전기자동차는 온실가스 배출로 인한 환경 변화의 문제를 완화시킬 수 있는 기술이다. 전기자동차의 등장은 여러 분야에 중요한 영향을 주었는데, 특히 전력망에 스마트 그리드 기술을 운송 수단에 융합하여 쌍방항 의사소통을 가능케 함으로써 더욱 큰 파장 효과를 가질 것으로 기대된다.

여기에 더불어 정부 기관의 정책들이 전기자동차 개발을 가속화하고 있으며, 또한 전기자동차 자체 기술 개발, 즉 전기 동력 전달 장치 구조, 배터리 및 다양한 충전 기술 개발로 인하여 전기자동차의 저변이 더욱 확대되고 있다.

본 리뷰는 이에 전기자동차 역사와 현재까지의 기술 개발 상태 및 주요 전기자동차 구성 요소들의 개발 상태를 살펴보았다. 전기자동차는 환경적, 경제적 이점이 있음에도 불구하고 충분한 안정성과 신뢰성을 확보하기 위해서는 더 많은 기술 개발이 필요하며, 또한 이를 평가하기 위한 지속적인 실험 방법 개발도 필요하다. 

 

1. 서론
화석연료에 의한 온실가스 배출은 이미 그 문제의 심각성이 한계에 도달하여 급격한 날씨의 변화를 유발시키고 북극 빙하를 녹여 나날이 해수면의 수위가 높아지는 단계에까지 이르게 되었다. 그렇기 때문에 이러한 온실가스 배출에 의한 문제를 저하시키기 위해서는 즉각적인 조치가 필요하다.

이를 위해 국제에너지기구(IEA)는 2050년까지 특별한 조치가 없을 경우 온실가스 배출이 두 배가 될 것이라 경고하고 있으며, 이를 완하시키기 위해 지구 평균 온도 상승을 2oC로 제한하고자 다가적인 미래 에너지 시스템 구상을 제안하였다[2, 3]. 
2009년 기록에 의하면 전체 에너지 관련 온실가스 배출의 25%를 차지하는 것이 운송 수단이었다. 이러한 이유로 운송에 관련된 배기가스 배출을 줄이고자 다각적인 노력을 기울여왔는데, 그중에서 새로운 연료를 개발하는 것과 배기가스를 줄이고 운송 차량의 효율을 증진시키는 청정기술 개발에 집중되었다.

특별히 전기자동차 개발은 (1) 에너지원을 다양화하여 에너지 안보를 증가시키며, (2) 새로운 산업을 개발함으로써 경기를 부양을 촉진하고, (3) 배기가스 배출을 최소화함으로써 지구환경을 보호할 수 있다.

이러한 이유로 세계 여러 나라에서는 전기자동차 구매 시 다양한 혜택을 부여함으로 2012년 현재 18만 대의 전기자동차가 운행 중이며, 이는 전체 운송 수단의 0.02%이지만 그 비율은 지속적으로 증가하고 있다. 본 글은 현재 전기자동차 기술을 살펴보고 앞으로 전기자동차 개발에 따른 영향과 미래 가능성들을 살펴본다. 

 

2. 전기자동차 역사와 현황
전기자동차 기술은 19세기 이후부터 지금까지 수많은 변화를 경험하였다. 전기자동차가 과거에 운송 수단으로 최상의 선택이었던 경우도 있었다. 전기로 움직이는 자동차는 전기모터의 개발과 동시에 시작되었다. 1832년에서 1839년 사이에 R. Anderson이 재충전할 수 없는 일차 배터리 셀을 이용한 전기 마차를 개발하였다. 

이후에 다양한 전기 마차가 개발되었지만 전기모터를 충전할 충분한 배터리셀이 부족하여 실제 이동 수단으로 이용하기에는 부적절하였다. 

▲ [표 1] 전기자동차 및 기반 시설 현황.

1856년과 1881년 사이에 직류 전기모터와 충전 가능한 배터리가 연속적으로 개발됨에 따라, 특히 W. Siemens, A. Pacinotti, Z. Gramme는 높은 효율을 가지는 직류 전기모터를 개발하였다.

더불어 1859년에 G. Plante가 최초로 충전 가능한 납 축전지를 개발하였고 1881년경에 C. A. Faurre 실제 전기자동차에 사용 가능한 납 축전지를 개발하였다. 이와 같이 직류 전기모터와 축전지의 개발은 전기자동차 산업에 촉진제가 되었다. 1897년 뉴욕 시에서는 최초로 상용 전기자동차 택시가 나타났고 이후 3년 만에 전체 자동차의 28%를 전기자동차가 차지하게 되었다[4]. 

하지만 그로부터 10여 년 후에 전기자동차는 큰 난관을 맞아하게 되었다. 1908년 H. Ford에 의해서 포드 모델 T와 같은 휘발유 자동차가 시장에 나타나게 되었다. 또한 1912년에 C. Kettering은 휘발유 자동차에 시동을 걸기 위한 손 크랭크를 제거하여 간편하게 하였으며 싼 원유로 인한 휘발유 자동차를 이용하는 단가를 저렴하게 하였지만 반면에 전기자동차는 상대적으로 짧은 주행거리와 충전 장소의 부족으로 1935년에는 도로에서 더 이상 전기자동차를 발견할 수 없게 되었다. 

하지만 그로부터 수십 년이 지난 후에, 휘발유 자동차로 인한 배기가스 문제와 높은 원유 가격으로 인하여 전기자동차에 대한 관심이 다시 일어나기 시작하였다. 정부 기관은 자동차 배기가스를 줄이기 위한 법령을 만들었고 전기자동차와 하이브리드 자동차 개발을 장려하였다.

예를 들어 1990년에 미국 캘리포니아 주는 무공해 자동차 의무 사항을 고시하며 1998년과 2003년까지 전체 운송 수단의 2%와 10%까지 무공해 자동차가 점유할 것을 입법화하였다[5]. 그 이후로 많은 자동차 회사들이 하이브리드 자동차 개발에 노력을 기울였다.

예를 들어 1996년에 GM는 EV1을 생산하였고, 다음 1997년에 도요타에서는 세계 최초로 하이브리드 전기자동차, Prius를 일본에서 시판하여 그 한 해 동안 18,000대를 판매하였다. 원유 가격이 계속 상승함에 따라 더 많은 자동차 업계에서 전기자동차 개발에 참여하였다.

2010년 이후에는 닛산의 Leaf, 미츠비시의 i-MiEV, 쉐보레의 Bolts, 테슬라의 모델 S 등과 같은 배터리 전기자동차(BEVs)와 플러그인 하이브리드 전기자동차(PHEVs)가 시장에 등장하기 시작했다. 2012년 현재 전 세계 전기자동차 현황은 표 1에 나타나 있는 것과 같이 약 18만 대가 출시되었으며 전기자동차 기반 시설 현황 또한 지속적으로 증가하고 있다. 


3. 전기자동차 기술
3.1. 동력 전달 장치
전기자동차는 하이브리드 전기자동차(HEVs), 플러그인 하이브리드 전기자동차(PHEVs), 배터리 전기자동차(BEVs)로 분류할 수 있다. 하이브리드 전기자동차는 가솔린 자동차의 내부 연소기관과 전기모터가 함께 구동하는 방식이며, 외부에서 에너지원에 의한 충전을 필요하지 않고 대신 내부 연소 기관에 의해서 배터리를 충전하거나 재생된 에너지원을 통해서 충전한다.

하지만 이러한 방식은 전기에너지를 화학에너지로 변환해야 하기 때문에 전기자동차가 속도 자체가 느리다. 플러그인 하이브리드 전기자동차는 기존의 하이브리드 전기자동차와 비슷하지만 보다 큰 배터리팩을 가지고 있어 외부 충전 시설에서 충전할 수 있다. 마지막으로 배터리 전기자동차는 순수하게 배터리로만 주행한다. 

하이브리드 전기자동차와 플러그인 하이브리드 전기자동차는 두 가지 에너지원을 이용함으로써 주행한다. 이와 같은 전기자동차의 다양한 동력 전달 장치는 [그림 1]에서 볼 수 있다. 

▲ [그림 1] 전기자동차 전력 전달 장치[1].

(a)는 직렬식 하이브리드 전기자동차의 동력 전달 장치를 나타내는데 오직 전기모터만 변속장치에 연결되어 운행되며 내부 연소 기관과 발전기는 배터리를 충전할 때만 사용된다. 이와 같은 직렬식 하이브리드 전기자동차는 ‘가고 서고’를 반복하는 시내 주행에 적절해 연비가 기존의 휘발유 자동차보다 25% 정도 향상시키며 이 직렬식 동력 전달 장치 구조와 디자인이 간단한 장점이 있다. 

(b)는 전형적인 병렬식 하이브리드 전기자동차 동력 장치를 나타낸다. 전기모터와 내부 연소 기관이 동시에 변속장치와 바퀴에 연결되어 있어 직렬식 하이브리드 전기자동차보다 연비가 높으며 일반 상용차와 비교해서 40% 연비가 향상되어 일반 시내 주행뿐만 아니라 고속도로에서도 주행된다. 현재 혼다의 Insight와 포드의 Escape가 이에 해당된다. 

(c)는 직렬-병렬 혼합식 하이브리드 전기자동차의 동력 장치를 보여준다. 이는 직렬식과 병렬식의 혼합적으로 사용하여 최대한의 이점을 가지려는 의도이지만 그림에서와 같이 복잡한 구조로 인하여 생산 단가가 높다는 단점이 있다. 현재 혼다의 Prius가 이에 해당된다. 

(d)~(f)는 플러그인 하이브리드 전기자동차 동력 전달 장치를 보여준다. 기본적으로 하이브리드 전기자동차의 동력 장치와 동일한 구조를 가지고 여기에 외부에 충전할 수 있는 배터리 충전기를 탑재하고 있다. 플러그인 하이브리드 전기자동차는 비교적 큰 배터리팩을 가지고 있어 하이브리드 전기자동차와 비교해서 상대적으로 먼 거리를 전기로만 갈 수 있다.

또한 시동 시에는 전기에너지만을 이용하고 배터리의 임계 수준 이하로 전력이 떨어질 때 내부 연소 장치가 가동하여 주행하며 이 때 발생하는 기계적 에너지를 또다시 배터리를 충전하는 데 이용함으로써 보다 높은 효율을 가지게 된다. 

배터리 전기자동차는 오직 전기모터만을 이용하므로 큰 용량의 배터리팩이 필요하며 외부에서 충전할 수 있는 충전소가 필요하다. 닛산의 Leaf는 24kWh 리튬 이온 배터리팩을 탑재하여 최대 한 번 충전으로 160km까지 주행할 수 있다. 배터리 전기자동차의 장점은 배기가스 배출이 없다는 것이다.  

 

3.2. 배터리
배터리는 전기자동차의 핵심 부품이지만 현재 전기자동차 배터리 기술에 한계가 있어 전기자동차의 저변 확대에 장애가 되고 있다. 현 전기자동차 배터리는 전기자동차의 주행거리에 직접적으로 관계가 있는 에너지밀도가 아주 낮은 편이다. 또한 내연기관 휘발유 자동차와 비교해서 배터리의 가격이 상대적으로 높고, 수명과 안정성에 대한 우려로 인하여 전기자동차 저변 확대에 장애가 된다. 

하지만 지난 십여 년 동안 전기자동차는 괄목한 성장을 했고 배터리 기술에 있어서도 높은 에너지밀도, 높은 전력밀도, 저렴하고 안정성 있으며 또한 오래 쓸 수 있는 배터리 개발에 성과를 거두며 몇 가지의 기술적 성장 단계를 밟았다. 그림 2에 배터리 개발 단계를 간략하게 나타내었다.

▲ [그림 2] 전기자동차 배터리 개발 단계[1].

최초로 운송 수단에 사용한 배터리 기술은 납 축전지이다. 납 축전지의 유래는 전기를 발생시키기 위해 납 전극과 산을 이용한 것으로 그 이름이 유래한다. 납 축전지는 기술적으로 이미 성숙하고 가격이 저렴했지만 에너지밀도가 낮고, 무겁고, 주기적으로 전해질 수위를 측정해야 하고 친화성 환경물질이 아니라는 단점이 있었다. 

다음으로 Ni-Cd과 니켈 금속 하이브리드(Ni-MH)와 같은 배터리들이 곧장 납 축전지를 대체하게 되었다. 니켈계 배터리는 납 축전지와 비교해서 기술적으로도 성숙하고 높은 에너지밀도를 가지고 있었다.

그래서 지난 10여 년간 니켈계 배터리, 특히 Ni-MH가 전기자동차의 배터리로 사용되었다. 하지만 이 니켈계 배터리도 낮은 충/방전 효율과 높은 자가 방전율 및 배터리 용량이 감소하는 기억 효과(memory effect)와 추운 날씨에 성능이 급격히 감소되는 단점 등으로 인하여 더 이상 전기자동차에서 사용되지 않고 사라지게 되었다.

▲ [표 2] 전기자동차 배터리 성능.

니켈계 배터리가 개발되었던 비슷한 시기에 ZEBRA(Zeolite Battery Research Africa Project) 배터리(Na-NiCL2 배터리)가 전기자동차 산업에 도입되었다. 이 배터리는 전해질 물질로 나트륨 염을 사용하여 245~350도가량 되는 높은 온도에서 작동하며 높은 에너지밀도와 전력밀도를 가져 전기자동차 배터리로 적합하지만 200도 이상의 높은 온도에서 작동하여 관리 측면과 안정성에 유의해야 하기 때문에 단점으로 작용하였다. 

최근에 전기자동차 배터리에 리튬을 기반으로 하는 배터리를 개발함으로써 전기자동차의 새로운 장을 열게 되었다. 그 이유는 리튬 기반 배터리가 에너지밀도와 전력밀도가 높고, 가볍고, 가격이 저렴하고, 유해하지 않으며 빨리 충전할 수 있기 때문이다.

현재 닛산 Leaf, 미츠비시 i-MiEV, 테스라 모델 S, 쉐보레 Bolts에 탑재되어 있다. 이와 같은 리튬 배터리에는 리튬 이온 배터리(Li-ion), 리튬 이온 폴리머(LiPo) 배터리 그리고 리튬 철 인산염(LiFePO4) 배터리가 있다. 리튬 이온 배터리에서 개발된 리늄 이온 폴리머 배터리는 다양한 모양으로 제작할 수 있어 부피를 최적화할 수 있다.

반면 리튬 철 인산염 배터리는 높은 전력밀도, 수명, 안정성을 가지고 있지만 리튬 이온 배터리와 비교해서 에너지밀도는 떨어진다. 현재 리튬 기반 배터리는 화재와 폭발의 위험성을 가지고 있어 기술적으로 더 발전할 여지를 남겨 두고 있다. 

이외에도 아직은 실험 단계에 있지만 높은 성능을 보일 수 있는 잠재력 있는 전기자동차용 배터리들이 있다. 예를 들어 리튬-황 배터리, 아연-공기 배터리, 리튬-공기 배터리 등이다.

리튬 황 배터리는 리튬계 배터리 중에 상대적으로 높은 에너지밀도를 가지며 황 값이 저렴하므로 상대적으로 낮은 배터리 가격을 형성하지만 방전율이 높아 수명이 짧은 단점이 있다. 공기 아연 배터리는 리튬계보다 에너지밀도가 훨씬 높지만 낮은 전력밀도와 짧은 수명을 가지고 있다.

비슷하게 공기 리튬 배터리도 아직 개발 단계에 있지만 이론적인 에너지밀도가 1700Wh/kg으로 내부 연소 기관과 비슷한다. 표 2는 전기자동차용 배터리의 특성을 정리한 것이다.  

3.3. 충전 장치
플러그인 하이브리드 전기자동차(PHEVs)와 배터리 전기자동차(BEVs)는 충전 장치를 통해서 외부 전력망에서 배터리를 충전한다.

이러한 충전기는 전력망에서 공급된 교류 전류를 직류로 바꿀 수 있어야 하며, 또한 배터리에 충전할 수 있는 적절한 전류로 정류시킬 수 있어야 한다. 그래서 다음과 같은 충전 표준, 충전기 구조, 충전 방식 등이 충전 장치에 있어서 중요하다.

 

3.3.1. 충전 표준
a. SAE 표준  
[표 3]과 같이 미국 자동차기술학회(SAE)는 직류와 교류에 따라 각각 3단계로 전기자동차 충전 표준을 나누었으며 이에 따른 충전 속도와 시간을 분류하였다.  

▲ [표 3] SAE 전기자동차 충전 표준.

b. IEC 표준   
국제전기기계표준회의(IEC)에서는 SAE표준이 충전 범위로 분류된 것과 다르게 충전 종류와 방식에 따라 분류하였다. IEC 표준은 전기자동차 연결 방식에 따라 몇 가지로 분류하고 외부 전력망에서 충전하는 방식을 네 가지로 나누었다. 처음 세 가지 충전 방식은 교류 충전으로 3~10시간 정도 충전 시간을 가지며, 마지막 방식은 직류 방식으로 0.16시간(10분) 정도의 충전 시간이 요구된다.

c. CHAdeMO 표준   
도쿄전력이 개발한 급속충전기 규격인 CHAdeMO는 50kW 직류충전기(500V, 100A)를 사용하여 30분 정도로 80% 충전을 요구한다. 

 

3.3.2. 충전기 구조 
a. 전방 AC/DC 변환기과 후방 DC/DC 변환기  
가장 일반적인 충전기 구조로 전방 변환기는 AC를 DC로 정류하며 후방 변환기는 배터리를 충전하는 데 이용된다. 또한 전방 변환기는 다음과 같은 기능이 필요하다.

- 실제 전력 분리 
- 무효 전력 제어 
- DC 링크 전압 조정 
- 통일 역력 보정 
- 전류 고주파 제거 
- 무효 전력 보정 

후방 변환기는 전방 변환기와 다르게 다양한 모양을 가지고 있으며 그에 따른 기능들도 다양하다. 

b. 전방 AC/AC 변환기와 후방 AC/DC 변환기    
두 번째로 널리 사용되는 구조로 전방의 변환기는 초기에 교류를 적절한 수준으로 공급한 이후에 후방의 변환기가 배터리를 충전하기에 적절한 직류로 정류한다. 전방 변환기 구조로는 삼상 변압기와 임피던스 소스 네트워크가 있으며, 후방 변환기는 3가지가 있는데 다음과 같다. 

- 3상 3위 다이오드 탑재 변환기 
- 능동형 정류기 
- 무제어 정류기 

c. 통합형 변환기    
통합형 변환기는 기존의 전기 구동 장치를 이용한 것으로 차가 정지 상태에서 외부 전원을 통해 충전되기 때문에 이때 전기 구동 장치가 충전기로 사용 가능하고 또한 전기 구동 장치의 역변환기는 정류기로도 사용된다.

비슷하게 전기모터도 인덕터로도 사용될 수 있기 때문에 여과 장치로도 이용될 수 있다. 이와 같이 통합형 변환기는 비용과 공간 및 전체 무게를 감량하는 장점이 있다. 

d. 무선 충전기(인덕터 충전기)     
앞의 세 가지 충전기 구조는 전도형 충전기이기 때문에 물리적으로 전기 공급원과 전기자동차를 연결해야 하지만 유도형 충전기는 물리적으로 연결할 필요가 없는 무선 충전기이다.

유도 코일이 차 내부에 설치되어 있어 전자석의 원리에 의해서 충전하게 된다. 현재까지 무선 유도 충전기 기술이 아직 발달 단계에 있어서 효율이 낮지만 기술이 원숙해지면 이와 같은 무선 유도 충전기가 안전하고 내구성이 높은 장점으로 인하여 전기자동차 사용율을 보다 확대시킬 것으로 기대된다.

3.3.3. 충전기 방식
전기자동차의 충전 방식은 다양한 방법이 있는데, 그중 정전류(CC) 방식은 배터리 전압이 미리 정해진 수치까지 올라갈 때까지 충전 전압을 변경시켜가면서 일정한 충전 전류를 흘려주는 방식이다.

반대로 정전압(CV) 방식은 충전 전류가 거의 0이 될 때까지 충전 전류를 변화시켜가면서 일정한 전압을 배터리에 충전하는 방식이다. 정전력(CP) 방식은 이름 그대로 배터리를 충전할 때 일정한 전력으로 충전하는 방식이다.

▲ [그림 3] CC/CV 충전과 펄스 충전 계략도[1].

테이퍼(taper) 충전은 일정하지 않는 전압원을 이용하여 충전하는 방식으로  배터리 내 전압이 증가함에 따라 충전 전류가 감소하며 때로 과충전에 의한 배터리에 좋지 못한 영향을 주곤 한다. 또 방식으로는 세류(trickle) 충전이 있는데, 전기의 자가 방전에 의한 손실을 위해 적은 전류로 충전하는 방식이다. 

CC/CV 충전 방식은 지금 현재 전기자동차에 가장 많이 이용되는 충전 방식으로, 리튬 이온 배터리를 빠르게 충전하기에 편리하다. 이 방식은 먼저 정전류(CC) 방식으로 일정 전압까지 충전한 이후에 정전압(CV) 모드로 전환한 후 적은 전류로 마지막 충전을 하게 된다. 

펄스(pulse) 충전은 충전 전류를 펄스 형태로 주는 방식으로, 충전 속도는 펄스의 폭을 변화시키면서 조절할 수 있다. 이와 같은 펄스 충전 방식의 특징은 배터리에 일어나는 화학반응을 안정화시킬 수 있는 1000분의 20~30초의 정지 시간을 가질 수 있다. 또한 이 정지 시간에 역방전 펄스를 줌으로써 전극 표면에 생길 수 있는 기포를 제거하여 전반적인 충전 공정을 향상시키고 수명을 연장시킨다. 그림 4는 CC/CV 충전 방식과 펄스 충전 방식을 나타낸 것이다.  

 

4. 전기자동차 확대 영향
4.1. 경제적 영향
전기자동차 확산에 따른 경제적 영향은 두 가지 측면에서 살펴볼 수 있다. 첫 번째는 전력망 측면이고, 두 번째는 사용자 측면이다. 전력망 측면에서는 전기자동차 확대로 인하여 충전 기반 시설이 필요한데, 이런 시설을 설치하기 위해 막대한 설치 비용과 이에 따른 에너지를 사용해야 하며 또한 이렇게 설치된 충전소 충전소까지 전력을 공급할 때 필연적으로 발생하는 에너지 손실이 있다는 것이다.

하지만 이러한 비용은 전기자동차 충전을 어떻게 효율적으로 할 것인가에 따른 관리를 통하여 비용을 절감할 수 있고, 또한 충전소 전력 공급원도 풍력에너지와 같은 재생산 가능한 에너지를 이용한다면 그 비용이 훨씬 줄어들 것이다. 

사용자 측면에서 전기자동차를 이용할 때에 훨씬 높은 연비와 저렴한 전기를 이용하는 장점이 있지만 반대로 전기자동차를 구입할 때 비싼 배터리 가격으로 인하 초기 비용이 높다는 단점이 있다. 하지만 이러한 단점도 정부 보조와 대량생산으로 극복할 수 있다.

4.2. 환경적 영향
전기자동차는 배기가스를 방출하지 않기때문에 환경친화적이다. 하지만 전기자동차를 충전하기 위한 전기에너지는 전력 공급소에서 전력망으로 전송되는데, 이때 전기만 생산하는 게 아니라 온실가스도 배출하게 된다.

그래서 휘발유 자동차와 전기자동차를 비교하기 위해서 “유정에서 차바퀴 배출(wells to wheels emissions)”이라는 지표를 만들어 자동차의 전체 수명에 따른 배출가스를 측정하는데, 여기에 배기가스뿐만 아니라 전기와 원유를 생산하기 위한 에너지와 자동차 강판 등 차제 재료를 생산하기 위한 에너지를 계산하였다.

많은 연구 결과에 따르면 전기자동차가 가장 낮은 유정에서 차바퀴 배출 지표를 갖는다고 보고하고 있다. 하지만 기본적으로 전기자동차의 전력 공급원에 따라 그 지표가 많이 달라질 수 있다. 

 

4.3. 전력망 영향
전기자동차 수요 확대에 따라 충전을 하기 위한 전력망에 관한 관심이 확대되고 있다. 예를 들어 충전하기 위해 큰 전기가 필요한 전기자동차가 충전소에 연결되었을 때 전력망에 상대적으로 부정적인 영향을 줄 수 있다.

예를 들어 고주파가 발행하거나 시스템 손실, 전압 감소, 상 불균형, 장비에 과부하, 안정성 등의 문제가 있을 수 있다. 이와 관련하여 수많은 연구가 진행 중이고 다음과 같은 연구 분야가 중점적으로 다루어지고 있다. 

- 전력 부하 프로파일 
- 시스템 구성 요소(네트워크) 
- 시스템 손실 
- 전압 프로파일 및 상 불균형 
- 고주파 및 안정성 

5. 스마트 그리드 상호 연결성
스마트 그리드는 현대화된 전력망으로, 전력 공급에 있어서 보다 높은 신뢰성과 효율성 및 지속성을 제공하기 위해 컴퓨터를 기본으로 리모트 제어와 자동화를 기반으로 하는 기술이다.

이와 같은 스마트 그리드는 에너지 공급 업체와 사용자 사이에 쌍방향 의사소통을 제공할 수 있다. 실제로 스마트 그리드를 적용한 사례들은 많이 있다. 예를 들어, 호주의 Smart Grid Smart City, 캐나다의 Ontario Smart Metering Initiative, 영국의 Low Carbon London, 아일랜드의 ECAR project, 일본의 Yokohama Smart City Project, 한국의 Jeju Smart Grid System, 그리고 미국의 Houston’s Smart Grid 등이 있다[6]. 스마트 그리드 기술에 있어서 다음과 같은 사항이 중요하다. 

- 첨단 계량 인프라 
- 제어 감독 및 데이터 분석 
- 홈 자동차 네트워크 
- 수요 반응 
- 분산된 전력망의 통합 
- 자동차와 그리드 사이 쌍방향 소통(V2G) 

 

6. 기술 개발 한계
전기자동차로 인하여 환경과 전력망에 많은 유익을 줌에도 불구하고 아직 넘어야 할 장벽과 도전 및 한계들이 있다. 기본적으로 현 시점에서 전기자동차 기술이 완전히 성숙한 단계가 아니라는 점이다.

예를 들어, 지난 십여 년 동안 배터리에 많은 발전이 있어왔음에도 불구하고 현재 전기자동차용 리튬 배터리는 에너지밀도가 낮고 수명이 짧으며 초기 비용이 높다는 것이다.

높은 성능을 가진 잠재력 있는 배터리가 몇 가지 있지만 아직까지 실험 단계에서 검증되고 있는 실정이다. 또한 쌍방 의사소통(V2G)하에서 배터리를 사용하는 것은 충방전 횟수를 증가시키기 때문에 배터리의 성능과 수명을 더 빨리 저하시킬 수 있다. 그래서 배터리의 기술적 측면과 경제적인 측면을 고려한 연구가 지속적으로 되어야 한다. 

또한 현재 충전 기술도 한계가 있으며 스마트 그리드 내의 V2G를 구현하기에는 아직 이른 상태이다. 현 시장에 사용되는 전기자동차 충전기는 한 방향 충전 형태를 가지고 있다.

하지만 다가올 스마트 그리드 시대에 V2G를 구현하기 위해서는 반드시 쌍방향 충전기가 꼭 필요하다. 하지만 이런 충전기는 아직도 실험 단계에 있어 시판되지 못하고 있다. 또한 충분한 충전 시설을 갖는 완전한 충전 네트워크도 필요하고 이를 위해 적절한 계획과 수많은 투자가 요구된다. 

 

7. 결론
본 글은 현재까지의 전기자동차의 역사와 최신 개발 상황 등을 정리하였다. 2012년 기준으로 약 18만 대 이상의 전기자동차가 주행하고 있으며 앞으로 더 증가할 것으로 기대된다. 전기자동차 구매자에 대한 장려 정책과 충전 시설 개발, 배기가스 방출로 인한 환경오염 유발 등의 요인으로 인하여 전기자동차 기술 개발에 관심이 앞으로도 집중될 것이다.

다양한 전력 운송 구조, 새 배터리 기술, 다양한 충전기 컨버터 구조가 지속적으로 개발되었다. 본 리뷰 논문은 전기자동차 개발에 의한 환경적인 영향, 경제적인 영향 및 전력 그리드에 대한 영향을 정리하였다.

전기자동차 개발을 위해 아직 넘어야 할 과제가 많음에도 불구하고 전기자동차 개발로 인한 많은 잠재적인 기회, 즉 스마트 그리드 내에서 쌍방 의사소통과 재생산 에너지원을 전력원으로 이용할 수 있음을 다루었다. 이에 본 글은 현재 전기자동차 개발 상황과 앞으로 나아가야 할 방향 등을 알 수 있는 중요한 자료가 될 것이라 사료된다. 

 

References 

1.     J. Y. Yong, V. K. Ramachandaramurthy, K. M. Tan, and N. Mithulananthan, A review on the state-of-the-art tehcnologies of electric         vehicle, its impacts and prospects, Renewable and Sustainable Energy Reviews 49(2015) 365-385. 
2.     International Energy Agency [Internet]. Energy Technology Perspectives 2012: the wider benefits of the 21C Scenario. [updated 2013 Jul9; cited 2014 Jan11]. Available from: http://www. iea.org /etp/faq/factsheets/widerbene fitsof2ds/.   
3.     International Energy Agency. [Internet]. Energy Technology Perspectives 2010. [updated 2013 Jun 10; cited 2014 Jan11]. Available from: http://www.iea.org/publications/freepublications/ publication/etp2010.pdf. 
4.     International Energy Agency [Internet]. Global EV Outlook: understanding the electric vehicle landscape to 2020. [updated 2014 Jan 2; cited 2014 Jan 15]. Available from: ?http:// www.iea. org/publications/freepublications/publication/ name,37024,en.html. 
5.     Bellis M. Inventors.about.com [Internet]. History of Electric Vehicles. [cited 2014 Jan 22]. Available

 

글 : 윤여재 (Honeywell)
자료 협약 및 제공 : KOSEN(한민족과학기술자 네트워크) / www.kosen21.org

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