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[오토저널] 하이브리드 전기자동차용 변속기

페이지 정보

글 : 오토저널(ksae@ksae.org)
승인 2015-10-21 11:07:33

본문

최근 자동차 산업은 석유자원 고갈 및 환경문제에 직면해 있다. 전기자동차(EV : Electric Vehicle)는 원자력, 수력, 풍력 등의 석유를 대체하는 에너지를 사용할 수 있으며, 주행 중 배기가스를 배출하지 않지 않는다. 때문에, 현재 자동차 산업은 <그림 1>과 같이 내연기관자동차에서 전기자동차로 그 패러다임이 변화하고 있다. 즉, 전기자동차는 친환경 자동차 개발의 최종 목적이라 볼 수 있다. 하지만 전기자동차의 높은 배터리 가격과 짧은 일충전 주행거리 등의 단점 등은, 전기자동차의
보급 확산을 더디게 만들었다. 때문에 내연기관자동차와 전기자동차의 중간 성격인 하이브리드 전기자동차(HEV : Hybrid Electric Vehicle)의 개발이 진행되었다. 하이브리드 전기자동차는 전기모터와 엔진의 조합 구조에 따라 <그림 2>와 같이 그 종류를 구분할 수 있다.

 

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병렬(Parallel) 하이브리드
내연기관자동차에 전기모터를 추가한 비교적 간단한 구조이다. 엔진과 전기모터가 차량 구동축에 함께 연결되어 동시에 차량을 구동할 수 있기 때문에 병렬 구조라고 부른다. 엔진 구동을 위하여 전통적인 변속기(transmission)가 사용되며, 엔진과 전기모터를 동시에 적절히 구동하기 위한 다소 복잡한 제어 전략이 요구된다. 국내에서 개발한 <그림 3>의 소나타 하이브리드와 K5 하이브리드가 이 구조를 사용한다.

 

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직렬(Series) 하이브리드
전기모터(Motor-Generator2 : MG2)에 엔진과 또 다른 전기모터(MG1)를 추가한 구조이다. 엔진과 전기모터들이 구동 축은 기계적으로 연결되어 있지 않으며 엔진의 동력이 일렬로 전달되기 때문에 직렬 구조라고 부른다. 기계-전기-기계 순으로 3번의 에너지 변환이 발생하여 효율이 낮다. 때문에 이 구조로 출시된 하이브리드 전기자동차는 제한적이며, 최근 <그림 4>의 독일 BMW에서 개발한 전기차 i3가 옵션 방식으로(Range extender 옵션) 이 구조를 사용한다.

 

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동력분기형(Power-split) 하이브리드
직렬 하이브리드 구조(엔진 1개, 전기모터 2개)를 기반으로, 1개 이상의 유성기어를 조합하여 동력분기가 발생하도록하여 병렬형 하이브리드의 특징이 발생할 수 있도록 조합한 구조이다. 때문에 동력분기형 하이브리드 구조는 병렬 및 직렬 하이브리드 구조의 특징이 모두 발생한다. 이 동력분기형 하이브리드 구조는 세 종류의 구조로 구분할 수 있다

 

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● 복합분기
2개 이상의 유성기어를 조합하여 2번의 동력분기가 발생하며, 병렬 하이브리드에 가까운 구조이다. 제어가 복잡한 반면에 동력전달 효율이 상대적으로 우수하다. 이 구조는 유성기어의 조합에 따라 다양한 구조 설계가 가능하다. <그림 5>의 미국 GM에서 개발한 하이브리드 전기자동차 ‘Tahoe 2-mode Hybrid’가 이 구조를 사용한다.

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● 출력분기
1개의 유성기어가 구동축에 연결되기 때문에, 구동축에서 동력분기가 발생한다. <그림 2>에서 보는 바와 같이 MG2가 엔진과 직접 연결되어 있기 때문에 엔진을 통한 발전제어에 유리한 구조이다. 이러한 특성 때문에, <그림 6>의 미국 GM에서 개발한 플러그인 하이브리드 전기자동차인 ‘Volt Plugin Hybrid’가 이 구조를 사용한다.

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● 입력분기
1개의 유성기어가 엔진축에 연결되기 때문에, 엔진축에서 동력분기가 발생한다. <그림 2>에서 보는 바와 같이 MG1이 구동축과 직접 연결되어 있기 때문에, 엔진을 정지한 상태에서 전기모터만으로 차량을 구동하는 ‘전기차 모드’ 제어에 유리한 구조이다. 이러한 특성 때문에 <그림 7>의 일본 도요타에서 개발한 하이브리드 전기자동차인 ‘Prius’가 이 구조를 사용한다.

 

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<그림 8>은 위에서 설명한 하이브리드 전기자동차의 구조들을 엔진 동력이 구동축에 직접 전달되는 비율에 따라 나열한 것이다. 엔진의 동력이 구동축에 직접 전달되는 비율이 높을수록 내연기관자동차에 가깝게 배치하였다. 병렬 하이브리드 구조가 내연기관에 가장 가까우며, 직렬 하이브리드 구조가 전기자동차에 가장 가깝다.
서두에서 언급하였지만 친환경 자동차의 이상적 모델은 전기자동차이다. 때문에 최근에는 하이브리드 전기자동차에 전기자동차의 개념을 강화한 ‘플러그인 하이브리드 전기자동차(Plug-in Hybrid Electric Vehicle : PHEV)’가 개발되고 있다. 플러그인 하이브리드 전기자동차는 하이브리드 전기 자동차의 배터리 용량을 증가시켜 전기에너지만으로 주행하는 무배기(Zero Emission) 전기차 모드 주행 거리를 증가시킨 자동차이다. 용량이 증가된 배터리는 외부 전원으로 충전되며, 이 기능을 추가하여 하이브리드 전기자동차의 1km 정도 순수 전기구동 주행거리(AER : All Electric Range)를 수십 km 정도까지 향상시킬 수 있다. 이를 통하여 배기가스 배출 저감, 연료소비량의 저감 등의 효과를 얻을 수 있다.


<그림 9>는 전기에너지 만으로 주행하는 비율을 바탕으로 하이브리드 전기자동차와 플러그인 하이브리드 전기자동차를 나열한 것이다. 이와 같은 관점에서 플러그인 하이브리드 전기자동차는 하이브리드 전기자동차보다 전기자동차에 근접한 특성을 가진다고 할 수 있다.

 

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<그림 10>은 하이브리드 전기자동차의 변속기 종류별 개발 현황을 정리한 것이다. 일본 도요타에서 ‘입력분기 하이브리드’ 구조를 이용하여 1997년 세계 최초 양산 하이브리드전기자동차를 개발한 뒤, 미국 및 한국에서 ‘복합분기 하이브리드’와 ‘병렬 하이브리드’ 구조를 이용하여 독자적인 하이브리드 전기자동차를 개발하였다. 2010년에 미국 GM에서는 ‘출력분기 하이브리드’ 구조를 이용하여 세계최초 양산 ‘플러그인 하이브리드 전기자동차’를 개발하였고, 그 뒤 일본 도요타는 자사의 ‘입력분기 하이브리드’ 구조를 활용하여 플러그인 하이브리드 전기자동차를 개발하였다. 2010년 이후부터는 하이브리드 전기자동차의 개발 방향이 친환경 자동차의 이상적 모델인 전기자동차에 좀 더 근접해 가는 것을 볼 수 있다.

 

글 / 김정민 (안동대학교)
출처 / 오토저널 15년 5월호 (
http://www.ksae.org)

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