개요
하이브리드 차량은 내연기관 차량에서 배터리와 모터가 추가된 구조이다.
기존 내연기관 차량과 마찬가지로 주 동력원은 엔진이며 기름을 이용하여 토크를 발생시킨다. 그리고 엔진 옆에 붙어있는 모터는 엔진을 보조하여 동력을 발생시키거나 브레이크를 보조하여 회생제동을 일으켜 전기에너지를 발생시킨다. 배터리는 모터에서 발생된 전기에너지를 저장하여 모터를 가동시키고 차량의 연비를 올리게 된다.
하이브리드의 주행 전략은 위 그림과 같이 저속에서 모터를 이용해 출발한다. 그리고 고속 혹은 큰 토크가 필요할 때 엔진이 개입하여 힘을 내고 정속으로 등속 주행 시에는 모터를 이용해 주행하게 된다. 마지막으로 감속을 할 때는 모터가 회생제동을 하여 배터리를 충전시키며 차를 멈추게 된다.
하이브리드 차량의 구조
하이브리드 차량은 모터와 배터리의 장착 위치에 따라 형태가 바뀌는데 크게 직렬형, 병렬형, 동력분기형으로 나눌 수 있다.
자동차 제조사 별로 각기 다른 스타일의 구조를 채택하고 있으며 각각의 구조에는 장단점이 있다. 구조의 종류로는 크게 4가지로 나뉘는데 직렬형, 병렬형, 동력분기형, 멀티모드 시스템이 있다.
현대기아차(아이오닉)는 병렬형을, GM(볼트)은 멀티모드(동력분기형+병렬형), 도요타(프리우스)는 동력분기형을 채택하여 개발했다. 직렬형은 단일 사용 시 단점이 많아 다른 형에서 추가 모드로 쓰이고 있다.
최근 들어 최고 연비차량에서 현대기아차의 아이오닉, 니로 등이 상위권에 머물게 되면서 기술 추세가 병렬형 구조로 넘어가는 모습이 보인다.
1) 직렬형 - 구동모터를 통해서만 차량 추진, 제동
엔진이 작동하면 발전기로 쓰이며 이때 발생한 전기는 배터리를 충전시키거나 모터 구동에 쓰인다. 사실상 엔진을 동력원이라기 보다는 배터리 충전용 발전기로 보면 될 것 같다.
장점
-. 시스템이 간단하며 제어가 용이하다.
-. 엔진을 최적점에서 수월하게 운행할 수 있다.
단점
-. 충분한 동력을 내기 위해서 큰 모터가 필요하다. 이는 무게와 재료비의 증가로 이어진다. 단일 모터로만 차량을 움직여야하기 때문이다.
-. 엔진 발전 → 배터리 충전 과정에서 동력변환 손실이 빈번하게 발생한다. 단점 때문에 혼자 쓰이기보다는 멀티모드 시스템에서 하나의 모드로 사용되곤 한다.
2) 병렬형 - 엔진, 모터 동시에 차량에 연결되어 동력 전달
현대차가 채택한 구조로 엔진과 모터가 동시에 차량에 연결되어 동력을 전달하는 방식이다.
장점
-. 엔진도 동력원이기 때문에 직렬형과 다르게 작은 모터로도 하이브리드 구성이 가능하다.
-. 엔진의 동력전달 효율이 좋은 엔진의 토크 작동점에서 운전이 가능하다.
-. 기존의 내연기과 변속기 등을 그대로 사용 가능한 장점이 있다.
단점
-. 엔진의 구동축 종속으로 작동점이 제한된다.
-. 변속장치로 인해 직렬형보다 복잡한 구조를 가지게 된다.
모터의 위치에 따라 병렬형 구조를 다시 나눌 수 있는데 그 구조는 아래와 같다.
3) 동력분기형
도요타 프리우스에 채택된 구조로 엔진과 모터의 출력을 유성기어를 통해 구동축으로 전달하는 구조이다. 도요타의 프리우스가 동력분기형을 적용하였다. 하이브리드와 전기차 모드 둘 다 운용이 가능하다. 그러나 변속을 위해 2개의 모터가 항상 작동해야 한다는 점 때문에 고속주행 시 동력순환손실이 발생하여 효율이 낮아진다.
한때 하이브리드 쪽에서 우위를 점하기도 했으나 아이오닉이 병렬형을 채용하고 연비에서 비교우위를 보여주며 현재는 2개의 기술이 경쟁하고 있다.
동력분기형 하이브리드에서는 유성기어가 핵심적인 역할을 한다. 유성기어는 링/피니언/케리어/선 기어로 이루어진다.
장점
-. 시스템 자체가 변속기에 비해 간단하고 CVT처럼 작동하여 엔진의 효율을 높일 수 있다는 점이 있다.
단점
-. 고속 주행시 동력순환의 손실이 발생한다. 이 때문에 엔진의 작동 효율이 떨어지는 문제가 있다.
4) 멀티모드시스템
GM이 채택한 시스템으로 차량 효율을 높이려는 관심에서 탄생했다. GM의 멀티모드는 유성기어를 이용해서 동력분기형과 병렬형을 상황에 따라 변환하며 차량을 운행하게 된다. 하이브리드시스템 구조의 하이브리드라 할 수 있다.
2개의 유성기어를 통해 동력분기형과 병렬형 하이브리드 시스템을 모두 쓸 수 있게 되면서 유리한 상황에 맞춰 모드를 바꾸며 운행한다. 이 방식은 캐딜락에서도 사용 중이며 3개의 유성기어를 이용하여 11개 모드를 구현하는 하이브리드 시스템을 사용 중에 있다.
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