하이브리드 차량 ‘원리’ 알고 타면 연비 잘 나온다

친환경차 대세 ‘인기몰이’

최근 저유가 추세가 이어지면서 운전자가 연비에 대해 느끼는 압박감은 다소 줄었다. 하지만 엔진과 전기모터·배터리로 연비 효율을 극대화하는 하이브리드 차량에 대한 관심은 여전하다. 특히 독일에 이어 우리나라에서도 디젤차량의 연비·배기가스 배출량 조작 문제가 부각되면서 친환경차로서 하이브리드 차량의 위상은 더욱 커지고 있다.

(왼쪽부터) 현대 ‘아이오닉’, 도요타 ‘프리우스’, 기아 ‘니로’

◆하이브리드 차량의 개념과 역사

두 가지 이상의 구동계를 사용한다는 뜻의 하이브리드 차량은 통상 석유엔진 탑재 자동차에 전기모터를 추가로 장착해 내연기관이 비효율적으로 움직일 때 전기모터가 이를 보완하거나 대체한다. 디젤 하이브리드 차량도 있지만 아직은 최대효율 구간이 좁은 가솔린엔진과 모터의 결합 형태가 대부분이다.

하이브리드 차량의 장점은 역시 연비와 친환경성이지만, 실제 운전하면 주행 성능도 큰 장점으로 여겨진다. 가솔린엔진에 비해 모터가 진동·소음이 적고 순식간에 큰 힘을 발휘할 수 있기 때문이다. 이 때문에 하이브리드 차량은 순간 가속력이 뛰어나 정지상태에서 출발하거나 가속할 때 ‘마치 누가 앞에서 잡아당겨주는 듯하다’는 느낌을 받게 된다.

하이브리드 차량이 대중에게 보급된 건 수년 전부터이지만 그 역사는 길다. 무려 1899년으로 거슬러올라가 독일의 자동차 천재 페르디난트 포르쉐 박사가 내놓은 ‘믹스테(Mixte)’가 최초의 하이브리드 차량이다. 네 바퀴 모두 독립된 전기모터가 장착됐으며 엔진은 전기충전 용도로 사용됐는데 최고시속이 50㎞에 달했다고 한다. 이후 1970년대에는 미국 전기기술자 빅터우크가 뷰익 스카이락 모델에 21마력의 힘을 내는 전기모터를 추가 탑재해 전기모터가 엔진을 보조하는 하이브리드 시스템을 개발했다. 배터리를 수시 충전한다는 점에서 현대 하이브리드 시스템의 시작으로 평가받는다.

대중을 위한 하이브리드 차량 생산의 선두주자는 일본 도요타자동차다. 1977년 도쿄모터쇼에서 자체 개발한 하이브리드 차량을 선보인 후 대중화를 위한 지속적인 연구 끝에 1997년 최초의 양산형 하이브리드 차량으로서 프리우스를 내놓았다. 이후 친환경차의 대명사가 된 프리우스는 지난 4월 4세대 모델까지 나오며 하이브리드 차량 대중화 시대를 열었다.

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◆하이브리드 시스템의 종류

하이브리드 차량의 기본 개념은 ‘엔진+모터’로 통일됐지만 구현 방식은 ‘직렬형’, ‘병렬형’, ‘직·병렬형’으로 구분된다. 직렬형은 모터와 엔진을 직결하는 방식이다. 엔진은 모터를 돌리는 배터리를 충전하는 데만 쓰인다. 최초의 하이브리드 차량 믹스테와 GM 쉐보레의 볼트(Volt)가 대표적 직렬형 하이브리드 차량이다. 병렬형은 엔진과 모터가 바퀴에 각각 구동력을 전달하는 방식. 현대자동차 아이오닉과 일본 혼다의 하이브리드 차량이 채택하고 있다.

도요타가 채택한 직·병렬 혼합형은 엔진의 동력이 ‘동력분할기’에서 둘로 나뉘어 바퀴로 직접 가거나 ‘발전기→배터리→모터→바퀴’로 이어진다. 그 결과 엔진동력이 모터 가동·배터리 충전을 위한 발전과 바퀴 구동에 동시에 쓰일 수 있다는 점이 특징이다.

‘회생제동’ 역시 하이브리드 차량 구조의 핵심 개념이다. 일반 차량에선 브레이크 작동으로 제동이 이뤄질 때 한창 달려나가던 차량의 운동에너지는 브레이크 패드를 소모시키는 마찰·열에너지로 사라진다. 하이브리드 차량에선 이를 전기에너지로 회수한다. 차량 제동 시 모터가 발전기 구실을 하면서 발생하는 부하가 차량을 감속시킨다.

엔진·모터와 함께 하이브리드 시스템 성능을 좌우하는 건 배터리다. 특히 1∼2년 된 스마트폰 배터리의 성능 저하에 따른 잦은 방전현상을 겪곤 하는 소비자 입장에선 하이브리드 차량 배터리 성능에 의구심을 가질 수밖에 없다. 하이브리드 차량 역시 스마트폰과 마찬가지로 니켈·카드뮴, 또는 리튬·폴리머 방식의 배터리가 많이 쓰인다. 배터리·차량제조업체는 “스마트폰과 달리 전기차나 하이브리드 차량에선 배터리 성능 저하에 따른 문제가 발생할 가능성이 매우 작다”고 장담한다. 이 때문에 현대·기아차는 아이오닉, 니로 등에 대해 ‘배터리 평생 보증’을 약속하고 있다.

박성준 기자 [e-mail]