하이브리드, 전기자동차의 기능

하이브리드 차량

단일 동력원의 일반 자동차와 달리 두 개 이상의 동력원에 의해 차체가 구동되는 차량이다.

이 용어는 내연 기관과 전기 자동차를 포함하는 하이브리드 전기 자동차 (HEV)를 가리키는 데 주로 쓰인다.

일반적인 하이브리드 자동차는 다음을 포함하고 있다:

• 내장형 RESS (재생가능 에너지 축적 시스템), 연료 전원 (내연 기관이나 연료 전지)
• 공기 엔진과 내연 기관

 

하이브리드 차량인 도요타의 Prius

 

뉴욕 교통당국이 사용했던 Prius

 

 

전기자동차(電氣自動車)

EV(electric vehicle)는 석유 연료와 엔진을 사용하지 않고, 전기 배터리와 전기 모터를 사용하는 자동차를 말한다. 현재, 대한민국에서는 전기자동차를 자동차로 분류하고 있지 않아 상용화를 할 수 없는 상태이다.

배터리에 축적된 전기로 모터를 회전시켜서 자동차를 구동시키는 전기자동차는 1873년 가솔린 자동차보다 먼저 제작되었으나, 배터리의 무거운 중량, 충전에 걸리는 시간 등의 문제 때문에 실용화되지 못했다. 그래도 구조가 간단하고 내구성(耐久性)이 크며 운전하기가 쉬운 점 등이 있어 주로 여성용으로 미국에서 1920년대 중반까지 소량 생산되었다. 최근 공해문제가 심각해지면서 1990년대부터 다시 개발되었다.

양산 전기차 1호는 미국 캘리포니아 주 지역에서 시판되고 있는 고성능 전기자동차 GM EV1. GM은 90년대 들어 적극 개발해 온 전기차 EV가 열매를 맺어 96년부터 시판하고 있다. 이 전기차는 한번 충전으로 최장 208㎞까지 최고 시속 150㎞로 달릴 수 있다.

이후 포드 레인저, 도요다 RAV4, 혼다 EV Plus 등이 시판되었다. 그러나 기존의 전기자동차들은 배터리 충전에 8시간 이상 걸리고 주행거리가 짧아 아직 실용성이 많이 떨어진다.

2010년 판매 될 예정인 "Mitsubishi i MiEV"

오스트레일리아에서 처음으로 상업용 전기자동차로 판매 된 "Electron"

 

 

 

 

하이브리드 전기 자동차와의 관계

전기 모터와 내부 연소 엔진을 사용하는 전형적인 예가 하이브리드 전기 자동차이다. 이 차는 전기로만 작동하도록 고안되지는 않았다. 하이브리드 전기 자동차는 전기에너지를 배터리에 충전시켜 사용함으로서 자동차의 에너지사용에서 가솔린 연료사용 부분을 부분적으로 대체하고 있다. 이러한 기술이 하이브리드 자동차에 적용된 차량을 하이브리드 전기자동차라하고 만약 배터리가 외부로부터 충전할 수 없다면, 즉 전기 에너지를 저장할 매체가 없는 차량은 하이브리드 차로 분류된다.

짧은 주행거리와 높은 가격의 문제를 안고있는 전기자동차에 대한 대안으로 하이브리드 전기자동차(HEV)를 내세우고 있다. HEV는 대표적인 Partial ZEV로 가솔린과 전기를 함께 동력원으로 사용하기 때문에 연비 개선, 배기가스 저감(가솔린 자동차의 절반수준) 측면에서 긍정적인 평가를 받고 있다. 이러한 HEV도 가솔린 자동차와의 가격 차이를 어떻게 극복하느냐가 관건으로, 2차 전지 탑재량을 EV 의 1/3수준까지 낮출수 있어 FCEV로 가기 위한 징검다리 역할을 할 것으로 기대된다. 1997년 말 일본 시장에 출시된 도요타의 프리우스는 세계최초의 HEV로 1년동안 20,000대의 판매실적을 올려 세계적인 관심의 대상이 되었으며, 이에 자극받은 회사들도 2000년 판매를 목표로 개발에 박차를 가하고 있다

 

전기자동차의 종류와 장·단점

전지식 전기 자동차

축전지에 충전하여 전동기를 가동하는 타입. 예전부터 있었으며, 개량되어 왔다. 리튬 전기의 성능, 코스트는 현재 2~3배정도의 개선을 목표로 개발이 진행되고 있으며, 부품 수도 적게 들기 때문에 장래적으로는 보통 승용차라도 플러그 인 하이브리드 자동차 보다 싸 질 수도 있다. 단, 트럭이나 버스를 움직이는 단계에 도달 하기 위해서는 가격이 1/50 이하로 하락하지 않는 이상, 가선식과의 가격 경쟁은 불가능하다.

장점

• 가선을 설치하는 비용이 들지 않으며, 미관상도 좋으며 차량에 집전기가 불필요하다.
• 주행시 CO2나 NO x를 배출하지 않는다. 소형 전기 자동차가 충전 전기 제조시 주행 1 Km당 40g(소형 가솔린 차의 경우는 170g)의 CO2를 발생한다.
• 부품수가 하이브리드카는 물론, 내연기관차보다 적게(트렌스미션 레디에이터 등이 불필요) 시스템이 단순화가능하므로, 고장 리스크 범위도 줄일 수 있다. 기술 혁신에서 전지 코스트가 줄어들면 플러그 인 하이브리드 자동차 보다 값이 쌀 가능성이 있다.
• 전기차는 전기모터로만 구동할 경우 운행비용이 가장 저렴하고 값싼 심야 전기를 이용할 경우 비용을 더 낮출 수 있다.
• 특히 화석연료를 전혀 사용하지 않아 가장 친환경적이다.
• 엔진소음이 적고, 진동이 적으며, 차량 수명이 상대적으로 길다.
• 엔진 소음의 감소로 인하여 소음에 대한 피해가 감소한다.
• 사고 시 폭발의 위험성이 적다.
• 다양한 에너지원을 이용할 수 있고, 에너지 효율이 높다.
• 전력이용의 시간대별 평준화가 가능하고, 싸고 힘있는 심야 전력으로 자택에서 충전 가능하다.
• 차량디자인 및 부품배치 자유도가 크다.
• 전기자동차는 휘발유 자동차와는 다르게 운전중에 기어를 바꿔줄 필요가 없어 운전조작이 간편하다.
• 내연기관이 없어 고장이 적은 편이다.

단점

• 낼 수 있는 에너지당 중량이, 석유 계 연료에 비해서 매우 크다.
• 차량 총 중량 20t 트럭일 경우, 현재 기술에서는 전지만으로도 5t정도 되고, 따라서 대형차에 맞지 않는다.
• 고가의 전지가 필요하다.
• 자동차 수명보다 전지 수명이 짧고, 전지를 몇번씩 교환해야만 한다.
• 장거리 주행을 위해서는 급속 충전 스탠드의 전국 규모로 충전해야한다.
• 차량 가격이 비싸다. (그러나 기술 개발을 통해 배터리 생산단가를 절감하면 향후 가격 경쟁력에서 충분히 승산이 있다는 분석도 있다.)
• 일반 가솔린차에 비해 속도가 느리고, 배터리 1회 충전으로 주행할 수 있는 거리(항속거리)가 짧다.
• 충전 시간이 오래 걸린다.
• 전지 수명이 짧고, 전지의 잔존시간 확인이 어렵다.
• 별도의 충전 시설을 위한 인프라 구축도 선행돼야 함. 때문에 정부와 전력공급 기관·업체들의 적극적인 지원이 필요하다.
• 대한민국의 경우 전기차의 도로주행이 현행법에 금지돼 있는 만큼, 관련법 보완도 시급하다.

플러그 인 하이브리드 자동차

기본은 하이브리드 자동차 이지만, 축전지 용량을 하이브리드 자동차와 전지 자동차의 중간 크기로 하고, 비상시에는 다시 충전해 두는 것으로 단거리는 전지 자동차로서 활용하는 형식이다. 가정 전원이 이용 가능하고 어디서도 충전 할 수 있다는 간편성을 염두해 둔 방식이다. 트럭에 비해 단거리 이용이 많은 승용차의 특성에 주목하여, 전동 주행을 단거리 이용으로 줄여서 전지 코스트를 줄인 가솔린 자동차와 전기 자동차의 하이브리드 방식이다.

장점

• 가솔린 스탠드를 이용 가능하며, 충전 스탠드 정비가 진행될 때 까지는 편리하게 사용할 수 있다.
• 전지로 장거리 주행을 타협하고 있으므로, 전지 코스트/중량이 전지 자동차보다 저렴하다. 그 때문에 전지 가격 저하까지는 종합 경제적으로 유리하다.
• 대형 승용차에 전지 자동차보다 우월한 연비를 보인다.
• 가솔린차와 동등 이상의 항속성능을 보인다.

단점

• 13km정도 이상의 주행은 하이브리드 자동차와 비슷한 정도의 환경 부하가 있다.
• 장거리 주행, 또는 지속적인 대출력이 필요한 버스, 트럭 등에는 쓸 수 없다.
• 전기 자동차와 가솔린 자동차의 전환 기구가 필요하고 부품 수가 많아서, 전지의 코스트 다운이 진행된 경우는 경제적 이득을 잃게 된다.

수소 연료전지 자동차

수소 연료 전지로 발전하고 전동기를 구동하는 타입으로 수소를 직접 연소하여 이용하는 수소자동차와는 에너지를 내는 방법이 다르다.

장점

• 다른 방식의 수소 자동차와 같은 장점
  • 자연 에너지 발전의 이용보다, 수소는 물에서 무한대로 생산 가능하여 지속 가능하다.
  • 주행시 CO2, NOx가 발생하지 않는다.
  • 항속거리가 전지식 전기 자동차 보다 길다.
• 수소 연로 전지 자동차 고유의 장점
  • 내연수소자동차보다 연료를 절감할 수 있다.

단점

• 다른 방식의 수소 자동차와 같은 단점
  • 인프라 정비에 비용이 든다.
  • 수소흡장합금 탱크나 고압수소 탱크를 탑재하므로 차량 내부 공간이 협소하고 무게는 증가한다.
• 수소연료 전지 자동차 고유의 단점
  • 수소연료 전지 자동차에 사용하는 백금 등에 의해 연료 전지 자체가 고가여서, 내연 수소 자동차 보다 취득 비용이 든다.
  • 화학 반응을 이용하는 발전이로, 이온 교환 수지의 마모에 의한 성능 저하를 피할 수 없으며, 몇년마다 연료 전지를 교환해야한다.

알코올 연료 전지 자동차 [편집]

알코올을 직접 연료전지에 공급하는 방식과, 연료 개질기를 사용하여 알코올에서 수소를 얻어, 수소 연료 전지에 공급하는 방식이 있다. 발전이후의 시스템은, 전동기를 구동하는 전기 자동차와 거의 같다. 알코올을 연료로 하여 직접 내연기관에서 연소시키는 자동차와는 다르다.

장점

• 다른 방식의 알코올 연료 자동차와 같은 장점
  • 화재시 물로 소화가 가능하다.
  • 알코올은 기존 가솔린 스탠드로 급유가 가능하여 인프라 정비에 비용이 적게 든다.
  • 항속 거리가 전지식 전기 자동차에 비해 길다.
  • 연료 가격은 비교적으로 싸다.
• 알코올 연료 전지 자동차 고유의 장점
  • 전지 자동차와 설계의 공통화를 도모할 수 있다.

단점

• 다른 방식의 알코올 자동차와 같은 단점
  • 알코올의 제조 단계에서 CO2가 발생한다.
  • 알코올 연료는 가솔린이나 경유에 비해 인화 가능한 공기중의 혼합비의 범위가 넓고, 안전성이 떨어진다.
  • 메탄올은 금속을 부식 시켜 취급 자격이 필요하다.
• 알코올 연료 전지 자동차 고유의 단점
  • 연료 개질기에 의해 공간이 협소해진다.
  • 알코올 개질시 CO2와 열이 발생한다.
  • 연료 전지 스택이 비싸다.
  • 부식성 때문에 알코올 직접 공급식 연료 전지는 수소 연료 전지 보다 수명이 짧다.

가선집전식 하이브리드 자동차

간선도로에서는 가선 집전으로 전동기를 도리고, 지선에서는 내연기관과 트랜스미션으로 주행하는 방식이다. 일본의 트로리 버스는 도시부의 교통기관으로 예전부터 실용화 되어 있었다. 그러나 간선이 있는 곳 이외에서는 주행 불가능하여 보급이 한정되어 있고, 디젤 엔진을 탑재한 버스의 성능 향상보다 떨어지는 나라도 많다. 최근에는 하이브리드 자동차에 집전 장치를 설치, 가선 없는 곳도 달릴 수 있는 트로리 버스가 개발되었다. 기술적으로는 고가에 무겁고 수명이 짧은 2차 전지가 불필요하고, 장시간에 걸처 대출력을 발휘할 수 있는 것이 장점으로, 변전소와 가선, 가선주의 설치나 그 보수 비용, 거리의 광경에 미치는 영향 등이 단점이다.

장점

• 전지가 소용량(소형)으로 해결할 수 있어 중량 대비 코스트면에서 유리하다.
• 대출력이 가능하므로 석유 소비의 큰 비율을 차지하는 버스, 트럭등의 대형 자동차 윤송의 전동화에 적용 가능하다.
• 지속적인 대출력 발휘가 가능하다.
• 가솔린 스탠드로 급유가 가능하다.
• 차량 코스트는 하이브리드와 크게 다르지 않아 상대적으로 저렴한 비용으로 해결이 가능하다.
• 가선이 있는 간선 구간에서는 가솔린보다 싼 전기가 사용되며, 차량에서 CO2배출도 없다.
• 가선집전으로는 항속 거리의 제한이 없으며, 지선에서 항속 거리도 전지식에 비해 길다.
• 전지식 전기 자동차에 비해 전지가 작아 차량이 가벼워 지고, 에너지 소비량과 CO2배출 절감이 가능하다.

단점

• 가선의 문제
  • 고속 도로상의 가선을 사회가 수용할 필요가 있으며, 미관상 영향과 안전성에 문제가 발생할 수 있다.
  • 가선 설치를 위해서는 높은 초기 비용이 필요하다.
  • 통상 가선으로 교통집중에 맞는 전기 용량이 확보 가능에 대한 충분한 증빙 자료가 없다.
  • 가선 보수 요원이 필요하다.
  • 용단, 파단에 의한 새로운 위험이 발생할 수 있다.
  • 정비 불량차에 의한 위험이나 설비시 위험성이 크다.
• 집전주행중에는 정해진 차선 이외로 변경하는 것이 곤란한 경우가 발생할 수 있다.
• 가선 없는 말단 도로에서는 가솔린 엔진을 움직이므로 CO2나 NOx가 배출된다.

비접촉 충전 하이브리드 자동차

도로에 있는 유도 코일을 통해 주행중이나 정차중에 자체전지를 충전함으로써 전지 용량(중량과 코스트)를 낮추며, 장거리의 전지 주행을 가능하게 하고, 지선은 엔진으로 구동하는 타입이다. 일본에서는 시내 주행용 노선 버스의 전화에 최초 적용이 기대되고 있다. 충전 코일의 시내 설치가 진행되면 트럭의 시내 주행 전화에도 응용 가능할 것으로 보인다.

장점

• 무겁고 고가로 수명이 짧은 전지를 절약 가능하다.
  • 전지 코스트는 주행도중 충전하지 않는 전지 자동차 보다 훨씬 적게 든다.
• 가솔린 스탠드에서 급유가 가능하다.
• 대형 차량에 적합하다.
• 코일 충전 장치가 있는 구간은 화석 연료보다 싼 전기가 사용 가능하며, 차량에서의 CO2 배출도 없다.
• 코일 충전 장치가 있는 구간에는 항속 거리의 제한이 없고, 지선의 항속 거리도 크다.
• 주행 및 정차 중의 충전으로 인해 전지가 작아도 괜찮으며, 전기 자동차 중에서는 가선식 다음으로 차량이 가벼워 지고, 에너지 소비와 CO2배출도 절감할 수 있다.
• 가선이나 집전 장치가 불필요하여 미관상 가선집전식 하이브리드 방식보다 유리하다.

단점

• 인프라 정비에 비용이 든다.
  • 변전소의 건설이나 지중 코일과 급전설비의 설치가 필요하다.
  • 급전 시스템의 보수 요원이 필요해진다.
• 오후 주행시, 야간 전력 이용이 불가능하다.(단, 전지식은 야간 축전 오후 주행이 가능하다.)
• 코일 충전 장치가 없는 구간에서는 엔진을 움직이므로 기존과 같은 CO2나 NOx가 배출된다.
• 급전 서비스로의 과금 시스템이 필요해진다.