하이브리드 자동차 종류 및 장단점

안녕하세요.^^ 조이앤남 입니다.

오늘은 하이브리드 자동차에 대해서 알아보도록 하겠습니다.

 

1. 하이브리드 자동차 개요

하이브리드 자동차란 두 가지 이상의 전기, 휘발유 등 동력원을 사용하여 만들어진 자동차입니다. 보통 전기모터를 같이 쓰고 전기자동차와는 달리 내연기관 엔진을 같이 사용하며 일반 차량에 비해 유해가스 배출량, 연비를 획기적으로 줄인 차세대 환경 자동차입니다. 전기 모터는 차량 내부에 장착된 고전압 배터리로부터 전원을 공급받으며 차가 움직일 때마다 다시 충전됩니다. 차량 주행 상태나 속도 등에 따라 엔진과 모터의 힘이 고르게 제어되어 효율성을 극대화합니다.

 

 

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2. 하이브리드 자동차 역사

최초의 하이브리드 자동차는 1899년 페르디난트 포르쉐 박사가 내놓은 믹스테(Mixte)가 최초, 프랑스어로 "혼합된"이란 뜻으로 하이브리드 자동차가 만들어졌습니다. 4개의 바퀴에 독립된 인휠 전기 모터가 장착해 독립적으로 힘을 바퀴에 전달하였고 내연기관은 오직 전기로만 충전하는 용도로 현재에 비하면 EREV(주행거리 연장 방식 전기차) 구동방식이었습니다. 차는 2인승 컨버터블과  4인승 두 가지 차를 출시하였으며 최대출력 7마력~14마력에 안 되는 차였지만 가솔린과 전기를 사용하여 에너지원으로 사용하는 최초의 하이브리드였습니다. 일본 도요타의 프리우스와 혼다의 인사이트가 대표적인 차종이었으며 프리우스가 2000년 말에 세계 최초로 하이브리드 자동차 양산화에 성공하였습니다. 우리나라에서는 2009년 현대자동차의 아반떼가 LPI와 기아자동차 포르테 LPI가 출시되었습니다.

 

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3. 하이브리드 종류

3.1. 풀 하이브리드

풀 하이브리드의 모터는 엔진이 완전히 꺼진 상태에서 모터의 힘만으로 일정 속도까지 가속되고, 주행이 가능합니다. 그리고 모터로 주행 시 전기차와 동일하게 엔진 소리가 전혀 나지 않으며 진동과 소음을 없어 하나의 장점입니다. 풀 하이브리드 시스템은 모터의 배치, 구동 방식, 설계에 따라 직렬과 병렬, 그리고 직병렬 하이브리드로 나뉩니다. 

 

 

3.1.1. 직렬 하이브리드

엔진과 인버터, 모터가 직렬로 이뤄진 시스템으로 엔진은 발전기 역할을 하며 디젤 전기기관차처럼 모터의 힘으로만 달리는 방식입니다. 전기차의 장점을 여러 가지 가지고 있으며 배터리 충전량이 충분하면 엔진이 돌지 않고 소음이 적어 최대토크를 낼 수 있습니다. 모터의 특성상 차급에 비해 가속 성능이 대단히 좋습니다.

3.1.2. 병렬 하이브리드

일반적으로 쓰이는 엔진과 변속기 사이에 모터를 넣는 구조 방식입니다. 출발할 때나 저속에선 모터로 가속을 하고 일정 속도가 올라가면 엔진 클러치가 붙어 엔진 힘을 더해 구동하게 됩니다. 현대자동차에서 쓰이는 하이브리드 구조 방식입니다. 정속 주행으로 엔진 효율을 높일 수 있는 고속 주행 연비가 시내 주행 연비보다 더 놓은 상황이 발생합니다.

3.1.3. 직병렬 하이브리드

도요타 프리우스에 채용되어 유명해진 시스템으로 병렬 하이브리드처럼 엔진이 직접 자동차의 구동에 관여할 수 있고, 모터의 힘만으로 움직입니다. 그래서 모터로 주행 중에도 발전기를 돌려 배터리를 충전할 수 있고 내연기관만 사용했을 때보다 최대 100%가량 높은 연비가 측정이 된다고 합니다.

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3.2 마일드 하이브리드

엔진 동력이 기본이며 모터는 보조만 하는 방식입니다. 모터로만 구동이 불가능합니다. 또한 도요타의 풀 하이브리드 특허를 피하기 위해서 제조사들이 써왔던 방식으로 자동차 브랜드에서는 최초로 BMW 1 시리즈가 적용이 되었습니다. 마일드 하이브리드 대표적인 기능이라고 하면 스탑 앤고 입니다. 신호 대기 중 잠시 멈췄을 때 시동을 완전히 껐다가 출발 시 켜서 연료 낭비를 줄일 수 있습니다. 순수 내연 기간 차량에도 적용된 기술이지만, 마일드 하이브리가 채용된 차량은 부드럽게 에어컨, 히터 등이 잘 작동됩니다. 이들에 필요한 동력은 큰 편이며 필요한 전기 동력 량이 점점 증가되고 있어 앞으로 마일드 하이브리드의 영역이 커질 수 있습니다.

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4. 하이브리드 자동차 배터리

예전에는 니켈 수소(Ni-MH) 계열이 주로 쓰였지만 현재는 리튬이온(Li-ion)이나 리튬이온 폴리머(Li-ion polymer)로 대체되어 쓰이고 있습니다. 하이브리드 자동차와 전기자동차의 배터리의 수명 문제로 차를 구매하여 사용하는 소비자들의 관심사가 많이 쏠리고 있으며 이로 인해 배터리를 만드는 제조사는 전지와 충전 알고리즘 개발과 개선에 많은 노력을 기울이고 있습니다.

 

 

배터리는 보통 여러 개의 셀로 이루어져 있습니다. 하나의 셀이 수명을 다해도 다른 셀이 작동하게 되면서 동작할 수 있는 시간만 소비되고 정상적으로 작동합니다. 배터리는 여러 개의 셀로 고장이 거의 일어나지 않습니다. 

리튬이온 배터리는 충전용량을 낮출수록 충전 가능 횟수가 늘어납니다. 일반적으로 충전용량과 충전 가능 횟수가 경제적으로 최대 유지할 수 있는 지점은 물리적 충전용량의 50%~80% 전후입니다.

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5. 하이브리드 자동차 장점

▶ 연비가 높아"주유소를 자주 가지 않아도 된다" 그리고 오염물질 배출이 상대적으로 적습니다. 10㎞이내로 연비의 차량을 운행하다가 18㎞~20㎞ 연비의 차량을 운행하게 되면 주유소를 방문하는 횟수가 반 이상으로 줄어들게 됩니다.

▶소음이 적다. 시동을 걸었을 때는 전기 모터로 구동되어 소음이 거의 발생하지 않습니다. 정속 주행 시 소음이 나지 않는 편이라 하이브리드의 기능을 최대 효율 구간에서 움직이려고 하는 특성이 있습니다.

 

 

▶유지비나 고장 등 생각하는 만큼 과대하지 않다. 구조적으로 전기 계통과 내연기관 계통이 부하를 나누어져서 연료를 제외한 유지보수 비용이 상쇄될 수 있습니다. 엔진은 드라이브 모드로 최대 효율 구간에서 작동되어 긴 시간 컨디션이 잘 유지되며 내구적인 문제점도 20년 가까운 운용 실적으로 문제점은 보이지 않습니다.

▶배터리 위치가 트렁크 하단에서 현재는 보통 시트 하단 또는 차 중심부에 설치가 되기 때문에 차체 자세 제어가 안정적입니다. 배터리를 무게중심을 낮추면 그 전보다 훨씬 좋은 코너링을 할 수 있습니다. 또한 모터의 특성 덕분에 가속력이 좋아졌고 동급의 차량보다 연비가 좋습니다. 퍼포먼스 위주 세팅도 연비가 일반 내연기관차량보다 우위에 있습니다.

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6. 하이브리드 자동차 단점

▶구조가 복잡하고 가격이 비싸다. 하리브리드 차량은 동일 차량에 비해 20% 이상 가격이 비쌉니다. 쉽게 말해 연료비로 차값을 뽑으려면 최소 10년 정도는 타고 다녀야 합니다.

▶사고 시 배터리 불안정성입니다. 사고로 인한 충격으로 배터리에 발화는 일들이 종종 발생하고 있습니다. 현재는 전기차 들이 발생하고 있지만, 하이브리드 자동차도 배터리를 장착하고 있다는 점에서 조심해야 합니다.

▶하이브리드 자동차는 감전의 위험이 있으니 꼭 정비에 각별의 주의를 하여야 하면 동력계통에는 고전압, 고전류가 흐르고 있으니 반드시 시동이 꺼져 있는지 상태를 확인하여야 합니다.

 

하이브리드 자동차에 대해서 알려 드렸는데요. 유용한 정보 되었으면 합니다. 감사합니다.

이상 조이앤남 이었습니다.^^ 좋은하루 되십시요.