HEV(하이브리드) 파워트레인의 구조 및 특징

하이브리드 자동차란 기존 내연기관차량 대비 효율적으로 차량을 구동하기 위하여, 둘 이상의 동력원을 사용하는 자동차를 말합니다. 하이브리드 자동차(Hybrid Electronic Vehicle, HEV)는 엔진과 모터의 구조에 따라 직렬형, 병렬형, 동력분기형으로 나눌 수 있으며, 각 시스템의 장점을 모두 활용한 시스템도 있습니다. 이번 시간에는 하이브리드 자동차의 파워트레인 구조 및 특징에 대해서 알아보도록 하겠습니다.

 

직렬형 하이브리드 시스템

직렬형 하이브리드 시스템 :
모터가 구동축에 연결되어 있어서 구동모터를 통해서만 차량 운전 및 제동가능

직렬형 하이브리드 시스템 구조

직렬형 하이브리드 시스템은 엔진 - 모터 1(제너레이터) - 인버터(DC → AC) - 배터리 or 모터 2(구동모터, 회생제동) - 바퀴로 이루어져 있으며, 차량 구동을 위해서는 결국 모터가 작동되어야만 합니다. 엔진은 구동축과 별개로 제너레이터와 연결되어 있어서 차량 운전 중에도 엔진 동력으로  전기를 생산할 수 있습니다. 생산된 전기는 구동모터에 전달되거나, 필요한 경우 배터리 충전(SOC관리)을 할 수 있습니다

직렬형 시스템의 장점 :
장점 시스템이 간단하고 제어가 용이함, 엔진을 최적점에서 작동할 수 있어서 효율이 높음

직렬형 시스템의 단점 :
차량을 운전하기 위해서는 모터를 통해서만 가능하므로, 충분한 동력을 내기 위해서는 큰 모터가 필요하며 엔진의 동력이 제너레이터 → 구동모터를 거치면서 손실이 발생하며 시스템 전체 효율이 나빠짐(기계에너지 -> 전기에너지 -> 전기에너지 -> 기계에너지) 

 

병렬형 하이브리드 시스템

병렬형 하이브리드 시스템 :
엔진과 모터가 동시에 차량에 연결되어 동력전달 가능하며, 엔진과 모터가 협조하거나, 각각 독립적으로 구동 가능함. 

병렬형 하이브리드 시스템 구조(모터위치에 따른 분류)

엔진과 모터, 두 동력원이 모두 동시에 차량의 구동축에 연결되어 있어 엔진, 모터, 각각 독립적으로 구동도 가능하며, 서로 협조도 가능한 시스템입니다. 이 병렬형을 더 세분화하게 되면 모터의 장착 위치에 따라 P0~P4로 다양한 병렬형 구조로 분류가 가능합니다.

	모터위치	특징
P0	주로 엔진의 벨트 시스템에 연결	- 모터가 엔진에 연결되어 있고, 마이크로 하이브리드라고도함. - Stop & go 시스템 구현가능하나, 회생제동 에너지 극대화 어려움
P1	모터가 엔진에 직접 연결	- 마일드 하이브리드라고도 하며, P0시스템 대비 회생제동 효율 향상 - 본격적인 48V BSG 시스템 적용 - BSG 적용으로 벨트를 통하여 모터가 엔진 어시스트 기능을 수행 가능함 - 저속에서 제한적이지만 EV모드 주행 가능 - 12V시스템 전압을 위하여 DCDC컨버터도 적용
P2	클러치와 변속기 사이	- 현대자동차의 TMED로 대표되는 시스템 - 전기차 모드인 EV모드로 주행 가능함. - 회생제동 효율이 P0, P1시스템보다 향상됨
P3	변속기 후단	- 모터구동 혹은 회생 제동시 작동효율 향상 가능
P4	변속기 후단(특히 휠측)	- In wheel motor라고도 함
* P2.5	변속기 내부	- 변속기 내부에 모터가 탑재되는 경우 P2.5로 분류하기도 함.

병렬형 시스템의 장점 :
엔진이 출력축에 연결되어, 모터 도움 없이 구동가능하기 때문에, 저출력 모터로도 구성 가능함. 모터가 엔진을 지원함으로써 엔진의 토크 작동점을 최적화할 수 있기 때문에 엔진의 전달효율이 기존 내연기관 대비 우수함.

병렬형 시스템의 단점 :
차량의 메인 동력원이 엔진이므로, 모터 대비 엔진의 좁은 토크 발생 영역 때문에 변속장치가 필요하게 되고, 직렬형에 비해 구조 및 제어시스템이 복잡함.

 

동력분기형 하이브리드 시스템

동력분기형 하이브리드 시스템 :
엔진과 두 개의 모터가 각각의 기어축에 연결되어 전기적 무단 변속기로 작동하여 엔진의 동력을 차량에 전달하는 구조

엔진과 두 개의 모터가 각각의 기어축에 연결되어 전기적 무단 변속기로 작동하여 엔진의 동력을 차량에 전달하는 구조로 하이브리드 모드와 전기차 모드로 주행 가능합니다.  이 시스템에서 가장 핵심적인 부품은 유성기어입니다.(링기어, 피니언 기어, 캐리어기어, 선기어로 이루어짐)

동력분기형 하이브리드 시스템 구조

동력분기형 시스템 장점 :
변속기 시스템에 비해 간단하고 CVT처럼 작동하므로, 엔진의 작동효율을 높일 수 있음.

동력분기형 시스템 단점 :
변속을 위하여 두 개의 모터가 항상 작동해야 엔진 동력전달이 가능하므로, 고속주행 시 동력순환 손실이 발생하여 P2 형 대비 엔진 작동효율이 낮음. 도요타의 프리우스(55.7 MPG)에 적용되어 효율적인 시스템으로 인식되어 왔으나, 최근에는 현대 아이오닉 하이브리드에 적용된 병렬형 시스템의 연비가 상대적으로 좋아서 비교우위에 있어서 좋아짐.

 

그 외의 하이브리드시스템

이 외에도 차량시스템의 효율을 향상하기 위하여 다양한 방식의 하이브리드 시스템이 개발되고 있으며, 위의 구조 외에도 각 시스템의 장점을 모두 활용하는 시스템도 있습니다. 이 시스템이 적용된 차량에 대해서 간략히 소개를 드리면,

 

1. GM VOLT(2016년 출시) : 두 개의 유성기어를 통해서 동력분기형과 병렬형 하이브리드 시스템을 모두 활용하면서 각 모드가 유리한 상황에서 선택적으로 활용하는 멀티모드시스템임.

2. 캐딜락 CT6 :  유성기어 3개를 통해 11개의 모드를 활용하는 하이브리드 시스템

3. 혼다 어코드 *PHEV* : 변속기를 제거하여 직렬형과 단일 감속비의 병렬형 모드를 활용하여 차량을 구성함.

 

*PHEV* : 기존 HEV 차량의 전기차 모드 주행거리를 더 늘리기 위하여 배터리 용량증대를 하고 외부에서 충전이 가능한 시스템(Plug-in HEV)