전륜 엔진+후륜 모터 구동 E-Four 시스템 구현
4WD와 동일한 성능…“빠른 응답성·가속성 장점”
[비즈월드] 국내 하이브리드 차량은 2018년부터 지난해까지 신차 등록대수가 107%가 증가해 총 67만4461대다. 2019년보다 33% 늘어나 중고차 시장에서도 하이브리드 모델은 찾는 소비자들이 많아지고 있다.
이처럼 친환경자동차의 보급이 늘어나면서 순수전기차 대비 충전 걱정이 없는 하이브리드 모델이 현실적인 대안이 되고 있다. 최근 몇 년 전부터 각 기업에 가중되고 있는 탄소배출량 제한에 대한 대응으로 전기차보다 저렴한 가격으로 기술적 접근이 가능한 다양한 하이브리드 기술이 차량에 적용되고 있어 가파른 성장세로 친환경차의 성장을 주도하고 있다.
하이브리드 차는 기존 내연기관차와 비슷해 순수전기차에 불편하거나 낯선 소비자들의 대체 수요로 증가하고 있다. 하지만 하이브리드 차는 비슷해 보이지만 생산하는 각 회사마다 차량에 적용된 기술과 지향하는 방향이 달라서 각 제조사의 모델이 소비자 라이프스타일과 일치하는 것인지 올바른 선택을 하기는 어려움이 있다.
이에 본지는 대표적인 하이브리드 차 제조사인 토요타, 혼다, BMW, 볼보자동차, 현대자동차의 하이브리드 모델의 특·장점에 대해 알아보고자 한다. [편집자 주]
하이브리드 차량은 두 가지 이상의 서로 다른 성질의 동력원을 사용하는 차량으로 일반적으로 내연기관과 배터리를 함께 사용하는 차량을 일컫는 말이다. 이러한 하이브리드를 처음 선보인 것이 1977년 도쿄모터쇼에서 토요타다.
첫 번째 양산 하이브리드 모델은 많이 알려져 있는 프리우스로 1997년에 1세대 모델로 정식 출시됐다. 초기의 하이브리드는 연비는 우수하나 일반 내연기관 차량에 비해 ‘특별한 운전기술이 필요하다’, ‘매커니즘적으로 어렵다’ 등의 인식이 있었고 상대적으로 비용이 비싼 것이 단점이었다.
이후 기술의 발전과 환경문제 해결을 위해 SUV, 후륜 구동 세단, 해치백, 상용차 등 다양한 모델에 하이브리드 시스템이 탑재됐다. 토요타는 특히 20년 이상 축적된 하이브리드 기술을 통해 환경을 생각하는 고객에게 크게 어필하며 2020년 1월 기준 전 세계 하이브리드 누적판매 1500만대를 돌파했다. 토요타·렉서스는 지난 2020년 한 해에만 195만4000여 대의 하이브리드 차량을 전세계에 판매했다.
토요타 하이브리드 기술의 핵심은 에너지 효율 극대화에 있다. 오랜 노하우를 통해 토요타는 하이브리드에서 만큼은 독보적인 기술을 가지고 있다. 저속에서 전기모터만으로 차량을 구동할 수 있는가는 기본이고, 감속이나 정지 때 즉시 에너지를 충전·저장하고 힘이 필요할 때는 엔진과 모터로부터 즉시 그리고 정확하게 동력을 전달받을 수 있는 시스템을 갖추고 있다.
가솔린 엔진과 전기모터의 조합으로 이루어진 하이브리드 시스템에서 전기모터가 엔진의 역할을 어느 정도 뒷받침할 수 있는가는 ‘한치의 에너지 낭비도 허용하지 않고, 효율적으로 에너지를 사용한다’와 동일한 의미로 통하며 이는 토요타‧렉서스 하이브리드 기술의 핵심이라고 토요타 관계자는 말한다.
토요타·렉서스의 하이브리드 시스템은 두 개의 강력한 고용량 전기모터와 유성기어 그리고 무단변속기(e-CVT)로 연결된 동력배분장치가 이러한 역할을 담당한다. 즉 액셀에서 발을 떼기만 하면 바로 충전모터가 가동해 에너지를 회수하고 급가속 시 강력한 모터와 엔진이 강력한 동력원 역할을 한다.
이처럼 차량의 구동과 충전을 전담하는 각각의 모터제너레이터(MG: Motor Generator)는 정교한 전자식 동력배분장치에 의해 주행상황에 따라 실시간으로 작동한다.
토요타 하이브리드의 장점은 자체 기술로 개발한 e-CVT와 전기 모터를 활용해 일반적인 변속기에서 발생하는 변속충격이 거의 없고 에어컨이 가솔린 엔진의 동력 없이 전기의 힘만으로 작동해 소음과 진동을 더욱 줄였다. 이에 더해 연비 또한 향상 효과가 크다는데 있다.
토요타는 두가지의 브랜드 운영을 통해 고객들의 선택권을 넓혀주고 있는데 바로 대중적인 토요타와 럭셔리 브랜드 렉서스다.
토요타 브랜드가 대중적 이미지에 맞는 비교적 낮은 배기량에 적절한 모터 성능을 조합해 경제성 극대화와 동시에 출력에도 부족함을 못 느끼도록 하는 전략이라면, 렉서스의 하이브리드는 비교적 고배기량 엔진에 고출력 모터와 배터리를 적용해 친환경성과 동력성능 모두를 극대화하면서 프리미엄 자동차를 지향하고 있다.
특히 렉서스 하이브리드는 ‘드라이빙 퍼포먼스’와 ‘정숙성’을 장점으로 한다. ‘역동성’과 ‘정숙함’은 상반되는 개념이지만, 하이브리드 기술을 통해 반대되는 두 가지를 하나의 자동차에 담아내고 있다. 렉서스는 가속성능, 부드러운 승차감, 효율적인 연비를 렉서스 하이브리드의 기본 가치로 공유하면서 각 모델마다 개성이 반영된 혁신적이고 진보적인 다양한 파워트레인을 선보이고 있다.
토요타는 최근 사륜구동 전동화 시스템에 집중하는 모습을 보이고 있다. 전륜은 엔진이 담당하고 후륜에 전기모터 구동을 통해 사륜구동과 같은 효과를 내면서도 하이브리드로서의 효율을 극대화는 E-Four 시스템을 사용하고 있다.
이 E-Four 시스템은 기존 4WD 모델처럼 프로펠러 샤프트를 사용하지 않고 독립적으로 후륜을 구동하는 방식이다. 기존 4WD 모델은 엔진의 힘을 나눠서 사용하는 방식이었다면 이 엔진은 전륜, 후륜은 모터가 각각의 파워를 독립적으로 사용해 필요할 때 파워를 더해주는 개념이다.
E-Four의 가장 큰 강점은 고효율성으로 연비를 살펴보면 확인할 수 있다. 렉서스의 SUV 모델인 RX 450h가 12.8㎞/ℓ, RX 450hL이 12.3㎞/ℓ, NX 300h이 12㎞/ℓ, UX 250h가 15.9㎞/ℓ의 복합연비는 일반적인 사륜구동에서 보기 힘든 효율성이다. 또 토요타 프리우스 AWD의 경우는 20.9㎞/ℓ, RAV4 AWD 15.5㎞/ℓ로 더욱 뛰어난 효율성을 보여주고 있다.
타사의 4WD 시스템과의 차이점은 3개의 전기 모터와 하나의 엔진까지 동력원이 무려 네 개를 사용하고 있다는 점과 전기 신호를 통해 전자식으로 뒤축을 제어하고 있어 응답성도 매우 빠르다는 점이다. 모터는 처음 구동할 때 가장 큰 힘(토크)을 발휘하며, 엔진동력 전달 시간도 필요 없기 때문에 저속에서 고속으로 빠르게 치고 나갈 수 있는 장점이 있다.
미끄러운 노면을 주행할 때 차량의 상태에 따라 후륜에 토크를 최적으로 배분해 안정적인 주행이 가능하다. 코너링 시 언더스티어가 감지되면 뒷바퀴 구동력을 증가시키고, 오버스티어 시에는 뒷바퀴 구동력을 감소시켜 운전자가 의도하는 라인을 따라 주행할 수 있다. 이런 AWD 시스템의 구동 현황은 멀티 인포메이션 디스플레이를 통해 실시간으로 확인할 수 있다.