친환경차 시대를 선도할 핵심 기술발달 전망
유상석 충남대학교 기계공학부 교수 ([email protected])
전 세계적으로 자동차에서 배출되는 배기가스의 규제가 갈수록 엄격해지고 있고, 이산화 탄소 배출량의 규제도 강화되고 있다. 이는 자동차산업의 혁신적인 변화를 촉구하고 있 으며, 이러한 규제에 대응하기 위하여 친환경 자동차가 완성차 업체를 중심으로 개발되 고 있다. 친환경 자동차는 크게 엔진을 기반으로 배터리와 하이브리드 동력을 구성하는 엔진 하이브리드 자동차(이하 하이브리드 자동차)와, 순수 배터리 전력만을 이용해 주행 하는 전기자동차(Battery Electric Vehicle: BEV, 이하 전기차), 그리고 수소연료전지의 전기화학 반응으로 생산된 전력을 이용해 주행하는 수소전기자동차(Hydrogen Fuel Cell Vehicle, 이하 수소차)로 구분할 수 있다.
친환경 자동차 중에서도 외부로 이산화탄소 배출이 없는 전기차와 수소차는 전력을 구 동모터로 전달하고, 이 구동력이 다시 바퀴로 전달되어 차량이 운행된다는 공통점을 가 지고 있다. 차이점은, 수소차는 수소의 전기화학 반응에 의한 전력을 동력원으로 이용하 고, 전기차는 충전된 전기를 배터리에 저장 후 바퀴 구동에 이용한다는 것이다. 전기차와 수소차(이하 전기구동자동차)는 최근 몇 년간 가장 많은 주목을 받고 있는 차종으로, 자 동차산업의 패러다임 전환을 견인하고 있다. 특히 기후변화 위기대응을 위해 수송부문의 이산화탄소 배출 저감이 중요해지면서 이산화탄소 배출이 없는 전기차와 수소차의 시장 잠재력이 더욱 부상하고 있다.
이 글에서는 각국의 기후변화 대응 정책에 따라 시장잠재력이 확대되고 있는 전기구동 자동차의 핵심 기술개발 현황을 조사 · 분석하고, 향후 자동차 시장에서의 성장 가능성과 기술발달 전망을 예측해보고자 한다.
전기구동자동차는 에너지 저장방식과 구동방식에서 기존 자동차와 차별화된다. 전기차 는 에너지 저장장치로 이차전지를 배터리로 채용하고 있으며, 전기구동방식이기 때문에 배터리에서 모터로 소요되는 전력을 변환하는 전력변환기, 전력을 통해 바퀴를 구동시키
머리말
친환경 자동차 부품
기술 현황
제473호 2021 March
기 위한 구동모터 · 감속기를 채택하고 있다. 수소차는 수소가스를 연료로 사용하기 때문 에 에너지 저장장치로는 고압의 압력 용기를 채택하고 있으며, 전기화학 반응으로 전기 를 생산한다. 전기차와 동일한 방식인 모터 구동방식을 채택하고 있으며, 전력변환기, 모 터 및 감속기가 필요하다. 기술개발 초기에는 전기차와 수소차 양쪽 산업에서 개별적으 로 기술개발이 진행되었으나, 전기구동방식이 채택되어 구동모터와 인버터, 고전압 부스 터 등 전기구동방식 핵심 부품들의 자동차 라인업이 다양화됨에 따라 차종에 맞추어 공 용화가 진행될 것으로 예상된다. 이미 전기차와 수소차를 동시에 생산하는 완성차 업체 에서는 동일한 플랫폼 활용을 위해 노력하고 있다.
전기구동자동차의 구동모터는 연비에 가장 큰 영향을 미치는 부품 중 하나로, 모터 효 율을 높이면서 가격 저감을 달성하기 위한 기술들이 개발되고 있다. 최근에는 모터 발열 이 성능 저하와 내구성 감소의 주요 원인으로 알려지면서 모터 냉각계통 최적화를 통한 고성능 및 고출력화가 진행되고 있다.
전기구동자동차 중 전기차는 겨울철 난방을 위해 통상 저항열을 발생시키는 PCT 히터 를 채용하고 있는데, 이는 겨울철 연비 하락의 주요한 원인으로 알려져 있다. 기존 열 발 생이 많은 내연기관 자동차의 경우 폐열을 활용하지만, 전기차는 폐열 발생이 적어 겨울 철 주행과 난방을 위해서는 충전된 전기를 사용해야 한다. 전력 소모를 최소화할 수 있는 난방기술이 요구되는 이유가 바로 이 때문이다. 이를 극복하기 위해 여름철에는 냉방을 담당하고 겨울철에는 난방을 담당하는 히트펌프 기술이 전기차용으로 개발되고 있다. 테 슬라(Tesla)에서는 모델 Y에 히트펌프를 채용한 것으로 알려져 있으며, 우리나라의 현대 기아차에서도 코나에 적용하기 위한 히트펌프를 개발하였다. 대부분의 완성차 업체들도 앞다투어 기술개발을 서두르고 있다.
<그림 1> 전기차용 히트펌프 공조 시스템
자료: 현대모터그룹 TECH 홈페이지(tech.hyundaimotorgroup.com).
수소차는 상용화에 성공한 이후 가격 경쟁력 확보를 위해 노력을 지속하고 있다. 특히 핵심 부품인 연료전지 시스템의 가격 경쟁력 확보를 위한 소재 부품 기술개발이 계속해 서 이루어지고 있으며, 출력밀도 향상을 위한 노력도 이어지고 있다. 특히, 엔진 룸의 공 간이 매우 협소하기 때문에 출력밀도 향상을 통해 지금보다 다양한 차종으로 시장 확대 를 추진하고 있다. 여기에 에너지 저장장치의 밀도 향상으로 인한 연비 및 충전속도를 개 선하여 소비자 수용성을 높이기 위한 노력을 하고 있다.
<표 1>은 전기구동자동차에 소요되는 핵심 기술들을 대분류 기준으로 구분한 것이다.
현재의 기술 수준을 판가름하기 위해 세계 최고 수준의 기술들을 주요 핵심 지표 위주로 정리하였다. 전기차용 에너지 저장 · 충전장치는 소비자 수용성을 고려하면 급속 충전시 간의 단축이 매우 중요한 인자가 된다. 현재 최고 수준의 기술로 10~80% 충전까지 30분 이 소요되고 있으며, 배터리 충전전압은 통상 400V급이 많이 채용되고 있다. 공조는 전 술한 바와 같이 연비 개선을 위해 해결이 필요하며, 공통기술에서는 구동모터 중량이 연 비에 미치는 영향이 크기 때문에 출력밀도 향상이 요구된다. 수소차 부문에서도 연료전
<그림 2> NEXO용 연료전지 시스템
자료: 현대모터그룹 TECH 홈페이지(tech.hyundaimotorgroup.com).
연료공급계 수소를
연료전지스택으로공급
공기 공급계 연료전지스택으로
공급되는
공기유량및압력제어
열관리계 연료전지스택으로
공급되는공기및
냉각수온도제어 연료전지 스택 수소와산소의
전기화학반응을통해
전력생산
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지 시스템의 부피밀도 향상과 수소저장장치의 저장밀도를 향상시켜야 연비 향상과 차종 다양화가 가능하다. 더불어, 현재 승용 기준으로 충전시간이 약 3분 정도 소요되고 있는 데 소비자 수용성 개선을 위해서는 이러한 부분의 단축이 필요할 것으로 보인다.
전기구동자동차 기술은 2000년대 초반 활성화되기 시작한 이래로 약 20년의 기술개 발 이력을 보유하고 있다. 친환경 자동차가 환경 문제의 대안이 됨과 동시에 기후변화 를 해결하기 위한 필수 불가결한 자동차산업 트렌드의 변화임에도 불구하고, 시장의 반응은 생각보다는 보수적이다. 최근 전기차는 기후변화 대응을 위한 각국 정부의 적 극적인 정책지원에 힘입어 초기 시장이 성공적으로 열리고 있는 것으로 보이며, 수소 차 시장도 현재는 시장에 참여하는 완성차 업체가 많지 않지만 점진적 성장세를 이어 가고 있다.
친환경 자동차 시장이 성공적으로 성장하기 위해서는 가격 경쟁력, 충전시간, 성능 및 연비 등 다방면에서 기술의 진보가 필요하다. <표 2>는 2020년 기준으로 완성차 기업이 생산한 전기차의 특징을 요약한 것이다. 표에서 확인되듯이 미국, 유럽, 일본 등의 선진 회사뿐 아니라 중국 등 신흥산업국에서도 다양한 차종을 개발하여 소비자 수용성을 확보 하기 위해 노력하고 있다.
2000년대 후반에 소개된 전기차와 비교하여, 현재 전기차 기술 수준은 가장 큰 장애 요인으로 인식되었던 80% 충전까지의 충전시간을 줄인 것이다. 급속 충전장치를 이용해 충전하는 시간이 대부분 1시간 이내에 이르는 것을 볼 수 있다. 더불어 1충전으로 최대 600km에 육박하는 주행거리를 제시하는 완성차 업체들도 확인할 수 있다. 완성차 업체 들의 이러한 노력은 기존 자동차 시장에서 경쟁력 확보를 위해 반드시 달성해야 하는 목 표라고 할 수 있기 때문에, 향후 기술개발 방향도 장거리 주행을 위한 기술개발로 진행될 것으로 보인다.
기술 현황
<표 1> 친환경 자동차 핵심 기술 현황
구분 핵심 기술
전기차 에너지 저장 및 충전 •급속 충전 30min(80% 충전)
•배터리 400V급
공조 및 열관리 •난방 시 주행거리 감소율 23%
공통기술 구동 및 전력변환 •모터 출력밀도 2.5kW/kg
•인버터 출력밀도 13kW/L
수소차
연료전지 시스템 •부피밀도 3.3 kW/L (승용)
•보증 내구수명 16만 km
수소저장 및 충전 •수소저장밀도 5.7wt%
•수소충전속도 최대 1.8kg/min 자료: 2020년 산업기술 R&BD 보고서.
친환경 자동차
차량 기술
통상 수소차는 전기차 대비 기술 수준이 높아 완성차 업체들조차 기술개발 진입 장벽 이 높은 것으로 알려져 있다. 전 세계적으로 완성차 업체 중 수소차를 시장에 판매하고 있는 기업은 일본의 Toyota, Honda, 그리고 국내 기업인 현대자동차 등이 있다. 다수의 완성차 업체들은 선행 기술개발을 진행 중이거나, 시장 진입을 2020년 이후로 발표하고 있다. 전기차와 달리 수소차는 주행거리 연장이 유연하다. 전기차에서는 주행거리 연장 을 위해서 추가적인 배터리를 탑재해야 하지만, 수소차는 연료를 추가하면 된다. 이로 인 해 수소차의 주행거리 연장은 보다 유연하게 대응이 가능하며, 현재 세 완성차 업체는 수 소차 주행거리를 내연기관 수준으로 확보하고 있다.
친환경 전기구동자동차인 전기차와 수소차의 시장 확대를 위해서는 아직 추가적인 기 술개발이 필요하다. 전기차는 충전시간을 단축시키기 위한 기술과 함께 연비 개선을 위 한 구성품의 효율 개선 및 중량감소 기술들이 개발될 것으로 보이며, 여기에 겨울철 난방 시에도 연비 확보가 가능한 기술을 개발하여 소비자 수용성을 증진시킬 필요가 있다. 수 소차의 경우는 연비 개선을 위한 경량화, 부품 고효율화 등과 함께 보증 내구수명을 향상 시키는 기술의 개발이 필요하다. 특히 최근 수소차를 택시로 적용하기 위한 실증들이 진 행되고 있는데, 요구수명이 통상 50만 km 이상이기 때문에 이러한 요구수명을 맞출 수
<표 2> 전 세계 완성차 업체의 양산형 전기차
국가별 완성차 업체 모델명 주행거리
(km) 최대 출력
(kW) 배터리
용량(kWh) 급속 충전 시간(분)
독일
Volkswagen ID. 4 487 129 77 40
BMW i3 300 125 42.24 40
ix3 600 370 100 40
Daimler-Benz EQC 400 4MATIC 309 300 80 40 Audi R8 e-tron quattro 500 280 95 40
미국
Tesla
Model S Long Range 671 398 100 34
Model 3 446 211 78 34
Model Y Long Range 508 254 75 34
GM Bolt EV 414 150 66 60
Ford Mustang Mach E 434 254 98.8 45
Jaguar I-pace S 376 290 90 45
프랑스 Renault TWIZY 100 - 6.1 N/A
ZOE 400 80 54.5 100
일본 Nissan Leaf 231 110 40 30
중국 BYD E6 400 90 80 120
SAIC IM 874 400 93 72
한국 HMC
Soul EV 450 100 39.2 30
IONIQ EV 311 100 38.3 54
Kona EV 415 147 64 54
자료: 각 업체별 홈페이지를 참고하여 저자 작성.
제473호 2021 March
있는 방향으로 기술개발이 진행될 것으로 보인다.
더불어, 간과하지 말아야 할 점은 친환경 자동차는 아직 보조금 시장에 의해 움직이고 있다는 사실이다. 수소차와 전기차의 가격 경쟁력을 확보하기 위해서는 대량 생산을 통 한 부품 가격의 저감뿐 아니라, 부품 수명과 성능은 유지하면서 저가화를 추진하는 기술 들도 지속적으로 개발되어야 한다. 이러한 기술 발전을 달성할 수 있을 때 미래의 친환경 자동차 시장은 전기구동 차량 중심으로 성장할 수 있을 것이다.
이 글에서는 친환경 자동차 시대로의 전환을 이끌어갈 전기차와 수소차의 핵심 기술 현황 을 분석하여 향후 기술 발전을 예측하고자 하였다. 전기차용 배터리의 급속 충전시간이 현 행 30분 이내이나 향후 기술개발을 통해 충전시간 단축이 가능할 것으로 보이며, 겨울철 난방에 따른 연비저하 문제를 해결하기 위한 냉난방 기술개발로 연비 향상이 예상된다. 수 소차용 연료전지 시스템의 출력밀도를 향상시키고, 수소 저장밀도를 향상시켜 연비 향상 과 함께 차종 다양화를 추진하기 위한 기반 기술개발이 진행될 것으로 보인다.
구영모. 2019. 수소 전기차 기술개발 동향. 오토저널 제41권 제2호: 33-36.
이선명, 김선재. 2018. 수소 전기차. KISTEP 기술동향브리프 2018-20호. 충북: 한국과학기술기획평가원.
최효상, 정인성. 2017. 전기자동차(EV)의 기술개발 현황과 동향. 전기의 세계 제66권 제9호: 35-40.
현대모터그룹 TECH 홈페이지. tech.hyundaimotorgroup.com 참고문헌
맺음말
<표 3> 양산형 수소차의 기술비교
현대자동차
•2013년 전 세계 최초로 투싼 ix를 기반으로 한 양산형 수소차를 출시하였으며, 2018년부터 SUV인 NEXO 판매 중 (주행거리, 연비, 출력, 충전시간)
•3모듈 수소저장시스템을 채택하고 있으며 1충전 항속거리 611km(US 기준, www.fueleconomy.gov) 주행 가능
Toyota
•2014년 12월 양산형 수소차 미라이를 생산하였으며, 전용 플랫폼에서 생산되는 세단형 4인승 자동차로 2017년 생산 대수를 연간 3,000대까지 증설
•2모듈 수소저장탱크를 적용 중이며 2021년 기준 1충전 항속거리 646km(US 기준, www.fueleconomy.gov) 주행 가능
Honda
•2016년 3월 Clarity Fuel Cell을 출시하였으며 전 세계에서 가장 먼저 전용 차체를 개발하여 연료전지 시스템을 탑재하였고, 세단형(전용 플랫폼) 5인승 출시, 2017년부터 일반 판매/리스 진행 중
•1모듈 수소저장탱크에서 2모듈로 적용 중이며 1충전 항속거리 580km(US 기준, www.fueleconomy.gov) 주행 가능 자료: 각 업체의 홈페이지를 참고하여 저자 작성.
생산업체 주요 특징