하이브리드 자동차의 원리 종류 구동 방식과 장단점

하이브리드 자동차는 내연기관과 전기모터를 함께 사용하여 연료 효율을 높이고 배출가스를 줄이는 친환경 자동차입니다. 주요 하이브리드 자동차의 구동 방식으로는 직렬식, 병렬식, 직병렬식, 마일드 하이브리드, 플러그인 하이브리드가 있으며, 각각 고유한 특성과 장단점을 가지고 있습니다.

하이브리드 자동차 종류와 구동 방식

직렬 하이브리드 (Series Hybrid)

구동 원리 

직렬 하이브리드는 내연기관이 바퀴를 직접 구동하지 않고, 발전기를 돌려 전기를 생산하는 방식입니다. 생산된 전기는 배터리에 저장되거나 전기모터를 구동하는 데 사용되며, 실제 차량의 구동은 오직 전기모터만이 담당합니다.

작동 과정

1. 내연기관이 발전기를 구동하여 전기를 생산
2. 생산된 전기는 배터리에 저장되거나 전기모터를 직접 구동
3. 전기모터가 바퀴를 돌려 차량을 움직임

장점

• 내연기관이 항상 최적의 RPM에서 작동하므로 연료 효율성이 높습니다.
• 구조가 단순하고 기계적 연결이 적어 정비가 상대적으로 용이합니다.
• 엔진이 직접 구동하지 않아 진동과 소음이 적어 승차감이 좋습니다.
• 전기모터의 특성상 저속에서 토크가 강해 가속 성능이 우수합니다.
• 변속기가 필요 없어 무게를 줄일 수 있습니다.

단점

• 에너지 변환 과정에서 손실이 발생하여 고속 주행 시 효율이 떨어집니다.
• 고속도로 주행과 같은 장거리 주행에서는 연비가 다소 떨어질 수 있습니다.
• 내연기관, 발전기, 전기모터가 모두 필요하므로 시스템이 복잡하고 무게가 증가할 수 있습니다.
• 배터리와 전기모터의 크기가 커야 하므로 차량 가격이 높아질 수 있습니다.

대표 차종 

닛산 e-파워 시스템, BMW i3 (레인지 익스텐더 모델)

병렬 하이브리드 (Parallel Hybrid)

구동 원리

병렬 하이브리드는 내연기관과 전기모터가 모두 바퀴를 직접 구동할 수 있는 시스템입니다. 두 동력원이 상황에 따라 독립적으로 또는 함께 작동하여 차량을 구동합니다.

작동 과정

1. 내연기관과 전기모터가 동시에 또는 독립적으로 변속기를 통해 바퀴 구동
2. 제동 시 회생제동으로 배터리 충전
3. 주행 상황에 따라 내연기관만, 전기모터만, 또는 둘 다 사용하여 구동

장점

• 내연기관과 전기모터가 직접 구동하므로 에너지 변환 손실이 적습니다.
• 고속 주행 시 연비가 좋습니다.
• 가속 시 내연기관과 전기모터의 힘을 합쳐 강력한 출력을 낼 수 있습니다.
• 직렬식에 비해 배터리와 전기모터의 크기를 줄일 수 있어 비용 절감이 가능합니다.
• 시스템이 비교적 간단하고 비용이 저렴합니다.

단점

• 구조가 복잡하여 제작 및 정비가 어려울 수 있습니다.
• 변속기가 필요하여 무게가 증가합니다.
• 내연기관이 항상 최적의 RPM에서 작동하지 않을 수 있어 효율성이 떨어질 수 있습니다.
• 순수 전기 모드의 주행 거리가 제한적입니다.
• 전기 모터의 출력이 상대적으로 제한적일 수 있습니다.

대표 차종

혼다 인사이트, 현대 아이오닉 하이브리드, 기아 니로 하이브리드, 혼다 CR-Z

직병렬 하이브리드 (Series-Parallel Hybrid)

구동 원리

 직병렬 하이브리드는 직렬식과 병렬식의 장점을 결합한 시스템입니다. 동력 분배 장치(Power Split Device)를 사용하여 내연기관의 동력을 바퀴 구동과 발전에 동시에 나눠 사용할 수 있으며, 주행 조건에 따라 가장 효율적인 방식으로 전환이 가능합니다.

작동 과정

1. 동력 분배 장치가 내연기관의 동력을 바퀴와 발전기로 분배
2. 발전기로 전달된 동력은 전기로 변환되어 배터리 충전 또는 전기모터 구동에 사용
3. 주행 조건에 따라 직렬식 또는 병렬식으로 전환하며 최적의 효율 유지

장점

• 다양한 주행 상황에 맞게 가장 효율적인 구동 방식을 선택할 수 있습니다.
• 도심 주행과 고속 주행 모두에서 좋은 연비를 보입니다.
• 전자식 무단변속기(e-CVT) 효과로 부드러운 주행감을 제공합니다.
• 다양한 주행 모드를 제공하여 운전자의 선호에 맞게 조절 가능합니다.
• 두 시스템의 장점을 모두 활용할 수 있어 다재다능한 주행이 가능합니다.

단점

• 구조가 매우 복잡하여 제작 비용이 높고 정비가 어렵습니다.
• 동력 분배 장치와 추가 전자 제어 시스템으로 인해 무게가 증가합니다.
• 시스템의 복잡성으로 인해 초기 개발 비용과 차량 가격이 높습니다.
• 부품이 많아 유지보수 비용이 높을 수 있습니다.

대표 차종

토요타 프리우스, 렉서스 하이브리드 모델들, 포드 퓨전 하이브리드, 도요타 캠리 하이브리드

마일드 하이브리드 (Mild Hybrid)

구동 원리

 마일드 하이브리드는 전통적인 내연기관 차량에 작은 전기모터와 배터리를 추가한 시스템입니다. 전기모터는 주로 내연기관을 보조하는 역할을 하며, 독립적으로 차량을 구동하지는 않습니다.

작동 과정

1. 시동 및 가속 시 전기모터가 내연기관을 보조
2. 제동 시 회생제동으로 배터리 충전
3. 정차 시 자동 엔진 정지 기능(Stop & Start) 작동

장점

• 기존 내연기관 차량에 비해 적은 비용으로 연비 개선이 가능합니다.
• 구조가 비교적 단순하여 정비가 용이합니다.
• 배터리와 전기모터가 작아 차량 무게 증가가 적습니다.
• 일반 하이브리드보다 저렴한 가격으로 하이브리드 기술을 경험할 수 있습니다.
• 가속 시 추가 토크를 제공하여 주행 성능을 향상시킵니다.
• 기존 차량에 비교적 쉽게 적용할 수 있습니다.

단점

• 연비 개선 효과가 일반 하이브리드에 비해 제한적입니다(약 10-15% 정도).
• 순수 전기 모드로 주행이 불가능하거나 매우 제한적입니다.
• 전기모터의 출력이 적어 전기 동력만으로의 주행이 어렵습니다.
• 배터리 용량이 작아 전기 에너지 활용에 한계가 있습니다.
• 다른 하이브리드 방식에 비해 친환경성이 낮습니다.

대표 차종

현대 투싼 마일드 하이브리드, 기아 스포티지 마일드 하이브리드, 메르세데스-벤츠 EQ 부스트 시스템, 아우디 MHEV 시스템, 볼보 B 시리즈 엔진

플러그인 하이브리드 (Plug-in Hybrid Electric Vehicle, PHEV)

구동 원리

플러그인 하이브리드는 기존의 하이브리드 시스템(직렬, 병렬, 직병렬)에 외부 전원을 통한 충전 기능을 추가한 시스템입니다. 일반 하이브리드보다 더 큰 용량의 배터리를 탑재하여 외부 전원으로 충전할 수 있으며, 상당한 거리를 순수 전기 모드로 주행할 수 있습니다.

작동 과정

1. 외부 전원(가정용 콘센트 또는 충전소)을 통해 배터리 충전
2. 배터리 충전 상태에 따라 순수 전기 모드로 주행(일반적으로 30-100km 범위)
3. 배터리가 일정 수준 이하로 방전되면 일반 하이브리드 모드로 전환
4. 제동 시 회생제동을 통해 배터리 일부 충전

장점

• 일정 거리(보통 30-100km)를 순수 전기 모드로 주행할 수 있어 단거리 통근 시 연료 소비를 크게 줄일 수 있습니다.
• 배터리가 방전된 후에도 일반 하이브리드처럼 작동하여 주행 거리에 제한이 없습니다.
• 순수 전기차에 비해 충전 인프라에 대한 의존도가 낮습니다.
• 일반 하이브리드보다 더 큰 전기모터를 탑재하여 성능이 우수합니다.
• 도심 저공해 구역에서 순수 전기 모드로 주행 가능합니다.
• 전기차 구매 보조금과 세제 혜택을 받을 수 있는 경우가 많습니다.

단점

• 일반 하이브리드보다 가격이 비싸고 무게가 증가합니다.
• 배터리 용량이 크기 때문에 트렁크 공간이 줄어들 수 있습니다.
• 외부 충전이 필요하므로 충전 인프라와 충전 시간을 고려해야 합니다.
• 배터리를 충전하지 않고 주행할 경우 무거운 배터리로 인해 일반 하이브리드보다 연비가 떨어질 수 있습니다.
• 시스템이 복잡하여 유지보수 비용이 높을 수 있습니다.
• 겨울철에는 배터리 효율이 떨어져 전기 주행 거리가 감소합니다.

대표 차종 

쉐보레 볼트, 도요타 프리우스 프라임, 현대 아이오닉 플러그인 하이브리드, 기아 니로 PHEV, BMW 330e, 볼보 XC60 T8, 미쓰비시 아웃랜더 PHEV

 

 

 

플러그인 하이브리드와 다른 시스템 간의 주요 차이점

플러그인 하이브리드 vs 일반 하이브리드

• 플러그인 하이브리드는 외부 전원으로 충전이 가능하지만, 일반 하이브리드는 내부 발전과 회생제동으로만 충전됩니다.
• 플러그인 하이브리드는 더 큰 배터리를 탑재하여 더 긴 전기 주행 거리를 제공합니다.
• 플러그인 하이브리드는 일반 하이브리드보다 가격이 높지만, 전기 충전으로 연료비를 더 절감할 수 있습니다.
• 플러그인 하이브리드는 충전 인프라와 충전 습관이 중요하지만, 일반 하이브리드는 이에 대한 고려가 필요 없습니다.

플러그인 하이브리드 vs 순수 전기차

• 플러그인 하이브리드는 배터리가 방전되어도 내연기관으로 계속 주행할 수 있어 주행 거리 걱정이 없습니다.
• 순수 전기차는 배터리만으로 주행하므로 더 긴 충전 시간이 필요하고 충전 인프라에 대한 의존도가 높습니다.
• 플러그인 하이브리드는 내연기관 관련 부품의 유지보수가 필요하지만, 순수 전기차는 이러한 부품이 없어 유지보수가 더 간단합니다.
• 순수 전기차는 배출가스가 전혀 없지만, 플러그인 하이브리드는 내연기관 사용 시 배출가스가 발생합니다.

구동 방식 간 비교

효율성 측면

• 도심 주행: 플러그인 하이브리드(전기 모드) > 직렬식 > 직병렬식 > 병렬식 > 마일드 하이브리드
  • 플러그인 하이브리드는 배터리가 충전된 상태에서 전기 모드로 주행할 경우 가장 효율적입니다.
• 고속 주행: 직병렬식 > 병렬식 > 플러그인 하이브리드(하이브리드 모드) > 직렬식 > 마일드 하이브리드
  • 고속에서는 내연기관의 직접 구동이 효율적이므로 직병렬식과 병렬식이 유리합니다.
• 종합 효율: 플러그인 하이브리드 > 직병렬식 > 직렬식 ≈ 병렬식 > 마일드 하이브리드
  • 플러그인 하이브리드는 배터리 충전 상태와 주행 거리에 따라 효율성이 크게 달라집니다.

전기 주행 거리

• 플러그인 하이브리드 (30-80km) > 직렬식 (1-5km) > 직병렬식 (1-5km) > 병렬식 (0-3km) > 마일드 하이브리드 (거의 없음)
  • 플러그인 하이브리드는 대용량 배터리와 외부 충전 기능으로 가장 긴 전기 주행 거리를 제공합니다.

비용 측면

• 초기 구매 비용: 마일드 하이브리드 < 병렬식 < 직렬식 < 직병렬식 < 플러그인 하이브리드
  • 배터리 용량과 시스템 복잡성에 따라 비용이 증가합니다.
• 유지 보수 비용: 마일드 하이브리드 < 직렬식 < 병렬식 < 직병렬식 ≈ 플러그인 하이브리드
  • 시스템이 복잡할수록 유지보수 비용이 증가하는 경향이 있습니다.
• 연료 비용: 플러그인 하이브리드 < 직병렬식 < 직렬식 ≈ 병렬식 < 마일드 하이브리드
  • 플러그인 하이브리드는 전기로 충전할 경우 연료 비용이 크게 절감됩니다.

주행 성능 측면

• 가속 성능: 플러그인 하이브리드 > 직병렬식 > 병렬식 > 직렬식 > 마일드 하이브리드
  • 플러그인 하이브리드는 더 큰 전기모터와 내연기관의 조합으로 강력한 성능을 제공합니다.
• 최고 속도: 병렬식 ≈ 직병렬식 ≈ 플러그인 하이브리드 > 직렬식 > 마일드 하이브리드
  • 내연기관이 직접 구동에 참여하는 방식이 고속에서 유리합니다.

적합한 상황

• 플러그인 하이브리드:
  • 일상적으로 짧은 거리를 주행하지만 가끔 장거리 여행을 하는 경우
  • 집이나 직장에서 충전이 가능한 경우
  • 전기차의 장점을 누리면서도 충전 인프라에 대한 불안이 있는 경우
  • 환경 친화적 주행과 성능을 모두 원하는 경우
• 직렬 하이브리드: 도심 주행이 많고, 정숙성과 저속 토크가 중요한 경우
• 병렬 하이브리드: 고속도로 주행이 많고, 강력한 가속 성능이 필요한 경우
• 직병렬 하이브리드: 다양한 주행 환경을 오가며, 종합적인 효율성을 중시하는 경우
• 마일드 하이브리드: 적은 비용으로 연비 개선을 원하고, 기존 내연기관 차량과 유사한 경험을 선호하는 경우

 

 

하이브리드 자동차 기술은 계속 발전하고 있으며, 각 구동 방식은 고유한 장단점을 가지고 있습니다. 플러그인 하이브리드는 일반 하이브리드의 장점과 전기차의 장점을 결합한 시스템으로, 특히 충전 인프라가 발달하는 현대 사회에서 효율적인 대안이 될 수 있습니다.

소비자는 자신의 주행 패턴, 충전 환경, 예산, 환경적 고려사항 등을 종합적으로 고려하여 적합한 하이브리드 시스템을 선택하는 것이 중요합니다. 마일드 하이브리드는 가장 경제적인 옵션이지만 효과가 제한적이고, 플러그인 하이브리드는 가장 다재다능하지만 비용이 높습니다. 직렬, 병렬, 직병렬 하이브리드는 그 사이에서 각각의 특성에 맞는 균형을 제공합니다.

미래에는 배터리 기술의 발전과 함께 이러한 하이브리드 시스템의 효율성과 성능이 더욱 향상되고, 비용도 점차 낮아질 것으로 예상됩니다. 또한 자율주행 기술과의 결합을 통해 더욱 지능적인 에너지 관리가 가능해질 것입니다.