하이브리드 자동차

하이브리드 자동차 동력 구조

하이브리드 자동차(hybrid car)는 내연기관 엔진과 전기자동차의 배터리를 동시에 장착한 자동차이다. 간략히 하이브리드차 또는 하이브리드(hybrid)라고도 한다. 하이브리드 자동차는 기존 내연기관 자동차에 비해 연비를 대폭 향상하고, 유해가스 배출량을 획기적으로 줄인 차세대 자동차이다. 하이브리드 자동차는 가솔린 엔진에 전기모터가 힘을 보태주기 때문에 기존 디젤차의 강점이던 저속 토크도 뛰어나다. 저속 주행 때는 전기 모터만으로 달리므로 전기차처럼 소음·진동이 거의 없다. 고속주행이나 가속 상황에서도 모터의 동력 보조 덕분에 엔진에 걸리는 부하가 줄어든다.

개요

하이브리드는 두 개 이상의 요소가 합쳐진다는 뜻으로, 두 가지 이상의 기술을 접목한 것을 말하며, 연료와 전기를 동시에 연료로 이용한다. 1990년대 초에 주목받던 전기자동차의 대안으로 떠오른 것이 하이브리드 자동차이다. 하이브리드 자동차는 가솔린 엔진과 전기 모터, 수소 연소 엔진과 연료전지, 천연가스와 가솔린 엔진, 디젤과 전기 모터 등 두 가지 이상의 구동장치를 동시에 탑재한 차량으로 저공해와 연비 향상의 장점이 있다. 가장 대표적인 사례가 전기 모터와 가솔린 엔진을 같이 쓰는 경우이다. 기존 자동차는 엔진의 힘을 그대로 변속기가 증폭해 바퀴 회전력으로 전달하는 것이었으나, 하이브리드카는 엔진과 변속기 사이에 회전속도가 좋은 전기모터와 대규모 배터리가 존재한다. 전기 모터로 시동을 건 뒤 일정한 속도가 붙을 때까지 전기 모터가 엔진의 보조 동력으로 작동한다. 감속할 때는 차량의 운동에너지가 배터리에 저장되고, 신호대기 등으로 정차할 경우 엔진이 정지되면서 연료를 절감한다. 하이브리드 자동차는 기존 자동차에 비해 출력은 떨어지지만, 연비가 2배가량 우수하고 일산화탄소, 질소산화물 등 오염물질을 10~15% 정도로 줄일 수 있다. 또한 주행 중 자체 발전기로 배터리를 충전하기 때문에 별도의 충전소가 필요 없는 장점이 있다. 2020년 하이브리드 자동차 판매는 전년 대비 68.4%가 증가하며 큰 성장세를 보였으며 현대자동차의 그랜저가 2020년 1월부터 10월까지 누적 3만 2,128대가 판매되어 2020년 국내 하이브리드 차량 판매 1위를 기록했다. 2위는 기아자동차의 쏘렌토 하이브리드 자동차로 2020년 10월까지 1만 7,728대가 팔렸다. 이어 니로 하이브리드 자동차가 1만 5,192대, K5 하이브리드 자동차 8,951대, K7 하이브리드 자동차 7,758대, 쏘나타 하이브리드 자동차 7,346대 순이다.

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역사

최초의 하이브리드 자동차는 1899년에 만들어졌다. 포르쉐를 만든 페르디난드 포르쉐 박사에 의해서 만들어졌는데, 겉모습은 마차였다. 포르쉐 박사의 하이브리드 자동차는 '믹스테'(MIXTE)로 프랑스어로 '혼합된'이라는 뜻이다. 최고속도는 50km였고 전기와 가솔린을 에너지원으로 사용하는 최초의 하이브리드였다. 사륜구동이었으며, 각각의 바퀴에 독립된 전기 모터를 장착해 독립적인 힘을 바퀴에 전달했다. 가솔린 엔진 또한 장착해서 힘을 보탰다. 이 차는 2인승컨버터블과 4인승 차 두 가지로 출시됐다. 최대출력 7~14마력에 불과했지만, 전기와 가솔린을 이용한 최초의 하이브리드 자동차였다. 포르쉐 박사는 믹스테를 직접 몰고 '엑셀버그 랠리'에 참여해 여러 차례 기록을 경신하기도 했다. 최고 속도는 50km, 20분간 5.22㎾의 힘을 냈다. 쉐보레 볼트처럼 가솔린 엔진은 배터리를 충전하는 데만 사용하고 동력 구동은 전기 모터로 했다. 시속 16km/h로 항속 주행할 때의 주행거리는 약 95km였고, 1900년 파리 엑스포에 처음 선보인 이 모델은 1906년까지 300대 이상 팔렸다고 한다.

1911년 미국의 전기차 전문업체인 우즈 모터 비히클(Woods Motor Vehicle)이 더 듀얼 파워 모델 44 쿠페(The Dual Power Model 44 Coupe)라는 하이브리드 자동차를 생산해냈다. 이 하이브리드 자동차는 배터리와 전기 모터의 동력으로 시속 24km/h 정도의 속도를 낼 수 있었고, 짝을 이루는 4 실린더 엔진은 최고 56km/h까지 속도를 냈다. 그런 의미에서 모델명을 더 듀얼 파워라고 한 셈이다. 하지만 당시 2,700달러라는 높은 가격과 A/S의 부재 등으로 인해 1918년까지 600대 정도 판매되었고, 이후로는 내연 기관의 눈부신 발전으로 하이브리드카는 뒤로 밀리면서 1970년대까지 상징적인 차량들만 선보이는 수준에 그쳤다.

한동안 주춤했던 하이브리드카는 1970년대 초 하이브리드 자동차의 대부로 꼽히는 전기기술자 빅터 우크에 의해 한 단계 성장하게 된다. 빅터 우크는 1972년도 뷰익 스페셜모델인 뷰익 스카이락(Buick Skylark)에 21마력의 힘을 내는 전기 모터를 추가 탑재하여 가속할 때 엔진뿐만 아니라 전기 모터가 동력을 보조하는 하이브리드 시스템을 완성했다. 단순히 전기 모터가 동력을 보조하는데 국한되지 않고 주행 중 배터리를 수시로 충전할 수 있다는 점에서 현대 하이브리드 시스템의 모델이라고 할 수 있다. 이어 데이비드 아처가 경량 스포츠카 오펠 GT를 개조하여 경이롭게도 연비를 무려 75mi/g(약 32km/l)까지 끌어올리는 데 성공했다. 그런데 여기서 재미있는 사실은 6V 배터리와 전기모터가 적용되면서 교체한 엔진이 겨우 6마력의 출력을 내는 잔디 깎는 기계의 엔진이었다는 점이다. 이후 1970년대부터 세계 각국의 완성차 메이커들은 자사 양산 차를 기반으로 한 하이브리드카를 선보이기 시작했고, 계속되는 기술의 발전 속에서 지금까지 이르게 된다.

이후 도요타에서 출시한 프리우스는 1995년 도쿄 모터쇼에서 콘셉트카가 처음으로 등장하여 1997년 출시되었다. 프리우스는 출시 초기 하이브리드 자동차에 대한 낯선 인식으로 인해 판매 부진을 겪기도 하였지만 대대적인 상품성 홍보를 통하여 출시 초기 3,000대에서 1999년 3만 대가 넘게 팔리는 쾌거를 이루기도 하였다. 2세대와 3세대 모델부터는 공기저항 계수를 낮추고 실내 내장재를 친환경적으로 변경하며 2015년 누적 판매량 361만대를 기록하기도 하였다.

특징

하이브리드 자동차는 엔진과 모터 동력을 조합하여 구동하는 자동차이다. 출발과 저속 주행 시에는 엔진 가동 없이 모터 동력만으로 주행한다. 또한 배터리 충전은 ‘회생 제동’이라는 방식으로 이루어지는데, 그 원리는 감속 시 브레이크를 밟으면 모터가 발전기로 전환되어 전기를 생성하여 배터리에 충전하는 방식이다. 이 때문에 연비가 기존의 내연기관차보다 40% 이상 높고 배기가스는 저감된다. 또한 엔진 출력에 모터 출력이 추가되어 큰 구동력이 필요한 오르막길 등에서도 가속 성능이 좋고 정숙한 승차감을 갖는다.

장점

• 상대적으로 높은 연비 : 일반 자동차와 다르게 하이브리드 자동차는 엔진과 모터의 힘으로 적절하게 제어할 수 있다. 가솔린 엔진과 전기 모터가 장착되어 있어서, 자동차가 출발하거나 가속이 되었을 때 또는 감속이 되었을 때는 가솔린 엔진과 함께 전기 모터를 동시에 사용하게 되고 정차하거나 일정한 속도가 유지되면 가솔린 엔진만을 사용하게 된다. 저속 환경에서 내연기관의 운용 시간이 줄어들고 빈 부분에 전기모터가 개입하므로 연료 소모량이 적어진다. 또한 회생 제동으로 엔진 없이 발전할 수 있으므로 내연 기관과 달리 도심 연비가 고속도로 연비보다 높게 측정된다. 반대로 고속 환경은 전기 모터가 개입할 틈이 없으므로 고속도로 연비는 일반 차량과 비슷하거나 나쁜 편이다.
• 구매 시 정부 보조금과 각종 혜택 : 하이브리드 자동차 구매 시 정부에서 보조금과 각종 혜택이 주어지고 있다. 이는 환경오염은 줄이고 미래 친환경 차의 성장동력을 키우기 위함이다. 세제 혜택은 종전처럼 그대로 받으면서 연료비는 아끼고 보조금도 지원된다. 플러그인 하이브리드 자동차 보조금과 개인소비 교육세, 취·등록세, 교육세 등 보조금과 다양한 세금 감면 혜택을 받을 수 있다.
• 유지비 절감 : 하이브리드 자동차를 구매하였을 때 받는 보조금과 혜택뿐만 아니라 운행하는 중에도 다양한 혜택으로 유지비를 절감시킬 수 있다. 저공해 자동차 1종~3종에 속한 모든 친환경 자동차는 주차장, 통행료, 환경개선 부담금 등 자동차를 운행할 때 발생하는 비용의 할인 혜택 또는 면제를 받을 수 있다. 적용되는 할인 혜택과 면제는 지역마다 차이가 있으며 대표적으로 서울특별시의 경우, 서울 및 수도권 공영 주차장 요금 50% 할인, 남산 1, 3호 터널 혼잡통행료 면제, 지하철 환승 주차장 80% 할인, 환경개선부담금 전액 면제의 할인 혜택으로 유지비를 절감할 수 있다.
• 저공해 친환경 자동차 : 친환경 자동차란, 대기오염물질 배출이 없거나 일반 자동차보다 적은 양의 오염물질을 배출하는 자동차를 의미한다. 정부가 친환경 자동차 구매 시 각종 보조금과 할인 혜택이 주어지는 이유도 우리나라의 미세먼지 등 대기환경이 중요한 문제로 떠올랐기 때문이다. 대기오염을 줄이고 환경을 지킬 수 있는 친환경 자동차의 보급확대와 정책이 적극적으로 추진 중이다.

단점

• 높은 초기 구매 비용 : 하이브리드 자동차의 최대 단점 중 하나가 바로 가격이 비싸다는 점이다. 전기 배터리 탑재와 하이브리드 구동계통 추가로 인한 가격 상승요인이 존재하며 복잡한 구동계로 인해 정비 자체가 복잡해져 버린다. 소비자에게 하이브리드 자동차의 장점은 높은 가격의 휘발유보다 상대적으로 저렴한 전기를 이용함으로써 유지비가 적게 드는 것인데, 하이브리드 자동차의 가격이 동급 내연기관 자동차와 비교했을 때 정부에서 각종 보조금과 할인 혜택을 지원해 주고는 있지만, 초기 구매 비용이 부담스러운 것이다.
• 정비 시 높은 공임비용 : 차체에 엔진과 더불어 전기 모터와 배터리가 추가로 장착되어 있기 때문에 복잡한 내부 설계로 공임비용이 높아질 수밖에 없다. 그리고 수리나 정비 시에 중고 부품이나 서로 호환되는 부품을 구하기 쉽지 않아 일부 특정 업체를 이용해야 하는 까다로움이 있을 수 있다. 배터리도 수명이 무한한 것이 아닌 일종의 소모품인지라 배터리 교체에 들어가는 비용도 상당히 많은 부분을 차지한다.
• 하이브리드 보조금 지원 중단 : 2020년 기준 플러그인 하이브리드 자동차는 500만원의 정부 구매 보조금 지원이 유지되는 반면 하이브리드 자동차의 경우 2019년부터 정부 구매 보조금 지원이 중단된 상태다. 그래도 아직 플러그인 하이브리드 구매 보조금 지원이 유지되고 있다는 점과 다양한 할인 혜택과 면제를 받아볼 수 있다는 것은 좋은 측면으로 바라볼 수 있겠지만 구매 보조금 지원이 중단된 것은 아쉬운 점이다.
• 에어컨, 히터 사용 시 현저히 낮아지는 연비 : 엔진의 열을 이용하는 히터의 경우 오직 전기로만 열을 만들어야 하기 때문에 에어컨이나 히터를 사용할 경우 주행거리가 현저히 줄어들게 된다. 한 연구 결과에 따르면, 에어컨을 작동시키고 주행한 결과 가솔린, 디젤 자동차에 비해 하이브리드 자동차의 연비가 더 많이 소모되는 것을 확인했다. 따라서 연비를 최대한 높이려면 에어컨이나 히터를 사용할 때 좀 더 신경을 써야 한다.
• 애매한 포지션 : 하이브리드 자동차라는 개념 자체가 내연기관을 사용하는 자동차와 전기모터를 사용하는 전기자동차 사이의 포지션이라는 느낌이 상당히 강하다. 당장의 기술로도 어느 정도 양산이 가능하지만, 문제는 내연 기관과 전기 모터 사이의 애매한 포지셔닝이 되어 어느 정도 규모를 가지는 경제를 가지기 어려울 수 있다. 특히 전기자동차 기술 자체도 배터리 기반 전기자동차의 경우 충전 시간문제라는 가장 고질적인 문제점 덕분에 연료전지 기반 전기자동차로 산업 기반 자체가 전환되어 버릴 가능성이 존재하는데 이 경우 배터리를 사용하는 하이브리드 자동차의 애매한 포지션은 결과적으로 이도 저도 되지 않을 가능성이 크다.
• 무거운 중량 : 기존 엔진에 모터까지 장착되고 거기에 배터리까지 추가되기 때문에 부품 수가 늘어나 정비가 복잡하고 무게가 무거워진다. 늘어난 무게때문에 최종적인 연비는 그다지 높아지지 않는다.

작동원리

하이브리드 자동차는 만드는 방법에 따리 구동 방식이나 구조상 차이가 있지만, 대체로 전력 제어 모듈, 배터리 컨디션 모듈, 모터 제어 모듈, 배터리, 연료 탱크, 변속기, 전기 모터, 내연 기관 엔진으로 이루어져 있다. 내연 기관 엔진은 기관 내부에서 연료를 연소 시켜 열에너지를 기계적 에너지로 바꾼다. 전기 모터는 자동차의 주행 상태에 따라 전동기나 발전기 역할을 할 수도 있고, 작동하지 않을 수도 있다. 전동기 역할을 할 때는 전력을 사용하여 자동차를 움직이게 하고, 발전기 역할을 할 때는 회전 에너지를 전력으로 바꾸어 배터리를 충전한다. 배터리는 전기 모터가 필요로 하는 에너지를 공급하는 장치로, 자동차의 주행 상태에 따라 에너지가 충전되기도 한다. 그 외 구성 요소에는 내연 기관 엔진과 전기 모터의 회전 운동을 바퀴에 전달하는 변속기, 연료를 보관하는 연료 탱크, 전력이나 전기 모터를 제어하는 모듈, 배터리 상태를 확인하는 모듈 등이 있다.

하이브리드 자동차는 차량 속도나 주행 상태 등에 따라 내연 기관 엔진과 전기 모터의 힘을 적절히 조절하여 에너지 효율을 높인다. 시동을 걸 때는 전기 모터만 사용하지만, 가속하거나 등판할 때처럼 많은 힘이 필요하면 전기 모터가 엔진을 보조하여 구동력을 높인다. 정속 주행은 속도에 따라 두 유형이 있는데, 저속 정속 주행할 때는 전기 모터만 작동하지만, 고속 정속 주행할 때는 엔진과 전기 모터가 함께 작동한다. 반면에 감속할 때는 연료 공급이 중단되어 엔진이 정지되고 전기 모터는 배터리를 충전한다. 또한, 잠깐 정차할 때는 엔진이 자동으로 정지하여 차량의 공회전에 따를 불필요한 연료 소비와 배기가스 발생을 차단한다.

주요 부품

충전기

수소충전기

주유소

배터리

연료전지

연료탱크

모터

엔진

자동차

종류

가솔린엔진과 전기 모터, 수소 연소 엔진과 연료전지, 천연가스와 가솔린 엔진, 디젤과 전기 모터 등 두 가지 이상의 구동장치를 동시에 탑재한 차량으로, 가장 대표적인 사례가 전기 모터와 가솔린 엔진을 같이 쓰는 경우이다. 하이브리드의 종류는 크게 풀 하이브리드, 마일드 하이브리드, 플러그인 하이브리드로 나눌 수 있다.

풀 하이브리드

출발과 가속 시에 전기 모터가 내연기관의 보조 기능을 하는 것은 물론 전기 모터만으로도 주행이 가능한 하이브리드 시스템을 뜻한다. 순수 전기만으로 주행하는 EV 모드로 주행할 수 있다. 즉 전기 모터가 자동차 구동에 적극적으로 참여해 운동 에너지 회수율을 높이는 방식이다. 하이브리드 자동차는 바퀴를 움직이기 위한 전기 모터, 모터에 전기를 공급하는 배터리, 모터의 회전력(토크)을 바퀴에 전달하는 변속기 CVT(Continuously Variable Transmission), 전기를 발생시키는 엔진으로 구성된다. 풀 하이브리드 전기 자동차는 두 개의 전기 모터와 변속기로 구성된 하이브리드 시스템으로 내연기관 모드, 전기 모터 모드, 내연 기관 + 전기 모터 모드 중 상황에 따라 최적의 효율을 낼 수 있는 방식을 선택해 연비 효율의 향상이 큰 편이다. 하지만 두 개 이상의 전기 모터를 제어하는 시스템이 필수적이며 대용량 배터리도 필요하다. 마일드 하이브리드와 비교했을 때 추가 부품과 배터리 등의 별도 개발이 필요하다. 도한 상대적으로 전기 모터와 배터리의 용량이 크므로 무게 증가는 물론 생산 비용이 높아져 자동차 가격도 상대적으로 비싸다. 다만 최근에는 배터리 기술의 개발 덕분에 생산 가격이 점차 내려가고 있다.

자동차가 저속으로 움직이는 경우, 시동 중 잠시 정차하는 경우, 내리막길을 가는 경우 내연기관의 동력을 낭비하게 되는데 하이브리드의 경우 전기 모터가 적절히 보조해주어 이런 약점을 보완해 준다. 풀 하이브리드의 장점은 매우 큰 데 비하여, 기술력의 대부분은 토요타가 특허권을 보유하고 있기 때문에 다른 제조사에서는 한동안 거의 사용하지 못했다. 이후, 특허의 허점을 이용하여 각자 나름의 풀 하이브리드를 구현해 내고 있다. 풀 하이브리드 차량을 구조적으로 나누면 직렬식, 병렬식. 직병렬 혼합식으로 나눌 수 있다. 각 방식에는 장단점이 존재한다. 직렬 시스템 경우에는 정지와 운행이 반복되는 도심 운전에서는 연비가 우수하지만, 고속도로 주행에서는 연비가 오히려 낮다. 병렬 시스템은 도심 운전에는 연비가 낮지만, 고속도로 주행에서는 연비가 높다. 혼합 시스템의 경우 양쪽 장점을 가지고 있지만, 대형 발전기와 배터리 팩이 필요하기 때문에 원가가 높다는 것이 단점이다.

직렬식 하이브리드

직렬식 하이브리드는 엔진을 발전수단으로 활용하고 모터를 동력원으로 사용하는 방식이다. 최근 들어서 미국 등지에서 이러한 방식을 `주행거리연장형 전기차(Range Extender)`라고 부르기 시작했으며, 다른 제조사들도 이에 동조하고 있다. 이러한 형태의 하이브리드 자동차로는 쉐보레의 볼트(Volt)가 대표적이다. 이 방식은 전기모터의 동력만을 사용하기 때문에 주행성능이 다른 방식에 비해 낮은 편이고, 이를 보완하기 위해 더욱 강한 모터와 더욱 큰 용량의 배터리를 필요로 한다. 이러한 형태의 자동차들은 플러그인 하이브리드와 같이, 외부 전원으로 직접 충전시킬 수도 있다. 직렬형은 엔진이 전기 생산에만 주로 사용되므로 엔진의 배기량이 클 필요가 없으며 가솔린을 사용하지 않고도 일정거리 주행이 가능한 장점이 있지만 전기모터와 배터리의 중량이 커지면서 부품 원가와 공간을 많이 차지하는 단점이 있다.

내연기관은 발전기를 구동하고, 발전기에서 생산된 전기로 모터를 구동하는 방식으로, 구동축과 내연기관이 기계적으로 연결되어 있지 않다. 사용하고 남은 전기에너지는 축전지에 저장하였다가 필요할 때 다시 사용할 수 있다. 인버터(inverter)가 교류발전기에서 생산된 교류를 직류로 변환시키기 때문에 이를 축전지에 저장할 수 있으며, 전기 모터를 구동할 때는 인버터가 축전지에 저장된 직류를 역으로 교류로 변환 시켜 전기 모터에 공급한다.

병렬식 하이브리드

병렬식 하이브리드는 내연 기관인 엔진과 모터의 동력을 병용(倂用)하는 형태로, 변속기를 통해 동력을 전달하는 방식이다. 엔진과 모터를 함께 사용하기 때문에 직렬식에 비해 상대적으로 높은 동력성능을 기대할 수 있다. 이 방식은 배터리의 충전량이 부족할 때나 속도를 줄일 때 모터가 발전기 역할을 하여 배터리를 충전한다. 병렬식의 단점은 모터가 구동력에 힘을 더하는 역할을 하지만 보조 동력이기 때문에 전기 모터 단일의 동력만으로는 주행하기가 어렵다. 병렬식을 사용하는 대표적 차량은 기아자동차㈜ 니로, 현대자동차㈜ 아이오닉 등이 있다. 내연기관이 구동축에 바로 연결되기 때문에 직렬 하이브리드 시스템과 달리 엔진에서 얻어진 기계적 에너지를 전기에너지로 바꾸지 않아도 된다. 전기모터는 전기에너지를 축전지로부터 공급받으며, 축전지는 전기 모터에 의해 충전된다. 내연기관으로 운전하는 동안 또는 제동 시에는 전기모터가 발전기로 절환되어 전기를 생산한다. 전기모터와 엔진 어느 쪽에서 구동되어도 충전이 가능하다는 장점이 있지만 동력 교체의 문제와 엔진룸에 장착이 어려운 점이 있다.

혼합식 하이브리드

혼합식 하이브리드는 직렬식과 병렬식의 장점만을 모은 것으로, 가솔린기관 1대, 그리고 발전기로도 이용하기 위해 영구자석을 갖춘 교류-동기 모터 2개로 구성된다. 이 방식은 전기 모터를 일종의 변속기처럼 사용하여, 상황에 따라 동력의 전달을 유연하게 전환할 수 있는 특징이 있다. 이 방식은 전기 모터만으로도 주행이 가능하고, 큰 출력이 필요한 상황이 되면 모터와 엔진이 모두 작동하여 최대의 성능을 낼 수 있다. 배터리 전력이 부족한 경우에는 1개의 모터를 발전기로 전환해, 배터리를 실시간으로 충전하며 주행할 수도 있다. 이러한 방식은 대표적으로 토요타의 하이브리드 차량들이 사용하고 있다. 가솔린기관과 2개의 모터는 유성기어 장치에 의해 서로 기계적으로 연결되어있다. 전원공급용 축전지로는 다수의 셀(셀전압 1.2V) 모듈로 구성된, 밀폐식 니켈-금속 하이브리드 축전지(Ni-MH)를 사용한다. 형식에 따라 다르지만, 정격전압은 약 200~300V 범위이며, 충/방전 시에 발생하는 열을 방출하기 위해 대부분 냉각팬이 설치된다. 인버터는 교류를 직류로, 역으로 직류를 교류로 변환시키는 기능을 한다. 인버터는 별도의 수냉식 냉각장치에 의해 냉각된다. 축전지, 인버터 그리고 모터는 대전류용 케이블로 연결되어 있다. 엔진과 모터를 효율적으로 이용하여 연비가 좋지만 무게가 무겁고 시스템이 복잡하여 제조 단가가 높다는 단점이 있다.

마일드 하이브리드

자동차 하이브리드 시스템은 엔진과 배터리, 전기모터를 결합해 저속으로 달릴 땐 일정 거리까지 배터리로만 달릴 수 있도록 한 시스템이다. 모델마다 배터리로 달릴 수 있는 거리가 다른데, 29.1kWh 니켈수소 배터리를 얹은 렉서스 ES 300h는 전기모터로만 2km 남짓 되는 거리를 달릴 수 있다. 마일드 하이브리드 시스템은 쉽게 말해 일반적인 하이브리드 시스템보다 용량이 작은 배터리를 얹은 시스템을 말한다. 보통의 내연기관차는 보닛 아래에 12V 배터리를 담고, 이 배터리로 주행 등에 필요한 전력을 공급받는데 마일드 하이브리드 시스템을 얹은 자동차는 12V 배터리 말고 추가로 48V 배터리를 품고 있다(참고로 렉서스 ES 300h의 배터리 전압은 245V다). 그런데 왜 48V 배터리일까? 배터리 용량이 크면 전기모터로 갈 수 있는 거리가 멀어지고, 당연히 연료 효율도 높아진다. 하지만 커다란 배터리를 넣을 공간을 따로 만들어야 하는 데다 안전과 관련된 부품이나 장치를 추가로 더해야 한다. 유럽연합(EU)은 인체에 안전한 전압의 상한선을 48V로 규정했다. 48V 배터리까진 따로 안전 관련 부품이나 장치를 더 하지 않고도 차에 적용할 수 있단 얘기다. 게다가 48V 배터리는 부피가 작아 기존 내연기관 자동차의 플랫폼에 쉽게 덧붙일 수 있다.

일반적인 하이브리드 자동차와 48V 마일드 하이브리드 자동차의 가장 큰 차이는 전기모터로만 달릴 수 있는 EV 모드의 유무다. 마일드 하이브리드 자동차는 배터리 용량이 적어 EV 모드가 없다. 그래서 실제로 운전하면 내연기관 자동차와의 차이를 거의 체감할 수 없다. 내연기관 자동차와 다른 점은 랜드로버 레인지로버 이보크는 5Ah 리튬이온 파우치 셀 14개가 붙은 48V 배터리를 운전석 뒤쪽 바닥에 깔고 그 앞에 컨버터를 배치했다. 48V 배터리와 컨버터는 엔진 아래에 있는 BiSG(Belt Integrated Starter Generator)와 연결돼 있는데 스톱 앤 스타트를 좀 더 늦추거나 시속 17km 이하로 속도를 줄일 땐 미리 엔진 구동을 멈춰 깨알같이 엔진 소모를 줄인다. 브레이크를 밟을 땐 에너지를 회수해 배터리에 저장하기도 한다. 랜드로버는 이보크의 48V 마일드 하이브리드 시스템 덕에 이산화탄소 배출량을 최대 8%, 연료 소모를 최대 6% 줄일 수 있게 됐다고 자랑했다. 4기통 터보 디젤 엔진을 얹은 이보크 D180 모델의 공인 복합연비(국내 기준)는 리터당 11.9km이며, 이산화탄소 배출량은 162g/km다. 토요타나 렉서스의 하이브리드 자동차와 비교하면 초라한 수준이지만 48V 배터리와 컨버터, 전기모터로 조금이나마 이산화탄소 배출량을 줄이고 연비를 높일 수 있다는 건 브랜드에겐 큰 소득이다. 기존의 엔진과 플랫폼을 그대로 활용할 수 있어 엔진과 플랫폼을 개선하거나 새로 개발하느라 비용을 들이지 않고도 강화되는 환경 규제에 대응할 수 있기 때문이다. 많은 자동차 브랜드가 서둘러 48V 마일드 하이브리드 시스템을 채용하는 것도 이 이유가 크다.

플러그인 하이브리드

플러그인 하이브리드 자동차는 일반 하이브리드 방식의 자동차와 같이 가솔린 엔진과 배터리를 결합한 비슷한 형태이지만, 외부 충전이 불가능하고 회생제동시스템을 이용한 배터리 충전만 가능한 일반 하이브리드 자동차와 달리, 이름 그대로 콘센트를 꽂아 외부 전력으로 전기 모터를 충전시킬 수 있다. 이렇게 충전된 전기로 주행하다가 충전한 전기가 모두 소모되면 가솔린 엔진으로 움직이는 방식으로 배터리가 중심이다. 플러그인 하이브리드 자동차는 전기 콘센트에 플러그를 꽂아 배터리를 충전한 뒤 배터리로 모터를 구동해 운행하다가, 전기가 떨어지는 시점에 석유엔진을 구동하기 때문에 일반 하이브리드 자동차보다 연비가 높은 편이다. 그뿐만 아니라 50~60km까지의 짧은 구간은 내연기관 가동 없이 배터리만으로도 운행할 수 있고, 내연기관 엔진과 배터리의 전기동력을 동시에 이용하므로 일반 하이브리드 자동차보다 진일보한 방식의 친환경 자동차로 평가받고 있다. 이 때문에 플러그인 하이브리드 자동차를 전기자동차로 가는 중간 단계로 보기도 한다. 플러그인 하이브리드 자동차의 가장 큰 장점은 급속 충전소가 필요 없고, 완속 충전으로도 내연기관과 함께 충분한 장거리 주행이 가능하다는 점이다.

플러그인 하이브리드 자동차는 전기모터로만 주행 가능한 순수 전기자동차(EV) 모드와 회생제동시스템을 사용하는 하이브리드 자동차(HEV) 모드로의 주행이 가능하다. 순수 전기자동차보다 주행거리가 길고, 전기를 메인으로 구동이 가능하니 하이브리드 자동차 보다 연료 소모가 적은 것이 특징이다. 전기자동차(EV) 모드는 배터리를 일정량 사용할 때까지 모터로만 주행하고, 하이브리드 자동차(HEV) 모드는 배터리를 일정 수준 유지하면서 엔진+모터로 주행한다. 플러그인 하이브리드 차량은 전기자동차(EV) 모드와 하이브리드 자동차(HEV) 모드를 모두 운용하기 때문에, 도로 상황과 운전자의 컨디션 등에 따라 자연스럽게 모드를 전환하는 것이 핵심이다. 전기자동차(EV) 모드로 주행하는 동안에도 급가속이 필요하면 엔진이 작동되도록 설계해 운전의 즐거움이나 위급 상황의 안전성까지 갖추고 있다.

배터리

플러그인 하이브리드 자동차에 사용되는 배터리는 하이브리드 자동차에 사용되는 것에 비해 출력은 조금 낮지만, 용량은 큰 중출력, 중용량의 특성을 가지고 있다. 보통 플러그인 하이브리드 자동차에는 약 300~500개의 배터리가 들어가고 15~60km까지는 순수한 전기모터의 힘으로만 달리게 되니 배터리의 용량이 커지게 된다. 그리고 이렇게 배터리의 용량이 커지고 기존 엔진도 같이 사용되면서 차체가 무거워질 수 있어서 플러그인 하이브리드 차량에는 경량화 소재가 많이 사용된다.

OBC

OBC

플러그인 하이브리드 자동차는 전기 충전 방식을 사용할 수 있는 자동차이다. 따라서 220V AC에서 차량의 모터를 구동시켜주는 고전압 배터리로 충전할 수 있는 충전장치가 필요하며, 이와 같은 플러그인 하이브리드 자동차의 전력시스템을 OBC (On Board Charger)라 한다. OBC는 크게 3개의 부분으로 나눌 수 있다.

• 역률 조정(PFC) : 220V AC가 브릿지 다이오드를 통해 전파 정류되며, 정류된 전압은 부스트 컨버터 회로를 통해 승압된다.
• 풀 브리지 컨버터(Full bridge converter) : 풀브릿지 회로를 통해 고주파의 AC로 변환시킨다. 고주파의 교류 전압은 트랜스포머를 통해 고전압으로 변압한다. 변압기를 사용함으로써 220V AC와 고전압 배터리를 물리적으로 절연시킬 수 있다.
• 풀 브리지 정류기(Full bridge rectifier) : 고전압 교류는 풀브릿지 회로를 통해 정류되며, 정류된 파형은 LC 필터 회로를 통해 DC 전압으로 변환되어 배터리에 충전된다.

LDC

LDC

또한, 고전압 배터리에서 12V 저전압 배터리로 변환시켜 주기 위한 컨버터 시스템이 필요한데 이것을 LDC (Low voltage DC-DC Converter)라고 한다. 자동차의 대부분 부품들 (전조등, 와이퍼, 펌프, 제어보드 등) 은 12V에서 동작한다. 기존의 엔진이 있는 자동차는 엔진이 발전기 역할을 하여 12V를 생성하였지만 PHEV나 EV는 고전압 배터리에서부터 저전압으로 변환시켜 준다.

• 풀 브리지 컨버터(Full bridge converter) : DC 전압을 풀브릿지 회로를 통해 고주파의 AC로 변환한다. OBC와 마찬가지로 트랜스포머를 통해 저전압으로 변압하며, 고전압 배터리와 저전압 배터리를 절연시킬 수 있다.
• 중간 탭 정류기(Center-tap rectifier) : 교류를 정류시킨 뒤 LC 회로를 통해 저전압 배터리에 충전된다.

참고자료

• 〈하이브리드 자동차〉, 《나무위키》
• 〈하이브리드 자동차〉, 《리브레 위키》
• pmg 지식엔진연구소, 〈하이브리드카〉, 《네이버 지식백과》, 박문각
• 디지털뉴스팀 이다일 기자 〈하이브리드 자동차의 역사〉, 《경향신문》, 2011-03-18
• 〈하이브리드 자동차, 그 역사의 시작...포르쉐〉, 《아레나》, 2014-12-05
• 장인손길, 〈하이브리드 자동차 원리와 구조 및 장단점 – 하이브리드 종류〉, 《네이버 블로그》, 2015-11-26
• 슈어소프트테크, 〈하이브리드 자동차의 종류와 구동원리〉, 《네이버 블로그》, 2017-12-07
• 송준호, 〈하이브리드 자동차에 대하여 알아보자〉, 《모토야》, 2017-07-11
• 리스패치, 〈하이브리드카 역사의 시작 도요타 프리우스〉, 《네이버 블로그》, 2017-07-25
• 슈어소프트테크, 〈플러그인 하이브리드 자동차 특징〉, 《네이버 블로그》, 2018-01-23
• 꿈틀, 〈하이브리드 자동차의 원리〉, 《네이버 블로그》, 2018-07-31
• 권대용 팀장, 〈풀 하이브리드 자동차!〉, 《네이버 블로그》, 2019-06-12
• 〈마일드 하이브리드가 뭐예요?〉, 《모터트렌드》, 2019-08-22
• 소년감성, 〈하이브리드 자동차 장단점 제대로 알아보자〉, 《티스토리》, 2020-02-18
• 이근우 기자, 〈현대차 ‘그랜저’, 국내 하이브리드 판매 1위…기아차 ‘쏘렌토’ 2위〉, 《대한경제》, 2020-11-08
• 이하나, 〈하이브리드 자동차란 무엇일까요?〉, 《타고》, 2020-12-07
• 김서현, 〈내연기관 자동차의 종류〉, 《타고》, 2020-12-28

같이 보기

• 하이브리드
• 자동차
• 플러그인 하이브리드 자동차
• 마일드 하이브리드 자동차
• 전기자동차
• 내연기관 자동차
• HEV

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