최근에 주목받는 전기자동차는 역사적으로 보면 내연기관차보다 더 일찍 만들어졌다. 최초의 속도위반 딱지도 전기자동차가 기록했다는 사실..
역사적인 첫 전기 자동차는 스코틀랜드의 로버트 앤더슨이 발명한 원유 전기 마차이지만, 공식적으로는 고급차의 대명사인 포르쉐의 대표 페르난데스 포르쉐 박사가 전기회사에 다니며 그 기술을 살려 만들었고, 첫 하이브리드 차량 역시 포스쉐박사의 작품이다.
최초의 교통 딱지는 뉴욕에서 1899년 택시가 기록한 시속 19km 인데 지금 시각으로 보면 터무니 없는 속도로 속도 위반하여 웃음을 자아낼 것이지만, 그 당시는 마차를 기준으로 속도를 측정했기 때문에 사회적 코드가 다른 것을 감안해야한다.
포르쉐가 전기 자동차를 만든 이후 전기 자동차 시장은 급속히 발전하였으나, 포드의 저가형 내연기관차 '모델T'가 판매되면서 경쟁력을 잃게 되었다. 그렇다면 지금까지 충분한 기회가 있었음에도 발전하지 못한 이유가 무엇일까? 아무래도 정치적인 이야기와 세계 정세가 들어가기 때문에 조금 어려운 내용이지만, 결과적으로는 기름을 팔기 위한 정유회사의 노력이 컸다고 볼 수 있다. 물론 그 외에도 상황적으로나 사회적으로 영향도 있었을 것이다.
그럼 앞으로 자동차 산업을 이끌어갈 전기자동차의 종류(XEV)는 무엇이 있을까?
현재 양산형 전기자동차는 형태와 발전 순서에 따라 위 사진과 같이 HEV, PHEV, FCEV, BEV 형태로 발전했다.
HEV : Hybrid Electric Vehicle, 충전 장치가 없는 내연기관이 발전기를 돌려 배터리를 충전하여 구동하는 방식
PHEV : Plug in Hybrid Electric Vehicle, 충전 장치가 있는 HEV
BEV : Battery Electric Vehicle, 순수 전기자동차를 의마하며 내연기관이 없고, 충전 Plug System만 있는 전기자동차
FCEV : Fuel Cell Electric Vehicle, 모든 연료전지차를 의미하며 수소차도 여기에 속한다.
여기서 퓨어셀 전지 자동차는 정부의 지원이 끊기면 사업의 진전이 떨어질 것으로 예상된다.
전기자동차의 범위는 친환경 차 중 전력기반의 자동차인 위와 같은 종류를 말하는데 그렇다면 친환경 자동차는 무엇일까?
친환경 자동차란, 에너지 소비효율이 우수하고 무공해 또는 저공해 기준을 충족한느 친환경 자동차이고, 관련 법률로 환경친화적 자동차의 개발 및 보급 촉직엔 관한 법률 제 2조가 있다. 여기서 전력기반차, 엔진 기반차로 나뉘는데 전력기반차는 위와 같은 종류이고, 엔진 기반차는 클린디젤 자동차(CDV), 천연가스 자동차(NGV) 등이 있는데 엄밀히 말하면 화석연료를 사용하는 한 친환경차가 될 순없다.
이와 마찬가지로 국내외 전기 자동차 시장은 급속도로 성장하고 있고, 그 전망 역시 매우 밝기 때문에 각국은 전기 자동차 시장을 선점하기 위해 많은 투자를 진행하고 있다. 세계적인 자동차 강국은 대한민국이 전기 자동차 시장을 선점하여 세계적으로 많은 영향을 행사했으면 좋겠다.
이렇게 발전하는 전기 자동차의 기술 구성은 어떻게 돼있을까?
발전소에서 전기를 AC로 받아 충전소에서 AC를 DC로 변환하여 직류로 충전한다. 그러한 과정을 통해 배터리는 DC로 전기를 보관한다. 여기서 AC를 DC로 변환하는 장치를 인버터라고 한다. 원리를 생각해보면 매우 간단하다. 왜냐하면 전기는 +에서 ㅡ로 흐르고, 전하는 ㅡ에서 +로 흐르기 때문이다. '흐른다.' 라는 명제가 성립하기 위해선 전위(V)차가 있어야 한다. 만약 두 곳에 전하가 같은 양이 있다면 전위차가 발생하지 않아 전기가 흐르지 않을 것이다. 전위차에 대한 자세한 예시는 벼락이 있다.
아무튼 다시 전기자동차로 돌아와서 그렇게 충전된 배터리는 고압과 전압으로 나눠지는데 이때 전기는 DC이다. 고압은 모터쪽으로, 저압은 전장부품으로 간다. 발전소에서 오는 전압은 모터에 쓰이는 전압에 모자라므로 컨버터를 이용해서 고압에서 사용할 수 있게 하고, 저압에서 사용할 수 있게 한다. 여기서 고압은 400~800V 이고, 저압은 12V 정도이다.
전기차 충전 인프라는 아직까지 전기차의 한계를 보여주는 단적인 부분이라고 생각한다. 가정용 충전, 급속충전, 배터리 교체 등 다양한 충전방식이 존재하지만 내연기관 자동차에 비해 시간적인 부분에서 모자란다고 생각한다. 하지만 2010년부터 대기업들은 전문사업자들과 협력관계 구축을 통해 스마트 그리드(Grid) 사업기회와 연계된 전기 자동차 충전 솔루션 확보를 추진하고 있으니 앞으로의 전망은 밝다고 생각한다. 꾸준히 발전하는 전기 자동차와 같이 충전 인프라도 성장하고 있기 때문에 수요가 지속될 수록 충전 인프라 역시 발전할 것이다.
전기자동차의 컨트롤 계통을 구성하는 기술이 적영된 부품에는 다음과 같이 있다.
1. Battery Management System(BMS) : Battery의 충전과 방전 과정의 셀간 차이 축소, SOC나 SOH 등을 관리하는 시스템이다.
배터리는 플러스와 마이너스로 나눠 양극재와 음극재로 나뉘는데, 가운데에 전하가 이동하기 쉽게 전해액이 채워지고, 이들을 분리하기 위해서 분리막이 존재한다. 양극재, 음극재, 전해액, 분리막 이 4가지 요소를 흔히 배터리의 F4라고 하고, Cell이라고 한다. 플러스 쪽에는 알루미늄 소재가 있고, 마이너스 쪽에는 구리가 있다. 여기서 우리는 '리튬'에 주목해야 된다. 리튬은 최외각 전자가 하나이기 때문에 그 하나를 내보내서 안정화 되려고 한다. 그 말은 리튬 자체가 산화, 환원이 다른 소재들에 비해 너무 강력하기 때문에 대체 소재를 찾기 힘들다. 하지만 이러한 리튬에도 공기, 물과 접촉하면 안되고, 충격에 약하는 단점이 있어서 'NCM811' 니켈 : 코발트 : 망간 = 8 : 1 : 1로 섞어서 안정화 배터리를 안정화 시키고 있다.
2. Motor Control Unit(MCU) : 모터의 회전 속도와 회전력을 Control하는 기능
3. Battery Cooling System : 모터의 열화 마모를 방지할 목적으로 Coolking 기술 적용
4. Motor Cooling System : 모터의 열화 마모를 방지할 목적으로 Cooling 기술 적용
5. Gear Box Cooling System : 감속기어의 열화 마모를 방지할 목적으로 Oil Cooling 기술 적용
6. Temp Sensor System : 배터리 팩의 전후 좌우에 부착되어 배터리의 온도를 측정하고 온도에 따라 Cooling & Heating 을 진행
7. Advanced Drive Assistance System (ADAS) : 첨단 운전자 보조 시스템(LiDAR, RADAR, Camera System 등)
8. Electric Control Units (ECU) : 각종 전자 기기가 장착되 경우 이를 컨트롤 하는 기기가 동시에 적용되며 적게는 수 개에서 많게는 수십개가 적용 됨. 자율 주행으로 갈 경우 Level1이 Level 0에 비해 약 2배, Level 3가 3배, Level 4 이상이 4배 증가 예상
9. Relay System : Battery Pack의 고압 전류의 In & Outlet, 저압 전류의 In & Outlet Harness의 구성 시스템(Junction Box)
전기 자동차에서 배터리는 매우 중요한 요소이므로 나중에 전기자동차 카테고리에 추가 정보를 업로드 할 계획이다.
전기자동차에서 배터리가 차지하는 원가 비용은 높은 편인데 소형차로 갈수록 배터리 포지션은 작아진다. 슈퍼카 같은 경우 배터리가 40퍼센트 이지만 일반적으로는 60퍼센트 정도이다. 하지만 갈수록 가격은 떨어지는 추세이다. 배터리의 가격이 떨어지면서 구매력은 늘어나고 있다. 전기 자동차에서 배터리는 정말 필수적인 요소인므로 리튬이온과 희토류 등 배터리와 관련된 다양한 이슈에 대한 공부와 연구가 더욱 절실히 필요한거 같다.
