[오토뷰 포커스] 프리우스로 알아본 토요타 하이브리드 시스템

1997년, 미국 빅3가 새롭게 시행될 연비규정을 막기 위해 정부에게 로비를 벌이고 있을 때 일본의 한 메이커는 하이브리드라는 기술을 적용시킨 이상한 모양새의 소형차를 출시했다. 16년이 지난 오늘, 이 제조사는 29가지 하이브리드 모델을 전세계 80여개국에서 판매하고 있다. 그리고 올해 누적판매대수 500만대를 돌파했다.

바로 토요타를 두고 하는 말이다. 초반에는 전기차 이전의 과도기적인 모델이라는 평가가 주를 이루었지만, 이제는 대부분의 메이커들이 하이브리드 모델을 판매하고 있을 정도로 시장의 판도를 흔들어놨다.

16년간 3,400만톤의 이산화탄소를 절감시켰다는 토요타의 하이브리드 시스템. 이번 오토뷰 포커스에서는 한국 토요타 자동차 기술교육부에서 토요타의 하이브리드 시스템에 대해 알아보는 시간을 마련했다.

질문 1) 토요타는 하이브리드 시스템 분야에서 가장 앞선 기술력과 많은 특허를 보유하고 있다. 하이브리드의 개발 배경에 대해 설명해달라.

답변) 자원의 확보나 대기 오염등의 환경 문제라고 하는 이 지구 차원의 과제를 해결하기 위해 토요타가 답을 내놓는다는 것이 배경이다. 특히 연비를 지금까지의 2배로 한다는 것이 슬로건이었다.

이를 해결하기 위해 새로운 파워 유닛이 필요했다. 이를 위해 기존 기술 개발의 연장 선상이 아닌 제로베이스에서 새롭게 연구 개발을 했으며, 그것이 엔진과 전기 모터를 결합한 형태다.

엔진과 전기 모터의 구성은 저속에서 효율이 좋은 모터와 중속 영역에서 효율이 좋은 엔진을 결함한 형태라고 보면 되겠다. 일반적인 내연 기관은 에너지 회수가 어렵지만 모터의 특성상 에너지 회수 효율이 높아 하이브리드 시너지 효과를 발생한다.

질문 2) 토요타의 하이브리드 시스템은 풀 하이브리드(Full hybrid)로 분류된다. 마일드 하이브리드(Mild hybrid) 시스템과의 차이점은?

답변) 간단한 설명을 하자면 모터만으로 구동이 가능한지, 항상 엔진이 구동되면서 모터가 서포트를 하는지로 구분을 하면 된다. 풀 하이브리드 시스템은 스트롱 하이브리드 시스템이라고도 한다. 성능 및 배터리 용량뿐만 아니라 모터/발전기가 2개가 있어 구동 및 발전을 동시에 할 수 있는지로 구분을 하면 된다. 마일드는 보조하는 개념이기 때문에 배터리가 필요한 언덕이 지속되면 방전이 쉽게 되어 차의 출력이 저하 될 수 있다.

질문 3) 토요타의 하이브리드 시스템은 엣킨슨 사이클 엔진과 e-CVT변속기의 조합을 기본으로 한다. 일반 내연기관 엔진과 CVT 변속기와의 차이는?

답변) 앳킨슨 사이클 기관은 연비를 극대화 한 엔진 사이클이다. 간단히 이해를 하자면 적은 연료를 이용하여 에너지가 나올 수 있을 때까지 짜내는 방식으로 보면 된다. 하지만 이러한 부분은 연료를 적게 사용하기 때문에 저속에서의 토크가 떨어질 수 있다.

그 부분을 보완하는 것이 바로 모터라 보면 된다. 모터는 저속에서 가장 높게 나온다. 저속에서는 모터만을 이용하고 엔진 효율이 좋은 RPM에서는 엔진을 작동시켜 차량을 구동시킨다.

하지만 일반 엔진 + CVT 조합은 무단이라는 부분에 있어서는 동일하지만 내연 기관의 저속 효율 저하라는 부분을 극복하기 어렵다. 일반적인 차량들이 시내구간 반복 시 효율이 떨어지는 것과 동일한 이치다.

하지만 하이브리드 차량은 저속 시에 모터만을 주로 이용하기 때문에 효율이 크게 상승된다고 할 수 있다.

질문 4) 최근 유럽산 디젤모델들은 연비와 이산화탄소 배출 저감을 만족하면서 성능까지 향상된 모습을 보이고 있다. 토요타 하이브리드 모델이 디젤 대비 내세우는 강점은?

답변) 가장 큰 차이점은 대부분이 다 알 것이라 생각된다. 바로 진동과 소음 부분이다. 하이브리드에 사용되는 엔진은 진동과 소음이 작은 가솔린 엔진이지만 이 부분에 모터까지 결합하여 저속 주행 시에 더 높은 정숙성을 가져다 줄 수 있다. 전기차를 타면 진동 소음이 없듯이 하이브리드도 가다 서다를 반복하는 시내 구간에서 대부분 모터를 사용하기 때문에 더욱 조용하다.

또한 순간 가속 성능이 뛰어나다. 내연기관은 대략 2,000 ~ 3,000rpm구간에 가장 토크가 좋은 반면 모터는 0rpm대에서 가장 토크가 크다. 저속에서는 모터가 중/고속에서는 엔진 + 모터가 작동하기 때문에 가속 성능이 우수하다고 할 수 있다.

하이브리드가 일반적인 내연기관의 차량보다 연비가 우수하기 때문에 연비는 좋은 대신에 차량 출력이 떨어지는게 아닐까라는 생각들을 많이 한다. 하지만 기본적으로 생각해봐도 기존의 엔진에 효율이 좋은 모터가 결합되었는데 힘은 더 좋지 않겠는가?

각각의 구동력이 높은 영역을 이용하기 때문에 그 효율을 더욱 극대화 될 수 있다.

질문 5) 하이퍼마일러(hypermiler)들은 특화된 운전법으로 일반 자동차로도 놀랄만한 연비를 실현시키기도 한다. 토요타 하이브리드 시스템을 최대한 활용시킬 운전법은?

답변) 일반적인 내연기관 운전법과 유사하다고 보면 되겠다. 다만 틀린 부분이 에어컨 사용과 정차시 아이들링 자제부분인데 에어컨의 컴프레셔를 구동하기 위해서는 엔진의 힘을 이용해야 하고 그만큼 여름철 연비는 떨어진다.

하지만 하이브리드 차량은 에어컨을 작동할 때 배터리를 사용하기 때문에 일반적인 내연 기관 보다 효율이 훨씬 높다고 생각할 수 있다. 또한 시내 구간에서 아이들 상태를 오래 지속하게 되면 연비가 떨어질 수 밖에 없는데 하이브리드는 Idle Stop & Go의 개념이 도입되어 자동으로 엔진이 꺼지기 때문에 그런 걱정 또한 하지 않아도 된다.

이 외에는 일반 내연기관과 유사하다. 급 가속 및 급 감속을 최대한 적게 하는 것이다. 저속 주행 중에는 가속 페달을 서서히 밟아 최대한 모터를 이용한 주행을 하는 것을 추천한다. 급 가속을 하게 되면 필요한 구동력이 많아지게 되어 효율이 안 좋은 영역에서도 불필요한 엔진 사용이 많아지게 된다. 추가적인 출력을 내기 위해 연비는 떨어질 수 밖에 없다.

또한 감속 시 최대한 브레이크 페달을 자제하고 탄성 주행을 하는 것이 좋다. 물론 브레이크 페달을 밟게 되면 버려지는 에너지의 일부를 회수 할 수 있다. 하지만 그 에너지는 한정되어 있기 때문에 최대한 많은 에너지를 회수하기 위해서는 브레이크 페달을 최대한 자제를 하면서 오랫동안 밟아 회수하는 에너지를 늘리는 방법이라 할 수 있다.

정리하며…

토요타 프리우스는 어쩌면 여러면에서 수퍼카와 닮은 점이 많다고 할 수 있다. 차량의 디자인, 동력 발생과 전달과정, 스티어링 반응, 제동 시스템까지 차량의 모든 역량을 한곳에 집중시켰기 때문이다. 대신 프리우스는 연비향상, 슈퍼카는 성능만을 추구한다는 방향에서 차이가 있다.

이렇게 연비향상에 모든 것을 집중시킨 프리우스에게 하이브리드 시스템은 당연히 가장 중요한 장치라고 할 수 있다. 모두 2,100개 이상의 특허가 집약되었다고 하는데, 하이브리드 시너지 드라이브라는 이름의 시스템은 현재 3세대 프리우스와 함께 발전해왔다.

하이브리드는 어떠한 동력원 2가지 이상을 함께 사용하는 것을 뜻한다. 이중 엔진이 꺼진 상태에서도 주행 가능한 것을 풀-하이브리드, 엔진이 꺼지지 못하고 출력보조만 받는 방식을 마일드 하이브리드라고 부른다. 동력의 흐름에 따라 엔진과 모터가 각각 작동하는 것을 병렬식, 엔진은 전기만 만들고 이 전기로 모터를 구동하는 직렬식으로 나뉘기도 한다.

그렇다면 하이브리드 시너지 드라이브는 어디에 속할까? 토요타의 대답은 어디에도 속하지 않는다 이다. 모두 하이브리드 시너지 드라이브가 나오고 나서 정립된 분류방식이기 때문이다. 그래도 분류를 해보자면 모터만으로 주행이 가능하니 풀-하이브리드 방식이라 할 수는 있겠다.

토요타의 하이브리드 시너지 드라이브는 독특하게 엔진과 바퀴 사이에 일반 유압 변속기가 아닌 모터로 구성된 하이브리드 변속기가 들어간다. 2개의 모터가 기존의 변속기의 자리를 대신하는데, 하나는 동력을 바퀴에 전달하는 목적으로, 다른 하나는 엔진 시동과 배터리 발전을 하는데 사용된다. 2개의 모터 사용 비율에 따라 유기적으로 변속이 되는 것이다. 각각의 모터 사용의 사용 비율에 따라 모터만 사용할 수도 있고 엔진과 모터를 함께 사용할 수도 있으며 보다 높은 출력이 필요한 경우 이미 충전되어 있는 배터리의 힘까지 사용할 수 있다.

그렇다면 변속은 어떻게 할까? 이것도 모터가 한다. 운전자가 가속페달을 밟으면 컴퓨터가 엔진과 모터의 동력을 함께 계산하고 이것을 각각의 모터 회전수를 제어해 기어비를 제어한다. 때문에 엔진과 모터의 동력배분이 100:0이나 50:50 이렇게 딱딱 나눠지는 것이 아니고 유기적인 변화를 통해 동력이 바퀴로 전달된다. 이러한 특성은 실제 운전하면 마치 CVT 변속기와 비슷한 성격을 띠게 되는데, 이 때문에 토요타는 이러한 변속 방식을 e-CVT라고 이름 붙였다.

엔진의 효율이 좋아지면 연비는 당연하게 높아진다. 이 때문에 토요타를 비롯해 하이브리드 차량 대부분에는 일반 오토(otto) 사이클 방식이 아닌 앳킨슨(Atkinson) 사이클 방식의 엔진을 탑재하고 있다.

앳킨슨 사이클 엔진은 1882년 제임스 앳킨슨이라는 과학자가 발명해서 이름이 붙여졌다. 흡입행정보다 폭발행정의 길이를 길게 하여 실린더 내에서 발생한 폭발 에너지를 최대한 운동에너지로 바꿔주는 방식이라 할 수 있다. 이러한 변화로 같은 배기량의 엔진보다 효율이 12~14%까지 향상시킬 수 있기도 하다. 물론 단점도 있다. 밸브 타이밍 제어가 복잡하고 엔진 허용 회전수도 낮아지며 저속 토크도 부족해진다. 때문에 0rpm부터 최대토크가 발생되는 전기모터와의 궁합이 아주 좋은 것이다.

현재 판매중인 3세대 프리우스는99마력과 14.5kg.m의 토크를 발생시키는 4기통 1.8리터 엣킨슨 사이클 가솔린 엔진과 82마력의 전기모터가 결합되었다. 함께 발휘하는 시스템 출력은 136마력. 토요타에 따르면 3세대 하이브리드 시너지 드라이브는 90%의 부품이 새로 설계됐고, 인버터와 전기모터, 구동축이 20% 가벼워졌으면서 시스템출력은 22% 증강되었다고 한다.

3세대 프리우스는 양산차 중 최초로 엔진룸 속 구동벨트가 없다. 에어컨과 워터펌프가 배터리 전력으로 구동되고 엔진의 배기열을 히터로 활용하는 구조이기 때문이다.

디자인 역시 공기저항을 최소화시키는데 중점을 둔 형태가 지금의 모습입니다. 출시된 지 4년 가까이 되어가지만 0.25Cd라는 수치는 지금도 가장 낮은 수치 중 하나로 꼽히고 있을 정도다. 일부 트림에는 태양광 에너지까지 활용하도록 솔라 패널도 적용하고 있다.

주행모드는 EV모드, 에코 모드, 파워 모드 세 가지로 나뉜다. 전기모터만 사용하는 EV모드는 시속40km/h까지 도달할 수 있다. 에코 모드는 차량의 모든 시스템을 효율에 초점을 맞추고 파워 모드는 반대로 높은 출력을 활용할 수 있도록 변경된다.

물론 약점도 존재한다. 프리우스의 배터리는 1.4kWh 용량의 니켈-메탈 배터리를 갖추고 있는데, EV 모드를 지원한다지만 실 사용거리는 매우 짧기 때문이다. 이를 극복하기 위해 토요타는 프리우스의 플러그-인 하이브리드 버전도 운영하고 있다.

일반 프리우스가 내연기관 자동차와 전기자동차의 중간에 위치했다면, 프리우스 플러그-인 하이브리드는 하이브리드 자동차와 전기자동차 중간에 위치한다. 보다 전기자동차의 성격이 강조된 것이다. 이를 위해 프리우스 플러그-인 하이브리드는 배터리가 통째로 바뀌었다. 용량은 4.4kWh로 3배 이상 늘어나고 리튬-이온 방식으로 변경됐다. 여기에 플러그-인이라는 이름처럼 외부충전 케이블도 갖추고 있다.

이 새로운 배터리의 무게는 80kg이나 나간다. 무게를 줄이기 위해 스페어타이어를 빼고 트렁크 바닥을 벌집모양으로 설계하기도 했다. 덕분에 무게증가분은 55kg 정도.

커다란 배터리가 탑재된 만큼 프리우스 플러그인-하이브리드는 전기모터만으로 26.4km의 거리를 이동할 수 있게 됐다. 또 최고속도도 시속 100km/h까지 도달 가능하기도 하다. 토요타에 따르면 배터리와 연료를 모두 충전한 상태에서 이동할 수 있는 거리는 1천km가 넘는다고 한다. 외부 전원을 이용해 배터리를 충전하는 시간은 90분 정도가 소요된다.

현재 토요타는 미래에도 하이브리드에 투자를 더욱 늘린다는 계획이다. 지난 4월부터 내년 3월까지 1년간 연구 개발비 8900억엔, 설비 투자비 9100억엔 등 한화 20조원에 가까운 금액을 투자한다는 계획도 실행 중에 있다. 하이브리드를 앞세워 자동차 시장의 판도를 뒤흔든 토요타와 이미 프리우스의 연비를 넘어선 독일 디젤 모델들이 앞으로 어떤 행보를 이어가는지 지켜보는 것도 흥미롭지 않을까?