친환경 자동차 동향 (2/3)

3 저탄소 자동차 기술 동향

3.1 하이브리드 자동차

하이브리드 전기차는 두 개의 동력원을 동시에 활용하여 내연기관차와 전기차 각각의 장점은 살리고 단점은 극복한다. 두 개의 동력원을 합치는 방법은 여러 가지가 있을 수 있는데 몇 가지 소개하자면 :

Series hybrid - 내연기관이 충전기 역할을 하는 구조로 효율이 가장 높은 구간에서 연속적으로 작동할 수 있다. 쉐보레 볼트가 가장 좋은 예이다.

Parallel hybrid - 내연기관과 전기모터가 동시에 병렬로 바퀴에 동력을 전달하는 구조이다. 전기모터는 제동 시나 내연기관 출력이 필요한 구동력보다 클 때에 발전기 역할을 한다. 직렬 하이브리드에 비해 적은 수의 추진장치를 요구하고 소형화된 엔진과 전기모터를 사용할 수 있는 장점이 있다. 혼다의 인사이트가 좋은 예이다.

Complex hybrid systems - 가장 큰 차이점은 직렬구조에선 발전기가 단방향 전력 흐름만 가지는 데 반해 콤플렉스 구조에선 양방향성을 가진다는 것이다. 도요타 프리우스 모델이 콤플렉스 하이브리드차의 좋은 예이며 높은 복잡성과 비용의 단점을 가진다.

 

3.2 배터리 전기차

역사상 전기차는 내연기관차보다 수십 년 먼저 개발되었고 처음으로 시속 100km를 돌파한 것도 전기차가 먼저였다. 내연기관차와 비교해서 전기차는 편안하고 조용하며 깨끗하다. 그러나 배터리의 에너지 저장용량 한계로 주행거리가 많이 제한되고 동시에 내연기관의 성능은 놀라울 정도로 개선되었다. 그 결과 1930년대에 전기차는 거의 모습을 감추었으나 1970년대 들어서 높은 에너지 효율과 에너지 원천의 다양화 그리고 온실가스 감소의 목표 아래 다시금 무대에 들어서기 시작했다.

배터리 전기차의 구동부는 전기모터, 트랜스미션, 전기 컨버터 등으로 이루어진 추진 시스템, 배터리 충전 및 관리 시스템, 그 밖에 온도조절, 전기 펌프 등의 보조시스템의 세 가지로 구성된다.

가속페달이나 브레이크 페달로부터 입력을 받으면 자동차 제어기가 전기전력컨버터에 알맞은 신호를 주고 제어기가 전기모터와 배터리 사이에 전력 흐름을 조절하여 작동한다. 전기모터는 제동 시 손실되는 에너지를 배터리로 충전하는데 발전기로 사용될 수 있다. 에너지 관리시스템은 제동 에너지 회수를 위해 차량 제어기와 협력한다. 전기모터는 강한 토크를 발생하여 가속력과 힘에서 내연기관 차량을 앞선다.

앞으로 해결해야 할 문제로 배터리팩의 가격을 낮추고 안전성을 개선하며 배터리의 수명을 최소 10년 또는 150,000마일을 지원할 수 있도록 개선해야 한다. 그리고 충전시간을 몇 분 내로 줄이고 더 많은 충전시설을 제공하며, 배터리팩의 크기와 무게도 함께 줄여야 할 것이다.

 

3.3. 연료전지차

연료전지차의 가장 큰 장점은 가볍고 작으며 연료가 공급되는 한 전기를 계속 발생시킬 수 있다는 점이다. 낮은 온도의 연료전지에서 수소를 사용하여 전기를 생산하고 생산된 전기는 바로 구동력으로 쓰이거나 배터리나 축전기 같은 저장장치에 저장된다. 오염물질을 배출하지 않고 내연기관보다 훨씬 적은 열을 발생시키고 부수물로는 물이 생성될 뿐이다. 높은 안정성과 낮은 생산비용이라는 높은 잠재력을 지닌다.

앞서 살펴본 것처럼 PEMFC는 자동차용으로 최선의 선택이지만 두 가지 남아있는 핵심한계는 비용과 내구성이다. 현재의 연료전지 시스템은 촉매제 등의 비싼 재료 값과 생산 비용으로 내연기관보다 5배 정도 비싸다. 반면 자동차용 구동기로써 연료전지는 기존 내연기관만큼 안전하고 내구성이 강한 것으로 기대된다.

자동차는 실시간 변화하는 도로와 교통상태에 따라 다양한 힘 출력을 요구하는 데 반해 연료전지는 어느 일정한 환경에서 최대 효율을 달성하기 때문에 배터리와의 하이브리드화가 이러한 문제점을 해결할 수 있다. 여분의 에너지는 배터리로 저장될 수 있기 때문에 연료전지가 더욱 효율적으로 작동하도록 해준다. 이러한 하이브리드시스템은 일반 연료전지차와 비교하여 다음과 같은 장점들이 있다. 작은 연료전지 셀을 사용할 수 있으므로 비용이 적게 들고 연료전지가 최대효율을 내는 구간에서 작동되며 고로 연료전지 수명이 늘어난다. 연료전지 디자이너는 수명보다 전력에 초점을 두고 개발할 수 있고 손실되는 에너지를 보존할 수 있다. 그러나 이러한 하이브리드화의 단점은 자동차의 복잡성, 중량 증가, 제어기의 복잡성 그리고 추가적인 배터리 비용이다.

연료전지차가 경쟁력을 가지려면 수소를 생산하고 운송하는 비용을 기존 화석연료에 경쟁적일 수 있게 줄여야 한다. 그리고 기존 자동차의 패키징, 비용 그리고 성능 요구에 적합하도록 수소저장장치를 개선해야 한다. 마지막으로 연료전지 셀의 가격도 낮추고 내구성도 경쟁성 있게 개선해야 한다.