전기자동차는 무엇일까요?

이하나, 2020년 11월 23일

자원고갈과 각종 환경문제와 같은 국내외 환경 이슈가 주목받기 시작하면서 환경문제 해결이 시급한 상황에 이르렀습니다. 이로 인해 각 분야에서 정책적인 변화가 발생하였고 우리의 삶도 하나씩 친환경 시대에 발맞춰 변화하기 시작했습니다. 이는 자동차 분야에서도 예외는 아닙니다. 혹시 차도에서 파란색 번호판을 보신 적이 있나요? 파란색 번호판은 전기자동차에만 부여되는 번호판입니다. 2014년 1,075대에 불과했던 한국의 전기자동차 보급 대수는 2015년 2,907대, 2016년 5,914대, 2017년 13,826대를 공급하며 가파른 상승세를 보이고 있습니다. 그렇다면 지금부터 이러한 성장세를 보여주고 있는 전기자동차에 대해 자세히 알아보겠습니다.

최초의 전기자동차

아니오스 예들리크(Ányos Jedlik)와
세계 최초의 전기자동차 로버트 앤더슨(Robert Anderson)이
발명한 전기마차 토머스 에디슨(Thomas Edison)이
만든 전기자동차

내연기관 자동차보다 훨씬 늦게 나왔을 것 같은 전기자동차는 사실은 내연기관 자동차보다 먼저 만들어졌습니다. 카를 벤츠가 세계 최초의 가솔린 자동차인 페이턴트 모터바겐을 만든 것이 1886년인데, 전기자동차는 그보다 무려 60여년이나 먼저 개발되었습니다. 세계 최초의 전기자동차는 1824년 헝가리의 아니오스 예들리크(Ányos Jedlik)가 발명했습니다. 4개의 바퀴가 달린 사각형 판 위에 전선이 감긴 장치에서 동력을 일으켜 주행하는 자동차였습니다. 이후 19세기 스코틀랜드의 화학자이자 사업가인 로버트 앤더슨(Robert Anderson)이 전기마차를 발명했습니다. 하지만 초기의 전기자동차는 충전 문제로 인하여 상용화에 큰 어려움을 겪었습니다.

그러던 중 1800년대 말 프랑스 출신의 가스통 플란테(Gaston Planté)가 축전지를 발명하였고, 카밀 포레는 그 축전지를 가지고 고용량 축전지를 개발했습니다. 발명된 축전지를 바탕으로 1886년 영국인 발명가 토머스 파커(Thomas Parker)는 세계 최초로 전기자동차 상용화에 성공하였습니다. 이 시기 전성기를 맞이한 전기자동차는 프랑스에선 소방차로, 미국에서는 택시로 사용되기도 하였습니다. 당시 전기자동차는 최고속도가 시속 32km의 매우 느린 속도로 운행되었지만 기어 변속이 필요 없어 운전조작이 간편했고, 가솔린 자동차보다 소음과 진동이 덜하여 상류층 여성들에게서 인기를 끌었습니다.
1913년 발명왕 토머스 에디슨(Thomas Edison)은 자동차의 앞뒤에 500kg에 달하는 무거운 배터리를 장착한 전기자동차를 개발했는데, 최대 시속은 35km였고, 충전에 7시간이 걸렸다고 합니다. 당시 미국에서 시장점율율을 보면, 증기자동차, 전기자동차, 가솔린자동차가 각각 1/3 정도씩 차지하고 있었습니다. 하지만 전성기도 잠시 전기자동차의 인기는 하락세를 보이게 되었습니다. 이는 미국 텍사스에서 원유가 대량으로 발견되어 휘발유의 가격이 떨어졌고, 내연기관 자동차의 대량생산 체계가 구축되었기 때문인데요. 반면 전기자동차의 가격은 상승해 내연기관 자동차보다 비싸지면서 자연스럽게 자동차 시장 내에서 자취를 감추게 되었습니다.

전기차 보급 현황 및 목표 (자료: 환경부)

전기자동차의 재등장

시간이 흘러 1990년대부터 대기오염의 심각성이 대두되면서 세계 각국에서는 탄소배출과 차량 연비 규제에 나서게 되었습니다. 이때부터 자취를 감췄던 친환경 자동차가 다시 등장하기 시작했습니다. 특히 미국 테슬라(Tesla)의 전기자동차 개발을 시작으로 전 세계 자동차 제조사들 또한 전기자동차 개발에 뛰어들기 시작했습니다. 판매량은 전기자동차 개발 속도에 비례하듯 증가하기 시작했습니다. 미국 시장분석기관 S&P 글로벌 플랫에 따르면, 2017년 100만대 정도 판매되었던 전기자동차가 2018년 기준 200만대가 넘게 팔려 판매량이 2배가 넘게 뛸 정도였습니다.

전기자동차 VS 내연기관 자동차

전기자동차는 기존 내연기관 자동차와 어떤 차이가 있을까요? 전기자동차와 내연기관 자동차의 가장 큰 차이점은 엔진의 유무로 볼 수 있습니다. 내연기관 자동차는 화석연료를 가지고 엔진을 구동하여 열에너지를 운동에너지로 바꾸며 움직이지만, 전기자동차는 전기에너지를 운동에너지로 바꾸는 모터를 움직여 동력 에너지를 만들어냅니다. 따라서 전기자동차에는 엔진에 사용되는 다양한 부품들이 사라져 자동차의 구조가 단순화되었습니다. 토크(회전력) 전달 방식 또한 다릅니다. 내연기관 자동차는 엑셀을 밟고 나서 천천히 최대 토크에 이르지만 전기자동차는 곧바로 최대 토크에 도달합니다. 따라서 내연기관 스포츠카와 견줄 만한 빠른 제로백을 가질 수 있습니다. 동력 전달 장치에는 어떤 차이가 있을까요? 전기자동차에는 내연기관 자동차에 있는 변속기나 클러치가 없이 감속기만이 존재합니다. 따라서 변속 작업이 생략되어 부드러운 가속과 효율적인 운행이 가능합니다. 이렇듯 내연기관 자동차와 전기자동차 사이에는 많은 차이점이 존재합니다.

전기자동차의 장단점

전기자동차의 장단점에 대해서도 알아보겠습니다. 우선 장점으로는 기존 내연기관 자동차의 경우 일산화탄소, 탄화수소, 매연 등 다양한 유해물질을 내뿜으며 환경은 물론 인체에 해를 끼칩니다. 하지만 전기자동차는 엔진이 아니라 오로지 전기를 이용해 에너지를 얻기 때문에 배기가스를 배출하지 않으며, 진동과 소음이 발생하지 않아 운전자의 운전 피로도가 많이 줄어듭니다.

전기자동차는 회생제동 시스템이 갖추어져 있어서 출발과 정지를 반복하는 도로 상황에서 더 경제적인 운전을 할 수 있습니다. 회생제동이란 운동에너지를 전기에너지로 변화하는 기술로서, 감속할 때 모터가 역회전하면서 발전기처럼 작동하게 돼 전기에너지가 발생하며 이 전기에너지가 다시 배터리에 충전되는 방식입니다. 따라서 회생제동 장치를 통해 에너지를 효율적으로 사용하게 되며 연비 향상에 도움을 줍니다.

전기자동차는 내연기관차가 사용하는 휘발유나 경유 가격에 비해 충전 비용이 현저히 낮기 때문에 유지 비용이 적게 드는 장점이 있습니다. 완속충전의 경우 휘발유 가격의 1/10이고, 급속총전을 하더라도 1/5 가격밖에 들지 않습니다. 하루 종일 운전하는 영업용 택시, 버스, 트럭 등을 전기자동차로 교체할 경우 연료비가 현저히 줄어들게 됩니다.

다양한 장점이 있지만, 단점 또한 없을 수 없겠죠? 전기자동차의 가격은 매우 비싼 편에 속합니다. 이는 전기자동차에 들어가는 배터리의 높은 가격 때문인데요. 국가에서는 이 문제를 해결하고자, 전기자동차 구매 시 상당히 큰 금액의 보조금을 지급하고 있습니다. 배터리 가격이 낮아지기 전까지 한시적으로 국가 및 지방자치단체에서 구매 보조금을 지급함으로써, 전기자동차 보급을 촉진하려는 정책입니다. 덧붙여 전기자동차 구매 시에는 개별소비세, 교육세, 취득세와 같은 세금 감면 혜택 및 고속도로 통행료와 주차료 할인 혜택도 제공합니다.

전기자동차는 충전 시설 등 인프라가 미흡하고, 배터리 충전 시간이 오래 걸린다는 단점이 있습니다. 내연기관 자동차는 주유 시간이 5분 정도이며 주유소 등 인프라가 많이 구축되어 있는 반면에, 전기자동차는 급속충전을 하더라도 30분 정도로 내연기관 자동차보다 충전 시간이 오래 걸린다는 단점이 있습니다. 또한 아직 충전 시설이 많이 구축되어 있지 않아 사용자들이 불편함을 느낀다는 단점이 있습니다. 이 문제를 해결하고자 정부에서는 대대적인 투자와 지원을 통해 아파트와 주택 및 공공기관 건물뿐 아니라 전국 고속도로와 주유소 등에 전기충전소를 대대적으로 설치하겠다고 발표했습니다. 이 계획대로 된다면, 충전소 부족 문제는 조만간 해결될 것 같습니다.

배터리의 구조와 작동원리 전고체 배터리

리튬이온 배터리와 전고체 배터리

전기자동차의 비싼 가격의 주요 원인인 배터리에 대한 이야기를 해볼까요? 전기자동차 원가 구성 비율은 배터리팩이 40~50%이며 개발비가 20~26%, 모터 및 파워트레인은 15%, 나머지는 기타 비용으로 구성되어 있습니다. 결국, 전기자동차 원가에서 차지하는 비중이 가장 큰 것은 배터리 가격이라는 걸 알 수 있습니다. 배터리 가격 절감과 더 나은 배터리 탑재를 위하여 다양한 연구가 진행되고 있습니다. 전지는 1차 전지와 2차 전지로 나눌 수 있습니다. 두 종류의 전지 중에서 전기자동차에는 재충전하여 사용할 수 있는 2차 전지, 즉 배터리를 사용하는데, 그 중에서도 가벼운 리튬이온 배터리가 전기자동차에 들어갑니다. 더 나아가 리튬이온 배터리보다 화재의 위험이 적어 안전하고 고전압 구현에도 유리하여 차세대 전지로 여겨지는 전고체 배터리를 전기자동차에 적용하기 위해 끊임없는 연구를 진행하고 있습니다.

그렇다면 리튬이온 배터리는 무엇이고 전고체(全固體) 배터리는 무엇일까요? 먼저 리튬이온 전지에 대해 알아보자면, 리튬이온 전지는 방전 반응이 발생할 때 음극 쪽에 있던 리튬이온이 매개체인 전해액을 통해서 분리막을 넘어 양극으로 이동하고, 전자는 도선을 통해 음극에서 양극으로 이동합니다. 음극 쪽에 있던 모든 리튬이온과 전자가 양극으로 이동하면 방전이 완료되므로 충전을 해야 합니다. 충전은 방전의 반대 방향으로 진행됩니다. 리튬이온 전지는 높은 에너지 밀도 덕분에 주로 전기자동차의 배터리로 사용됩니다. 또한 무게가 가볍기 때문에 일상생활에서 자주 사용하는 스마트폰 등 휴대용 기기에 들어 있을 만큼 실용성 있는 배터리입니다.

하지만 이런 리튬이온 전지는 화재 위험이 높습니다. 리튬(Li)은 인화성이 강해 처음엔 배터리 소재로 주목받지 못했을 정도였지만 수많은 연구 끝에 배터리로 사용할 만큼 안전하게 만들었다고 합니다. 하지만 언제라도 화재가 발생할 수 있기 때문에 등장한 것이 전고체 배터리입니다. 전고체 배터리는 전해질을 액체가 아닌 고체로 바꾼 전지로 화재 위험이 없고 작지만 더 큰 용량의 전지를 만들 수 있습니다. 이러한 장점을 가지고 있는 전고체 배터리는 전기자동차에 탑재되어 판매될 만큼 상용화하기엔 아직 해결해야 할 과제가 남아있는 상황입니다. 이를 해결하고 상용화할 날을 앞당기기 위해 한국, 중국, 일본 등에서 전고체 배터리 개발에 힘쓰고 있습니다. 한국에서는 삼성SDI, LG 화학, SK 이노베이션을 중심으로 개발에 속도를 내고 있습니다.

전기자동차 충전 방법

전기자동차 배터리를 충전하는 방법에 대해서도 알아보아야겠죠? 배터리 충전 방법은 크게 완속충전과 급속충전으로 나뉩니다. 완속충전이란 교류 충전 방식으로서 낮은 전압으로 완전히 충전하는 것을 말하는데요. 아파트나 공공시설 같은 곳에서 찾아볼 수 있습니다. 220V 기준 완속충전 시 완전히 충전되는 데까지 6시간 정도 소요됩니다. 급속충전이란 직류 충전 방식으로 완속충전보다 더 빨리 충전됩니다. 급속충전 시 배터리를 80% 정도 충전하는 것을 권장하며 충전하는데 30분 정도 소요됩니다. 급속충전기는 고속도로나 휴게소 같은 곳에서 찾아볼 수 있습니다. 최근에는 220V 소켓에 연결하여 편리하게 사용 가능한 이동형 충전기 또한 등장하였습니다. 충전 시 필요한 금액은 완속충전의 경우, 100km당 1,100원이며 급속충전은 100km당 2,700원으로, 휘발유나 경유에 비해 매우 저렴합니다.

한국에서는 충전 방식의 표준 규격이 따로 정해져 있지 않기 때문에, 미국, 일본, 유럽의 충전 커넥터를 혼용하여 제공하고 있습니다. 커넥터는 DC 차데모, DC 콤보, AC 3상과 같은 3가지 타입으로 구분됩니다.

전기자동차 충전기 종류
(자료 : 환경부 전기차 충전소 홈페이지)DC 차데모 방식은 충전과 주행을 합친 말로 완속충전구와 급속충전구가 따로 분리되어 있어 전파 간섭의 우려가 적다는 장점이 있습니다. 하지만, 완속충전구와 급속충전구가 구분되어 있기 때문에 충전기의 부피가 크며, 충전하는데 시간이 많이 소요되고 교류 충전 시에는 별도의 어댑터가 필요하다는 단점이 있습니다. 차데모 방식을 사용해서 충전할 수 있는 전기자동차 종류에는 닛산의 리프, 기아의 레이, 쏘울 전기자동차 등이 있습니다.

다음으로 DC 콤보는 미국, 유럽, 한국의 자동차에서 적용되며 급속충전구와 완속충전구가 일체형이어서 급속충전용 직류 모듈의 동시 사용이 가능해 충전뿐만 아니라 공간 활용도에 있어서도 장점을 가지고 있습니다. 하지만 완속충전 시간이 다른 충전 방식보다 길다는 점이 단점입니다. DC 콤보 충전 방식으로 GM 스파크, BMW i3, 현대 코나, 현대 아이오닉, 기아 쏘울 등을 충전할 수 있습니다.

마지막으로 AC 3상의 경우 직류 변환을 하지 않고 교류 방식을 그대로 사용하는 것으로 내부 전용 인버터를 사용하여 충전하는 방식입니다. 따라서 급속충전 시간이 빠르고 낮은 전력 사용으로 효율이 높으며, 충전 인프라 구축 비용이 적다는 장점이 있습니다. 르노삼성의 SM3가 이 충전 방식을 사용하고 있습니다.

전기자동차 충전 방식 표준화 초기에는 차데모 방식이 표준 규격으로 선정되는 듯했지만 현재는 DC 콤보 방식을 적용하는 비율이 57%로 전 세계 전기자동차 시장의 과반수를 차지하고 있습니다. 또한 미국 자동차공학회와 유럽도 DC 콤보를 표준으로 채택함으로 인해 향후 DC 콤보 방식이 전기자동차 충전 컨버터의 표준으로 자리잡을 것으로 예상되고 있습니다.

글을 마무리하며

블룸버그 자료에 따르면 2020년 기준 전기자동차 판매 비중이 2.7%에서 2040년에는 58.0%로 폭발적인 성장을 할 것이며, 내연기관 자동차는 점점 판매량이 줄어들어 우리 일상생활에서 찾아보기 드문 시대가 될 것이라고 합니다. 1800년대에 처음 등장했지만 내연기관 자동차로 인해 쇠퇴의 길을 걷던 전기자동차가 현대 사회에서 각종 환경문제로 인해 다시 재조명 받고 있는 시대가 도래했습니다. 먼 미래가 아닙니다! 그러므로 우리도 다가올 미래를 위해 전기자동차에 관심을 가져야 할 필요가 있지 않을까요?