자동차 지식/정보 - 현대 하이브리드 배터리 HSG HPCU 원리

현대차 기아차 YF쏘나타 하이브리드의 배터리 HSG HPCU 역할과 원리의 이해

 

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자동차 지식/정보 - 하이브리드에 쓰이는 앳킨슨 엔진이란?

 

"하이브리드차는 납축전지로 시동을 걸지 않는다."

지난 번 참관한 현대차 R&D 모터쇼에서 다양한 미래 기술들을 접하며 국산 자동차 브랜드의 밝은 미래와 다양한 신기술을 배울 수 있었다. 그 중 쏘나타HEV의 오너로써 토요타의 특허를 피해 독자적으로 개발한 현대의 하이브리드 방식에 가장 큰 관심이 갔다. 

현대차 하이브리드 차량 내 2가지 배터리(리튬폴리머, 시동배터리), HSG(Hybrid Starter Generater), HPCU(Hybrid Power Control Unit) 등의 역할과 원리, 그리고 일반 가솔린 자동차와 차이점에 대해서 알게된 부분들을 작성해본다.

 

 

1. 시동배터리, HGS, HPCU

하이브리드 차량은 전기 모터와 엔진이 각각 효율적인 구간을 담당, 협업하여 효율을 높이는 시스템이다. 쉽게 말해 즉각 최대토크가 나오는 모터는 저속운행, 가속을 돕고 엔진은 중고속 항속시 남는 힘을 배터리에 비축한다. 그리고 제동시에 회수되는 에너지도 포함된다.

 

그렇다면 하이브리드 자동차는 시동배터리(납축전지)가 필요없을까? 그렇지 않다. 차량 구동을 위한 리튬배터리와 납축전지는 각각의 역할이 배분되어있다.

먼저 쏘나타 하이브리드 시동배터리 부분을 보면 위 사진처럼 (-)단자 근처에 IBS 센서가 없다.

 

YF 하이브리드 엔진룸 구조, 엔진룸에는 시동배터리 충전을 위한 알터네이터(발전기)도 없다.

 

IBS(지능형배터리센서)의 역할은 시동배터리의 잔량을 확인하여, 알터네이터의 작동을 조절하고 이를 통해서 알터네이터와 시동배터리의 수명 그리고 소폭의 연비향상에 기여하는 부품이다.

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이러한 센서의 역할 때문에 일반 차량들의 경우 순정 배터리 용량이 60이라면 이를 80이나 90으로 업그레이드 하여도 센서가 60으로 인식해 주행 중 60까지만 충전이 된다. 수입차의 경우는 ECU 셋팅의 변경으로 가능하거나, 일부 국산차 오너들은 IBS센서까지 더 큰 용량으로 업그레이드 하는 경우도 있다.

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그렇다면 YF 쏘나타 하이브리드(현대기아차 하이브리드)에 IBS센서가 없는 이유가 무엇일까? 현대 기아 하이브리드는 2종류의 배터리를 사용한다. 하나는 일반 차량과 같은 납축 시동배터리이며 나머지 하나는 270V 정격전압 하이브리드 전용 리튬폴리머 배터리다.

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​"하이브리드 각 기관의 작동원리"

① 납축전지의 역할은 각종 제어기(ECU, HPCU 등), 오디오, 등화류, 도어록, 썬루프 등에 사용된다.

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② 엔진 시동은 납축전지가 아닌 리튬전지의 도움을 받아 HSG(스타트모터+알터네이터 역할)가 담당한다.

 

③ 역으로 리튬배터리 전력이 부족하면 엔진의 힘으로 HSG(스타트모터+알터네이터 역할)가 회전하며 알터네이터 처럼 발전기로 작동하여 리튬전지를 충전한다.

 

④ 리튬배터리는 히터의 온수 공급을 위한 펌프, 에어컨 컴프레셔, 자동변속기 오일펌프, 브레이크의 유압을 만드는데도 사용된다.

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⑤ HSG를 구동하고 제어하는 것은 HPCU가 담당을 하는데, ①에서 설명한 바와 같이 HPCU는 납축전지로부터 전력을 얻는다. 따라서 납축전지가 방전되면 하이브리드 차량도 시동이 불가하다.

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⑥ HPCU 내부에 LDC(DC-DC 컨버터)가 존재하는데, 이를 통해서 리튬전지의 270V를 변환하여 납축전지(시동배터리)를 충전시킨다.

 

⑦ 따라서 저속 혹은 정차 중 엔진 작동 조건은 [엔진 온도]와 [리튬전지의 충전량] 두 가지이며, [납축전지 충전량]은 엔진 시동 조건에 고려되지 않는다. 시동 중에는 엔진이 돌지 않아도 리튬전지가 납축전지를 충전한다.

 

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2. 하이브리드 작동 로직

A. 첫 시동 후 저속주행(모터로만 주행)

첫 시동 후 에너지 흐름도 상황

① 시동배터리의 전력을 통해서 HPCU 가동

② HPCU가 리튬전지를 제어함

③ 리튬전지는 시동배터리를 충전하는 동시에 변속기 내부의 구동모터에 전력 공급

④ 구동모터는 차량의 바퀴를 움직임

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B. 가속 혹은 경사로 등판 시

가속을 시작하여 엔진과 모터 함께 작동하는 상황

A 상태의 작동은 유지됨

① 리튬전지가 HSG에 전력을 공급

② HSG가 엔진을 스타트(일반 내연기관 차량의 스타터모터 역할)

③ 엔진이 바퀴를 함께 움직임

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C. 정속 주행 시

정속 주행으로 엔진이 구동과 발전을 병행하는 상황

HPCU와 시동배터리는 동일하게 역할

① 엔진의 구동력을 통해서 HSG 회전(내연기관 차량의 알터네이터 발전기 역할)

② HSG로 발전된 전력으로 리튬전지 충전

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D. 악셀 오프 시

악셀 OFF로 관성을 통한 회생제동과 엔진의 발전이 동시에 이루어지는 상황

앞서 C의 작동은 유지됨(엔진→HSG→리튬전지)

① 차량의 타력(관성)으로 구동모터의 회전(역토크 발생)

② 구동모터의 회전으로 인해 회생제동

 

E. 엔진 정지 후 회생제동 단독 작동

엔진 정지 후 회생제동만 이루어지는 상황

앞서 D의 작동은 유지됨(바퀴→구동모터→리튬전지)

엔진과 HSG 작동 중지

 

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하이브리드 차량을 운행하는 개인으로써 다양한 루트의 정보 수집과 참고를 통해 기술한 내용이며, 오류나 잘못된 정보는 지적 바랍니다.

 

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