하이브리드 자동차가 궁금해요!! (feat.하이브리드란? 연비가 좋은 이유? 효율적 운전 비결은?)

 

하이브리드 자동차라도 하면 연비가 좋은 자동차라고 생각하는 사함들이 많을 것입니다. 그렇다면 하이브리드 자동차는 왜 연비가 좋은지? 혹은 그 메커니즘 구성은 어떻게 되는지? 등 하이브리드 자동차의 궁금증에 대해 알아보도록 하겠습니다.

 

< 목차 > 1. 하이브리드는 무엇인가? 2. 세계 최초로 하이브리드 자동차를 개발한 회사는 어디인가? 3. 기존 가솔린 자동차보다 연비가 얼마나 좋을까? 4. 하이브리드 자동차를 효율적으로 운전하는 비결은 무엇일까? 5. 하이브리드 자동차에도 배터리가 있을까?

 

1. 하이브리드는 무엇인가?

"하이브리드"란 2가지 이상의 요소를 조합한 것을 의미하는 용어입니다. 자동차의 경우, 2가지 동력원을 가지고 있음을 나타냅니다. 기존에는 가솔린 엔진이 탑재된 자동차에 모터를 추가한 하이브리드 자동차가 등장했습니다. 이를 통해 엔진과 모터의 각각의 장점을 동시에 활용하여 연비를 향상했습니다. 또한, 디젤 엔진과 모터를 조합한 디젤 하이브리드(메르세데스 벤츠의 S300h 등)도 나타났지만, 높은 가격 때문에 많은 자동차 제조 회사가 디젤 하이브리드의 상용화를 미루거나 이미 개발한 자동차를 상품군에서 배제하고 있습니다.

엔진은 연료만 공급받으면 언제나 우수한 동력을 발휘할 수 있습니다. 휘발유나 경유 등의 화석 연료를 사용하는 것은 석유에서 정제해야 한다는 번거로움이 있지만, 운반과 저장이 간단하며 주유가 용이한 에너지입니다. 이처럼 엔진의 장점을 활용하면서 효율을 높이기 위해 모터를 추가한 것이 하이브리드 자동차입니다. 모터는 정차 중에는 에너지를 사용하지 않으므로, 저속 주행에서부터 힘을 발휘하여 엔진의 약점을 보완하는 데 최적입니다.

또한, 감속할 때 모터를 발전기로 이용하여 운동 에너지를 전력으로 회수해 저장할 수 있습니다. 엔진만 탑재된 경우, 브레이크 페달을 밟아 감속하거나 정지할 때 운동 에너지가 열로 소멸되는 문제가 있습니다.

한편, 엔진과 모터를 탑재하지만, 타이어를 돌리는 동력원이 아닌 발전용으로만 사용하는 자동차도 있습니다. 이를 시리즈 하이브리드라고 부르며, 동력은 모터이고 엔진은 발전용으로만 사용되므로, 최근에는 전기 자동차의 일종인 레인지 익스텐더(range extender) 전기 자동차로 분류하고 있습니다.

플러그인 하이브리드 중에도, 모터가 기본 동력원이며, 고속도로에서 급가속할 때와 같이 부하가 매우 큰 상황에서만 엔진의 동력원을 추가하는 레인지 익스텐더 전기 자동차의 성격을 띤 자동차도 등장했습니다.

유럽에서는 "마일드 하이브리드(mill bybread)"라고 부르는 시스템도 개발되었습니다. 이것은 모터 하나가 엔진 시동용 스타트 모터와 발전기 가속 보조용 모터까지 겸하는 시스템으로, 전압을 48 볼트로 높여서 효율을 높인 것입니다. 닛산은 하이브리드, 스즈키는 "5-에너지"라는 명칭으로 ISG(Integrated Starter Generator. 발전기와 가속 보조용 모터를 일체화한 시스템)를 사용한 하이브리드 시스템을 채용했습니다. 앞으로는 하이브리드 자동차도 더욱 다양해질 것으로 예상됩니다.

 

2. 세계 최초로 하이브리드 자동차를 개발한 회사는 어디인가?

하이브리드 자동차의 역사를 살펴보면 놀랄 만큼 오래 전부터 실용화되었음을 알게 됩니다. 폭스바겐(VW)의 비틀 과 다임러 벤츠의 수많은 명차를 설계한 페르디난트 포르셰(Ferdinand Porsche, 1875~1951) 박사는 1898년에 로너라는 회사에서 전기 자동차를 만들어냈는데, 이 차에는 발전용 엔진이 탑재되어 있었습니다. 요컨대 지금이라면 하이브리드(레인지 익스텐더 전기 자동차)에 속하는 자동차였습니다..

사실 전기 자동차는 엔진을 탑재한 자동차보다 역사가 더 깊습니다. 1839년에 스코틀 핸드에서 배터리와 모터를 탑재한 자동차를 만들었다는 기록이 남아 있습니다. 엔진이 발명된 시기가 1876년이므로, 하이브리드 자동차를 탄생시킬 요소는 그 무렵부터 갖춰져 있었던 것입니다.

한편, 승용차가 일반화된 현대 사회에서 하이브리드 자동차의 원조는 역시 토요타입니다. 1997년 도요타가 프리우스를 발매하면서 하이브리드 자동차의 발전에 새로운 지평을 열었습니다. 프리우스가 처음 출시되었을 때, 텔레비전 광고의 캐치프레이즈는 "21세기의 시작에 늦지 않게 찾아왔습니다"였습니다.

개발을 담당한 엔지니어들의 노고는 이루 말할 수 없었습니다. 기초 연구를 포함하면 개발 기간이 30년에 이른다고 합니다. 일반적으로 자동차를 만들 때는 개발을 진두지휘하는 엔지니어가 있지만, 프리우스의 경우에는 여러 담당 엔지니어가 협력하여 작업해야 했습니다.

엔진과 모터라는 두 동력 자동차에 하는 것 자체는 엔지니어에게 그다지 어려운 일이 아니다. 그러나 일반 운전자가 위화감을 느끼지 않고 운전할 수 있으면서 연비가 좋은 하이브리드 자동차를 만들어내려면 매우 정밀한 제어가 필요하다. 모터와 배터리를 탑재한 하이브리드 자동차는 가솔린 엔진을 탑재한 자동차에 비해 생산 단가가 상승하므로 그 이상으로 연비를 높이지 못한다면 사용자를 만족시킬 수 없다.

도요타는 연비를 높이기 위해 다양한 기술을 개발했습니다. 신호를 기다리는 동안 엔진의 아이들링을 멈추고 모터를 이용해 매끄럽게 발전하거나 가속할 때는 엔진과 모터를 모두 사용하여 엔진의 부하를 줄이는 기술을 개발했습니다. 특히 감속할 때 회생 에너지를 동력으로 회수하는 충전 기술은 연비 향상을 위한 매우 중요한 기술 중 하나입니다.

도요타는 모터로 주행하면서 엔진 시동을 걸고, 양쪽의 구동력을 매끄럽게 연결하기 위한 제어 기술을 개발하면서 100가지 이상의 특허를 취득하여 하이브리드 자동차의 세계에서 압도적인 지위를 확립했습니다. 또한, 연료전지 자동차의 개발에도 앞장서 세계 최초로 세단형 연료전지 자동차를 출시했습니다. 이는 하이브리드 자동차에 이어 연료전지 자동차 시장도 점유하겠다는 의도보다는 수소 연료라는 완전히 새로운 시장을 개척하기 위해 앞서가려는 것으로 보입니다. 이는 글로벌 자동차 제조 회사로서 느끼는 책임감의 일환으로 볼 수 있을 것입니다.

 

3. 기존 가솔린 자동차보다 연비가 얼마나 좋을까?

하이브리드 자동차는 연비가 우수한 자동차로, 신호등이 많아 정지와 발진을 반복해야 하고 도로 정체가 잦은 교통 사정에 적합하다는 특징이 있습니다. 기존 가솔린 자동차는 거북이걸음을 하는 도로 정체 상황에서도 엔진을 아이들링 상태로 돌리며 연료를 소비해야 했습니다. 한편 하이브리드 자동차는 모터로 주행이 가능하기 때문에 도로 정체 상황에서 엔진을 멈춰도 연비가 악화되지 않습니다.

물론 하이브리드 자동차도 배터리 충전량이 부족해지면 엔진을 시동해 배터리를 충전하면서 주행해야 하지만, 어지간히 심각하게 막힌 상황이 아니라면 정체 구간을 빠져나온 뒤에 회생 충전이 가능합니다. 또한 가솔린 자동차는 여름철에 에어컨을 켜려면 엔진을 아이들링 상태로 유지해야 하지만, 하이브리드 자동차는 에어컨을 전동 컴프레서로 구동하는 까닭에 엔진을 멈춘 상태에서도 에어컨을 사용할 수 있는 자동차가 많습니다.

다만 정지와 발진을 반복해야 하는 상황이나 도로가 정체되는 일이 드문 교외 또는 고속도로를 주행할 때는 하이브리드 자동차의 강점이 거의 발휘되지 않습니다. 따라서 온갖 상황에서 안정적으로 연비가 좋은 것이 하이브리드 자동차이며, 운전하기에 따라서는 하이브리드 자동차 이상의 경제성을 끌어낼 수 있는 것이 소형차입니다.

연비를 나타내는 지표로 카탈로그 연비가 있는데, 하이브리드 자동차라 해도 실제 운전에서 카탈로그 연비에 가까운 연비를 내기는 매우 어렵습니다. 그래도 하이브리드 자동차는 누가 운전해도 카탈로그 연비의 70%에 근접하는 연비로 주행이 가능하지만, 가솔린 자동차는 운전 습관에 따라 카탈로그 연비의 절반 수준에 그칠 수도 있습니다. 예를 들어 하이브리드 자동차의 카탈로그 연비가 1L당 30km라면 실제 연비는 안정되게 1L당 20km 전후입니다. 한편 가솔린 자동차의 카탈로그 연비가 1L당 24km라면 교외나 고속도로에서는 1L로 20-25km를 달릴 수도 있지만, 정체 구간이 포함된 시가지에서의 연비는 1L당 10~15km 정도일 것입니다.

 

4. 하이브리드 자동차를 효율적으로 운전하는 비결은 무엇일까?

하이브리드 자동차는 넓은 교통 환경에서 안정적으로 높은 연비를 보장합니다. 이는 일정한 주행 조건에서, 연비가 우수한 엔진과 에너지 효율이 높은 모터를 병합하여 가능합니다. 그러나, 운전 방식에 따라 연비가 달라질 수 있습니다. 급가속이나 오르막길에서의 가속과 같은 고부하 상황은 연비를 떨어뜨리는 원인이 됩니다.

그래도 하이브리드 자동차는 모터를 함께 사용하기 때문에 중간 수준의 부하에서도 연비가 좋습니다. 발진 시에는 상황을 고려하고 필요한 만큼 가속한 후 빠르게 정속 주행으로 전환하여 좋은 연비를 유지하는 것이 중요합니다.

또한, 하이브리드 자동차는 감속할 때 배터리에 전기를 저장하여 연료를 절약합니다. 따라서 정속 주행에서 감속할 때, 브레이크를 가볍게 밟아 약한 감속 상태를 유지하면 연비를 향상할 수 있습니다.

아울러 같은 하이브리드 자동차에 속한다 해도 실제로는 차량의 구조나 특성에 따라 연비를 향상하는 운전 방식이 조금씩 다릅니다. 어느 정도까지는 연비를 전혀 신경 쓰지 않고 운전해도 높은 연비를 실현해 주는 것이 하이브리드 자동차입니다만, 자기차의 특성을 잘 이해하고 도로 사정에 맞춰서 최적의 방식으로 운전한다면 한두 단계 높은 연비를 끌어낼 수 있을 것입니다. 하이브리드 자동차를 포함한 친환경 자동차 중에는 운전 습관을 진단해 주는 기능을 탑재한 것도 있습니다.

 

5. 하이브리드 자동차에도 배터리가 있을까?

하이브리드 자동차는 엔진과 모터 두 가지 동력을 탑재하고 있으므로, 당연히 모터의 에너지원인 전기를 저장해 두는 배터리가 탑재되어 있습니다. 하이브리드 자동차에 탑재된 구동 모터용 배터리는 기본적으로 전기 자동차에 탑재되는 것과 같습니다.

"모터와 배터리를 탑재하고 있다면 전기 자동차하고 다를게 없잖아?"라고 생각하는 사람이 있을지도 모릅니다. 하이브리드 자동차가 전기 자동차와 다른 점은 배터리의 탑재량을 줄여서 비용 절감을 꾀하는 동시에 충전설비가 없는 곳에도 갈 수 있는 편리성을 갖췄다는 점입니다.

전기 자동차는 어느 정도의 연속 주행 거리와 차체의 경량화를 양립하기 위해 고성능 리튬 이온 배터리를 많이 탑재하고 있습니다. "차량 가격의 절반은 배터리 가격이다"라는 말도 있습니다. 반면 가솔린 자동차에서 파생한 하이브리드 자동차는 엔진을 탑재하고, 배터리 용량을 줄여서 배터리 탑재에 들어가는 비용을 낮췄습니다. 물론 연속 주행 거리도 늘어납니다.

하이브리드 자동차나 전기 자동차는 시간이 지남에 따라 배터리 용량이 저하되기 때문에, 5년 이상 경과한 모델은 배터리를 교환해야 하는 상황이 찾아올 수 있습니다. 이 경우 배터리의 교환 비용은 배터리의 용량에 비례하므로, 하이브리드 자동차보다 전기 자동차의 교환 비용이 더 큰 것은 틀림이 없습니다. 그러나 각 제조 회사의 노력으로 배터리 가격이 점점 하락하는 추세이기 때문에, 앞으로는 하이브리드 자동차도 배터리가 커지고 엔진은 발전용으로 특화할 가능성 또한 충분히 예상할 수 있습니다. 그렇게 된다면, 하이브리드 자동차와 전기 자동차의 차이는 더욱 줄어들 것입니다.