친환경차에 대한 소비자의 관심은 최근 증가세에 있습니다. 2020년 상반기 국내 친환경차 판매량을 살펴보면, 현대자동차그룹은 2019년 같은 기간 대비 6만 7,798대(+36.2%)를 판매했습니다. 차종별로는 하이브리드 카의 인기가 높았습니다. 플러그인 하이브리드 카까지 포함해서 하이브리드 카 전체 판매량은 약 5만 3,000대로 전년 동기보다 53.3% 증가했으며, 전체 친환경차 판매에서 76.2%를 차지했습니다. 이는 소비자 관심이 친환경차로 대거 집중되고 있다는 것을 보여주는 실질적인 지표라 할 수 있습니다.
산업통상자원부가 발표한 2020년 상반기 국내 자동차 산업 동향에서도 친환경차의 해외 판매량이 증가하고 있는 것을 알 수 있습니다. 전년 동기 대비 14.0% 증가한 가운데, 플러그인 하이브리드 카의 수출도 전년 대비 25% 이상 증가했습니다. 국내 친환경차들은 환경 규제가 엄격한 유럽 시장에서 높은 인지도를 얻고 있어 그 기술력을 입증하고 있습니다.
환경 위기에 대한 전 세계적인 관심이 높아지면서 소비자의 관심이 친환경차에 집중되는 것은 어쩌면 당연한 일입니다. 하지만 다양한 취향을 고려했을 때 내연기관차에서 곧바로 전기차나 수소전기차로 넘어가기 망설이는 소비자도 있을 것입니다. 이는 앞서 언급한 하이브리드 카 판매 증가세를 보면 쉽게 추측할 수 있습니다. 또한 완속충전기가 탑재되어 가전제품처럼 편하게 충전할 수 있는 플러그인 하이브리드 카의 등장은 친환경차의 개념을 넓히는 계기가 되었습니다.
우리 말로 ‘혼합’의 뜻인 ‘하이브리드(Hybrid)’가 자동차와 결합하면 두 가지 동력원을 함께 사용하는 의미가 됩니다. 하이브리드 카는 운전자의 가속 요구를 파악해 최고의 효율점에서 엔진과 모터의 힘을 조합하도록 설계됐습니다.
즉 운전자가 출발 신호를 보내고 저속 주행할 때는 모터만으로 구동하고, 가속할 때나 오르막길 등 큰 구동력이 필요할 때는 엔진과 모터가 동시에 움직입니다. 또한 정속 주행 시 엔진 또는 모터로 주행하며, 감속이나 제동 혹은 내리막길에서는 계속 회전하고 있는 모터의 남는 운동에너지를 전기에너지로 변환해 고전압배터리를 충전합니다. 하이브리드 카는 엔진의 발전기와 회생제동을 통해 충전하는 것만으로도 배터리 용량을 채우기 충분하기 때문에 외부 전기에너지를 충전하지 않아도 됩니다.
플러그인 하이브리드 카의 기본 설계는 하이브리드 카와 같습니다. 내연기관과 모터로 구성된 하이브리드 기본 설계에서 하이브리드보다 더 큰 용량의 배터리를 탑재하고, 외부 충전이 가능한 탑재형 완속충전기(OBC: On Board Charger) 부품이 추가됩니다. 플러그인 하이브리드 카 역시 도로 상황과 운전자의 컨디션 등에 따라 모터와 엔진이 자연스럽게 전환됩니다. 특히 대용량 배터리를 장착해 전기차 모드의 주행거리가 대폭 늘어났고, 배터리가 일정량 이하로 소모되면 하이브리드 카와 동일하게 구동됩니다.
친환경차의 구동모터는 일반 전자 제품에서 많이 사용되는 DC(직류) 모터와 차이가 있습니다. 바로 AC(교류) 모터 형식의 매입형 영구자석(IPM: Interior Permanent Magnet) 동기모터라는 점입니다. 이 모터는 일정한 힘을 발생시키며, 현대자동차그룹의 모터 시스템의 경우 효율과 내구성을 높였습니다. 또한 친환경차의 회생제동 시스템을 가능하게 하는 것이 바로 이 모터입니다. 모터는 외부에서 역으로 운동에너지를 가하면 발전기가 되는데, 차량이 감속하거나 내리막길을 주행할 때, 모터의 에너지 흐름이 반대 방향으로 바뀜으로써 운동에너지가 전기에너지로 변환되어 배터리에 축적됩니다.
친환경차의 배터리는 화학 에너지 형태로 저장된 에너지를 주행 중에는 구동에 필요한 전기에너지 형태로 공급하고, 감속 중에는 화학에너지 형태로 저장해 차량의 연비 및 동력 성능을 향상시키는 역할을 합니다. 현대자동차그룹의 리튬이온폴리머 배터리는 거듭된 안전 성능 연구를 통해 차량에 탑재 가능한 시스템으로 개발됐습니다. 또한 극한 충돌 시험을 통해 배터리 안전 강화에 힘을 쏟았고, 분리막 세라믹 코팅∙수동 보호 구조∙배터리 전용 제어기∙안전 수리 서포트 등 4중 안전 설계를 통해 혹시 있을 사고에 철저히 대비했습니다.
그리고 구동에 필요한 고전압 배터리는 일반적으로 차량에 기본 탑재된 12V 납산 보조 배터리와 별도의 공간에 장착되는데, 현대자동차그룹의 하이브리드 카는 이 2개의 배터리를 하나로 통합시켜 2열 시트 하단에 배치했습니다. 이에 따라 트렁크 공간을 확보했고, 자동차 무게 중심이 중앙에 가깝게 옮겨지면서 동력 성능도 향상됐습니다.
하이브리드 카는 내연기관으로도 움직이기 때문에 변속기가 필요합니다. 내연기관차의 경우 엔진에서 발생한 동력이 변속기를 거쳐 바퀴로 전달되는 시스템으로 움직이는데 이때 엔진의 동력을 주행속도, 차량의 무게, 도로 상황 등에 맞춰 적절히 키우고 줄여 바퀴로 전달하는 것이 자동변속기의 역할입니다.
하이브리드 카는 엔진과 자동변속기 사이에 하이브리드 구동모터가 추가돼 동력 전달에 관여합니다. 즉 엔진만의 동력, 구동모터만의 동력, 엔진과 구동모터가 함께 만들어내는 동력이 변속기를 거쳐 바퀴에 전달됩니다. 엔진 혼자 부담해야 하는 동력 생성을 모터가 보조하기 때문에 연비가 좋은 것은 물론 가속력에서도 유리합니다.
하지만 현대자동차그룹의 하이브리드 카는 자동변속기에 들어가는 동력 변환 장치인 ‘토크컨버터’를 사용하지 않습니다. 이는 연료 효율과 연관이 있습니다. 토크컨버터는 유체로 엔진의 토크를 변환하여 동력을 전달하는데, 동력이 직접 연결되어 전달하지 않고 유체를 거쳐서 전달하기 때문에 일부 에너지 손실이 발생합니다. 또한 토크컨버터 무게가 무겁기 때문에 연비에 불리할 수 있습니다. 이로 인해 급가속을 해야 할 때 변속이 느리거나, 변속 충격이 발생할 수 있는 구조적 한계가 있었습니다. 하이브리드 카를 타게 되면 가속 페달을 밟아도 차의 반응이 느리고, 꿀렁거리는 느낌을 받게 되는 것도 바로 이러한 변속 구조 때문입니다.
현대자동차그룹는 이러한 한계를 극복하기 위해 모터의 역할을 새롭게 해석했습니다. 즉 하이브리드 카의 동력 제어를 총괄하는 HCU(Hybrid Control Unit)에 독자 개발한 변속 제어 로직(ASC: Active Shift Control) 알고리즘을 추가했습니다. 이 기술을 통해 모터는 모터 내부에 내장된 센서를 활용해서 변속기로 들어오는 엔진의 동력(입력축)과 변속기를 거쳐 나온 동력(출력축)의 속도를 초당 500회씩 정밀하게 모니터링하면서 변속기의 회전 속도를 엔진 회전 속도와 동기화 시킵니다.
이를 통해 변속 시간은 기존 500ms에서 30% 단축시킨 350ms가 소요되어 가속 성능과 연비 향상을 이뤘을 뿐만 아니라 변속 과정에서 불가피하게 발생하는 변속기 내부 마찰을 최소화해 내구성까지 높였습니다.
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