전기자동차 (xev) 에너지저장시스템기술동향 l 저자 l 이백행 PD / KEIT 미래형자동차 PD 실 강석기팀장 / 한국전지연구조합 이호성팀장 / 자동차부품연구원 SUMMARY 목적세계적환경규제강화에대응하기위해대표적친환경자동차인전기자동차 (xev, Electrically Propelled Vehicle) 시장이지속적으로성장하고있으며, 특히가장큰가격비중을차지하고있는에너지저장시스템 ( 이차전지 ) 에대한기술및시장현황을살펴보고자함. 주요현황 전기자동차의시장경쟁력확보를위해사용자수용성제고가중요한요소이며, 특히일회충전주행거리향상과 충전편의성제고는전기자동차사용자의불편해소와시장확대를위해필수적인사항임. 전기자동차의주행거리확대를위해제한된장착공간에보다많은이차전지를탑재해야하며, 이는이차전지 및시스템의에너지밀도향상에근간을두고있어차량용배터리시스템의에너지밀도향상을위한셀및팩의 기술개발이지속적으로진행되고있음. 최근주행거리향상을위해차량에탑재되는배터리의용량이크게증가함에따라충전시간이길어져소비자 편의성향상을위한충전시간단축요구가대두됨. 시사점및정책제안 전기자동차시장경쟁력확보를위해에너지저장시스템의에너지밀도향상기술, 특히최적열관리와연계한 배터리팩에너지밀도향상과확장형배터리시스템등다양한형태의기술개발이필요함. 전기자동차사용자수용성제고를위해충전에대한소비자의불편을최소화할수있도록충전시간을 단축하기위한이차전지및시스템에대한개발과실증지원이바람직함.
KEIT PD Issue Report PD ISSUE REPORT APRIL 2018 VOL 18-4 1. 전기자동차 (xev) 에너지저장시스템개요 전기자동차 (xev, Electrically Propelled Vehicle) 는전기에너지를구동동력원으로사용하여주행하는자동차로정의할수있으며, 에너지저장시스템은 xev 의에너지원으로사용되는전기에너지를저장할수있는충 방전이가능한이차전지와배터리관리장치등으로구성된시스템임. 이차전지는양극과음극활물질의종류에따라납축전지, Ni-Cd 전지, Ni-MH 전지, 리튬이온전지등이있으며, 충전과방전과정을통해재사용이가능한전지를의미함. 리튬이온이차전지는방전 ( 放電 ) 및충전 ( 充電 ) 과정에서전지내부에서리튬이온이이동하고, 전지외부에서전자가 이동하는이차전지로서전기차 (xev) 용에너지저장시스템에널리사용되고있음. - 리튬이온이차전지는양극 ( 금속 + 양극활물질 ), 음극 ( 금속 + 음극활물질 ), 분리막, 전해질등 4 대핵심소재와케이스 등으로구성되어있음. 그림 1. 리튬이온이차전지작동원리 46 한국산업기술평가관리원
ISSUE 2 전기추진자동차 (xev) 에너지저장시스템기술동향 전기자동차는전기에너지가구동에기여하는방식과정도에따라 HEV(Hybrid Electric Vehicle), PHEV(Plug-in HEV) 와 BEV(Battery Electric Vehicle) 등으로구분할수있으며, 시스템구성에따라서로다른다양한형태의에너지저장시스템이탑재되어있음. HEV용이차전지는엔진출력을보조하는용도로사용되므로 1~2kWh 내외의용량이탑재되며, 10~20kWh의이차전지가탑재되는 PHEV는 HEV와 BEV의중간형태로서외부전원을통해충전가능하고, BEV는 100% 이차전지에저장된에너지를이용하여구동됨. 그림 2. 전기자동차시스템구성예 전기자동차에탑재되는이차전지는형태에따라원통형, 각형, 파우치형등으로구분할수있음. - 원통형전지는모바일 IT기기등에서가장널리사용되는형태로서기술적성숙도가높으며, 대량양산체제가구축되어있어상대적으로가격이저렴하고안정성이우수하고수급이용이함. - 각형전지는금속캔형태제작되어파우치형과비교하면상대적으로에너지밀도가낮으나, 금속캔으로내부물질을보호하고있어내구성이뛰어나고상대적으로안정성이우수함. - 파우치형전지는알루미늄호일로만들어진파우치에배터리구성물들이싸인형태로서높은설계자유도를가지나, 각형과비교하면상대적으로내구성및안정성측면에서불리함. Korea Evaluation Institute of Industrial Technology 47
KEIT PD Issue Report PD ISSUE REPORT APRIL 2018 VOL 18-4 표 1. 전기자동차용리튬이온이차전지종류 구분원통형각형파우치형 형태 특징 - 원통형캔의형태로가격이저렴하고수급이용이 - 작은사이즈로인해전기차에적용하기위해다량의이차전지가필요 - 금속캔에이차전지를담는형태로내구성이우수 - 생산비용이파우치와비교하여상대적으로저렴 - 파우치형은알루미늄호일에배터리구성물들이싸인형태 - 높은설계자유도를가지고있어다양한크기로생산가능 제조사파나소닉, 삼성 SDI, LG 화학삼성 SDI, LEJ, BYD LG 화학, SKI, AESC 탑재된전기차 Model S Model X BMW i3 BYD Tang Nissan Leaf GM Volt 2. 전기자동차용에너지저장시스템기술동향 출시되는전기자동차의종류가다양해지고, 소비자수용성제고를위한주행거리향상요구가대두됨에따라배터리의에너지밀도향상을위한기술개발이지속적으로이루어지고있음. 초기 1 세대전기자동차용배터리의에너지밀도는약 150Wh/kg 수준이었으나, 일회충전주행거리향상을위한지속적인 에너지밀도를향상기술개발을통해현재양산되고있는전기자동차에는약 240Wh/kg 의에너지밀도를갖는전지가 탑재됨. 48 한국산업기술평가관리원
ISSUE 2 전기추진자동차 (xev) 에너지저장시스템기술동향 [ 그림 4] 전기자동차주행거리와에너지밀도 전기자동차용리튬이차전지는 1 회충전주행거리의증대와가격경쟁력제고를위해지속적인기술개발추진중임. 지속적인기술개발의결과로향후일회충전으로 500Km 이상주행할수있는 3 세대전기자동차에는 240Wh/kg 의 에너지밀도를갖는전지가탑재될것으로예상됨. * 에너지밀도 (Wh/kg) : 110( 09) 170( 15) 240( 19) 300( 21) 에너지밀도향상을위해극판과분리막의두께를최소화하고, 양 음극소재에대한연구개발에도집중적으로투자하고있으며, 전해액의전도성을높이기위한노력이이루어지고있음. 이차전지가격인하요구에대응하기위해모든전지기업이부품및공정의단가를낮추기위한공정프로세스혁신을추진중인것으로알려지고있음. 각형과파우치형으로대별되는중 대형전지의경우형태별장점극대화와단점보완을위한기술개발이집중적으로수행되고있음. 각형전지는견고한특성을기반으로용량증대를위한새로운소재를적극적으로채용하고있으며, Dead Space 최소화와부품의단순화에집중하고있음. 파우치형전지의경우각형셀보다에너지밀도측면에서유리하므로다소낮은용량의안정적인소재채용이가능하고, 이를통한가격경쟁력확보에강점을가질수있음. Korea Evaluation Institute of Industrial Technology 49
KEIT PD Issue Report PD ISSUE REPORT APRIL 2018 VOL 18-4 차량용소형 18650 원통형전지는테슬라전기자동차의판매호조에따라수요확대가전망되며, 이에따른전지기술개발도활발히진행되고있음. 파나소닉및 LG 화학, 삼성 SDI 등은 18650 원통형전지에대한기술개발을진행하여양산을준비중이며, 양극소재로 NCA 또는 Ni-rich NCM 을사용하고, 음극으로는 Gr-Si 혼합소재를사용는것으로알려져있음. 전기자동차시스템구성형태에따라이차전지에요구하는특성이상이하며, 이에따라다양한전지설계기술개발이진행되고있음. HEV 시스템용리튬이차전지팩은트렁크등상대적으로장착위치에대한제약이커서, 이에대응하기위한설계기술이중요한요소로고려되고있음. PHEV, BEV는상대적으로탑재되는셀의수가많기때문에팩의부피가커져차체하부에배치되며, 각제조사가팩의최적화와연계하여개발을진행중임. 이차전지팩은차량장착성등을고려하여효과적인냉각및안정성확보를위한연구개발을집중적으로진행중임. 셀의중량, 부피에너지밀도의차이에도불구하고최종성능은모듈및팩구현기술에의해결정될수있음 주행거리증대를위해이차전지용량을증가시키는방향으로전기자동차개발이이루어지고있고, 이차전지최적효율운전을확보하기위한배터리팩적용열관리기술에대한중요성이커지고있음. 외부운전환경변화로인한저효율구간에서의운전 ( 혹한 ) 및내구성저하 ( 혹서 ) 대응을위한이차전지열관리시스템을 전기자동차에적용하고있음. 그림 5. 전기자동차이차전지열관리시스템의중요성 * 자료출처 : HV Battery Thermal management for PHEV & EV, Int. Scientific Conf. on HEV and EV, Peugeot Citroen (2011) 50 한국산업기술평가관리원
ISSUE 2 전기추진자동차 (xev) 에너지저장시스템기술동향 전기자동차의이용효율제고를위해이차전지시스템을최적효율구간에서사용하기위한이차전지냉각 / 히팅용열관리 시스템을채용하고있음 표 2. 양산형전기자동차이차전지열관리시스템적용예 차종차종 Ray EV (KIA) 국내 Ioniq EV (Hyundai) Volt (GM) Bolt (GM) 해외 Flurence ZE (Renault) i3 (BMW) Model S (Tesla) 형상 열관리방식 배터리용량 (kwh) 공기냉각 공기냉각 냉각수냉각 / 가열 냉각수냉각 / 가열 공기냉각 / 가열 냉매냉각 냉각수냉각 / 가열 16.4 28.3 21.3 60.0 22.0 21.3 65.0 * 자료출처 : 각전기자동차제조사홈페이지및기사참조이차전지용량, 전기차작동환경, 배터리팩설계주안점에따라서열관리에사용되는냉각유체와시스템의종류가결정되고, 최적제어기술이적용됨. 그림 6. 이차전지열관리시스템방식 Korea Evaluation Institute of Industrial Technology 51
KEIT PD Issue Report PD ISSUE REPORT APRIL 2018 VOL 18-4 표 3. 이차전지열관리시스템장단점비교 Fan-Forced Convection ( 공기 ) Thermo-electric ( 공기 ) Air conditioner ( 냉매 ) Cold plate ( 냉각수 ) 시스템구조 열관리성능 셀온도균일도 사용용이성 실차적용성 유지보수성 내구성 초기비용 유지비용 * 자료출처 : Michael R. Cosley VP Technology Development Emerson Network Power, Energy Systems, North America 현재전기자동차에탑재된이차전지의 kwh 당주행거리는평균약 6km 정도이며, 일회충전주행거리향상을위한탑재량증대기술개발이활발히진행중임. 전기자동차의일회충전주행거리는차량의중량, 크기, 형상및시스템효율등종합적요인에의해결정됨. 전기자동차에탑재되는에너지량은지속적으로증가하는추세를보이고있으며, 이를효과적으로구현하기위한다양한 방안이강구되고있음. 52 한국산업기술평가관리원
ISSUE 2 전기추진자동차 (xev) 에너지저장시스템기술동향 표 4. 전기자동차주행거리와배터리탑재량 구분 전지제조사 전지탑재량 (kwh) 주행거리 (km) 배터리효율 (km/kwh) BMW i3 SDI( 韓 ) 21.3 130 6.1 Nissan Leaf(30kWh) AESC( 日 ) 30.1 172 5.7 Hyundai ioniq electric LGC( 韓 ) 28.3 200 7.0 GM Bolt LGC( 韓 ) 60.0 383 6.4 Tesla Model S(85kWh) Panasonic( 日 ) 85.0 426 5.0 * 자료출처 : B3(2016), 각전기자동차제조사홈페이지및기사참조 ** 주행거리 : 미국환경보호청 (EPA) 기준 우리나라를비롯하여일본, 중국, 미국등전세계적으로이차전지에너지밀도향상을위해기술개발로드맵을수립하여 R&D 를지원중임. Korea Evaluation Institute of Industrial Technology 53
KEIT PD Issue Report PD ISSUE REPORT APRIL 2018 VOL 18-4 이차전지시장은모바일 IT, 전기차, ESS 시장으로구분하여생각할수있으며, 17 년전기차용이차전지시장 (175 억불 ) 이모바일 IT 소형전지시장 (161 억불 ) 을추월함. 전기자동차용이차전지시장은 14 년 41 억불에서 20 년 276 억불로연평균 37.2% 성장할것으로전망 표 2. 리튬이온이차전지시장현황및전망 구분 `14년 `17년 `20년 (E) 연평균 모바일 IT 156.6 161.1 160.4 0.4% x-ev 41.3 133.0 275.8 37.2% ESS 2.3 14.8 23.7 47.9% 합계 200.2 308.9 459.9 14.9% 단위 : 억불 * 출처 : B3 17Q4 x-ev 시장및장기예측보고서 중국은 x-ev용이차전지시장의 61% 를차지하며, `17년시장 1위점유 표 3. 17년국가별리튬이온이차전지시장점유율 구분 한국 중국 일본 모바일 IT 38.0 28.2 26.0 x-ev 14.2 61.2 24.4 ESS 71.0 7.6 10.1 * 출처 : B3 17Q3 LIB 시장보고서, 17Q4 x-ev 시장보고서, 17Q3 ESS 시장보고서 우리나라가모바일 IT 등강력한전방산업을기반으로전세계이차전지시장을주도하고있으나, 전기자동차용이차전지시장은중국과일본이강세임. [ 표 4] 국내외이차전지수요업체현황 IT 분야 ( 휴대폰순위 ) x-ev 분야 ( 승용차, 소형트럭및상용차 ) 국내기업 (1 위 ) 삼성전자, (8 위 )LG 전자 (8 위 ) 현대자동차 해외기업 (2 위 ) 애플, (3 위 ) 화웨이, (4 위 ) 오포, (5 위 ) 비보, (6 위 ) 샤오미, (7 위 ) 레노보, (9 위 ) 노키아, (10 위 )ZTE * 출처 : B3 17Q3 LIB 시장보고서, 17Q4 xev 시장보고서 (1 위 ) 테슬라, (2 위 )BYD, (3 위 )GM, (4 위 ) 닛산, (5 위 )BMW, (6 위 ) 르노, (7 위 ) 폭스바겐, (9 위 ) 토요타, (10 위 ) 다임러 일본전지업계는전기자동차시장점유율 1 위업체인테슬라등과의전략적제휴나강력한경쟁력을갖고있는자국내 자동차기업과의합작기업설립등을통해시장을확대를위해노력함. 54 한국산업기술평가관리원
ISSUE 2 전기추진자동차 (xev) 에너지저장시스템기술동향 그림 3. 이차전지형태별전기자동차적용예 * 출처 : B3 17Q2 xev 시장보고서 중국은자국내전기버스와 x-ev 시장확대정책을힘입어이차전지산업육성에전력을다하고있음. 그림 4. 중국전기자동차배터리채용예 * 출처 : B3 17Q2 xev 시장보고서 우리나라는유럽과미국등해외자동차업체와의공급계약을맺고시장확보를위해노력하고있으나, 지속적인전지의 단가인하의압박을받고있음. Korea Evaluation Institute of Industrial Technology 55
KEIT PD Issue Report PD ISSUE REPORT APRIL 2018 VOL 18-4 4. 맺음말 전기자동차 (xev) 의사용자수용성제고및시장경쟁력확보를위해에너지저장시스템의고도화를통한기술경쟁력확보가절심함. 전기자동차의시장경쟁력확보를위해사용자수용성제고가중요한요소이며, 특히일회충전주행거리향상과충전편의성제고는전기차사용자의불편해소와시장확대를위해중요한사안임. 전기자동차의주행거리확대를위해제한된장착공간에보다많은이차전지를탑재해야하며, 이는이차전지및시스템의에너지밀도향상에근간을두고있어차량용배터리시스템의에너지밀도를향상을위한셀및팩의지속적인에너지특성향상기술개발이필요함. 최근에는주행거리향상을위해차량에탑재되는배터리의용량이크게증가함에따라충전시간이길어져소비자편의성제고를위한충전시간단축요구가대두되고있어, 충전시간을단축하기위한이차전지및시스템에대한개발과실증지원이바람직함. [ 참고문헌 ] 1. 전기자동차용이차전지개발동향, 이존하, 신희영, 김현수, 엄승욱 (2010), 세라미스트제13권제5호 2. 중대형이차전지국가전략로드맵, 강석기, 산업통상자원부녹색산업선도형이차전지기술개발사업 3. HV Battery Thermal management for PHEV & EV, Int. Scientific Conf. on HEV and EV, Peugeot Citroen (2011) 4. Michael R. Cosley VP Technology Development Emerson Network Power, Energy Systems, North America 5. B3 17 Q4 x-ev 시장및장기예측보고서, B3 17Q3 LIB 시장보고서, 17Q3 ESS 시장보고서 56 한국산업기술평가관리원