‘하이브리드 명가’ 토요타·렉서스…“2개 모터로 차도 굴리고, 충전도 하고”

구동용·발전용 모터 각각 탑재된 ‘직병렬 하이브리드 시스템’ 적용

주행 중 발전기 돌려 배터리 충전 가능…뛰어난 연비 장점 꼽혀

고정덕 한국토요타자동차 교육부 차장이 13일 열린 ‘토요타·렉서스 하이브리드 아카데미’에서 하이브리드 시스템에 관해 설명하고 있다. ⓒ데일리안 김민희 기자

하이브리드 기술하면 가장 먼저 떠오르는 브랜드는 토요타다. 토요타 자동차는 1997년 세계 최초의 양산모델인 1세대 프리우스(Prius)를 출시한 이후 현재 SUV·후륜 구동 세단·해치백·상용차 등 다양한 모델에 하이브리드 시스템을 탑재하고 있다.

한국토요타자동차는 13일 하이브리드 시스템 기술력을 설명하는 ‘토요타·렉서스 하이브리드 아카데미’를 열었다.

고정덕 한국토요타자동차 교육부 차장은 이날 행사에서 “하이브리드 기술은 플러그인 하이브리드, 전기차, 수소차로 파생되는 친환경차의 근본 기술”이라고 설명했다.

2개 전기모터 달린 ‘직병렬 하이브리드 시스템’으로 연비 극대화

하이브리드 시스템.ⓒ데일리안 김민희 기자

하이브리드 차는 두 가지 이상의 서로 다른 성질의 동력원을 함께 갖춘 동력시스템으로 구성된 차량을 말한다. 일반적으로 하이브리드 차량에는 내연기관과 함께 배터리, 전기모터로 구성된 전동화된 동력시스템이 탑재된다.

가솔린 엔진과 전기모터 조합으로 이뤄진 하이브리드 시스템의 핵심은 ‘에너지 효율의 극대화’다. 즉, 전기모터가 엔진의 역할을 어느 정도 뒷받침하게 하는가가 관건이다. 저속에서 전기모터만으로 차량을 구동할 수 있는가는 기본이고, 감속이나 정지 시 즉시 에너지를 충전·저장하며, 힘이 필요할 때는 엔진과 모터로부터 동력을 전달받을 수 있어야 한다.

토요타 측은 “한치의 에너지 낭비도 허용하지 않고, 효율적으로 에너지를 사용한다”가 토요타 하이브리드의 핵심이라고 설명했다.

직병렬 하이브리드 시스템.ⓒ데일리안 김민희 기자

하이브리드 시스템은 직렬, 병렬, 직병렬 3가지 타입으로 나뉜다. 직렬방식 차는 모터의 힘으로 달리며 엔진은 발전기 역할만을 담당한다. 전기차와 비슷한 장점을 가졌지만 엔진을 전기로 변환하는 과정을 거치므로 전체적인 에너지 효율이 떨어진다는 단점이 있다. 병렬 방식은 엔진과 변속기 사이 모터를 연결해 사용하는 구조다. 주행 상태에 따라 모터나 엔진 단독으로 움직이는 등 최적의 동력 배분이 가능하다. 그러나 모터가 하나이므로 구동 시 충전을 할 수 없다는 단점이 있다.

토요타는 직렬과 병렬 방식의 장점을 모은 ‘직병렬’ 하이브리드 시스템을 차량에 적용했다. 구동용 모터와 충전용 모터를 각각 장착해, 모터로 주행하는 중에도 나머지 하나의 모터로 발전기를 돌려 배터리를 충전할 수 있다. 복잡한 구조 탓에 가격이 다소 비싸지만, 가다 서기를 반복하는 도심 주행에서 연비가 높다는 큰 장점이 있다.

토요타 관계자는 “도심에서의 제한속도가 낮아지면 같은 거리를 이동할 때 소요되는 주행 시간도 길어진다”며 “뛰어난 연비와 친환경성, 높은 정숙성을 제공하는 하이브리드 차의 메리트가 커질 것”이라고 설명했다.

실제 토요타와 렉서스 하이브리드 차량의 도심 신고연비는 ▲프리우스 2WD 23.3km/ℓ ▲캠리 LE 18.8km/ℓ ▲ES 300h/ES 300h F SPORT 17.3km/ℓ 등으로 나타났다.

전기로 뒷바퀴 돌린다…전자식 사륜구동 시스템 탑재된 ‘RX 450h’

렉서스 SUV 모델 RX 450h 주행모습.ⓒ한국토요타자동차

오전 교육을 마치고 토요타·렉서스 하이브리드 시스템을 직접 체험해봤다. 시승코스는 서울 성동구 토요타트레이닝센터에서 경기 구리의 왕숙체육공원을 돌고 오는 왕복 33km 구간이다. 시승 차량은 전자식 사륜구동 시스템 ‘E-Four’ 변속기가 탑재된 렉서스 SUV 모델 RX 450h이 제공됐다.

속도를 내기 어려운 도심 구간에서 배터리가 충전되는 과정을 자세히 볼 수 있었다. 액셀에서 발을 떼기만 하면 바로 충전모터가 가동돼 에너지를 회수하고, 급가속 시 강력한 모터와 엔진이 동력원 역할을 한다. 출발 시 2칸이었던 배터리는 이 과정을 거쳐 6칸으로 금세 충전됐다.

계기판의 에너지 흐름도. 브레이크 페달을 밟으면 전기가 충전되며 바퀴에서 배터리로 화살표가 표시된다.ⓒ데일리안 김민희 기자

E-Four의 가장 큰 강점은 고효율성으로 꼽힌다. RX 450h의 복합신고연비는 리터당 12.8km로 프리미엄 사륜구동에서 만나보기 어려운 높은 효율성을 자랑한다. 연비에 가장 큰 역할을 하는 것은 바로 뒤축에 달려있는 별도의 모터다.

일반 차량의 경우 주행 중 감속을 하거나 브레이크 페달을 밟을 때 운동 에너지들이 모두 버려지게 된다. 이렇게 버려지는 에너지를 모터를 통해 다시 회수하는 게 바로 회생제동인데, 보통 하이브리드 시스템은 제동 시 바퀴가 회전하는 힘으로 모터를 돌려 전기를 생산한다.

E-Four는 앞쪽의 엔진과 모터를 비롯해 뒤쪽에도 모터가 추가로 장착돼 있어 감속 시 앞과 뒤의 모터가 모두 발전기로 변환되며 회생제동을 한다. 앞바퀴의 에너지만 모으는 일반 하이브리드와 달리 E-Four는 네 바퀴의 에너지를 빠짐없이 활용하기 때문에 에너지 회수 비율이 더욱 높다.

RX 450h 운전석.ⓒ데일리안 김민희 기자

또한, 미끄러운 노면 주행 시 차량의 상태에 따라 후륜에 토크를 최적으로 배분해 안정적인 주행이 가능하다. 코너링 시 언더스티어(차량이 코너를 돌 때 스티어링휠을 돌린 각도보다 차량의 회전반경이 커지는 현상)가 감지되면 뒷바퀴 구동력을 증가시키고, 오버스티어(차량이 코너를 돌 때 스티어링휠을 돌린 각도보다 회전반경이 작아지는 현상) 시에는 뒷바퀴 구동력을 감소시켜 운전자가 의도하는 라인을 따라 주행할 수 있다.

토요타 관계자는 “포트분사와 직분사방식을 혼용하는 D-4S 하이브리드 엔진 기술을 통해 출력을 강화하고 연비를 향상시키는 한편, 배기가스 배출량도 감소시켰다”며 “여기에 전기모터의 구동력이 더해져 313 마력의 시스템 출력을 발휘한다”고 설명했다.

이 같은 장점을 지닌 토요타, 렉서스 하이브리드 차 판매량은 전체의 대다수를 차지한다.

토요타 관계자는 “지난 2006년 국내 첫 하이브리드 시판 모델인 렉서스 RX 400h 발매 이래 하이브리드 전동화 모델 도입을 선도하는 브랜드로서 입지를 강화해 왔다”며 “올해 1~9월 판매량 중 하이브리드 비중을 살펴보면, 7개의 하이브리드 모델을 보유한 렉서스는 전체 판매의 약 98%, 6개의 하이브리드 모델과 1개의 플러그인 하이브리드를 판매하고 있는 토요타는 약 92%에 이른다”고 강조했다.