하이브리드카(Hybrid Car)

하이브리드카(Hybrid Car)

두가지 이상의 동력을 사용하는 자동차를 말하는 것으로 '하이브리드'란 '잡종'이란 뜻이다. 주로 휘발유 엔진과 전기모터를  사용하며, 저속주행에는 전기모터, 고속주행에는 휘발유 엔진으로 움직이게 되므로 연료와 배출가스를 줄일 수 있다. 일본의 도요타는 1971년부터 하이브리드 연구를 시작하여 1998년부터는 하이브리드카인 '프리우스'를 대량 생산중이다. 현대자동차가 최근 국내 첫 하이브리드카 모델 개발에 성공하여 다음달 환경부에 시범적으로 50대를 납품 할 예정이며, 1조원이상의 연구개발비를 투자해 2008년부터 상용화에 돌입할 계획인 것으로 알려졌다



자동차의 새로운 기술 - 하이브리드(Hybrid) 자동차

하이브리드(Hybrid) 자동차 개요

전기자동차(EV)는 배기가스를 내지 않기 때문에, 대기 오염이 큰 골칫거리인 대도시에서의 사용이 기대되고 있다.
미국 캘리포니아주에서는 2003년부터 주요 자동차 메이커에게 무공해차 10%의 시장 도입을 의무화하고 있어, 일본의 메이커도 무해한 전기자동차 개발에 힘을 쏟고 있다.

그러나 전력을 저장하는 밧데리가 무거워 축전량이 한정되기 때문에 항속거리가 짧은 것이 문제로, 이것을 해결하기 위해 신형 밧데리가 개발되고 있다.
그러나 신형 밧데리로도 항속거리는 엔진차보다는 짧다.
또한 납 밧데리에 비하면 상당히 고가이다.
그 가격은 차 한 대분의 가격과 맞먹을 것으로 보인다.

한편 밧데리에 전력을 공급하는 것은 발전소이다.
그곳에서는 화석연료가 적지 않게 소비되고 있어 당연히 배출가스도 발생되고 있다.
즉 발전까지를 포함한다면 전기자동차도 무공해차라고 볼 수는 없다. 그래서 전기자동차에 발전소를 탑재한다면 전체적으로는 전기자동차와 마찬가지의 저공해가 된다는 발상이 있게 된다.
이것이 하이브리드 차이다.
하이브리드 차에서는 엔진과 모터 양쪽을 탑재하고 있다.
엔진으로 발전기를 구동, 그 전력으로 모터를 돌린다든지 (시리즈 하이브리드) 엔진을 모터로 어시스트하여, 엔진의 부담을 경감시킨다든지 (패러렐 하이브리드) 한다.

여기서 문제되는 것은, 엔진을 탑재한 하이브리드 차가 전기자동차에 비해 어느정도 에너지 절약으로 저공해가 될 것인가이다.
전기자동차에서는 화력발전소의 발전효율이 가장 영향이 크며 다음에 밧데리의 충전 방전 효율, 모터의 효율, 충전기의 효율, 송전효율 등이 관계된다.
그 결과, 10.15모드 주행의 종합 효율은 약 21%라고 한다.

이에 비해 가솔린차의 종합 효율은 약 14%(19%라는 데이터도 있다)이다.
가솔린차의 종합 효율이 낮은 것은 가솔린 엔진의 열효율이 최대 30%라는 점과, 실제 주행에서는 부하가 항상 변동되어 반드시 최량의 열효율로 운전되지는 않기 때문이다. 그러나 하이브리드 차라면 부하의 변동을 훨씬 적게 할 수가 있다.
시리즈 하이브리드에서는 엔진은 일정 부하로 운전되며, 팰러렐 하이브리드에서도 부하변동을 모터가 담당하기 때문에 그것은 더욱 적어진다.

부하변동이 적어진다면 엔진을 특정 부하에 맞추어 설계, 최량 효율을 더욱 향상시킬 수도 있다.
도요다의 하이브리드차에 채용된 미러 사이클은 그러한 한가지 예이다.
하이브리드 차에서는 발전소를 탑재하고 있기 때문에 송전 로스가 적다. 또한 발전한 전력을 직접 모터에 공급할 수도 있기 때문에 충 방전에 의한 로스도 적다.
이러한 결과 하이브리드 차의 종합효율은 약 25%가 된다고 한다.

한편 배기가스 면에서 하이브리드 차는 화력발전과 비슷한 수준이 될 것인가.
일본의 화력발전소에서는 천연가스가 주로 사용되고 있어, 배출가스 중의 유해성분은 매우 적다. 또한 화력발전에서는 연료가 연속적으로 타 들어가 간헐 연소에 의한 피스톤 엔진보다 유리하다. 그렇더라도 하이브리드 차에서는 촉매를 고효율로 이용할 수 있기 때문에, 현재의 엔진차보다 NOx가 1/10에서 1/100까지로 줄어든다고 한다.

또한 연료전지 전기자동차는 충전을 필요로 하지 않기 때문에, 상기의 종합효율은 적용되지 않는다.
연료전지는 밧데리가 아니라 일종의 발전장치이기 때문이다. 연료전지는 수소와 공기중의 산소를 반응시켜 직접 전력을 생산한다. 그러므로 수소만 보급하면 된다.


하이브리드카란 ?

위에서 언급한 것처럼 2개의 동력원(내연기관과 축전지)을 이용하여 구동되는 자동차를 말하며,
가솔린엔진과 전기모터, 수소연소엔진과 연료전지, 천연가스와 가솔린엔진, 디젤엔진과 전기모터 등 2개의 동력원를 함께 쓰는 차를 말한다. 주로 가솔린엔진과 전기모터를 함께 쓰는 방식을 많이 이용하고 있다. 전기 모터의 종류로는 다음과 같다. 

병렬(Parallel)식
복수의 동력원(엔진, 전기모터)을 설치하고, 주행상태에 따라 어느 한편의 동력을 이용하여 구동하는 방식으로 시동부터 일정속도 도달 전까지는 배터리의 동력을 이용해서 전기모터로, 정속 주행시는 엔진의 동력을 이용하고, 최고속도로 가속시는 엔진과 배터리의 동력을 함께 이용하는 방식이다. 내연기관 엔진 구동시에는 배터리에 충전이 가능하기 때문에 외부 충전이 필요 없다.
직렬(Series)식
엔진에 발전기를 부착하여 발전을 행하고, 이때 생성된 전기로써 모터를 가동하여 차량을 구동 시키는 방식이다. 이 방식은 전기차의 가장 큰 단점인 1회 충전으로 주행거리를 늘리는데 도움이 된다.
주로 사용되는 가솔린엔진과 전기모터 방식은 출발 시와 저속 주행 시에는 전기를 사용하다 가속 때나 정속 주행 시에는 가솔린 시스템으로 바뀌고, 최고속도에서는 전기와 가솔린 시스템을 함께 이용하며, 정지할 때는 다시 전기 모터로 자동 전환된다.
정지 상태에서는 공회전이 없기 때문에 연비 향상에 도움이 된다. 



하이브리드용 변속기

하이브리드용 변속기는 동력배분장치, 발전기, 전기모터 및 감속기로 구성된다. 엔진의 동력은 차량에서의 동력과 발전기에서의 동력으로 나누어진다. 발전된 전력은 전기 모타와 배터리에 공급된다. 발전기가 엔진의 회전수를 무단계로 제어하는 것으로 전자 제어식의 무단변속기와 같은 기능을 한다.

하이브리드용 엔진

엔진 내의 마찰을 줄여 초고연비를 실현하고, 또 Clean도를 높여 배출가스를 줄이고, 알루미늄 실린더와 블록으로 무게를 경량화 및 컴팩트 화로 만들어 졌다.

전기모터와 발전기

엔진의 보조동력원이 되는 전기모터는 소형이고 가벼워야 하기 때문에 높은 효율의 교류동기전동기(交流同期電動機)를 적용한다. 이 모터는 제동 시에는 차량의 운동 에오루기를 전기에오루기로 변환하여 배터리에 충전하는 역할도 함께한다. 발전기도 교류 동기형(交流同期型)이다. 배터리의 충전과 모터를 움직이는 전력을 발전하고, 충전량을 조정하다.

고출력 니켈수은(Ni-MH) 배터리

전기자동차용 니켈수은 배터리를 적용하여, 용량과 출력을 크게 향상시켰다. 그 결과 배터리의 소형화 및 경량화가 가능하게 되었다. 발전기와 모터에 의해 충전 및 방전 제어가 주행 중에도 이루어지고 충전상태가 일정하게 조정되기 때문에 외부로부터의 충전이 필요 없다.

인버터(Inverter)

배터리의 직류전류를 모터 및 발전기구동용의 교류전류로 변환시켜준다. 충전되는 전류도 최적의 상태로 제어해 준다.



하이브리드카 운전 시스템

출발과 저속 주행 

차량이 출발할 때, 저속주행 등과 같이 높은 토크가 요구될 때는 엔진에 연료가 차단되고 엔진은 멈춘다. 배터리의 전원을 이용하여 전기 모터(Electrical Motor)가 차량을 움직인다(A).  


정속 주행 

엔진의 동력의 동력으로 구동되며, 엔진의 동력은 2개로 나누어서 하나는 차량을 직접 구동시키고(B), 다른 하나는 발전기(Electrical Generator)를 회전시켜 발생하는 전류가 전기 모터를 회전시켜(C) 차량을 주행 시킨다.  


최고속도 주행 

엔진의 힘(C)과 발전기의 동력(B) 뿐만 아니라 배터리의 전류(A)까지 이용하여 최고속도로 주행한다.  


감속 및 정지시 

차량의 구동은 엔진에서 다시 전기모터에 의해서 움직이는 것으로 변환된다. 발전기에서 만들어지는 전류에 의해 전기모터가 구동되고, 또 발전기는 배터리에 전류를 충전하는 기능으로 바뀐다.