하이브리드 자동차의 작동 원리: 전기 모터와 휘발유 엔진의 결합

미국 에너지부의 대체 연료 데이터 센터(AFDC)에 따르면, 하이브리드 전기 자동차(HEV)는 불꽃 점화식 휘발유 엔진과 배터리 팩에서 전력을 공급받는 1개 이상의 전기 모터를 결합한 것입니다. 플러그인 하이브리드와 달리, 기존의 하이브리드 배터리는 전기 콘센트에서 충전할 수 없습니다. 휘발유 엔진과 회생 제동을 통해서만 충전됩니다.

주요 구성 요소

AFDC는 HEV 파워트레인의 핵심 부품을 나열합니다: 내연 기관, 전기 트랙션 모터, 전기 발전기, 트랙션 배터리 팩, 전류와 모터 속도를 조절하는 전력 전자 제어기, 선상 액세서리를 위해 전압을 낮추는 DC/DC 변환기, 그리고 엔진과 모터 모두에서 기계적 동력을 바퀴로 보내는 변속기입니다.

두 전원이 어떻게 작업을 공유하는가

fueleconomy.gov에 따르면, 휘발유 엔진과 전기 모터는 차량의 제어 시스템에 의해 자동으로 관리되며, 각각이 얼마나 많이 기여해야 하는지를 지속적으로 결정합니다. 저속 및 경미한 가속에서는 많은 하이브리드가 전기 모터만으로 작동할 수 있습니다. 정속 주행에서는 내연 기관이 일반적으로 대부분의 작업을 수행합니다. 급가속이나 언덕에서는 엔진과 모터가 출력을 결합할 수 있으며, 자동차가 정지되어 있을 때는 엔진이 꺼져 유휴 중 연료가 낭비되지 않습니다.

하이브리드 라인업 전체에서 사용되는 Toyota의 하이브리드 시너지 드라이브 시스템의 공식 설명은 이 논리의 구체적인 예를 제공합니다: 유휴 또는 정지 상태에서 Toyota는 "두 엔진이 자동으로 꺼져 에너지가 낭비되지 않는다"고 말하며, 언덕이나 추월할 때는 "두 엔진이 차량에 전력을 공급하여 최대 성능을 제공한다"고 말합니다. Toyota는 또한 자신의 시스템을 통해 운전자가 EV 모드에서 전기 전력만으로 시속 50km까지 가속할 수 있다고 말하며, 그 단계 중에는 배기 가스 배출이 없습니다.

회생 제동: 손실될 수 있는 에너지 회수

회생 제동은 하이브리드가 플러그인 없이 배터리를 재충전할 수 있게 해주는 기술입니다. fueleconomy.gov는 이 시스템이 "바퀴의 전진 운동을 사용하여 모터를 회전"시킨다고 설명하며, 이는 종래의 마찰 제동으로 열로 방산되는 에너지 대신 자동차를 감속시키면서 전기를 생성합니다. AFDC는 전기 발전기가 제동 바퀴에서 에너지를 포착하고 이를 트랙션 배터리로 리다이렉트한다고 확인합니다.

직렬, 병렬 및 플러그인 구성

플러그인 하이브리드가 모두 같은 방식으로 배선되어 있지는 않습니다. fueleconomy.gov의 플러그인 하이브리드 전기 자동차(PHEV) 설명은 엔진과 전기 모터가 모두 기계적으로 바퀴에 연결되어 직접 구동할 수 있는 병렬 또는 "혼합" PHEV와 전기 모터만이 바퀴를 구동하고 휘발유 엔진의 유일한 역할이 해당 모터를 위한 전기를 생성하는 직렬 PHEV를 구별합니다. fueleconomy.gov는 직렬 PHEV는 또한 확장 범위 전기 자동차(EREV)로도 알려져 있다고 지적합니다.

플러그인 하이브리드 전기 자동차(PHEV)는 더 크고 외부에서 재충전 가능한 배터리를 동일한 기본 개념에 추가합니다. fueleconomy.gov는 PHEV가 "전형적인 운전 조건에서 석유 사용을 크게 줄일 수 있을 만큼 충분한 전기를 저장할 수 있다"고 말하며, 모델에 따라 종래 차량보다 약 30% ~ 60% 적은 석유를 사용합니다. 미국 환경보호청(EPA)은 PHEV가 배터리와 전기 모터를 휘발유 탱크 및 내연 기관과 함께 탑재하고 있으며 "휘발유가 연료원으로 사용될 때 배기 가스를 배출한다"고 말하며, 기존 휘발유 자동차보다는 깨끗하지만 배터리 전기 자동차처럼 배출 가스가 없지는 않습니다.

두 전원의 조합이 연비를 절약하는 이유

AFDC는 이중 파워트레인이 자동차 제조업체가 동등한 기존 자동차보다 더 작은 휘발유 엔진을 장착할 수 있게 한다고 설명하는데, 이는 전기 모터가 가속이나 등판 중 필요할 때 추가 토크를 공급할 수 있기 때문입니다. AFDC는 이것이 "더 작은 엔진을 가능하게 할 수 있다"고 말하며, 회생 충전, 모터 지원 및 유휴 운전 감소의 조합이 성능을 희생하지 않으면서 더 나은 연비를 제공합니다. Toyota의 자체 수치는 모델 수준에서의 효과를 보여줍니다: 회사는 자신의 Auris Hybrid Synergy Drive 모델의 연비를 정상 주행에서 100km당 3.8리터로 나열하며, CO2 배출량은 1km당 87그램입니다.