파워 분할 시스템이 토요타 하이브리드를 어떻게 타의 추종을 불허하는 존재로 만들었나?

토요타의 힘은 배터리가 아니라, 두 개의 모터를 하나의 유성 기어 장치로 분배하고 결합하는 그 탁월한 메커니즘에서 나옵니다.
토요타의 힘은 배터리가 아니라, 두 개의 모터를 하나의 유성 기어 장치로 분배하고 결합하는 그 탁월한 메커니즘에서 나옵니다.

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토요타 하이브리드를 독보적으로 만드는 것은 전기 모터나 배터리 그 자체가 아니라, 두 모터의 동력을 하나의 유성 기어 장치로 분배하고 결합하는 파워스플릿(power-split) 구동계입니다. 이 아키텍처는 직렬 및 병렬 하이브리드의 약점을 하나의 메커니즘에서 보완하여 차량이 가솔린 엔진, 전기 모터 또는 두 가지의 조합으로 매끄럽게 주행할 수 있는 능력을 부여했습니다. 1997년 최초의 양산 하이브리드 프리우스 와 함께 길에 나선 이 시스템은 오늘날에도 여전히 업계가 기준으로 인정하는 솔루션입니다.

주요 내용

  • G21 프로젝트 1993 년에 20 km/리터 의 연비 목표로 시작되었습니다
  • 최초의 프리우스 1997년 12월 에 세계 최초의 양산 하이브리드로 출시되었습니다
  • 토요타의 유성 기어는 변속기를 완전히 없애고 e-CVT 와 같은 효과를 만들어냈습니다
  • 혼다는 1999년에 병렬 방식의 Insight 와 함께 IMA 시스템을 선택했습니다
  • 토요타는 글로벌 하이브리드 판매에서 2013년 3월에 500만 대 라는 이정표를 넘었습니다

직렬, 병렬, 파워스플릿: 세 가지 아키텍처의 차이는 무엇일까요?

하이브리드 구동계를 이해하려면 세 가지 기본 아키텍처를 구분해야 합니다. 직렬 하이브리드에서는 바퀴가 오직 전기로만 회전합니다. 내연기관은 제너레이터에 동력을 공급하고, 전기는 모터로 전달됩니다. 역사에 등장한 최초의 사례도 이 방식이었습니다. 페르디난트 포르쉐는 1898년에 Egger-Lohner C.2를 설계했고, 1900년에 앞바퀴에 휠 모터를 장착한 전기차 Lohner-Porsche를 선보였으며, 1901년에 허브 드라이브와 가솔린 엔진을 결합한 Lohner-Porsche Mixte Hybrid 가 양산에 들어간 최초의 하이브리드 자동차가 되었습니다. 1902년 포르쉐는 이 차로 Exelberg 랠리에서도 우승했습니다. 하지만 직렬 아키텍처의 대가는 분명합니다. 에너지가 기계적으로가 아니라 전기적으로 바퀴로 전달되며, 변환 과정마다 손실이 발생합니다.

병렬 하이브리드에서는 내연기관과 전기 모터가 하나의 출력축을 공유합니다. 엔진과 모터는 각각 단독으로 또는 함께 바퀴를 구동할 수 있습니다. 이 구성은 일반적으로 직렬 방식보다 작은 배터리를 사용하며 회생 제동으로 충전됩니다. 기계적 연결이 유지되기 때문에 효율 손실이 제한적이지만, 그 대신 엔진과 바퀴의 회전수가 서로 연결되어 있어 엔진을 가장 효율적인 작동 범위에 유지하기가 어렵습니다.

파워스플릿 아키텍처는 이 둘의 중간입니다. 병렬 방식에 파워스플릿 장치를 추가하여 내연기관에서 바퀴로 가는 여러 동력 경로를 열어줍니다. 엔진, 제너레이터, 구동 모터는 서로 독립적으로(디커플) 작동할 수 있으며, 시스템은 조건에 따라 직렬처럼 또는 병렬처럼 작동하여 복합 주행에서도 효율성을 유지합니다. 핵심적인 차별화 특징은 엔진을 효율적인 작동 범위에 유지하는 전자식 무단변속기, 즉 eCVT입니다.

G21 프로젝트: 20km 목표에서 하이브리드 결정으로

토요타 시스템의 탄생은 공학적 움직임이 아니라 비전 연구에서 나왔습니다. 1993년 여름, 명예 회장 에이지 도요다의 제안으로 21세기를 위한 차량 설계 연구가 시작되었고, 1993년 9월에 코드명 G21 (Globe와 21세기의 결합) 프로젝트가 설립되었습니다. 10명의 엔지니어와 디자이너로 구성된 팀은 리터당 20km의 연비를 목표로 삼았습니다. 1994년 2월 프로젝트가 공식적으로 설립되었으며, 팀장은 훗날 도요타 사장이 되는 Takeshi Uchiyamada였습니다.

1994년 11월 상황이 바뀌었습니다. 기술 담당 부사장 Akihiro Wada는 프로젝트에 하이브리드로 만들라는 지시를 내렸고, 그렇게 하지 못할 경우 프로젝트가 중단된다고 밝혔습니다. 목표 연비를 두 배로 늘리는 것이었고, 팀의 평가에 따르면 이를 달성할 유일한 방법은 하이브리드 기술이었습니다. 주목할 만한 세부 사항: G21 팀의 자체 멤버들조차 당시 하이브리드화를 21세기 초까지는 시기상조라고 여겨지는, 검증되지 않은 기술로 보고 있었습니다. 이 지시가 그 결정을 바꾸었습니다.

팀은 약 6개월 동안 시스템들을 검토했고 높은 연비 잠재력 때문에 2모터 방식을 선택했습니다. 이 선택의 가장 급진적인 결과는 다음과 같습니다: 기존 변속기가 완전히 사라질 것으로 가정되었습니다. 1995년 6월 양산차에 대한 공식 승인이 내려왔습니다; 엔진, 모터-제너레이터 및 인버터는 자체 개발로 생산되고, 배터리는 Matsushita Battery Industrial과 협력하여 개발될 예정이었습니다. 1995년 8월 Hiroshi Okuda가 도요타 사장이 된 것은 하이브리드 개발의 전환점이 되었습니다.

Toyota Hybrid System: 유성 기어는 어떻게 작동할까요?

Toyota'nın gezegensel dişlisi şanzımanı, alternatörü ve marş motorunu tek bir kompakt sistemde eriterek hibrit tekniğini rakipsiz kıldı.

1997년 3월 도요타는 통합 전기 모터와 제너레이터, 그리고 파워 분배 기능을 갖춘 Toyota Hybrid System(THS)을 완성했다고 발표했습니다. 시스템의 핵심에는 유성 기어 방식의 파워 분배 장치가 있었습니다: 이 메커니즘은 두 모터-제너레이터를 내연기관에 연결하고, 엔진 출력을 바퀴 구동과 발전 사이에서 분배했습니다. 입력축과 출력축이 같은 평면에 있다는 점이 컴팩트함을 제공했습니다; 구동 모터는 엔진 출력을 보강하고 감속 시 제너레이터처럼 작동하여 배터리를 충전했습니다; 두 번째 모터는 내연기관의 동력으로 발전하고, 변속기를 제어하며 스타터 모터 역할도 겸했습니다. 배터리와 모터 사이에 인버터가 배치되었습니다.

오늘날 Hybrid Synergy Drive (HSD)로 알려진 시스템은 1997-2003년 Prius의 THS를 정제한 형태입니다. 2세대 시스템은 2004년 Prius에서 선보였으며, 명칭 변경은 기술이 도요타 브랜드를 넘어 확장될 것이라는 기대를 반영한 것이었습니다; 이 시스템은 2006년 Camry와 Highlander에도 적용되었습니다. HSD에서는 기존 변속기, 발전기 및 스타터 모터를 MG1, MG2, 세 개의 DC-AC 인버터와 두 개의 DC-DC 컨버터로 구성된 파워 일렉트로닉스, 컴퓨터 제어 및 고전압 배터리가 대체합니다.

두 모터-제너레이터의 역할 분담은 명확합니다:

  • MG1: 내연기관을 시동하는 모터이자 배터리를 충전하는 제너레이터로, 발전량을 조절하여 트랜스액슬의 CVT 기능을 실질적으로 제어합니다.
  • MG2: 주 구동 모터이자 회생 제동 제너레이터로, 일반적으로 더 강력합니다.

유성 기어 세트는 CVT와 유사한 기능을 수행하며, 도요타는 법적 목적으로 이 시스템을 e-CVT 등급으로 분류한다. HSD는 완전 하이브리드다: 차량은 전기 모터만으로 주행할 수 있다 - 대부분의 경쟁 하이브리드는 이것이 불가능하며 따라서 마일드 하이브리드로 분류된다. 시스템은 세대 내에서도 발전했다: 1세대와 2세대에서는 MG2가 링 기어에 직접 연결되어 있었고(1:1, 토크 증폭 없음), 3세대에서는 2.5:1의 유성 기어 세트를 통해 연결되어 더 작으면서도 더 강력한 MG2가 가능해졌다. 배터리 측면에서 1세대 프리우스는 228개 셀과 38개 모듈을 사용했지만, 2세대와 3세대는 공칭 전압 201.6V의 28개 파나소닉 각형 NiMH 모듈로 전환했다; 전자 장치는 배터리 수명을 위해 충전을 40-80% 범위로만 유지한다.

혼다는 왜 다른 길을 chose 했는가? 병렬 IMA 선택

토요타가 두 모터를 이용한 파워 스플릿에 투자하는 동안 혼다는 단순성과 비용의 균형을 중시하는 솔루션을 채택했다. 혼다의 첫 양산 하이브리드인 Insight 는 1999년에 시장에 출시되었으며 병렬 하이브리드 Integrated Motor Assist (IMA) 시스템을 탑재했다. IMA에서는 전기 모터와 가솔린 엔진이 하나의 출력 축을 공유한다; 직렬 하이브리드와 달리 가솔린 엔진 단독으로 바퀴를 구동할 수 있다. 이는 1997년 프리우스에 이어 등장했으며 병렬 시스템을 갖춘 마일드 하이브리드로 분류되는 차량이었다.

그 결과는 하이브리드 시장의 첫 번째 큰 아키텍처 분화였다. 토요타는 효율 상한을 목표로 하고 부품 수가 많고 제어가 복잡한 시스템을 선택했으며; 혼다는 더 적은 부품으로 합리적인 효율을 제공하는 구성을 선호했다. IMA는 약 6세대에 걸쳐 사용되었고 혼다의 하이브리드 진화는 시간이 지나 오늘날의 e:HEV 시스템에 이르렀다. 그러나 완전 전기 주행이 불가능하다는 점 때문에 IMA는 HSD에 비해 기술적으로 더 좁은 능력의 카테고리에 놓이게 되었다: HSD 외의 대부분의 하이브리드와 마찬가지로 IMA 역시 전기만으로 출발할 수 없다.

1997년 이후: 파워 스플릿 아키텍처는 시장을 어떻게 형성했는가?

1997년 12월에 출시된 Prius 는 세계 최초의 양산 하이브리드 자동차로 IEEE 마일스톤 목록에도 올랐다. 이후의 이야기는 규모의 역사다: 토요타는 2007년 5월에 100만 대, 2009년 8월 말에 200만 대, 2013년 3월에 500만 대의 하이브리드 판매를 돌파했다; 2013년 3월 기준 미국은 글로벌 하이브리드 판매의 38%를 차지했다. 프리우스는 오늘날 5세대에 걸쳐 생산 중이다.

파워 스플릿 아키텍처는 토요타만의 폐쇄적인 솔루션도 아니었다. HSD 기술은 알티마 하이브리드를 위해 닛산에 라이선스되었고; 아이신은 유사한 하이브리드 변속기를 다른 제조사들에 제공했다. 동일한 시스템은 미라이의 전기 주행과 프리우스 플러그인 하이브리드에 적용되었으며; 렉서스 버전은 Lexus Hybrid Drive 라는 이름을 사용한다. 파워 스플릿 설계는 다른 브랜드에서도 표준이 되었다: 최근 비교에서 GM, 토요타, 둥펑, 그레이트 월 시스템 모두에서 앞서 있는 것은 역시 유성 기어 메커니즘이며 선기어를 MG1 모터에 연결한다. 2026년형 차량에서조차(예를 들어 RAV4 XA60) NiMH와 리튬이온 배터리 옵션이 계속 제공된다.

특징토요타 HSD (파워 스플릿)혼다 IMA (병렬)
첫 양산 차량프리우스, 1997년 12월Insight, 1999년
아키텍처직렬-병렬, 유성 기어병렬, 공용 출력 축
변속기기존 변속기 없음, e-CVT엔진에 연동된 기존 구조
완전 전기 주행예 (풀 하이브리드)아니요 (마일드 하이브리드)
회생 제동MG2를 통해공용 축 모터를 통해
장기적 영향Nissan에 라이선스 제공, Lexus와 Mirai에 적용됨약 6세대, 이후 e:HEV

전기 주행 거리와 실용성의 한계

표준 HSD는 배터리에 충분한 충전이 있을 경우 시속 40 km 이하에서 약 1.6 km 완전 전기 주행이 가능한 EV 모드를 제공합니다. 더 긴 전기 주행 거리를 위해서는 별도의 아키텍처가 필요합니다: Prius Plug-in Hybrid 는 4.4 kWh 용량과 80 kg 무게의 리튬이온 배터리를 통해 EPA 측정 기준으로 18 km 전기 주행 거리를 제공합니다. 배터리와 관련해 자주 묻는 질문 하나를 짚고 넘어가야 합니다: HSD는 컴퓨터, 전력 전기, 배터리, 모터-제너레이터 없이는 작동할 수 없습니다. 반면 원리상으로는 내연기관 없이도 움직일 수 있으며, 실제로도 비상시 차량은 짧은 거리를 가솔린만으로 주행할 수 있습니다.

오늘날 돌아보면: 파워 분할은 여전히 유효한가?

완전 배터리 방식 전기차로의 전환이 둔화될 때 소비자들이 하이브리드로 향하는 모습이 관찰되고 있는데, 이 맥락에서 토요타의 손을 더욱 강하게 만들어주는 생산 측면의 디테일이 있다: 하이브리드를 가솔린 라인 및 플러그인 라인과 동일한 조립 라인에서 생산할 수 있고, 수요에 따라 생산량을 실시간으로 조정할 수 있다는 것이다. 엔지니어링 관점에서 더욱 인상적인 것은 이 시스템의 나이다. 1994년에 6개월간의 분석 끝에 선택된 두 모터 구성은 30년이 지난 지금도 핵심 메커니즘 - 유성 기어, 두 개의 모터-제너레이터, 파워 일렉트로닉스 - 이 거의 동일한 원리로 작동하고 있다. 특허 아카이브에서는 유성 기어 설계와 다중 모드 파워 분할 구성에 관한 상세한 연구를 찾아볼 수 있다. 다만 토요타가 파워 분할 시스템을 단일 특허로 잠갔다다는 통설이 단일하고 직접적인 특허 기록에 근거한 것이라고 말하기는 어렵다 - 이 시스템의 힘은 하나의 문서보다도, 구성 요소 전체에 스며든 건축적 결정에서 나온다. 그리고 바로 이 결정이 하이브리드 역사상 가장 결정적인 전환점 중 하나로 남아 있다: 올바른 메커니즘이 기술의 나머지 부분을 끌고 갔던 것이다.

참고 자료