지금은 하이브리드 시대 #2(하이브리드 자동차의 원리)

이제 자동차는 잘 달리고 잘 멈추고 안전해야 하는 것과 함께 친환경이라는 새로운 압박 속에서 만들어지고 있다. 자동차는 점차 인류에게 편리를 제공하면서도 환경까지 생각하여 가장 이로운 기계로 발전해나가기 위해 노력하고 있고 하이브리드 자동차는 그 과정 속에서 과도기 같은 존재로 도로 위를 점령하고 있다. 
내연기관과 전동화 사이,  '지금은 하이브리드 시대' 단편 시리즈를 통해서 하이브리드 자동차를 파헤쳐 보자!

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※1편 먼저 보기

https://www.autmag.co.kr/462

지금은 하이브리드 시대 #1(하이브리드가 적합한 이유)

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'하이브리드(Hybrid)'는 '잡종'이라는 의미를 지니고 있어 우리는 엔진과 전기모터가 결합된 잡종의 자동차를 하이브리드 자동차라고 부른다. 하이브리드는 자동차 역사에서 빼놓을 수 없는 중요한 파워트레인 기술로 굉장히 옛날부터 하이브리드 기술에 대한 연구와 개발이 시작되었다. 토요타는 오랜 연구와 개발 끝에 가장 효율적이고 많은 단점을 보완한 하이브리드 기술을 내놓으면서 1인지가 돼버린다. 그들의 하이브리드 기술이 녹아든 프리우스를 기준으로 하이브리드 기술에 대해 낱낱이 파헤쳐 보자.

하이브리드의 시작

하이브리드 기술은 최신에 등장한 새로운 기술인 것 같지만 이미 무려 117년 전 천재 엔지니어, 페르디난트 포르쉐 박사가 처음으로 만들어냈다. 그가 일하던 회사에서 처음으로 제작하였으며 다임러가 제작한 발전기가 장착된 내연기관 엔진을 얹어 전기 발전을 시키고 발전된 전기를 통해서 전기모터를 이용하여 차량을 앞으로 나아가게 하는 기술이었다. 더불어 당시 사용하였던 전기모터는 각 휠 안에 전기모터가 있는 구조인 인휠 모터가 사용되었고 현재 그가 제작한 이 하이브리드 자동차가 세계 최초의 하이브리드 자동차로 기록되고 있다. 

직렬형 하이브리드방식은 엔진으로 전기를 만들어 오로지 모터로 주행하는 방식의 하이브리드 자동차를 말한다. 엔진은 차량이 앞으로 나아가는 데에는 전혀 관여를 하지 않고 일정 RPM을 유지하면서 오로지 발전기를 돌려 전력을 생산하는 역할을 한다. 엔진과 발전기를 통해 만들어진 전력은 인버터를 거쳐 직류로 바뀌어 배터리에 충전이 되고 충전된 전력을 모터가 자동차를 앞으로 굴리는데 사용한다. 

이러한 방식은 엔진을 많이 사용하지 않아 배기가스가 적어 매우 친환경적이지만 무거운 엔진을 얹고 오로지 모터를 통해서만 주행을 하기에 출력 면에서는 부족한 모습을 보여줄 수밖에 없다.

병렬형 하이브리드는 전기에너지를 받아 운동에너지로 만들어내는 모터를 반대로 운동에너지를 넣어주면 전기에너지를 만들어낸다는 특징을 가지고 만들어낸 방식으로 전기모터는 엔진을 보조해 주는 역할을 하고 엔진은 모터를 돌려 전기를 발전시켜 배터리를 충전시키기도 한다. 더불어 회생제동을 통해서도 배터리를 충전시킬 수 있다. 

병렬형 하이브리드는 출력 면에서 유리한 모습을 보여주지만 전기모터만으로는 운행할 수 없으며 엔진이 항상 돌고 있어야 해 직렬형에 비하면 덜 친환경적임을 알 수 있다.

병렬형과 직렬형은 각각 나름 친환경적인 면을 가지고 있었지만 각각 단점이 존재하면서 상용화되기는 조금 어려웠다. 하지만 프리우스는 단점을 극복하기 위해서 직렬형과 병렬형 구조를 합쳐 두 시스템의 장점만을 모아 새로운 하이브리드 기술을 만들어내게 된다. 실제로 프리우스는 2,000여 개가 넘는 특허를 가지고 있고 이에 많은 회사들은 프리우스를 보고 자기만의 새로운 하이브리드 기술을 만들어내면서 하이브리드 기술이 상용화되면서 프리우스가 하이브리드 기술의 기준점이 될 수밖에 없었다. 
프리우스는 어떤 원리의 하이브리드 시스템을 갖추면서 연비의 제왕이 될 수 있었는지 프리우스를 기준으로 하이브리드 자동차의 원리를 살펴보자.

내연기관의 효율부터 높이자!

하이브리드 자동차는 무엇보다 좋은 효율을 가지고 있어야 한다. 그렇기에 토요타에서는 내연기관 엔진의 효율을 높이기 위해서 기존 '오토 사이클 엔진'이 아닌 '앳킨슨 사이클 방식'을 이용하여 내연기관 엔진 자체의 효율을 높여냈다. 그렇다면 앳킨슨 사이클은 무엇일까?

기본적으로 사용하는 오토 사이클 엔진에서는 흡입-압축-폭발-배기, 이 4행정 중 힘을 발생하는 유효행정은 폭발행정이다. 즉 이 말은 흡입, 압축 행정은 폭발행정을 가기 위한 무효한 행정인 것이다. 만약 여기에서 흡입과 압축에서 들이는 힘을 줄인다면 상대적으로 폭발행정에서는 더 많은 힘을 얻어낼 수 있게 된다. 이런 논리를 바탕으로 압축비와 팽창비를 다르게 만들어내면서 흡입행정보다 폭발 행정을 더욱 길게 만드는 '앳킨슨 사이클(Atkinson Cycle)'을 적용하게 된 것이다. 이는  ‘오토사이클’에서 발생하는 흡배기 손실을 막아내며 우수한 효율을 만들어내게 된다.

앳킨슨 사이클을 만들려면 어떻게 해야 할까? 이론적으로는 위 사진과 같은 구조로 엔진을 만드는 것이 가장 이상적인 방법이다. 하지만 위와 같은 방법으로 엔진을 제작하게 되면 내구성이 떨어지고 굉장히 복잡한 구조가 만들어지면서 실제로 사용하기에는 매우 힘들어진다. 그래서 토요타는 위와 같은 방법이 아닌 새로운 방법으로 앳킨슨 사이클을 만들어낸다.

토요타가 사용한 방법은 바로 가변 밸브 타이밍 시스템(VVT, variable valve timing)이다. 가변 밸브 타이밍 시스템은 저속 회전 혹은 고속 회전에 맞게 밸브 타이밍을 바꿔주는 시스템으로 토요타에서는 각 행정마다 밸브 타이밍을 바꿔가면서 앳킨슨 사이클의 원리를 오토사이클 엔진에 적용시킨 것이다.
방법은 이렇다. 가변 밸브 타이밍 시스템을 이용하여 압축행정 시 흡기 밸브를 잠깐 열어 압축행정으로 인한 동력 소모를 줄이고 폭발 행정 때는 기존 오토사이클과는 동일하게 밸브가 닫히면서 실린더 내부에서는 압축비와 팽창비가 달라지게 되고 엔진의 효율은 높아지게 된다. 

두 개의 모터가 각각의 역할을!

토요타가 병렬형 방식과 직렬형 방식을 가지고 고안한 방법은 바로 모터를 두 개 집어넣고 각각의 역할을 달리하는 것이다. 전륜구동인 프리우스의 엔진 옆에는 두 개의 모터, MG1(Motor Generator의 준말)과 MG2가 있으며 이 둘을 잘 조율해 주는 PSD가 자리를 잡고 있다. 

MG1은 엔진 쪽에 있는 모터로 MG2에 비해서 작은 용량을 가지고 있다. 엔진과 가장 가까이 있는 만큼 엔진이 가동되면서 발생하는 동력을 이용한 전기발전의 역할을 주로 하고 있으며 차량의 시동을 걸 때만 모터의 역할을 하게 된다. 
MG2는 PSD 다음에 있는 모터로 엔진의 출력을 보조해 주는 역할을 하거나 직접적으로 동력을 발생시키기도 하며 주로 모터의 역할을 한다. 하지만 반대로 차량이 달리다가 제동을 시작하게 되면 달리던 힘에 의하여 바퀴가 MG2를 돌려 운동에너지를 공급하기에 MG2는 이 운동에너지를 전기에너지로 바꿔 배터리에 전력을 충전하면서 발전기의 역할을 하기도 한다.

이렇게 두 모터는 발전기와 모터의 역할을 동시에 해내고 있으면서도 자기만의 역할을 뚜렷하게 해내고 있다. 두 모터가 이렇게 따로 작동할 수 있는 데에는 유성기어로 이루어진 PSD라는 변속기가 있기에 가능한 일이다.

프리우스의 변속 방법 PSD!

하이브리드 자동차는 엔진만 작동할 때도 있고 모터만 작동할 때도 있고 엔진과 모터가 둘 다 작동할 때도 있다. 그리고 엔진과 모터가 작동되는 순간에는 언제나 항상 발전기가 돌아가면서 배터리에 전력을 충전하게 된다. PSD는 이 모든 걸 한 번에 해결해 주면서 직렬형 하이브리드와 병렬형 하이브리드의 장점은 합치고 단점은 상쇄시켜 버렸다.
PSD는 Power Split Device의 준말로 말 그대로 힘을 분배하는 장치이다. PSD의 원리를 알기 전에는 유성기어에 대해서 먼저 알아야 한다. 유성 변속기는 자동변속기에서 볼 수 있는 구조로 가장 밖에서 도는 링 기어 중심에 태양과 같이 가만히 있다고 하여 붙은 선기어와 유성처럼 선기어 주변을 돈다고 하여 붙은 유성기어가 서로 맞물려 돌면서 기어비를 조절해내 장치이다. 자동변속기에서는 이런 유성기어 여러 개가 모여 하나의 기어비를 만들어내게 된다. 
그렇다면 PSD를 가지고 유성기어가 어떻게 작동하는지 어떤 방법으로 MG1과 MG2가 유동적으로 움직이는지 알아보자.

링기어는 MG2 모터에, 플래닛 캐리어는 엔진에, 성기어는 발전기에 맞물려서 유동적으로 움직인다. 모터와 엔진이 따로 움직일 수 있는 이유는 우선 유성기어 특성상 선기어와 유성기어가 멈춰있을 수 없지만(무조건 회전한다.) 링기어와 플래닛 캐리어는 회전하지 않고 둘 중 하나는 가만히 있을 수 있기 때문이다. 

엔진만 가동할 때: 만약 배터리가 부족하다면 엔진만 작동해야 하는 순간이 온다. 이때는 엔진과 연결되어 있는 플래닛 캐리어가 돌면서 회전하게 되고 플래닛 캐리어에 연결되어 있는 유성기어가 돌면서 선기어도 자연스럽게 돌게 된다. 이때 돌아가는 선기어의 힘이 MG1으로 전달되면서 발전을 통해서 전기가 충전된다. 더불어 유성기어가 링기어를 타고 돌기 때문에 해서 링기어는 돌지 않을 수 있게 된다.

모터만 가동할 때: 모터가 작동하면 모터와 연결되어 있는 링 기어가 돌게 된다. 그리고 엔진과 연결된 플래닛 캐리어는 작동하면 안 된다. 링기어만 돌기 시작하면 안에 있는 유성기어가 제자리에서 돌고 가운데 있는 선기어가 돌면서 엔진과 연결된 플래닛 캐리어를 돌리지 않고도 충분히 모터를 작동시킬 수 있는 동시에 선기어가 돌아가기에 MG1이 작동되면서 발전도 된다. 

엔진과 모터가 함께 작동할 때: 엔진과 모터가 함께 작동할 때는 엔진과 연결된 플래닛 캐리어가 회전하면서 선기어와 플래닛 기어가 함께 회전하게 되고 이때 선기어가 회전하면서 MG1에 전력이 충전되게 된다. 모터도 함께 작동하기에 MG2도 회전하면서 링기어를 돌리며 링기어가 회전하면서 플래닛 캐리어의 회전을 돕게 되고 MG2가 엔진의 회전을 보조해주면서 엔진의 효율을 높여주게 된다.

PSD에 대해 아직까지 이해하지 못하겠다면 아래 사이트에 들어가 보는 것을 추천한다. 사이트에는 MG1, MG2, ICE(내연기관 엔진)로 나뉘어 각각 작동할 때마다 PSD에서 어떤 기어가 회전하는지 애니메이션으로 잘 보여준다. 
아쉽게도 모바일에서는 애니메이션이 작동이 안 되니 PC를 이용해서 접속해보길 바란다.

http://eahart.com/prius/psd/

Toyota Prius - Power Split Device

토요타에서는 MG1, MG2, PSD를 통틀어서 eCVT라고 부르고 있다. 토요타에서 eCVT라고 부르는 이유는 이 변속기가 작동하면서, 즉 엔진을 전기모터와 변속기 사이의 유동적인 작동을 통해서 CVT만의 장점을 살려 CVT의 효과를 발휘할 수 있도록 하면서 이를 eCVT라고 부르고 있다. 
CVT와 같은 효과를 발휘해야 하는 이유는 앳킨슨 사이클에서 떨어지는 출력을 보조하기 위해서 CVT와 같은 효과를 발휘하는 변속기가 필요했던 것이다.

모터와 엔진의 회전력은 PSD를 통해서 효율적으로 동력을 종감속기어에 전달하게 되고 좌우 바퀴의 회전 차를 줄여주는 디퍼렌셜 기어를 통해 앞바퀴에 동력이 전달되게 된다.

프리우스는 eCVT의 위와 같은 원리를 통해서 모터, 발전기, 엔진을 효율적으로 잘 사용하고 있다. 그렇다면 자동차는 엔진과 모터를 각각 어떤 상황에서 사용하는 것일까?

1. 출발 및 저속: 차량이 처음 출발할 때 내연기관 엔진을 사용하여 주행하게 되면 에너지 효율이 좋지 않기 때문에 처음 출발에 바로 치고 나갈 수 있는 전기모터를 사용하여 차량을 움직이게 된다. 저속에서도 내연기관보다 효율이 뛰어난 전기모터를 사용하여 서서히 주행하게 된다.

2. 일반 주행: 일반적인 주행에서는 가장 효율적인 주행을 위해서 모터나 엔진 둘 중 가장 효율적으로 주행할 수 있는 것을 선택하여 주행하며 모터가 엔진을 도와주는 방식으로  모터와 엔진이 함께 구동되기도 한다.

3. 가속 및 고속 주행: 가속을 하기 위해서는 큰 힘이 필요하기에 모터와 엔진을 동시에 사용하게 되고 어느 정도 가속이 되면 고속에서는 오히려 계속해서 전기를 공급해야 하는 전기모터보다 내연기관 엔진이 더 효율적이기에 엔진을 주로 사용하여 주행하며 모터는 엔진을 보조해주는 역할을 하게 된다. 차량을 빠르게 가속 시키거나 언덕 길을 오를 때에는 많은 출력을 필요로 한다. 이때는 모터와 엔진을 동시에 작동시켜서 최대한 많은 출력을 발생시켜 차량의 힘을 키워준다.

4. 제동: 차량의 가속을 멈춰 제동을 시도하거나 내리막길을 내려올 때는 차량에 동력이 없는 상태에서 차량의 무게로 인해 남은 힘으로 차량이 움직이면서 발생하는 운동에너지를 가지고 운동에너지를 넣으면 전기에너지로 바꿔주는 모터를 거꾸로 돌려 발전기로 사용하며 배터리를 충전하게 된다. 이것이 회생제동이다.

5. 멈춰 있는 상태: 차량이 멈추게 되면 엔진이 작동하지 않는 상태에서 대기하고 있게 된다. 이는 엔진의 작동을 멈춤으로써 연료 소비와 대기 오염을 줄일 수 있으며 엔진보다 효율이 좋은 전기모터로 출발해야 하기에 엔진은 작동하지 않고 있게 된다.

회생제동을 빼놓을 수 없지!

자동차는 달리기도 한다면 멈추기도 해야 한다. 하지만 차량을 멈춰 세우기 위해서 브레이크를 잡는 것은 사실 에너지를 날려 먹는 비효율적인 과정이다. 그렇기에 프리우스를 비롯한 하이브리드 자동차와  전기자동차에서는 모터를 활용하여 제동 과정을 통해서 에너지를 회생시키는 회생제동 시스템을 탑재한다.

회생제동 시스템의 원리: 회생제동 시스템은 전기에너지를 공급하면 운동에너지로 바꿔주는 전기모터에 거꾸로 운동에너지를 공급하면 전기에너지를 생성하는 원리를 이용한 것으로 모터가 전기를 사용하여 차량을 움직이다가 엑셀의 전개가 끝난 시점, 즉 모터가 거꾸로 운동에너지를 받아내면서 전기에너지를 발전시켜 차량의 배터리를 충전시키는 이 과정이 회생제동 시스템이다. 
이러한 회생제동 시스템을 많이 활용하는 전기자동차에서는 모터의 감속으로 인해서 브레이크 없이 주행하는 원 페달 드라이빙(One-pedal Driving)을 지향하고 있다. 
하지만 하이브리드 자동차는 엔진이 결합되어 있고 전기자동차에 비해 낮은 출력의 모터가 장착되면서 그만큼 감속이 적기 때문에 유압식 브레이크의 도움을 받아 제동을 하게 된다. 그렇기에 회생제동을 최대한 활용하여 차량을 멈춰 세울 수 있게 유압식 브레이크와 회생제동을 적절히 사용하는 장치가 장착되어 있다.

ECB (Electronically Controlled Brake system): ECB는 운전자가 브레이크를 밟게 되면 최대한 모터를 이용하여 회생제동을 하다가 회생제동에서 부족한 부분은 유압을 보내 디스크 브레이크를 작동시키는 장치이다.
한마디로 브레이크 페달을 밟아도 유압이 전달되지 않을 수 있어 마치 brake by wire* 형식으로 작동되는데 
이를 작동시키기 위해서 위 사진같이 ECU와 함께 장착된 마스터 실린더, 유압 액추에이터로 구성된 브레이크 시스템으로 유압이 가할 것인지 안 가할 것인지를 판단하여 최대한 회생제동을 사용하여 효율적인 주행을 가능하게 만든다.

*by wire란? 기계적 장치로 이어진 것이 아닌 전선을 통해서 전기신호를 이용해 작동되는 것을 이야기한다. 아직까지 자동차에는 신뢰성의 문제로 적용되지 않고 있지만 큰 크기를 가지고 있어 기계식 작동이 불가능한 비행기에서는 by wire 방식을 사용하여 전선을 통해 전기 신호로 비행기의 각 부분을 제어하고 있다. 자동차도 by wire를 지향하고 있다.

전력을 저장할 배터리는?

프리우스가 하이브리드 자동차인 만큼 전기모터를 돌릴 수 있는 전기에너지를 저장해야 한다. 이 전기에너지를 저장하기 위해서 차량 뒷좌석 바로 뒤에 배터리를 배치하였으며 일반적으로 자동차에 사용되는 배터리도 트렁크 오른쪽에 탑재 되어있다. 

 프리우스에는 6,500mAh, 1.2V의 니켈 수소 전지(Nickel – metal hydride battery)를 사용하였다. 프리우스에서 니켈 수소 전지 배터리를 사용한 이유는 당시 리튬이온배터리가 발전되지 못하였고 당시 2차 전지로 가장 적합했던 배터리가 니켈 수소 전지 배터리였기 때문에 프리우스에 사용되게 되었다. 

2차 전지는 사용하면 사용할수록 처음 상태만큼의 성능을 발휘하지 못하고 점차 성능이 저하되는 현상을 가지고 있다. 하지만 프리우스와 같이 자동차에 탑재되는 배터리는 큰 크기를 가지고 있어 스마트폰처럼 자주 교체하기가 어렵고 그만큼 비싼 몸값을 지니고 있어 교체하기가 어렵다. 그래서 프리우스에서는 배터리를 최적의 상태로 유지하기 위한 시스템이 탑재 되어있다. 배터리를 사용하거나 충전할 때 발생되는 열을 식히기 위해 배터리를 관리하는 ‘Battery Smart Unit’에서 센서를 통해 온도를 측정하여 배터리 오른쪽에 있는 블로우 팬을 이용하여 배터리의 열기를 식혀내면서 최적의 온도 상태를 맞춰준다. 배터리와 블로우 팬 사이에는 ‘Battery Smart Unit’과 배터리의 전압을 균등하게 분배해주는 ‘HV Battery Junction block unit’이 장착되어 있다. 

직류 교류를 바꿔준 인/컨버터

앞쪽에 장착된 발전기 MG1은 전기를 교류로 발전을 시킨다. 따라서 직류 배터리에 전기를 충전하기 위해서는 교류를 직류로 바꿔주는 과정이 필요하다. 교류를 직류로 바꾸기 위해서는 컨버터가 사용되며 반대로 배터리에 있는 전류를 사용하기 위해서는 직류를 교류로 전환해주는 인버터를 사용해야 한다. 인버터와 컨버터는 모터가 있는 차량 앞쪽에 위치해 제 역할을 하고 있다.

지금까지 설명한 원리는 현재 많은 자동차에 적용되며 계속해서 발전을 해나가고 있다. 자동차의 전동화가 완벽해지기 전까지 하이브리드 자동차는 전동화로 나아가기 위한 하나의 단계로 많은 모델이 만들어지고 생산되며 자동차의 발전을 도와나갈 것이다.

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프리우스 절개 자동차는 순천향대학교 스마트자동차학과의 도움으로 촬영하였습니다.
글: 이기범 에디터(lgb03@naver.com)
사진: 오토모빌매거진, 이외 사진 하단 표기
카테고리: 자동차 원리 이야기
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