신장환 1. 주행거리 300 km vs. 500 km 2. 전기차파워트레인의잠재력 3. 전기차파워트레인의진화가가져올변화 2016. 12. 12
요약 전기차가일상생활용퍼스트카의위상을가지려면내연기관차에상응하는주행거리가필요하다. 출시가예정된르노의 Zoe, GM의 Bolt, 테슬라의모델3 등은한번충전에 300km 이상주행이가능한소형전기차다. 동급인닛산리프 2011년모델의공인주행거리 117km에비해주행거리가짧은기간에 3배가까이늘어났다. 전지성능의향상이전기차주행거리수직상승의견인차역할을했다. 또한자동차기업은전기차내부공간이허용하고차체설계하중이허락하는한최대한전지를많이탑재했다. 내연기관차의주행거리는 500km에서 600km 수준이다. 출시예정인전기차보다주행거리를두배가까이더늘려야도달할수있는수준이다. 전기차의주행거리를연장하는방법은세가지가있다. 연료탱크에해당하는전지팩저장용량을늘리거나, 차체무게를줄이거나, 동력을만들어바퀴로전달하는역할을하는파워트레인구동효율을높이는것이다. 이제까지의전기차의성능향상과주행거리연장을위한노력은주로전지팩용량을최대한으로키우고, 가벼운소재를적용하는데집중되었다. 주행거리연장을위해파워트레인은상대적으로관심을덜받아왔다. 그러나전지의성능향상속도가둔화되고있는상황에서파워트레인의구동효율개선에주목할필요가있다. 전기차파워트레인의핵심은전지, 모터, 그리고전기특성을제어하는파워일렉트로닉스다. 1우선전지셀이들어있는전지팩설계를개선하여파워트레인의구동효율을높이는시도가본격화되고있다. 닛산은전지팩의내부구조를개선하여공간과무게효율성을향상시킬계획이다. 테슬라는전지팩내부공간활용도를높임과동시에무게까지줄였다. 2고효율모터개발도본격적으로진행되고있다. GM은고속회전에적합한모터부하설계기반으로구리밀도를최대한으로높인코일을적용하여출력밀도를최적화했다. 테슬라는출력밀도개선을위해모터내부의열적안정성을최대한확보했다. 3전기차전용인버터와컨버터개발은물론운전자맞춤형알고리즘설계로파워일렉트로닉스효율을높이는사례도나오고있다. 독일의보쉬는파워트레인기술개발에앞장서고있다. 60kWh의전지팩을탑재한소형전기차에보쉬의파워트레인기술이적용되면이론적으로 500km 가까이주행이가능하다. 리튬이온전지의성능및에너지밀도향상에한계가보이고차세대전지가아직가시화되고있지않은상황에서파워트레인기술의발전은전기차가내연기관차와동등한수준의수송수단으로서안착하는데결정적역할을할것으로보인다. 파워트레인기술의진화는전기차기업간의경쟁방식에도변화를줄것이다. 자신이소유한내연기관차의정확한주행거리를알지못하는운전자가많은것처럼, 앞으로전기차기업간주행거리경쟁은큰의미가없어질수도있다. 한번충전으로 500Km 주행이가능한전기차는전지셀의발전만으로는어렵다. 전지셀의성능향상속도둔화로넉넉한주행거리, 친환경성, 그리고누구나쉽게접근할수있는대중성을갖춘전기차의등장에는시간이걸릴것이라는전망도있지만전지의발전에이어진파워트레인의진화는그런우려를불식해줄것으로기대된다. 전기차전용파워트레인의진화는전기차대중화시기를앞당길가능성이있다. 1
1. 주행거리 300 km vs. 500 km 전기차 1 시대가도래하고있다. 본격성장기에접어든전기차시장의성장세는일부국가의정책변화, 저유가등으로도꺾기가어려워졌다. 전기차독자생태계형성의도화선이될연간전기차생산백만대시대도눈앞에와있다. 2 글로벌전역에서치열한경쟁을펼치는자동차기업에게도전기차는더는선택이아닌필수영역이다. 테슬라모델3를향한소비자의높은관심은 GM, 닛산, 포드, 폭스바겐등자동차시장기존강자들의미래전략에도변화를주고있다. 각국도전기차시대로의전환을발빠르게준비하고있다. 가솔린자동차와디젤엔진을발명한 내연기관차의나라 인독일이 2030년이후내연기관엔진을탑재한자동차의생산및판매를금지하는법안을검토중이다. 이미전기차의비율이 20% 를넘는노르웨이와네덜란드는 2025년부터화석연료를사용하는자동차의판매금지가추진되고있다. 인도는 2020 년까지 700만대의저가전기차보급을목표로하고있다. 세계 1위의전기차국가인중국의 2020년 500만대보급목표보다더많은규모다. 2020년이되면전세계는신기후체제로본격진입할것으로보인다. 자동차연비, 온실가스배출량등을엄격히통제하는세상이불과몇년앞으로다가온것이다. 3 2016년파리모터쇼에서주목을받은차는현란한디자인의프리미엄자동차가아닌, 소박한디자인의소형전기차였다. 출시를앞둔르노의 Zoe, GM의 Bolt 등은한번충전에 300km 이상주행이가능하다. 보조금을고려하면가격도 3만달러수준으로동급내연기관차와큰차이가없다. 전기차는 100km 남짓만주행하면된다. 고주장하던닛산도 300km는거뜬히주행하는리프신모델을조만간출시할계획이다. 시장에등장한지 5~6년이라는짧은기간에주행거리가 3배정도늘어난것이다. 4 르노 Zoe( 상 ), GM Bolt( 하 ) (1) 300km 주행가능한전기차등장에는전지성능의진화가가장큰기여 GM 이 1996 년에시험적으로출시했던전기차 EV1 은납축전지를채용했었다. 전지팩 무게는 553kg 으로차체무게의절반가까이를차지했고, 한번충전으로주행가능한 거리는 90km 에불과했다. 10 여년이후등장한리튬이온전지는납축전지기반으로 개발된전기차의무게, 성능, 수명등에대한한계를해결할수있는돌파구로여겨 1 이글에서전기차는순수전기차 (BEV) 와전동주행거리가 50km 이상인플러그인하이브리드전기차 (PHEV) 를의미함. 2 IHS 는 2016 년글로벌전기차시장을전년대비 50% 성장한 80 만대, 2017 년은 101.5 만대로예측함. 3 국가별기업평균연비규제에맞추지못하면미국과유럽은벌금을부과하고, 중국은해당모델판매가불가 4 리프 2011 년모델공인주행거리는미국기준 117km, 유럽기준 175km 이지만, 실제는 100km 미만 2 LG 경제연구원
졌다. 전지경쟁력이전기차의차별화요인이라생각했던자동차기업은직접투자하거나전지기업과의제휴로기술확보에힘을쏟았다. 전지기업은물론새로운먹거리에고민하던에너지기업, 석유화학기업, 소재기업등도전기차전지시장에진입했고, 과잉투자라는우려가들정도로치열하게경쟁한결과, 전기차용전지의성능과가격은단기간에빠르게개선됐다. 미국에너지부 (DOE) 는최근의리튬이온전지가 2011년에출시된전기차용전지대비가격은 70% 낮아졌고, 에너지밀도는 60% 개선되었다고평가했다. 전지기업이인식하는실제성능개선수준은 2배이상이다. 또한자동차기업은전기차내부공간이허용하고차체설계하중이허락하는한최대한전지를많이탑재했다. 한번충전으로최대 380km 주행을자랑하는 GM Bolt의전지팩용량은 60kWh다. 2013년출시된 GM의전기차스파크의전지팩용량대비 3배정도다. 하지만전지단위용량의개선수준은조만간한계에다다를것으로보인다. 5 내연기관차의연료탱크를키우는것이한계가있듯이전기차에서전지팩의용량만무작정늘리는것도한계가있다. GM Bolt에서전지팩은차체무게의 30% 가까이를차지한다. 동급전기차인닛산리프의전지팩 6 이차지하는무게비중에비하면두배이상이다. 현재기술로소형전기차에 GM Bolt에탑재된전지팩보다더많은용량을탑재하기는쉽지않다. 출시가예정된몇몇양산형소형전기차들의용량도 60kWh이다. 7 테슬라모델S의 P100D은한번충전으로 500km 주행할수있지만, 전지팩용량이 100kWh이고, 무게는 600kg 가까이된다. 닛산리프차체무게의절반가까이된다. 일부프리미엄전기차에나가능한설계방식으로자동차시장의주력영역을노리는대중적인전기차에는적합하지않다. (2) 전기차주행거리연장의돌파구 : 파워트레인효율개선내연기관차가연료탱크를가득채우고주행할수있는거리는 500km에서 600km 수준이다. 전기차가근거리용세컨카가아닌출퇴근은물론장거리여행도가능한일상생활용퍼스트카의위상을가지려면내연기관차에상응하는주행거리가요구될것이다. 양산성이부족한수소차가자동차기업의관심을받는이유도 500km에육박하는주행거리다. 8 전기차가자동차시장의주력영역에진입하려면, 즉전체시장에서전기차비중이 4~5% 가아니라 40~50% 가되려면, 내연기관차수준으로주행거리를연장해야한다. 5 일본의 NEDO 는리튬이온전지에너지밀도의한계수준을 250Wh/kg 으로산정. 테슬라는모델 S 에사용되는리튬이온전지의에너지밀도가 200Wh//kg 이상이라고발표 6 닛산리프의초기모델에서전지팩의무게는차체무게의 15% 인 218kg 7 GM Bolt 와테슬라모델 3, 닛산뉴리프의전지팩용량은 60kWh 이며한번충전으로주행가능한거리도 300km 수준 8 도요타수소차인미라이의주행거리는 502km( 미국기준 ) LG 경제연구원 3
자동차의주행거리를연장하는방법은크게세가지가있다. 연료탱크를크게만드는방법, 경량소재를채용해서차체를가볍게하는방법, 그리고엔진효율을높여서리터당주행거리를늘리는방법이다. 전기차도마찬가지다. 연료탱크에해당하는전지팩저장용량을늘리거나, 비철비중을늘려서차체무게를줄이거나, 파워트레인구동효율을높이면주행거리가늘어난다. 전지팩을최대한으로탑재하고, 보다가벼운소재를적용해서주행거리를늘리는것은이미시도되었다. 2018년양산예정인프리미엄중대형전기차재규어 I-페이스의전지팩용량은 90kWh이다. 더는올리기어려운수준이다. 소형전기차의경우탑재가능한전지팩의용량은더욱줄어든다. BMW의 i3는탄소섬유를사용해차체무게를낮췄고, 테슬라모델S는철보다가벼운알루미늄을채용했다. 한번충전으로 600km까지달리고보조금없이도 3만달러수준의가격을목표로하는폭스바겐의전기차신모델 I.D. 는 매일, 누구나탈수있는 일상생활용퍼스트카로 2021년시장에출시될예정이다. 자동차신모델의개발기간이 3~4년이라는것을고려한다면현재사용되는리튬 이온전지성능을몇배능가하는차세대전지가반영되었을가능성은없다. 설사리튬이온전지보다몇배높은에 폭스바겐 I.D. 너지밀도를가진새로운전지가개발된다해도, 안전성을검증하고, 대규모로양산해서가격경쟁력까지갖추려면아직도많은시간이필요하다. 현재사용되는차체소재보다특별히우수한소재를사용하지도않을것으로보인다. 9 주행거리연장을위해파워트레인구동효율개선에집중할가능성이크다. (3) 파워트레인은자동차의동력을만들고, 전달하는일련의시스템 파워트레인구조 1 파워트레인이란자동차구동을위해저장된에너지를운동에너지로전환하는데필요한모든부품의집합체를의미한다. 동력을만들어서바퀴로전달하는역할을파워트레인이한다. 내연기관차파워트레인에는동력장치인엔진과동력전달기관인클러치, 변속기, 출력축, 종감속장치, 차동기어장치등이포함된다. 자동차기업의핵심 R&D 영역인고성능엔진, 친환경기술등도파워트레인사업분야에속한다. 차량탑재형충전기전력공급모듈전지팩파워일렉트로닉스모터 감속기 단상교류충전기 자료 : 폭스바겐 전지팩 9 폭스바겐의 E-mobility 책임자는가격을낮추기위해전기차신모델 I.D. 에기존에사용되던소재를사용할예정이라고밝힘. 4 LG 경제연구원
동력장치가엔진에서모터로바뀌는전기차파워트레인의구조는내연기관차보다단순하다. 전기를전지에저장하고, 필요할때모터로적정량을보내고, 모터에서만들어진동력을바퀴로전달하는것이전기차파워트레인의역할이다. 내연기관차의복잡한변속기나클러치등은불필요하다. 내연기관차파워트레인의핵심기술이엔진, 변속기등에관련된기계공학기술이었다면전기차파워트레인의핵심은전기를저장하는전지, 전기를이용해서구동에너지를만드는모터, 그리고전압, 전류, 주파수등전기의특성을조절하는파워일렉트로닉스 10 관련전기전자공학기술이다. 내연기관차수준의주행성을지닌전기차의개발가능성이관심을끌면서전기차파워트레인에대한관심이커지고있다. 전기차성능한계를극복하기위한파워트레인의역할이필요한것이다. 2. 전기차파워트레인의잠재력 (1) 성숙기술 로인식되었던파워트레인많은기업이전기차관련시장에뛰어들었지만, 아직전기차파워트레인전문기업을찾기는쉽지않다. 자동차사업경험이부족한기업이전기차파워트레인사업에새롭게참여하기에는진입장벽도높다. 자동차의기본적인구동메커니즘에대한오랜경험과깊은이해가필요하기때문이다. 전기차사업에참여하는자동차기업의높은관심을끌지도못했다. 자동차기업이파워트레인연구개발에소극적이었던원인을살펴보자. 우선, 전기차와는달리내연기관차에사용되는전지, 모터, 전기특성제어부품등은구동에직접적인영향을미치지않는다. 내연기관차의편의성향상측면에서중요하지만, 성능에결정적이지도않다. 내연기관차에는수십개의다양한보조기기용소형모터가사용되지만, 자동차기업이직접개발하여생산하기보다는대부분외부협력업체에서구매하여조립한다. 전장부품의입출력전압, 교류나직류로의변환등을관리하는전기특성제어부품도자동차기업의핵심영역은아니다. 엔진이나변속시스템개발등에익숙한자동차기업이전기차파워트레인부품개선에대한의지가높지않았던원인이다. 그래서자동차기업은전기차에최적화된성능을낼수있는새로운부품을개발하기보다기존에개발된부품을기반으로응용하는데중점을두는경우가많았다. 구동 10 전력변환및제어에관한분야. 관련기기는인버터, 컨버터, 전력제어시스템등이있음. LG 경제연구원 5
모터개발을자동차기업이주도하긴했지만과감한연구개발투자를통한성능개선을목표로하지는않았다. 그자원으로전지에투자하는것이경제적이라는인식이지배적이었다. 모터전문기업이전기차시장에대규모로투자하려해도자동차시장의 1% 에도못미치는시장규모는투자의지를꺾기에충분해보였다. 일정규모가형성되기전까지는수동적으로투자할수밖에없었다. 또한, 모터와제어시스템은이미성숙한기술이라는인식이만연했다. 전지를제외한모터, 인버터등의파워트레인부품은더이상의기술적진화가쉽지않다는생각이다. 이미 90% 가넘는모터효율을더올리기도쉽지않고, 직류에서교류로, 또는교류에서직류로전환하는효율도개선가능성이크지않아보였다. 100여년전에개발된기술이지금까지큰변화없이유지되었기에앞으로도크게다를것이없다는것이자동차기업이가진생각이었다. BNEF의전기차담당자 11 는지난 20년간모터기술은큰진전이없었다고단언하기도했다. (2) 파워트레인, 구동효율혁신의동력으로자동차연비를계산할때리터당주행거리 (km) 를따진다. 전기차는전력량 (kwh) 당주행거리 (km) 로표기하거나리터당주행거리로환산하여표기한다. 닛산리프 2011 년모델의에너지소비효율은 kwh당 4.6km이고, 내연기관차환산연비는리터당 42km이다. 대부분전기차의 kwh당주행거리는 5km 안팎이다. 미국 EPA 12 의발표에따르면포드 Focus 전기차는 kwh당 5.3km, 경량화소재를사용해차체가상대적으로가벼운 BMW의 i3는 kwh당 5.9km 주행할수있다. 22kWh의전지팩을탑재한 i3는약 130km 주행할수있다고보면된다. 자동차시장을주도하는기업은연비를높여줄새로운시스템이나부품개발에해마다막대한비용을투자한다. 미국 ACEEE 13 의조사에따르면개발비용대비가장우수한연비개선효과는차량무게를낮추는것이다. [2] 그다음으로는구동효율개선이다. 내연기관차의경우, 엔진다운사이징이나엔진출력개선, 변속기효율개선등으로연비를올린다. 모터동력에의존하고, 교류 / 직류전환이잦고, 전류의정교한제어가필요한전기차에서모터, 인버터등의작은효율개선이연비에미치는영향은작지않다. 교류모터를사용하는전기차의경우교류 / 직류전환빈도가매우잦다. 태양광을결합한충전소가확산되면교류 / 직류전환빈도는더욱늘어난다. 11 BNEF(Bloomberg New Energy Finance) 의 Head of advanced transport 12 미국환경보호국 (U.S. Environmental Protection Agency) 13 미국에너지효율위원회 (American Council for an Energy-Efficient Economy) 에따르면, 차량무게를낮출경우연비개선효과는투자비용대비 1.8~2.3 배의효과가있고, 구동효율을올리는경우의연비개선효과는투자비용대비 1.2~1.5 배의효과가있음. 6 LG 경제연구원
1 전지 : 팩구조개선과팩제어최적화로팩저장용량상승 전기차전지팩은전지모듈, 온도관리시스템, 제어시스템등으로구성된다. 전지 모듈에는다수의전지셀과셀제어회로가들어있다. 온도관리시스템은전지셀특성 에따라공기냉각방식과액체냉각방식으로구분된다. 예를들어 24kWh 의전지 팩을탑재한닛산리프에는 48 개의전지모듈이들어있고, 각각의모듈에는 4 개의 전지셀이들어있다. 리프는열발산에유리한파우치방식의전지셀을채용해서공기 냉각방식의온도관리시스템을적용한다. 제어시스템의역할은전지셀충전및방 전특성, 사용패턴등의세부특성을조절하여전지셀의성능을극대화함과함께최 대한오래사용할수있는내구성을확보하는데있다. 지금까지전지팩부품중에서가장중요한분야는전지셀의에너지밀도개선이었다. 전지업계에서는 2010 년 ~2011 년사이에출시된전기차대비최근출시되는전기차 전지셀의에너지밀도가 2 배이상상승했다고추정한다. 이에비해전지팩자체에관 한관심은상대적으로낮았다. 전지팩은전지셀을안정적으로담는공간으로생각했 다. 전지팩을통한성능개선에대한기대는높지않았다. 하지만최근전기차에대 한사업의지가높은자동차기업중심으로전지팩자체를개선하여파워트레인의구 동효율을높이는시도가계속되고있다. 닛산은전기차전지팩에서모듈단계를제거하여공간과무게효율성을높일계획이 다. 닛산신모델전기차의전지팩에는수십개의모듈이아닌 5~6 개의스택이들어 가면서공간과무게효율성을개선할계획이다. 수십개의모듈로나눠서전지팩을 구성한이유는특정전지셀에서불량이발생할때해당모듈만교체하면되기때문이 었다. 전기차시장초기에는전지셀의수명과성 능에대한확신이없었다. 그렇지만, 모듈자체가 차지하는물리적무게와부피를고려한다면, 그리 고전지셀의품질을신뢰할수있다면모듈단계는 불필요하다. [3] 닛산전지팩구조개선 2 수십개의모듈이아닌 5~6 개의스택으로 테슬라는전지셀간연결방법, 전지팩내부온도관리방법등을개선하여전지팩내부공간활용도를극대화함과동시에무게까지줄였다. 2016년 8 월에출시된테슬라모델S의 P100D는전지팩용량을 100kWh로올려서주행거리를 500km까지연장했다. 탑재가능한한계치에거의도달한것으로보인다. 90kWh를탑재한이전모델보다용 ( 전지팩 ) ( 전지팩 ) ( 전지모듈 ) ( 전지스택 ) ( 전지셀 ) ( 전지셀 ) 자료 : 닛산 LG 경제연구원 7
량은 11% 가늘었지만, 무게는 4% 증가했고, 부피는동일하다. 전지셀의탑재량을늘렸지만, 전지팩설계구조변경에집중해서동일한부피에탑재가가능해진것이다. 전지팩제어시스템최적화로전지셀수명연장도가능하다. Clean Technica에따르면전지셀수명에나쁜영향을미치는 4가지요소는고온, 고전압, 저전압또는완전방전, 급속방전또는급속충전이다. 테슬라 CTO인 Straubel은전지팩제어시스템개선만으로전지셀수명을 10년이상으로늘릴수있다고했다. 충전및방전비율의최적제어, 온도제어등으로수명을상당히늘릴수있다는것이다. 2 모터 : 평균효율및출력밀도개선 엔진이내연기관차를움직이듯이전기차는모터가움직인다. 자동차성능의주요지표는토크와출력이다. 토크가높은차량은고속에이를때까지시간이짧고, 출력이높은차량은고속을유지하는시간이길다. 전기차에서는모터가토크와출력을결정한다. 내연기관차인폭스바겐티구안의토크가 29kg m, 출력이 149kW인것처럼 GM Bolt 전기차의토크는 37kg m, 출력은 150kW로표기한다. 전기차의구동모터는크게직류모터와교류모터로구분한다. 직류를신봉했던에디슨이 1910년에개발한전기차에는직류모터가적용되었다. 직류모터는구조가간단해서제어방식이비교적단순하고효율도높다. 하지만, 내부발열제어가어렵고, 정교한회전수조절이필요한고출력특성에도취약하다. 희토류인영구자석이사용되어서원가도높은편이다. 닛산의리프, 다임러의스마트전기차가직류모터를사용한다. 에디슨에맞서서교류사용을주장한니콜라테슬라가개발한것이교류모터다. 테슬라전기차는물론이고르노삼성의 SM3, BMW의 i3 등에사용되는모터다. 코일에대한직접제어로정밀한속도조절과냉각관리가가능하다. 열손실로효율이낮고, 부피가클수도있지만, 출력특성은우수하다. 유도모터는영구자석을사용하지않을수도있어서희토류사용에대한부담을낮출수도있다. 다양한방식의모터가전기차에사용되지만, 아직어느방식의모터가절대적으로우월한지에관한판단을내리기에는이른감이있다. 전기차의모델별특성에따라선택한다. 직류모터는 BLDC(Brushless Direct Current) 모터를주로사용하고, 교류모터는동기모터나유도모터를 전기차모델별모터채용현황 3 모델 Segment 모터종류 출력 영구자석 Daimler Smart EV 경차 BLDC 모터 55 kw 필요 Fiat 500e 경차 교류유도모터 82 kw 불필요 BMW i3 경차 교류유도모터 125 kw 불필요 GM Spark EV 경차 교류모터 105 kw 필요 Mitsubishi i-miev 경차 BLDC 모터 49 kw 필요 Ford Focus EV 소형차 교류동기모터 107 kw 필요 Volkswagen e-golf 소형차 교류동기모터 85 kw 필요 Nissan Leaf 소형차 BLDC 모터 80 kw 필요 Daimler B250e 중형차 교류유도모터 132 kw 불필요 Tesla Model S(2륜 ) 대형차 교류유도모터 285 kw 불필요 BYD e6 SUV 교류동기모터 75 kw 필요 자료 : 2016 Fuel economy guide. EPA 8 LG 경제연구원
주로채택한다. [4] 초기에는전기차에필요한토크및출력수준에대한정확한예측이어려웠다. 당연 히모터의부피와무게가커질수밖에없었다. 전기차시장이본격적으로확대되면서 전기차특성에최적화된모터가등장하고있다. 테슬라전기차가주목받는이유중하나는 운전의즐거움 을최고수준으로올린것 이다. 부카티, 포르쉐등쉽게접하기어려운고가의스포츠카에견줄만한성능을갖 추면서 운전의즐거움 은환경친화성에못지않은전기차의주요구매요인이되었 다. 14 모터는초기발진시점부터최대토크가가능하다. 고속토크응답성이엔진과 비교조차되지않는다. 테슬라가직접개발한모터가인기를끌면서전기차전용모 터개발경쟁이시작됐다. 전지개발에집중하여연구비지원을해왔던미국의에너 지부 (DOE) 에서도최근에는 2 천 5 백만달러의개발비를지원하며차세대모터개발에 힘쓰고있다. 15 전기차전체원가에서모터는전지원가에비하면턱없이작은수준이 지만, 모터의효율개선이주행거리향상에무시할수없는영향을미치기때문이다. 모터구동효율을더는올릴가능성이크지않다는부정적인시각에서탈피해서가볍 고작은고효율모터개발이시작되고있다. 우선, 모터의평균구동효율이개선되고있다. 테슬라는기존전기차의저속주행 효율중심에서고속시에도효율이높게유지될수있도록추가변속시스템을탑재 했다. 테슬라의 2 단변속시스템은저속과고속에서우수한토크구현이가능해서 1 단시스템의낮은고속구동효율을개선했다. 3M 은모터의로터또는스테이터에 영구자석을부착할때사용되는접착제를새로개발했다. 기존의액체형접착제의단 점을개선하여자석의위치정확도를올리고접착두께를얇게만들어서모터의구조 를단순화하여모터제어의효율성을올리는것과함께내구성도개선하려한다. 두번째, 모터의출력밀도개선으로효율적인구동력전달이가능해졌다. 내부발열 제어로모터크기와무게는줄이고, 출력은균일하게구현하여기존모터효율인 90~95% 수준 16 에서더개선하는것이가능해진것이다. GM Bolt 모터의최대효율 은 97% 수준이다. 동일한방식의스파크 EV 에사용된모터대비토크는 46% 개선되 었지만모터무게는 11% 정도만상승했다. 17 GM 은여러번의최적화시뮬레이션을거 치면서고속회전에적합한모터부하설계를수행했다. 또한구리밀도를최대한으 로높인코일을적용하여출력밀도를최적화했다는평가다. 테슬라모터의출력밀 도는 kw 당 0.38kg 이다. 닛산리프에사용되는모터대비 2 배이상우수한수준이 14 테슬라모델 S 의 P100D 가시속 100km 까지가속하는데걸리는시간은 2.5 초. 테슬라는시판되는차중에서가장빠른차라고주장 15 미국에너지부 (Department of Energy) 는 2022 년까지모터원가 75% 절감, 크기 35% 감소, 무게 40% 감소, 40% 손실감소로모터시스템효율을 4% 추가상승시키는연구계획을발표함. [5] 16 모터효율은최대효율과부하시효율로구분되며, 최대효율기준으로 BLDC 모터는 95~97%, 유도모터는 94~95% 수준 17 GM 의 Bolt 에사용된모터는스파크전기차에사용된모터대비회전속도는두배개선, 출력특성은 30% 개선됨. LG 경제연구원 9
다. 출력밀도개선을위해테슬라는모터내부의열적안정성을최대한확보했다. 일반적인유도모터는팬을채용한공기냉각방식으로열을제어하지만, 테슬라는로터축에액체튜브가관통하는방식을적용하여모터의열을제어했고평균출력밀도를향상했다. 세번째, 영구자석에사용되는희토류사용량을최소화하여제조원가를낮추고있다. 전기차모터에부착되는영구자석재료에는희토류인네오디뮴과디스프로슘이사용된다. 닛산은디스프로슘의사용량을 40% 까지낮출수있는새로운자석을개발중이다. 희토류를효율적으로분산할수있는새로운공정 18 개발로모터의크기를줄이고희토류의사용비율도줄였다. 2020년에는디스프로슘을전혀사용하지않을계획이다. 혼다도희토류인네오디뮴사용을최소화하기위한고온공정기술을개발하고있다. 섭씨 2천도이상의고온을가하는열변형기술로영구자석을만들때네오디뮴을사용하지않고도유사한자성을낼수있게할계획이다. 3 파워일렉트로닉스 : 인버터, 컨버터의전력변환효율및전력운영시스템개선 파워일렉트로닉스는전력의제어와변환에관련된부품이나시스템을의미한다. 전기차에필요한전기를이동, 전환및소비하는과정을효율적으로수행하는역할이다. 직류, 교류를상호변환시키거나전압이나전류특성을제어하는파워일렉트로닉스에속하는부품으로는인버터와컨버터, 차량탑재형충전기, 전력공급모듈등이있다. 주유소에서구입한연료를바로사용하는내연기관차와달리전기차는충전기에서충전한전류를그냥쓰지않는다. 여러번의정교한변환과정을거친이후사용한다. 예를들어, 전력망에는교류가흐르고모터는직류또는교류로구동된다. 전지에는직류로저장된다. 그때마다전력을변환하는것이다. 태양광에너지가설치된충전소일경우변환빈도는더욱증가한다. 태양광발전에서직류로만들어진전기를교류로전환하여충전기로보내고, 다시직류로전환하여전지에저장한뒤, 다시교류로전환하여모터를구동하고제동시회생된전기는직류로전지에저장하였다가다시교류로전환하여사용한다. 변환효율이조금만올라가도파워트레인전체효율제고에크게기여한다. 전자부품회사인 TDK는차량용반도체기업인인피니온과전기차전용고효율인버터개발을위한전략적제휴를맺었다. 인피니온은최신전력반도체소자를개발하였고, TDK는공간효율성을극대화하기위해커패시터및관련부품을개발하기로한것이다. 개발기간단축을위해기존인버터에사용된불필요한부품을제거하면 18 Grain boundary dysprosium diffusion 공정 10 LG 경제연구원
서동시에디자인변경으로크기와무게를최적화했 다. 또한, TDK 는 Toshiba 와도유사한방식의제휴 관계를맺어서지역별시장변동성에도대응하고있 다. 전기차스타트업기업으로테슬라의대항마로 관심을끄는패러데이퓨처는전기차전용인버터개 발로기존인버터대비 20~30% 개선된변환효율 을달성했다고발표했다. 패러데이퓨처는기존인버 터에사용되는수많은트랜지스터및전자부품을최 소화하여부피와무게를줄였고전기차에적합한전 기량을예측하여최적화된알고리즘을개발했다는 것이다. 미국캘리포니아주립대학연구진은운전자 별운전습관에적합한전기차에너지제어시스템 을개발하여기존대비최대 12% 개선된시스템효 율을달성했다. 운전자의습관에따라전지의방전수준및빈도를조절하고, 모터 가동시기와가동수준, 전력변환시기등을탄력적으로제어하여전기차시스템효 율을개선한것이다. 향후고속충전이더욱빈번해지고, 무선충전도상용화되면파워일렉트로닉스의중 요도는더욱증가할것이다. 단위인버터또는컨버터의효율개선과함께전기차전 체제어시스템의통합설계로무게와부피, 원가를낮추는데에관심이집중될것으 로보인다. 테슬라전기차의전기사용및변환흐름 4 Solar DC Inverter/MPPT** ** AC 1* Grid Drive Inverter 3 4 5 AC DC Charger DC Batteries * 번호는전력이변환된횟수를의미함. ** MPPT(Maximum power point tracking): 태양전지의출력전력이최대인점을추적하는제어자료 : 테슬라 2 3. 전기차파워트레인의진화가가져올변화 전기차파워트레인기술의진화는이미시작되었다. 전지기술만큼빠르게발전하지는않지만, 서서히개선되고있다. 모터기술간경쟁과파워트레인시스템효율을내세운경쟁이가시화되고있다. 2011년출시됐던 GM의 PHEV 모델인 Volt 는 kwh 당 3.5km 정도만주행했다. GM Bolt는 kwh당 6km 정도주행가능할것으로예상한다. Volt 보다차체의무게가 5% 정도가볍다고하지만, 파워트레인설계개선의효과덕분에파워트레인효율이많이높아졌다. (1) 전기차의주행거리 내구성향상과가격하락 독일의자동차부품회사보쉬도파워트레인기술개발에앞장서고있다. 보쉬는 LG 경제연구원 11
kwh당전기차의주행성능을 2020년까지 8km까지개선시키겠다는계획을발표했다. 19 공기역학개선, 차체무게감소, 마찰손실저감을적용함과동시에구동손실을최소화하겠다는것이다. 60kWh를탑재한전기차에보쉬의파워트레인기술이적용되면이론적으로 500km 가까이주행이가능하다. 파워트레인기술의발전은전기차가내연기관차와동등한수준으로주행이가능한수송수단으로안착하는데결정적인역할을할것으로보인다. 또한, 파워트레인개별부품의수명연장으로전기차의내구성이내연기관차이상이될가능성도높아졌다. 15년넘게사용이가능한모터와파워일렉트로닉스시스템에비해, 짧은사용수명이단점이었던전지셀도사용특성제어로 10년이상사용이가능해졌다. 보쉬의 EV 전력소모량감소추이전망 5 전력소모량 (kwh/100km) 2010 년 2020 년 편의장치 1.5 1 냉각장치 3.5 1.5 기계적제동 0.5 0 구동손실 5 2 타이어구름저항 4 2.0~3.0 공기저항 7 5.0~6.0 합계 (km/kwh) 자료 : 보쉬. 2010 년 21.5 (4.5) 11.5~13.5 (8.3) 전지, 모터, 인버터등단품공급기업중심에서파워트레인시스템관점의설계및솔루션제공기업이늘어나면서전기차가격의추가하락도가능하다. 전지팩가격의하락과함께파워트레인시스템의원가도낮아지면서전기차가격이내연기관차과비슷해질가능성은더욱커졌다. 독일의엔지니어링기업인지멘스와프랑스의자동차부품회사인발레오는전기차파워트레인사업을위한 JV를형성하여전기차전용파워트레인사업참여를본격적으로추진한다고밝혔다. 지멘스의구동모터기술과발레오의파워트레인사업경험을결합하여파워트레인의주요부품들을통합하여시스템단위원가혁신을추진할계획이다. 또한, 파워트레인기술의진화는전기차기업간의경쟁방식에도변화를줄것이다. 자신이소유한내연기관차의정확한주행거리를알지못하는운전자가많은것처럼, 앞으로전기차기업간주행거리경쟁은큰의미가없어질수도있다. 소비자의관심사도주행거리중심에서전기차의가격이나디자인, 안전성, 또는사용편의성등으로다변화될것이다. 차세대전지의개발방향도에너지밀도중심에서원가경쟁력또는안전성을확보하는방향으로전환될가능성이있다. 구동모터와인버터를통합 ( 지멘스, 상 ) 충전기와인버터를통합 ( 발레오, 하 ) (2) 높은완성도를기반으로한전기차의대중화전기차가처음시장에등장할때만해도전기차가환경문제해결은물론많은사람에게편리한이동수단을평등하게부여할것이라는시각이많았다. 내연기관차대비절반의부품만으로싸고간단하게만들수있고, 환경에나쁜것은아무것도배출하지 19 2010 년에발표한계획이며, 2016 년 6 월에는모터와파워일렉트로닉스등을통합해전기차파워트레인의부피와중량을 2020 년까지 10% 줄일계획을발표함. 12 LG 경제연구원
않고, 어디서나공평하고무한대로제공되는태양과바람으로만든전기를사용하는 지속가능한미래의교통수단 으로찬사를받은것이다. 하지만막상시장에등장한전기차는기대를한참이나밑돌았다. 부품의숫자는줄었지만, 비싼단위부품가격으로전기차의가격은내연기관차대비한참높았다. 태양광및풍력에너지의발전원가도 2011년당시에는재래식발전대비경쟁력이없었다. 석탄화력발전소에서만든전기로움직이는전기차가진짜친환경이맞냐는논란도있었다. 교통수단으로서, 이동의자유를주기보다는불편함과불안감을주었다. 안그래도부족한주행거리인데, 비가내리는추운겨울밤에전기차계기판의전지잔량은너무나빨리줄어들었다. 전기차자체도문제였지만전기차를둘러싼환경도그당시에는준비가되지않았다. 이제는다르다. 전지성능개선에이은파워트레인의진화로전기차자체의완성도가높아질것이다. 출시를앞둔전기차는어지간한내연기관차대비출력이나토크가부족하지않다. 이제전기차의윈도우브러시를가동하면서전기차전용히터를켜고, 라이트를켠상태로음악도들으면서눈내리는겨울밤의고요함을즐길수있다. 한번충전하면주행가능한거리를크게걱정하지않아도된다. 시장의환경도바뀌었다. 태양광이나풍력발전이빠르게확산되면서친환경적으로만들어진전기가전기차에공급될가능성도높아졌다. 전기차생산규모가확대되면서단위부품가격은더욱낮아지고있다. 가격이나성능, 운전자의즐거움, 그리고친환경성모두를만족하게할전기차시대가눈앞에와있다. 더는중국이나인도에서인구천명당자동차보유대수가지금보다몇배높아질경우를걱정하지않아도된다. 20 친환경성은물론이고, 파워트레인에너지효율측면에서전기차의가치는내연기관차에비할바가아니기때문이다. 내연기관차의파워트레인에너지효율은 20% 미만에불과하다. 전기차파워트레인의효율은모터효율에전력변환장치효율, 전지효율까지종합적으로고려해도 80% 가까이나온다. 마차가지배하던 19세기에등장한내연기관차의디자인은 말없는마차 라불릴정도로마차와비슷했다. 잘달리는마차에관심이있었을뿐, 말없는마차에대한수요는당연히높지않았다. 연료를주유할주유소를찾는것은거의불가능했다. 연료자체도충분히만들어지지않았다. 건초와물만주면얼마든지달릴수있던말에비해희소한연료를넣어야움직이는내연기관차는일반인들이접하기어려운, 부자들의장난감이상이될수없다는시각이지배적이었다. 그때등장한사람이헨리포드다. 그는시카고도살장의컨베이어벨트를자동차조립공정에적용했고, 이는자동차의생산방식을근본적으로변화시켰다. 한시간에한대만들던자동차를 24 20 인도 (29 대 ) 와중국 (104 대 ) 의인구천명당자동차보유대수가미국 (808 대 ) 이나일본 (609 대 ) 처럼높아질경우, 화석연료는급속히고갈되고최악의환경오염이발생한다는시나리오 LG 경제연구원 13
초에한대씩만들면서누구나쉽게살수있는차를만들었고, 누구나자유롭게이동이가능한 이동의대중성 의기반을세웠다. 한번충전으로 500Km 주행이가능한전기차는전지셀의발전만으로는어렵다. 전지셀의성능향상둔화로넉넉한주행거리, 친환경성, 그리고누구나쉽게접근할수있는대중성을갖춘전기차의등장에는시간이걸릴것이라는전망도있다. 그러나전지의발전에이어진파워트레인의진화는그런우려를불식해줄것으로기대된다. 포드가 검은색자동차모델T의대량생산 으로자동차산업의신기원을세운것처럼, 전기차전용파워트레인의진화로전기차대중화가이루어질날이멀지않은것으로보인다. www.lgeri.com 14 LG 경제연구원
< 참고자료 > [ 1 ] ICCT, Electric vehicles: Literature review of technology costs and carbon emissions, July 2016 [ 2 ] ACEEE, National research council report: Cost, Effectiveness and Deployment of Fuel Economy Technologies for Light-Duty Vehicles, July 2015 [3] Jonathon Retlife, Nissan Electric Vehicle and Future Vision. University of Michigan, July 2016 [ 4 ] EPA, Fuel Economy Guide(Model year 2016), Oct 2016 [ 5 ] U.S. Department of Energy, Quadrennial Technology Review 2015: Advancing clean transportation and vehicle systems and technologies, 2015 [ 6 ] 현대자동차그룹글로벌경영연구소, 2017 년자동차산업전망, 2016 년 10 월 [ 7 ] GB Planning center, 자동차모터의현재와미래 LG 경제연구원 15
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