미국의 조사회사인 The Freedonia Group에 따르면, 세계적으로 하이브리드 전기자동차 수요는 2015년까지 400만대에 도달할 전망이다. 현재 일반적인 승용차와 비교하여 하이브리드 전기자동차의 가격은 2,000달러에서 4,000달러이상 높지만, 앞으로 생산량의 증가에 따라 그 차이는 크게 줄어들 것으로 예상된다.
하이브리드 전기자동차(hybrid electric vehicle, HEV)는 종래의 자동차에 비해 엔진 작동의 최적화와 제동 시 운동 에너지를 회수하므로 연료효율이 높다. 플러그인 하이브리드 전기자동차(Plug-in Hybrid Electric Vehicles, PHEV)는 전기 전용 모드에서 전기만으로 최대 30~60 km까지 주행할 수 있다. PHEV는 가정용 전원으로 전지를 충전할 수 있는 하이브리드 자동차의 진화된 버전이다. 이 때 사용되는 전원은 풍력이나 태양광 에너지와 같은 재생 에너지와 원자력 등을 이용하게 된다. 연료전지 자동차(Fuel Cell Vehicle, FCV)는 수소를 연료로 사용하여 전기를 생산하므로 근본적으로 배기가스가 없다. 연료전지 자동차는 전력 계통(V2G)에 연결하면 정전 시 비상 전력 백업을 위해 전기를 공급할 수 있다. 그러나 수소의 생산과 저장, 연료전지의 기술적인 한계로 인하여 아직은 대중적으로 이용할 수 없는 단계다. 따라서 하이브리드 자동차가 수년 내에 공급이 더욱 확대될 가능성이 있다. 하이브리드 기술은 거의 모든 종류의 자동차 연료와 엔진에 사용할 수 있으므로 중간기술이라고 보기는 어렵다.
하이브리드 전기자동차와 연료전지 자동차에서는 전기기기, 전력 컨버터, 배터리, 울트라커패시터, 센서, 마이크로컨트롤러 등과 같은 전기 부품들이 많이 사용된다. 이들 전장 부품이나 서브시스템의 전자화가 진행되고 있는 한편에서는 재래식 내연기관(ICE)과 기구 시스템 및 유압 시스템도 여전히 사용되고 있다. 이와 관련하여 제기되고 있는 과제로는 전력 컨버터, 전동기와 에너지 저장장치, 전력 관리, 파워트레인 시스템의 모델링 및 시뮬레이션, 하이브리드 제어 이론과 차량 제어의 최적화 등과 같은 첨단 파워트레인 부품의 설계를 들 수 있다.

왜 미래형 자동차인가?

내연기관이 탑재된 자동차의 역사는 100년이 넘었다. 세계 인구의 증가로 승용차에 대한 수요가 10여 년 전부터 폭발적으로 증가해왔다. 이런 증가 추세는 중국, 인도, 멕시코 등 개발도상국에서 더욱 가파르게 나타나고 있다. 이에 따라 기름도 그 수요가 급격히 증가하는 추세이며, 아울러 배기가스 문제가 심각하게 대두되고 있다. 온실효과로 인한 지구온난화 문제와 에너지 위기로 세계 곳곳에서 긴장이 고조되고 있다.
각국의 정부기관들이 연비와 배기가스에 대해 보다 엄격한 표준을 개발해 왔다. 그럼에도 불구하고 내연기관 기술은 지난 100여 년에 걸쳐 성숙해 왔고 앞으로도 자동차 전자기술의 도움으로 꾸준히 발전하겠지만, 주로 연비의 현저한 향상과 배기가스 감축이라는 선택적 진화의 방식에 주로 의존할 것으로 전망된다.
배터리로 구동하는 전기자동차는 에너지 위기와 지구온난화에 대처하는 하나의 방법이다. 그러나 높은 초기 비용과 짧은 주행거리, 긴 충전시간과 승차인원 및 화물 탑재 공간의 감소는 배터리 구동 전기자동차의 한계로 지적되고 있다.
하이브리드 전기자동차는 내연기관 자동차와 순수한 배터리 구동 전기자동차의 단점을 극복하기 위해 개발되었다. 하이브리드 전기자동차는 탑재된 내연기관을 이용하여 가솔린이나 디젤을 기계적 에너지로 변환하여 전동기(직렬식 하이브리드 전기자동차)를 구동하거나 전동기와 함께 바퀴(병렬식 또는 복합 하이브리드 전기자동차)를 구동한다.
탑재된 전동기는 내연기관의 효율을 최적화하고 제동 시 또는 내리막길에서의 운동 에너지를 회생하는 장치로 사용된다. 내연기관은 자동차가 정지하거나 또는 자동차의 속력이 미리 설정한 값보다 느려지면 작동을 멈추고, 전동기가 자동차를 구동하는데 사용된다. 내연기관의 동작은 엔진의 속도와 토크를 조정함으로써 최적화된다. 엔진이 운전자의 요구를 초과하는 동력을 발생하면 전동기는 여분의 동력을 배터리 충전에 사용하거나, 반대로 운전자가 필요로 하는 동력을 공급하지 못할 때에는 배터리의 동력을 이용하여 구동을 지원한다.
내연기관의 최적 운전으로 인하여 자동차의 정비에 있어서 오일 교환, 배기 장치의 정비와 제동 장치의 교환 등이 획기적으로 감소된다. 또 탑재된 전동기는 브레이크 잠김 방지 장치(Anti-lock Braking, ABS)와 차체 안정성 제어(Vehicle Stability Control, VSC)와 같은 차량 제어에 대한 유연성과 제어성을 제공한다.
연료전지 자동차는 수소로부터 전기를 생산하기 위해 연료전지를 사용한다. 전기는 자동차를 구동하는데 사용되거나 또는 배터리 팩이나 울트라커패시터와 같은 에너지 저장장치에  저장된다. 연료전지가 화학반응으로 전기를 생성하면 이것은 연료를 태우는 것이 아니므로 오염 물질이 발생하지 않는다. 수소 연료전지의 경우 부산물은 물이다. 연료전지 자동차는 정숙 운전이 가능하며 승차감이 좋다.
하이브리드 전기자동차는 많은 장점이 있으나 역시 한계가 있다. 즉 전동기, 에너지 저장장치, 전력 컨버터 등으로 인해 비용이 상승하며 자동차 정비공장에 전기기술자가 없어서 발생하는 신뢰성 및 품질보증과 관련된 문제, 고전압으로 인한 안전문제, 전기 파워트레인 시스템에서 고주파, 고전류 스위칭으로 인한 전자파 간섭 문제 등이 발생한다.
연료전지 자동차와 관련된 과제로는 연료전지의 고비용, 수소저장, 수소의 생산 및 운반, 연료전지의 수명 등의 문제가 포함된다. 표 1은 전기자동차, 하이브리드 전기자동차, 연료전지 자동차의 주요 특징을 비교한 것이다.
미래형 자동차의 기술 배경

전체적으로 전기자동차의 기술철학은 본질적으로 자동차기술과 전기기술의 결합이다. 따라서 시스템 통합과 최적화는 합리적인 비용으로 전기자동차의 좋은 성능을 달성하기 위한 가장 중요한 고려사항이다. 전기 구동의 특징은 근본적으로 내연기관 구동과는 다르므로 독창적인 설계가 전기자동차에는 필수적이다. 더욱이 첨단 에너지원과 지능적인 에너지 관리는 내연기관 자동차와 경쟁하는 전기자동차에는 핵심 요소이다.
현대의 전기자동차 설계에는 자동차공학, 전기공학, 전자공학, 화학공학의 최신 기술이 포함되어야 한다. 전기자동차에 특히 적합한 독특한 설계와 특별한 제조기술도 역시 필요하다. 그리고 에너지 사용의 최적화에 모든 노력이 경주되어야 한다.
전기자동차의 기술원리는 전동기, 전력전자 컨버터, 컨트롤러, 배터리 또는 다른 에너지 저장장치, 에너지 관리 시스템을 포함하는 전기기술과 자동차기술의 ‘결합’이라고 말할 수 있다. 여기서 결합이란 단어는 최대의 에너지 효율과 최소의 배기가스 상태에서 필요한 주행 성능을 달성하기 위해 조화롭게 대처하고 최선으로 수행하는 것을 의미한다.
하이브리드 전기자동차의 기술철학은 1 더하기 1은 2보다 크다는 개념을 도입한다. 즉, 엔진 구동과 전동기 구동의 통합으로 얻어지는 더한 값은 전기, 전자, 제어기술의 장점과 유연성을 완벽하게 이해하고 에너지 효율 향상, 배기가스 감축은 물론 정숙운전과 안전성도 향상시킬 것이라는 것을 의미한다. 하이브리드 전기자동차에서는 제일의 핵심기술은 제어 알고리즘과 최적화이다.
연료전지 자동차의 기술철학은 자동차기술, 전기기술 및 연료전지 기술의 통합이다. 연료전지는 가솔린과 배터리와는 다른 새로운 에너지 장치이므로 전체적인 연료전지 시스템은 합리적인 비용에 효율적이고 신뢰성이 있으며 내구성이 있어야 한다. 리튬이온 배터리나 울트라커패시터와 같은 파워 밀도가 높은 장치들을 함께 사용함으로써 자동차의 시동성을 높일 수 있다. 전기 추진 시스템과 연료전지 시스템은 최대 에너지 효율과 최소 배기가스 상태에서 요구되는 운전성을 얻을 수 있도록 잘 대처해야 한다.

미래형 자동차의 구조

하이브리드 전기자동차는 내연기관과 전동기/발전기를 직렬 또는 병렬로 구성하여 추진력을 얻는 자동차다. 내연기관은 주행거리를 연장시켜 준다. 반면에 전동기는 제동 시에 에너지를 회생하고 비탈길을 내려갈 때는 내연기관으로부터의 잉여 에너지를 저장함으로써 효율과 연비를 향상시켜준다. 이러한 파워트레인의 설계와 제어에는 지능형 제어 알고리즘과 전력관리 전략의 모델링과 시뮬레이션이 포함되는데, 이것은 어떤 주어진 구동 조건에 대해서도 동작 파라미터를 최적화하기 위해서다.
전통적으로 하이브리드 전기자동차에는 직렬식과 병렬식이라는 2가지 기본 범주가 있다. 직렬식 하이브리드 자동차에서, 내연기관의 기계적인 동력은 먼저 발전기에 의해 전기로 변환된다. 변환된 전기는 배터리를 충전하거나 배터리를 바이패스하여 전동기를 통해 바퀴를 돌린다. 전동기는 또한 제동 시에 에너지를 포획하는 데에 사용된다. 반면에 병렬식 하이브리드 자동차는 내연기관과, 클러치를 경유하여 바퀴의 최종 구동축에 연결된 전동기를 가지고 있다. 이 구조는 내연기관과 전동기가 동력을 복합 모드, 내연기관만의 모드 또는 전동기만의 모드에서 바퀴를 구동할 수 있게 해준다. 또한 전동기는 회생 제동과 내리막길 주행 동안의 내연기관의 잉여 에너지를 포획하기 위해 사용된다. 최근에는 파워 성능과 연비를 향상시키기 위해 직병렬식 및 복합식 하이브리드 자동차들이 개발되고 있다.

직렬식 하이브리드
직렬식 하이브리드 전기자동차에서 내연기관의 기계적 출력은 먼저 발전기에 의해 전기로 변환된다. 변환된 전기는 배터리를 충전하거나 배터리를 바이패스하여 같은 전동기와 기계식 변속기를 통해 바퀴를 구동한다. 개념적으로 이것은 내연기관이 지원하는 전기자동차이며 목적은 종래의 자동차와 견줄 만큼 운행 구간을 연장하기 위한 것이다. 엔진과 구동 바퀴 사이의 내연기관 발전기 세트를 설치하는 데에 유연성을 갖는다는 장점이 있다. 이 모델은 구동장치의 단순성이라는 이점도 역시 있지만 내연기관, 발전기, 전동기 등 3가지 구동장치를 필요로 한다. 따라서 직렬식 하이브리드 자동차의 효율성은 일반적으로 낮다. 또 다른 단점은 이 모든 추진 장치들이 긴 비탈길을 오르도록 설계되면 최대 유지 동력을 갖도록 정격을 높여서 설계할 필요가 있다. 반면에 출퇴근 혹은 쇼핑과 같은 단거리 운행을 위한 것이라면 상당하는 내연기관 발전기는 더 작은 정격이라도 무난하다.
직렬식 하이브리드 전기자동차는 ① 배터리 단독 모드: 엔진은 정지하고 자동차는 배터리만으로 구동  ② 엔진 단독 모드: 내연기관/발전기로 구동  ③ 결합 모드: 내연기관/발전기 세트와 배터리가 트랙션 모터에 동력을 공급  ④ 동력 분할 모드: 내연기관/발전기 동력 분할로 차량을 구동하고 배터리를 충전  ⑤ 정적 충전 모드 ⑥ 회생 제동 모드 등 각각 다른 6가지 운전 모드를 갖는다.

병렬식 하이브리드
직렬식 하이브리드 자동차와는 달리 병렬식 하이브리드 자동차는 내연기관과 전동기가 바퀴를 구동할 수 있게 병렬로 동력을 전달한다. 내연기관과 전동기는 일반적으로 2개의 클러치를 통해 바퀴의 구동축에 연결되므로, 추진력은 내연기관 단독이나 전동기 단독 또는 양측 모두에 의해 공급된다. 이것은 본질적으로 보다 낮은 배기가스와 연료 소비를 위하여 전기적으로 지원을 받는 내연기관 자동차다. 전동기는 회생 제동에 의해, 또는 내연기관의 출력이 바퀴를 구동하는데 필요한 동력보다 클 때 내연기관으로부터 동력을 흡수함으로써 배터리를 충전하는 발전기로 사용할 수 있다. 직렬식 하이브리드 전기자동차보다 더 우수한 병렬식 하이브리드 전기자동차에는 내연기관과 전동기 등 2가지 추진 장치만이 필요하다. 직렬식에 비해 또 다른 장점으로는 보다 작은 내연기관과 전동기로 배터리가 소진될 때까지 동일한 성능을 유지한다는 것이다. 장시간 운행에서도 내연기관만 최대 유지 동력에 맞게 정격을 정하여야 할 뿐, 전동기는 여전히 절반의 정격이면 된다. 병렬식 하이브리드는 ① 전동기 단독 모드: 엔진은 정지되고 차량은 전동기로 구동  ② 엔진 단독 모드: 차량은 엔진 단독으로 추진  ③ 결합 모드: 내연기관과 전동기 양측이 차량의 구동을 위하여 동력을 전달  ④ 동력 분할 모드: 내연기관 동력이 차량의 운행과 배터리의 충전 등에 분할되는 경우  ⑤ 정상적인 충전 모드  ⑥ 회생 제동 모드(하이브리드 제동 모드 포함) 등의 각각 다른 동작 모드를 갖는다.
직병렬식 하이브리드
직병렬식 하이브리드 자동차에서 그 구성은 직렬식과 병렬식 전기자동차의 장점을 모두 활용한 형식으로, 직렬식 하이브리드와 비교할 때 기계적인 연결이 추가되고 또한 병렬식 하이브리드와 비교할 때 발전기가 추가된다. 직병렬식 하이브리드 자동차는 직렬식과 병렬식 하이브리드 자동차의 장점을 모두 갖추고 있지만, 반면에 상대적으로 복잡하고 비용도 많이 든다. 그렇지만 제어 및 제조기술의 발전으로 현대의 몇몇 하이브리드 자동차는 이 시스템 채용이 선호되고 있다.

복합식 하이브리드
명칭에서 알 수 있듯이 이 시스템은 위의 3가지 시스템으로 분류될 수 없는 복잡한 구조가 들어있다. 이 복잡한 하이브리드는 발전기와 전동기가 모두 전기 기기이므로 직병렬식 하이브리드와 유사하다. 그러나 주요 차이점은 복합식 하이브리드에서 전동기의 동력 흐름은 양방향인데 반해 직병렬식 하이브리드의 경우에는 발전기의 동력 흐름이 단방향이라는 것이다. 이 양방향 동력 흐름으로 다양한 동작 모드, 특히 3개의 추진력(내연기관과 2개의 전동기) 운전 모드가 가능한 데, 이것은 직병렬식 하이브리드로는 불가능하다. 직병렬식 하이브리드처럼 복합식 하이브리드도 고도의 복잡성과 고비용이라는 공통점이 있지만 몇몇 새로 출시되는 하이브리드 자동차들은 이중-차축 추진을 위해 이 시스템을 채용하고 있다.

중량 하이브리드
운반용으로 통상 사용되는 자동차는, 특수한 자동차의 하나로 보통은 중량 자동차라고 한다. 이 자동차가 하이브리드화한 경우에 이를 중량 하이브리드라고 한다. 중량 하이브리드는 직렬식 또는 병렬식 하이브리드이며 가솔린이나 디젤로 운행된다.

연료전지 자동차
연료전지 자동차는 직렬식 하이브리드 자동차로 생각할 수 있다. 탑재한 연료전지에서 생성된 전기는 추진 모터에 동력을 공급하거나 탑재되어 있는 배터리에 축전되어 앞으로의 사용에 대비한다.

미래형 자동차의 개발 현황

주요 자동차 메이커들은 여러 가지 하이브리드 자동차를 개발해 왔다. 현재 적용할 수 있는 모델로는 승용차, SUV, 화물 트럭, 이동식 버스와 라인홀 트럭(터미널간 화물운송 트럭) 등이 있다.
전동기의 전력 수준과 기능에 따라 하이브리드 자동차는 다음의 범주로 분류할 수 있다.

① 마이크로 하이브리드: 세단 마이크로 하이브리드용으로 대표적인 전동기 전력은 12 V에서 2.5 kW이다. 재래식 내연기관 자동차에서 기본적으로 스타터와 발전기는 일체화되어 있다. 전동기의 주된 기능은 출발과 정지이며, 주로 축적되는 에너지는 출발과 정지를 위해 전동기를 사용하는 데에 기인한다. 도시에서 출발과 정지가 빈번한 경우, 에너지 절약은 약 5%에서 10% 정도이다. 마이크로 하이브리드의 가격은 모터가 소형이고 구조가 간단하므로 재래식 자동차보다 약 2%내지 3%정도 비싸다. 시중에는 발레오 모터 시스템을 사용하는 마이크로 하이브리드로 C3 시트로엥이 있다.
② 마일드 하이브리드: 세단 마일드 하이브리드용으로 대표적인 전동기의 전력은 약 100~200 V에서 약 10~20 kW이다. 이 경우에 전동기는 플랫형으로 설계되며 엔진과 직접 결합한다. 전동기의 직경 대 길이 비가 높아서 엔진에서 원래의 플라이휠을 제거할 수 있을 정도로 높은 관성을 갖는다. 전동기는 병렬식 하이브리드 구조에서처럼 추진에 사용될 수 있다. 도시에서는 20%내지 30%의 에너지가 절약되지만 자동차의 가격 역시 20~30% 상승한다. 모델로는 혼다의 시빅과 인사이트 모델이 있다.
③ 풀 하이브리드: 풀 세단 하이브리드용으로 대표적인 전동기 전력은 200~300 V에서 약 50 kW이다. 정상적인 구성에서 전동기, 발전기, 엔진은 직병렬 또는 복합 하이브리드 구조로 되어있다. 유성 기어(planetary gear)와 같은 동력분리장치 덕분에 엔진, 전동기, 발전기, 배터리 간의 동력 흐름이 유연해져서 최대 에너지 효율과 최소 배기가스 상태에서 운전 성능을 최적화 할 수 있다. 추진력은 전동기 단독(시동과 정지용), 엔진 단독(최적 운전 영역에서 엔진을 순조롭게 운전) 또는 전동기와 엔진의 결합(필요한 추진력은 엔진의 최적 동력 범위보다 낮을 때 돌발적인 가속이나 정상적인 운행은 엔진이 배터리를 충전하기 위하여 발전기를 가동하고 따라서 엔진은 최적 운전 영역에 도달하기 위하여 필요한 추진력보다 더 높은 힘을 제공한다)으로 발생할 수 있다. 대표적으로 시내를 운행하는 풀 하이브리드 차량은 약 30~50%의 에너지를 절감할 수 있으나 비용은 약 30~40% 증가한다. 풀 하이브리드 자동차를 더 세분하면 시너지 하이브리드와 파워 하이브리드로 분류할 수 있다. 시너지 하이브리드는 운전 성능, 에너지 효율 및 배기가스 감축을 절충하여 효과를 거둔다. 이 하위범주에서 엔진은 토요타의 프리어스처럼 종래의 자동차에 비해 다운사이징되어 있다. 파워 하이브리드는 향상된 운전 성능을 얻는 데에 초점을 두고 있어 엔진은 다운사이징을 하지 않으며, 도요타의 하이랜더에서처럼 종래의 자동차에 비해 주행 성능이 좋아졌다.