하이브리드 시스템 - 동력 분할, 회생 제동 및 제어

0. 이 글에서 다루는 내용

• 직렬, 병렬, 그리고 직렬-병렬 하이브리드 시스템의 에너지 전달 경로

• 토요타 하이브리드 시스템(THS)의 유성 기어를 통한 동력 분배 원리와 한계

• 배터리 충전량(SOC), 회생 제동, 엔진 시동, 그리고 열 및 안전 한계 제어

1. 하이브리드 시스템은 어떤 문제를 해결하는가?

엔진만으로는 저부하, 저속, 그리고 출발 시 열효율이 떨어지고, 모터만으로는 배터리의 무게당 에너지 저장 용량 제한으로 주행 거리가 제한됩니다. 두 동력원을 어떻게 조합해야 서로의 약점을 보완할 수 있을까요? 바로 이 질문에 대한 답이 하이브리드 시스템입니다. 하이브리드 시스템은 연료를 기계적 에너지로 변환하는 엔진과 배터리 전기를 토크로 변환하는 모터를 여러 에너지 전달 경로를 통해 효율적으로 작동하도록 조정하여, 엔진을 효율적인 작동 영역 근처에서 가동하고, 잉여 동력을 발전으로 보내며, 감속 시 차량의 운동 에너지를 배터리로 되돌려 보냅니다.

2. 세 가지 경로

그림 1 — 직렬 하이브리드는 엔진으로 발전하고 모터만으로 바퀴를 구동합니다. 병렬 하이브리드는 엔진과 모터를 기계적으로 연결합니다. 동력 분할 하이브리드는 유성 기어와 전기 경로를 결합합니다.

3. 아키텍처의 차이점

직렬 방식에서는 엔진이 발전기 역할을 하고 모터만으로 바퀴를 구동합니다. 저속 제어는 간단하지만 기계식-전기식-기계식 변환 손실이 항상 발생합니다. 병렬 방식은 클러치를 통해 엔진과 모터를 바퀴에 연결합니다. 벨트 또는 동축 기어는 순항 시 기계적 경로를 효율적으로 사용하지만, 조정된 변속이 필요합니다. 직렬-병렬 시스템은 속도와 부하 변화에 따라 두 경로를 전환하거나 혼합합니다.

4. THS 유성 기어

도요타는 THS 동력 분배 장치가 엔진 출력을 바퀴와 발전기 사이에 지속적으로 재분배한다고 설명합니다. 선, 링, 캐리어로 구성된 유성 기어 세트는 속도 제약 조건으로

톱니 개수 N_s,N_r 를 만족해야 합니다. 엔진, 발전기 MG1, 바퀴/모터 MG2를 이러한 부재에 할당하면 엔진 속도와 주행 속도를 분리할 수 있습니다. MG1은 엔진이 효율적인 지점 근처에 머무르는 동안에도 발전할 수 있지만, 변환 손실과 MG1 속도 제한은 여전히 존재합니다.

실제 설계에서는 톱니 개수 비율 N_r/N_s이 약 2인 경우가 많습니다. 엔진이 일정한 효율 속도를 유지하는 동안 주행 속도(대략 MG2 속도)가 증가하면 위의 제약 조건에 따라 MG1의 속도가 변동하게 됩니다. MG1은 도로 속도에 따라 회전 방향을 넓게 유지하다가 특정 속도를 넘어서면 회전 방향이 반전됩니다. 이 반전 지점 부근에서 동력 흐름은 "발전"(MG1이 엔진 출력의 일부를 전기로 변환)에서 "모터링"(MG1이 모터 역할도 하여 MG2에 토크를 추가)으로 전환됩니다. 이때 기계식 변속기 없이 단일 유성 기어 세트가 무단 변속기(CVT)처럼 작동하여 연속 가변 기어비를 생성합니다.

5. SOC 및 에너지 균형

충전 상태(SOC)는 전류 적분을 통해 다음과 같이 근사할 수 있습니다.

방전 전류는 양수, 공칭 용량은 Q_n, 충전 효율은 \eta_c입니다. 양산형 하이브리드 차량은 여기에 온도, 개방 회로 전압, 내부 저항, 전류 센서 바이어스를 추가합니다. SOC가 상한값에 도달하면 회생 제동이 불가능해지고 엔진의 자유도가 감소합니다. 따라서 컨트롤러는 목표 SOC 범위를 유지합니다.

대부분의 양산형 하이브리드 차량은 제어를 제한합니다. 배터리 용량의 중간 부근 좁은 범위(예: 전체 용량의 약 40~80%)에서만 전력을 공급하므로, 운전자는 배터리 셀의 화학적 특성이 감당할 수 있는 최대 충전 또는 방전 용량을 경험하지 못합니다. 최대 용량 범위의 여유는 급제동 시 회생 제동에 필요한 전력을 흡수하고, 최소 용량 범위의 여유는 엔진만으로는 급가속 시 필요한 전력을 공급할 수 없을 때 모터가 부족분을 보충할 수 있도록 합니다. 배터리 크기와의 균형을 고려하여 각 모델에 필요한 배터리 용량이 결정됩니다.

6. 작동 모드

• 출발 및 저속: 모터 구동으로 엔진 시동 시 발생하는 충격을 방지합니다.

• 중부하: 엔진을 효율적인 지점으로 이동시키고 잉여 전력으로 배터리를 충전합니다.

• 급가속: 배터리 전력 및 인버터 온도를 모니터링하면서 엔진과 모터를 함께 사용합니다.

• 감속: 회생 제동을 우선적으로 사용하고, SOC, 온도 또는 ABS 한계에 도달하면 마찰 제동으로 전환합니다.

• 정지: 공회전을 중지하고 배터리 또는 엔진에서 생성된 전력으로 보조 장치에 전력을 공급합니다.

7. 실제 구성 비교

8. 어려운 조건 및 안전

짧은 주행을 반복하면 엔진과 후처리 장치가 예열되기 전에 주행이 종료됩니다. 고속도로에서는 배터리의 기여도가 낮아지고 무게가 단점이 됩니다. 추운 날씨에는 출력과 회생 제동이 제한되고 배터리 과열로 인해 연비가 떨어집니다. 고전압 절연, 충돌 차단, 연료 누출, 배기가스, 시동 후 토크 변화에는 별도의 안전 모니터링 장치가 필요합니다.

9. 실용적인 선택

• 도심 및 교통 체증: 회생 제동 빈도, 저속 EV 주행, 부드러운 엔진 시동을 우선시합니다.

• 고속도로: 주행 사이클 동안 엔진 열효율, 기계적 경로 손실, 배터리 질량을 비교합니다.

• 플러그인 하이브리드 차량(PHEV): 충전 전력, 전기 주행 거리, SOC 유지 모드, 장기 보관 배터리 관리 기능을 확인합니다.

• 상용차: 연속 등판 냉각, 정비 용이성, 회생 제동/마찰 제동 수명을 평가합니다.

10. 3줄 요약

하이브리드 차량은 직렬, 병렬 또는 동력 분할 방식을 통해 엔진과 모터를 결합합니다.

THS 유성 기어는 엔진 속도를 도로 속도와 분리하는 동시에 MG1 발전과 MG2 구동을 할당합니다. 이론적인 효율을 실제 연비로 전환하려면 SOC, 회생 제동, 온도, 시동, 절연을 함께 제어해야 합니다.