보안과제 ( ), 일반과제 ( O ) 중장기녹색 R&D 방향및전략기획연구 중점녹색기술로드맵기획및전략이행점검 Roadmap of selected green technologies - Standardization and R&D strategies of Electric vehicles - 2013. 12.
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제출문 녹색기술센터소장귀하 본보고서를 세부사업명 - 세세부사업명 ( 중과제 : 중장기녹색 R&D 방향및전략기획연 구 ) 의 ( 세부과제 중점녹색기술로드맵기획및전략이행점검 ) 의보고서로제출합니다. 2013. 12. 주관연구기관명 : 녹색기술센터 부서명 : 정책연구부 세부과제연구책임자 : 손범석 연구원 : 전호식 인턴연구원 : 강서경
보고서초록 과제번호 연구기간 2013. 2. 1 ~ 2013. 12. 31 연구과제명 대과제명 중과제명 글로벌메가트렌드및기술환경모니터링을통한미래중점녹색 방향전략기획 중장기녹색 방향및전략기획연구 세부 단위 과제명 중점녹색기술로드맵기획및전략이행점검 중과제연구비 정부 천원 기업 천원 계 천원 중과제참여연구원수 총 명 내부 명 외부 명 연구기관명 녹색기술센터 부서명 정책연구부 참여기업 참여기업명 연구책임자 국제공동연구 상대국명 상대국연구기관명 위탁연구 연구기관명 연구책임자 연구기관명 연구책임자 요약 연구결과를중심으로개조식 자이내 세부과제연구책임자 보고서면수 손범석 본연구는친환경자동차로분류되는전기동력구동자동차 (HEV, PHEV, EV) 를대상으로표준화와연계한기술개발전략을도출해낼목적으로수행 전기자동차를생산하고있거나 ISO, IEC 등의국제표준기구에서표준화활동을전개해나가고있는국가들대상으로, 시장및기술개발동향, 표준화동향을분석 대상기술은배터리부문에서는배터리팩에너지밀도향상기술, 배터리제어기술, 리튬계전지소재기술, 차세대전지용핵심소재기술, 배터리팩차량최적화설계기술, 배터리재활용기술을선정 한편, 충전부문에서는차량탑재형배터리충전장치설계및장착기술, 완속충전기술, 급속충전기술, 충전인터페이스설계및제작기술, 양방향충방전및계통운용기술을선정하였으며, 각부문별로국가별표준화역량수준을전문가설문조사를통해도출 배터리및충전 / 인프라부문에서의표준화및기술개발전략도출 배터리부문에서는우리나라의경우차세대전지분야에서원천소재개발뿐아니라이를바탕으로이차전지기술개발을추진하여표준화에대응하는것이시장을리드할가능성이높을것으로판단 충전 / 인프라부문에서는국가간기술격차가크게나지않으며, 향후전개될표준화의방향에따라전략적인선택을할필요가있음 색인어 각 개이상 한글 영어 하이브리드자동차 플러그인하이브리드자동차 전기자동차 표준화 기술개발전략 배터리 충전인프라
목차 목 차 제 1 장서론 1 제 1 절연구의배경및필요성 1 제 2 절연구목표및내용 2 제 2 장전기자동차관련국내외주요현황분석 4 제 1 절국내외정책동향 4 1. 국내 4 2. 유럽 7 3. 미국 8 4. 일본 11 5. 중국 12 6. 기타 15 제 2 절국내외시장및기술개발동향 18 1. 국내 18 2. 유럽 21 3. 미국 22 4. 일본 24 5. 중국 26 6. 인도 27 제 3 장국가별표준화및기술경쟁력분석 29 제 1 절전기자동차부문의표준화 29 1. 표준화의개념및필요성 29
중점녹색기술로드맵기획및전략이행점검 2. 전기자동차부문의표준화동향 31 제 2 절기술및표준화대상정의 39 제 3 절전문가설문조사시행체계및결과분석 40 1. 설문조사개요 40 2. 설문조사결과분석 41 제 4 절분석결과및시사점 51 제 4 장부문별국가간기술경쟁력분석 52 제 1 절배터리부문 52 1. 국내 52 2. 유럽 68 3. 미국 70 4. 일본 72 5. 중국 75 6. 시사점 76 제 2 절충전기 / 충전인프라부문국내외기술경쟁력분석 77 1. 국내 82 2. 유럽 87 3. 미국 89 4. 일본 94 5. 시사점 96 제 5 장결론 101 제 1 절우리나라배터리및충전 / 인프라부문의종합경쟁력 101 1. 전문가설문조사시사점 101 제 2 절배터리부문의표준화및기술개발전략제언 102
목차 1. 우리나라표준화정책및시사점 102 2. 국제표준화를고려한향후기술개발전략 102 제 3 절충전 / 인프라부문의표준화및기술개발전략제언 103 1. 우리나라표준화정책및시사점 103 2. 국제표준화를고려한향후기술개발전략 106 참고문헌 108 [ 별첨 1] 전문가설문조사참고자료 113 [ 별첨 2] 전문가설문조사지 127 [ 별첨 3] 일본세미나참석보고서 143
중점녹색기술로드맵기획및전략이행점검 표목차 < 표 2-1> 전기자동차 SWOT 분석 4 < 표 2-2> 전기차육성정책의기본방향 5 < 표 2-3> 저탄소협력금제도구간및금액설계 ( 안 ) 6 < 표 2-4> 독일의일렉트로모빌리티시장로드맵 7 < 표 2-5> 美정부의 2011년전기차지원강화방안 9 < 표 2-6> 일본의차세대자동차육성 6대전략 12 < 표 2-7> 중국주요도시전기차보급계획 (12차 5개년계획기간 ) 13 < 표 2-8> 중국주요도시의전기차보조금현황 13 < 표 2-9> 중국신에너지자동차산업발전로드맵 14 < 표 2-10> 국가별전기자동차구매보조금현황및계획 16 < 표 2-11> 국가별전기자동차관련세금감면현황및계획 16 < 표 2-12> 국가별전기차관련기타인센티브현황 17 < 표 2-13> 친환경자동차생산현황 19 < 표 2-14> 친환경자동차내수판매현황 19 < 표 2-15> 국내전기자동차판매전망 19 < 표 2-16> 전기자동차기술개발동향 20 < 표 2-17> 유럽의기술개발및보급실증지원동향 22 < 표 2-18> 미국의배터리화학소재지원현황 23 < 표 2-19> 미국의기술개발및보급실증지원동향 24 < 표 2-20> 일본의기술개발및보급실증지원동향 25 < 표 3-1> ISO/TC22의기술위원회현황 35 < 표 3-2> IEC 국제표준화기준 37 < 표 3-3> 커넥터및인렛표준현황 38 < 표 3-4> 주요 6개국의전기차생산량및생산업체동향 39 < 표 3-5> 설문조사응답자현황 40 < 표 4-1> 국내이차전지산업육성전략 53 < 표 4-2> 국내양극재료개발현황 57 < 표 4-3> LiMnO의전이금속치환에따른수명특성변화 58
목차 < 표 4-4> 분리막개발현황 66 < 표 4-5> 직접충전방식개요 79 < 표 4-6> 충전기의핵심부품 98 < 표 5-1> 배터리분야에서의 IEC와 ISO 역할체계 102
중점녹색기술로드맵기획및전략이행점검 그림목차 < 그림 2-1> 미국정부의배터리개발목표 9 < 그림 2-2> 중국의전기자동차생산량 26 < 그림 2-3> 인도의전기자동차판매수추이 27 < 그림 2-4> 인도의전기자동차판매전망 (2013~2018) 28 < 그림 3-1> ISO와 IEC의국제표준화활동 33 < 그림 3-2> 전기자동차의국제표준과정 34 < 그림 3-3> 전기자동차관련국제표준화체계도 36 < 그림 3-4> 배터리팩에너지밀도향상기술부문국가별수준 41 < 그림 3-5> 배터리제어기술부문국가별수준 41 < 그림 3-6> 리튬계전지소재기술부문국가별수준 42 < 그림 3-7> 차세대전지용핵심소재기술부문국가별수준 42 < 그림 3-8> 배터리팩차량최적화설계기술부문국가별수준 43 < 그림 3-9> 배터리재활용 ( 재제조, 재활용 ) 기술부문국가별수준 43 < 그림 3-10> 차량탑재형배터리충전장치설계및장착기술부문국가별수준 44 < 그림 3-11> 완속충전기술부문국가별수준 44 < 그림 3-12> 급속충전기술부문국가별수준 45 < 그림 3-13> 충전인터페이스장치설계및제작기술부문국가별수준 45 < 그림 3-14> 양방향충방전 (V2G) 및계통운용기술부문국가별수준 46 < 그림 3-15> 기술부문의종합분석결과 46 < 그림 3-16> 표준화부문의종합분석결과 47 < 그림 3-17> 국가별종합분석결과 (1) 48 < 그림 3-18> 배터리부문의 Positioning mapping 결과 49 < 그림 3-19> 충전 / 인프라부문의 Positioning mapping 결과 50 < 그림 4-1> BMS 구성과작용흐름도 55 < 그림 4-2> 리튬전지소재업체및점유율현황 56 < 그림 4-3> Li-Ni-Mn-Co-O계활물질에서 Co양에따른 Ni 무질서도변화 59 < 그림 4-4> A Compositional phase diagram of a 'layered-layered spinel' system 61 < 그림 4-5> Soft Carbon(a) 과 Hard Carbon(b) 의구조모델 62
목차 < 그림 4-6> 카본의열처리온도에따른비용량관계 63 < 그림 4-7> Physical properties of organic solvents 65 < 그림 4-8> 폐리튬이온전지의재활용공정도 68 < 그림 4-9> NEDO의차세대배터리기술개발로드맵 72 < 그림 4-10> 충전인프라의구성도 77 < 그림 4-11> 전기자동차지능형운송기술체계 78 < 그림 4-12> 비접촉식충전방식의개요도 79 < 그림 4-13> 배터리교환방식 80 < 그림 4-14> 충전기관리시스템 80 < 그림 4-15> 전기자동차충전기및충전방식구분 81 < 그림 4-16> 국가및지역별전기자동차의충전기인터페이스현황 82 < 그림 4-17> 국내스마트그리드내충전인프라개념도 83 < 그림 4-18> 전기자동차용전력선통신시스템 85 < 그림 4-19> 에너지절감형센서노드운영체계 86 < 그림 4-20> 공진자기유도방식의무선충전개요도 87 < 그림 4-21> 급속충전시스템의 PLC통신구성도 ( 미국, 독일 ) 88 < 그림 4-22> 무선충전시스템 ( 볼보, C30) 89 < 그림 4-23> 미국의전기자동차 V2G 기술 90 < 그림 4-24> Microsoft-Toyota가제휴한스마트전기자동차개념도 92 < 그림 4-25> 유도식 ( 비접촉식 ) 충전시스템원리 92 < 그림 4-26> 퀄컴사의무선충전원리 93 < 그림 4-27> Leaf to Home( 닛산 ), V2H 실증시험 ( 덴소 ) 95 < 그림 4-28> 국내주요업체별충전기현황 97 < 그림 4-29> 국산 IGBT 전력소자 (KEC, 화인 SPN) 98 < 그림 4-30> 전력 DSP 제어칩셋 (TI, 미국 ) 99 < 그림 4-31> 퀄컴 QCM7000 적용 PLC 통신모뎀 99 < 그림 4-32> 미국및일본수출형전기자동차의충전기 ( 시그넷시스템 ) 100 < 그림 5-1> 전기자동차충전기표준화대상 104 < 그림 5-2> 국내출시전기자동차충전커플링현황 105
제 1 장서 론 제 1 장서 론 저탄소사회의구축을위해녹색기술및녹색산업을통한지속가능한개발이새로운성장패러다임으로대두 지구온난화와에너지고갈문제등범세계적인위기의식고조로인하여기후변화에대응하기위한다양한기술들이개발진행중 전통적녹색기술은재생에너지, 청정에너지등환경친화적자원활용기술을의미하였으나, 최근에는 IT, BT, NT 등신기술간, 또는기존제품및산업간의융합을지향하는융합녹색기술로영역이확대되고있음 이에따라새로운국가성장동력원의체계적인확보를위한범정부차원의녹색기술산업의신성장동력화실행전략의수립이필요한시점임 친환경자동차의대두 자동차배출가스에대한국제적인환경규제의강화, 석유자원의고갈가능성증대, 고유가지속등의원인으로인하여, 세계자동차시장의패러다임이내연기관자동차에서전기를동력으로하는전기자동차로이행중 주요자동차생산국을중심으로연비가높은경차및하이브리드차, 클린디젤자동차의판매증가세가이를반영하고있음 세계적인흐름으로볼때전기자동차는더이상선택의문제가아니라국제경제환경과자동차산업의판도를뒤흔들수있는핵심기술로인식되고있음 선진국을중심으로친환경자동차에대한정책적인지원및환경규제강화 주요자동차산업국을중심으로, 친환경자동차에대한연구개발지원, 세제및보조금지원, 도로운행상의편의제공및각종인센티브제공형태로정책적인지원을시행 우리나라역시자동차생산국중하나로서, 최근하이브리드카및전기차생산및보급을지원해온한편제주스마트그리드실증단지에서전기차운행실증사업을진행 또한친환경자동차및전기차의구매를촉진하기위한 저탄소협력금 제도가도입되면서향후자동차산업의구조적인변혁을예고 - 1 -
중점녹색기술로드맵기획및전략이행점검 전기자동차의구분및개념 전기자동차는전기를동력원으로움직이는차량을말하며전기자동차의종류로는하이브리드 자동차, 플러그인하이브리드자동차, 순수전기자동차, 연료전지자동차등이있음 본보고서에는하이브리드자동차, 플러그인하이브리드자동차, 순수전기자동차를대상으로 함 - 하이브리드자동차 (HEV, Hybrid Electric Vehicle) : 넓은의미로는서로다른두종류 이상의동력원을효율적으로조합하여구동하는차량을의미하나, 통상적으로는연료를 사용하여동력을얻는엔진과전기로구동시키는전기모터로구성된시스템으로되어 있는자동차를말함 - 플러그인하이브리드자동차 (PHEV, Plug-in Hybrid Electric Vehicle) : 화석연료와전기 에너지를동시에사용한다는점에서하이브리드자동차와유사하나, 보다더큰용량의 배터리를사용하여전기를주동력원으로사용하며전력망을통해배터리를충전한다는 점에서하이브리드자동차와다름 - 순수전기자동차 (EV, Electric Vehicle) : 순수하게전기에너지만을이용하여, 차량내부에 탑재된배터리로만주행하는자동차 표준화의정의및필요성 표준화란제품의상호운용성, 공정체계의단순화, 제품간호환성향상, 관계자간의사소통 개선, 제품의안전성확보등을목적으로, 공통적이고합리적인기준을설정하고그에맞추는 것을의미함 전기자동차산업은자동차제조기술과전력전송기술, IT 기술등이어우러진융 복합 산업으로서, 이의실용화및보급을위해서는표준화가필수적임 또한주요자동차생산국인독일, 미국, 일본등선진국을중심으로, 국제표준을통하여 시장을선점하려는노력이활발히전개되고있음 따라서본보고서에서는, 전기자동차와관련한국제표준화의동향을파악하고우리나라의 국제표준경쟁력을전문가설문조사를통해분석함 전기자동차배터리및충전부문의기술개발및표준화전략제언 대표적인국제표준화기구인 ISO 1) 및 IEC 2) 에서는전기자동차관련하여다양한항목의표준이 제정진행중에있으며, 주로독일을비롯한유럽, 미국, 일본등이활발히참여 1) International Standardization Organization 2) International Electrotechnical Commission - 2 -
제 1 장서 론 특히충전인프라분야에서각종인터페이스규격, 통신기술등과관련하여국가간표준이달라현재까지논의가되고있는상황임 그러나우리나라는현재까지표준화에대한무관심, 국제적인참여부족, 기술력부족등다양한원인에의해, 국제표준의제정에실질적인목소리를내지못하고있으며이는국내전기자동차산업및보급기반에도직간접적으로영향을미치고있음 따라서, 전기자동차배터리및충전부문의기술개발전문가와표준화전문가를대상으로, 핵심기술과표준화수준에관한설문조사를기반으로하여향후우리나라의기술개발및표준화전략을도출하여정책적으로제언하는것을본보고서의목적으로함 - 3 -
중점녹색기술로드맵기획및전략이행점검 제 2 장전기자동차관련국내외주요현황분석 1. 국내 국내친환경자동차육성정책현황 2008년발표된과학기술기본계획에서는 7대기술분야중점과제인주력기간산업기술 고도화부문에서환경친화적자동차기술을중점육성기술로선정 또한지식경제부에서발표한 ' 지식경제통합기술청사진 ( 지식경제부, 2008. 9.)' 에서는친환경 (Low CO 2, 저배기가스 ), 고안전, 고감성, 편의성향상을통한녹색성장과인간친화를자동차 산업의메가트렌드로설정 - 각국의환경규제강화및고유가추세가지속됨에따라전기자동차를통한미래시장 선점의필요성이증가 - 최근주요국정부가전기차개발 보급을적극지원하고있어 2010년대중반이후전기차 수요가본격증가할가능성이증대 < 표 2-1> 전기자동차 SWOT 분석 Strength Weakness 내부환경 자동차산업세계적경쟁력확보 배터리등핵심부품경쟁력확보 원천기술의선진국선점 국내내수시장규모가작음 외부환경 220V전력사용으로고효율가능 IT산업기술경쟁력보유 전용부품기술효율향상요구 충전용사용가능주차장부족 Opportunity S-O전략 W-O전략 배터리기술경쟁력강화 희토류 / 리튬대체기술확보 국가적친환경차공감대형성 스마트그리드전력인프라확보 부품효율향상통한연비확보 스마트그리드활성화 기술표준선점활동강화 부품공용화 / 표준화로저가화 Threat S-T전략 W-T전략 원천기술국산화위한자금지원 중국의전기차저가정책 중국저가정책기술 / 신뢰성대응 충전인프라의환경적 / 경제적홍보 희토류, 리튬등소재비상승 별도전력계로할인요금부과 충전 / 주차기능공용주차장확보 충전인프라비용 / 누진세 수출확대통한가격경쟁력확보 국제표준참여로선진기술습득 자료 : 지식경제부 (2009) - 4 -
제 2 장전기자동차관련국내외주요현황분석 우리정부는전기자동차산업육성추진과제를단기와중기과제로구분하여전기차의기술개발, 실증사업, 보급사업을단계적으로추진 - ( 단기과제 ) 1 배터리등전기차부품기술개발지원, 2 전기차주행및안전기준, 충전시설기준등법 제도정비 - ( 장기과제 ) 3 시범생산및도로운행실증사업지원, 4 공공기관및일반소비자대상보급활성화지원 - 공공기관전기차의무구매비율할당, 전력인프라구축문제등에대해서는중장기적으로검토할예정 < 표 2-2> 전기차육성정책의기본방향 민간양산체계지원주요부품전략적 R&D 초기시장창출, 보급기반확충지속성장가능한생태계조성 완성차업체에집중된기술력을전문부품기업이균형있게확보하여동반성장이가능하도록정부 R&D사업에중소 중견기업의참여기회를확대하고, 현재수직계열형의산업생태계를수평협력형으로전환할수있도록중견기업과대기업이수평적개발체계하에서전기차를공동개발하는 R&D사업지원 선진국대비기술경쟁력이있는전기동력자동차에대해서는조기경쟁력확보를위해대형과제중심으로부품개발지원하고, 기술격차가있는엔진기반자동차에대해서는조기경쟁력확보를위해효율향상, 미개발된부품은국산화개발지원 국내부품업체의글로벌화를위해서중소 중견부품업체에대한기술개발지원을강화하고국제표준화대응결과의지속적인피드백으로기술개발활용성제고에노력 보급초기단계에서시장확대를위해범부처간협력을통해온실가스감축, 도시교통인프라등국가전략과연계한그린카보급정책을추진하고, 민간사업자를비즈니스측면에서시장형성에참여하도록유도 충전인프라구축을위해정부는에너지정책과연계하여에너지시장및수요예측에근거한세부지원전략을수립하고민간사업자를통한단계적보급방안과연계필요 실증사업등을통해일정시장규모를확보할수있도록국내내수체계의정비와시장규모성장을유도하고, 소규모지역거점형보급사업을통해기술검증과기술및문화학습과정을거치도록함 자료 : 지식경제부 (2009) 저탄소협력금제도도입전망 저탄소협력금제도의도입배경 - 우리나라는승용차부문에서중 대형차의비중이높아 CO 2 를과다하게배출하는상황 - 중 대형차등록비중은 2011년당시 81.9% 로서, 경 소형차대비 1.4~2.6배 CO 2 배출 - 5 -
중점녹색기술로드맵기획및전략이행점검 - 차량평균 CO 2 배출량이선진국대비높은수준 ( 주요국경차비중 : 일본 27%, 프랑스 39%, 이탈리아 29%, 영국 28% 3) ) - 중 대형차를좋아하는자동차소비문화로인하여 CO 2 과대배출및에너지낭비를초래하고있지만저탄소친환경자동차로소비를전환시키기위한정책수단이부재 저탄소협력금제도의기본방향및주요내용 - 프랑스가 2008년부터시행한 보너스-맬러스 (Bonus-Malus) 제도를벤치마킹하여, 온실가스배출량에따라차량구매자에게부과금과보조금을차등적으로지급하는제도 - 차량소비자로하여금저탄소형차량을구매하도록소비패턴유도하는한편, 제작업체는 CO 2 저감기술개발을가속화할수있도록제도설계 기본구간및금액 ( 안 ) - 탄소배출량 100g/km 이하에대해서는보조금 50~700만원지급, 부담금은 126g/km 이상인차량에대하여 25~700만원부과 - 중립구간은 ʼ15년에는 101~125g/km, ʼ16년에는 101~120g/km, ʼ17년에는 91~110g/km으로조정될전망 < 표 2-3> 저탄소협력금제도구간및금액설계 ( 안 ) 구분기준 (g/km) 2015년 ( 만원 ) 보조금 중립구간 부담금 60이하 700 61~70 71~80 300 81~90 100 91~100 50 101~110-111~120-121~125-126~130 25 131~140 50 141~150 75 151~160 100 161~170 150 171~180 300 181~190 191~200 500 201~ 700 자료 : 한국환경정책평가연구원 (2013) 3) 한국환경정책평가연구원 (2013), 저탄소협력금제도와전기차보급 - 6 -
제 2 장전기자동차관련국내외주요현황분석 2. 유럽 EU 각국정부는친환경차연구개발및관련인프라구축지원확대 EU 집행위는 2012년 11월에 CARS 2020 Action Plan을수립 - 주요내용은공해배출억제, 연구예산지원, 전기이동성, 도로안전, 근로자교육훈련, 스마트규제, 통상과국제조화등으로구성 - EU 27개국은신규등록승용차의 CO 2 배출량을 2012년부터평균 130g/km로규제하고 (2009. 4), 위반시초과배출량 1g당 20~95유로의벌금을부과하여사실상조건을만족시키지못하는차량을시장에서퇴출계획 영국정부는 2002년부터 London Hydrogen Partnership(LHP) 프로젝트를추진하고있으며, 5,700만달러의예산으로철도역에전기차충전소를설치하고, 민간충전기설치비용의 75% 를보조할계획 - 영국정부는 5,000만파운드를투자해수소연료전지버스, 승용차, 스쿠터등을개발하고, 충전인프라등을구축했으며, 도요타사가최근동참 2009년독일정부는차세대전기구동자동차시장을선점하기위하여 electro-mobility 계획을발표하고, 배터리, 전기차, 플러그인하이브리드차를주요개발대상으로지정 - 전기구동자동차시장선도를위해 2020년 100만대전기차도로운행을목표로각종 R&D 지원및인프라구축계획수립 < 표 2-4> 독일의일렉트로모빌리티시장로드맵 구분 배터리개발 차량기술개발 인프라 법제도 1 단계 ('09~'11) 시장준비단계 1 세대리튬이온배터리생산시작 2 세대리튬이온배터리 R&D EV & PHEV 개조차및시제품개발 EV, PHEV 용전기, 전자, 기계핵심부품 R&D 신부품개발 전력망연계시험및실증사업 공동충전시설구축 안전표준화 충전인터페이스표준화 규제방안제정 2 단계 ('11~'16) 시장형성단계 1 세대리튬이온배터리양산 2 세대리튬이온배터리시범생산 3 세대리튬이온배터리 R&D 기플랫폼활용 EV, PHEV 소량생산 2 세대 EV/PHEV 플랫폼완성 2 세대플랫폼기반핵심부품개발 도시연결충전인프라망구축 충전및에너지전송시스템고도화 보조금제도마련 민간구매방안마련 시장개발 시범실증사업추진 민간구매시작 충전및배터리신사업모델창출 3 단계 ('16~'20) 양산단계 2 세대리튬이온배터리양산시작 3 세대리튬이온배터리시범생산 2 세대 EV/PHEV 대량양산 2 세대차량고도화 전지역충전인프라구축 비접촉에너지전달시스템구현 100 만대전기차독일도로점령 ( 20) 독일이전기자동차시장선도 자료 : elektromobilitaet 홈페이지 (www.forum-elektromobilitaet.de) - 7 -
중점녹색기술로드맵기획및전략이행점검 프랑스정부는향후 4년간전기차개발에 4억유로를지원할계획이며, 포르투갈도리튬이온배터리생산설비구축을지원 - 프랑스와오스트리아는신차판매중저탄소배출자동차를우대하는 BMS(Bonus-Malus) 제도를운용 EU 집행위는충전표준으로콤보 (Combo) 방식을채택하였으며, 유럽업체들은급속충전표준과관련해서는통합충전시스템 (CCS: Combined Charging System) 을개발하여보급 - 동시스템은 CCS, CHAdeMO 4) 와교류 3상충전이모두가능 3. 미국 에너지안보중심의전략적지원체계구축 미국정부는에너지안보차원에서자동차업체들이전기자동차를비롯한친환경자동차를개발하도록규제와지원을강화 - 미국은 2009년 8월, 완성차업체와부품업체가추진하는전기자동차개발프로젝트에 24억달러 (2조 4천억원 ) 의대규모자금을지원하고있으며, 최근에는총 80억달러규모의전기차지원강화방안을발표 그린뉴딜정책을통하여그린카를포함한녹색분야에총 150조원 (2009~2018년) 을투자하고 2013년까지 70만대의 EV 및 PHEV를보급할계획 - 그린카모델별구매보조금은차등지급 (PHEV, EV : 7,500달러, HEV : 2,500달러 ) 주정부들이연방정부의 7,500달러의혜택이외의인센티브를추가로제공 - 현재 17개주가전기차구매자에게각종인센티브를제공 - 조지아등 9개주는전기차구매자에게 1,500~6,000달러의세제혜택을제공하고있으며루이지애나, 하와이, 워싱턴은최소 1,200달러의가정내충전소설치비용을보전, 메릴랜드, 뉴저지등은 6.5% 의판매세면제혜택을제공 전기자동차구매보조금상한선인상검토및구매보조금지급기한연장 - 캘리포니아주정부는최근 1,050만달러의구매보조금을추가로조성하고대당 2,500달러의전기자동차구매보조금을지급 - 캘리포니아주정부는 2025년까지전기자동차 (PHEV, BEV, FCEV) 를 150만대보급할계획 4) 일본에서발생한용어로, 충전한다는뜻의 Charge 와이동을뜻하는 move 를합친조어로서, 급속충전방식의상표명임. 최대 62.5kw 의직류를사용하는급속충전방식으로서, 커넥터의규격이나충전방법, 통신방법을 CHAdeMO 협의회에서통일하고있음. - 8 -
제 2 장전기자동차관련국내외주요현황분석 < 표 2-5> 美정부의 2011 년전기차지원강화방안 주요정책구매인센티브지원방식변경전기차관련인프라투자및구축관련단체지원전기차판매업체에대한세액공제한도확대친환경차기술개발지원금확대정부기관의플릿구매확대 내용 전기차구입인센티브 7,500달러지급방식변경 ( 세액공제 현금리베이트 ) 20~30 개의전기차인프라구축관련단체에 2 억달러지원 누적판매 20 만대 50 만대 3.1 억달러 5.9 억달러 약 4 만대의정부플릿구매차량을전기차로대체 자료 : Automotive News 등주요언론사기사취합 미국정부는다양한충전방식의개발을지원하고있으며, 2012년 10월부터 3년간무선충전기술개발을지원중 미국내업체의경쟁력이취약한배터리의개발과생산기반및충전인프라구축에 24억달러를지원함으로써새로운기업의자동차산업생태계로의진입을유도 - 배터리관련부품개발에 20억달러의연구개발예산을보조, 전기차인프라구축에 4억달러지원 < 그림 2-1> 미국정부의배터리개발목표 자료 : Marcy Lowe et al(2010) - 9 -
중점녹색기술로드맵기획및전략이행점검 - 미국내생산 ( 배터리, 관련부품및소프트웨어 ) 을전제로기업에대한지원을확대하고있으며, 배터리개발지원에따라지원전 2% 에불과하였던전세계배터리생산에서차지하는미국의비중이 2012년 20%, 2015년 40% 로증가할것으로기대 미국은자동차업체의평균연비를규제하는 CAFE 5) 기준을강화 - 2016년까지자동차온실가스배출을 250g/mile로규제하고, 자동차기업평균연비 (CAFE) 규정을 35.5mpg로강화 - CAFE 규정을 0.1mpg 초과할때마다대당 5.5달러의벌금을부과하는등친환경차를생산할능력이없는완성차업체를시장에서퇴출시키는정책을강화하고있는추세 캘리포니아주는판매대수가 6만대이상인업체는판매대수의 2.5% 에해당하는차량을배출가스가없는차량 (ZEV) 로판매해야하고, 이기준을충족하지못하면대당 5,000달러의벌금을부과 - 2015년에는 ZEV가전체판매차량의 6% 를차지할예상 미국에너지부는 Clean Energy Grand Challenge; EV Everywhere Initial Framing Document를통해 2022년전기자동차개발목표를설정 - 에너지부는 30~50개프로젝트에 5,000만달러를지원할계획이며, 배터리연구개발, 전기주행시스템연구개발, 차량경량화와첨단기후조절기술개발의 4개분야를중점지원할예정 - 이러한지원정책을통해 2022년까지배터리원가를 $500/kWh에서 $125/kWh로인하하고, 2017년에배터리밀도를현재의 100Wh/kg에서 250Wh/kg 으로증대하는한편전기주행시스템원가를 $30/kW에서 $8/kW로인하하도록유도할계획 - 에너지부는완성차업체에게차량중량을 30% 경감하도록권고하고있으며차체 35%, 셰시와서스펜션 25%, 인테리어 5% 의경량화가가능한것으로전망 - 미국정부는중장기전기자동차개발목표로 1회충전 380km 주행, 가격 3만달러미만으로설정 - 2030년까지자동차의석유사용량을 50% 축소하고 2050년까지사용량과공해배출을 80% 감축할계획 6) 5) 기업평균연비규제 (Corporate Average Fuel Economy) 6) 미에너지부의 Transportation Energy Futures 프로젝트 - 10 -
제 2 장전기자동차관련국내외주요현황분석 4. 일본 핵심기술개발위주의지원정책시행 일본은차세대자동차육성 6대전략 ( 전체전략, 전지전략, 자원전략, 인프라전략, 시스템전략, 국제표준화전략 ) 을마련하고공급자측대책 ( 연구개발지원, 연비규제등 ) 과수요자측대책 ( 보조금, 세제등 ) 을감안한종합적인정책을추진하여 2020년신차판매에서차지하는전기차비율을최대 50% 이상으로설정 - 1996년 7월, 건설성 (MOC), 경찰청 (NPA), 통산성 (MITI), 운수성 (MOT), 우정성 (MPT) 의정부 5개부처를중심으로 ITS 사업을정부주도의하향식 (Top-down) 으로수행 차세대저공해자동차개발 등을통해 HEV 및 FCEV 기술개발에 1,060억엔 (1998~2012년 ), 차세대자동차전략 을통해 EV 등의전력기반차에사용되는배터리기술개발에 210억엔 (2009~2015년) 지원 - 일본정부는전기자동차판매가 2010년 4개모델 8,700대에서 2015년에는 15개모델 20만 2,000대로증가하고, 2030년에는 17개모델 72만 8,000대의판매가이루어질것으로전망 전기자동차의원활한보급을위해 2020년까지완속충전기 200만기와급속충전기 5,000기를설치할계획 - 하이브리드카를구입하는고객에게일반차량과의차액중절반을국가에서보조하며 1년간자동차세 50%, 취득세 2.2% 경감등세제혜택부여 - 일본정부는전기자동차구매보조금으로최대 700만원을지원하고있으나, 충전기설치보조금은현재로서는미지급 - 11 -
중점녹색기술로드맵기획및전략이행점검 < 표 2-6> 일본의차세대자동차육성 6 대전략 구분목표액션플랜 전체전략전지전략자원전략인프라전략시스템전략국제표준화전략 일본차세대자동차개발 생산거점화세계최첨단전지연구개발 기술확보희귀금속화보및자원순환시스템구축완속충전기 200만기및급속충전기 5000기도입차량을시스템 ( 스마트그리드 ) 으로수출일본주도전략적국제표준화 보급목표 (2020년 2030년 ) 의설정 - 차세대자동차 : 2020년최대 50% - 선진환경대응차 : 2020년최대 80% 연료다양화 저탄소형산업입지촉진 리튬이온 전지의성능향상 포스트리튬이온전지개발 전기자동차보급을통한양산효과창출 전지 2차이용을위한환경정비 upstream : 전략적자원확보 mid-stream : 희귀금속 free 전지 모터개발 downstream : 전지리사이클시스템구축 본격보급기로의이행 - EV PHEV타운 best practice 자료집제작및민간과연계 EV PHV 타운통한신규비즈니스모델창출 차세대에너지사회시스템실증사업통한검증 검증결과고려한국제표준화 비즈니스추진 전지성능 안정성평가기법의국제표준화 충전커넥터 시스템의국제표준화 민관협력표준화검토체제강화 표준화인재육성 자료 : 일본경제산업성 (2010), 차세대자동차전략 2010( 次世代自動車戦略 2010) 5. 중국 중국의기술개발및보급지원정책 중국과학원은 2009년 8월, 전기자동차연구개발센터 를설립하여직접적인 R&D를지원함과동시에, 10차 5개년계획에서신에너지자동차산업발전에 10억위안 ( 약 1,500억원 ) 을투입 - 친환경자동차의수요를촉진하기위해전기자동차구매보조금지급을시행하고있으며 2010년 ~2012년중전기자동차구매에 6만위안의보조금을지급 - 최근수립된 12차 5개년계획 (2011~2015년) 에서는주요도시를중심으로생산능력확충및보급계획을수립 - 12 -
제 2 장전기자동차관련국내외주요현황분석 < 표 2-7> 중국주요도시전기차보급계획 (12 차 5 개년계획기간 ) 지역베이징시톈진시허베이성산시성 생산및보급계획 생산능력 46만대 창안자동차 30만대, 베이징자동차15만대, 차형은미디전기차, C70, C30 등베이징순수전기차포함, 종다옌징 1만대전기자동차기지건설 이치샤리자동차는 3.5억위안이상을투자전기승용차생산을추진하고, 차형은자주적으로개발된 2011판웨쯔V1 프랫폼의제품임 계획생산능력은 53만대 창청자동차, 쓰쟈주앙쐉환 (), 허베이창안과친황다오진청신에너지자동차연구추진 탕샨처페댠, 처페덴리튬에너지전기차파워트레인과상하이탕산처페댠자동차녹색에너지자동차등 3개대형프로젝트추진 생산능력 10만대 자료 : 国际能源网 (2011.3.) 홈페이지 (http://www.in-en.com) 최근중국정부는 2015년까지의신에너지자동차구매보조금지급정책확정 - 승용차의경우전기동력주행거리를기준으로보조금을지급할방침이며, 플러그인하이브리드자동차는 1회충전 50마일주행이가능할경우 35,000위안, 배터리전기자동차는 80~150마일주행이가능할경우 45,000위안, 150~250마일주행이가능할경우 50,000위안, 250마일이상주행이가능할경우 60,000위안보조계획 - 베이징시정부는전기차구매를촉진하기위해번호판을무료로부여하고 19,000달러의구매보조금을지급 < 표 2-8> 중국주요도시의전기차보조금현황지역종류국가자원지방추가지원보조금합계 상하이 HEV EV 5만위안 6만위안 2만위안 4 5만위안 7만위안 10 11만위안 선전 HEV EV 5만위안 6만위안 3만위안 6만위안 8만위안 12만위안 허페이 HEV EV 5만위안 6만위안 - 2만위안 5만위안 8만위안 창춘 HEV EV 5만위안 6만위안 약 4만위안약 4만위안 9만위안 10만위안 총칭 HEV EV - - 0.4만위안 3.6만위안 0.4만위안 3.6만위안 자료 :Motolink 홈페이지 (http://www.motorlink.cn) - 13 -
중점녹색기술로드맵기획및전략이행점검 전세계자동차생산 1위인중국은자동차발전정책 (2010.8월) 등을통해 EV, HEV, FCEV 기술개발에 10년간 1,000억위안을투자하여 2020년전력기반차 1.5백만대를생산하고 5백만대보급 ( 누적 ) 을목표로설정 엔진기반의자동차기술및친환경차, 고효율차, 지능형자동차등광범위한분야에서의원천기술개발과상업화기술개발역량등을확보하기위해장기적인계획을수립및운용 < 표 2-9> 중국신에너지자동차산업발전로드맵 시기발전목표주요내용주요정책 주요내용 신에너지자동차전지, 전자기기및전자제어기술발전 동력전지모듈성능 150Wh/kg 이상, 전기구동시스템공률밀도 2.5kW/kg 이상달성 2015 년 전기자동차와하이브리드동력자동차의누적생산판매량 50만대달성 시장규모에걸맞는충전설비체계와신에너지자동차상업운행모델구축 신에너지자동차동력전지, 전자기기와전지제어기술혁신발전능력형성 동력전지모듈성능 300Wh/kg 이상달성 2020 년 전기자동차및하이브리드자동차누적생산판매량 500만대달성 충전인프라관련전기자동차운행수요만족도제고 기술수준의국제선진수준도달. 신에너지자동차와부품연구시험기지건설 전산업이공유할수있는시험기반 /DB 구축 신에너지자동차의혁신공정실시 산업화과정중차체신소재와구조경량화등공용기술개발 신에너지자동차충전기술및설비표준체계구축 공공서비스영역의신에너지자동차시범추진 신에너지자동차에대한보조금지급 신에너지자동차전지임대및충전교환서비스등각종비즈니스모델모색및시장보급체계형성 재정세무장려정책완비, 신에너지자동차소비와사용장려 동력전지회수와누진이용관리제도마련 자료 : 산업연구원 (2012) 전략형신흥산업육성계획 중국은 2012년에수립한 12.5 전략형신흥산업육성계획 에서배터리전기자동차와플러그인하이브리드카산업화의전략적육성을강조 - 신에너지자동차산업의고성능동력전지, 모터등주요부품및재료의핵심기술을개발하고응용하여산업화시스템을구축할계획 - 전지, 모터등핵심부품의기초적인업그레이드와산업시스템의경쟁력을향상시키는동시에신에너지자동차의보급을가속화할예정 - 14 -
제 2 장전기자동차관련국내외주요현황분석 - 신에너지차관련기술은물론차량설계기술, 고효율저배기가스배출엔진기술, 지능형전자제어기술등전장및경량화등의기술발전에도주력 - 연구개발의 20~50% 를국가의재정보조나세금감면등을통해지원 보급체계구축및표준화정책 전기자동차인프라구축사업진행 - 도시의전기충전및배터리교환시스템건설을주력사업으로, 핵심목표는 2015년 100개도시에전기충전및교환초급시스템건설을완성하고, 2020년에는 100개도시마다 5만 ~10만대의전기자동차충전및교환이가능한시스템구축 - 제1단계로는공무수행차, 택시, 렌트카, 기업업무용차량을중심으로보급하여, 2015년에는각도시에공공용전기자동차를 1,000대씩보급하는동시에개인용전기자동차보급도추진 - 제2단계로는 2020년도시마다기관용전기자동차 1만대를보급하고, 개인용전동자동차 4만 ~5만대보급을목표로설정 대중형전기동력자동차보급계획또한두단계로구분해추진 - 제1단계는 2015년까지 100개의도시에 1000대씩대중형신에너지자동차를보급, 2015년 100개도시에전기충전및교환시스템모형을만들어 40만 ~50만대를보급 - 제2단계는 2020년까지 100개의도시에 1만대대중형신에너지자동차를보급, 2020년까지 100개도시의관할구역에전기충전및교환시스템의설치를끝내고, 신에너지자동차시장판매 400만 ~500만대를목표로설정 전기자동차동력전지조종박스시스템의표준화 - 충전방식과교환방식의대규모상업화계획에따라전기자동차와동력전지의시스템표준화를빠른시일내에핵심사업으로확정 - 이를위해정부부처와위원회가자동차기업들이나아가야할방향을제시하고에너지공급기업의협조를유도할수있도록조치 - 산업발전초기의동력전지는자동차모델의차대길이, 차내공간에따라 4~5개의상이한모델별표준을설정할수있고, 이는모델별상업화요구를만족시키기위한전제 6. 기타 주요국구매보조금비교 주요국가의전기자동차구매보조금지원등인센티브지원현황을비교해보면다음표와 같음. - 15 -
중점녹색기술로드맵기획및전략이행점검 국가 미국 구매보조금내역 연방정부, EV 대당최고 $7,500 보조금지급 주정부마다별도의보조금지원 일본 2020 년까지최대 139 만엔구매보조금지급 ( 지자체별도 ) 영국 독일 프랑스 오스트리아 벨기에 이탈리아 포르투갈 중국 인도 한국 자료 : Solar&Energy(2011) < 표 2-10> 국가별전기자동차구매보조금현황및계획 PHEV, EV 구매보조금대당최고 5,000 지원 신차구매시최대 2,500 지원 대당최고 5,000 의 EV 구매보조금지원 탄소배출량에따라최대 300 보조금지급 신차구매시차량가격의 3%( 최대 850) 에서차량가격의 15% ( 최대 4,540) 지원 신차구매시최대 1,500 지원 신차구매시 1,000~1,250 지원 EV 대당최고 6 만위안보조 INR 100,000 혹은차량비용의 20% 중적은쪽 2012 년까지공공기관구매에한정, 저속전기차 750 만원, 고속전기차 1500 만원지원 주요국세제지원정책비교 주요국가의전기자동차관련세제감면현황을비교하면다음과같음 < 표 2-11> 국가별전기자동차관련세금감면현황및계획 국가미국일본영국독일프랑스오스트리아핀란드포르투갈인도한국 세금환급액 280~850 만원 내용 친환경소형차구매시취득세, 중량세면제 탄소배출량에따라운행세차등부과 신차구매후 5 년간운행세면제 탄소배출량에따라등록세차등부과 CO₂60g/km 미만차량에대하여 5,000 지급 EV 등록세면제 탄소배출량에따라 20~650 지원예정 EV 등록세의 50% 면제 BEV/PHEV 소비세경감 차량등록세, 취득세및운행단계에서세제지원 탄소배출량에따라보너스지급제도마련계획 (2012) 인센티브부여 ( 혼잡통행료, 공영주차장요금, 고속도로통행료등 ) 자료 : Solar&Energy(2011) - 16 -
제 2 장전기자동차관련국내외주요현황분석 < 표 2-12> 국가별전기차관련기타인센티브현황 주차 충전편의성증대 운행편의성증대 구분 공영주차장무료 ( 할인 ) 공공충전소무료 혼잡통행료 면제 도로통행료 면제 ( 할인 ) 전용차선이용 미국 ㅇ ( 애리조나등 3개주 ) ㅇ ( 캘리포니아등 7개주 ) 영국 ㅇ ( 런던 ) ㅇ 독일 ㅇ 프랑스 ㅇ 오스트리아 ㅇ 벨기에 ㅇ 덴마크 ㅇ ㅇ ㅇ 그리스 ㅇ ( 일부도시 ) 이탈리아 ㅇ ( 할인 ) ㅇ ( 할인 ) 네덜란드 ㅇ ( 할인 ) 노르웨이 ㅇ ㅇ ( 오슬로 ) ㅇ ㅇ 핀란드 ㅇ 포르투갈 ㅇ 스페인 ㅇ ㅇ ( 일부도시 ) 스웨덴 ㅇ ㅇ ㅇ ( 스톡홀름 ) ㅇ 자료 : Solar&Energy(2011) - 17 -
중점녹색기술로드맵기획및전략이행점검 전세계적으로전기차판매증가세지속 전세계전기자동차판매는 2010년 4,600대에서 2011년 4만 5,000여대, 2012년 9만 2,000여대로 증가 7) - 전기자동차수요는주로 PHEV가주도하고있으며전세계 PHEV 자동차판매는 2012년에 55,200대 8) 를기록. 2012년까지의누적판매는 12만대를상회 - 2012년전기차모델중에서는볼트가 3만 90대로판매 1위를차지했으며, 프리우스 PHEV가 2만 7,181대로 2위, 리프가 2만 5,435대로 3위를차지 9) - 2013년에전기자동차판매는전년비 89% 증가한 22만 5,000대에달할전망이나, 이는전기자동차상용화초기예상치의 1/3 수준에불과한실적 - 지역별로는플러그인하이브리드수요를주도하고있는미국 10) 이총판매의 46%, 유럽과일본이각각 23% 를차지할전망 1. 국내 국내전기차수급부진 국내완성차업체가전기자동차의생산을재개하고있으나, 물량은미미한수준 - 2010년현대 EV( 블루온 ) 을공공기관에보급하여운영중이며 2012년양산형전기차 RAY 및 SM3 EV가출시되었고, 준준형 CUV 쏘울 EV가 2013년출시예정이나대부분실증사업과공공기관용으로공급예정 - 아직까지국내완성차업체들은전기자동차를실증사업과공공기관용으로공급 - 완성차업체중에는기아가 RAY모델을, 한국GM이스파크모델을생산 - 국내자동차업체는 2012년에 636대의전기자동차를공급했으며, 2013년 1월 ~10월중국내전기자동차생산은 1,022대에달하였고, 이중 150대를판매. 11) - 국내완성차업체들은 2013년에 1,200대의전기자동차를생산할전망이며, 2014년에는 2,000대이상으로증가할예상 7) BMW 8) EVI(Electric Vehicle Initiative) 9) Bloomberg New Energy Finance 10) 2010 년 12 월미국시장에서처음으로플러그인하이브리드와배터리전기자동차는각각 326 대와 19 대판매된후 2011 년 7,671 대와 1 만 64 대, 2012 년에는 3 만 8,584 대와 1 만 4,251 대가판매 11) 한국 GM 은전기차를생산하고있으나민간판매는시행하고있지않은상황 - 18 -
제 2 장전기자동차관련국내외주요현황분석 - 또한국내자동차업체들은 2014 년에실증평가용으로 100 대의플러그인하이브리드 자동차를공급할계획 < 표 2-13> 친환경자동차생산현황 [ 단위 : 대 ] 구분 2012 2013. 1월 ~10월 HEV EV 클린디젤 HEV EV 클린디젤 현대 40,108 76,112 36,709 57,883 기아 12,482 631 114,023 22,189 154 94,738 한국지엠 980 146,023 134 868 117,736 르노삼성 4,427 2,255 쌍용 52,294 78,873 합계 53,570 631 393,314 59,032 1,022 233,747 자료 : 한국자동차산업협회, 통계월보 < 표 2-14> 친환경자동차내수판매현황 [ 단위 : 대 ] 2012 2013. 1월 ~10월 구분 HEV EV 클린디젤 HEV EV 클린디젤 현대 18,004 77,936 12,452 58,046 기아 11,713 531 115,694 7,114 136 95,433 한국지엠 971 22,150 167 14 11,424 르노삼성 4,572 2,278 쌍용 22,880 48,249 합계 30,688 531 243,234 19,733 150 215,747 자료 : 한국자동차산업협회, 통계월보 - 한편국내전기자동차판매는차량모델의다양화및충전인프라구축, 민간구매보조금및세제지원, EV 타운구축등정책지원이이루어질경우 2020년에 5만 ~6만 5,000대에달할전망이며, 플러그인하이브리드자동차의판매는 1만 6,000대에달할전망 < 표 2-15> 국내전기자동차판매전망 [ 단위 : 천대 ] 구분 2014 2015 2016 2017 2018 2019 2020 EV 9 19 27 35 42 54 65 PHEV 0.1 0.2 0.4 0.8 2 5 16 자료 : 산업통상자원부연비개정 TF(2013) - 19 -
중점녹색기술로드맵기획및전략이행점검 핵심기술별개발동향 차세대이차전지개발 - 전기자동차의시장경쟁력을위해서는저가형경량이차전지개발이필요한상황이며, 특히저온구동특성이우수한대용량리튬이온전지개발필요 - 미래형이차전지기술중대표적으로리튬에어전지의경우는에너지밀도가 1700 Wh/kg 으로서리튬이온폴리머의 8.5배 대용량배터리시스템온도제어기술 - 배터리의대용량화에따라기존의실내공기를이용하는방식에서히터를통한직접냉각 가열을통해효율을향상시키는기술개발중 - 2012년닛산 Leaf의경우저온에서전지의효율확보를위해 PTC Heater를내장하여저온시충방전효과를증대 배터리충격완화차체구조 - 엔진또는연료탱크에충격을방지하는가솔린 / 디젤엔진차와는달리전기차의경우에는배터리에충격이진행되지않도록차체구조설계 직축구동전동기개발 - 차량내공간확보및효율향상을위하여, 단일대용량전동기구동시스템방식에서분산형인휠 / 인엑시스 / 디퍼런셜전동기등의기술개발 그리드연계형양방향충방전시스템개발 - 전력시스템과차량의상황에따라배터리로부터전력시스템으로도에너지를전송할수있는양방향개념 (V2G 12) ) 의충방전시스템개발중 - 도요타및미쯔비시의경우 2012년 V2H 기술개발완료를발표하였으며, 도시바에서는신재생시스템연계형 EV 충전시스템개발이진행중 < 표 2-16> 전기자동차기술개발동향구분현재기술개발방향전지시스템 소용량 BMS 대용량 BMS 충전시스템 차체 / 샤시시스템 단방향충전시스템 단순충전시스템 소량생산플랫폼 ( 가솔린엔진공용 ) 엔진 / 연료탱크충격완화차체구조 양방향충방전시스템 (V2G, V2H) 스마트충전시스템 대량생산을위한전기차전용플랫폼 배터리충격완화차체구조 자료 : 산업통상자원부 (2013) 12) Vehicle to Grid : 전기자동차에서전력망으로전력의역송을가능하게하는계통운용기술 - 20 -
제 2 장전기자동차관련국내외주요현황분석 2. 유럽 6개국이전기차판매주도 2013년상반기유럽에서는 2만 3,000대의전기자동차가판매된것으로추정 - 독일, 프랑스, 노르웨이, 영국, 네덜란드, 스웨덴정부는전기차보급을적극추진 - 유럽의전기자동차판매는 2015년에 40만대로증가해전체승용차판매의 3.5% 를점유할전망 - 2020년까지유럽의배터리전기자동차보급은 180만대, 플러그인하이브리드자동차의보급은 120만대에달할전망 13) - 2020년전기자동차판매가 10만대를상회할것으로예상되는국가는독일, 프랑스, 이탈리아와영국이며, 이들 4개국이유럽전체판매의 52% 를차지할전망 - 독일은전기차구매보조금을지급하지않고있으나 5년간에걸친세액공제제도를운용 20-20-20 14) 목표설정 EU 집행위는이산화탄소배출기준을강화하면서전기자동차의개발과상용화를촉진 - Green Car Initiative프로젝트를통해전기자동차의개발과상용화를추진 - EU 집행위는 2050년자국내모든자동차의비화석연료사용목표를위해실증사업및전기차기술개발자금지원 - E3Car (Energy Efficient Electrical Car) 프로젝트를통해 11개국 33개의자동차제조업체및연구기관들이전기구동자동차의효율을 1/3 이상증대시키기위해서협력추진 - EU 집행위는 280만유로를투자해 P-MOB(Integrated enabling technologies for efficient electrical personal mobility) 프로젝트를추진중이며, 이는태양광에너지를이용한최대주행거리 20km의개인용이동수단개발과제로서솔라셀, e-모터, 전자석토크제어, 파워에너지관리, 분산저장장치와스마트그리드관련기술등의개발에초점 독일정부는 전기모빌리티를위한국가발전계획 에따른전기차기술개발발전전략수립 - 독일정부는전기자동차실증기반구축에 1억 1,500만유로를지원하고, 배터리개발에 1억 7,000만유로를지원할계획 - 산학연관협력을촉진하기위해 2010년 5월에 NPE(National Development Plan Electromobility) 를설립 프랑스정부는 4년간전기차개발에 4억유로를지원 13) Navigant Research 14) 2020 년까지총에너지사용중재생가능에너지의비율을 20% 로제고하고, 온실가스배출을 20% 축소한다는목표 - 21 -
중점녹색기술로드맵기획및전략이행점검 영국과포르투갈또한리티움이온배터리생산설비구축을지원 < 표 2-17> 유럽의기술개발및보급실증지원동향 기술개발지원동향 유럽연합주관 Green Car Initiayive 프로젝트추진 - 지원기간 : 2009~ - 총사업비 : 7조 5,940억원 독일정부주관 Electro-Mobility 프로젝트추진 - 지원기간 : 2009~2011년 - 총사업비 : 7,590억원 Infineon Technologies주관 E3Car (Energy Efficient Electric car) 프로젝트 - 지원기간 : 2009~2011년 - 총사업비 : 668억원자료 : 지식경제부 (2010) 영국프랑스독일 실증 / 보급지원동향 전기자동차구입시 2,000~5,000파운드보조금지급 에너지기술연구소의도시참여계획착수 - 전기충전소전국네트워크지원 - 주요도시의충전인프라구축협력 주요도시에충전장치인프라설치확장중 - 현재약 8,000여대의 BEV 보급 파리시의전기자동차공동이용시스템도입계획추진 프랑스우체국의전차량 (5만대) 전기차교체추진 2020년까지전기차 100만대보급을목표로실증사업및배터리생산에약 5억유로의자금투입 지자체와다임러 벤츠간협력을통해인프라설치및실증사업전개예정 3. 미국 EV 및 PHEV 중심의보급동향 미국시장에서는 EV 와 PHEV 의판매가급증세지속 (2012 년말현재 71,174 대보급 ) - 2013 년 1 월 ~9 월중 EV 의판매는전년동기비 448% 가증가한 33,617 대, PHEV 의판매는 36% 증가한 32,718 대를기록 - EV 는르노의리프와테슬라의 S 모델, PHEV 는 GM 볼트가판매를주도 - 2013 년상반기전기자동차업체중에서는테슬라가고가의모델 S 를 8,931 대판매하며 업계 1 위를차지, GM 이볼트를전년동기비 12% 증가한 9,855 대, 닛산이리프를전년 동기비 3 배증가한 9,839 대판매 - GM, 포드, 테슬러사에이어외국계완성차업체들도전기자동차의미국내생산을추진 전기자동차개발및 2 차전지소재업체집중육성전략추진 미국은정부의지원아래벤처창업과민간자본의투자를바탕으로그린카관련기술개발과 하부구조를구축중 - 미국정부는미국내생산 ( 배터리, 관련부품및소프트웨어 ) 을전제로기업에대한지원 을확대 15) 15) 미국정부는 2008 년부터에너지부가 250 억달러를친환경자동차개발과생산에저리융자중이며, 2009 년 9 월미하원은전기차및기타에너지효율이높은자동차의기술개발에 5 년간 30 억달러를추가지원하는내용의법안을통과시킴 - 22 -
제 2 장전기자동차관련국내외주요현황분석 - 미국정부는반고체배터리 (semi-solid flow batteries), 울트라캐패시터 (ultracapacitors) 및전전자배터리 (all-electron batteries) 를포함해 20 개의경쟁구도를변화시킬수있는 기술개발프로젝트추진 - 미국정부는 14 개배터리업체컨소시엄에대한지원과함께전문소재업체의기술개발을 지원 업체명 지원금액 ( 만달러 ) UBQ Tech. 4,500 전기자동차용추진시스템생산 지원내용 Sion Power 500 300 마일주행성능의 Lithium-sulfur 배터리개발 ReVolt Tech. 500 슬러리형태의아연을탱크에저장한후배터리의충전을위해 관을통해전달하는 zinc flow air 기술개발 PolyPlus Battery 500 휘발유의에너지밀도를보유한 Lithium Air 배티리개발 Pelion Tech. 320 마그네슘이온기술을활용한저가배터리개발 Applied Materials Planar Energy Devices < 표 2-18> 미국의배터리화학소재지원현황 430 저가초고에너지밀도의첨단리튬이온배터리개발 400 무기물질과고체초고밀도전해질 Solid State Lithium 배터리 개발 자료 : Electrification Coalition(2009.11), Electrification Roadmap. - 미국정부는 2011년총 83억달러규모의 EV 지원방안추가발표 - 인프라구축, 친환경차기술개발, Clean City 프로그램, 전기차생산업체저리융자지원, 구매인센티브를세액공제에서현금리베이트로변경등 미국에너지부는 Clean Energy Grand Challenge; EV Everywhere Initial Framing Document를통해 2022년전기자동차개발목표를설정 - 30~50개프로젝트에 5,000만달러지원계획 또한에너지부는배터리연구개발, 전기주행시스템연구개발, 차량경량화와첨단기후조절기술개발의 4개분야를중점지원할예정 - 목표는 2022년까지배터리원가를 $500/kWh에서 $125/kWh로인하 - 2017년배터리밀도를현재의 100Wh/kg에서 250Wh/kg 으로증대 - 차량중량 30% 경감 : 차체 35%, 셰시 / 서스펜션 25%, 인테리어 5% 경량화 - 전기주행시스템원가 $30/kW에서 $8/kW로인하 - 23 -
중점녹색기술로드맵기획및전략이행점검 < 표 2-19> 미국의기술개발및보급실증지원동향 기술개발지원동향 DOE 16) 주관 차세대배터리및 EV 제조기술개발프로젝트수행 -지원기간:2009년 ~ -총사업비:2,670억원배터리 DOE 주관배터리개발 /EV생산설비전기건설 / 실증사업등총 48개프로젝트자동차착수실증 DOE 주관 USABC 17) 프로젝트수행 -지원기간:1991~2002년 -총사업비:1조1,130억원 DOE 주관 Freedom CAR 수행 -지원기간:2003~2005년배터리 -총사업비:3조78억원전기 미국은배터리전기자동차관련기술자동차개발을위해 90년대초반부터정부보급차원의막대한지원을시행 실증 / 보급지원동향 전기자동차성능평가및개발에요구되는데이터생산 - DOE는자동차의기술모델과자동차개발에필요한각종데이터를생산하기위해차세대차량시험프로젝트실시 - 동프로젝트에서는전주행전기자동차, 도시형전기자동차, 근거리전기자동차에대한성능평가실시 2015년까지 100만대의 PHEV/BEV 보급을위해대당최대 7,500달러의보조급지급 자료 : 지식경제부 (2010) 4. 일본 세제우대정책시행통한시장확대 일본의전기자동차판매는 2013년상반기중 26,000대를기록하면서증가세를유지 (2012년말현재 44,727대보급 ) - 일본정부는일반소비자가전기자동차를구매할경우유사내연기관모델과의가격격차의 2/3를지원 (2012 회계연도에는최대 100만엔, 2013 회계연도에는 85만엔을보조 ) 일본정부는전기자동차구매소비자들에게취득세 (5%) 의면제와중량세및자동차세경감 - 미쓰비시, 닛산, 도요타와혼다가전기자동차의국내외생산을추진중 - 닛산에이어최근미쓰비시자동차가 2014년모델의판매가격을 6,130달러인하해전기자동차판매가격인하경쟁이가속화될전망 차세대자동차전략 2010 16) 미국에너지부 (Department of Energy) 17) Advanced Battery Consortium - 24 -
제 2 장전기자동차관련국내외주요현황분석 일본정부는 2010년 4월에발표한 차세대자동차전략 2010 에서종합전략, 전지전략, 자원전략, 인프라정비전략, 시스템전략과국제표준화전략의 6대전략을제시 차세대자동차의차종별보급목표를업계의현실보다높게설정하여자동차및연관산업업체들의기술개발과상용화를독려 일본정부는 2007년부터전기자동차의핵심부품인리튬이온전지의성능향상과가격인하를위한자금을지원했으며, 2009년에 26.1억엔을지원한데이어 2010년에는 24.8억엔을지원 - 2009년부터혁신형전지 ( 포스트리튬이온전지 ) 개발지원에착수하였으며, 2010년에도전년과동일한 30억엔을지원하고, 2015년까지개발자금을지원할계획 - 2009년 6월차세대자동차용 2차전지개발로드맵발표, 30년까지 5개시점에대해개발목표설정및개발스텝의구체화작업수행 < 표 2-20> 일본의기술개발및보급실증지원동향 기술개발지원동향 NEDO 18) 주관 차세대배터리개발프로젝트 착수 - 지원기간 :2009~2016 년 - 총사업비 :2,510 억원 NEDO 주관 차세대축전시스템실용화의전략적기술개발프로젝트 진행중 - 지원기간 :2007~2011 년 - 총사업비 :585 억원 NEDO 주관 ACE 19) 프로젝트완료 - 지원기간 :1997~2003 년 - 총사업비 :478 억원 일본의배터리전기자동차관련기술개발지원은대부분국가기관인 NEDO 주관으로이루어지고있음 자료 : 지식경제부 (2010) 충전인프라구축 / 보급 배터리전기자동차보급 실증 / 보급지원동향 전기자동차충전네트워크구축 - 2011 년까지현내주차장에 70 기의전기차용콘센트설치 - 2014 년까지현내 1,000 기의전기차충전네트워크구축 급속충전기설치 - 2010 년까지급속충전기총 30 기설치 - 일본경제산업성은 클린에너지자동차도입촉진사업 에따라전기차용충전인프라설치보조 2020 년까지 50 만대의 BEV 보급을목표로대당최대 139 만엔의구매보조금지급 일부지자체는전기차보급을목표로개별적보급촉진정책수행 - 가나가와현은 가나가와전기차보급추진협의회 를구성하여충전인프라정비및 BEV 보급촉진정책수행 18) 신에너지산업기술종합개발기구 (New Energy and Industrial Technology Development Organization) 19) Advanced Clean Vehicle - 25 -
중점녹색기술로드맵기획및전략이행점검 5. 중국 전기자동차 R&D 수준 중국은세계최대자동차생산국이자수비국이나기존 ICE자동차부분에서자체기술력은아직부족하여선진자동차국가의기술에대한의존도가높음 - 엔진부분은선진국과 5~10년의기술격차를넘지못하고있으며,ABS, 에어백등안전장치기술분야에서도외국에의존적임 - 즉, 중국의전기자동차는완성차분야에서도여전히품질과성능, 디자인등이자동차선진국에비해열세에놓여있다고분석됨 20) 기술개발정책통한시장확대 중국정부는 HEV 차량의생산비율을 10~15% 에달하게하고, PHEV의소규모상품화를실현하며, EV의생산비율은 3~5% 가되게하고, FCEV(Fuel Cell Electric Vehicle; 수소연료전지자동차 ) 의소규모시범운행실시할계획수립 - 12차 5개년계획 (2011~2015) 에서는전기자동차기술뿐아니라차량설계기술, 고효율적배기가스배출엔진기술, 선진자동변속기기술, 지능형전자제어기술, NVH(Noise, vibration, and harshness) 제어및측정기술, 경량화설계및응용기술등의기술분야연구에도주력할계획 < 그림 2-2> 중국의전기자동차생산량 자료 : Ministry of Industry and Information Technology of PRC(2013) 20) 서종원, 노상우 (2012.7.), 중국전기차발전전략과시사점. - 26 -
제 2 장전기자동차관련국내외주요현황분석 - 국산화를위해연구개발비의 20~50% 를국가의재정보조또는세금감면등을통해지원하며, 국가급중요실험실건설에국가가건설비용의 70% 까지지원하는등연구개발에많은지원을할수있도록추진하고있음 - 2020년까지중앙정부에서 1,000억위안을투자하여전기차분야의비약적인발전을추진하고, 연 500만대정도의친환경차가보급되도록할계획 21) 6. 인도 전기자동차시장현황 2013년 3월, Mahindra & Mahindra가인도최초의 4인승전기차인 e2o를 59만6,000루피 ( 약 1만1000달러 ) 에출시 - e2o는마힌드라자동차가지난 2010년전기차업체 Reva의지분 55.2% 를인수해개발한해치백스타일의새로운브랜드임 - PHEV의판매수는 2018년에는 17,000대를넘어설전망이고이것은세계에서 3번째로큰시장이될것으로전망됨 - 또한 5년후 PEV와 HEV의판매수를합치면 22,000대에이를것으로추정 22) < 그림 2-3> 인도의전기자동차판매수추이 자료 : KOTRA(2013) 21) 서종원, 노상우 / 중국전기차발전전략과시사점 /2012.7.30 22) KOTRA&Global window.org, 2013.03-27 -
중점녹색기술로드맵기획및전략이행점검 < 그림 2-4> 인도의전기자동차판매전망 (2013~2018) 자료 : John Gartner(2013) 전기자동차 R&D 수준 e2o의운영비용은km당 0.5루피로비용대비효율성이높음 - e2o에장착된리튬이온배터리는한번의충전으로 100km의운행이가능하며, 노트북이나휴대전화처럼 15A 소켓을사용해충전가능함 - e2o는내부연소엔진에비해유지비용이적게들고소음이적으며공기를오염시키지않음 - 또한기어가없어교통체증에도쉽게운전할수있으며하룻밤충전으로도시통근에는충분하다고평가되고있음 23) 23) KOTRA&Global window.org, 2013.03-28 -
제 3 장국가별표준화및기술경쟁력분석 제 3 장국가별표준화및기술경쟁력분석 1. 표준화의개념및필요성 가. 표준의개념 표준의정의는기관에따라다양함 국가표준기본법 은국가표준제도의확립을위한기본적인사항을규정하는법률이며, 동법에따르면, 표준이라함은국가사회의모든분야에서정확성, 합리성및국제성제고를위하여국가에서통일적으로준용하는과학적 기술적공공기준으로서, 측정표준, 참조표준, 성문표준등이법에서규정하는모든표준을말한다 고되어있음 한국산업규격 (KS) 에서는표준에대하여, 표준의직접적인목적은모든사물과활동의통일화, 단순화이며궁극적인목적은관계되는이해관계자의이익이나편리가공정하게얻어지는일이라고언급함. 또한표준화란이러한표준을정하여이를따르고활용하는조직적행위를말함 대표적인국제표준기구인 ISO/IEC의정의에따르면, 표준 (Standards)' 은 합의에의해제정되고인정된기관에의해승인되었으며주어진여건하에서최적의질서를확립할목적으로공통적이고반복적인사용을위한문서 임 WTO(World Trade Organization) 에서는 제품, 공정, 방법측면에서마찬가지로공통 반복적사용에따라자발적으로적용되는생산 공정 가이드의공인된문서 로규정 즉, 표준화란제품의상호운용성, 공정체계의단순화, 제품간의호환성향상, 관계자간의의사소통개선, 자재및인력활용측면에서의경제성추구, 제품의안전성확보등의목적으로, 공통적이고합리적인기준 (standard) 를설정하고그에맞추는것을의미나. 표준화의원리및특성 표준화는단순화의원리, 관련자합의의원리, 다수이익의원리, 고정의원리, 개정의원리, 객관성의원리, 보편성의원리의총 7가지특성을가짐 단순화의원리 - 단순화의행위로서현존하는복잡성을감소시키고장래에불필요하게복잡해지는것을예방하는목적으로함 - 29 -
중점녹색기술로드맵기획및전략이행점검 관련자합의의원리 - 표준화는경제적, 사회적활동이므로관계자모두의상호협력에의하여추진되어야한며, 규칙의제정은총체적인합의에입각한것이어야한다는원리 다수이익의원리 - 표준을설정해도그것을실시하지않으면가치가없으며, 경우에따라서는소수의희생, 불이익이발생될수있다는원리 고정의원리 - 표준화의효과를얻기위해서는일정기간표준을고정시킬필요가있으며, 표준화를이루기위해서많은대안으로부터최종안을합리적으로선택하고, 선택된것을일정기간은확정시켜변화시키기않도록하는것이므로규격의제정행동은본질적으로선택과그에이어지는고정이라는원리 개정의원리 ( 진보의원리 ) - 표준은일정한기간을두고검토하여필요에따라개정하여야하며, 기술은계속해서발전하므로표준화의대상과시기, 재검토, 개정에신중하여야한다는원리 객관성의원리 - 제품의성능이나기타특성을규정할때, 주어진물품이시방에적합한가를결정하기위한시험방법에관한사항이규격안에있어야한다는원리 - 표준은객관적으로계측 ( 계량 ) 한값으로표기하며, 시험방법이나기구등을객관적으로명기한다는원리 보편성의원리 - 국가규격의법적강제의필요성에대해서는그규격의성질, 그사회의산업화수준, 시행되고있는법률과정세등을고려하여신중히결정되어야하며, 통상안전이나환경오염방지, 계량표준, 교통규칙등은강제적용대상이되고있음다. 표준의필요성및기대효과 호환성및상호운용성의확보 표준은특정제품에대한기본적인정보를제공하여소비자의제품정보에대한획득비용을절감시킴 호환성은제품및기구들이기능이나성능을유지하면서부품이나연결제품들을서로바꾸어사용할수있는성질을말하며, 호환성확보시생산공정의단순화를통해대량생산에의한규모의경제발생 - 30 -
제 3 장국가별표준화및기술경쟁력분석 품질향상 품질관리의기초가되므로품질관리관련업무수행이용이 제품의단순화에의한자재의단순화로숙력도제고 생산능률의증진과생산비의절감 제품종류의감소로대량생산가능 부품의표준화로분업생산이촉진되며작업자의숙력도향상 생산의표준화가진전되어불량품감소 자재의모듈화가가능해짐으로써손실률저감 소비의합리화 합리적인사용과안정성의확보로부품교환이용이해지며수명연장가능 제품의품질, 성능, 안정성이명확해지며호환성제고 거래의단순공정화 표준화에의해사용목적이같은제품의종류가감소 품질이균일하게되므로신속하고공정한거래가이루어짐 기술의향상 규격을명시함으로써기술의보편화가달성되고전반적인기술수준향상 명확한기술명기로현장을개선하기위한합리적인연구목표설정이가능 2. 전기자동차부문의표준화동향 가. 국제표준화개요 전기차충전국제표준의배경 전기차상용화를위한조건 - 전기차가격이저렴해야하고 1회충전시주행거리가충분해야함 - 전기저장장치등의안전성확보 - 충분한수준의충전인프라보급 - 31 -
중점녹색기술로드맵기획및전략이행점검 전기차충전인프라국제표준 전기차충전인프라국제표준과관련하여다음과같은기술들이있으며서로유기적으로연관을가지고있어복잡하고느리게진행되고있음 충전시스템의경우단상및 3상교류를인가하여전기차내부의충전기를이용하여충전하는방식, 직류를인가하여직접전기차배터리에충전하는방식, 비접촉식무선충전방식, 마지막으로전기차의배터리를교환하는방식등이있음 전기를인가하는커넥터 (connector) 와전기차에설치된인렛 (inlet) 방식은단상교류용, 3상교류용, 직류전용, 교류와직류가혼합된콤보 (combo) 방식이있으며단상콤보와 3상콤보로구분 - 직류충전에필요한통신방식은 CAN, PLC 방식이있으며 PLC 방식은미국에서제안한방식과유럽에서제안한방식으로나누어짐 - 이들각각의표준은개별국제표준으로진행되면서서로에게영향을주며, 또한 IEC와 ISO 국제표준기구와연결되어있어매우복잡하게진행 24) 전기차국제표준화동향 ISO 25), IEC 26) 등의표준화관련국제적기구들에서전기자동차보급을위한핵심요소인전지및충전시스템중심의표준화를진행 - ISO는전기충격안전, 전지시스템, 연비측정, 차량과그리드간통신호환성분야를, IEC는전지, 충전커넥터등전기부품분야의표준화를담당 - 전기자동차는 IT, 전기전자, 기계, 화학등의융합산업이기때문에국제표준개발도 ISO와 IEC간공동작업반 (JWG) 형태로진행 27) - < 그림 3-1> 와같이 ISO와 IEC가전기자동차의국제표준화를위해영역별로역할수행 - < 그림 3-2> 는 IEC와 ISO가국제표준화선정시다양한국가와영향을주고받는현황이나타나있음 24) 김언석 (2012), 전기차충전 IEC 국제표준제, 개정동향과시사점 25) International Organization for Standardization, 국제표준화기구 26) International Electrotechnical Commission, 국제전기표준회의 27) 김광석, 정인환 (2010), 전기자동차의국내외기술개발및표준화동향분석 - 32 -
제 3 장국가별표준화및기술경쟁력분석 < 그림 3-1> ISO 와 IEC 의국제표준화활동 자료 : www.ia.omron.com(omron Corporation 홈페이지 ) - 33 -
중점녹색기술로드맵기획및전략이행점검 < 그림 3-2> 전기자동차의국제표준과정 자료 : www.ia.omron.com(omron Corporation 홈페이지 ) ISO의주요국제표준항목 ISO에서는주로차량시스템에관한표준을추진중이며, TC 28) 22/SC 29) 21에서전기자동차관련표준을진행 - TC22( 도로차량 ) 은자동차분야중심적기술위원회로서모두 23개의 SC와 96개의작업반이있으며용어, 시험절차, 적합성, 상호호환성및안전기준에대한표준약 700여종을관장함 28) Technical committee 29) Subcommittee - 34 -
제 3 장국가별표준화및기술경쟁력분석 < 표 3-1> ISO/TC22의기술위원회현황 기술위원회 이름 의장국 SC1 점화장치 독일 SC2 제동시스템및장치 프랑스 SC3 전기및전자장치 독일 SC4 캐러번및경트레일러 프랑스 SC5 엔진시험 프랑스 SC6 치수및질량용어와정의 이태리 SC7 도로차량용분사장치및필터 독일 SC8 라이팅및시그널 이태리 SC9 차량동역학및주행안전성 독일 SC10 충돌시험절차 미국 SC11 안전유리 미국 SC12 승객안전보호장치 프랑스 SC13 도로차량에적용되는인간공학 미국 SC14 외장부품 스페인 SC15 상업용차량및버스의부품호환성 이태리 SC16 화재위험방지 독일 SC17 가시성 이태리 SC19 휠 미국 SC21 전기자동차 독일 SC22 오토바이 일본 SC23 모페드 이태리 SC25 천연가스자동차 이태리 SC26 장애인을위한차량접근성 프랑스 자료 : www.iso.org(iso 홈페이지 ) ISO/TC22/SC21에서는전기자동차의성능및안전에관한표준을다룸 - 전기자동차의용어, 전기자동차안전사양 - 하이브리드자동차연비배출및연료소비측정방법 - 리튬이온배터리팩및시스템 ISO/TC22/SC3에서는자동차의전기및전자부품및소프트웨어의규격과호환성, 그리고기능적안전문제에관한표준을다룸 - 자동차의데이터커뮤니케이션 - 35 -
중점녹색기술로드맵기획및전략이행점검 - 커넥터와케이블의규격및안전성 - 기능적안전 ISO에포함된항목에는그외에도전기, 하이브리드및연료전지차량의표준이있으며, 이기준은 28개국의전문가들이참여해서만든 750가지의표준이들어가있는 ISO 기술위원회 ISO/TC(22) 30) _ 에의해개발됨 31) 독일, 일본등자동차선진국은 ISO, IEC 등에서국제표준화를빠르게주도해나가고있는한편, 미국의경우 ISO, IEC에꾸준히참여하면서도자국 SAE( 자동차공학회 ) 중심의표준화를통해국제표준보다앞서나간다는전략을진행 의국제표준 전기자동차는 IT, 전기전자, 기계, 화학등의융합산업으로서, 국제표준개발도 ISO와 IEC간공동작업반 (JWG 32) ) 형태로진행 ISO, IEC 등국제표준화기구에서전기자동차보급핵심요소인전지및충전시스템중심의표준화를진행 - ISO는전기충격안전, 전지시스템, 연비측정, 차량과그리드간통신호환성분야를다루며, IEC는전지, 충전커넥터등전기부품분야의표준화를담당 IEC에서는 TC69( 충전시스템 ), TC21( 배터리 ), SC23H( 인터페이스 ) 등에서표준을추진중 < 그림 3-3> 전기자동차관련국제표준화체계도 자료 : www.iso.org(iso 홈페이지 ) 30) Road Vehicles 31) Roger Frost, Power of ISO standards for electric vehicles, March.6 2013 32) Joint working group - 36 -
제 3 장국가별표준화및기술경쟁력분석 IEC/TC21 33) 은전기자동차와충전기간인터페이스의커플러등에관한표준제정활동을함 - 전기자동차추진을위한이차전지의성능및수명테스트방법 - 리튬이온전지성능테스트방법, 신뢰성등 IEC/TC23 34) 는전기자동차와충전기간인터페이스의커플러등에관한표준제정활동을함 - 플러그, 소켓-아웃렛, 커플러등의전압, 전류에따른형상표준 - 플러그, 소켓-아웃렛, 커플러등의핀및 Contact-tube 표준 IEC/TC 69 35) 는전기자동차충전시스템과관련된표준을다룸 - 급속충전기와전기자동차간통신프로토콜 - 배터리교환시스템 - 급속충전시스템표준등 전기차충전시스템관련 IEC국제표준동향은 < 표 3-2> 와같음 < 표 3-2> IEC 국제표준화기준 IEC 표준 구분 단계 IEC 61851-1 접촉식 (conductive) 충전장치공통표준 IS IEC 61851-21 접촉식 (conductive) 충전을위한전기차 (EV) 요구조건 CD IEC 61851-22 교류충전스탠드표준 CD IEC 61851-23 직류충전장치표준 3rd WD IEC 61851-24 직류충전장치통신프로토콜 3rd WD IEC 61980-1 유도식 (inductive) 충전시스템공통표준 NP 자료 : 전자파기술원 (2011) - IEC 61851-1 은접촉식충전장치의공통표준으로 2010 년 10 월에확정발간 - IEC 61851-21 은접촉식충전시스템에접속하기위한전기차의요구조건및 OBC 36) 성능을 규정하고있음 - IEC 61851-22 는교류충전스탠드표준이며충전을위하여교류전력을전기차에내장된 OBC 에전달해주는역할을수행 - 최근상대적으로고가의충전스탠드에더해저렴한충전스탠드인 ICCB (In-Cable Control Box, ICCB) 에대한표준화작업이활발하게이루어지고있으며, 이는자립형충전 스탠드에비해가격이매우저렴하기때문에충전시스템 33) Secondary cells and batteries 에관한표준을다룸 34) Industrial plugs and socket-outlets 에관한표준을다룸 35) Electric road vehicles and electric industrial trucks 에관한표준을다룸 36) On-Board-Charger 보급에매우유리하기때문 - 37 -
중점녹색기술로드맵기획및전략이행점검 - IEC 61851-23은전기차의배터리에직접충전을하는직류충전장치에관한표준임 - IEC 61851-24는 IEC 61851-23 직류충전장치의제어및감시위한통신규약 - 사용통신프로토콜동향은크게 2종류로일본에서제안한자동차용통신프로토콜인 CAN 방식과미국과유럽공동으로제안한 PLC 방식이있음 - PLC 통신방식에서유럽은 ISO 15118 시리즈를기본으로하고미국은 SAE 2847 시리즈를기본으로하고있음 - IEC 61980-1은유도식 (Inductive) 충전방식의공통표준이며주로물리적인요구조건, 환경요구조건, 전자기적합성 (EMC) 그리고상호운용성확보를위한주파수관련표준을다룸 < 표 3-3> 커넥터및인렛표준현황 IEC 표준구분단계 IEC 62196-1 커넥터-인렛공통표준 IS IEC 62196-2 교류용커넥터-인렛표준 FDIS IEC 62196-3 직류용커넥터-인렛표준 Draft CD 자료 : 전자파기술원 (2011) - IEC 62196-1은커넥터및인렛에대한공통표준이며국제표준으로발간이완료 - IEC 62196-2는교류용커넥터-인렛표준이며크게 5핀과 7핀용이있음. 5핀은단상용이며주로우리나라, 일본, 미국이사용하는추세 - IEC 62196-3은직류용커넥터-인렛표준이며가장복잡한표준중의하나임. 이는일본, 미국, 중국, 유럽이모두다른형상을사용하기때문. - 일본과중국은직류전용커넥터-인렛을제안하였으며서로다른형상임 - 반면미국과독일 ( 유럽 ) 은크게 2가지토플로지를국제표준으로제안함. 하나는교류용커넥터-인렛을직류용으로사용하는것이며, 다른하나는교류-직류콤보용임 - 미국은교류 5핀을직류용커넥터-인렛으로사용하는방안과 5핀을제어신호로사용하는직류전용커넥터-인렛을제안하였고, 독일 ( 유럽 ) 은교류 7핀을직류용커넥터-인렛으로사용하는방안과 7핀을제어신호로사용하는직류전용커넥터-인렛을제안함. 따라서직류용국제표준은총 6가지로될가능성이있음 37) 37) 전자파기술원 (2011), 전기차 (EV) 충전시스템과전자기적합성 (EMD) - 38 -
제 3 장국가별표준화및기술경쟁력분석 국내전기자동차의표준화및기술개발경쟁력을평가하기위해전문가설문조사를실시하였고, 대상국은전기자동차생산국순위를기준으로선정 대상국가는총 8개국이며, 자국내전기자동차생산및기술개발수준을근거로선정 - Roland Berger Strategy Consultants(2013.04) 에따르면, 세계주요전기차생산국은총 6개국이며그중일본의전기차생산량이가장많음 - 이탈리아는전기차의 7대소비국으로충전설비및전기자동차보급확대를정책적으로지원하고있으나, 시장으로서중요한성격을띄지만생산국에해당하지않아, 기술개발및표준화전략분석대상국에해당하지않음 - 인도는 2013년 3월 Mahindra & Mahindra가인도최초의 4인승전기차인 e2o를출시하면서 7대전기자동차생산국으로부상하였고, 영국도세계주요전기차생산업체들이집중하여충전설비등을보급하는 8대국가로부상 < 표 3-4> 주요 6 개국의전기차생산량및생산업체동향 ( 단위 : 천대 ) 국가자국내전기차 (EV/PHEV) 생산량각국별주요전기차모델 일본미국독일프랑스중국한국 Toyota Prius PHEV, Nissan Leaf EV, Mitsubishi I-MiEV Chevrolet Volt (PHEV), Nissan Leaf EV, Fisker Karma BMW i3, VW Golf PHEV, VW e-up! Renault Twizy EV, Renault ZOE Z.E., Smart ForTwo EV Roewe 550 EV, BYD F3 PHEV, Chang'an Benben Mini EV Hyundai BlueWill PHEV, Kia Ray EV, Chevrolet Spark EV 자료 : Roland Berger Strategy Consultants(2013.04), "E-mobility index for Q1 2013." 주 : 이탈리아는전기차 (EV/PHEV) 생산이없음 - 39 -
중점녹색기술로드맵기획및전략이행점검 1. 설문조사개요 본설문조사는조사연구대상국가 (8개국) 의세부기술영역별 R&D 및표준화동향을분석하고, 주요국대비한국의현위치를파악하기위한목적으로시행됨 세부기술영역별한국과주요국들의 R&D 및표준화수준을비교하고, 유의미한결론을도출 - 배터리부분의세부기술영역별로주요국들의수준을평가 - 충전부문의세부기술영역별로주요국들의수준을평가 - 배터리와충전부문의종합적 R&D 수준및표준화수준을국별로평가 국가별로 Positioning Mapping을수행하고이를바탕으로한국의전기자동차산업발전을위한방향성을제시 - 배터리부문과충전부문각각의 R&D 수준및표준화수준에있어서주요국대비한국의현재위치를확인하고, 향후나아갈방향성을제시 설문조사대상자는총 145명이며, 그중 85명이응답하여회수율은 58.6% 임 설문조사대상자들은대학, 정부기관, 연구기관및산업으로부터전기자동차기술및표준화영역의전문가들로구성 - 설문조사에응한 85명의전문가들은현대자동차등의산업전문가 43.5%, 산업연구원등연구자 28.2%, 한양대학교등의대학교수 22.4%, 기술표준원등정부기관 5.9% 로구성 < 표 3-5> 설문조사응답자현황소속기관분류샘플수비중비고대학 19명 22.4% 한양대학교외정부 5명 5.9% 기술표준원외연구기관 24명 28.2% 산업연구원외산업 37명 43.5% 현대자동차외합계 85명 100% 회수율 (58.6%) 주 : 총 145 개의설문지가배포되어 85 명의응답자가회신 - 40 -
제 3 장국가별표준화및기술경쟁력분석 2. 설문조사결과분석 전기자동차배터리부문핵심기술별분석 배터리팩에너지밀도향상기술 < 그림 3-4> 배터리팩에너지밀도향상기술부문국가별수준 - 배터리팩에너지밀도향상기술은현재일본의기술수준이 9.36p 로경쟁력이가장높고, 한국이 8.54p 로 2 위수준에위치함. - 미국은 3 위수준으로 8.10p, 독일이 7.72p 로 4 위수준을기록. - 한국은배터리팩에너지밀도향상기술에서상당한경쟁력을보유 배터리제어기술 < 그림 3-5> 배터리제어기술부문국가별수준 - 배터리제어기술은현재일본의기술수준이 9.44p 로가장경쟁력이있고미국이 8.70p 로 2 위, 독일이 8.63p 로 3 위수준임. - 한국은 7.67p 로 8 개국중 4 위수준에위치함. - 41 -
중점녹색기술로드맵기획및전략이행점검 리튬계전지소재기술 < 그림 3-6> 리튬계전지소재기술부문국가별수준 - 리튬계전지소재기술에있어서일본은 9.30p 로가장높은경쟁력을보였고, 한국은 8.15p 로 2 위수준을기록. - 3 위국인미국도 8.11p 로한국과의격차가크지않음. - 독일과프랑스는각각 7.55p, 6.67p 로중위그룹에해당하는경쟁력보유. 차세대전지용핵심소재기술 < 그림 3-7> 차세대전지용핵심소재기술부문국가별수준 - 차세대전지용핵심소재기술에있어서가장경쟁력이높은국가는일본으로 9.23p 의높은평가를받음. - 미국은 8.68p 로 2 위국, 독일은 7.96p 로 3 위국에위치하여차세대전지용핵심소재기술을선도하고있음. - 한국은 7.29p 로 4 위국수준에위치하며, 배터리부문에있어서는상대적으로경쟁력이 열위한상황. - 42 -
제 3 장국가별표준화및기술경쟁력분석 배터리팩차량최적화설계기술 < 그림 3-8> 배터리팩차량최적화설계기술부문국가별수준 - 배터리팩차량최적화설계기술을선도하는국가는일본이며, 경쟁력수준이 9.51p로매우우수하다고평가받음. - 미국은 8.60p로 2위국, 독일은 8.68p로 3위국에위치. - 한국은 7.66p로 8개국중 4위국에위치. 배터리재활용 ( 재제조, 재사용 ) 기술 < 그림 3-9> 배터리재활용 ( 재제조, 재활용 ) 기술부문국가별수준 - 배터리재활용 ( 재제조, 재사용 ) 기술부문에서가장높은경쟁력을보유한국가는일본이며 9.03p 의평가를받음. - 배터리재활용 ( 재제조, 재사용 ) 기술부문에서는독일이상당히높은경쟁력을보유하여 8.03p 로 2 위국에위치하고, 미국은 3 위국으로 7.93p 의평가를받음. - 4 위국은프랑스로 6.88p 의평가를받고있고, 한국은 6.23p 로 5 위국이며, 영국등의국가들과도격차가크지않게나타남. - 43 -
중점녹색기술로드맵기획및전략이행점검 전기자동차충전 / 인프라부문핵심기술별분석 차량탑재형배터리충전장치설계및장착기술 < 그림 3-10> 차량탑재형배터리충전장치설계및장착기술부문국가별수준 - 차량탑재형배터리충전장치설계및장착기술에있어서는일본이 9.30p로가장높은경쟁력을보유하고있고, 독일도 9.09p로상당한경쟁력이있다고평가됨. - 미국은 8.76p를기록해 3위국을, 프랑스가 7.92p로그다음순위에위치. - 한국은 7.51p로 8개국중 5위수준으로가장부진한세부기술영역임. 완속충전기술 < 그림 3-11> 완속충전기술부문국가별수준 - 완속충전기술은현재일본의기술수준이 9.25p로가장경쟁력이있고, 다음미국이 9.05p로높은기술력을보유하는것으로분석되었음. - 8p 이상의국가들로독일 (9.93p), 프랑스 (8.27p) 가각각 3위, 4위기록. - 한국은 7.98p로완속충전기술경쟁력이 8개국중 5위수준에위치하며, 상대적으로급속충전기술에더높은경쟁력을보유. - 44 -
제 3 장국가별표준화및기술경쟁력분석 급속충전기술 < 그림 3-12> 급속충전기술부문국가별수준 - 급속충전기술은 9.15p를기록한일본이가장높은경쟁력을보유한국가로평가되었고, 독일이 8.68p로 2위국에위치. - 미국은 8.50p로 3위수준의경쟁력을보유하고있고, 한국과프랑스는 7.72p의유사한수준의경쟁력을보유한것으로평가됨. 충전인터페이스장치설계및제작기술 < 그림 3-13> 충전인터페이스장치설계및제작기술부문국가별수준 - 충전인터페이스장치설계및제작기술에있어서도일본과독일의기술력이두각을나타내고있는것으로평가되었고, 두국가는각각 9.22p, 8.92p 기록. - 미국과프랑스는 8p 수준의상당한경쟁력을보유하는것으로나타났고, 각각 8.85p, 8.07p를기록. - 충전인터페이스장치설계및제작기술에있어서한국은유일하게 7p대의기술력을보유하고있는것으로평가되어, 5위국수준으로평가됨. - 45 -
중점녹색기술로드맵기획및전략이행점검 양방향충방전 (V2G) 및계통운용기술 < 그림 3-14> 양방향충방전 (V2G) 및계통운용기술부문국가별수준 - 양방향충방전 (V2G) 및계통운용기술에있어서가장높은기술력을보유한국가는일본과미국으로각각 8.60p, 8.39p를기록. - 독일과프랑스는각각 8.05p, 7.56p를기록하며상당한기술경쟁력을보유한것으로평가됨. - 한국은양방향충방전 (V2G) 및계통운용기술에있어서 6.48p의기술력을보유한것으로평가되어 8개국중 5위수준을기록. 기술및표준화종합분석 기술관련부문 < 그림 3-15> 기술부문의종합분석결과 - 46 -
제 3 장국가별표준화및기술경쟁력분석 - 한국은배터리부문에있어서선도국일본을추격하는 2위국으로평가됨. - 특히, 배터리팩에너지밀도향상기술, 리튬계전지소재기술등의영역에서 2위수준을기록하고있는것으로분석됨. - 그러나충전부문에있어서는일본, 미국, 독일, 프랑스가기술경쟁력이상위하고한국은상대적으로열위한것으로평가됨. - 한편차량탑재형배터리충전장치설계및장착기술, 완속충전기술등대부분의세부기술영역에서도 5위수준을기록. 표준화관련부문 < 그림 3-16> 표준화부문의종합분석결과 - 한국의배터리부문표준화수준은 4위수준이고, 충전부문의표준화수준은 6위수준으로기술경쟁력에비하여표준화능력이부족한상황임. - 배터리부문표준화수준은일본이 9.11p, 미국이 8.59p, 독일이 8.44p, 한국이 7.44p, 프랑스가 7.42p 순으로평가됨. - 배터리부문표준화수준은미국이 9.10, 일본이 8.93p, 독일이 8.84p, 프랑스가 7.87p, 영국이 6.60p로나타났고, 한국은 6.25p로표준화능력이미진한영역으로나타남. - 한국의표준화수준은해당영역별기술수준에비하여매우미진한상황으로표준화경쟁력을높일필요가있음. - 독일, 프랑스, 영국등의유럽국가들은기술수준은상대적으로낮음에도불구하고, 표준화경쟁력이매우높아전기자동차시장내마켓파워를보유한것으로분석됨. - 미국의경우에도전기자동차충전부분의기술수준은 2위국에위치함에도불구하고, 표준화수준이높아세계기술및시장을선도할수있음. - 47 -
중점녹색기술로드맵기획및전략이행점검 종합분석 < 그림 3-17> 국가별종합분석결과 (1) (p) 한국 배터리기술 인도 8 미국 충전기술 6 영국 4 일본 프랑 스 독일 중국 - 한국의전기자동차기술력은배터리부문에세계적인순위에있으나, 배터리표준화수준은그에미치지못하는상황임 - 배터리팩에너지밀도향상기술, 리튬계전지소재기술을비롯하여, 배터리기술이세계에서일본과함께최상위권에있지만, 표준화수준은크게못미침 - 미국, 독일, 프랑스, 영국은배터리부문의기술력보다표준화수준이크게높은상황으로국제협력및정치적역량이뛰어남 - 충전부문에있어서는한국의기술력이배터리부문과비교하여열위하나, 미국, 독일, 프랑스, 영국과같은국가들은반대로충전부문의기술력이더높은상황으로분석됨 - 충전부문에있어서도한국의표준화수준은기술력수준에못미침 - 미국은충전부문의표준화영역에서선도적인수준에위치하고, 독일, 프랑스, 영국등의국가들도기술수준보다표준화수준이뛰어남 - 48 -
제 3 장국가별표준화및기술경쟁력분석 Positioning mapping 1( 배터리부문 ) < 그림 3-18> 배터리부문의 Positioning mapping 결과 - 한국은배터리부문에있어서기술경쟁력수준과표준화수준이상당히높은수준에위치 - 기술수준과표준화수준이모두높은국가들은일본, 미국, 독일, 한국이며, 기술수준과표준화수준이모두낮은국가들은프랑스, 영국, 중국, 인도임 - 전기자동차산업에서는기술수준과표준화수준의상관관계가매우높게나타남 - 일반적으로기술수준과표준화수준의연구에는상관관계가낮아, 기술수준이높음에도표준화수준이낮거나, 기술수준이낮음에도표준화수준이높은경우가흔히존재 - 한국은배터리부문에서기술수준은매우높음에도불구하고, 표준화수준이낮아전략적으로장애가되고있음 - 기술수준은미국, 독일보다높음에도불구하고, 국제표준화수준이낮아시장지배력이낮을수있으며, 글로벌시장점유를넓히는데어려움이있음 - 49 -
중점녹색기술로드맵기획및전략이행점검 Positioning mapping 2( 충전 / 인프라부문 ) < 그림 3-19> 충전 / 인프라부문의 Positioning mapping 결과 - 한국은충전 / 인프라부문에있어서기술경쟁력수준과표준화수준이둘다낮은수준에위치하는것으로평가됨 - 기술수준과표준화수준이모두높은국가들은일본, 미국, 독일, 프랑스이며, 기술수준과표준화수준이모두낮은국가들은한국, 영국, 중국, 인도임 - 한국은충전기 / 충전인프라부문에서기술수준과표준화수준이낮아전기자동차산업의경쟁력을높이는데어려움이있음 - 기술수준도영국, 중국, 인도를제외하고가장낮은수준이며, 표준화수준도중국과인도를제외하고가장낮은수준임 - 충전기 / 충전인프라는전기자동차자체기술은아니지만, 전기자동차보급을위해필수적인산업으로전략적으로육성할필요가있음 - 특히, 표준화수준이매우낮아표준화를선점하기위한노력을더기울일것인지, 기표준화된기술을채택하면서기술경쟁력을향상시키는데만주력할것인지에대한전략적방향성 (strategic direction) 설정이향후중요할것으로보임 - 50 -
제 3 장국가별표준화및기술경쟁력분석 분석결과요약 한국은배터리부문에있어서일본과함께기술경쟁력이가장높은반면, 표준화수준은 4위수준으로상대적으로떨어짐 - 배터리팩에너지밀도향상기술등배터리관련기술이세계에서일본과함께상위권에있지만, 표준화수준은그에미치지못하는것으로분석됨 - 미국, 독일, 프랑스, 영국은배터리부문의기술력보다표준화수준이크게높은상황으로국제협력및정치적역량이뛰어난것으로평가되고있음 충전부문에서기술경쟁력은일본, 미국, 독일, 프랑스순으로높고, 한국은 8개국중 5위수준으로낮은수준이며, 특히표준화수준은매우열위한상황으로 6위수준으로평가되고있음 - 미국은충전부문의표준화영역에서선도적인수준에위치하고, 독일, 프랑스, 영국등의국가들도기술수준보다표준화수준이뛰어남 글로벌 EV 시장경쟁력제고를위한국가전략방향 배터리부문에서는표준화수준을높이기위한국가전략설정필요 - 한국은배터리부문에서기술수준이높은편임에도불구하고표준화수준이상대적으로낮아전략적으로장애가되고있음 - 기술수준은미국, 독일보다높음에도불구하고국제표준화수준이낮아시장지배력이낮을수있으며, 글로벌시장점유를넓히는데어려움이있음 충전부문에서는표준화를선점하기위한노력을더기울일것인지, 기표준화된기술을채택하면서기술경쟁력을향상시키는데만주력할것인지에대한전략적방향성설정이필요 - 한국은충전 / 인프라부문에서기술수준과표준화수준이낮아전기자동차산업의경쟁력을높이는데어려움이있음 글로벌협력체제를마련하고, 국제특허를주도하고, 표준화를선도할수있도록정책적지원체제를마련할필요 - 전기자동차산업에서세부기술영역들을살펴볼때, 전반적으로기술경쟁력수준은상당히높은반면, 표준화수준이낮게나타남 - 51 -
중점녹색기술로드맵기획및전략이행점검 제 4 장부문별국가간기술경쟁력분석 1. 국내 배터리기술개발전략동향 현재전기자동차에활용되는배터리는주로리튬계배터리이며주로소형에적용되는양산화기술을가지고있었으나, 환경문제가대두되면서정부및산업계를중심으로빠른속도로자동차에의적용이확대되고있는실정 국내에서는 LG화학, SK이노베이션, 삼성 SDI등의배터리메이커들이전기동력자동차에탑재되는배터리를개발하고있으며, 이와더불어정부에서는핵심산업경쟁력확보를위해범국가적인지원을추진하고있음 정부는 2010년에이차전지산업의글로벌경쟁력확보를위한통합로드맵을발표하여, 산학연관의유기적역할분담을통해이차전지산업의경쟁력강화를범국가적으로추진하고있음 - 통합로드맵에따르면 20년까지민간부문과정부가공동으로 15조원을투자하고기초원천기술은선진국대비 80%( 현재 30%) 로끌어올리며, 전기차의주행거리 2.5배 (100km 250km ), 가격 1/6(130만원 /kwh 20만원/kWh), 에너지저장수명약 3배 (6년 20년) 등으로개선함으로써실용성과경제성을확보 - 이러한육성전략을통해 20년까지이차전지생산세계 1위 ( 세계시장점유율 50%), 소재부문평균국산화율 75% 를달성하여우리나라가이차전지산업의글로벌경쟁력을확보하고저탄소녹색성장을선도하는국가로도약할것을목표로하고있음 - 52 -
제 4 장부문별기술개발및표준화정책방향 < 표 4-1> 국내이차전지산업육성전략 목표연도 2009 2013 2017 2020 기업투자 ( 천억 ) 24.1 67.1(43 ) 119.1(52 ) 181.8(62.7 ) 투자목표 기술개발 목표 상용화기술 정부투자 ( 천억 ) 1.3 4.3( 3 ) 6.4(2.1 ) 7.2( 0.8 ) 합계 ( 천억 ) 25.4 81.4(56 ) 125.5(44.1 ) 189.0(63.5 ) 기초원천기술 ( 선진국대비 ) 전기차용 에너지저장용 주행거리 30% 40% 60% 70% 70~100km 160km 250km 500km 가격 130 만원 /kwh 100 만원 /kwh 50 만원 /kwh 20 만원 /kwh 수명 5~7 년 10 년 15 년 20 년 가격 100 만원 /kwh 50 만원 /kwh 30 만원 /kwh 20 만원 /kwh 인력양성 석 박사급전문인력 140 명 300 명 600 명 1,000 명 자료 : BIR research group(2013), 이차전지실장실태와기술개발동향과전략 1) ( ) 는前목표연도대비증가액 2) 일본대비동일수준이거나강화된목표수준 SK이노베이션은 2007년시작 Cell/Pack 생산라인을구축하여 HEV용과 PHEV용에너지저장시스템을본격적으로개발하고있으며, 2009년부터는전기자동차및신재생에너지저장용리튬이차전지개발에착수 - 현대기아자동차의전기자동차레이에탑재되고있으며, 에너지밀도 150Wh/kg, 50Ah 용량을가진셀을개발함. 양극에는망간계및삼성분계를혼합하여사용하였으며, 음극에는흑연을적용. PHEV용리튬폴리머이차전지는 146Wh/kg의 Cell당에너지밀도및 SOC 50% 에서 3.2kW/kg의출력밀도구현이가능 - 또한독일의컨티넨탈사와합작하여배터리관리장치를포함한시스템을개발하고있으며, 이를발판으로전기자동차시장을확보하기위하여지속적인기술을개발중임 삼성 SDI는 2000년부터하이브리드전기자동차용리튬이차전지연구에착수하여 2003년부터는제품화개발시작하였으며, 2005년말까지제 1세대제품, 2007년말까지제 2세대제품, 2009년까지는제 3세대제품의개발을추진 - 제1세대제품은각형으로에너지밀도 72Wh/kg과 144Wh/l, 출력밀도는 3.5kW/kg(@25, SOC 60%, 10초간 ) 의특성을나타냄 - 미래성장동력사업의일환으로 HEV용이차전지생산및판매를위해독일 Bosch와함께 SB리모티브주식회사를합작설립 (2008. 7) 하여그린카용전지사업을본격적으로추진하였으나, 2012년독일 Bosch의지분을삼성 SDI 에넘기면서삼성 SDI에흡수되었음 - 삼성분계양극이적용된셀을사용한배터리시스템을 BMW용으로전개 - 53 -
중점녹색기술로드맵기획및전략이행점검 LG화학은 2005년하와이에서열린 AABC(Advanced Automotive Battery Consortium) 에서스핀넬형망간계재료를사용하여열적안전성을향상시켜미국 FreedomCar 프로젝트의요구조건을충족시킨 HEV용리튬이온이차전지를개발하였다고발표하였으며, 현대자동차가 2009년 7월출시한 HEV에리튬폴리머이차전지를납품 - SRS 38) 이라는무기계물질을코팅한분리막을개발하여안전성을대폭향상시켜에너지밀도 160Wh/kg이상의고에너지밀도의전기자동차용배터리를지속적으로개발중이며, 르노삼성에서출시하는전기자동차 leaf에납품 - 플러그인하이브리드용으로 16Ah 급셀을개발하여 GM Volt에납품하고있으며볼보등에도납품실적을확대 현대중공업의경우글로벌자동차부품회사인캐나다매그너이카 (MAGNA E-Car) 사와전기차배터리사업을위한합작사 (JV) 를설립함. 배터리제어기술 배터리제어기술의경우배터리셀의장기운용성및배터리시스템의신뢰성확보를위하여중요한기술중하나임 - 셀밸런싱, 온도전압모니터링을기본으로하여시스템단위로집적될경우생기는배터리셀의편차를최소화시켜수명을연장시키고안정적으로구동할수있도록하는기능을가지고있음 BMS 39) 는배터리의전압전류온도와같은전기적인양을측정하여배터리의화학적특성을추출하는것으로배터리의충전용량수명등을예측하여주행모터구동시에는배터리가공급할수있는최대에너지를계산해내고감속시에는회생되는에너지를제한하는역할을수행 - BMS는과충방전으로부터배터리를보호한다는목적과함께, 배터리의사용범위를최적화하여보다저렴하고컴팩트한배터리를차량에장착하기위해서개발 - 또한 BMS는충방전으로인해균형이틀어진셀이과충방전이되어열적전기적손상을입지않도록균형을맞추어주는역할을수행 - 이때측정된전기적인데이터를통해냉각팬과고전압차단기를제어하게됨. 따라서전기적인데이터를통해화학적특성을유도추출해야하므로보다정밀한측정데이터가필요 38) Safety Reinforced Separator : 안정성강화분리막 39) Battery Management System: 배터리관리시스템 - 54 -
제 4 장부문별기술개발및표준화정책방향 < 그림 4-1> BMS 구성과작용흐름도 자료 : Texas Instrument 사홈페이지 (http://www.ti.com/) EV BMS에서또하나의중요한요소는통신과제어로서, 개개의리튬이온배터리셀은복잡한알고리즘에의해서관리되고있으며배터리팩은배터리인터페이스제어모듈내의각측정서브시스템이감시하고있음 - 배터리전체에걸쳐서꼭필요한데이터는 CAN Bus 신호와고전압고장신호에포함되어있음 - 시스템의안전성과신뢰성은 CAN Bus 네트워크를어떻게하면고전압측정회로로부터확실하게절연가능하냐에달려있으며, 과혹한환경과복수의안전규제등을고려하여광커플러를주로사용 SK 이노베이션의경우전기자동차용배터리분야에서팩시스템기술과 BMS기술에세계적인기술력을가지고있는독일의컨티넨탈사와합작하여 SK컨티넨탈이모션을설립, 배터리관리장치를포함한시스템을개발중 그외국내에서는파워로직스는삼성에제품공급을해왔으며, 넥스콘테크놀로지및케피코등은 LG화학에제품공급, 그리고 PNE 솔루션등에서전기동력자동차용 BMS 개발중임 BMS의우리나라기술수준은제어기술의발달로제품의설계및생산기술면에서선진국대비크게뒤지고있지않으나부품과최종품질에서경쟁력이다소떨어지는것으로분석됨. 선진국대비 90% 정도로분석되고있음 - 향후기술개발동향은가격경쟁이심화될것으로보이며, 이에따라원가절감을위한방향으로진행될것으로전망 - 55 -
중점녹색기술로드맵기획및전략이행점검 - 배터리셀의안정성확보를위해배터리의전기화학적반응을억제하는방향으로 BMS의기술이개발된반면, 기술동향은활용범위를적극적으로확대하고잔존용량및수명예측을보다정확히하는방향으로기술개발이전개되고있음 리튬전지핵심소재 자동차용리튬이차전지시스템원가의약 50% 를단전지가차지하며, 그중약 60~70% 를 4대핵심소재 ( 양극재료, 음극재료, 전해액, 분리막 ) 가차지하고있으며, 셀의용량을늘리고안전성을증대시키기위하여각핵심소재연구개발이진행되고있음 이차전지의높은세계시장점유율에도불구하고원천기술경쟁력은일본업체들의 60% 수준에머무는등부품 소재의실질적인국산화율은뒤쳐져있는것이현실. 4대핵심소재인양극재, 음극재, 전해질분리막의세계시장을일본이 70% 이상장악하고있음 리튬이온전지소재시장은일본의시장지배력이약화되고한국및중국의점유율이상승 - 리튬이온전지제조원가중소재비는 45~50% 이며, 소재비중양극, 음극, 분리막, 전해액 4대핵심소재의비중은 72% 이상 - 양극재는벨기에 Umicore와일본 Nichia가주도하고있으나, 고부가가치인양극재시장에신규업체의진입이가장활발하게진행되고있음 - 음극재는일본의 3대선도기업 (Hitachi Chemical, Nippon Carbon 및 JFEChemical) 의점유율이축소되고풍부한자원을확보한중국 BTR Energy의비중이확대되는추세 - 분리막은기술력을요구하므로 5대업체점유율이 86% 이나, 전해액은진입장벽이낮아중국업체가난립하는상황 < 그림 4-2> 리튬전지소재업체및점유율현황 자료 : Roland Berger(2011.08), Bloomberg(2011.12) 주 :1 벨기에, 2 일본, 3 중국, 4 미국, 시장규모는 11 년기준 - 56 -
제 4 장부문별기술개발및표준화정책방향 양극재료의경우재료비중 30% 이상을차지하는핵심소재로이차전지의용량을증대하는 데중요한역할을수행함 < 표 4-2> 국내양극재료개발현황 구분 LCO NCM NCA LMO LFP 분자식 LiCoO Li[Ni,Co,Mn]O Li[Ni, Co, Al]O LiMn O LiFePO 구조 층상구조 스피넬구조 올리빈구조 전지용량 150mAh/g 160mAh/g 200mAh/g 100mAh/g 150mAh/g 작동전압 3.7V 3.6V 3.6V 4.0V 3.2V 가격 25~28 $/kg 20~23 $/kg ~21 $/kg 8~9 $/kg ~20 $/kg 국내업체 앨앤에프 앨앤에프 에코프로 에코프로휘닉스소재한화케미칼 자료 : Toda America 외자료편집 망간계 (LiMn O ) 의경우에는높은출력특성과낮은가격그리고다른물질대비안전성이우수하다는장점으로인하여상대적으로낮은용량에도불구하고자동차용으로서많이적용이되어왔음. 주로일본에서수입에의존하여적용이되어왔으나최근 2~3년에국내에서도망간계에대한국산화연구가활발하게이루어지고있음. 그러나낮은용량과상대적으로좋지않은수명특성으로인하여이에대한개선연구가지속적으로이루어지고있음. - 문제점중하나인수명특성의저하는어느한요인에의해서라기보다는여러요인이복합적으로작용한것이며특히고온수명특성은 LiMn O 가 EV/HEV등고온환경에서의사용을목표로하는것이기때문에반드시해결해야할문제임 - 현재 LiMnO 의수명특성에영향을미치는요인으로는 1Jahn-Teller distortion, 2Mn dissolution, 3구조적불안정등이제시되고있음 - 각각의요인은서로연관된작용에의해발생되는결과로먼저 Jahn-Teller distortion에의한구조변화를살펴보면앞서설명한바와같이사이클이진행되는동안활물질의수축과팽창이반복되면서미세변형과구조의붕괴등이발생하여전극의용량이감소하게됨 - 다음으로 Mn dissolution 의경우에는 Jahn-Teller effect 에의해형성된 LiMn O 이전해액에쉽게녹는 Mn 이온의형성을촉발하기때문에사이클이진행될수록양극활물질의양이감소하여용량의감소를야기시킴 - 이와같은문제를해결하기위해망간을다른전이원소로치환하여 Jahn-Teller distortion을억제시키고자하는방법과 LiMn O 표면코팅을통해전해질로의망간이온의용해를최소화시키려는연구가이루어져왔음 - 57 -
중점녹색기술로드맵기획및전략이행점검 - 55 이상의고온에서는망간이온의용해로인해고온내구성역시해결해야하는과제로 연구가이루어지고있음 < 표 4-3> LiMn O 의전이금속치환에따른수명특성변화 조성 초기용량 (mah/g) 25 o C에서 50사이클이후용량감소 (%) LiMn 2 O 4 119 39.4 LiMn 0.9 Li 0.1 O 4 109 4.2 LiMn 0.9 Al 0.1 O 4 117 28.4 LiMn 0.9 Ti 0.1 O 4 109 17.1 LiMn 0.9 Co 0.1 O 4 123 14.9 LiMn 0.9 Ni 0.1 O 4 120 9.6 LiMn 0.9 Cu 0.1 O 4 113 7.7 LiMn 0.9 Al 0.05 Li 0.05 O 4 115 6.8 LiMn 0.9 Co 0.05 Li 0.05 O 4 119 4.3 자료 : Y.Shin et. al., J. Electrochem. Soc(2004) 현재전기자동차용리튬이차전지에사용되는양극활물질로는망간계의낮은용량으로인하여전이금속산화물이주로사용되고있으며, 높은에너지밀도의요구에맞추기위해서삼성분계의전이금속비율중 Ni의함량을 50% 이상으로높인 Ni-rich 양극소재가주목받고있음 - 이와같은활물질들은충전 cutoff voltage를 4.4V로하였을경우약170mAh/g 정도의방전용량을나타내며, 사이클특성도비교적우수한것으로보고되고있음 - 이와같은 Li-Ni-Mn-Co-O계활물질은공정조건에따라그특성이크게좌우되며, 특히제조온도에따른용량, 출력및수명특성등에대한변화가발생 - 삼성분계양극소재의 Ni 의비율이증가하게되면서양극과전해액반응으로인한전지특성열화, 구조적안전성및화학적안전성을높이기위한표면개질에대한연구가진행되고있음 - 특히리튬이온자리에존재하는니켈이온을제거하여 layered structure의구조적안정성을얻기위해코발트를첨가하는연구가진행 - 많은연구결과에서 Li-Ni-Mn-Co-O계활물질의각전이금속양에따른격자상수값을측정해본결과코발트의양이증가할수록 layered structure에가까운값을나타내었으며, 이는코발트의양증가에따라리튬이온자리에존재하는니켈이온의양이감소함에따른것으로분석됨 - 양에따른활물질의출력특성측정시코발트양의증가에따라리튬이온의확산을방해하는 2가의니켈양이온감소에따라활물질의 rate capability 가향상되는것을알수있음 - 58 -
제 4 장부문별기술개발및표준화정책방향 - 이와같은코발트치환에따른리튬이온의감소는이미 LiNiO 의경우에서확인할수 있었던것이나, Li-Ni-Mn-Co-O 계활물질에서는그효과가감소하였으며, 특히물질의 제조온도에따라서도그정도의차이가나타남을알수있음 < 그림 4-3> Li-Ni-Mn-Co-O 계활물질에서 Co 양에따른 Ni 무질서도변화 자료 : M. Whittingham, Chem. Rev. Soc.(2004) LiNiCoAlO 의경우, LiCoO 와같은층상암염구조 (Rm) 로서, LiCoO 와 LiMn O 양극활물질에비하여고용량의전지용량을얻을수있으나, Ni의작은이온반경과혼합원자가상태의유동성, Ni 의불안정성등으로구조내의결점, 구조적무질서및양이온혼합등으로인해재료합성에어려움이있으며과충전시온도상승으로산소가양극활물질의결정으로부터이탈하여발화나폭발을야기하는안정성에문제가있어그응용분야가제한적인상황 1997년 Padhi 등에의해처음제안된 LiFePO 는무엇보다도철을전이금속으로사용하기때문에낮은가격으로전극을제조할수있다는장점을통해차세대양극활물질로각광받고있음 - LiFePO 는다른양극활물질과는달리 3.4V대의방전전압을나타내며, 에너지밀도는약 170Ah/kg 정도인것으로보고있음 - LiFePO 와리튬이모두빠져나간 FePO 는근본적으로같은구조이기때문에리튬이온이 deintercalation되더라도구조적으로매우안정하며, 수백사이클이지나도용량감소가거의발생하지않음 - 59 -
중점녹색기술로드맵기획및전략이행점검 - 또한, LiNiO 와같은 layered structure를지닌활물질에서처럼리튬이온이빠져나감에따른산소분해반응이발생되지않아전지의안전성측면에서도매우우수한특성을보임 LiFePO 는구조적안정성을바탕으로한우수한전기화학적특성을지니고있지만낮은전기전도도로인해순수한 LiFePO 만을실제전극재료로활용하기에는무리가있음 - LiFePO 의전기전도도는약 10 S/cm 범위로 LiCoO (10 S/cm) 나 LiNiO (10 S/cm) 및 LiMn O (~10 S/cm ) 와비교해매우낮은수준이며따라서방전시굉장히낮은전류밀도하에서만이론적방전용량을나타낼수있음 - 이를해결하기위해많은연구가이루어져왔으며가장대표적인방법으로도전제로흔히사용되는탄소를 LiFePO 입자표면에코팅하는방법이제안됨 - 여러연구에따르면이와같은표면탄소코팅방법에따라활물질의전기전도도가 10 ~10 S/cm 정도의범위로향상되었음을알수있음 - 방전전압이 3.5V 정도로상대적으로낮으므로 Fe를 Mn이나 Ni 등으로치환한고전압올리빈양극재가연구되고있는중 현재국내에서양극소재관련하여개발하고있는업체는앨앤에프, 한국유미코아, 에코프로, 코스모신소재 Hanhwa Chemical Daejung EM, Hyosung, 일진머티리얼즈등이있음 - 양산에적용되고있는망간계, 삼성분계등의물질이외에더높은용량을나타내는 Li MnO 물질이개발되어지고있음. Li MnO 와다른리튬금속산화물과의고용체형성은 LiCoO 와 LiNiO 연구에서가격을낮추고안전성을증가시키기위해망간을치환하는연구와그선을같이하는것으로써, 특히여분의리튬이온이금속산화물층에존재하게됨으로인해이른바 lithium-rich" 상이형성되고따라서고용량등의전기화학적특성이나타남 - 양극활물질개발의한축으로 Li MnO -LiMnO -LiMO 를기반으로한고용체개발이활발히진행되고있으며, LiMnO 와 LiMO 사이에서는리튬의 stoichiometry를지킨 lithium stoichiometric" Li[Mn M ]O 가개발되고, Li MnO -LiMO 사이에서는 lithium-rich 상인 lithium-saturated" Li[LiyMn M ]O 가개발중 - 60 -
제 4 장부문별기술개발및표준화정책방향 < 그림 4-4> A Compositional phase diagram of a 'layered-layered spinel' system 자료 : Lithium Batteries-Science and Technology(2004) - 이와같은활물질의개발은 spinel 부분에서설명할망간이온의산화환원반응에따른활물질의퇴화를방지하고망간을안정적인구조를형성하는원소로사용할수있다는점에서가격, 안전성등에서큰이점을가져다주었음 음극재료의경우양극재료와마찬가지로핵심소재로이차전지의용량을증대하는데중요한역할을수행함. 초기자동차시장이시작되었을때는거의전량을수입에의존하였으나, 현재에는국내에서도비정질 carbon계뿐만아니라인조흑연등에도연구개발이확대되어양산화가되고있음. 하이브리드자동차의경우고출력특성을요구하기때문에출력특성이우수한하드카본의적용비율이높았으나전기자동차의경우에너지밀도에대한요구특성이높기때문에인조흑연을많이적용하고있음 흑연은크게천연흑연과인조흑연으로구분됨. 천연흑연은흑연광산에서흑연이 5~15% 정도함유된채로산출. LiB용음극재로흑연을사용하려면순도가전지그레이드는되어야하는데최소한 99.5% 이상은되어야함. 이렇게순도를높이려면캐낸천연흑연광을선광, 화학처리등을거쳐불순물을제거하는공정을거치게됨. 이것을구상화로가공하고, 피치코팅을하기도함. - 인조흑연은출발물질이천연광물이아닌석유나콜타르코크스같은탄소전구체를이용하여 2800 이상의고온으로가열하여생성된흑연임. - 인조흑연의경우국내에서는제조기술이약해일본에비해경쟁력이열위에있으며, LG화학과삼성 SDI는인조흑연을천연흑연으로대체하기위해수계바인더기술을적용하고있음 - 61 -
중점녹색기술로드맵기획및전략이행점검 - 천연흑연의경우구형화천연흑연은중국에서구매가능하며, 가격적인요소로인해인조흑연의사용비율은지속적으로감소하고있으며, 천연흑연의사용은증가하고있음 - 2009년에는전체음극재사용량중천연흑연의비율이 65% 를차지함. 일본소재업체들이음극재의제조, 표면특성개질등요소기술에대한특허를다수확보하고있어영향력이크고기술력이뛰어남 - 지금의천연흑연에대해서는원재료수급을바탕으로한중국업체들의도전이매우거센상황임고용량재료인 Si, Sn 계재료에대해서도개발역사가짧아기술적으로수준이낮고, 특허를확보하지못하고있음 - 흑연의경우리튬의이론저장용량 (LiC 기준 ) 이 372mAh/g으로제한되기때문에보다큰리튬저장용량을갖는새로운음극소재의개발이필요 - 이러한고용량음극소재로서리튬과반응하여리튬-금속합금을형성하는금속을활용하고자하는연구가활발히진행중 흑연이외의음극재료로는소프트카본 (Soft Carbon) 과하드카본 (Hard Carbon) 이있는데탄소로구성된코크스를비교적저온인 1000~1200 로열처리하여제조이중하드카본은전기자동차용음극재로서중요성이커지고있음. - 열처리온도가낮아흑연화가일어나지않은탄소재료는 XRD 상에서는같은비정질로보이지만고온열처리에의해서흑연화되는것과되지않는탄소가있음. 흑연화되는탄소는무르기때문에소프트카본, 흑연화되지않는탄소는단단하기때문에하드카본이라고불리워짐. - 소프트카본은결정이거의한방향으로정렬되어있기때문에열처리할때탄소가짧은거리를확산하여도흑연화될수있다. 반면하드카본은결정립이무질서하기때문에흑연화가일어나지않음 < 그림 4-5> Soft Carbon(a) 과 Hard Carbon(b) 의구조모델 자료 : J. Electrochem. Soc. (1995) - 62 -
제 4 장부문별기술개발및표준화정책방향 - 탄소재료는출발원료나열처리조건등에따라서특성이크게다른데, 이차전지에서의음극특성은탄소의결정성, 배향성, 형상등의구조인자에의해서크게좌우됨 - 다음그림은소프트카본과하드카본의가용용량이열처리온도에따라서어떻게변화하는가를나타내고있으며, 소프트카본은 1000 이하에서열처리할경우매우높은용량을나타내며, 1600-1800 부근에서최소값을보이다가 2500 이상에서열처리하면흑연의이론용량인 372mAh/g에가까워짐 < 그림 4-6> 카본의열처리온도에따른비용량관계 자료 : Science, 270(1995) - 한편하드카본은 1000 이하에서열처리한경우는 600mAh/g 정도의높은용량을보이나열처리온도가높아질수록용량이감소하며, 2000 이상에서열처리하면흡착할수있는자리와미세공극이감소하여흑연화가진행된소프트카본보다용량이낮아짐 - 탄소의성질이다양하기때문에현재탄소재료를개선하기위한연구가수행중 - 비정질탄소인 coke를음극으로사용하면용량은흑연에비해떨어지지만다양한전해질을사용할수있다는이점이있어전류를크게할수있다는장점을가짐. - 비가역적인용량이크고방전전압곡선이흑연전극처럼낮은전위에서평탄하지않고높은전위에서기울기를갖고방전되기때문에고에너지밀도를요구하는소형전지보다는고출력형의전지에주로채용되고있음 - 63 -
중점녹색기술로드맵기획및전략이행점검 현재의전지제조기술을감안할때리튬이온전지의에너지밀도향상을위해서는양극소재및음극소재의고용량화가우선적으로이루어져야하며, 흑연의경우리튬의이론저장용량 (LiC 기준 ) 이 372 mah/g ( 혹은 820 mah/ cm3 ) 으로제한되기때문에보다큰리튬저장용량을갖는새로운음극소재의개발이필요로됨 금속소재중가장많은연구개발이이루어지고있는것은실리콘 (Si) 와주석 (Sn) 계음극소재이며기존의탄소계열음극소재에비해단위무게, 부피당용량면에서약 2~3배정도높은특성을보임 - 하지만충방전이진행됨에따라급격히가역용량이감소되어실제전지에도입하기에는많은무리가따르며이를개선하기위해많은연구가진행되어오고있음 주석계전극은충방전용량이눈에띄게높지는않으나사이클안전성이우수하며, 실리콘계전극은그반대의성능을나타냄. 차량탑재용전원을의식하는경우에는혁명적용량과경제성양쪽을만족시켜야하기때문에실리콘계전극이중요시됨 - 실리콘음극재료의경우충방전에의한팽창수축에의해전극의열화가빨라져장기사이클성능에열악하지만최근고용량화에대한요구가점차적으로높아지면서 1,000mAh/g 이상의용량이나오는실리콘재료에연구를지속적으로하고있음나노와이어형태로만들어체적변화를억제하거나 Si-O-C 무정형상태의복합재를만들어안정된사이클을확보하는등의기술개발을진행함 국내음극재료개발은주로 GS칼텍스와포스코캠택을중심으로진행되고있음 - GS칼텍스는 2007년개발한소프트카본계음극재를생산하기위해경북구미에연간 2,000t규모의공장건설에착수하여연내완공할예정이며, 전기차용 2차전지수요확대에맞추어최대 6,000t까지확대할계획 - 포스코켐택은 2011년 5월충남연기군에음극재생산공장을착공하였으며, 중국에서수입한천연흑연광을가공해연간 2,500t 규모의천연흑연계음극재를생산할계획 - 애경유화는자체개발한하드카본계음극재를 SK이노베이션이만든전기차용이차전지에적용하여성능시험을하는등상업화연구진행중 전해액은기존유기용매의개선, 난연성유기용매의개발, 저온고온용유기용매의개발, 리튬과의반응성이낮은안정적인유기용매의개발등에초점을맞추어연구개발이진행되고있음. 리튬이온전지의성능개선을위하여액상전해질이아닌고분자겔을사용하여누액이발생하지않는제품이리튬폴리머전지에적용되고있음 전해액에는전지의수명향상과안전성확보를위해다양한종류의유기첨가제가사용 - 최초충전시에음극에서전해액이분해되기이전에첨가제인 Vinylene carbonate 및 Propane sultone 등이먼저반응하므로전지의수명이향상 - 리튬전지의과충전시발화를억제하는첨가제로는 Biphenyl, Cyclohexyl benzene, 2,4-Difluoroanisole 등을사용. 4.5V 이상의과전압에서첨가제가먼저분해된후분리막의 - 64 -
제 4 장부문별기술개발및표준화정책방향 기공을막아리튬이온의이동을차단하면리튬전지의기능이정지 - 유기전해액은열적안전성이낮음에도불구하고이를대체할물질이없기때문에대부분의리튬이차전지에사용되고있으며발화원이있을경우에쉽게불이붙는성질이있고전지내에서부반응발생시가스가발생하여전지의성능및안전성을저하시키는요인으로작용 - 유기전해액의전도도를높게하는용매는 EC 이지만, 하기의표에서보여지듯이 EC의어는점이높아 (37 ) 저온전도도를낮게하여리튬이온전지의저온성능을악화시키며 0도이하의온도가되면상온출력의 1/2 정도밖에사용할수없게됨 < 그림 4-7> Physical properties of organic solvents 자료 : J. Power Sources, 97-98, 595 (2001) 유기전해액은높은온도에서분해돼가스를발생시키는단점이있으며약 70도이상의온도가되면가스가발생해전지가부풀어오르게되며이는리튬이온전지가출력전압이높아양극과음극이부반응을일으키지않는더넓은전위영역에서안정한물질이어야하며, 동시에저온및고온특성도만족되어야함을의미 2012년부터 HEV 시장이크게증가되어전해질의안전성문제가많이부각되었으며, EV 자동차의경우전해액의더높은수명과안전성등이요구됨에따라서전해액으로난연을결정하는첨가제개발이화두가되고있음. - 안전성문제대두로전해액뿐만아니라고체전해질을사용하는전고체형리튬이온 2차전지의연구개발이진행되고있지만제품화에는아직이르지못하고있음 - 일본의 UBE, Mitsubishi chem, Tomiyama 가전세계시장의 50% 를차지하고있으며그다음으로국내기업인욱성화학과테크노세미켐이차지하고있음. 분리막의경우리튬이온이차전지의안전성과직결되는부분으로특히리튬이차전지의고용량및고출력분야로의응용이지속적으로확대됨에따라전지의폭발 (Explosion), 발화Fire) 와같은전지안전성에대한중요성이크게주목받고있음 다공성폴리에틸렌 (PE) 및폴리프로필렌 (PP) 필름인분리막은제조공정에따라서건식방법및습식방법두가지의방법으로구분되어생산을하고있음 - 65 -
중점녹색기술로드맵기획및전략이행점검 - 습식분리막의경우성형과정에서첨가한가소제를유기용매로추출할때발생한기공을 연신하여확장한것으로강도, 탄성및두께기공균일도등이우수 - 건식법은압출필름을저온에서연신하여결정계면에서미세균열을발생시키는방식이며, PP/PE/PP의삼층 (Tri-layer) 구조를주로저가격, 고출력용에사용 - 강화막은폴리올레핀수지의기계적, 열적특성을보완하고자다공성고분자막의표면에 세라믹입자층을형성시켜고온에서도분리막의기계적수축을발지한제품임 < 표 4-4> 분리막개발현황 구분 건식막 습식막 강화막 수지 폴리프로필렌폴리프로필렌폴리에틸렌폴리에틸렌폴리에틸렌 두께 10~25um 10~25um 15~25um 연신 일축 (Uni-axial) 이축 (Bi-axial) 가격 1.0 $/m2 1.3 $/m2 1.5 $/m2 국내업체 씨에스텍 SK 이노베이션 LG화학, SK 이노베이션 해외업체 Celgard Asahi Kasei Enonik Degussa Toray Tonen Asahi Kasei 자료 : 업계발표자료취합 분리막세계시장은일본업체들이대부분차지하고있으며국내의경우 SK 에너지, 외 2군데의중소기업에서습식방법으로분리막원판을생산하고있음. 분리막의경우원판제작뿐아니라, 안전성을확보하기위하여산화물을코팅하여적용하고있음 - 건식분리막은습식에비해 20~30% 저렴하고국내에서유통가격이 1.5~2$ 수준을나타내고있음. 때문에자동차용분리막은대부분건식이채택되고있음 - 분리막기술은강화막위주로개발되고있으며, 다공성막으로부직포를사용하여기계적강도를높이거나, 표면코팅재로실리카 (SiO ) 등을이용하는방향으로전개 LG화학의경우무기계산화물을코팅하여안전성을향상시킨분리막에대하여특허권을갖고 SRS TM 을전기자동차용이차전지분리막으로납품하고있으며, 현재 SK 이노베이션과의특허권관련하여분쟁중임분리막재료기술관련하여개발현황 한편무기물입자와바인더로만구성된막의유연성및강인성부족문제를해결하기위해다공성기재를지지체형태로도입하는연구가최근활발히진행 - 그대표적인예로서폴리올레핀계열분리막위에세라믹입자가고분자바인더와함께코팅된복합막세라믹입자및고분자바인더가코팅된전극폴리에틸렌테레프탈레이트부직포 (Non-Woven) 에세라믹입자들이졸젤계열바인더와함께도입된복합막등이있음 - 66 -
제 4 장부문별기술개발및표준화정책방향 - 이러한유무기복합화에의해제조된신규분리막은기존폴리올레핀계열분리막에비해열적기계적안정성이탁월하며전지적용에서도현저히개선된안전성을보이는것으로개발되고있음 배터리재활용기술 차량용리튬이온전지시장의빠른확대로인하여그만큼리튬이온전지의재활용에대해서도많은관심이집중되고있음 자동차의동력원으로이차전지가사용되면서리튬이차전지의사용량이급증하고있으며이차전지산업이발달한우리나라에서는늘어나는수요에맞춰전지원료의사용량도급격히증가 폐리튬이온전지의재활용은파쇄, 자력선별, 분급등으로전극활물질만을선택적으로농축시킨뒤환원제로과산화수소를사용하는황산침출법으로코발트를침출 - 침출용액으로부터코발트를회수하기위하여옥살산을이용하여코발트를선택적으로분리회수하는공정과 ph를조절하여불순물을제거하고난용액으로부터용매추출법을통해황산코발트를제조하는공정으로서폐리튬이온전지를재활용 HEV용이차전지및골프장용전기자동차에사용되는리튬이차전지재활용을위하여안정적해체, 파분쇄, 습식침출, 분리정제등에대한연구가진행중에있으며특히현재개발하고있는공정의경우기존금속생산에서벗어나양극활물질로재공급하기위한공정을개발 - 특히삼성분계양극활물질로공급하는경우니켈, 코발트및망간의분리정제공정을생략하고세금속을수산화물로공침시킨후탄산리튬과반응하여양극활물질로제조하는공정을제시함으로써국내에서폐기물로부터양극활물질원료를공급하는기반을마련 - 67 -
중점녹색기술로드맵기획및전략이행점검 < 그림 4-8> 폐리튬이온전지의재활용공정도 자료 : 세라미스트제 13 권, 5 호 우리나라와같이이차전지산업이발달되어있으면서도양극활물질원료를수입에의존하고있는문제를해결하기위해서도효율적인리튬이차전지재활용기술의확립이필요 우리나라는고철및비철스크랩에서귀금속등회수기술은선진국의 80% 수준에근접하고있으나폐제품에서의회수 재활용기술은 40 50% 수준에불과하며, 희유금속의상용화ㆍ고순도기술은선진국의 20% 내외수준 - 성일하이텍, 리싸이텍에서리튬이차전지제조공정스크랩에서코발트회수에대한연구수행중 - 포스코역시 LS닛코동제련과함께리튬이온전지재활용사업강화에나서, LS닛코동제련의리튬이온전지재활용기술과사업모델을포스코와공유 2. 유럽 유럽의경우승용차이산화탄소배출량규제를통한기술개발지원등을통하여전기자동차 등에대한지원및환경강화에지속적인노력을하고있는반면, 배터리시장에있어서 아시아, 미국에대비하여기술력및시장점유율이다소상당히낮은것이현실임 - 68 -
제 4 장부문별기술개발및표준화정책방향 - E3CAR(Energy Efficient Electrical Car) : 유럽 11개국, 33개자동차제조업체와연구기관이참여해전기자동차의효율을 1/3 이상증대시키기위한공동프로젝트 ( 09~ 11년, 4,400만유로 ) - 프랑스의경우 2020년까지 200만대의전기자동차 (EV) 를생산하는것을산정하여자동차메이커와 EV관련연구, 개발에의조성및인프라개발에 10년동안에총액 25억유로, 투입 ( 환경, 지속개발상, 2009년 10월 ) - 독일의경우 2020년까지 100만대의 EV실용화를목표 독일의 LTC/Gaia은리튬이온전지제조회사로서, 자동차용이외에정치형전지, 재생가능에너지, 군사, 우주항공용을공급하고있으며, 2002년에미국의 Lithium Technology Co. 에합병됨 - NCA계, 인산철리튬이온 (LiFePO ) 전지셀, 배터리팩, BMS를장비한배터리팩등이주요생산품임 - 2011년 9월 27일미국의배터리메이커 EnerSys사와대형리튬이온전지셀을생산하는합병회사 EAS Germany를설립하였으며출자비율은 EnerSys가 60%, LTC/Gaia가 40% 로구성됨 dspace는자동차산업및항공산업에서필요로하는전자제어기기등을제조하는회사로서독일에본사가있고일본에자회사가있음 - BMS의 HIL(Hardware-In-the-Loop) 테스트에서는셀수준에서고전압배터리를시뮬레이션을가능하게하기위하여 dspace는실시간으로계측할수있는셀모델과셀단자전압을출력할수있는고정밀도의에뮬레이션유닛 (Emulation unit) 을개발하였으며이는 ECU 단체및 ECU 네트워크통합테스트가가능하다. 독일의 Continental사는세계유수의자동차회사에섀시, 파워트레인, 타이어등자동차부품을공급하고있는글로벌메이저종합자동차부품회사로서전기자동차용배터리분야에서는배터리팩시스템기술과 BMS기술에세계적인강점을가짐 - 2012년 7월한국의 SK이노베이션과합작회사설립을위한계약을체결 Johnson Controls는프랑스의리튬이온전지메이커로서 NCA, LFP를적용하여개발중이며, 다임러의하이브리드차량의실용화적용연구를진행중임 - Saft와합병하여개칭하였으나, 현재는독자적으로전기동력자동차전지개발을진행하고있음 배터리소재개발관련하여유럽의다국적기업에서기술력을가지고상업화진행중 독일의 Sud chemical에서는리튬인산철양극재에대한독자특허로개발진행중 리튬인산철의경우현재낮은전압으로전기자동차의적용에장애가되고있으나, 높은 - 69 -
중점녹색기술로드맵기획및전략이행점검 안전성과출력특성등으로중국에서는리튬인산철을적용한전기자동차등을개발 다공성분리막표면에알루미나 (Al O ) 대신 SiO 나 BaTiO 등을사용하는기술이개발중이며, 독일 Evonik Degussa는다공성막으로부직포를활용한제품 (Separion ) 을상업화 독일에보닉스사는폴리에틸렌테레프탈레이트 (PET) 부직포에세라믹입자들을코팅한복합분리막을개발하여현재시제품생산중에있으나리튬이차전지에현재까지적용된사례는없음 이차전지재활용관련하여현재상용화된공정으로가장주목을받고있는것은벨기에유미코어의건식처리공정으로현재연간 4천톤의폐리튬이온전지를재활용하여이차전지원료로재공급 - 별도의전처리없이전지전체를 smelter에투입함으로써인건비를절약하는것이특징이며이때발생하는배가스는플라즈마를이용하여완전분해하여다이옥신등의문제를해결 - 용융과정에서발생하는이산화탄소를환원시켜용융과정에서발생하는금속산화물의환원제로사용함으로써이산화탄소배출을최소화하고있다. Smelter 에서회수되는슬래그는건설용재료로활용하고코발트, 니켈, 구리등으로구성된합금상은습식침출, 용매추출등의공정을적용하여코발트산화물과니켈화합물을제조하여이차전지원료로공급하는공정으로구성 - 본공정의경우용융과정에서리튬이슬래그로 50%, 배기가스로 50% 가배출되어리튬을회수하지못하는것이단점이며또한엄청난양의유기물연소로인한배기가스처리역시단점으로지적 3. 미국 산학연연계한배터리개발전략진행 미국의경우일본이나우리나라만큼배터리제조업체를보유하고있지는않으나외국산석유의존도저감, 환경보존등을위하여 DOE 등 7개정부기관과 19개의국립연구소의주관으로 Ford, Chrysler, GM과 350개이상의자동차부품업체, 대학및연구소등이참여하여 1993년부터 10년간총 3000억원규모의 PNGV 40) 과제를수행 미국에서 HEV 개발에주도적역할을한것은캘리포니아주등초저공해자동차판매를규정한환경법등에근거하였으며, 여기에추가적으로오바마정부는에너지정책에미국산 PHEV를 2015년까지 100만대를보급할계획을포함시킴 40) Partnership for a New Generation of Vehicles - 70 -
제 4 장부문별기술개발및표준화정책방향 DOE에서는 2014년까지재충전없이주행거리가 40마일에이르는차량의가격경쟁력을확보하고, 2016년완전상용화목표성능확보를목표로하여 GM, Ford, GE 주도의 3개의컨소시움에 3,000만달러의 PHEV 투자자금지원계획을 2008년 6월확정 다우코캄 (Dow Kokam) 은 LiMn O 양극이적용된전지를생산하고있으며미국에서채용된실적을가지고있음. Dow chemical 에합병되어 Dow KoKam을설립하여지금도 EV용배터리개발을하고있음 EnerDel은 Ener1의자회사로 Ener1이국내 Enertech International의 83% 지분을갖고리튬이온폴리머배터리셀및팩제조를통해 BMS 및차량을개발하는업체임 - Enerdel의경우독자적으로 Lithium Titanate Battery를개발하여, Think city 의전기자동차모델에채용되었으나, Think의전기자동차의부진으로납품중지됨. Valence Technology의경우양극으로 Lithium Iron Magnesium, 을채용하여독특한리튬이온배터리를개발하여, Segway등에채용실적을갖고있으며, Enova가스쿨버스하이브리드에채용하고있음. 배터리핵심소재기술 미국의경우원재료의기술수준이국내보다높다는평가를받고있으며, 전해액, 분리막, 양극소재등에있어서다양한원천특허를보유하고있음 셀가드사의경우건식방법으로분리막원판을생산하고있으며, 건식방법으로생산되는분리막의대다수의시장을점유하고있음 Air Products는리튬이온배터리에플루오르화전해질염을사용하는특허기술을보유하고있다. 폴리플루오르화붕소클러스터음이온에기초한염은 EV의열악한조건을견딜수있도록구성 3M 사의경우대다수리튬이온전지에사용되는삼성분계의원천특허를가지고있으며일본에서양산전지등에사용이되었음 폐전지재활용기술 폐리튬전지로부터유가금속회수및기능성소재제조실용화기술에관한해외업체들의기술동향을살펴보면, 미국의 Zhang은최초로폐리튬이온전지의가장간단하고경제적인처리방법을개발하였으며, 이는폐전지로부터먼저LiCoO 전극들을분리하고여기서코발트를회수하는기술임. - Zhang은 LiCoO 를알루미늄기재에서박리해내고염산으로용출시킨후, 유기용제 (PC-88A) 를이용해코발트를분리하고리튬은카보네이트로침전 - Lee는어떠한전처리공정없이 LiOH 수용액을이용하여 200 에서수열합성법으로 LiCoO 를분리하여새로운양극활물질로동시재생하는기술을개발 - 71 -
중점녹색기술로드맵기획및전략이행점검 4. 일본 NEDO가주도하는기술개발전략추진 일본의경우, NEDO 기술개발기구에서 1992년부터현재까지 4개의대형배터리프로젝트를추진하고있음. 1992년부터 2006년까지대형리튬배터리기술개발 (1992~2001) 및 FCV용리튬배터리기술개발 (2002~2006) 이라는 2단계의프로젝트를수행한뒤, 일본차세대배터리기술개발로드맵을작성 - 로드맵은연구개발전략 3단계 1개량 (2010년), 2선진 (2015년), 3혁신 (2030년) 배터리목표에따라성능및단가를기준으로기술개발로드맵을작성 < 그림 4-9> NEDO 의차세대배터리기술개발로드맵 자료 : NEDO(2010) 차세대배터리기술개발로드맵 - 2030년까지리튬이온전지가시장을지배하게될것으로전망하고 PHEV와 HEV에주로사용되는출력밀도지향적전지와전기자동차용으로사용될에너지밀도지향적전지등두유형의전지개발에초점을둠 - 이에따르면전지 ( 배터리팩 ) 비용은 2009년 3월 20만엔 /kwh( 약 2,016달러 /kwh) 에서 2020 년에는 1/10 수준으로떨어질것으로전망 - 이러한전지가격의하락은전기자동차가격의하락으로이어져전기자동차보급을가속화시킬수있을것으로예상 차세대리튬이온전기개발 일본업체들은차세대리튬이온전지개발을통해다시세계시장공략에나선다는전략을수립 - 특히전기자동차와하이브리드자동차용리튬이온전지의가장큰단점은장거리주행에문제가있다는점이며, 일본업체들은이같은문제를해결하기위해고용량리튬이온전지를안전성을확보하며저비용으로개발하겠다는계획임 - 72 -
제 4 장부문별기술개발및표준화정책방향 - 리튬이온전지를고용량으로개량하기위해서는제3세대리튬이온전지로불리는 포스트리튬이온전지 가가장유력한대안으로떠오르고있음 현재일본자동차용리튬이온전지분야에서는전기회사와자동차회사가공동으로회사를설립하는경향이뚜렷하게나타나고있음 - 오토모티브에너지서플라이 ( 닛산자동차와 NEC의합병 ) 의경우양극소재로망간계를적용하여전기자동차및하이브리드자동차에매우높은실적을가지고있음. 전기자동차용으로개발된전지의경우양극은망간계와일부니켈계를혼합하였으며, 음극은흑연계를적용하여셀의에너지용량은 32.5Ah, 에너지밀도 157Wh/kg으로개발하고있음. 하이브리드전지용으로는음극에비정질탄소계를적용하여 4.1Ah급으로개발 - 리튬에너지재팬 (GS Yuasa와미쓰비시모터스의합병 ) 의경우최초의전기자동차상용모델인 I-MieV에탑재되었으며, PSA의 EV 모델에도출하하고있음. 망간계를베이스로한양극물질을적용하였으며, 50Ah 급각형셀로 109Wh/kg의에너지밀도를가지고있음 - 블루에너지 (GS Yuasa와혼다가합병 ) 의경우혼다의하이브리드자동차신형 Fit, Accord 등에채용이확대되고있음. 양극소재에삼성분계가적용된4.7Ah 급의셀을개발 일본의경우전반적으로이차전지구성소재에대하여많은원천기술을확보하고있으며, 국내의경우양극소재에대해개발하는업체가 10개이내인반면일본의경우 19개정도의업체가양극재료에대한개발을지속적으로진행 Nichia, Toda, Seimi, 일본전공 Mitsui, Tanaka등많은양극소재업체가있음또한국내의경우전구체를생산하는업체가두세곳인반면일본의경우 9개정도의전구체생산업체가있음 이들재료분야에서특히미츠비시케미칼, 니치아 ( 日亞 ) 화학공업 ( 미상장기업 ), 히타치화성공업, 우베흥상, 아사히카세이등은세계시장에서압도적인기술경쟁력으로최고의점유율을유지하고있는기업들임 - 음극재료의경우전통적으로열처리기술을확보하고있으며 2,500 이상의열처리공정이필요한인조흑연시장을주도 - 아사히카세이 (Asahi Kasei) 는폴리에틸렌수지와세라믹의하이브리드화, Panasonic은세라믹을전극판에코팅한구조개발 - 일본의미쯔비시화학은아라미드섬유로구성된부직포에세라믹입자들을도포한제품을개발진행중에있으나현재까지상용화된사례는없으며, 이외일본의아사히, 토넨및미국의셀가드사에도서고안전성분리막개발을진행중 - 73 -
중점녹색기술로드맵기획및전략이행점검 순위양극재음극재분리막전해액 1 니치아화학 ( 일본, 19%) 히타치화성 ( 일본, 32%) 아사히카세이 ( 일본, 37%) 우베 ( 일본, 23%) 2 L&F ( 한국, 13%) BTR ( 중국, 30%) 도레이 ( 일본, 23%) 미쓰비시화학 ( 일본, 14%) 3 유미코아 ( 벨기에, 10%) 미쓰비시화학 ( 일본, 9%) 셀가드 ( 미국, 12%) PANAX ETEC ( 한국, 14%) 자료 : LG Bisiness insight (2012. 5. 2) 특히리튬이온전지의양극과음극재료를개량하여에너지밀도를지금보다두배이상끌어올려안전성을담보하는차세대개량형리튬이온전지개발에박차를가하고있음 도요타자동차는고체전지와공기전지와같은제3세대포스트리튬이온전지개발을이미오래전에착수 폐전지재활용기술 폐전지자원회수및재활용기술관련하여국내보다이전부터많은연구가진행중 일본의경우는폐리튬이온전지로부터유가금속을회수하는기술을중심으로많은연구가진행되고있으나아직까지실용화단계에는미치지못함. - 대표적인기술을살펴보면, 일본화학공업 ( 주 ) 는유기인산염화합물을추출제로하여코발트를함유하는추출액과잔여물질을분리한후추출액을산수용액으로처리하여리튬염및코발트염을회수하는방법을시도 - 일본에너지 ( 주 ) 는폐전지의양극스크랩을아세트산으로용해하여코발트및리튬아세테이트를포함한여액에서 LiOH를첨가하는수산화반응을이용코발트등의유가금속을수산화물형태로회수하는방법을고안 - 또한일본자력선광 ( 주 ) 는알칼리금속을함유하는금속산화물로부터 Co, Ni 등유가금속을회수하기위해 FeSi, Si, CaSi 및 SiC와같은환원제및첨가제를용융상태로가하여유가금속을환원시켜침전물로회수하는공정을특허기술화함. - 일본도시바에서는폐리튬이온전지를시간당 10kg씩처리할수있는재활용공정의파일롯플랜트를개발 - DOWA홀딩스는리튬이온전지제조공정에서발생하는스크랩및사용한리튬이온전지의재활용을상용화 폐전지를해체하고자력선별, 크기선별, 비중선별법으로코발트성분을농축한뒤황산을침출제로습식침출하여플라스틱, 케이스등을분리하고침출용액으로부터수산화코발트를침전. 필터프레스로침전물을분리하고입자직경을조절하여순도99.8 % 의구상코발트를회수. 침출여액으로부터리튬이온만을이온교환막을사용하여정제한뒤탄산리튬으로침전, 회수하면 99.9% 의탄산리튬을회수 - 74 -
제 4 장부문별기술개발및표준화정책방향 - 전극활물질만을물리적으로분리한뒤 4몰염산을침출제로사용하여유가금속을침출한뒤 PC88A를추출제로용매추출하여코발트만을분리하고분리된코발트는수용액상으로농축하여황산코발트로결정화하여회수하며여액으로부터리튬을탄산리튬으로회수하는습식처리공정도연구개발 5. 중국 중국의경우전기자동차의자체적인시장이매우크며, 석유의대외의존도가급격히증가하는것을방지하기위하여석유의존도가낮은전기자동차핵심부품인배터리관련제조기술에정부의지원이많음 - 2000년대초부터 10년간약 20억위안의자금을투입하여전기자동차관련기술을개발 ( 배터리제조기술은세계적인수준 ) - 10개도시에공공서비스부분에전기자동차 1,000대를보급하여시범운행 ( 08~ 11) - 자동차산업구조조정및진흥계획 ( 09~ 11년) : 현재승용차의생산능력을확대하면서 50만대의순수전기자동차, 하이브리드자동차등전기구동자동차생산계획. 연구개발비 100억위안을투입하여전기자동차중점연구 BYD는 LFP 양극소재를적용한 120Ah급전지를개발하여 BYD의 EV 모델인 e6d에탑재하였으며, 중국국내에서판매되는다이믈러와폭스바겐전기자동차에탑재될예정임 Tianjin Lishen Battery 역시 LFP를개발생산하고있으며미국안전기준에적합판정을받은실적이있으며, 미국의 Coda Automotive의전기자동차에채용되었으나 2012년에차량업체가파산함 Thunder Sky Energy는마찬가지로 LFP 를적용하여배터리를양산하고있으나 Sinopoly battery에병합되었음 4가지주요재료에대하여자체수급이가능할정도로많은양극음극분리막전해질개발업체들이산재해있음. - 중국은양극재료의경우리튬인산철에집중하여개발을하고있으며, 이를적용한전기자동차가확산되었으며, 광물자원이풍부하여천연흑연시장을주도 - 75 -
중점녹색기술로드맵기획및전략이행점검 6. 시사점 국내배터리기술경쟁력은선진국대비다소열위 국내전기자동차배터리부문의기술경쟁력은일본에비해기술경쟁력이다소열위에있는상황 - 양산기술및제조기술에서는큰격차가없으나특히핵심소재기술부문에서열위에있는것으로평가되고있음 - 리튬이차전지기술은일본이최고수준이며한국은생산기술에서일본과비슷한수준이나부품소재원천기술이부족 일본대비늦게양산을시작한국내전지제조업체들은초기부품소재및생산장비의대일의존도가높았으며제조기술과제품화기술을기반으로양적성장추진 - 이로인해부품소재산업에대한투자는상대적으로소외되었으며일본과중국의높아지는기술장벽으로인해앞으로는국내업체를중심으로핵심부품소재업체발굴을전략적으로추진할필요성이있음 국내배터리업체는일본과중국경쟁사대비가격경쟁력이다소취약함 - 이러한가격경쟁력의부족은핵심부품소재일부를일본으로부터수입하기때문인것으로보이며, 특히음극활물질과분리막은일본으로부터수입에크게의존하고있음 - 4대핵심소재이외에전극을제조하기위해사용되는바인더와도전제등도벨기에솔비에사, 일본쿠레아, 제온, 다이셀등으로부터의수입에의존 - 76 -
제 4 장부문별기술개발및표준화정책방향 충전인프라는전기자동차에탑재된구동용배터리에전기를공급하기위한급속및완속충전기, 충전인터페이스, 부품및인증, 과금등을위한기반시설임 충전인프라의구성은전력공급시스템, 충전장치, 충전소운영시스템, 부가서비스시스템으로구성 - 전력공급시스템 : 전기자동차보급및확산에필요한전력공급 - 충전장치 : 충전용도에따른 DC 및 AC 충전장치 - 충전소운영시스템 : 충전설비원격감시, 관리및결제과금등충전서비스및사업영위를위한통합관리시스템 - 부가서비스시스템 : 충전전력공급외에이용자편의증진과수익증진을위한다양한부가서비스제공 < 그림 4-10> 충전인프라의구성도 전기자동차의전력공급시스템에관련된지능형운송기술은전력망과전기자동차가양방향으로자유롭게접속함으로써새로운비즈니스창출하고전기차배터리에충전된전력을비상전력원으로사용하여전력망의효율향상및온실가스배출량감축에기여하는기술임 - 목적 : 전국에다양한형태의충전인프라를구축하고, 전기자동차사업자와협력을통해새로운비즈니스모델창출과전기요금이저렴한시간대에전기차를충전하고, 비싼시간대에전력을재판매하는 V2G 시스템구축 지능형운송기술은부품 소재기술, 충전인프라기술, V2G 기술로구성되어있음 - 77 -
중점녹색기술로드맵기획및전략이행점검 - 부품 소재기술 : 전기모터, 배터리, BMS 등전기자동차핵심부품및소재를개발하는기술 - 충전인프라기술 : 전기자동차에전기를공급하는급속ㆍ완속충전기, 충전인터페이스부품및인증ㆍ과금등을위한 ICT 서비스시스템을구축하는기술 - V2G 기술전력망과전기자동차배터리전원을연계하여양뱡향으로전력을전송ㆍ역송하는기술로서실시간시장요금에근거하여효율적인계통연계및운용방안을구축하는기술 < 그림 4-11> 전기자동차지능형운송기술체계 자료 : 스마트그리드협회 41) 홈페이지 전기자동차의충전방식은전기공급자로부터송전받은전기를전기자동차의배터리에공급하는역할을하며, 직접충전, 비접촉식충전, 전지교환방식으로구분할수있음 - 직접충전 : 전기자동차의충전구와충전기를직접연결하여전력을공급하며, 전기자동차내부에장착된배터리를일정수준까지충전하는방식으로충전시간에따라완속충전과급속충전으로구분 - 완속충전은충전기에연결된케이블을통해전기자동차에교류 220V를공급하여전기자동차의배터리를충전하는방식 - 급속충전은충전기가자동차와제어신호를주고받으며직류 100~450V를가변적으로공급하여전기자동차의배터리를충전하는방식 41) 지능형전력망협회 (KSGA) - 78 -
제 4 장부문별기술개발및표준화정책방향 < 표 4-5> 직접충전방식개요 구분 입력 전압 출력 공급용량 충전시간 급속교류삼상 380V 직류 450V 50kW 15~30 분 완속교류단상 220V 교류단상 220V 6~7kW 5~6 시간 주 ) 현재까지보급된충전기및 2013 년보급충전기는모두직접충전방식임 비접촉식충전방식 : 주차장바닥하부에교류를발생시키는급전선로를자성재료 ( 코어 ) 와함께매설하고, 자동차바닥부에는지하에서발생한교류에의한자기장을받아유도전류를발생시켜에너지를전달받는집전장치가장착되어여기에서발생된전류는정류를거쳐배터리로충전이되는방식 < 그림 4-12> 비접촉식충전방식의개요도 자료 : 스마트그리드협회홈페이지 - 배터리교환방식 : 충전소사업자가부하율이낮은시간대의전력을활용하여예비용 배터리를충전하고, 운전자가충전소스테이션에서전기자동차배터리를반자동으로 교환받는방식 - 79 -
중점녹색기술로드맵기획및전략이행점검 < 그림 4-13> 배터리교환방식 자료 : 스마트그리드협회홈페이지 충전정보시스템은충전기의위치및이용상태정보를수집하여전기자동차이용자에게제공하고, 충전시설의운영상태를실시간모니터링이됨 - 이시스템은각지역에설치된충전기는전기자동차의충전뿐만아니라사용자인터페이스 (UI), 충전전력량계, 사용자인식장치및통신단말장치 (3G망) 를설치하여전기자동차충전정보시스템 과연계하여운영되어야함 < 그림 4-14> 충전기관리시스템 자료 : 스마트그리드협회홈페이지 - 80 -
제 4 장부문별기술개발및표준화정책방향 현재사용되고있는전기자동차의충전기는전력계통의교류전력을공급하여차량에탑재되어있는 OBC(On Board Charger, 내장형충전기 ) 를통해차량배터리를충전하는완속충전방식과대용량의직류전류를직접차량배터리에공급하는급속충전방식으로구분 - 완속충전기는낮은 AC 전력으로수시간이상의충전이가능한장소에설치하여운영하는충전장치로서일반적으로주택에서장시간충전에사용 - 급속충전기는일반적으로 10~30분정도의충전시간으로전기자동차배터리를 50% 이상충전할수있어야하므로충전용량은 50kW를상회함. < 그림 4-15> 전기자동차충전기및충전방식구분 자료 : 한국전기연구원 (2011) 세계적으로전기자동차경쟁이심화되고있는가운데충전인프라시장은새로운블루오션 시장으로떠오르고있어전기자동차시장확대에앞서먼저풀어야할선결과제이자중요한 핵심요소로작용될것으로전망 미국, 유럽, 일본등선진국에서는충전인프라구축을위한다각적인정책적, 기술적노력을기울이고있으나, 국내의경우전기자동차충전인프라는선진국의활발한기술개발정책추진에비해낮은편임 전세계적으로충전인프라개발및구축은초기단계로서충전기인터페이스등관련표준은확립이되어있으나, 일본및미국, 유럽등각국은자국의전기자동차산업육성정책에맞추어다양한형태및규격의충전기인터페이스가개발되었음 - 81 -
중점녹색기술로드맵기획및전략이행점검 < 그림 4-16> 국가및지역별전기자동차의충전기인터페이스현황 자료 : 한국전기연구원 (2011) 1. 국내 스마트그리드로드맵을통한전기자동차인프라구축 2010년정부가발표한 스마트그리드로드맵 에서, 정부는스마트그리드구축을통한저탄소녹색성장기반조성을정책비전으로정하고, 지능형전력망, 지능형소비자, 지능형운송, 지능형신재생, 지능형전력서비스등 5대추진분야를선정하여구축을진행중 - 특히, 5대추진분야가운데지능형운송분야 ( 전국단위충전인프라구축 ) 가전기자동차의충전인프라와직접적으로관련된분야임 - 82 -
제 4 장부문별기술개발및표준화정책방향 < 그림 4-17> 국내스마트그리드내충전인프라개념도 자료 : 지식경제부 (2010) 국내의충전인프라기술은제주스마트그리드실증사업등을통해상용화수준에도달함 - 충전인프라의기술적난이도와진입장벽은타분야에비해높지않으며, 충전기구조와기능은차량의충전방식에종속됨 - 차량충전뿐만아니라, 상위의충전소운영시스템, 다양한부가서비스등인프라기술전반의수준은외국과동등한수준임 - 실증단지는 3개 (Smart Place, Smart Trans Smart, Smart Renewable) 의비즈니스모델개발과 Smart Power Grid 및 Elec Service 측면에서의다양한요금제도개발및실시간전력거래시스템개발에집중 충전기핵심부품개발기술 국내충전기생산업체로는 LS전선 ( 주 ), LS산전 ( 주 ), ( 주 )LG CNS, 효성, ( 주 ) 피앤이솔루션, ( 주 ) 코디에스, ( 주 ) 시그넷시스템, EN테크놀로지 ( 주 ), 일진등 10개이상의업체가개발중에있음 이들업체가운데실제현장에완속과급속충전기모두를설치하고있는업체는 ( 주 ) 피앤이솔루션, ( 주 ) 효성, ( 주 ) 코디에스등임 - 충전기관련기술은전기자동차의부품들가운데비교적낮은수준의기술로서, 시장규모에따라신규업체의시장진입이어렵지않아각국의표준이정하여질경우치열한가격경쟁이예상됨 국내에서는충전시간을한층단축한전기자동차용급속충전기가개발, 양산화에진입하였음 - 83 -
중점녹색기술로드맵기획및전략이행점검 - 코디에스, 피에스텍, 파워로직스등과공동개발한급속충전기는 60kW 용량으로최대 150A의충전이가능하며현재까지개발된기존급속충전기 (50kW, 110A) 급에비해출력을 20% 높여충전시간을 35% 가량단축할수있는사양임 - 중형급전기자동차에탑재되는 20kWh급배터리충전시 17분의충전시간이소요되며, 소형전기자동차에탑재되는 16kWh급배터리충전시 14분정도의충전시간이소요됨 만도는 2013년친환경자동차용배터리완속충전기시장에진출하였으며, 향후일본의다이아몬드일렉트릭사와기술도입을체결하여고전압 ECU의설계와생산기술을확보할예정임 - 국내제조라인의품질관리와제품신뢰성확보기술을강화하는동시에장기적인협업관계를구축해전략적으로전력전자기술기반의자동차부품사업분야를넓혀간다는계획을수립 - 만도는국산전기자동차인현대차의블루온용탑재형완속충전기를시범생산하였고, 현재기아차의레이전기자동차용탑재형완속충전기도양산중 - 또한준중형전기차를위한충전기를 2014년양산을목표로개발중 충전인터페이스기술 한국전기연구원에서는전력선통신 (Power Line Communication) 기술을이용하여전기자동차충전을지원하는기술을개발 - 이는전기자동차-충전인프라간의전력공급, 제어및다양한부가서비스정보의통합운용을가능하게하는전기자동차용전력선통신시스템기술임 - 전기자동차용전력선통신시스템은전기자동차충전을위한충전케이블의 Control Pilot line을통해전기자동차와충전인프라 ( 완속 / 급속충전기 ) 간의고속의전력선통신을제공함으로써전기자동차충전제어및다양한부가서비스를제공하는시스템 - 전력선통신기반의가정용교류충전케이블일체형제어박스 : 전기자동차충전인프라가설치되지않은지역또는일반가정에서전기자동차충전하기위한방법으로써충전시안정성, 전기자동차의안전상태, 배터리정보등을제공하기위한시스템 - 84 -
제 4 장부문별기술개발및표준화정책방향 < 그림 4-18> 전기자동차용전력선통신시스템 자료 : 한국전기연구원 (2011) 국내에서는삼성등대기업뿐만아니라, 누리텔레콤, 선인테크놀로지등중소기업에서도이미다양한국제표준에부합하는원격검침용 PLC 모뎀을개발 국내의충전정보시스템은공공시설에설치된충전기와연결되어충전전력량, 사용자인식, 통신등을환경부의전기자동차충전정보시스템과연계운영을준비중 V2G 기술 지능형운송분야는전기자동차의부품개발, 충전인프라구축, V2G 기술로구성되어있으며, 배터리및모터, 충전기등의부품기술은선진기술과대등한수준에접근하고있으나요금부과시스템등의 ICT 연계기술은선진국에비해열위인상황임 - 특히전력망과전기자동차배터리전원을연계한양뱡향전력전송ㆍ역송하는기술은국내에서는아직까지연구개발단계에있음 피앤이솔루션이제주도스마트그리드실증단지에서역송전장치 (Vehicle to Grid, V2G) 실험을진행중으로, V2G는전기차에저장한전력을비상시에꺼내쓰는장치로한국전력이컨소시엄을구성 - 피앤이솔루션은제주도스마트그리드실증단지 2단계사업이시작함에따라 2012년초에 V2G 실험을진행 국내전력망시스템과관련하여스마트그리드구축을위한에너지절감형센서노드운영체계및 IP 네트워크스택기술도 ETRI 에서개발 - 85 -
중점녹색기술로드맵기획및전략이행점검 - 본기술은스마트에너지프로파일 (Smart Energy Profile) 2.0 표준을지원하는데필수적으로필요한기술들을포함하며, 센서노드용에너지절감형운영체제기술, IP 네트워크스택기술로나눌수있음 - 지능형전력망의지능화를위해국내에서진행중인스마트그리드사업에사용되는핵심기술로, 향후 10년이내에전기자동차및대부분의가전제품에이기술이활용되어스마트그리드가활성화될것으로예상됨 < 그림 4-19> 에너지절감형센서노드운영체계 출처 : ETRI(2011) 국내전력망시스템과관련하여스마트그리드구축을위한에너지절감형센서노드운영체계및 IP 네트워크스택기술도 ETRI 에서개발 - 본기술은스마트에너지프로파일 (Smart Energy Profile) 2.0 표준을지원하는데필수적으로필요한기술들을포함하며, 센서노드용에너지절감형운영체제기술, IP 네트워크스택기술로나눌수있음 - 지능형전력망의지능화를휘해국내에서진행중인스마트그리드사업에사용되는핵심기술로, 향후 10년이내에전기자동차및대부분의가전제품에이기술이활용되어스마트그리드가활성화될것으로예상됨 무선충전기술 KAIST에서는무선전력전송에사용되는코일모듈의전력전송효율과전자파노이즈를획기적으로개선한전기차충전기술이상용화수준으로개발하였음 - 86 -
제 4 장부문별기술개발및표준화정책방향 - 전자파노이즈를고려한무선전력전송시스템설계기술을적용한상용화수준의주입식공진형자기유도충전기 (HH-RMCC) 를처음공개함 - 이충전기는대전력전송시에너지손실을최소화할수있는장점이있어전력전송효율이 98.3%( 기존전송효율 : 90% 전후 ) 나되며이수치는세계최고수준임. - 또한 2012년에정차혹은이동중무선으로충전이가능한기술을적용해서울놀이공원및구미시에시범운행을시작하였고, 충전효율은직접연결방식의 85% 수준임 < 그림 4-20> 공진자기유도방식의무선충전개요도 자료 : www.autoblog.com (autoblog 홈페이지 ) 2. 유럽 유럽에서의스마트그리드는전력계통에연결된모든사용자에게지속적이고경제적이며, 안전적, 효율적인전기공급을휘하여지능적으로통합하는전기적네트워크를구축하고자함 EU는 FP7(2007 ~ 2013년 ) 의스마트그리드에추진정책에전기자동차를포함하고있음 유럽연합에서는배터리교환방식에대한컨소시엄을이루어연구개발에착수하였으며이스라엘에서초안을개발하는것으로계획되어있음 - 배터리교환방식이성공적이기위해서는배터리의표준화및차량의표준화가필요하고진동충격등에의한배터리의내구성능이보장되어야함 현재전기자동차급속충전시스템의통신규약은 IEC 61851-24는직류충전장치의제어및감시를위한통신규약으로, 사용통신프로토콜동향은일본에서제안한자동차용통신프로토콜인 CAN 방식과미국과유럽공동으로제안한 PLC 방식이사용되고있음 - 87 -
중점녹색기술로드맵기획및전략이행점검 - PLC 통신방식에서유럽은 ISO 15118 시리즈를기본으로하고미국은 SAE 2847 시리즈를 기본으로하고있어이에대한기술개발을진행중임 < 그림 4-21> 급속충전시스템의 PLC 통신구성도 ( 미국, 독일 ) 자료 : ETRI(2011) 영국은전기자동차보급을위해 2015년까지런던지역에 2만 5,000개소의충전장치를설치할계획이며, 2012년부터는급속충전기네트워크도구축할예정임 독일은 2009년이후 3년간 5억유로규모의자금을투입하여 8곳에서전기차실증사업을운영중 프랑스는 13년 7월까지유럽에서가장많은약13,700대의전기자동차를보유하고있으며, 이미주요도시지역에비교적많은전기자동차용충전인프라가구축되어있음 - 프랑스는 2013년 9월에약 2,209기의충전장치를도심과외곽지역에설치할계획이며, 도요타, 르노, PSA 등주요자동차업체들과전기자동차및충전인프라관련공동사업을추진하고있음. 장기적으로는전기자동차충전인프라설치목표를 2020년까지 40만개로설정 무선충전기술 무선충전기술의핵심은강력한자기장을이용하여전기를코일로전달한후, 이후전기를코일에서자동차로전달하는것으로, 일부지역에서이미무선충전기술이사용되고있음 - 그러나무선충전을이용할때매우강력한자기장이형성되기때문에이것이건강에유해할수있다는우려가있음. 현재덴마크에서무선충전이건강에끼치는영향에대한연구가진행중이며, 2015년까지계속연구가진행될계획 - 88 -
제 4 장부문별기술개발및표준화정책방향 - 또한회사마다각각다른전기코일제품을사용하고있기때문에, 충전시다른회사의코일제품은사용할수없어, 충전시설공용이어려움 - 무선충전의안전성만확실히보장된다면, 전기자동차는친환경제품으로세계여러나라의각광을받을수있을것으로보여짐 - 전기자동차를충전시키는기술이개발된다면, 덴마크국내에서뿐만이아니라세계적으로널리통용될가능성이크며시장성도큼 볼보자동차는 2013년 10월에 C30 차량에장착한무선충전시스템을통해실제도로에서무선충전테스트를진행, 성공적으로완료 - 이자동차의경우무선충전으로 2시간 30분이면완전충전이가능하여비용문제만해결되면상용화가가능함 < 그림 4-22> 무선충전시스템 ( 볼보, C30) 자료 : http://www.global-autonews.com/ 3. 미국 미국행정부는플러그인하이브리드자동차보급에중점을두고있어충전인프라부문에서국가적사업으로지능형전력망과자동차용충전시스템을연계하는인프라구축노력을전개 - 2009년 8월에차세대전기자동차와관련한 24억달러의보조금집행계획을발표하면서, 그가운데약 4억달러를전기자동차의실증시험을위한차량구입비용지원및충전인프라구축에지원함 - 89 -
중점녹색기술로드맵기획및전략이행점검 V2G기술 미국은 GRID 2030 (2003년발표 ) 에의해전력망을현대화하고 NIST의 Smart Grid 상호운영표준화로드맵 (2010) 에따라전력생산기술, 송배전기반시설및시스템운영, 소비자실시간수요정보, Smart Grid화등비즈니스모델변화를수용할기술개발및사이버보안이확보된전력망네트워크를구축예정 - 미국의스마트그리드전략에서기대되는어플리케이션중하나가플러그인하이브리드전기자동차로, 전력망수요에따라양방향으로전력을공급해주는 V2G 기술개발의발전을예측하고있으며, 연구개발을가속화하고있음 - PHEV 이용확대에있어두가지큰도전과제는수백만대의 PHEV를전력사용피크시간대를피하면서충전할수있는지능형충전과배터리충 방전사이클확대및배터리수명연장임 - 미국의 University of Delaware의연구기관인 V2G Research Group에서관련기술을리드해나가고있으며, AutoPort. Inc 사와협력하여 V2G 기술이적용된 100대의전기자동차를운영하는시범사업을추진중 < 그림 4-23> 미국의전기자동차 V2G 기술 자료 : www.pjm.com (PJM Interconnection 홈페이지 ) 크라이슬러 (Chrysler) 는대체에너지관련신기술개발업체들의인큐베이터기관인넥스트에너지 (NextEnergy) 와협력하여전기자동차전력망 (Vehicle-to-Grid, V2G) 평가프로젝트를수행 - 크라이슬러는넥스트에너지의전력망시뮬레이션기술을이용하여충전모듈에자사의양방향전력전송이가능한 24kWh 배터리장착의전기자동차인타운앤카운티미니밴 4대를연결 - 90 -
제 4 장부문별기술개발및표준화정책방향 - 실시간정보를이용해 V2G 기술을적용한전기자동차가독립적으로운영되는전기자동차시스템 (Independent System Operators, ISO) 에미치는영향을평가하여 2013년말에결과를발표할예정임 - 전기자동차전력망 (Vehicle-to-Grid, V2G) 평가프로젝트는 MEDC (Michigan Economic Development Corporation) 로부터 100만달러, 넥스트에너지로부터 40만달러를지원받아수행 2013년 7월미국의 8개회사에서 14종의 PEV(Plug-in Electric Vehicle) 모델이출시된상태이고, 이중 9개의모델은배터리로만움직이는전기자동차임. 5개의모델은배터리와가솔린의혼용인 PHEV(Plug-in Hybrid Electric Vehicle) 임 미국의 EVSE(Electric Vehicle Supply Equipment) 업체중 1곳인 Charge Point는 2013년 11월현재총14,125개의충전소가있으며, 충전방식은 CCS (Combined Charging System) 을적용 - CCS(Combined Charging System) 은설립된 AC충전방식과초고속 DC 충전방식을단일시스템 (a single system) 으로통합시킨것. - OnStar는집단소프트웨어와전산망을통해태양열을저장하고전기격자 (Electric Grid) 에도움을주는태양열충전캐노피를사용 Microsoft는 2011년일본완성차업체 Toyota와손잡고 Toyota 스마트카프로젝트 에관해파트너십을체결하였음. 이는자사의클라우드서비스인 Azure에기반한차세대텔레매틱스플랫폼을개발하여 Toyota 차량에제공하기로함 - 서비스가개발 시행되면, Toyota의전기자동차 (EV) 또는플러그인하이브리드차 (PEV) 이용자는 Microsoft의클라우드서비스 Azure를통해차량외부로부터정보를주고받는기능이가능해짐 - 또한전기자동차의전력효율과관련한서비스로, 기존전력망에 IT 기술을도입해에너지공급자와사용자가양방향으로정보를교환하는스마트그리드기술을도입해전기자동차의에너지사용효율을높이는것을계획하고있음 - 91 -
중점녹색기술로드맵기획및전략이행점검 < 그림 4-24> Microsoft-Toyota 가제휴한스마트전기자동차개념도 자료 : www.toyota.co.jp ( 도요타홈페이지 ) 에서편집 무선충전기술 미국자동차기술학회 (Society of Automotive Engineers, SAE) 표준에서는 MIT에서개발한자기공명기술을이용한유도식충전기술을표준으로규정하려는추세 - 주파수가높은관계로외부에전자파장해를유발할수있고 1차와 2차가떨어진상태에서전력을전달해야하므로효율이낮은점등이문제가되고있으나안전성과편리성등을고려하여기술개발이진행중임 < 그림 4-25> 유도식 ( 비접촉식 ) 충전시스템원리 자료 : A&D 컨설턴트 (2012) - 92 -
제 4 장부문별기술개발및표준화정책방향 2013년 10월뉴욕시가맨홀뚜껑형태의전기자동차무선충전기를도입하고도요타가무선충전프리우스개발계획을발표하는등무선충전전기자동차에대한관심고조 - 맨홀뚜껑에사용하는기술은무선충전기제조업체헤보파워 (HEVOPower) 가개발한것으로, 이는뉴욕대와손잡고 2014년초부터워싱턴스퀘커파크에서시범테스트를진행 자동차전자부품업체델파이는최초로무선자동차충전패드를개발한와이트리시티 (WiTricity) 와제휴해산업전반에쓰일기술을개발하고있으며, 와이트리시티는자기공명원리를활용해 2m 떨어진곳에서도충전되는기술을보유 통신용반도체를주력으로하고있는미국의퀄컴은 2011년부터전기자동차무선충전사업에뛰어들어 2012년 10월전기자동차무선충전기술인 헤일로 를발표 - 이기술은자기공명을이용해베이스충전장치 (Base Charging Unit, BCU) 에서차량에탑재된충전시스템의일부인차량충전장치 (Vehicle Charging Unit, VCU) 에전력을공급함. 전력은두장치사이의자기결합에의해 VCU의패드에전송되고, 이에너지에의해차량의배터리가충전됨 - 또한이시스템은무선충전시스템은전력부족시전기자동차의배터리에서전력망에에너지를 Smart Grid 전송하는 V2G(Vehicle to Grid) 에도대응이가능 < 그림 4-26> 퀄컴사의무선충전원리 자료 : www.qualcomm.co.kr ( 퀄컴홈페이지 ) < 무선충전원리 > 스탠포드대학에서는고속도로아래에설치된나선배관들을사용해전기자동차를움직이도록하는연구개발을진행할것이라고발표 - 이러한무선자기장전기자동차도로시스템개발은최고속도로달릴수있는전기자동차를위한시스템으로발전할것이며, 전기플러그로부터전기자동차를해방시키고아무런제한없이고효율의전기를사용하여주행이가능한인프라구축예정 - 93 -
중점녹색기술로드맵기획및전략이행점검 4. 일본 일본은 2050년까지신차판매의 50% 를비화석연료자동차로거래되도록하는것을목표로설정하였고, 이를위해일본정부에서는경제산업적측면에서다양한지원을제공 - 전기자동차보급환경정비실증사업은배터리충전방식, 배터리교환방식, 배터리운영시스템의실증실험을수행하고비즈니스모델을확립하기위해추진중 - 도쿄시의경우향후 5년간 1만 5,000대의전기차보급을목표로충전망은민간에게자율적으로이양계획 일본은충전인프라를구축을위해급속충전기가격의약 50% 를보조하는등적극적인노력전개 - 일본통상산업성은전기자동차와플러그인하이브리드자동차의본격적인보급을위해 EV PHEV타운 을선정하여실증실험모델사업을실시하고, 처음으로 2009년에광역실시지역 2곳과실시지역으로 6곳에선정 - 일본가나가와현은충전인프라를 2025년에누적 12만대보급목표를설정하고단계적으로추진하고있음 일본의완성자동차업체는 EV의문제에대한혁신적해결방안이나오지않는한보급은불투명하다는전망속에서각완성차메이커들은다양한전략을내세움. - 하이브리드자동차프리우스로대표되는도요타자동차는 친환경자동차는보급되지않으면친환경이아니다 라는철학하에 EV는아직시기상조로보며 PHV(Plug-in Hybrid Vehicle) 를강화할방침 - 혼다는일찍이 1990년대후반개발한 EV를미국에서 300대한정으로판매했지만짧은주행거리, 긴충전시간등다양한문제로연구개발을진행하고있으며친환경차로선택한기술방식은연료전지차임 충전인터페이스기술 일본은 DC 충전인터페이스부분에서가장앞서커플러, 충전시스템, 충전통신프로토콜등을일관성있게만들어냈으며, CHAdeMO라는협의회를만들어국제시장을겨냥하여 IEC 표준화에적극참여 - 현재급속충전기설치에관한규격, 표준은 CHAdeMO 협의회를중심으로작성되어규제완화와저코스트화를위한연구개발이진행중 - 충전과방전의양방향전력변화에의해 EV의배터리에비축된전력을가정내의기기에활용하는 V2H(Vehicle to Home) 도실용화되어, 2012년 Nissan에의해상용화되었음 - 94 -
제 4 장부문별기술개발및표준화정책방향 무선충전기술 도요타자동차는전기자동차충전방식에대해무선기술을도입하고있음. 도요타는지난 2011년무선충전전문기업인와트리시티 (WiTricity) 와의기술제휴를통해비접촉식충전방식을개발하였고, 개발성과가 2016년모델부터도입될예정임 일본의선박중장비업체인아이에이치아이 (IHI) 가무선송전기술을가진미국벤처기업인와이트리시티사와제휴하여무선충전기술을적용한전기자동차무선충전시스템을개발중임 - 이는전기를보내는쪽과받는쪽의장치가 20cm떨어져있어도 3kW이상의전력을 90% 이상보낼수있음 - IHI는무선충전시스템을미쓰비시자동차의전기차아이미브 (imiev) 의옵션장치로 2015 년에실용화 - 또한미쓰이홈과제휴해가정용충전장치의개발착수 V2G 기술 V2H(Vehicle to Home) : EV에장착된배터리에저장된전기를가정에공급할수있는시스템으로자연재해등에효과적일것이란전망과함께화제를모았음 < 그림 4-27> Leaf to Home( 닛산 ), V2H 실증시험 ( 덴소 ) 자료 : www.nikkeibp.com ( 닛케이에콜로지 ) 일본은작년지진사태때국가적으로심각한전기부족사태를겪게됐고, 이러한재난상황발생에대응키위해전기차를이용한 V2G 시스템구축을위한차량개발과충전인프라구축에힘을쏟고있음 - 닛산은일본미츠이부동산과지진같은긴급상황으로전력이끊어졌을때전기자동차리프에저장된전기를아파트의비상용전원으로활용하는방안을개발하고있음 (2012년, 미츠이부동산이분양중인 177세대아파트에도입할예정 ) - 도요타도 2011년동경모터쇼에서전기차및하이브리드카를위한전력사용매니저를공개, 가정내전력량에맞춰효율적으로전기자동차를충전하는기술을개발 - 95 -
중점녹색기술로드맵기획및전략이행점검 닛산리프는짧은주행거리와가격문제를해결하기위해서는충전인프라의확대와배터리성능개선이선결과제임을천명 - 주행거리표시에대한정밀도를높이기위한기술개발 ( 에어컨, 도로사정등전력소비량을종합적으로고려할수있는기술 ) 을추진중 - 닛산의 Leaf to Home 이 2012년 6월발매됐으며덴소는 2013년부터도요타, 미쓰비시자동차와공동으로 V2H 실증실험에착수함 - 또한, 자동차-주택간충방전을제어하는통신방식의규격화를위한가이드라인제작에도착수 5. 시사점 국내전기자동차의기술경쟁력은일본 미국 유럽등선진국에비해기술경쟁력이약간열위한상황 - 특히 1신제품개발능력, 2소재 / 부품자급도, 3생산기술, 4생산설비, 5제품품질의 5가지경쟁요소중 소재 부품자급도 가특히선진국대비기술경쟁력이열위한수준 - 그러나개발한제품을유럽, 미국등으로수출하고있어제품의품질은거의대등한수준으로분석됨 신제품개발능력은선진국과비슷 - 충전인프라의경우스마트그리드사업의일환으로한전, SK, LG에서주도하는전기자동차충전인프라실증사업이시범운영단계를거쳐현재상용화기반기술개발단계에도달 - 충전기의경우이미 LS산전, 효성, 코디에스, 피엔이솔루션, 시그넷시스템등대기업과중소기업에서급속충전기와완속충전기를개발하여충전인프라실증사업에참여하는등신제품개발능력은이미보유하고있음 - 하지만, 최근 GM 스파크, BMW i3 등차데모방식이아닌콤보방식의급속충전장치를채택한전기자동차가국내에출시되면서이에대응하는급속충전기제품개발은물론 PLC 통신에대한국내표준마련이필요 - 96 -
제 4 장부문별기술개발및표준화정책방향 < 그림 4-28> 국내주요업체별충전기현황 자료 : LS 전선 (2011) 소재 부품자급도는선진국가장열위 - 충전기의핵심부품으로는고전압전력스위칭소자인 IGBT 파워모듈, 전력변환부 DSP 제어기, 충전커넥터, 시스템제어기, PLC 통신모뎀등이있음 - 97 -
중점녹색기술로드맵기획및전략이행점검 < 표 4-6> 충전기의핵심부품 급속충전기 IGBT Stack DSP 제어기 수동소자 고전압 / 전류전력스위칭반도체소자로서 AC-DC 및 DC-AC 전력변환에필수적인부품임 IGBT 소자를방열설계를통해제작된구조물에장착하여모듈화구성 DSP Chip 을적용한전력변환부제어보드 최적화된전력변환알고리즘을적용한 S/W 를탑재 IGBT 소자의스위칭을제어하여효과적인전력변환수행 전력회로에사용되는 R, L, C 소자 시스템설계에적합한값을설계하여안정적인동작을수행하게함 충전커넥터 급속충전기와차량간을연결하는케이블및커넥터 고전압 / 전류를안정적으로차량에공급 완속충전기 시스템제어기 충전커넥터 SAE J1772 에따른차량인터페이스구현 표준에따른충전시퀀스 S/W 구현 대량생산에적합한모듈화 완속충전기와차량간을연결하는케이블및커넥터 표준에따른 H/W 회로구현 부가서비스 사용자인식장치 통신장치 전력계량기 다양한종류의카드를인식할수있는 RFID Card Reader 충전인프라운영시스템및과금결제를위해 VAN 사연동을위한무선모델 무선혹은유선통신을통한데이타통신기능구현 전기자동차에충전되는전력량을계량하기위한계량기 급속충전기및완속충전기등다양한용량의충전장치에적용될수있는실시간통신이가능한전력량계 - 고압용 IGBT 파워모듈은일본, 독일등전세계적으로소수의업체가독점생산하여국내에서는전량수입하였으나, 최근 KEC, LS 산전, 화인SPN 등에서국산화에성공함에따라이에대한국내자급도는빠르게높아질것으로예상됨 < 그림 4-29> 국산 IGBT 전력소자 (KEC, 화인 SPN) - 98 -
제 4 장부문별기술개발및표준화정책방향 - DSP 제어기는 IGBT 소자의스위칭을제어하여효과적인전력변환을수행하는부품으로, Texas Instruments 등선진반도체개발업체에서는이에대응하는칩셋상용화에성공 하였으나, 국내에서는아직까지상용화기반기술이부족한실정임 < 그림 4-30> 전력 DSP 제어칩셋 (TI, 미국 ) - 충전커넥터의경우국내표준이교류 5핀, 직류 10핀커넥터 Type 1이단체표준으로제정되어운용되고있는상태이나, 국제적으로는교류와직류를겸용할수있는다양한형상의커넥터표준이논의되고있어이에대한대응이필요한상황임 - 전기자동차용 PLC 통신프로토콜의국제표준이유럽콤보충전에적용되는 HomePlug Green PHY (HPGP) 방식으로채택될것으로예상되고있으며, 이에대응할수있는통신모뎀의개발이시급함. 현재퀄컴에서 ISO 15118에대응하는 PLC 통신칩을개발하여상용화하였음, 국내에서는그리드위즈에서개발하고있는상황임 < 그림 4-31> 퀄컴 QCM7000 적용 PLC 통신모뎀 - 기타요금부과시스템등 ICT 연계서비스기술은선진국에비해다소늦은상황이며, 전기자동차충전인프라실증사업을통하여다양한비즈니스모델개발이필요한실정임 - 99 -
중점녹색기술로드맵기획및전략이행점검 충전기생산기술은선진국대비 95 수준임. - 국내의전기자동차충전기전문개발업체는완속충전기및급속충전기에대하여이미중국시장은물론일본, 유럽및미국시장에제품을수출할정도의생산기술을확보함 - 온보드 / 오프보드충전기, 충전인터페이스부품등충전인프라구축을위한핵심요소부품의시스템통합기술은주요선진국과대등한수준임 < 그림 4-32> 미국및일본수출형전기자동차의충전기 ( 시그넷시스템 ) 생산설비는선진국보다다소열위인수준 - 아직까지전기자동차시장이열리지않아국내전기자동차충전기시장도초기단계에머물러있어국내충전기업체의생산량자체는현재까지미미한실정임 - 이에따라생산설비자체의자동화는이루어지지않고있으나, 충전기수출시장이커지고있고, 국내에서도전기자동차시장이확대될것으로보여이에대한생산설비수준은빠른시일내에선진국수준으로높아질것으로전망 제품품질은선진국과비슷한수준 - 국내충전기전문생산업체에서는선진국에이미충전기를수출하고있으며, 최근 LS 산전이다임러그룹으로부터전기자동차홈충전기를수주하는등국내외적으로도제품품질이매우높은수준임 - 100 -
제 5 장결론 제 5 장결론 1. 전문가설문조사시사점 배터리및충전인프라부문에서의한국의위치 한국은배터리부문에있어서일본과함께기술경쟁력이가장높은반면, 표준화수준은 4위수준으로상대적으로떨어짐. - 배터리팩에너지밀도향상기술등배터리관련기술이세계에서일본과함께상위권에있지만, 표준화수준은그에미치지못하는실정임 - 미국, 독일, 프랑스, 영국은배터리부문의기술력보다표준화수준이크게높은상황으로국제협력및정치적역량이뛰어나다고볼수있음 충전부문에서는기술경쟁력은일본, 미국, 독일, 프랑스순으로높고, 한국은 8개국중 5위수준으로낮은수준이며, 표준화수준은매우미진한상황으로 6위수준으로평가됨 - 미국은충전부문의표준화영역에서선도적인수준에위치하고, 독일, 프랑스, 영국등의국가들도기술수준보다표준화수준이뛰어나다고분석됨 글로벌 EV 시장경쟁력제고를위한국가전략방향 배터리부문에서는표준화수준을높이기위한국가전략의설정필요 - 한국은배터리부문에서기술수준이높은편임에도불구하고표준화수준이상대적으로낮아시장확대전략에장애가되고있음. - 기술수준은미국, 독일보다높음에도불구하고국제표준화수준이낮아시장지배력이낮을수있으며, 글로벌시장점유를넓히는데어려움이존재함 충전부문에서는표준화를선점하기위한노력을더기울일것인지, 기표준화된기술을채택하면서기술경쟁력을향상시키는데만주력할것인지에대한전략적방향성설정이필요함 - 특히한국은충전 / 인프라부문에서기술수준과표준화수준이둘다낮아전기자동차산업의경쟁력을높이는데어려움이존재함 글로벌협력체제를강화하여국제특허를주도하고, 표준화를선도할수있도록정책적지원체제를마련할필요가있음 - 101 -
중점녹색기술로드맵기획및전략이행점검 - 전기자동차산업에서세부기술영역들을살펴본결과, 전반적으로기술경쟁력수준은 배터리부문에서높은수준이나표준화역량이낮고, 충전 / 인프라부문에서는기술수준과 표준화역량모두낮게나타남 1. 우리나라표준화정책및시사점 표준화에대한기업, 학계의관심이취약한편 차세대이차전지표준화의경우 IEC규격을도입하고있으나, 자체적인표준규격의개발에대한기업및학계의관심및역할이상대적으로취약하며, 해당제품을생산하는대기업에서도현재유통에직접영향을주는일부규격외에는미래개발제품의표준화에대하여관심및대응체계가부족한상황임 따라서차세대전지분야는기존의규격에대한부합화를추진하면서규격개발추이에맞추며신개발제품의성능및안전성평가규격을중심으로개발하여야할것임 이차전지분야의경우에는표준이기술을선도하여기술장벽으로서의역할을수행할수도있으므로, 현재의전지시스템및차세대전지분야에서원천소재개발뿐아니라이를바탕으로이차전지기술개발을추진하여적극적으로표준화에적용한다면향후에는배터리시장을리드할가능성이높아질것으로판단 2. 국제표준화를고려한향후기술개발전략 전기자동차용리튬이온배터리에대한국제표준은팩및시스템의경우에는 ISO에서, 셀 및모듈에대한평가는각각 IEC에서관장하여각각표준이진행되고있음. < 표 5-1> 배터리분야에서의 IEC와 ISO 역할체계 표준기관 IEC ISO 주도국 일본 독일 ( 유럽 ) 주관기관 전지 ( 자동차합작 ) 업체 자동차업체 특성 기득권확보 (HEV 시장 ) 진출준비전지공급업체확보전지공급업체수배 역할분담 Cell Module System Pack 자료 : 김언석 (2012) 배터리시스템에대한개발이력이적은독일에서먼저 2008년부터 ISO에서크라이슬러등의 자동차회사와 VDA( 독일자동차공업협회 ) 주도로배터리시스템에대한표준을주도해왔음 - 102 -
제 5 장결론 현재 ISO 12405-1,2,3에서고출력, 고에너지배터리시스템의성능평가에대한표준및안전성평가에대한표준이마무리단계에이르고있음 - ISO 12405-2의경우고에너지적용의배터리시스템을대상으로성능, 수명, 신뢰성시험방법에대하여명시하고있으며, 고출력적용과고에너지적용은 1 기준출력대비에너지의비율이 10이상일경우고출력, 10 이하일경우고에너지로구분함 - ISO 12405-3의경우이러한배터리시스템의안전성 / 신뢰성시험에대한표준화작업을진행중 IEC/ISO 공통으로리튬이온배터리시스템에사용되는셀사이즈를현재양산되는사이즈를기반으로하여 1차적으로표준화작업을마무리하였으며, 2~3년마다이러한셀사이즈에대한내용을추가하는것으로마무리를함 배터리개발기술이앞서있는일본의경우독일보다한발늦게표준화에참여를시작하였으며 IEC 국제표준을주도하며 2008년부터표준제정에참여를하였음. - IEC 62660-1은리튬이온배터리셀의성능을저장능력, 에너지, 사이클성능, 출력특성, 에너지효율의 5항목으로구분하여평가하는방법을제공 - IEC 62660-2는리튬이온배터리셀의안전성을 기계적 / 열적 / 전기적 으로구분하고해당특성들에대한시험방법을제공 국내의경우표준진행에있어서배터리기술력의경우선도하는위치에있지만표준을주도적으로이끌어가고있지는않음 일본의경우배터리의안전성시험에있어, 강점이있는부분을표준화시켜서기술장벽화하는움직임을일부보이고있음. 전기자동차의경우아무래도에너지밀도향상및, 성능안전성이가장주요한부분이므로, 전해액개발을통한안전성향상. 등이필요할것으로판단됨 1. 우리나라표준화정책및시사점 우리나라의충전부문표준화추진체계및정책 우리나라의전기자동차표준화는충전인프라의경우한국스마트그리드협회산하 스마트그리드표준화포럼스마트운송분과 에서, 충전기의경우한국자동차공학회산하 전기자동차표준화추진협의회 에서주관하여진행하고있음 - 103 -
중점녹색기술로드맵기획및전략이행점검 - 전기자동차의국가표준은크게완속충전기, 완속충전커플러, 급속충전기, 급속충전커플러, 급속충전통신, 완속 / 급속일반사항등 6개의대상기술이있음 - 현재까지국내에서는기술표준원이주도하여충전커넥터등충전시스템인터페이스표준화를추진하였으며, 최근충전인프라구축에필요한완속 / 급속충전기에대한표준화를진행하고있음 < 그림 5-1> 전기자동차충전기표준화대상 자료 : 기술표준원 (2011) - 충전시스템중인렛 / 충전커넥터표준화는양산체제구축에대비하여독자표준개발보다는국제표준을도입하는등현재까지 4종에대하여국내표준를제정완료 최근부각되고있는표준화이슈는충전커플러형상표준다양화와충전통신방식으로국제표준과국내표준의차이에따라문제가야기될수있어이에대한정책적논의가필요한상황임 - 충전커플러의경우국제표준에서는교류 3종, 직류 2종, 교류 / 직류겸용 2종등다양한형상이논의중에있으며, 미국과유럽에서는교류 / 직류겸용인커플러를표준으로채택할것으로예상되나, 국내에서는아직까지일본과더불어교류와직류를구분하여표준화하였음 - 국내에구축된급속충전기의경우 ChaDeMo 방식만이설치되어있으나, 국내출시예정인수입전기자동차는콤보 Type 1/2, 3상교류전압등서로상이한충전커플러를보유하고있어이에대응할수있는국내표준의보완이시급 - 104 -
제 5 장결론 < 그림 5-2> 국내출시전기자동차충전커플링현황 자료 : 이현기 (2013) - 현재국제표준에서추진되는충전통신방식은 ISO 15118 PLC 통신방식과 IEC 61851-24 ChaDeMo CAN 통신프로토콜등 2가지방식이논의중임 - 특히 PLC 통신방식의경우현재추진중인 HomePlug Green PHY (HPGP) 표준은국내스마트그리드의원격검침에적용중인고속 PLC 통신과의통신간섭이발생하여이에대한대응이시급히필요함 기술력, 인력, 예산부족 국제표준을선도할수있는핵심기술력확보및역량강화가필요함 - 전반적으로전기자동차기술개발은선진국의벤치마킹을통하여이루어져옴에따라국내의전기자동차충전기관련핵심기반기술이취약하여국제표준을선도할수있는기술력이부족함 - 또한국제표준에대응하기위해서는최소 2~3년이상의지속적인활동이요구되고있으나, 국내연구인력이이에대응하기에현실적으로어려운실정임 국제표준화에대한인식전환및충분한사업비지원이필요함 - 국제표준은기업의매출및생산성증대는물론수출을위한진입장벽에대응할수있는매우중대한요소이기때문에, 해외선진기업의경우표준화작업에매우적극적으로참여하여기업의이익을극대화하려는노력을경주하는반면, 국내기업에서는이에대한인식이부족함 - 국제표준화에대응하기위해서는장기간의위원회참여와필요한실험결과도출등정부또는기업의지속적인지원이필요하지만정부의단발성지원이많고지원예산의부족한실정임 - 105 -
중점녹색기술로드맵기획및전략이행점검 최근국제표준화이슈에대한심도있는검토에따른표준제정및개정 - 우리나라는충전인터페이스로교류충전과직류충전을구분하여단체표준으로제정하여전기자동차와충전기에적용하고있으나, 현재국제표준을마련하고있는국가들의경우이를동시에만족하는콤보형식을채택하고있음 - 이에따라곧제정될것으로예상되는국제표준을충분히검토하여단체표준의개정또는국가표준의제정이필요할것으로판단됨 - 충전통신의경우 CAN 프로토콜을기반으로표준이제정되어있으나, 국제표준은고속 PLC 통신으로결정될것으로예상되며, 더욱이국제표준에서주도하고있는고속 PLC의경우국내스마트그리드와의통신간섭이예상되고있는상황임 - 따라서국제표준을만족하면서도스마트그리드와의통신간섭을배제할수있는전기자동차충전용고속 PLC 통신모뎀의개발과동시에이를포함하는표준개정이필요할것으로판단됨 2. 국제표준화를고려한향후기술개발전략 주요내용 지능형운송체계인 V2G 기술은전력망과전기자동차간의양방향전력을전송 역송하는기술로일부기술은미국및일본에서실증시험사업으로진행하고있으나아직까지초기연구개발단계이고, 마찬가지로우리나라도초기단계임 - 일본의완성차업체에서는 V2H 기술을개발하여현재실증시험을진행중 - 국내는 V2G의핵심기술인 V2G용 PCS를위한고효율충 방전기구성기술이개발단계에있고계통연계및운영기술에대해초기연구단계로기술개발이필요함 - 또한 V2G 계통연계 운영기술개발, ICT 플랫폼고도화기술개발, Advanced EV 및가상발전기 (VPP 42) ) 기술, 차세대충전장치개발등 V2G 서비스사업은미래추진기술로써전기자동차및충전인프라가활성화가되면시장규모및파급효과는클것으로예상됨 최근유럽의콤보충전에적용되는 PLC 통신규격에 HomePlug Green PHY (HPGP) 를표준으로채택하려하였으나, 우리나라는원격검침에적용중인고속PLC통신과 (ISO 12139) 과통신에간섭이발생함으로써 EVSE 43) -EV간의인터페이스기술개발이필요함 - 전기자동차의국제통신규격 (ISO/IEC 15118) 은 Part 1 ~ Part 7까지진행되고있으나 PLC 통신관련문제는 Part 3으로 2013년말에 DIS 44) 단계가진행중 42) Virtual Power Plants 43) Electric Vehicle Supply Equipment - 106 -
제 5 장결론 - 유럽콤보충전장치와국내스마트그리드 PLC 통신에간섭이발생하지않도록충전장치에설치되는전기자동차충전용 PLC 통신모뎀개발필요 - 2013년부터한국전기연구원에서는 EV V2G 제어용전력선통신인터페이스표준개발 과제를수행하고있으나, ISO 15118에국내 PLC 통신규격을반영하고국내고속 PLC 기술을전기자동차에적용하기위한표준화기술연구가추진되어야함 44) Draft International Standard : 국제표준초안 - 107 -
중점녹색기술로드맵기획및전략이행점검 참고문헌 < 국내문헌 > - 기술표준원 (2012), 국가주요정책과표준간연계활성화방안연구 - 김광석, 정인환 (2010), 전기자동차의국내외기술개발및표준화동향분석 - 김언석 (2012), 전기차충전 IEC국제표준제, 개정동향과시사점 - 대외경제정책연구원 (2010), 중국 7대전략적신흥산업의산업별정책 - 산업연구원 (2011), 배터리교체형전기자동차개발및사업타당성분석 - 산업연구원 (2012), 본격화되는중국의신성장동력육성전략과우리의대응 - 산업연구원 (2012), 전기자동차산업지원시스템개선방안 - 산업은행 (2012), 국내전기자동차기술경쟁력분석 - 산업통상자원부 (2013), 산업기술 R&BD 전략 (2014~2018) - 그림카부문 - 서종원, 노상우 (2012), 중국전기차발전전략과시사점 - 유형호 (2013), 유럽전기자동차시장현황및무선전기충전기술전망 - 이슈퀘스트 (2013), 확대되는글로벌전기차와관련시장실태와전망 - 이현기 (2013), EV충전인프라국제표준동향및국내정책과시사점 - 전자과학 Special Feature(2013), 전기차보급, 무선충전기술로해결 - 전자파기술원 (2011), 전기차 (EV) 충전시스템과전자기적합성 (EMD) - 지식경제부 (2009), 지식경제통합기술청사진 - 지식경제부 (2010), 그린카종합추진로드맵 ; 전기자동차발전전략, 2010. 8 - 지식경제부 (2010), 스마트그리드국가로드맵 - 지식경제부 (2011), 전기차세제지원제도 - 지식경제 R&D 전략기획단 (2013), 산업기술혁신비전 2020 주력산업 - 한국교통연구원 (2013), 2014년전기차정책 기술전문가간담회자료집 - 한국산업기술평가연구원 (2013), 차량용배터리기술개발및시장전망 - 한국산업마케팅 (2013), 차세대자동차시장 기술동향과참여기업사업현황 - 한국스마트그리드사업단 (2010), 전기자동차충전인프라구축방안 - 한국스마트그리드협회 (2012), 전기자동차표준화프레임워크개발및로드맵구축보고서 - 한국자동차공학회 (2011), 2030년자동차기술전망 - 108 -
참고문헌 - 한국자동차공학회 (2013), 전기동력자동차부문모터 / 배터리워크숍발표자료집 - 한국자동차공학회 (2013), EV/ 스마트카표준화동향워크숍 - 한국자동차산업협회통계월보 (2013년도) - 한국전기연구원 (2011), 전기차충전인프라 IEC 국제표준화동향 - 한국환경정책평가연구원 (2013), 저탄소협력금제도와전기차보급 - 환경부 (2011), 전기자동차보급을위한지원기준및수요기반조성에관한연구 - 환경부 (2013), 전기자동차충전인프라설치 운영지침 - 허훈 (2012), 전기자동차표준화로드맵공청회 - A&D컨설턴트 (2011), 글로벌전기자동차산업실태와전망 - A&D컨설턴트 (2012), 전기자동차비접촉식충전의동향과전망 - BIR research group(2013), 이차전지실장실태와기술개발동향과전략 - ETRI(2011), 전기차 (EV) 충전시스템과전자기적합성 (EMD) - ETRI(2011), 전기차 ICT 융합기술및표준화동향 - ETRI(2012), 주요국전기자동차정책및시사점 - Frost&Sullivan(2011), 360Degree Perspective of the Global EV market - IT R&D 정책동향 (2012), 주요국전기자동차 R&D현황분석 - KARI(2013), 자동차정보 465호 - KOTRA(2013), Global window(2013.03) - LG Business Insight(2011), 전기차보급의열쇠, 충전인프라 - SNE Research(2013), 전세계전기자동차용충전기산업및표준화동향과시장전망 (2011~2020) - SNE Research(2013), 전세계전기자동차시장 (HEV/PHEV/BEV) 요인별분석및수요전망 (2000~2020) < 해외문헌 > - 일본경제산업성 (2010), 차세대자동차전략 2010( 次世代自動車戦略 2010) - 일본중부권사회연구소 (2012), 차세대자동차의보급에따른중부권자동차산업의영향에 관하여 ( 次世代自動車の普及に伴う中部圏自動車産業への影響について ) - 109 -
중점녹색기술로드맵기획및전략이행점검 - 일본세미나자료 (2013), 차세대자동차의현황과향후의비즈니스찬스 - DOE(2013), Electric Vehicle Public Charging Time vs. Energy - Electrification Coalition(2009), Electrification Roadmap - European Commission, Cars 21(2012) - John Gartner(2013), Indian EV Market Falling Short - Marcy Lowe, Saori Tokuoka, Tali Trigg, Gary Gereffi(2010), Lithium-ion Batteries for Electric Vehicles The U.S Value Chain - Media reports; SMEV press statements - Ministry of Industry and Information Technology of PRC(2013), "China Electric Vehicle Industry Report". - ParisTech Review(2013), Betting on All-Electric Vehicles: the Whys and Wherefores - Roland Berger Strategy Consultants(2013), E-mobility index for Q1 2013. - U.K. Dept. for Transport(2013), Action for Roads; A Network for the 21st Century - U.S. PIRG(2013), A New Direction; Our Changing Relationship with Driving and the Implications for America s Future - Wharton School(2013), Next Stop, Innovation: What s Ahead for Urban Mobility? < 웹페이지 > - lithiumenergy.jp - www.acea.be - www.automobile-propre.com - www.electricdrive.org - www.elsevier.com - www.forum-elektromobilitaet.de/flycms/de/web/1/-/startseite.html - www.gasgoo.com - www.greencarcongress.com - www.hybridcars.com - www.ia.omron.com - www.in-en.com - 110 -
참고문헌 - www.jama.or.jp - www.ksmartgrid.org/main/main.asp - www.motorlink.cn - www.nikkeibp.com - www.sciencedaily.com - www.ti.com - www.umtri.ac - 111 -
[ 별첨 1] 전문가설문조사참고자료 세계주요국표준화및 R&D 트렌드 : 기술 / 표준화영역별분석
별첨 1. 전문가설문조사참고자료 주요국표준화추진현황및이슈 개요유럽미국일본 ㆍ현재 ISO. IEC 등의표준화관련국제기구에서전기자동차의보급을위한핵심요소인배터리및충전시스템중심의표준화를진행ㆍ배터리등모듈의표준화는저장장치성능및신뢰성표준화, 에너지저장팩성능및신뢰성등의표준화ㆍISO는전지시스템, 연비측정, 차량과그리드간통신호환성분야를담당하며 IEC는전지, 충전커넥터등전기부품분야의표준화를담당ㆍ국제표준의선점을위해독일, 일본, 미국등이범국가적차원에서경쟁. 또한벤츠, 폭스바겐, 도요타, 혼다, GM 등관련업체가고성능배터리, 고효율전력모듈, 충전시스템의핵심기술개발과동시에표준화를전략적으로추진ㆍ독일과프랑스는 ISO 및 IEC관련국제표준화를거의선점하여진행ㆍ특히독일의경우, ISO에서진행되는전기차안전, 리튬이차전지, 전기커넥터, 충전소간통신방식등국제표준화주도해왔으며 PHEV전지기술이우수한일본보다앞서 ISO 표준을주도. ㆍ또한독일은 The German Standardization Roadmap for Electromobility version 1,2를 2010년과 2011년두차례에걸쳐서발표했으며, 다양한단체들을통해서표준화제작중ㆍ충전시스템요구사항, 충전통신, 배터리, 안전성등분야에서기술주도ㆍ신재생에너지통한충전환경지원위해주거지내충전보다공용주차장또는도심내상용주차장에 High-level통신기반의완속충전지원ㆍ유럽에서는전기자동차가앞으로대두될스마트그리드네트워크와유연하게연동될수있도록 ISO/IEC의 V2G인터페이스에대한연합표준화를중심으로스마트미터표준및 ETSI 45) 의 ITS 46) 관련표준까지연계하는종합적이고체계적인표준화를주도. ㆍ이를위해 2013년까지 3년동안 372만유로의예산투입되었으며덴소, ETSI, Volvo Tech. 등 V2G표준화와연관된주요플레이어들이파트너쉽으로연결ㆍ미국은 ISO, IEC와같은국제표준기구활동보다민간표준화노력을통해사실상국제표준기술선도ㆍ미국자동차공학회 (SAE) 는표준화그룹산하에하이브리드위원회를설치하고전기차충전에필요한핵심기술인커넥터 / 인렛, 충전통신, 안전성관련표준개발ㆍ미국은유럽과더불어장기적인차원에서전기차와스마트그리드의효율적인연동을고려, 현재진행되고있는표준화에스마트충전을염두에두고관련규격개발에적극적으로참여ㆍ산 학 연이참여하는표준화추진팀구성하여국제표준화추진ㆍ자동차및전지업계간자동차리튬이차전지표준화추진 (2008.7) ㆍ일본은일찍이차데모규격을만들어국제표준으로연결하기위해적극적인표준화전략을전개했으나현재는공동규격으로채택된상황ㆍ커플러기술은미국 SAE J1772표준에반영될수있도록노력하였고충전통신은 CAN통신기반의급속충전에대한국제규격을 IEC61851-24로일본이제안하여주도하기도하였음 - 115 -
중점녹색기술로드맵기획및전략이행점검 중국 한국 ㆍ16개국유기업이연합하여국유기업전기자동차산업연맹을설립, 기술개발플랫폼구축및표준화실현, 연구개발성과향유계획 ( 10.8) ㆍ교류충전기술및배터리관리시스템등전기차충전표준화추진ㆍ전기차연구개발및산업화분야에서독자적 혁신적성과달성통해전기자동차발전의유리한조건과우위선점ㆍ 02~ 08년까지전기차분야의 1,786건특허확보ㆍ국유자동차회사가이익창출에치중, 전기차기술혁신에실패ㆍ지방정부는지역자동차업체를보호한다며전기차관련자체기술표준을제정, 지역간호환성이결여되어보급기반마련에부진한상황ㆍ우리나라의전기차표준화는한국스마트그리드협회의 스마트그리드표준화포럼스마트운송분과 와한국자동차공학회의 전기자동차표준화추진협의회 를통해 2010년부터본격화되어그간주요국내표준개발및국제표준대응추진ㆍ충전시스템중인렛 커넥터표준화는 2011년양산체제구축에대비, 독자표준개발보다국제표준을도입및사용ㆍ전지성능 안전성평가방법등표준개발, 국제표준제안등추진. 그러나국제표준을선도할핵심기술부재등으로국제표준제안부족ㆍ현재의국내의충전기플러그는 IEC규격을준용하는추세이나, 상호간의자유로운이용을위해서는통신규약, 이용자인증및과금, 충전기운영주체간의상호인터페이스확보등다양한문제가있음 45) European Telecommunications Standards Institute 유럽의통신기술전문표준화기구 46) Intelligent Transport System 지능형교통정보시스템 - 116 -
별첨 1. 전문가설문조사참고자료 1. 한국 Overall E/V Trend 전기자동차 시장현황 - 국내전기자동차시장규모는 2015년에 7,700대수준에이를전망 - 전기자동차판매량을 2011년도에는 100만대, 2015년도에는 678만대, 2020년에는 1000만대로연평균 30% 증가할것으로전망 - 초기에는하이브리드차량중심으로보급되나향후 PHEV/EV비중확대 세부영역별 E/V R&D 및표준화 Trend E/V 배터리영역 - 국내의경우차량용배터리셀개발에적극적으로투자하고있으나, 아직배터리팩설계및제조기술은미흡한실정임ㆍ배터리및적용차량의시장규모증가추세에따라, 우리나라도전기동력자동차의배터리시스템의안전성및경량화등을고려한패킹기술, 전력제어기술등의차량적용기술개발에역량을집중할필요가있음 E/V 충전영역 - 전기자동차충전기전문개발업체는이미일본, 유럽및미국시장에제품을수출할정도로기술력을학보 - 전기차충전인프라제주실증사업으로다양한비즈니스모델개발예상 - 관리소서버에서유선 / 무선통신을이용하여충전기원격모니터링및데이터저장 - 아파트단독주택과충전소의 EVSE를통해 PEV를충전하고, 사용한전력의내역은 EUMD를통해기록되어, ESI를통해전력회사로전달 - 충전방식에는 Smart PEV(PEV 혹은 EVSE에과금 ) 방식, Smart PEV(Customer의신용카드로과금 ) 방식, Smart EVSE(PEV혹은 EVSE에과금 ) 방식, Smart EVSE(Customer의신용카드로과금 ) 방식이있음 - 117 -
중점녹색기술로드맵기획및전략이행점검 2. 미국 Overall E/V Trend 전기자동차 시장현황 - 2013년 7월미국의 8개회사에서 14종의 PEV(Plug-in Electric Vehicle) 모델이출시된상태이고, 이중 9개의모델은배터리로만움직이는 BEV임. 5개의모델은배터리와가솔린의혼용인 PHEV(Plug-in Hybrid Electric Vehicle) 임ㆍ2013년 7월 25까지판매된 PEV는 110,000대를초과 - 2011년에 PEV는 17,000대판매, 2012년에같은양이판매되는데걸린시간은 6개월임 세부영역별 E/V R&D 및표준화 Trend E/V 배터리영역 E/V 충전영역 - 배터리는에너지저장의한형태로, 전기적인과정을통해서저장 배출ㆍ모든배터리기술은배터리디자인과생산, 작동비용 (Cost of Operation), 성능, 내구성등의근본적인특징을가지고있음ㆍ2002년부터배터리관련 R&D에정부지출이확대되어왔고, 특히 2008 이후정부는배터리리서치에대한지출을 86% 인상 - 미국의 EVSE(Electric Vehicle Supply Equipment) 업체중 1곳인 Charge Point는 2013년 11월현재총14,125개의충전스탠드가있으며충전방식은 CCS*(Combined Charging System) 을적용 CCS(Combined Charging System) 은설립된 AC충전방식과초고속 DC 충전방식을단일시스템 (a single system) 으로통합시킨것. - OnStar는집단소프트웨어와전산망을통해태양열을저장하고전기격자 (Electric Grid) 에도움을주는태양열충전캐노피를사용ㆍOnStar는위성을이용, 위치를추적하는위치파악시스템 (GPS) 과이동전화기술이결합된텔레매틱스 (telematics) 서비스를제공ㆍGM 북미사업부, 델코전자, EDS 등이 4년간의연구끝에공동개발 자료 : GM Media Online 홈페이지 (media.gm.com) - 118 -