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렉서스 멀티 스테이지 하이브리드 시스템
2017년 11월 29일 (수) 09:50:57 이동희(자동차 칼럼니스트, 컨설턴트) c2@iautocar.co.kr
   
 

최근 국내 판매를 시작한 렉서스 LC500은 여러 면에서 의미가 큰 모델이다. 등급과 보디 형태에 따라 이름을 붙이는 전통에 따라 LC는 럭셔리 쿠페(Luxury Coupe)를 뜻하는 것으로 본격적인 스포츠카라기보다 GT에 가까운 차다. 때문에 새로 나올 LS 세단과도 그 기반을 같이 한다. 독일 프리미엄 브랜드 3사 중에서도 벤츠만이 가지고 있는 S클래스 쿠페와 결이 같다고 볼 수 있다. 새 LC는 여러 면에서 고전적이다. 여러 승용차와 스포츠카에 AWD가 많이 쓰이는 것과 달리, 글로벌 아키텍처-럭셔리(GA-L)로 불리는 새로운 뒷바퀴굴림 플랫폼이 그렇다. 대배기량 엔진에도 터보를 쓰는 것이 유행이지만 LC500에는 V8 자연흡기 엔진이 달린 점도 고전적이다. 


렉서스는 프리미엄 브랜드 중에서 유일하게 하이브리드 모델에 집중해왔다. 1997년 토요타 프리우스부터 시작해 20년이 된 토요타 하이브리드 기술 중에서도 가장 발전된 형태가 쓰였다. LC500h에는 기존의 GS나 구형 LS 모델에 쓰인 뒷바퀴굴림 기반의 시스템에 4단 자동변속기를 더한, 멀티 스테이지 하이브리드 시스템을 썼다. 기존보다 더 넓은 영역에서 다양한 주행 환경에 대응한다. 

 

동력 배분 기구와 4단 변속기 조합으로 최적 성능 발휘
이를 이해하기 위해서는 우선 렉서스 하이브리드 시스템(LHS)의 기반이 된 토요타의 HSD(Hybrid Synergy Drive)를 먼저 알아야 한다. 기본적으로 모든 HSD에는 동력원으로 사용되는 내연기관, 두 개의 모터/발전기(Motor Generator)가 있다. 이 모터/발전기는 각각 MG1/MG2로 불리는데, MG1은 처음 엔진의 시동과 모터로 주행 중 필요할 때 배터리 충전을 위한 발전기로 작동한다. 59마력을 내는 MG2는 이와 달리 주행을 위한 힘을 만드는 것을 주 역할로 회생제동 시에 배터리 충전도 겸한다. 때문에 둘 다 단순히 모터가 아니라 발전기 역할도 맡는 것이다. 


그리고 이들 사이에서 힘의 크기와 방향, 속도를 조절하는 동력 배분 기구(Power Split Device)가 있다. 사실 HSD는 일반적인 자동차처럼 출력(엔진)-변속기-바퀴로 직접 이어지는 구조가 아니다. 서로 PSD를 통해 이어진다. 예를 들어 엔진의 힘은 직접 바퀴를 굴리는데 주로 사용되지만 MG1으로 넘어가 발전을 하기도 한다. 또 엔진과 MG2에서 나온 힘을 섞어 함께 바퀴를 굴려야 하는 경우도 있다. 더욱이 회생제동을 통한 충전을 위해서는 바퀴에서 들어온 힘으로 MG2를 돌려야 하므로 이를 중간에서 조절하는 PSD의 역할이 매우 크다. 


토요타는 변속기로 e-CVT(electronic Continuously Transmission)를 사용한다고 하지만 이는 일반적인 무단변속기(CVT)와는 전혀 다른 개념이면서도 장단점을 모두 갖고 있다. 엔진과 모터의 힘(토크)을 가장 효율적으로 사용한다는 장점은 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 동력의 방향은 물론 힘의 크기와 차의 속도를 결정한다. 

 

   
하이브리드 시스템에 유단 기어를 조합했다

멀티 스테이지 하이브리드 시스템은, 기존 HSD 뒤에 바퀴로 동력을 전달하기 전 4단 자동변속기를 추가한 것이다. 현재의 GS나 LS 등 뒷바퀴굴림 기반의 렉서스 하이브리드 자동차들에도 2단으로 구성된 감속기가 있었지만 이를 4단으로 확대한 것이다. 때문에 바퀴의 회전수와 하이브리드 구동계 사이에 더 넓은 간격이 생겼고, 같은 MG1 회전 한계 안에서 전기로 달릴 수 있는 속도 한계가 시속 약 140km까지 올라갔다. 모터 작동시간이 늘어날수록 당연히 효율도 더 좋아지게 된다. 


또한 CVT가 가진 단점이라고 할 수 있는 순간적인 파워 단절 현상도 커버할 수 있다. 엔진과 MG2의 힘도 더 키우거나 회전수를 낮출 수 있어 가속 성능도 유리하다. 일반적인 상황에서는 CVT처럼 움직여 가장 높은 효율을 발휘하지만, 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% 증가한 효과를 낸다. 구형에서는 엔진 속도가 6000rpm에서 시속 120km를 냈지만 지금은 더 높은 회전수인 6600rpm에서 시속 150km를 내 가속력이 크게 좋아졌다. 물론 추가로 4단 변속기가 들어간 셈이니 무게는 늘어난다. 하지만 배터리를 리튬-이온으로 바꾸며 20%를 줄인 것으로 해결했다. 이 멀티스테이지 하이브리드 시스템은 곧 출시 예정인 신형 LS 세단에도 사용된다. 

 

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