혼다소식

엔진과 모터의 연결로 구현되는 하이브리드 시스템은 크게 직렬과 병렬, 직병렬 크게 세 가지로 구현된다. 물론 각 방식에서 연결 장치의 구조에 따라 더 세분화될 수 있지만 소비자들이 느낄 수 있는 주행의 질감 구분은 크게 위의 세 가지 정도다. 각 제조사들은 이 범위 안에서 자신들의 정체성을 만들어오고 있다. 이번에는 각 시스템의 특장점 및 혼다 i-MMD 시스템만이 가진 매력의 근원을 살펴본다.

 

 

 

 

 

발전기를 내재한 전기차, 직렬 하이브리드

 

 

직렬 하이브리드(Series Hybrid)는 전기차의 연장 개념으로 레인지 익스텐더(Range Extender)라고도 불린다. 즉 전기차가 외부 전원을 통해 공급하는 전원 외에, 엔진이 발전기 역할을 담당하여 전기로 갈 수 있는 거리를 연장한다는 개념이었다. 그래서 엔진을 제외한다면 거의 전기차와 다름 없는 구조다.

 

이는 디젤 기관차에도 적용된 바 있는 시스템으로, 그 매커니즘에 대한 업계의 이해도가 높았다. 구조가 단순하다는 장점도 있었다. 그러나 이는 어디까지나 배터리의 적은 용량 문제를 해결하기 위한 접근이었다. 따라서 직렬 하이브리드는 주로 도심 주행을 하는 자동차에 적용되었고, 주행 성능 자체에도 한계가 있었다. 현 세대의 하이브리드 차종 중에는 찾아보기 어려운 시스템이다.

 

 

 

다양한 주행 상황에서 우수한 연비 구현, 병렬 하이브리드

 

 

병렬 하이브리드(Parallel Hybrid) 시스템은 엔진과 모터를 연결해 동력을 ‘혼합’하는 방식이다. 변속기와 엔진 사이에 구동 모터가 연결되는 형태이다. 그 사이에 연결을 차단하는 기구의 존재 여부에 따라, 연결 차단 기구가 있을 경우 클러치 방식과 유성 기어 방식인지의 차이에 따라서도 세분화된다. 2000년대 초반 혼다 시빅 하이브리드에 적용됐던 IMA 시스템도 병렬 하이브리드에 속한다.

 

 

시빅 하이브리드에 적용됐던 혼다 IMA 시스템

 

 

이 시스템의 장점은 다양한 주행 상황에 맞춰 최적의 동력 배분이 가능하다는 것이다. 또한 차의 성격에 따라 필요로 하는 주행 질감에 차별을 둘 수도 있다. 후륜 구동 차종들의 경우에도 다양하게 적용된다.

 

 

2000년대 중반 IMA 시스템을 탑재했던 혼다 자동차들

 

 

그러나 변속기와 엔진 사이 구동 모터가 하나라는 건 약점이다. 즉 모터가 구동될 때는 구동의 역할밖에 하지 못한다. 그래서 하이브리드이면서도 우수한 연비를 발휘하지는 못하는 경우가 많다. 따라서 상당수 차종에서는 대배기량 엔진의 초기 거동을 도와주는 역할을 제한되기도 했다. 기존 내연기관에 48V 배터리 기반 모터-제너레이터 통합 스타팅 시스템을 적용한 마일드 하이브리드(Mild Hybrid)도 이 병렬 하이브리드 시스템의 개념과 닿아 있다.

 

 

 

모드 구분 확실한 하이브리드의 정점, 직병렬 하이브리드

 

 

직병렬 하이브리드는 엔진, 모터, 연결 단속 기구, 인버터, 변속기가 일렬로 연결되는 방식이다. 병렬 하이브리드에서 직결형의 단속 기구가 있는 방식이라고도 할 수 있다. 직병렬 하이브리드에는 통상 구동용과 충전용 모터가 별도로 장착된다. 그래서 에너지 회생의 효율이 우수하다. 풀 하이브리드(Full Hybrid)라고도 하는데 마일드 하이브리드라는 개념도 이 직병렬 방식에 대한 대비 개념으로 제시됐다.

 

이 시스템을 적용한 차들은 다양한 주행 모드를 만들어낼 수 있다. 예컨대 실린더 휴지 시스템을 활용하여 완전한 전기 모드로 달릴 수도 있고 고속 항속 주행 시에는 일종의 활강 상태와 비슷한 타력 주행 혹은 관성 주행도 가능해 연비를 향상시킨다.

 

 

 

 

그러나 필연적으로 구조가 복잡하고 무게가 무거워지는 단점이 있다. 공간 패키징에도 제약으로작용한다. 게다가 배터리 질량 당 동력이 큰 리튬 이온 배터리라면 모르겠지만 니켈 메탈 배터리라면 차량의 무게 당 출력 비를 개선하는 데 한계가 있는 시스템이기도 하다.

 

 

 

2모터로 구분 방식의 한계를 넘어서다, 혼다 i-MMD

 

 

연비와 동력 성능 모두에서 인상적인 면모를 자랑하는 혼다의 하이브리드 시스템인 i-MMD(Intelligent Multi Mode Drive) 역시 직병렬 하이브리드로 분류될 수 있다. 그러나 기존 직병렬 시스템의 원리만으로 설명하기 어려운 매력을 갖고 있다.

 

우선 i-MMD 시스템에서는 모터 2개가 마주보고 있다. 하나는 엔진에 연결된 발전용, 하나는 구동축에 연결된 구동용이다. 이 두 개의 모터는 엔진 측에 연결된 록 업 클러치를 통해 연결 혹은 분리된다. 구조가 심플해 공간 패키징도 여유롭고 무게를 줄이는 데도 도움이 된다.

 

 

 

 

직렬 하이브리드적 성향이 드러나는 부분은 2.0리터 i-VTEC DOHC 엔진이다. 최고 출력 145ps(6,200rpm), 최대 토크 17.8kg?m(3,500rpm)의 엔진의 기본 역할은 충전이다. 그러나 배터리의 용량이 충분하고, 고속 주행 중이더라도 구동에 필요한 최소의 토크가 모터 최대 토크인 32.1kg?m보다 적은 경우에는 미련 없이 주된 구동 역할을 모터에 넘긴다. 따라서 어코드 하이브리드나 CR-V 하이브리드의 ‘에너지플로우(흐름도)’를 보면 전기로 구동되는 영역이 넓다는 것을 알 수 있다.

 

 

 

 

확실한 EV 모드의 구분 및 가속 시 엔진과 모터의 기민한 협응은 병렬형 하이브리드의 면모도 느끼게 한다. 즉 동력의 혼합이라는 면에서 최적의 조화를 이루는 셈이다. 2모터의 최고 출력은 184ps에 달한다. 배터리만 충분하다면 시내도로에서는 주행과 가속이 모두 가능할 정도다. 또한 중속에서 고속으로 뛰어오를 때 엔진과 모터가 협응해서 쏟아내는 215ps의 최고 출력도 효과적인 동력 혼합 능력을 보여 준다. 무엇보다 그 연결 과정에서 이질감이 극히 적고 부드럽다는 것이 i-MMD가 가진 매력이다. 높은 공신력을 자랑하는 ‘워즈오토’가 선정하는 10대 엔진에서, 2019년과 2020년 하이브리드 부문 연속 수상을 거둔 것도 이러한 장점 덕분이다.

 

 

 

 

북미 시장 최초로 시판된 양산형 하이브리드인 혼다 인사이트가 세상에 나온 지도 22년이 됐다. 그간 각 제조사들은 각자 주어진 조건에 맞는 방식의 하이브리드 시스템을 선택해 발전시켰다. 사실 어떠한 방식이 최고라고 단언하기는 어렵다. 차의 구조나 크기에 따라 선택할 수밖에 없는 방식이 있기 때문이다. 그러나 본질은 엔진의 개입 범위를 최소화해 연료 소모량과 배출 가스를 최소화하고 보다 편리한 운전 경험을 제공하는 것이다. 이 본질을 생각하면 하이브리드 자동차를 고르는 기준은 명확해진다.

 

 

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