하이브리드 자동차의 특징 알아보기
하이브리드 자동차(HEV)의 정의
하이브리드 자동차는 차량의 성능(연료 소비)을 향상하고 대기오염을 줄이기 위한 방법의 하나로 동작원리가 다른 두 종류 이상의 구동원을 효율적으로 조합해서 동작시키는 시스템이다. 대부분의 경우는 연료를 사용하여 동력을 얻는 엔진과 전기로 구동시키는 전기 모타로 구성된 시스템을 말하며 이것은 현재의 내연기관에 비해 배기가스를 현저하게 저감 시킬 수 있다.
하이브리드 자동차 역사
이미 1909년에 특허가 출원될 정도로 오래된 개념이었으나 최근 전기자동차 개발 과정에서 새롭게 조명되기 시작하였다. 그동안 몇 년간의 집중적인 투자에도 불구하고 축전지 기술 개발이 예상만큼 진전되지 못하였기 때문에 미국 CARB는 ZEV 규제 적용시기를 2003년으로 후퇴하기에 이르렀으며 이에 따라 전기자동차 상용화 시기가 상당기간 늦어질 것으로 전망되고 있다.
그러나 전기자동차가 자동차 배출가스공해의 해결책이라는 데는 대부분이 공감하고 개발 노력도 지속될 것으로 예상되기 때문에 이와 같은 시점에서 지금까지 개발되어 온 축전지 기술을 활용하고 동시에 개발을 계속하면서 전기자동차가 실용화되기 전까지라도 시급한 공해문제를 지속적으로 개선할 수 있는 방안으로 하이브리드 자동차 기술이 제시되었다.
지금까지 발전되어 온 기존 자동차 엔진에 새롭게 발전되어 가고 있는 축전지를 조합하여 사용하면 엔진만을 사용할 경우보다 배출가스 공해를 줄일 수 있고, 전기자동차에서 가장 큰 결점으로 지적되고 있는 일회 충전시 주행거리가 짧은 점을 보완할 수 있으며, 향후 축전지 기술이 향상되는 데로 엔진 크기를 줄여감으로써 궁극적으로 전기자동차로 이전되어 갈 수 있어 하이브리드 자동차는 전기자동차로 가는 과도기 기술로 볼 수 있다.
하이브리드 자동차의 장점
동력원의 다양성을 꼽을 수 있다. 예를 들면 기존의 가솔린이나 디젤엔진뿐만 아니라 압축 천연가스(CNG), 연료전지(fuel cell), 가스터빈 등을 사용할 수 있으며, 에너지 저장장치도 전기에너지를 저장하는 축전지와 축전기(capacitor) 이외에도 회전력을 저장하는 플라이휠(flywheel), 유압을 저장하는 accumulator, pressure cylinder 등으로 다양하며 태양에너지 이용도 용이하다.
그러나 하이브리드자동차 실용화를 위해서는 두 개 이상의 동력원을 사용하는데 따른 구조의 복잡성 때문에 중량과 차량 가격이 상승되는 문제점을 해결하여야 한다. 또한 전기자동차의 정확한 실용화 시기가 예측될 수 있어야 하이브리드 자동차 생산을 위한 설비투자가 이루어질 수 있다.
하이브리드 자동차 시스템 종류
HEV 시스템은 일반적으로 직렬방식(series type)과 병렬방식(parallel type)으로 크게 구분된다. 직렬방식에서는 엔진이 직접 구동축을 구동하지 않고 전기를 발생시키는 발전기와 구동 모타를 통하여 간접적으로 연결되어 있다. 발전기와 모타 사이의 추진 축전지는 구동축에서 요구되는 출력과 속도에 관계없이 엔진 출력과 속도가 독립적으로 제어되도록 구성되어 엔진 출력의 완충작용을 한다.
병렬방식의 주 구동계는 엔진(내연기관)과 전기 모타이며, 축전지로부터 구동력을 얻는 전기 모타와 엔진 모두에 공통으로 사용되는 동력 전달장치(transmission)를 거쳐 각각 독립적으로 구동축을 구동시킨다. 이러한 병렬방식 구성은 구동원과 구동축 사이의 전체적인 동력 전달 효율을 최대화하기에 유리한 방식이다.
직렬방식은 구조가 간단하고 제어가 용이하며 최적 점에서 엔진이 운전되기 때문에 유해 배출가스가 적은 장점이 있는 반면 자동차 구동을 위해서 엔진 출력을 직접 사용하지 못하고 엔진에 의해 충진 된 축전지의 전원을 전기 모타가 사용하기 때문에 동력 전달 효율이 나쁜 단점이 있다.
또한 차량 성능에서 가속과 최대속도가 중요하기 때문에 이를 고려한 추진 모타를 선정할 경우 병렬방식에 비해 크고, 무겁고, 값비싼 모타를 사용하게 된다. 병렬방식은 직렬방식과 거의 반대되는 장단점을 가지며 기계적인 구조의 복잡성으로 인하여 차량 제작이 어려우나 동력 전달 효율이 좋아 연료소비율이 상대적으로 우수하다.
외국에서 개발되고 있는 하이브리드 시스템은 각국의 여건에 따라 서로 다른 개발목표와 전략을 갖고 있음을 발견할 수 있다. 미국의 경우를 보면 하이브리드 자동차는 일반 가정에서 보조용으로 사용하는 2nd car에 개발목표를 맞추어 두고 있으며, 이 경우는 주로 가까운 슈퍼마켓이나 시내 운전에 사용하기 때문에 공해문제가 우선적으로 고려된다. 따라서 가능하면 축전지로 운전하게 하고 이를 위하여 축전지 용량 및 성능을 향상하여 축전지 주행거리를 늘리는데 주력하고 있으며 엔진은 보조용으로 생각하고 있다. 시스템은 공해저감에 유리한 직렬방식이 선호되고 있다.
반면 유럽의 경우는 미국과는 달리 시내와 시외를 동시에 사용하는 일반 자가용에 목표를 맞추고 있다. 시내주행 시는 전기 모타를 사용하나 도시 간 고속주행을 하게 되는 많은 시간은 엔진을 사용하게 되며 따라서 연비에 유리한 병렬방식을 선호한다. 동시에 저공 해저 연비 엔진개발에 주력하고 있으며 축전지는 보조 역할을 한다. ∙축전지 성능에서 에너지 성능과 관련된 specific energy(W‧h/kg), energy density(W‧h/L)는 주행거리를 결정하는 요인으로 전기자동차에 중요하다.
반면 HEV는 주행거리는 연료에서 보완할 수 있기 때문에 출력 성능과 관련된 specific power (W/kg), power density(W/L)가 중요한 인자이다. (여기서 kg, L은 엔진 중량 및 엔진 외관 크기를 말한다.) 5.6.2 하이브리드 자동차 구조 ∙그림5.15에서 보는 바와 같이 발전기(generator)와 구동모타, 엔진의 조합에 따라 다양한 형태의 HEV 구조가 가능하다. ∙특히 병렬방식의 경우는 엔진과 모터의 구동토크를 1축 또는 2개의 축으로 병렬로 연결하는 경우가 주로 사용되나, 전후 바퀴를 별도로 구동하고 이들 견인력을 병렬로 제어하는 방식도 사용된다.
그러나 하이브리드자동차 기술이 발전해 가면서 구조가 다양하고 복잡해져 직렬 및 병렬방식의 문류로만 정의하기가 용이하지 않아, 최근에 미국의 PNGV에서 다음과 같이 분류하기도 하였다. - Range-extender hybride(주행거리 확대용) : 직렬방식으로 주행거리를 연장하는 용도에 주목적을 둔 경우이다.
엔진은 차량의 주행 조건 변화에 무관하게 항상 일정하게 최고 효율 영역에서 정속 정부 하로 운전하며 따라서 배출가스에 유리하다. 시내주행 시는 축전지로만 주행할 경우 ZEV를 만족할 수 있다.
하이브리드 자동차 기술 전망
하이브리드 자동차는 1970년대 말부터 80년대 초에 걸쳐, 오일쇼크에 대비해 디젤엔진이나 플라이휠을 사용하는 하이브리드 엔진이 Volvo, MAN, Fiat 등에서 시내버스용으로 개발된 바가 있다. ∙최근 들어 HEV 개발이 미국, 일본, 유럽의 자동차 및 연구소를 중심으로 매우 활발하게 진행되고 있다. 특히 최근 들어 자동차 기술 개발의 분기점이 될 것으로 예상되는 미국의 super car project에서는 80 mpg 연비 목표를 달성할 수 있는 자동차 시스템으로는 고속 디젤엔진이나 직접분사식 가솔린 엔진을 탑재한 하이브리드 자동차가 필수적인 것으로 잠정적인 결론을 내리고 있다.
현재까지 진행되고 있는 연구결과를 살펴보면, 크라이슬러 사는 가스터빈과 플라이휠을 조합한 하이브리드 경주용 차(Patriot)를 발표하여 관심을 끌고 있으며, 포드사는 직접분사식 디젤엔진을 사용하는 병렬방식 하이브리드 자동차를 연구하고 있다.
또한 GM은 가스터빈과 스티어링 엔진 등을 축전지와 조합하여 하이브리드 자동차 가능성을 검토하고 있다 DOE(Department Of Energy) 주관으로 소형 도시 버스에 연료전지와 축전지를 연결하고 메탄올을 사용하는 엔진으로 HEV를 개발하고 있다. Energy Research사, Booz-Allen & Hamilton사 등이 협력하고 있는데, 협력회사의 하나인 H-Power사는 연료전지용으로서 물을 스펀지 메탈을 통해 수소로 바꾸는 것도 연구하고 있다.
특히 크라이슬러 사는 경주용 차로 HEV를 개발하여 많은 관심을 끌고 있다. 가스터빈은 일정 속도, 출력에서 운전되고, 차량의 속도, 부하 변동은 플라이 휘일 시스템에 흡수 방출되기 때문에 기존의 엔진에 비해 엔진효율이 좋으며 각각의 유니트가 소형이기 때문에 layout은 상당히 자유롭게 할 수 있다. 플라이휘일 축전지는 10-5 Torr의 카본 파이버 용기 내에 카본화이바 플라이 휘일을 넣어서 58000 rpm으로 회전시켜 에너지를 저장하며, 무게 740kg은 보통의 축전지에 비해 매우 경량으로 큰 장점이나 아직은 소재 문제가 완전하게 해결되지 못하여 개발이 진행 중에 있다.
플라이휠 축전지는 SatCon사에서 개발하고 있지만 로스앤젤레스의 AFS (American Flywheel System)사에서도 진공도 10-3 Torr에서 작동하는 장치를 개발 중인 것으로 발표하고 있다. ∙일본의 히노자동차는 디젤엔진과 전기 모타를 결합한 HIMR (Hybrid Inverter -controlled Motor and Retarder system) 방식으로 연료 소비를 15% 절약할 수 있는 하이브리드 버스를 실용화시켜 이미 100대 이상 운행하고 있다. HIMR 방식은 3 상교류 모터가 플라이휠 하우징 내에 장착되어 디젤엔진과 하나의 클러치를 사용하며, 소형 경량의 인버터가 설치되어 있다. 1997년 도쿄 모터쇼에서 발표한 도요다 자동차의 하이브리드 승용차인 프리우스(Prius)는 66 mpg(3.6L/100km)의 연비와 상용화가 가능한 가격으로 판매를 시작하였다.
1,500cc 엔진과 교류 영구자석식 동기모터, Ni-MH battery, 유성치차로 구성되어 있으며, 기본 구조는 병렬방식(split 방식)으로 엔진과 전기모터, 발전기의 상호 작동을 최적화시키고 있다. 또한 브레이크시나 감속 시에는 전기모터가 발전기 기능을 가져 바퀴로부터의 소비 에너지를 축전기에 충전시킨다. 차량 정지 시에는 엔진도 멈추며 차량의 급가속 시를 제외하고는 배출가스가 아주 높아지는 영역에서는 엔진 대신 전기 모타로 운행한다.
운전 모드별 작동 방식
- 발진과 저속에서는 연료공급을 중단하고 모터로만 주행하며, 후진 시도 모터만 역회전시켜 운전한다.
- 정상 주행 시는 엔진 동력을 두 개의 경로로 분할하며 바퀴를 직접 구동하거나 발전기를 구동하여 발생한 전력으로 모터를 구동한다.
- 가속 시에는 축전지의 전력을 합하여 모터에 구동력을 추가한다.
- 감속 및 제동 시는 제동력을 회수하여 축전지에 저장한다.
- 정지 시에는 엔진과 모터가 모두 정지된다.
하이브리드 자동차의 미래
유럽의 폭스바겐이나 볼보 등에서도 이미 시제품을 개발하여 경쟁에 대비하고 있다. 볼보에서는 가스터빈과 축전지를 사용하는 HEV를 발표했으며, VW 시스템은 모타와 발전기를 중심으로 클러치를 2개 준비한 후, 도시 내에서는 모터로 달리고, 동력이 부족한 경우에는 엔진으로 보조하고 있다.
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