하이브리드 자동차 > 자료실

두 가지 이상의 구동계를 사용하도록 만들어진 자동차. 약칭으로 하브라고 부르는 사람도 있다. 보통은 전기모터를 같이 쓰며, 전기자동차와는 달리 내연기관 엔진을 함께 사용한다. 대개는 종래의 검증된 석유(가솔린, 디젤)를 사용하는 엔진을 채용한다. 일반적으로 엔진과 모터의 비율에 따라서 세 종류의 하이브리드로 구분된다. 보통은 연비를 높이기 위해 이러한 형태를 취한다. 그러나 기술적인 문제로 기계식 동력 계통을 사용하기 어려울 때 하이브리드 기관을 사용하기도 한다. 하이브리드 자동차로 불리기 위한 필수 조건은 배터리와 전기모터를 갖추고 있어야 한다는 것이며, 배터리와 전기모터만으로 구동되는 차는 순수한 전기차이지만, 거기에 기존 방식의 내연기관을 함께 갖추고 있기 때문에 순수하지 못한 전기차(하이브리드) 또는 순수하지 못한 내연기관 자동차(하이브리드)라 하여 하이브리드 자동차라 하는 것이다.

내연 기관이 비효율적으로 움직일 때, 전기 모터가 보충하는 원리이다. 하이브리드 기관은 주로 가솔린 기관에 쓰인다. 가솔린 기관의 최대효율 구간은 상대적으로 협소하기 때문에 전기 모터 기관이 들어감으로서 효율이 높아지기 쉽기 때문이다.

2020년대 기준으로는 연료전지와 2차전지(리튬이온 등)를 결합한 하이브리드 전기자동차도 각광을 받고 있다. 내연기관은 환경 문제 때문에 많은 규제가 생기고 있고 현재의 2차전지 용량으로는 충분한 항속거리를 확보하기 어렵기 때문에 그 대안으로 연료전지를 주목하고 있는 것. 실제로 메르세데스 벤츠와 GM이 연료전지+배터리 하이브리드 전기자동차를 개발하겠다고 밝힌 바 있다.

1899년 페르디난트 포르셰가 내놓은 믹스테(Mixte)가 최초. 프랑스어로 '혼합된'이란 뜻으로 하이브리드와 뜻이 비슷하다. 4개의 바퀴마다 독립된 인휠 전기 모터가 독립적으로 구동되었다. 내연기관은 오직 전기만 충전하는 용도[1]였다. 믹스테는 최고 시속 60km에 달했고 랠리에 참여해 기록을 세우기도 했으며 당대는 여러 구동기관이 난립하던 때여서 순수 전기 기관에서 증기 기관까지 온갖 자동차가 다 있었다.

2차대전 당시 중구축전차, 초중전차 등 당시 기술수준에서 매우 무거운 전차를 만들려 할 때 시험적인 설계에 사용되었다. 유명한 6호 전차 티거의 포르셰 프로토타입인 VK 45.01(P)와 사상 최중량의 전차인 초중전차 마우스를 비롯하여 중구축전차인 엘레판트나 영국의 TOG도 하이브리드 기관을 가졌다. 당시의 소재기술, 가공기술로는 70~200톤에 달하는 엄청난 중량을 감당할 기계식 내연기관 변속기를 만들기 어렵기에 궁여지책으로 택한 방식이다. 변속기 대신 채용된 셈이므로 연비, 효율성, 내구성 따위는 저 멀리 허공에 던진 물건이다. 당시 하이브리드 엔진은 걸음마 단계에 전동기 효율도 그리 좋지 못하였으므로 성능 자체도 기존 변속기보다 나을 것은 없는데 신뢰성도 낙제점이었고 당연히 정식 채택에도 큰 어려움이 따랐다. 다만 엔진 구동의 개념은 비슷하므로 현대의 하이브리드 엔진과는 구조가 유사하다.

디젤전기기관차를 하이브리드로 오해하는 경우가 있는데, 현재 국내에서 운용중인 모든 디젤전기기관차의 전기 구동은 일종의 변속기로서의 역할을 하는 것이며, 두 개 이상의 동력원이 구동에 관여하는 하이브리드와는 다르다. 만일, 전철화 구간에서는 전차선을 통해 공급받는 전기로 구동 모터가 동작하고, 비전철 구간에서는 디젤엔진과 발전기를 통해 생산되는 전기로 구동 모터가 동작한다면 하이브리드 기관차라고 할 수 있을 것이다. 그러나 우리가 잘 알고 있는 디젤전기기관차의 전기식 구동 방식은 수동 변속기나 유성기어, 또는 CVT, DCT 등의 기계식 변속기 대신 발전기와 모터를 사용하여 바퀴를 굴리도록 하는 것이며, 동력의 원천은 디젤엔진 한 가지로 고정되어 있다. [2]

현대적인 하이브리드 자동차의 시초는 1997년에 출시된 토요타 프리우스이다. 프리우스가 등장했을때는 아직 배터리의 낮은 에너지 밀도가 해결되지 않았을 때였다. 충전 인프라 또한 부족했다. 석유파동 때문에 기존의 주유소를 이용할 수 있으면서도 높은 연비를 요구하며 친환경적인 차량을 요구하던 시장에 부합했던 것이다. 리튬 전지가 대중화된 지금도 배터리의 에너지 밀도 문제는 완전히 해결되지 않아 한동안은(사실상 현재 나무위키를 보는 사람이 살고 있는 동안은 계속) 하이브리드 차량을 만날 수 있을 것이다.

스포츠카 브랜드들도 혼다 NSX, BMW i8, 포르쉐 918 스파이더, 라페라리, 맥라렌 P1 등의 하이브리드 모델을 내놓고 있다. 또한 이러한 흐름은 모터스포츠또한 예외는 아니라 F1은 2009년부터 하이브리드를 선택가능 하게 했고 2014년부터는 하이브리드를 의무화 했다. 재밌는 점은 2014년 부터는 희생제동뿐만 아니라 배기가스도 배터리 충전에 사용하고 있다.[3]

국산차중에서는 2009년 아반떼와 포르테 하이브리드가 대중에 판매된 최초의 하이브리드 차량이다. 사실 그 이전에도 베르나, 클릭, 프라이드에 하이브리드 모델이 있었으나 대중에는 판매되지 않고 관공서, 학교 등에만 제한적으로 납품되었다. 현재 현대자동차그룹에서 생산하는 승용차 중 제네시스(G90 LWB 제외), K9, 모하비 등 후륜구동 기반 차량이나 K3를 제외하고는 대부분 하이브리드를 선택할 수 있도록 하고 있다. 초창기의 하이브리드 차량은 일반 내연기관차와 외관상 한눈에 구별할 수 있도록 YF~LF 쏘나타나 TF~JF K5, 8세대 캠리 등은 전면 디자인을 차별화하고 클리어 테일램프가 들어가는 등 일부 디테일을 다르게 선보였으나, 대다수의 하이브리드 자동차 구매자들은 이러한 디자인 차이를 선호하지 않는 것으로 드러났다. 이러한 여론에 따라 2010년대 중반경 부터는 HYBRID라는 레터링이 부착되는 외에는 일반 내연기관차와 거의 같은 디자인으로 출시되기 시작하였으며, 2019년 그랜저 IG 페이스리프트부터는 아예 레터링조차 없다. 따라서 하이브리드 전용휠[4]이 장착되는 정도를 제외하고는, 하이브리드 자동차는 외관상 일반 내연기관차와 거의 구별하기 어렵다.

2022년 대한민국 기준으로 내연기관 기반의 하이브리드 자동차의 점유율은 높아지고 있다. 2019년 6월 국산차 판매량 12만 2,187대 중 하이브리드 자동차는 6806대 판매되어 2019년 6월 판매 대수중 약 5.6% 정도 판매되었으나, 2022년 6월 기준으로는 11만 8,056대 중 하이브리드 차량은 1만 7,796대로서 15% 까지 점유율이 높아졌다. 

하이브리드 구성에는 다양한 방식이 존재하는데 크게 풀 하이브리드와 마일드 하이브리드로 구분할 수 있다. 마일드 하이브리드의 모터가 시동 모터 또는 알터네이터 역할을 겸하며 약간의 힘을 단순히 엔진에 보조하는 역할에 그친다. 풀 하이브리드의 모터는 엔진이 완전히 꺼진 상태에서 모터의 힘만으로 일정 속도까지 가속, 주행이 가능하다. 모터로만 주행하고 있을 땐 (전기차와 마찬가지로 엔진이 작동하지 않아) 엔진에 의한 진동과 소음이 없다는 장점도 있다.

기본적으로 풀 하이브리드는 가솔린 엔진과 조합되며 디젤과의 조합에선 효율이 좋지 않다. 디젤 엔진은 크기가 커서 좁은 엔진룸에 전기 모터 등을 모두 넣기가 어렵고 디젤 엔진과 모터가 저속 영역에서 최대 토크를 발휘하는 중복되는 특성,[5] 디젤의 힘이 떨어지는 고속 영역에서는 모터도 힘이 같이 떨어진다는 점 등 차량 효율을 높이기 위한 목적으로는 서로 맞지 않다.[6] 이런 이유로 가솔린 하이브리드는 가솔린 엔진과 모터가 보호보완적인 조합으로 여겨진다. 일부는 LPG 엔진과도 조합되기도 한다.

풀 하이브리드 시스템은 모터의 배치, 구동 방식, 설계에 따라 직렬과 병렬, 그리고 직병렬 하이브리드로 나뉜다. 3가지 방식은 구현 방법에서 상당한 차이를 보이며 기술적으로 서로 전혀 다른 장점과 단점을 갖는다.

기술계통에 대한 개략적인 설명은 링크를 참조하기 바란다.
 하이브리드 자동차 원리 및 종류 

엔진과 인버터, 모터가 직렬로 이뤄진 시스템으로 엔진은 발전기 역할만 하며 디젤전기기관차처럼 모터의 힘으로만 달리는 방식이다. 전기자동차에 발전용 엔진을 넣었다고 생각하면 쉽다.[7] 그래서 전기차의 장점을 두루 가지고 있는데 배터리 충전량이 충분하다면 엔진이 돌지 않아 소음이 적고 처음부터 최대토크를 낼 수 있는 모터의 특성상 차급에 비해 가속 성능이 대단히 좋다. 충전과 모터 구동이 동시에 가능하며 엔진과 바퀴가 직접 연결될 필요가 없어 변속기가 없거나 2단 정도로만 체결 하는 등 다른 하이브리드 방식에 비해서 설계가 자유로운 편이다. 엔진은 발전기 역할만 하므로 사람이 어떻게 운전을 하든 항상 엔진의 RPM이 최고 효율 구간으로 유지된다. 급가속, 급정지, 신호대기 등 주행 상황과 상관없이 엔진은 항상 연비 주행 상태이므로 엔진 효율 자체는 우월하다.

하지만 내연기관 자동차와는 구조가 다르므로 기존에 개발한 자동차 구조를 활용 할 수 없다. 같은 차대에 엔진만 바꿔 얹을 수 없다는 의미. 엔진의 힘을 그대로 이용하지 않고 전기로 변환하는 과정을 거치므로 에너지 효율이 떨어질 수 있다. 배터리 가격이 지속적으로 하락 중임을 감안하면 직렬 하이브리드를 개발하며 얻은 파워트레인 기술을 바탕으로 아예 전기차로 바로 넘어가는 것이 낫다고 할 수 있는 상황.

주로 이 경우는 대형 시내버스/전차(탱크)/디젤 기관차및 디젤동차 등 철도차량같이 크고 무거운 중장비에 채택되는 경우가 많다.[8] 그 이유는 디젤-전기식 변속기는 기계식 변속기보다 내구성이 좋아 고출력 파워트레인에 적합하기 때문이다. 배터리까지 붙인 하이브리드 방식의 철도차량은 일본의 키하 E991계, 상업운전용 차량으로서는 키하 E200계가 첫 양산 사례가 된다.

처음에는 연비 문제가 컸었지만 점차 개선되는 중이다. 낮은 연비는 주로 배터리가 작아서 엔진이 효율 구간에서만 작동되지 않는 이유 때문이다. 최근에는 배터리 성능이 개선됨에 따라, 상대적으로 큰 용량의 배터리를 넣어서 연비를 개선한다. 사실 어떤 형태의 하이브리드 자동차라도 큰 배터리를 넣으면 연비가 개선되는 효과가 있다. 배터리에 여유가 있으면 엔진을 가능한 효율 구간에 작동하도록 조정할 수 있다.

병렬 하이브리드는 엔진주행과 모터주행을 동시에 실시할 수 있다. 클러치의 위치에 따라 FMED와 TMED로 나눠진다. FMED는 클러치가 모터와 변속기사이에 있고, TMED는 클러치가 엔진과 모터사이에 있다. TMED는 현대자동차가 쓰는 방식이고, FMED는 혼다에서 주로 쓰는 방식이다.

이하는 현대자동차에서 주로 사용하는 TMED 설명이 주다. FMED 설명은 없으니 참고 바란다.

현대자동차그룹의 주력 하이브리드 형태다. 일반적으로 엔진과 변속기 사이에 모터를 넣는 구조다. 제어장치는 주행상태나 배터리 컨티션에 따라서 클러치를 붙였다 떼고, 모터를 개입시키던가 축전기 모드로 바꾸던가, 혹은 모터는 유휴시키고 엔진만 움직이던가 한다.

짐작할 수 있듯이 각 기구들이 유기적으로 동작되어야하므로 제어장치의 역할이 매우 중요하다.

구조를 간략하게 설명하면 이렇다. 맷돌을 돌리는 사람이 있다고 치자. 작은 요정이 그에게 와서 맷돌 손잡이에 손을 얹고는, 맷돌 돌리는 사람의 힘이 넘칠 때는 손만 올리고 자신의 체력을 좀 비축하겠다고 한다. 대신 맷돌이 뻑뻑할 땐 비축된 힘으로 도와주겠다고 한다. 요정이 눈치껏 손잡이에 손을 댓다 뗏다 개입하고 어떤 때는 사람이 손을 떼고 요정이 혼자 돌리기도 한다. 이렇게 일정한 힘으로 효율적인 맷돌질이 가능하다.

여기서 맷돌 돌리는 사람은 엔진, 요정은 모터, 손잡이는 클러치다.

장점은 기존 자동차와 파워트레인 레이아웃이 흡사하여 개발비를 아낄 수 있다는 점이다. 모터도 한 개만 들어가 비용면에서 유리하다. 그와 동시에 모터나 엔진 단독으로만 움직일 수 있는 등의 풀 하이브리드 자동차의 특성을 모두 누릴 수 있다.

단점도 있다. 엔진과 변속기 사이에 모터를 위치시키는 설계로 인해 모터의 크기를 일정 수준 이상 키울 수 없는 구조적 문제가 있다. 직병렬 하이브리드에 비해 모터 출력이 낮아 모터만으로 가속 가능한 속도가 낮고 모터만으로 주행 가능한 거리도 짧다. 이 때문에 중저속 주행이 많은 시내 주행 효율을 일정 수준 이상 높이기가 어렵다. 그래서 하이브리드임에도 순수 내연기관 자동차와 마찬가지로 정속 주행으로 엔진 효율을 높일 수 있는 고속 주행 연비가 시내 주행 연비보다 더 좋은 의외의 상황이 발생한다.

고속연비가 시내연비보다 절대적 수치는 앞선다 할지라도 상대적 연비절감효과는 시내주행에서 더 크게 나타난다. 예를 들어 가솔린 2.0엔진의 중형세단의 연비는 보통 시내주행 10km/l 이하, 고속주행 10km/l대 중후반인 반면 동급 하이브리드 중형세단은 구형모델도 시내는 10km/l대 중반, 고속은 20km/l 초중반대로 나타난다. 절감률을 따지면 시내주행은 50% 이상, 고속주행은 30% 이하로 장거리 고속주행 운전자보다는 단거리 시내주행이 많은 운전자에게 더 경제성이 있음을 알 수 있다.

다만 작은 모터나 배터리, 저속모드 연비 등의 단점은 크지 않은 편이다. 승용차 수준에서 고효율을 꾀하려면 작은 모터와 적당한 용량의 배터리로도 충분하다 볼 수도 있다. 하이브리드 시스템은 내연기관의 효율이 낮은 구간을 보조하는 식으로 이루어진다. 이때 내연기관 효율이 낮은 구간은 저속 구간이며, 저속 구간은 작은 전기 모터 정도로 충분한 동력을 낼 수 있다.

이 단점이 두드러지는 분야는 중량이 큰 상용차 분야다. 구현에 문제가 많아서 CNG 버스 소수 기종 외에는 상용화된 사례가 적다. 이는 하이브리드 상용차들이 공통적으로 가지는 문제이긴 하다. 때문에 상용차는 수소자동차, 전기자동차로 바로 이동하는 경향이 보인다.

사용되는 배터리가 제한적이다. 기관에서 발생하는 전기량이 들쭉날쭉하다. 이때는 니켈 계열 배터리는 잦은 충방전이 이루어지면 성능이 급격하게 나빠진다. 잦은 충방전에도 상능이 잘 유지되는 리튬 계열 배터리 채용이 거의 필수적이며 이는 가격 상승에 이어진다.

직병렬 시스템과 비교하면 하나의 모터만 탑재되고 이것이 발전기 역할도 겸한다. 때문에 모터의 힘으로 주행할 땐 엔진이 돌더라도 충전을 못 한다는 지적이 있다.

이것은 단점이라 보기 어렵다. 하이브리드 자동차는 내부적으로 여러 모드로 운행된다. 이 중에서 모터 운행 중 동시 충전은 여러 모드 중 하나일 뿐이다. 복잡함을 감수하고 모터 주행 중 충전 모드 하나를 넣을 이유가 있을까. 필요한 비용, 중량 증가를 감안하면 단점도 장점도 아니게 된다.

덧붙이자면 TMED의 경우 엔진 주행 중 충전은 가능하다. 클러치가 엔진과 모터사이에 있어 모터를 발전기 모드로 바꾸고 클러치를 연결하면 가능한 동작이기 때문이다. FMED의 경우 클러치가 모터와 변속기 사이에 있어서 주행 중 충전이 불가능하다.


현대자동차의 하이브리드 시스템 역시 모터로 주행하는 동안 엔진을 통한 충전도 가능하게 묘사된다. 이것이 가능하다면, HSG(Hybrid Starter Generator) 동작일 수 있다. 스타터 모터, 발전기의 일종으로 마일드 하이브리드에 들어가는 부품을 여기에서도 채용한 것이다. 내연기관에서도 기본적으로 들어가는 부품을 살짝 변형한 형태로, HSG의 존재를 고려하면 두 개 모터가 들어갔다고 볼 수도 있다.

2015년 전후로 기술이 완숙되어 연비, 주행능력 양쪽에서 실용적인 문제는 거의 없다고 여겨진다. 동체급의 직병렬 하이브리드 차량과 비교해서 연비는 유사하거나 일부 차량은 능가하는 모습도 보인다. 한때 현대 아이오닉 하이브리드가 토요타 프리우스를 연비에서 능가했다고 홍보했던 적이 있다. 소비자 입장에서는 주행에 이상 없고, 최종연비만 줄어들면 기술적인 문제는 어떻든 만족할 것이다.

두 가지 방식의 혼용이다. 토요타 프리우스에 채용되어 특히 유명해진 시스템이다. 병렬 하이브리드처럼 엔진이 직접 자동차의 구동에 관여할 수 있고, 직렬 하이브리드처럼 모터의 힘만으로도 움직일 수 있다. 병렬 하이브리드와 달리 2개의 모터가 들어가며 시스템에 따라 구동용, 발전용 모터가 각각 들어가거나 구동과 발전을 모두 할 수 있도록 만들어지기도 한다. 덕분에 모터로 주행 중에도 발전기를 돌려 배터리를 충전 할 수 있다. 내연기관만 사용했을 때보다 최대 100%가량 높은 연비를 보인다고 한다.

별도의 변속기는 탑재되지 않는다. 2개의 모터가 변속기를 대신해 엔진속도를 조절하는 방식으로(기어비는 고정) 이것을 토요타에서는 e-CVT라 부른다. 명칭 때문에 기자들이나 자동차 커뮤니티에서 조차 벨트 또는 체인으로 구동되는 CVT가 들어간다고 혼동하는 경우가 많으며 실제로 나무위키에도 잘못 서술된 문서가 많다.

구동 방식을 간략히 설명하면 이렇다. 맷돌을 돌리는 사람이 하나 있고, 큰 요정 하나와 작은 요정이 하나 있다. 사람은 움직임이 아주 특이한데, 아예 움직이지 않거나 최적 효율로만 움직인다. 물론 조금 힘을 더 내거나 줄이거나는 하지만, 최적 효율에서 크게 벗어날 정도는 아니다.

대신 요정 둘이 힘을 조절하고, 어떤 때는 비축하면서, 맷돌이 어떤 속력이나 힘으로 움직이든 최적 효율이 되도록 조절한다. 사람 하나와 요정 둘이 맷돌 손잡이를 붙잡아야 하므로 특수한 형태의 손잡이를 사용한다.

여기서 사람은 엔진, 요정 둘은 큰 모터와 작은 모터, 손잡이는 유성기어와 동력 배분 기기에 해당한다.

장점은 이렇다. 변속기가 없고 기계적인 구조는 기존 내연기관보다 단순한 편이다. 이런 특성 덕에 기본 구동 효율이 우수하다. 기계적 구조가 아주 단순하다고 보기는 어렵지만, 그럼에도 기존 내연기관보다는 간략하다.

변속기가 없어서 변속 충격 등이 매우 적으며 승차감이 우수하다. 엔진이 거의 일정하게 작동하므로 소음 차단도 상대적으로 쉽다.

다양한 배터리를 사용할 수 있다. 특히 니켈 계열 배터리는 충전밀도 대비 가격이 저렴하지만 잦은 충방전이 이루어지면 성능이 급격히 나빠진다. 직병렬 하이브리드에서는 비교적 일정한 발전이 이루어지며, 니켈 계열 배터리라도 좋은 컨디션을 오래 유지할 수 있다. 니켈 배터리는 화학적으로 안정적인 장점도 있다. 프리우스 계열은 아직도 니켈-수소 배터리를 채용한다.

단점도 있다. 모터가 2개 들어가고 구조적으로 기존 내연기관과 호환되는 부분이 적다. 병렬하이브리드는 기성 파워트레인에 적용하기 쉬운 편이다. 반면에 직병렬하이브리드는 별도의 파워트레인설계가 필요하므로 다양한 모델을 선보이기 어렵다.

직병렬 하이브리드의 장점은 매우 크지만 토요타 외 차량에는 오랜기간 채용되지 못했다. 토요타가 자사의 시스템을 베끼지 못하도록 우회 특허들도 대거 보유하여 다른 회사들이 개발에 어려움을 겪었기 때문이다. 이로 인해 2019년에 토요타가 자사 일부 특허를 공개하기 전까지 직병렬 하이브리드를 채용한 회사는 이 토요타의 기술 특허를 우회한 혼다의 i-MMD가 유일한 경우이다.

이후 혼다는 10세대 어코드에 이르러선 토요타 캠리 하이브리드를 뛰어넘는 연비를 달성하기도 했다.

2019년 토요타는 2만3740건의 특허를 30년대 말까지 무상 공개하기로 했다. 이는 하이브리드 시장을 넓히는 동시에, 자사의 기술을 타사에 침투시키려는 행보라는 평이 있다. 다만 타사의 하이브리도 기술도 발전했고, 마일드 하이브리드나 전기차가 등장하는 시점에 큰 의미가 없다는 의견도 있다.