전기자동차의 미래에 대해 알아보자
전기자동차의 역사
가솔린 자동차가 출현되기 훨씬 이전인 1873년 영국의 R. Davidson에 의해 최초로 제작되었으나 1차 세계대전 후 가솔린 자동차의 급속한 진보로 일반의 관심에서 멀어져 자취를 감추게 되었다.
80년대에 들어와서 자동차배출가스에 의한 공해문제가 대두되면서 이를 근본적으로 해결할 수 있는 해법으로 전기자동차가 제시되어 왔으나 축전지 기술이 부족하여 실용화가 미루어져 왔다. 그러나 90년대 초반 들어 축전지 신기술 창출 가능성이 타진되면서 미국을 중심으로 급속하게 개발이 추진되었다.
특히 자동차회사의 강한 반발에도 불구하고 캘리포니아 주정부(CARB)의 강력한 의지로 1998년부터 전기자동차 사용을 의무화하는 ZEV(zero emission vehicle) 규제를 입법화하면서 전기자동차 개발이 본격화되었다. ∙그러나 몇 년간의 집중적인 연구투자에도 불구하고 축전지 기술이 기대만큼 성과를 거두지 못하여 전기자동차 기술발전이 다시 주춤하고 있으며, 더욱이 ZEV 규제를 2003년으로 연기하면서 전기자동차 기술이 가까운 장래에 완성되기는 어렵지 않나 하는 회의적인 전망이 높아지고 있다.
전기자동차 초기법안
1998년부터 35,000대/년 이상 판매회사에 대해 무공해 차량 2%를 의무적으로 판매하고 이 대수를 해마다 2%씩 증가하여 2002년에 10% 판매를 의무화하는 내용이었으나, 1996년 3월 공청회를 거쳐 ZEV 법안을 연기하였으며 이때 미국 및 일본의 7대 자동차 메이커와 양해각서(MOU)를 체결하였으며 주요 내용은 다음과 같다.
① 강제적이 아닌 자발적(voluntary) 판매
② 1998년에서 2000년 동안에 7개 회사가 합하여 에너지 밀도 50Wh/kg 이상의 고성능 축전지를 사용하는 3,750대 이상의 차량으로 fleet test 실시
③ 2003년부터 10% ZEV 적용
④ EV 개발 진전 상황 보고 의무화 ∙EV 판매 의무화 시기인 2003년 이전에 판매할 경우 신용점수(credit)를 주며 차량의 주행거리와 축전지의 에너지 밀도에 따라 선택할 수 있도록 하였다.
축전지 기술현황 ∙전기자동차의 가장 핵심기술은 성능이 우수한 축전지의 개발이다. 물론 축전지 이외의 주변 기술로는 구동장치의 개발이나 system controller 및 경량화 기술이 문제가 되고 있지만, 이들 기술은 향후 몇 년 이내에 현재의 기술들을 집약시켜서 개선해 나아갈 수 있을 것으로 낙관하고 있다.
축전지 성능을 결정하는 가장 중요한 인자로는 에너지 밀도(energy density, specific energy), 자동차 운행거리 결정, 출력(power density, specific power), 가속력, 최고속도 결정 이 있으며, 이외에도 안정성, 수명, 충전 용이성, 충전 효율, 충전시간, 저온 성능 등 다양한 요구를 만족하여야 한다.
미국에서 진행하고 있는 차세대 초 저 연비 자동차사업(PNGV)의 일환으로 구성되어 있는 USABC 콘소시움에서 제시한 개발목표를 먼저 살펴보면 다음과 같다. 현재 전기자동차용으로 개발되고 있는 축전지는 10여 종 이상이 있으나 다양한 성능 요건을 충족시키지는 못하고 있는 실정이다.
전기 배터리 개발 현황
축전지 기술은 급속하게 발전하여 성능이 향상되고 있기 때문에 단순하게 우열을 비교하기가 어려우나 전반적인 수준의 비교는 표 5.12와 같다. (1) 납축전지(Lead Acid) ∙납축전지는 납을 전극으로 사용하기 때문에 중량이 무거우며 에너지 밀도도 낮아 2차 세계대전 전에는 약 20Wh/kg 였으나, 이후 재료 혁명의 영향으로 성능․수명이 크게 진보하여 축전지 산업의 주역 자리를 유지하여 왔다.
현재 전기자동차용으로 사용되는 납축전지의 에너지 밀도는 약 40Wh/kg로 성능이 상당히 향상되었으며 대전류 방전에 있어서도 비교적 양호한 특성을 보여주고 있다. ∙
아직까지는 시험용 전기자동차에 많이 사용되고 있으나 충전에 6～8시간의 상당히 긴 시간이 요구되며 중량이 무거워 전기자동차용으로 자리를 잡기에는 경쟁력이 약한 것으로 분석되고 있다. (2) Ni-Cd축전지 ∙Ni-Cd 축전지의 에너지 밀도는 최근의 고성능 납축전지에 비교하면 비슷한 수준이나 대전류 방전 특성이 우수하고, 저온에서도 특성이 크게 저하하지 않는 특징이 있다.
또한 납축전지에 비해 출력밀도가 크고, 수명이 길며, 단시간 충전이 쉬운 장점이 있다. 그러나 에너지 밀도가 크게 높지 못하며 가격이 납축전지에 비해 수배로 높고, 대량 사용 시 자원문제도 유발할 수 있다. 하이브리드 전기자동차용 동력으로는 유망 시 되고 있다.
Zn-Air축전지 ∙Zn-Air 축전지는 1차 전지인 공기 건전지나 공기 습전지로서 저 전류 용도로 사용되었다. 근년에 무한한 공기(산소)를 양극 활물질로 활용하면서, 음극 활물질로는 안전하고도 저렴하면서 전기화학적으로 150Wh/kg의 높은 에너지 밀도를 갖는 아연을 이용하는 방식을 채택하여 전기자동차로서 관심이 집중되고 있다. 또한 이 전지는 상온에서 작동되기 때문에 고온 전지보다 취급 면에서 유리하다.
Na-S 축전지 ∙Na-S 축전지는 음극 반응물질에 응용 나트륨, 양극 반응물질에 응용 유황을 사용, 전해질에는 납축전지의 황산이나 알칼리 축전지의 KOH수용액과는 달리, 나트륨 이온에 대한 선택적 전도성을 갖고 고체 전해질을 이용하는 새로운 개념의 고성능 전지이다.
전기 배터리의 특징
① 에너지 밀도가 상당히 높다. 미국 Ford사가 발표하는 가능 목표치는 300 Wh/kg 까지 설정하고 있다. 이 목표가 실현되면 전지를 소량․경량화할 수 있어 여유 중량을 모타나 제어기기를 대출력화 할 수 있으며 전기자동차의 주행거리와 최고속도, 가속력 향상이 현재의 자동차 수준으로 향상될 수 있을 것이다.
② 충전 특성이 우수하여 효율이 좋다. 종래의 납축전지나 Ni-Cd 축전지의 충전 필요량은 방전량의 110～140%가 요구되고 있으나, 이 전지는 방전량의 100%로도 충분하여 충전의 Ah 효율이 우수하다. 따라서 전기자동차의 유지비가 적게 들고, 경제적인 측면에서도 상당히 유리하다.
③ 보수가 용이하다. 이 축전지는 충․방전 시 가스 발생이 없어 완전 밀폐가 가능하고, 보통 납축전지와 같이 액보충과 같은 유지관리가 용이한 장점이 있다.
④ 자원이 풍부하다. 각종 전지의 주재료로써 지구의 매장량, 연간 생산량 등을 고려하여 볼 때, 나트륨과 유황은 다른 자원에 비해 풍부하고 저렴하며 다량의 전기자동차용 축전지 공급이 가능하리라 판단된다. ∙
전기 배터리 문제점
고체 전해질 β-알루미나의 수명이 짧으며 또한 β-알루미나의 저항치를 적게 하여 출력을 증대하여야 한다. 더욱이 Na-S 축전지는 약 300℃ 이상의 고온에서 사용되기 때문에 예열 및 보온 기술을 확립하지 않으면 안 된다. 또한 나트륨은 다량의 물과 접촉하면 심한 반응을 수반하기 때문에 전기자동차 탑재 시 안전성을 확보할 수 있는 구조가 필요하다.
전기자동차 에너지 소비율 ∙가솔린이나 디젤 연료 사용 자동차의 연료소비율과 등가 개념이 되는 전기자동차의 에너지 소비율은 축전지로부터 공급된 전기에너지로 자동차가 얼마나 주행하였는가로 평가된다. ∙외부 전원으로부터 축전지를 충전할 때 충전기 효율과 축전지의 충전 효율에 의한 손실이 있으며, 축전지에 충전된 에너지의 방전이 고려되어야 한다. 축전지 에너지는 모터를 구동하여 자동차를 움직이며 이때 모터 효율에 의한 손실이 발생한다.
또한 모터 이외의 각종 전기장치를 작동하는 데에 소모되는 에너지 손실도 함께 고려하여야 한다. ∙자동차 운전을 위한 모터 구동 에너지는 자동차의 구동 저항과 공기저항에 사용되며 나머지는 자동차 가속능력으로 작용한다. 일반적으로 전기자동차는 감속 시의 에너지를 전기에너지로 회수하여 사용하기가 용이하며 이를 고려한 에너지 효율 비교도 필요하다. ∙
내연기관 자동차와 전기자동차의 에너지 소비 비중을 비교하여 보면 그림 5.14와 같다. 내연기관의 경우 공급 에너지(연료)는 대부분 연소로 손실되며 20% 정도만 차량 구동 에너지로 사용된다. 반면 전기자동차에서는 연소 손실에 해당하는 모터 구동 손실 등은 전체의 20% 정도이며 에너지 회수도 15% 이상 가능하기 때문에 차량에 공급되는 에너지만으로 비교하면 전기자동차 에너지 사용효율이 내연기관차량에 비해 월등하다.
전기자동차 전망
현재의 전기자동차의 최대 주행능력은 200km 수준이며 최고속도도 130km/h 수준에 머물러 있어 실용화의 문턱에 있지만 기존 자동차를 대체하여 상용화될 수 있는 획기적인 전기자동차 기술의 출현은 당분간 기대하기가 어렵다. 또한 전기자동차 대중화를 위해서 충전, 폐차, A/S 등을 대처하는 전기자동차 기반시설(infrastructure)의 구축이 매우 중요하다.
전기자동차의 주변장치 개발이 중요하며, 전기에너지를 운동에너지로 변환시키는 고성능 전기모터 개발, 자동차의 전체 에너지 시스템을 관리하는 EMS(energy management system), 기타 효율적인 파워 스티어링, 에어컨, 히타 개발 등이 필요하다. 전기자동차는 장래의 자동차 공해 및 에너지 문제를 해결할 수 있는 가장 가능성 높은 대안이라는 것에는 아직도 이견이 없으며 선진국에서는 정부와 자동차 회사들을 중심으로 연구가 활발하게 진행되고 있다.
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