저자 소개
론 스텐스(Ron Stence)는 23년간 전자업계에 종사해 왔으며 마이크로프로세서 아키텍처 및 시스템 분야에서 10개의 미국 특허를 보유하고 있다. 그는 SAE 논문을 다수 집필했으며 지난 5년 동안 SAE 파워트레인(TOPTEC 및 DEPC) 협회 조정위원회에서 적극적인 활동을 펼쳐왔다. 론 스텐스는 현재 파워트레인, 하이브리드 시스템, 차체 및 새시 시스템, 차량 통신 등 자동차 업계의 다양한 임베디드 프로세서 부문을 다루고 있으며, 차량 캘리브레이션 및 디버그 기술에도 정통하다.

1900년대 초에, 당시 일반적인 자동차의 최고 속도였던 시속 40km에 도달하는  데 약 30초의 가속 시간이 필요했다. 1905년 파이퍼(Piper)란 사람이 내연기관에 전기 모터와 대형 납축전지 어레이를 결합하는 아이디어를 바탕으로 미국 특허를 출원함으로써 최초로 하이브리드 전기자동차라는 개념이 탄생했다. 파이퍼가 고안한 기본 원리는 가속력을 추가하여 10초 이내에 최고 속도에 도달하는 것을 목표로 한 것이었다. 하지만 불과 몇 년 사이에 가솔린 엔진의 성능이 개선되어 전기 모터와 배터리를 추가하지 않고도 적절한 시간 안에 가속이 가능하게 되었다.
헨리 포드(Henry Ford)의 아내가 친구가 버튼을 눌러 자동차의 시동을 거는 모습을 보게 되면서 자동차의 전기 시스템은 획기적인 변화를 겪게 되었다. 하이브리드 전기자동차는 1920년까지 계속 제작되었지만, 이후 50여년 동안 생산이 점차 줄면서 휴지 상태(dormant state)로 접어들었다.
전기 시동 모터가 개발됨에 따라 내연기관의 심각한 결점 중 한 가지를 없앨 수 있게 되었다. 12V 시스템이 더 이상 호화 고급 사양으로 여겨지지 않게 되었으며, 안전 기능 및 편의성 기능의 추가 추세, 연비 효율 향상 및 배기가스 감소에 대한 요구사항 등에 따라 필수적인 요소가 되었다.
하이브리드 전기자동차(HEV)란 전기 에너지를 사용하여 바퀴에 토크를 전달하는 승용차, SUV, 트럭 또는 기타 유형의 차량을 의미한다. 세단형 승용차로 고속도로를 주행하는 경우 속도를 유지하고 차량에 적용되는 항력을 모두 떨쳐내려면 약 11 kW의 에너지가 필요하다. 일반적으로 내연기관(ICE)은 75~150 kW의 출력을 제공하지만, 그 중 다량이 열, 마찰 또는 기타 비효율성으로 소모된다. 효율적인 하이브리드 엔진이라면 기존 내연기관 차량이 효율적으로 활용하지 못하는 몇 가지 부분에서 에너지를 절약하거나 일시적으로 저장할 수 있다.
하이브리드 자동차는 두 가지 방식으로 분류할 수 있다. 대개 직렬(series) 또는 병렬(parallel) 하이브리드로 나눈다. 직렬 및 병렬 하이브리드 차량은 효율성 높은 내연기관, 전기 견인 모터(electric traction motor), 파워트레인 전용으로 다량의 전기 에너지를 저장할 수 있는 니켈수소(NiMH) 및 리튬이온(Li-ion) 배터리 등 파워트레인 시스템의 구성에서 여러 유사성이 있다.
하지만 직렬 및 병렬 HEV 간에는 몇 가지 중요한 차이점도 있다. 직렬 하이브리드 차량은 전기 모터를 통해 드라이브 트레인에 동력을 공급하며, 내연기관을 사용하여 에너지를 생성하고 배터리에 저장한다. 직렬 하이브리드 차량의 경우 내연기관이 직접 파워트레인을 구동하는 일은 없다. 직렬 HEV는 대부분의 구현 사례에서 강성 하이브리드(strong hybrid)로 간주할 수 있다.
병렬 하이브리드 차량은 내연기관과 전기 견인 모터를 병렬로 사용하여 자동차의 파워트레인에 에너지를 공급한다. 병렬 HEV는 고속도로 정속 주행과 같이 부하가 심하지 않은 주행 상태에서 엔진을 사용하여 배터리 팩을 충전한다. 일부 강성 하이브리드의 경우 순수 전기자동차 모드에서 엔진을 차단하고 배터리로 구동되는 전기 모터로만 주행할 수 있다. 이 모드에서 병렬 및 직렬 하이브리드 차량은 동일한 기능을 하지만 대개 직렬 HEV가 배터리 용량이 높은 편이다.
최근 포드 사와 GM은 몇 종의 병렬 하이브리드 차량을 발표하면서 이미 인사이트(Insight), 시빅(Civic), 어코드(Accord), 프리우스(Prius) 등의 모델로 HEV 시장을 주도하고 있는 혼다(Honda)와 도요타(Toyota)의 대열에 합류할 것이라고 밝혔다.
하이브리드화의 유형 또는 수준을 가름하는 다른 방법으로는 전기 모터의 출력과 차량에 장착된 하이브리드 파워트레인 기능의 수효가 기준이 되기도 한다. 전체 범위 중 경량급에 해당하는 하이브리드는 마이크로 하이브리드(Micro Hybrid)라고 표현할 수 있으며, 고성능에 가까울수록 강성 하이브리드(Strong Hybrid)가 된다. 현재 HEV 시장의 대부분은 다양한 출력과 구성의 연성 하이브리드(Mild Hybrid) 자동차가 차지하고 있다. 강성 하이브리드 시스템에서는 90 kW 이상 범위의 총 토크 출력을 갖는 견인 모터가 바퀴에 전체 또는 대부분의 토크를 제공할 수 있다. 그림 1에 가장 널리 사용되는 하이브리드 기능 간의 관계와 하이브리드의 다양한 분류 방식이 나와 있다.
‘마이크로’ 하이브리드는 엔진 시동/정지(S/S) 기능을 제공한다. 대부분의 마이크로 하이브리드 시스템은 엔진 외부에 위치한 강화형 유틸리티 벨트를 통해 전기 모터를 연결하는 벨트-교류 발전기-스타터 시스템(belt-alternator-starter system, BAS)을 채택하고 있다. BAS는 시내 주행 중 신호 대기 상태에서 엔진을 껐다가 엔진을 아주 빠르게 시동하여 내연기관으로 정상적인 가속이 가능하도록 지원하는 시스템이다. AC 시스템을 전기 모터 구동 방식으로 변환함으로써 현행 차량과 동일한 주행 환경 및 편의성을 제공할 수 있다. BAS 시스템의 가장 큰 장점은 기존 모델에 손쉽게 통합할 수 있다는 점과 시내 주행 연비를 5~11% 개선할 수 있다는 점이다. 마이크로 하이브리드는 무(none)에서 소량의 토크를 구동계에 공급하여 추가로 저단 추진력을 보강할 수 있다. 일부 마이크로 하이브리드의 경우 제한적인 축전식(regenerative) 브레이크 또는 엔진 감속 기능을 통해 차량의 속도를 늦추는 기능도 제공할 수도 있다. 또한 BAS 시스템은 115V 20A AC 시스템을 통해 소형 가전 및 공구에 동력을 공급할 수도 있다. GM 새턴(GM Saturn) 뷰(VUE)와 말리부(Malibu) 모델에는 이와 같은 등급의 마이크로 하이브리드 옵션이 제공된다.
‘연성’ 하이브리드는 마이크로 HEV의 기능을 바탕으로 더 용량이 큰 전기 모터로 내연기관을 보조함으로써 가속에 필요한 일시적인 토크를 높이는 시스템이다. 일반적으로 연성 하이브리드 등급에는 15 kW 이상의 견인 모터가 사용된다. 연성 하이브리드를 사용하면 내연기관을 소형화하여 연비를 높일 수 있다. 좀 더 강력한 연성 하이브리드 시스템의 경우 순수 전기자동차 모드에서 차량을 발진시키고 정속 주행 속도를 유지할 수 있다. 전기 견인 모터는 저속에서 내연기관을 보조하여 빠른 가속을 제공할 수 있다. 연성 HEV는 저속에서 순수 전기자동차 모드로 작동이 가능하지만 언제나 병렬 하이브리드 시스템으로 구성된다. 연성 하이브리드 시스템의 경우 신호 대기 상태에서 엔진을 정지시킨 후에 견인 모터를 사용하여 엔진을 빠르게 시동할 수 있다. 엔진 진동을 획기적으로 감소시키는 고급 기능을 추가하여 일부 고가형 자동차 또는 거친 소형 엔진을 부드럽게 만드는 용도로 OEM에 옵션으로 제공할 수 있다. 견인 모터를 제어하는 임베디드 프로세서는 모터를 마치 발전기처럼 에너지를 포획하는 장치로 사용하여 내연기관의 진동을 줄일 수 있다. 양산 중인 HEV의 대부분은 연성에서 강성 하이브리드까지 다양한 시스템으로 구성된다.
강성 하이브리드는 차량을 고속도로 주행 속도로 가속할 수 있는 대용량 모터를 갖추고 있다. 강성 하이브리드의 경우 순수 전기자동차 모드에서 상당히 먼거리를 주행할 수 있는 것이 일반적인 특징이다. 이러한 주행 거리를 달성하려면 연성 하이브리드보다 대용량의 배터리 팩이 필요하며 전기자동차(EV) 또는 ‘플러그인(plug-in)’ 하이브리드 수준이 되어야 한다. 현재 주요 HEV 제조업체에서 플러그인 하이브리드 차량을 시판하지는 않고 있지만 도요타 프리우스 등의 일부 HEV용으로 개조 키트가 판매되고 있다.

전기 에너지의 요구량 증가

룬델(Lundell) 교류 발전기는 표준 12 V 자동차 전장 시스템에 널리 사용되는 주력 제품이며 최대 약 3 kW의 출력을 제공한다. 최신 차량의 전기 부하는 평균 연속 1670 W에 달하며, 일부 최신 차량의 기능을 제외하더라도 최대 8510 W에 이를 수 있다. 표 1에 일반적인 차량의 평균 및 최대 부하 상태 전력 사용량이 나와 있다. EPAS 및 액티브 서스펜션과 같은 추가적인 기술이 적용된다면 평균 전력량이 2130 W, 최대 전력량이 25 kW를 넘게 될 것이다.
자동차 내 전기 에너지 요구량의 증가는 향후 10년 내에 전장 시스템이 변화할 가능성을 높게 만드는 많은 요소 중 하나이다. 자동차를 더 효율적이고 가벼우며 안전하게 만들려면 일반적인 룬델 교류 발전기가 제공하는 수준 이상의 전기 에너지가 필요하다. 교류 발전기를 에너지 용량이 높은 발전기로 교체하기만 하면 시동 모터의 기능을 간단히 통합하여 잉여 기능을 줄일 수 있다. 하이브리드 시스템에서는 내연기관이 꺼져 있을 때 교류 압축기가 전기 모터와 함께 가동되며, 교류가 항상 필요하지 않으면서 기존 솔루션에서 에너지를 소비하는 부분이므로 효율을 개선하는 데에도 기여한다. 내연기관에서 사용되지 않을 때에도 전력을 소비하는 냉각수 펌프나 기타 부품에 대해서도 비슷한 논점을 전개할 수 있다.

자동차 기술

하이브리드 설계팀들은 효율 향상과 시스템 비용 사이에 균형을 맞추려면 어떤 기술을 적용해야 하는 지에 대해 다양한 선택권에 직면하고 있다. 그림 2에 가장 일반적인 전장 시스템의 요소와 관련 효과가 다수 나와 있다. 이외에도 차량의 효율에 영향을 줄 수 있는 공기 역학이나 저저항 타이어 사용 등의 다양한 요소가 존재한다. 서로 다른 효율성 향상 기술의 효과가 결합되면 누적 효과를 얻을 수도 있다. 예를 들어, 앳킨슨(Atkinson-cycle) 엔진 조합을 전기 냉각수 펌프 및 전기 에어컨 응축기와 결합할 수 있다. 일반적으로 전기 구동계와 엔진 기술 부문에서는 기술 조합이 불가능하다.

축전식 브레이크

축전식 브레이크 시스템(Regenerative braking system)이란 감속 시에 견인 모터를 발전기로 활용해서 차량의 운동 에너지를 전기 에너지로 변환해 배터리로 회수하는 것을 말한다.
이처럼 축전식 브레이크는 HEV 시스템에서 차량의 효율을 획기적으로 개선할 수 있는 중요한 혁신 기술 중 하나이다. 축전식 브레이크는 하이브리드 차량의 주요 기능 중 하나이며, 일반적으로 시내 주행 시 연비를 10~20% 높일 수 있다. 언급했듯이 축전식 브레이크는 견인 모터를 사용하여 차량의 운동 에너지를 흡수한다. 견인 모터는 브레이크와 동시에 배터리의 급속 충전이 가능한 발전기 역할을 하면서 차량의 속도를 늦추는 역할을 한다.
축전식 브레이크 시스템은 세 가지 모드로 작동한다.
첫째, 순수 엔진 모드는 전기 모터를 사용하지 않고 가동되며 클러치가 눌리거나 변속기가 중립일 때 사용된다. 가속 페달의 조작이 직접 엔진으로 전달되며 모터는 관여하지 않는다. 이 모드는 주로 정속 유지와 같은 주행 패턴 또는 기어 변환 도중에 사용된다.
둘째, 축전식 브레이크 시스템은 차량의 기계 에너지를 바퀴에서 견인 모터로 옮기는 장치이다. 축전식 브레이크 시스템은 그 다음 생성된 에너지를 나중에 사용할 수 있도록 배터리로 옮겨 저장한다. 이 과정에서 배터리가 충전되며 동시에 차량 속도도 줄어든다. 브레이크 페달이 약간 눌리고 배터리 팩이 만충 상태가 아닐 경우 차량이 축전 상태로 진입한다. 초기 브레이크 페달 압력으로는 유압 브레이크가 작동되지 않으며 축전 시스템만 가동된다. 축전 시스템의 초기 브레이크 압력 한계가 초과되어 완전 포화상태가 되면 세 번째 작동 모드가 사용된다. 이 단계에서는 기존 유압 브레이크가 가동되어 차량을 신속하게 감속한다.
축전식 브레이크 시스템은 에너지 회수의 균형을 정확히 유지하여 불필요한 차량 반응으로 운전자의 주의를 분산시키는 일이 없어야 한다. 축전식 시스템을 사용하면 브레이크 작동 중에 상당한 양의 운동 에너지를 회수할 수 있다. 특히, 정지가 잦은 주행 상황에서 이는 연비에 커다란 효과를 제공한다. 축전식 브레이크 시스템의 목표는 축전 과정에서 ‘정상적인’ 브레이크 페달 반응을 유지하는 것이다. 축전식 브레이크 시스템은 또한 기존 브레이크 시스템의 유지보수 비용을 획기적으로 절감할 수도 있다.

배터리 기술

전기자동차(EV)의 견인 배터리는 내연기관 자동차의 연료 탱크와 유사한 역할을 한다. 배터리 기술은 실용적인 HEV 및 전기자동차 구현에 단기적인 약점으로 작용하고 있다. 현재까지는 HEV 배터리에 적합한 이상적인 솔루션이 존재하지 않는다. 모든 종류의 배터리에 존재하는 가장 커다란 두 가지 단점은 가격과 셀의 비에너지(specific energy)이다. 배터리 가격은 현재 kW 당 약 40달러이며, 2010년까지 절반으로 떨어질 것으로 예측된다.
오늘날 자동차에서 가장 널리 사용되며 경제적으로 실용성이 높은 배터리는 납축전지이다. 하지만 배터리 기술이 발전됨에 따라 kJ의 에너지 당 중량-가격에 대해 대량의 에너지 저장이 가능하고 사용 수명 향상의 여지가 높아질 것으로 기대되고 있다. 현재 하이브리드와 순수 전기자동차용으로 가장 유력한 후보는 NiMH와 리튬이온 배터리이다. 현재는 모든 HEV에 기존 12V 납축전지가 사용되고 있지만, 이를 획기적으로 소형화하여 좌석 전용 구성부품과 시스템을 취급할 수 있다.
리튬 기반의 배터리는 몇 가지 이유로 인해 가장 전망 있는 배터리 기술로 간주되고 있다. 첫째, 리튬은 가벼운 금속이다. 둘째, 리튬은 전기-화학적 전위가 높으므로 이론적으로 극히 높은 비에너지 특성을 가진다. 셋째, 리튬이온 배터리는 고속 충전이 가능하므로 축전식 브레이크 시스템 구현에 아주 적합하다. 넷째, 리튬을 배터리의 기반 금속으로 사용할 경우 높은 에너지 밀도를 달성할 수 있다. 리튬-폴리머는 조만간 실현될 혁신 기술 중 하나이다. 리튬 기반의 최신 배터리 팩을 이용할 경우 전기자동차의 주행 범위를 최대 483 km까지 늘릴 수 있다. 리튬이온 배터리는 높은 가격과 자동차 환경에서 셀의 수명 지속성 문제라는 단점도 가지고 있다. 리튬 기반의 대용량 배터리에서 더욱 심각한 문제 중 하나는 리튬이 극히 반응성 높은 금속이며 안전 문제를 일으킬 수 있다는 점이다.
최신 배터리를 관리하려면 임베디드 컨트롤러를 사용하여 배터리 팩의 상태를 모니터해야 한다. 대용량 HEV 배터리 팩의 경우 200개 이상의 셀이 사용되므로 각각의 셀을 개별적으로 모니터하는 것은 실용적이지 못하다. 임베디드 프로세서의 기능 중 하나는 배터리 기술의 유형, 셀 그룹 간의 전압, 배터리 팩에 유입/유출되는 전류 흐름 등 다양한 특성을 기준으로 셀의 충전 상태를 근사치로 파악하는 것이다. NiMH와 리튬이온 셀 모두 충전량이 임계값 이하로 떨어지면 급속하게 손상될 수 있다. 임베디드 프로세서는 배터리 팩 또는 개별 셀의 전압이 임계값 이하로 떨어지기 전에 충전 상태를 판단하여 시스템을 차단한다. 일반적으로 NiMH와 리튬이온의 최저 임계값은 배터리 팩의 최대 에너지 저장량의 약 25%이다. NiMH 및 리튬이온 배터리 팩의 기대 충전 사이클을 극대화하려면 과충전을 피해야 한다.