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AUTO

하이브리드 자동차란 무엇인지 알아보자!

by 배고픈험블 2016. 6. 9.

※ 아래의 글은 모터리안의 박기돈 기자의 글과 나무위키의 글을 바탕으로 쓰여진 글입니다. 


폭스바겐이 터트린 희대의 스캔들인 '디젤 게이트' 이후로 정부가 나서서 디젤 때리기에 나섰다. 그동안 세단이고 SUV고 할 거 없이 올라만 가던 디젤의 인기에 철퇴를 맞은셈. 자연스레 디젤 차량의 판매량은 줄어들고 현대의 아이오닉, 기아의 니로를 앞세워 가솔린의 정숙함과 디젤의 연비까지 가지고 있는 '하이브리드' 차량에 대한 관심이 높아지고 있는 상황이다. 과거 토요타와 렉서스의 전유물이던 하이브리드는 최근 현대기아자동차의 기술 개발로 국내 자동차에서도 만나볼 수 있기 되었다. 앞으로 수소,전기차량이 본격적으로 상용화되기 전까지 가교 역할을 할 것으로 보이는 하이브리드 차량에 대해 알아보도록 하자.


몬스터 프리우스.... 하이브리드라고 이런건 아니다.



하이브리드 자동차란 무엇인가요?


하이브리드 자동차란 일반적인 엔진과 전기모터를 함께 장착한 자동차를 말한다. 일반적으로 가솔린 엔진과 전기모터의 조합이 주를 이룬다. ( 디젤이나 가스 자동차도 하이브리드 자동차가 있지만 그 판매량이나 시장에서의 반응이 유의미한 수준이 아니기에 언급하지 않겠다. )


쉽게 말해서 자동차가 움직이면서 기존의 내연기관에서는 손실되었던 에너지를 전기에너지로 변환해서 자동차 내부의 배터리에 저장, 그것을 이용해서 자동차의 구동을 돕는 시스템이라고 할 수 있다. 일반적으로 브레이크를 밟을때 브레이크 패드가 마찰되면서 운동에너지가 열에너지로 바뀌며 손실되는데 반해 하이브리드의 경우 브레이크를 밟을때의 에너지를 전기에너지로 바꾸어 저장해둔다. 이 외에도 엑셀을 밟다가 뗄 때 라던지, 내리막 길을 내려갈 때 전기에너지를 저장할 수 있다고 한다. 


하이브리드의 종류에는 크게 3가지, 풀 하이브리드, 마일드 하이브리드, 플러그인 하이브리드 등이 있다.


풀 하이브리드란 무엇인가?


▲ 토요타 프리우스의 하이브리드 엔진-모터-변속기 세트. 직병렬 하이브리드에 해당하며 모터 단독 작동을 위한 클러치가 있다. 53㎾. 적용 예시: 토요타 프리우스, 현대자동차 쏘나타 하이브리드 등.


▶ 적용 예시: 토요타 프리우스, 현대자동차 쏘나타 하이브리드 등.



1997년 출시된 프리우스에 채용된 시스템으로 내연기관만 사용했을 때에 비해 최대 100% 가량 높은 연비를 보인다. 내연기관만 사용하는 경우 동력상 여러 약점이 있다. 자동차가 저속으로 움직이는 경우, 시동 중 잠시 정차하는 경우, 내리막길을 가는 경우 내연기관의 동력을 낭비하게 되는데 하이브리드의 경우 전기모터가 적절히 보조해주어 이런 약점을 보충해 준다.


풀 하이브리드의 장점은 매우 크지만 그간 토요타와 렉서스 외 브랜드에서는 한동안 거의 사용하지 못했었다. 그 이유는 바로 하이브리드 기술력의 대부분은 토요타가 특허권을 보유하고 있기 때문. 하지만 시간이 흘러 다른 브랜드들에서도 특허의 헛점을 이용하여 각자 나름의 방식으로 풀 하이브리드를 구현하는데 성공했다. 하지만 아직까지는 토요타의 기술을 따라잡기에는 역부족으로 보인다. ( 현기차의 경우 연비적인 측면에서는 토요타를 따라잡는데 성공한 것으로 보인다 ex : 아이오닉 ) 


현대자동차의 아이오닉



직렬식, 병렬식, 직병렬식?


풀 하이브리드 차량을 구조적으로 나누면 직렬식,병렬식,직병렬 혼합식으로 나눌 수 있다.


직렬식은 엔진은 발전기를 돌리는 데만 사용되고, 발전한 전기를 배터리에 저장했다가 전기모터로 자동차를 구동하는 방식이다. 구동 방식만 놓고 보면 전기자동차와 동일한데, 외부 충전에만 의존하지 않고, 주행 중 필요 시 엔진으로 발전을 해서 그 전기로 주행하는 것이 다르다. 대표적으로 쉐보레 볼트가 직렬식 하이브리드이면서 플러그인 하이브리드 모델이다.


병렬식은 엔진과 변속기 사이에 전기모터를 배치해 엔진으로 구동하기도 하고, 전기모터만으로 구동하기도 하고, 감속 시에는 전기모터가 발전기가 되어 충전도 하는 방식이다. 현대, 기아, 혼다, 닛산, 포르쉐, 메르세데스-벤츠 등 토요타를 제외한 거의 대부분 브랜드가 병렬식을 채택하고 있다.


직병렬 혼합식은 현재 토요타와 렉서스만 적용하고 있는 방식으로 병렬식으로 작동되는 전기모터외에 주행 중에 엔진으로 충전만 할 수 있는 직렬식 충전 전용 전기모터를 하나 더 갖춘 방식이다. 구조적으로 연료 효율이 가장 뛰어난 방식이다. 그리고 이는 토요타의 특허권을 바탕으로 다른 브랜드에서 흉내내고 싶어도 흉내내지 못하는 방식이기도 하다. 하이브리드 엔진 개발을 등한시 했던 댓가를 톡톡히 치르고 있는 셈이다. 


하이브리드 자동차의 대표주자인 토요타의 프리우스



아래는 모터리안의 기사 중 흥미로운 일부를 뽑아 보았다.


전기모터를 거꾸로 돌리면 발전기가 된다.


아주 기초적인 물리 상식이지만 의외로 이 사실을 잘 모르는 이들도 많다. 배터리에서 전기모터로 전기를 흘려 주면 전기모터의 중앙 축이 회전하면서 자동차를 움직이게 되는데, 움직이는 자동차에 전기를 더 이상 흘려주지 않으면 자동차의 바퀴와 연결되어 있는 전기모터의 축은 계속 회전을 하고 있어서 이 때부터는 오히려 전기가 발생되어 연결된 배터리에 충전이 이루어지게 된다. 물론 여러 가지 저항에 의해 회전은 계속 감소하고 결국 자동차가 멈추면 더 이상 전기는 만들어지지 않는다. 그리고 최초에 투입된 에너지가 자동차를 움직이는데 많이 사용됐기 때문에 사용되고 남은 에너지만 다시 충전될 수 있으며, 이 또한 전체가 다 충전되는 것은 아니다.


모터는 돌기 시작하는 순간에 가장 큰 힘을 낸다.


엔진은 출력과 토크가 어느 정도 이상의 회전수에 이르러야 최대가 된다. 출력은 주로 4~6천 rpm 정도, 토크는 3~5천rpm 정도에서 최고조에 이른다. 하지만 전기모터는 회전이 시작될 때 가장 높은 토크가 나오고 회전수가 높아질 수록 토크가 낮아진다. 이 때문에 저속에서는 전기모터를 이용하여 구동하는 하이브리드 자동차의 경우 세단보다는 SUV에 더 잘 어울린다고 말하는 사람들도 있다. 기아 니로에 대해 모터그래프의 김한용 기자의 발언이 대표적인 경우. 


하이브리드 자동차가 왜 이상적인가?


자동차는 정지한 상태에서 처음 움직이기 시작할 때 가장 큰 힘이 필요하다. 그래서 일반적인 자동차에서는 출발할 때 1단 기어를 사용하고, 속도가 높아지면 힘이 덜 들기 때문에 고단 기어를 사용한다. 하이브리드 자동차는 처음 출발할 때 전기모터가 구동을 맡는다. 전기모터는 처음 회전을 시작할 때 최대토크가 나오는 특성을 이용한 것이다. 그리고 속도가 높아지면 토크가 낮아지는 전기모터 대신 고회전에서 높은 토크가 나오는 엔진이 달리기를 맡는다. 출발은 전기모터가 고속은 엔진이 주된 역할을 맡음으로써 각자 최고의 효율을 추구할 수 있다.


엔진으로 직접 구동하는 것보다 엔진으로 전기를 만들어 전기차로 주행하는 것이 더 효율적이다.


엔진으로 주행하다 보면 어쩔 수 없이 효율이 떨어지는 저회전 구간을 사용해야만 하는 경우가 있지만, 엔진을 발전기로만 사용할 경우 가장 효율이 좋은 회전대로만 발전을 할 수 있어 효율이 더 높다.


직병렬 혼합식의 장점은?


병렬식 하이브리드는 엔진이 구동되는 동안에는 전기모터가 발전을 할 수 없고, 충전은 감속 구간에서만 이루어진다. 따라서 배터리가 다 소진된 상태에서 정지했다 출발하게 된다거나, 오르막이 오래 계속되는 등, 정작 전기모터의 힘이 많이 필요한 시점에 배터리에 충전이 되어 있지 않으면 부득이 효율이 떨어지더라도 엔진에 의존하게 된다. 직병렬식 하이브리드는 엔진이 구동되는 중에도 엔진 힘의 일부로 직렬식으로 연결된 전기모터를 돌려 발전을 할 수 있어서 항상 일정 수준 이상의 배터리 충전량을 확보할 수 있다.


하이브리드 자동차는 브레이크 패드 교환 거의 하지 않아도 된다.


일반 자동차는 멈추기 위해서도 에너지를 쓴다. 달리고 있는 운동 에너지를 감소시키기 위해 브레이크를 밟으면 막대한 운동에너지는 마찰을 통해 열 에너지로 전환되어 브레이크 디스크와 패드를 달구고 그 열에너지는 그냥 대기 중으로 사라져 버린다. 그 과정에서 디스크와 패드는 마모가 일어나 약 4만 km 주행 후에는 패드를 교체해야 한다. 하지만 하이브리드 자동차는 감속할 때 운동 에너지를 최대한 전기 에너지로 변환하는데 이때 자연스럽게 엔진브레이크 효과가 발생하기 때문에 급 감속이 아니라면 디스크와 패드의 물리적인 마찰은 거의 일어나지 않는다. 따라서 브레이크 패드 교환도 거의 하지 않게 된다. 물론 하이브리드 자동차임에도 급감속을 많이 하면 어쩔 수 없이 패드가 많이 닳을 수 있다.


브레이크를 깊이 밟으면 전기가 더 많이 충전된다.


토요타의 하이브리드 자동차 계기판에는 좌측에 충전 게이지가 있는데 충전되는 정도를 표시해 주는 장치다. 주행 중 내리막길을 만나거나 감속을 위해 엑셀에서 발을 떼면 순간 엔진이 정지하고 충전이 시작된다. 감속을 위해 브레이크 페달을 살짝 더 밟아보면 충전 게이지 바늘이 아래로 조금 움직이고, 브레이크 페달을 더 깊이 밟으면 바늘은 더 아래로 움직인다. 아래로 내려갈수록 충전이 많이 되는 것이다. 그러다가 페달을 어느 정도 이상 깊이 밟으면 바늘이 아래 끝 부분에 도달해 더 이상 내려가지 않게 된다.

브레이크를 깊이 밟으면 충전이 더 많이 된다는 뜻이다. 그리고 충전 게이지가 바닥에 도달하기 전까지는 브레이크 디스크와 패드의 마찰은 거의 일어나지 않고 전기모터가 발전을 하면서 엔진브레이크 효과를 내는 것이다. 그리고 충전 게이지 바늘이 최대로 내려간 상태보다 더 깊이 브레이크를 밟으면 그 때는 브레이크의 마찰이 주된 감속 작용을 한다.


브레이크 페달 밟는 정도와 충전량은 어떻게 조절하나?


관성으로 주행 중인 상태에서 전기모터는 바퀴와 연결되어 함께 돌고 있는데 이 때 배터리로 연결된 회로를 열면 만들어진 전기가 배터리로 이동하게 되고, 회전은 발전에 의한 저항으로 서서히 줄어들게 된다. 그런데 전기모터와 배터리 사이에 연결된 회로를 최대로 개방하면 충전이 많이 되면서 엔진브레이크가 더 강하게 작동한다. 하지만 그 정도의 제동으로도 부족할 경우 브레이크 페달을 더 깊이 밟으면 그 때부터는 추가적으로 더 많은 충전이 이루어지지는 않는다.


하이브리드 자동차는 에어컨을 켜도 상대적으로 연비가 좋다.


일반 자동차는 에어컨의 컴프레서를 엔진의 힘을 이용해 구동하기 때문에 에어컨을 켜게 되면 엔진 힘의 일부가 에어컨으로 배분되어 엔진 힘이 약해지고, 더 큰 힘을 내기 위해 연료를 더 쓰게 된다. 토요타의 하이브리드 자동차는 에어컨 컴프레서도 하이브리드 배터리를 이용하므로 에어컨을 켜도 파워에 영향이 적으며, 효율 좋은 상태에서 충전된, 혹은 회생 제동에 의해 충전된 전기를 사용하므로 상대적으로 연비도 더 좋다.


기아자동차의 하이브리드 SUV 니로



하이브리드 자동차의 장점은?


· 연비가 높고 오염물질 배출이 상대적으로 적다. 하이브리드 자동차의 내연기관은 최대 효율 구간에서 작동하게끔 설계되어 있기 때문에 연료가 완전연소에 가깝게 이루어진다. 따라서 상대적으로 깨끗한 배기가 이루어지게 된다. 완전 연소가 일어나지 않는다고 해도, 연비가 좋기 때문에 기름 자체를 덜 먹으니 당연히 오염물질의 배출도 적을 수 밖에 없긴 하다.


· 세금이 감면된다. 일반적으로 자동차를 구입할 때 발생하는 취득세를 삼분의 일 가량 정부가 부담한다. 또한 100만원을 한도로 개별소비세도 감면한다. 이 밖에도 정부가 시행하는 채권 등에서 최대 200만원 정도 매입 면제가 되며 공영주차장이라던지 터널 혼잡료라던지 하는 혜택이 있다. 이런 세제 혜택을 주는 이유는 이산화탄소 배출이 상대적으로 낮기 때문이다. 


· 소음이 작다. 특히 시동을 걸때 전기 모터로 구동되기 때문에 소음이 거의 발생되지 않는다. 정속 주행시 소음도 적은 편이다. 하이브리드는 최대효율 구간에서 움직이려는 특성이 있다. 이 때문에 구조적으로 소음을 잡기가 쉽다. 또한 공차중량이 일반 내연기관 자동차에 비해 무거운 것도 소음이 작은데 한몫한다. 


· 가속력이 좋다. 이 역시 전기 모터의 특성때문인데, 연비에 중점을 둔 모델 또한 가속력이 좋으며 렉서스나 인피니티 등 고급 차종도 하이브리드 형식을 채용하는 추세다. ( 렉서스는 토요타의 프리미엄브랜드니 당연한 이야기긴 하다) 전기모터의 특성상 최대토크는 저RPM에서 바로 나오기에 일반 내연기관의 차종들보다 토크 곡선이 일정하고 가속력이 좋다. 


그렇다면 단점은?


· 차체의 중량이 무겁다. 기존의 내연기관에 전기모터, 배터리까지 얹혀지니 당연한 결과. 


· 배터리가 커서 트렁크 공간이 줄어든다. YF쏘나타가 가장 대표적인 예. 하지만 제조사들도 이런 부분을 잘 알고 있기 때문에 차량 설계시 배터리를 뒷쫏 하부 공간에 위치시키는 등의 방법으로 적재 용량을 최대한 확보한다. 하이브리드 차량의 대표격인 프리우스의 경우 해치백 차량인데다가 뒤쪽이 높은 쇄기형으로 디자인되어 있어 일반 세단보다 적재용량이 오히려 더 크다.


하이브리드 자동차의 미래는?


테슬라 모델3의 성공을 기반으로 전기 충전 인프라가 확산되는 추세이다. 2018년까지 전국휴게소에 모두 전기 충전소를 마련하겠다는게 정부의 복안. 이런 상황에서 기름과 전기를 동시에 사용하는 하이브리드 자동차는 언젠가는 사라질 확률이 높은 기술 . 하지만 본격적으로 전기자동차가 상용되기까지는 아직 시간이 많이 남은데다가 토요타의 미라이 같은 수소자동차도 상용화되기까진 아직 시간이 많이 남은 상황이라 이런 과도기를 하이브리드 자동차가 잘 메꿀 수 있을 듯 하다. 


일본의 경우 판매되는 자동차의 30%이상이 하이브리드 차량이며 최근 국내 디젤과 미세먼지에 대한 여론이 안좋아지고 있어 기존 가솔린 연료를 사용하는 자동차에 비해 높은 연비와 낮은 미세먼지를 자랑하는 하이브리드 자동차에 대한 수요는 점점 증가하고 있는 추세이다. 

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