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플러그인 하이브리드 자동차

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플러그인 하이브리드 자동차 동력 구조

플러그인 하이브리드 자동차(plugin hybrid automobile) 또는 플러그인 하이브리드 전기자동차(PHEV; Plugin Hybrid Electric Vehicle)는 충전기를 통해 배터리를 충전하고 그 힘으로 모터를 구동하거나, 주유소에서 연료를 주입하여 엔진을 구동하는 두 가지 방식을 모두 사용하는 자동차이다. 내연기관 자동차의 특징과 전기자동차의 특징을 모두 가지고 있다. 풀하이브리드(Full Hybrid)라고도 한다.

개요[편집]

플러그인 하이브리드 자동차는 하이브리드 자동차와 마찬가지로 엔진구동모터를 모두 장착한 자동차다. 하지만 하이브리드 전기자동차보다 고전압 배터리의 용량이 더 크고, 외부 전기를 충전할 수 있는 시스템도 갖추고 있다. 고전압 배터리의 용량을 늘려 전기에너지로만 주행할 수 있는 거리가 하이브리드 전기자동차보다 길기 때문에 운전자가 운용하는 방식에 따라 배기가스 배출을 더욱 줄일 수 있다. 플러그인 하이브리드 자동차 역시 회생제동 시스템을 탑재하고 있어 내연기관 자동차보다 연비가 높다. 또, 충전소에서 전기를 충전할 수 있기 때문에 전기에너지만으로 차량을 운행할 수 있고, 충전이 어려운 상황일 때는 엔진으로 운행이 가능해 편의성이 높다.[1]

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역사[편집]

1899년 초에 생산된 로너-포르쉐 믹스테 하이브리드(Lohner-Porsche Mixed Hybrid)가 최초의 하이브리드 자동차였다.[2][3] 초기의 하이브리드 자동들은 운용 전에 외부 전원의 공급을 받을 수 있었다. 그러나 플러그인 하이브리드라는 용어는 표준 전기벽 소켓으로부터 충전이 가능한 하이브리드 차량을 의미했다. 플러그인 하이브리드 전기자동차라는 용어는 캘리포니아 대학교 데이비스(University of California, Davis) 앤드류 프랭크(Andrew Frank) 교수에 의해 만들어졌으며,[4] 그는 "현대의 플러그인 하이브리드의 아버지"로 불린다.[5][6] 대량 생산된 플러그인 하이브리드 차량들은 2010년 중국미국에 출시되었다.[7][8][9] 2016년 말, 소매용 대량 생산으로, 합법적으로 고속도로를 달릴 수 있는 플러그인 하이브리드 자동차가 30가지 모델을 넘어섰다. 플러그인 하이브리드 자동차는 미국, 캐나다, 서유럽, 일본, 중국에서 주로 구매가 가능했다. 가장 많이 팔리는 모델은 쉐보레 볼트(Chevrolet Volt), 미쓰비시자동차(Mitsubishi Motors) 아웃랜더 PHEV(Outlander PHEV), 토요타(Toyota) 프리우스 PHEV(Prius PHEV) 등이었다.[10] 스웨덴의 볼보(Volvo) 사의 차량도 최고급 사양에도 플러그인 하이브리드가 장착되어 있었다.[11]

구동 원리[편집]

플러그인 하이브리드 자동차의 기본 설계는 하이브리드 자동차와 같다. 내연기관과 모터로 구성된 하이브리드 기본 설계에서 하이브리드보다 더 큰 용량의 배터리를 탑재하고, 외부 충전이 가능한 탑재형 완속충전기(OBC) 부품이 추가된다. 플러그인 하이브리드 자동차는 전기자동차 모드와 하이브리드 자동차 모드를 모두 운용하기 때문에, 도로 상황과 운전자의 컨디션 등에 따라 자연스럽게 모드를 전환하는 것이 핵심이다. 전기자동차 모드로 주행하는 동안에도 급가속이 필요하면 엔진이 작동되도록 설계해 운전의 즐거움이나 위급 상황의 안전성까지 갖추고 있다.[12] 특히 대용량 배터리를 장착해 전기자동차 모드의 주행거리가 대폭 늘어났고, 배터리가 일정량 이하로 소모되면 하이브리드 자동차와 동일하게 구동된다. 전기 모터로 주행하는 전기자동차 모드와 엔진과 모터를 함께 사용하는 하이브리도 모드로 구동된다.[13]

플러그인 하이브리드 자동차 구동원리[14]
CD 모드 CS 모드 충전
모터 주행
(전기자동차 모드)
모터 엔진+모터 엔진 배터리 충전 배터리 충전
출발/저속
모터만 구동
가속 엔진 작동
및 모터 보조
중/고속 정속
엔진만 구동
감속 배터리 충전 외부 충전
1. 모터 주행:
배터리를 일정량 사용할 때까지 모터만으로 전 구간 주행을 한다
2. 모터 주행(전기차 모드):
큰 동력이 필요치 않은 출발이나 서서히 가속시 전기모터를 사용한다.
3. 엔진+모터 주행:
속도 증가로 큰 구동력이 필요시 엔진
시동하거나 오르막길, 급고속 등으로 매우 큰 구동력이 필요시 엔진과 전기모터를 동시 사용한다.
4. 엔진 주행:
엔진 효율이 가장 좋은 고속 정속 주행시는 엔진만 사용한다.
5. 배터리 충전:
감속이나 제동시 발생되는 에너지를 전기에너지로 전환시켜 배터리를 충전한다.
6. 외부 충전:
외부에서 배터리
충전이 가능하다.

특징[편집]

플러그인 하이브리드 자동차는 가정이나 건물의 전기를 이용하여 외부에서 충전한 배터리의 전기동력으로 주행하다가 배터리 방전 시 일반 하이브리드 자동차처럼 내연기관 엔진과 배터리의 전기동력을 동시에 사용하여 운행하는 자동차로, 일반 하이브리드 자동차보다 진일보한 방식의 하이브리드 자동차이다. 특히 플러그인 하이브리드 자동차는 가솔린을 전혀 사용하지 않고 배터리로 50km를 달릴 수 있는데 이는 일상 용도에 충분하기 때문에 향후 자동차 기술을 선도할 친환경 기술로 부상하고 있다. 자동차 업체들은 전기자동차 보급에 가장 큰 걸림돌인 높은 배터리 가격이 낮아진다고 해도 짧은 주행거리 문제가 해결되지 않기 때문에, 대안으로 전원을 직접 연결해 배터리를 충전할 수 있는 플러그인 하이브리드 자동차를 먼저 출시했다. 플러그인 하이브리드 자동차는 엔진과 전기모터를 함께 사용한다는 점에서 하이브리드 자동차와 같지만, 전원을 연결해 직접 구동 에너지원인 배터리를 충전할 수 있는 것이 특징이다. 하이브리드 자동차는 내연기관을 기반으로 전기모터가 보조하는 방식인 반면, 플러그인 하이브리드 자동차는 전기모터가 기반이며 내연기관이 보조하는 시스템이다. 플러그인 하이브리드 자동차는 하이브리드 자동차와는 달리, 충전 상태를 감소시키는 방전모드에서 주행이 가능하다는 특징이 있으며, 일반 자동차보다는 전기자동차에 더욱 가까운 형태이기 때문에 배터리의 에너지 밀도가 중요하다. 기존 자동차의 핵심은 엔진이었다면, 플러그인 하이브리드 자동차를 비롯한 친환경 자동차의 핵심 기술은 배터리다.

플러그인 하이브리드 자동차가 최근 부상하는 이유는 현재 자동차 업체들이 가지고 있는 기술과 비용을 고려할 때 가장 현실적인 친환경차이기 때문이다. 플러그인 하이브리드 자동차는 기존 하이브리드 자동차와 순수전기차(BEV) 중간 형태 차량으로 적절한 가격에 연비와 친환경성을 모두 만족시킨다는 장점을 가지고 있다. 하이브리드 자동차는 배터리 용량이 적고, 전원 공급을 내연기관을 통해 받기 때문에 필연적으로 배기가스를 배출해야 한다는 단점을 가지고 있다. 순수전기차는 배기가스 배출에서 자유롭지만, 운행거리가 150km 이내로 짧고, 가격이 높다. 하지만 플러그인 하이브리드 자동차는 차종에 따라 다르지만 최대 100km까지 배터리만으로도 주행할 수 있고, 충전을 하지 못할 상황이나 장거리 운행 시에는 엔진과 병행해 주행이 가능하다. 무엇보다 상황에 따라 내연기관과 전기자동차의 장점을 극대화할 수 있고, 가격 면에서도 일반 자동차와 경쟁할 수 있다는 장점을 갖고 있다. 플러그인 하이브리드 자동차는 기본은 하이브리드 자동차이지만, 배터리 용량을 하이브리드 자동차와 순수전기차의 중간 크기로 하며, 비상시에는 다시 충전해 두는 것으로 단거리는 전기자동차로서 활용된다. 가정의 전원을 이용할 수 있고 어디서나 충전할 수 있다는 간편성을 염두에 둔 방식이다. 즉, 단거리 이용이 많은 승용차의 특성에 주목하여, 단거리는 전동 주행을 활용하여 배터리 가격을 줄인 휘발유 자동차와 전기자동차의 하이브리드 방식이다. 기존의 하이브리드 자동차가 기름을 덜 쓴다고 해도 대부분의 주행에서는 기름을 쓰기 때문에 여전히 가스 배출량이 많아 전기로 움직이는 구간을 더욱 늘리기 위해 노력하고 있다. 플러그인 하이브리드 자동차는 배터리와 가솔린 엔진이 함께 장착돼 있다는 점에서는 하이브리드 자동차와 동일하나 배터리를 재충전해 다시 쓸 수 있다는 게 특징이다. 플러그인 하이브리드 자동차는 일반 하이브리드 자동차보다 친환경적이고 충전 스탠드 인프라가 진행될 때까지 가솔린 스탠드를 이용할 수 있으며, 대형승용차에 사용할 수 있고 가솔린차와 동등한 항속 성능을 갖고 있다는 장점이 있다. 그러나 주로 시내 주행용으로 적합하여 미국처럼 국토가 넓은 국가에서는 사용이 제한되고, 13km 이상의 주행은 하이브리드 자동차와 비슷한 환경 부하를 가지기 때문에 장거리 주행이 필요한 버스트럭 등에는 적용이 어렵다는 단점을 갖고 있다.[15]

장점[편집]

  • 한 번 배터리를 충전하면 배터리에 저장된 전기를 쓰는 동안에는 전기로 움직이나, 전기가 떨어지면 가솔린 엔진으로 작동하여 하이브리드 자동차보다 친환경적
  • 가솔린 스탠드 이용이 가능하며, 충전 스탠드 정비가 진행될 때까지 편리하게 사용
  • 배터리 가격/중량이 전기자동차보다 저렴하기 때문에 배터리 가격 하락까지 경제적으로 유리
  • 대형승용차에서 전기자동차보다 우월한 연비
  • 가솔린차와 동등 이상의 항속 성능을 보유

단점[편집]

  • 40마일 이상 장거리 운전을 할 때는 가솔린 엔진을 사용하기 때문에 가스를 배출할 수밖에 없어 미국처럼 국토가 넓어 장거리 운행이 많은 지역에서는 한계
  • 13km 이상의 주행은 하이브리드 자동차와 비슷한 환경 부하가 걸림
  • 장거리 주행 및 지속적 출력이 필요한 버스, 트럭 등에는 적용 곤란
  • 전기자동차와 가솔린차의 전환 기구가 필요하고 부품 수가 많아서, 배터리의 가격 다운이 진행된 경우는 경제적 이점을 상실

관련 기술[편집]

대용량 배터리[편집]

보통 플러그인 하이브리드 자동차에는 약 300~500개의 배터리가 들어가고 15~60km까지는 순수한 전기모터의 힘으로만 달리게 되니 배터리의 용량이 커지게 된다. 그리고 이렇게 배터리의 용량이 커지고 기존 엔진도 같이 사용되면서 차체가 무거워 질 수 있어서 플러그인 하이브리드 자동차에는 경량화 소재가 많이 사용된다.[12] 플러그인 하이브리드 자동차의 성능을 결정하는 주요 요인 중에 하나는 배터리의 성능이다. 미국 에너지성의 배터리 기술 개발 로드맵에 따르면 2022년에는 2012년 대비, 에너지 밀도는 두 배 이상 증가시키고 가격은 4분의 1이하로 낮추는 것을 목표로 하고 있는데, 2015년 보고서에 에너지 밀도는 140Wh/kg 에 도달하였고, 배터리 팩 가격은 260($/kWh) 수준으로 낮아져 해당목표를 달성할 가능성이 있을 것으로 내다보고 있다. 국내외의 배터리 업체들도 에너지 밀도를 팩 기준 260~300Wh/kg 정도까지 높이는 목표를 가지고 차세대 전극 물질을 개발하고 있다.[16]

차량 열 관리[편집]

플러그인 하이브리드 자동차를 포함한 친환경 전기자동차 기술에 있어 풀기 어려운 문제 중의 하나는 추운 지방에서 주행할 때 엔진의 폐열을 사용하지 못할 경우 실내 온도를 유지하기 위해 추가적인 에너지를 소모해야 한다는 점이다. 플러그인 하이브리드 자동차의 경우, -7゚C(미국의 연비 인증 저온 기준 온도) 주행에서 두 배에 달하는 추가적인 전기 에너지 혹은, 연료가 소모된다. 열 관리 문제는 단순히 연비뿐만 아니라 잦은 냉시동에 의한 배기가스 배출 문제도 유발할 수 있으므로 이 문제를 해결하기 위해 상변화를 이용한 열저장 장치, 엔진 작동 최적화를 통한 엔진 온도 제어 등 다양한 아이디어가 제시되고 있으나 여전히 풀어야할 과제로 남아 있는 상황이다.[16]

동력전달계[편집]

엔진, 모터 등에서 발생하는 동력을 전달하는 동력전달계의 최적화 및 최적 동력원 용량 매칭 기술은 플러그인 하이브리드 시스템의 효율을 향상시키는데 필요한 매우 중요한 기술이다. 동력 분기형, 멀티 모드 시스템, 병렬형 하이브리드 동력전달계 각 구조들이 기존의 단점을 보완하기 위해 개선된 구조임에도 불구하고, 여전히 시스템의 효율을 향상시킬 수 있는 구조가 꾸준히 제시되고 있다. 기존 내연기관 차량의 변속 시스템의 경우, 동력 전달 효율 분석을 통해 구조의 우수성을 판단하는데 큰 어려움이 없는 반면, 플러그인 하이브리드 시스템의 경우, CD 모드의 활용 정도 및 방법, CS 모드에서의 동력원 제어 기법 등에 의해 시스템의 우수성이 크게 좌우되어 시스템의 우열을 판단하기가 쉽지 않기 때문에 최적의 시스템을 찾는 지속적인 노력이 필요한 상황이다.[16]

현황[편집]

국내[편집]

2019년 들어 기존에는 장점이라고 했던 마일드 하이브리드와 전기자동차의 중간이라는 것이 장점이 아닌 단점이 되어 시판 모델을 찾기가 힘들어졌다. 마일드 하이브리드보다 비싸고, 전기자동차보다는 배터리 용량이 적어 주행거리가 짧으며, 때문에 매번 충전하지 않으면 플러그인의 의미가 없다. 게다가 구매보조금 및 혜택은 전기자동차와 수소차로 집중되고 있는 등 상품성이 떨어져 주요 제조사들은 플러그인 하이브리드 자동차보다 마일드 하이브리드 방식 차량을 출시하는 추세가 되었다. 점차 전기자동차에 밀리며 라인업에서 제외되는 경우도 생겨나고 있으며 플러그인 하이브리드 형태로의 발전보다는 전기자동차 및 수소차로 진화되어 발전될 가능성이 더 높다. 2021년부터 플러그인 하이브리드 자동차에 지급되는 보조금이 500만원에서 50만원으로 대폭 하향된 상황이라 가격민감도가 큰 대중차 브랜드의 플러그인 하이브리드 자동차는 더욱 만나기 어려워질 전망이다. 그래서 대한민국 내수에서 판매하는 플러그인 하이브리드 자동차가 사라졌다. K5쏘나타는 풀 모델울 체인지하면서 플러그인 하이브리드 자동차가 없어졌고, 아이오닉은 2020년 3월 말 가솔린 모델이 단종되면서 없어졌다. 그리고 그나마 유일하게 생산중이던 니로의 플러그인 하이브리드모델도 2022년식으로 모델변경과 함께 단종되었다. 투싼, 쏘렌토 플러그인 하이브리드는 해외 시장에서만 출시되었다. 따라서 대한민국 자동차 시장에 풀린 플러그인 하이브리드 자동차의 대다수는 수입차가 유일하다.[17] 한편 정부의 보조금 폐지에 국산 플러그인 하이브리드 자동차는 2021년 1분기 기준 국내 시장에서 한 대도 팔리지 않았다. 국산 플러그인 하이브리드 자동차 판매는 2019년 376대, 2019년 235대로 계속 감소하고 있다. 이는 2021년부터 플러그인 하이브리드 자동차에 대한 저공해차 구매보조금이 폐지됐기 때문으로 해석된다. 앞서 환경부는 2021년 전기자동차 보급을 늘리기 위해 2020년까지 지급하던 플러그인 하이브리드 자동차의 보조금을 폐지했다. 2020년 플러그인 하이브리드 자동차 보조금 규모는 대당 500만원(총 300대)이었다. 반면 수입 플러그인 하이브리드 자동차의 경우 2021년 1분기 국내 시장에서 5,287대가 팔려 2020년 동기 대비 424.5% 증가했다. 2020년에는 1만 467대가 판매되며 2019년(4,879대) 대비 114.5% 늘었다. 유럽을 비롯한 해외에서 다양한 차종에 플러그인 하이브리드 자동차를 적용하고 수입차 브랜드가 이를 국내로 들여와 판매 차종이 늘면서 플러그인 하이브리드 자동차 판매가 전반적으로 증가한 것으로 보인다.[18]

해외[편집]

대한민국과 달리, 미국을 포함한 전 세계적으로 플러그인 하이브리드 자동차 시장은 계속 성장하고 있다. 통계를 보면 주로 순수 전기자동차와 플러그인 하이브리드의 판매 비율을 비교하고 있기에 갑작스런 순수 전기자동차의 고속 성장에 비해 입지가 줄어드는 것처럼 보이지만, 자동차 전체 시장을 기준으로 보자면 확실히 판매가 늘고 있고 새로운 모델 또한 계속 쏟아져 나오고 있다. 특히 플러그인 하이브리드 자동차의 대명사격인 프리우스 프라임의 약진이 놀라운데, 과거에 비해 프리우스 패밀리 내 비율을 상당 잠식하고 있다. 4세대부터 디자인에서 차별을 두기 시작한 데다 미국의 경우 공격적인 가격 책정으로 보조금 포함 기준 일반 프리우스의 가격에 근접하거나 오히려 더 저렴해지는 역전 현상까지 보이기 때문이다. 2017년에는 그 동안 하이브리드의 불모지였던 미국 미니밴 시장에조차, 크라이슬러(Chrysler) 퍼시피카(Pacifica)의 플러그인 하이브리드가 등장했다. 메르세데스-벤츠(Mercedes-Benz)와 비엠더블유(BMW) 역시 기존의 플러그인 하이브리드 모델을 계속 내놓고 있는 중이다. 특히 메르세데스-벤츠는 전기자동차는 EQ(이큐) 브랜드의 새로운 모델로 내놓고 있고, 기존 모델에 싹 다 플러그인 하이브리드 모델을 출시하고 있다. 단 메르세데스-벤츠와 비엠더블유는 성능업 개념의 모델이라서, 전기자동차 모드에서의 주행 거리가 상당히 짧다. 볼보 역시 최고급 트림에는 플러그인 하이브리드가 달려 있다.[17] 실제로 한국자동차산업협회가 발표한 보고서에 따르면 글로벌 플러그인 하이브리드 자동차 판매는 2019년 52만 3,844대에서 2020년 90만 9,519대로 73.6% 증가했다. 특히 2020년 독일과 프랑스·영국·스웨덴 등 유럽에서는 2019년(19만 4,924대)의 3배에 달하는 57만 8,477대가 팔리며 플러그인 하이브리드 자동차 시장 확대를 이끌었다. 자동차 주요 시장인 유럽·미국·중국 등에서는 경기 회복과 온실가스 감축을 위해 플러그인 하이브리드 자동차를 포함한 전동차 보급을 확대하는 정책을 강화하고 있다. 독일은 경기 회복을 위해 순수전기차와 함께 플러그인 하이브리드 자동차의 정부 지원금을 2021년까지에 한해 2배로 올리고 오는 2025년까지 보조금을 유지하기로 했고, 프랑스는 2019년 폐지했던 플러그인 하이브리드 자동차 보조금을 재개했다. 중국 역시 2020년 말 일몰 예정이던 신에너지차(NEV)에 대한 보조금 지급, 세제 혜택 등 인센티브 적용을 2022년 말로 연장했다. 미국은 플러그인 하이브리드 자동차를 포함한 무공해차(ZEV) 보급 확대를 위한 보조금 지급 등 관련 제도를 정비하고 있다.[19]

각주[편집]

  1. 현대자동차그룹, 〈(전기차 백과사전 A to Z) 하이브리드부터 수소전기차까지, 친환경 전동차의 종류와 특징은?〉, 《현대자동차그룹 저널》, 2020-04-10
  2. History of Hybrid Vehicles〉, 《Hybridcars》, 2006-03-27
  3. Lohner-Porsche Mixte Voiturette〉, 《Ultimatecarpage.com》, 2007-11-19
  4. John J. FialkaStaff Reporter, 〈Coalition Turns On to 'Plug-In Hybrids'〉, 《The wall street journal》, 2006-01-25
  5. Ben Ovshinsky, 〈Plug-In Hybrids: State Of Play, History & Players〉, 《CalCars》, 2020-11-03
  6. Mark Clavton, 〈Can Plug-In Hybrids Ride to America's Rescue?〉, 《ABCnews》
  7. BYD Auto To Begin Sales of F3DM Plug-in to Individuals〉, 《Green Car Congress》, 2010-03-23
  8. Scott Doggett, 〈BYD Auto to Offer F3DM Plug-in Hybrid to Chinese Individuals Starting Next Week〉, 《Green Car Advisor》, 2010-03-23
  9. Nick Chambers, 〈First Chevy Volts Reach Customers, Will Out-Deliver Nissan in December〉, 《Chevrolet Volt》, 2010-12-06
  10. Jeff Cobb, 〈Tesla Model S Is World’s Best-Selling Plug-in Car For Second Year In A Row〉, 《Hybrid CARS》, 2017-01-26
  11. 플러그인 하이브리드〉, 《위키백과》
  12. 12.0 12.1 슈어소프트테크, 〈플러그인 하이브리드 자동차 특징〉, 《네이버 블로그》, 2018-01-23
  13. HEV·PHEV - 미래를 향해 달리는 2개의 심장〉, 《현대자동차그룹 공식 홈페이지》
  14. 전기차 개요 - 플러그인하이브리드차〉, 《저공해차 통합 누리집》
  15. 산업분석연구팀 전황수 책임연구원, 〈플러그인 하이브리드카(PHEV) 기술개발 동향 - Technology Development on Plug-in Hybrid Electric Vehicle〉, 《한국전자통신연구원》, 2012-03
  16. 16.0 16.1 16.2 한양대학교 기계공학과 김남욱 교수, 〈플러그인 하이브리드 자동차(PHEV) 현황과 전망〉, 《한국자동차산업협회 웹진》, 2016-09-10
  17. 17.0 17.1 플러그인 하이브리드 자동차〉, 《나무위키》
  18. 변지희 기자, 〈올해 국산 PHEV 1대도 안팔렸다…보조금 폐지 때문〉, 《조선비즈》, 2021-04-18
  19. 서종갑 기자, 〈보조금 없앴더니 올 국산 PHEV 판매 ‘0’〉, 《서울경제》, 2021-04-18

참고자료[편집]

같이 보기[편집]


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