전기차 파헤치기

전기차는 내연기관차와 어떻게 다를까




전기자동차란 고전압 배터리에서 전기에너지를 전기모터로 공급해 구동력을 발생시키는 차량이다.

이 차량은 화석 연료와 엔진을 사용하지 않고, 배터리에 축적된 전기로 모터를 회전시켜 동력을 얻는다.

연료전지, 태양전지와 같이 열이나 화학반응을 통해 전기를 직접 발생시키기도 한다.

전기차 역사부터 전기의 특성, 내연기관과의 차이점을 간략히 알아보고 전기차의 하체에 대해 알아본다.



◇전기차의 역사 
전기자동차의 역사는 디젤, 가솔린 엔진을 사용하는 내연 기관 방식의 자동차보다 먼저 시작됐다.

최초의 전기자동차는 19세기 초 영국 스코틀랜드의 사업가 앤더슨이 발명한 원유전기마차였다. 1

842년에는 미국의 토마스 데트와 영국 스코틀랜드의 로버트 데이비슨이 원유전기마차를 개량한 전기차를 발명했고, 1865년 프랑스의 가스통 플란테가 축전지를 발명하면서 전기차가 번창하는 데 크게 기여했다.

프랑스와 영국은 전기자동차의 광범위한 개발을 지원한 최초의 국가들이었다.

1881년 9월, 프랑스 발명가 구스타프 트루베는 프랑스 파리에서 열린 국제전기박람회에서 삼륜 자동차가 작동하는 것을 입증했다.

이후 1895년에 실제로 전기삼륜자동차가 개발되면서 미국이 전기 자동차에 관심을 가지기 시작했다.



전기자동차는 기존의 다른 방식 차들과 비교해 냄새가 적고, 진동과 소음도 적을 뿐 아니라 차량 속도에 따라 적절하게 기어를 바꿔줘야 했던 화석연료 자동차와 달리, 기어를 바꿔줄 필요가 없어 간편한 운전조작으로 상류층과 여성 운전자들로부터 많은 관심을 받았다.

그러나 기술적 한계와 트랜지스터의 기술 부족 때문에 당시 전기차의 최고속도는 32km/h에 불과했다. 

19세기 말부터 20세기 초, 전기자동차는 휘발유나 증기를 이용해 달리는 자동차들보다 많이 팔리며 전성기를 맞게 됐다.



하지만 1920년대에 들어서 미국 텍사스에서 원유가 대량으로 발견돼 휘발유의 가격이 떨어지자, 내연기관 차량의 대량생산체제가 구축되기 시작했다.

화석 연료 자동차들의 가격 또한 많이 떨어지게 됐다. 당시 휘발유 자동차는 가격이 500달러에서 1,000달러 정도에 판매됐고, 반면, 전기차는 평균 1,750달러 정도의 가격으로 판매됐다.

때문에 1930년대에 들어서자 전기차는 값비싼 가격과 배터리의 무거운 중량, 충전에 걸리는 시간 등의 문제로 자동차 시장에서 자취를 감추게 됐다.



그렇게 잊혀졌던 전기차는 1990년대에 들어서 다시 자동차 시장에서 화제가 됐다. 화석연료 자동차에 의한 환경오염 문제가 대두된 것이다.

2000년대에 접어들자 고유가와 배기가스 규제 강화로 전기차 개발에 속도가 붙게 됐다.

특히 폭스바겐의 디젤게이트를 계기로 유럽의 자동차 시장은 화석 연료 차량의 비중을 줄이고 친환경 차와 자율주행차를 개발하는 쪽으로 빠르게 변화하고 있다.

향후에도 전기차 시장규모는 큰 폭으로 확대될 것으로 보인다.

전문가들은 유럽 전체 자동차 판매량 중 전기차가 차지하는 비중이 현재 1.4% 수준에서 2030년에는 20~30% 수준에 달할 것으로 추정했다.

함께 발전하고 있는 자율주행차의 판매 비중도 25%에 이를 수 있다는 전망이다. 시장 규모도 급성장하고 있다.

글로벌 컨설팅업체인 맥킨지는 자동차 수요가 폭증하고 있는 중국의 전기차 시장 규모가 20년 이내에 2,200억 달러 규모로 성장할 것으로 전망했다. 

◇전기차가 친환경차인 이유
현재 범용적으로 쓰이는 전기차 방식은 축전지에 충전해 전동기를 가동하는 타입이다.

다양한 기업들이 리튬 전지의 성능과 비용을 현재의 2~3배 수준으로 개선하는 것을 목표로 개발을 서두르고 있다.



무엇보다, 전기차는 내연기관에 비해 부품이 적게 들어가기 때문에, 미래에는 화석연료 자동차보다 싸질 수도 있다는 장점이 있다.

전기자동차의 에너지 효율성은 전기에너지의 충전과 방전 효율에 따라 정해진다.

보통 한 번 충전했을 때 실제 사용이 가능한 에너지는 충전량의 약 80% 정도다.

충전 시에도 약 9.5% 정도의 에너지 손실이 일어나, 전기차 동력 손실률은 약 30% 정도로 보는 게 타당하다.




내연기관 차량의 에너지는 대부분 열로 발산돼 없어진다.

우리가 주로 이용하는 휘발유 엔진은 열효율이 20%밖에 되지 않기 때문에 전기차보다 효율성이 낮다.

따라서 전기자동차의 에너지 효율성은 화석연료 자동차의 에너지 효율성보다 뛰어나다.

그러나 자동차 내부에서만 국한되는 것이 아니라 에너지원을 만들어내는 과정까지 생각하고 에너지 효율을 따져보면, 전기차가 꼭 친환경 차인 것만은 아니다.

전기차가 필요로 하는 전기는 대부분 발전소에서 만들어지는데, 발전소의 발전효율은 40%가 넘지 않고, 송전 시에도 손실되는 에너지가 많기 때문이다.



◇볼트와 와트, 암페어
볼트, 와트, 암페어의 뜻은 무엇일까. 볼트와 와트, 암페어는 일상에서 흔히 접하는 전기 제품을 사용할 때 자주 쓰이는 용어다.

듣기에는 익숙하지만, 막상 뜻을 물어보면 대답하기 힘들거나 잘 모른다. 이 용어들은 전기차에도 많이 쓰이기 때문에 전기에 관한 용어들에 대해 먼저 알아보자.

◇암페어(A)
전류라고 부르며 사전적으로 ‘전하’의 흐름을 의미한다. 여기서 전하란 물체가 가지고 있는 전기적 성질이다.

이 전하의 흐름은 배터리의 충전, 방전과도 연관이 있는데, 전하가 +극에서 -극으로 흐르면 방전, -극에서 +극으로 흐르면 충전이 된다. 단위는 A를 사용한다.

보통 우리가 자주 쓰는 스마트폰 배터리 용량을 빗대어 살펴보면 이해가 편하다. 보통 스마트폰 배터리는 3,000mAh, 4,000mAh 등으로 표시한다.

여기서 mA는 A의 1/1,000에 해당하고 밀리암페어라고 부른다. mAh 단위는 한 시간 동안 흐르는 밀리암페어의 양을 뜻한다.

따라서 3,000mAh인 배터리는 3,000mA의 전류로 1시간 동안 사용할 수 있다. 간단히 말하자면 A는 전기를 담을 수 있는 공간 정도로 이해하면 된다.



◇볼트(V)
전류를 흐르게 하는 힘을 말하며 전압이라고 부른다. 단위는 V를 사용한다.

전자제품을 구매할 때 흔히 얘기하는 220볼트, 110볼트가 바로 전압을 지칭하는 말이다.

물이 흐르려면 양단의 높이차나 수압차가 필요하듯, 전류가 흐르는 데에도 전류가 흐르는 플러스 극과 마이너스 극 양단의 전위차, 즉 전압이 필요하다.

이 전위차 또는 전압의 단위를 볼트라고 한다. 전압이 높다는 것은 그만큼 전기에 가해지는 압력이 강하다는 것을 뜻한다.

전압은 기본적으로 높은 곳에서 낮은 곳으로 흐르는 특성을 가진다.

때문에 배터리 충전 시에는 배터리보다 높은 전압의 충전기를 사용해야 충전할 수 있다.

예를 들어 24V 전압을 사용하는 화물차가 방전돼 시동이 걸리지 않을 때 12V 전압을 사용하는 일반 승용차로는 배터리를 충전시켜줄 수 없다.



◇와트(W)
와트는 특정 시간 동안 소비할 수 있는 전기의 양을 말한다. 단위는 와트라고 부른다.

전자제품을 구입할 때 묻는 소비전력이 바로 와트다.

전력은 전압과 전류를 곱해서 얻는다. 그리고 1,000 단위마다 전력을 킬로와트(KW), 메가와트(MW), 기가와트(GW)로 표기한다.

보통 전기차나 ESS의 전력 공급을 말할 때 와트로 표시하는 것을 자주 볼 수 있다.

예를 들어 220V의 전압과 10A의 전류를 소비하는 전구의 전력을 계산해보면 220V X 10A = 2,200W가 된다.

때문에 전력이 클수록 전기 에너지의 힘도 세진다고 볼 수 있다.

통상 소비전력이 700W인 전자레인지보다 1,000W인 전자레인지의 출력이 더 좋은 이유도 300W 차이만큼 전압과 전류가 높기 때문이다.



◇전기차와 내연기관 비교
전기 자동차는 내연기관 자동차과 구동 방식 자체는 큰 차이가 없다.

물론 전기차의 구동 방식이 더 간단하지만, 내연기관 차량에 비교하며 전기차를 이해하기에는 큰 무리가 없어 보인다.

앞서 설명했던 전류는 전하를 저장하는 하나의 공간이기에 내연기관 차량의 연료탱크에 해당한다고 볼 수 있다.

전류의 단위가 커질수록 배터리의 크기도 따라서 커지므로 연료탱크의 최대용량이 커지는 것과 같다고 보면 된다.

전기차의 연료탱크인 배터리는 차량을 구동하기 위해 전기에너지를 모터로 보내줘야 한다. 이 역할을 전압이 수행한다.



내연기관 차량에 설치되는 차량의 배터리를 살펴보면 12V에 40A라고 규격이 적혀있는 것을 볼 수 있다.

이 부분을 쉽게 설명하면 40A의 전류가 저장된 배터리에서 12V의 전압으로 전기에너지를 각 편의장치로 보내주는 것이라고 볼 수 있다. 전기차의 경우도 단위가 크고 장치가 복잡할 뿐 기본적인 원리는 비슷하다.

이처럼 전압은 내연기관 차량에서 출력에 영향을 미치는 스로틀 밸브나 인젝터의 역할을 수행한다.

스로틀 밸브는 연료탱크에서 엔진에 연료 분사를 할 수 있도록 공기를 빨아들여 압력을 조절하는 역할을 한다.

인젝터는 엔진 실린더가 제대로 된 출력을 낼 수 있도록 알맞은 양의 연료를 분사한다.



또, 실제 전기차에서 스로틀과 인젝터의 기능을 수행하는 장치가 인버터인데, 연료탱크에서 연료를 엔진으로 적절히 보내는 역할로 이해하면 된다.

배터리의 전류가 전압의 압력을 통해 모터를 구동하면 전기차가 움직이게 된다. 이 때 나오는 출력을 전기차는 와트로 표기한다.

이를 내연기관차량에 빗대어 설명하면 엔진출력, 즉 마력과 비슷한 개념으로 이해하면 편하다. 실제로 전기차들의 경우 1kW를 1.36마력으로 책정하기도 한다.



◇모터와 엔진의 차이 
사람의 몸도 36.5℃가 적정 체온이듯 차량의 엔진부에도 적정 온도가 존재한다.

운전대의 계기판에 위치하는 냉각수 온도 체크 게이지가 이에 해당된다.

엔진은 기계와 기계가 서로 맞물려 돌아가고 흡기, 압축, 폭발, 배기를 반복하는 4행정 사이클을 통해 열에너지를 운동에너지로 전환한다.

때문에 적정 온도를 유지하는 것은 내연기관차에 있어 가장 중요한 부분 중 하나다.
 
대체로 적정온도는 70~95℃ 사이로 알려져 있고, 온도가 너무 높거나 낮으면 엔진에 문제가 발생할 수 있다.

하지만 전기차는 내연기관 차량과 달리 배터리에 저장된 전기에너지를 운동에너지로 바로 전환한다.

때문에 전기가 이동하는 데 따른 저항으로 발생되는 열을 제외하면 높은 열이 발생하지 않는다.



또한, 전기차의 모터는 내연기관 엔진에 비해 적정 온도를 유지할 필요가 거의 없다. 그래서 생기는 차이점이 몇 가지 발생한다. 그중 하나가 바로 겨울철 난방이다.

일반 내연기관 차량은 엔진의 피스톤 운동을 통해 적정온도를 유지한다.

차량 운행 시에는 엔진룸의 온도가 상당히 뜨거워지는데, 히터는 여기서 발생하는 열로 냉각수를 데워 난방에 활용한다.

가끔 내연기관 차량을 주행하다 보면 히터를 꺼도 약간 더운 바람이 나올 때가 있는데, 이는 엔진의 열이 지속해서 공기와 기계들을 데우고 있기 때문이다.

전기차의 시스템은 열을 거의 발생시키지 않아, PTC 히터라는 장치를 통해 난방을 제공한다.

PTC 히터는 내연기관 차량과 달리 전원을 끄면 바로 열이 식고, 다시 데우려면 최소 20여 초 이상을 기다려야 다시 뜨거운 바람이 나온다.



간단히 말해 전기차는 독립적인 난방장치로 열을 만들기 때문에 시간이 더 필요하다.

두 번째는 부품의 간소화와 명령 체계의 단순화로 인한 빠른 응답력과 가속력이다.
 
먼저 응답력에 있어서는 기존 내연 차량이 동급 순수 전기차보다 빠를 수가 없다.

물론 동급이라고 하기엔 가격 차이가 크지만, 단순히 성능만 놓고 보면 그 윗 등급의 차량과 비교해도 손색이 없다.

전기차의 가속은 주로 EPCU(전기제어장치)에 포함된 인버터라는 부품이 담당하게 된다.



인버터는 배터리에서 직류로 입력되는 전원을 교류의 출력 전원으로 변환해 준다.

인버터가 짧은 시간에 직류 전기를 흐르게 하거나 차단하는 것을 반복하면서 교류 파형을 만들어나간다.

또한, 전기를 많이 흐르게 해 출력을 높여 가속하거나, 흐름을 막아 감속해서 타력 주행하게 조절해 전기가 파형을 그리며 교류가 되는 것이다.

그러므로 인버터가 출력 조정을 담당하게 되는 것이고 액셀러레이터를 밟게 되면 전류를 많게 또는 전압을 높게 보내어 전기차의 가속을 하게 된다.

이 과정은 내연기관 차 연료의 이동부터 4행정 사이클이 돌아가고 배기까지 끝나는 데 걸리는 시간과 비교할 수 없을 정도로 단순하고 빠르게 끝난다.

때문에 피스톤 활동에 따른 진동도 없고 배기 과정도 없어 응답성이 빠른 것이다.

어떻게 보면 전기차에서는 전기를 바로 운동에너지로 전환한다.

기존 내연기관 엔진의 4행정 사이클에 비하면 2행정이나 1행정으로 줄어든 것과 같다.



또한, 구동도 기계적 움직임이 아닌 전기적 신호로 이뤄져 동급 차량과는 비교할 수 없는 정숙성, 응답성 등을 가지게 되는 것이다.

차량 정비에서도 차이가 난다. 내연기관 차량은 운행을 하다 보면 피스톤과 실린더가 마찰돼 문제가 생기게 되는데, 전기차는 행정이 없기 때문에 이런 문제가 발생하지 않는다.

이렇듯 내연기관과 전기차는 각자의 뚜렷한 장단점을 가지고 있다.

◇전기차의 단점
전기차는 구조적으로 내연기관과 다르다.

부품의 개수도 약 3만 개로 구성되는 내연기관차 부품에 비해 전기차 부품은 1만 8,000여 개에 불과하다.

이는 내연기관의 동력원인 엔진이 배터리와 모터로 대체되기 때문이다.

하지만 부품 수가 줄어든 만큼 정비사가 전기차 정비에 들어가는 위험부담은 엄청나게 커진다.

연료가 가솔린, 디젤에서 전기로 바뀐 만큼 차량을 수리하고 교체해야 할 부품들도 고압의 전기제품으로 변화한 것이다.

이런 부분에 대해 정부의 준비는 거의 ‘제로’나 다름없다. 현재 전기차 수리를 할 수 있는 전문 인력이 국내에는 거의 없다.

전기차도 운송수단이기 때문에 여느 내연기관 차량처럼 고장이 나고 소모품의 교체 등이 필요하다.

심지어 제조사 정비센터에도 전문 정비사가 턱없이 부족해, 정비를 받으려면 오랜 시간을 대기해야 한다.

물론 기능상 일반 가솔린이나 디젤 차량과 크게 다르지 않은 교체 품목들도 존재한다. 타이어, 브레이크 패드 등이 여기에 해당된다.

그러나 패드는 내연기관 차량의 패드에 비해 교체시기가 두 배정도 더 긴것으로 알려져 있다.



이런 면에서 보면 전기차가 일반 차량에 대비해 정비성이 뛰어나다고 얘기할 수 있지만, 그렇다고 정비를 할 필요가 없는 것은 아니다.

전기차도 반드시 정비를 포함한 사후관리를 받아야 한다.

전기 시스템에 의존도가 높은 전기차는 구조상 내연기관보다 다양한 기후조건에서 더 취약한 면을 보일 수도 있다.

특히 습도가 높은 장마철, 반대로 매우 건조한 기후일 때 위험하고 불안정할 수 있다.

또한, 전기차는 다양한 조건과 환경에서 오랫동안 시험을 한 기간이 내연기관 차량보다 짧기 때문에, 실제 사용 중 예기치 못한 문제가 발생할 가능성이 있다.

습도가 높아지면 전기 시스템에 오류가 발생할 가능성이 커지고, 너무 건조한 경우에는 정전기가 발생해 주행 기능 등에 영향을 줄 가능성도 있다.

전기차와 관련된 데이터의 축적 기간이 내연기관 차량에 비해 짧은 것이 현재로서는 가장 치명적인 단점이다.

현재까지 전기차로 극한의 환경에서 수집한 정보도 전무하다고 볼 수 있다.

또한, 교통사고가 났을 때 엄청난 수리비 폭탄을 맞을 수도 있다.

전기차는 저렴한 충전 요금과 엔진오일 등의 소모품을 사용할 일이 없어 유지비가 저렴하다고 알려져 있다.



하지만 전기차는 부품 수가 적은 대신 주요 부품의 가격이 수백만 원에 이르며, 주 동력원인 배터리를 교체할 때는 2,000만 원을 넘게 부담해야 할 수도 있다.

더욱이 전기차 단일 모델의 경우 아직은 대량생산이 아니기 때문에 범퍼와 같은 일반부품들도 상대적으로 가격이 비싸다.

특히 보증기간이 지난 후 사고가 났을 때 청구될 어마어마한 수리비는 운전자에게 큰 부담이 될 수 있다.

사고는 어쩔 수 없지만, 불필요한 지출을 줄이기 위해서는 배터리와 같은 주요 전기차 부품의 특성을 잘 알아두고 꼼꼼한 유지 및 관리를 하는 것이 중요하다.