하이브리드 차량 ( SHEV, PHEV, Combined HEV )

개요

   하이브리드 전기차(HEV)에 대한 연구는 연료 기반 에너지의 한계, 지구 온난화 및 배출가스 제한 등으로 인해 차량의 에너지를 생성하는 대체 방법을 개발해야 할 필요성 때문에 많은 주목을 받아왔다. HEV는 내부 연소 엔진, 전기 기계 및 전력 전자 장비를 통합한다. 하이브리드 전기차는 여러 형태로 구성 될 수 있고, 각 구성에 따라 장점과 단점이 명확히 강조된다. 각 구성 별 HEV의 형태를 알아보자

 

 

 

직렬 하이브리드 SHEV (Serial Hybrid Electric Vehicles)

 

 

 직렬 하이브리드 전기차 (SHEV)는 내부 연소 엔진(ICE), 발전기, 배터리 팩, 정류기, 커패시터, 변환기 및 전기 모터를 포함한다. 기본적으로 SHEV는 연소 엔진(ICE)와 바퀴 사이에 기계적 연결이 없다. 또한 다음과 같은 특징들이 있다.

 

직렬 하이브리드의 특징

- ICE는 도심 주행 시 배터리 팩이 시스템에 전력을 공급할 때 꺼진다.

- ICE는 시외 주행 시 배터리 에너지가 부족할 때 켜진다.

- 상당량의 에너지는 회생 제동과 내리막 주행을 통해 공급된다.

- 배터리의 수명과 효율성을 높이기 위해 울트라커패시터 가 시스템에 추가된다.

- 전기 모터의 전력 요구량이 발전기의 출력 전력보다 적으면, 남는 전력은 울트라커패시터 뱅크와 배터리 팩을 충 전하는 데 사용된다.

- 반대로  전기 모터의 전력 요구량이 발전기의 출력 전력보다 크면, 필요한 에너지는 울트라 커패시터 뱅크와 배터리 팩에서 공급된다.

 따라서 엔진은 최대 효율 지점에서 작동하므로 연료 효율이 개선되고, 다른 차량 구성에 비해 탄소 배출이 적다. 직렬 하이브리드는 주로 중량 차량, 군용 차량, 버스 등에 사용된다.

 

직렬 하이브리드 구성의 장단점

 

 

 

 

 

 

 

병렬 하이브리드 PHEV (Parallel Hybrid Electric Vehicles)

 

 

 병렬 하이브리드 전기차 (PHEV)에서는 내부 연소 엔진(ICE)에서 나오는 기계적 동력과 전기 모터에서 나오는 전기적 동력이 병렬로 연결되어 변속기를 구동한다. 병렬 구성에서 가장 일반적인 전략은 ICE가 항상 켜져 있으며, 최대 효율 지점에서 거의 일정한 출력으로 작동하는 것이다.

 

병렬 하이브리드의 특징

- 변속기에서 요구되는 출력이 ICE의 출력보다 클 경우, 전기 모터가 켜져 ICE와 전기 모터가 함께 변속기에 전력을 공급한다.

- 변속기에서 요구되는 출력이 ICE의 출력보다 적으면 남는 전력은 배터리 충전용으로 사용된다.

- 내리막 운전 시 회생 제동을 통해 배터리를 재충전할 수 있다.

 

병렬 하이브리드의 장단점

 

 

 

 

 

 

직병렬 결합 하이브리드 ( Combined HEV )

 

병렬 및 직렬 하이브리드 구성을 하나의 시스템으로 결합하는 방식은 점점 더 많은 승용차 하이브리드 차량에서 표준으로 채택되고 있다. 이름에서 알 수 있듯이, 결합 하이브리드 시스템은 완전히 병렬도, 완전히 직렬도 아닌 중간 형태를 가진다.

 

직병렬 결합 하이브리드의 특징

- 시스템은 병렬 하이브리드와 직렬 하이브리드 구성 요소를 모두 사용한다.

- 주로 승용차와 같은 소형 자동차에 사용된다.

- 파워 분배 장치(유성 기어 세트)를 사용하여 ICE에서 바퀴로의 동력 흐름을 가능하게 한다.

- 유성 기어박스는 두 개의 전기 기계와 ICE를 연결한다. 

- 유성 기어 세트는 발전기의 속도를 조절하여 엔진 속도를 조절할 수 있도록 한다. 

- 시스템의 토크와 회전속도는 다음과 같이 계산된다.
   - T1, T2, T3는 각각의 토크
   - w1, w2, w3는 기어의 회전 속도
   - R1, R2, R3는 기어의 반지름 일 때, 다음의 식으로 표현할 수 있다.

 

직병렬 하이브리드 구성의 장단점