하이브리드 차량 구동 원리(직렬, 병렬, 직병렬, 플러그 인)

하이브리드 차량

에너지 절약과 환경 보호에 대한 우려가 널리 퍼지고 있으며, 이러한 문제에 대한 해결책 중 하나는 차량 전기화 기술을 구현하는 것이다.

전기차는 배터리 전기 자동차(BEV), 하이브리드 전기 자동차(HEV), 연료전지 전기 자동차(FCEV)의 세 가지 유형으로 분류할 수 있다.

간단하게 현재 기술 단계를 설명하자면(2023년 논문 기반) 전기차는 배기가스 배출이 전혀 없음에도 불구하고 높은 배터리 비용, 화석 연료에 비해 낮은 에너지 밀도, 1회 충전당 짧은 주행거리, 충전 시간 증가, 차량 공간 감소 등의 기술적 한계에 직면한 상태이다. 반면 수소전기차는 미래 자동차 개발에서 그 중요성이 더욱 커지고 있음에도 수소 시스템의 기술 및 충전은 개발 초기 단계에 머물러 있다고 한다.

 

하이브리드 차량 구동 원리

HEV의 정의는 두 개의 동력원으로 구성된 차량으로, 한 동력원이 차량 추진을 위해 전력을 공급할 수 있는 차량이다. 현재 HEV는 여러 개의 동력원을 효과적으로 활용하여 차량을 추진하는데, 주 동력원으로 ICE(내연기관) 또는 연료 전지와 함께 하나 이상의 모터가 필요하다. 양방향 에너지 저장 시스템인 배터리 또는 슈퍼커패시터는 드라이브 트레인에 전력을 공급하고 기존 ICE 차량에서 다른 방식으로 소실되는 제동 에너지의 일부를 회수하기도 한다.

HEV는 다음 네 가지 유형으로 분류된다.

1. Series HEV
2. Parallel HEV
3. Series-parallel HEV
4. Plug-in complex HEV

 

직렬형 하이브리드 시스템(Series Hybrid System)

직렬형 하이브리드 시스템은 HEV 중 가장 단순한 종류의 HEV이다. 직렬형 HEV 시스템 아키텍처에는 전기 모터(electrical motor), 변속기(transmission), 내연기관(ICE), 배터리 팩, 제어 장치(control unit), 전력 전자 컨버터(power electronic(PE) converter), 연료 저장소(fuel storage), 발전기(generator)가 포함된다.

여기서 ICE 발전기는 배터리를 재충전하거나 PE 컨버터를 통해 모터에 전기 전력을 공급하는 데 사용되지만, 차량을 직접 구동하지는 않는다. 단지 변속기를 증폭하여 전기 모터를 통해 차량의 바퀴를 구동한다.

쉽게 말해서 모터가 차량 구동을 담당하고, 엔진은 배터리를 충전하는 발전기 역할만 맡는다.

전기 모터가 바퀴를 구동하기 때문에 회생 제동 시스템을 통해 에너지를 얻을 수도 있다. 병렬 하이브리드 시스템에 비해 제어가 간단하지만, 직렬 구성에는 대형 storage battery pack이 필요하므로, 차량의 무게가 증가한다. 또한, mechanical—electrical—mechanical과 같은 에너지 변환으로 인해 효율 손실이 발생한다.

(따라서, 최근에는 찾아보기 어렵다고 하는데 최근에 출시된 현대차의 erev가 직렬형인 듯 싶다..?)

• RESS: Rechargeable Energy Storage System
• EM: Electric Motor
• EG: Electric Generator
• ICE: Internal Combustion Engine
• PC: Power Converter

 

장점

1. ICE와 차량 구동 트레인이 분리되어 있고 차량의 속도/가속이 저장된 전력에만 의존하기 때문에 ICE는 최적의 속도로 작동할 수 있어 효율성이 향상된다. 이로 인해 엔진을 차량 설계에 더 유연하게 배치할 수 있고 내연기관은 차량 속도에 관계없이 항상 매우 좁은 최대 효율 영역에서 작동하며, 이를 통해 유해 가스 배출을 최소화하기 위해 ICE를 줄이고 안정된 상태로 작동할 수 있다.
   1. 차량 속도를 조절하는 것은 전기 모터이며, 전기 모터가 엔진에서 생성된 전기를 사용하여 차량을 구동하고, 필요에 따라 전기 모터의 출력만 조절하면 되므로, 엔진의 회전 속도는 바뀌지 않는다.
   2. 엔진은 배터리와도 연결되어 있기 때문에, 차량이 필요로 하는 전기 양보다 많이 생산된 전력은 배터리에 저장된다. 반대로, 배터리에서 추가로 전력을 끌어와 전기 모터에 공급할 수도 있다. 이로 인해 엔진의 출력 변동을 만들 필요 없이 항상 같은 속도에서 일정한 출력을 내면 된다.
2. 복잡한 멀티 기어 변속기가 필요하지 않으므로 클러치도 필요하지 않다. 결과적으로 드라이브 트레인 시스템의 아키텍처가 단순화되어 비용 절감으로 이어질 수 있다. 또한 이 단순화된 설계 덕분에 각 바퀴에 독립된 모터를 통합할 수 있고, 각 바퀴의 속도와 토크를 독립적으로 제어할 수 있어 차량 동역학 특성의 전반적인 성능을 향상할 수 있다.

도전 과제

1. 이 아키텍처에 기반한 차량의 추진은 주로 단일 전기 모터에 의존하므로 최적의 차량 성능을 위해 충분한 전력을 생성하려면 더 크고 복잡한 배터리 팩과 전기 모터가 필요하다. 추가 발전기와 같은 부품과 크기가 증가하기 때문에 직렬 HEV는 병렬 HEV에 비해 비용이 더 많이 드는 경우가 많다.
2. 드라이브 트레인의 단순성으로 인해 에너지 변환 절차를 두 번 수행해야 하므로 효율이 낮다.

 

병렬형 하이브리드 시스템(Parallel Hybrid System)

병렬 하이브리드 시스템에서 차량의 추진력은 전기 모터와 ICE 모두를 기반으로 한다.

전기 모터와 ICE는 일반적으로 두 개의 클러치를 통해 결합되어 바퀴 구동축으로 전달된다. 이 아키텍처를 사용하면 ICE만 또는 전기 모터만 또는 두 동력원을 함께 사용하여 차량을 구동할 수 있다.

따라서, 가속 시 필요한 동력을 두 동력원에서 공유할 수 있으므로 직렬 HEV에 비해 ICE와 모터를 소형화할 수 있다. (기사에 따르면 전기 모터가 변속기와 맞물리는 구조로 되어 있어 모터 크기를 키우는 데 한계가 있다고 한다.)

ICE 출력이 차량의 전력 수요를 초과하면 전기 모터가 제동 및 감속 시 배터리를 충전하는 발전기 역할을 하여 배기가스 배출과 연료 소비를 줄일 수 있으며, 회생 제동도 가능하다.

쉽게 말해, 엔진이 기본적인 운행을 담당하며, 부하가 적은 상황에 전기모터가 개입해 차량을 구동하는 방식이다. 대다수의 브랜드가 병렬형을 적극 활용하고 있다고 한다.

병렬 HEV는 제어 전략의 요구 사항에 따라 ICE 작동을 자주 켜고 끌 수 있는 유연성이 있다. 전반적인 파워트레인 효율도 대부분의 작동 조건에서 직렬 HEV보다 높다.

하지만, 직렬 HEV와 달리 병렬 HEV의 ICE는 특정 조건에서만 최적 지점에 가깝게 작동할 수 있다. 이에 따라 병렬 HEV의 전기 기계 시스템은 직렬 HEV에 비해 더 복잡한 경향이 있다.

 

• RESS: Rechargeable Energy Storage System
• EM: Electric Motor
• EG: Electric Generator
• ICE: Internal Combustion Engine
• PC: Power Converter

장점

1. 기계 동력을 전기 동력으로 변환하는 과정에서 에너지 손실이 일반 HEV에 비해 적고, 그 반대의 경우도 마찬가지이다. 이 프로세스는 특히 차량 정속 주행 및 고속도로 장거리 주행 시 전반적인 시스템 효율이 높다.
2. ICE와 전기 모터를 제어하여 차량을 추진하므로 동력원에 대한 스트레스를 줄이고 효율성을 향상시킬 수 있는 유연성을 보여줍니다. 추진 동력 전환 기능은 차량의 주행 능력 특성, 즉 가속도를 향상할 수 있습니다.
3. 전기 모터와 배터리 팩 크기를 최적화할 수 있어 전원과 부하 간에 필요한 전력의 균형을 맞출 수 있습니다. 또한 병렬 HEV는 하나의 전기 모터/발전기만 필요하므로 파워트레인 시스템 비용을 최소화할 수 있습니다.

도전 과제

1. 아키텍처가 다소 복잡하기 때문에 직렬 HEV에 비해 제어 전략과 에너지 관리가 복잡해집니다.
2. 이 아키텍처에서는 드라이브 트레인 시스템을 통해 ICE와 바퀴 사이의 기계적 결합으로 인해 ICE가 좁은 또는 일정한 속도 범위 내에서 작동하지 않는다. 이로 인해 특히 낮은 회전 속도에서 엔진의 효율을 조절하는 데 어려움이 있습니다. 또한 차량이 정지 상태일 때는 ICE와 전기 모터 사이의 기계적 결합으로 인해 배터리 팩을 충전할 수 없다.

 

직병렬형 하이브리드 시스템(Parallel Hybrid System)

power-split HEV라고도 하는 이러한 종류의 HEV 구성은 HEV 직렬과 병렬 HEV의 특성을 결합한 것이다. 병렬 HEV와 관련하여 직렬 HEV에 발전기와 기계적 연결이 추가된다.

ICE는 두 개의 전기 모터에 직접 기계적으로 연결된다. ICE 동력은 두 경로로 나뉘는데

1. 하나는 배터리와 전기 구동계가 모두 연결된 발전기로 연결되어 바퀴를 구동하고(직렬 경로)
2. 다른 하나는 기존의 기계식 구동계를 통해 바퀴로 구동된다(병렬 경로).

직렬 경로에서는 발전기 이후 전력이 재충전을 위해 배터리로 부분적으로 흐르거나 전기 구동계를 통해 전적으로 바퀴로 전달될 수 있다. 병렬 경로에서는 ICE의 기계적 동력이 구동 휠에 부분적으로 또는 전체적으로 전달된다.

따라서, ICE에서 생산된 동력 중 남는 부분을 전기로 변환하여 배터리에 저장할 수도 있고, 급가속이나 고속 주행 시 추가동력이 필요할 때 배터리와 ICE를 함께 사용하여 배터리가 ICE 용량을 초과하여 추가 전력을 공급할 수 있다(토크 어시스트 작동 모드).

SP-HEV의 에너지 관리 시스템을 통해 전기 구동계는 최적의 연비를 달성하기 위해 ICE 부하를 조정할 수 있다. 실제로 SP-HEV의 성능은 직렬 및 병렬 경로를 통한 전력 흐름의 비율에 따라 달라진다.

SP-HEV 구성은 직렬 HEV에 비해 축전지 및 전기 모터의 용량을 줄이는 데 도움이 될 수 있으며, 병렬 HEV에 비해 ICE의 크기를 줄일 수 있다. 일반적으로 직렬 구성은 낮은 차량 속도(시내 주행에 적합)에서 더 효율적인 반면 병렬 구성은 높은 속도(고속도로 주행에 적합)에서 더 효율적이기 때문에 SP-HEV는 속도 이점을 가질 수 있다.

그러나 SP-HEV의 파워트레인 구조는 유성 기어(Planetary Gear) 세트에 연결된 두 개의 모터/발전기가 연속 가변 변속기 역할을 하는 복잡한 구조이다. 유성 기어 세트는 두 경로를 통해 사전 설정된 동력 흐름에 기여할 수 있지만, 최상의 연비를 달성하기 위해서는 동력 흐름 제어를 위한 정교한 제어 시스템이 반드시 필요하다. 따라서 직렬-병렬 구성을 위한 제어 시스템 설계는 직렬 또는 병렬 구성에 비해 여전히 주요 과제로 남아 있다.

 

• RESS: Rechargeable Energy Storage System
• EM: Electric Motor
• EG: Electric Generator
• ICE: Internal Combustion Engine
• PC: Power Converter

그림 5.3을 보면서 설명하면,

1. 왼쪽 모터
   • 주요 역할
     • 발전기로 작동하여 ICE의 동력을 전기로 변환, 배터리 충전
     • 모터로 작동하여 ICE 시동 보조
     • ICE와 함께 차량 구동에 보조 동력 제공
2. 오른쪽 모터
   • 주요 역할
     • 주 구동 모터로 작동하여 차량 추진
     • 회생 제동 시 발전기로 작동하여 운동 에너지를 전기로 변환, 배터리 충전

장점

1. 직렬 HEV 및 병렬 HEV 아키텍처와 동일한 이점을 공유한다. 가장 유연하며 병렬 HEV 아키텍처에 비해 작동 조건을 더 자유롭게 제어할 수 있다.
2. 두 가지 에너지 변환 프로세스를 포함하는 직렬 HEV에서 에너지 흐름의 비율을 최소화하는 효율적인 접근 방식을 제시한다. 이 전략은 시스템과 관련된 전체 에너지 손실을 효과적으로 줄인다. 동력 분할 배열에서 ICE 속도와 토크는 출력 샤프트에서 분리되어 ICE가 최적의 작동 영역에서 작동할 수 있도록 하여 브레이크 특정 연료 소비량(BSFC)을 최적화힌다.
3. 전기 모터가 추진 모터 또는 발전기 역할을 하기 때문에 시스템의 유연성과 성능을 향상할 수 있다.

도전 과제

1. 직렬 HEV, 병렬 HEV에 비해 복잡하고 비용이 많이 든다.
2. 시스템의 에너지 효율을 향상하기 위해 더 진보된 에너지 관리 전략이 필요하다.

 

플러그인 하이브리드 시스템(Plug-in Hybrid System)

플러그인 복합 HEV는 일반 하이브리드와 유사하지만, 외부 전원에 연결하여 배터리를 재충전할 수 있는 HEV이다. 따라서, PHEV의 배터리는 외부 전력 공급원, 회생 제동 및 ICE를 통해 충전할 수 있다. 이 유형의 HEV는 이름에서 알 수 있듯이 위의 세 가지 그룹으로 직접 분류할 수 없는 복잡한 아키텍처를 포함한다.

주로 전기 추진 모드로 주행하기 위해 PHEV는 표준 HEV에 비해 더 큰 배터리 팩을 사용하고, 도시 내 단거리 주행에 적합하다. 장거리 주행의 경우 PHEV는 다른 HEV와 마찬가지로 ICE 추진 모드를 사용하여 원하는 주행 거리를 제공한다. PHEV는 일반적으로 기존 가솔린 차량과 비슷한 주행 거리를 가진 장거리 HEV로 불린다. 주행 주기에 따라 온보드 컴퓨터가 가장 효율적인 운전을 위해 추진 옵션(기계식, 전기식 또는 복합식)을 선택한다. 순수 전기 주행 범위 내에서 시내에서만 주행하는 사람은 연료를 전혀 사용하지 않을 수도 있다.

일반적으로 HEV는 충전 유지 제어 전략을 적용하는 반면, PHEV의 SoC는 상대적으로 더 넓은 범위의 주행 가능성이 있고, PHEV의 중요한 점은 차량 추진에 필요한 전기가 기존 에너지원과 재생 에너지원을 포함한 다양한 에너지원에서 생성될 수 있다는 점이다. 전체 연료 주기를 고려할 때 PHEV는 기존 차량 및 HEV에 비해 온실가스를 더 적게 배출하는 것으로 알려져 있다.

직병렬 하이브리드와의 가장 큰 차이점은 전기 흐름이다. 복합 하이브리드와 직병렬 하이브리드의 근본적인 차이점은 직병렬 하이브리드는 발전기에서 단방향으로 전력이 흐르는 반면, 복합 하이브리드는 전기 모터에서 양방향으로 전력이 흐른다는 점이다.

장점

1. 양방향 및 단방향 전력 흐름으로 인해 현재 대부분의 차량이 이 아키텍처를 채택하고 있다.

도전 과제

1. 파워트레인 시스템 아키텍처의 복잡성이 높다.

 

아래 표는 현재 제공되는 일부 기존 HEV를 나타낸다.

 

Reference

1. https://www.motorgraph.com/news/articleView.html?idxno=28636

2. https://www.researchgate.net/profile/Nirendra-Mustafi/publication/357029659_An_Overview_of_Hybrid_Electric_Vehicle_Technology/links/61cfe7c8b8305f7c4b153836/An-Overview-of-Hybrid-Electric-Vehicle-Technology.pdf

3. https://onlinelibrary.wiley.com/doi/epdf/10.1002/est2.573