전기자동차 기술 및 특허 동향 - 테슬라 자동차를 중심으로

신일영 기자
입력 2017.05.01 00:00

Ⅱ. 전기자동차 최신 기술개발 현황 및 테슬라 자동차 인기의 비결

- HEV, PHEV, BEV 및 FCEV 자동차 비교 및 테슬라 자동차의 장점에 대하여(1)

1. 전기자동차 최신 기술개발 현황

전기자동차는 이 시대의 니즈(needs)에 가장 부합되는 자동차로 인식되고 있으며, 공기오염을 감소시키는 장점을 가진다. 하지만, 휘발유 자동차와 비교하여 주행거리가 짧고, 충전 인프라가 상당히 필요하며, 전기자동차 배터리를 충전시키는 시간이 길다는 단점이 존재한다. 따라서 본고에서는 최근 상용화 진행 중인 전기자동차의 기술개발 현황 및 테슬라 자동차가 많은 사람으로부터 환호 받는 이유에 대하여 구체적으로 살펴보고자 한다.

1). 하이브리드 전기자동차

하이브리드 전기자동차(HEV: Hybrid Electric Vehicle)는 두 종류 이상의 동력원을 함께 이용하는 전기자동차를 말한다. 통상 휘발유(또는 디젤)엔진과 전기 모터를 함께 사용하는 자동차를 지칭하며, 연료가 많이 이용되는 순간휘발유엔진 대신 전기 모터를 작동시킴으로써 연료 사용을 저감하고, 배기가스 배출도 줄이는 전기자동차를 의미한다. 즉, 하이브리드 전기자동차는 출발 및 가속 시에는 엔진+모터로 구동되며, 정속주행시는 엔진만 구동, 감속 시에는 전기자동차 모터의 발전 작용(발전기 동작)으로 배터리가 충전되는 방식이다([그림 1] 참고). 대표적인 하이브리드 전기자동차는 Citroen社의 C2, 혼다社의 시빅, 도요타社의 프리우스가 있다([그림 2]참고).

[그림 1] 하이브리드 자동차의 정의 및 작동개요

2). 플러그인 하이브리드 전기자동차

플러그인 하이브리드 전기자동차(PHEV: Plug-in Hybrid Electric Vehicle)는 가정용 전기를 이용하여 전기자동차의 배터리에 충전할 수 있는 하이브리드 전기자동차를 지칭하며, 배터리의 완전충전을 통하여

50~60km의 거리를 전기로만 주행하는 전기자동차를 말한다. 대표적인 플러그인 하이브리드 전기자동차는 GM社의 Volt가 있다([그림 3] 참고).

[그림 3] 플러그인 하이브리드 전기자동차(GM Volt)

3). 배터리 전기자동차

배터리 전기자동차(BEV: Battery Electric Vehicle)는 내연기관 엔진은 없으며, 순수하게 전기모터의 회전력으로만 달리는 전기자동차를 의미한다. 필요한 전기는 100% 충전을 통해서 얻으며, 대기오염이 전혀 없는 가장 친환경적인 전기자동차이다. 테슬라社의 모든 전기자동차(모델S, X, 3)와 니산社의 Leaf가 대표적인 배터리 전기자동차(BEV)이며, 완전 무공해의 가장 향상되고 발전된 전기자동차라고 할 수 있을 것이다([그림4] 참고). 다만, 전기자동차의 배터리(리튬-이온 배터리) 충전 전력밀도는 휘발유와 리튬-이온의 에너지 저장밀도 비교¹⁾하여 상당히 떨어지기 때문에 장거리 운전에 한계가 있어 충전시간 단축이 개선돼야 할 것이다.

4). 연료전지 전기자동차

연료전지 전기자동차(FCEV: Fuel Cell Electric Vehicle)는 배터리 전기자동차와 마찬가지로 순수하게 전기 모터의 회전력으로만 주행하며, 전기모터에 공급되는 전기를 연료전지(Fuel Cell)로부터 공급받는 것을 특징으로 한다.

1) 휘발유와 리튬-이온의 에너지 저장밀도 비교. Wikipedia 인터넷 사이트, Energy density, https://en.wikipedia.org/wiki/Energy_density

기준	휘발유	리튬-이온 배터리	차이
무게(1kg)	46MJ	0.7MJ	65.71배
부피(1L )	36MJ	2.23MJ	16.14배

연료전지란 수소(H2)와 산소(O)를 반응시켜 전기를 생산하는 장치로 배기가스가 전혀 없고, 물(H2O)만 배출되는 친환경 전기자동차다. 다만, 수소의 대량생산 및 차량 내에 수소의 저장 등이 장애요인으로 개술개발이필요하다([그림 5] 참고). 대표적인 연료전지 전기자동차로는 GM社의 Equinox, 도요타社의 FCHV-avd가 있다. 최근 현대자동차는 2018년 상반기 출시를 목표로 투산 FCEV를 연구하고 있으며, 기존 CNG 버스를 연료전지 전기자동차 버스로 교체하는 것도 검토하고 있다. 대표적인 HEV, PHEV, BEV 및 FCEV 전기자동차의 특징을 정리하면 다음 <표 1>과 같다.

2) 송민규, 리튬이온전지 소재기술 동향 분석 및 전망, KDB 산업은행 보고서 및 정용욱 외 공저, 전기자동차 2판, GS인터비전, 2013.08. pp. 56 참조하여 업데이트 함

하이브리드 전기자동차는 기존의 내연기관 자동차에서 100% 완전한 전기자동차로 이행하는 중간적인 자동차라고 할 수 있다. 따라서 하이브리드 전기자동차는 현재 대부분의 자동차 회사가 집중적으로 연구개발하고 있으며, 모터의 사용정도(전기화 정도)에 따라서 ①Micro(Mild) HEV ②Soft(Power Assist) HEV ③Hard(Full) HEV로 구분할 수 있다. 다음은 Micro(Mild) HEV, Soft(Power Assist) HEV 및 Hard(Full) HEV에 대한 구체적인 설명이다.

① Micro(Mild) HEV

Micro HEV(마이크로 하이브리드 전기자동차)는 공회전시 시동이 자동으로 꺼지고, 출발 시 엑셀레이터를 밟으면 시동이 켜지는(idle stop & go system) 방식의 차량으로 전기모터는 보조역할만 하는 차량을 의

미한다. 기존의 내연기관에 부착하거나 제약조건이 많은 소형차량에 적합한 방식으로 이산환탄소(CO2) 감소율이 5~10% 정도의 하이브리드 전기자동차다([그림 6] 참고).

② Soft(Power Assist) HEV

Soft HEV(소프트 하이브리드 전기자동차)의 경우 Micro HEV 방식보다는 모터의 보조역할이 더 크다. 대부분 병렬방식의 Soft타입으로 현대자동차의 아반떼 LPI 하이브리드 및 혼다자동차의 시빅 하이브리드와

같이 엔진+전기모터+변속기(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 있으며 모터는 단지 추진의 보조역할을 하고, Soft HEV는 전기적인 비중이 적어 가격이 저렴한 장점이 있다. 반면, 순수 전기모드 구현이 불가능하여 배기가스 저감 및 연비개선에서 상대적으로 불리하게 된다. Soft HEV는 시동이나 가속 순간에만 전기모터가 엔진을 보조하고 정속주행 시는 일반자동차와 동일한 엔진으로만 구동하는 타입으로 Hard HEV 대비 연비가 나쁜 것이다([그림 7] 참고).

③Hard(Full) HEV

Hard HEV(하드 하이브리드 전기자동차)의 경우 전기모터가 출발과 가속 시에만 역할을 하는 것 이상으로 주행시에도 전기모터가 사용되는 방식이다. 내연기관과 전기모터의 배치에 따라 직렬형, 또는 직·병렬형(혼합형)으로 구분되며, 도요타의 프리우스가 이 방식의 대표적인 전기자동차 모델이다([그림 8] 참고). Hard HEV는 엔진이 전기모터 2개를 가지고 있으며, 변속기(CVT: Continuously Variable Transmission)로 구성된 하이브리드 시스템으로 엔진, 모터, 발전기의 동력을 분할/통합하는 기구인 유성기어를 채택하여 효율적으로 동력을 배분한다. 전기모터 2개가 유기적으로 작동하여 동력보조 역할도 수행하기 때문에 순수한 전기자동차로 구동 가능하다.

Hard HEV는 2개 이상의 모터 제어가 필수적이며, 대용량 축전지가 필요하여 Soft HEV와 비교 시 전용부품이 1.5~2배 이상 고가인 단점이 있지만, 회생제동 효율이 우수하고 연비가 좋은 장점이 있다. 기존의 Hard HEV에 대용량 축전지를 추가하고 집에서 축전지를 충전하면, 연료절감으로 멀리 주행하게 되는데 이러한 자동차를 플러그인 하이브리드 전기자동차(PHEV)라고 한다. HEV, PHEV, BEV 및 FCEV의 종류별 연료효과 및 이산화탄소 감소율에 대해서는 [그림 9]와 같이 정리할 수 있다. (다음호에 이어짐)