하이브리드 자동차 하면 가장 먼저 떠오르는게 토요타(Toyota) 일 것입니다.
2000년도 초기에 가솔린 차량은 연비가 잘나와야 대략 10km/L 초반대였는데에 반해, 토요타의 프리우스(Prius)라는 하이브리드 자동차는 나홀로 후반대, 거의 20km/L 대를 보여서, '미친 연비'로 다들 기억하고 있으니까 말이죠. 그래서 토요타의 하이브리드가 원조격이고 가장 좋은 시스템이다 라고 많이들 생각하실 겁니다.
하지만 실제로는 반은 맞고, 반은 그렇지 않습니다.
토요타에서 사용하는 하이브리드의 시스템은 직병렬형이고, 현대차에서 사용하는 하이브리드 시스템은 병렬형입니다.
부르는 이름은 조금 다른 경우도 있습니다. 병렬형을 MILD HYBRID(Soft type) 라는 명칭으로 쓰고 있죠. 직병렬형은 FULL HYBRID(Strong type 또는 Hard type) 라는 명칭을 쓰구요. 토요타 코리아 홈페이지에서는 두 타입의 특징을 간단히 적고, 토요타 하이브리드는 모두 효율이 우수한 풀 하이브리드라고 자랑을 해두었습니다.
이 단어만 가지고는 도대체 어떤 시스템이고 어떻게 다른지 감이오질 않습니다. 우선 아래에서 간단하게나마 설명드리도록 하겠습니다. 분명한 것은 둘 다 장단점이 있는 시스템이라서 누가 더 우위에 있는 시스템이다라고 말할 수 없다는 거죠. 그 이유는 이따 쏘나타와 캠리의 비교에서 말씀드리겠습니다.
현대차 먼저 설명드리는 이유는, 토요타는 직렬+병렬인 직병렬타입이다보니, 직렬과, 병렬을 각각 설명해야 두가지를 합쳤을 때 어떤 구조인지 더 쉽기 때문입니다.
1. 현대차 병렬형 하이브리드
위 사진과 같이 엔진과 트랜스미션(변속기) 중간에 모터가 있는 구조인데, 어떻게 보면 트랜스미션, 즉 변속기에 모터가 포함되어 있다고 봐도 무방합니다. 차량이 출발할 때 이 모터가 변속기를 통해 가속하여 주행하고 가속이 필요한 경우, 아래 사진처럼 생긴 엔진 클러치(Engine clutch)가 붙는데, 엔진이 같이 돌면서 출력을 더해줍니다. 단순히 내연기관 차량에서 모터가 중간에 추가된 시스템이라 구조가 간단한 장점이 있죠. 구조가 간단하니 부품이 적게 들어가 무게도 가벼워지고, 그로인해 가격도 낮아집니다. 당연히 수리비도 더 적게 들게 되겠죠.
하지만, 단점으로는 엔진과 변속기 사이에 모터가 중간에 껴 있어야 하므로, 사이즈, 즉 공간에 대한 제약이 큽니다. 그렇다보니 고출력의 모터를 넣을수가 없는데요, 그래서 정차후 저속 주행시 전기차의 강한 모터의 힘을 느낄 수 는 없습니다. 물론 천천히 출발하면 모터로만 출발이 가능하지만, 조금만 가속페달을 더 밟으면 바로 엔진이 개입해야합니다.
저속에서 충분한 모터의 개입이 적다보니 병렬형이 상대적으로 직병렬형보다 도시연비가 낮게 나오게 됩니다. 그래서 내연기관 차량처럼 고속도로의 정속주행인 경우가 연비가 더 잘나오는 경향이 있습니다.
그리고 모터가 한 개 뿐이라서, 주행과 동시에 발전을 할 수가 없습니다. 이게 처음에는 단점처럼 느껴졌지만, 실 주행조건에 빗대어 생각해보면 그리 큰 단점은 아니라고 볼 수 있습니다.
토요타의 직병렬형을 설명하기 전에, 직렬형을 설명드리도록 하겠습니다.
※ 직렬형 하이브리드
직렬형 하이브리드는 모터로만 주행을 한다고 보면 됩니다. 그래서 엔진-인버터-모터가 직렬도 일자로 연결되어 있습니다. 엔진은 단순히 발전기 역할만 하는 것입니다. 그래서 주행 방식은 아예 전기차와 똑같습니다. 고전압 배터리에서 전력을 얻느냐, 엔진과 연료에서 얻느냐의 차이일 뿐입니다.
장점은 전기차의 장점인 초반 토크죠. 전기차와 동일한 고출력 모터를 사용할 수 있어서 초반 가속력이 좋고, 엔진 또는 회생제동장치로 충분한 배터리를 충전했다면 전기차처럼 전기모드로 주행할 수 있는 시간과 거리도 꽤 됩니다.
구조적으로도 매우 단순합니다. 엔진이 직접적으로 주행에 관여하지 않기때문에 변속기가 필요 없습니다. 모터도 두 개를 넣을 수 있기 때문에 충전과 주행을 동시에 할 수도 있죠. 물론 하나만 넣고 변속기를 넣어도 되긴 하겠죠. 넣는다면 변속기는 1, 2단 정도만 있는 경우가 대부분입니다.
단점으로는 엔진의 출력을 그대로 전기 충전에만 사용하므로 에너지 손실이 발생할 수 밖에없습니다. 화석연료를 태워서 나오는 열과 힘을 그대로 운동에너지로 사용하면 좋겠지만, 전기에너지로 변환하여 모터를 돌려야하기 때문에, 그 변환하는 데에 필요한 손실이 발생할 수 밖에 없는 것이죠.
2. 토요타 직병렬형 하이브리드
직렬과 병렬의 동시에 한다고 보면 됩니다. 직렬형처럼 모터만으로 주행이 가능하기도 하고, 병렬형처럼 엔진만으로, 또는 엔진과 모터 동시에 주행 할 수 있습니다. 위 사진에서 보이다 시피 Generator와 Motor 두개가 모두 모터임을 알 수 있습니다. 두개의 모터가 들어가서 하나는 발전기(Generator), 하나는 주행용 모터(Motor)로 사용하는 것입니다.
그리고 파워트레인의 일종인 트랜스미션, 즉, 변속기는 없습니다. eCVT라고 홈페이지에 변속기가 명기되어 있는데, 실제로는 변속기가 없고 두개의 모터가 변속기의 기능을 대신합니다. Power Split Device라고 불리는 부품에서 변속기 기능이 된다고 보면 되는데요, 파워분배장치 정도로 해석이 되겠네요.
단점으로는 두개의 모터에 파워 스플릿 디바이스까지 전체적인 시스템의 무게가 상대적으로 무겁고, 구조적으로 복잡해서 비싸다는거죠.
각 시스템의 설명은 어느정도 된 것 같네요. 이제 제 사견을 적어볼까 합니다.
이제는 어떤 시스템이 더 좋다라고 할 수가 없는데, 그 이유는 연비라는 결과값이 말해주고 있기 때문입니다. 사실 별로 차이도 없습니다. 오히려 현대의 병렬이 더 좋게 나오는 사례도 있구요. 특히 중형급인 토요타 캠리와 현대 쏘나타를 비교하면 그렇습니다.
그 이유는, 현대의 직병렬의 단점이라고 언급했던 모터가 1개라서 주행과 충전을 동시에 못한다는 것이었습니다만, 실제로 생각해보면, 별로 의미없는 내용입니다.
모터가 작동하는 경우는 대부분 내연기관으로 연비가 안나오는 상황일 것입니다. 그래서 모터가 힘을 더해주는 거겠죠. 예를 들면, 정차후 저속 주행이거나 잠깐 가속을 하는 경우입니다. 정차후 저속 주행시 모터로만 작동하는 경우가 많구요, 토크나 출력이 부족하면 엔진도 동시에 돌면서 출력을 더해줄 것입니다. 근데 이때 힘들게 돌아가는 엔진을 이용해 충전을 하겠다구요? 가뜩이나 힘들어 충전할 여력이 없는 상황인데 말입니다. 그리고 가속인 경우에도 엔진+모터의 힘으로 박차고 나가야하는데, 이 때도 엔진을 힘들게해서 충전을 하겠다구요?
단순하게 위 두 경우에만 생각해보면 직병렬이 굳이 필요가 없습니다. 구조가 복잡해져서 오히려 다른 단점이 생길 수도 있습니다. 물론 다양한 경우까지 계산하여 충전과 주행을 동시에 보조할 수 있다면 분명이 좋은 시스템인 것은 분명합니다. 하지만 그런경우가 평소 주행시 얼마나 있을까하는 의문이 드는 부분입니다.
그래서 더욱이 이제는 어느 시스템이 더 좋다고 말할 수 없을 것 같습니다. 실제로 연비로 그 상황을 그대로 보여주거든요.
동급이라고 볼 수 있을지는 모르겠지만, 차량 크기로 보아서는 중형급으로 토요타 캠리 하이브리드와 비교해 볼 수 있겠죠. 오히려 차량 크기로 봐서는 쏘나타 하이브리드가 전장 +20mm, 전폭 +20mm, 축거 +25mm 씩 더 큽니다. 오히려 공차중량은 -160kg 적습니다. 토요타 캠리는 18인치 타이어고, 쏘나타 하이브리드는 16인치 타이어 기준이네요. 타이어 기준을 똑같은 걸로 다시 맞추고 확인해보겠습니다.
하지만 그렇다고해도 연비가 2.4km/L면 꽤 큰 차이가 나는거죠. 아마도 공차중량의 영향이 꽤 클 것 같습니다.
네이버 자동차에서 비교했을 땐 위 수치가 나왔습니다만, 실제로 각 제조사 홈페이지에서 상세 스펙을 보았을 때는 조금 달랐습니다. 아마도 네이버 자동차는 캠리 하이브리드 XLE 트림으로 작성한 것 같습니다. 좀 더 낮은 가격의 트림인 LE로로 확인해봐야겠습니다.
토요타 코리아 홈페이지에서 캠리 하이브리드 LE (XLE 아님 주의) 트림을 확인해보면 조금 더 공차중량은 낮고, 연비는 소폭 높습니다. 타이어는 똑같이 맞춘 17인치 기준입니다.
둘다 17인치타이어 기준으로 아래와 같이, 여전히 쏘나타 하이브리드가 0.6km/L 더 높습니다.
- 토요타 캠리 하이브리드 연비 : 18.5km/L (도심 18.8, 고속 18.2)
- 현대 쏘나타 하이브리드 연비 : 19.1km/L (도심 19.0, 고속 19.1) (+0.6)
신기하게 이론적으로 딱 들어맞는 결과가 보이네요. 캠리 하이브리드는 도심이 고속보다 더 높게 나왔는데, 그에 반해 쏘나타 하이브리드는 도심과 고속이 거의 비슷한 수준으로 나왔습니다. 아주 미세하게 고속이 더 높게 나왔습니다. 약간은 상반된 모습입니다. 직병렬의 장점인 도심에서의 연비가 높게 나왔고, 병렬형의 단점인 도심의 연비가 낮다는 것인데, 이미 그 도심 연비마저도 병렬형인 현대가 앞서고 있습니다. 위에서 언급했듯이 모터가 필요한 저속, 가속 등 구간에서는 굳이 충전용 별도 모터가 필요 없기 때문이 아닐까요. 그리고 또 공차중량에서도 그 원인을 찾을 수 있지 않을까 싶습니다.
- 토요타 캠리 하이브리드 공차중량 : 1620kg
- 현대 쏘나타 하이브리드 공차중량 : 1505kg (-115kg)
토요타가 직병렬 시스템 하이브리드 기술에 많은 특허를 가지고 있습니다. 그 당시에는 완벽하다고 생각했던 이 방식에 특허까지 받아서 다른 기업은 쳐다도 볼 수 없는 연비를 가진 차를 많이 만들어 냈습니다. 하지만 우물안의 개구리가 되고 만 것일까요. 직병렬 타입을 계속 고수하게 되는 유연성이 사라진게 아닐까 싶은 생각이 자꾸 듭니다. 토요타의 특허를 회피하기 위해서 현대, 혼다 등 여러 기업에서는 병렬형 하이브리드를 개발하면서 더 효율적인 방식을 연구하게 되었으니깐요.
각 시스템의 장단점이 분명하죠.
그렇습니다.
현대자동차 병렬형 하이브리드의 장단점은 아래와 같습니다.
- 1개의 모터뿐이라 주행/발전 동시에 불가능 : 연비손실(?)
*실조건으론 의문이 좀 들지만 이론적으론 맞으니 넘어갑니다.
- 변속기가 있음(필요함)
- 대신 구조가 간단해져서
- 저렴한 가격, 가벼운 무게 : 연비상승
- 저렴한 수리비
토요타 직병렬형 하이브리드의 장단점은 아래와 같습니다.
- 모터 2개인 경우 주행/발전 동시에 가능 : 연비상승
- 변속기가 따로 필요 없음 (부품 절감)
- 대신 구조가 복잡해져서
- 비싼 가격, 무거운 무게 : 연비손실
- 비싼 수리비
구조가 복잡해지면 수리비가 더 나올수밖에없는 상황인거죠. 그래도 토요타에서는 하이브리드 특별보증 서비스를 하고 있습니다. 고전압배터리는 10년 또는 20만km, 그외 하이브리드 시스템 관련 부품은 5년 또는 8만km 수준으로 길게 잡아주고 있습니다. 수입자동차가 이정도 서비스를 해준다고 하면 괜찮은 수준이긴 합니다만.
우리나라에서 현대자동차의 서비스는 독보적이죠. 하이브리드 관련 부품 10년 20km입니다. 중고차나 신차 교환 프로그램도 있구요.
두 기업간의 하이브리드 기술력의 차이는 이제 거의 없다고 봅니다. 가격과 A/S를 생각하면 우리나라에서는 현대자동차의 하이브리드를 선택하는게 더 마음으로는 편할 것 같습니다. 별탈 없이 오래 타는게 중요한거니깐요.
긴 글 읽으시느라 고생하셨습니다.
감사합니다.
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