엔진과 모터의 연결로 구현되는 하이브리드 시스템은 크게 1) 직렬 2) 병렬, 3) 직병렬 크게 세 가지로 구현됩니다.
물론 각 방식에서 연결 장치의 구조에 따라 더 세분화될 수 있지만 소비자들이 느낄 수 있는 주행의 질감 구분은 크게 위의 세 가지 정도다. 각 제조사들은 이 범위 안에서 자신들의 정체성을 만들어오고 있습니다.
직렬 하이브리드 정의
직렬 하이브리드(Series Hybrid)는 전기차의 연장 개념으로 레인지 익스텐더(Range Extender)라고도 불립니다.
즉 전기차가 외부 전원을 통해 공급하는 전원 외에, 엔진이 발전기 역할을 담당하여 전기로 갈 수 있는 거리를 연장한다는 개념이었습니다. 그래서 엔진을 제외한다면 거의 전기차와 다름없는 구조입니다.
이는 디젤 기관차에도 적용된 바 있는 시스템으로, 그 메커니즘에 대한 업계의 이해도가 높았습니다.
구조가 단순하다는 장점도 있었다. 그러나 이는 어디까지나 배터리의 적은 용량 문제를 해결하기 위한 접근이었습니다.
따라서 직렬 하이브리드는 주로 도심 주행을 하는 자동차에 적용되었고, 주행 성능 자체에도 한계가 있었습니다.
그래서 현재는 하이브리드 차종 중에는 이를 적용한 차를 찾아보기 어려운 시스템입니다.
병렬 하이브리드 정의
병렬 하이브리드(Parallel Hybrid) 시스템은 엔진과 모터를 연결해 동력을 ‘혼합’하는 방식입니다.
변속기와 엔진 사이에 구동 모터가 연결되는 형태입니다.
그 사이에 연결을 차단하는 기구의 존재 여부에 따라, 연결 차단 기구가 있을 경우
클러치 방식과 유성 기어 방식인지의 차이에 따라서도 세분화됩니다.
2000년대 초반 혼다 시빅 하이브리드에 적용됐던 IMA 시스템도 바로 병렬 하이브리드에 속합니다.
이 시스템의 장점은 다양한 주행 상황에 맞춰 최적의 동력 배분이 가능하다는 것입니다.
또한 차의 성격에 따라 필요로 하는 주행 질감에 차별을 둘 수도 있습니다.
후륜 구동 차종들의 경우에도 다양하게 적용됩니다.
그러나 변속기와 엔진 사이 구동 모터가 하나라는 건 약점입니다.
즉 다시 말해서 모터가 구동될 때는 구동의 역할밖에 하지 못합니다.
그래서 하이브리드이면서도 우수한 연비를 발휘하지는 못하는 경우가 많습니다.
따라서 상당수 차종에서는 대배기량 엔진의 초기 거동을 도와주는 역할을 제한되기도 했습니다.
기존 내연기관에 48V 배터리 기반 모터-제너레이터 통합 스타팅 시스템을 적용한
마일드 하이브리드(Mild Hybrid)도 이 병렬 하이브리드 시스템의 개념과 닿아 있습니다.
직병렬 하이브리드 정의
직병렬 하이브리드는 엔진, 모터, 연결 단속 기구, 인버터, 변속기가 일렬로 연결되는 방식입니다.
병렬 하이브리드에서 직결형의 단속 기구가 있는 방식이라고도 할 수 있습니다.
직병렬 하이브리드에는 통상 구동용과 충전용 모터가 별도로 장착됩니다.
그래서 에너지 회생의 효율이 우수합니다.
직병렬 하이브리드를 풀 하이브리드(Full Hybrid)라고도 하는데
마일드 하이브리드라는 개념도 이 직병렬 방식에 대한 대비 개념으로 제시됐습니다.
직병렬 하이브리드 시스템을 적용한 차들은 다양한 주행 모드를 만들어낼 수 있다. 예컨대 실린더 휴지 시스템을 활용하여 완전한 전기 모드로 달릴 수도 있고 고속 항속 주행 시에는 일종의 활강 상태와 비슷한 타력 주행 혹은 관성 주행도 가능해 연비를 향상합니다.
그러나 필연적으로 구조가 복잡하고 무게가 무거워지는 단점이 있습니다.
공간 패키징에도 제약으로 작용합니다. 더욱이 배터리 질량 당 동력이 큰 리튬 이온 배터리라면 모르겠지만 니켈 메탈 배터리라면 차량의 무게 당 출력 비를 개선하는 데 한계가 있는 시스템이기도 합니다.
도요타 하이브리드 시스템 (직병렬형)
도요타 하이브리드 시스템(THS : Toyota Hybrid System)은 직병렬형으로서 동력 분기 방식(Power-split) 하이브리드 시스템 중 가장 대표적인 시스템으로 유명합니다.
엔진과 구동모터, 발전 모터를 유성기어를 통해 구동모터로만 차를 구동할지, 구동 모터와 엔진을 혼합해서 구동할지, 또는 발전 모터를 통해 배터리 충전을 어떻게 할지를 조합할 수 있는 시스템입니다.
쉽게 말해서 직렬과 병렬의 동시에 한다고 보면 됩니다. 직렬형처럼 모터만으로 주행이 가능하기도 하고, 병렬형처럼 엔진만으로, 또는 엔진과 모터 동시에 주행할 수 있습니다. 위 사진에서 보이다시피 Generator와 Motor 두 개가 모두 모터임을 알 수 있습니다. 두 개의 모터가 들어가서 하나는 발전기(Generator), 하나는 주행용 모터(Motor)로 사용하는 것입니다.
도요타의 차중 프리우스 , 캠리 하이브리드 차에 적용되었으며, 렉서스의 RX400h, ES300h, GS450h 등에 적용되었습니다.
토요타 하이브리드 시스템을 줄여서 THS라고도 하고, HSD라고도 하는데 그 배경은 이렇습니다.
토요타 하이브리드 시스템은 1세대 모델 1997년 프리우스 처음 적용되었고, 수요가 점차 증가하게 되면서 2세대 토요타 하이브리드 시스템(THS II)을 개발하게 됩니다. (1세대와 2세대의 가장 큰 차이는 승압 컨버터를 사용하여 구동 모터의 전압을 높였다는 점입니다.)
THS II는 프리우스 2세대에 적용됩니다. 하지만 하이브리드 자동차의 인기가 증가하면서 토요타 하이브리드 시스템을 프리우스 외에 다른 차종에도 적용하기로 합니다. 즉, 하이브리드 시스템을 프리우스 모델에 맞춰 설계하는 것이 아니라 다른 차종에도 공용화할 수 있게 설계를 변경한 것입니다. 그러면서 THS II를 개선하여 HSD (Hybrid Synergy Drive)라는 새로운 이름으로 토요타 하이브리드 시스템을 토요타 및 렉서스 브랜드의 다양한 차종에 적용합니다.
토요타 하이브리드 시스템은 그림 1과 같이 구성되어 있으며 왼쪽이 초창기 토요타 하이브리드 시스템, 오른쪽이 2세대 토요타 하이브리드 시스템입니다. 작동원리는 비슷하기 때문에 THS II를 대표적으로 설명하겠습니다. 모터 2가 구동모터, 모터 1이 발전 모터, 유성기어의 S는 "Sun 기어", C는 "Carrier", R은 "Ring 기어"입니다.
또한 파워트레인의 일종인 트랜스미션, 즉, 변속기는 없습니다. eCVT라고 홈페이지에 변속기가 명기되어 있는데, 실제로는 변속기가 없고 두 개의 모터가 변속기의 기능을 대신한다고 하네요 Power Split Device라고 불리는 부품에서 변속기 기능이 된다고 보면 되는데요, 파워분배장치 정도로 해석이 되겠습니다.
단점으로는 두개의 모터에 파워 스플릿 디바이스까지 전체적인 시스템의 무게가 상대적으로 무겁고, 구조적으로 복잡해서 비용이 증가된다는 점이 단점입니다.
혼다 하이브리드 시스템 (직병렬형)
연비와 동력 성능 모두에서 인상적인 면모를 자랑하는 혼다의 하이브리드 시스템인 i-MMD(Intelligent Multi Mode Drive) 역시 직병렬 하이브리드로 분류될 수 있습니다. 그러나 기존 직병렬 시스템의 원리만으로 설명하기 어려운 매력을 갖고 있습니다.
우선 i-MMD 시스템에서는 모터 2개가 마주 보고 있습니다.
하나는 엔진에 연결된 발전용, 하나는 구동축에 연결된 구동용입니다.
이 두 개의 모터는 엔진 측에 연결된 록 업 클러치를 통해 연결 혹은 분리됩니다.
구조가 심플해 공간 패키징도 여유롭고 무게를 줄이는 데도 도움이 됩니다.
직렬 하이브리드적 성향이 드러나는 부분은 2.0리터 i-VTEC DOHC 엔진입니다.
최고 출력 145ps(6,200 rpm), 최대 토크 17.8kg? m(3,500 rpm)의 엔진의 기본 역할은 충전입니다.
그러나 배터리의 용량이 충분하고, 고속 주행 중이더라도 구동에 필요한 최소의 토크가 모터 최대 토크인 32.1kg? m보다 적은 경우에는 미련 없이 주된 구동 역할을 모터에 넘깁니다.
따라서 어코드 하이브리드나 CR-V 하이브리드의 ‘에너지플로우(흐름도)’를 보면 전기로 구동되는 영역이 넓다는 것을 알 수 있습니다.
확실한 EV 모드의 구분 및 가속 시 엔진과 모터의 기민한 협응은 병렬형 하이브리드의 면모도 느끼게 합니다.
즉 동력의 혼합이라는 면에서 최적의 조화를 이루는 셈입니다. 2개 모터의 최고 출력은 184ps에 달합니다.
배터리만 충분하다면 시내도로에서는 주행과 가속이 모두 가능할 정도입니다.
또한 중속에서 고속으로 뛰어오를 때 엔진과 모터가 협응 해서 쏟아내는 215ps의 최고 출력도 효과적인 동력 혼합 능력을 보여 줍니다.
무엇보다 그 연결 과정에서 이질감이 극히 적고 부드럽다는 것이 i-MMD가 가진 매력입니다.
높은 공신력을 자랑하는 ‘워즈오토’가 선정하는 10대 엔진에서, 2019년과 2020년 하이브리드 부문 연속 수상을 거둔 것도 이러한 장점 덕분입니다.
북미 시장 최초로 시판된 양산형 하이브리드인 혼다 인사이트가 세상에 나온 지도 22년이 됐습니다.
그간 각 제조사들은 각자 주어진 조건에 맞는 방식의 하이브리드 시스템을 선택해 발전시켰습니다.
사실 어떠한 방식이 최고라고 단언하기는 어렵습니다.
차의 구조나 크기에 따라 선택할 수밖에 없는 방식이 있기 때문입니다.
그러나 본질은 엔진의 개입 범위를 최소화해 연료 소모량과 배출 가스를 최소화하고 보다 편리한 운전 경험을 제공하는 것입니다. 이 본질을 생각하면 하이브리드 자동차를 고르는 기준은 명확해집니다.
현대, 기아 하이브리드 시스템 (병렬형)
현재 현대, 기아차 차의 기존 하이브리드 시스템은 병렬형으로
엔진과 변속기 사이에 전기모터가 위치한 형태입니다.
그래서 한정적 공간에서 전기모터를 더 크게 키울 수 없어서 모터만으로 주행할 수 있는 속도가 낮고 모터만으로 주행할수 있는 거리도 짧은 단점이 있었습니다.
그래서 타사보다 전기모터 개입 비중이 낮아서 효율면에서 불리하다는 의견이 많았습니다.
그래서 현대그룹은 이런 단점을 보완하려고 차세대 하이브리드 시스템을 개발했습니다.
차세대 하이브리드 시스템은 엔진에 붙은 형태라서 모터 용량을 키울 수 있게 되었습니다.
이를 통해 모터 개입도 증가되고 시스템 출력도 높아져서 동력 성능과 연비를 모두 챙길 수 있게 되었습니다.
그러나 이 시스템은 2024년 생산되는 하이브리드 엔진부터 탑재되어 2025년 1분기 판매되는 차량부터 적용될 전망입니다. 말하자면 현재 판매되는 현대, 기아차의 하이브리드 모든 차들은 병렬형 시스템이라는 말입니다.
결론적으로..
크게 나눈 3가지 시스템으로 나눴지만 결국에는 모두 직, 병렬형으로 가고 있습니다.
회사마다 자신의 시스템의 구동방식이나 모터 개입을 어떻게 할 건지 엔진이 충전 개입이나 차량구동 개입을 어떻게 할지는 각각 다르지만 결국에는 비슷한 성능을 자랑합니다.
국산 하이브리드 자동차, SUV 연비 순위 TOP 7
1위. 기아 니로 하이브리드 (20.8km/L)
2위. 현대 디 올 뉴 코나 하이브리드 (19.8km/L)
3위. XM3 하이브리드 (17.4km/L)
4위. 스포티지 하이브리드 (16.7km/L)
5위. 투싼 하이브리드 (16.2km/L)
공동 6위. 싼타페 하이브리드 & 쏘렌토 하이브리드 (15.3km/L)
국내 수입 및 국산차 하이브리드 연비 순위
