전기자동차 기술개발 동향 및 경쟁력 분석 <목 차> Ⅰ. 전기자동차 개요 Ⅱ. 전기자동차 개발현황 및 동향 Ⅲ. 국내 전기자동차 기술경쟁력 분석 Ⅳ. 시사점 Ⅰ 전기자동차 개요 정의 및 분류 전기자동차는 친환경자동차의 한 종류로서, 배터리와 전기모터로 구동되는 차를 말함 - 친환경자동차는 기존 내연기관 차량보다 에너지소비 효율이 우수하고 공해발생이 적은 차량을 말하며, 전기자동차(EV), 하이브리드 자동차(Hybrid Electric Vehicle, HEV), 플러그인 하이브리드 자동차(Plug-in Hybrid Electric Vehicle, PHEV), 수소연료전지 자동차(Fuel Cell Electric Vehicle, FCEV) 등이 있음 * 본고는 기술평가부 곽병근 행원이 집필하였으며, 본고의 내용은 집필자의 견해로 당행의 공식입장이 아님 74
전기자동차 기술개발 동향 및 경쟁력 분석 친환경자동차 종류 전기자동차 (EV) 하이브리드 자동차(HEV) 플러그인 하이브리드 자동차(PHEV) 수소연료전지 자동차 (FCEV) 동력발생 장치 모터 엔진 + 모터 모터, 엔진(방전시) 모터 에너지 (연료) 전기 화석연료, 전기 전기, 화석연료(방전시) 전기 (수소로 생성) 구동형태 특징 무공해 차량 내연기관/모터를 적절히 작동시켜 연비 향상 단거리는 전기, 장거리는 엔진사용 무공해 차량 주요차량 Leaf(닛산) i-miev(미쓰비시) 모델S(테슬라) ZOE(르노) 프리우스(도요타) 시빅(혼다) Volt(GM), F3DM(BYD) Karma(Fisker) 투싼(현대) Equinox(GM) B-class(다임러) FCHV-adv(도요타) 자료 : KDB산업은행 기술평가부 시장환경 장기적인 유가상승 추세와 선진국의 연비 및 배기가스 배출 규제 강화 등의 영향으로 연비가 좋은 친환경 차량 시장이 확대중임 - 13년 평균 국제유가(두바이유 기준)는 105(달러/배럴)로 00년 26(달러/배럴) 대비 3배 이상 상승함 -미국, 유럽, 일본 등 선진국은 기후변화에 대응하기 위해, 이산화탄소 감축을 위한 자동차 연비개선 목표와 동목표 미달시 제재안을 마련함 미국 캘리포니아 등 11개 주는 차량 제조사별로 탄소 무배출 차량을 일정 비율 판매하도록 의무화하는 ZEV(Zero Emission Vehicle) 규제를 시행하고 있음 75
주요 국가별 자동차 연비 및 배기가스 배출규제 현황 국가 미국 유럽 일본 세부내용 - 2016년 : 연비 15.1km/l, 배기가스 155g/km 수준 - 2025년 : 연비 23.2km/l, 배기가스 101g/km 수준 - 평균 연비가 기준치에 미달할 경우 0.04km/l에 5.5달러의 벌금 부과 - 2015년 : 연비 17.9km/l, 배기가스 130g/km 수준 - 2020년 : 연비 24.4km/l, 배기가스 95g/km 수준 - 2015년부터 이산화탄소 배출량이 130g/km을 초과할 경우 초과 배출량 기준으로 5~95유로의 누진 벌금 부과 - 2015년 : 연비 16.8km/l, 배기가스 130g/km 수준 - 2020년 : 연비 20.3km/l, 배기가스 105g/km 수준 - 2015년까지 연비 목표 미달성시 미달업체 차량공개, 벌금 부과 등의 제재 자료 : KDB산업은행 기술평가부 조사 Ⅱ 전기자동차 개발현황 및 동향 전기자동차 개발 현황 전기자동차는 일본 및 유럽 업체를 중심으로 소형에서 중대형 차종까지 다양한 차량이 개발되고 있음 - 09년 미쯔비시의 i-miev 출시 이후 BMW, 닛산, 혼다, GM, 기아, 르노 등의 완성차 업체들이 양산형 전기자동차를 출시함 전기자동차 전용플랫폼을 적용한 차종은 BMW의 i3 와 테슬라의 Model S, Model X ( 14년 출시예정) 등이 있음 76
전기자동차 기술개발 동향 및 경쟁력 분석 회사 차종 글로벌 완성차 업체 전기차 개발 현황 주행거리 (km) 최대출력 (kw) 성능지표 배터리용량 (kwh) 주행거리성능 (km/kwh) 테슬라 Model S 426 225 60 7.1 닛산 Leaf 160 80 24 6.7 포드 Focus 160 91 23 6.9 BMW i3 160 125 22 7.3 르노 SM3 Z.E 135 70 22 6.2 GM Spark 135 105 20 6.7 미쓰비시 i-miev 130 47 16 8.1 기아 Ray 91 50 16 5.7 전기차 차종별 개발 현황 세계 주요 전기차 판매 현황( 13년) (단위 : 대) 50,000 45,000 40,000 35,000 30,000 25,000 20,000 15,000 10,000 5,000-43,892 22,477 4,494 1,741 476 Leaf Model S i-miev Focus Spark 자료 : IHS Automotive, 현대자동차, KDB산업은행 기술평가부 재구성 전기자동차 기술개발동향 전기자동차의 주요 시스템은 전지시스템, 충전시스템, 구동시스템, 차체시스템 등임 - 주요 시스템별 기술개발동향은 다음과 같음 77
국내 전기자동차 기술개발동향 구분 전지시스템 충전시스템 구동시스템 차체시스템 개발동향 - 대용량 BMS - 배터리 핵심소재 국산화 - 양방향 충방전 시스템 - 비희토류 전동기 설계 및 구동기술 - 양산형 전기차 전용 플랫폼 자료 : KDB산업은행 기술평가부 재구성 대용량 BMS(Battery Management System) 1) 의 개발은 대용량 배터리의 효율성 향상과 안정성 확보가 핵심요소임 배터리 핵심소재의 국산화율은 낮은 수준 2) 이며, 특히 원가비중이 높은 양극재를 중심으로 기술개발을 하고 있음 충전시스템 양방향화 는 차량의 충전상황에 따라 배터리와 충전시스템간에 양방향 에너지 전송이 가능한 기술로서, 충방전 제어 및 전력거래 시스템 개발이 진행되고 있음 전기자동차의 구동모터는 희토류 3) 의존도가 높아 고가이며 원재료 수급이 원활하지 않은 바, 철계 합금을 포함한 비희토류 구동모터를 개발중임 전기자동차의 전용 플랫폼 확보는 생산성 향상 및 안정성 확보를 위해 필요하며, 현대자동차는 14년 준중형 전용플랫폼의 개발을 목표로 추진 중임 전기자동차 주요부품의 고성능화 및 저비용화 를 위해 관련업계는 다음과 같은 성능목표를 설정하여 개발 중임 - 배터리의 에너지 밀도는 같은 크기의 배터리팩에 담을 수 있는 에너지의 양을 말하며, 현재 140Wh/kg 수준이나, 250Wh/kg를 목표로 개발 중임 1) BMS는 각 배터리 Cell의 충전량을 조절하여 배터리를 최적화된 상태로 유지하는 셀밸런싱 역할과 배터리의 충/방전상태를 관리 할 수 있는 역할 등을 담당함 2) 양극재(57%), 음극재(2%), 전해액(75%), 분리막(37%) 등임 3) 화학적으로 안정되면서도 열을 잘 전달하는 성질이 있어, 전기차 배터리 합금, 모터자석, 렌즈 등의 제품을 생산할 때 사용됨 78
전기자동차 기술개발 동향 및 경쟁력 분석 - 전기차 배터리의 충전시간은 전기차 실용화의 장애 요인 중 하나로, 현재 급속 충전 시 기준 30분수준이며, 목표는 20년까지 15분으로 단축시키는 것임 - 모터의 내구성은 현재 20만km 수준이나, 35만km를 목표로 개발중이며, 인버터는 모듈을 구성하여 소형 및 경량화를 추진중임 전기자동차 부품성능 목표 및 현수준 부품 핵심기술 성능지표 현재 2015 2020 배터리 BMS 모터 인버터 고용량 용량(kWh) 16 27 30 고에너지밀도 에너지밀도(Wh/kg) 140 180 250 수명개선기술 충방전사이클(cycle) 3000 3000 5000 충전출력 완속 충전시간(hr) 6 5 4 급속 충전시간(min) 30 20 15 충방전 관리 SOC 오차율(%) 10 8 3 알고리즘기술 BMS 충방전 효율(%) 86 90 98 전동기 기술 최대 토크(Nm) 220 225 235 인휠모터기술 내구성(km) 20만 30만 35만 소형화 기술 모터/인버터, 감속기 모듈화 구성(set) 3 2 1 동력분배기술 동력전달 효율(%) 92 95 97 자료 : KDB산업은행 기술평가부 실태조사 Ⅲ 국내 전기자동차 기술경쟁력 분석 기술경쟁력분석 전기자동차는 일본, 유럽, 미국 업체들이 기술을 선도하고 있음 - 일본은 미쯔비시, 닛산이 전기자동차를 판매 중이며, 도요타는 축적된 하이브리드 79
차량 기술을 바탕으로 언제든지 선도업체로 진출이 가능함 - 유럽 및 미국은 BMW, 크라이슬러, 테슬라 등이 전기자동차 모델들을 출시하였음 전기자동차는 도입초기단계인 바, 각 나라별로 큰 기술차이를 보이고 있지 않으나, 우리나라는 전용플랫폼개발 표준화 주도 등 일부 분야에서 선진국에 비해 1~2년의 기술 격차가 있음 - 국내는 BMW의 i3 나 테슬라의 Model S 와 같은 전기차 전용 플랫폼이 없은 상황이며, 선진국에 비해 충전 및 규격 등의 전기차 관련 기술에 대한 표준화 추진 능력 부분에서 기술격차가 있음 국내 전기자동차 기술경쟁력 구분 기술수준 기술격차 2013 2015(전망) 2013 2015(전망) 한국 93 99 1~2년미만 1년미만 미국 98 98 1년미만 1년미만 일본 100 100 0 0 중국 75 90 3~4년미만 2~3년미만 유럽 100 100 1년미만 1년미만 자료 : 한국산업기술평가관리원, KDB산업은행 기술평가부 재구성 국내 전기자동차 주요 핵심부품의 기술경쟁력은 일본 미국 유럽 등 선도국 (=100)에 비해 배터리 BMS 구동모터는 다소 낮은 수준인데 반해, 인버터는 열위한 수준임 - 배터리 제조는 국내 업체가 세계시장을 선도중이나, 소재의 원천기술은 일본과 기술적 차이 존재함 - BMS의 생산기술은 선도국에 크게 뒤지고 있지 않으나, 최종 품질 및 설계기술에서 선도국에 비해 다소 기술적 차이를 보이고 있음 - 구동모터는 설계 및 시스템 부분에서 선도국 대비 동등한 수준이나, 비희토류계 모터 개발 기술에서 기술적 격차가 있음 80
전기자동차 기술개발 동향 및 경쟁력 분석 - 인버터는 주요 부품(파워소자) 제작기술과 소프트웨어기술, 정밀 다이캐스팅 기술 등에서 기술적으로 열위함 국내 주요 전기자동차부품 기술경쟁력 수준 (선진국 = 100) 주요부품 배터리 BMS 모터 인버터 기술수준 95 90 95 80 자료 : KDB산업은행 기술평가부 실태조사 Ⅳ 시사점 전기자동차를 비롯한 친환경자동차의 시장 확대시, 자동차 산업의 주요 업체들은 기존의 완성차 주요부품업체뿐 아니라, 배터리 모터기술을 보유한 전기 전자 관련업체까지 추가 될 수 있을 것임 - 기존 내연기관 자동차 분야에서는 엔진 및 변속기가 차량의 가장 중요한 부품이었으나, 전기자동차 분야에서는 전기화학소재 및 전기 전자 분야 부품들의 중요성이 커질 것임 -특히, 삼성SDI, LG화학, SK이노베이션, 효성, LS산전 등 배터리 및 전기/전자/소재 업체들이 전기차분야에서 강력한 부품업체로 부상할 것임 삼성SDI는 최근 BMW(i3, i8), 크라이슬러(F500e) 등 글로벌 자동차 업체들과 배터리 공급계약을 체결했으며, 생산량 증가에 따라 최근 울산사업장에 배터리 생산라인을 2개 증설하였음 81
국내 전기자동차 부품업체 현황 주요부품 배터리 BMS 모터 인버터 기타 관련업체 LG화학, 삼성SDI, SK이노베이션, (현대모비스, 한라비스테온공조, 인지컨트롤스, 신영, 용인전자 ) 넥스콘테크놀로지, 파워로직스, 레오모터스, 레보, 피앤이솔루션 효성, 현대모비스, LS산전, 브이씨텍, 세일공업, 키네모숀, 이조금속, 하이젠모터, 포스코티엠씨, 일진전기 LS산전, LS엠트론, 대우전자부품, 피앤이솔루션, 다윈전자, 영화테크, 뉴인텍, 진영프로토 현대위아, 우수AMS, 일광주공, 삼공기어공업, 만도, LG이노텍, 세영정밀, 한라비스테온공조, 우리산업, 후성정공, 유라코퍼레이션, 진양코퍼레이션 주 : 기타는 감속기, 회생제동장치, 충전포트, 냉난방 공조시스템을 포함 - 전기자동차에 대한 관심은 선두주자인 테슬라의 판매 호조와 주요 완성차 업체의 신규모델 출시 등으로 지속적으로 증가하고 있으나, 본격적인 전기자동차 시대의 도래는 주행거리, 충전인프라, 충전속도 등과 같은 기술적인 한계로 인해 단기간에 어려울 것으로 전망됨 82