2020년부터 본격적인 전기차 시대가 펼쳐진다

[테크월드=김경한 기자]

대한민국 전기자동차 시대의 본격적인 출발점은 언제일까?

대학의 전기자동차 분야에서 후학을 교육하는 필자가 보기에 대한민국 전기자동차 분야의 본격적인 시작은 2017년으로 봐야 할 것 같다.

물론 2012년부터 전기자동차가 한국 시장에 보급됐지만, 대한민국은 2017년부터 정부 차원에서 본격적인 친환경 자동차에 대한 보조금 지급을 바탕으로 자동차 산업은 기계에서 전기로 변하기 시작했다. 테슬라(Tesla) 전기자동차도 2017년 3월부터 본격적으로 국내에서 판매됐다. 따라서 현 시점은 본격적으로 전기자동차 시대에 진입하는 변곡점을 지나고 있다고 할 수 있다. 

내연기관차의 ‘종말의 시대’가 다가오고 있다

[그림 1]은 환경부에서 발표한 대한민국 전기자동차 누적대수 예상치를 나타낸다. 2016년까지 한국은 누적대수로 총 5914대가 주로 관공서 위주로 보급됐다. 하지만 2017년 2만 6000대, 2018년 8만 6000대, 2019년 13만 6000대, 2020년 20만 대로 급격히 성장했으며, 그 밑바탕에는 정부가 민간 대중에게 보조금을 적극적으로 지원하고 있기 때문이다. 

[그림 2]는 전 세계 국가별 연간 판매량 전망으로 2025년 이후에 급격히 판매 증가가 예상되고 있다. [그림 3]은 전 세계 차량 등급별 연간 판매량 전망으로 중형차, 소형차, SUV 중심으로 판매 증가가 있을 것으로 전망되고 있다.

각 국의 내연기관 자동차의 규제 현황을 살펴보면, 유럽과 인도를 중심으로 강력하게 진행되고 있다. 먼저 유럽을 살펴보면, 노르웨이와 네덜란드는 2025년부터 내연기관 자동차 판매를 금지하고 내연기관 차량의 등록을 금지하도록 법제화했다. 영국과 프랑스는 2040년부터 내연기관 자동차의 판매를 중지하는 법을 제정했으며, 독일도 2040년에 내연기관 자동차 판매 중지하는 결의안을 통과시켰고 현재 법제화 작업 중이다. 인도의 경우는 2030년부터 전기자동차만 판매하도록 법제화했다.

이에 따라서 주요 자동차 회사인 볼보, 토요타, 폭스바겐, BMW 등은 2025년을 전후로 내연기관 자동차의 생산을 중단하고 대폭 감축을 시작하며, 2040년에는 내연기관 자동차의 전면 중단을 실시하는 회사 정책을 각종 언론을 통해 선언하고 있다. 

이제 내연기관 자동차의 ‘종말의 시대’가 점차 다가오고 있는 것이 현실이다. 
그리고 내연기관 자동차의 대안으로서 전기자동차는 시대적 요구(Needs)에 가장 부합하는 자동차로 인식되고 있으며, 공기오염을 감소시키는 장점을 가진다. 하지만, 휘발유 자동차와 비교해 주행거리가 짧고, 충전 인프라가 상당히 필요하며, 전기자동차 배터리를 충전시키는 시간이 길다는 단점이 존재한다. 따라서 본 지면에서는 최근 상용화 진행 중인 전기자동차 기술개발 현황에 대해 구체적으로 살펴보겠다.

전기자동차의 종류와 개발현황

1) 하이브리드 전기자동차(HEV: Hybrid Electric Vehicle) 

하이브리드 전기자동차(HEV)는 두 종류 이상의 동력원을 함께 이용하는 전기자동차를 말한다. 통상 휘발유(또는 디젤)엔진과 전기 모터를 함께 사용하는 자동차를 지칭한다. 연료가 많이 이용되는 순간 휘발유 엔진 대신 전기 모터를 작동시킴으로써 연료 사용을 저감하고, 배기가스 배출도 줄이는 전기자동차를 의미한다. 즉, 하이브리드 전기자동차(HEV)는 출발과 가속 시에는 엔진+모터로 구동되며, 정속 주행 시는 엔진만 구동하고, 감속 시에는 전기자동차 모터의 발전 작용(발전기 동작)으로 배터리가 충전되는 방식이다[표 1]. 대표적인 하이브리드 전기자동차(HEV)로는 시트로엥(Citroen)의 C2, 혼다의 시빅, 토요타의 프리우스가 있다.

2) 플러그인 하이브리드 전기자동차(PHEV: Plug-in Hybrid Electric Vehicle)

플러그인 하이브리드 전기자동차(PHEV)는 가정용 전기를 이용해 전기자동차의 배터리에 충전할 수 있는 하이브리드 전기자동차를 지칭한다. 배터리의 완전 충전을 통해 50~60km의 거리를 전기로만 주행할 수 있는 전기자동차를 말한다. 대표적인 플러그인 하이브리드 전기자동차(PHEV)는 GM의 볼트(Volt)가 있다.

3) 배터리 전기자동차(BEV: Battery Electric Vehicle) 

배터리 전기자동차(BEV)는 내연기관 엔진은 없으며, 순수하게 전기모터의 회전력으로만 달리는 전기자동차를 의미한다. 필요한 전기는 100% 충전을 통해 얻으며, 대기 오염도 전혀 없는 친환경적인 전기자동차이다. 테슬라의 모든 전기자동차(모델S, X, 3)와 닛산의 리프(Leaf)가 대표적이다.

다만, 필자가 위키피디아를 참고해 리튬 이온 배터리와 휘발유의 에너지 저장밀도를 차이를 계산한 결과에 따르면, 전기자동차의 배터리(리튬 이온 배터리)의 충전 전력 밀도가 휘발유(또는 경유)의 에너지 밀도와 비교해 상당히 떨어진다. 따라서 배터리 전기자동차는 장거리 운전에 한계가 있고, 충전시간이 길어 이를 개선해야 할 것으로 보인다. 

4) 연료전지 전기자동차(FCEV: Fuel Cell Electric Vehicle) 

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

연료전지란 수소(H2)와 산소(O)를 반응시켜 전기를 생산하는 장치로서, 배기가스가 전혀 없고, 물(H2O)만 배출되는 친환경 전기자동차다. 다만, 수소 대량생산의 어려움, 차량 내 수소의 저장 문제, 연료전지 스택(Stack)의 생산가격 고가 등이 장애요인으로 이에 대한 개술개발이 필요한 실정이다. 

대표적인 연료전지 전기자동차(FCEV)로는 GM의 이쿼녹스(Equinox), 토요타의 FCHV-avd가 있다. 국내에서는 최근 현대자동차가 2019년 넥소(NEXO)를 출시해 본격적으로 연료전지 전기자동차(FCEV) 시대를 펼쳐가고 있다.

4가지 대표적인 HEV, PHEV, BEV, FCEV 전기자동차의 특징을 정리하면, [표 3]과 같이 정리할 수 있다.

모터의 사용 정도에 따른 HEV 분류

하이브리드 전기자동차(HEV)는 기존의 내연기관 자동차에서 100% 완전한 전기자동차로 이행하는 중간 단계의 자동차라고 할 수 있다. 따라서 하이브리드 전기자동차(HEV)는 현재 대부분의 자동차 회사가 집중적으로 연구 개발하고 있으며, 모터의 사용 정도(전기화 정도)에 따라 ▲마이크로 하이브리드 전기자동차(Micro(Mild) HEV) ▲소프트 하이브리드 전기자동차(Soft(Power Assist) HEV) ▲하드 하이브리드 전기자동차(Hard(Full) HEV)로 구분할 수 있다. 

1) 마이크로 하이브리드 전기자동차(Micro(Mild) HEV)

마이크로 하이브리드 전기자동차는 공회전 시 시동이 자동으로 꺼지고, 출발 시 엑셀레이터를 밟으면 시동이 켜지는 ISG 시스템(Idle Stop & Go System) 방식의 차량으로 전기모터는 보조 역할만 하는 차량을 의미한다. 기존의 내연기관에 부착하거나 제약조건이 많은 소형 차량에 적합한 방식으로 이산화탄소(CO2) 감소율이 5~10% 정도다.

2) 소프트 하이브리드 전기자동차(Soft(Power Assist) HEV)

소프트 하이브리드 전기자동차는 마이크로 하이브리드 전기자동차 방식보다 모터의 보조역할이 크다. 대부분의 병렬 방식이 소프트 타입으로, 현대자동차의 아반떼 LPI 하이브리드와 혼다자동차의 시빅 하이브리드와 같이 엔진, 전기모터, 변속기(CVT: Continuously Variable Transmission)로 구성돼 있다. 이 경우 엔진과 변속기 사이에 모터가 삽입돼 있으며, 모터가 엔진의 동력 보조역할을 수행한다. 전기모터 단독으로 차를 움직일 수 있지만, 모터는 단지 추진의 보조 역할을 수행한다. 이 자동차는 전기적인 비중이 적어 가격이 저렴한 장점이 있지만, 순수 전기 모드 구현을 할 수 없어, 배기가스 저감과 연비개선에 상대적으로 불리하다. 시동이나 가속순간에만 전기모터가 엔진을 보조하고 정속 주행 시에는 일반자동차와 동일한 엔진으로 구동하는 타입이기에 하드 하이브리드 전기자동차에 비해 연비가 좋지 않다.

3) 하드 하이브리드 전기자동차(Hard(Full) HEV)

하드 하이브리드 전기자동차는 전기모터가 출발과 가속뿐만 아니라 주행 시에도 전기모터가 사용되는 방식이다. 내연기관과 전기모터의 배치에 따라서 직렬형, 또는 직·병렬형(혼합형)으로 구분되며, 토요타의 프리우스가 대표적인 모델이다. Hard HEV는 엔진이 전기모터 2개를 가지고 있으며, 변속기(CVT: Continuously Variable Transmission)로 구성된 하이브리드 시스템으로, 엔진, 모터, 발전기의 동력을 분할/통합하는 기구인 유성기어를 채택해 효율적으로 동력을 배분하며, 전기모터 2개가 유기적으로 작동해 동력보조 역할도 수행하기에 순수한 전기자동차로 구동도 가능하다. 

하드 하이브리드 자동차는 2개 이상의 모터 제어가 필수적이며 대용량 축전지가 필요해, 소프트 하이브리드 자동차와 비교해 전용부품이 1.5~2배 이상 고가인 단점이 있다. 하지지만, 회생제동 효율이 우수하고 연비가 좋은 장점도 갖고 있다.

기존의 하드 하이브리드 전기자동차에 대용량 축전지를 추가하고 집에서 축전지를 충전하면, 연료를 보다 적게 소비하고 멀리 주행할 수 있게 되며, 이런 자동차를 플러그인 하이브리드 전기자동차(PHEV)라고 한다.

HEV, PHEV, BEV 및 FCEV의 종류별 연료효과와 이산화탄소(CO2) 감소율에 대해서는 [표 4]와 같이 정리할 수 있으며, 모터의 사용정도(전기화 정도)에 따른 전기자동차에 대해서는 [표 5]와 같이 정리할 수 있다.

[그림 4]에서 에너지 사용률을 살펴보면 알 수 있듯이, 전형적인 내연기관인 휘발유(Gasoline), 경유(Diesel), LPG 차량은 순수한 화석에너지를 사용하고 있다. 시트로엥의 C2는 정지 시 엔진을 정지해 연료를 저감하는 마이크로 하이브리드 전기자동차로, 단지 5~10%만 전기에너지를 사용하고 있다. 혼다의 시빅은 기존에 내연기관 엔진에 전기모터로 보조하는 소프트 하이브리드 전기자동차로, 10~25% 정도의 전기에너지를 사용하고 있다. 토요타의 프리우스는 전기모터가 출발과 가속 시에만 역할을 하는 것이 아니라 주행에 주된 역할을 하는 Hard HEV로서 25~40% 정도의 전기에너지를 사용하고 있다. GM의 쉐보레 볼트는 기본적으로 전기모터로 구동되지만, 배터리의 에너지 공급 범위를 넘어서는 거리는 내연기관 엔진을 이용해 발전기를 돌리는 방식의 플러그인 하이브리드 전기자동차로, 50~100%의 전기에너지를 사용하고 있다. 가장 친환경적인 전기자동차로는 순수 전기자동차인 닛산의 리프와 테슬라의 모델 S, X, 3과 연료전지 전기자동차인 현대자동차의 넥소와 토요타의 FCHV-avd가 있다. 

- 이 글은 테크월드가 발행하는 월간 EMBD 2020년 4월 호에 게재된 기사입니다.