자동차공학 전기 자동차 건국대학교 기계공학과 박 정 규.

Presentation on theme: "자동차공학 전기 자동차 건국대학교 기계공학과 박 정 규."— Presentation transcript:

1 자동차공학 전기 자동차 건국대학교 기계공학과 박 정 규

2 하이브리드(Hybrid) 자동차 하이브리드(Hybrid) 자동차 개요
  전기자동차(EV)는 배기가스를 내지 않기 때문에, 대기 오염이 큰 골칫거리인 대도시에서의 사용이 기대되고 있다. 미국 캘리포니아주에서는 2003년부터 주요 자동차 메이커에게 무공해차 10%의 시장 도입을 의무화하고 있어, 일본의 메이커도 무해한 전기자동차 개발에 힘을 쏟고 있다.   그러나 전력을 저장하는 밧데리가 무거워 축전량이 한정되기 때문에 항속거리가 짧은 것이 문제로, 이것을 해결하기 위해 신형 밧데리가 개발되고 있다.  그러나 신형 밧데리로도 항속거리는 엔진차보다는 짧다. 또한 납 밧데리에 비하면 상당히 고가이다. 그 가격은 차 한 대분의 가격과 맞먹을 것으로 보인다.   한편 밧데리에 전력을 공급하는 것은 발전소이다.  그곳에서는 화석연료가 적지 않게 소비되고 있어 당연히 배출가스도 발생되고 있다.  즉 발전까지를 포함한다면 전기자동차도 무공해차라고 볼 수는 없다. 그래서 전기자동차에 발전소를 탑재한다면 전체적으로는 전기자동차와 마찬가지의 저공해가 된다는 발상이 있게 된다.이것이 하이브리드 차이다.   하이브리드 차에서는 엔진과 모터 양쪽을 탑재하고 있다. 엔진으로 발전기를 구동, 그 전력으로 모터를 돌린다든지 (시리즈 하이브리드) 엔진을 모터로 어시스트하여, 엔진의 부담을 경감시킨다든지 (패러렐 하이브리드) 한다.   

3 여기서 문제되는 것은, 엔진을 탑재한 하이브리드 차가 전기자동차에 비해 어느정도 에너지 절약으로 저공해가 될 것인가이다
여기서 문제되는 것은, 엔진을 탑재한 하이브리드 차가 전기자동차에 비해 어느정도 에너지 절약으로 저공해가 될 것인가이다. 전기자동차에서는 화력발전소의 발전효율이 가장 영향이 크며 다음에 밧데리의 충전 방전 효율, 모터의 효율, 충전기의 효율, 송전효율 등이 관계된다. 그 결과, 10.15모드 주행의 종합 효율은 약 21%라고 한다.   이에 비해 가솔린차의 종합 효율은 약 14%(19%라는 데이터도 있다)이다. 가솔린차의 종합 효율이 낮은 것은 가솔린 엔진의 열효율이 최대 30%라는 점과, 실제 주행에서는 부하가 항상 변동되어 반드시 최량의 열효율로 운전되지는 않기 때문이다. 그러나 하이브리드 차라면 부하의 변동을 훨씬 적게 할 수가 있다.  시리즈 하이브리드에서는 엔진은 일정 부하로 운전되며, 팰러렐 하이브리드에서도 부하변동을 모터가 담당하기 때문에 그것은 더욱 적어진다.   부하변동이 적어진다면 엔진을 특정 부하에 맞추어 설계, 최량 효율을 더욱 향상시킬 수도 있다. 도요다의 하이브리드차에 채용된 미러 사이클은 그러한 한가지 예이다.하이브리드 차에서는 발전소를 탑재하고 있기 때문에 송전 로스가 적다. 또한 발전한 전력을 직접 모터에 공급할 수도 있기 때문에 충 방전에 의한 로스도 적다. 이러한 결과 하이브리드 차의 종합효율은 약 25%가 된다고 한다.   한편 배기가스 면에서 하이브리드 차는 화력발전과 비슷한 수준이 될 것인가. 일본의 화력발전소에서는 천연가스가 주로 사용되고 있어, 배출가스 중의 유해성분은 매우 적다. 또한 화력발전에서는 연료가 연속적으로 타 들어가 간헐 연소에 의한 피스톤 엔진보다 유리하다. 그렇더라도 하이브리드 차에서는 촉매를 고효율로 이용할 수 있기 때문에, 현재의 엔진차보다 NOx가 1/10에서 1/100까지로 줄어든다고 한다.   또한 연료전지 전기자동차는 충전을 필요로 하지 않기 때문에, 상기의 종합효율은 적용되지 않는다. 연료전지는 밧데리가 아니라 일종의 발전장치이기 때문이다. 연료전지는 수소와 공기중의 산소를 반응시켜 직접 전력을 생산한다. 그러므로 수소만 보급하면 된다.

4 하이브리드카란 ?   위에서 언급한 것처럼 2개의 동력원(내연기관과 축전지)을 이용하여 구동되는 자동차를 말하며, 가솔린엔진과 전기모터, 수소연소엔진과 연료전지, 천연가스와 가솔린엔진, 디젤엔진과 전기모터 등 2개의 동력원를 함께 쓰는 차를 말한다. 주로 가솔린엔진과 전기모터를 함께 쓰는 방식을 많이 이용하고 있다. 전기 모터의 종류로는 다음과 같다. 병렬(Parallel)식 복수의 동력원(엔진, 전기모터)을 설치하고, 주행상태에 따라 어느 한편의 동력을 이용하여 구동하는 방식으로 시동부터 일정속도 도달 전까지는 배터리의 동력을 이용해서 전기모터로, 정속 주행시는 엔진의 동력을 이용하고, 최고속도로 가속시는 엔진과 배터리의 동력을 함께 이용하는 방식이다. 내연기관 엔진 구동시에는 배터리에 충전이 가능하기 때문에 외부 충전이 필요 없다. 직렬(Series)식 엔진에 발전기를 부착하여 발전을 행하고, 이때 생성된 전기로써 모터를 가동하여 차량을 구동 시키는 방식이다. 이 방식은 전기차의 가장 큰 단점인 1회 충전으로 주행거리를 늘리는데 도움이 된다.주로 사용되는 가솔린엔진과 전기모터 방식은 출발 시와 저속 주행 시에는 전기를 사용하다 가속 때나 정속 주행 시에는 가솔린 시스템으로 바뀌고, 최고속도에서는 전기와 가솔린 시스템을 함께 이용하며, 정지할 때는 다시 전기 모터로 자동 전환된다. 정지 상태에서는 공회전이 없기 때문에 연비 향상에 도움이 된다.

5

6 하이브리드용 변속기 하이브리드용 변속기는 동력배분장치, 발전기, 전기모터 및 감속기로 구성된다. 엔진의 동력은 차량에서의 동력과 발전기에서의 동력으로 나누어진다. 발전된 전력은 전기 모타와 배터리에 공급된다. 발전기가 엔진의 회전수를 무단계로 제어하는 것으로 전자 제어식의 무단변속기와 같은 기능을 한다.     하이브리드용 엔진  엔진 내의 마찰을 줄여 초고연비를 실현하고, 또 Clean도를 높여 배출가스를 줄이고, 알루미늄 실린더와 블록으로 무게를 경량화 및 컴팩트 화로 만들어 졌다. 전기모터와 발전기   엔진의 보조동력원이 되는 전기모터는 소형이고 가벼워야 하기 때문에 높은 효율의 교류동기전동기(交流同期電動機)를 적용한다. 이 모터는 제동 시에는 차량의 운동 에오루기를 전기에오루기로 변환하여 배터리에 충전하는 역할도 함께한다. 발전기도 교류 동기형(交流同期型)이다. 배터리의 충전과 모터를 움직이는 전력을 발전하고, 충전량을 조정하다. 고출력 니켈수은(Ni-MH) 배터리   전기자동차용 니켈수은 배터리를 적용하여, 용량과 출력을 크게 향상시켰다. 그 결과 배터리의 소형화 및 경량화가 가능하게 되었다. 발전기와 모터에 의해 충전 및 방전 제어가 주행 중에도 이루어지고 충전상태가 일정하게 조정되기 때문에 외부로부터의 충전이 필요 없다. 인버터(Inverter)   배터리의 직류전류를 모터 및 발전기구동용의 교류전류로 변환시켜준다. 충전되는 전류도 최적의 상태로 제어해 준다.

7 하이브리드카 운전 시스템 출발과 저속 주행 차량이 출발할 때, 저속주행 등과 같이 높은 토크가 요구될 때는 엔진에 연료가 차단되고 엔진은 멈춘다. 배터리의 전원을 이용하여 전기 모터(Electrical Motor)가 차량을 움직인다(A). 엔진의 동력의 동력으로 구동되며, 엔진의 동력은 2개로 나누어서 하나는 차량을 직접 구동시키고(B), 다른 하나는 발전기(Electrical Generator)를 회전시켜 발생하는 전류가 전기 모터를 회전시켜(C) 차량을 주행 시킨다.    정속 주행

8 엔진의 힘(C)과 발전기의 동력(B) 뿐만 아니라 배터리의 전류(A)까지 이용하여 최고속도로 주행한다.
최고속도 주행 엔진의 힘(C)과 발전기의 동력(B) 뿐만 아니라 배터리의 전류(A)까지 이용하여 최고속도로 주행한다. 차량의 구동은 엔진에서 다시 전기모터에 의해서 움직이는 것으로 변환된다. 발전기에서 만들어지는 전류에 의해 전기모터가 구동되고, 또 발전기는 배터리에 전류를 충전하는 기능으로 바뀐다.    감속 및 정지시

9 하이브리드 자동차 - 개발동향   포드사는 1998년 연료 1리터 당 25km를 주행, 현재 사용되고 있는 일반 자동차보다 연비가 두 배나 높은 디젤-전기 하이브리드 엔진 자동차를 개발했다. 이 'P2000- LSR' 차는 10월 중 미국 에너지성에 제공되어 테스트를 받게 된다.  이 차는 연료효율이 좋은 가족형 자동차의 양산 기술을 촉진하기 위한 프로그램의 일환으로 개발되었다. 포드사는 완전한 하이브리드 자동차를 공급하게 되는 미국 최초의 자동차회사로 기록될 것이다.   다른 자동차 회사들도 유사한 연비효율을 가진 하이브리드 자동차에 대해 연구중이거나 시험모델을 생산한 바 있다.포드사의 한 기술자는 "P2000은 Taurus와 동일한 내부공간, 트렁크 공간 및 가속력을 지니고 있으면서 무게는 40%나 작다.  차량 대부분이 알루미늄과 경량재료를 사용해 만들어졌기 때문에 무게가 겨우 910kg 정도밖에 되지 않는다"고 설명했다.   포드의 하이브리드 동력시스템은 저속 주행에 사용되는 소형 디젤엔진과, 가속할 때나 언덕길을 오를 때 사용되는 배터리를 이용한 전기엔진으로 구성되어 있으며, 배터리는 브레이크에 사용되는 에너지의 약 반을 다시 회수하여 저장할 수 있다. 에너지를 더욱 절약하기 위해 자동차가 신호등에 대기하고 있는 동안에는 엔진이 정지되며, 운전자가 가속 페달을 밟으면 눈 깜짝할 사이에 재시동 된다.   도요다사도 1999년 이미 가스와 전기의 하이브리드 자동차인 'Prius'를 일본 내에서 운행하고 있다. 4인용 소형자동차인 Prius는 1리터로 약 28km를 주행할 수 있으며, 2000년도에 미국시장에 선보일 수 있을 것으로 기대하고 있다.  Prius의 규격은 다음과 같다. 엔진 : 1500cc, 16밸브, 4기통 EFI 4000RPM에서 58마력. 최대속도 160km/h (엔진과 모터 동시 사용 시 ) 최대출력 : 101마력(엔진 58마력, 모터 40마력, 배터리 3마력) 최대연비 : 66mpg( 28km/리터) 최대주행거리 : 850마일(1360km) 브레이크 : ABS를 장착한 디스크형 전륜, 드럼형 후륜 브레이크.

10 혼다 하이브리드 차 '인사이트'   1999년 후반기 1리터로 35km를 가는 초연비 성능을 실현한 혼다의 하이브리드 차 '인사이트'는 세계적으로 이미 화제가 되고 있다.      혼다 인싸이트 적용 테크놀러지       인사이트에 적용된 모드 주행연비 35km/l의 달성 기술은 저연비형 희박연소 엔진에 전동 모터에 의한 보조동력 기구를 조합한 IMA 시스템과 슈퍼 에어로다이나믹한 바디 스타일 그리고 초 경량 차체 및 샤시 시스템의 적용으로 이룩 되었다. 인싸이트 차량의 연비 향상 공헌도는 고효율 파워유닛인 IMA 시스템 그리고 슈퍼 에어로 다이나믹한 바디스타일/차량 경량화가 각각 65%, 35% 기여한다고 혼다는 발표하였다.   

11 1. 에어로 다이나믹 스타일 혼다는 세계수준의 초저 연비 달성을 위한 방편의 하나로 공기 주행저항 감소가 중요한 인자라고 판단, 윈드터널 테스트를 기본으로 디테일한 바디 스타일을 설계 공기저항 계수 0.25를 달성하였다.                                                                                                                      2. 저 공해, 저 연비를 달성한 혼다 IMA 시스템    IMA 시스템의 주동력은 1.0리터 3기통의 희박연소 가솔린 엔진이다. 보조동력은 144V의 니켈 수소(Ni-MH) 배터리를 동력원으로 하는 DC 브러시리스 모터이다. 이로 1.5리터와 동등한 주행성능을 발휘하며, 모터를 제외하고 고전압 발전기는 설치하지 않았다.

12 3. 초 경량 차체 및 샤시 시스템    혼다는 차량의 무게를 줄이기 위해 차체 및 샤시의 많은 부품에 경량 알루미늄과 플라스틱을 많이 적용하였다. 이러한 노력의 결과로 5단 수동변속기 장착 차량의 전체 무게를 820Kg 정도로 줄일 수 가 있었다.아래에 샤시 및 바디에 적용된 알루미늄 및 플라스틱 적용 현황을 보여준다. 샤시에 적용된 중량절감 기술 알루미늄 및 플라스틱 바디 판넬 적용 위치

13  IMA 시스템    IMA 시스템의 엔진 효율 향상의 개념을 그림에 나타냈다.  
  크루즈 주행 때는 저연비 희박연소 엔진을 끝까지 저연비 운전하고, 때때로 부족한 듯한 토크는 모터로 커버한다. 모터가 불충분한 고회전 부하 운전역에서는 엔진을 VTEC 기구 등으로 밸브 개폐기기나 공연비를 변경하므로써 연비는 무시하고 고출력 운전을 한다. 모터는 어디까지나 어시스트역을 철저히 시킴으로써 하이브리드 시스템 전체가 비교적 간소하고 경량 콤팩트한 구조가 되었다.

14 크루즈 때 엔진이 주행하고 모터가 쉴 때 가속하면 차속과 액셀 개도에 따라 모터가 빠르게 어시스트를 다시 시작한다.
   가속 때    가속 때  시스템 작동 감속 때 모터가 발전기로 변신해 회생 브레이크 시스템으로 기능하고, 보통은 버려진 감속 에너지를 회생시켜 배터리에 회수, 저장한다. 가속 때 엔진에서 발생하는 구동력만으론 부족하기 때문에 모터가 작동하고, 엔진+모터에 의해 구동한다. 이 경우 모터에서 발생하는 토크는 최대 약 5kgm이다. 크루즈 때   엔진이 주행하고 모터가 쉴 때 가속하면 차속과 액셀 개도에 따라 모터가 빠르게 어시스트를 다시 시작한다. 정차 때   엔진은 자동적으로 정지하는 아이들 스톱이다. 이 경우 엔진을 재시동하기 위한 스타터 역할은 모터가 한다.

15  모터시스템 모터     DC 브러시리스형으로 폭 60mm의 초박형이다.인사이트의 IMA 시스템은 모터에 큰 출력을 요구하지 않아 그만큼 모터는 소형화가 가능하게 되었다.  인사이트 모터의 최대 토크는 5kgm이고 프리우스는 31kgm으로 모터는 AC 동기형이다. 발전기를 사용하지 않는 것과 모터의 소형화로 인한 경량화만을 보아도 큰 변화라는 것을 쉽게 상상할 수 있다. 물론 모터 자체의 개량 기술도 많다. 로스트 왁스 공법에 의한 고내열 네오지움계 연결자석 채용의 로터(기존비 20% 경량화), 공극 집중 감기의 분해형 스테이터, 집중 배전 바스링 등이다. 배터리    프리우스와 기본적으로 같은 것으로 1셀 1.2V의 니켈 수소형이다.   배터리 팩의 정격전압은 모터의 어시스트량 경감에 의한 소형화에 따라 144V로 프리우스의 절반이 되었다. 6개의 셀을 직렬로 연결한 7.2V의 모듈을 다시 20개 직렬로 배터리 팩을 구성했다. 배터리 팩 전체 중량은 약 20kg으로 가벼워 졌다.

16 파워 컨트롤 유니트    주행상황과 배터리의 전류량에 따라 모터의 구동·회생을 최적제어하는 파워 컨트롤 유니트 (PCU)는 콤팩트한 패키징이 실현되었다. 마그네슘 다이캐스트제의 공냉용 히트 싱크를 끼우고 모터 구동용 인버터와 12V 공급을 위한 DC-DC 컨버터가 적용되었다.   모터 출력이 작기는 하나 기존의 인버터에 적용되었던 삼상별체 스위칭 소자를 일체형 스위칭 모듈화하고 구동회로도 고밀도 IC화하는 등 소형화 기술도 투입되었다. 수냉이 아닌 공냉인 것도 경량화에 기여한다.    PCU는 별도로 설치되어 있는 배터리 컨트롤 유니트 및 모터 컨트롤 유니트와 연계되어 기능하지만 이들 제어 중의 하나는 3기통 엔진 특유의 회전변동을 억제하는 '제진제어기능'이 설치되어있다. 엔진에서 발생하는 토크 변동에 대해 그 역위상의 토크를 모터에 전달하도록 제어하고 있다. 이렇게 함으로써 적은 전력으로 큰 제진효과를 얹을 수 있게 되었다.

17 엔진     995cc 3기통의 SOHC 희박연소 VTEC로 최고 출력은 70PS, 최대 토크는 9.4kgm, 최고 회전수는 약 6천rpm으로 4기통 엔진의 제 4기통이 모터가 되었다고 생각하면 된다. 엔진 본체도 연비향상을 위해 철저하게 경량화(세계 최경량), 콤팩트화, 저 프릭션(마찰)화 되었으며 배출가스의 클린화도 마찬가지이다.    저연비화 기술    희박연소는 신규 방식으로 기존의 것보다 연소속도가 빨라졌고 희박연소 영역도 확대되었다.  기존형의 희박연소 한계는 공연비가 23 정도였으나 신형은 약 26으로 확대되었다. 기본은 시빅에 적용된 VTEC-E로 VTEC기구에 의해 저회전 때는 두가지의 흡기 밸브의 한쪽을 휴지 상태로 해, 스월을 강화하는 흡기의 유속을 아꼈다. 로커 샤프트를 하나로 통합하고 흡배기 밸브의 좁아진 각을 30도까지 좁혀 보다 콤팩트한 연소실이 되었다. 점화 플러그(독립 점화식 이그나이터 내장형 점화 코일)와 인젝터의 레이아웃의 모양도 점검해보아야 한다. 기존형 VTEC 기구와의 비교를 그림에 나타냈다.  흡기 포트는 기존보다 스트레이트화된 하이 스월 포트이다. 스월은 종·횡 방향 모두 기존보다 20% 강하다.          이 강한 스월과 콤팩트한 연소실에 의한 압축비 향상에 의해 급속 연소가 실현되었고 앞에서 설명한 바와 같이 저연비화에 공헌하는 희박연소 영역이 확대되었다.

18  저프릭션화 기술     엔진의 프릭션(마찰) 저감은 연소효율 향상 뿐만 아니라 감속 때의 에너지 회생량을 보다 많게 하기 위해서도 중요한 과제이다. 큰 변화는 롤러 동축 VTEC 기구의 적용을 들 수 있다. 이는 화제가 되고 있는 스포츠카 'S-2000'의 DOHC 엔진에 처음으로 적용된 것을 SOHC용으로 개발한 것이다. 캠 포로어를 롤러 베어링 타입으로 바꿔 그 접촉부의 프릭션이 대폭 감소된다.    더불어 VTEC 전환용 연결 피스톤을 롤러의 이너 샤프트에 내장하는 구조로서 경량 콤팩트화를 실현하고 관성중량도 감소시킨다. 실린더 축과 크랭크 축이 오프셋하도록 배치된 오프 셋 실린더 구조를 적용하므로써 피스톤의 접동저항을 감소시킨다.  피스톤 측면에서는 유막(油膜)을 효과적으로 보전함으로서 슬리브와의 접동저항을 감소시키는 마이크로 딘플 가공이 실현된다. 경량 콤팩트화 기술     실린더 헤드와 연소실의 콤팩트화는 앞에서 기술했는데 실린더 블록도 알루미늄 합금제 박판 슬리브 구조로 바뀜으로써 엔진 전체의 경량화와 콤팩트화를 실현했다. 커넥팅 로드는 단(鍛)제품을 적용하고 침탄(浸炭)처리로 표면이 강화되었다. 이 결과 기존 것과 비교해 약 27% 가벼워진다(348→258kg). 배기측 로커 암을 알루미늄 합금제에 흡기 매니폴드(분기관), 헤드 커버, 보기(補機) 풀리를 수지제로 바꾸는 등 경량화가 진행되고 있다. 오일 팬은 마그네슘 합금제이다.  마그네슘 합금은 알루미늄 합금에 비해 밀도가 약 60% 정도 가벼운 것이 특징이지만 내열성이 낮은 단점이 있다.  비교적 고온의 오일 팬에 마그네슘 합금 주변에 내열성이 약 150℃로 높힌 신합금이 개발되었다(기존에는 약 120℃).  그 결과 알루미늄 합금제인 오일 팬과 비교하면 약 35%의 경량화가 실현된다(3.2→2.1kg).

19 이 부분을 헤드 내부에 집약적으로 수납해 버리므로 방열 면적이 최소화된다.
배출가스 청정화 기술     물론 배출가스도 깨끗해 2000년 10월부터 시행 예정인 '1999년 배출가스 규제'에도 50% 이상의 여유가 있는 LEV(Low Emission Vehicle = 저공해차)이다. 배출가스 대책에 관련해서는 특히 희박연소의 과제인 NOx 정화와 촉매의 난기 촉진에 신기술이 적용되고 있다.   신개발의 NOx 흡착형 촉매는 희박연소 운전 때 대량으로 배출된 NOx를 촉매로 흡착시켜 놓아 이론공연비에서의 운전 때 HC·CO의 환원작용에 의해 N2에 환원 정화하는 것이다.    신규제에 대응하기 위해서는 시동 직후 배출가스 정화능력이 쟁점이 된다.  그에는 촉매를 조금이라도 빠르게 정화할 수 있는 고온으로 데우는 것이 필요하다.  배기 매니폴드 일체형 알루미늄 실린더 헤드는 그를 위한 신기술이다.   보통은 헤드의 배기 포트와 배기관을 연결하는 배기 매니폴드가 각 기통 별로 독립적으로 설계되어 있어 바나나형상으로 공기에 접한다. 이 부분을 헤드 내부에 집약적으로 수납해 버리므로 방열 면적이 최소화된다.     밑의 타원형 포트에 이르는 부분이 배기 매니폴드로서 그외 3개의 둥근 홀은 점화 플러그와 점화 코일의 장착부분이다.  따라서 배출가스의 열손실이 감소되어 배기계의 엔진 후방배치와는 달리 촉매의 데우는 시간이 단축된다. 물론 경량·콤팩트화에도 공헌하고 있다.   혼다는 기존 하이브리드 시스템과 비교해 57%가 경량화되었다고 발표했다. 파워 유니트에는 소형 5단 수동변속기 및 CVT가 설치된다.    밑의 타원형 포트에 이르는 부분이 배기 매니폴드로서 그외 3개의 둥근 홀은 점화 플러그와 점화 코일의 장착부분이다.  따라서 배출가스의 열손실이 감소되어 배기계의 엔진 후방배치와는 달리 촉매의 데우는 시간이 단축된다. 물론 경량·콤팩트화에도 공헌하고 있다.

20 도요다 하이브리드 차 '프리우스' 프리우스는 세계최초로 양산적용된 하이브리드 차량이다.
도요다 하이브리드 차 '프리우스'   프리우스는 세계최초로 양산적용된 하이브리드 차량이다.   도요타의 프리우스는 2년전(1998)에 일본에서 처음 시판에 들어갔으며 미국에는 2000년 여름경 선보일 에정이다. 4-door 자동차라서 2-door인 혼다의 인싸이트(Insight)보다 가족 단위의 소비자에게 더 강세를 보일 것으로 추측된다. Toyota는 미국시장에서의 기본 가격을 아직 정하지 않았지만, 현재 일본에서 주행 중인 20,000대는 일본에서 17,000달러에서 시작했다. "demo program"으로 몇 대의 프리우스가 자발적인 참여자들에 의해, 미국 도로를 달리고 있다.   혼다는 기존 하이브리드 시스템과 비교해 57%가 경량화되었다고 발표했다. 파워 유니트에는 소형 5단 수동변속기 및 CVT가 설치된다.

21 엔진 : 1.5리터 DOHC 4V 가솔린엔진, 지능형 가변밸브 타이밍((VVT-i)의 EFI 4기통엔진
도요타 하이브리드 시스템    파워플한 전기모터와 고효율의 가솔린엔진으로 구성된 도요타 하이브리드 시스템(Toyota hybrid system-THS)에 의해 동력을 공급받는 프리우스는 자동차 주행중 밧테리가 내부적으로 재충전되어 외부의 충전이 필요없다.     차량 제원 엔진 : 1.5리터 DOHC 4V 가솔린엔진, 지능형 가변밸브 타이밍((VVT-i)의 EFI 4기통엔진 엔진 성능 : 58 hp at 4,000 rpm 모터 형식 : permanent magnet 최대 모터성능 : 30 kW/40 hp 밧데리 형식 : sealed nickel-metal hydride with 40 modules 최대속도 : 100 mph (엔진과 모터 조합시) combined 출력 : 101 hp (가솔린엔진-58 hp, 모터-40 hp, 밧터리-3 hp) 연료소비율 66 mpg (Japanese city drive mode) 최대 주행거리 : 약 850 miles (combined city/highway) regenerative braking : ABS를 가진 벤틸레이티드 프론트 디스크/리어 드럼브레이크   혼다는 기존 하이브리드 시스템과 비교해 57%가 경량화되었다고 발표했다. 파워 유니트에는 소형 5단 수동변속기 및 CVT가 설치된다.

22 초기 가속구간에서는 밧데리와 전기모터가 모든 힘을 공급한다.
주행 제어    어드밴스된 전기모터와 결합된 고효율의 가솔린엔진이 프리우스를 달리게 하는 동력원이 된다. 주행조건에 따라 최대연비를 내거나 또는 배출가스를 최소화 하는 모드로 주행할 수 있다.  초기 가속구간에서는 밧데리와 전기모터가 모든 힘을 공급한다. 15~17마일정도의 속도에서는 가솔린엔진이 가동되며 프리우스에 동력을 공급한다.   혼다는 기존 하이브리드 시스템과 비교해 57%가 경량화되었다고 발표했다. 파워 유니트에는 소형 5단 수동변속기 및 CVT가 설치된다.

23 차가 고속구간에 들어서면 가솔린엔진과 전기동력이 조합되어 동력을 전달한다.
차가 고속구간에 들어서면 가솔린엔진과 전기동력이 조합되어 동력을 전달한다.   고속도로에서 가속을 할때는 전기모터가 프리우스에 부가적인 동력을 공급한다.   혼다는 기존 하이브리드 시스템과 비교해 57%가 경량화되었다고 발표했다. 파워 유니트에는 소형 5단 수동변속기 및 CVT가 설치된다.

24 프리우스는 도요타 하이브리드 시스템(THS)이 뱃터리 전력이 약할때 마다 제너레이터로부터의 여유분을 밧테리의 재충전에 사용하기에 재충전이 필요없다.
대쉬보드에 있는 LCD 계기판에는 프리우스의 에너지흐름을 운전자에게 알려준다. 이 스크린은 프리우스가 주행중에 전기로 달리는지 가솔린으로 달리는지 아니면 이둘의 조합으로 달리는지를 안내한다. 마지막으로 차량이 정지했을때 가솔린엔진은 자동적으로 정지하며 전기모터가 프리우스에 동력을 제공키 위한 스탠바이 상태가 된다. 이는 연료소모를 막고 정지 아이들링동안 배출가스 배출을 막는다.   혼다는 기존 하이브리드 시스템과 비교해 57%가 경량화되었다고 발표했다. 파워 유니트에는 소형 5단 수동변속기 및 CVT가 설치된다.

25  일본 메이커의 하이브리드 시스템 비교   하이브리드 차는 엔진과 모터를 탑재하기 때문에 가격이 비싸다. 도요다로부터 양산이 시작된 하이브리드차 '프리우스'이후 닛산과 혼다에서도 하이브리드 시스템을 얹은 차를 개발해 발표했다. 하이브리드 시스템에서는 패러렐(병렬) 방식과 시리즈(직렬)방식이 있다.    패러렐 방식은 기본적으로 구동력을 엔진으로부터 얻어서 가속 때나 평상시 주행할 때 등의 엔진 구동으로 효율이 낮아지게 되는 주행조건에서는 모터가 엔진을 도와주게 된다. 저속영역에서는 모터만으로 구동하게 된다. 따라서 엔진효율이 좋은 영역에서만 사용하기 때문에 연비가 향상되고 제동 때는 구동 모터가 발전기로 변환해 운동 에너지를 회수한다.   시리즈 방식은 엔진을 배터리의 충전만으로 사용해, 구동력은 모터만으로 얻는 시스템을 말한다. 엔진을 일정의 조건으로 운전시키기 때문에 엔진은 효율이 향상되어 배기가스 정화 측면에서도 유리하다. 하지만 엔진의 출력을 전기 에너지로 변환해서 모터를 구동시킬 때 손실이 있기 때문에 엔진으로부터 구동력을 직접 얻는 패러렐 방식에 비교해 볼 때 효율이 뒤떨어진다.   또 구동력을 모터로부터 얻기 때문에 모터와 배터리가 커지게 되며 따라서 가격도 높아지게 된다. 중량도 무거워지기 때문에 실용화가 어려운 것이 현실이다. 따라서 패러렐 방식이 주류를 이루고 있다.   혼다는 기존 하이브리드 시스템과 비교해 57%가 경량화되었다고 발표했다. 파워 유니트에는 소형 5단 수동변속기 및 CVT가 설치된다.

26 그림1 > 도요다 하이브리브 시스템 구성도
도요다의 하이브리드 시스템     패러렐 방식에 시리즈 방식을 조합시킨 것으로 기본 구성은 엔진/모터/배터리/동력분할기구/인버터 등으로 되어 있다(그림 1 참조). 기본동력원은 엔진으로부터 얻을 수 있고, 그 동력은 동력분할기구에 의해서 휠의 구동력과 발전기의 구동력으로 분할된다. 발전기에서 발전된 동력은 모터의 구동력으로 직접 이용되는 한편 인버터에서 직류로 교환된 후 고전압 배터리로 저장된다. 그림1 > 도요다 하이브리브 시스템 구성도   이러한 구성요소는 기존의 변속기와 거의 바뀌지 않은 용적과 형태로 일체화되어 승용차로의 탑재성이 높아지고 있다. 기존의 1.5 가솔린 엔진 탑재 AT차와 비교했을 경우 연비가 뛰어난 차로 팔리는 것으로, CO의 배출량은 약 2/1, CO·HC·NOx의 배출량도 규제치의 약 10/1로 한층 환경을 생각한 시스템이다.   혼다는 기존 하이브리드 시스템과 비교해 57%가 경량화되었다고 발표했다. 파워 유니트에는 소형 5단 수동변속기 및 CVT가 설치된다.

27 <그림 2> 닛산이 '97년에 발표한 '패러렐 하이브리드 시스템' 구성도
닛산의 하이브리드 시스템 <그림 2> 닛산이 '97년에 발표한 '패러렐 하이브리드 시스템' 구성도 <그림 3> NEO 하이브리드 주요 유니트 구성도       보통 패러렐 방식은 모터와 발전기를 1개씩 탑재해서 엔진 시동/구동력 어시스트/발전/제동 때의 운동에너지 회수 4가지의 기능을 겸하는 경우가 많지만 닛산의 시스템은 패러렐 방식이 되면서 모터와 벌진기를 2개 탑재하고 있는 것이 특징이다.  엔진에 2개의 모터와 발전기를 두어, CVT(무단변속기)로 불리는 금속벨트상의 장치로 결합해서 차륜을 구동하며, 다른 1개는 구동 모터와 제동 때의 에너지 회수로서 기능하기 때문에 각각이 독립된 움직임을 보인다.(그림 2 참조)     정지 때는 엔진을 멈추고, 출발 때는 모터만으로 구동해서 연비가 향상된다.  발전기와 모터를 2개조로 한 이유는 엔진의 동력이 동력분할기구로 차륜을 직접 구동하는 파트와 발전기로부터 배터리와 모터 경유로 차륜을 구동하는 부분으로 나뉘어져, 이 비율을 변하게 하는 것으로 변속하는 구조로 되어 있다.   혼다는 기존 하이브리드 시스템과 비교해 57%가 경량화되었다고 발표했다. 파워 유니트에는 소형 5단 수동변속기 및 CVT가 설치된다.

28 <그림 5> 혼다의 패러렐 하이브리드 시스템 구성도
한편 닛산은 2000년부터 시판을 예정하고 있는 하이브리드차 '티노'의 시승기회도 제공한다. 이 하이브리드 시스템은 NEO Hybrid System(이하 NEO HS)으로 불리운다. 이 차는 CO의 배출량의 감소를 일반 가솔린차의 약 2배로 잡고 있기 때문에 10·15 모드에서 약 24km/L 정도를 달릴 수 있다. 닛산 하이브리드 시스템의 기본구조와 특징을 살펴보면 엔진(내연기관)과 전기모터의 하이브리드 시스템은 엔진과 동력용 배터리, 제너레이터(발전기), 모터, 인버터, CVT 등의 주요 유니트로 구성되어 있다. <그림 4> 시리즈 하이브리드 시스템(왼쪽)과 패러렐 하이브리드 시스템(오른쪽). 시리즈는 직렬, 패러렐은 병렬의 의미 <그림 5> 혼다의 패러렐 하이브리드 시스템 구성도 이러한 주요 유니트의 레이아웃의 차이가 각 메이커들의 특징이 되고 있다. 구동용 모터는 보통의 자동차에서 말하는 변속기 내부로, 제너레이터는 엔진에 탑재되고, 구동용 모터와 엔진 사이에는 전자 클러치가 설치되어 있다.  클러치의 존재와 제너레이터의 탑재위치 등으로 프리우스 시스템과의 차이를 볼 수 있다.    CVT는 닛산차에 넓게 채용되어 있는 금속벨트식의 하이퍼 CVT이다.  구동용 모터와 CVT는 변속기 유니트 내부에서 일체로 수납되어 있으며 보통의 AT와 같은 크기로 되어 있다.  구동용 모터는 감속 때와 제동 때의 에너지 회수용 모터로서도 기능을 한다. 발전/시동용 모터 (제너레이터)는 자동차 후방의 엔진 블록에 마운트되어 엔진과는 체인으로 연결되어 있다.  보통은 발전기이지만 시동 때는 스타터로서 기능을 한다.  배터리와 모터, 엔진, 클러치, CVT의 각 제어 유니트는 각각 독립되어 최종적으로 하이브리드 제어 유니트로 총합제어를 하고 있다.   혼다는 기존 하이브리드 시스템과 비교해 57%가 경량화되었다고 발표했다. 파워 유니트에는 소형 5단 수동변속기 및 CVT가 설치된다.

29 혼다의 하이브리드 시스템     시스템의 소형·경량화가 중시되는 혼다의 하이브리드 시스템은 약 50kg 정도로 닛산이나 도요다의반 이하로 낮추고 있다.  모터의 두께는 60mm 정도로 무척 얇다.  출력도 10kW로 최저 한계로 억제시키고 있다.  구동력은 어디까지나 엔진이 주체로 발진 때도 엔진과 모터를 함께 사용한다(그림 5 참조).  혼다의 시스템에서도 닛산과 같은 모양의 CVT가 채용되어 있다. 일본의 3대 자동차 메이커인 도요다, 닛산, 혼다의 하이브리드 시스템을 비교한 것을 <표 1>에 나타냈다.   혼다는 기존 하이브리드 시스템과 비교해 57%가 경량화되었다고 발표했다. 파워 유니트에는 소형 5단 수동변속기 및 CVT가 설치된다.

30 GM 의 환경친화 차량 프리셉트(Precept)
     연료전지 하이브리드 차량      제너럴모터스 자동차회사는 리터 당 46 km를 달릴 수 있는 시범용 연료전지차량을 선보이면서 최고의 환경친화적인 자동차를 개발하는 경쟁에서 선두가 될 것을 선언하였다.    GM의 부사장 H. Pearce는 수소로 구동되는 GM의 대표적인 프리셉트 연료전지 전기차량은 만일 이 차가 상업적으로 타당성 있는 가격으로 팔려진다면 배기 가스가 전혀 없는 차량으로 될 수 있다고 말한다. 신 개념을 도입한 5인승 가족용 연료전지 자동차 프리셉트는 단지 9초만에 100 km/h의 속력을 얻을 수 있으며 한번에 800 km를 달릴 수 있는데, 이때 단지 발생되는 부산물로는 열과 물뿐이다.  프리셉트 연료전지 엔진차량은 대부분의 최첨단 기술 차량처럼 날씬하고 저항이 적은 모양을 하고 있으며, 전방에 공기 흡입장치가 없으며, 몸체가 거의 땅에 부착되어 있고, 초경량 타이어를 사용한다. 모두 알루미늄으로 만들어진 차체와 다른 가벼운 물질들이 무게를 감소시키며, 조그마한 비디오 카메라는 공기 저항을 유발시킬 수 있는 백미러를 대체하며, 문 핸들과 같은 무거운 하드웨어는 제거되었다.  시트는 망상 조직이고, 스테레오 스피커도 무게를 줄이는 디자인을 채택해서 시보레 말리브(Malibu)와 거의 비슷한 크기인데도 무게는 460파운드나 줄였다.    구시대의 내연기관 엔진을 대체하기 위해 개발 중인 대체추진시스템을 사용할 GM의 제 3세대 연구차량은 생산라인에 들어가려면 시간이 다소 소요될 것이다.  일본의 자동차회사 도요타와 제휴하여 차를 개발했던 GM은 현재 제작단가 절감을 위해 노력하고 있다고 Pearce는 북미국제모터쇼에서 언급하였다.   혼다는 기존 하이브리드 시스템과 비교해 57%가 경량화되었다고 발표했다. 파워 유니트에는 소형 5단 수동변속기 및 CVT가 설치된다.

31  디젤엔진 하이브리드 차량   연료전지 차량이 상용화 되기까지 GM은 모터쇼에서 또한 선보인 가족용 하이브리드 전기자동차 프리셉트를 판매할 것이다. 구동력을 발생시키고 이를 다시 이용하여 매우 낮은 배기가스를 발생시키는 전기와 디젤 시스템을 복합한 대체추진시스템을 장착한 차는 리터 당 35 km까지 주행할 수 있을 것이다. 자동차를 환경 문제와 에너지 효율 문제에서 벗어나기 위해 장기간 전략을 세우고 있다고 Pearce는 말한다.    프리셉트의 하이브리드 기술    프리셉트의 하이브리드 기술은 모터와 축전지를 동력원으로 이용하여 차량을 구동시키는 동시에 독립적으로 또는 동시에 디젤엔진의 내연기관을 직접 구동시켜 바퀴에 동력을 전달하는 병렬형 하이브리드 구조를 채택하고 있다. 하이브리드 차량용 뱃터리는 니켈금속 하이브리드(NiMH)뱃터리 또는 리듐 폴리머 뱃터리(LPB)에 의해 작동되도록 설계됐다. 니켈금속 하이브리드(NiMH)뱃터리는 환경적으로 안전하며, 100% 재활용이 가능하다.    주행 제어    이스즈(Isuzu)가 만든 1.3리터 3기통 직접분사 디젤 엔진을 장착한 프리셉트는 자동차 주변의 공기흐름을 개선하고자 뒤에 엔진을 장착하였다. 전기 모터는 앞바퀴를 구동하고, 엔진은 뒷바퀴를 구동한다. 제네레이터와 함께 디젤엔진에 조립된 다른 모터는 다목적 유니트(MPU)로서 시트아래의 배터리를 재충전한다.    정지상태에서는 엔진은 정지하고 있으며, 순항속도에서는 모터가 차량을 구동한다. 출발시나 추월시에는 엔진이 작동하며, 최대 가속시에는 앞뒤의 모터가 모두 작동하여 엔진외에 부가적인 동력을 제공해 준다. 즉 모터는 가속시에는 엔진을 도와주고, 정지시에는 에너지를 저장하게 된다.   혼다는 기존 하이브리드 시스템과 비교해 57%가 경량화되었다고 발표했다. 파워 유니트에는 소형 5단 수동변속기 및 CVT가 설치된다.