개요
차량에 적용될 에너지원과 주요 성능 목적에 따라 다양한 구조를 가질 수 있다. 그에 따라 에너지의 흐름도 변화하게 된다.
우리나라에서는 동력전달방식에 따라 엔진이 주 동력원인 PHEV와 HEV를 하나로 묶어 하이브리드 자동차라고 부른다. 그리고 순수 배터리와 모터로 구동하는 BEV로 나눠 구분짓는 경향이 있다.
하지만 세계적으로는 동력 공급방식에 따라 전기를 충전하는 BEV, PHEV, REVE를 하나로 묶어 PEV(Plug-in Electric Vehicle)로 부르는 경향이 있다.
그런 면에서 수소전기차의 동력전달 방식은 BEV와 같지만 에너지원은 수소이기 때문에 새로운 범주의 자동차라 볼 수 있다.
이번 글에서는 하이브리드차량(HEV)의 특징과 구성에 대해 한번 알아보자.
1. 하이브리드(HEV) 자동차의 종류 및 특징
1) 하이브리드 자동차(HEV)
엔진과 모터를 이용하여 동력을 공급한다. 엔진 효율이 낮은 스타트~저속 구간에서는 전기모터를 이용해 속도를 올리고 고속구간 혹은 큰 힘임 들어가는 구간에서 엔진이 개입하여 차를 움직인다.
엔진과 모터 2개를 가진 하이브리드 차량은 동력보조기능을 사용한다. 동력보조기능은 HEV와 같이 동력원이 2개 이상인 차량에서 보조 동력원을 이용해 주 동력원의 작동 효율을 높이는 기술을 말한다.
2) 플러그인 하이브리드 (PHEV - Plug in HEV)
전기충전이 가능한 하이브리드 자동차이다. 기름과 배터리 전기 2가지의 장점을 동시에 쓴다. 내연기관 차량에서 전기차로 가는 중간단계에 있는 대표적인 차로 볼 수 있으며 PHEV 혹은 플러그인 하이브리드 자동차라고 부른다.
PHEV 이외에 EREV (Extended Range EV)도 있다. PHEV가 내연기관에 더 의존했다면 EREV는 전기차 쪽에 더 초점을 둔 충전 가능한 하이브리드 차량으로 볼 수 있다.
두 차종이 나왔을 초기에는 개념 구분이 어려웠다. 그래서 2012년 California Air Resources에서 그 기준을 정의하게 된다.
배터리로 주행이 120km 이상이면 EREV, 미만이면 PHEV로 기준을 잡게 되었다. 지금까지 시판되는 제품을 보면 EREV보다는 좀 더 엔진 주도의 성능을 내는 PHEV가 더 대세인 것 같다.
2. 하이브리드 자동차의 장점 및 특징 1 - 엔진 최적운전
하이브리드 차량은 내연기관차 특징과 배터리 전기차의 특성을 동시에 가진 것이 가장 큰 장점이다. 엔진과 모터를 동시에 운용하여 둘의 시너지를 키우는 것이다.
즉, 엔진과 모터 2가지 기술을 혼합하여 단점은 최소화하고 장점은 극대화하는 것이 하이브리드 차량이다. 하이브리드라는 말 뜻 자체가 어떤 2가지 이상의 혼합한 것이라는 의미를 생각해보면 이해가 더 쉬울 것 같다.
엔진은 저속에서 낮은 효율, 고속에서 높은 효율을 낸다. 반대로 모터는 상대적으로 저속에서 높은 효율, 고속에서 낮은 효율을 보인다. 따라서 하이브리드 차량은 저속에서는 모터, 고속에서는 엔진을 이용해 각각의 부품이 최고 효율을 내는 지점을 유지하도록 주행한다.
엔진이 고효율점에서 계속 운행이 가능하도록 하기 위해 운행 중 모터의 토크를 이용하여 엔진을 고효율점에 머무르게 한다.고효율점을 위한 토크가 부족할 때는 모터가 엔진을 보조하여 차량을 밀게 되고, 고효율점 대비 엔진 토크가 과할 시에는 엔진 토크를 모터로 순환시켜 전기에너지를 충전하게 된다.
그 대표적인 기술로 STOP&GO 기능이 있다. STOP&GO 기능은 신호대기 중인 상황에서 엔진을 끄고 출발 시 모터로 가속하는 기능이다. 정차 중 엔진 손실을 없애고 초반 가속 효율을 극대화했다. 게다가 모터의 빠른 반응성으로 차량의 동적 움직임을 향상시켰다.
3. 하이브리드 자동차의 장점 및 특징 2 - 회생제동과 배터리 용량
1) 회생제동 기능
사실 하이브리드 차량과 내연기관 차량의 기능 중 가장 두드러진 차이점 중 하나가 회생제동기술이다. 회생제동은 전기의 핵심적인 기술 중 하나로 차량의 운동에너지를 마찰 에너지로 손실시키지 않고 배터리의 전기에너지로 치환하여 전체 효율을 높이는 기술이다.
운전할 때는 배터리에서 전력을 받아 모터가 차를 밀어주게 되고, 정차 시에는 차량의 운동에너지를 전기에너지로 바꾸어 배터리를 충전하게 된다. 이는 모터-배터리에 의한 전기차의 특징으로 내연기관 차량으로는 구현 불가능한 기술이다. 이로 인해 가감속에 따른 에너지 손실을 최소화하여 연비를 올릴 수 있게 된다.
물론 그렇다고 100% 다 회생제동으로 전기에너지 변환이 이뤄지는 건 아니다. 하이브리드 차량뿐만 아니라 전기차 또한 순수 회생제동만 쓰게 될 경우 차체가 불안정해져서 사고로 이어질 수도 있다. 때문에 모터와 배터리가 허용 가능한 회생제동을 넘어서게 되면 기존 브레이크 디스크가 바퀴를 잡아 마찰력으로 차량을 제동하게 된다.
2) 배터리 용량
내연기관차량이 전기차의 특성을 내는데 필요한 모터의 출력과 배터리 용량이 낮아도 충분한 효과를 낼 수 있기 때문에 제조단가에서도 장점이 크다.
대표적으로 아이오닉 하이브리드 초기 모델을 보면 배터리 용량은 1.56kWh로 보통의 전기차 배터리 40~60kWh 이상의 용량과 비교하면 전기차 기준 주행시간이 5분 남짓에 불과하다. 하지만 이 정도 용량으로도 하이브리드 자동차로서의 주행력 확보는 충분하기에 비싼 배터리에 대한 가격 경제력도 갖출 수 있다고 볼 수 있다.
하이브리드에서 전기차 특성을 더 살려 전기모드를 발전시킨 것이 PHEV (플러그인 하이브리드)이다.
예전 PHEV인 아이오닉의 경우 배터리 용량이 8.9kWh로 전기모드 주행거리가 45km 수준이었다. 대부분의 운전자들이 하루 평균 40km 수준을 운전한다는 것을 감안해보면 값싼 전기를 일상에서 사용하며, 장거리 운전 시 내연기관을 쓰는 전략을 고루 사용할 수 있다.
이 외에도 차종에 따라 다르지만 하이브리드 차량은 일부 전기차보다 생산-폐기에 이르는 과정을 포함한 친환경 분석을 하면 오히려 전기차보다 더 낮은 CO2 배출량을 보인다.
실제로 아이오닉 하이브리드, 코나EV, 테슬라 Model X를 LCA(Life Cycle Asessment)분석을 각각하여 비교하면 아이오닉 하이브리드가 가장 CO2 배출량이 낮은 결과를 보였다. 이에 대해서는 다른 글에서 자세히 알아보도록 하자.
4. 하이브리드 자동차의 단점
하이브리드 차량의 단점은 별로 없다. 왜냐하면 내연기관의 장점과 전기차의 장점을 잘 혼합한 기술이기 때문이다. 굳이 단점을 뽑으면 내연기관과 전기차부품이 모두 들어가다 보니 차량이 무거워지고 부품수 증가 및 제어의 복잡성이 커진다는 것에 있다.
전기차와 내연기관차는 각각 장단점이 뚜렷하기 때문에 서로 조합해서 쓰기에 매우 유용한 기술이라 볼 수 있다.
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