하이브리드 자동차의 개념과 특징

[운영자]

‘하이브리드 자동차’

 오늘은 일반차량에 비해 유해가스 배출량을 줄이고 연비를 향상시킨 차세대 환경자동차 하이브리드 자동차의 개념과 특징에 대해 쉽게 알아보자.

1. 하이브리드 자동차란?

 하이브리드 자동차는 ‘잡종, 혼혈’ 등을 의미하는 단어 뜻 그대로 두 가지의 동력원을 함께 사용하는 차를 말한다. 가솔린엔진과 전기모터, 수소연소엔진과 연료전지, 천연가스와 가솔린엔진, 디젤과 전기모터 등  두 가지 이상의 구동장치를 동시에 탑재한 자동차다.

가장 일반적 사례는 전기자동차의 방식인 전기모터와 화석연료 자동차의 핵심인 가솔린엔진을 같이 쓰는 경우다. 즉, 협의적으로 하이브리드 자동차란, 화석연료 자동차와 전기자동차의 중간형태로, 두 자동차의 장점들을 절충한 차라 할 수 있다.

하이브리드 자동차로는 일본 도요타의 프리우스와 혼다의 인사이트가 가장 잘 알려져 있다. 프리우스는 1997년 도쿄 모터쇼에서 처음 선보였고, 세계 최초로 양산화에 성공했다. 이후 하이브리드 자동차는 도요타, 혼다 등 일본 차 업계가 개발을 주도해 왔다.

 한편, 국내에서도 2009년 현대자동차가 처음으로 아반떼 LPI 하이브리드를 출시했으며, 기아자동차의 포르테 LPI 하이브리드, 이후로도 소나타, K5 등 여러 종류의 하이브리드 자동차가 등장했다.

앞서 설명한 프리우스가 워낙 트렌드를 주도했고, 이렇다 할 경쟁상대가 없던 탓에 일부 사람들은 하이브리드 자동차의 시작이 프리우스인 것으로 알고 있다. 하지만 실제로 최초의 하이브리드 자동차는 이보다 앞선 1899년에 만들어졌다.

프리우스보다 무려 100년 앞선 이 자동차는 페르디난드 포르쉐 박사에 의해 만들어진 믹스테이다. 프랑스어로 ‘혼합된’이란 뜻으로 4개의 바퀴마다 전기모터, 충전기를 내장해 각각의 바퀴가 독립 구동된다. 가솔린 엔진을 탑재했지만 전기 충전 용도로만 사용했다.

놀라운 사실은 전기자동차도 당시에 등장했다는 것이다. 1899년 3월 벨기에 레이서 카밀 제넷지는 제니스 콘텐티라는 전기차를 타고 기록을 달성했으며, 에디슨은 1913년에 전기자동차와 사진을 찍기도 했다. 하지만 미국 텍사스에서 원유가 발견되며 가솔린 엔진의 시대로 급격하게 변화하자, 전기차와 함께 하이브리드 자동차 역시 각광받지 못했다.

1974년, 미국 전기 기사인 빅터 우크는 친구인 화학자 찰스 로젠과 함께 페트로-일렉트릭 모터스사를 설립하고, 뷰익 스카이락을 하이브리드 자동차로 개조한다. 하지만 미국 주요 자동차 제조사와 환경 보호국은 관심을 보이지 않아 결국 이들은 회사를 해체시킨다.

그렇게 미국은 물러섰지만, 그 과정에서 바짝 긴장했던 일본이 하이브리드 자동차를 개발한다. 이후 일본 차 업계가 하이브리드 자동차 개발을 주도해 왔다. 하지만 2013년 핵심 기술을 독점해 온 도요타의 특허가 대거 만료되면서 중국 후발업체들이 저가 승용 하이브리드 양산에 나서는 등 시장 경쟁이 치열해지고 있다.   

2. 하이브리드 자동차의 원리

    

 기존 자동차는 엔진의 힘을 그대로 변속기가 증폭해 바퀴로 전달했으나, 하이브리드 자동차는 엔진과 변속기 사이에 회전속도가 좋은 전기모터와 대규모 배터리가 존재한다. 이외에도 전기 케이블, 전력·모터 제어 모듈, 배터리 컨디션 모듈 등으로 구성되어 있다.

하이브리드 자동차는 차량속도나 주행상태에 따라 엔진과 모터의 힘을 적절하게 제어해 효율성을 극대화시킨다. 전기모터로 시동을 건 뒤 일정한 속도가 붙을 때까지 전기모터가 엔진의 보조동력으로 작동한다. 감속할 때는 차량의 운동에너지가 배터리에 저장되고, 신호대기 등으로 정차할 경우 엔진이 정지되면서 연료를 절감하는 것이다.

하이브리드 시스템의 대부분을 구성하는 혼합식 하이브리드 시스템의 작동원리를 더 자세히 살펴보자. 자동차가 출발할 때는 엔진은 작동하지 않으며, 오직 모터2만이 구동된다. 구동력은 배터리 → 인버터(교류를 직류로, 직류를 교류로 변환) → 모터2 → 종감속/차동기어 → 바퀴로 전달된다.

모터2에 의해서만 구동되는 동안에, 주행에 필요한 토크가 상승하면 모터1이 엔진을 시동한다. 또 엔진은 배터리의 충전상태 또는 배터리온도가 규정값 범위를 벗어나면 시동된다. 이후 모터1은 발전기로 전환된다. 즉, 모터1에서 생산된 전기에너지는 인버터를 거쳐 배터리에 저장된다.

저부하 주행 상태에서는 엔진의 구동력이 분할된다. 일부는 바퀴를 구동시키는데 사용되고, 나머지는 모터1이 전기를 생산하는데 사용된다. 반면 가속 시에는 엔진도 최대출력으로 운전되고 동시에 모터2도 배터리로부터 추가로 에너지를 공급받아 최대 구동력으로 바퀴를 구동하게 된다.

자동차를 제동하면 엔진은 자동적으로 작동을 중단한다. 이제 바퀴가 모터2를 구동한다. 그러면 모터2는 발전기로서 기능하게 된다. 모터2가 생산한 전기는 인버터를 통해 배터리에 저장된다. 후진할 경우에는 모터2에 의해서만 구동된다.
 

3. 하이브리드 자동차의 특징

하이브리드 자동차는 연비가 2배 가량 우수하고 유해가스를 기존 차량보다 90%이상 줄일 수 있다. 또한 엔진이 가동됨과 동시에 모터가 보조동력으로 작동하므로 가속성을 증가시키며, 주행 중 자체 발전기로 배터리를 충전하기 때문에 별도의 충전소가 필요 없다.

그러나 기존 엔진에 모터까지 탑재되고 배터리도 얹어야 하므로 부품 수가 늘어나 생산원가가 높고, 차도 무거워진다. 또 기존의 차보다는 덜 하지만 오염 물질이 발생한다. 따라서 진정한 의미의 친환경차라고 할 수 없으며, 친환경차로 넘어가는 중간 단계라고 할 수 있다. 

하이브리드 시스템에는 직렬식, 병렬식, 혼합식이 있다. 직렬 및 병렬식은 하나의 모터가 발전과 구동을 모두 담당하는 방식이다. 이 방식은 엔진과 모터의 힘이 중복되지 않아 엔진 출력+모터 출력이 그대로 최고출력이 된다. 그러나 정체구간에서 낭비되는 힘을 배터리에 제대로 담아내지 못해 연비가 더 떨어지게 되는 단점이 있다.

대부분의 시스템은 혼합식이다. 엔진 1대와 모터 2개로 구성된다. 두 개의 대용량 모터를 사용하면 강한 힘을 낼 수 있고 발전용 모터의 효율도 높다. 그러나 차의 무게가 무거워지고 시스템이 복잡해지며, 엔진과 모터의 힘이 중복돼 엔진과 모터 출력을 더한 값보다 전체 출력이 떨어지게 된다.

마무리

    

 일반적으로 친환경차로 분류되는 차들을 그린카라고 한다. 녹색성장위원회는 전기차(EV), 플러그인 하이브리드차(PHEV), 하이브리드차(HEV), 연료전지차(FCEV), 클린디젤차(CDV)의 5가지로 분류한다.
또한 시장점유예상 자료에 따르면 2020년까지 클린디젤차와 하이브리드차가 주를 이룰 것으로 전망된다.

도요타 수석 엔지니어는 “전기차가 지금의 가솔린 자동차만큼 주행할 수 있다면 우리는 하이브리드를 만들지 않았을 것이다”고 말한다. 주행거리와 배터리 문제로 현재 기술로는 하이브리드 자동차가 실용적이다. 하지만 수익이 많이 나지 않기 때문에 정부보조금 같은 지원책이 절실한 자동차이기도 하다.

출처 : 휠라이프