HEV 자동차의 구동 및 제동 시스템

HEV를 포함한 BEV 및 FCEV차량의 경우에는 기본적으로 차량 구동을 위한 모터를 탑재하고 있습니다. 이 모터 시스템을 이용하여 스탑 앤 고, 회생제동, 동력보조와 같은 구동 및 제동시스템으로 어떻게 활용하는지 한번 알아보도록 하겠습니다.

STOP & GO 시스템(스탑 앤 고)

스탑 앤 고 시스템이란 차량이 정차해 있는 상황에서 엔진의 시동을 끄고, 출발 시에는 모터를 이용하여 구동하는 기능입니다. 스탑 앤 고 시스템이 없는 내연기관 차량에서는 차량이 신호등을 받아서 정차하고 있는 상황에서 엔진은 IDLE로 회전을 하며, 계속적으로 연료를 소모하고 있습니다. 스탑 앤 고 시스템을 탑재하게 되면 정차 시 엔진 아이들링을 최소화하여 불필요한 연료소모를 줄일 수 있습니다. 이를 내연기관에서 ISG(idle stop & go)라고도 부릅니다.

HEV 차량의 경우에는 기본적으로 모터가 탑재되어 있기 때문에, 정차 시에 엔진의 시동을 끔으로써 스탑 앤 고 시스템을 적용합니다. 특히 내연기관의 ISG 시스템 대비해서 HEV, BEV, FCEV와 같은 모터 구동 시스템이 적용된 차량의 경우에, 엔진에 대비해서 모터가 응답성이 아주 빠르고 저속에서부터 낼 수 있는 토크가 아주 크기 때문에, 정지 후 출발하는 상황에서 아주 적합하며, 부드러운 출발을 운전자가 느낄 수 있습니다.

HEV 시스템에서의 모터 구동 기능

말 그대로 배터리의 전기 에너지를 이용하여 모터를 구동하는 시스템을 말합니다. 엔진의 경우에는 저 출력 영역에서는 일반적으로 효율이 좋지 않습니다. 반면 모터의 경우에는 전체 구동 영역에서 전반적으로 효율이 엔진보다 좋습니다. 이를 활용하여 HEV 차량에서는 스탑 앤 고 시스템 사용 시에는 재출발 시에 엔진의 시동을 켜지 않고 모터를 이용하여 차량을 구동시켜 줍니다. 그리고 운전자가 높은 출력을 원할 때 엔진을 구동시키는 것이죠.

BSFC map of the engine. 7 BSFC: brake specific fuel consumption; rpm: r/min; Max: maximum.

좀 더 자세히 설명드려보면, 위의 그림은 엔진의 BSFC map입니다. BSFC란 단위 출력당 소모되는 연료량을 말합니다. 그렇다면 BSFC의 값이 작을수록 출력당 소모되는 연료량이 적은 것이니, 효율이 높다는 뜻이 됩니다. 이 그림에서 보면 BSFC의 값이 가장 작은 영역은 엔진회전수가 2500~4000 rpm의 고토크 영역이고, 이 영역에서 가장 효율이 높습니다.

그리고 토크가 낮은 영역을 보시면 엔진의 회전수와 관계없이 BSFC값이 상당히 큰 것을 알 수 있습니다. 즉 효율이 낮다는 뜻이겠지요. 결론적으로 차량이 운행 중에 출력이 낮아도 되는 영역은 효율이 낮은 엔진을 끄고, 모터로 차량을 구동하는 것이 차량 전체 에너지 사용관점에서 효율을 높이는 것입니다.

회생제동 기능

회생제동 기능이란, 내리막길이나, 제동시에 버려지는 위치에너지 및 운동에너지를 회수하여 배터리로 다시 충전하는 기능을 말합니다. 내리막길이 내려가고 있다고 가정하면, 내리막길 높이만큼의 위치에너지를 잃어버린다고 볼 수 있고, 100km/h로 달리던 자동차가 멈출 때 그만큼의 운동에너지를 잃는다고 볼 수 있습니다.

모터와 배터리가 없는 기존 내연기관 차량의 경우에는 이런 상황에서 이 에너지들은 그냥 유실될 수밖에 없습니다. 하지만 모터와 배터리가 탑재된 전동화 기반의 차량들은 이러한 에너지들을 전기에너지로 변환시켜 배터리에 충전한 후, 나중에 모터를 구동시킴으로써, 내연기관에서라면 버려질 에너지들을 재활용하여 전체 차량 시스템 효율관점에서 극대화시킬 수 있는 것입니다.

다만 교통량이 아주 많은 도심지역에서는 서행할 수밖에 없고, 브레이크를 밟는 횟수도 많아지게 됩니다. 이때 일정 이상의 제동토크를 발생시키거나, 배터리의 충전특성을 초과하여 회생제동은 불가능하기 때문에 기존의 유압브레이크를 같이 쓰게 됩니다.

이번 글을 마무리하며...

이렇게 하이브리드 차량의 경우에는 엔진 외에도 모터와 배터리 시스템이 적용되어 있어, 스탑 앤 고 시스템을 활용하기 용이하며 엔진과 모터의 효율이 좋은 지점만을 사용하면서 전체 차량 에너지 사용 효율 관점에서 아주 탁월한 시스템입니다.

하지만 연료를 사용하는 엔진과 전기를 사용하는 모터 두 가지 동력원을 어떻게 분배하여 사용하느냐에 따라서(병렬형 하이브리드 or 직렬형 하이브리드 or 혼합형 하이브리드 등.) 동력전달계의 제어가 아주 복잡해질 수 있습니다.

하지만 내연기관차 대비 높은 효율 및 연비가 장점으로, 전기차 대비 1회 주유 시 긴 주행거리로 인하여 향후 전기차가 짧은 주행거리와 긴 배터리 충전시간의 단점을 보완하기 전까지는 지금까지의 주류인 내연기관을 대체할 시스템으로 사람들에게 아주 인기가 많이 있을 것 같습니다.