토요타 하이브리드 시스템의 이해

토요타 하이브리드 시스템(Toyota Hybrid System, THS)이 처음 등장한 시점이 1997년이니 세상에 나온지 20년 가까이 된 시스템이긴 합니다만 이제서야 동작원리를 제대로 이해하여 한 번 정리합니다. 웹에서 자료를 찾는 과정에서 영어로 된 자료는 풍부한 반면 우리말로 된 자료는 상세히 설명된 글을 찾기가 힘들었다는 점도 새삼스레 글을 시작한 이유 중 하나입니다.

THS는 THS II로 세대가 바뀐 이후 3세대 시스템이 등장하면서 Hybrid Synergy Drive(HSD)로 이름이 바뀌었는데 주된 이유는 토요타 이외에 렉서스 차량에도 동일한 시스템이 적용되기 시작했고 닛산에도 하이브리드 시스템의 일부가 공급되면서 이름에서 토요타를 숨길 필요가 있었기 때문입니다. 이 글에서는 설명의 편의상 THS의 동작원리를 먼저 설명하고 이후 THS II와 HSD로 시스템이 발전되면서 어떤 부분이 변경되었는지를 언급하도록 하겠습니다.

오른쪽 그림은 4세대 프리우스의 하이브리드 시스템을 간단히 보여주고 있는데, 하이브리드 시스템의 주요 구성 요소는 모터 및 발전기로 동작할 수 있는 두개의 Motor-Generator(MG)와 Power Split Device(PSD), 그리고 엔진입니다. 이 중 용량이 작은 MG1은 주로 발전기로 동작하며 용량이 큰 MG2는 주로 모터로 동작하여 엔진과 함께 필요한 구동력을 만들어 냅니다. Power Split Device는 엔진과, MG1, MG2의 구동력을 운전자가 동력전환을 알아채지 못할 정도로 부드럽게 조화시키는 THS의 핵심 부품이기 때문에 가장 먼저 살펴보도록 하겠습니다.

 

Power Split Device의 구조

THS를 이해하기 위해 가장 중요한 일은 Power Split Device(PSD)를 이해하는 것입니다. PSD는 엔진과 모터의 힘이 구동에 기여하는 비율을 조절하고 엔진과 바퀴의 회전수 차이를 허용하여 무단 변속기와 비슷한 역할을 하는 부품인데, 자동변속기에도 널리쓰이는 Planetary Gear Set의 세 축에 각각 바퀴와 직결된 MG2, 엔진, MG1이 물려진 형태로 이루어져 있습니다. MG(Motor-Generator)는 이름 그대로 필요에 따라 모터와 발전기로 동작할 수 있는데 용량이 큰 MG2는 주로 엔진의 동력을 보조하는 모터로, 용량이 작은 MG1은 발전기로 동작합니다. MG2가 발전기로 동작할 경우는 회생제동이 이루어 질 때이고 MG1이 모터로 동작하는 경우는 엔진을 시동시킬 때 입니다.

먼저 엔진의 회전축은 윗 그림에서 녹색으로 표시된 플래닛 캐리어에 연결되어 있는데 플래닛 캐리어가 회전하면 푸른색의 플래닛 기어가 따라 돌면서 링기어와 선기어의 회전을 만들어 냅니다. 붉은색의 링기어는 모터(MG2)의 회전축과 연결되어 있으며 감속기를 통해 바퀴와도 직결되어 있어 바퀴가 회전할 경우 반드시 회전해야 합니다. 강한 가속이 필요없을 경우에는 배터리의 충전상태에 따라 모터(MG2)나 엔진만을 이용해 링기어를 회전시키지만 강한 가속이 필요할 경우 플래닛 캐리어의 회전을 통해 전달되는 엔진의 토크와 모터(MG2)의 회전력이 더해져 링기어를 회전 시킵니다. Power Split Device의 가운데에는 발전기(MG1)와 연결된 노란색의 선기어가 있는데 링기어와 플래닛 캐리어의 회전수 차이를 보상하는 역할을 합니다. 차량의 속력에 의해 링기어의 회전수가 정해지고, 제어 시스템에 의해 필요한 출력을 내기 위한 엔진 회전수(=플래닛 캐리어의 회전수)가 계산되면 필요한 선기어의 회전수는 S는 아래의 식으로 정해지는데 이유에 대해서는 다음 단락에서 자세히 설명하겠습니다. 아래 식에서 C는 플래닛 캐리어의 회전수로 엔진회전수와 동일하고 R은 링기어의 회전수로 MG2의 회전수에 해당합니다.

S = 3.6 x C – 2.6 x R

Power Split Device의 기어비

Power Split Device(PSD)에서 선기어(MG1)의 회전수 S가 플래닛 캐리어(엔진)의 회전수 C와 링기어(MG2)의 회전수 R과 어떤 관계를 가지고 있는지 알아보기 위해 생각을 두 단계로 나누어 보겠습니다. 먼저 플래닛 캐리어를 고정시킨 후 선기어와 링기어의 회전수 관계를 알아보고 그 다음은 링기어를 고정시킨 후 선기어와 플래닛 캐리어의 회전수 관계를 알아보겠습니다. 이 두 가지 경우를 결합하면 플래닛 캐리어와 링기어가 동시에 회전할 때의 선기어의 회전수를 구할 수 있습니다. Graham’s Toyota Prius 사이트의 링크에 의하면 PSD의 각 기어별 톱니 개수는 아래와 같으며 이 글에서 설명하는 기어비를 구하는 방법도 같은 링크의 내용을 참고했습니다.

선기어 : 30개, 플래닛 기어 : 23개, 링기어(내측) : 78개

먼저 살펴 볼 경우는 플래닛 캐리어를 고정시킨 후 링기어를 회전시키는 경우입니다. 이 상태에서 플래닛 기어는 윗 그림과 같이 중심축은 고정된 상태에서 회전하면서 링기어의 회전을 선기어로 전달하는 역할만을 합니다. 링기어의 톱니가 한칸 움직일 때 마다 선기어의 톱니도 한칸 움직여야 하기 때문에 링기어가 1회전하여 78개 톱니가 지날 때 선기어에도 78개의 톱니가 움직여야 하므로 선기어는 78/30 = 2.6 회전을 하게 됩니다. 선기어와 링기어의 회전 방향이 반대이기 때문에 회전수 관계를 식으로 나타내면 아래와 같이 – 부호가 붙게 됩니다.

S = – 2.6 x R

다음으로 살펴볼 경우는 링기어가 고정된 상태에서 플래닛 캐리어가 회전할 때의 선기어의 회전입니다. 캐리어만 회전하는 상황을 상상하는 것이 힘들기 때문에 먼저 링기어와 플래닛 캐리어가 동시에 시계방향으로 한 바퀴를 돌고(윗 그림의 1번 상황) 이후에 플래닛 캐리어는 고정된 상태에서 링기어만 반시계 방향으로 다시 한바퀴를 돌아 원래 위치로 돌아오는 경우를 생각해 보겠습니다(윗 그림의 2번 상황). 이렇게 하면 링기어는 시계방항으로 1회전 후 다시 반시계 방향으로 1회전 했기 때문에 결과적으로 움직이지 않았고 플래닛 캐리어만 시계방향으로 1회전 한 것이 됩니다. 선기어는 윗 그림의 1번 상황에서 시계 방향으로 1회전, 2번의 경우에서 시계방향으로 2.6회전했기 때문에 플래닛 캐리어가 1회전 할 때 같은 방향으로 총 3.6 회전한 것이 됩니다. 따라서 링기어가 고정된 상태에서 선기어의 회전수 S와 플래닛 캐리어의 회전수 C의 관계는 아래와 같아지게 되지요.

S = 3.6 x C

이제 링기어와 플래닛 캐리어가 동시에 회전할 때 선기어의 회전수가 어떻게 되는지 생각해 볼 차례인데 링기어와 플래닛 캐리어는 서로 독립적으로 회전이 가능하므로 선기어의 회전수는 플래닛 캐리어와 링기어의 기여분을 단순히 더하면 앞에서 설명한 식이 됩니다.

S = 3.6 x C – 2.6 x R

이에 더해 Planetary Gear Set의 중심축으로 부터 선기어와 링기어의 플래닛기어 접촉면까지의 상대적 거리를 구하면 플래닛 캐리어를 통해 전달 되는 엔진의 토크가 링기어와 선기어에 어떻게 나누어지는 지도 구할 수 있습니다. 기어의 지름은 톱니의 갯수에 비례하므로 링기어와 선기어의 지름비는 78:30이 되며 그 결과 링기어에는 엔진토크의 72%(=78/(30+78)) 선기어에는 엔진토크의 28%(=30/(30+78))가 전달되게 됩니다. 혹시나 Planetary Gear Set의 동작이 잘 상상이 되지 않을 경우 PSD를 직접 설명하는 영상은 아니지만 링크의 영상을 참고하면 도움이 됩니다.

eCVT의 동작

Power Split Device(PSD)가 MG1/MG2 및 엔진 제어 로직과 합쳐지면 무단변속기와 비슷한 동작을 할 수 있어 eCVT라는 이름이 붙었는데, 일반적으로 CVT라고 불리는 벨트/체인식 CVT와는 동작이 조금 다릅니다. 벨트/체인식 CVT의 경우 바퀴에 전달되는 엔진의 토크가 바퀴의 회전수와 반비례하는 관계로 변한지만 eCVT는 모터(MG2)와 발전기(MG1)의 개입으로 인해 회전수와 토크의 반비례 관계가 성립하지 않습니다.

eCVT는 링기어(바퀴와 직결된 MG2)와 플래닛 캐리어(엔진)의 속도차이를 선기어(MG1)가 흡수하는 방식이기 때문에 선기어의 회전수가 허용하는 범위내에서 엔진회전수가 고정된 상태에서 바퀴의 회전수가 연속적으로 변할 수 있고 반대로 바퀴의 회전수가 고정된 상태에서 엔진의 회전수가 연속적으로 변할수도 있습니다. 물론 엔진과 바퀴의 회전수가 같이 증가하거나 감소하는 것도 가능합니다. 토크의 경우 앞에서 설명한대로 엔진의 회전력이 링기어와 선기어에 72:28의 비율로 전달 되는데, 링기어(바퀴) 구동을 위해 필요한 토크가 엔진이 전달하는 토크보다 클 경우 MG2가 모터로 작동하여 회전력을 더하고 엔진의 토크가 링기어를 구동하기 위한 토크보다 클 경우에는 MG2는 힘을 보태지 않고 MG1은 발전기로 동작하여 발전부하를 통해 여분의 토크를 흡수할 수도 있습니다.

링크의 사이트를 방문하면 THS의 MG2와 엔진(ICE, Internal Combustion Engine)의 회전수에 따라 MG1의 회전수가 어떻게 변하는지를 시뮬레이션 해 볼 수 있는데 위의 그림은 속도가 42mph를 넘는 순간의 동작을 예로 보여주는 스크린 샷입니다. THS에서 엔진은 1000~4500rpm, 모터는 +/- 6500rpm 범위에서 회전이 허용되어 있는데, 아래 그림 왼쪽은 엔진은 꺼진 상태에서 MG2의 구동만으로 42mph에 도달하여 MG1이 역방향 최고 속도인 -6500rpm에 도달한 상황을 나타냅니다. 이때는 윗 그림의 오른쪽과 같이 너무 빠른 회전에 의한 MG1의 손상 방지를 위해 엔진에 시동이 걸려 MG1의 회전속도를 허용 범위 이내로 제한해야 합니다. 1세대 THS는 이와 같이 배터리의 충전 상태에 상관없이 42mph 이상의 속도에서 엔진의 시동이 걸려야 한다는 단점이 있는데 이는 3세대 프리우스의 HSD부터 개선됩니다. 시뮬레이터에 표시되는 MG1, MG2 및 엔진의 속도를 확인해 보시면 앞에서 설명한 S = 3.6 x C – 2.6 x R 식을 충실히 따르고 있는 것을 확인할 수 있습니다.

동일한 도로를 같은 속도로 주행하더라도 배터리의 충전상태에 따라 엔진의 회전수가 다를 수 있다는 점도 eCVT의 특징인데 배터리가 충전되어 있을 경우 MG2가 구동력을 보조해서 엔진은 주행에 필요한 수준보다 낮은 rpm에서 동작하거나 아예 꺼질수도 있지만 배터리가 방전된 상태라면 엔진은 rpm을 높여 주행에 필요한 동력외에 배터리를 충전하기 위한 동력도 함께 만들어 냅니다. 이 때 배터리의 충전은 엔진의 부하 증가 대비 연료 소비율 증가가 가장 적은 동작영역을 주로 사용하기 때문에 배터리의 충전을 위한 연료 사용량은 최소로 제어됩니다.

일반적인 변속기와는 달리 eCVT는 가속 및 주행에 필요한 출력에 대해 엔진과 모터가 얼마나 기여해야 하는지를 정한 후 엔진 rpm이 이에 맞춰지기 때문에 제어 로직의 개입 정도가 훨씬 큽니다. 앞에서 설명한 시뮬레이터에서 주목할 점은 MG2와 엔진(ICE)의 회전수는 독립 변수고 MG1의 회전수는 종속변수라는 점 입니다. 현재 차의 속도에 의해 MG2의 회전수가 결정되고 운전자가 브레이크 또는 가속 페달을 밟는 정도와 배터리 충전상태에 따라 필요한 출력을 내기위한 엔진의 회전수가 정해지면 MG1은 MG2와 엔진의 회전수차이를 흡수하는 역할을 하기 때문이지요. MG1이 모터로 작동할 때는 엔진의 시동을 걸 때인데 링기어의 회전속도에 대해 캐리어의 회전수가 1,000rpm이 되도록 S = 3.6 x 1000 – 2.6 x R 식에 의해 선기어의 회전수를 맞춰주면 어떤 속도로 주행하는 상태이든 시동이 걸리게 됩니다.

주행 시나리오 별 동작

Toyota Hybrid System의 핵심인 PSD와 eCVT의 동작을 살펴보았으니 실제 주행 모드별로 동작이 어떻게 이루어지는 지를 살펴보도록 하겠습니다. 여기서 사용된 그림은 모두 toyota-global 사이트에서 가져왔음을 알립니다.

1. 중/저속 주행

부드러운 출발, 중/저속 주행시에는 엔진은 사용되지 않고 배터리에 저장된 전력을 이용해 모터(MG2)만을 사용하여 주행합니다. EV 모드로 불리는 주행인데 이 때 발전기(MG1)의 회전축은 함께 회전하고 있지만 전자제어에 의해 회로를 끊어 발전기로 동작하고 있지는 않습니다.

 

 

 

 

2. 고속 크루징

고속에서 일정한 속도로 달릴 때는 엔진이 동력원이 됩니다. 엔진은 바퀴의 회전 속력과 상관없이 자동차의 속도를 유지하는데 필요한 출력을 기준으로 가장 효율적인 rpm에서 동작합니다. 이 때문에 Power Split Device에서는 MG2(링기어)와 엔진(플래닛 캐리어) 사이에 회전수 차이가 발생하고 그 결과 MG1(선기어)이 회전하여 발전을 하게 됩니다. MG1에 의해 생성된 전기는 배터리를 거치지 않고 Power Control Unit의 캐패시터에 저장된 후 인버터를 거쳐 MG2에 전달되어 엔진과 함께 구동력을 더하게 됩니다. 캐패시터는 배터리에 비해 에너지를 오래 저장하는데는 불리하지만 MG1에서 생성된 전력을 충전손실 없이 MG2에 전달할 수 있습니다. MG1에서 생성된 에너지는 바로 MG2의 구동에 사용되기 때문에 캐패시터의 에너지 저장시간이 짧은 부분은 문제가 되지 않습니다. 바퀴의 회전속도가 빨라져 엔진(플래닛 캐리어)의 회전수보다 MG2(링기어)의 회전수보다 빨라지면 거꾸로 MG2가 발전기로 동작하고 MG1이 모터로 동작하게 되는데, 이 때는 MG2가 바퀴 구동을 위해 필요한 이상의 토크를 흡수하여 발전한 전기로 MG1을 통해 MG2에 속도를 보태면서 오버드라이버 기어와 비슷한 역할(토크 감소, 회전수 상승)을 하게 됩니다.

3. 급가속

강한 가속이 필요한 상황에서는 배터리에 저장된 에너지와 엔진의 출력이 동시에 사용됩니다. 배터리에서 에너지를 최대로 끌어오고 엔진도 rpm을 높게 사용하여 높은 출력을 사용한다는 점을 제외하면 엔진과 모터의 힘이 혼합되는 방식은 앞에서 설명한 고속 크루징시와 동일 합니다. 초기 출발시에는 MG2(링기어)의 회전수에 비해 엔진(플래닛 캐리어)의 회전수가 많이 높기 때문에 MG1(선기어)에서의 발전량이 많아 MG2의 가속 기여도가 높습니다. 점점 속력이 붙으면서 MG2(링기어)와 엔진(플래닛 캐리어)의 회전속도 차이가 줄어들면서 엔진의 기여분이 높아 집니다.

 

 

4. 감속 및 브레이킹

감속 및 브레이킹이 이루어 질 때 엔진은 바로 시동이 꺼지고 모터로 사용되던 MG2가 발전기로 사용되면서 회생제동이 이루어 집니다. MG2에서 생성된 전기는 배터리 재충전에 사용되어 시내주행에서의 효율성을 높이는데 도움이 됩니다. 배터리는 저장된 에너지를 오래 저장할 수는 있지만 짧은 시간에 몰려드는 많은 양의 에너지를 모두 받아들이기에는 불리하기 때문에 회생제동을 효율적으로 사용하기 위해서는 되도록 브레이크를 살살 밟는 것이 좋습니다.

 

 

 

5. 배터리 재충전

배터리가 방전되면 MG2에는 전력이 공급되지 않고 엔진은 주행에 필요한 것보다 약간 더 높은 출력을 생성하여 배터리를 충전합니다. 엔진은 필요한 출력을 발생시키기에 가장 효율적인 rpm과 부하조건에서 동작하고 MG1의 발전부하를 조정하여 회전속도를 조정하는 방법으로 차량 속도 변화에 대응합니다. 앞에서도 언급했듯이 충전시에는 되도록 엔진 부하 증가대비 연료 소모율 증가가 최소인 동작영역을 이용하여 배터리 충전의 효율성을 추구합니다. 물론 MG2가 회전하지 않는 정지 상태에서도 엔진이 켜지면 MG1이 회전하여 발전이 가능하기 때문에 배터리를 충전할 수 있습니다.

 

 

THS의 진화

지금까지 1세대 THS의 동작을 알아 보았으니 시스템이 THS II와 HSD로 진화하면서 어떤 점들이 달라졌는지 간단히 살펴보면서 글을 마무리 하도록 하겠습니다. 아래 그림의 왼쪽은 THS와 THS II의 차이를 보여주는데 가장 큰 차이점은 배터리와 MG1/MG2 사이에 DC-DC 컨버터가 추가되면서 모터의 구동전압이 275V에서 500~650V로 크게 높아진 점 입니다 [1]. 구동 전압을 높이면 모터의 크기를 그대로 유지하면서도 모터에서 보다 큰 출력을 낼 수 있어 EV 모드를 보다 적극적으로 사용할 수 있습니다.

THS의 3세대 격인 HSD와 THS/THS II의 차이는 Power Split Device(PSD) 구조의 변경이 있습니다. 초기 THS에서는 링기어(R)와 MG2가 직결되어 있었지만 HSD 에서는 MG2가 기존 Power Split Device의 링기어와 직접 연결되지 않고 링기어를 공유하고 플래닛 캐리어(C)는 고정된 다른 Planetary Gear Set의 선기어(S)와 연결되어 있습니다. THS/THS II에서는 PSD의 링기어와 같은 속도로 MG2가 회전했지만 HSD에서는 MG2가 별도의 선기어를 통해 물리므로 링기어의 회전이 MG2에 비해 약 2.5배 가량 느려지게 됩니다. 구조가 머리속에 잘 그려지지 않을 경우 링크의 영상을 확인해 보시기 바랍니다. 실제 프리우스 2세대와 3세대에서 뜯어낸 부품을 가지고 구조를 비교하는 영상입니다.

MG2를 PSD의 링기어에서 분리할 경우 두가지의 장점이 있는데 첫째는 MG2를 대형화 하지 않고 회전속도를 높여서 출력을 높일 수 있다는 점 입니다. 출력은 토크x회전수이기 때문에 모터가 작아져 최대 토크가 줄더라도 회전수의 한계가 높아지면 보다 높은 출력을 전달할 수 있습니다. 1세대 THS에서 6500rpm으로 제한되던 MG2의 최대 회전속도는 HSD에서 12,400rpm으로 크게 올라갔으며 전체 시스템은 20Kg가량 경량화가 되었습니다. 두 번째 장점은 MG2의 토크가 약 2.5배가량 증폭되어 전달되기 때문에 PSD의 링기어가 바퀴를 구동하는 감속비를 줄일 수 있다는 점 입니다. 앞에서 1세대 THS의 경우 42mph가 되면 MG1의 회전수가 한계를 벗어나지 않도록 엔진이 켜질 필요가 있다고 했는데 감속비가 줄어들면 이 한계속가 줄어든 감속비에 반비례 관계로 높아집니다.

위의 그림은 THS II(좌측)와 HSD(우측)의 외형 차이를 보여주는 사진인데 PSD의 링기어가 체인을 통해 감속기와 연결되던 부분이 기어로 직결되도록 변경된 점과 MG2의 크기가 줄어든 부분이 눈에 띕니다. 체인을 기어로 대체하고 고회전 사용을 통해 MG2의 크기를 줄임으로서 시스템의 소형화를 달성했습니다.

지금까지 소개한 THS부터 HSD까지의 시스템은 MG1과 MG2가 같은 축상에 위치하고 있습니다만 4세대 프리우스에 탑재된 4세대 HSD는 엔진 탑재의 용이성을 높이기 위해 시스템의 폭을 줄일 필요가 있어 MG1과 MG2의 회전축을 분리했는데 이 글의 맨 처음에 등장한 사진에서 변경 사항을 확인할 수 있습니다. 제가 설명한 부분 이외에도 렉서스 차량들의 후륜 구동 지원과 RAV 4 하이브리드 등에 탑재되는 전자식 4륜 구동시스템인 E-Four 등의 지원을 위해 많은 개량이 있었는데 이번 글은 토요타 하이브리드 시스템의 기본적인 동작을 이해하는 것이 목적이라 다루지 않습니다. 최근에 출시된 렉서스 LC500h에 관심을 갖고 있는데 기회가 된다면 다음글에서는 LC 500h에 탑재된 Multi-stage Hybrid 시스템에 대해서도 다뤄보고 싶습니다.

 

References

[1] “Development of Traction Drive Motors for the Toyota Hybrid System”, IEEJ Transactions on Industry Applications, 2006