[비즈월드] 전기차의 보급으로 뒷전으로 밀려났던 하이브리드 차량의 보급률은 꾸준히 증가하고 있다.

최근 조사에 따르면, 국내 자동차 시장에서 하이브리드 차량의 점유율이 35.3%를 기록하며 처음으로 30%대를 돌파한 것으로 나타났다. 또 글로벌 시장에서는 하이브리드 차량이 연평균 7.3%의 성장률을 보이며 빠르게 확대되고 있다.

특히 현대자동차와 기아는 하이브리드 모델을 적극적으로 출시하며 시장을 공략하고 있으며 토요타 역시 하이브리드 차량 판매량이 350만대를 돌파하는 등 강세를 보이고 있다.

하이브리드 차량의 인기가 높아지는 이유는 높은 연비와 친환경성 그리고 전기차로 완전히 전환하기 전의 가교 역할을 하기 때문으로 분석되고 있다. 

특히 전기차(EV) 인프라는 아직 구축 중이며, 완전한 전기차로 전환하기에는 충전 시설이나 주행거리 문제 등의 한계가 있다.

이런 상황에서 친환경차에 대안은 하이브리드 모델이기 때문으로 하이브리드 차량은 전기차 기술을 활용하면서도 기존 내연기관의 편리함을 유지할 수 있어 최근 다시 주목을 받고 있다.

현대자동차, 푸조, KGM 등 주요 제조사들은 최근 각기 다른 방식으로 하이브리드 기술을 탑재한 차량을 출시했다. 

현대차는 ‘P1+P2 병렬형 구조’의 차세대 하이브리드 시스템을 통해 연비를 극대화하고 있으며, 푸조는 48V 마일드 하이브리드 시스템의 단점을 개선한 ‘스마트 하이브리드 시스템’을 도입해 도심 주행의 절반 이상을 전기 모드로 운행할 수 있도록 설계했다. 

KGM은 고출력 전기 모터와 스마트 에너지 관리 시스템을 통해 배터리 효율을 높이는 기술이 적용된 직병력 듀얼 모터 적용 듀얼테크 하이브리드 시스템을 적용한 브랜드 최초의 하이브리드 차량을 출시했다.

◆ 현대차, ‘P1+P2 병렬형 구조’ 차세대 하이브리드 시스템 1000㎞ 주행

현대차그룹은 동력과 효율의 완벽한 조화, 하이브리드 그 이상의 전동화 경험(Well Balanced High Tech & Expanded xEV Experience)이라는 콘셉트 아래 차세대 하이브리드 시스템을 개발했다. 

차세대 하이브리드 기술의 개발은 전동화 전환기에 핵심적인 역할을 수행하고 있는 하이브리드 차량 분야에서 더욱 우수한 상품성과 다채로운 고객경험을 제공함으로써 지속 가능한 경쟁력을 확보하겠다는 현대차의 전략이다.

현대차그룹이 선보인 차세대 하이브리드 시스템은 두 개의 모터가 내장된 신규 변속기에 다양한 엔진 라인업을 조합할 수 있어 차급과 차량 특성에 맞춰 최적화된 성능과 연비를 제공한다. 다양한 전동화 특화 기술을 적용해 주행 성능과 승차감을 개선하고 차량 내 경험을 강화할 수 있는 것이 특징이다.

새롭게 개발된 차세대 하이브리드 시스템 변속기는 엔진과 변속기 사이에 위치하며 구동 및 회생 제동을 담당하는 구동 모터(P2)와 역시 엔진과 변속기 사이에 탑재되어 있지만 시동 및 발전, 구동력 보조 기능을 수행하는 신규 모터(P1)을 내장하고 있다. 또 P0 모터는 시동모터로 기존 하이브리드 시스템에서처럼 엔진의 알터네이터 위치에 탑재되어 있다.

현대차그룹은 차세대 하이브리드 시스템 변속기에 구동 및 회생 제동을 담당하는 구동 모터(P2) 외에도 시동 및 발전, 구동력 보조 기능을 수행하는 시동 모터(P1)를 새롭게 추가해 ‘P1+P2 병렬형 구조’를 완성했다.

이를 통해 동력 성능과 연비를 향상시키고, 부드러운 변속감과 함께 소음 및 진동 저감 효과도 실현했다. 

더불어 차세대 하이브리드 시스템 변속기는 현대차그룹의 다양한 엔진 라인업과 결합돼 100마력 초반부터 300마력 중반까지 시스템 출력 커버리지를 갖춰 소형 차급부터 대형 차급까지 폭넓은 운영이 가능하다는 것이 현대차의 설명이다.

엔진에 직접 체결된 P1 모터는 기존 하이브리드 시스템에서 엔진에 벨트로 연결된 P0 모터에 비해 마찰 손실이 없어 에너지 전달 효율이 높으며, 주행 상황에 따라 P2 모터와 함께 차량에 구동력을 보조해 연비와 동력 성능을 동시에 개선한다.

또 현대차그룹은 차세대 하이브리드 시스템 변속기의 허용 토크를 기존 37.4㎏f·m에서 46.9㎏f·m로 약 25% 상향해 고배기량 터보 엔진에 결합 때 최대 토크를 자연스럽고 강력하게 발휘할 수 있도록 했다.

차세대 하이브리드 시스템 변속기는 P1 모터를 추가하고 변속기 허용 토크를 높였음에도 기존 수준의 크기를 유지해 소형부터 중대형까지 다양한 차급에 탑재할 수 있다.

현대차그룹은 P1·P2 모터의 냉각 구조 및 냉각 유량을 개선해 단위부피당 출력 밀도를 약 21%, 토크 밀도를 약 7% 높였으며, 댐퍼와 전동식 오일펌프(EOP) 등 주요 부품의 배치 및 크기 등을 최적화함으로써 전체적인 변속기 부피를 줄여 여러 차급에 대한 탑재 확장성을 확보했다. 

현대차그룹은 차세대 하이브리드를 위해 신규 2.5 터보 하이브리드 엔진을 적용했다. 2.5 터보 하이브리드 엔진은 변속기와 엔진 사이에 새롭게 추가된 P1 모터가 엔진의 시동·발전을 담당하게 되면서 불필요해진 메인 벨트와 알터네이터, 에어컨 컴프레서 등의 제거를 통해 차량 구동 외 분산되던 동력 손실을 최소화했다.

여기에 하이브리드에 최적화된 고효율 사이클 도입과 실린더 내부 혼합기(연료와 공기의 혼합물)의 흐름 강화로 성능과 효율을 향상시켰다.

일반적으로 내연기관은 흡입, 압축, 폭발, 배기의 4행정을 통해 동력을 얻는데, 현대차그룹은 압축 행정 시 흡기 밸브를 의도적으로 늦게 닫아 실린더 내부로 들어온 혼합기의 유효 압축비는 낮추면서도 폭발 과정에서 높은 팽창비를 유지하는 ‘과팽창 사이클’을 적용했다.

이로 인해 혼합기 압축 때 소모되는 동력은 줄이고, 연소 후 발생하는 에너지는 최대화해 엔진 성능과 효율을 더욱 높였다.

또 현대차그룹은 오랜 하이브리드 개발 경험과 전기차 전용 플랫폼 E-GMP 개발 등으로 축적한 모터 및 배터리 제어 기술을 활용해 주행 성능과 승차감을 강화하고, 스테이 모드와 V2L(Vehicle To Load), 스마트 회생 제동 등 전기차에서 경험할 수 있었던 전동화 편의 기능도 제공할 수 있다.

대형 SUV에 탑재되는 가솔린 2.5 터보 하이브리드는 최고 연비 14.1㎞/ℓ, 시스템 최고 출력 334마력, 최대 토크 46.9㎏f·m의 성능을 갖춰 동급의 2.5 터보 가솔린 모델 대비 연비는 약 45%, 최고 출력과 최대 토크는 각각 약 19%, 9% 높다. (팰리세이드 2WD 7/9인승 18인치 휠 기준)

가솔린 1.6 터보 차세대 하이브리드는 중형 SUV 기준으로 연비가 기존 대비 약 4.3% 향상됐으며, 변속기 허용 토크가 37.4㎏f·m에서 38.7㎏f·m으로 증대돼 한층 우수한 가속 응답성을 자랑한다.

또 하이브리드 변속 로직 ‘ASC(Active Shift Control)’에 P1 모터를 추가로 활용해 기존보다 더 빠르고 부드러운 변속 성능을 구현했으며 엔진 클러치 제어를 개선해 전기 모터만 작동되는 ‘EV 모드’로 주행 중 엔진 개입 때의 이질감을 줄여 승차감을 향상시켰다.

이 밖에도 현대차그룹은 정차 중 엔진 구동으로 배터리를 충전하는 상황에서 P1 모터를 활용해 엔진의 진동과 부밍을 줄여주는 기술을 새롭게 적용해 실내 정숙성까지 강화했다.

현대자동차의 차세대 하이브리드 시스템은 신형 팰리세이드에 처음 적용됐으며, 이후 다양한 차급으로 확대 예정이다.

더욱이 주목을 받는 것은 실제 주행에서 복합연비 13㎞/ℓ 이상을 기록하며, 도심에서는 15㎞/ℓ를 초과하는 성능을 보였다는 것이다. 더욱이 1회 주유로 1000㎞ 이상 주행이 가능하다는 것이 차량을 체험한 운전자들에게서 나오고 있어 주목을 받고 있다.

◆ 푸조, 48V 하이브리드…30㎞ 이하 속도로 전기 모터만으로 주행

푸조는 지난 4월 8일 국내에 스마트 하이브리드 기술이 적용된 푸조 308 스마트 하이브리드를 공식 출시했다. 이 모델은 48V 마일드 하이브리드 시스템을 탑재하고도 도심 주행 시 약 50%를 전기 모드로 주행할 수 있는 것이 특징이다.

푸조 308 스마트 하이브리드는 1.2리터 퓨어테크 가솔린 터보 엔진과 전기 모터를 결합해 최대 145마력을 발휘하며, 하이브리드 전용 6단 DCT 변속기를 탑재하고 있다. 또 회생 제동 시스템을 통해 브레이크를 밟을 때마다 배터리를 충전해 효율적인 연비를 제공한다.

일반적인 풀 하이브리드 모델은 고전압(약 200V 이상) 배터리를 사용한다. 그러나 푸조 스마트 하이브리드는 48V 리튬이온 배터리를 사용함에도 전기차 주행의 특성을 보여준다. 

그러나 일반적인 마일드 하이브리드는 낮은 마력으로 구동력을 보조하는 역할을 하는 것이 일반적인데 푸조의 스마트 하이브리드는 일반적인 마일드 하이브리드보다 높은 전압을 사용해 도심 주행의 최대 50%를 전기 모드로 주행할 수 있도록 하고 있다.

통상적으로 48V 배터리 장착 차량은 마일드 하이브리드(MHEV)로 분류하지만 스텔란티스 그룹은 유럽 시장에서 ‘48V 하이브리드’라는 명칭의 새로운 하이브리드를 2023년 유럽 시장에 처음 선보였다. 

마일드 하이브리드는 대체로 전기 모터가 엔진 벨트에 연결돼 전기로만 주행이 불가한 가장 기본적인 하이브리드 형태다. 이러한 마일드 하이브리드 시스템을 개선해 순수 전기로만 도심 주행의 조건에서 전체 주행 시간의 50% 이상을 운행할 수 있도록 하는 똑똑한 하이브리드 솔루션을 푸조가 선보인 것이다. 

이러한 순수 전기 주행 모드는 1.2퓨어테크(PureTech) 가솔린 엔진과 새롭게 조화를 이룬 e-DCS6 기어박스 내에 전기모터, 컨버터, 트랜스미션을 통합 설계한 구조적 장점으로 인해 가능해졌다. 스텔란티스는 오랜 시간 차량을 개발하면서 쌓아온 밸런스에 대한 노하우를 통해 풀-하이브리드(Full Hybrid) 급의 기능을 구현하는 새로운 기술을 선보인 것이다. 

국내 시장에는 2022년 디젤 모델로 첫선을 보였던 정통 해치백 308을 통해 스텔란티스의 48V 하이브리드 시스템을 적용한 모델을 지난 4월 8일 최초 선보이며, 하이브리드 차량에 대한 개념을 새롭게 정립했다. 

EMP-2 플랫폼을 기반으로 한 ’308 스마트 하이브리드’의 경우 48V 배터리가 왼쪽 1열 시트 아래에 위치해 일부 경쟁사 모델과 달리 트렁크 공간 또는 탑승 공간에 영향을 주지 않아 공간 활용성이 높은 것도 특징이다. 또 배선 길이가 짧아져 발열로 인한 에너지 손실이 감소, 연비가 향상되는 효과를 준다. 

푸조의 스마트 하이브리드 시스템은 배터리 충전 상태에 따라 가용 출력 범위 안에서 단거리를 전기 모터만으로 순수 전기 구동이 가능하다. 이러한 구동 방식은 주차 또는 저속 주행 상황을 조건으로 발동된다. 

먼저 일반 도심 주행의 경우 엔진과 모터가 함께 또는 단독 구동해 에너지 사용을 최적화한다. 가속 상황에서는 엔진과 모터가 동시 가동하는데 모터가 엔진을 보조해 연료 소비 저감 및 빠른 응답성을 보인다. 주행 중 차량이 감속하는 상황에서는 모터가 배터리를 충전해 에너지 회생을 하고, 전기 주행이 가능한 상황이 오면 순수 전기 구동을 하게 된다.

스마트 하이브리드 시스템은 회생제동이 가능하도록 설계돼 감속력은 일반적인 내연기관의 엔진 브레이크보다 크며 차량의 관성력(운동 에너지)을 이용해 배터리를 충전한다. 

가속 페달에서 발을 떼면 최대 -1.2㎨의 감속력이 발생하며 브레이크를 밟으면 -1.5㎨까지 감속력이 증가한다.

즉, 가속 페달에서 발을 떼는 것만으로도 일정 수준의 감속과 충전이 이루어지며 브레이크를 밟으면 더 많은 에너지가 회생된다. 

308 스마트 하이브리드는 엔진은 3기통 1.2ℓ 퓨어테크(Puretech), e-DCS6 변속기, 48V 리튬이온 배터리의 조합으로 이루어졌다.  

전기 모터는 최고 출력 15.6㎾h, 최대 토크 51Nm 힘을 갖췄으며 구동 배터리는 0.89㎾h의 에너지를 가진 수냉식 48V 리튬이온 배터리를 사용했다. 여기에 최고 출력 100㎾, 최대 토크 230Nm의 힘을 가진 직렬 3기통 1.2ℓ 퓨어테크 가솔린 엔진을 조합했다.

해당 조합으로 탄생한 새로운 파워트레인은 약 1100㎏의 견인력을 갖췄으며 1단계의 하이브리드 경험이 가능하지만 외부 충전은 불필요하다는 장점이 있다.

낮은 RPM에서 반응성이 뛰어나고 이산화탄소 배출량은 가솔린 내연기관 엔진 AT8 STT 대비 22g감소시켰다.(WLTP 기준)

기존의 풀-하이브리드 혹은 전기차에서만 가능했던 매끄럽고 섬세한 주행도 가능하다. 브레이크 해제만으로 전기 모드 저속 주행이 가능한 ‘e-크리핑’과 정차 후 재출발 때 전기 모터만으로 가속하는 ‘e-론치’, 정체 구간에서 전기모터만으로 저속 이동이 가능한 ‘e-큐잉’, 주차 시 1~2단 기어에서 전기 모터로 세밀한 조작이 가능한 ‘e-파킹’ 등 다양한 전기 모드를 지원한다. 

푸조의 스마트 하이브리드 시스템은 엔진 개입 없이 풀-하이브리드 급의 전기 모드를 제공한다. 변속기에 전기 모터가 통합 설계되어 엔진의 개입 없이 시속 30㎞ 이하의 속도로 전기 모터만으로 주행이 가능하다.

이런 특성으로 인해 도심 주행 시에는 주행 시간의 최대 50%까지도 전기로 주행이 가능하다.

◆ KGM, 직병력 듀얼모터 적용 듀얼 테크 하이브리드 시스템…EV에 가까운 주행

KGM은 지난 3월 브랜드 최초로 하이브리드 시스템이 적용된 토레스 하이브리드를 출시했다.

KGM의 첫 번째 하이브리드 모델은 2023년 8월 개발 계획이 발표됐고, 2025년 1월 소음 및 배출가스 인증을 받은 '듀얼 테크 하이브리드 시스템'은 중국 BYD와 협력해 개발한 차세대 하이브리드 시스템이다. 

토레스 하이브리드는 출시 초기 판매 예약만 3000여대를 넘어서며 선풍적인 인기를 얻었다. KGM은 토레스 하이브리드를 정통 하이브리드 SUV 스타일이라며 도심 주행 시 94% 전기차 모드로 주행이 가능하며, 15.7㎞/ℓ의 높은 연비 효율을 보유하고 있다고 강조했다.

실제로 토레스 하이브리드 연료 탱크용량 50ℓ를 가득 채우고 1회 주행가능한 거리가 1000㎞도 가능한 것으로 나타난다. 실제로 시승을 통해 평균 연비가 15.3㎞/ℓ를 기록하기도 했다. 토레스 하이브리드 시승에서 전기차에 가까운 도심주행 특성이 있고, 장거리 주행에서도 하이브리드 특유의 다이내믹한 주행을 보여줬다.

듀얼 테크 하이브리드 시스템의 구동 방식은 P1형, P3형 구동 시스템을 적용한 하이브리드 전용 듀얼 모터 변속기(e-DHT)를 탑재해 다양한 주행 모드를 구현하는 것이 특징이다.

특히 듀얼모터 적용으로 충전과 구동을 동시에 실행할 수 있고, 배터리 잔량 상태와 주행조건에 따라 엔진이 구동을 보조하는 형식이다. 

P1형 모터는 엔진 크랭크샤프트에 직접 연결된 방식으로, 엔진 시동을 돕고 회생제동을 일부 수행할 수 있다. 하지만 모터 단독으로 차량을 구동할 수는 없다.

그리고 P3형 모터는 변속기 출력축에 연결된 방식으로, 엔진과 변속기의 영향을 덜 받으며 전기 모드에서 차량을 구동할 수 있다. 또 회생제동을 적극적으로 활용할 수 있어 연비 향상에 기여한다.

‘토레스 하이브리드’는 새롭게 개발된 1.5터보 가솔린 하이브리드 전용 엔진과 직병렬 듀얼 모터가 적용된 듀얼 테크 하이브리드 시스템(Dual Tech Hybrid System)을 결합시켜 가장 전기차에 가까운 하이브리드 기술을 구현했다는 것이 KGM의 설명이다. 

1.5터보 가솔린 하이브리드 전용 엔진은 밀러(Miller) 사이클 행정과 가변형 터보차저(VGT) 등 15가지의 최신 연비 기술이 적용됐다.

실린더 블록 내부에도 최신 코팅기술을 적용해 엔진의 내구성을 획기적으로 개선했고 기존 250bar에서 350bar로 연료를 고압 분사해 출력을 높이고 배출가스를 최소화했다.

듀얼테크 하이브리드 시스템은 BYD의 플러그인 하이브리드(PHEV) 기술을 바탕으로 KGM이 새롭게 개발한 차세대 하이브리드 시스템으로 130㎾의 대용량 모터가 구동축에 가깝게 위치한 e-DHT(efficiency-Dual motor Hybrid Transmisson)와 결합해 최고 출력 177마력 및 최대토크 300Nm의 주행성능을 발휘한다. 

e-DHT는 하이브리드 전용 듀얼 모터 변속기로 다양한 운전 모드가 구현 가능한데 먼저 도심 주행 시 최대 94%까지 전기 모드로 주행 가능하여 정숙성과 연비를 극대화한 ‘EV 모드’가 있다.

또 HEV 모드(직병렬)는 엔진과 모터가 함께 작동해 최적의 출력을 제공하고, 엔진 구동 모드는 고속 주행 때 엔진의 직접 개입으로 고출력의 구동모터뿐만 아니라 엔진의 구동력 보조를 통해 더욱 강력한 주행 성능을 발휘한다.

더불어 e-DHT는 구성 부품 수 최소화 및 모터, 제어기, 변속기 등을 통합해 중량 저감은 물론 효율을 극대화했으며, 운전자의 요구 사항에 따라 연비와 출력을 최적화하도록 제어해 다양한 주행 환경을 제공한다. 

KGM에 따르면 이 시스템은 기존 하이브리드보다 전기차에 가까운 주행 감성을 제공하며, 변속 충격 없이 부드러운 가속이 가능하도록 설계됐다. 덕분에 도심에서는 조용하고 부드러운 주행이 가능하며, 고속에서는 강력한 성능을 발휘할 수 있다.

토레스 하이브리드는 복합연비는 15.7㎞/ℓ, 도심 연비는 16.6㎞/ℓ다. 이는 경쟁모델인 투싼 가솔린 모델보다 30%, 스포티지 보다는 33% 높은 연비를 보여준다.

또 20인지 휠 기준 연비가 그랑 콜레오스 15㎞/ℓ이고 19인치 기준 투싼은 14.9㎞/ℓ인데 반해 20인치 휠 기준 토레스의 연비는 15.2㎞/ℓ로 높은 효율을 보여준다.

하이브리드 차량의 미래 기술은 지속적인 발전을 거듭하며 더욱 효율적이고 친환경적인 방향으로 나아가고 있다.

배터리 기술이 발전하면서 하이브리드 차량의 전기 주행 가능 거리가 증가하고 있고, 고밀도 리튬이온 배터리와 고출력 전기모터가 적용되면서 연비 향상과 성능 개선이 이루어지고 있다.

더불어 하이브리드 차량은 자율 주행 기술과 결합해 더욱 효율적인 에너지 관리가 가능해지고 있다.

AI 기반의 주행 최적화 시스템이 적용되면서 배터리 사용을 최적화하고 연료 소비를 줄이는 방향으로 발전하고 있다.

한편 기존 하이브리드보다 더 간단한 구조를 가진 48V 마일드 하이브리드 시스템도 점점 더 많은 차량에 적용되고 있다. 이는 연료 효율을 높이고 배기가스를 줄이는 데 효과적이며, 가격 경쟁력도 갖추고 있다.

특히 푸조의 스마트 하이브리드처럼 마일드 하이브리드의 효율성을 극대화한 기술도 나타나고 있다.

현대차는 성능과 안전성을, 푸조는 전기 주행거리와 디자인을 강조하는 반면, 토레스는 실용성과 경제성을 중시하는 하이브리드 모델을 출시했듯이 각 브랜드의 하이브리드 기술은 소비자의 필요와 선호에 따라 다르게 접근하고 있으며, 이는 다양한 선택지를 제공하는 데 기여하고 있다.

[비즈월드=손진석 기자 / son76153@empas.com]