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나윤석 칼럼니스트의 자동차 칼럼

<전기차를 향한 현실적 발걸음, 하이브리드>



요즘 전기차에 대한 관심이 심상치 않습니다. 현대자동차의 새로운 전기차 모델인 코나 일렉트릭(Kona Electric)은 사전 예약한 지 닷새 만에 무려 10,000명의 예약자가 몰렸고, 쉐보레 볼트 EV(Bolt EV)도 올해 생산량을 늘렸지만 단숨에 동이 났다고 합니다. 


하지만 천오백만 원이 넘는 전기차 보조금이 없었다면 이렇게 잘 팔렸을까요? 두 모델 모두 소형차치고는 매우 비싼 소비자 가격인 4500만 원 전후로 출시되었지만, 생산비용이 많이 들기 때문에 자동차 회사에 돌아가는 중간이윤은 의외로 크지 않습니다. 높은 출고가와 낮은 생산 중간이윤 탓에 전기차는 소비자들이나 자동차 회사 모두에게 아직은 ‘대세’라 하기엔 부족해 보입니다. 


이러한 고민의 해결사를 자처하며 자동차 시장에 등장한 하이브리드 자동차는 내연 기관 자동차와 순수 전기차 사이에 틈새를 메우는 절충안으로 인정 받고 있습니다.



▶하이브리드 자동차의 역사


▲세계 최초의 하이브리드 자동차 Lohner-Porsche의 ‘Mixte’


전기차가 내연기관 자동차보다 더 오랜 역사를 갖고 있다는 사실이 우리를 놀라게 했던 것처럼 하이브리드 자동차 또한 매우 긴 역사를 갖고 있습니다. 



전기차의 한계점인 배터리를 보완하기 위해 엔진으로 발전기를 작동시켜서 연료를 해결하는, 이른바 직렬형 하이브리드 방식으로 첫발을 내디뎠습니다. 1889년, 미국의 ‘윌리엄 패튼(William H. Patton)’은 최초로 하이브리드 자동차에 대한 특허를 등록하여 시가전차와 기차에 적용했고, 그 명맥은 1900년 ‘페르디난트 포르쉐(Ferdinand Porsche)’ 박사가 제작한 ‘믹스테(Mixte)’라는 하이브리드 사륜구동 자동차로 이어집니다. 


이후 잠시 전기차의 명맥이 끊기고 엔진이 자동차의 심장을 독점했던 것처럼 하이브리드 자동차도 거의 자취를 감췄습니다. 그러나 1970년대 중동발 석유 파동이 터지며 더욱 효율적인 동력 기관이 요구되었고, 그 가운데 하나가 하이브리드 시스템의 재발견이었습니다. 여러 브랜드의 실험적 모델들을 거친 뒤 1997년 일본 시장에 ‘토요타 프리우스(TOYOTA Prius)’가 등장하며 현대적 개념의 하이브리드 자동차가 본격적으로 출발하게 됩니다. 


오랜 세월과 기술적 발전만큼이나 하이브리드 시스템의 종류는 다양합니다. 그 종류를 구분하는 기준은 여러 가지가 있을 수 있겠지만 가장 대표적으로 인정되는 기준은 ①전기가 자동차의 구동 장치에서 얼마나 많은 부분을 차지하는지, ②구동 방식은 무엇인지, ③배터리를 어떻게 충전하는지에 따라 나눌 수 있습니다.



▶주변에서 쉽게 찾아볼 수 있는 마이크로 하이브리드!


▲BMW의 ISG 버튼. 이 버튼이 있는 차는 마이크로 하이브리드 자동차일 확률이 매우 높다


‘마이크로 하이브리드(Micro Hybrid)’는 전기의 힘이 직접 바퀴를 움직이지 않기 때문에 하이브리드 종류 중 전기가 담당하는 일이 가장 낮습니다. 따라서 제조사에서 부담하는 원가도 약 50만 원 미만에 불과해 기존 내연 기관 자동차 모델에 적용하기 쉽습니다. 그만큼 다양한 모델을 선택할 수 있다는 의미입니다.  


차량의 속도를 줄일 때 발전기를 움직이는 부담을 줄이는 ‘회생 제동(Regenerative Braking)’은 내연 기관 엔진의 힘 일부를 전기에서 나오는 힘으로 대체하는 방식으로 움직입니다. 마이크로 자동차의 핵심 기술인 이 기능은 차량이 일시 정지하면 엔진을 끄는 ‘스타트 스톱’이나 ‘ISG(Idling Stop & Go)’ 등 자동차 제조사에 따라 다양한 이름으로 불립니다.



▶본격적인 하이브리드 시스템, 마일드 하이브리드


▲메르세데스 벤츠 M256 엔진. 출처 – 메르세데스 벤츠


‘마일드 하이브리드(Mild Hybrid)’는 바퀴를 움직이는 데 전기 모터가 본격적으로 참여하는 하이브리드 시스템입니다. 대표적인 마일드 하이브리드 시스템인 48V 시스템은 지금까지 엔진을 통해 작동하던 거의 모든 장치, 즉 냉각수 펌프, 오일펌프, 에어컨 컴프레서, 그리고 ‘슈퍼차저(Supercharger)’ 등을 모두 전기로 구동합니다. 즉, 엔진이 부수적인 부담에서 벗어나 바퀴를 굴리는 일에 더욱 집중할 수 있게 된 것입니다. 


초기부터 48V 시스템에 맞춰 개발한 ‘메르세데스 벤츠(Mercedes-Benz)’의 직렬 6기통 M256 엔진은 전기 모터가 작동시키기 때문에 엔진의 효율이 비약적으로 높습니다. 일반 엔진에서 쉽게 발견할 수 있는 벨트 구동부가 아예 없다는 특징도 있습니다. 여기에 적용된 마일드 하이브리드 시스템은 바퀴를 굴리기 위한 별도의 전기 모터를 사용하는 대신, 회생 제동 시에 발전기로 사용하는 발전기를 반대로 구동력을 보조하는 목적으로 사용하는 일명 ‘모터-제너레이터’로 활용됩니다. 풀 하이브리드 시스템 대비 30%의 에너지로 70% 효율을 낼 수 있다는 것이 증명되면서 최근 유럽을 중심으로 주목받는 시스템입니다.



▶하이브리드 그 자체, 풀 하이브리드!

▲풀 하이브리드 자동차의 대명사, ‘토요타 프리우스(TOYOTA Prius)’


우리가 보통 하이브리드 자동차라고 말하는 종류는 전기 모터가 바퀴를 움직이는 데 가장 중요한 역할을 하는 ‘풀 하이브리드(Full Hybrid)’입니다. 풀 하이브리드 자동차는 엔진을 끄고 전기 모터만으로 차량을 운행할 수 있는데다 주행 속도가 낮고 출발과 정지가 잦은 시내에서는 저속 토크가 큰 모터를 사용하며 순수 전기차처럼 달릴 수 있는 장점이 있습니다. 하지만 약 2kWh 전후의 작은 배터리를 사용하기 때문에 전기 모드로만 주행할 때의 속력과 거리는 장거리 운전 상황에서는 만족스럽지 못합니다. 


이러한 단점을 보완하기 위해서 대용량 배터리와 고출력 모터를 장착하면 되지 않느냐고 생각할 수 있지만, 이 경우에 회생 제동만으로는 배터리를 넉넉하게 충전하기가 어렵습니다. 모터의 출력과 배터리의 용량을 늘리고 전기차처럼 외부에서 충전할 수 있는 고성능 하이브리드 모델인 ‘플러그인 하이브리드(PHEV)’의 등장은 이러한 갈증을 해소하는 단비로 다가왔습니다.


엔진과 모터가 모두 바퀴를 굴리는 데에 직접 관여하는 방식은 대부분 병렬형 하이브리드입니다. 이와 대조되는 방식은 엔진은 전기를 만들고 모터가 구동을 책임지는 직렬형입니다. 이 두 가지 방식을 혼합된 직병렬 방식도 존재하는데, 토요타의 하이브리드 방식이 대표적입니다. 


풀 하이브리드와 플러그인 하이브리드는 동력장치의 효율과 주행의 질감이 향상되고 전기 모드에서는 진동과 소음이 획기적으로 줄어들며 승차감이 우수해진다는 장점이 있습니다. 하지만 설계 시스템의 복잡함과 높은 원가 덕에 보급률이 상당히 떨어집니다. 엔진과 전기 모터가 각자 또는 함께 차량을 구동할 수 있게 하기 위해서는 여러 개의 기어와 클러치로 구성되는 복잡한 변속기를 사용할 수밖에 없습니다. 따라서 기술 개발로 배터리의 가격이 내려가더라도 풀 하이브리드 방식의 가격 인하에는 한계가 있습니다. 물론 현재로서는 이러한 방식이 가장 현실적이겠지만요.



▶궁극의 하이브리드, ‘EREV’


▲ 대표적인 EREV, 닛산 노트 e-파워


순수 전기차로 가기 전에 한 단계의 하이브리드 방식이 더 있습니다. ‘주행 거리 연장형 전기차’ 혹은 ‘시리얼 하이브리드’라고 이름 붙은 ‘EREV(Extended Range Electric Vehicle)’입니다. 구조적으로 바퀴를 굴리는 것은 전기 모터가 담당하고 엔진은 배터리를 충전하는 발전기 역할을 맡는 형태의 순수 전기차라고 볼 수 있지만, 가격 경쟁력이 없기 때문에 이 방식을 사용하는 차들은 별로 없었습니다. 


하지만 앞으로 이 방식을 채용하는 차들이 늘어날 것으로 전망됩니다. 이미 ‘닛산(Nissan)’ 노트 e-파워 모델과 같이 풀 하이브리드 수준의 작은 배터리를 사용하여 가격 경쟁력이 우수한 실용적인 모델들이 속속 출시되고 있기 때문입니다. 원가 대부분을 차지하는 배터리의 가격이 낮아지면 도로를 달리는 주행 거리 연장형 전기차의 수는 더욱 늘어날 것입니다.


전기차로 가는 가교로 자리 잡은 하이브리드! 향후 모든 차량의 기본 옵션으로 될 가능성이 높은 마이크로 하이브리드부터 전기차의 제한을 넘어서는 EREV까지, 하이브리드 자동차의 영역은 매우 넓습니다. 차량 구매를 계획한 분이라면 꼭 한 번 고민해볼 것을 추천합니다. 




※ 본 콘텐츠는 집필가의 의견으로, 삼성화재의 생각과는 다를 수 있습니다. 



 


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나윤석 칼럼니스트의 자동차 칼럼

<힘과 속도의 연금술사, 변속기>



아마도 운전 면허증은 우리나라 사람들이 가장 많이 가진 자격증일 겁니다. 총인구 5천만 명, 성인 인구 4천만 명 가운데 3천만 명이 가진 자격증이기 때문입니다. 이 운전 면허증에는 종류가 참 많습니다. 가장 중요한 기준은 운전할 수 있는 차량의 범위와 차량의 크기입니다. 그런데 이것 말고도 중요한 기준이 하나 더 있습니다. 2종 보통 면허증에만 적용되는 기준인 ‘오토매틱’ 또는 ‘수동’ 면허증입니다. 그 기준은 바로 변속기의 종류입니다.


이렇듯 변속기는 우리나라 성인 75%가 보유한 운전 면허증에도 등장할 만큼 우리에게 이미 매우 친숙하고 중요한 요소였습니다. 하지만 그 중요성에 비교하여 우리는 변속기를 잘 이해하고 있다고는 할 수 없습니다. 거기에는 우리나라의 신차 판매의 98% 이상이 이미 자동 변속기로 채워지고 있기 때문에 굳이 수동 변속기를 알아야 할 필요성을 느끼지 못하고 있으며 내부 구조는 어떻든 간에 운전자가 신경 쓸 필요 없이 D를 선택하면 전진하고 R을 선택하면 후진하며 주차할 때는 P를 선택하면 된다고만 알면 충분하다고 생각하기 때문입니다.


그런데 우리가 미처 이해할 기회도 주지 않고 변속기가 사라질지도 모릅니다. 전기 자동차는 우리가 아는 이른바 ‘6단 수동’이나 ‘8단 오토매틱’과 같은 변속기가 굳이 없어도 되기 때문입니다. 즉 엔진과 함께 동고동락하며 한 세기 이상을 발전해오던 변속기가 중요한 전환점을 맞이하고 있는 것입니다. 그래서 아직 늦지 않은 지금 변속기에 대하여 알아보려고 합니다.



변속기는 자동차의 동력 계통에서 매우 중요한 장치입니다. 이유는 변속기가 없으면 엔진을 사용하는 자동차는 출발할 수가 없기 때문입니다. 내연 기관, 즉 엔진을 큰 힘을 낼 수 있다는 것이 장점이지만 힘을 발휘하는 회전 영역이 좁다는 단점이 있습니다. 즉 엔진에 직접 바퀴에 연결하면 저회전 영역에서 토크가 부족한 엔진은 차를 출발시킬 수 없습니다. 따라서 출발할 때는 큰 감속비로 속도를 희생하는 대신 토크를 몇 배로 증가시키는 1단 기어를 사용해야 합니다. 그리고 차의 속도가 빨라지면 이번에는 반대로 엔진이 너무 빨리 돌아서 힘을 쓰지 못하게 됩니다. 이때는 고단 기어로 변속하면서 토크를 얻기 위한 기어에서, 속도를 얻기 위한 기어로 바꾸게 됩니다.  이는 속도를 유지하는 데에는 큰 토크가 필요하지 않기 때문입니다.


변속기의 역사는 자동차의 역사와 똑같습니다. 현대적 자동차의 조상인 벤츠의 파텐트모토바겐 Der Patent-Motowagen은 벨트 방식의 고정식 1단 변속기를 사용했습니다. 2/3마력 엔진으로 출발하려면 큰 감속비로 토크를 늘려야 했지만 속도가 사람이 걷는 정도로 느렸기 때문에 굳이 여러 단수를 가진 변속기는 필요하지 않았기 때문이었습니다. 하지만 차량의 속도가 빨라질수록 변속기의 단수는 늘어나기 시작했습니다. 그리고 50년이 지난 1939년 자동 변속기가 태어납니다. 제너럴 모터스가 개발한 하이드라매틱(Hydramatic) 변속기입니다. 최신형 자동 변속기들이 다양한 기능과 높은 효율을 발휘하지만 기본적인 원리는 하이드라매틱 변속기가 거의 완성했다는 점이 놀랍습니다. 


요즘 변속기의 두드러진 한 가지 추세는 다단화, 즉 기어의 단수가 많아지는 것입니다. 불과 10년 전에는 4단 자동 변속기가 주종이었던 것에 비교하여 요즘은 소형차도 6단 이상, 중형차는 8단 자동 변속기를 주로 사용하고 있으며 이미 9단 변속기가 상용화되고 있습니다. 최근 포드가 10단 자동 변속기를 머스탱에 탑재하였고 혼다는 11단 듀얼 클러치 변속기의 특허 출원하기도 했습니다. 



▲포드 머스탱에 적용된 10단 자동 변속기 (출처 : 포드)


이렇게 기어 단수가 늘어나는 것은 효율과 승차감을 높이기 위한 것입니다. 앞서 이야기했듯이 내연 기관 엔진은 좁은 회전 영역에서 높은 토크를 발휘하며 엔진이 가장 높은 효율을 보일 때가 바로 최대 토크를 내는 회전수입니다. 따라서 기어를 변경할 때마다 엔진 회전수가 큰 폭으로 변하는 4단 변속기보다 엔진 회전수가 최대 토크 시점의 상하로 작은 폭으로 오르내리는 8단 변속기를 사용하는 차가 높은 효율을 낼 수 있습니다. 또한, 엔진 회전수가 덜 오르내린다는 것은 변속기 이루어질 때 차에 전달되는 충격이 작다는 뜻입니다. 즉 승차감이 좋아지는 것입니다.


그러나 변속기의 단수를 무턱대고 계속 늘리기는 어렵습니다. 변속기의 구조가 복잡해지므로 가격도 올라가고 내구성에도 위협이 됩니다. 따라서 발상의 전환을 한 변속기가 바로 무단 변속기입니다. 무단 변속기는 이론적으로는 일반 자동 변속기가 기어 단수를 무한대까지 촘촘하게 늘린 것입니다. 따라서 변속의 충격이 전혀 없으며, 엔진 회전수를 최대 효율점에 고정하고 속도만 변화시킬 수 있으므로 효율이 매우 높습니다. 기어비의 폭도 매우 넓습니다. 그러나 기어의 이빨이 맞물려서 동력을 전달하는 일반 변속기보다 벨트의 마찰력에 의존하여 동력을 전달하는 무단 변속기는 전달하는 힘의 한계가 낮습니다. 


그래서 무단 변속기는 운전자가 가속 페달을 갑자기 깊게 밟더라도 엔진 회전수만 올라가고 차의 속도는 늘어나지 않는 특이한 성격을 보여줍니다. 벨트가 미끄러지지 않도록 토크를 순간적으로 기어비를 조절하여 흡수하기 때문입니다. 마치 힘을 가하면 늘어나는 고무줄 같다고 하여 이를 ‘고무줄 효과’라고 부릅니다. 효율은 높지만 운전자에게는 차량과의 일체감이 떨어지는 어색함이 무단 변속기의 가장 큰 단점입니다. 그래서 현재 무단 변속기는 연비와 효율성이 가장 중요한 시장인 하이브리드 자동차와 경차 등에서 주로 사용되고 있습니다. 



▲유성 기어 세트가 추가된 닛산 x트로닉 무단 변속기 (출처 : 닛산)


다단화 이외에도 변속기의 발전에 주역이 하나 더 있는데 바로 클러치입니다. 클러치는 엔진과 바퀴 사이에서 동력을 전달하거나 끊어주는 기능을 담당합니다. 또한, 무단 변속기를 제외한 모든 변속기는 기어를 변경할 때도 클러치가 동력을 끊어주어야 합니다. 그래서 변속할 때마다 충격이 느껴지고 동력의 손실이 발생할 수밖에 없는 것입니다. 이 문제점을 해결하면서 동시에 수동 변속기의 효율과 직결감을 이룩한 것이 듀얼 클러치 변속기입니다. 듀얼 클러치 변속기는 홀수 단과 짝수 단을 두 개의 축으로 분리하여 별도의 클러치로 제어합니다. 즉 홀수 축에서 1단 기어가 체결되어 있을 때 변속기는 이미 짝수 축에서 2단 기어를 선택해 놓고 아직 클러치만 연결하지 않고 기다립니다. 2단 기어로 변속할 때는 홀수 축의 클러치를 끊고 짝수 축의 클러치를 이어주기만 하면 되므로 단절이 없는 변속기 이루어지는 원리입니다. 듀얼 클러치 변속기가 최근 주목받고 있는 이유는 바로 효율과 감성을 모두 만족시킨다는 점입니다. 



▲현대 7단 듀얼 클러치 변속기 (출처 : 위키피디아)


하지만 글 첫머리에 이야기했듯이 전기차는 변속기를 사용하지 않습니다. 정확하게 말하면 고정 감속비를 사용하는 감속기 하나만을 사용하는 경우는 있지만 기어 단수를 사용하는 경우가 거의 없다는 뜻입니다. 그 이유는 전기 모터는 돌기 시작하는 순간부터 최대 토크를 발휘하기 때문이고 엔진 보다 상당히 높은 속도까지 회전할 수 있기 때문에 고성능 스포츠카의 속도 영역까지도 굳이 기어 단수를 바꾸는 변속기를 사용할 필요가 없기 때문입니다.


그러나 아이러니하게도 순수 전기차로 가는 과도기적인 단계인 하이브리드 자동차의 변속기는 매우 복잡합니다. 내연 기관과 전기 모터라는 특성이 전혀 다른 두 개의 동력 기관을 효율적으로 조합해야 하기 때문입니다. 저속에는 저회전 토크가 좋고 응답성이 우수한 모터에, 중속 이상에서는 큰 힘을 내는 엔진을 주로 사용하지만, 상황에 따라 모터와 엔진을 동시에 사용해야 하고 제동 시에는 버려지는 에너지를 전기 에너지로 다시 회수하는 등 그 구조는 물론 기능상으로도 매우 복잡합니다. 따라서 똑똑한 변속기와 변속기 제어 프로그램이 필수적인 것입니다.



▲토요타의 멀티 스테이지 하이브리드 트랜스미션 (출처 : 토요타)


이렇듯 변속기는 매칭되는 동력 기관과 차량의 성격에 따라서 다양한 방식으로 사용됩니다. 그러나 속도와 힘을 주무르면서 높은 효율과 부드러운 승차감을 추구한다는 본질에는 차이가 없습니다. 변속기는 속도와 힘의 연금술사인 것입니다.





※ 본 콘텐츠는 집필가의 의견으로, 삼성화재의 생각과는 다를 수 있습니다. 



 


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