토요타가 1997년시장에 출시한 프리우스는 자동차 역사 상 첫 번째로 상업적인 성공을 거둔 하입브리드 자동차다. 하이브리드자동차는 기존의 자동차가 사용하던 내연기관 외에 또 다른 동력원을 함께 사용하는 자동차를 말한다.
하이브리드 자동차는 크게 직렬식과 병렬식으로 나뉜다. 직렬식 하이브리드는 엔진이 발전(發電)에만관여하고 구동을 전기모터가 전담하는 형태를 이른다. 대표적인 예로는 ‘주행거리연장형 전기차(Range Extender)’라고 주장하는 일부 차종들을 들 수 있다.
병렬식 하이브리드는 엔진과 전기모터가 모두 구동에관여하는 형태로, 여기서 마일드 타입과 스트롱 타입으로 또 나뉜다. 병렬마일드 타입 하이브리드는 낮은 성능의 전기모터를 사용하여 발차(發車)와같은 특정한 상황에만 모터가 구동력을 더하는 형태의 하이브리드를 일컫는다. 병렬 스트롱 타입 하이브리드는발차부터 제한적인 가속까지 감당할 수 있는 더 강력한 모터를 사용하는 형태를 말한다.
여기서 더 발전된 것이 상황에 따라 전기 모터와 엔진이모두 구동 및 발전을 감당하고 필요에 따라 하나의 동력원이 단독으로도 구동할 수 있는 ‘풀 하이브리드’다. 풀 하이브리드는 현재 가장 대중적으로 알려진 하이브리드 자동차의형태다.
풀 하이브리드는 ‘엔진’과 ‘전기 모터’라는 서로다른 두 개의 동력원이 함께 움직인다. 그러면서도 어떠한 때에는 엔진만, 혹은 전기 모터만으로도 구동이 가능해야 하며, 경우에 따라서는 엔진과전기모터가 힘을 합쳐야 하는 경우도 존재한다. 그러나 가솔린 엔진과 전기 모터는 서로의 구동 특성과출력 특성이 다르다. 이룰 적절하게 제어 및 배분하지 못하면 유효한 동력성능을 이끌어내지 못한 채 서로에게짐덩어리가 될 수 있기 때문이다.
통상적으로 자연흡배기 가솔린 엔진의 토크 곡선은 구동초기부터중~고회전으로 넘어갈수록 상승하다가 일정한 회전수에서 정점에 달하여 최고 회전수에서부터 도로 하강하는언덕 모양의 곡선을 그린다. 반면 자동차에 주로 사용되는 전기모터의 토크 곡선은 회전을 시작하는 지점이최고점이고 회전수가 올라갈수록 하강하는 반비례곡선을 그리는 것이 일반적이다. 이 때문에 하이브리드 시스템을구성하는 자동차는 반드시 두 동력원을 통합적으로 제어할 수 있는 장치가 필요하다. 그것이 바로 ‘동력 제어 유닛(Power Control Unit, 이하 PCU)’다.
PCU는 서로 다른 특성을 가지는 엔진과 전기 모터를 통합적으로 제어하는 장치다. 변속기를 전기 모터로 대체한 토요타식 하이브리드 시스템은 물론, 별도의변속기를 함께 사용하는 현대자동차 등 타사의 하이브리드 시스템에도 필수적으로 요구되는 장치다. 서로다른 두 가지 동력원의 구동력을 시기적절하게 배분하는 것은 물론, 두 동력원과의 동력을 맺고 끊는 데에도관여해야 하기 때문이다. 자동차의 ECU가 엔진을 전담하는두뇌이고 TCU가 변속기를 전담하는 두뇌라면, PCU는 하이브리드시스템 전체에 총괄적으로 관여하는 두뇌라고 할 수 있다. 여기서는 별도의 변속장치를 따로 사용하지 않는토요타식의 하이브리드를 기준으로 설명한다.
동력 제어 유닛은 기본적으로 하는 일은 직류 및 교류간의 변환과 전압의 조정이다. 변전(變電)의역할을 하고 있는 것이다. 現 토요타 하이브리드 시스템(Toyota Hybrid System, 이하 THS)의 동력 제어 유닛은 크게 인버터, 부스트 컨버터, DCDC 컨버터 등으로 구성되어 있다.
배터리는 기본적으로 직류(DC) 전류를 사용하지만 전기모터는 기본적으로 교류(AC)를 사용한다. 따라서 배터리의 전력을 모터가 사용할 수 있는 상태로 만들어줘야 하는 필요가 있다. THS PCU의 인버터의 역할이 바로 직류인 배터리의 전류를 교류로 바꿔주는 것이다. 또한, 그 역도 성립하여 모터에서 발전된 교류 전류를 직류전류로변환하여 배터리에 저장하는 역할도 한다. 사실 상 PCU 기능의핵심에 해당하는 부분이라고 할 수 있다.
부스트 컨버터는 전기 모터와 배터리의 전압을 제어하는역할을 한다. 부스트 컨버터는 통상 DC 350V에서부터최대 DC600V까지 일정한 단수 없이 필요에 따라 유동적으로 승압(昇壓)하여작은 전압에서도 많은 전력을 공급할 수 있다. 이 덕분에 풀 하이브리드 시스템의 강력한 전기모터가 제성능을 낼 수 있는 것이다.
DCDC 컨버터는 고압인 배터리의 전압을 강압(降圧)시키는 역할을 한다. 이것이 필요한 이유는 하이브리드시스템의 대용량 배터리에서 나오는 전력을 엔진 외의 다른 기구들에 활용하기 위한 것이다. 플러그-인 하이브리드가 아닌, 하이브리드 시스템의 배터리는 지속적으로 충/방전을 진행하며 일정한 양의 전력을 유지해야 원활한 작동과 오랜 수명을 기대할 수 있기 때문이다. 그래서 배터리가 지나치게 부족해서도, 완충 상태에 이르러서도 안된다. DCDC 컨버터는 통상 350V인 고압의 하이브리드 배터리의 전력을12V까지 강압하여 헤드램프나 다른 전기장치 등에 활용할 수 있도록 해준다.
