는 대부분의 사람들이 도요타의 프리우스가 성공한 덕분에 알게 됐다. 순수 병렬형 시스템과 마찬가지로, 이 하이브리드 형태는 내부 연소 엔진과 전기 모터 발전기가 주축을 이루고 있다. 동력은 유성 기어 세트를 통해 바퀴를 움직이거나 분배되는데, 이를 통해 하나의 동력은 차량의 힘이 필요한 만큼 0%~100%까지 제공하도록 설정한다.  도요타의 하이브리드인 Snergy Drive는 출력 샤프트에 장착된 두 번째 전기 모터를 사용하며, 그것은 유성 기어 세트와 CVT 트랜스미션과 동등한 역할을 하는 첫 번째 모터 발전기와 함께 작동한다. 동력분할 조건의 경우 하이브리드는 동력의 통로가 기계적 또는 전기적으로 모두 될 수 있는 바퀴를 가진다는 사실에 기초하고 있다.

이 같은 하이브리드 시스템에 사용되는 대부분의 엔진은 앳킨슨 사이클(Atkinson-cycle) 가솔린 유닛이다. 일반적인 오토 사이클 엔진과 달리 이 엔진은 적은 파워 밀도와 낮은 RPM 토크를 가지지만 효율은 높다. 이 전기 드라이브 모터는 틈새를 채우고 앳킨슨 사이클 가스 엔진의 효율을 허용하도록 회전을 시작하자마자 전체 토크를 제공한다. 더 가속이 필요한 경우, 더 높은 출력에 맞게 두 개가 힘을 결합하기도 한다.
모든 도요타·렉서스 하이브리드는 동력분할 하이브리드를 사용한다. 포드 퓨전과 C-맥스, 링컨 MKZ, 닛산 알티마, 인피니티 M35h, 폭스 바겐 제타와 투아렉, BMW 액티브 하이브리드 5&7, 벤츠 S400, 포르쉐 카이엔 및 파나메라, 현대 소나타, 기아 옵티마, 아우디 Q5 하이브리드 등도 마찬가지다.

반면 일부 트럭과 포드 SUV, GM 및 BMW와 메르세데스가 사용하는 투 모드 하이브리드(two-mode hybrid)는 전체 전기, 완전 연소 엔진에서 작동할 수 있도록 두 개의 유성 기어 세트와 네 개의 클러치를 추가 또는 혼합(전기 내연 기관)하는 방식을 택했다. 경트럭에서 토윙 및 페이로드가 요구된 것은 GM이 소형 트럭에 활용하기 위해 자사의 앨리슨(Allison) 투 모드 버스 트랜스미션을 원했기 때문이다. 이것은 하이브리드 트럭보다 25% 더 큰 효율을 제공하지만 단위 당 비용은 우수한 토크보다 크다. 그래서 BMW는 이 방식을 따르지 않고 8단 유성 자동 변속기로 전환했다.

메르세데스의 경우 ML-클래스 하이브리드를 대체하는 7단 변속기와 디젤 모델에 의존하고 있다. 이것은 단일 모드 시스템보다 작은 모터를 사용하지만 고속 운전에 대처하기 위해 전기와 연소 동력을 혼합했다는 게 특징이다. 이 방식은 현재 쉐보레의 Silverado·Tahoe·Suburban, GMC의 Sierra와 Yukon, Cadillac Escalade 등에서 활용되고 있다.
한편, 도요타가 프리우스의 후드 아래에 동력 분할 하이브리드를 채택한 이후 이것은 ‘하이브리드’와 동의어가 된 것 중 하나이다.

④ 직렬형 하이브리드
전기 모터는 높은 전력 대비 중량을 가지고 있으며, 적당한 크기일 때 충분한 토크를 제공한다. 가장 기본적인 직렬형 하이브리드는 전기 모터에 전원을 제공하는 스타터 발전기를 구동할 수 있는 내연 엔진을 사용한다. 추가로 플러그인은 가스나 디젤을 활용할 수 있도록 전기적인 그리드를 제거할 수 있는 축전지를 활용한다. 축전기의 에너지가 한계에 도달하면 연소 엔진은 배터리 팩과 충전 바퀴가 구동되도록 스타터 발전기를 작동시킨다.

시보레의 볼트는 네 가지 작동 모드를 가지고 있어 배터리 전기 차량인 직렬형 하이브리드 및 동력 분할 하이브리드로도 작동된다. 단일 모터 전기이므로 이것은 111kW급의 최대 출력을 생성하는 배터리 전원으로 작동한다. 배터리가 거의 소모되거나 속도가 너무 높지 않으면 싱글 모터로 전환되고, 배터리의 충전을 위해 발전기로서 두 번째 전기 모터가 움직인다. 이 모드에서는 메인 모터가 운전에 필요한 충분한 출력을 제공하지만 이것은 지속적인 운전을 위한 용도는 아니다.

듀얼 모터 전기 모드는 두 번째 모터와 빠른 속도에서 메인 전기 모터의 속도를 줄일 수 있는 유성 기어 세트를 채용했는데, 이것은 출력을 증가시키지 않고 효율 및 연비를 개선하기 위해서이다. 이 방식은 두 개의 모터가 작동하는 확장된 모드로 이동할 수 있지만 유성 기어 세트를 통해 가솔린 엔진이 바퀴를 구동하는 데에도 일조한다. 이러한 조건에서 파워 트레인은 듀얼 범위에서와 마찬가지로 동일한 출력을 가지지만, 차량의 주행거리를 길게 하기 위해 배터리로부터 보다 적은 동력을 끌어들인다.

시보레의 볼트 및 캐딜락 ELR, Fisker의 카르마가 시장에 나와 있는 직렬형 하이브리드 자동차의 대표적인 모델로 취급된다. 하지만 낮은 CO2를 배출하고 높은 연비를 얻을 수 있는 만큼 직렬형 하이브리드는 더 많은 종류가 선보일 것으로 보인다. 예를 들면 iSeries를 출시한 BMW를 필두로 자동차 제조업체들은 짧은 주행거리를 극복하고자 전기 자동차 구동 트레인에 보다 작은 엔진을 찾고 있는데, 높은 효율로 작동하는 엔진을 설계하는 것이 동력 분할 하이브리드 모터의 비 효율성을 제거하고, 제품의 성능을 높이는 데 일조한다고 판단하기 때문이다. 이것이 시장 활성화를 높게 보는 이유이다.


댓글삭제
삭제한 댓글은 다시 복구할 수 없습니다.
그래도 삭제하시겠습니까?
댓글쓰기
계정을 선택하시면 로그인·계정인증을 통해
댓글을 남기실 수 있습니다.