하이브리드 동력전달 방식

왜 배우는가: 하이브리드 동력전달 방식은 연비와 배출가스 규제를 함께 만족시키기 위한 구조 선택이므로, 차량 개발 방향을 정하는 실무 기준이 된다. 직렬식·병렬식·직병렬식의 구조 차이와 원리를 설명하는 문제는 시험에서 여러 번 반복해 나왔으므로, 정의와 기계적 연결 여부를 먼저 정리해 두어야 한다.

출제 이력: 제137회 4교시 5번, 제122회 2교시 6번, 제120회 3교시 1번, 제92회 4교시 2번, 제90회 2교시 1번

1. 한 줄 정의와 핵심 키워드

하이브리드 동력전달 방식은 내연기관과 전기모터의 동력을 바퀴로 보내는 구조를 직렬·병렬·직병렬로 분류한 것이다.

하이브리드 전기자동차(HEV)의 동력전달 방식을 구분하는 기준은 두 동력원이 바퀴에 이르는 경로이다. 엔진과 모터가 기계적으로 직접 연결되는지, 전기 에너지를 거쳐 연결되는지에 따라 방식이 나뉜다. 이 절의 핵심 키워드는 다음과 같다.

• 직렬식: 엔진이 발전기를 구동해 전기를 만들고, 바퀴는 전기모터만으로 구동하는 방식이다.
• 병렬식: 엔진과 모터가 각각 변속기에 기계적으로 연결되어 함께 또는 따로 바퀴를 구동하는 방식이다.
• 직병렬식: 동력 분할 장치로 엔진 동력을 기계 경로와 전기 경로로 나누는 방식이다.
• 동력 분할 장치: 유성기어 세트로 구성되어 엔진 동력의 배분 비율을 정하는 핵심 부품이다.
• 회생제동: 감속할 때 모터를 발전기로 사용해 제동 에너지를 배터리에 되돌리는 기능이다.
• 풀 하이브리드: 모터만으로 주행할 수 있는 완전 하이브리드 방식이며, 직렬식과 병렬식이 이에 속한다.

2. 개념 풀이

하이브리드 동력전달 방식은 내연기관과 전기모터를 함께 구동원으로 쓰는 차량에서 두 동력원을 결합하는 구조와 그 제어 방법을 말한다. 엔진이 구동원으로 남아 있으므로, 엔진을 바퀴에 직접 연결할지 발전에만 쓸지가 연비와 구조의 복잡도를 정한다. 따라서 방식을 구분하는 기준은 엔진 동력이 바퀴에 이르는 경로이다.

직렬식은 엔진과 바퀴의 기계적 연결이 없고, 병렬식은 엔진과 모터가 변속기에 기계적으로 연결된다는 점이 구분 기준이다.

직렬식은 엔진과 바퀴 사이에 기계적 연결이 없다. 엔진은 발전기만 구동하여 전기를 만들고, 그 전기가 배터리를 거쳐 모터로 공급된다. 엔진 회전수가 바퀴 속도와 무관하므로 엔진을 효율이 높은 운전점에 두기 쉽다. 다만 기계 에너지가 전기 에너지로, 다시 기계 에너지로 두 번 변환되므로 변환 손실이 추가된다.

병렬식은 엔진과 모터가 같은 변속기 입력에 기계적으로 연결된다. 엔진만, 모터만, 또는 두 동력을 합쳐 주행할 수 있다. 엔진은 바퀴를 직접 구동하므로 발전 역할을 겸하지 못한다. 따라서 배터리를 충전하려면 회생제동이나 별도 발전 수단에 의존해야 한다.

직병렬식은 동력 분할 장치가 엔진 출력을 두 경로로 나누는 방식이다. 한 경로는 엔진에서 바퀴로 직접 가는 기계 경로이고, 다른 경로는 발전기와 모터를 거치는 전기 경로이다. 엔진 동력의 배분 비율은 엔진 100%에서 모터 100% 사이의 어떤 값으로든 정해질 수 있다. 엔진이 발전기로 작동하며 배터리를 충전할 수 있어 직렬식과 병렬식의 장점을 함께 가지며, 이 방식을 복합식이라고도 한다.

풀 하이브리드(Full hybrid)는 모터만으로 주행할 수 있는 완전 하이브리드 방식이다. 직렬식과 병렬식이 이 범주에 속하며, 모터가 보조 역할만 하는 마일드 하이브리드(MHEV)와 구분된다.

3. 등장 배경과 필요성

내연기관 자동차는 배출가스와 연비 규제를 동시에 맞추기 어려워지면서 엔진 효율을 높이고 제동 에너지를 회수하는 구조가 필요해졌다. 감속할 때 제동 에너지가 열로 버려지는 단점을 줄이려면 에너지를 저장했다가 다시 쓰는 장치가 요구되었다. 이 필요에 따라 엔진과 모터를 함께 쓰는 하이브리드 구조가 등장하였다.

순수 전기자동차는 배출가스가 없지만 충전 인프라가 충분하지 않아 장거리 주행에 한계가 있다. 이 때문에 엔진을 함께 쓰는 하이브리드 방식이 전기자동차 보급의 현실적인 대안으로 주목받았다. 국내에서도 2014년 12월 환경부와 산업통상자원부가 '전기자동차 상용화 종합대책'을 발표하면서 친환경차 보급 정책이 이 흐름을 뒷받침하였다.