획기적인 멀티 스테이지 하이브리드 시스템

렉서스가 최근 선보인 멀티 스테이지 하이브리드 시스템(Multi-stage Hybrid System)은, 하이브리드 시스템+유단기어 조합을 의미한다. 최대 엔진회전수가 기존 6000rpm에서 6600rpm으로 올라갔고, 엔진과 모터가 만드는 출력을 제어할 수 있어 하이브리드 시스템 전체의 구동력이 증가하게 됐다. 또 직결감 있는 가속과 최종적으로 10단 모의 변속에 의한 리듬감 있는 주행을 완성했다.

렉서스 멀티 스테이지 하이브리드 시스템을 이해하기 위해서는, 렉서스 하이브리드 시스템(LHS)의 기반인 토요타 하이브리드 시너지 드라이브(Hybrid Synergy Drive)를 먼저 살펴볼 필요가 있다. 기본적으로 모든 HSD에는 동력원인 내연기관과 두 개의 모터-발전기(Motor Generator)가 있다. 이 모터-발전기를 각각 MG1과 MG2로 부른다.

MG1은 처음 엔진을 깨울 때, 즉 시동을 걸 때와 모터만으로 주행을 위한 배터리충전용 발전기로 작동한다. 이와 달리 59마력을 내는 MG2는, 주행을 위한 힘을 만드는 일이 주요 역할이다. 또한 회생제동 시 배터리충전도 겸한다. 둘 모두 단순히 모터가 아니라 발전기 역할을 같이 해내는 것.

그리고 이들 사이에는 힘 크기와 방향, 속도를 조절하는 동력배분기구(Power Split Device)가 있다. 사실 HSD는 일반 자동차처럼 출력(엔진)-변속기-바퀴로 직접 연결되는 구조가 아니다. 서로 PSD를 통해 이어진다. 예를 들어, 엔진 힘은 바퀴를 굴리는데 주로 쓰지만 MG1으로 넘어가 발전을 하기도 한다. 또 엔진과 MG2에서 나온 힘을 조합해 함께 바퀴를 굴려야 하는 경우도 있다. 더욱이 회생제동을 통한 충전을 위해서는 바퀴에서 들어온 힘으로 MG2를 돌려야 하므로 이를 중간에서 조절하는 PSD 역할이 중요하다.

토요타는 트랜스미션으로 e-CVT(electronic Continuously Transmission)를 쓴다. e-CVT는 우리가 아는 일반 무단변속기와는 다른 개념이다. 물론, 엔진과 모터 힘(토크)을 가장 효율적으로 사용하는 점은 같다. 다만 입력축과 출력축의 직경을 바꾸는 CVT와 달리, PSD 안에 있는 선 기어(MG1), 플래닛 기어(엔진)와 링 기어(MG2 및 바퀴 출력축)가 서로 어떻게 맞물리냐에 따라 동력 방향은 물론 힘 크기 및 차의 속도를 결정한다.

멀티 스테이지 하이브리드 시스템은 기존 HSD 뒤에 바퀴로 동력을 전달하기 전, 4단 자동변속기를 추가한 것이다. 현재의 GS나 LS 등 뒷바퀴굴림 기반의 렉서스 하이브리드 모델에도 2단으로 구성된 감속기가 있었지만 이를 4단으로 넓힌 것이다. 때문에 바퀴 회전수와 하이브리드 구동계 사이에 더 넓은 간격이 생겼고, 같은 MG1 회전 한계 안에서 전기로 달릴 수 있는 속도한계가 시속 약 140km까지 올라갔다. 모터가 움직이는 시간이 늘수록 당연히 효율도 더 좋아진다.

그리고 이들 사이에는 힘 크기와 방향, 속도를 조절하는 동력배분기구(Power Split Device)가 있다. 사실 HSD는 일반 자동차처럼 출력(엔진)-변속기-바퀴로 직접 연결되는 구조가 아니다. 서로 PSD를 통해 이어진다. 예를 들어, 엔진 힘은 바퀴를 굴리는데 주로 쓰지만 MG1으로 넘어가 발전을 하기도 한다. 또 엔진과 MG2에서 나온 힘을 조합해 함께 바퀴를 굴려야 하는 경우도 있다. 더욱이 회생제동을 통한 충전을 위해서는 바퀴에서 들어온 힘으로 MG2를 돌려야 하므로 이를 중간에서 조절하는 PSD 역할이 중요하다.

토요타는 트랜스미션으로 e-CVT(electronic Continuously Transmission)를 쓴다. e-CVT는 우리가 아는 일반 무단변속기와는 다른 개념이다. 물론, 엔진과 모터 힘(토크)을 가장 효율적으로 사용하는 점은 같다. 다만 입력축과 출력축의 직경을 바꾸는 CVT와 달리, PSD 안에 있는 선 기어(MG1), 플래닛 기어(엔진)와 링 기어(MG2 및 바퀴 출력축)가 서로 어떻게 맞물리냐에 따라 동력 방향은 물론 힘 크기 및 차의 속도를 결정한다.

멀티 스테이지 하이브리드 시스템은 기존 HSD 뒤에 바퀴로 동력을 전달하기 전, 4단 자동변속기를 추가한 것이다. 현재의 GS나 LS 등 뒷바퀴굴림 기반의 렉서스 하이브리드 모델에도 2단으로 구성된 감속기가 있었지만 이를 4단으로 넓힌 것이다. 때문에 바퀴 회전수와 하이브리드 구동계 사이에 더 넓은 간격이 생겼고, 같은 MG1 회전 한계 안에서 전기로 달릴 수 있는 속도한계가 시속 약 140km까지 올라갔다. 모터가 움직이는 시간이 늘수록 당연히 효율도 더 좋아진다.

그리고 CVT의 단점인 순간적인 파워 단절 현상도 사라졌다. 엔진과 MG2의 힘도 더 키우거나 회전수를 낮출 수 있어 가속성능에도 유리하다. 일반적인 상황에서는 CVT처럼 움직여 높은 효율을 발휘하고, M 모드를 선택하면 HSD와 4단 변속기에 미리 지정된 가상의 10단 기어를 사용한다. PSD에서 3단을 만들고 이를 4단 변속기의 1~3단과 맞물려 9단 기어가 된다. 그리고 마지막 4단이 10단 역할을 한다. 이를 통해 엔진 토크는 최대 24% 높아진 효과를 낸다. 구형에서는 엔진회전수 6000rpm에서 시속 120km였지만, 지금은 더 높은 회전수인 6600rpm에서 시속 150km를 낸다. 한편, 추가로 4단 변속기가 들어간 셈이니 차 전체무게는 늘어난다. 하지만 이는 배터리를 리튬이온으로 바꾸며 20%를 줄인 것으로 해결했다. 멀티스테이지 하이브리드 시스템은 렉서스 LC500h 및 LS에도 올라간다.

안정환

<오토카코리아> 에디터