현대기아의 하이브리드-회생제동 시스템에 대하여

필자는 현재

2013년도에 제조된 현대자동차의 YF 쏘나타 하이브리드 모델을 운용 중이다

가솔린을 베이스로 하는 중형 세단치고는 매우 준수한 연비로

상당히 만족하고 있다

사실 이번에 여러 악재가 겹치고

또 환경 관련 규제들이 그 위에 얹히며

디젤 엔진의 입지는 상당히 좁아져 가는게 현실이고

자연스레 하이브리드를 비롯한 친환경 모델에 사람들의 관심이 무게를 더하고 있다고 보인다

하이브리드.. 요새 조금씩 주변에서 볼수 있긴 한 듯한데

그럼 정확히 무슨 원리로 연비를 높여주는 것일까??

오늘은 현대기아차의 하이브리드, 회생제동 시스템에 대한 심층 분석으로 소비자 여러분의 이해를 도와 드리고자 한다.

아래는 현대기아 하이브리드 차량의 에너지 흐름도를 그림으로 나타낸 것이다

총 아래 8개의 경우가 발생하게 된다. 

1) 엔진 -> 배터리 충전

막 시동을 걸고 정차 상태를 유지할 경우

이렇게 엔진을 돌려 배터리를 충전한다

배터리가 주행에 개입하여 엔진을 보조하도록 준비를 시켜주는 것이다

여기서 에너지 효율은

사실 공회전을 통해 충전을 한다고 하지만

그 기어들 사이에서 당연 손실이 발생하게 되는 것은 맞다... 100% 전달은 불가능.

하지만 애초에 공회전시 버려지는 그 에너지 중 일부만이라도 배터리로 보내어 충전을 하고

이것을 이후 주행에 활용하게 된다면

순수 공회전보다는 훨씬 연비절감에 도움이 되는 부분이다

또한 이 과정에서 배터리가 어느정도 충전이 되면

스스로 엔진을 정지시킨다. 

이때의 실내는 그야말로 무소음. 정적이 흐른다.

민감한 사람들이 느낄 만한 미세한 전기음만이 느껴질 뿐이다.

하이브리드를 처음 이용하는 사람들은 보통 여기에서 탄성이 나온다.

이 상태에서는 저 7) 과 같은 화면이 나오게 된다.

2) 엔진 -> 주행 + 배터리 충전

2번의 상태는

엔진으로 주행을 시작하면

엔진으로 앞바퀴를 굴리며(전륜구동 차량의 경우) 동시에 그 크랭크축의 구동을 이용하여

제너레이터(발전기)를 구동, 차량의 뒤에 있는 고전압 배터리(주행용)에 전기를 충전한다.

1)과 마찬가지로 엄밀히 따지면 한차례 기어들을 맞물려 가기 때문에

충전되는 에너지 효율은 100%는 아닐 것이다

하지만 제너레이터를 구동하기 위해 필요한 에너지를

크랭크축이 기본적으로 돌아가기 위해 필요한 에너지에 최대한 추가적인 부담을 덜 싣는,

말하자면 살짝 얹는 수준으로 하여 에너지 손실을 최소화한다고 본다.

이게 효율적인지 아닌지는 실제 주행을 통한 실연비를 확인해보면 아는 부분인데...

필자를 비롯한 실제 소유주들의 만족스런 후기, 소감들이 그 효과를 입증해 주고 있다고 본다. 

3) 엔진 -> 주행

매우 잠깐 발생하는 화면이다

발생 조건은 2)에서 4)로 넘어가는 잠깐의 사이

엔진에서 바퀴를 굴리고

동력이 남아 배터리에 충전을 하던 중

악셀패달을 강하게 밟아주면

충전 위주에서 출력 위주로 변경하며 배터리 충전을 멈춘다

이때 이러한 화면이 발생하게 된다.

4) 엔진 + 모터 -> 주행

액셀을 깊이 밟아 출력을 뽑아낼 때 발생하는 화면이다

평상시 적당한 악셀링으로 2)와 같은 상태를 유지하던 중

필요시 악셀을 깊이 밟아주게 되는 경우가 종종 있는데

이를테면 급가속을 한다든가

혹은 오르막을 올라간다든가 할 때가 여기 속한다.

엔진의 휘발유 소비량이 높아지며

동시에 충전해둔 배터리의 전력까지 함께 소모하므로

에너지 효율이 가장 떨어지는 구간이다

연비운전을 하는 하이브리드 이용자들은 가장 피해야 하는 화면이다

5) 엔진 -> 배터리 충전 -> 주행

엔진이 공회전을 하며 배터리를 충전하고 그 배터리의 전기만으로 주행이 가능한 구간이다

주로 차량의 시동을 걸고 처음 배터리가 부족한 상태에서 저속 주행을 하면 볼 수 있는 화면.

약 0~20km/h까지는 이 화면을 볼 수 있다

이후 배터리가 충분히 충전이 되면 엔진은 정지된다.

아침에 출근을 위해 차량을 움직일 경우 (밤중에 배터리가 자연스레 방전이 되므로) 약 5분정도 위 화면이 나오게 되는데...

이 때문에 짧은 거리 출퇴근만을 위해 이용할 경우 연비가 그다지 만족스럽지 않게 나올 수 있다

이 점은 소비자들이 유념해야 할 부분이라고 본다.

6) 배터리 -> 주행

 두 가지 조건하에서 볼 수 있다

첫째는 배터리 충전량이 넉넉할 경우 저속 주행시,

둘째는 배터리 충전량이 넉넉할 경우 탄력 주행시

그러니까 첫째는 위 5)의 경우에서 배터리 충전이 일정 수준에 달했을 때 배터리만으로 바퀴를 굴려 차를 진행시키는 것이고,

둘째는 주로 2) 구간에서 주행과 함께 배터리가 넉넉히 충전되었을 경우

차가 탄력주행으로 밀어만 줘도 나아가는 상황이 되었을 때

엔진을 정지시키고 배터리의 전력만을 이용해서 차를 진행시키는 것이다.

장거리 주행에서 많이 볼 수 있으며

바로 이 부분이 하이브리드 차량의 진가가 발휘되는 구간이다.

이 구간을 많이 이용하게 되면 볼 수 있는 화면은....

짠.

심심해서 한번 뽑아본 본인의 최고기록이다(약 45분간, 에어컨은 쭉 켜놓고 달렸다)

디젤수동 뺨치는 연비 아닌가??

(아... 물론 80km정속주행이라는 점이 함정ㅠㅠ)

크루즈 컨트롤을 써서 80km로 놓고 달렸는데.. 아마 에어컨 끄고 발컨을 했다면 더 많이 나왔을지도...

7) 엔진정지, 정차중

정차 상태에서 배터리 충전량이 넉넉한 경우 볼 수 있는 화면이다.

상술한 것과 같이 정적이 흐른다

분위기가 살짝 어색해질 정도로 고요하다ㅋㅋㅋ

자연스럽게 조수석 탑승자가 묻는다(얘 왜이래?)

자랑 타임ㅋㅋㅋㅋ

8) 앞바퀴 -> 배터리

이 화면도 잘 보기 힘든 화면...

특정 조건 하에서만 발생한다

바로 내리막 주행시이다.

이 원리에 대해서 정확히는 모르겠지만 두 가지 가능성을 생각해 볼 수 있는데,

첫째는 엔진 브레이크이다.

기어가 들어간 상태에서 주행을 하면 자동으로 엔진 브레이크가 걸린다는 것은 아시리라 본다

그래서 내리막에서 악셀을 밟지 않으면 자연스레 감속이 이루어지는 것이다

 

이 엔진 브레이크로 내리막 주행시 운전자의 안전을 도모하며 동시에 엔진의 구동을 통해 배터리에 충전을 한다

이러한 구조일 가능성 하나.

둘째는 회생제동이라고 하는 독특한 매커니즘

현대기아의 하이브리드는 브레이크를 밟을 때 발생하는 마찰에너지를 흡수해

배터리로 보내어 전기를 충전하는 시스템을 이용한다

이른바 회생제동 시스템이라고 불리우는 것

내리막 주행시 자동으로 이 바퀴 부분의 브레이크가 작동하여

발생하는 마찰에너지를 전기로 변환하여 배터리를 충전

이러한 구조일 가능성이 둘.

어쩌면 이 둘 다를 동시에 이용하는 가능성 셋.

위 그림의 4번 구간에 해당하는 상태이다

자세히 써 있지 않아 어떤 식인지 정확히 판별해내기 어렵지만

서술과 그림을 통해 유추해 보건데 두번째 가능성에 힘이 실린다.

하이브리드 시스템에 통제를 받는 배터리는

보통 완충되지 않고 2/3 정도가 충전되면 적극적으로 주행에 개입, 연비를 향상시킨다

(완전 충전/완전 방전은 배터리에 좋지 않다는 말을 들은 적이 있다)

하지만 이 구간이 계속되면 배터리가 완충되는 모습을 볼 수가 있다!

이렇게....ㅎㅎ

이때만 해도 우리 하돌이가 많이 어렸구나....

이상태에서 액셀을 밟으면

약 60km/h 내외까지도 모터로만 주행이 가능하다

단 배터리가 2/3상태로 줄어들면 다시 엔진을 쓰기 시작한다.... 하ㅠ

이 밖에 함께 언급해야 할 만한 내용은

회생제동 시스템이라는 것인데

위에서도 얼핏 언급했지만

주행중 브레이크를 밟게 될 경우 마찰력을 에너지로 수거해 주행에 이용한다.

이 차는 브레이크가 초반 반응성이 매우 좋다(?)

브레이크를 밟아주면 차가 걍 뻑하고 선다

그래서 조수석 사람들이 깜짝깜짝 놀랄때가 있다... 머리가 흔들릴 정도로(이점은 안습ㅠ)

잘 선다는 점은 좋은데... 옆사람은 브레이크 타이밍을 예측할수 없기 때문에 좀 피곤할것 같긴하다

이러한 특징은 아마 회생제동 시스템과 관계가 있는 것으로 보인다.

그 정확한 작동 원리는 자세히 언급하기 어렵지만(그쪽 분야의 연구원이나 엔지니어가 아니기 때문에)

무튼 브레이크를 밟아주며 에너지를 수거하므로 시내 주행시 막히는 구간에서도 어느정도의 이점을 볼 수가 있다

이 점 역시 하이브리드 차량의 장점이라 할 수 있을 것이다

여기까지 현대기아의 하이브리드 모델의 작동 원리에 대해서 파헤쳐보았다.

다른 제조사도 같은 매커니즘을 이용하는지는 잘 모르겠다만....

GM의 말리부 하이브리드 등 타사 모델들은 다른 방식을 쓰기도 하는 것으로 알고 있다

하이브리드 기술의 선두주자인 토요타, 렉서스 등 일본의 제조사들은

현대기아의 하이브리드 기술이 자사의 기술 대비 약 10여년 정도 뒤처져 있다고 깐 적이 있다(...)

사실인지 아닌지를 떠나 뭐... 충분히 그럴 수 있다고 본다.

애초에 우리나라 자동차 산업이 그들보다 후발주자이고

그들로부터 기술을 빌려오거나 얻어 쓴 것이 지금까지 많이 있어 왔지 않은가 말이다.

그래도 공식 제원을 통해 본 연비 차이는 크지 않다. 그런 기술력을 통해 거의 같은 퍼포먼스를 뽑아내고 있다는 얘기다

듣기로 현대기아가 토요타와 렉서스의 특허를 피해 어렵고 어렵게 하이브리드 시스템을 개발해 냈다고 한다.

자국내 기업이 후발주자로서 이런 좋은 모습을 보여주고 있다는 것,

뭐.. 다른 여러 이슈들을 제쳐 두고라도, 일단은 멋진 일이 아닌가.

(현빠/현까를 막론하고 인정할건 인정해도 좋을 거다... 우리모두 함께 잠깐 국뽕에 취해보자!!)

ㅋㅋㅋ

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