플러그인 하이브리드 전기차(Plugin Hybrid Electric Vehicle, PHEV)는 외부에서 전기를 공급받아 배터리를 충전하고 이를 차량의 구동에 사용한다는 점에서 하이브리드 전기차(Hybrid Electric Vehicle, HEV)와는 명확하게 구분된다. 차량 내부에서 엔진을 이용하여 배터리를 충전하는 시스템을 가지고 있다는 점에서는 배터리 전기차(Battery Eelctric Vehicle, BEV)와도 명확하게 구분될 수 있다. 한편, EV(Electric vehicle) 모드로 충분한 주행이 가능하다는 점에서 PHEV와 BEV를 묶어 플러그인 전기차(PEV; Plug-in Eelectric Vehicle)로 분류하기도 하며, 엔진은 필요에 따라 주행거리를 늘려주는 역할로만 제한된다는 개념에서 일부의 PHEV를 EREV(Extended Range Electric Vehicle)로 따로 구분 짓기도 한다. (참고: 미국 Society of Automotive Engineers(SAE)에서는 Charge Depleting 구간에서 배터리만을 사용하는 차량을 EREV로 정의하고 있음)

플러그인 하이브리드 전기차(Plugin Hybrid Electric Vehicle, PHEV)는 외부에서 전기를 공급받아 배터리를 충전하고 이를 차량의 구동에 사용한다는 점에서 하이브리드 전기차(Hybrid Electric Vehicle, HEV)와는 명확하게 구분된다. 차량 내부에서 엔진을 이용하여 배터리를 충전하는 시스템을 가지고 있다는 점에서는 배터리 전기차(Battery Eelctric Vehicle, BEV)와도 명확하게 구분될 수 있다.

한편, EV(Electric vehicle) 모드로 충분한 주행이 가능하다는 점에서 PHEV와 BEV를 묶어 플러그인 전기차(PEV; Plug-in Eelectric Vehicle)로 분류하기도 하며, 엔진은 필요에 따라 주행거리를 늘려주는 역할로만 제한된다는 개념에서 일부의 PHEV를 EREV(Extended Range Electric Vehicle)로 따로 구분 짓기도 한다. (참고: 미국 Society of Automotive Engineers(SAE)에서는 Charge Depleting 구간에서 배터리만을 사용하는 차량을 EREV로 정의하고 있음)

<그림 1> 세계 플러그인 차량의 연간 판매량 (2010년~2015년)

Global EV Outlook 2016, International Energy Agency

성공적으로 시장에 진입하여 미국에서 점유율 5% 내외를 기록하고 있는 HEV에 비해, PHEV는 2015년 기준 1%에 미치지 못하는 시장 점유율을 가지고 있다. <그림 1>에서 볼 수 있는 것처럼 BEV에 역전을 당해 시장 진입 속도가 더욱 더딘 상황이다. 각국 정부가 보조금 등을 활용하여 BEV를 우선적으로 확대하려는 정책을 펼치고 있고, 자동차 회사들도 HEV에 비해 현저히 적은 PHEV 모델을 출시하고 있는 것은 사실이다. 하지만 PHEV가 HEV와 BEV의 장점을 모두 활용할 가능성이 있고, HEV를 기반으로 개발이 가능하다는 점에서 시장이 확대될 여지가 있다. 특히, 전기차의 성패를 좌우하게 될 배터리의 에너지 밀도가 원하는 수준까지 도달하지 못할 경우, PHEV가 친환경 전기차의 최종 형태가 될 가능성도 없지 않다.

성공적으로 시장에 진입하여 미국에서 점유율 5% 내외를 기록하고 있는 HEV에 비해, PHEV는 2015년 기준 1%에 미치지 못하는 시장 점유율을 가지고 있다. <그림 1>에서 볼 수 있는 것처럼 BEV에 역전을 당해 시장 진입 속도가 더욱 더딘 상황이다. 각국 정부가 보조금 등을 활용하여 BEV를 우선적으로 확대하려는 정책을 펼치고 있고, 자동차 회사들도 HEV에 비해 현저히 적은 PHEV 모델을 출시하고 있는 것은 사실이다.

하지만 PHEV가 HEV와 BEV의 장점을 모두 활용할 가능성이 있고, HEV를 기반으로 개발이 가능하다는 점에서 시장이 확대될 여지가 있다. 특히, 전기차의 성패를 좌우하게 될 배터리의 에너지 밀도가 원하는 수준까지 도달하지 못할 경우, PHEV가 친환경 전기차의 최종 형태가 될 가능성도 없지 않다.

<그림 2> 미국 시장에서 주요 플러그인 하이브리드 차량의 월간 판매량 변화 (2012년~현재)

<표 1> 주요 플러그인 하이브리드 차량의 성능

<그림 2> 는 미국에서 판매되고 있는 주요 PHEV의 판매량 추이를 나타내고 있는데 2012년형 모델을 처음 출시한 GM 볼트(VOLT)와 이미 HEV 시장에서 시장 점유율 50%를 차지하고 있는 토요타 프리우스의 플러그인 버전인 토요타 프리우스 PHEV가 가장 많이 판매되었다. (참고: 2016년의 경우, Toyota Prius Plugin Hybrid가 미국 시장에 원활히 공급되지 않았음.) 이러한 주요 8개 PHEV 차종의 주요 성능을 (표 1)에 나타내면, Charge Sustaining(CS) 모드 연비 면에서는 프리우스 PHEV가, EV 모드(or Charge Depleting, CD)의 주행 거리에서는 GM 볼트가 가장 우수한 성능을 보여주고 있다. (차량의 중량 등이 다른 상황이므로 객관적인 비교는 될 수 없음)

PHEV의 동력전달계에서는 동력 분기형(Power split) 구조, 병렬형(Parallel) 구조, 멀티 모드(Multi mode) 구조 등이 쓰이고 있는데, GM 볼트의 경우 1세대 버전에서는 직렬형 구조와 동력 분기형 구조를 활용하는 멀티 모드 적용 PHEV를 출시했으나 효율 향상을 위해, 2세대(2016년 버전)에서는 직렬형 구조를 더 이상 활용하지 않고 있다. 단순히 비교하자면 국내 최초의 양산 PHEV인 현대 쏘나타 PHEV의 경우, 같은 차급의 혼다 어코드 PHEV에 비해 다소 연비 수치가 낮지만 이는 EV 모드의 주행거리 연장을 위해 큰 배터리를 장착한 점을 고려하면 정확한 성능의 우열을 평가할 수는 없다. 이처럼 PHEV의 성능은 전기차 주행 거리(All-Electric Range, AER), CS 모드 연비 등을 고려해야 하기 때문에 단순한 성능 비교가 쉽지 않은 부분이 있다.

본 글에서는 PHEV의 시장 확대와 연비 성능 향상을 위해 개선되어야 할 주요 세 가지 기술에 대한 현재 상황과 전망에 대한 이야기를 담았다.

<그림 2> 는 미국에서 판매되고 있는 주요 PHEV의 판매량 추이를 나타내고 있는데 2012년형 모델을 처음 출시한 GM 볼트(VOLT)와 이미 HEV 시장에서 시장 점유율 50%를 차지하고 있는 토요타 프리우스의 플러그인 버전인 토요타 프리우스 PHEV가 가장 많이 판매되었다. (참고: 2016년의 경우, Toyota Prius Plugin Hybrid가 미국 시장에 원활히 공급되지 않았음.) 이러한 주요 8개 PHEV 차종의 주요 성능을 (표 1)에 나타내면, Charge Sustaining(CS) 모드 연비 면에서는 프리우스 PHEV가, EV 모드(or Charge Depleting, CD)의 주행 거리에서는 GM 볼트가 가장 우수한 성능을 보여주고 있다. (차량의 중량 등이 다른 상황이므로 객관적인 비교는 될 수 없음)

PHEV의 동력전달계에서는 동력 분기형(Power split) 구조, 병렬형(Parallel) 구조, 멀티 모드(Multi mode) 구조 등이 쓰이고 있는데, GM 볼트의 경우 1세대 버전에서는 직렬형 구조와 동력 분기형 구조를 활용하는 멀티 모드 적용 PHEV를 출시했으나 효율 향상을 위해, 2세대(2016년 버전)에서는 직렬형 구조를 더 이상 활용하지 않고 있다.

단순히 비교하자면 국내 최초의 양산 PHEV인 현대 쏘나타 PHEV의 경우, 같은 차급의 혼다 어코드 PHEV에 비해 다소 연비 수치가 낮지만 이는 EV 모드의 주행거리 연장을 위해 큰 배터리를 장착한 점을 고려하면 정확한 성능의 우열을 평가할 수는 없다. 이처럼 PHEV의 성능은 전기차 주행 거리(All-Electric Range, AER), CS 모드 연비 등을 고려해야 하기 때문에 단순한 성능 비교가 쉽지 않은 부분이 있다.

본 글에서는 PHEV의 시장 확대와 연비 성능 향상을 위해 개선되어야 할 주요 세 가지 기술에 대한 현재 상황과 전망에 대한 이야기를 담았다.

친환경 전기차의 대용량 배터리 기술

<그림 3> 배터리 기술 개발 목표 (미국 에너지성)

Quadrennial Technology Review 2015, Chapter 8: Advancing Clean Transportation and Vehicle Systems and Technologies, US Department of Energy

PHEV 차량의 성능을 결정하는 주요 요인 중에 하나는 배터리의 성능인데, 미국의 에너지성은 2012년을 기준으로 2022년의 배터리 성능의 기술적 목표를 다음 <그림 3>과 같이 설정하였다. 미 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 현재 해당 목표를 달성할 가능성이 있을 것으로 내다보고 있다. 현재, 국내외의 배터리 업체들도 에너지 밀도를 팩 기준 260~300Wh/kg 정도까지 높이는 목표를 가지고 차세대 전극 물질을 개발하고 있다.

차량의 열 관리 문제

<그림 4> 외기 온도에 따른 PHEV 의 연료 소모량

Fuel Displacement Potential of Advanced Technologies under Different Thermal Conditions,
2015 DOE Hydrogen Program and Vehicle Technologies, Annual Merit Review June, 2015

PHEV를 포함한 친환경 전기 자동차 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. <그림 4>는 미국의 Argonne National Laboratory에서 PHEV 차량을 시험하여 얻은 연비 해석 결과이다. PHEV의 경우, -7ﾟC(미국의 연비 인증 저온 기준 온도) 주행에서 두 배에 달하는 추가적인 전기 에너지 혹은, 연료가 소모되는 것을 확인할 수 있다. 열 관리 문제는 단순히 연비뿐만 아니라 잦은 냉시동에 의한 배기가스 배출 문제도 유발할 수 있으므로 현재, 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.

PHEV를 포함한 친환경 전기 자동차 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. <그림 4>는 미국의 Argonne National Laboratory에서 PHEV 차량을 시험하여 얻은 연비 해석 결과이다.

PHEV의 경우, -7ﾟC(미국의 연비 인증 저온 기준 온도) 주행에서 두 배에 달하는 추가적인 전기 에너지 혹은, 연료가 소모되는 것을 확인할 수 있다. 열 관리 문제는 단순히 연비뿐만 아니라 잦은 냉시동에 의한 배기가스 배출 문제도 유발할 수 있으므로 현재, 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.

플러그인 하이브리드 동력전달계 기술

<그림 5> 주요 플러그인 하이브리드 차량의 동력전달구조

엔진, 모터 등에서 발생하는 동력을 전달하는 동력전달계의 최적화 및 최적 동력원 용량 매칭 기술은 PHEV 시스템의 효율을 향상시키는데 필요한 매우 중요한 기술이다. <그림 5>는 토요타 프리우스에 적용된 동력 분기형, GM 볼트에 적용된 멀티 모드 시스템, 현대 쏘나타 플러그인에 적용된 병렬형 하이브리드 동력전달계 구조를 보여주고 있다.

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, PHEV의 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.

플러그인 하이브리드 기술 전망과 국내 기술 수준

국내의 하이브리드 전용 차량인 현대자동차의 아이오닉, 아이오닉 전기차와 곧 출시될 것으로 알려지고 있는 아이오닉 플러그인 하이브리드 등은 이미 세계적인 친환경 전기차들과 견주어 손색이 없는 성능을 보여주고 있다. 다른 완성차 업체들도 친환경 전기차를 준비하고 있고, 이들을 지원할 국내의 배터리 업체의 기술 수준은 이미 세계 정상에 올라 주요 자동차 회사들에게 배터리를 공급하고 있는 상황이다. 그러나 새로운 동력전달계 구조 개발 및 시스템 최적화를 통한 성능 향상 노력을 지속하여, 향후 확대될 PHEV 시장을 대비할 필요가 있다.

한 편, 앞으로 커넥티드 기술 및 자율주행 기술이 적용되면 운전자의 미래 주행 정보나 운전 패턴을 분석하여 활용할 수 있게 되는데, 이를 바탕으로 PHEV는 CD, CS 모드 주행을 최적화하여 성능을 극대화하는 등으로 기술을 발전시킬 수 있다. 또한, 운전자의 운전 패턴을 분석하여 운전자가 자신의 주행 패턴에 최적화된 배터리의 용량을 선택하여 구매할 수 있도록 하는 등 새로운 형태의 판매 전략이 등장할 가능성도 있다.

김남욱

한양대학교 기계공학과 교수