전기자동차(Electric vehicle ; EV)는 주로 밧데리의 전원을 이용하여 AC 또는 DC모터를 구동하여 동력을 얻는 자동차로서 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 들어서 자동차 배출가스에 의한 공해문제가 대두되면서 그 해법으로 전기자동차의 사용이 제시되었으나 축전지기술부족으로 상용화가 미루어져왔다. 그러나 90년대 초반에 들어서면서 축전지 신기술의 가능성이 창출되면서 미국을 중심으로 급속하게 추진되었다. 특히 미국의 경우 자동차회사의 강한 반발에도 불구하고 캘리포니아 주정부에서는 1998년부터 전기자동차 사용을 의무화하는 ZEV(Zero Emission Vehicle) 규제를 입법화하면서 전기자동차 개발이 본격화되었다. 그러나 축전지기술개발이 기대에 못 미치면서 ZEV규제를 2003년으로 연기하였으나 최근 CO2규제와 관련하여 그 전망이 높아지고 있다.
나. 전기자동차의 종류 및 특성
(1) 종류
(가) 밧데리전용 전기자동차
밧데리전용 자동차는 밧데리의 전원을 이용하여 모터를 구동하고 전원이 다 소모되면 재충전.
(나) 하이브리드 자동차
하이브리드 전기자동차는 엔진을 가동하여 전기발전을 하여 밧데리에 충전을 하고 이 전기를 이용하여 전기모터를 구동하여 차를 움직이게 하는 자동차.
1) 직렬 방식
엔진에서 출력되는 기계적 에너지는 발전기를 통하여 전기적 에너지로 바뀌고 이 전기적 에너지가 밧데리나 모터로 공급되어 차량은 항상 모터로 구동되는 자동차. 기존의 전기자동차에 주행거리의 증대를 위하여 엔진과 발전기를 추가시킨 개념.
2) 병렬 방식
밧데리 전원으로도 차를 움직이게 할 수 있고 엔진(가솔린 또는 디젤)만으로도 차량을 구동시키는 두가지 동력원을 사용. 주행조건에 따라 병렬 방식은 엔진과 모터가 동시에 차량을 구동할 수도 있다. 전륜은 엔진이 위치하고 후륜은 모터가 위치하여 각각의 동력원이 전륜,후륜을 구동시킴..
(다) 태양에너지 자동차
1) 정의 : 태양의 빛에너지를 전기적에너지로 변환(전기셀)하여 밧데리에 충전하고 밧데리
의 전기를 이용하여 전기모터를 구동하여 차를 움직이게 하는 자동차.
2) 운영 : 낮에는 태양빛의 에너지를 이용하여 모터를 구동하는 밧데리의 전원에 보조전
원으로 공급하며 밤이면 순수 밧데리의 전원을 이용.
3) 설치 : 태양전기셀은 차량의 지붕이나 본네트에 부착되어진 전원을 밧데리에 충전.
(2) 전기 자동차의 특성
재충전이 가능한 주축전지와 구동용 전동기, 전동기 속도제어장치, 보조전지 및 보조 충전지 충전용 직류-직류변환기, 충전기 등과 기계적 부품으로 구성.
표 6.6.1. 전기자동차용 주요부품의 특성
부품명 현황
|
특 성
|
축전지
|
. 주로 연축전지 사용 : 에너지 밀도 34wh/kg,
. Ni-Fe, Na-S 등 신형전지 개발완료 |
전 동 기
|
. 직류 타여자전동기, 직류분권전동기 사용 |
제어장치
|
. 트랜지스터 및 SCR 사용 및 회생제동, 개별적 기능 |
기타장치
|
. 제어장치, 변환기, 충전기 분리제작 사용 |
표 6.6.2. 전기자동차의 장·단점
장 점
|
단 점
|
1. 무공해 또는 저공해 이며 초 저소음
2. 운전 및 유지보수 용이
3. 수송에너지 다변화 가능(원자력, 수력,
석탄화력, 풍력등으로 발전된 전기를
사용)
4. 충전부하로 수요창출(심야전력 이용)
|
1. 주행성능이 나쁨(가속성능, 등판능력.
최고속도등)
2. 1회 충전주행거리가 짧다.
3. 고가(소규모 시험생산 3배정도)
4. 전기자동차 사용여건미비
(법령, 충전시스템, 전기료 우대등 부수적
여건 미비) |
다. 전기자동차의 구성
전기자동차는 앞에서 언급한 바와같이 3종류로 구분되며 그 구조를 그림 6.6.1부터 그림 6.6.4에 각각 나타내었다.
그림 6.6.1. 전기자동차의 구조
그림 6.6.2. 전기자동차의 주요메커니즘
그림 6.6.3. 하이브리드 자동차의 구조(직렬방식)
그림 6.6.4. 하이브리드 자동차의 구조(병렬방식)
라. 국내·외 기술개발현황
(1) 국내현황
현대자동차에서는 1991년 5월 미국 오브닉스사와 밧데리 공동연구를 시작으로 최고속도 60km/h, 주행거리 70km/h에서 계속 연구하여 1993년 5월 최고속도 120km/h, 주행거리 130km/h인 엑셀 및 그레이스자동차를 개발하였으며 1대를 울산시청에 환경감시용으로 기증하였다. '94년 5월에는 니켈-메탈수소전지 탑재차를 개발 최고속도 130km/h, 주행거리 240km/h인 자동차를 제작하였고 이듬해인 '96년 3월 세계 최고수준인 엑센트차량을 개발(최고속도 140km/h, 주행거리 390km)하였다. 한편 기아자동차는 1991년부터 전기자동차의 개발에 착수하여 1993년에 프라이드를 개발완료하였고 이어서 베스타 및 세피아 등에 적용, 개발하였다. 표 6.6.3과 6.6.4에 기아 및 대우자동차에서 개발한 전기자동차의 성능을 각각 보여주고 있다.
표 6.6.3. 기아 전기자동차의 성능 및 제원
기 본 차 량
|
세피아
|
베스타
|
프라이드
|
중 량
|
공차중량 kg |
1450
|
2895
|
1164
|
정원 (인) |
4
|
6
|
2
|
성 능
|
최고속도 km/h |
140
|
90
|
110
|
가속성 0→40km/h 초 |
5.3
|
11.9
|
6.5
|
일충전주행거리 km
(40km/h정속) |
140
|
120
|
100
|
등판능력 % |
38
|
28
|
56
|
전동기
|
종 류 |
BLDC
|
직류분권
|
직류분권
|
최고 출력 kW |
76
|
32
|
35
|
전지
|
종 류 |
Ni-Cd
|
밀폐형 납축전지
|
납축전지
|
용 량 Ah |
190
|
160
|
140
|
개 수 |
24
|
18
|
10
|
충전압 V |
144
|
108
|
120
|
충전기
|
별치형 ·220V 3Φ
|
탑재형·110V
|
탑재형·110V
별치형·220V
|
표 6.6.4. 전기자동차의 개발현황
시험차명
|
차량외관
|
공차중량
(kg)
|
최고속도
(km/h)
|
1회충전주행거리(km/h)
|
Battery
|
정속주행
|
시내주행
|
DEV-1호
|
LEMANS VAN과 동일
|
1,375
|
141
|
165(40km/h)
|
60
|
12V,50Ah,밀폐형납산축전지 22개 사용
|
DEV-2호
|
ESPERO와 동일
|
1,462
|
137
|
80(80km/h)
|
-
|
12V,52Ah,개량형납산축전지 22개 사용
|
DEV-3호
|
-
|
1,280
|
120
|
185(80km/h)
|
-
|
1.2V,80Ah,Ni/MH Battery 270개 사용
|
(2) 국외 현황
(가) 전기자동차
최근 각 사에서는 캘리포니아주의 MOA에 대응한 '98년도의 시범운행에 앞서 전기자동차를 시장에 투입할 전망이다. 각 사의 이러한 움직임은 2003년의 10% 강제판매를 주시하면서 전기자동차 비즈니스의 가능성 모색에서 비롯한 것으로 추측된다. 또한 전기자동차 비즈니스의 가능성을 검토하기 위해서는 개발, 제조, 수송, 판매, 서비스/정비등의 체제를 확립할 필요가 있으며, 각 사의 향후 동향이 주목된다. 표 6.6.5는 각 사에서 발표되고 있는 판매/리스와 관련된 전기자동차의 사양개요를 나타내었다.
표 6.6.5. 미국의 제작사별 전기자동차 성능
차량명
제원 |
GM
|
포드
|
크라이슬러
|
차명
|
임펙트
|
에코스타
|
TE 벤
|
최고속도(m/h)
|
75
|
70
|
65
|
가속성능(sec(m/h))
|
8.5(0∼60)
|
12(0∼50)
|
27(0∼50)
|
주행거리(miles)
|
90(Highway)
|
100(FUDS)
|
80(SAE C-cycle)
|
공차중량(kg)
|
1318
|
1338∼1452
|
2265
|
차량치수(mm)
|
4313*1632*1283
|
4196*1650*1610
|
4524*1892*1717
|
전지(전압:V)
|
납축전지(312V)
|
NaS(330V)
|
NiFe 또는 NiCd(180V)
|
전지중량(kg)
|
499
|
362
|
727
|
모타(출력)(kW(HP))
|
인덕션 102(137)
|
인덕션 56(75)
|
DC 54(73)
|
충전
|
220V-30A
|
220V-30A,110V-15A
|
208V-40A
|
(나) 전기자동차 요소기술
1) 전지 기술
가) 전기자동차의 가장 핵심기술은 성능이 우수한 축전지의 개발이다. 물론 구동장치나 제 어장치 및 경량화를 위한 재료개발이 필요하지만 이들 기술개발은 매우 낙관적이다.
나) 축전지 성능향상에 영향을 주는 주요인자로는
① 에너지 밀도 → 자동차 운행거리 결정
② 출력 → 가속력, 최고속도 결정이 있으며 이외에도 안정성, 수명, 충전용이성, 충전효율, 충전시간, 저온성능등 다양한 요구를 만족하여야 한다.
다) 미국에서 진행하고 있는 차세대 초저연비 자동차사업(PNGV)의 일환으로 구성되어 있 는 USAVC 콘소시엄에서 제시한 개발목표는 표 6.6.7과 같다.
2) 모터/제어기술
모터/제어기술도 점점 발달하여 고출력, 소형이면서 효율이 높은 시스템이 개발되고 있다. 모터/제어계통의 주요 과제로서 최근 개발상황은 다음과 같다.
가) 고출력화
DC모터를 AC모터로 변환함에 따라 출력과 EV의 동력성능(가속성능,최고속도)이 크게 향상되어 가솔린차에 비하여 손색없는 수준에 도달하였다.
나) 경량·소형화
고출력화를 추진하면서 고회전화(~10,000rpm이상)함에 따라 모터가 경량·소형화되어 탑재중량이나 용적도 크게 감소하였다. 최근에는 1kW/kg의 출력 밀도를 초과하는 모 터도 개발되고 있고, 모터와 동시에 감속기나 차동장치도 소형화되고 있다.
표 6.6.6. 국가별 전기자동차 개발동향
국가
구분
|
차량 대수
|
구입프로그램 및 인센티브
|
생산을 위한 노력
|
차량 및 기반시설의 현황
|
차량 및 전지의 연구개발
|
미국 |
1,000 |
차량에 대한 연방의 $4,000세제상 혜택:몇몇 주에서는 인센티브를 제공하거나 대체연료 차량을 요구사항:캘리포니아 유형의 의무규정(6개주) |
3대 주요 메이커에서 EV의 소량생산 |
작은규모의 시범사업:통근승용차량 및 버스류에 대한 소규모의 공공시범사업 |
US Advanced Battery Consortium |
프랑스 |
500 |
평균 $3,030의 연방보조금 |
상업용 및 표준형 EV생산을 위한 2개의 주요 제작자 |
10개 (각각 20∼50대의 EV를 운행)도시의 시법프로그램 |
연방이 후원하는 전지 및 연료 셀 연구 |
독일 |
1,000∼2,000 |
5년간의 조세면제:몇몇 주에서는 보조금(30%까지) |
각 100대의 파일럿 생산을 위한 2대 주요 메이커 |
60대의 차량을 소유하는 Rugen에서 차량과 기반시설에 대한 시범프로그램 |
연방이 후원하는 lithium전지연구 |
이탈리아 |
400 |
5년간의 조세면제 혜택:보험료의 50%할인혜택 |
주요 메이커에서 EV 400대 생산완료 |
소도시의 버스에 시범적용 |
연방이 후원하는 전지의 연구 |
일본 |
1,600 |
50%의 연방보조:특정 시단위에서의 50%까지의 보조:
판매 및 보유세의 할인:7%, 사업상의 세제 혜택:임대업에 대한 보조 |
2000년까지 200,000대의 EV생산 국가목표 설정: 상업용 및 표준형 EV생산을 위한 6대 주요 메이커와 3개 서비스 업체 |
2000개의 충정소 설립 국가목표:국가 및 지역의 후원을 받는 시범사업 |
lithium전지 프로젝트 |
스웨덴 |
380 |
구매시 $500의 할인:시단위의 주차료 할인 |
1개 주요 메이커에서 표준형 가스터빈 하이브리드 차량 생산 |
3개 시단위의 시범프로그램:Gothenberg의 경우 단기 200대의 EV와 장기 1000대 보유 |
주된 자금지원의 초점은 전기주행시스템과 신속충전기반시설 |
스위스 |
1,000 |
연방의 인센티브는 없다 |
2개의 소규모 메이커에서 경량EV생산 |
도시형 EV임대 및 정비업소:EV경주대회 및 전시회 개최 |
스위스 제작경량 EV의 안전성 및 충돌테스트를 지원하기 위한 연방법 제정 |
영국 |
25,000 |
도로세($150)의 면제 |
주요 메이커에서 475대의 EV생산완료 |
해당 시범사업 없음 |
연방의 연구개발 지원없음 |
(출처 : CFR, Clean Fuel Reports, Feb. 1995.)
표 6.6.7. USAVC Battery 개발목표
Goals
|
Specific Power
|
Specific Energy
|
Lifetime
|
Cost
|
Mid-term Goals
EV 성능
|
150∼200 W/kg
0∼50 mph 가속 12초
|
80∼100 Wh/kg
1회충전
100∼125 마일주행
|
5 년
|
$ 150 / k조
밧데리 비용
$4,500∼$6,000
|
Long-term Goals
EV 성능
|
400 W/kg
0∼60 mph 가속 9초
|
200 Wh/kg
1회충전
200 마일주행
|
10 년
|
< $100/k조
밧데리 비용
$4,000
|
다) 고효율화
효율이 높은 교류유도 모터에서 동기모터로 변환함으로써 저회전에서 고회전영역으로 까지 효율이 더욱 향상되었다. 동기 모터는 약한 계자제어에 의해 토크(torque) 특성이 향상되었고, 제어를 포함한 종합효율도 매우 높다.
라) 제어의 고속화/고효율화/소형화
제어장치나 제어방법의 개발로 제어기술이 크게 발달하였다. 구체적으로는 파워소자인 IGBT 개량, 인버터 개량, 고속마이크로 컴퓨터 사용 및 한 개 칩화, 냉각방법 개선, 제어방법 개선에 따른 고속화, 고효율화를 도모하면서 제어장치의 소형화를 실현하고 있다.
3) 그 외의 기술 개발
충전기로서는 주로 직류 전도방식과 교류 유도방식이 검토되고 있으며, 일본. 미국. 유럽 에서는 충전방식이나 형태, 통신방법 등의 표준화를 추진하고 있다. 충전장소는 주간의 보조충전용 충전스탠드와 야간의 각 가정이나 사업소에서의 주충전을 검토하고 있으며, 이에 대응한 충전기를 개발하고 있다. 그러나 인프라정비에는 아직 좀더 시간이 걸리기 때문에 각사에서는 자부담으로 자체충전기(차량탑제형 또는 고정설치형)를 개발하고 있다.
마. 규제현황
(1) 미국(캘리포니아 ZEV 규제)
PNGV(Partnership for New Generation of Vehicles)계획은 자동차의 연비를 10년동안에 3배 향상시키는 것을 목표로 하고 있는 종래의 관련 연구개발을 가속화시키려는 종합 R&D 계획이다.
2000년까지 컨셉트카를 만들고 2004년까지 생산 프로토타입(Proto Type)을 완성할 계획이다. 이를 위해 에너지변환부(내연기관, 가스터빈, 연료전지), 에너지축장부(배터리, Power 콘덴서, 플라이휠), 차량시스템·통합(하이브리드 전기자동차), 차체의 대폭적인 경량화(20~40%), 철강계 재료·구조 기술, 알루미늄 합금계재료·구조기술, CFRP재료·구조기술 그외 관련된 생산기술의 개발 등에 대한 연구를 활발하게 추진하고 있다.
표 6.6.8. 캘리포니아주의 년차별 규제(저공해 자동차 보급)
규제강화단계
|
NMHC규재치
|
'95
|
'96
|
'97
|
'98
|
'99
|
'00
|
'01
|
'02
|
'03
|
93모델
|
0.25
|
85%
|
80%
|
73%
|
48%
|
23%
|
-
|
-
|
-
|
-
|
TLEV
|
0.125
|
15%
|
20%
|
-
|
-
|
-
|
-
|
-
|
-
|
-
|
LEV
|
0.075
|
-
|
-
|
25%
|
48%
|
73%
|
96%
|
90%
|
85%
|
75%
|
ULEV
|
0.040
|
-
|
-
|
2%
|
2%
|
2%
|
2%
|
5%
|
10%
|
15%
|
ZEV
|
0
|
-
|
-
|
-
|
2%
|
2%
|
2%
|
5%
|
5%
|
10%
|
(2) 일본의 동향
종합에너지조사수급화와 석유대체에너지부회는 자동차수송분야의 성(省)에너지대책 및 청정에너지 도입을 촉진하기 위해서 하이브리드 전기자동차를 도입할 필요가 있다고 1945년 5월에 보고하였다. 동 보고에서 제시한 장래 비젼에 단기적으로는 2000년까지 디젤자동차를 주체로한 소형·중형 트럭·버스분야에서 에너지 회생식 하이브리드자동차를 보급·추진하고, 2000년이후의 중장기적으로는 가솔린 자동차를 주체로한 승용차나 경·소형 트럭분야에서도 하이브리드자동차를 보급하는 것이 바람직할 것이라고 하였다. 또한 소형·중형 트럭·버스분야나 대형트럭·장거리버스 등의 분야에 적용 가능한 하이브리드 자동차에 대해서도 보급·추진될 것으로 내다보고 있다.
(3) 유럽의 동향
유럽시장으로의 하이브리드 전기자동차 도입을 준비·지원할 목적에서 `94년에 3개년 계획으로 「하이젬계획」이 추진되고 이다. 동 계획은 시뮬레이션 기법개발·검증, 각사 EV의 데이터베이스 작성, 실험법 검증 등 6개의 프로그램으로 구성되어 있다.
바. 문제점 및 대책
(1) 문제점
(가) 차량부분에서는 배터리의 수명연장
(나) 기초기반시설인 가정용 충전설비와 공용충전설비에 많은 예산소요
(다) 폐배터리의 처리 곤란 등
(2) 대책
(가) 개발 또는 실용화 초기 단계에 있으므로 개발과 아울러 뒤처리 방안을 강구 필요.
표 6.6.9. 전기자동차의 기술적 과제 및 대책
문 제 점
|
주 요 요 인
|
대 책
|
해 결 방 안
|
·코스트가 높음. |
·초기비용
수요가 적고 소량생산 |
·본격 보급시까지 수요개척
·생산방법 재검토 |
·계속적 검토 필요 |
·운전비
전지수명이 짧음. |
·전지의 수명연장 |
·가능성 있음 |
·일일충전거리가 짧음.
·충전빈도가 잦음. |
·전지중량이 무겁고 전지 적재량 제한
·단위 중량당 축전가능량에 한계 |
·단위중량당 축전가능량의 증대 연구
·카세트 전지교환식 등의 외부지원시스템 지원 |
·현상보다는 개선가능성은 있으나, 혁신기술에 의하지 않으면 가솔린차와 경쟁불가 |
·최고속도,가속 등의 성능열세 |
·전지중량당 최대출력 소
·모터 제어기능이 불충분 |
·좌동의 개선연구 |
·현재 상당히 개선되었고 가솔린에 접근한 것도 있음 |
·전지의 잔존용량계의 성능부족 |
·용량계성능 불충분 |
·용량계 신뢰도 향상연구 |
·상동 |
·전지의 적정관리 난이 |
·카세트 전지의 경우 전문서비스 관리 |
·가능성 있음 |
사. 향후 전망
현재의 전기자동차의 최대 주행능력은 200km 수준이며 최고속도도 130km/hr 수준에 머물러 있어 실용화의 문턱에 있지만 기존 자동차를 대체하여 상용화될 수 있는 획기적인 전기자동차기술의 출현은 당분가 기대하기 어렵다.
또한 전기자동차 대중화를 위해서 충전, 폐차, A/S등을 대처하는 전기자동차 기반시설(infrastructure)의 구축이 매우 중요하다.
이 밖에도 전기자동차의 주변장치개발이 중요하며 전기에너지를 운동에너지로 변환시키는 고성능 전기모터 개발, 자동차의 전체 에너지 시스템을 관리하는 EMS(energy management system), 기타 효율적인 파워스티어링, 에어콘, 히타 개발등이 필요하다.
전기자동차는 장래의 자동차 공해 및 에너지 문제를 해결할 수 있는 가장 가능성 높은 대안이라는 것에는 아직도 이견이 없으며 선진국에서는 정부와 자동차사등을 중심으로 연구가 활발하게 진행되고 있다. 그러나 아직 순수한 전기자동차의 실용화에는 상당한 시일이 필요할 것으로 사료되나 최근 배출가스와 연비를 동시에 개선시킬 수 있는 하이브리드 전기자동차에 많은 관심을 가지고 투자를 하는 것과 함께 보다 나은 성능의 자동차를 연이어 발표하고 있다.