전기차

[송방섭(소방서)]

전기차

지구 환경을 품은 미래형 모빌리티

전기에너지만으로 달리는 전기차(EV)는 화석 연료를 전혀 사용하지 않아 친환경차의 대표격으로 불립니다. 최근 기후 문제가 심각해지면서 친환경차에 대한 전 세계적인 관심이 높아지는 가운데 글로벌 전기차 시장 점유율이 내연기관 점유율을 뛰어넘는 시대가 도래했습니다. 블룸버그NEF가 발표한 보고서 ‘2019 전기차 전망’에 따르면 2040년에는 전 세계 승용차의 30% 이상이 전기차가 될 것이라고 합니다. 배터리 용량 및 충전 인프라가 충족되고, 동적∙가속 성능이 보다 탁월해지면서 환경과 성능 모두를 만족시키는 전기차는 미래형 모빌리티입니다.

FUTURE2025년 전동화 리더십 선언‘E-GMP’로 완성되는 전동화 핵심 기술

세계 각국은 ‘제로 탄소(Zero Carbon)’ 시대를 실현하고자 산업별 규제를 까다롭게 정하고 있으며, 글로벌 제조사들은 이에 대응하기 위한 해결책을 연구하고 있습니다. 이는 배출가스가 전혀 없는 전기차가 세계 시장의 리더로 부상한 이유이기도 합니다.

현대자동차그룹은 2021년을 전동화 도약을 위한 원년으로 선포하고, 2025년까지 23개 차종의 친환경차 출시 및 판매량 100만 대(시장 점유율 10%) 달성을 목표로 설정했습니다. 특히 국내를 비롯한 미국과 중국, 유럽 등의 시장은 2030년부터, 신흥 시장인 인도 및 브라질 등은 2035년부터 전동화를 본격적으로 추진할 예정입니다.

이와 같은 목표는 현대자동차그룹 최초의 전기차 전용 플랫폼 ‘E-GMP(Electric-Global Modular Platform)’를 통해 실현됩니다. 전용 플랫폼은 생산 효율성과 가격 경쟁력 그리고 품질 향상을 담보하기 때문에, 글로벌 제조사 역시 전용 플랫폼 개발에 집중하고 있습니다.

E-GMP는 현대자동차그룹의 전동화 기술 역량을 집약한 결과물로 기존 내연기관 개조 플랫폼과 비교해 제품 개발의 유연성, 전기차에 최적화된 설계와 구조, 표준화된 대용량 배터리 시스템, 길어진 항속 거리, 미래 지향적 디자인, 혁신적 공간 등 차별화된 장점을 두루 갖추고 있습니다.

현대자동차는 지난 8월 E-GMP 기반의 전용 전기차 브랜드 ‘아이오닉’을 공개하고, 준중형 CUV 아이오닉 5, 중형 세단 아이오닉 6, 대형 SUV 아이오닉 7의 순차적인 출시를 예고했습니다. 2016년 제네바모터쇼에서 ‘이동의 자유로움(Freedom in Mobility)’이란 가치를 구현하고자 미래 모빌리티 혁신 연구 활동인 ‘프로젝트 아이오닉(Project IONIQ)’ 출범을 발표한 바 있습니다. 또한 아이오닉은 같은 해에 국내 최초의 친환경 전용 모델이자 세계 최초 친환경 풀라인업(하이브리드, 플러그인 하이브리드, 전기차)를 출시했고, 아이오닉EV의 경우 미국에서 출시된 2019년형 전기차 모델 중 전력소비효율 1위를 차지했습니다. 이런 아이오닉의 철학과 헤리티지를 이어 받아 2020년 아이오닉 브랜드는 친환경 라이프스타일 경험을 선사하는 브랜드로 새롭게 탄생했습니다.

기아자동차 역시 중장기 미래 전략 ‘Plan S’에 기반한 모빌리티 및 전기차 사업 체제로의 혁신적 전환을 진행 중입니다. 2025년까지 전기차 판매 비중을 20%까지 확대하겠다는 계획을 밝히고, 2027년까지 순차적으로 출시할 전용 전기차 모델 7개의 스케치 이미지를 공개했습니다.

아이오닉 브랜드 제품 라인업

TECHNOLOGY전기차 핵심 기술 알아보기전기차 구동 원리

운전자가 출발 버튼을 누르면 고전압 배터리에 저장된 전력을 통해 부팅되고, 전기차는 주행 준비를 마칩니다. 가속페달을 밟고 주행을 시작하면 모터가 회전과 동시에 최대 토크를 내고, 감속기는 모터의 특성에 맞춰 동력을 바퀴에 효율적으로 전달합니다.

전기차 구성 및 주요 기술1. PE 시스템

1-1. 구동모터

일반 내연기관의 엔진처럼 전기차의 구동력을 발생. 고전압 배터리에 저장된 전기에너지를 운동에너지로 변환하여 구동력을 발생하며 감속 시 발전기의 역할을 합니다. 또, 회생제동시스템을 가능하게 합니다.

*회생제동 시스템: 내리막길 등 탄력 주행 시 발생하는 운동에너지를 전기에너지로 전환해 배터리에 저장하는 시스템. 주행 중 속도를 줄일 때도 발전기 역할

1-2. 감속기

모터의 회전수를 필요한 수준으로 낮춰 전기차가 더 높은 회전력(토크)를 얻을 수 있도록 하는 장치입니다.

*감속기 디스커넥터: 세계 최초로 모터와 구동축을 주행 상황에 따라 분리하거나 연결할 수 있는 장치. 이 장치를 통해 자유롭게 2WD와 4WD 구동방식 전환 가능

1-3. 인버터

고전압 배터리에 저장된 직류전원(DC)을 교류전원(AC)으로 변환하여 모터의 토크를 제어하는 부품입니다. 인버터 파워모듈에는 기존의 실리콘(Si) 전력반도체 대비 효율이 뛰어난 실리콘 카바이드(SiC) 전력반도체를 적용합니다.

*SiC 전력반도체: 고효율 신소재인 탄화규소를 이용해 전력을 변환∙처리∙제어하는 전력반도체. 기존에 사용되던 실리콘 전력반도체 대비 강도와 열전도율이 높고, 에너지 손실량이 적은 것이 특징

2. 충전총괄제어기(VCMS)

전기차 내의 모든 충전 관련 기능을 총괄하며, ICCU와 함께 V2L을 구현하는 주요 부품입니다.

*V2L(Vehicle to Load): 전기차 내∙외부 전원공급기술로 고전압 배터리에 저장된 전기에너지를 외부 전원으로 사용 가능. 최대 공급전력은 커넥터 등 사양 관계로 3.5kW까지 사용 가능하며, 휴대용 충전기(ICCB) 활용 시 다른 전기차의 완속충전(V2V)도 가능

3. ICCU(양방향 OBC)

기존 단방향 충전만 가능하던 OBC 기능을 개선해 외부 충전뿐만 아니라 고전압 배터리에 저장된 전기를 외부로 내보내는 V2L 등을 가능케 하는 핵심 부품입니다.

4. 차량제어기(VCU)

모터 제어, 회생제동 제어, 공조부하 제어, 전장 부하 및 전원공급 제어 등 차량 전력 제어와 관련된 대부분 관장하는 장치입니다.

5. 고전압배터리

전기차의 구동에 필요한 전기에너지를 저장하고 주행 시 공급하는 부품입니다. 고전압 배터리를 구성하는 배터리 셀을 차에 많이 탑재할 수록 주행 거리는 길어지지만, 차량 가격이 비싸지고 무거워지기 때문에 각각의 전기차에 적합한 양의 배터리를 탑재하는 것이 필요합니다. 최근에는 배터리 기술 발전으로 에너지 밀도가 점차 높아지고 있는 추세입니다.

6. 400/800V 멀티 급속충전 시스템

800V 충전 시스템을 기본으로 적용해 18분 내에 충전 가능케 하는 장치로, 1회 완충 시 500km 주행이 가능합니다. 또한 5분의 충전만으로도 약 100km 주행할 수 있습니다. 이와 함께 여전히 대다수를 차지하는 400V 급속충전기를 사용하기 위해 충전 호환성도 확보했습니다. 세계 최초로 E-GMP에만 적용되는 특허 기술로 구동모터와 인버터를 활용해 400V 전압을 800V로 승압하여 배터리에 충전 가능합니다.

KEY TECH에너지를 허투루 쓰지 않는폐열 회수 방식의 히트펌프 시스템

전장 부품의 폐열을 회수하여 난방에 활용

전기차 이용자의 불편사항 중 하나는 겨울철 주행 거리 감소입니다. 기온이 낮아지면 배터리 내부의 저항이 증가해 에너지 효율이 떨어져 대부분의 전기차는 주행 거리가 줄어들었습니다. 여기에 더해 내연기관차의 경우 엔진에서 발생하는 많은 열에너지를 실내 난방에 활용하지만, 전기차는 난방을 위해 별도의 전기에너지 즉 배터리의 전력 사용이 필요합니다.
현대자동차그룹은 이러한 문제를 해결하고자 히트펌프 시스템을 적극 활용했고, 폐열 회수 방식을 개발해 진정한 의미의 친환경차 시스템을 구축했습니다. 이 기술은 2014년 쏘울EV에 첫 적용되었고, 아이오닉EV의 경우 겨울철 주행 거리 축소량이 19% 개선되었습니다. 코나EV는 노르웨이자동차연맹(NAF)이 실시한 겨울철 주행 거리 시험에서 1위를 차지하는 성과를 내기도 했습니다.
히트펌프 시스템은 글로벌 제조사들이 모두 활용하고 있지만, 전기차 모델에 따라 겨울철 주행 거리에 편차가 생깁니다. 현대자동차그룹은 타사와 달리 외부 공기의 열원 만을 활용하지 않고 전기모터, OBC, 통합전력제어장치 등의 PE 모듈, 배터리 및 완속충전기 등에서 발생하는 폐열을 회수해 실내 난방에 활용했습니다. 즉 버려지는 열을 다시 사용하는 재생에너지와 같은 기술입니다.

전기차 안전 설계의 핵심배터리 관리 시스템 + 전력 차단 시스템

배터리로 움직이는 전기차는 감전이나 전자파에 대한 위험 등으로 사람들의 오해를 사기도 합니다. 전기차는 차량을 구성하는 각종 전장 부품들을 보호하고자 다양한 안전 설계를 적용하고 있습니다. 배터리를 물리적 충격으로부터 보호하기 위한 안전 설계부터 전장 부품 고장을 방지하는 누전 설계, 충전할 때 사고를 예방하는 충전구 안전 설계 등이 대표적입니다.

배터리 보호를 위한 안전 설계

전기차에 특화된 충격 안전 설계는 대부분 고전압 배터리를 물리적인 충격으로부터 보호하는 것입니다. 배터리 내부의 양극과 음극 물질이 직접적으로 접촉하는 것을 방지하고 표면의 작은 구멍을 통해 리튬이온이 이동할 수 있게 하는 분리막을 충격으로부터 보호하고자 분리막 표면에 세라믹을 얇게 입혔습니다. 또한 외부 열로 배터리를 보호하기 위해 파우치 타입의 배터리를 사용하고 있으며, 배터리 양 측면의 사이드실에는 충격 흡수를 위한 보강재를 적용했습니다.

E-GMP는 초고속충전을 위한 800V 시스템을 적용하여 배터리 시스템의 열관리 기술이 중요합니다. 이를 위해 배터리 모듈의 냉각 채널을 개선하고 냉각 분리구조를 적용했습니다.

E-GMP의 배터리 시스템은 냉각 채널 분리구조를 통해 냉각수 유출 시에도 안전성 확보

전기차 배터리 고강도 검증 시험 넷

충돌 시험: 후방 충돌 시험으로 배터리 발화 및 폭발 여부 확인
수밀 시험: 수분 유입 방지
침수 시험: 소금물에 배터리를 침수시켜 발화나 폭발 여부 확인
연소 시험: 화염에 배터리를 직접 노출시켜 폭발 여부 확인

누전 방지를 위한 안전 설계

전기차는 배터리와 각종 전장 부품이 상호 연계해서 작동하기에 고전압 부품이 고장 날 경우 배터리에 영향을 줄 수 있습니다. 이런 위험을 방지하기 위한 기능이 바로 ‘페일 세이프(Fail-safe)’로 전장 부품의 고장이 배터리로 확산되지 않도록 합니다. 또한 배터리에 이상이 감지될 경우 릴레이(특정 조건에서 다른 회로로 개폐하는 장치)를 통해 자동으로 배터리의 전원을 잇거나 끊습니다.

전기차 충전구 안전 설계

비 오는 날 전기차를 충전하면 위험할까요? 전기차는 4단계의 감전 예방 시스템이 적용됩니다. 충전건의 버튼을 누를 경우 즉각 전류를 차단해 커넥터 접촉부의 손상을 방지하고, 비가 올 때 충전구 내부의 드레인 홀로 액체류가 배출하는 구조로 설계되었습니다. 또한 차량과 완전한 연결을 확인한 후 시간 차를 두고 전류를 공급해 감전을 예방하고, 충전기 체결부에 밀봉 구조를 적용해 체결 후 액체 추가 유입을 방지하고 있습니다.

TECHNOLOGYE-GMP 핵심 기술 알아보기

E-GMP는 모듈화와 표준화를 통해 다양한 소비자와 시장의 요구에 대응할 수 있도록 제품 구성이 가능한 현대자동차그룹 최초의 전기차 전용 플랫폼입니다. 이 플랫폼을 통해 전기차만의 안정적인 주행 성능을 발휘할 수 있으며, 차체 구조의 안전성과 내구성을 확보함과 동시에, 전용 전기차만의 차별화된 공간 활용성을 제공할 수 있습니다. 더불어 더욱 높아진 효율성은 물론 더 빠른 충전과 전기차 배터리를 활용한 캠핑까지, 다양한 전동화 신기술을 통해 고객의 라이프스타일 최적화된 모빌리티 경험을 제공합니다.

이와 같은 특징은 콤팩트하면서도 효율적인 배터리∙모터 등 신규 PE 시스템(Power Electric system)과 차급에 따라 배터리 용량을 달리할 수 있는 확장성 덕분에 가능합니다. 현대자동차그룹은 E-GMP 성공을 위해 우수한 배터리 업체들과의 협력을 진행 중이며, 전기차 시대를 넘어 자율주행 시대를 선도하기 위한 스마트 모빌리티 솔루션 기업으로의 전환을 준비하고 있습니다.

E-GMP

KEY TECH1. 전기차로서의 주행 성능 극대화PE 시스템

E-GMP는 전기를 사용하는 모빌리티의 구동 성능을 최대로 끌어올리기 위한 신규 PE 시스템을 개발했습니다. PE 시스템은 기존 내연기관차에서 엔진을 포함한 파워트레인 시스템을 대체하는 것으로 전기모터와 감속기, 인버터, 그리고 배터리를 포함합니다.

신규 PE 시스템의 특징은 4가지로 요약할 수 있습니다. 먼저 ‘Compact’입니다. 모터와 감속기, 인버터를 일체화시켜 차량 공간 확보와 함께 차량 중량을 최적화했고, 기존 전기차 배터리 모듈 대비 부품 종류 및 부품 수를 줄여 보다 콤팩트한 배터리 모듈을 적용했습니다. 이렇게 높아진 효율과 중량의 경량화를 기반으로 E-GMP는 더 먼 거리를 주행할 수 있는 기반을 확보했습니다.

모터와 감속기, 인버터 일체화

그다음은 ‘Efficient’입니다. 동일한 배터리로 주행 거리를 높이기 위해 모터 효율을 높이는 데 주력했습니다. 모터에 기존 권선 기술 대비 코일 점적률을 향상시킨 헤어핀 기술을 적용해 구동 효율을 높이고, 냉각 방식도 감속기에서 활용한 윤활유를 냉각시켜 모터 내부에 냉각수 등을 직접 분사하는 유냉 방식으로 더 빠르고 효율적인 냉각 시스템을 구현했습니다.

모터 냉각 시스템

그리고 후륜 모터를 제어하는 인버터 파워 모듈에 고효율의 실리콘 카바이드(SiC)칩을 적용해 동일한 양의 배터리로 더 먼 거리를 주행할 수 있도록 했고, 세계 최초로 전륜에 감속기 디스커넥터 시스템을 적용해 4WD와 2WD 구동 방식을 자유롭게 전환할 수 있게 했습니다.

E-GMP 개발자들은 개발 과정에서 ‘충전 스트레스 해소’를 위해 많은 공을 들였습니다. 고민 끝에 현대자동차그룹 개발자들은 800V 고전압 초고속 충전 시스템을 기반으로 멀티 급속 충전 시스템을 새롭게 개발해 적용했습니다. 현재 대부분 설치되어 있는 급속 충전 인프라는 400V 시스템을 사용하고 있지만, 최근 유럽 지역을 중심으로 800V 충전 시스템이 설치되고 있으며, 현대자동차의 E-GMP 시스템은 별도의 부품 없이도 내장된 모터와 인버터를 활용해 두 타입의 인프라를 모두 활용할 수 있습니다. 더불어 800V 초고속 충전 시스템을 통해 급속 충전 시 18분 이내 충전이 가능하며, 5분의 충전으로도 약 100km를 주행할 수 있습니다.

마지막으로 E-GMP의 주행 성능에서 가장 중요한 ‘Fun to Drive’는 4WD의 ‘High Response’ 모터 시스템을 통해 만끽할 수 있습니다. E-GMP는 후륜에 고출력 모터를 적용함과 동시에 전륜에도 모터를 장착해 4WD 주행이 가능하도록 개발했습니다. 또한 모터를 하향 배치하고, 낮아진 배터리 위치 덕분에 앞뒤 중량 배분과 저중심 설계가 가능해져 선회 성능을 높이고 더 안정적인 고속 주행이 가능해졌습니다. 이 밖에도 중대형차에 적용되던 후륜 멀티링크와 세계 최초로 개발된 기능 통합형 드라이브 액슬(IDA: Integrated Drive Axle)을 E-GMP에 적용함으로써 R&H 성능을 대폭 향상시켰습니다.

4WD 가능한 설계

2. 승객 보호와 배터리 성능 보호안전

E-GMP는 플랫폼 구간별로 역할을 분류해 최적의 구조로 개발되었습니다. 먼저, 백빔부터 서브프레임 리어마운팅까지 에너지 흡수 구간은 차체와 섀시 등 모든 구조물의 변형을 유도해 충격을 완화했습니다. 또한 서브프레임 리어마운팅부터 대시보드까지 하중 지지 구간은 PE 모듈과 섀시계의 고전압 배터리 타격을 최소화하기 위한 회피 구조를 적용했습니다.

또, 대시부터 고전압 배터리의 보호 구간은 고전압 배터리의 안전 확보를 위해 초고장력강을 확대 적용했습니다. 탑승객 보호 공간인 승객실 변형 억제를 위해 A필라 하중 분산 구조를 적용하고 프런트 서브프레임 전방과 차체 펜더 에이프론 연결성을 강화했습니다. 스몰오버랩 충돌에서도 차량을 안전하게 보호하기 위해 엔진룸 좌우를 연결하는 크로스바 구조를 적용하고 전방 사이드멤버 단면을 증대해 강성을 향상시켰습니다.

예기치 못한 충돌에서 배터리를 안전하게 보호하기 위해 배터리 전방과 주변부에는 핫스탬핑 부재를 확대 적용하고, 차체 사이드실 내부는 알루미늄 압출재를 적용하여 배터리 안전성을 확보했습니다. 더불어 배터리 케이스 후판에는 알루미늄 소재를 적용하고 케이스의 중앙부는 차체에 견고하게 연결해 충돌에너지를 효율적으로 흡수할 수 있는 구조를 개발했습니다.

E-GMP는 짧은 오버행, 길어진 휠 베이스와 같이 전용 전기차의 특징을 살린 디자인을 반영하면서도 동시에, 강화되고 있는 글로벌 시장 안전규제 만족을 넘어 고객 탑승 공간과 배터리의 안전성을 확보하기 위해 한층 진화되었습니다.

3. 모빌리티 사용성을 일상으로 확장사용성

2020 iF 디자인상을 수상한 전기차 콘셉트카 45

E-GMP는 전용 전기차만의 혁신적인 실내 공간을 포함해, 고객에게 새로운 전동화 모빌리티의 경험을 제공합니다. 기존 내연기관 엔진이 모터로 대체되며 큰 부피의 공조 시스템을 기존의 엔진룸, 즉 PE룸에 스플릿 타입으로 적용하여 전석 관점에서 넓은 공간을 확보하였고, 배터리 하방 배치 및 센터터널 삭제로 플랫해진 플로어는 훨씬 넓어진 뒷좌석 레그룸을 제공합니다.

또한 이 플랫 플로어 구조는 전후 좌석 등 다양한 공간 배치가 가능해 고객의 차량 이용 습관과 라이프 스타일에 맞추어, 일상 속에서 전용 전기차에서만 체험할 수 있는 진일보한 전동화 경험을 선사합니다.

가령 디지털 스마트 기기가 적용된 개인 공간을 만들 수 있고, 필요에 따라 사무 업무에 적합한 이동식 사무 공간으로 꾸밀 수도 있습니다. 이를 가장 잘 나타낸 것이 콘셉트카 45입니다. 내부는 아늑하며 모던한 생활공간의 느낌으로 나무, 섬유, 가죽 등을 적용해 집처럼 따뜻하고 편안함을 제공합니다.