토요타가 지난 5월 13일, 미디어를 대상으로 특별한 이벤트를 열었다. `토요타 하이브리드 스패셜리스트 아카데미`로 이름 지어진 본 행사는 토요타 하이브리드의 특성을 알리기 위한 자리로 기획되었으며, 참여한 취재진이 직접 서울에서 인제를 왕복하는 기나긴 코스를 시승해가며, 토요타 하이브리드의 특성을 직접 체험할 수 있었다.
이 날 행사에서는 기자도 렉서스를 비롯하여, 토요타자동차그룹의 하이브리드 모델들을 직접 경험하며, 토요타식 하이브리드의 특성과 활용법에 대해 다시금 정리할 수 있었다. 토요타식 하이브리드의 특성과 그 활용법에 대해 소개한다.
하이브리드는 혼자가 아니다
일반적인 자동차들의 엔진은 시동이 걸리는 그 순간부터 눈코 뜰새 없이 바빠진다. 구동륜에 전달해야 할 동력을 발생시키면서도 실내의 쾌적함을 유지하기 위한 공조장치의 작동에도 관여해야 하며, 자동차가 필요한 모든 전기를 생산해야 한다. 뿐만 아니라, 제동을 비롯한 다른 기계장치들에 필요한 유압 체계를 움직일 힘 역시 엔진이 공급한다. 자동차의 기동은 물론, 기계로서의 역할을 하기 위한 대부분의 과정에서 엔진의 힘을 필요로 한다. 이 때문에 자동차의 엔진을 두고 `심장`이라 일컫는 것이다.
하지만 하이브리드는 다르다. 하이브리드(Hybrid)는 영어로 동/식물의 `잡종`, 혹은 서로 다른 성격을 가진 두 가지, 혹은 그 이상의 혼합체를 의미한다. 기계에서는 두 가지 이상의 동력원을 사용하는 구조를 말한다. 그렇다는 것은, 하이브리드는 곧 심장이 두 개라는 이야기다. 엔진이 혼자 모든 것을 떠맡는 구조가 아니라는 것이다. 그리고 토요타식 하이브리드는 이러한 하이브리드 개념의 선구자이자, 시장의 기준으로 정립된 하이브리드이기도 하다.
토요타식 하이브리드는 진동과 소음이 적은 앳킨슨 사이클 형식의 가솔린 엔진과 전기모터의 조합으로 이루어진다. 가솔린 엔진이 하는 일은 일반적인 자동차들의 엔진과 같은 역할을 수행하고, 전기모터는 구동륜으로의 동력 전달과 함께 회생제동을 통해, 버려지는 운동에너지를 회수하는 역할을 한다. 그리고 서로 다른 두 가지의 동력원이 모두 구동륜에 동력을 전달하는 직/병렬 혼합형 하이브리드 시스템이라는 것이 특징이다. 이러한 직/병렬 혼합식 하이브리드 시스템은 다른 말로, 스트롱 타입, 혹은 풀 하이브리드 등으로 달리 표현되기도 한다.
토요타식 하이브리드 시스템은 발전 및 구동이 동시에 이루어진다. 즉, 하이브리드 시스템을 위한 배터리를 실시간으로 충전해 줄 수 있다는 이야기다. 이 때문에 토요타식 하이브리드 시스템에는 두 개의 전기 모터가 설치된다. 이 두 개의 전기 모터는 각각 구동과 회생제동, 그리고 엔진을 통한 전력 생성의 역할을 수행한다.
변속기도 일반자동차와는 다르다. 일반적인 자동변속기와도, 심지어는 CVT와도 그 구조가 다르다. 동력 분배 장치(Power Split Device, 편의 상 하이브리드 변속기로 칭함)라 불리는 전용의 변속기가 탑재되는데, 이는 구동력을 전달하는 클러치 대신 전기 모터가 이를 대신하며, 몇 개의 컴파운드 기어 유닛 등으로 구성된다. 이 때문에 토요타 하이브리드 차량들의 변속기는 전기모터와 합쳐져 있는 구조를 띄게 된다. 엔진 혹은 모터의 동력을 직접 전달할 수도, 엔진과 모터의 힘을 동시에 전달할 수도 있다.
둘이기에 부담을 나눈다
이러한 특징으로 인해, 토요타식 하이브리드 시스템을 탑재한 차량들은 엔진에 가해지는 부담이 크게 절감된다. 혼자가 아니기 때문에, 엔진에게 쉴 틈이 생기는 것이다. 엔진이 쉬고 있을 때에는 전기 모터를 비롯한 다른 장치들이 엔진이 하는 일 중 일부를 나눈다. 이 덕분에 하이브리드 자동차는 주행거리가 같은 경우, 일반 자동차에 비해 엔진의 컨디션이 상대적으로 양호한 경향을 보인다.
토요타 측은 하이브리드 시스템이 비단 엔진뿐만 아니라, 다른 기계 장비에도 영향을 끼친다고 말한다. 특히, 브레이크의 경우, 전기모터의 적극적인 회생제동과 회생제동 협력제어 기능을 강조한다. 단순히 페달을 밟지 않은 상태에서의 회생 제동 외에도, 브레이크 조작 시, 유압 제동 시스템과 회생 제동을의 기여도를 나눔으로써 브레이크 페달을 조작하여 직접 제동을 걸어도 유압 브레이크 시스템에 가해지는 부담을 최소화 한다. 이 때문에 토요타 측에서는 운전 습관에 따라서 브레이크 패드의 기대 수명이 일반 자동차 대비 최대 2배까지 높아진다고 말한다.
혼자가 아닌 하이브리드의 특성, 그리고 그러한 특성을 가장 정확하게 구현하여 다른 모든 자동차 제조사들의 벤치 마크 대상이 되고 있는 토요타식 하이브리드는 우수한 정숙성과 우수한 연비, 그리고 우수한 신뢰성의 세 마리 토끼를 한 번에 잡은 결과물이라 볼 수 있다.
둘이기에 더 강하다
이 외에도 하이브리드는 대체로 힘이 부족하다는 인식이 있다. 여기서 말하는 힘이란, 발진 가속과 등판 능력을 이른다. 결론부터 말하자면, 토요타식 하이브리드 시스템을 탑재한 차종들의 힘은 그리 나약하지 않다는 것이다. 이마저도, 역시 혼자가 아닌, 둘이기 때문에 가능한 일이다.
가솔린 엔진을 비롯한 자동차용 엔진의 토크 곡선은 대체로 중저회전 구간에서 정점에 이르는, 대체로 사인 곡선과 유사한 형태를 그리는 경향이 있다. 이는 일상적인 운용에서의 편의성 증대와 연비의 향상을 위한 것으로, 중저회전 토크응 높여, 발진 가속 및 등판능력을 향상시키기 위한 조치다. 하지만 전기모터는 다르다. 전기모터의 토크 곡선은 대체로 탄젠트 곡선에 유사한 형태를 그린다. 이는 곧 구동 초기에 가장 높은 토크를 발생시킨다는 것이며, 회전 수가 높아질수록 최대토크가 떨어진다. 출발하는 시점에서 막대한 토크를 필요로 하는 기관차의 심장으로 전기 모터가 쓰이는 이유도 여기에 있다. 그리고 토요타식 하이브리드는 두 가지의 동력원을 모두 가지고 있기 때문에, 이론 상으로는 발진과 등판 등에서 엔진에 가해지는 부담을 최소화하는 구조로 되어 있다고 볼 수 있다.
여담으로, 토요타의 하이브리드 시스템은 대체로 Ni-MH(니켈 수소 합금)배터리를 사용한다. 토요타는 프리우스 이래로 하이브리드 자동차의 배터리로 니켈 수소 합금 배터리를 꾸준히 사용해 왔다. 하지만, 최근, 경쟁사들이 훨씬 소형/고성능의 리튬 폴리머 배터리를 채택하는 사례가 늘면서 토요타의 니켈 수소 합금 배터리 채용에 대해 의문을 제기되기도 했다. 그리고 토요타는 이에 대해 니켈 수소 합금 배터리가 갖는 높은 `안정성`을 채용 이유로 내세우고 있다. 물론, 토요타도 4세대 프리우스의 플러그 인 하이브리드 모델에 새롭게 리툼 폴리머 배터리를 채택하면서 그 가능성을 모색하는 과정에 있다.
모터의 활용이 핵심
전기모터는 하이브리드 시스템에서 엔진과 함께 제 2의 심장을 이루는 만큼, 중요도가 높다. 동력 발생에서의 기여도 면에서도 동력 배분장치의 개입으로 인해, 엔진은 발전만 하고, 전기모터가 실질적 구동을 담당하는 경우도 있다. 이런 경향은 특히 저속 구간에서 자주 나타난다.
하지만 고속 주행에서도 모터는 중요한 역할을 담당한다. 특히, 저회전 구간에서 큰 힘을 내는 전기모터의 특성 상, 발진 가속을 비롯하여, 등판 및 고속주행에도 활용할 여지가 많다. 요는 고속 주행 중에도 엔진에 가해지는 부담이 그만큼 적다는 것이다. 토요타식 하이브리드 차량들의 경우, 대부분 최고 100마력 이상을 상회하는 전기모터를 탑재하고 있기 때문에 다양한 주행 환경에서 큰 도움을 준다. 그러면서도 일반적인 가솔린 자동차에 비해 더욱 효율적인 운행이 가능하다는 이점도 있다.
고유의 특성 활용으로 더 즐겁고 알뜰하게
하이브리드로 절약을 실천하기 위한 핵심은 바로, 엔진을 깨우지 않는 것이다. 엔진에게는 최소한의 일만 시키고, 나머지는 전기모터에게 최대한 맡기는 것이 연비를 올리는 지름길이다. 엔진이 작동을 하지 않으면 연료를 소모할 이유가 없기 때문이다.
이 날 시승한 렉서스 ES300h를 기준으로 설명한다. ES300h의 하이브리드 시스템은 토요타 캠리와 렉서스 NX300h 등이 공유하고 있다. 이 시스템은 40km/h 이하의 저속에서는 모터만으로도 출발 및 운행이 가능하다. 자동차가 가장 많은 연료를 소비하는 시기인, 정지 상태에서 출발하는 단계에서부터 연료를 아낄 수 있는 것이다. 또한 80km/h 이하의 속도에서도 운전자의 가속 페달 조작 여하에 따라 내연기관의 동력이 불필요하다고 판단되면 내연기관의 시동을 정지하고 곧바로 전기 모터로 동력원을 전환한다.
하지만 전기 모터에 동력을 공급하는 배터리는 주행 중에도, 심지어는 제동 중에도, 끊임없이 충전되기 때문에 내부의 전기 장치를 과도하게 사용하지만 않는 이상, 상당히 오랜 시간 동안 지속적으로 작동한다. 물론, 이러한 특성을 충분히 활용하면 저속 운행이 잦고, 정지 상태에서 출발하는 동작이 많은 도심에서, 가장 효율적으로 연료를 사용할 수 있다.
효율을 우선하여 만들어지는 토요타식 하이브리드는 그 특성에 대해 알고 운행하게 되면 더욱 즐거운 운전과 함께, 부담도 줄어드는 효과를 모두 거둘 수 있다.
