2. 한국의 전기자동차 개발 현황
2.1 카이스트 온라인전기자동차 OLEV
카이스트는 배터리 및 충전 문제를 비롯한 전기자동차가 가지는 문제를 해결함과 동시에 대한민국의 융합 신산업을 창출하고 세계 자동차 산업의 미래를 선도할 ‘온라인 전기자동차(OLEV)’를 개발하고 있다. OLEV는 정차 및 주행 중에 도로에 매설된 전력선으로부터 무선으로 전력을 전송받아 구동 에너지로 사용하거나 배터리를 충전하는 신개념의 전기자동차로서 전기자동차의 상용화를 크게 앞당길 수 있는 녹색 기술이다.
온라인전기자동차는 차량에 정착된 배터리를 통해 전력을 공급받아 운행되는 기존 전기자동차와는 달리 차량에 장착된 고효율 집전장치를 통해 주행 및 정차 중 도로에 설치된 급전라인으로부터 전력을 공급받아 운행하며, 자동차의 배터리는 급전이 불가능한 비상 시에만 사용하므로 기존 전기자동차 배터리 용량의 약 1/5 수준으로 축소된 신개념 전기자동차이다(Fig. 23, 24).
2009년에는 급전/집전 시스템의 원천기술 개발과 시험시제품 개발을 완료하였고, 2010년에는 온라인전기버스와 온라인전기승용차를 위한 실용화 기술개발 및 실용 시제품 개발이 완료되었다. 2011년에는 이들의 상용화 기술개발에 몰두하고 2012년까지 상용제품들의 개발을 완료하는 것을 목표로 하고 있다. 서울시, 제주도, 대전시 등에서 시험과 시범사업이 진행중에 있다.
온라인전기자동차는 많은 파급효과들을 기대할 수 있다. 기술적으로는 온라인전기자동차의 주행 중 충전기술과 스마트 도로 기반 차량 간 제어기술을 통해 세계 관련기술의 표준화를 주도할 수 있다. 또한 IT, 자동차, 도로기술의 결합을 통한 융복합 부품기술의 발전으로 미래기술을 선점하고 유관산업으로의 시너지 효과를 극대화한다. 산업 경제적으로는 전기자동차의 보급을 가속화 할 수 있다. 원자력 발전비중(현재 40%, 2030년까지 60%로 확대)이 큰 우리나라의 사정을 감안할 때 전기자동차의 보급을 늘리면 원유 수입이 줄어, 세계 5위의 석유수입국으로서의 석유수급에 대한 부담을 완화시킬 수 있고, 청정개발체제 사업으로 인정받을 수 있다. 사회적으로는 연간 36억 불의 매출 증대 효과와 토목건설, 에너지, 전기전자 등의 분야에서 대규모의 신규 일자리 창출 효과를 누릴 수 있으며, 주행 중 이산화탄소를 전혀 배출하지 않고 전기 발전시의 이산화탄소 배출량을 감안하더라도 동급의 가솔린차 대비 절반 수준이어서 친환경적이며, 도심 친화적인 사회의 조성이 가능해진다.
KAIST에서 독자 개발한 온라인 전기자동차는 공진형 자기유도 전력전자기술에 기초한 새로운 것으로 전력효율은 미국 캘리포니아 버클리 대학 PATH팀(Partners for Advanced Transit and Highways)이 달성한 60%보다 훨씬 높은 80%수준으로서, 실용화가 가능한 효율에 도달한 것으로 평가되고 있다. 또한 도로 인프라 구축에 필요한 시설단가도 미국(10~15억 원/km)의 1/5이하로 낮출 수 있을 것으로 예상되어 배터리 전기자동차 상용화의 또 다른 걸림돌인 막대한 충전소 건립비용을 획기적으로 줄일 수 있을 전망이다. 이와 함께 여러 대의 온라인 전기자동차가 마치 기차처럼 무리지어 운행하는 군집주행도 가능하다. 전기자동차의 군집주행을 통해 극심한 교통정체를 극복하고, 차량의 공기저항을 최소화함으로써 전체 에너지 사용량을 최소화할 수 있다. 아울러 도로 급전선에 함께 매설된 센서를 이용해 차량 스스로 자율주행이 가능하기 때문에 실용화되면 운전대를 놓아도 도심에서 자동차 스스로 운전을 하고 교통사고도 크게 낮출 수 있다.
2.2 레오모터스
레오모터스는 전기자동차를 개발 생산하고 있으며, 전기자동차 업계 및 플러그인 하이브리드 전기차를 생산하고자 하는 세계적인 자동차 업체들에게 핵심 전기구동장치를 공급하고 있다.
2.2.1 파워 매니지먼트 : RPM이 올라감에 따라 토크가 저하되는 전기모터의 약점을 디지털 솔루션으로 보완하여 각 1000 RPM 영역 대에서 최적의 토크가 출력되도록 하였다. 그리고 언덕 주행시에는 지속적으로 높은 암페어가 사용되어 모터발열로 인한 오작동 방지를 위해서 디지털 솔루션을 개발하였다. 팽이를 돌릴 때 채찍질을 가해서 계속 힘차게 돌게 하는 것처럼 높은 전압을 넣어 모터가 힘차게 돌게 한 뒤 전기를 단절하는 동작을 반복하여 차량이 언덕을 올라갈 수 있는 충분한 힘이 발휘되게 하면서도 모터는 중간 중간에 충분히 쉴 수 있게 하여 발열과 에너지 낭비를 줄이는 솔루션이다.
2.2.2 디지털 컨버젼스 : 전기차의 3대 요소인 배터리, 컨트롤러, 모터는 상호 디지털적으로 연결되어 있는데 이들에 대한 최고의 Packaging을 이루는 기술을 레오는 보유하고 있다.
2.2.3 파워 트래인 : 레오사의 전기차용 파워트레인은 모터, 컨트롤러, 배터리 파워 팩 일체형 패키지로 내연엔진 파워트레인의 성능을 능가하여 130km/h 고속주행에 적합하고 고속에서 지속적인 토크 유지가 가능하며 언덕에서도 충분한 토크를 발휘한다. 2000cc 미만부터 10,000cc급까지 가능하고 멀티모터 채결로 초대형 차량도 대응할 수 있다.
2.2.4 다 채널 배터리 매니지먼트 시스템 : 전기 자동차의 배터리는 2.7~4.2 볼트 사이에서 파워가 공급된다. 배터리 충전과 방전 시 Cell간의 전압 차가 높을 경우엔 Cell에 과부로 연속적으로 기능을 상실하는 Cell Domino 현상을 초래한다. 배터리의 충전과 방전 시 전류를 완벽하게 제어해서 배터리가 제 용량의 전력을 충분히 저장했다가 방출할 수 있도록 하며, 배터리에 온도가 과도하게 올라갈 경우 배터리를 정지시키거나 쿨링팬이 자동으로 돌아가게 하여 값 비싼 배터리의 셀이 순차적으로 파괴되는 것을 근본적으로 방지한다. 현존하는 최고의 Cell balancing은 배터리 전압이 3.8볼트 이상 일 때 0.05볼트까지 Cell balancing하는 기술이다. 반면 레오는 전 볼트 영역 대에서 0.05볼트를 Balancing하고 4.0 볼트 이상에서는 0.01볼트까지 Balancing 하는 기술을 세계 최초로 개발하여 배터리가 균일하게 충전되고 방전 될 수 있도록 한다. 또한 배터리의 상태 정보를 자동차에 탑재된 정보처리 장치에 보내 정보분석을 하거나 분석된 정보를 모니터 상에 표시할 수 있어 운전자는 항상 배터리 충전상태, 사용현황, 잔여 용량 등 매우 상세한 정보를 알 수 있다. 레오사에서 공급하고 있는 시스템에는 48볼트, 72볼트, 100볼트, 300볼트용이 있다.
2.2.5 아연 공기 연료전지 : 레오는 미래자동차의 패러다임을 바꿀만한 차세대 연료전지인 아연공기 연료전지(Zinc-Air Fuel Cell, ZAFC)를 이용한 전기차동차용 발전기 개발에 성공하였다. ZAFC발전기는 완두콩 크기의 아연구슬을 연료로 이용하는데, 발전기에 자동 투입되는 아연구슬이 산화되는 과정에서 전기를 생산하며, 생산된 전기가 배터리에 자동 저자오디는 것이다. 이와 같은 발전기를 이용하면, 순수 전기 자동차의 최대 단점인 운행거리 제약의 문제가 해결된다. 이 발전기의 발전에너지 밀도는 리튬 폴리머(LI-PO) 배터리에 비해 두 배가 넘고 크기는 배터리의 절반 밖에 되지 않으며, 고가의 원자재를 사용할 필요가 없기 때문에 생산비용도 리튬 폴리머의 5분의 1수준 이 채 안된다. 또한, 아연이 산화되는 과정에서 아무런 공해 물질이 배출되지 않으며, 폭발이나 화재 위험성이 없다. ZAFC는 이미 오래전에 일회용 배터리로 개발되어 보청기와 가이 사이즈가 작으면서도 고 효율의 에너지를 내는 용도에 사용되어 왔었다. 그러나 ZAFC를 전기자동차용으로 만드는 기술은 꿈의 기술로 여겨져왔었다. 하이브리드 카를 시장에 내놓고 있는 세계 굴지의 자동차 메이커인 도요타나 혼다 같은 대기업들도 전기 자동차용 ZAFC 발전기 개발에 나섰지만 아직도 저희가 특허를 낸 것처럼 자동으로 연료를 주입하고 발전을 중도에 차단하거나 재개하며, 슬러지(산화아연)를 자동으로 모으는 장치를 개발하지 못해 상용화에 어려움이 있다. ZAFC발전기에 연료로 사용되는 아연은 지구상에 가장 풍부한 광물이다.
2.2.6 레오의 고속 전기버스
Figure SEQ Figure \* ARABIC 25 레오모터스 고속 전기버스
레오모터스는 2009년 11월 16일 순수 국내기술로 세계 최초로 고속 주행이 가능한 전기 버스를 개발, 실험 주행을 완료했다. 레오모터스는 순수 국산 부품만을 이용하여 24인승 전기버스를 개발, 최고 시속은 법적 상한선인 110Km, 일 회 충전 시, 200Km를 주행 할 수 있다. 지금까지 몇몇 전기 버스가 선보이기는 했지만 모두 저속이나 중속으로만 달릴 수 있었다. 고속도로 주행이 가능한 전기 버스가 개발된 것은 레오모터스의 전기 버스가 처음이며, 이로서 본격적인 대중교통의 전기 자동차 시대를 기대할 수 있게 되었다.
2.3 CT & T
시티엔티는 국내 전기자동차 업체중 유일하게 전기모터 기술과 베터리 기술을 모두 보유한 회사이다.
Figure SEQ Figure \* ARABIC 26 시티엔티의 e-ZONE
2.3.1 시티엔티의 e-ZONE : 이 차량은 중국, 미국, 일본 그리고 유럽까지 판매된 양산차이다. 한 달 1500 km 주행한다고 가정했을때 전기료가 단돈 만원이면 충분하다는 계산이다. 완충시 주행거리는 납축배터리를 사용한 모델은 최대 50km, 리튬폴리머배터리를 사용한 모델은 최대 100km를 주행 할 수 있다고 한다. 이 모델은 세계 최초로 도시형 전기차 중 국제 충돌 안전기준을 만족한 유일한 모델이다. 충돌시에도 승객을 완벽히 보호하는 고강성 알루미늄 프레임을 사용한 결과다. 뛰어난 승차감의 승용차용 4륜 독립 현가장치를 사용하였고, 고효율 메인모터 및 감속기를 채택 그리고 한쪽 라인이 고장나도 제동이 간으한 독립 2계통식 유압 디스크 브레이크를 장착하였다.
2.3.2 모터콘트롤러(MCU)
시티엔티는 국내최초로 전기자동차에 들어가는 모터 콘트롤러(MCU)를 개발하였다. 모터 콘트롤러는 배터리의 힘을 모터에 전달하고 모터의 성능을 조절함으로써 전기차의 속도를 제어하는 핵심부품 중 하나이다.
이 모터콘트롤러는 정격 용량 7Kw의 저압·대전류 용의 전기차용 모터콘트롤러(MCU)로서 제어방식은 속도 및 출력 전류 피드백에 의한 간접벡터 제어와 공간전압벡터 PWM방식이며 토오크제어를 채택, 일반 승용차와 같은 운전특성이 나오도록 하였다.
저압· 대전류를 흘리기 위한 파워모듈 설계 기술과 파워모듈을 스위칭하기 위한 드라이브 회로 기술 등 자체기술을 확보하였고, 전원측으로 에너지 회생 및 전기제동을 적용하였으며, 전기제동을 적용함으로서 정지시 제동력이 좋아지도록 하였다. 또한 e-ZONE에 맞는 최적화된 모터콘트롤러(MCU)개발로 기존의 외산 도입품에 비하여, 고속운전 시 에너지 소모가 20%정도 절감되는 효과가 있다.
Figure SEQ Figure \* ARABIC 27 시티엔티 모터콘트롤러
일반적으로 모터를 적용한 전기차에서 저속영역인 정토크 영역에서는 가속시 아무런 문제가 발생되지 않지만, 고속영역인 정출력 영역에서는 현재까지 나와있는 제어방법을 사용하여 전기차를 가속하면 가속이 빨리 되지 않는 현상이 발생된다. 이번에 개발된 모터콘트롤러(MCU)는 정출력 영역 운전 시에도 가속특성이 좋아지도록 새로운 제어 기법을 적용하였으며, 고속영역에서의 운전 시에도 가속이 빨리 되도록 하였다.
2.3.3 전기차 랜탈 사업
시티엔티는 랜탈 회사인 KT랜탈과 도시형 전기차 e-ZONE 500대 납품을 통해 전기차 랜탈 사업을 공동 추진키로 하였다. 프랑스의 Autolib과 다른 일반 카랜탈 사업에 전기차를 도입만 한 사업내용이다. 전기차 렌탈사업을 우선 전남도와 함께 추진키로 하고 전기차의 생산과 공급은 당사가, 그리고 전남도에 대한 영업과 운영은 KT렌탈이 각각 맡을 예정이다.
2.3.4 다른 모델
Figure SEQ Figure \* ARABIC 28 시티엔티의 다른 전기차들
도시형 모델 외에도 짐운송용 모델과 골프카 등 다른 모델도 생산하고 있다.
2.4 현대자동차 블루온
Figure SEQ Figure \* ARABIC 29 현대자동차의 전기차 블루온
현대자동차가 개발한 국내 첫 양산형 전기차 '블루온'은 국내 전기차 기술력을 한단계 끌어올렸다는 평가를 받고 있다. 미국 시보레 볼트, 일본 미쯔비시의 아이미브 등이 장악하고 있는 전기차 시장에 국내 기술로 당당히 경쟁할 수 있다는 토대를 마련했기 때문이다.
지난해 8월 일반에 첫 공개된 블루온은 1년여의 연구기간 동안 400억 원의 개발비가 투입돼 완성됐는데, 아이미브 보다 한수 위라는 평가를 받고 있다 . 유럽 전략 소형 해치백인 'i10'을 기반으로 개발된 블루온은 전장 3585mm, 전폭 1595mm, 전고 1540mm의 차체 크기를 갖춰 컴팩트한 이미지로 구현됐다.
고효율의 전기모터와 함께 국내 최초로 국산화 개발에 성공한 16.4kWh의 전기차 전용 리튬이온폴리머 배터리가 탑재돼, 최고출력 81ps(61kW), 최대 토크 21.4kgㆍm(210Nm)의 동력 성능을 갖췄다.
또 블루온의 최고 속도는 시속 130km며 정지 상태부터 시속 100km에 이르는 시간은 13.1초다. 특히 전기 동력 부품의 효율을 향상시키고 전자식 회생 브레이크를 적용해 1회 충전으로 초기 목표 130km 대비 10km 늘어난 최대 140km까지 주행이 가능하다.
일반 가정용 전기인 220V를 이용한 완속충전 시에는 6시간 이내에 90% 충전이 가능하고 380V의 급속 충전 시에는 25분 이내에 약 80%를 충전할 수 있다.
블루온은 국내 전기차 관련 기술을 한단계 끌어올렸다는 평가를 받고 있다. 핵심인 배터리의 성능 향상을 이뤘으며 대중화를 위한 전기공급장치도 전국적으로 설치되는데 이바지할 전망이다.
블루온은 지경부, 환경부 등 정부기관 및 지방자치단체에 제공해 시범 운행 할 계획인데, 내년 8월까지 충전 인프라 개발 및 검증, 일반 홍보용으로 활용된다.
현대·기아자동차가 내년에 블루온 500대를 양산하는데 이어 2012년에는 CUV 전기차 모델 대량 생산에 돌입할 계획이다. 이를 통해 2012년 말 전기차 생산대수를 2500대로 늘릴 방침이다. 기차 전기차는 준중형급으로 우리나라 소비자의 성향에 맞고 완충시 최대 거리는 120km가 될것으로 예상된다.
현대차는 2012년 말까지 양산 예정인 2500대의 차량에 SK에너지 배터리를 적용할 예정이다.
2.5 한국화이바 전기버스 e-Primus
Figure SEQ Figure \* ARABIC 30 한국화이바의 e-Primus
한국화이바에서 제작한 이 전기 버스는 240kw급 전기모터를 장착하여 환산마력 326마력의 출력을 발휘한다. 최고시속 100km/h로 시내버스로 주행하기엔 충분한 수치이고, 다른 도시형버스의 제원과도 동일하다. 경사각 30% 등판능력을 발휘하며 무엇보다도 20~30분 급속충전이 가능하다는 점이 최대의 장점이다. 1회 충전으로 약 110km 정도의 거리를 주행할 수 있다. 현재 투입중인 남산순환버스 노선에 투입되어 운행되고 있는데 주행거리가 그리 길지 않으므로 큰 문제가 없다.
배터리는 리튬-이온폴리머 배터리를 채용하고 있으며 613V의 출력으로 차량에 고압전기를 제공한다. MCU(Motor Control Unit)에 의해 AC380V의 교류전력으로 변환이 되어 모터를 구동하게 된다. 전기버스의 특성상 변속기가 없이 감속제어기로 속도를 조절하게 되며 별도의 보조 브레이크인 리타더가 장착되어 있다.
Figure SEQ Figure \* ARABIC 31 e-Primus 구조
현재 국내에서 생산되고 있는 저상버스는 전륜 차축이 모두 일체차축 저상액슬을 사용하고 있는데 반해, e-Primus는 독립현가 저상액슬을 사용하고 있다.
기존 CNG연료용기가 있던 부분은 대용량 배터리가 위치하고 있으며 엔진룸 공간은 전기장치, 변환장치, 컨트롤장치들이 위치하고 있으며 구동모터로 차량에 동력을 전달하고 있다. 기존 버스에 비해 무게가 많이 나가는 덩치 큰 부붚들이 많이 사라진 것과 탄소섬유 복합 바디 재질로 인해 차량무게가 약 2ton 정도 더 가볍다.
2.6 LG화학 전기자동차용 배터리
LG화학은 볼보에 이어 프랑스 1위 업체이자 유럽 3위인 르노도 전기자동차용 배터리 고객사로 확보함으로써 급성장하고 있는 유럽 전기차 시장에서 경쟁사보다 한 발 앞서 시장을 선점할 수 있게 됐다. LG화학은 최근 르노의 초대형 ‘순수 전기차 프로젝트’의 리튬이온 배터리 공급업체로 최종 선정되었다. 전기차 양산 규모 등을 감안할 경우 지금까지의 공급계약 중 가장 큰 규모가 될 것이다.
특히, 르노는 제휴사인 닛산과 함께 세계적인 전기차 기술력을 보유하고 있으며, 2012년까지 50만대 규모의 전기차 양산 능력을 확보하기 위해 세계 각지에 생산공장을 건설하고 있는 등 전기차 분야에서 가장 공격적인 행보를 보이고 있다.
LG화학은 지금까지 현대기아차, GM, 르노, Ford, 장안기차 등 전세계총 8곳의 글로벌 고객사와의 공급계약을 발표했다.
한편, LG화학은 올해 총 400여명의 R&D 인력을 채용할 계획이며, 특히 차세대 배터리 관련 R&D분야에는 500억원 이상을 투자해 최고의 기술을 지속적으로 확보해 나갈 계획이다.
또한, 전세계 고객들을 대상으로 안정적인 공급 대응력을 갖추기 위해 국내 및 해외 현지 공장 건설에도 박차를 가하고 있다.
국내의 경우 충북 오창산업단지에 위치한 오창테크노파크에 2013년까지 총 1조 원을 투자해 전기자동차용 배터리 생산공장을 건설하고 있으며, 하반기부터 GM, 현대기아차 등에 물량을 본격 공급하고 있다.
이와 함께 미국 미시건주 홀랜드市 현지에는 총 3억 불을 투자해 하이브리드 자동차 기준으로 약 20만대 분량의 배터리 셀(Cell)을 공급할 수 있는 현지 공장을 건설해 2012년부터 첫 상업생산을 시작할 계획이다.
한편, LG화학은 글로벌 고객사 추가 확보를 통한 공급 물량 확대에 대비해 국내와 미국 외 유럽 및 기타 지역의 현지공장 건설도 적극 검토하고 있다.
2.7 SB리모티브
SB리모티브는 2008년 9월 독일의 보쉬와 한국의 삼성SDI의 합작으로 설립됐다. SB 리모티브는 세계 최고의 리튬이온 전지 기술과 자동차 시스템 경험을 바탕으로 미래 자동차용 전지사업을 만들어 가는 핵심 기술을 가지게 될 것이다.
양사는 장기적으로 리튬이온 배터리를 자동차에 가장 적합하게 개발 및 양산해 하이브리드 및 전기자동차용 배터리 시장을 개척한다는 목표를 세웠다. 2013년까지 SB리모티브에 총 5억 달러를 투자할 계획이다.
현재 SB리모티브는 아시아, 유럽, 북미 세계 주요 지역 3곳에 주요 거점을 마련하고 글로벌 진출을 위한 발판을 마련했다. 경기도 기흥에는 SB리모티브의 본사가 위치하고 있으며, 본사에서는 셀 연구개발 및 품질 관리를 담당하고 울산에는 배터리 양산을 위한 전용라인이 자리잡고 있다. 독일의 슈트트가르트-포이에르바흐에서는 배터리시스템 개발, 양산전 시제품(Prototype) 및 배터리 시스템 개발이 이루어지고 있다.
Figure SEQ Figure \* ARABIC 32 SB리모티브 전기차용 배터리 셀
SB리모티브는 이미 기술과 제조경쟁력을 바탕으로 BMW와 공급계약을 체결한 바 있다. 지난해 초 BMW는 자사의 첫 양산 전기자동차인 메가시티 전기자동차에 SB리모티브의 리튬이온 배터리를 전량 탑재한다. 현재 SB리모티브는 BMW의 컨셉차인 액티브E(Active E)에 배터리를 공급하고 있으며, BMW는 내년부터 전기자동차 시양산 체제에 돌입할 예정이다.
뿐만 아니라 미국의 델파이사에 하이브리드 상용차용 리튬이온 배터리를 10 년간 단독으로 공급하기로 하고, 미국의 자동차메이커인 크라이슬러사에 피아트 500EV 전기자동차용 배터리 팩을 공급하기로 하는 등 전기이륜차에서 자동차, 상용차에 이르기까지 다양한 사업포트폴리오를 갖출 수 있게 됐다.
참고문헌
Renault :
http://www.renault-ze.com/accueil-69.html
PSA :
http://www.peugeot.co.uk/vehicles/peugeot-car-range/peugeot-ion/?s3path=ion_homepage_banner
http://www.c-zero.citroen.com/#/language
http://www.peugeot.com/en/design/concepts-cars/concept-bb1.aspx
메르세데스-벤츠 :
http://www3.mercedes-benz.com/mbcom_v4/gb/en.html
BMW :
폭스바겐 :
http://www.volkswagen.co.uk/technology/efficiency-and-bluemotion-technologies
http://www.volkswagen.co.uk/volkswagen-world/futures/up?csearch=e-up
Modulowatt :
Autolib :
http://www.autolib‐paris.fr
카이스트 온라인 전기차 :
레오모터스 :
시티엔티 :
현대차 :
한국화이바 전기버스 :
LG화학 :
SB리모티브 :
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