하이브리드 차량 구조와 원리

1. 하이브리드 차량(HEV)란?

 

엔진과 전기 모터를 운행하는 차량, 즉 전기 모터와 엔진의 장점만을 사용.

 

가솔린 엔진은 최대 효율을 내는 구간이 협소하고 높은 RPM에서 최대 토크가 출력되기 때문에 낮은 RPM에서 전기 모터를 구동시켜 효율을 높이는 방식

 

엑셀을 밟는 즉시 0 RPM에서 최대 토크를 발휘 => 낮은 RPM에서 최대 토크가 나오는 디젤 엔진과 맞지 않음.

 

주요 구성 요소: 엔진(앳킷슨), 구동 모터, 고전압 배터리, 인버터, LDC, HCU

 

*내연기관: 특정 회전수 + 부하 구간에서만 효율이 좋고 저속 토크가 약함

 

 

하이브리드 주행 상태

출발: 높은 토크가 요구되기 때문에 전기 모터 구동

저속: 모터의 출력만으로 주행 가능

가속: 엔진과 모터가 동시에 동작

중/고속: 엔진의 효율이 가장 좋을 시기이기 때문에, 엔진만으로 주행

감속/내리막길: 브레이크 신호가 들어오면 회전하는 모터를 통해 배터리를 충전

 

 

연비가 좋은 이유

1) 엔진의 저효율 구간 회피

    엔진은 저속, 저부하에서 열효율이 15~20%로 떨어짐. 이 구간은 모터가 대신 맡고 엔진은 효율이 좋은 고부하 영역에서만 돌림.

 

2) 회생제동

     일반 차량은 브레이크 작동 시 브레이크 마찰열로 버려짐. HEV는 모터를 발전기로 돌려서 에너지 회수 -> 고속도로보다 도심 주행에서 연비가 높음.

 

3) 엔진 다운사이징

     엔진의 부족한 출력을 모터가 보조하기 때문에 배기량을 줄여도 성능 유지

 

4) 아이들링 제거

    정차 시 엔진이 완전히 정지하고, 재시동은 모터 또는 HSG*가 즉시 처리

 

*HSG: Hybrid Starter Generator, 엔진을 크랭킹하고 엔진의 회전력을 이용해서 발전기로 사용.

 

2. 하이브리드 차량 종류

하이브리드는 파워트레인 전동화 비중에 따라 6가지로 분류할 수 있다.

 

출처: 나무위키

 

하이브리드 차량은 다양한 방식이 있지만, 크게 Mild Hybrid, Full Hybrid로 나눌 수 있다.

Mild Hybrid는 시동 모터나 발전기 역할을 하고 엔진을 보조하는 역할로 그친다. 

Full Hybrid는 모터의 힘만으로도 일정 속도 가속, 주행이 가능하다. 

 

 

 Full Hybrid는 모터의 배치와 설계, 구동 방식에 따라서 총 세 가지가 존재한다.

• 병렬형: 엔진과 모터가 모두 구동축에 연결되는 구조. 가장 흔하게 사용하는 것이 TMED 방식
• 직렬형: 엔진은 발전만 하고 모터가 100% 구동 제어. 엔진을 항상 최적 효율점에 돌릴 수 있지만 기계->전기->기계 변환을 거치기 때문에 고속 정속 주행에서는 비효율
• 동력분기식: 유성 기어로 엔진 동력을 구동축과 발전기로 나눔. 변속기 없이 무단 변속을 하는 효과.

 

1) 병렬형 방식(Parallel Hybrid) 

TMED (Transmission Mounted Electric Device) 방식과 FMED (Flywheel Mounted Electric Device) 방식으로 구분

• FMED: 엔진 플라이휠*에 모터가 연결되어 동력이 전달되며, 모터는 엔진의 보조용으로 사용 => 모터로만 주행하는 모드가 없어서 EV 모드라고도 불림. 소프트형 하이브리드.
• TMED: 모터와 엔진 사이에 클러치가 장착되며, 클러치 제어를 통해 모터로만 주행하는 EV 모드가 가능. 하드형 하이브리드.

*플라이휠: 엔진의 왕복운동을 직선운동으로 바꾸어 주는 엔진과 변속기 사이 장치.

엔진의 폭발 행정은 불규칙하게 발생하기 때문에 이를 부드럽게 이어줄 수 있어야 함. 회전 관성을 부드럽게 이어주는 장치

 

FMED

 

FMED 하이브리드 자동차는 출발/저속주행/가속/등판 시에서는 모터와 엔진 동시에 구동

• 평지 주행: 엔진
• 브레이크 페달 밟거나 아무것도 밟지 않을 때: 회생제동 모드로 충전

 

 

TMED

 

 

TMED 방식의 하이브리드 자동차는 출발/저속 주행에서 모터로만 주행하는 EV 모드로 달림

고속 주행과 가속/등판 주행 시에는 모터가 엔진을 보조하여 모터와 엔진 동시에 구동

 

 

-> 엔진 효율이 좋은 구간에는 엔진으로만 주행, 주행 시 배터리가 부족할 때는 엔진을 통해 배터리 충전

-> 배터리 페달을 밟거나 페달을 아무것도 밟지 않을 때는 회생제동 모드로 배터리 충전

-> 공회전 상태에서 고전압 배터리 충전 시 HSG를 통해 충전

 

 

 

엔진 클러치를 끊으면 완전한 전기 모터로만 동작하는 EV 모드, 엔진 클러치를 붙이면 동력이 그대로 변속기에 전달되어 엔진과 모터가 함께 동작

 

2) 직렬형 방식(Series Hybrid)

 

초기 하이브리드 자동차에 사용되던 방식

 

직렬형 방식에서 엔진은 바퀴를 구동시키는 동력원이 아니라, 발전을 해서 전기를 구동시키는 것. 충전된 전기를 사용해서 모터 구동

 

 

3) 동력분기 방식(Power-Split Hybrid)

 

모터 2개를 이용하고 동력 분기를 위해서 유성 기어를 사용

 

모터 1은 발전용, 모터 2는 차체를 구동시키는 동력원으로 사용

 

EV 모드는 저속 운행할 때 사용, 배터리에서 모터 2로 전기를 공급해 모터 2를 사용해 구동

 

엔진 시동 시에는 모터 1이 회전하여 시동을 걸고 엔진이 구동됨

 

HEV 모드는 엔진과 모터 2를 모두 사용해 차체 구동, 엔진을 통해 회전된 모터 1은 발전기로 작동