전기자동차_기본

전기자동차_기본

현재 급부상 중인 시장 중 하나인 전기자동차 관련

기본으로 알고있어야하는 상식에 대해 정리.

1. 전기자동차(Electric vehicle, EV)란?

• 전기 공급원으로부터 충전받은 전기에너지를 동력원(動力源)으로 사용하는 자동차
  (환경친화적 자동차, 전기로 구동하여 도로를 주행하는 승용차)
• 기존 자동차의 엔진인 내연기관으로 작동하지 않는 자동차.

2. 전기자동차 역사

1. 1830년대에 최초로 개발(1834년 스코틀랜드의 로버트 앤더슨이 발명, ‘원유전기마차’)
   • 내연기관 자동차보다 빠른 시기에 개발
   • 100㎞/h(제로백)를 처음 돌파한 것도 초기 전기자동차
2. 당시의 전기자동차는 기술적인 한계로 인해 성능 향상이 지지부진
   • 비싼 가격, 심하게 무거운 배터리, 너무 긴 충전 시간, 짧은 주행거리 등의
     심각한 문제
   • 내연기관 자동차는 대량생산체제를 통해 가격을 낮추고 지속적인 개량을 통해
     우수한 성능과 항속거리를 갖추게 됨.
   • 또한 석유라는 압도적인 성능의 연료를 등에 업고 빠르게 향상.
3. 전기자동차는 경쟁력을 잃고 시장에서 사라졌다가 1990년 이후,
   내연기관 차량의 환경 문제가 대두될 때쯤에나 다시 주목 받게 됨.
4. 2005년 이후부터 본격적으로 개발이 이루어지기 시작
   • 전력전자 기술과 우수한 반도체 등의 첨단 기술을 통해
     짧은시간(약 10년도 안되는)안에 내연기관의 성능을
     쫓아오는데 성공함.
5. 이에 따라 세계 전기자동차 시장이 급격히 성장하고 있고
   전기자동차를 위한 전력 인프라(전기차 충전기)가 구축 되고 있음.

3. 전기자동차 특징

1. 전기사용
   • 내연기관 대신 전동기로 구동력을 발생
   • (전기->동력)변환 효율이 매우 우수
   • 버려지는 에너지를 회수하기도 용이(회생제동, 전기댐퍼)
   • 파워트레인 계통의 단순화(내연기관시스템보다 부피가 무척 작고 동력 배분이 자유로움)
     엄청난 공간 창출과 무보수화를 쉽게 현실화
   • 차량이 서있을 때의 비효율을 제거(모터는 공회전이 없기 때문)
   • 전기를 얻는 방법은 매우 다양하게 구현 가능
     • 배터리(외부 충전), 연료전지, 가스터빈과 내연기관을 이용한 발전기 구동 등
2. 적은소음
   • 기계적인 구조가 매우 단순, 폭발이 발생하지 않음.
     • 그래서 일부 차량은 스피커를 달아서 저속에서 가상 주행음을 내기도
3. 뛰어난 제어 성능을 쉽게 얻을 수 있음
   • 전동기들은 ‘모터 드라이버’라는 전용 회로로부터 전자제어를 받음
     • 제어를 쉽고 성능이 일관성 있게 가능
   • 모터 드라이버는 모터의 특성을 고려하여 최적의 성능을 내도록 설계
     • 차량의 속도 및 토크 제어와 회생제동이 대단히 쉽고 빠르며 매우 정확
     • 정보를 얻거나 성능 한계점을 찾아내기도 쉬움
     • 필요하면 튜닝 데이터와 향상된 펌웨어를 온라인으로 넣어줄 수도 있음
     • 자율주행과 같은 차량의 소프트웨어 제어가 아주 용이
4. 유지보수성이 뛰어남
   • 내연기관 시스템은 온갖 자잘한 부품으로 구성됨으로 인해
     유지보수성이 낮음.
   • 부속 파트부터 모터, 모터드라이브, 전원 등등으로 파트를 단순하게 나눌 수 있음
     • 비교적 고장요소가 적음
     • 파트 전체에 소모성 부속이 없음
     • 구조가 단순하므로 정비성이 뛰어남
5. 차량 구조 설계가 용이함
   • 큰 내연기관 엔진보다 더 작으면서도 높은 효율을 얻을 수 있는 모터를 사용
   • ex : 듀얼 모터, 리비안 모터 등
6. 주행 외 배터리 활용
   • 내연기관 자동차의 배터리는 자동차 자체에 쓰이는 전원 외에 쓰기에는
     적합하지 않음.
     • 엔진을 켜지 않으면 순식간에 방전되기 십상
   • 전기차는 그냥 가지고 있는 대용량 배터리를 교류로 변환하면 바로 쓸 수 있음.
     • 거대한 보조배터리의 역할을 수행할 수도 있음.

4. 급전 방법에 따른 분류

• EV의 가장 중요한 요소 : 효과적인 전원의 구현
• EV의 전동기는 현재, 매우 높은 완성도를 가지고 있음.
• EV를 분류하는 기준으로 전원을 무엇을 쓰는가 로써 가장 많이 사용.
  • 경우에 따라 아예 이름까지 바뀌기도 함.
• 현재, 배터리 급전(급속충전)방식이 가장 크게 유행하고 있음.
  • 하지만, 급전을 하기 위한 수단들은 단점하나씩은 있음.
    (선입견을 가지지 말것.)
• 하지만, 저장이 어렵다는 전기에너지의 단점이 어디 가는 건 아니므로
  기술의 발전에 따라서는 언제든지 바뀔 수도 있음.

4.1 전차선 급전

• 도로에 급전선을 설치해놓고, 차량이 집전장치로 전차선으로부터 급전 받아
  그 전기로 모터를 돌려 운행하는 방식
  • ex : 트롤리버스, 전기기관차, 전동차, 놀이동산에 있는 범퍼카 등.

4.1.1 장점

1. 구동을 위한 전력을 모두 전차선에서 얻을 수 있어 최소한의 배터리만을 필요
   • 차량의 중량이 가벼워지며 차량 가격을 크게 낮출 수 있음
2. 구현 시 기술적인 어려움이 비교적 적음
   • 철도 산업에서 이미 수도 없이 활용 되던 체계임.

4.1.2 단점

1. 나가는 길 전체에 전차선을 띄워놔야 함
   • 도시미관을 해침
   • 차량 높이에 제약
   • 자동차의 경우, 넓은 이동범위가 필요함.
2. 급전 장치 필수로 인한 크기의 제약
3. 전차선에 이탈 시, 차량 이동의 곤란
   이동 범위의 제약, 교통사고 등의 재해로 도로가 막힐 시, 우회하기가 어려움.
4. 급전 즉시 전력을 소모함.
   • 심야전력 등의 혜택을 활용할 수 없음.
5. 천재지변에 취약

4.2 비접촉 급전 하이브리드

• 지중에 유도코일을 장착해 비접촉 급전, 충전을 할 수 있는 방식
• 넓은 지역에 대전력을 공급하기에는 매우 비효율적인 방식
• 지금은 사실상 도태

4.3 수소 연료전지 급전

• 수소를 저장하여 연료전지로 활용, 이를 이용해 발전한 전력으로 운행하는 방식
  • 수소연료전지차
• 전원을 수소라는 고효율 연료를 사용함으로써
  충전속도, 저비용, 고성능 3마리 토끼를 한번에 잡을 수 있음.
• 단, 배터리 기반 차량 시장이 먼저 급속하게 성장함.
  • 언제 팔릴지 모르는 수소자동차에 관심을 가지지 않는 상황
• 양산된 차량을 통한 검증이 잘 되어 있지 않음.

4.3.1 장점

1. 연료전지의 발전 효율이 40~50% 정도로 상당히 우수
   • 출력밀도도 현대의 내연기관과 거의 동등하게 나와서 성능도 꿀리지 않음
2. 부피가 워낙 크다보니 저장할 수 있는 수소의 양 자체는 적긴 하지만,
   중량당 에너지가 휘발유 대비 3배 이상이다보니 초고압으로 압축하면 꽤 괜찮음.
3. 수소 충전 시간이 매우 짧음(천연가스 넣는 것고 큰 차이 없음)
4. 동력 체계의 경량화와 고효율화가 상대적으로 유리

4.3.2 단점

1. 기존 전기차 체계에서 연료전지와 수소탱크가 추가됨.
   • 외부환경에 더 민감하고 정비요소가 증가함.
2. 정비가 극단적으로 까다롭고 전용 시설이 필요.
   • 반응성이 높아 폭발의 위험성이 높음.
3. 막대한 인프라 구축 비용과 안전한 보관, 운송 기술 개발이 필요
4. 충전소까지 수소를 공급하는 것도 문제
5. 천연가스나 석유에서 수소를 추출해야 함.
   • 이 방법은 결국 이전과 똑같이 화석연료에 의존하게 된다는 문제가 있음.
6. 주입을 위해 충전기기를 준비하는 시간이 김.
7. 차량의 수소탱크가 거의 비어있을 때만 주입이 가능.
8. 충전소의 충전압 상태에 따라 풀 충전이 불가능한 경우도 있음.

4.4 태양전지 급전(Solar Car)

• 태양전지를 붙여, 차에 닿는 태양빛으로 만들어진 전기를 동력으로 움직임.
• 태양전지 특성상 전원으로 사용하기에는 너무 큰 문제가 있음.
• 승용차에 주 전력 공급용으로 태양전지가 장착되는 일은 앞으로도 없을 것!

4.5 축전지 급전 (중요)

• 축전지에 전력을 충전해놓고 충전한 전력으로 차량을 운용하는 방식
• 전기자동차에 가장 많이 쓰이는 방식
• 양산 가능성, 경제성, 대중성, 시장성이 가장 뛰어나 대세가 됨.
• 물리적으로 보완하기 어려운 여러가지 단점이 있음.
• 결론적으론, 가장 현실적인 대안.

4.5.1 장점

1. 충전 시점과 사용 시점을 다르게 할 수 있으므로 충전비용이 매우 저렴.
   • 충전비용이 증가하는 가장 큰 원인 :
     전기가 가장 많이 소비되는 시간대에 단시간에 많은 전력을 충전에 쓰는 것
     • 전기 자체의 생산단가는 다른 모든 에너지 체계를 압도하지만
       저장이 어렵기 때문에 대규모 발전은 생산 즉시 소비를 전제로 하기 때문.
     • 가정용, 산업용 등 모든 전기요금에는
       이런 전력 사용 시간대에 따른 추가요금이 다 들어감.
   • 그래서, 심야에는 전력 수요가 팍 줄어들기 때문에 저렴하게 충전할 수 있게 됨.
2. 승용차 수준에서 고성능 차량을 만들기 용이
   • 리튬배터리의 전기적 특성과 방전 성능이 상당히 우수,
     출력 밀도가 높음
     • 병렬로 구성하여 대전류 출력을 내기 좋음.
   • 그만큼, 짧은 시간 안에 극단적인 높은 토크 특성을 만들 수 있음.
3. 대중성이 좋고 보급이 쉬움.
   • 전력망에다 빨대 꽂듯이 충전소를 설치해서 쓰면 됨.
4. 각종 산업과 가정에 대량으로 양산되어 사용되고 있음.
   • 연료전지보다는 양산 가능성과 경제성 등의 사정이 비교적 나은 편.
   • 산업 표준의 18650 배터리를 사용한 가장 큰 이유
5. 대용량의 배터리를 일종의 전력 저장 장치로 활용
6. 안전성이 비교적 좋음.
   • 무거운 배터리를 바닥에 깔면 무게중심을 많이 낮춰서
     전복사고 등의 위험을 크게 줄일 수 있음.

4.5.2 단점

1. 내연기관과 비교한다면 축전지는 가격이 매우 비싸고 단가절감도 어렵.
2. 내연기관 차량에 비해 주행거리 확보가 어렵
3. 에너지 밀도가 작아도 너무 작음.
4. 충전 시간을 짧게 하기 어렵.
5. 전기차에 사용되는 대용량 축전지의 안정성이 충분하지 않아 위험
   • 구조적으로 파손 자체가 용납 되지 않음.
   • 셀이 살짝이라도 찍히면 그대로 화재나 폭발로 이어짐.
6. 축전지도 정상적으로 작동할 수 있는 수명이 있어서 오래 쓸 수록 용량이 점점 떨어짐.
   • 위의 이슈는 미국에서 실증적으로 큰 문제가 되지 않음이 증명되고 있음.
7. 리튬배터리에 사용되는 각종 원료가 고갈이나 공급부족이 우려
8. 충전 시간에 대한 획기적인 개선이 불투명
   • 2019년부터 기존 충전기보다 빠른 급속 충전소가 설치되고 있거나
     그럴 예정이라서 충전 속도 문제는 점차 개선될 것으로 기대.

4.5.3 충전비용

• 아무리 비싸도 석유 대비 약 4~50% 정도의 비용
  • 심야전력 등의 이용을 감안하면 실제로는 더 내려갈 수도 있음.
• 한전에서는 일반용 전력요금보다 저렴한 전기자동차 충전용 요금제도를 운영
  • 전용 충전기를 설치하는 경우에만 적용이 가능
  • 충전기를 설치하는 데 드는 비용이 800만 원 정도로 매우 비쌈.
• 전기차는 애초에 급속충전기만의 사용을 염두에 둔 차량이 아님.
  • 급속충전이 비싼 이유 :
    다수의 차량이 급속충전을 이용하면 전력이 워낙 크다보니
    전력예비율에 영향이 갈 우려가 있고 시설 설치 비용이 비싸기 때문.
• 완속 충전기는 기기의 부피가 작고 설치 비용도 상대적으로 저렴해
  소규모 점포나 가정에도 얼마든지 설치 가능.

4.5.4 급속충전방식

• 완속 충전 방식 : 5핀 Type 1 방식(르노, 테슬라 등 일부는 7핀 Type 2)으로 통일(한국, 미국, 일본)
• 급속 충전 방식 : DC 콤보, DC차데모, AC 3상, tbvjckwj, 9핀 등 여러 가지 방식이 난립
  • 전기차 급속 충전소 확대에 걸림돌
  • 한 곳에 3개의 플러그를 구비하고 있기 때문에 급속 충전소 가격이 비싸지고 비효율적
• 2016년 12월 한국 국가기술표준원에서 DC 콤보 1 을 통일 기준화
  • 초기에는 DC 콤보의 전파 간섭 등의 이유로 DC 차데모와 AC 3상을 주로 사용함.
  • 미국과 유럽 등이 DC 콤보를 표준화하려는 움직임을 보임.
  • 다만 그 이전에 만들어진 한국의 전기차 급속 충전소는 차데모 방식이 많음.
• 더 자세한 내용은 따로 아래의 링크에 정리함.

5. 전기자동차의 효율

• 효율이 높아서 충전 비용이 싸다고 이해하면 안됨.
  • 전기 에너지원의 단가가 저렴함.
  • 같은 양의 에너지를 생산할 때의 원가가 전기쪽이 더 저렴,
    에너지 생산 수단이 다양하다는 점이 가장 큼.
• 모터의 발전 효율, 발전의 열효율에 따라 달라짐.

6. 그 외 참고자료

• 전기자동차의 작동하는 방식(내연기관 자동차와의 비교)

• 전기차의 기본개념 이야기(유튜버 신중철)

• 전기차의 구조에 대한 이야기(유튜버 신중철)

• 전기자동차의 핵심 기술
  • 배터리, 모터, BMS(Battery Management System), 충전(Charge) 기술