자동차 하이브리드의 종류와 장단점

 

2024년 국산 하이브리드 차량 연비 순위는?

 

 

하이브리드 차량을 생각한다면 제일 먼저 떠오르는 차량이 바로 도요타의 프리우스입니다. 실제로 도요타 프리우스는 최초의 하이브리드 자동차는 아니지만, 상업적으로 성공을 거둔 최초의 현대식 가솔린-전기 자동차라고 할 수 있는데요, 프리우스는 하이브리드 자동차의 개념을 대중에게 널리 알린 것뿐만 아니라, 도요타의 두 모터 동력 분할 병렬 하이브리드 시스템을 업계에 소개하는 데 중요한 역할을 했습니다.

한번 살펴보도록 하겠습니다.

 

병렬 하이브리드 시스템[Parallel Hybrids]

대표적인 차량 : 소나타 하이브리드, K5 하이브리드, 도요타 프리우스, 혼다 어코드 하이브리드

 

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병렬 하이브리드 시스템에서는 엔진과 전기 모터가 함께 또는 개별적으로 바퀴에 동력을 공급할 수 있는데요, 1997년 일본 시장에서 처음 도입된 도요타 프리우스의 시스템은 엔진과 앞바퀴 사이에 두 개의 모터를 사용하며, 소형 배터리 팩(0.8~1.4킬로 와트시)으로 구동시켰습니다.

 

"동력 분할(Power Split)"이라는 개념은 두 동력원이 결합하여 바퀴에 단일 토크를 제공한다는 것을 의미하는데요, 저속에서 가벼운 부하가 걸릴 때는 엔진이 꺼진 상태에서 하나 또는 두 개의 모터가 차량에 동력을 공급할 수 있으며, 더 많은 동력이 필요할 때는 엔진이 작동하여 단독으로 차량에 동력을 공급하거나, 엔진과 모터의 조합으로 동력을 제공할 수 있습니다.

 

이 시스템의 핵심은 차량이 감속하거나 브레이크를 사용할 때 모터를 발전기로 전환하여 회생 제동을 통해 에너지를 회수한다는 것입니다. 이상적인 상황에서는 차량에 공급되는 동력 소비의 최대 30%를 회수할 수 있으며, 이는 Toyota 프리우스와 같은 모델의 실제 연비에 반영됩니다 (갤런당 40~55마일 / 17~23km/L). 특히 시내 주행에서는 전기 모드로 주행할 수 있는 정차 및 저속 이동 구간이 많아서 효율성이 매우 높죠.

 

두 개의 전기 모터와 엔진은 유성 기어 세트를 통해 기존의 변속기를 대체하여 연결됩니다. 이 시스템은 지속적으로 기어 비율을 조정할 수 있어 차량의 제어 알고리즘이 매초마다 배터리와 엔진에서 추출하는 전력을 조절하여 전력 사용을 극대화하고 연료 소모를 최소화 하죠.

 

도요타는 상황에 따라 한 모터가 차량에 동력을 공급하는 동안 다른 모터는 엔진 동력을 이용하여 배터리를 충전할 수 있는 시스템을 개발했는데요, 이 기술은 30년 가까운 개발 경험을 바탕으로 매끄럽게 전환되는 소프트웨어 알고리즘을 구현하고 있으며, 최근에는 기술의 발전으로 운전자와 승객이 엔진의 작동 여부를 알 수 없을 정도로 정숙성을 나타내고 있습니다.

 

 

직렬 하이브리드 시스템[Series Hybrids]

대표적인 차량 : BMW i3 REX, 쉐보레 볼트 EV, 혼다 CR-Z

 

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직렬 하이브리드는 더 간단한 개념을 가지고 있는데요, 배터리가 제공할 수 있는 전력보다 더 많은 전력이 필요할 때마다 가솔린 엔진이 작동하여 발전기로 전력을 공급합니다. 이 과정에서 핵심은 엔진의 토크가 발전기를 통해 전기로만 작동하는 모터에만 전달된다는 점입니다. 바퀴에는 직접적으로 기계적으로 연결되지 않습니다.

 

엔진은 사전 설정된 속도에서 가장 효율적으로 작동할 수 있는 특정 차량 속도에서 가장 적합한데요, 일반적인 승용차의 전력 요구는 정속 주행에서부터 최대 가속까지 매우 넓기 때문에 배터리에 부담을 줄 수 있는 단점도 있습니다. 직렬 하이브리드는 이러한 이유로 일반적으로 더 큰 배터리 용량을 필요로 하죠.

 

미국에서는 BMW i3 REx와 같은 모델처럼 배터리 전기 모델에 2 기통 엔진을 추가한 차량들이 있습니다. 또한 Fisker Karma 및 그 후속 모델인 Karma Revero와 GS-6 같은 세련된 4 도어 럭셔리 세단, 그리고 곧 출시될 Ram 1500 Ramcharger 같은 풀사이즈 픽업트럭 등 소수의 직렬 하이브리드 차량이 판매되었습니다.

 

 

플러그인 하이브리드 시스템[Plug In Hybrids]

대표적인 차량 : 현대 아이오닉, 기아 니로, 미쓰비시 아웃랜더, 볼보 XC60 T8 Rechage, 벤츠 C350e

 

플러그인 하이브리드는 일반 하이브리드보다 큰 배터리를 장착하고 전기 충전을 위해 플러그를 사용할 수 있는 차량인데요, 이를 통해 일정 거리 동안은 전기 모드로 운행할 수 있는 가장 대중화된 시스템입니다. 최신 모델인 2024년형 플러그인 하이브리드 차량은 EPA에 따라 최소 7마일(11km)에서 최대 51마일(82km)의 전기 주행거리를 제공하고 있죠.

 

쉐보레는 2011년부터 2018년까지 제조한 볼트를 통해 플러그인 하이브리드 개념을 대중화했습니다. 이 PHEV 볼트는 배터리만으로 주행하거나 배터리 충전량이 소진된 후 일반 하이브리드 모드로 전환하여 거의 동일한 성능을 제공했습니다. 다른 플러그인 하이브리드 차량들은 종종 전기 모터보다 강력한 엔진을 탑재하고 있습니다. 추가 전력이 필요할 때 엔진을 작동해야 합니다. 배터리 크기가 증가함에 따라 전기 주행거리가 늘어나지만, 이를 위해 더 큰 배터리 용량이 필요한데요, 예를 들어, 40마일(64km)의 전기 주행거리를 위해서는 10마일(16km) 보다 큰 배터리가 필요합니다.

 

현재 모든 플러그인 하이브리드는 도요타의 프리우스 프라임과 RAV4 프라임, 그리고 현대 및 기아의 다양한 PHEV 모델을 포함한 파워 스플릿 하이브리드를 사용하고 있습니다. 반면 스텔란티스는 기존의 플러그 없는 하이브리드 차량을 제공하지 않으며, 크라이슬러의 퍼시피카 하이브리드와 지프 4xe 하이브리드 라인업은 모두 플러그인 하이브리드 차량으로 구성되어 있습니다.

 

자동차 제조업체들은 플러그인 하이브리드를 통해 새로운 배터리 전기차를 설계하는 데 드는 비용을 절감하면서도 무공해 차량 요구 사항을 충족시킬 수 있는 방법으로 간주하고 있습니다. 이러한 차량들은 일반적으로 10.0~25.0 kWh의 배터리 팩을 사용하며, 전기차에 필요한 60.0~100.0 kWh의배터리 팩보다 상대적으로 적은 용량을 갖추고 있습니다. 그러나 PHEV가 플러그를 사용하지 않고 주행할 경우, 결국 추가적인 전기 충전 없이 기존 하이브리드 차량으로 운행될 수 있습니다. 이로 인해 더 무거운 차체와 더 많은 엔진 가동이 필요할 수 있어, 실제로는 더 많은 공해를 발생시킬 수 있다는 단점도 존재합니다.

 

마일드 하이브리드 시스템[Mild Hybrids]

대표적인 차량 : 도요타 캠리, 혼다 어코드, 현대 투싼

 

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마일드 하이브리드 시스템은 전기 모터만으로는 차량을 완전히 추진하기에는 부족한 경우에 사용되는데요, 일반적으로 48V 전압을 사용하며, 엔진과 변속기 사이에 위치하거나 통합 스타터-제너레이터 시스템의 일부로 구성될 수 있습니다. 이 시스템은 연비 개선 효과가 상대적으로 적고, 때로는 "하이브리드"라는 이름으로 판매되지 않을 수 있습니다.

 

실제로 볼보 차량들에 적용된 마일드 하이브리드 시스템은 기존 내연기관 모델에 비해 약간의 연비 개선 효과(약 0.1 정도)만을 보여줍니다. 반면, 벤츠와 BMW는 마일드 하이브리드 시스템이 도입된 차량에 별도의 이름을 붙이지 않고 있습니다.

 

물론 마일드 하이브리드 시스템에서도 과도한 엔진 출력 및/또는 회생 제동으로 회수한 에너지를 저장하기 위해 소형 배터리 팩이 필요합니다. 이 시스템은 모터가 효과적으로 엔진에 부스트를 제공하여 다운시프트를 피하고 연료를 절약하는 방법으로 기능합니다.

 

 

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