하이브리드 자동차

 


1. 개요
2. 역사
3. 종류
3.1. 풀 하이브리드
3.1.1. 직렬 하이브리드
3.1.2. 병렬 하이브리드
3.1.3. 직병렬 하이브리드
3.2. 마일드 하이브리드
4. 사용 기술
4.2. 배터리
4.3. 앳킨슨 사이클
4.4. 유압식 하이브리드
5. 장점
6. 단점
7. 하이브리드 자동차 모델
7.1. 한국
7.2. 외국
7.2.1. 국내에 시판 중인 차량
7.2.2. 국내에 들어오지 않는 차량
8. 관련 문서


1. 개요

두 가지 이상의 구동계를 사용하도록 만들어진 자동차. 약칭으로 ''''하브' '''라고 부른다.
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.[1]
내연 기관이 비효율적으로 움직일 때, 전기 모터가 보충하는 원리이다. 하이브리드 기관은 주로 가솔린 기관에 쓰인다. 가솔린 기관은 최대효율 구간이 협소해서, 전기 모터 기관이 들어가면 효율이 높아진다.
최근에는 연료전지와 2차전지(리튬이온 등)를 결합한 하이브리드 전기자동차가 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. 현재 메르세데스 벤츠와 GM이 연료전지+배터리 하이브리드 전기자동차를 개발하겠다고 밝힌 바 있다.

2. 역사

'''1899년''' 페르디난트 포르셰가 내놓은 믹스트(Mixte)가 최초. 프랑스어로 '혼합된'이란 뜻으로 하이브리드와 뜻이 비슷하다. 4개의 바퀴마다 독립된 인휠 전기 모터가 독립적으로 구동되었다. 내연기관은 오직 전기만 충전하는 용도[2]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. 70~80톤에 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 단계였으므로 성능은 두말할 것 없이 낙제점이었고 당연히 정식 채택에도 큰 어려움이 따랐다. 다만 엔진 구동의 개념은 비슷하므로 현대의 하이브리드 엔진과는 구조가 유사하다.
가장 쉽게 찾아볼 수 있는 하이브리드 구동계통은 철도다. 전차선이 없는 비전화구간에서 운행되는 열차(기관차)는 디젤기관으로 발전기를 돌리고 전기 모터를 굴리는 하이브리드 방식으로 구동된다. 자동차의 자동변속기와 같이 기계식 변속기가 탑재된 순수 디젤열차도 존재하지만, 운행 및 유지 보수적 측면에서 모터를 이용한 전기 구동이 유리하므로 디젤 전기 하이브리드 구동계통이 많이 사용되고 있다. 코레일에서 운행 중인 디젤기관차라고 부르는 여객 및 화물 운송용 기관차는 전부 하이브리드인 디젤전기기관차이다.
현대 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 하이브리드 차량을 만날 수 있을 것이다. 스포츠카 브랜드들도 혼다 NSX, BMW i8, 포르쉐 918 스파이더, 라페라리, 맥라렌 P1 등의 하이브리드 모델을 내놓고 있다.

3. 종류


3.1. 풀 하이브리드

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토요타 프리우스의 하이브리드 엔진-모터-변속기 세트. 직병렬 하이브리드에 해당하며 모터 단독 작동을 위한 클러치가 있다. 최대 출력은 53kW이다.
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 그치는 것에 비해 풀 하이브리드의 모터는 엔진이 완전히 꺼진 상태에서 모터의 힘만으로 일정 속도까지 가속, 주행이 가능한 것이 특징이다. 모터로 주행하고 있을 땐 전기차와 마찬가지로 엔진 소리가 없어 진동과 소음이 없다는 장점도 있다.
기본적으로 풀 하이브리드는 가솔린 엔진과 조합되며 디젤과는 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,[3] 디젤의 힘이 떨어지는 고속 영역에서는 모터도 힘이 같이 떨어진다는 점 등 차량 효율을 높이기 위한 목적으로는 서로 맞지 않다. [4] 이런 이유로 가솔린 하이브리드는 가솔린 엔진과 모터의 장점은 살리고 단점은 보완할 수 있는 적절한 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.

3.1.1. 직렬 하이브리드

엔진과 인버터, 모터가 직렬로 이뤄진 시스템으로 엔진은 발전기 역할만 하며 디젤전기기관차처럼 모터의 힘으로만 달리는 방식이다. 전기자동차에 발전용 엔진을 넣었다고 생각하면 쉽다. 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 다르기 때문에 기존에 개발한 자동차 구조를 활용 할 수 없고(같은 차대에 엔진만 바꿔 얹을 수 없다는 의미) 엔진의 힘을 그대로 이용하지 않고 전기로 변환하는 과정을 거치기 때문에 차량의 전체적인 에너지 효율이 떨어진다. 배터리 가격이 지속적으로 하락 중인 것을 감안하면 직렬 하이브리드를 개발하며 얻은 파워트레인 기술을 바탕으로 아예 전기차로 바로 넘어가는 것이 낫다고 할 수 있는 상황.
다만 가솔린 가격이 비정상적으로 높거나 석유 자체가 부족한 국가들의 경우에는 효율 강화가 아닌 화석연료, 더 나아가 가솔린 그 자체의 절약을 목적으로 한 디젤-전기 하이브리드가 나올 수도 있긴 하다. 이 구조면 매우 무거운데다 오일 교환 등의 관리가 필요한 자동변속기를 제거할 수도 있고, 구하기 힘든 가솔린 대신에 상대적으로 연료를 덜 까탈스럽게 가리는 디젤 엔진 특성상, 전시 상황 등에서 디젤유가 고갈 될 경우 등유나 항공유를 들이붓거나, 최악의 경우 선박용 중유+첨가제 또는 세녹스 더 나아가서 폐식용유나 송근유를 들이 부어도 엔진 수명에 악영향을 끼칠지언정 일단 굴러는 간다.[5][함정]
주로 이 경우는 대형 시내버스/전차(탱크)/디젤 기관차및 디젤동차 등 철도차량에서 이런 경우가 상당히 있다. BC211, 블루시티[6], VK 45.01(P), EMD GT26CW 등. 배터리까지 붙인 하이브리드 방식의 철도차량은 일본의 키하 E991계, 상업운전용 차량으로서는 키하 E200계가 첫 양산 사례가 된다.

3.1.2. 병렬 하이브리드

현대자동차그룹의 주력 하이브리드 형태다. 일반적으로 엔진과 변속기 사이에 모터를 넣는 구조다. 출발할 때나 저속에선 모터로 가속하고 일정 속도 이상이 되면 엔진 클러치가 붙어 엔진이 힘을 더한다. 기존 자동차와 파워트레인 레이아웃이 흡사하여 개발비를 아낄 수 있고 직병렬 하이브리드에 비해 구조가 단순하고 무게도 가벼우며 가격도 저렴하다는 장점이 있다.
다만 이러한 장점은 자동차를 만드는 기업에서 얻는 장점이고 운전자의 입장에선 상당한 단점으로 작용한다. 엔진과 변속기 사이에 모터를 위치시키는 설계로 인해 모터의 크기를 일정 수준 이상 키울 수 없는 구조적 문제가 있어 직병렬 하이브리드에 비해 모터 출력이 낮아 모터만으로 가속 가능한 속도가 낮고 모터만으로 주행 가능한 거리도 짧을 수 밖에 없다. 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 어이없는 상황이 발생한다.
거기에 병렬 하이브리드엔 하나의 모터만 탑재되고 이것이 발전기 역할도 겸하므로 이걸 발전기로 돌려 배터리를 충전하면 모터로 사용할 수가 없고 반대로 모터로 동작시켜 주행에 힘을 보태면 발전기로 돌릴 수 없다. 즉, 모터의 힘으로 주행을 하고 있을 땐 엔진이 돌더라도 충전을 못 하는 치명적인 단점이 있다. 그래도 순수 내연기관보단 연비가 좋다.

3.1.3. 직병렬 하이브리드

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 않으며 2개의 모터가 변속기를 대신해 기어비를 변화시키는 방식으로 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. 단점으로는 무게가 무겁고 시스템이 복잡해 단가가 비싸다.
직병렬 하이브리드의 장점은 매우 크지만 토요타 외 차량에는 한동안 거의 채용되지 못했다. 토요타가 자신들의 시스템을 베끼지 못하도록 우회 특허들도 대거 보유하여 다른 회사들이 얼씬대지 못했기 때문이다. 하지만 시간이 흘러 몇몇 다른 회사들도 특허를 피할 수 있는 나름의 기술을 개발해 직병렬 하이브리드를 구현한다. 특히 혼다는 10세대 어코드에 이르러선 토요타 캠리 하이브리드를 뛰어넘는 연비를 달성하기도 했다.

3.2. 마일드 하이브리드

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BMW 엑티브리드의 하이브리드 모터-변속기 모듈. 최대 출력은 15kW이다.
엔진 동력이 기본이고 모터는 보조만 한다. 모터로만 구동이 불가능하다. 토요타의 풀 하이브리드 특허를 피하려고 많은 제조사들이 취한 방식. 최초로 적용된 차량은 BMW 1시리즈이다. 다만 BMW는 마일드 하이브리드라는 용어를 쓰지 않았고, 원리만 사용했다. 마일드 하이브리드에서 전기 모터는 동력을 그저 거들 뿐으로 홀로 작동하지 않는다. 그래서 연비절감은 최대 15% 가량에 그친다. 반면 저렴하고 설계가 간편하다는 장점이 있어, 방식에 따라선 생산비 100달러 정도로 연비 5% 정도를 상승시킨다고 한다.
스탑 앤 고 기능이 마일드 하이브리드를 대표한다. 신호 대기 등으로 잠시 멈췄을 때 시동을 완전히 껐다가 켜서 연료 낭비를 줄인다. 순수 내연기관 차량에도 적용된 기술이지만, 마일드 하이브리드가 채용된 차량은 이 동작이 부드럽게 작동되며 에어컨도 잘 나온다. 그 외는 설계시 엔진의 최대효율 구간을 상대적으로 유연하게 설정할 수 있어서 연비를 개선시키는 식이다. 풀 하이브리드에도 적용되지만, 에어컨이나 히터와 같은 공조시설, 편의시설에 필요한 전기를 분담할 수 있다. 기존에는 이에 필요한 동력을 순전히 엔진에서 부담해야했었다. 이들에 필요한 동력은 큰 편이며 필요한 전기 동력 량이 점점 증가되는 추세이므로 마일드 하이브리드의 적용 영역이 커질 수도 있을 것이다.
기존 설계안에서 간단하게 적용할 수 있어서 제조비가 낮다는 장점도 크다. 전기모터는 내연기관과는 반대되는 저회전 토크가 강한 특성이 있고, 마일드 하이브리드는 이를 최대한 살리는 방식으로 발전 중이다. 2015년 현재 48V의 고전압 모터를 채용하여 더욱 소형화 되면서 특성을 잘 살리는 형태가 제시된다.[7] 이전에는 일반적인 내부 전원인 12V로 동작하는 모터가 주로 쓰였다. 자동차 업계에서는 48V 마일드 하이브리드 시스템의 효율성을 일반 내연기관 차량과 풀 하이브리드 차량의 중간 정도로 보고 있다.
디젤 하이브리드 차량은 주로 마일드 하이브리드로 개발 중이다. 디젤 기관은 휘발유 기관에 비해 출력 대비 크기가 크다. 그래서 구조가 간단하고 작은 마일드 하이브리드 적용 시 효율이 높다. 현대모비스에서는 2018년 48V 하이브리드 시스템을 양산한다고 하였는데 아직 실차량이 출시되진 않았다.
2017년 들어서 48V 시스템이 최근에 주목받고 있다. 최근 자동차의 전장품 사용증가에 따른 문제 가능성이 존재하기 때문에 기존 12V 시스템에서 48V 시스템으로 전환될 가능성은 크다. 물론 이 시스템을 적용할 경우 연비향상을 위해 마일드 하이브리드를 적용할 가능성도 있다.
여러 장점이 있지만 전기차와 풀 하이브리드 기술 사이에서 사라질 기술이라는 견해도 있다. 물론 디젤 하이브리드라는 방식이 있어서 아직까지는 수명이 남아있다고 볼 수 있다.
2019년 들어 전자장비 탑재 증가와 더불어 충전을 하지 않으면 실운행 시 하이브리드와 큰 차이가 없으면서 가격만 비싼 PHEV방식의 한계 때문에, 48V 마일드 하이브리드 방식 채택이 점차 늘어나는 추세다. 특히 볼보는 2021년 모델부터 순수 내연기관 모델을 모두 단종하고 플러그인 하이브리드 모델과 함께 마일드 하이브리드를 적용한 모델을 출시하기로 결정했다.

3.3. 플러그인 하이브리드



4. 사용 기술


4.1. 회생제동

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회생제동이나 KERS에도 관련 내용이 있지만, 간략한 설명이 없으니 속지 말자. 내연기관만으로 이루어진 차량은 브레이크를 잡을 때는 에너지가 마찰에 의한 열에너지로 사라진다. 내리막을 갈 때 활용할 수 있는 위치에너지도 추가 동력으로 활용할 방안이 없다. 그러나 전기 모터가 있으면 전기 에너지로 저장할 수 있다. 전기 동력 기관이 있는 자동차에는 물론, 전기 철도차량에도 필수적으로 달리는 핵심 기술이다.[8]
전기 모터는 종류에 따라서 구동기와 발전기 역할을 동시에 할 수 있다. 따라서 브레이크가 개입될 때 발전기로 구동시키면 마찰 에너지로 사라질 에너지가 전기 에너지로 변환된다. 다만 모든 형식의 하이브리드 자동차의 전기 모터가 발전기 역할을 담당하진 않는다. 구조에 따라서는 전기 모터와 발전기가 따로 달리기도 한다.
감속 중 모터가 발전기로 작동하는 동안에는 그 저항이 제동력이 되므로 압력식 브레이크의 역할을 나눠 가질 수 있다. 덕분에 브레이크 패드의 교환 주기가 거의 교체를 생각하지 않아도 될 정도로 길어져 브레이크 시스템의 유지비가 줄어드는 이점이 있다. 또한 긴 내리막을 내려오는 경우 브레이크 과열 등의 불상사를 막을 수 있다.[9] 다만 어느 정도 수준을 넘어서는 제동력이 필요해지면 회생제동만으로 차량이 가는 것을 막을 수 없기 때문에 일반 압력식(유압이든 케이블식이든 공기압식이든) 브레이크가 개입되는데, 브레이크가 개입될 때 이질감을 호소하는 운전자들이 있다. 게다가 초반 제동이 일반 브레이크에 비해 민감하게 걸리므로, 브레이크를 살살 밟도록 조절하려면 여러 번 몰아보며 적응해야 한다.
이 브레이크 기능을 겸비하는 능력 때문에 하이브리드 자동차, 전기 자동차의 기본 휠을 못생기게 만드는 1등 공신이기도 하다. 하이브리드, 전기차는 기본적으로 공기저항에 민감해서 휠이 죄다 막혀서 나온다. 일반 내연기관 자동차들은 이렇게 만들면 브레이크가 과열되어 ~문제가 발생할 수 있으나[10], 하이브리드, 전기차는 회생제동 시스템이 있어서 브레이크 과열이 잘 발생하지 않는다. 기껏해야 급브레이크 밟을 때 외에는 항상 개입하고 있기 때문에 과열되기도 쉽지 않다.
요즘 나오는 자동차들 중에는 대다수가 회생제동 감도를 조절하는 기능이 탑재된다. 가속 패달에서 발을 때면 브레이크를 밟는 것처럼 감속이 빠르게 할 수도 있고, 아니면 천천히 정지하게 할 수도 있다. 스티어링 뒤쪽에 패들 시프트에 변속 기능 대신 회생제동 감도 조절 기능을 넣는 경우도 많아졌다.

4.2. 배터리

예전에는 니켈 수소(Ni-MH) 계열이 주로 쓰였으나 점점 리튬이온(Li-ion)이나 리튬이온 폴리머(Li-ion polymer)로 대체되었다. 하이브리드 자동차와 전기 자동차의 배터리의 수명 문제는 소비자들의 주요 관심사이다. 때문에 제조사는 전지와 충전 알고리즘 개발과 개선에 많은 노력을 기울인다.
충전지는 보통 여러 개 셀로 이루어진다. 하나의 셀이 수명을 다 해도, 다른 셀이 작동하면 동작 시간만 떨어지고 정상적으로 작동한다. 배터리 셀 전체가 고장나는 일은 거의 일어나지 않는다.
리튬이온 배터리는 충전용량을 낮출수록 충전가능회수가 늘어난다. 가령 충전용량을 최대용량의 10% 이내로 유지하면 충전가능회수가 최대치에 달한다. 반면 충전량을 물리용량의 100%로 하면 충전가능회수가 최저로 줄어들어 사실상 충전지로써의 역할을 못 한다. 일반적으로 충전용량과 충전가능회수가 경제적으로 최대를 유지할 수 있는 지점은 물리적 충전용량의 50~80% 전후이다.
이러한 이유로 리튬 충전지의 최대 충전용량은 물리적 최대 용량의 90%정도로 제한된다. 과충전 되었다, 라는 뜻은 물리적 최대 용량에 가까워진다는 의미이며, 과충전 방지 회로가 이를 조절한다. 또한 물리적 최대 용량에 가까워질수록 화학적 불안정성이 증가하는 문제도 있다.
하이브리드 자동차의 배터리 구조나 충전 알고리즘은 제조자 기밀이 많아 알려진 자료가 많지 않다. 일반적인 리튬 이온 전지의 특성을 고려하면, 가능한 고르게 50~80% 충전 수준을 유지하는 형태라고 추측된다.

4.3. 앳킨슨 사이클

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일반적으로 쓰이는 4행정 오토(otto) 기관에는 펌핑로스[11]가 있어서 효율이 저하된다. 앳킨슨 사이클은 피스톤에 복잡한 움직임을 가지게끔 하여 압축행정에서의 손실을 줄이도록 고안된 방식이다. 하지만 구조가 복잡하고, 저회전에서 토크와 최대 출력이 낮은 문제가 있었다. 그래서 1882년에 발명되었음에도 차량에는 거의 사용되지 않았고, 대형 선박이나 고효율 발전 시설에만 사용되었다.
그러다가 하이브리드의 시대가 오면서 차량 분야에서도 빛을 보게 된다. 풀 하이브리드에서는 전기 모터가 어떻게든 도와주므로 효율 짱인 기관이 최고였던 것이다. 위의 이미지처럼 복잡한 크랭크 기구를 이용하는 구조도 전자제어를 통해 밸브 개폐 타이밍 및 듀레이션을 조절하는 것으로[12] 간략화되었다. 다만 압축비가 낮아진데 따른 출력 부족은 극복하기 쉽지 않다. 그럼에도 AD 2.0, 코나 2.0, 팰리세이드 V6 3.8, 렉서스의 2.0리터 가솔린 터보 엔진 등 순수 내연기관 차량에도 소수 탑재된 사례가 보인다. 자세한 내용은 링크 참조.

4.4. 유압식 하이브리드

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배터리 대신에 유압을 사용하는 하이브리드. 유압회로는 전기회로와 유사한 부분이 많아서, 차량에도 비슷한 원리로 적용할 수 있다. 에너지 저장 매체가 원자 단위인가, 분자 단위인가의 차이일 뿐이다. 유압은 에너지 저장 밀도가 30% 정도로 낮다는 문제가 있지만, 상대적으로 저렴하고 가벼우며, 간단한 구조에 유지보수도 쉬운 편이라고 한다. 비싸고 취급이 까다로운 배터리와는 달리 매체인 질소 등만 보충하면 된다. 버스나 쓰레기 수거 차량 등 정차와 발차가 잦은 상용차에 적합하다고. 한국산 자동차 중에는 적용된 차종이 없다.

4.5. 토요타 FPEG


하이브리드 기술의 본가 토요타에서 만든 차세대 하이브리드 기관. 크랭크 사프트 등 복잡한 기계 구성 요소를 전부 치우고 '''피스톤에 발전기를 직결'''한 형태이다. 열효율이 매우 높고, 동력 손실이 거의 없다. 무게와 부피도 기존 내연기관과는 비교가 안 되게 줄어든다. 다만 제어가 극히 까다로우리라 예상되며 정교한 전자제어가 필요하다. 자세한 내용은 기사를 참조.

5. 장점

  • 연비가 높고(주유소 자주 안가도 됨) 오염물질 배출이 상대적으로 낮음 - 하이브리드 차량의 가장 큰 존재의의.
연비가 높다는 부분은 단순히 기름값 절감만 생각하기 쉽지만, 오히려 극적으로 체감되는 장점은 '주유소를 자주가지 않아도 된다'는 점. 특히 중대형차량일 수록 두드러지는데, 8~10km/l연비의 차량을 운전하다가 18~20km/l연비의 차량을 운전하게 되면 주유소 방문 빈도가 거의 반으로 줄어들게 된다. 평소 주유소에서 기다리는 시간을 못견디는 사람이거나 혹은 장거리를 뛰기 때문에 주유소를 자주가야하는 사람에게는 엄청나게 체감되는 장점(대신 무료/할인 자동세차를 자주하지 못하게 되는 문제가 있긴하다. 하지만 이거야 뭐 돈 조금 더 주고 원할 때 하면 되니까.)
또한 하이브리드 자동차의 내연 기관은 가능한 최대 효율 구간에서 작동하게끔 설계된다. 최대 효율 구간에서는 연료가 완전연소에 가깝게 이루어지므로 상대적으로 깨끗한 배기가 이루어진다. 설령 완전연소가 이루어지지 않더라도 덜 먹으면 덜 싸기 마련이다.
  • 소음이 적음 - 시동을 걸었을 때는 전기 모터로 구동되므로 소음이 거의 없다. 정속 주행시 소음도 다소 낮은 편이다. 하이브리드는 가능한 최대효율 구간에서 움직이려는 특성이 있다. 이렇게 되면 엔진 진동을 예측하기 쉽고, 상대적으로 소음 잡기가 쉬워진다. 또한 공차 중량이 일반 내연기관 자동차보다 무거운 이유도 있다.
  • 유지비나 고장률 등은 알려진 만큼 과대하지 않음 - 구조적으로 전기 계통과 내연기관 계통이 부하를 나누어 가져서, 연료를 제외한 유지보수 비용이 상쇄되는 점이 있다. 가령 브레이크 소모는 하이브리드 차량이 훨씬 덜하고,[13] 엔진은 스포츠 모드가 아니라면 가능한 최대효율 구간에서 작동되는지라 꽤 오랜 시간 컨디션이 잘 유지되는 편이다. 내구적인 문제도 20년 가까운 운용 실적으로 큰 문제점은 보이지 않는다. 물론 배터리 교체 시기가 오면 장점이 휙 날아가겠지만.[14]
  • 배터리가 들어가면서 무게는 늘어났지만 최근에는 배터리를 보통 시트 하단 또는 차 중심부에 설치하기 때문에 더욱 안정적인 차체 자세제어가 가능함 - 즉, 같은 섀시를 공유하는 차를 하이브리드로 내놓고 배터리 배치를 통해 무게중심을 낮추면 더 좋은 코너링을 얻게 된다.
  • 가속력이 좋음 - 이는 전기 모터의 특성 덕분이다. 연비에 중점을 둔 모델도 가속력이 좋으며, 렉서스(F모델 제외)나 인피니티 등 고급 차종도 하이브리드 형식을 채용하는 추세다. 전기모터의 특성상 전기모터의 최대토크는 저RPM부터 바로 나오기에 엔진만 장착한 차종들보다 토크 곡선이 일정하고 가속력이 좋다. 렉서스 GS450h나 인피니티 Q50s 하이브리드 모델이 대표적으로, 동급 동배기량 차종보다 연비가 좋다. 퍼포먼스 위주 세팅도 연비가 일반 내연기관차량보다 우위에 있다.
  • 정책적 혜택 - 엄밀히 말해 하이브리드 차량의 기술적인 장점은 아니지만, 많은 나라에서 하이브리드 자동차와 같은 친환경 차량에게는 세금감면 등 정책적인 혜택을 주고 있다. (결국은 앞서 언급한 친환경적이라는 장점 덕택에, 상대적으로 비싼 차량 가격의 부담을 개인과 정부가 분담하는 것이라고 볼 수 있다) 대한민국의 경우 1,000~1,600cc는 연비가 리터당 15.8km 이상, 2,000cc 이상은 리터당 11.1km 이상인 하이브리드 자동차를 '친환경차'로 인증하여[15] 자동차를 구입할 때 가장 부담되는 취득세[16]가 지방세특례제한법에 따라 최대 90만원까지 감면된다. 그리고 100만원을 한도로 개별소비세도 감면하고(조세특례제한법 제109조), 정부가 시행하는 채권 등에서 최대 200만원 정도 매입 면제가 된다. 그 밖에도 저공해인증 차량의 혜택인 공영주차장 요금 50% 감경, 남산 1,3호 터널 혼잡통행료 면제(서울 등록 차량으로 저공해차 전자태그 부착차량 한정, 타지역 차량의 경우 전자태그가 없으므로 해당사항 없다) 등의 쏠쏠한 혜택이 있다. 다만 이건 어디까지나 정책적 이유이기 때문에 친환경차의 완전한 대중화 등이 진행될 때쯤에는 이러한 혜택도 줄어들 가능성은 있다. 또한 미세먼지로 인한 비상저감조치가 발령되어 차량 2부제가 시행되는데, 하이브리드 차량은 부제대상에서 제외된다.

6. 단점

  • 비싼 가격 - 구조가 복잡하고 이에 따라 장치를 줄여서 원가를 절감하기가 어렵다. 결과적으로 가격 하락에 한계가 있다. 하이브리드 차량은 동일 트림 차량에 비해 20% 이상 비싸다.[17] 그래서 하브 차량들이 절감된 연료비로 뽕을 뽑으러면 하면 주행거리에 따라 최소 5년에서 10년 넘게 타고 다녀야 한다.
  • 중량이 무거워진다. - 기존의 내연기관에 전기 주행을 위한 전기모터, 배터리까지 합쳐져니 그 무게가 만만치 않다. 늘어난 무게 때문에 최종적인 연비는 그다지 높아지지 않는다는 것이다. 다만 이는 기술의 발달로 빠르게 개선되고 있다. 실제로 하이브리드 자동차에 대해 흔히 갖는 오해가 고속도로에서 일반 내연기관자동차보다 연비가 안좋다는 인식인데, 최근에는 고속주행시 모터가 동력을 보조하고 상황에 따라 정속운행시에 모터로만 주행할 수 있게 함에 따라 고속주행시에도 가솔린 자동차보다 연비가 좋다.[18][19]
  • 탄소배출이나 오염물질 배출 등 친환경면에서는 전기차와는 비교가 되지않고 다소 10% 정도 효율이 좋은 내연기관차 정도일 뿐이다. 전기 충전으로 공급하는 에너지는 일부에 불과하고 대부분은 결국 화석연료에서 나오기 때문에 선진국에서도 전기차 수준의 친환경 차량으로 분류하진 않는다.
아래의 단점들은 전기자동차와 궤를 같이 하는 단점이다. 다만 보행자가 차량의 접근을 인식하기 위해 필요한 소음 부분은 의무적으로 가상의 소음을 발생시키는 장치를 설치하도록 하여 해결되었다.
  • 배터리가 크고 아름다워서 트렁크 공간이 줄어든다. - YF 쏘나타, 그랜저 HG 하이브리드가 대표적인 예. 하지만 제조사들은 차량 설계시 배터리를 뒷쪽 하부 공간에 위치시키는 등으로 적재용량을 최대한 확보한다. 하이브리드의 대표격인 프리우스는 해치백인데다 뒤쪽이 높은 쇄기형으로 디자인해서 적재용량이 일반 세단보다 오히려 더 크고 아이오닉도 2016년식 모델보다 17년식 모델이 니로보다 트렁크 공간이 늘어났다. 최근에는 스페어타이어 공간에 배터리를 밀어넣거나 시트 아래에 배터리를 배치하는 등 순수 내연기관 모델과 비슷한 공간을 확보하는 방향으로 설계되고 있다.
  • 회생제동 브레이크의 민감함 - 하이브리드 자동차는 회생제동을 사용하여 브레이크를 걸면서 배터리도 충전하는 방식을 사용하는데, 이게 기계식 브레이크보다 민감하다는 문제가 있다. 일반 내연기관의 브레이크 밟듯 밟으면 급브레이크처럼 작용하는 것. 그래서 일반 내연기관보다 브레이크를 약하게 밟아야 한다. 다만 이는 단점이라기보다는 '차이점'이라고 보는 편이 타당하다. 요즘 나오는 하이브리드 차량에는 기본 회생제동을 좀 더 약하게 하는 대신, 패들 시프트에 자동변속 상태일 경우 회생제동 단계를 조절할 수 있는 기능을 달아서 운전자가 상황에 따라 유연하게 회생제동 단계를 조절 할 수 있게 하였다.
  • 배터리의 화학적 불안정성 - 예전에 테슬라의 전기차 배터리가 발화하는 일이 문제가 된 적이 있다. 순수 전기차 사례이지만, 배터리를 갖는다는 점에서는 동일하다. 또한 사고시 이론적으로는 순수 내연기관 자동차보다 사고충격에 더 위험하다. 배터리셀이 파열되어 리튬이 외부 공기와 접촉하게 되면 알칼리 금속의 강력한 반응성과 폭발력을 실감하게 될 수 있다. 갤럭시 노트 7 수천 대를 한꺼번에 터트릴 때와 비슷할 것이다. 특히 장마로 인한 침수나 드물게 천을 직접 건너는 도로 등등 물과 접촉했다간... 가끔 배터리 셀 폭발과 가솔린 폭발이 겹치기도 하는데, 이때는 더 위험하다.
  • 정비의 위험함 - 감전의 위험이 있으니 정비에 각별한 주의를 요구한다. 차량 정비지침서에도 동력계통에는 고전압, 고전류[20]가 흐르고 있으니 반드시 시동이 꺼져 있는지 확인을 하고, 절연장갑 같은 절연장비를 사용 해서 차량을 정비하도록 적혀 있다.

7. 하이브리드 자동차 모델

단종된 차량은 취소선 표시.

7.1. 한국

  • - 클릭, 베르나와 프라이드 하이브리드는 공공기관에 납품된 차량이라 시판은 하지 않았다. 중고시장을 찾아보면 매물을 볼 수 있으나, CVT 수입품으로 수리비가 비싸니 구매자는 참고하여야 한다.
  • 아반떼 하이브리드 - 2009년부터 2013년까지 판매한 LPi 하이브리드(4세대 / HD) / 2020년부터 판매중인 가솔린 하이브리드(7세대 / CN7)가 있다.
  • - 아반떼(4세대 / HD)와 포르테 하이브리드는 특이하게도 LPi엔진에 하이브리드를 적용했다. 위 3종세트와 달리 국산 CVT를 사용하였다.
  • - 2.4L 엔진 마일드 하이브리드
  • i20 마일드 하이브리드 - 유럽전략형 모델이다.
  • [21]
  • 코나 하이브리드
  • 쏘나타 하이브리드, [22]
  • K5 하이브리드, 플러그인 하이브리드 - 3세대 (DL3)부터 플러그인 하이브리드는 유럽에서만 판매한다.
  • - 2016년식 ~ 2018년식은 국내 배기가스 규정을 충족하지 못하여 하이브리드 혜택을 받을 수 없었으나, 2019년 4월 출시된 페이스리프트 버전에서는 이 문제가 해결되었다. 그러나 판매부진으로 인해 같은 해 10월 단종되었다.
  • 그랜저 하이브리드
  • K7 하이브리드
  • 스포티지 마일드 하이브리드 - 해외수출형 모델이며, 풀 하이브리드 모델은 2021년 출시 예정인 5세대(NQ5)에서 선보일 예정이다.
  • 니로 하이브리드, 플러그인 하이브리드
  • 쏘렌토 하이브리드 - 2020년식은 친환경차 연비규정을 충족하지 못하여 친환경차 인증을 받지 못하고 저공해차 인증을 받는다.
  • 투싼 하이브리드
  • BC211, FX116 클린디젤 하이브리드

7.2. 외국


7.2.1. 국내에 시판 중인 차량



7.2.2. 국내에 들어오지 않는 차량

  • 토요타 프리우스, 캠리, RAV4, 아발론을 제외한 모든 하이브리드 모델[24]
  • 혼다 NSX
  • 혼다 PCX 하이브리드: 최초의 이륜차 하이브리드. 저속에서의 토크와 연비를 보조하기 위해 모터를 활용하는 마일드 하이브리드 방식.
  • 아우디 A6 하이브리드
  • 푸조 3008 하이브리드4, 508 RXH, 3008 PHEV, 508 PHEV, 508 SW PHEV
  • 라페라리
  • 맥라렌 P1: 흰색 P1 GTR이 인천공항 세관에서 목격된 적이 있긴 하다.
  • 토요타 다이나 하이브리드
  • 미니 컨트리맨 S E
  • 미쓰비시 아웃랜더 PHEV - PHEV 기준 전세계 최대 판매 댓수를 자랑한다. 일본과 유럽 시장을 장악 중.
  • 미쓰비시 후소 캔터 하이브리드
  • 미쓰비시 후소 에어로 스타 하이브리드
  • 이스즈 엘프 하이브리드
  • 이스즈 엘가 하이브리드
  • NBfL - 런던의 2층버스이다.
  • 알렉산더 데니스의 일부 버스
  • 코닉세그 레제라, 제메라
  • 볼보 V90 T8, S60 T6 PHEV, S60 T8, V60 T6 PHEV, V60 T8, XC40 T5 PHEV, S60 T8 Polestar Engineered, S90 B6, XC90 B5[25]
  • 폴스타 1
  • 포드 C-MAX 하이브리드, 쿠가 PHEV, 이스케이프 PHEV
  • 포르쉐 파나메라 터보 S E-하이브리드 (스포츠 투리스모/이그제큐티브)
  • 포톤 그린어스 하이브리드
  • 페라리 SF90 Stradale
  • 벤틀리 벤테이가 PHEV
  • 링컨 에비에이터 PHEV
  • 스바루 포레스터 하이브리드, 2015~2016년식 크로스트렉 하이브리드, 2019년식 크로스트렉 하이브리드[26]
  • 로터스: 414E
  • 메르세데스-벤츠: AMG 원, 2세대 GLS 가솔린 모델, 2세대 GLE 가솔린 모델[* GLE 350 모델 제외], AMG 53 모델,
  • 지프: 레니게이드 4xe, 컴패스 4xe, 랭글러 4xe
  • 폭스바겐: 투아렉 R
  • 크라이슬러: 퍼시피카 PHEV
  • 히노: 세레가 하이브리드, 블루리본 하이브리드
  • Fisker Karma
  • 람보르기니: 시안

8. 관련 문서


[1] 영한사전을 펴서 'hybrid'를 검색해 보자. (...)[2] 현재의 EREV(주행거리 연장 방식 전기차)와 같은 구동 방식이다. 대표적인 예시는 쉐보레 볼트 하이브리드.[3] 디젤은 저RPM에서 최고 효율이 나오고 모터는 처음부터 최대 토크가 나온다. 가솔린의 경우 저속에서 효율이 떨어지므로 모터가 개입할 수 있는 영역대가 넓지만 디젤은 그렇지 않다.[4] 모터는 특정 RPM을 넘어가면 토크가 급격히 떨어지고 잘못하면 모터가 아예 죽어버린다.[5] 실제로 연료비를 절약하려고 난방용 저렴한 등유를 경유와 20-30% 섞어서 넣고 디젤 엔진 차를 굴린 사람들이 있었다. 그 결과, 별다른 문제 없이 잘 간다고 한다. (15%정도 섞으면 경유만 쓸 때보다 더 잘 간다고) 폐 식용유를 경유에 섞어 넣어도 되었다고 한다.[함정] CRDI는 절대로 이런 식으로 연료를 들이부으면 안 된다.[6] 이쪽은 CNG이지만 엔진 특성이 디젤과 유사하다.[7] 48V는 차내에 적용할 수 있는 최대전압인데, 유럽에서 안전장치 없이 감전사고가 일어나지 않는 최대한도로 설정된 값이다.[8] 그러니까 우리가 흔히 보는 전철들은 모두 이게 달려있다. 효율이 어지간히 좋아서 전철 동력의 90%는 회생으로 달리고 10%의 전기만 사용한다.[9] 감속되는 원리 자체는 엔진 브레이크와 비슷하게 구동계의 마찰을 통해 감속을 하는 것인데, 평소에도 엔진 브레이크를 사용하는 것과 비슷하다. 급격한 내리막길이나 연속 내리막길에서는 내연기관의 브레이크 시스템보다 우월한 기능이라고 볼 수 있다. 내리막에서 일반 브레이크만 사용하면 과열로 브레이크가 안 먹힐 수 있기 때문에 엔진 브레이크가 권장되나, 그 특성상 엔진과 변속기에 무리를 주지만, 회생제동은 오히려 엔진 브레이크 기능 + 전기 충전 + 구동계 부담 최소화라는 극한의 이득이 생긴다.[10] 그래서 고성능 자동차들 휠이 하나 같이 고강성, 고탄성의 고급소재를 이용해 안이 훤히 들여다 보이게 만든다. 휠 안에 장착된 브레이크가 잘 보이는 것 자체가 고성능 자동차의 상징으로 여겨지기도 한다.[11] 압축과정에서 발생하는 기계적 에너지 손실, 주사기를 입구를 막아놓고 누르거나 잡아댕기면 힘이드는 이유가 이것 때문이다.[12] 압축행정시 밸브를 오래 열어 오토사이클보다 압축비를 낮춤, 밀러사이클이라고도 부르며 원래 마쓰다에서 과급기 장착 엔진에 쓸 목적으로 처음 상용화하였다.[13] 정차 직전에만 브레이크를 사용하는 걸 제외하면 회생제동을 사용하기 때문. 그래서 폐차할 때까지 브레이크 패드를 교체할 일이 없는 경우도 있다.[14] 괴담에 가까운 하이브리드 차량의 배터리 유지비 문제 때문에 미국에서는 꽤 오랫동안 하이브리드 차량의 중고 감가 상각이 상당히 큰 편이었다. 다행히 장기간 소유한 오너들의 긍정적인 입소문 덕에 하이브리드 차량의 중고가 방어는 상당히 개선된 반면 순수 전기 자동차의 중고가 방어는 눈물이 나올 정도로 참담하다. 참고로 2018년 기준 미국에서 감가 상각이 가장 큰 차로 닛산 리프가 선정되었다. 5년 후 중고가가 신차 가격의 22%에 지나지 않는다.[15] 만약 이 조건을 만족시키지 못하면 그냥 저공해차로만 인증된다.[16] 최근 부동산과 함께 취득세를 개정하면서 기존 등록세를 취득세에 포함시키고 취득에 관련된 등록세를 없앴다. 그래서 취득 시에는 등록세는 없다. 이미 취득세에 포함되어 있기 때문이다.[17] 어떤 느낌이냐면, 2020년 2월 기준, 현대 아이오닉 하이브리드 기본형 가격에 150만원 정도만 더 보태면 쏘나타 2.0 자연흡기 가솔린 깡통을 구입할 수 있다. 150만원이면 옵션 2~3개정도 가격이니 어떤 느낌인지 체감이 올 것이다. 사실 하이브리드 차량과 일반 내연기관 차량의 지향점이 조금 다르긴 하나 150만원만 더 주면 차급을 올릴 수 있다보니 가격적인 면에서 고민을 하게 만드는 부분이다. [18] 다만 디젤의 경우 아직까지는 고속도로 주행 연비만 놓고 보면 하이브리드와 비슷하거나 조금 더 좋기 때문에 고속도로 주행이 많은 사람들에게는 하이브리드보다는 디젤을 권하는 경향이 있다.[19] 사실 하이브리드의 고속 주행 연비가 동급의 내연 기관 자동차보다 나빴던 적은 없다. 단지 하이브리드는 내연 기관과는 반대로 고속 주행보다 시내 저속 주행의 연비가 더 좋아지는 역전 현상이 있는데, 그 사실을 오해했거나 악의적으로 왜곡된 정보가 알려졌을 뿐이다.[20] 사실 전압보다 전류 때문에 더 위험한 것이다. 경우에 따라 전압이 2만 볼트도 넘어가는 정전기가 위험하지 않은 이유는 전류가 매우 작기 때문이다.[21] 아반떼 7세대 하이브리드 출시로 인해 단종되었다.[22] 8세대부터 플러그인 하이브리드 모델이 생산되지 않는다.[23] 한국은 9.6km/L. 배터리 방전상태에서 측정했다고. 슈퍼카 주제에 거의 중형 SUV급 연비를 뽑아낸다.[24] 토요타의, 아니 일본 승용차계의 최고 기함인 토요타 센추리도 포함. 3세대 센추리는 LS600hL의 파워트레인을 이식했다. 일본은 고급차들도 하이브리드로 만들거나 하이브리드 버전을 만들 정도로 하이브리드 기술이 가장 많이 쓰이는 나라라는 것을 알아두자.[25] 볼보는 2019년부터 새로 생산하는 모든 차량은 하이브리드나 전기차 라인업으로만 구성하기로 했고 내연기관 엔진의 생산을 중단할 예정이다.[26] 포레스터 하이브리드랑 크로스트렉 하이브리드에는 e-BOXER라는 마일드 하이브리드 방식이 들어간다면 2019년식 크로스트렉 하이브리드는 두개의 전동모터를 쓰는 스타드라이브라는 플러그인 하이브리드 방식을 쓴다.

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