하이브리드 자동차-종류

풀 하이브리드

하이브리드 구성에는 다양한 방식이 존재하는데 크게 풀 하이브리드와 마일드 하이브리드로 그리고 플러그인 하이브리드로 구분할 수 있다. 풀 하이브리드의 모터는 엔진이 완전히 꺼진 상태에서 모터의 힘만으로 일정 속도까지 가속, 주행이 가능한 것이 특징이고 마일드 하이브리드는 모터가 시동 모터 또는 알터네이터 역할을 겸하며 약간의 힘을 단순히 엔진에 보조하는 역할만 한다. 그리고 플러그인 하이브리는 전기자동차의 약점인 충전소 문제를 해결하기 위해 내놓은 전기자동차와 하이브리드의 혼합 형태가 특징이다.

풀 하이브리드는 모터로 주행하고 있을 땐 전기차와 마찬가지로 엔진 소리가 없어 진동과 소음이 없다는 장점도 있다.

기본적으로 풀 하이브리드는 가솔린 엔진과 조합이 잘 되며 디젤 엔진과 조합은 효율이 좋지 않다. 디젤 엔진은 크기가 크고 좁은 엔진룸에 전기 모터 등을 모두 넣기가 힘들고 디젤 엔진과 모터가 저속 영역에서 최대 토크를 발휘하는 중복되는 특성, 디젤의 힘이 떨어지는 고속 영역에서는 모터도 힘이 같이 떨어진다는 점 등 차량 효율성을 높이기 위한 목적으로는 디젤 엔진과는 서로 맞지 않다. 이런 이유로 가솔린 하이브리드는 가솔린 엔진과 모터의 장점은 살리고 단점은 보완할 수 있는 적절한 조합으로 여겨진다. 일부는 LPG 엔진과도 조합되기도 한다.

풀 하이브리드 시스템은 모터의 배치, 구동 방식, 설계에 따라 직렬과 병렬, 그리고 직병렬 하이브리드로 나누어진다. 3가지 방식의 구현 방법은 상당한 차이를 보이며 기술적으로 전혀 다른 장단점을 갖는다.

마일드 하이브리드

마일드 하이브리는 엔진 동력이 기본으로 하고 모터는 보조만 한다. 모터로만 구동이 불가능하다. BMW 1시리즈는 마일드 하이브리드라는 용어를 쓰지 않았고, 원리만 사용했고 그리고 많은 자동차 제조사들은 토요타의 풀 하이브리드 특허를 피하려고 취한 방식이 마일드 하이브리드로 전기 모터는 동력을 그저 거들 뿐으로 홀로 작동하지 않는다. 그래서 연비향상은 종래 내연기관 대비 최대 15% 가량에 그친다. 반면 저렴하고 설계가 간편하다는 장점이 있어, 방식에 따라선 생산비 100달러 정도로 연비 5% 정도를 상승시킨다고 한다.

기존 설계안에서 간단하게 적용할 수 있어서 제조비가 낮다는 장점도 크다. 전기모터는 내연기관과는 반대되는 저회전 토크가 강한 특성이 있고, 마일드 하이브리드는 이를 최대한 살리는 방식으로 발전 중이다. 2015년 현재 48V의 고전압 모터를 채용하여 더욱 소형화 되면서 특성을 잘 살리는 형태가 제시된다. 이전에는 일반적인 내부 전원인 12V로 동작하는 모터가 주로 쓰였다. 자동차 업계에서는 48V 마일드 하이브리드 시스템의 효율성을 일반 내연기관 차량과 풀 하이브리드 차량의 중간 정도로 보고 있다.

마일드 하이브리드에 대해 일반인이 가지는 가장 대표적인 인식은 지능형 스탑 앤 고 기능일 것이다. 이 기능은 신호 대기 등으로 잠시 멈췄을 때 시동을 완전히 껐다가 켜서 연료 낭비를 줄인다. 순수 내연기관 차량에도 적용된 기술이지만, 마일드 하이브리드에는 거의 100% 적용된 기술이기도 하거니와 하이브리드에서는 이 동작이 부드럽게 작동되며 에어컨도 잘 나온다. 그 외는 설계시 엔진의 최대효율 구간을 상대적으로 유연하게 설정할 수 있어서 연비를 개선시키는 식이다. 풀 하이브리드에도 적용되지만, 에어컨이나 히터와 같은 공조시설, 편의시설에 필요한 전기를 분담할 수 있다. 기존에는 이에 필요한 동력을 순전히 엔진에서 부담해야했었다. 이들에 필요한 동력은 큰 편이며 필요한 전기 동력 량이 점점 증가되는 추세이므로 마일드 하이브리드의 적용 영역이 커질 수도 있을 것이다. 최근 자동차의 전장품 사용증가에 따른 문제 가능성이 존재하기 때문에 기존 12V 시스템에서 48V 시스템으로 전환될 가능성은 크다. 물론 이 시스템을 적용할 경우 연비향상을 위해 마일드 하이브리드를 적용할 가능성도 있다.

디젤 하이브리드 차량은 주로 마일드 하이브리드로 개발 중이다. 디젤 기관은 휘발유 기관에 비해 출력 대비 크기가 크다. 그래서 구조가 간단하고 작은 마일드 하이브리드 적용 시 효율이 높다. 현대모비스에서는 2018년 48V 하이브리드 시스템을 양산한다고 하였는데 아직 실차량이 출시되진 않았다.

여러 장점이 있지만 전기차와 풀 하이브리드 기술 사이에서 사라질 기술이라는 견해도 있다. 물론 디젤 하이브리드에 널리 채용되기 때문에 아직까지는 수명이 남아있다고 볼 수 있다.

2019년 들어 전자장비 탑재 증가와 더불어 충전을 하지 않으면 실운행 시 하이브리드와 큰 차이가 없으면서 가격만 비싼 PHEV방식의 한계 때문에, 48V 마일드 하이브리드 방식 채택이 점차 늘어나는 추세이다. 이런 경향은 플러그인 하이브리드 자동차가 힘을 못 쓰는 한국에서 특히 두드러진다.

마일드 하이브리드도 업체에 따라 다양한 구현 방식이 등장하고 있는데, 기본적으로는 최대한 현재 자동차의 설계를 유지하고 몇몇 부품만을 변경, 교체하는 수준으로 전동화를 하겠다는 게 핵심이다. 제일 흔한 것은 기존의 발전기가 모터 역할을 겸하도록 만들어 벨트로 힘을 더 하는 방식이고, 엔진과 변속기 사이에 모터가 위치하는 방식, 시동 모터가 발전기의 역할을 겸하는 방식, 아예 전륜구동 레이아웃은 그대로 두고 뒷차축에 일체화된 소형 하이브리드 시스템을 넣는 방식 등 다양한 시스템이 제시되고 있다.

상당수의 선진국에서 2030~2040년 쯤엔 순수 내연기관차 등록 금지가 시작될 예정인데, 그 때는 전기자동차가 대중화될 것으로 예상되다보니 풀 하이브리드 기술에 사활을 걸 정도로 투자할 이유가 없어지고, 이 때문에 2010년대 후반부터는 기존 자동차의 설계를 최대한 활용할 수 있고 적은 비용으로도 효율을 높일 수 있는 마일드 하이브리드가 오히려 점유율을 높이고 있다. 전기차로 전면적인 전환을 하기엔 가격, 충전소 문제 등 현실적인 문제가 많아 전기차에 연구 역량을 쏟고 마일드 하이브리드를 활용해 최소의 비용으로 본격적인 전기차 시대 직전까지 대처하겠다는 것. 특히 볼보는 2021년부터 순수 내연기관 모델을 모두 단종하고, 내연기관 차량은 플러그인 하이브리드와 마일드 하이브리드만을 출시하기로 결정했다.

플러그인 하이브리드

플러그인 하이브리드는 전기자동차의 약점인 충전소 문제를 해결하기 위해 내놓은 전기자동차와 하이브리드의 혼합 형태로, 접근 방식은 크게 둘로 나뉜다. 첫째는 기존 하이브리드 차량에 추가로 배터리를 장착하거나 펌웨어를 트윅하여 EV 주행거리를 더 확보한 형태다. 쏘나타 PHEV, 프리우스 프라임이 속한다. 둘째는 전기차의 파워트레인 항속거리 증가를 위한 발전용 엔진을 단 형태다. 논란의 쉐보레 볼트는 일반 PHEV와 구조가 상당히 다르며 전기 모드를 주로 쓰도록 세팅되어 있다. 그래서 인지 GM 측에서는 이를 EREV로 칭하고 있다. 실제 EREV는 i3 ranger extender 모델과 같이 주행에 엔진이 전혀 참여하지 않고, 엔진은 발전용으로만 쓰인다. 보통 PHEV가 전자고, 후자는 EREV(Extended Range EV, 주행거리 연장 전기차)라고 한다. 대한민국에서는 둘 다 플러그인 하이브리드로 분류하고, 보조금 혜택도 동일하게 받는다.

플러그인 하이브리드의 단점은 전기자동차에 비해 부족한 EV 모드 주행거리와 배터리 무게 증가로 인한 연비 저하, 그리고 가격 상승을 들 수 있다. 대한민국은 플러그인 하이브리드 차량에 500만 원의 보조금이 지급된다. 그냥 하이브리드 차량의 보조금이 100만 원이고 추가적인 제조사 할인을 감안하면, 차이가 적다. 더 큰 문제는 순수 전기자동차처럼 자택이나 회사에 충전 공간을 마련할 수 없다면 전기자동차 충전소를 찾아서 이리저리 해매야 한다는 점이다. 무엇보다 플러그인 하이브리드는 완속(5핀) 충전밖에 안 된다.

그럼에도 순수 전기자동차의 가장 큰 문제점인 짧은 항속거리를 화석연료 기반 차량과 동등한 수준으로 만드는 장점이 있다. 배터리의 용량이 부족하면 그냥 주유소에서 기름을 채워서 그냥 하이브리드 차량처럼 운행하면 된다. 엔진 구동 시의 진동은 어쩔 수 없지만, 화석연료 기반 자동차보다는 평균적으로 적다. 빠른 배터리 교환/충전 기술이 나오기 전에는 전기자동차와 화석연료 자동차의 가교 역할을 하리라 기대된다. 하지만 지원금이 순수 전기자동차에만 몰려 있고, 가격은 매우 비싼 탓에 보급 속도는 순수 전기자동차보다 훨씬 느리다.