전세계적으로 하이브리드 차량 판매 비중이 높아진 지금 자동차 시장에 다양한 방식의 하이브리드 차량이 출시 되고 있다. 마일드 하이브리드, 풀하이브리드, 플러그인 하이브리드 크게 세 종류로 나뉜다. 그 중 가장 인기인 풀하이브리드 방식도 여러가지로 나뉜다.

주로 가솔린 엔진과 조합되는 풀하이브리드 시스템은 가솔린 엔진의 부족한 초반토크를 모터로 상쇄하고 고회전시 모터의 부족한 토크를 가솔린 엔진으로 보완하는 시스템이다.

풀하이브리드 방식은 크게 3종류로 분류한다. 병렬형, 직병렬형, 직렬형 하이브리드로 나뉜다. 세 방식의 공통점은 엔진이 아닌 모터가 구동을 보조하거나 대부분을 담당하는 것이 가장 큰 특징이다.

직렬 하이브리드는 레인지 익스텐더와 비슷한 방식이다. 엔진과 인버터, 모터가 직렬로 연결돼 엔진은 발전기 역할만 하고 구동은 전기모터로 담당한다. 구조가 비교적 단순해 초창기 하이브리드 차량에 주로 사용했었다.

전기차의 장점을 두루 가지고 있는 이 방식은 배터리 충전량이 충분하면 엔진이 정지해 소음이 적고 처음부터 최대 토크가 쏟아져 나오는 모터를 사용해 차체 크기 대비 가속성능이 좋은 편이다.

단점으로는 배터리의 용량이 충분치 않거나 모터의 부하가 심한 주행환경에서는 연비가 잘 나오지 않을 뿐더러 직병렬, 병렬형 하이브리드 보다 연비 효율이 낮아진다. 대표 차종은 닛산 노트 e-파워, BMW i3 Rex가 있다.

병렬형 하이브리드는 현대기아에서 주로 사용하는 방식이다. 하이브리드로 엔진 주행과 모터주행을 동시에 할 수 있으며 모터의 위치에 따라 FMED(Flywheel Mounted Electric Device) 방식과 TMED(Transmission Mounted Electric Device) 방식으로 나뉜다.

FMED 하이브리드는 플라이휠과 모터가 맞물려 있어 구동 중에 모터가 동력을 보조할 순 있지만 모터만으로는 주행이 불가능하다. 반면 TMED방식의 경우 모터가 미션과 결합되어 있어 모터만으로 EV 주행이 가능하다.

현대자동차의 경우 TMED 방식으로 모터(발전기 역할)가 외부 벨트와 변속기의 입력축에 결합되어 있다. 사진속에 위치한 클러치를 통해 구동력을 결정한다. 클러치를 붙이면 엔진과 모터가 동시에 작동하거나 엔진으로만 작동하고 클러치가 완전히 떨어졌을때는 모터로만 차량을 구동시킬 수 있다.

이뿐 아니라 플라이휠에 HSG장치(모터)가 장착돼 미션에 위치한 모터로만 운행하다가 시동을 걸어야할 때 엔진 회전수에 맞게 충격없이 시동을 걸어준다. 아울러 모터로만 운행하다가 엔진이 개입해도 이질감 없이 동력이 전환된다.

이 방식의 장점으로는 기존 자동차와 레이아웃이 흡사해 개발비를 절감할 수 있고 모터를 1개만 사용해 경량화, 비용절감이 가능하다. 또 후륜에 모터를 배치하면 별다른 동력축 없이 4륜구동 시스템을 만들 수 있다. 후륜에 더 강력한 모터를 배치할 수 있다는 장점도 있다.

단점으로는 엔진과 변속기 사이에 모터를 위치해 모터 크기를 일정 이상 키울 수 없어 모터 출력이 낮을 수밖에 없다. 이로 인해 대형차의 경우 연비를 끌어 올리기 쉽지 않다.

또한 구조적 한계로 중량이 큰 차량, 상용차에는 적용하기 거의 불가능하다. 병렬 하이브리드 특성상 전기 충전량이 들쑥날쑥해 잦은 충방전이 이뤄져야 한다. 이에 따라 배터리 성느이 좋은 리튬 계열을 장착할 수 밖에 없어 가격상승의 원인이 된다.

직병렬 방식 하이브리드는 토요타 하이브리드, 혼다 i-MMD 하이브리드가 가장 유명하다.

먼저 토요타의 직병렬식 하이브리드 구조는 통상 하나의 모터가 엔진에 결합된 방식이 아니라 2개의 모터가 구동과 발전을 담당하는 투 모터 시스템을 활용한다. 엔진과 구동모터로 주행을 할 때는 병렬형, 힘이 남아 배터리를 충전할 때는 직렬형으로 바뀐다. 이런 독특한 방식으로 인해 직병렬형 이름으로 불린다.

두 개의 모터는 동력분할기구 PSD(Power Split Device)와 맞물려 변속기 역할을 대신한다. PSD는 구조상 ‘유성기어’ 형태다. 기어비를 자유롭게 조절가능한 장점이 있다. CVT처럼 작동하지만 일반적인 CVT 변속기가 아니라서 e-CVT라고 명칭한다.

이런 구조의 장점은 모터로 주행하다 엔진이 개입해도 거의 충격이 없다. 자유롭게 모터와 엔진 개입의 변환이 가능해 토요타는 연비 측면에서도 이점이 확실하다. 비교적 강력한 출력을 내뿜는 모터를 장착할 수 있어 모터를 사용한 주행 비중을 늘려 엔진이 개입하는 시간이 줄어든다.

혼다 i-MMD는 토요타와 비슷하지만 모터를 사용하는 방식이 완전히 다르다. 똑같이 2개의 모터를 사용하지만 모터와 엔진이 동시에 작동하지 않는다.

또 혼다의 하이브리드 시스템은 타 하이브리드 시스템 대비 모터 출력이 강력하고 고속에서는 엔진과 동력축을 직결 연결하는 클러치가 있어 고속에선 오로지 엔진만 작동한다.

토요타 2모터 시스템과는 달리 혼다 2모터 시스템은 모터 2개가 앞뒤로 나란히 배치된다. 하나는 엔진에 직결된 발전용, 하나는 구동축에 연결된 구동 전용이다. 두 개의 모터는 엔진측에 연결된 락 업 클러치를 통해 연결 혹은 분리된다.

동력의 혼합이라는 면에서 최적의 조화를 이룬 셈이다. 보닛룸 패키징도 여유롭고 무게를 줄이는 데도 도움을 준다.

직렬방식은 엔진은 발전만 담당하고 모터로만 구동한다. 병렬방식은 배터리 충전시 엔진이 구동해 구동력을 함께 전달한다. 직병렬방식은 배터리 충전시 엔진이 구동력에 개입을 하지 않아도 된다는 차이점이 있다.

정원국 에디터 wg.jeong@carguy.kr