하이브리드 자동차 개념정리

요즘 많은 사람들이 전기차에 관심을 가지고 있습니다. 하지만 전기차 못지 않게 또 사랑을 받고 있는 자동차가 있는데 바로 하이브리드 자동차입니다. 

최근에 하이브리드 자동차와 "플러그인 하이브리드" 자동차가 어떻게 다른지에 대해서 친구와 논쟁이 오가다가 자동차 설계 엔지니어로 있는 자동차덕후 친구에게 자세히 배우게 되었습니다. 

다시 한번 친구에게 배운 하이브리드 자동차의 개념과 플러그인 하이브리드의 개념, 그리고 내연기관 자동차와 전기차까지 한번 자동차의 구동방식에 따라서 어떻게 분류되는지 한번 잘 살펴보도록 하겠습니다.

그리고 하이브리드의 개념을 알기 위해서는 내연기관과 전기차 두 개념을 모두알아야하니 다들 알고 계시더라도 한번 더 개념을 짚고 넘어가도록 하겠습니다. 

1. 내연기관 자동차 

내연기관에 대해서 우리는 알아야합니다. 내연기관은 가솔린이나 디젤과 같은 화석연료를 사용하는 자동차입니다. 앞서 이야기한것처럼 크게는 두가지 종류의 연료가 있고 마지막으로 LPG까지 있습니다. 

어떤 연료를 쓰느냐에 따라서 내연기관 자동차의 특성이 달라지게 됩니다.

1) 가솔린 자동차

가솔린 차량의 가장 큰 장점은 주행시 정숙하고 차량 관리가 용이하다는 것입니다. 보통 우리가 일반적으로 타고다니는 승용차와 세단에서 많이 채택하고 있습니다. 세단은 아무래도 안락하게 목적지까지 이동해야하는데 진동이 적기 때문에 가솔린 엔진을 탑재한 자동차가 디젤엔진차량 보다 정숙함과 승차감이 더 좋습니다.

여기다가 디젤차량이나 LPG차량보다 관리도 쉽다고 합니다. 세상에 수많은 가솔린 차들이 있고, 그만큼 규모의 경제가 일어나서 부품이나 인프라가 충분히 갖춰져있어서 관리가 좋고 수리비도 덜 나갑니다.

안좋은 점이 있다면 연료비가 디젤보다 비싸다는것입니다. 보통 리터당 200원정도 차이가 나고 연비도 디젤이 가솔린보다 더 좋습니다. 

하지만 애초에 차량 가격이 일반 경유보다는 가솔린차가 디젤차보다 저렴한경우가 많습니다. 

2) 디젤

디젤의 장점은 연비가 좋습니다. 게다가 연료비도 더 저렴합니다. 최근에 디젤 즉 경유값도 많이 오르긴 했지만 여전히 그래도 가솔린 대비 저렴한 편이고, 연비가 좋습니다.

여기에 또한 힘이 좋습니다. 디젤 차의 토크가 높아서 휘발유차량보다 오르막길이나 무거운 차량을 움직일때 더 좋습니다. 탱크에도 디젤엔진이 많이 들어가고, 배에도 종종 디젤엔진이 들어갑니다.

주행거리가 많고 무거운 짐을 옮기는 화물차는 대부분 디젤차량이며, SUV차량도 크고 무겁기 때문에 힘이 좋은 디젤차량이 더 많이 들어갑니다. 

3) LPG

LPG차량은 일단 연료비가 엄청 쌉니다. 왜냐하면 LPG가 휘발유나 디젤보다 더 흔하기 떄문입니다. 여기에 정숙함은 사실 가솔린과 비교했을때도 더 저렴한 편이라고 생각합니다. 여기에 휘발유나 디젤차량에 비해서 차량 자체의 가격도 저렴한 편입니다.

하지만 단점으로 겨울철에 관에 남아있는 LPG연료가 얼 수 있어 시동이 부족하고, 힘 즉 출력이 부족하다는 것이 늘 단점으로 지적되왔습니다. 거기다가 트렁크에 LPG연료통이 실려있어서 트렁크 공간도 줄어듭니다.

하지만 LPI엔진 개발이 지속되고 상품성개선으로 최근에 나오는 LPG차량들은 힘도 좋고 정숙하다고 느낍니다. 게다가 LPG연료통도 이제는 트렁크 아래에 보이지 않게 장착되어 트렁크 적재공간도 충분히 나옵니다.

 연비는 좋지 않으나 연료비 자체가 저렴하기 때문에 많은 택시나 영업용 차량이 LPG엔진을 차지합니다. 

하지만 이 모든 차량 모두 내연기관으로서 연소실이 있고 연소실 내부에서 높은 온도와 압력의 기체가 피스톤을 움직이게해서 동력을 추진하는 방식입니다. 

아마 중고등학교 기술시간에 흡입 > 압축 > 폭발 > 배기 이러한 형태로 이어지게 되는데 20세기 인류의 기술발전은 바로 이 내연기관과 함께했다고 할정도로 많은 기술적 발전이 있었습니다. 

2. 전기자동차 

전기차는 앞서이야기한 내연기관 자동차보다 더 먼저 나온 자동차입니다. 1830년대에 이미 개발되었고 시속 100km를 먼저 돌파한것도 전기자동차였다고 합니다. 그러나 배터리 기술적 한계에 부딪혀서 내연기관과의 경쟁에서 밀리게 되었습니다. 

이때도 지금이랑 비슷하게 가격이 비싸서 문제였다고 합니다. 그러나 21세기 들어서부터 훨씬 향상된 배터리기술과 우수한반도체 기술에 힘입어 전기차의 주행거리와 성능이 비약적으로 발전하게 되었고, 이제는 내연기관 자동차를 퇴출 위기에 처하게 만들만큼의 존재가 되었습니다.

전기자동차는 말 그대로 전기를 이용해서 구동하는 자동차입니다. 내연기관보다도 전기에서 회전력으로 바뀌면서 오염물질 배출도 없고 소음도 진동으로부터 자유롭습니다. 여기에 회생제동을 통한 에너지 효율 향상이 있을수 있습니다.

공회전 조차 없어서 주차중에도 각종 차량내부의 거주성이 훨씬 뛰어나게 변합니다. 여기에 전기라는 에너지 자체도 화석연료에 비해서 저렴하고 또 다양한 방법으로 얻을 수 있어서 대체제가 충분히 많습니다.

여기에 최근에 나오는 모터들은 내연기관보다 더욱 통제하기가 쉽고 제어하기 쉬워서 전자식으로 소프트웨어에 의해서 자율주행 적용도 용이합니다.

각종 부품들이 많이 줄어들고 모듈화되기 때문에 유지보수도 쉬워지게 됩니다. 하지만 여전히 주행거리와 비싼 가격, 충전인프라는 해결해나가야할 과제 입니다. 

전기차도 전기를 배터리에 충전해놓았다가 타는 일반 전기차와, 수소를 저장했다가 이것을 연료전지로 쓰는 차량으로 나뉘게 됩니다.

1) 전기차

배터리에 전기를 충전해야하며, 배터리를 다 쓰면 방전됩니다. 그러나 상당히 단순한 구동계 방식으로 각종 전자장비 탑재와 비용적인 면에서 더욱 우위를 점하고 있습니다.

주행거리가 짧고 배터리 충전시간이 너무 오래걸린다는 점이 여전히 난제로 남아있지만 급속한 기술개발이 이루어지고 있습니다. 

2) 수소 연료전지 자동차

전기 배터리 대신에 수소라는 고효율 연료를 사용함으로서 전기를 더욱 쉽게 충전하고, 낮은 비용으로도, 장거리, 그리고 높은 토크로 이동할 수있는 전기를 만들어 냅니다. 

충전속도적인 측면에서도 기존 LPG차량처럼 그냥 넣고 달리기만 해서 더욱 편리합니다. 수소가 전기분해되면서 공기가 필요한데 공기를 정화해주면서 기존의 내연기관과 다르게 달리면서 공기를 청소해줍니다. 

하지만 아직 수소인프라의 보급이 상당히 늦은 편이고 이에 막대한 인프라 구축비용이 예상됩니다. 여기에 정비도 어렵고 수소탱크와 연료전지가 추가되면서 가격이 더욱 비싸지는 단점이 있습니다.

 

하이브리드자동차

자 드디어 하이브리드 자동차까지 왔습니다. 잡종이라는 뜻그대로 위에 이야기한 전기자동차와 내연기관 자동차를 동시에 쓰는 자동차가 바로 하이브리드 자동차입니다.

이 하이브리드로 들어가는 내연기관은 가솔린도 있고, 디젤도 있고, LPG도 있습니다. 필수조건은 배터리와 전기모터 내연기관을 함께 갖추고 있어야 하이브리드 자동차가 되는 것입니다.

하이브리드 자동차 역사도 100년이 넘었는데 1899년 독일의 페르디난트 포르셰가 처음 만들었다고 합니다. 그 유명한 포르쉐 자동차의 창업주 맞습니다. 

 엔진과 모터 비율에 따라서 3가지 종류의 하이브리드로 구분되기도 합니다. 

1) 풀하이브리드

풀하이브리드 차량의 대표격은 바로 도요타 프리우스 같은 자동차가 있겠습니다. 일단 하이브리드 자동차에는 디젤엔진과 모터가 두개 다 들어가야하는데 엔진이 너무 큰 디젤엔진은 좀 안좋다고 합니다. 게다가 진동까지 큰데다가 모터와 디젤의 최대토크 발휘가 상호 보완을 해주지 못해서 가솔린과의 궁합이 좋다고 합니다. 

풀 하이브리드는 내연기관의 비중과 배터리가 서로 도와주는 역할을 하는데 보통 내연기관의 비중이 더 큰 경우가 많았습니다. 주행상황에 따라서 저속에서는 토크가 강한 전기모터로 돌리고, 반대로 고속에서 토크가 좋은 가솔린 엔진이나 LPG엔진이 주 동력원이 됩니다.

풀하이브리드에서도 3개의 종류가 있다고 합니다. 우리가 주로 보는 하이브리드 차량은 병렬 하이브리드나 직병렬 차량이라고 합니다. 

- 직렬 하이브리드 : 전기자동차에 발전용 엔진을 넣은겁니다. 전기로 구동하는데 전기 떨어지면 가솔린 넣은 발전기엔진을 돌려서 전기를 충전합니다. 하지만 비싼 가솔린 연료효율이그렇게 좋지 않기에 유류비 절감으로 쓸 수는 없겠습니다. 주로 철도차량이나 대형시내버스에서 쓰는 방식입니다.

- 병렬 하이브리드 : 우리나라 자동차에서 보이는 하이브리드 차량이 대부분 이 방식입니다. 저속에는 전기모터만 쓰다가 일정속도가 넘어가면 내연기관 엔진으로 힘을 더하는 방식입니다. 구조가 단순하고 무게도 가벼워서 가격도 그리 비싸지지 않습니다. 

그러나 하나의 모터만 있으므로 모터출력이 낮고 주행중 충전이 불가능합니다. 하나의 모터만 있기에 발전기로 돌릴수 있지 못하기 떄문입니다. 실연비도 내연기관 차보다는 훨씬 좋습니다.

- 직병렬 하이브리드 : 모터가 두개가 들어갑니다. 그래서 저속에서는 모터로만 주행하면서도 힘이 좋고 고속으로 주행하더라도 발전기를 함께 돌릴 수 있습니다. 도요타에서 특허를 잔뜩내서 접근이 어려웠지만 최근에 다른 회사들도 각자 고유기술을 통해서 풀하이브리드를 구현해내고 있습니다. 

2) 마일드하이브리드

마일드 하이브리드는 엔진 동력이 기본이고 모터가 보조만 하는 경우를 말합니다. 모터로만은 구동이 불가능합니다. 전기모터는 옆에서 정말 동력을 거들어주기만하고 있고 연비를 15%정도밖에 절감해주지 못한다고 합니다.

스탑앤고정도의 마일드하이브리드 정도로 시동이 꺼져도 계속 전기를 제공해주고 있고 이 기술은 이제는 꼭 하이브리드 차량만이 아니라 전체 내연기관 차에도 적용되고 있습니다.

설계 단가도 낮아서 적용하더라도 제조비가 크게 비싸지지 않는다는 장점이 있습니다. 여기에 저회전 구간에서 토크가 강한 것도 큰 장점 중에 하나입니다. 

이건 하이브리드라고 보조금 받지는 못한다는 점 참고바랍니다.

3) 플러그인 하이브리드

플러그인 하이브리드는 외부충전을 할 수 있어서 전기만으로도 달릴 수 있는 하이브리드 차량을 플러그인 하이브리드라고 부릅니다. 말 그대로 충전소에 꽂아서 충전도 가능하고, 내연기관을 쓸 수 있지만 주로는 전기모드를 쓰도록 세팅된 경우가 많습니다. 

기존의 풀하이브리드나 마일드하이브리드보다 훨씬더 많은 부분이 모터와 배터리 비중이 커지게 되었네요. 엔진이 있긴 하지만 최대한 배터리를 많이 사용할 수 있게 한다고 합니다. 

우리나라 모델중에서는 기아 니로가 플러그인 하이브리드 모델이 있고, 아이오닉 또한 플러그인 하이브리드 모델이었습니다. 하지만 순수전기차에 비해 보조금이 낮고 가격도 비싸며, 순수전기차에 비해서 애매한 부분이 많다고 생각합니다. 

하지만 전 세계적인 추세에서는 플러그인 하이브리드는 판매량이 계속 증가하는 추세이며 가격도 점점 더 저렴해지고 있어서 충분히 매력적인 기종이 되가고 있습니다. 

글을마치며

이렇게 길게까지 쓰게 될줄은 몰랐는데 정리를 하다보니까 글이 상당히 길어진것 같습니다. 우리가 맨날 타고다니는 자동차에도 이렇게 많은 개념과 연료별 다른 구동방식이 존재한다는 것이 포스팅을 하면서도 참 재밌었던것 같습니다.

블로그 내 링크에 더 많은 자동차 정보들이 있으니 작게나마 여러분의 상식과 견문을 넓히는데 도움이 되었기를 바라겠습니다. 

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