하이브리드 자동차의 파워트레인

하이브리드 자동차(hybrid vehicle)이 처음 생산된 것은 1899년(Lohner-Porsche에 의해)으로 거슬러 올라간다. 초창기 하이브리드 자동차(hybrid vehicle)은 외부 전원으로부터 전력을 공급받았다. 하지만 오늘날 일반적으로 일컫는 플러그인 하이브리드 자동차(plug-in hybrid electric vehicle, PHEV)에서의 "플러그인(plug-in)"이라는 말은 일상적으로 사용되는 콘센트(wall socket)에서 전력을 공급받을 수 있음을 말한다.

최초의 플러그인 방식 하이브리드 차량은 1969년 미국의 GM(General Motors)이 소개한 XP-883이었다. 오늘날 하이브리드 차량의 선두에 서 있는 것이 일본 업체들임을 감안하면 조금 뜻밖이기는 하지만 당시만 하더라도 일본 업체들이 미국 자동차 업체를 따라가기 바쁜 시절이었다. 또, 최초로 상용화된 하이브리드 차량은 2003년 르노(Renault)에서 판매하기 시작했다.

[참고]

두 가지 이상의 연료나 동력원을 가지고 차량을 굴릴 수 있다면 모두 하이브리드 차량이라고 부를 수 있지만, 이 글에서는 내연 기관(internal combustion engine, ICE; 다시 말하자면 엔진(engine))과 전기 모터(electric motor)를 이용하는 방식을 일컫는다.

아무튼 이러한 플러그인 하이브리드 자동차(plug-in hybrid electric vehicle, PHEV)는 파워트레인 방식에 따라 다음과 같이 나눌 수 있다.

직렬 하이브리드(Serial hybrids)

이 방식은 가장 간단한 방식의 하이브리드 파워트레인으로, 내연 기관(internal combustion engine, ICE)이 발전기를 돌리고, 발전기가 전기 모터에 전류를 공급하여 구동축을 굴리는 방식이다. 발전기나 브레이크 구동을 통해 얻은 여분의 전원은 배터리(battery)나 커패시터 팩(capacitor pack)에 저장된다. 다시 말해 단지 전기 모터만이 구동축에 힘을 전달하고 내연 기관은 전기 모터에 전력을 공급하기 위한 역할만을 수행한다. 내연 기관(엔진)은 발전기를 돌리기만 하면 되므로 그 크기가 상대적으로 작다. 반면 배터리 팩과 전기 모터가 상대적으로 강하고 커야 한다. 이러한 배터리와 전기 모터가 비용 상승의 주범이 되어 직렬 방식 하이브리드 자동차가 병렬 방식 하이브리드 자동차에 비해 일반적으로 더 비싸다.

기존의 자동차가 고속 주행이 아닌, 가다 서다를 반복하는 상황에서 연비가 확연히 떨어지는 것과는 반대로 직렬 하이브리드 방식은 이러한 상황에서 최고의 상태를 보인다. 게다가 복잡한 변속기나 클러치도 필요하지 않다는 장점이 있다.

르노(Renault)가 판매한 Kangoo Elect'Road나 시보레(Chevrolet)의 볼트(Volt) 컨셉카가 이러한 방식에 해당한다.

병렬 하이브리드(Parallel hybrids)

이 방식은 내연기관과 전기 모터가 동시에 구동축으로 힘을 전달하는 방식이다. 병렬 하이브리드 방식 차량은 두 개의 동력원 즉 내연 기관과 전기 모터, 두 개가 동력축으로 동시에 힘을 전달하는 방식이다. 대부분의 병렬 하이브리드 차량은 엔진과 변속기 사이에 전기 모터를 배치하지만, 전기 모터로 구동축 하나를 굴리고 내연 기관이 다른 구동축을 굴리는 방식도 존재한다. 아우디(Audi)의 듀오(Duo) 컨셉이 이런 방식을 취하고 있다.

직렬 하이브리드 방식과 달리 병렬 하이브리드 방식은 엔진이 바로 구동축에 물려 있기 때문에 직렬 하이브리드 방식처럼 기계적인 힘을 전기 에너지로 한번 더 변화시키는 번거로움이 존재하지 않는다. 따라서 병렬 하이브리드 방식은 고속 주행에서 더 효율적이다. 하지만 시내 주행에서와 같이 가다 서다를 반복하는 곳에서는 하이브리드의 이점을 그다지 누릴 수 없다는 단점이 있다.

병렬 하이브리드 방식은 혼다(Honda)의 인사이트(Insight) 하이브리드, 시빅(Civic) 하이브리드, 그리고 어코드(Accord) 하이브리드에 적용되고 있다.

직병렬 하이브리드(Series/parallel hybrids)

이 방식은 직렬 방식과 병렬 방식을 함께 사용할 수 있는 유연성을 가진 방식이다. 다시 말해 때로는 엔진의 구동력이 구동축에 직접 전달되기도 하고(병렬 방식) 때로는 엔진의 구동력은 구동축에 전달되지 않고 전기 모터의 구동력만 전달되기도 하는(직렬 방식) 방식이다. 일부에서는 직렬 방식과 병렬 방식을 동시에 사용할 수 있게 하기도 한다. 도요타(Toyota)의 프리우스(Prius)가 이러한 방식을 널리 퍼뜨리게 하였으며, 현재 포드(Ford)의 이스케이프 하이브리드(Escape Hybrid)도 이러한 방식을 택하고 있다.

저속에서는 직렬 하이브리드 방식처럼 동작하고 고속에서는 병렬 하이브리드 방식처럼 동작하기 때문에 더 나은 연료 효율을 보인다. 하지만 발전기나 대형의 배터리 팩을 필요로 하기 때문에 병렬 하이브리드 방식에 비해 더 많은 비용이 든다는 단점이 있다.

포드(Ford), 도요타(Toyota), 렉서스(Lexus), 니싼(Nissan) 등 현재 대부분의 하이브리드 차량에서 이용되는 방식이다.



다음은 이러한 방식들을 플래시 애니메이션으로 볼 수 있도록 한 것이다. (http://www.hybridcenter.org/hybridcenter/powertrain10.swf)

참고

1. Wikipedia, Plug-in hybrid vehicle
2. HybridCenter.org