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이영재 박사의 ‘환경 그리고 자동차’④
하이브리드車, 엔진 역할 줄이고 모터 기능 확대 기술로 진화중
이영재 환경부 친환경자동차기술개발사업단장  |  yjl@kier.re.kr
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승인 2017.08.25  08:38:47
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▲ 이영재 환경부 친환경자동차기술개발사업단장

[지앤이타임즈]이영재 박사의 ‘환경 그리고 자동차’④

두 개의 동력원을 사용해 차량을 구동하는 자동차를 뜻하는 하이브리드 자동차(HEV, Hybrid Electric Vehicle)가 내연기관 자동차 보다 효율이 높은 이유는 다음의 3가지 기능 때문이다.

하이브리드 자동차의 가장 큰 특징은 ‘회생제동(回生制動, regenerative braking)’이다. 차량을 제동 또는 감속할 때에 브레이크페달을 밟게 되는데 이때 차량이 가진 운동에너지는 버려진다. 하지만 하이브리드 자동차는 이를 전기에너지로 회수하여 배터리에 저장시키는데 이것을 회생제동이라고 부른다. 정차와 주행을 반복하는 저속의 시내주행에서 하이브리드 자동차는 버려지는 에너지로 전기를 생산하면서 주행하는 셈으로 에너지 손실을 줄여서 자연스럽게 높은 연비를 구현하게 된다.

하이브리드 자동차는 엔진의 효율적인 구동을 도와 또 다른 효율 향상을 거든다. 일반적으로 내연기관은 효율 제로에서 30∼40%까지 다양하게 작동하면서 차량을 움직이게 하는데 하이브리드 자동차는 전기모터가 내연기관의 출력을 보조하게 되면서 효율이 좋은 영역으로 엔진을 구동해 연비를 향상할 수 있다.

마지막 카드는 아이들 스톱(Idle Stop System) 기능이다. 차량이 시내 도로 등을 주행할 때 신호 대기나 정체 등으로 멈춰 있는 경우가 적지 않다. 주행하지 않으면서 구동 상태를 유지하게 되니 연료만 낭비되는데 이 때 엔진을 정지시키면 불필요한 연료소모를 줄일 수 있다. 정차시 엔진을 자동으로 정지시켜 연료 소비를 줄이고 출발할 때 자동으로 시동을 켜주는 아이들 스톱 기능은 하이브리드 자동차 효율을 높여주는 ‘숨겨진 1인치’인 셈이다.

◇ 하이브리드차도 천차만별

일반적으로 하이브리드 자동차로 불리지만 기능이나 작동 방식에 따라 종류가 다양하다.

마이크로(micro) HEV는 아이들 스톱 기능이 있지만 모터가 엔진 출력을 보조하는 기능은 없어서 본격적인 하이브리드 자동차는 아니다. 동일한 내연기관을 장착한 차량에 비해 연비 개선 효과는 5% 정도인데 시동 모터와 발전기를 일체화시켜 약간의 회생제동 기능을 갖도록 한 것도 있다.

마일드(mild) HEV는 아이들 스톱과 회생제동 기능 외에 하이브리드 전용 배터리와 모터를 갖춘 것이 특징이다. 가속 등 큰 출력이 요구될 때에는 모터를 구동시켜 엔진 출력을 보조하는 기능을 가질 수 있는데 모터와 배터리 용량이 작아서 모터만으로 주행하는 기능은 없다. 풀(full) HEV에 비해 구조가 간단하고 가격이 저렴하지만 연비 향상 효과가 20% 이내로 크지 않아 최근에는 풀 HEV로 이행하는 추세에 있다.

풀 HEV는 마일드 HEV보다 모터와 배터리의 용량이 커서 저속주행과 같이 작은 출력이 요구될 때에는 모터만으로 주행할 수 있다. 즉 엔진 또는 모터만으로 각각 주행하거나 이들을 동시에 사용해 주행할 수도 있다. 연비를 30~50% 정도 개선할 수 있어서 최근에 출시되는 하이브리드 자동차 대부분이 이 방식을 채택하고 있다.

플러그 인 하이브리드(PHEV, plug in HEV)는 풀 HEV의 배터리와 모터의 용량을 조금 더 키우고 전기 플러그에 꽂아서(plug in) 배터리를 충전할 수 있게 한 것이 차별화된다. 일반적인 하이브리드 자동차와 전기자동차의 중간 단계인 셈으로 출퇴근 거리 정도인 수십 km는 모터만으로 주행하다가 배터리의 충전량이 낮으면 풀 HEV와 같이 엔진과 모터로 주행거리를 늘리는 구조다.

EREV(extended range EV, 주행거리 확장형 전기자동차)는 PHEV와 유사하지만 엔진으로는 발전기만 구동하고 주행 과정에서는 모터만 사용하는 것이 특징이다. 전기자동차의 1회 충전 주행거리는 아직 150 여 km 정도에 불과한데 EREV는 전기자동차에 엔진-발전기를 탑재한 형태로 긴 주행거리를 확보할 수 있다.

쉽게 말하면 PHEV는 HEV에 외부 충전기능을 갖춘 것이고 EREV는 전기자동차에 엔진 발전기를 추가한 형태다.

내연기관과 전기모터 방식을 병행하며 고연비와 환경 친화성을 확보한 하이브리드 자동차 기술은 이렇게 내연기관의 역할을 줄이면서 전기모터의 활용은 늘리는 한편 전기자동차의 단점인 짧은 주행거리와 충전 한계를 극복하는 방향으로 꾸준히 기술 진화가 이뤄지고 있다.

<이영재 환경부 친환경자동차기술개발사업단장은?>

현재 환경부 산하 친환경자동차기술개발사업단 단장을 맡고 있다.

전북대 기계공학과를 졸업하고 고려대 기계공학 석사, 일본 국립 토요하시기술과학대학에서 에너지공학 박사 학위를 취득했다.

전북대와 충남대 기계공학부 겸임 교수를 지냈고 국책 연구기관인 한국에너지기술연구원 책임 연구원으로 재직중이다.

한국자동차공학회 부회장, 환경부 오토오일위원회 위원, 지식경제부 그린카 전략포럼 전문위원, 사단법인 바이오디젤연구협의회 회장, 한국DME협회 부회장 등을 지냈고 현재는 환경부 친환경자동차기술개발사업단 단장을 맡고 있다.

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이영재
이영재박사님을 한번 뵙고싶습니다.
이름이 같고, 저도 자동차공학박사(친환경)이기도 하며, 일본 도요하시에서 5년간 살았었습니다.
그래서 한번 뵙고 싶습니다.

(2017-09-04 08:07:55)
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