전기 자동차 특징과 종류

신재생에너지를 공부하면서 가장 와닿았던 부분은 재생 가능한 에너지를 이용한 부분이었는데 그중 가장 친밀하지만 제대로 알아본 적 없는 전기자동차에 대해서 알아보려고 합니다. 우리 생활에 밀접히 연관되어 있지만 정확히 알지 못했던 부분이라 더 열심히 할 수 있었습니다. 전기자동차란 어떤 것이 있는지, 하이브리드 자동차는 정확히 무엇인지 알아보았습니다. 전기자동차의 탄생과 성능 그리고 특징, 전기자동차의 종류 (순수 전기자동차, 플러그인 하이브리드 자동차, 연료전기자동차, 알코올 연료전기자동차, 가선 접전식 하이브리드 자동차, 비접촉 충전 하이브리드 자동차)에 대해 알아보았습니다.

 

전기자동차란

전기차(電氣車)의 정식명칭은 전기자동차(電氣自動車,  electric car, battery electric car, all-electric car)이다. 전기자동차란 전기를 동력으로  운행하는 차를 말한다. 전기차는 내연기관 대신 전기 모터를 사용해 에너지를 발생시킨다.

전기자동차의 역사에 대해 살펴보도록하겠습니다. 1873년에 처음 제작되었으나 가솔린 자동차에 비해  배터리의 중량이 무겁고 충전 시간이 너무 길다는 단점을 보완하지 못해서  대중화되지 못했다. 미국에서는 1920년대 중반까지 소량 생산되어 운전하기가 쉬운 등 장점을 살려 주로 여성들이 사용하긴 했다. 이 소량 생산된 차는 구조가 간단하고 내구성(耐久性)이 켜서 운전하기에 편하였다. 1990년대 이후 환경문제인 공해의 심각성이 부각되면서 전기 자동차 개발에  활기를 띄며 개발에 박차를 가하기 시작하였다. 1996년 고성능 전기 자동차 GM EV1을 생산하였다. GM EV1은 GM이 개발용 모델인 EV를 토대로 만든 것이다. 이 차는 한 번 완충하면 최장 208km를 150km/h로 달릴 수 있었다. 그러나 GM은 이 모델이 수익성이 없다는 이유로 단종시킨 후 모두 회수해서 폐차하다. 

 

성능

전기 자동차와 내연기관 자동차의 성능을 비교해 보면 에너지 효율성의 측면에서는 휘발유자동차의 대부분의 에너지는 열로 발산되어 없어진다. 즉, 휘발유 자동차 엔진은 열효율성이 20%밖에 안 되기 때문에 효율성이 낮다. 전기 자동차의 에너지 효율성은 전기에너지의 충전과 방전 효율에 따라 정해진다. 보통 한번 충전하였을 경우 충전량의 약 70%에서 85%의 전기에너지가 실제 사용이 가능하다. 또한 충전 간에 약 9.5% 정도의 에너지 손실이 일어난다. 보통의 전기 자동차는 이 동력 소비의 대략 20% 정도는 배터리 충전의 비효율성 때문이다.  따라서 전기 자동차의 에너지 효율성은 휘발유 자동차의 에너지 효율성보다 좋고, 심지어 하이브리드 자동차의 에너지 효율성보다 뛰어나다. 그러나 에너지원으로부터 바퀴 구동까지의 에너지 효율을 따져보면 꼭 그렇지도 않다. 전기 자동차가 요하는 전기는 발전소에서 만들어지는데, 발전소의 발전효율은 40%가 넘지 않고, 송전 시 손실되는 에너지도 많기 때문이다.
전기 자동차의 안전성은 (전기 자동차의 안전 문제는 주로 국제 표준 ISO 6469에 의해 판단된다)세 부분으로 나뉜다.  첫째 온보드의 전기 에너지 저장 부분, 둘째. 배터리 기능 안전 수단과 고장으로부터 보호. 셋째 전기적 위험으로부터 탑승자 보호 부분으로 안전성을 체크한다.
서비스 비용은 전기 자동차가 내연기관 자동차보다 더 작다. 전기 자동차에 사용되는 [Li-ion] 배터리는 교체 시 큰 비용이 소요된다. 그러나 Li-ion의 배터리 기술이 발전하면서, 전기 자동차와 내연기관의 혼성 방식(하이브리드)인 도요타의 프리우스 자동차는 300,000km 이상을 배터리 교체 없이 가는 것으로 알려져 있다. 내연기관 자동차의 납축전지 배터리는 제한적인 용도에서 사용되는 소형이로 교체 비용이 적다. 도요타는 10년/150,000 마일 혹은 8년/ 100,000 마일의 보증제도를 가지고 있다. 두 자동차의 화재 위험을 보면  전기 자동차 배터리는 충돌이 기계적 고장 이후 불이 붙을 수 있다. 비록 ICE 차량보다 주행 거리 당 화제 사고가 덜하지만 플러그인 전기차 화재 사고가 발생하기도 했다. 2012년 5월 중국 선전 지역에서 고속 승용차가 BYD e6 택시와 충돌한 화재사고는 중국 최초의 현대식 충돌 화재로 보고됐다.

 

특징

전기 자동차의 안전성은 운전자의 측면에서 볼때 높다고 할 수 있다. 배터리의 큰 질량으로 인해 전기 자동차는 같은 크기의 가스 자동차보다 질량이 많이 나간다. 자동차 충돌 사고 시 무거운 차량의 운전자가 입는 피해는 평균적으로 가벼운 차량의 운전자보다 적다는 것을 고려한다면 그 안전성은 가스 자동차보다 높다. 하지만 마찰력이 작은 타이어를 사용해 문제가 되기도 했다. 전기 자동차는 내부 연소엔진을 갖춘 차량에 비해 소음이 적다. 적은 소음은 표면적으론 장점일 수 있으나, 보행자가 자동차 운행 소리를 듣지 못하고 자동차를 피하지 않아 예기치 못한 사고가 발생할 가능성이 있다.
전기자동차의 대중성 즉 시장성은  아직 가솔린 자동차에 비해 미비하다. 가솔린 자동차의 경우 몇십년간 인류의 생활에서 없어서는 안 될 주요한 도구가 되었기 때문에 그 인프라가 탄탄하다. 예를 들어 가솔린 차를 타고 여행할 경우 주유소를 이용할 수 있으나 인프라 구축이 미흡한 전기 자동차의 경우 충전소를 찾기 위해 오랜 시간을 들여야 한다. 전기 자동차의 배터리를 충전시키는 시간은 가솔린차의 주유시간보다 매우 오래 걸리기 때문에 여행자에게 제약이 된다.  현재 전기 자동차를 위해 조성된 환경은 느린 전기 충전에 알맞게 되어있어 재충전되는 동안 차량은 주차되어 있어야 한다. 통근용으로 차량을 사용하는 사람들에게는 큰 문제가 없지만 장거리 운전자의 경우 재충전 시간으로 인해 이동 간 소요시간이 늘어나는 문제점을 감수해야 한다.
전기 자동차의 관리비용은 동급의 가솔린 자동차와 직접적으로 비교할 수 있다. 전기 기관을 이용하는 경우 배터리에서 발생하는 2.7kw의 전기에너지는 1리터의 가솔린으로 발생하는 에너지와 비슷한 크기를 보이며 EV1의 경우 100km를 주행할 때 약 11 kwh의 에너지를 소비한다. 반면 가솔린 자동차의 경우 보통 1리터의 가솔린으로 약 9.7 kwh의 에너지를 발생시킨다.  전기 자동차의 유지비용은 가솔린 자동차와 비교하였을 때 크게 낮다. 전기 자동차에 사용하는 납축전지의 경우 주기적인 교체가 필요한,  니켈 수소 배터리의 수명은 보통 자동차의 수명과 같으며 도요타 자동차의 프리우스 전기 자동차의 경우 300,000km를 배터리 교체 없이 주행할 수 있다고 한다.

 

종류

전기자동차는 구동계의 배치에 의한 구분되는데, 전동 모터를 포함한 구동계의 배치에 따라 몇 개의 분류가 가능하다.  구동 타이어 가까이에 모터를 배치(-통상의 가솔린 자동차에 가장 가까우며, 비교적 간단한 개조에 의해 엔진 부분을 바꾸어, 프로펠러 샤프트나 데프 등을 그대로 사용하는 것), 경우에 따라서는 감속 기어를 사용하여 구동바퀴에 접속하는 것, 그리고 가장 기존 자동차와 다른 구동계의 배치인 인 허브 모터를 가진 것 등이 있다. 후륜, 전륜의 2륜 구동, 4륜 구동도 가능하다.

순수 전기 자동차는 축전지에 충전된 전기를 사용하여 전동기를 가동한다. 

순수전기자동차는 꾸준히 계발되어 왔다. 리튬 2차 전지의 성능과 가격은 현재 2~3배 정도의 개선을 목표로 개발이 진행되고 있고, 부품 수도 적기 때문에 앞으로 보통 승용차라도 플러그 인 하이브리드 자동차보다 싸질 수도 있다.  그러나 트럭이나 버스 등은 가격이 1/50 이하로 하락해야만 대중적일 수 있는데 사실상 불가능하므로 가격 경쟁력에서는 힘들다고 본다.
순수 전기자동차는 주행 시 CO2를 거의 배출하지 않는다. 보통의 소형 전기 자동차가 충전 전기 제조 시 주행 1 Km당 40g(소형 가솔린 차의 경우는 170g)의 적은 CO2를 발생하여 가장 친환경적이다. 다양한 에너지원을 이용할 수 있고, 에너지 효율이 높다. 가선을 설치하는 비용이 들지 않으며, 미관이 좋으며 차량에 집 전기가 불필요하다. 전기 자동차는 휘발유 자동차와는 다르게 운전 중에 기어를 바꿔줄 필요가 없어 운전조작이 간편하다.
전기차는 전기모터로만 구동할 경우 운행비용이 가장 저렴하고 값싼 심야 전기를 이용할 경우 비용을 더 낮출 수 있고 전력이용의 시간대별 평준화가 가능하여 싸고 힘있는 심야 전력으로 자택에서 충전 가능하다. 엔진 소음이 적고, 진동이 적으며, 차량 수명이 상대적으로 길다. 내연기관이 없어 고장이 적은 편이고 차량 디자인 및 부품 배치 자유도가 크다. 부품수가 하이브리드카는 물론, 내연기관차보다 적은(트랜스미션 레디 에이터 등이 불필요) 시스템으로  단순화가 가능하므로, 고장 리스크 범위도 줄일 수 있다. 기술 혁신에서 전지 코스트가 줄어들면 플러그 인 하이브리드 자동차보다 값이 쌀 가능성이 있다. 차량 운전 시 에너지당 중량이, 석유 계 연료에 비해서 매우 크므로 사고 시 폭발의 위험성이 적다.
이런 장점에도 불구하고 순수 전기 자동차는 고가의 전지가 필요하고 자동차 수명보다 전지 수명이 짧고, 전지를 몇 번씩 교환해야 하는 큰 단점이 있다. 전지 수명이 짧고, 전지의 잔존시간 확인이 어렵워 차량 가격이 비싸다. (그러나 기술 개발을 통해 배터리 생산 단가를 절감하면 향후 가격 경쟁력에서 충분히 승산이 있다는 분석도 있다.) 차량 총 중량 20t 트럭일 경우, 현재 기술에서는 전지만으로도 5t 정도이다. 따라서 대형차에 맞지 않는다.
또한 장거리 주행을 위해서는 급속 충전 스탠드의 전국 있어야 충전이 가능하다. 충전 시간이 오래 걸리고  일반 가솔린 자동차에 비해 충전속도가 느리고,  배터리 1회 충전으로 주행할 수 있는 거리(항속거리)가 짧다. 별도의 충전 시설을 위한 인프라 구축도 선행돼야 대중화가  이뤄질 있다. 
몇몇 국가에서는 전기자동차의 급속충전 잭 규격이 다르다. 대한민국은 DC콤보-1이 대다수를 차지하지만, 일본은 도쿄 전력이 고안한 차데모 방식을 대부분 이용한다.

플러그인 하이브리드 자동차란 기본은 하이브리드 자동차이지만, 축전지 용량을 하이브리드 자동차와 전지 자동차의 중간 크기로 하고, 비상시에는 다시 충전해 두는 것으로 단거리는 전지 자동차로서 활용하는 형식이다. 단거리 이용이 많은 승용차의 특성에 주목하여, 전동 주행을 단거리 이용으로 줄여서 전지 코스트를 줄인 가솔린 자동차와 전기 자동차의 하이브리드 방식이다. 가정 전원이 이용 가능하고 어디서도 충전할 수 있다는 간편성을 염두에 둔 방식이다. 
장점은 대형 승용차에 전지 자동차보다 우월한 연비를 보인다. 전지로 장거리 주행을 타협하고 있으므로, 전지 코스트/중량이 전지 자동차보다 저렴하다. 그 때문에 전지 가격 저하까지는 종합 경제적으로 유리하다. 가솔린 스탠드를 이용 가능하며, 충전 스탠드 정비가 진행될 때까지는 편리하게 사용할 수 있다. 가솔린차와 동등 이상의 항속성능을 보인다.
단점은 장거리 주행, 또는 지속적인 대출력이 필요한 버스, 트럭 등에는 쓸 수 없다. 13km 정도 이상의 주행은 하이브리드 자동차와 비슷한 정도의 환경 부하가 있다. 전기 자동차와 가솔린 자동차의 전환 기구가 필요하고 부품 수가 많아서, 전지의 코스트 다운이 진행된 경우는 경제적 이득을 잃게 된다. 급속 충전을 지원하지 않고, 완속 충전만 가능하다.

연료 전지 자동차는 수소 연료 전지로 발전하고 전동기를 구동하는 타입으로 수소를 직접 연소하여 이용하는 수소자동차와는 에너지를 내는 방법이 다르다. 대표적인 수소차는 현대넥쏘와 도요타 미라이 등이 있다.
다른 방식의 수소 자동차와 같은 장점으로  자연 에너지 발전의 이용보다, 수소는 물에서 무한대로 생산 가능하여 지속 가능하며, 항속거리가 전지식 전기 자동차 보다 길고, 주행 시 CO2, NOx가 발생하지 않는다. 내연수소자동차보다 연료를 절감할 수 있다. 다른 방식의 수소 자동차와 같은 단점은 차량 내부 공간이 협소(수소 흡장 합금 탱크나 고압 수소 탱크를 탑재)하고 무게는 증가한다. 내연 수소 자동차 보다 취득 비용이 더 많이 드는데 이것은 수소연료 전지 자동차에 사용하는 백금 등에 연료 전지 자체가 고가이기 때문이다. 화학반응을 이용하는 발전이므로, 이온 교환 수지의 마모에 의한 성능 저하를 피할 수 없으며, 몇 년마다 연료 전지를 교환해야 한다.  가장 큰 단점 일반전기차에 비해 충전소가 매우 적고  인프라 정비에 비용이 든다

알코올 연료전지 자동차는 알코올 사용방법에 따라 두 가지 방식으로 나눈다. 알코올을 직접 연료전지에 공급하는 방식과, 연료 개질기를 사용하여 알코올에서 수소를 얻어, 수소 연료 전지에 공급하는 방식이 있다. 발전 이후의 시스템은, 전동기를 구동하는 전기 자동차와 거의 같다. 알코올을 연료로 하여 직접 내연기관에서 연소시키는 자동차와는 다르다. 좋은 점은화재시 물로 소화가 가능하고 연료 가격이 비교적으로 싸며 항속 거리가 전지식 전기 자동차에 비해 길다. 전지 자동차와 설계의 공통화 시킬 수도 있다. 하지만  알코올의 제조 단계에서 CO2가 발생한다. 부식성 때문에 알코올 직접 공급식 연료 전지는 수소 연료 전지보다 수명이 짧고 알코올 연료는 가솔린이나 경유에 비해 인화 가능한 공기 중의 혼합비의 범위가 넓고, 안전성이 떨어진다. 또한 연료 전지 스택이 비싸고 메탄올이 금속을 부식시키므로 취급 자격이 필요하다는 나쁜점이 보인다.

가선 집전식 하이브리드 자동차는 간선도로에서는 가선 집전으로 전동기를 돌리고, 지선에서는 내연기관과 변속기로 주행하는 방식이다.  그러나 가선이 있는 곳 이외에서는 주행 불가능하여 보급이 한정되어 있고, 디젤 엔진을 탑재한 버스의 성능 향상보다 떨어지는 나라도 많다. 최근에는 하이브리드 자동차에 집전장치를 설치, 가선 없는 곳도 달릴 수 있는 트로리 버스가 개발되었다. 기술적으로는 고가에 무겁고 수명이 짧은 2차 전지가 불필요하고, 장시간에 걸쳐 대출력을 발휘할 수 있는 것이 장점으로, 변전소와 가선, 가선 주의 설치나 그 보수 비용, 거리의 광경에 미치는 영향 등이 단점이다.
소형(소용량) 전지를 사용할 수 있어 중량 대비 비용 면에서 유리하고 차량 코스트는 하이브리드와 크게 다르지 않아 상대적으로 저렴한 비용으로 해결이 가능하다. 가선이 있는 간선 구간에서는 가솔린보다 싼 전기가 사용되며, 차량에서 CO2배출도 없다. 전지식 전기 자동차에 비해 전지가 작아 차량이 가벼워 지고, 에너지 소비량과 CO2 배출 절감이 가능하다. 가선집전으로는 항속 거리의 제한이 없으며, 지선에서 항속 거리도 전지식에 비해 길다. 지속적인 대출력 발휘가 가능하고 가솔린 스탠드로 급유가 가능하여 석유 소비의 큰 비율을 차지하는 버스, 트럭 등의 대형 자동차 윤송의 전동화에 적용 가능하다. 하지만 가장 큰 문제는 가선이다. 가선 설치를 위해서는 높은 초기 비용이 필요하며 통상 가선으로 교통집중에 맞는 전기 용량이 확보 되어야 되기 때문에 가능에 대한 충분한 증빙 자료가 없다는 단점이 있다. 또한. 정비 불량에 의한 위험이나 설비 시 위험성이 크고 용단, 파단에 의한 새로운 위험이 발생할 수 있으며 가선 보수 요원이 필요하다. 고속도로상의 가선을 사회가 수용할 필요가 있으며, 미관상 영향과 안전성에 문제가 발생할 수 있다. 그리고 가선 없는 말단 도로에서는 가솔린 엔진을 움직이므로 CO2나 NOx가 배출된다. 집전주행 중 정해진 차선 이외로 변경하는 것이 곤란한 경우가 발생할 수 있다.

비접촉 충전 하이브리드 자동차란 유도 코일을 통해 주행 중이나 정차 중에 자체 전지를 충전함으로써 전지 용량(중량과 코스트)을 낮추며, 장거리의 전지 주행을 가능하게 하고, 지선은 엔진으로 구동하는 타입이다. 일본에서는 시내 주행용 노선 버스의 전화에 최초 적용이 기대되고 있다. 충전 코일의 시내 설치가 진행되면 트럭의 시내 주행 전화에도 응용 가능할 것으로 보인다. 코일 충전 장치가 있는 구간은 화석 연료보다 싼 전기가 사용 가능하며, 차량에서의 CO2 배출도 없고, 항속 거리의 제한이 없고, 지선의 항속 거리도 크다. 대형 차량에 적합하여 무겁고 고가이며 수명이 짧은 전지를 절약할 수 있다. (전지 코스트는 주행 도중 충전하지 않는 전지 자동차보다 훨씬 적게 든다) 가솔린 스탠드에서는 급유도 가능하다. 주행 및 정차 중의 충전으로 인해 전지가 작아도 괜찮으며, 전기 자동차 중에서는 가선식 다음으로 차량이 가벼워지고, 에너지 소비와 CO2 배출도 절감할 수 있다. 가선이나 집전장치가 불필요하여 미관상 가선 집전식 하이브리드 방식보다 유리하다.
그러나 초기 인프라 정비에 비용이 든다. 변전소의 건설이나 지중 코일과 급전설비의 설치가 필요하고 급전 시스템의 보수 요원이 필요해진다. 오후 주행 시, 야간 전력 이용이 불가능하다.(단, 전지식은 야간 축전 오후 주행이 가능하다.)
급전 서비스로의 과금 시스템이 필요해진다. 코일 충전 장치가 없는 구간에서는 엔진을 움직이므로 기존과 같은 CO2나 NOx가 배출된다.

하이브리드 전기 자동차와의 관계

하이브리드 전기 자동차는 전기에너지를 배터리에 충전시켜 사용함으로써 자동차의 에너지사용에서 가솔린 연료 사용 부분을 부분적으로 대체하고 있다. 전기 모터와 내부 연소 엔진을 사용하는 하이브리드 전기 자동차는 전기로만 작동하도록 고안되지는 않았다. 이러한 기술이 하이브리드 자동차에 적용된 차량을 하이브리드 전기 자동차라 하고 만약 배터리가 외부로부터 충전할 수 없다면, 즉 전기 에너지를 저장할 매체가 없는 차량은 하이브리드 차로 분류된다.
높은 가격과 짧은 주행거리의 문제를 안고있는 전기 자동차에 대한 대안으로 하이브리드 전기 자동차(HEV)를 내세우고 있다. 하이브리드 전기자동차는 대표적인 Partial ZEV로 가솔린과 전기를 함께 동력원으로 사용하기 때문에 연비 개선, 배기가스 저감(가솔린 자동차의 절반 수준) 측면에서 긍정적인 평가를 받고 있다. 이러한 HEV도 가솔린 자동차와의 가격 차이를 어떻게 극복하느냐가 관건으로, 2차 전지 탑재량을 EV의 1/3 수준까지 낮출 수 있어 FCEV로 가기 위한 징검다리 역할을 할 것으로 기대된다. 1997년 말 일본 시장에 출시된 도요타의 프리우스는 세계 최초의 HEV로 1년 동안 20,000대의 판매실적을 올려 세계적인 관심의 대상이 되었으며, 이에 자극받은 회사들도 2000년 판매를 목표로 개발에 박차를 가하고 있다.

논란  현재 전기 자동차의 인프라는 느린 배터리 충전 시간을 바탕으로 구성되어 있어 장거리 여행이 아니라 일반 통근을 목적으로 이용하는 사람들에게 효용성이 있다. 전기적 에너지를 배터리나 축전기에 저장하는 전기 자동차가 탄탄한 인프라를 갖춘 가솔린 자동차 시장을 바로 대체할 수 없다는 주장이 많다. 반면에 장거리 운전자의 경우, 전지의 에너지를 모두 소모하게 되면 배터리 재충전까지 부득이하게 오랜 시간을 기다려야한다. 

하이브리드 자동차의 가장 큰 과제는 초기 인프라설립에 투자비용이 크다는 사실을 다시 한번 깨달았다. 하지만 환경과 미래를 위해서 늘려나가야 되는 부분이라는 생각이 들었다.