전기차 시장의 확대: 구조 편

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전기차 시장의 확대: 역사 편

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전기차의 시작과 발전, 부흥기와 시장에 다시금 조명 받는 이유를 전기차의 역사를 통해 간략하게 보았다. 그렇다면 전기차는 어떤 원리로 움직이는 것일까? 기존 내연기관과는 구조적으로 어떤 차이점이 있는지, 전기차가 가진 특징은 무엇인지 알아보자.

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전기차의 특징

1. 배터리의 기술력이 무엇보다 중요

순수 전기차는 내연 기관 없이 배터리의 에너지만으로 구동하기 때문에 동력 시스템의 단순화가 가능하다. 그러나 반대로 보면, 그만큼 배터리의 기술이 그 무엇보다 중요한 핵심 요소라는 것을 우리는 알고 있다. 배터리의 용량과 충전 시간, 항속 거리에 따른 문제는 전기차와 관련된 주제에 꾸준히 오르내리는 말이며 자동차에 탑재된 배터리의 중량 역시 넘어야 할 산이다.
아우디의 e-tron이 95kWh 용량에 700kg의 무게고 테슬라 모델 3와 S가 각각 75kWh-478kg, 85kWh-600kg, 현대 코나 일렉트릭이 64kWh-453kg의 무게로 평균 500kg 이상의 배터리가 전기차에 탑재되어 있다. 자동차의 공차 중량을 평균 1800kg 정도임을 고려하면 만만치 않은 무게와 부피를 가지고 달리는 셈이다. 때문에 용량이 큰 배터리를 쓴다고 해서 무조건 좋은 것이 아니고 오히려 늘어난 용량으로 인해 부피와 무게가 커지면서 효율성이 저하될 수 있다. 그렇기에 전기차의 효율성은 배터리의 에너지 밀도와 큰 관련이 있으며, 에너지 밀도가 높은 배터리는 같은 양의 에너지를 저장함에도 배터리의 무게와 부피가 작아 전기차의 효율성을 높인다.

2. 비교적 저렴한 관리비

전기차는 내연기관에 비해 관리 비용이 저렴하다. 왜 그런 것일까? 내연 기관으로 주행하는 가솔린 자동차의 경우 보통 1리터의 가솔린으로 약 9.7kwh의 에너지를 발생시킨다. 반면 전기 기관(모터)을 이용하는 경우 배터리에서 발생하는 2.7kw의 전기에너지는 1리터의 가솔린으로 발생하는 에너지와 비슷한 크기를 보이며 EV1의 경우 100km를 주행할 때 약 11kwh의 에너지를 소비한다.
전기자동차의 유지 비용도 가솔린 자동차와 비교하였을 때 크게 낮다. 일반 내연 기관 자동차에 있는 납축전지의 경우 주기적인 교체가 필요한 반면, 최근 전기차에 들어가는 리튬이온배터리나 리튬 폴리머 배터리는 납축전지에 비해 에너지 밀도가 높고 출력도 우수할 뿐만 아니라 수명이 길다. 때문에 니켈 수소 배터리의 수명은 보통 자동차의 수명과 같으며 토요타 자동차의 프리우스 전기자동차의 경우 300,000km를 배터리 교체 없이 주행할 수 있다고 한다.

테슬라 모델 Y 내부 구조

3. 자유로운 배치

전기차의 특징이자 큰 장점은 자유로운 배치다. 기존의 엔진 자리에 소형 모터가 배치됨으로써 공간을 자유롭게 활용할 수 있게 되었다. 설계적 이점은 자연스럽게 실내 공간 확보로 이어지며 이러한 자유로움 덕분에 전통적인 자동차 디자인의 표준에서 벗어나 디자인 스펙트럼이 넓어지고 있는 추세이다. 또한 이와 같은 자동차의 전장화는 x by wire system과 관련이 있는데, x by wire system란 기존 기계와 유압 장치가 전자 장치로 바뀌는 것을 의미하며 전기차의 경우 이러한 시스템과 맞물려 개발된다면 부품의 간소화 및 모듈화로 설계의 자유도가 더욱 향상될 것이다. 

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전기차의 내부 구조

전기차의 내부 구조

전기차의 내부 구조는 다음과 같이 크게 충전 시스템, 배터리, 구동 시스템으로 구분할 수 있으며, 구동 시스템은 컨버터, 인버터, 모터로 구성되어 있다.
충전 시스템은 완속 충전기와 급속 충전기 두 가지가 있다. 이동형 완속 충전기의 경우 시간당 2~3.5kW의 속도, 고정형 완속 충전기의 경우 시간당 7kW의 속도로 충전이 가능하고, 급속 충전기는 시간당 35kW~40kW의 속도로 충전 가능하다.

배터리 팩

배터리는 일반적으로 크게 셀, 모듈, 팩으로 구성된다. 배터리 셀은 리튬이온배터리의 기본 단위이며, 배터리 내에서 양극판과 음극판으로 조합된 것을 하나의 격실로 된 케이스 내에서 전해액(이온 전도 용액) 속에 담가 다른 셀과 분리되어 있다. 배터리 모듈은 배터리 셀을 일정한 개수로 묶어 프레임에 넣은 배터리 조립체로, 배터리 셀을 외부에 그대로 노출시켜 배치해 놓았을 경우에 사고나 충격, 진동에 의해 쇼트가 발생해 화재와 같은 큰 사고가 날 수 있다. 그렇기에 모듈로 구성해 놓은 것이고 배터리 모듈과 BMS(Battery Management System), 각종 제어 시스템 및 보호 시스템을 합쳐놓은 것이 바로 배터리팩이다.

구동 시스템은 앞서 서술한 바와 같이 컨버터와 인버터, 모터로 구성되어 있다.
컨버터는 전기차의 고전압 배터리(350V)의 전압을 저전압(12V)으로 변환해 전장 시스템에 전력을 공급하는 장치다.
인버터는 배터리의 고전압 직류(DC) 전류를 고전압 교류(AC) 전류로 변환하여 모터에 공급하는 역할을 한다. 인버터는 가속과 감속을 명령하기 때문에 전기차의 운전성을 높이는 데 있어 중요하다.

모터는 전기차의 심장으로, 내연 기관의 엔진과 같은 역할이다. 배터리에 저장된 전기를 이용하여 차량을 구동시키고(전기에너지 → 운동에너지) 보통 차량 당 1개의 모터가 탑재해있다. 주로 전륜 쪽에 위치하나 BMW i3는 후륜에 위치해있고 AWD의 경우 2개를 장착하기도 한다. 현재는 주로 AC 모터(교류 전동기)를 사용하며, 전기 구동모터는 주행 중 발생하는 소음과 진동이 내연기관에 비해 적고 실내 또한 조용하고 안락해 승차감이 높다는 장점이 있다.
이외에도 회생제동 브레이크 가감속 변환기가 장착되어 있다.

※회생제동 시스템: 토크력으로 움직이고 있는 전동기가 폐회로 상태가 됐을 때의 관성력을 이용해 바퀴 등에 달려 있는 회전자를 돌려 전동기를 발전기 기능으로 작동하게 함으로써 운동 에너지를 전기 에너지로 변환해 회수하여 제동력을 발휘하는 전기 제동 방법

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전기차 전류의 흐름

앞서 설명한 것을 바탕으로 전기차의 전류 흐름도를 그려보자.
우선, 모터 구동용 리튬이온배터리가 충전으로 인해 에너지를 갖고 인버터가 직류를 모터에 적합한 교류로 변환한다. 모터가 차량 바퀴를 회전시키는 구동력을 발생시키고 감속기가 모터의 RPM을 주행 속도에 맞게 변환하거나 가솔린 차량의 변속기 역할을 한다. 마지막으로 감속기를 통해 전달된 동력으로 차량의 바퀴를 구동한다. 

좌: 가솔린 엔진 토크-파워 그래프 / 우: 전기 모터 토크-파워 그래프

전기차의 모터 특성 그래프

가솔린 엔진 특성 곡선을 보면 최대 토크에서 최대 출력이 나오지 않는다. 반대로 모터의 그래프를 보면 최대 토크와 최대 출력이 비슷한 것을 볼 수 있으나 그 뒤로 토크가 쭉 내려가는 커브를 그리는 모습이다. 모터의 출력이 일정할 때, 작은 토크력에도 모터의 각속도는 크게 증가하지만 토크가 커질수록 모터에 들어오는 전류(손실을 제외한)도 커진다. 전기차는 전기로 운용되는 것이니 만큼 당연히 모터에 들어오는전류에도 한계가 있고, 이 때문에 토크는 어느 정도 이상의 힘을 내지 못한다. 이러한 모터의 특성 덕분에 전기차는 빠른 응답과 가속 성능이 강점이고 비교적 저속에서 운행 가능한 시내에서는 우수한 효율은 보이나, 고속 주행에서는 오히려 효율이 떨어짐을 알 수 있다.

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글:김윤경 에디터(yoonk7022@naver.com)
사진:Wikipedia, Audi, Tesla, 두산백과
카테고리:자동차 원리 이야기
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