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내연 엔진과 전기자동차의 배터리 엔진을 동시에 장착하거나, 차체의 무게를 획기적으로 줄여 공기의 저항을 최소화하는 등 기존의 일반 차량에 비해 연비(燃費) 및 유해가스 배출량을 획기적으로 줄인 차세대 자동차를 말한다.
많을 경우 유해가스를 기존의 차량보다 90% 이상 줄일 수 있고, 대도시의 공기와 주변 환경을 개선할 수 있으며, 교통통제·도로계획 등과도 잘 맞기 때문에 환경자동차(echo-car)로도 부른다.
일본 도요타[豊田]의 프리우스(Prius)와 혼다[本田]의 인사이트(Insight)가 대표적인 차종으로, 프리우스는 2000년 말 세계 최초로 양산화에 성공하였다. 연료 효율이 높고, 가솔린 엔진과 전기 엔진의 장점만을 결합해 운전하면서 도로와 주변 환경에 알맞게 자동으로 가솔린 엔진과 전기 엔진의 변환이 가능하다. 2001년 5월 현재 총 9,000여 대가 판매되었고, 특히 미국의 뉴욕주(州)와 뉴저지주 등이 건설·복지·환경·교통 등과 관련해 공공 기관들의 공용차량으로 구매하는 등 인기를 끌고 있다.
인사이트는 가솔린 엔진이기는 하지만, 차체를 알루미늄으로 만들어 기존의 차량보다 40% 정도 무게가 가볍고, 세계 최경량인 1리터 린번VTEC 엔진을 사용해 공기의 저항을 획기적으로 줄였다. 무급유로 1423.3㎞의 주행기록을 세웠고, 1리터당 32㎞라는 연비 성능을 입증함으로써 차세대 환경 스포츠카로 자리잡았다.
즉, 하이브리드 자동차란, 두 가지 이상의 동력원을 이용해 주행하는 자동차로 현재 일반 자동차를 대체할 대안 자동차로 부각되고 있다. 현재의 하이브리드 관련 기술은 엔진, 모터 배터리의 동력원 용량 매칭을 포함한 각 구성 요소들의 조합을 최적화해 연료소비와 배기가스 저감의 목적 달성을 위해 개발되고 있다. 미래의 고유가 시대와 점점 심화되는 배기가스 규제에 대비해 이 같은 대체 기술 개발에 대한 관심이 더욱 높아질 것으로 기대된다
황종환 「한국특허정보원 조사분석1팀」
하이브리드 자동차란, 두 가지 이상의 동력원(즉, 기존 자동차 엔진에 전기모터를 조합하는 방식)을 이용해 주행하는 자동차로 현재 일반 자동차를 대체할 대안 자동차로 부각되고 있다.
하이브리드 차의 개념은 20세기 초 내연기관 자동차 개발 초기에 엔진 기술의 미약으로 고출력 엔진의 제조가 불가능해 모자라는 출력을 보조하기 위한 용도로 전동기를 사용하는 것으로부터 시작되었으나 그 후 엔진 설계 기술이 급격하게 발달함에 따라 하이브리드 자동차는 한때 개발이 중지되었다.
이후 세계 대전 중에 무한괘도를 이용하는 전차 등의 전투차량의 조향 및 기동성 향상을 목적으로 순수하게 전동기만으로 주행을 하고 필요한 전력을 엔진이 구동해 공급하는 직렬형 하이브리드 차에 관한 연구가 활발히 진행되었으나 전동기 기술의 미비로 별다른 진척을 보지 못했다.
그러나 1960년 이후 석유파동 및 대기오염 문제에 대한 사회적 관심과 선진 각국의 자동차 연비 절감 및 배기가스 규제가 강화되면서 이를 해결하기 위해서 전기 자동차, 하이브리드 자동차, 연료전지 자동차와 같은 차세대 차량의 연구 개발이 활발히 진행되고 있다.
이중 전기 자동차의 경우 복잡한 변속장치가 필요 없고 저소음이며 배기가스가 전혀 없는 등 내연기관 자동차에 비해 많은 장점을 가지고 있으나 운행 거리가 짧으며 충전효율이 낮고 대용량의 배터리로 인한 고가격화와 오염 등의 문제점이 있다.
연료 전지 자동차는 전기 자동차의 단점을 획기적으로 보완한 것으로 고용량의 배터리 대신에 석유, 알코올 등의 연료를 전기로 변환할 수 있는 연료전지를 장착해 전기자동차에 비해 주행거리를 획기적으로 늘릴 수 있고 배기가스 또한 거의 생성되지 않는다는 장점이 있다. 그러나 현재의 연료전지 기술로는 단기간 내에 내연기관 정도의 용량을 가지는 연료전지를 개발하기는 어렵다는 단점이 있다.
하이브리드 차동차는 기존의 내연기관 자동차에 전동기를 부가해 두 동력원이 서로 고 효율영역에서 작동하도록 하며 엔진의 불완전 연소 구간에서는 전동기를 이용해 구동함으로써 연비 향상과 배기가스 저감을 실현한 자동차이다.
주 연료로 가솔린을 사용하고 엔진의 여유동력을 이용해 배터리를 충전하는 것이 가능하므로 외부 충전이 필요 없어 전기 자동차의 가장 큰 문제인 짧은 운행거리 및 배터리 중량이 커지는 문제를 해결할 수 있다.
또한 양산 차가 판매되고 있을 정도로 기술적으로도 실용화 단계에 있으므로 연료 전지 자동차가 본격적으로 실용화되기까지는 저공해 자동차의 주류를 이룰 것으로 전망 된다.
하이브리드 자동차란?
일반적으로 하이브리드 자동차는 동력원간의 동력배분방식에 따라 시리즈 방식과 패러럴 방식으로 분류된다.
시리즈 방식의 하이브리드 자동차는 전기 자동차의 부족한 주행거리를 증대시키는 목적으로 레인지 익스텐더(Range Extender)라고 부른다.
패러럴 방식의 하이브리드 자동차는 내연기관 자동차의 효율을 증대시키기 위한 것으로 소형의 전기시스템을 부가해 내연기관을 보다 고효율 영역에서 운행함으로써 결과적으로 자동차의 배기 성능을 향상시키기 위한 것으로 파워 어시스트 하이브리드(Power Assist Hybrid)로 명명되기도 한다.
1. 시리즈 방식(직렬형)
직렬형 하이브리드 자동차는 엔진, 발전기, 전동기가 직렬로 연결되어 있으며, 엔진을 항상 최적점에서 작동시키면서 발전기를 이용해 전력을 전동기에 공급하고, 순수하게 전동기의 구동력만으로 차를 주행시키는 방식이다. 이러한 방식은 제어가 비교적 간단하고, 배기가스 특성이 우수하며 별도의 변속장치가 필요 없다는 장점이 있으나, 전체 시스템의 에너지 효율이 병렬형에 비해 낮고, 차의 주행성능을 모두 만족시킬 수 있는 고성능의 전동기 개발이 필수적이며, 동력전달구조 자체가 크게 바뀌므로 기존 차량에 적용하기는 어렵다는 단점이 있다.
2. 패러럴 방식(병렬형)
병렬형 하이브리드 자동차는 변속기의 앞뒤에 엔진 및 전동기를 병렬로 배치해, 주행상황에 따라 최적의 성능과 효율을 갖게끔, 차량구동에 필요한 동력을 엔진과 전동기에 적절히 분배하는 방식이다. 병렬형은 기존 자동차의 구조를 이용 가능하므로 제조 비용면에서 직렬형에 비해 유리하다는 장점이 있으나, 트랜스미션 구조가 복잡하고 시리즈 방식에 비해 배기가스 저감율이 낮다는 단점이 있다.
3. 듀얼 방식(Dual type, Split)
시리즈 방식과 패러럴 방식을 조합해 동력배분을 극대화시킨 스플릿 방식으로 자동차 동력성능이 기존 하이브리드 자동차에 비해 향상되었고 높은 시스템 효율을 얻을 수 있다. 또한 배기가스 저감이 용이하다는 장점을 갖고 있으나 고난도의 제어 기술이 필요하다.
4. 하이브리드 자동차의 연비 향상 요인
① 아이들 스톱/고
자동차가 정차하거나 감속 중일 때 엔진을 끔으로써 아이들 상태에서 불필요하게 소모되는 연료와 배기가스 배출을 줄일 수 있다.
② 회생제동
내연기관 자동차에서는 제동 때 차의 제동 에너지를 마찰 브레이크를 사용해 열로 소산시키나 하이브리드 자동차는 이 에너지를 전동기를 발전시키는데 사용함으로써 회수할 수 있다. 회수된 에너지는 자동차의 전장을 구동하거나 전동기를 구동시키는데 사용된다.
③ 파워 어시스트
차에 급격한 가속이 요구될 때 전동기의 동력보조를 이용해서 이를 충족시키고 엔진 운전상태의 급격한 변화를 막음으로써 과도하게 소모되는 연료와 배기가스의 배출을 줄일 수 있다. 이 중 파워 어시스트에 의한 연비 향상을 얻기 위해서는 대용량의 모터 및 배터리가 요구되고 높은 수준의 제어 알고리즘이 필요하다.
5. 국내의 하이브리드 자동차
국내의 하이브리드 자동차 연구는 미국과 일본 등의 선진국보다 늦은 1990년대 중반부터 본격적으로 수행되었다. 과거 아시아 자동차는 1996년 G7프로젝트의 일환으로 서울대학교와 산학협동을 통한 자동화 수동 변속기를 적용한 마을버스용 병렬형 하이브리드 동력 전달계를 개발했으며 초박형 모터를 클러치 하우징에 내장해 동력 보조 개념으로 작동하는 병렬형 하이브리드 버스의 시제차를 개발, 서울대학교에서 시범운행하기도 했다.
기아자동차는 1999년부터 성균관대학교와 산학 협동으로 무단 변속기를 장착한 승용 병렬형 하이브리드 자동차용 동력 전달계에 관한 연구를 수행했다.
현대자동차도 1995년과 1999년 서울 모터쇼에 컨셉트카인 FGV1과 FGV2를 각각 발표했다. FGV 시리즈의 개발 경험을 기반으로 양산형 하이브리드 승용차에 대한 연구를 시작했으며 1999년에 아반떼 하이브리드, 2000년에 무단 변속기를 장착한 병렬형 하이브리드 승용차인 베르나 하이브리드와 디젤엔진을 장착한 직렬형 하이브리드 버스인 카운티 하이브리드를 각각 개발했다.
베르나 하이브리드는 아이들 스톱/고, 회생제동, 파워 어시스트 등의 하이브리드 기능을 모두 수행할 수 있으며 무단 변속기와 하이브리드 기능을 조합해 엔진이 항상 최적의 조건으로 운전될 수 있도록 제어된다.
카운티 하이브리드 버스는 디젤엔진이 발전기를 구동시키고, 그 전력으로 모터를 돌려 구동하는 직렬형 하이브리드 자동차이다. 카운티 하이브리드는 현대자동차의 싼타페 전기자동차와 더불어 월드컵 행사 지원차로 선정되어 환경 자동차에 대한 관심을 불러일으키기도 했다.
6. 하이브리드 자동차의 개발 추세
95년 이전까지는 승용차나 밴타입 위주로 직렬형이 채용된 반면 병렬형은 버스나 트럭타입위주로 적용되었다. 그러나 최근엔 승용차나 밴타입 중심으로 병렬형을 채용한 하이브리드 자동차 개발이 활발히 진행되고 있다.
또한 원동기는 미국이나 유럽에서 개발된 가스터빈과 같은 새로운 타입의 내연기관보다는 기존의 가솔린이나 디젤엔진을 변경, 탑재하고 있으며 일부는 승용차나 밴타입의 직렬형을 이용한 압축천연가스 엔진을 탑재하기도 한다.
요소 부품의 측면에서 볼 때, 내연기관은 가솔린 엔진을 하이브리드 전용으로 개발하고 있으며, 트랜스미션은 유성치차식이나 무단 변속방식(CVT)이, 모터는 영구자석식 동기모터가 개발 탑재되고 있다. 또한 에너지 저장장치는 고에너지 밀도보다는 고출력 밀도를 요구하는 전용 배터리 개발을 목표로 하고 있다.
7. 하이브리드 차량의 국내 출원 경향
1. IPC별 국내 출원 경향
국내 출원된 하이브리드 자동차는 전기 추진 방식의 b60l, 동력전달장치의 제어에 관한 b60k, 연소기관의 제어에 관한 f02d 등의 동력배분제어 및 모터 컨트롤과 관련된 출원이 주류를 이루고 있다.
2. 연도별 국내 출원 경향
95년 이후부터 하이브리드 자동차에 대한 연구가 수행됨에 따라 서서히 출원수가 증가했으나 IMF의 충격으로 1998년과 1999년엔 감소하고 이후 2000년부터 폭발적으로 증가하기 시작했다.(참고: 2002년부터는 출원공개된 것만 추출함)
3. 국내 출원의 내외국인 분포
국내에 출원한 하이브리드 자동차 기술 중 외국인이 30% 비율로 동력배분제어에 관한 기술을 중심으로 우선권 주장을 통한 국내 출원을 하고 있다.
4. 국내 출원의 출원인의 분포
현대자동차가 47%로 가장 활발한 기술 개발 및 연구를 수행하고 있으며 개인 출원이 23%로서 전지 관련 기술에 관한 실용신안기술 출원이 대부분을 이루고 있는 것이 두드러진다.
5. 국내 출원의 우선권 주장국가 분포
하이브리드 자동차의 선두주자인 일본이 전체의 74%를 차지하며 자국뿐만 아니라 해외 출원을 통한 특허권 획득에 열을 올리고 있음을 알 수 있다.
일본의 경우, 하이브리드 자동차 시스템인 IMA를 개발한 혼다가 38%를 차지하고, 동력구동장치에 관한 기술을 주로 출원한 히타치가 18%, 미쓰비시가 16%의 출원 분포를 보이고 있다. 그 외에 최초의 양산용 하이브리드 자동차를 개발한 도요타가 9%, 티노를 개발한 닛산이 5%의 출원 분포를 보이고 있다.
결론
현재의 하이브리드 관련 기술은 엔진, 모터 배터리의 동력원 용량 매칭을 포함한 각 구성 요소들의 조합을 최적화, 최적화된 주행제어 전략으로 기존의 내연기관과 비교해 연료소비와 배기가스 저감의 목적 달성을 위해 개발되고 있다. 미래의 고유가 시대와 점점 심화되는 배기가스 규제에 대비해 순수 연료 전지자동차 및 연료전지 하이브리드 자동차, 전기자동차와 같은 대체 기술 개발에 대한 시너지 효과를 창출할 수 있으리라 기대된다.
출처 : 강주원의 자동차 홈
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