친환경차 중 두 가지 이상의 구동계를 사용하도록 만들어진 자동차. 약칭으로 하브라고 부르는 경우도 많다.
보통은 전기모터를 같이 쓰며, 전기자동차와는 달리 내연기관 엔진을 함께 사용한다.
역사
1899년 페르디난트 포르셰가 내놓은 믹스테가 최초. 프랑스어로 혼합된 이란 뜻으로 하이브리드와 뜻이 비슷하다.
4개의 바퀴마다 독립된 인휠 전기 모터가 독립적으로 구동되었다. 내연기관은 오직 전기만 충전하는 용도였다.
믹스테는 최고 시속 60km에 달했고 랠리에 참여해 기록을 세우기도 했으며 당대는 여러 구동기관이 난립하던
때여서 순수 전기 기관에서 증기 기관까지 온갖 자동차가 다 있었다.
2차 대전 당시 중구축전차, 초중전차 등 당시 기술 수준에서 매우 무거운 전차를 만들려 할 때 시험적인 설계에
사용되었다. 유명한 6호 티거의 포르셰 프로토타입인 VK 45.01(P)와 사상 최중량의 전차인 초중전차 마우스를
비롯하여 중구축전차인 엘레판트나 영국의 TOG, 소련의 IS-6(오비옉트 253)도 하이브리드 기관을 가졌다.
당시의 소재기술, 가공기술로는 70~200톤에 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 단계에 전동기 효율도 그리 좋지 못하였으므로 성능 자체가 기존
변속기보다 나을 것은 없는데 신뢰성도 낙제점이었고 당연히 정식 채택에도 큰 어려움이 따랐다. 다만 엔진 구동의
개념은 비슷하므로 현대의 하이브리드 엔진과는 구조가 유사하다.
현대적인 하이브리드 자동차의 시초는 1997년 출시된 도요타 프리우스이다. 프리우스가 등장했을 때는 아직 배터리
의 낮은 에너지 밀도가 해결되지 않았을 때였다. 충전 인프라 또한 부족했다. 석유파동 때문에 기존의 주유소를 이용
할 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, 포르셰 918 스파이더, 라페라리, 멕라렌 P1 등의 하이브리드 모델을
내놓고 있다. 또한 이러한 흐름은 모터스포츠한 예외는 아니라 F1은 2009년부터 하이브리드를 선택가능 하게 했고
2014년부터는 하이브리드를 의무화했다. 재밌는 점은 2014년부터는 희생제동뿐만 아니라 배기가스 배터리
충전에 사용하고 있다.
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 체결하는 등 다른 하이브리드 방식에 비해서 설계가 자유로운 편이다. 엔진은 발전기 역할만
하므로 사람이 어떻게 운전을 하든 항상 엔진의 RPM이 최고 효율 구간으로 유지된다. 급가소, 급정지, 신호대기 등
주행 상황과 상관없이 엔진은 항상 연비 주행 상태이므로 엔진 효율 자체는 우월하다. 물론 언덕이나 고속 주행 시에는
지속적으로 높은 RPM으로 발전해야기 때문에 연비가 떨어진다.
주로 이 경우는 대형 시내버스/전차(탱크)/디젤 기관차 및 디젤동차 등 철도차량같이 크고 무거운 중장비에 채택되는
경우가 많다. 그 이유는 디젤-전기식 변속기는 기계식 변속기보다 내구성이 좋아 고출력 파워트레인에 적합하기
때문이다. 배터리까지 붙인 하이브리드 방식의 철도차량은 일본의 카카 E991계, 상업운전용 차량으로서는 카하E200
계가 첫 양산 사례가 된다.
일반 양산 승용차에는 닛산이 2016년에 2세대 노트 페이스리프트 버전에 탑재한 e-power 파워트레인이 최초다.
1.2리터 3 기통 자연흡기 엔진을 발전기로 사용해서 배터리에 저장한 다음 리프에서 가져온 모터와 제어장치를 통해
주행하는 방식을 사용한다. 해당 파워트레인은 이후 세레나와 킥스에도 동일한 파워트레인을 앉아 하이브리드 모델로
판매했다. 차이점은 배터리 용량과 모터의 출력이 약간 달라진 것뿐, 대부분의 부품 공용화로 원가절감을 이뤄냈다.
이후 3세대 노트에는 휘발유차를 폐지하고 오직 2세대 e-power 파워트레인만 발매되었다.
처음에는 연비 문제가 컸었지만 점차 개선되는 중이다. 낮은 연비로 주로 배터리가 엔진이 효율 구간에서만 작동되지
않는 이유 때문이다. 최근에는 배터리 성능이 개선됨에 따라, 상대적으로 큰 용량의 배터리를 넣어서 연비를 개선한다.
사실 어떤 형태의 하이브리드 자동차라도 큰 배터리를 넣으면 연비가 개선되는 효과가 있다. 배터리에 여유가 있으면
엔진을 가능한 효율 구간에 작동하도록 조정할 수 있다.
병렬 하이브리드
병렬 하이브리드는 엔진주행과 모터주행을 동시에 실시할 수 있다. 병렬식 하이브리드 모터의 위치에 따라 FMED
와 TMED로 분류된다. FMED는 엔진과 상시 맞물려있기에 모터만으로 주행할 수 없어 소프트형 하이브리드,
TMED는 엔진과 분리되어 모터만으로 EV 모드 주행이 가능하여 하드형 하이브리드라고도 불린다.
TMED는 현대자동차가 쓰는 방식이고, FMED는 혼다에서 주로 쓰는 방식이다. 그러나 혼다도 이제 FMED 병렬
하이브리드는 거의 만들지 않고 i-MMD 직병렬 하이브리드로 갈아타고 있는 추세이다.
장점은 기존 자동차와 파워트레인 레이아웃이 흡사하여 개발비를 아낄 수 있다는 점이다. 따라서 다양한 파워트레인
을 선보일 수 있고 변속기가 기본적으로 탑재되기 때문에 전륜엔 공간 때문에 고출력 모터를 못 넣는다 쳐도 후륜에
고출력 모터를 달아서 고성능 하이브리드도 만들 수 있다. 모터도 한 개만 들어가 비용면과 경량화에 유리하다.
그와 동시에 모터나 엔진 단독만으로만 움직일 수 있는 등의 풀 하이브리드 자동차의 특성을 모두 누릴 수 있다.
그러나 엄연히 말하자면 병렬 하이브리드에 모터가 1개만 들어간다는 말은 틀린 말이다. HSG라는 모터가 액세서리
벨트로 구동된다. HSG는 시동을 걸 때도 필요하지만 엔진이 개입하려고 할 때 밸브바디에서 클러치를 붙일 때
어시스트 모터로 보조하기도 한다. 직병렬 하이브리드에선 필요 없는데 이유는 시동용 모터는 발전용 담당인 MG1
모터가 그 역할을 수행하기 때문이다.
단점도 있다. 엔진과 변속기 사이에 모터를 위치시키는 설계로 인해 모터의 크기를 일정 수준 이상 키울 수 없는
구조적 문제가 있다. 직병렬 하이브리드에 비해 모터 출력이 낮아(대략 50마력 내외의 모터가 탑재되며 직병렬
하이브리드와 비교화면 2배 이상 차이 난다.) 모터만으로 가속 가능한 속도가 낮고 모터만으로 주행 가능한
거리도 짧다. 이 때문에 중 저속 주행이 많은 시내 주행 효율을 일정 수준 이상 높이기가 어렵고 엔진 개입이
자주 일어나게 된다. 그래서 하이브리드임에도 순수 내연기관 자동차의 마찬가지로 정속 주행으로 엔진 효율을
높일 수 있는 고속 주행 연비가 시내 주행 연비보다 더 좋은 의외의 상황이 발생한다. 그리고 결정적으로 직병렬
보다 효율이 살짝 떨어진다.
고속연비가. 시내연비보다 절대적 수치는 앞선다 할지라도 상대적 연비절감효과는 시내주행에서 더 크게 나타난다.
예를 들어 가솔린 2.0 엔진의 중형세단의 연비는 보통 시내주행 10km/L 이후, 고속주행 10km/L대 중후반인 반면
동급 하이브리드 중형세단은 구형모델도 시내는 10km/L대 중반, 고속은 20km/L 초중반대로 나타난다.
절감률을 따지면 시내주행은 50% 이상, 고속주행 30% 이하로 장거리 고속주행 운전자보다는 단거리 시내주행이
많은 운전자에게 더 경제성이 있음을 알 수 있다.
다만 작은 모터나 배터리, 저속모드 연비 등의 단점은 크지 않은 편이다. 승용차 수준에서 고효율을 꾀하려면 작은
모터와 적당한 용량의 배터리로도 충분하다 볼 수도 있다. 병렬 하이브리드 시스템은 내연기관의 효율이 낮은 구간을
보조하는 식으로 이루어진다. 이때 내연기관 효율이 낮은 구간은 저속 구간이며, 저속 구간은 작은 전기 모터 정도로
충분한 동력을 낼 수 있다.
이 단점이 두드러지는 분야는 중량이 큰 상용차 분야다. 구현에 문제가 많아서 CNG 버스 소수 기종 외에는 상용화된
사례가 적다. 이는 하이브리드 상용차들이 공통적으로 가지는 문제 이긴 하다. 때문에 상용차는 수소자동차, 전기자동차
로 바로 이동하는 경향이 보인다.
직병렬 하이브리드
두 가지 방식의 혼용이다. 도요타 프리우스에 채용되며 가장 유명해진 덕분에 도요타는 자사의 프리미엄 브랜드인
렉서스에도 많이 채용하며, 혼다, 르노 등은 특허를 우회해서 사용한다. 공학식 용어로는 동력 분기식 하이브리드
(직렬 병렬 복합식 하이브리드)라고 하며 해외에선 power split type 하이브리드라고도 한다.
병렬 하이브리드처럼 엔진이 직접 자동차가 구동에 관여할 수 있고, 직렬 하이브리드처럼 모터의 힘만으로도
움직일 수 있고, 전기차 수준의 급가속도 가능하다. 병렬 하이브리드와 달리 2개의 모터가 필수로 들어가며 예전에는
시스템에 따라 구동용, 발전용 모터가 각각 들어갔었지만, 현재는 구동과 발전을 모두 할 수 있도록 만들어졌다.
그리고 무엇보다도 엔진이 구동에 참여하지 않아도 발전을 할 수 있다.
2개의 모터는 MG1, MG2라고 하는데 여기서 MG는 모터(전동기)와 발전기를 뜻하는(Motor Generator)의
머릿글자에서 따온 것이다. MG1은 주행 중 발전으로 배터리 충전뿐만 아니라 시동을 걸 때 시동 모터로도 사용되며
MG2도 구동에만 사용되는 것이 아닌 회생제동 시 돌아가 발전기 역할도 담당을 한다. 따라서 각각의 역할은 정해져
있지만 한 기능에만 치우쳐지지 않고 복합적으로 작동한다. 덕분에 모터로 주행 중이거나 엔진이 개입했을 때도 발전기
모터(MG1)를 돌려 배터리를 충전할 수 있다. 내연기관만 사용했을 때보다 최대 100%가량 높은 연비를 보인다고
한다. 특히 렉서스 UX 기준 MG1 모터는 178 마력 당 131kw의 충전 출력을 배터리에 공급해준다고 한다.
도요타와 혼다의 직병렬 하이브리드 같은 경우 별도의 변속기는 탑재되지 않는다. PSD라고 불리는 유성기어+
하이브리드 제어 장치인 PCU(power control unit)+2개의 모터가 변속기를 대신해 엔진속도를 조절하는 방식으로
(기어비는 고정), 이것을 도요타에서는 e-CVT라 부른다. 명칭 때문에 기자들이나 자동차 커뮤니티에서 조차 벨트
또는 체인으로 구동되는 CVT가 들어간다고 혼동하는 경우가 많으며 실제로 나무위키에도 잘못 서술된 문서가 많다.
구동 방식을 간략히 설명하면 이렇다. 맷돌을 돌리는 사람이 하나 있고, 큰 요정 하나와 작은 요정이 하나 있다.
사람은 움직임이 아주 특이한데, 아예 움직이지 않거나 최적 효율로만 움직인다. 물론 조금 힘을 더 내거나 줄이거나는
하지만, 최적 효율에서 크게 벗어날 정도는 아니다.