친환경 전기자동차 최신기술 및 특허 동향 분석을 통한 특허경쟁력 강화 방안 연구 2016년 2월 특 허 청 배 진 용 오 성 환
목 차 Ⅰ. 서론 1 1. 연구의 배경과 목적 1 2. 연구 범위와 방법 3 Ⅱ. 친환경 전기자동차 역사와 발전 동향 4 1. 전기자동차의 최초 발명과 그 쇠퇴(1824년 ~ 1920년) 4 2. GM 社 의 혁신과 실패(1996년 ~ 2005년) 8 3. 전기자동차의 역사 11 4. 전기자동차의 기술개발 현황 14 5. 전기자동차의 시장동향 34 6. 전기자동차 상용화 장애 및 문제점 37 Ⅲ. 친환경 전기자동차의 구조 47 1. 전기자동차의 주요부품 47 2. 모터 49 3. 인버터/컨버터 51 4. 회생제동 장치 58 5. 전지시스템 60 6. 충전 인프라 및 커넥터 62 Ⅳ. 친환경 전기자동차의 전지 66 1. 전지의 구성요소와 종류 66 2. 리튬-이온 전지분야의 산업 및 시장동향 73 3. 리튬-이온 전지의 기술동향 76 4. 리튬-이온 전지의 특허분쟁 및 특허기술동향 79 5. 차세대 전지로 주목되는 리튬-공기 전지 83 - iii -
Ⅴ. 테슬라 전기자동차 86 1. 테슬라 社 의 역사, 엘론 머스크 및 주요사업 86 2. 자동차의 정의를 바꾸다 90 3. 테슬라 자동차 공장, 기가팩토리 및 슈퍼충전소 94 4. 테슬라 특허현황, 핵심특허 및 특허공유 정책 99 Ⅵ. 친환경 전기자동차 보급 현황 및 주요 정책 108 1. 국내 전기자동차 보급 현황 108 2. 주요국 보급 계획 및 도입촉진 정책현황 109 3. 친환경 전기자동차의 성장요인과 제약요인 110 4. 국내 전기자동차 보급 정책 113 5. 국내 전기자동차 정책의 개선과제 115 Ⅶ. 결론 118 참고문헌 123 - iv -
표 목 차 <표1> 친환경 전기자동차의 역사(1824년~2005년) 11 <표2> 전기자동차의 종류 및 특징 17 <표3> 모터의 사용정도(전기화 정도)에 따른 전기자동차 구분 20 <표4> 휘발유와 리튬-이온 배터리 사이에 에너지 저장밀도의 차이 42 <표5> 전기자동차 최고속도, 주행거리 및 완속 충전시간 비교 46 <표6> 전기자동차에 사용되는 주요 모터 비교 51 <표7> SiC(탄화규소) 소자의 장 단점 비교 55 <표8> 가정용, 완속( 緩 速 ) 및 급속( 急 速 ) 충전기 비교 64 <표9> 주요국의 충전기 커넥터와 차량측 소켓 형상 비교 65 <표10> 휘발유와 각 전지 사이에 에너지 저장밀도의 차이 72 <표11> 전지업체-완성차업체 협력현황 73 <표12> 리튬-이온전지의 양극물질 및 특징 78 <표13> 리튬-이온전지의 음극물질 및 특징 78 <표14> 리튬-이온전지의 분리막 및 특징 79 <표15> 리튬-이온전지분야의 특허분쟁 현황 79 <표16> 리튬-이온전지분야의 기술이전 현황 82 <표17> 테슬라 생산차량 비교 87 <표18> 엘론 머스크의 사업분야 및 창업한 회사 89 <표19> 테슬라 슈퍼충전기의 주요 스펙(Spec) 99 <표20> 주요국의 전기자동차 보급계획 110 <표21> 주요국의 전기자동차 도입 촉진 정책현황 111 <표22> 전기자동차 핵심부품 개발을 위한 연구개발 로드맵 113 <표23> 국내 친환경 전기자동차 보조금 및 구매 혜택 115 - v -
국외훈련 개요 1. 훈 련 국 : 미국(United States of America) 2. 훈련기관명 : NKL Law Firm(NKL 법률사무소) 3. 훈련분야 : 특수 과학기술 연구분야 4. 훈 련 기간 : 2015년 10월 19일 ~ 2016년 1월 18일 - vi -
훈련기관 개요 훈련기관명 및 주소 기관 명 : NKL Law Firm 주소 : 1604 SPRING HILL ROAD, SUITE 320 VIENNA, VA 22182 훈련기관 개요 NKL Law Firm은 Washington DC 접경(버지니아 주 VIENNA)에 위치하고 있으며, 9 명의 특허전문 변호사와 1 명의 특허 변리사, 1명의 기술전문가로 구성되어 있으며, 특허, 상표, 디자인 등 출원 업무를 담당하고 있으며, 특허 검색을 통한 선행기술 조사, 기술 자문 취급 및 특허, 디자 인, 저작권 소송 등 각종 특허소송 사건 취급하고 있으며, 국내의 대기업인 삼성 등의 사건을 대행하고 있다. 미국은 친환경 전기자동차 법률, 기술 및 생산에서 가장 앞선 제도 및 최신 기술을 보유한 국가이며, NKL Law Firm 미국의 전기/전자분야 특허출원 및 소송을 대행하는 특허 전문 로펌으로 전기자동차 분야 최신 특허 및 분쟁에 대한 검색을 수행하는데 가장 적합한 기관으로 최신 특허 및 판례 검색을 위한 시스템이 모두 갖추어져 있기에 전기 자동차 특허 분석을 위한 자료를 지원할 수 있는 기관입니 다. - vii -
Ⅰ. 서론 1. 연구의 배경과 목적 자동차는 현대 사회에 가장 중요한 교통수단이라고 할 수 있고, 마치 현대 사회에서 스마트 폰(Smart Phone)과 같이 생활에 선택이 아니라 필수적인 물품이 되었다. 이러한 자동차는 인간에게 편리하고 윤택한 생활을 제공해 주고 있지만, 공기오염 및 지구환경 파괴에 가장 주된 원인이 되고 있다. 우리나라에서 자동차 산업은 1990년대 이후에 경제성장을 주도한 제 조업의 핵심 산업으로서, 지난 20년간 연평균 6.0%의 성장세를 지속하 고 있으며, 고용, 생산, 수출 등 국민경제에서 차지하는 비중이 10%에 달하는 국가 경쟁력의 근간이 되고 있다 1). 전 세계적으로 자동차 산업의 이슈는 환경, 안전, 에너지에 관한 것으 로서, 석유자원 고갈, 지구온난화 등 유한 자원과 환경보호라는 것은 내연기관 자동차에서 친환경 전기자동차로 이행 중이다. 친환경 전기 자동차는 자동차의 엔진구조가 기존 엔진과 같은 연소로부터 에너지 를 얻는 구조가 아닌 전기에너지를 통해 구동되는 엔진이 설치된 자 동차이며, 배기가스나 환경오염이 없으며, 소음도 작다는 장점을 가지 고 있다. 미국은 2008년 이후에 전 세계 금융위기로 인하여 2008년부터 2010년 사이에 미국 자동차 산업은 생( 生 )과 사( 死 )를 오가는 상황을 맞았고, 미국의 3대 자동차 제조업체 2) 중에서 적어도 두 업체는 미국 정부가 도움의 손길이 없었다면, 그대로 파산하고 말았을 것으로 평가되고 있 으며, 미국 정부는 자동차 제조업체들을 상대로 보다 연료 효율성이 뛰어난 차량 생산을 독려했고, 미국 에너지부(DOC)를 통해서 자동차 제조업체들에게 친환경 전기자동차 생산과 연계하여 다양한 대출금과 보조금 지원을 해주었다 3). 1) 김정욱, 미국 자동차 산업현황 및 전망, 지식경제부, 한국산업기술진흥원, 2012. pp. 6. 2) 포드, GM, 크라이슬러 3) 찰스 모리스 지음, 엄성수 옮김, 테슬라 모터스, 을유문화사, 2015.07. pp. 36~37. - 1 -
또한, 오바마 대통령은 2011년 연설에서 2015년까지 최소 100만 대의 전기 자동차가 도로를 달리게 하는 것이 목표라고 발표했으며, 캘리포 니아 주 대기자연위원회(CARB)는 2025년까지 신규 판매 차량의 16% 는 무공해 자동차여야 한다는 의무 생산 규정을 발표하여서 미국도 국가적으로 친환경 전기자동차 산업의 활성화를 추진하고 있다 4). 2003년부터 미국 실리콘 밸리에서 일발적인 자동차 회사와 상이한 자 동차 회사가 탄생하였는데, 기존까지 전기자동차라면, 연비가 좋다는 점을 부각하기 위하여 작고, 못생기고, 느리고, 주행거리가 짧다는 고 정관념이 있었지만, 엘론 머스크 5) 의 테슬라 6) 자동차는 기존 전기자동 차의 고정관념을 깨고, 2차 전지 약 7000개를 사용하여 시속 209.3 km 를 내는 후륜구동 방식과 영국 로터스 엘리스 세시를 이용한 고가의 스포츠카 버전(로드스터)의 성공을 발판으로 중고가 스포츠 세단(모델 S), 일반인을 위한 상용 자동차 세단(모델 E), 중고가 스포츠 SUV(모델 X)를 발표함을 통해서 세계적인 이목을 집중시키고 있는 중이다 7). 국제적인 추세에 발마추어, 우리나라의 산업통상부도 2015년에 전기자 동차 6000대 보급 및 2017년에 4만 6000대를 보급할 예정이고, 전기자 동차 보조금 지원은 정부로부터 1500만원, 지방 자체단체로부터 300~500만원을 지급받을 수 있고, 500만원 상당의 완속 충전기 지원, 세금 면제, 공용주차장 요금의 50% 할인 등의 본격적인 친환경 전기 자동차 도입을 추진하고 있다 8). 본 연구를 통하여 친환경 전기자동차 최신기술 및 논문을 연구하여 기술발전에 이바지하고, 주요기업과 가장 기술적으로 앞서가는 기업인 테슬라 社 의 특허 동향 조사 분석 통한 강한 특허 창출과 친환경 전 4) 찰스 모리스 지음, 엄성수 옮김, 테슬라 모터스, 을유문화사, 2015.07. pp. 37~39. 5) 엘론 리브 머스크(Elon Reeve Musk : 1971년 ~ 현재) : 남아프리카공화국의 프리토리아에서 태생, 전기 및 기계 엔지니어인 아버지 에롤 머스크(Errol Musk)의 영향으로 어릴 때부터, 컴퓨터 게임 및 프로그램 분야에 집중적으로 관심을 가지게 되었고, 캐나다 온타리로에 위치한 퀸즈대학교에서 경영학을 전공하다. 미국 펜실베니아 대학으로 편입하고, 경제학 및 물리학 2중 전공으로 학사를 마치고, 에너지 물리학 분야 의 박사학위를 취득하기 위하여 1995년 스탠퍼드 대학교에 입학하였으나, 창업의 길로 들어서면서, 집투 코퍼레이션(Zip2 Corporation), 온라인 은행 사업인 엑스닷컴(X.com) 및 페이팔(Paypal), 민간 우주사업 인 스페이스X(SpaceX)를 사업하였고, 2003년부터 100% 전기로 동작하는 자동차 회사인 테슬라 자동차 사업하는 미국의 사업가이자 발명가 6) 테슬라 자동차는 전기자동차의 엔진으로 사용된 유도전동기의 발명가인 미국의 니콜라 테스라의 이름을 바탕으로 테슬라라는 이름을 사용하였다. 7) Wikipedia 인터넷 사이트, 테슬라 모터스, https://namu.wiki/w/테슬라 모터스 8) 한국에너지 기사, 2017년에 한국 전기차시장 본궤도, 2015.05.07. - 2 -
기자동차 생산. 보급 및 활성화를 위한 법률 및 제도 연구하여 선진국 제도 등 도입을 통하여 한국형 전기자동차 제도 및 시설 도입 방 안 도출을 목표로 기술하고자 합니다. 2. 연구 범위와 방법 본 연구에서는 먼저 i) 전기자동차의 등장, 최근 상용화 되고 있는 전 기자동차의 세부적인 분류, 전기자동차의 역사, 전기자동차의 시장동 향, 전기자동차를 상용화하는데 장애 및 문제점을 적시할 것이며, ii) 현재 연구되고 있는 전기자동차의 주요부품, 전기자동차의 구동엔진인 모터 및 모터 제어기, 전기자동차용 인버터/컨버터, 특히 에너지 절감 을 위한 회생제동 장치 및 핵심 기술인 전지시스템에 대하여 살펴볼 것이다. 그리고 친환경 전기자동차를 구동시키는 에너지 공급원으로, 친환경 전기자동차가 성공하는데 가장 핵심적인 요소인 전기자동차용 배터리 개발 및 시장동향과 현재 전기자동차 전지로 사용되고 있는 리튬-이온(Lithium-ion) 전지와 리튬-폴리머(Lithium-polymer) 전지를 살펴보고, 미래의 자동차 전지로 각광받고 있는 리튬-공기(Lithium-air) 전지에 대하여 최신 기술과 특허에 대하여 살펴보고자 한다. 또한, 친환경 전기자동차로 가장 성공적인 기업을 만든 엘론 머스크의 테슬라 자동차에 대하여 현지를 방문한 자료를 정리하여 테슬라 社 의 역사, 창업자, 공장, 매장 및 슈퍼충전소에 대하여 살펴보고, 테슬라 社 의 미래 기술인 기가팩토리 및 하이퍼루프 기술과 테슬라 특허공유 및 핵심특허 동향을 새롭게 파악하고, 친환경 전기자동차 도입을 위한 친환경 전기자동차 촉진 및 환경관련 법률에 대하여 기술함을 통하여 한국형 전기자동차 제도 및 시설 도입 방안을 결론적으로 도출하 겠다. - 3 -
Ⅱ. 친환경 전기자동차 역사와 발전 동향 1. 전기자동차의 최초 발명과 그 쇠퇴(1824년 ~ 1920년) 1900년대 초에 미국에서 굴러다니는 자동의 약 38%가 전기자동차였 다 9). 그만큼 전기자동차의 역사는 오래되었다고 할 수 있을 것이다. 또한, 세계적인 발명왕인 토마스 에디슨(Thomas Alva Edison) 10) 도 전 기자동차 및 전기철도와 관련하여 총 48건의 특허를 등록은 받았고, 특히 전기자동차의 에너지 독립을 위하여 에디슨은 충 방전이 가능한 2차전지 11) 에 관하여 총 135건의 특허를 출원 및 실용화하였다 12). 세계 최초의 전기자동차는 1824년 헝가리의 발명가 앤요스 제드릭 (Ányos Jedlik) 13) 이 자신이 발명한 전기모터를 적용하여 전기자동차 개 발을 세계 최초로 시도하였다. 그림 1. 앤요스 제드릭 및 그가 세계 최초로 발명한 전기자동차 9) 찰스 모리스 지음, 엄성수 옮김, 테슬라 모터스, 을유문화사, 2015.07. pp. 27. 10) 토마스 에디슨(Thomas Alva Edison : 1847년 ~ 1931년) : 일명 발명왕이라고 불리우는 세계적인 미국 의 발명가, 전구를 세계 최초로 발명하고, 이 실험 중에 발견한 에디슨 효과 는 20세기 들어와 열전자 현상으로 발달하여 전자공업의 초석을 마련한 미국의 과학자, 평생 1093개의 특허를 출원하였고, 잘 알 려지지 않았지만, 전기자동차, 전기철도 및 2차전지 배터리에 대해서도 수많은 연구를 수행하였다. 11) 1차전지는 방전한 뒤에 충전을 통해서 본래의 상태로 되돌릴 수 없는 전지로서, 대표적으로 건전지, 알 라라인 전지가 있으며, 세계 최초로 이탈리아 과학자 볼타에 의해서 발명되었다. 2차전지는 충전과 방전 이 반복적으로 가능한 전지로서, 대표적으로 납축전지, 니켈전지, 리튬전지가 있다. 12) 토마스 에디슨의 전기자동차 및 배터리에 관한 특허는 필자가 직접 조사함 13) 앤요스 제드릭(Ányos Jedlik: 1800년~1895년): 1800년대 초반에 전기모터에 대하여 집중적으로 연구 한, 물리학자, 엔지니어 및 발명가이며, 자신이 개발한 모터를 이용하여 세계 최초의 전기자동차를 발명 한 헝가리의 발명가 - 4 -
이후 1830년대 스코트랜드에서 전기자동차 및 전기철도를 개발하기 위하여 초창기 연구가 시도되었고, 전기자동차는 1834년 로버트 앤더 슨(Robert Anderson) 14) 이 개발하였고, 전기철도는 1837년 로버트 데이 비슨(Robert Davidson) 15) 이 배터리를 사용하여 개발하였다. 하지만, 앤 요스 제드릭(Ányos Jedlik), 로버트 앤더슨(Robert Anderson) 및 로버트 데이비슨(Robert Davidson)의 발명은 실용화에는 부족한 점이 많았으 며, 1800년대 중반 이후에 다양한 발명가가 전기자동차 개발에 뛰어들 었다. 실질적으로 전기자동차 상용화를 추구한 발명가는 영국의 토마 스 파커(Thomas Parker) 16) 및 미국의 알버트 포프(Albert A. Pope) 17) 이 며, 이들이 그림 2 및 그림 3의 전기자동차를 개발하였고 각각 유럽과 미국에서 상용화를 위하여 노력하였다. 토마스 에디슨은 토마스 파커(Thomas Parker) 및 알버트 포프(Albert A. Pope)보다 늦게 전기철도 및 전기자동차 분야에 뛰어 들었다. 하지 만, 전구의 조도( 照 度 )제어 및 발전기의 속도제어는 에디슨이 전기기기 속도제어 기술을 바탕으로 전기철도 및 전기자동차 기술개발에 전 세 계에 그 누구보다 가장 많은 총 48건의 특허기술을 개발하였다. 그림 2. 토마스 파커 및 그가 개발한 전기자동차(1884년) 14) 로버트 앤더슨(Robert Anderson: 생애에 대해 정확히 모름): 19세기 배터리를 사용하여 최초로 전기자 동차를 연구한 스코트랜드 발명가 15) 로버트 데이비슨(Robert Davidson: 1804년~1894년): 배터리를 사용하여 최초로 전기철도를 연구한 스 코트랜드 발명가 16) 토마스 파커(Thomas Parker: 1843년~1915년): 자동차 분야 기술자로서 엘웰-파커(Elwell-Parker) 社 를 공동으로 창업하여, 납 축전기 및 모터를 이용하여 전기자동차를 상용화하는 영국의 발명가 17) 알버트 포프(Albert A. Pope: 1843년~1909년): 군인 출신으로 콜롬비아(Columbia) 社 를 창업하여, 자전 거 생산을 시작으로 전기자동차를 실용화를 추진했으며, 가솔린자동차 등을 생산 및 판매한 미국의 발명 가이자 사업가 - 5 -
그림 3. 알버트 포프 및 그가 개발한 전기자동차(1899년) 토마스 에디슨이 자신이 가장 완숙한 발명을 수행할 수 있던 36세부 터 86세까지, 즉 30대 중반부터 평생 동안 전기자동차 및 전기철도 기 술개발보다 더욱 집중( 集 中 )한 것은 발전소와 전력배선으로부터 완전 히 자유로운 전기 에너지의 독립( 獨 立 )이다. 즉, 토마스 에디슨은 충 방전이 가능한 2차전지 18) 에 관하여 총 135건의 특허를 출원 및 실용 화하였다 19). 토마스 에디슨의 특허를 검토하면서, 감탄하는 점은 지금도 마찬가지 이지만, 전기자동차의 성공의 핵심은 에너지 밀도가 높은 배터리 20) 라 는 것을 100년 전에 에디슨도 너무나 잘 알고 있었다는 것이다. 전기 자동차와 배터리에 대해서 토마스 에디슨이라는 존재에 대해서 많은 사람은 정말 잘 모르는 것 같다. 아니 전기공학 분야를 전공한 나조차 이 보고서를 위해서 특허검토를 하기까지 잘 몰랐는데, 아마도 전문가 정도의 지식을 가진 극소수를 제외하고, 전기자동차와 배터리 분야에 서 토마스 에디슨이라는 이름조차 극히 생소할 것으로 생각된다. 토마스 에디슨을 전기자동차와 배터리 분야에서 다시금 평가해 보면, 전기자동차 및 전기철도에 총 48건의 특허를 발명하여 세계에서 가장 많은 연구를 수행한 발명가이다 그리고, 전기 에너지 독립을 위한 충 18) 1차전지는 방전한 뒤에 충전을 통해서 본래의 상태로 되돌릴 수 없는 전지로서, 대표적으로 건전지, 알 라라인 전지가 있으며, 세계 최초로 이탈리아 과학자 볼타에 의해서 발명되었다. 2차전지는 충전과 방전 이 반복적으로 가능한 전지로서, 대표적으로 납축전지, 니켈전지, 리튬전지가 있다. 19) 토마스 에디슨의 전기자동차 및 배터리에 관한 특허는 필자가 직접 조사함 20) 우리나라 기업인 삼성 SDI, LG 화학, SK 이노베이션은 2차전지 배터리 개발에 박차를 가하고 있으며, 리튬이온 배터리 분야에서 세계최고 양산시스템을 가지고 있으며, 국가발전에 기여하고 있다. - 6 -
발전이 가능한 2차전지 배터리에 총 135건의 특허를 발명하여, 역시 2 차전지 배터리에서 세계에서 가장 많은 특허를 출원한 발명가이며, 현 재 가장 앞서가는 배터리 재료인 니켈, 리튬을 가장 먼저 사용한 과학 자이며, 지금의 전기자동차의 초석을 다진 발명가라고 평가할 수 있을 것이다. 이렇게 토마스 에디슨이 전기자동차, 전기철도 및 2차전지 배터리분야 에 대해 주옥( 珠 玉 ) 같은 발명을 하였지만, 이 점에 대하여 별로 부각 되지 못한 이유를 간단하게 이야기하면, 미국의 석유 왕인 록펠러 (John Rockefeller) 21) 와 자동차 왕인 핸리 포드(Henry Ford) 22) 때문으 로 생각된다. 그림 4. 석유 왕 록펠러(좌측)와 자동차 왕 핸리 포드(우측) 전기자동차는 가솔린자동차보다 먼저 발명되었고, 1920년까지 전기자 동차와 가솔린자동차는 공존 및 경쟁관계에 있었다. 하지만, 1908년 자동차 왕인 핸리 포드가 개발하여 상용화한 모델 T와 1920년 석유 왕인 록펠러가 텍사스 원유발견 및 석유산업 개발로 인하여, 가솔린자 동차는 혁신적으로 평균 500달러 ~ 1000달러 가격하락이 되었다. 이로 인하여 자동차라는 이름은 휘발유 및 경유 자동차가 대명사가 되었고, 전기모터와 배터리로 구동하는 전기자동차는 그 이름이 1920년대부터 21) 록펠러(John Davison Rockefeller: 1839년~1937년): 미국 오하이오 스탠더드 석유회사를 설립하여, 1900년대 초반에는 미국 정유소의 95%를 지배한 미국의 석유 사업가이자 석유 왕으로 통함 22) 핸리 포드(Henry Ford: 1863년~1947년): 에디슨의 컨베이어 밸트 발명으로부터 영감을 받아서 자동차 분야의 혁신적인 조립 라인인 포드시스템을 확립하였고, 미국 자동차 대표기업인 포드사를 설립한 자동 차 기업가, 발명가이자 자동차 왕으로 통함 - 7 -
지금까지 약 100년 동안은 사라지게 되었고, 지금도 전기자동차는 자 동차 분야에서는 아직까지 어색한 이름이라고 할 수 있을 것이다. 그림 5. 핸드 포드가 상용화한 휘발유 자동차 모델 T(Model T) 2. GM 社 의 혁신과 실패(1996년 ~ 2005년) 1990년대 미국 캘리포니아 주 정부는 자동차 회사는 전체 자동차 회 사가 캘리포니아 주에서 자동차 판매의 10% 정도는 배기가스가 전혀 나오지 않는 자동차를 판매하여야 한다는 배기가스 제로법(ZEV: Zero Emission Vehicle) 을 제정하였다 23). 캘리포니아 주의 배기가스 제로법 은 1990년 세계적인 미국의 자 동차 기업인 GM(General Motors) 社 24)가 전기자동차 EV1을 LA 모터쇼 에 선보이는 개기를 마련하였고, 1996년 GM 社 는 배기가스 및 소음이 전혀 없으며, 시속 130km(최고속도 150km)로 주행이 가능한 전기자동 23) Louise Wells Bedsworth and Margaret R. Taylor, Learning from California s Zero-Emission Vehicle Program, CEP(California Economic Policy), Vol. 3, Num, 4, 2007.09. 24) GM(General Motors) 社 : 1904년 윌리엄 듀랜트(William Durant)가 뷰익(Buick) 社 의 지분을 사들여서 1908년 9월에 GM 社 를 설립하였고, 지속적으로 성장하여 현재는 미국의 3대 자동차 회사로 등극하였 다. GM 社 는 뷰익(Buick), 캐딜락(Cadillac), 쉐보레(Chevrolet), GMC, 오펠(Opel), 복스홀(Vauxhall) 및 홀덴(Holden) 등 미국을 대표하는 자동차 브랜드를 만들어 냈어며, 2011년 대한민국의 대우자동차를 인수하여서 쉐보레(Chevrolet)라는 브랜드를 주력으로 사용하고 있으며, 1996년 전기자동차를 부활시켰 지만, 상당한 실패를 하였던 자동차 기업 - 8 -
차를 양산하였다. GM 社 의 전기자동차 EV1은 1996년부터 2000년까지 800대의 전기자동차 EV1을 소비자에게 대여하여 큰 호응을 얻었다 25). GM 社 가 개발한 EV1은 2인승 전륜( 前 輪 )규동 방식으로, 전기콘센트가 있는 어느 곳이면 충전이 가능하고, 플러그를 꽂은 뒤 4시간이면 완전 충전이 가능하다. 무게를 가볍게 하기 위하여 알루미늄 프레임에 복합 소재를 사용하여 가볍게 하였으며, 차고 벽에 설치된 소형 액자 크기 의 충전기를 사용하여 한번 충전에 110~130km(최대 160km)의 주행이 가능한 것이 특징으로 한다. 그림 6. GM 社 의 전기자동차 EV1 및 충전모습 GM 社 는 EV1 개발을 위하여 15억 달러(한화로 약 1조 5천억원)이상을 투자하였으며, 저렴한 충전비용 덕분에 EV1은 신청자가 증가하였고, 25) Wikipedia 인터넷 사이트, Who Killed the Electric Car, https://en.wikipedia.org/wiki/who_killed_the_el ectric_car%3f - 9 -
기존의 휘발유 자동차 업체는 위협을 받기 시작하였다. 전기자동차는 화석연료 즉, 석유를 사용하는 내연기관이 아닌 전기 모터로 주행하기 에 엔진오일과 오일필터 등이 필요하지 않으므로 정유업체를 포함하 는 자동차 정비 및 부품업체에 큰 위협으로 다가왔다. 급기야 메이저 석유회사 및 자동차 업체는 GM 社 의 전기자동차 EV1의 인기에 위기의식을 느끼고 "전기자동차의 전지에 문제가 많고 비싸다 라는 문제점을 언론에 퍼트리고 로비를 통하여 캘리포니아 주정부 를 압박하여 공청회를 가진 뒤 2003년 배기가스 제로법 을 철배하 였다. GM 社 배기가스 제로법이 사라지자 전기자동차 EV1의 생산라 인을 철수하고 직원을 해고하였으며, 마지막으로 남은 78대의 EV1,을 2005년 사막 한가운데서 조용하게 폐차하였다 26). 소니 픽처스 社 가 2006년에 제작한 누가 전기자동차를 죽였나(Who Killed the electric car) 란 다큐멘터리에서는 GM 社 의 전기자동차 EV1을 리스(lease)하여 운전한 다수의 EV1 사용자들의 인터뷰를 통해 서 이렇게 혁신적인 전기자동차가 갑자기 사라진 것에 대하여 아쉬움 에 대하여 나타냈으며, 미국 중동 유럽 등 석유 회사들의 석유판매 에 따른 세금 문제가 복잡하게 얽혀있으며, 기존의 메이저 자동차 회 사가 내연기관 자동차의 생산을 중단하면 수익성이 나빠질 것이란 우 려가 작용하였음을 나타내고 있다. 그림 7. 소니 픽처스 社 의 포스터 및 GM 社 EV1 폐차모습 26) 정용욱 외 공저, 전기자동차 2판, GS인터비전, 2013.08. pp. 38~39. - 10 -
이 다큐멘터리에서 미국의 역대 대통령인 카터, 레이건, 클린턴 등이 중동의 석유 중독을 끊겠다는 공헌을 했으나, 메이저 석유회사 및 자 동차 회사의 로비, 메이저 석유회사 및 자동차 회사에 굴복한 미국 정 부, 큰 차를 좋아하는 미국 소비자의 성향이 GM 社 의 전기자동차 EV1 을 결국 죽였다는 내용을 담고 있으며, 역사에서 조용히 사라지는 최 후를 맞이하였다 27). 3. 전기자동차 역사 전기자동차의 주요 역사를 간단하게 정리하면 다음의 표1과 같다. 표1. 친환경 전기자동차의 역사(1824년~2005년) 28) 년도 개발자 주요내용 1824년 앤요스 제드릭 (헝가리) 세계최초 전기모터를 이용한 전기자동차 를 발명 1830년 로버트 앤더슨 (스코트랜드) 최초의 전기자동차의 원형 설계 최초의 원유 전기마차 발명 1835년 그로닝겐 스트라틴 (네덜란드) 1835년 크리스트 파벡카 (네덜란드) 소형의 전기자동차 설계 최초의 전기자동차 제작 27) Youtube 인터넷 사이트, "Who Killed the Electric Car? report", https://www.youtube.com/watch?v=h8 5IT8hadyk 28) 정용욱 외 공저, 전기자동차 2판, GS인터비전, 2013.08. pp. 47~50 참조하여 업데이트 함 - 11 -
년도 개발자/기업/기관 주요내용 1842년 토마스 다벤포트(미국) 로버트 데이빗(스코틀랜드) 최초의 실생활 이용 가능한 전기자동차 제작 재충전 할 수 없는 타입의 전지 사용 1873년 R. 데비슨(영국) 전기자동차를 실용화함 1881년 카미르 파우레(프랑스) 구스타프 트루베(프랑스) 재충전용 축전지를 개량하여 전기자동차에 적용 국제전기박람회(파리)에서 삼륜 전기자동차를 전시 1884년 토마스 파커(영국) 마차를 연상시키는 전기자동차를 개발 1895년 A.L.라이카(미국) 삼륜 전기차를 만듬(최고시속 32km에 불과) 1897년 필라델피아 전기자동차(미국) 최초로 미국서 상업용 전기자동차 판매 (최고시속 22km, 주행거리 29km) 뉴욕서 전기자동차 택시에 채용 1899년 까뮈 제나티(벨기에) 유선형 전기자동차로 시속 105km 달성 1899년 알버트 포프(미국) 미국서 전기자동차를 상용화하여 판매 1900년 ~ 1920년 우드 社, 디트로이트 社, 콜림비아 社, 에디슨(미국) 등 디트로이트 社 전기자동차(1915년) 및 충전기 다양한 전기자동차 모델의 상용화 및 2차전지 배터리 기술 개발 - 12 -
년도 개발자/기업/기관 주요내용 1920년 오하이오 스탠더드 社 (미국) 포드 社 (미국) 미국 텍사스의 원유발견으로 휘발유 가격하락 내연기관 자동차의 생산기술(포드 시스템) 발달로 휘발유 자동차가 자동차 시장이 대세 이후에 전기자동차는 비싼가격, 주행거리의 한계, 충전시간이 필요하기에 전기자동차가 사라짐 1930년 ~ 1990년 전기자동차 공백기 1990년 캘리니아주(미국) 환경오염의 대책으로 캘리포니아주는 배기가스 제로법(ZEV)을 도입하는 정책을 법제화함 1990년 GM 社 (미국) LA 모터쇼에서 전기자동차 EV1을 전시 1996년 GM 社 (미국) 2인승 전기자동차 EV1의 상용화, 최고속도 150km, 주행거리 160km, 충전시간 4시간 2003년 캘리니아주(미국) 글로벌 석유 및 자동차 회사가 GM 社 의 전기자동차의 배터리가 문제 많다는 언론 조장과 로비를 통해 배기가스 제로법(ZEV)을 철폐 2005년 GM 社 (미국) 배기가스 제로법(ZEV)이 사라지자 EV1의 생산라인을 폐쇄, 관련 직원을 해고하고, EV1을 폐차함 - 13 -
4. 전기자동차의 기술개발 현황 전기자동차에 대하여 다양한 기술개발이 진행되어 왔으며, 동력원의 전기화( 電 氣 化 ) 정도에 따라서 전기자동차를 구분하면 다음과 같이 정 리할 수 있다 29). 1) 하이브리드 전기자동차(HEV: Hybrid Electric Vehicle) 두 종류 이상의 동력원을 함께 이용하는 전기자동차를 말하며, 통상 의 휘발유(또는 디젤)엔진과 전기 모터를 함께 사용하는 차를 지칭 하며, 연료가 많이 이용되는 순간 휘발유 엔진 대신 전기 모터를 작 동시킴으로써 연료 사용을 저감하고, 배기가스 배출도 줄이는 전기 자동차 그림 8. 하이브리드의 정의 및 작동개요 그림 9. 하이브리드 전기자동차 [C2(Citroen), 시빅(혼다), 프리우스(도요다)] 29) 정용욱 외 공저, 전기자동차 2판, GS인터비전, 2013.08. pp. 13-14 -
2) 플러그인 하이브리드 전기자동차(PHEV: Plug-in Hybrid Electric Vehicle) 가정용 전기를 이용하여 전기자동차의 배터리에 충전할 수 있는 하 이브리드 전기자동차를 지칭하며, 배터리의 완전 충전을 통하여 50~60km의 거리를 전기로만 주행 가능한 전기자동차 그림 10. 플러그인 하이브리드 전기자동차[Volt(GM)] 3) 배터리 전기자동차(BEV: Battery Electric Vehicle) 내연기관 엔진은 없으며, 순수하게 전기모터의 회전력으로만 달리는 전기자동차를 의미하며, 필요한 전기는 100% 충전을 통해서 얻으며, 대기 오염도 전혀 없는 가장 친환경적인 전기자동차이다. 그림 11. 배터리 전기자동차[모델S(테슬라), Leaf(닛산)] - 15 -
다만, 전기자동차의 배터리 충전 전력 밀도가 휘발유(또는 경유)의 에너지 밀도와 비교하여 상당히 떨어지기 때문에 장거리 운전에 한 계, 충전시간 단축이 개선되어야 할 것이다. 4) 연료전지 전기자동차(FCEV: Fuel Cell Electric Vehicle) 배터리 전기자동차와 마찬가지로 순수하게 전기모터의 회전력으로 만 주행하며, 전기모터에 공급되는 전기를 연료전지(Fuel Cell)로부 터 공급받는 것을 특징으로 한다. 연료전지란 수소(H 2 )와 산소(O)를 반응시켜 전기를 생산하는 장치로서, 배기가스가 전혀 없고, 물(H 2 O) 만 배출되는 친환경 전기자동차이다. 다만, 수소의 대량생산 및 차 량 내에 수소의 저장 등이 장애요인으로 개술개발이 필요하다. 그림 12. 연료전지 전기자동차[Equinox(GM), FCHV-avd(도요다)] 4가지 대표적인 HEV, PHEV, BEV 및 FCEV 전기자동차의 특징을 정 리하면, 다음의 표2와 같이 정리할 수 있다. 하이브리드 전기자동차(HEV)는 기존의 내연기관 자동차에서 100% 완 전한 전기자동차로 이행하는 중간적( 中 間 的 )인 자동차라고 할 수 있다. 따라서 하이브리드 전기자동차(HEV)는 현재 대부분의 자동차 회사가 집중적으로 연구 개발하고 있으며, 모터의 사용정도(전기화 정도)에 따 라서 1Micro(Mild) HEV 2Soft(Power Assist) HEV 3Hard(Full) HEV로 구분할 수 있으며, 내연기관 엔진과 모터의 연결방식에 따라서 1직렬 형(Series) 2병렬형(Parallel) 3직 병렬형(Series/Parallel)으로 구분할 수 있다. - 16 -
표2. 전기자동차의 종류 및 특징 30) 구 분 HEV PHEV BEV FCEV 동력계 구 조 구동원 엔진 + 모터 모터 엔진(방전시) 모터 모터 에너지원 휘발유/경유 전기 전기 휘발유/경유(방전시) 전기 수소 특 징 구동시 내연기관/ 모터를 적절히 작동 시켜 연비향상 별도의 인프라 필 요 없음 배터리 전용 주행 5km 정도 단거리 주행 시 전기모터로 주행 장거리 주행 시 내연기관 사용 HEV 대비 배터리 용량증대, 주행거리 60km 정도 완전한 친환경 전 기자동차 근거리인 150km 내외만 주행가능 완전한 친환경 전 기자동차 수소/산소 반응으 로 전기를 생산하여 동력원으로 사용 수소탱크, 스택 등 장착이 필요 구매비용 다소 고가 다소 고가 고가 초고가 운영비용 다소 저비용 다소 저비용 저비용 고비용 운전편의 내연기관과 동일 전기충전 필요 전기충전 필요 수소충전 필요 주요차량 C2(Citroen) 시빅(혼다) 프리우스(도요다) 아반데 LPI(현대) Volt(GM) F3DM(BYD) Karma(Fisker) 모델 S,E,X(테슬라) Leaf(닛산) i-miev(미쓰비시) ZOE(르노) 투산(현대) Equinox(GM) B-class(다임러) FCHV-avd(도요다) Micro(Mild) HEV, Soft(Power Assist) HEV 및 Hard(Full) HEV에 대하여 구체적으로 언급하면 다음과 같다 31). 1 Micro(Mild) HEV (마이크로 하이브리드 전기자동차) Micro HEV는 공회전시 시동이 자동으로 꺼지고 출발 시 엑셀레이터 를 밟으면, 시동이 켜지는(idle stop & go system) 방식의 차량으로 전 기모터는 보조역할만 하는 차량을 의미한다. 기존의 내연기관에 부착 하거나 제약조건이 많은 소형 차량에 적합한 방식으로 이산환탄소 30) 송민규, 리튬이온전지 소재기술 동향 분석 및 전망, KDB 산업은행 보고서 및 정용욱 외 공저, 전기자동 차 2판, GS인터비전, 2013.08. pp. 56 참조하여 업데이트 함 31) 정용욱 외 공저, 전기자동차 2판, GS인터비전, 2013.08. pp. 62~65 참조하여 업데이트 함 - 17 -
(CO 2 ) 감소율이 5~10% 정도의 하이브리드 전기자동차이다. 그림 13. Citroen C2(Micro HEV) 2 Soft(Power Assist) HEV (소프트 하이브리드 전기자동차) Soft HEV의 경우 Micro HEV 방식보다는 모터의 보조역할이 더 크다. 대부분의 병렬 방식의 Soft 타입으로 현대자동차의 아반떼 LPI 하이브 리드 및 혼다자동차의 시빅 하이브리드와 같이 엔진 + 전기모터 + 변 속기(CVT: Continuously Variable Transmission)로 구성되어 있다. 이 경우 엔진과 변속기 사이에 모터가 삽입되어 있으며, 모터가 엔진의 동력 보조역할을 수행하게 된다. 전기모터 단독으로 차를 움직일 수 있지만, 모터는 단지 추진의 보조역할을 하며, Soft HEV는 전기적인 비중이 적어 가격이 저렴한 장점이 있지만, 순수 전기 모드 구현이 불 가능하여 배기가스 저감 및 연비개선에서 상대적으로 불리하게 된다. Soft HEV는 시동이나 가속순간에만 전기모터가 엔진을 보조하고 정속 주행 시는 일반자동차와 동일한 엔진으로만 구동하는 타입이기에 Hard HEV에 비교하여 연비가 나쁜 것이다. 그림 14. 혼다 시빅(Soft HEV) - 18 -
3 Hard(Full) HEV (하드 하이브리드 전기자동차) Hard HEV의 경우 전기모터가 출발과 가속 시에만 역할을 하는 것 이 상으로 주시에도 전기모터가 사용되는 방식이다. 내연기관과 전기모터 의 배치에 따라서 직렬형 또는 직 병렬형(혼합형)으로 구분되며, 도요 다의 프리우스가 대표적으로 이 방식에 속하는 전기자동차 모델이다. 그림 15. 도요다 프리우스(Hard HEV) Hard HEV는 엔진이 전기모터 2개를 가지고 있으며, 변속기(CVT: Continuously Variable Transmission)로 구성된 하이브리드 시스템으로, 엔진, 모터, 발전기의 동력을 분할/통합하는 기구인 유성기어를 채택하 여 효율적으로 동력을 배분하며, 전기모터 2개가 유기적으로 작동하여 동력보조 역할도 수행하기에 순수한 전기자동차로 구동도 가능하다. Hard HEV는 2개 이상의 모터 제어가 필수적이며, 대용량 축전지가 필 요하여 Soft HEV와 비교하여 전용부품이 1.5 ~ 2배 이상 고가인 단점 이 있지만, 회생제동 효율이 우수하고 연비가 좋은 장점도 가지고 있 다. 기존의 Hard HEV에 대용량 축전지를 추가하고 집에서 축전지를 충전 하면, 연료를 보다 적게 소비하며 멀리주행하게 되는데 이러한 자동차 를 플러그인 하이브리드 전기자동차(PHEV)라고 한다. 하이브리드 전기자 동차(HEV)의 종류별 연료효과 및 이산화탄소(CO 2 ) 감소율에 대해서는 그림 16과 같이 정의할 수 있으며, 모터의 사용정도(전기화 정도)에 따 른 전기자동차를 구분하면, 표3과 같다. - 19 -
Micro HEV < Soft HEV < Hard HEV < PHEV < BEV 그림 16. HEV의 종류별 연료효과 및 이산화탄소 감소율 표3. 모터의 사용정도(전기화 정도)에 따른 전기자동차 구분 32) 구 분 특 징 비 고 Micro HEV 공회전시 엔진이 정지 모터는 보조 역할만하는 단순시스템 엔진 + 모터(보조미비) HEV Soft HEV 기존 엔진에 모터로 보조 전기 주행모드가 없음 시동이나 가속 순간에만 모터가 엔진을 보조 엔진(주) + 모터(보조) Hard HEV 전기모터가 출발과 가속 시를 포함하여 주행 시에도 주된 역할 하이브리드 자동차의 주류로 성장예정 엔진(주) + 모터(보조) PHEV 기본적으로 전기모터로 움직이지만, 배터 리 범위를 넘어서는 거리는 엔진을 이용해 발전기를 돌리는 방식 모터(주) + 엔진(베터 리 충전) BEV 순수 전기로만 움직이는 자동차 모터(베터리) FCEV 연료전지를 통해 얻어지는 전기를 이용 하여 움직이는 자동차 모터(연료전지) 32) 정용욱 외 공저, 전기자동차 2판, GS인터비전, 2013.08. pp. 12-20 -
또한, 내연기관 엔진과 모터의 연결방식에 따라서 1직렬형(Series) 2 병렬형(Parallel) 3직 병렬형(Series/Parallel)으로 구분하여 정리하면, 다음과 같다 33). 1 직렬형(Series, 直 列 形 ) HEV 직렬형은 엔진이 발전기를 돌리고, 발전의 전기를 이용하여 모터가 회 전하는 방식이며, 엔진이 구동축에 연지 않고, 엔진과 발전기가 직접 연결되어 있으므로 직렬형(Series)이라고 부른다. 태양열 또는 태양광 자동차에 사용되며, 내연기관보다 엔진이 더 효율적이다. 다만, 직렬형 HEV 상용화의 최대 핵심은 전기의 힘으로만 기계적인 추진력을 얻어 야하기 때문에 대용량 축전지가 필요하며, 하이브리드 트럭이나 버스 와 같이 중량이나 면적에서 제약 조건이 적은 타입이 유리하다. 그림 17. 직렬형 하이브리드 전기자동차 그림 17은 앞바퀴 구동 방식의 직렬형 하이브리드 전기자동차의 구성 을 나타낸 것으로 앞바퀴 사이에 변속기가 있고, 모터는 이 변속기를 통해 동력을 바퀴에 전달하는 방식이다. 모터에 공급하는 전기를 저장 하는 배터리가 달려 있으며, 직렬형에 사용되는 엔진은 바퀴를 돌리기 위한 것이 아니라 축전지를 충전하기 위한 것으로서 엔지에는 발전기 가 연결되어 있고, 이 발전기에서 발생되는 전기를 축전지에 저장하는 33) 정용욱 외 공저, 전기자동차 2판, GS인터비전, 2013.08. pp. 66~67 참조하여 업데이트 함 - 21 -
타입니다. 이러한 직렬형 하이브리드 전기자동차는 엔진과 구동바퀴 사에에 동력전달 구조가 필요 없다는 점에서 다음과 같은 장 단점 있다. 장점1 : 엔진과 바퀴 사이에 동력전달을 위한 기계적인 연결이 필요 없기 에 엔진에 레이아웃이 자유로우며, 엔진이 좁은 엔진 룸에 함께 있을 필요가 없으므로 공간 효율성도 개선되었다. 장점2 : 엔진과 바퀴의 회전은 무관하므로 항상 최적의 엔진을 구동할 수 있다. 장점3 : 제어기 비교적 간단하며, 별도의 변속 장치도 필요없다. 단점1 : 차체 구동이 전적으로 전기 모터에 의존하기에 성능이 매우 뛰어 난 모터가 필요하다. 단점2 : 장거리 주행을 위해서 축전지(배터리) 용량 충분하게 커야한다는 문제를 지내고 있다. 단점3 : 전체적인 에너지 효율이 병렬형 하이브리드 전기자동차와 비교하 여 낮으며, 동력전달 방식이 완전히 바뀌므로 기존의 내연기관 차 량에 이 방식을 적용하기 힘들다는 단점이 있다. 직렬형 하이브리드 전기자동차는 에너지 효율의 감소, 축전지(배터 리 용량의 한계로 인하여 실질적으로 사용되지 못하며, 충전이 가 능한 플러그인 하이브리드 방식으로 적용되고 있으며, 2010년 GM 社 가 출시한 플러그인 하이브리드 쉐보레 볼트(Chevrolet Volt)가 플러그인 방식의 직렬형 하이브리드 구조를 채용하고 있다 34). 쉐보레 볼트(Chevrolet Volt)의 특징 쉐보레 볼트는 가정에서 전기 콘센트로 충전이 가능하며, 동시에 연료(휘발유)를 태워 얻는 방식으로 휘발유 1리터로 100km까지 주 행이 가능한 매우 경제적인 장점이 있다. 차량의 전기배터리로는 한 번에 최대 64km까지 주행이 가능한 이 차의 미국내 판매가격은 4만 1000(약 4800만원)달러로 친환경 세제 혜택을 받으면 3만 3,500 달러(약 4100만원)에 판매되고 있음 34) GM 社 인터넷 사이트, CHEVROLET VOLT BATTERY, https://www.media.com - 22 -
그림 18. 쉐보레 볼트(플러그인 방식의 직렬형 하이브리드 전기자동차) 그림 19. 쉐보레 볼트(좌측: 엔진, 우측: 리튬이온 배터리) 그림 20. GM 社 쉐보레 볼트의 배터리 화재사고에 대한 기사(동아일보) - 23 -
쉐보레 볼트(Chevrolet Volt)의 배터리에서 화재사고 2011년 12월에 미국 고속도로안전관리국(NHTSA: National Highway Traffic Safety Administration) 및 다수의 언론보도를 통해서 전기 자동차인 쉐보레 볼트(Chevrolet Volt)의 배터리에서 화재사고의 문 제점이 발표되었다. 이 것은 전기자동차의 안전에 관하여 가장 핵 심적으로 지적되는 일반적인 것으로서, 자동차 충돌( 衝 突 )시 냉각수 ( 冷 却 水 )가 결정화 되고 이것이 원인이 되어서 리튬이온 배터리 35) 사이에 합선을 유발하게 된다. 이로 인하여 리튬이온 배터리 온도 가 일시적으로 상승하고, 배터리에 연기가 피어나고 불꽃이 튀는 현상이 미국 고속도로안전관리국(NHTSA)의 차량 시험결과로 확인 되었고, 차량의 제조사인 GM 社 현재까지 판매된 차량의 소유주에 대하여 이 사실을 알리고 리콜(Recall)조치를 하였지만, 6개월간 이 시실을 숨긴 GM 社 와 고속도로안전관리국(NHTSA)에 대한 소비자의 불만과 항의가 있었음 36) 2 병렬형(Parallel, 竝 列 形 ) HEV 병렬형은 엔진과 전기모터가 각각 독립적으로 구동하는 방식을 말 하며, 주로 하이브리드 전기자동차라고 할 때는 병렬형 HEV를 의 미한다. 주 동력원은 내연기관 엔진의 기계적 추진력이며, 엔진을 더욱 가속할 때나 출력이 부족할 때 내연기관 엔진을 전기모터가 보조하는 방식을 의미한다. 배터리의 전기로 구동되는 전기모터가 변속기를 통해 바퀴를 구동시킨다는 점에서 병렬형은 직렬형과 동 일하다. 그러나 병렬형의 엔진은 변속기에 직접 연결되어 차체를 움직이고, 축전기의 충전에 관여하는 것이 주 목적은 아니다. 따라 서 직렬형과 달리 발전기가 필요 없는 것이 특징이다. 구체적으로 병렬형 HEV의 동력시스템은 축전지의 전기모터를 변 속기 바퀴로 이어지는 전기적 구성과 연료탱크 엔진 변속기 바퀴 의 내연기관 구성이 변속기를 중심으로 병렬적으로 연결되므로 내 연기관 엔진과 전기모터 각각이 바퀴에 직접 연결되므로 동력전달 효율이 뛰어나다. 35) GM 社 의 리튬이온배터리는 전량 LG화학에서 공급하고 있음 36) 한국에너지 기사, 2017년에 한국 전기차시장 본궤도, 2015.05.07. - 24 -
그림 21. 병렬형 하이브리드 전기자동차 그림 21에서 내연기관 엔진과 전기모터의 출력을 동시에 바퀴에 전달할 수 있으므로 엔진의 크기를 줄이는 만큼의 성능을 발휘하 는 전기모터만 갖추면 기존의 내연기과 자동차에 손색없는 동력성 능을 이끌어 낼 수 있으며, 작은 내연기관 엔진을 고효율 영역에서 운전하기 위하여 공해를 줄인다는 점 이외에도 전기모터가 병렬로 연결되기 때문에 통상적으로 내연기관 엔진에서 배출되는 출력 중 차체를 움직이는 힘으로 사용되는 비율은 크기 않고 나머지는 버 려지는데, 병렬형 하이브리드 전기자동차에서는 엔진의 힘이 운전 자가 요구하는 동력 이상으로 발휘될 수 있을 때는 여유동력으로 모터를 구동시키고, 이 때 전기모터는 발전기 역할을 하며, 전기를 저장한다. 병렬형 방식은 전기모터가 추가의 개념이기 때문에 기존의 내연기 관에 추가로 요구되는 방식이며, 무게와 비용면에서도 제약 조건이 많이 않으며, 현재 하이브리드 전기자동차에서 가장 널리 적용되는 방식으로 다음과 같은 장 단점 있다. 장점1 : 변속기 전 후에 내연기관 엔진 및 전기모터를 병렬로 배치하여, 주행상황에 따라서 최적의 성능과 효율을 갖도록 차량구동에 필 요한 동력을 내연기관 엔진과 전기모터에 적절히 분배 가능하다. 장점2 : 엔진이 힘이 차량이 요구하는 동력 이상으로 발휘된 경우 여유동 - 25 -
력은 모터의 발전 작용으로 인하여 배터리에 전기를 저장한다. 장점3 : 내연기관 엔진의 이상의 힘이 필요할 때 전기모터를 동작시킨다. 장점4 : 기존 차량의 구조를 그대로 이용 가능하므로 제조비용 면에서 직 렬형에 비교하여 유리하다. 단점1 : 병렬형 HEV는 직렬형 HEV와 비교하여 동력전달 구조와 제어가 복잡하다. 병렬형 하이브리드 전기자동차는 혼다(Honda) 社 가 출시한 시빅 (Civic) 하이브리드가 대표적인 모델이다. 그림 22. 혼다 시빅(병렬형 하이브리드 전기자동차) 그림 23. 혼다 시빅(좌측: 엔진, 모터 및 변속기, 우측: 차량구조) 혼다 시빅(Honda Civic)의 특징 혼다 시빅은 차량내부의 일반적으로 전기를 공급하는 12V의 배터 리(납축전지, 그림 23의 도면부호 1) 이외에 모터를 직접적으로 구 동 가능한 고전압 158V 배터리(리튬이온 배터리, 그림 23의 도면부 - 26 -
호 3) 37) 가 위치하고 있다. 가장 기술적인 핵심부분은 그림 23의 좌 측에 나타나있는 내연기관의 기계적인 엔진(V6 3.0L i-vtec VCM) 과 브러시리스(Brushless) DC 전기모터(IMA Motor)이고, 기계적 엔 진과 전기모터의 동력을 배분하는 변속기(Compact 5AT)를 결합시 켜서 제어하는 것이 기술적으로 가장 어려운 과제라고 할 수 있습 니다. 특히 혼다 시빅(Honda Civic)에서 브러시리스 DC 전기모터 (IMA Motor)는 6개의 스위치로 구성된 전력용 인버터(Power Inverter)에 의해서 제어되고 있다. 가속 등 차량이 요구하는 파워가 기계적 엔진(V6 3.0L i-vtec VCM) 만으로 부족한 경우: 브러시리스 DC 전기모터(IMA Motor)는 전동기 (Motor)로 동작하고, 변속기(Compact 5AT)는 기계적 엔진(V6 3.0L i-vtec VCM)의 힘 + 브러시리스 DC 전기모터(IMA Motor) 힘을 합 해서 바퀴에 제공하는 역할을 하게 된다. 감속 등 차량이 요구하는 파워가 기계적 엔진(V6 3.0L i-vtec VCM) 만으로 넘치는 경우: 브러시리스 DC 전기모터(IMA Motor)는 발전기 (Generator)로 동작하고, 변속기(Compact 5AT)는 기계적 엔진(V6 3.0L i-vtec VCM)의 남는 힘 브러시리스 DC 전기모터(IMA Motor)를 돌려서 발전기 동작을 하게 되고, 발전된 전력을 일정한 전압(158V)으로 승압시켜서 고전압 158V 배터리(리튬이온 배터리)에 저장하게 된다. 따라서 그림 23의 우측에 위치한 내연기관의 기계적인 엔진(V6 3.0L i-vtec VCM)과 브러시리스(Brushless) DC 전기모터(IMA Motor)이 고, 기계적 엔진과 전기모터의 동력을 배분하는 변속기(Compact 5AT)의 모두를 적절하게 제어하는 것이 기술적으로 핵심이며, 병렬 형 HEV는 직렬형 HEV와 비교하여 동력전달 구조와 제어가 복잡하므로, 국내기업이 이에 대한 기술력 확보가 매우 시급한 현실입니다. 3 직 병렬형(Series Parallel, 直 竝 列 形 ) HEV 직 병렬형은 직렬형과 병렬형을 혼합한 방식으로 엔진과 모터가 37) 혼다 시빅의 1세대는 144[V] 니켈 수소(NiMH) 배터리/ 2세대는 158.4[V] 니켈 수소(NiMH) 배터리/ 현 재 3세대는 158[V] 리튬 이온(Littium-Ion) 배터리를 사용하고 있음 - 27 -
동시에 작동되거나, 모터 단독 또는 엔진 단독으로, 그리고 엔진과 희생제동을 통해 발전기를 동려 구동축을 움직이는 방식을 말한다. 그림 24. 직 병렬형 하이브리드 전기자동차 그림 24를 참고하여 엔진 효율이 좋은 주행상태에서는 엔진으로 발전기를 돌려 축전기에 충전하여 두고자함이 주요 동작과정이다. 바퀴 회전속도를 측정하여 엔진구동이 효율적이라고 판단되며, 엔 진으로 바퀴를 직접 구동하도록 하고, 이 보다 엔진-발전기-모터의 효율이 좋다고 판단되면, 엔진은 발전기가 된다. 엔진은 일정속도 로 회전 시, 효율이 가장 좋으며, 이 엔진출력이 주행에 소요되는 구동력을 초과할 경우에는 남는 에너지로 발전하여 축전지에 저장 한다. 보다 큰 구동력을 요할 때에는 엔진, 엔진-발전기-모터, 축전 지-모터의 구동력이 함께 동원되어 강력한 힘을 발휘한다. 직 병렬형 하이브리드 전기자동차는 도요다(Toyota) 社 가 출시한 프리우스(Prius) 하이브리드가 대표적인 모델이다. - 28 -
그림 25. 도요다 프리우스(직 병렬형 하이브리드 전기자동차) 그림 26. 도요다 프리우스(좌측: 엔진, 모터 및 동력분할장치, 우측: 배터리) 도요다 프리우스(Toyota Prius)의 특징 도요다 프리우스는 직 병렬형 하이브리드 방식을 채용하고 있으 며, 다른 하이브리드 차량과 연비를 비교해보면, 현재 출시된 하이 브리드 차량 중에서 가장 높은 연비를 보이는 것을 특징으로 한다. 차량의 후방에 배치된 12V의 배터리(납축전지) 이외에 모터를 직접 적으로 구동 가능한 288V 배터리(리튬이온 배터리)를 구비하고 있 다. 가장 기술적인 핵심부분은 그림 26의 좌측에 나타나있는 내연 기관의 기계적인 엔진(4 Cylinder Internal Combustion Engine)과 브 러시리스(Brushless) DC 전기모터 및 발전기이고, 기계적 엔진과 전 기모터의 동력을 배분하는 동력분할장치(Power Split Device)를 결 합시켜서 제어하는 것이 기술적으로 가장 어려운 과제라고 할 수 있습니다. 특히 혼다 시빅(Honda Civic)과 마찬가지로 도요다 프리 우스(Toyota Prius)에서 브러시리스 DC 전기모터(IMA Motor)는 6개 - 29 -
의 스위치로 구성된 전력용 인버터(Power Inverter)에 의해서 제어 되고 있다. 그림 27. 도요다 프리우스 엔진의 세부적인 구성 그림 28. 도요다 프리우스 구동력 전달 - 30 -
그림 27은 도요다 프리우스(Toyota Prius) 엔진의 세부적인 구성을 나타내고 있으며, 내연기관 엔진과 브러시리스 DC 전기모터를 구 비한다는 점에서 혼다 시빅(Honda Civic)과 실질적으로 동일하다. 혼다 시빅(Honda Civic)의 변속기(Compact 5AT)는 내연기관 엔진과 브러시리스 DC 전기모터의 동력을 병렬적으로 배분하는 역할을 수 행하지만, 도요다 프리우스(Toyota Prius)의 동력분할장치(Power Split Device)는 엔진과 브러시리스 DC 전기모터의 동력을 직렬/ 병 렬/ 직 병렬로 분할하는 역할을 수행한다. 따라서 도요다 프리우 스의 엔진 제어가 가장 핵심적인 기술이며, 보다 구체적으로는 그 림 28과 같이 구동력이 전달되도록 동력분할장치(Power Split Device)를 제어하는 것을 특징으로 한다. 그림 28로부터 직 병렬형 하이브리드 전기자동차의 구동력에 따 른 동작원리를 설명하면 다음과 같다. ᄀ 발진, 경부하시 : 하이브리드 전기자동차가 많은 출력을 요하지 않는 경우로서, 일반적으로 내연기관의 엔진을 정지하고, 배터리 에서 공급되는 전력만을 가지고 전기모터를 구동하여 주행 ᄂ 통상 운전시 : 통상적인 운전에서는 내연기관 엔진에 의한 구동 과, 발전기에서 얻어진 전력으로 전기모터를 구동하는 두 가지 방 식의 혼합으로 주행 ᄃ 전출력 운전시 : 가속, 추월, 등반 등 최대 출력이 필요한 경우, 통상 주행시 보다 더욱 큰 힘을 얻기 위하여 배터리로부터 전력 을 공급하여, 구동력을 최대한 증가시킴 ᄅ 감속, 제동시 : 전기모터가 발전기로 동작하며, 인버터를 통하여 발전된 에너지를 배터리에 공급하여 배터리를 충전시킴 도요다 프리우스와 같이 직 병렬형 하이브리드 전기자동차에서 속도 변화시 충격없이 복접한 제어를 실현시키는 시스템이 유성기어 (Planetary-Gear) 및 전기식의 무단변속기인 것이 가장 큰 기술적 특 징이다. 이 동력분할장치는 엔진과 발전기 및 모터 각각의 회전수를 단계 없이 연속적으로 변속할 수 있는 전기적 연속 가변 변속기(CVT: Continuously Variable Transmission)의 기능을 갖는다. - 31 -
그림 29. 도요다 프리우스의 유성기어와 동력전달계통 연결 차축과 연결되어 있는 모터의 회전속도가 주행상태에 따라 여러 가지로 변하여도, 발전기의 회전속도를 제어함으로써 엔진은 항상 효율이 좋은 영역에서 운전이 가능하게 된다. 모터, 발전기 및 엔 진의 회전속도와의 관계는 다음의 식(1)과 같이 정의될 수 있다. (1) 여기서, n e : 엔진(유성기어) 회전수, n m : 모터의 회전수 n g : 발전기의 회전수 K m : 링기어(모터의 출력축)의 톱니 수 K g : 선기어(발전기)의 톱니 수 직 병렬형 하이브리드 전기자동차는 연비향상과 강력한 출력을 발휘할 수 있는 장점이 있으나, 복합한 구조와 제어기술 때문에 비 교적 고비용이라는 단점도 있지만, 중형급 이상의 차종에 적합한 방식으로 평가되며, 도요다 이외에 GM, 크라이슬러(Chrysler), BMW 등 여러 회사가 직 병렬형 하이브리드를 개발했지만, 도요 - 32 -
다는 현재 직 병렬형 하이브리드 기술에 다양한 노하우를 가지고 있으며, 선도적인 업체로 평가되고 있다. 도요다 프리우스의 개요 최초이 양산형 하이브리드 자동차(1997년) 이산화탄소 배출량의 약 50% 감소 CO, HC, Nox 배출량 : 규제치의 90% 감소 연비 : 35.3 km/l 그림 30. 에너지 사용률에 대한 자동차 분류 그림 30에서 에너지 사용률을 살펴보면, 전형적인 내연기관인 휘발유 (Gasoline), 경유(Diesel) 및 LPG 차량의 경우 순수한 화석에너지를 사 용하고 있으며, Citroen 社 의 C2는 정지시 엔진을 정지하여 연료를 저 감하는 Micro HEV로서 단지 5~10%만 전기에너지를 사용하고 있으며, 혼다 社 의 시빅(Civic)은 기존에 내연기관 엔진에 전기모터로 보조하는 Soft HEV로서 10~25% 정도의 전기에너지를 사용하고 있고, 도요다 社 의 프리우스(Prius)는 전기모터가 출발과 가속 시에만 역할을 하는 것 이 아니라 주행에 주된 역할을 하는 Hard HEV로서 25~40% 정도의 전 기에너지를 사용하고 있다. GM 社 의 쉐보레 볼트(Chevrolet Volt)는 기 - 33 -
본적으로 전기모터로 구동되지만, 배터리의 에너지 공급 범위를 넘어 서는 거리는 내연기관 엔진을 이용하여 발전기를 돌리는 방식의 Plug-in HEV로서 50~100%의 전기에너지를 사용하고 있으며, 닛산 社 의 리프(Leaf) 또는 테슬라 社 의 모델 S,E,X는 순수하게 배터리의 전기를 사용하는 방식이며, 도요다 社 의 FCHV-avd는 연료전지 전기자동차 (FCEV)로서 가장 친환경적인 자동차이다. 5. 전기자동차의 시장동향 현재 친환경 전기자동차는 그 확산을 거스를 수 없는 대세로서 점차 기술개발이 활발하게 진행되고 있다. 특히 미국, 유럽, 중국을 중심으 로 하는 전 세계 국가에서는 배기가스 규제를 강화시키는 국가적인 정책을 추진하고 있으며, 앞으로 더욱 배기가스 규제는 강화될 것으로 예상하고 있다. 따라서 현재는 배터리 전기 저장 기술의 한계로 인하 여 하이브리드 전기자동차가 주류를 이르고 있지만, 10년 후에는 순수 하게 배터리 및 전기모터로 구동 가능한 배터리 전기자동차(BEV) 시 대가 펼쳐질 것으로 예상되고 있다. 선진국에서 제안하는 2020년 온실가스 배출규제 기준은 현재의 내연 기관 엔진 자동차의 기술개발로는 달성할 수 없는 기준이며, 특히 미 국 캘리포니아 주에서 실시하는 배기가스 제로법(ZEV: Zero Emission Vehicle) 은 배터리 전기자동차(BEV)의 기술향상에 특별히 기여하는 것으로 평가되고 있다. 그림 31은 Automotive World Car Industry Forecast Report 의 전 세계의 전기자동차 시장전망을 나타내고 있다. 전 세계 자동차 시장은 2030년까지 지속적으로 성장할 것으로 예측되고 있다. 내연기관 차량 은 2005년부터 지속적으로 감소하고 있으며, 그 자리를 하이브리드 전 기자동차가 대체하고 있는 현실이다. 특히 2020년 기준으로 하이브리 드전기자동차는 전체 차량 판매의 절반 이상인 판매대수 약 5천만대, 전체차량의 약 58%로 정점을 이룰 것으로 예측하고 있다. 또한 그 이 후로는 연료전지 전기자동차(FCEV)의 판매가 증가될 것으로 예측하고 있으며, 2035년 기준으로 판매대수 약 8천만대, 전체차량의 약 90%로 - 34 -
연료전지 전기자동차(FCEV)가 전기자동차 시장을 선도할 것으로 예측 하고 있다. 그림 31. 세계의 전기자동차 시장전망 그림 32. 연도별 전기자동차 판매 시장예측 - 35 -
Automotive World Car Industry Forecast Report 에서는 내연기관 엔진 자동차 하이브리드 전기자동차(2020년 정점) 연료전지 전 기자동차(2035년 정점)으로 예측하고 있다. 상기 Report 예측의 바탕에 는 배터리에서는 첫째, 석유에너지의 점차척인 고갈을 예측하고 있으 며, 둘째, 배터리에서 전기의 저장능력이 한계가 있을 것이라는 대전 제하( 大 前 提 )에 이루어진 것으로 판단되고 있다. 그림 32는 Deutsche Bank, Electric Car'에서 발표한 연도별 전기자 동차 판매 시장예측이다. 2015년 기준으로 Micro(Mild) HEV(예, Citroen 社 의 C2), Hard(Full) HEV(예, 도요다 社 의 프리우스)가 전기자동차의 시장을 주도하고 있지만, 2020년에서는 Micro(Mild) HEV(예, Citroen 社 의 C2), Hard(Full) HEV(예, 도요다 社 의 프리우스), 연료전지 전기자동 차(FCEV)(예, 도요다 社 의 FCHV-avd) 및 순수한 배터리 전기자동차 (BEV)(예, 닛산 社 의 리프, 테슬라 社 의 모델 S,E,X)가 모두 경쟁하는 형 상이 될 것으로 예측하고 있다. 그림 33. 연도별 각 회사의 하이브리드 전기자동차 생산현황 그림 33은 연도별 각 회사의 하이브리드 전기자동차 생산현황으로 (하 이브리드 기술을 선도하고 있는 도요다 社 와 닛산 社 가 가장 주도하고 있으며, 하이브리드 전기자동차는 도요다 社 가 가장 독보적으로 생산할 - 36 -
것으로 예측된다. 6. 전기자동차 상용화 장애 및 문제점 현재 자동차 및 배터리 관련기술의 수많은 연구개발로 인하여 친환경 전기자동차가 본격적인 시대로 도래한 것처럼 느끼게 한다. 하지만, 친환경 전기자동차를 본격적으로 상용화하기 위하여 많은 문제들이 있으며 이에 대하여 살펴보고자 한다. 1) 셰일가스(Shale Gas) 38) 본격생산으로 인한 석유가격의 하락 1900년대 초반 활발하게 생산 및 판매 39) 되었던 전기자동차가 급격하 게 사라진 이유는 포드(Ford)시스템이라는 혁신적인 내연기관 자동차 의 생산방식과 1920년 석유 왕인 록펠러가 텍사스 원유발견 및 석유 산업 개발로 인하여, 가솔린자동차는 급격하게 가격하락이 주된 원인 이 되었다. 전기자동차의 개발에 대한 가장 큰 요인 중 하나는 석유에너지의 점 차척인 고갈을 전재하기 때문이다. 전기자동차의 본격적인 개발의 근 간에는 내연기관 자동차의 배기가스로 인한 환경오염도 그 원인이지 만, 2000대 초반에 석유에너지 고갈로 인하여 유가( 油 價 )의 급격한 상 승이 주된 원인이라고 할 수 있을 것이다. 하지만, 1998년 그리스계 미국인 채굴업자 조지 미첼(George P. Mitchell)로 40) 인하여 그간 석유 및 천연가스 에너지의 생산이 불가능 하다고 여겨진 셰일층(Shale Formation)에서 에너지의 생산이 가능한 길을 열게 되었다. 일반적인 천연가스는 셰일층(진흙 퇴적암층)에 생성된 뒤에 오랜 세월 동안 투 과 암석층을 통해 지표면으로 이동해 지표면 가까이에 올라와 한 곳 에 모여 있는 반면, 셰일가스는 투과하지 못하는 불투과 암석층에 막 혀서 이동하지 못하고 셰일층에 잔류하게 된다. 개발로 천연가스의 황 38) 셰일가스의 성분은 천연가스와 비슷하며(셰일가스는 천연가스의 일종임), 주성분은 메탄 70~90%, 에탄 5%, 프로판 및 부탄이 5~15%로 구성되어 있다. 셰일가스는 주로 난방, 발전 연료 및 석유화학 원료 등 으로 사용됨 39) 1900년대 초에 미국에서 굴러다니는 자동의 약 38%가 전기자동차였다. 40) 조지 미첼(George P. Mitchell, 1919년~2013년): 텍사스 A&M대학 졸업, 셰일 에너지 개발을 위하여 1 만개 이상의 시추공을 뚫었으며, 평시추공법(horizontal drilling)과 수압파쇄공법(fracking)을 융합하여 셰 일 에너지 시추에 성공하여 셰일의 아버지라고 불리우는 미국의 기업가 - 37 -
금 시대가 도래할 것 이라고 평가했으며, 영국의 이코노미스트는 셰 일에너지의 발견은 전 세계 에너지 구성에서 엄청난 변화를 일으킬 것이며, 셰일가스 최대 매장 지역인 중국, 미국, 아르헨티나, 멕시코, 남아프리카는 에너지 공급의 전통적인 지정학적 판도를 뒤엎을 것 이라고 언급하였다. 그림 34. 셰일의 아버지 조지 미첼(George P. Mitchell) 그림 35. 전통가스와 셰일가스의 생성 및 이동경로 41) 전통가스인 천연가스는 가스가 생성된 후에 지표면으로 이동하기 때 문에 지표면 가까이에 위치하지만, 셰일가스는 사암층 아래의 모래와 진흙이 굳어서 형성된 진흙 퇴적암층에 위치하는 에너지이다. 41) 김명수, 셰일가스 개발이 해양플랜트 사업에 미치는 영향과 향후 대책 방안, 포항공과 대학교 석사학위 논문, 2015.01. pp. 3-38 -
그림 35. 전통가스와 비전통가스 특징 비교 42) 천연가스에는 전통가스와 비전통가스로 구분할 수 있는데, 유전이나 가스전에 농축돼 있는 전통가스는 수반가스(Associated Gas)와 비수반 가스(Non-Associated Gas)로 나눌 수 있으며 한곳에 집중적으로 매장 되어 있어 개발이 용이하다. 반면, 비전통가스는 타이트가스, 석탄층의 메탄가스(CBM: Coal Based Methane), 가스 하이드레이트, 셰일가스 (Shale Gas) 등이 있으며, 일반적으로 비전통가스는 매장량이 풍부하지 만 개발을 위해서는 상대적으로 높은 기술력을 필요로 하고 있다. 그림 36은 셰일가스와 천연가스 시추과정 비교를 나타내고 있다. 일반 적으로 천연가스는 지표 근처에 가스가 모여있는 곳을 시추하여 가스 를 시추하는 반면에, 셰일가스는 지하 2~4 km로 수직으로 시추하고, 셰일층을 만나면 수평으로 시추에 의해서 시추공을 설치한다. 그림 37 은 수평시추 및 수압파쇄법을 나타내며, 수평으로 시추한 시추공에 물 과 모래, 그리고 화학물질을 섞은 액체를 고압으로 주입하여 가스가 내장된 암석에 균열을 일으켜서, 가스를 채취하는 것이 세일가스의 가 장 핵심적인 기술적 특징이라고 할 수 있다. 42) 외교통상부, 글로벌 셰일가스 개발동향 - 주요국의 셰일가스 개발현황과 전망, 외교통상부 국제경제국 글로벌에너지협력센터, 2012.09. pp. 2-39 -
그림 36. 셰일가스와 천연가스 시추 과정 비교 43) 특히 셰일가스의 개발은 이제 에너지 시장의 판도를 변화시키는 기폭 제가 되고 있으며, 2035년 기준으로 셰일가스를 중심으로 하는 비전통 가스는 전체 가스 생상량에 약 24% 이상을 차지할 것으로 예상되고 있으며, 천연가스와 석유의 수입국이었던 미국을 2009년 이후에 세계 최대의 에너지 생산국으로 변화시키는 개기를 마련하게 되었다. 43) 김명수, 셰일가스 개발이 해양플랜트 사업에 미치는 영향과 향후 대책 방안, 포항공과 대학교 석사학위 논문, 2015.01. pp. 6-40 -
그림 37. 수평시추 및 수압파쇄법 44) 그림 36. 셰일가스와 천연가스 시추 과정 비교 45) 또한, 천연가스의 공급 과잉으로 인하여 전기를 생산하기 위한 발전용 연료로서 석탄을 천연가스로 대체함으로 인하여 석탄수요가 감소되고 44) 외교통상부, 글로벌 셰일가스 개발동향 - 주요국의 셰일가스 개발현황과 전망, 외교통상부 국제경제국 글로벌에너지협력센터, 2012.09. pp. 4 45) 김명수, 셰일가스 개발이 해양플랜트 사업에 미치는 영향과 향후 대책 방안, 포항공과 대학교 석사학위 논문, 2015.01. pp. 9-41 -
있으며, 전세계 주요 석유화학 기업은 석유화학의 대표적인 제품인 에 틸렌 생산시 세일가스 부산물인 저렴한 에탄(ethane)을 주원료로 사용 하기에 석유의 가격이 하락을 촉진하고 있는 실정이다 46). 셰일가스는 중동과 러시아에 주로 매장된 천연가스와는 달리 전 세계 에 골고루 분포되어 있으며, 중국이 가장 많은 매장량을 보유하고 있 는 것으로 알려져 있으며, 북미, 남미, 유럽, 아시아, 호주 및 아프리카 등 곳곳에 매장되어 있으며, 앞으로 더욱 다양한 지질조사에 의해서 새로운 세일가스 매장지역이 발견될 것으로 예측되고 있다. 현재 전기자동차 상용화 장애에 가장 큰 애로점은 바로 셰일가스의 개발로 인하여 기존의 내연기관 자동차의 연료인 휘발유 또는 경유가 격이 하락하고 있다는 것이고, 현재는 휘발유 및 경유 가격의 급격한 하락으로 인하여 전기자동차의 에너지 경쟁력이 감소하고 있는 부분 이라고 할 수 있을 것이다. 2) 배터리의 에너지 저장밀도의 한계 두 번째로 전기자동차 기술에 가장 큰 걸림돌은 바로 전기에너지를 저장하는 배터리라고 할 수 있다. 현재, 휘발유와 리튬-이온 배터리 사이에 에너지 저장밀도의 차이에 대해서 살펴보면, 다음의 표4와 같 다. 간단히 정리하면, 무게를 기준으로 휘발유와 리튬-이온 배터리 사 이에 에너지 밀도는 약 65배 차이가 나며, 부피를 기준으로 휘발유와 리튬-이온 배터리 사이에 에너지 밀도는 약 16배 차이가 난다. 표4. 휘발유와 리튬-이온 배터리 사이에 에너지 저장밀도의 차이 47) 기준 휘발유 리튬-이온 배터리 차이 무게 1kg 기준 부피 1L 기준 46MJ 0.7MJ 65.71배 36MJ 2.23MJ 16.14배 따라서 현재의 배터리는 아직도 많은 발전이 필요한 시기이며, 차세대 46) 외교통상부, 글로벌 셰일가스 개발동향 - 주요국의 셰일가스 개발현황과 전망, 외교통상부 국제경제국 글로벌에너지협력센터, 2012.09. pp. 4~8 47) Wikipedia 인터넷 사이트, Energy density, https://en.wikipedia.org/wiki/energy_density - 42 -
배터리로는 배터리에 대해서 집중적으로 연구하고 있다. 금속-공기 배 터리의 일종인 리튬-공기 배터리는 기존의 리튬-이온 배터리와 비교 하여 최대 10배 정도 에너지 저장밀도를 향상시킬 수 있는 것으로 연 구되고 있으나, 아직은 실용화 단계에 도달하지 못하고 있으며, 캠브 리지 대학의 Clare Grey 교수와 Tao Liu 박사팀이 최근 Science 저널 에 발표한 논문에 따르면 그래핀(Graphene) 기판의 전극을 지난 리튬 -산소 배터리는 90% 이상의 효율과 2000회의 충 방전 사이클을 견딜 수 있는 향상된 리튬-공기 배터리에 대한 연구를 수행한바 있다 48). 특히 현재의 리튬-이온 배터리를 대신할 차세대 배터리 기술은 리튬- 공기 배터리에 대한 기술이며, 전극 기술과 관련하여 그래핀 기술이 적용되어 지금의 배터리 용량의 한계를 조금 더 뛰어넘을 것으로 생 각된다. 특히 그래핀은 연필심에 사용되어 우리에게 친숙한 흑연은 탄 소들이 벌집 모양의 육각형 그물처럼 배열된 평면들이 층으로 쌓여 있는 구조인데, 이 흑연의 한 층을 그래핀이라 부른다. 그림 37. 그래핀(Graphene) 그래핀(Graphene)은 0.2nm의 두께로 물리적, 화학적 안정성이 매우 높 다. 2004년 영국의 가임(Andre Geim)과 노보셀로프(Konstantin Novoselov) 연구팀이 상온에서 투명테이프를 이용하여 흑연에서 그래 핀을 떼어 내는 데 성공하였고, 그 공로로 이들은 2010년 노벨 물리학 상을 받았다. 그래핀의 물질적 특징은 구리보다 100배 이상 전기가 잘 통하고, 반도체로 주로 쓰이는 실리콘보다 100배 이상 전자의 이동성 48) Tau Liu 외, Cycling Li-O2 Batteries via LiOH formation and decomposition, Science 저널, Vol. 35 0, pp. 530~533, 2015.10.30. - 43 -
이 빠르다. 강도는 강철보다 200배 이상 강하며, 최고의 열전도성을 자랑하는 다이아몬드보다 2배 이상 열전도성이 높다. 또한, 빛을 대부 분 통과시키기 때문에 투명하며 신축성도 매우 뛰어나다. 49) 3) 충전인프라 구축이 필요 전기자동차의 상용화에 대한 커다란 두 가지 걸림돌로 첫째, 셰일가스 (Shale Gas) 본격생산으로 인한 석유가격의 하락과 둘째, 현재 상용화 하는 배터리의 에너지 저장 밀도의 한계가 있으며, 이로 인하여 전기 자동차의 충전 인프라 구축이 필수적이다고 할 수 있다. 이러한 인프 라 구축을 위채서 충전기의 표준(Standard)의 전압, 표준 커택터의 마 련이 필수적이다. 또한, 전기자동차의 운행 거리를 고려하여 수많은 충전소 설치가 필수적이라고 할 수 있다. 현재 전기자동차 분야에서 가장 앞서가는 기업이 바로 미국의 테슬라(TESLA) 社 이며, 현재 전 세 계에 전기자동차 충전소 확충에 상당하게 노력을 하고 있다. 현재 테 슬라 社 는 미국과 서유럽에 전기자동차 충전소 구축을 상당히 완료했 으며, 중국, 일본 및 호주의 대도시 및 고속도로를 중심으로 전기자동 차 충전소 구축을 위해서 집중적인 투자를 하고 있다. 그림 38. 미국의 테슬라 전기자동차 충전소 50) 49) 네이버 지식백과 인터넷 사이트, http://dic.naver.com 50) 테슬라 자동차 홈페이지 인터넷 사이트, https://www.teslamotors.com/supercharger - 44 -
그림 39. 유럽, 중국, 일본 및 호주의 테슬라 전기자동차 충전소 51) 현재 리튬-이온 배터리를 사용하여 세계 최고의 전기자동차 기술을 보유하는 테슬라 社 의 전기자동차의 경우 주행거리가 430km(최대 480km)이며, 기타 전기자동차인 미쓰비시 社, 닛산 社, 현대 社, 르노 社 의 경우도 주행거리가 140~160km인 점을 고려하면, 전기자동차 충전소의 확충이 필수적이라고 할 수 있을 것이다. 따라서 현재 테슬라 社 의 경 우 미국과 서유럽, 중국, 일본 및 호주에 전기자동차 충전소의 집중적 인 확충을 바탕으로 공격적인 마케팅을 펼치고 있으며, 전기자동차의 대표주자로 자리매김을 하고 있다. 4) 충전 소요시간의 단축과 급속 충전으로 인한 배터리 성능의 감소 전기자동차를 상용화하는데 또 다른 가장 큰 문제점은 충전시간이라 고 할 수 있을 것이다. 표5는 세계최고의 기술을 보유한 테슬라 社 를 비롯하여 다수의 전기자동차 회사의 최고속도, 주행거리 및 완속( 緩 速 ) 충전 시간 비교를 나타내며, 저기자동차의 배터리 충전하는데, 완속충 전의 경우 6~9시간이 필요한 것이 현실이다. 따라서 전기자동차의 경 51) 테슬라 자동차 홈페이지 인터넷 사이트, https://www.teslamotors.com/supercharger - 45 -
우 주행거리와 충전시간의 한계로 인하여 장거리 이동용으로 사용하 기 어려우며, 특히 최근에는 1시간 이내에 충전하는 급속충전 기술에 대해서 많은 관심과 기술개발이 이루어지고 있다. 표5. 전기자동차 최고속도, 주행거리 및 완속 충전시간 비교 52) 업체명 모델명 최고속도[km] 주행거리[km] 완속충전 시간[H] 테슬라 MODEL X 250 430 8 미쓰비시 I-Miev 130 160 7 닛산 LEAF 140 160 8 르노 플루언스 160 160 9 르노 Zeo Z.E. 160 160 9 현대 블루온 130 140 7 테슬라 社 의 전기자동차의 경우에는 급속충전을 위하여 슈퍼충전소 (Supercharger)를 곳곳에 운영하고 있으며, 완속충전의 경우 입력전압 이 AC 120[V]를 기준으로 하며, 급속충전의 경우 입력전압이 AC 240[V]를 기준으로 설계되어 있다. 특히 급속충전의 경우 배터리 80% 충전에 30분, 100% 충전에 1시간이 소요되고 있지만, 급속충전의 경우 완속충전과 비교하여 고전압( 高 電 壓 )을 사용하여 배터리에 과도한 전 류를 강제적으로 주입하는 방식이기에 배터리의 셀이 파괴되며, 동시 에 배터리 수명이 단축되는 현상이 발생하는 근본적인 문제점이 있다. 특히 충전인프라 구축과 충전시간이 상당히 오랜 시간(완속 6~9시간, 급속 1시간)이 소요된다는 것은 전기자동차의 상용화를 방해하는 크나 큰 장애물이 되고 있다. 52) 정용욱 외 공저, 전기자동차 2판, GS인터비전, 2013.08. pp. 19 참조하여 업데이트 함 - 46 -
Ⅲ. 친환경 전기자동차의 구조 1. 전기자동차의 주요부품 전기자동차의 주요부품을 살펴보면, 배터리팩, 모터, 감속기, 인버터, 직류변환장치(컨버터), 회생제동브레이크, 완속 및 급속 충전기 등이 다. 그림 40. 전기자동차의 주요부품 및 대략적인 위치 특히 현재 전기자동차 기술의 핵심은 배터리팩이며, 리튬-이온 배터리 를 상용화하여 사용하고 있다. 특히 리튬-이온 배터리에 저장된 DC (직류) 전기에너지를 교류 모터로 전달하기 위하여, DC-AC 변환장치 인 인버터(Inverter)가 필수적으로 필요하며, 이에 대한 제어기술이 핵 심적인 기술이다. 또한, 충전기를 통해서 배터리팩에 에너지를 저장하 기 위한 배터리 충전 직류변환장치(컨버터, Converter)가 필수적이며, 차량이 감속시에 모터가 발전기로 동작하고, 발전된 에너지를 배터리 에 충전시키면서, 차량을 감속시키는 회생제동브레이크와 차량의 충전 을 위해 완속 또는 급속 충전장치가 주요 부품이 되고 있다. 자동차 산업이 내연기관에서 친환경 전기자동차로 변화하면서, 기존의 자동차 기업과 달리 전자회사에서 자동차 분야로 뛰어들고 있으며, 최 - 47 -
근에 국내기업 중에서는 LG 그룹을 중심으로 자동차 분야에 대한 기 술개발과 시장 선도를 위하여 다양한 기술개발 및 제품생산을 수행하 고 있는 현실이다. 그림 41. LG 전자 전기자동차 부품개발 그림 42. LG 전자 계열사의 생산부품 LG 전자는 차량용 모터, 인버터, 전동 컴프레샤 등을, LG 화학은 리튬 - 48 -
-이온 배터리를, LG 디스플레이는 차량용 디스플레이를, LG 이노텍은 차량용 센서, 카메라 모듈, 챠량용 램프 및 LED를 LG 하우시스는 자 동차 원단 및 경량화 부품생산을 집중하면서, LG 그룹은 차세대 사업 이 전기자동차 부품기술을 집중하는 것으로 분석된다. 전기자동차 주 요 부품 비중을 수치적으로 살펴보면, 배터리팩 47%, 인버터 23%, 모 터 20%, 직류변환장치(컨버터) 7% 및 기타 3%로 구성되어 있다. 2. 모터 전기자동차 구동에서 가장 핵심이 되는 엔진은 바로 모터라고 할 수 있으며, 순수한 전기자동차의 경우 유도전동기가 모터로 사용되고 있 으며, 하이브리드 전기자동차의 경우 브러시리스 DC 모터의 일종인 PMSM(permanent Magnetic Synchronous Motor)이 적용되고 있다. 또 한 최근에 구조가 간단하고 강인한 SRM(Switched Reluctance Motor) 의 경우 유도전동기를 대체할 수 있는 차세대 모터로서 연구되고 있 다. 이러한 전기자동차 모터의 주요 요구조건은 1 배터리 전원은 직 류전원을 사용하며, 2 시동 토크가 크고, 3 구조가 간단하고 기계적 인 내구성이 크며, 4 속도제어가 용이하고, 5취급 및 유지보수가 용 이하고, 6 소형이며 동시에 가벼워야 한다는 특징을 요구하고 있다. 전기자동차의 모터는 출력기준으로 10~60kW를 사용하는 것이 일반적 이며, 모터가 바퀴의 안쪽에 배치되어서 회전력을 발생시키는 인휠 모 터를 후륜의 바뀌에 적용하는 것이 일반적이다. 그림 43. 인휠 모터의 구조 - 49 -
인휠 모터는 차량의 서스펜션(Suspension)에 모터, 감속기, 허브 및 바 퀴가 연결되어 있는 구조로서 모터가 바퀴를 직접 구동하는 방식이기 에 에너지 손실이 매우 적은 장점이 있다. 특히 반도체 및 전력변환 기술의 발전으로 인하여 모터의 고정자(Stator)와 회전자(Rotor)사이에 휠 베어링(Wheel Bearing)이 배치되어 있으며, 휠 베어링 안쪽에 모터 를 구동하기 위한 마이크로 인버터(Micro Inverter)가 배치되는 것이 가장 최근에 발전되고 있는 기술적 특징이라고 할 수 있다. 그림 44. 테슬라 자동차의 주요 모터 배치 그림 44는 테슬라 자동차의 주요 모터 배치를 나타내며, 자동차의 후 륜 바퀴에 인휠 모터가 배치되어 있으며, 하나의 엔진으로 4바퀴를 굴 리는 방식이 아니라 각각의 모터가 각각 제어되므로 효율을 극대화하 는 방향으로 자동차의 모터배치 및 제어가 이루어지고 있다. 표6은 전기자동차에 사용되는 주요 모터를 비교한 결과이며, 현재는 유도전동기, PMSM 및 SRM이 가장 대표적으로 사용되는 모터이며, 주 료 유도전동기가 가장 상용화 되어서 테슬라 社 를 비롯하여 대부분 전 기자동차의 모터로서 사용되고 있으며, PMSM의 경우 하이브리드 전 기자동차에 주로 적용되고 있으며, SRM은 상용화까지 이르지 못했지 만, 향후 유도전동기를 대체하기 위한 모터로서 집중적으로 연구되고 있다. 특히 PMSM은 영구자석을 사용하기에 유도전동기와 비교하여 제어 성능 및 효율이 우수한 장점을 지니고 있지만, 제조비용이 고가 이고, 출력이 다소 낮은 단점이 있으며, SRM의 경우 유도전동기보다 - 50 -
더욱 단순한 구조를 지니고 있지만, 토크(Torque) 리플이 커서 차량의 승차감이 떨어지는 문제점이 있어서 아직까지는 연구개발 단계에 있 지만, 하지만, 향후에 가격경쟁력이 있는 SRM의 경우 토크리플을 저 감하는 제어기술이 개발된다면, 적극 이용될 수 있는 모터로서 각광받 고 있다. 표6. 전기자동차에 사용되는 주요 모터 비교 53) 구분 유도전동기 PMSM SRM 모터형상 적용상태 주로 EV 및 FCEV에 상용화됨 주로 HEV에 상용화됨 연구단계 특징 저비용, 단순구조 내구성이 우수 PMSM 대비 제어특성 및 효율이 낮음 저소음/고효율/경량 제조비용이 고가 유도전동기 대비 온도특성이 불리 저비용 유도전동기 대비 구조가 단순하며 강인 토크리플이 크며, 진동 및 소음이 심함 주요기업 지멘스 ISAD HMC ENOVA 현대중공업 효성중공업 도요타 혼다 HMC 히타치 LG이노텍 계양전기 지멘스 GE TRW FORD LG 전자 3. 인버터/컨버터 일반적으로 컨버터(Converter)라는 것은 광의( 廣 義 )의 의미로서 전력을 변환시키는 모든 장치를 의미하고 있다. 하지만, 일반적으로 컨버터라 고 말하는 것은 협의( 狹 義 )의 의미로는 출력이 직류(DC)인 전력변환장 치로서 각종 산업용, 가정용 기기의 전원장치로 사용되고 있으며, 일 53) 한창수 외 공저, 주변국 동향파악을 통한 전기자동차 핵심부품 소재연구, 한국산업기술진흥원 최종보고 서, 2010.04. pp. 104 참조하여 업데이트 함 - 51 -
반적으로 직류(DC) 48[V], 27[V]는 통신용 전원공급장치의 출력으로, 직류(DC) 42[V], 12[V]는 전기자동차용 배터리 전원으로 직류(DC) 15[V], 12[V], 9[V], 5[V], 3.3[V], 2.5[V], 1[V]는 각종 전자기기 운용 전 압으로 국제적으로 규정되고 있다. 또한, 인버터(Inverter)라는 것은 출력이 교류(AC)인 전력변환장치로서 특히 교류의 전압과 주파수 변조를 통해서 교류 모터(Motor)의 속도 (Speed) 및 토크(Torque)제어와 램프(Lamp)의 조광제어를 하는 전원장 치를 의미하고 있다. 그림 45. 전력변환장치의 구분 그래서 교류(AC)를 직류(DC)로 변환하는 장치를 AC/DC 컨버터, 직류 (DC)를 직류(DC)로 변환하는 장치를 DC/DC 컨버터라고, 직류(DC)를 교류(AC)로 변환하는 장치를 DC/AC 컨버터 또는 간단하게 인버터라고 정의하고 있다(그림 45 참고). 그림 46. 모터를 구동하는 인버터의 회로적 구성도 - 52 -
그림 46은 모터를 구동하는 인버터의 회로적인 구성도로서 배터리의 전압을 입력받은 6개 스위치가 있으며, 각 스위치는 3상 모터의 각 상 의 전압 및 전류를 제어하는 기능을 수행하고 있다. 특히 전기자동차 의 경우 모터의 회전자 위치에 대한 검출이 중요하며, 검출된 위치값 을 바탕으로 모터의 위치 및 속도를 제어하기 위하여 스위치의 온/오 프 제어를 수행하는 게이트 신호를 생성하는 제어기로 구성되어 있다. 그림 47. 인버터를 이용한 모터 제어 그림 47은 인버터를 이용한 모터 제어에 대하여 나타내고 있다. 특히 반도체 스위치의 온/오프 비율(일명 듀티: Duty)을 조절하는 방법을 펄 스 폭 변조(PWM: Pulse Width Modulation) 제어라고 한다. 교류 전동 기는 정현파(Sin파)에 가깝게 제어하여야 원활한 전동기 제어가 되기 에 ± Vdc/2의 전압의 온 시간을 변조시켜 그 평균값이 최대한 정현 파에 가깝게 제어하는 방법을 취하고 있다. 또한, 상기 정현파의 주파 수를 제어하면 전동기의 속도가 제어되기에 전동기 제어는 펄스 폭 변조(PWM)를 바탕으로 정현파 주파수의 제어를 수행하는 제어기의 설계가 기술적으로 가장 어려고도 중요한 부분이 된다. 그림 48은 테슬라 社 의 자동차에 장착되는 인버터로서 리튬-이온 배터 리의 전압을 공급받아서 3상 유도전동기에 전력을 공급하기 위한 인 버터 회로로서 인버터 제어보드 PCB(Printed Circuit Board), 인버터 모 듈 및 모터에서 발생되는 노이즈를 흡수하기 위한 소자 및 과전류를 차단하기 위한 퓨즈 등의 보호회로가 내재되어 있으며, 6개의 IGBT - 53 -
소자를 사용한 인버터 회로를 사용하고 있다. 그림 48. 테슬라 社 전기자동차 인버터 그림 49. 차량용 IGBT 소자와 SiC 소자 파워모듈 비교 그림 49는 차량용 IGBT 소자와 SiC(탄화규소) 소자 파워모듈 비교한 것으로서 최근 차량용 스위칭 소자로서 SiC 소자가 부피가 Si 소자와 비교하여 50% 정도 저감되는 소자로서 각광을 받고 있다. 특히, 미국 의 크리 社 일본의 미쓰비시 社, 히타치 社 및 덴소 社 등에서 SiC 소자에 대하여 집중적으로 개발하고 있다. - 54 -
1990년대 이후에 차량용 스위칭 소자로서 SiC 소자가 각광받고 있으 며, 특히 재료의 강인성으로 인하여 고내압 분야에서 가장 각광받는 소자로 평가되고 있다. SiC(탄화규소) 소자는 표7과 같은 장 단점을 가지고 있다. 표7. SiC(탄화규소) 소자의 장 단점 비교 54) 구분 장점 단점 SiC(탄화규소) 소자 1) 밴드갭(Band Gap)이 넓다 2) 높은 항복 전계를 갖는다. 3) 높은 열전도성을 갖는다. 4) 높은 포화 전자 드리프트 속도를 갖는다. 5) 물리적으로 매우 강인한 물질이다. 1) 강인한 물리적 특성으로 인하여 제조가 어렵다. 2) 단결정으로 크게 성장시키는 것이 어렵다. 3) 불순물 도핑이 상대적으로 어렵다. 4) 박막(특히 에피텍셜) 성장이 어렵다. 5) 탄화규소(SiC) 웨이퍼의 가공 및 연마가 어렵다. 차량용 인버터/컨버터 분야에서는 가장 앞서가는 회사로는 일본의 미 스비시(Mitsubishi) 社 를 꼽을 수 있다. 미스비시 社 에서는 IGBT 소자를 대체하여 최근 새롭게 개발되는 전력용 반도체인 SIC(실리콘 카바이 드) 소자를 이용하여 차량용 인버터/컨버터를 상용화하고 있으며, SiC 소자의 장점인 강인성으로 인하여 소형화를 시킬 수 있으며, 스위치 온/오프 특성이 향상되는바, 최근 더욱 각광받고 있다(그림 50~51 참 고). 미쓰비시 社 에서는 SiC 소자의 소형화 가능한 특성을 바탕으로 차 량용 유도전동기 내부에 인버터를 장착하는 기술을 개발하여서 상용 화하였으며, 모터와 인버터를 일체화시킴을 통하여 소형 및 경량화 가 능한 차량용 모터-인버터 일체형 기술을 상용화하였다(그림 52 참고). 54) J.W.Palmour, H.S.Kong, and R.F.Davis, High-temperature depletion -mode metal-oxide semicond uctor field-effect transistors in beta-sic thin films, Appl. Phys. Lett. Vol. 51, pp. 2029, 1987. J.W.Palmour, J.A.Edmond, H.S.Kong, and C.H.Carter, Jr., Vertical power devices in silicon carbid e, in Proc. Silicon Carbide and Related Materials, pp. 499, 1994. - 55 -
그림 50. Si MOSFET와 SiC MOSFET 파워모듈 크기 비교 그림 51. Si 소자와 SiC 소자의 스위칭 특성 비교 그림 52. 인버터가 내장된 차량용 유도전동기(미쓰비시 社 ) - 56 -
전기자동차에서는 인버터만이 아니라 DC-DC의 변환이 필요한 다양한 컨버터 회로 및 충전 회로가 요구되고 있다. 그림 53. 전기자동차의 전력 구성도 그림 53의 전기자동차의 전력 구성도를 살펴보면, 외부의 충전기 (Charger Station)에서 차량의 배터리(Battery) 충전을 위한 전력변환 회로가 필요하며, 차량 내부에서도 배터리(Battery)를 충전하기 위한 충전기(Charger) 차량의 모터를 구동하기 위한 인버터(Motor Driver) 및 배터리-모터, 배터리-충전기 및 차량 내부의 다른 전압의 변환을 위한 DC-DC 컨버터(DC-DC Converter)가 필수적이다. 그림 53에서는 전기자동차의 전력 회로의 대략적인 배치를 나타내며, 각 회사별로, 차량구동에 적합한 전압/전류 등을 달리하는바, 각각의 회로적인 설계 는 매우 다양한 방법으로 이루어지고 있는 현실이다. 그림 54는 전기자동차의 구동을 위한 모터, 인버터, 컨버터 및 배터리 회로를 나타내고 있으며, 인버터는 3상 모터 구동을 위하여 일반적으 로 DC 380~400[V]를 3상 AC로 변환하는 장치이며, 컨버터의 경우 양 방향으로 전력을 제어하는데, 배터리 전압 DC 42[V]를 DC 380~400[V] 로 승압하여 인버터에 공급하기도 하고, 모터가 속도감속 및 정지시 발전기로 동작하는 경우 발전된 전기를 배터리에 저장하기 위하여 DC - 57 -
380~400[V]에서 DC 42[V]로 강압하는 역할을 수행하며, 이러한 방식을 양방향 컨버터(Bi-directional Converter)라고 한다. 그림 55는 도요다 (Toyota) 社 의 전기자동차용 양방향 컨버터 장치를 나타낸다. 그림 54. 모터, 인버터, 컨버터 및 배터리의 연결 회로도 그림 55. 도요다 社 의 전기자동차용 양방향 컨버터 4. 회생제동 장치 전기자동차에서 회생제동 장치(Regenerative Braking System)는 브레 이크를 밟을 때 모터가 발전기 역할을 하여서 자동차의 연비를 향상 시키는데 가장 중요한 장치를 의미한다. 일반적으로 내연기관의 엔진 의 경우 연료에서 자동차를 움직이는데 사용되는 에너지가 총 에너지 - 58 -
의 약 16%만이 사용되고 있다. 따라서 자동차의 에너지 소비를 줄이 고 연비를 향상시키는 방식으로 모터를 역으로 회전시키면 발전기로 서 동작하게 되는 것을 적극 이용하고 있다. 그림 56. 엑셀러레이터 온/오프시 에너지 전달과정 그림 56은 엑셀러레이터(Accelerator) 온/오프시 에너지 전달과정을 나 타내며, 회생제동 장치는 엑셀러레이터 오프시 에너지를 회생하는 장 치가 핵심이 되고 있으며, 자동차가 감속 및 정지하는 기계적인 에너 지를 커패시터(Capacitor)의 전기적인 에너지로 변환시키는 역할을 수 행하며, 이를 DC-DC 컨버터에 의해서 배터리로 저장하는 총괄적인 시스템을 회생제동 장치라고 한다. 특히 일본 자동차 회사인 도요타 社 는 하이브리드 자동차인 프리우스 에서 회생제동 장치를 적극 활용하였으며, 감속 또는 브레이크 시의 에너지를 배터리에 저장 후에 가속, 등판 시에 재이용 하는 방법으로 최대 35%의 연비향상을 이루어냄을 통하여 특히 도심 주행 시 우수한 연비를 나타내게 되었다(그림 57 참고). 그림 57. 도요다 社 프리우스의 회생제동 장치 - 59 -
5. 전지시스템 전기자동차에서 전지시스템(BMS: Battery Management System)은 배터 리를 관리하는 장치를 의미하고 있다. 배터리에 저장된 에너지가 상당 하고, 특히 배터리 셀 사이에 전기에너지 불균일이 발생하는 경우 배 터리 폭발사고 등이 발생하기 때문에 최근에 가장 핵심적인 기술분야 이며, 전기자동차에서 가장 중요한 기술이다. 전기자동차에서 전지시 스템(BMS)의 주요 기능은 다음과 같다. 1) 배터리를 이루는 개별 셀의 상태를 모니터링 2) 사고 및 응급 시에 배터리 결합을 분리 3) 개별 배터리의 전압 불균형에 대한 보상 4) 배터리 충전 및 방전 상태에 대한 정보제공 5) 축전지의 사용범위를 예측 6) 최적의 충전 알고리즘을 제공 7) 배터리 수명을 예측하고 배터리 교체 시점을 예측 그림 58. 전지시스템(BMS)의 일반적인 구성도 전기자동차에서 전지시스템(BMS)의 중요성은 점점 증가되고 있으며, 단순하게 배터리의 상태를 관리하기 보다는 차량의 운전상태와 이에 - 60 -
따른 최적의 에너지 효율성을 제공하기 위한 전력관리 작업을 통합적 으로 수행하며, 사고 및 응급 시에 배터리 폭발을 방지하는 종합적인 기능을 수행하는 시스템이다. 그림 58은 일반적인 전지시스템(BMS)을 나타내며, 크게 배터리 각 셀의 전압 및 온도를 검출하는 부분과, 전 체 배터리에 전류를 검출하는 부분(Sensing Resistor), 전체 배터리에 전력공급을 결정하는 주 스위치(FET: Field Effect Transistor) 및 차량 에 표시 등(LED)/ 주 제어부와 통합적인 관리를 수행하는 전지시스템 (BMS) 제어부로 구성되어 있다. 그림 59. 배터리 개별 셀의 전압 불균형을 보상 전지시스템(BMS) 그림 59는 배터리 개별 셀의 전압 불균현을 보샇아기 위한 전지시스 템(BMS)으로서 개별 셀에서는 각각의 셀 전압을 검출하는 검출부 및 셀 온도를 검출하는 온도 검출부가 배치되어 있으며, 배터리 셀 전압 이 다른 셀에 비교하여 상대적으로 높은 셀의 경우 저항(R)와 스위치 (FET)가 직렬로 연결되어 배터리와 병렬로 연결된 회로에서 스위치 (FET)의 온/오프 제어를 통하여 배터리 전압을 감소시키는 방법을 채 택하고 있으며, 저항(R)와 스위치(FET)가 직렬회로는 사고 및 응급 시 에 배터리 충전 전압을 방전시키는 기능을 수행하고 있다. 전기자동차 - 61 -
에서 배터리의 통합적인 관리와 제어를 수행하는 전지시스템(BMS)은 각 기업의 핵심특허 기술과도 밀접한 관련성이 있으며, 전기자동차의 상용화를 위하여 가장 중요한 요소기술의 한 분야이다. 그림 58. 전기자동차용 개별 배터리 셀(좌측)과 전지시스템(BMS) 메인 보드(우측) 6. 충전 인프라 및 커넥터 전기자동차 충전 인프라의 구축과 더불어서 충전 커넥터의 표준화는 전기자동차 상용화에 있어서 가장 중요한 문제이다. 특히, 대한민국 정부는 전기자동차 보급과 활성화를 위하여 충전인프라 구축을 추진 하고 있으며, 주요 공공기관 및 마트(Mart) 등에 전기자동차 충전기의 설치를 추진하고 있으며, 2015년 기준으로 7만대 이상을 설치하였고, 2016년도에서는 15만대 설치를 목표로 추진 중에 있다. 그림 59 국내 전기자동차 충전 인프라 보급계획(누적) - 62 -
그림 60. 국내 전기자동차 충전인프라 구성도 국내 전기자동차 충전 인프라는 전력공급시스템, 고객관리/요금부과 시스템(CIM 시스템), 전기자동차 및 원격 통합 운영을 위한 인프라 운 영 시스템을 충전기와 계량기가 공유하는 형태로서 구성되어 있으며, 국제표준에 국내 기술반영을 통한 상호 공존성 및 상호 호환성 확보 를 위해서 노력하고 있다. 또한 전기자동차-충전기 간 통신방식을 위 해서 국제표준으로 채택된 CAN 통신 55) 방식(IEC 61851-24)과 PLC 통 신 56) 방식(ISO/IEC 15118-3)을 채택하여 기술개발을 추진하고 있는 실 정이다 57). 전기자동차의 충전기를 구분하면, 크게 가정용 충전기, 완속( 緩 速 ) 충 전기 및 급속( 急 速 ) 충전기로 구분할 수 있으며, 표8과 같이 정리할 수 있다. 그림 61은 충전기와 관련하여 미국, 유럽, 중국 및 일본의 커넥터 형 상을 나타내며, 유럽에서는 국제 표준인 IEC 62196-2 규격을 사용하는 반면에, 미국과 일본에서는 SAE J1722 단자를 주로 사용하고 있다. 55) CAN(Controller Area Network) 통신은 차량 내에서 호스트 컴퓨터 없이 마이크로 콘트롤러와 장치들이 서로 통신하기 위해 설계된 표준 통신 규격으로, 메시지 기반의 통신 프로토콜의 일종이며, 전기자동차, 산업용 자동화기 및 의료용 장비에 사용하고 있는 통신방식의 일종이다. 56) PLC(Power Line Communication) 통신은 전력에 고주파를 싣고 이를 분리함을 통하여 음성과 문자, 데 이터, 영상 등을 전송하는 통신방식의 일종으로서, 장거리 통신은 불가능 하지만, 전력선이 설치된 장소 에서 저렴하게 통신할 수 있는 통신방식의 일종이다. 57) 이현기 외 1명, Smart Grid 표준 이슈 보고서 - 전기자동차 충전인프라 분야 -, (재)한국스마트그리드사 업단 Issue & Focus, 2013.11. - 63 -
표8. 가정용, 완속( 緩 速 ) 및 급속( 急 速 ) 충전기 비교 58) 구분 가정용 충전기 완속 충전기 급속 충전기 적용지역 일반가정 관공서, 쇼핑센터 병원, 공용주차장 주유소, 고속도로 휴게소 공급전압 단상 220[V] 단상 220[V] 삼상 380[V] 공급용량 2[kW] 이내 7.7[kW] 50[kW] 이상 충전시간 6~8시간 4~8시간 10분 ~ 1시간 사용시간대 귀가 후 심야시간 (심 야) 주차 시 (주 간) 긴급상황 (불특정) 예상가격 100만원 이하 300~500만원 4000~5000만원 그림 61. 주요 국가의 충전기 커넥터 형상 한국은 미국과 일본에서 사용하는 SAE J1722 단자를 충전기 커넥터로 사용하고 있으며, 충전기 커넥터와 차량층 소켓의 형상은 표9와 같이 58) 김규동 외, 전기자동차 충전인프라 구축방안, (재)한국스마트그리드사업단 최종보고서, 2010.09. pp. 3-64 -
정리할 수 있다. 표9. 주요국의 충전기 커넥터와 차량측 소켓 형상 비교 59) 현재 전 세계 주요국가의 전기자동차 충전 커넥터 및 차량측 소켓의 형상이 통일되지 않는 문제점이 있으며, 각국은 전기자동차 산업 정책 에 맞추어서 다양한 충전기 커넥터 및 차량측 소켓 형상을 사용하는 바, 전 세계적인 통일이 반드시 필요할 것으로 예상하고 있다. 59) 이현기 외 1명, Smart Grid 표준 이슈 보고서 - 전기자동차 충전인프라 분야 -, (재)한국스마트그리드사 업단 Issue & Focus, 2013.1-65 -
Ⅳ. 친환경 전기자동차의 전지 1. 전지의 구성요소와 종류 전지(배터리)는 두 가지의 전극(양극 및 음극)에 전해액을 이용하여 각 전극의 활성 물질과 전해액에 갖는 화학에너지를 전기에너지로 변환 시켜 양극과 음극을 연결하는 외부 장치에 전기에너지를 발생시킬 수 있는 장치를 의미한다. 이러한 전지는 다음과 같이 크게 4가지 중요한 구성요소로 이루어져 있다. 1) 양극(Cathode) : 외부 도전으로부터 전자를 받아서 양극 활성 물질 이 환원되는 전극 2) 음극(Anode) : 음극 활성 물질이 산화되면서 도선으로 전자를 방출 하는 전극 3) 전해질(Electrolyte) : 양극의 환원 반응, 음극의 산화 반응이 화학적 으로 조화를 이루도록 물질 이동이 일어나는 매체 4) 분리막(Separator) : 양극과 음극의 물리적 접촉 방지를 위한 격리막 이러한 전지는 크게 1차전지와 2차전지로 구분되며, 1차전지는 방전한 뒤에 충전을 통해서 본래의 상태로 되돌릴 수 없는 비가역적 화학반 응을 하는 전지이다. 그림 62. 볼타전지 및 그 세부구조 - 66 -
그림 62는 볼타전지 및 그 세부구조로서 1799년 이탈리아에 볼타 (Volta)가 은(또는 구리)판과 아연판 사이에 알칼리 용액을 적신 천 조 각을 끼우고 양판에 전선을 연결하여서 전류가 흐르는 것을 시작으로 전지의 역사가 시작되었다. 그림 63. 망간건전지 그림 63은 망간건전지(Manganese Dry Cell, 일명 건전지)를 나타내며, 대표적인 1차전지이다. 1877년 프랑스의 G. 르클랑셰가 발명한 것으로 양극은 탄소(C)봉을 음극은 아연(Zn)원통으로 하고, 전해질은 연화암모 늄(NH4Cl)을 사용한 것으로 건전지(Dry Cell)라는 이름으로 가장 널리 이용되었고 기전력은 1.5[V]이다. 그림 64. 망간건전지와 알카라인 건전지의 세부구조 - 67 -
그림 64는 망간건전지와 알카라인 건전지의 세부구조를 비교한 것이 다. 최근에는 일명 오래 쓸 수 있는 건전지 또는 알카라인(Alkaline)이 라는 상품으로 광고하는 알카리 망간건전지(Alkali Manganese Dry Cell)는 1877년 발명된 망간건전지에 전해질을 산성인 연화암모늄 (NH4Cl) 대신 염기성인 수산화칼륨(H2SO4)을 적용한 것이 기술적 특 징으로 한다. 염기는 산 보다 금속을 느리게 부식시키므로 건전지의 수명이 증가시키며, 일반적인 망간건전지와 같은 1.5[V]의 전압을 유지 하면서 약 3배 정도 수명이 긴 장점이 있기에 최근 A형(AA, AAA) 전 지로 많이 사용되고 있다. 그림 65. 수은전지(좌) 및 리튬1차전지(우) 1947년 미국의 맬로리사의 S.루벤은 소형의 1차전지를 개발하던 중에 수은(Mercury) 전지를 발명하였다. 크기가 기존의 망간건전지보다 획 기적으로 작기에 시계, 보청기. 무선마이크, 카메라 등의 휴대용 전자 기기에 널리 이용되며, 음극에 아연, 양극에 산화수은으로 구성하며, 전해액은 산화아연이나 수산화칼륨을 사용한다. 기전력은 대략 1.35[V] 이고, 자체방전이 적어서 제조 후 수년이 지나도 전기용량이 거의 감 소되지 않는 특징이 있지만, 수은이 인체에 해로우며 환경 오염으로 최근 생산이 중단되고 있다. 1961년 미국에서는 단추형의 1차전지인 산화은(Silver Oxide)전지가 개 발되었는데 이는 양극을 산화은, 음극을 아연을 사용하고, 수산화나트 륨이나 수산화칼륨을 전해액으로 사용한 전지로서 수은 전지를 대체 하는 전지로 개발되었다. 하지만, 최근에는 음극에 금속 리튬, 양극에 망간(MnO2)를 사용하여 수은전지에 비교하여 에너지 밀도 5~10배 확 - 68 -
장시킨 리튬1차 전지가 수은전지를 대체하였고, 기전력은 1.5[V]이다 (그림 65 참조). 일반적으로 축전지라고 말하는 2차전지는 외부에 전기에너지를 화학 에너지의 형태로 바꾸어 저장해 두었다가 필요할 때에 전기를 만들어 내는 장치로서 여러 번 충 방전이 가능한 전지를 말한다. 그림 66. 납축전지 그림 66은 납축전지 구조를 나타내며, 1859년 프랑스의 플랑테는 볼타 전지와 같은 전기화학반응을 이용하여 최초의 2차전지인 납(lead)축전 지를 개발하였다. 현재 자동차의 축전지로 널리 사용하는 납축전지는 납축전지는 과산화납을 양극으로 납을 음극으로 사용하고, 전해액으로 비중이 1.2의 묽은 황산을 사용한다. 방전이 진행되면서 양극 및 음극 은 모두 회백색의 황산납으로 변화하고 부산물로 물이 생성되어 반응 속도가 감소하지만, 화학반응이 가역적( 可 逆 的 )이어서 외부에저 전류를 공급하면 다시 원래 상태로 돌아가기에 충 방전을 반복하여 사용가 능하고, 높은 전류량을 얻기 위해서 전극의 면적을 크게 설계하여야 하고, 셀당 기전력은 약 2[V]로서 자동차용 납축전지의 경우 12[V] 기 전력을 얻기 위해서 6개 셀이 직렬로 연결된 구조를 가진다. 2차전지에 첫 번째 혁신을 가져온 소재는 니켈이다. 특히 니켈-카드뮴 (Ni-Cd) 전지와 니켈-수소(NiMH) 전지는 2자전지라는 명칭과 함께 전 기의 충 방전이 당연한 것으로 이끄는 전지이다. 그림 67은 니켈-카드늄(Ni-Cd) 전지를 나타내며, 양극에 니켈의 수산 - 69 -
화물을 음극에 카드뮴을 사용한 알칼리 전지이고 전해액은 20~25% 수 산화 칼륨 수용액에 소량의 수산화 리튬을 첨가한 것이 많이 사용된 다. 기전력은 셀당 1.33~1.35[V}이고, 기계적으로 튼튼하고 수명이 길어 서 전기자동차용 전지, 통신용 전지, 전철 및 고속철도와 전력변환장 치, 태양전지 및 풍력발전의 충전 장치로 사용되고 있다. 그림 67. 니켈-카드뮴 전지 그림 68. 니켈-수소 전지(좌측: 일반용, 우측: 차량용) 그림 68은 니켈-수소(NiMH) 전지를 나타낸다. 니켈-수소 전지는 양극 에 니켈, 음극에 수소흡장합금, 전해질로 알칼리 수용액을 사용한 2차 전지로서 니켈-카드뮴(Ni-Cd) 전지보다 고용량화가 가능하고, 과방전 및 과충전 특성이 우수하고, 충 방전 사이클 수명이 길어서 500회 이 상 충 방전이 가능하고, 소형 및 경량화가 가능하기에 오늘날 다양한 전자 및 가전기기에 많이 사용된다. 특히 휴대폰, 노트북, 컴퓨터, 오 디오, 카세트, 카메라 등에 널리 이용되며, 전기자동차용 전지로도 사 - 70 -