전기차 ‘대들보’ 하체 파헤치기

전기차는 내연기관차와 어떻게 다를까




자동차는 과거의 단순 이동 수단에서 점점 개인화된 공간으로 발전해오고 있다.

특히 내연기관과 화석연료 대신 전기 모터와 배터리로 움직이는 전기차로 자동차 시장이 발전하면서 작게는 부품부터, 넓게는 IoT 사물 인터넷 장치, 사람과 사람끼리 통신으로 연결된 커넥트 카의 개념으로 나아가고 있다.

자동차는 수많은 부품으로 구성돼 있다.



그리고 그중 대부분은 차체와 외장 도색 등의 보호를 받는다.

하지만 부품들이 적나라하게 노출된 부분도 존재한다. 바로 자동차의 하체다.

자동차 하체는 자동차의 골격을 담당하며, 엔진이 제 성능을 발휘할 수 있도록 차체에 전달되는 하중과 전후 차축의 반력 등을 지지하는 등 엔진만큼 중요한 역할을 담당한다.

◇전기차의 하부구조

전기차도 내연기관 차량과 마찬가지로 유니바디 형식의 파워트레인을 기반으로 제작된다. 때문에 외관상으로는 큰 차이를 느끼기 어렵다.




하지만 차량을 리프트에 띄워 밑에서 하체를 들여다보면 기존 내연기관 차량과 다른 몇 가지 차이를 발견할 수 있다.

그중에서 눈으로도 확인할 수 있는 가장 큰 차이점은 배터리다.

전기차와 내연기관차의 배터리는 쓰임새부터 차이가 나는데, 내연기관 차량의 경우 보통 이산화납으로 만들어진 극판과 황산이 화학 작용을 일으켜 전기를 만드는 12V, 24V 배터리를 사용한다.

이 배터리는 먼저 자동차의 시동 모터 전원을 켜는데 사용된다. 이후에는 자동차의 전자장비와 제어 시스템에 전력을 공급한다.


위치는 자동차 보닛 가장자리에 장착되는 것이 일반적이며 무게 배분을 이유로 후면부에 탑재되는 경우도 있다.

12V 배터리는 우리가 일반적으로 사용하는 승용차에 사용되고, 상용차에는 24볼트가 적용된다.

내연기관차의 배터리와 달리 전기차 배터리는 용량이나 최고 전압에 따라 주행 가능 거리와 구동 모터의 최고 출력이 결정된다.

때문에 배터리는 모터와 더불어 가장 중요한 부품 중 하나로 손꼽힌다. 가격도 전기차 가격 중 최대 40%까지 차지할 만큼 비싸다.



또한, 전기차는 충전을 통해 얻은 전기 에너지를 연료로 사용하기 때문에 화석연료를 주입할 연료탱크와 배기가스 배출구가 없다.

매연을 배출하지 않기 때문에 DPF도 장착하지 않는다. 그래서 전기차의 하체는 내연기관 차량보다 훨씬 단순한 구조를 지닌다.

대신, 연료탱크의 역할을 하는 배터리팩이 차량 하부 바닥 전체에 골고루 적용된다.
 
이 배터리팩은 수많은 리튬전지로 이뤄져 있어 부피에 비해 무게가 상당히 무겁다.
 
테슬라 Model S는 배터리팩의 무게만 500kg에 달한다.



제조사들은 차량 총 중량의 1/3에 육박하는 이 배터리팩의 무게 중심을 최대한 낮추기 위해 배터리팩을 최대한 지면에 가깝게 장착해, 전기차의 지상고가 내연기관차의 하부보다 더 바닥에 가깝다.

지상고가 낮은 만큼 마감에 신경 쓴 점도 전기차 하부의 특징이다.

배터리팩이 물과 외부충격에 약하기 때문에, 대부분의 제조사들은 배터리와 승객을 보호하기 위해 방청과 방수를 철저히 한다.

배터리 외부는 알루미늄 등의 소재로 감싸 외부충격에 대비한다.

서스펜션도 마찬가지다. 내연기관 차량이 있는 경우 같은 모델임에도 전기차에 더 고가의 서스펜션이 장착된다.



현대자동차는 코나 내연기관 모델에는 전륜에는 맥퍼슨 스트럿, 후륜에는 토션빔 방식이 적용되는 반면, 코나EV는 전륜은 동일하지만 후륜에는 멀티링크 서스펜션을 적용한다.

그 이유는 후륜 서스펜션을 적용한 공간에 전기차용 구동 모터를 탑재해야하기 때문이다.

만약 구동 모터가 장착될 자리에 기존 내연기관 차량에 쓰이던 토션빔을 사용하게 되면, 공간과 체결구조에 따른 부품이 더 필요해진다.

그렇게 되면 자연스럽게 하체의 무게와 현가하질량이 늘어나 스티어링 휠의 조작 안정성과 승차감이 현격히 떨어진다.



배터리의 무게로 차체 하부의 무게가 전체적으로 늘어난 만큼, 제조사들은 현가하질량을 줄이기 위해 어퍼암, 로어암, 서브 프레임 등의 부품 경량화에 힘쓰고 있다.

특히 어퍼암과 로어암은 주철로 만든 부품과 알루미늄 재질의 부품의 차이가 각각 1~2kg까지 날 수 있다.

게다가 차량 경량화에 따른 연비 향상에 맞춰, 전기차도 무게를 10% 줄이면 이에 따른 연비 향상 비율에 맞춰 배터리 무게를 줄일 수 있다.

소재와 부품의 경량화는 앞으로도 확대 적용될 것으로 전망된다.



독일 자동차경영센터 브랏첼 회장도 “경량화는 모든 차량에 걸쳐 아주 중요한 테마이며, 무게를 줄일 수 있는 한 단 1g이라도 절감하는 것이 중요하다”라고 말한 바 있다.

◇미래의 자동차 하체 시장은 플랫폼

사실 지금까지 적용됐던 기존 내연기관 차량의 하체는 전기차의 전용으로 제작된 것이 아니기 때문에 무게배분부터 배터리 공간 활용성까지 여러 가지로 부족함이 많았다.

때문에 전기차는 앞으로 기존 내연기관 하체가 아닌 전기차에 특화된 전용 플랫폼을 사용하게 될 전망이다.



이런 플랫폼 전략은 자동차 한 대당 적게는 수백억 원에서 수천억 원까지 개발 비용을 줄일 수 있다.

또한, 전기차 구조에 최적화된 플랫폼은 공간 활용성 창출은 물론 대량 생산에도 유리하다.

고객의 취향과 용도에 맞게 차체를 커스터마이징 할 수 있어 다양성까지 확보했다.

이미 현대자동차는 전기차 플랫폼 시장을 대비해 미국의 전기차 설계 스타트업 ‘어라이벌’, ‘카누’와 협력하며 스케이트 플랫폼 개발에 박차를 가하고 있다.



스케이트보드 플랫폼은 전기차의 핵심 부품인 배터리와 구동 모터 등을 모듈 형태로 플랫폼에 얹고, 그 위에 용도에 따라 다양한 차체를 올릴 수 있도록 설계된 파워트레인을 일컫는다.

이 플랫폼을 사용하면 차량의 크기와 무게, 부품 수를 획기적으로 줄여 공간 실용성을 확보할 수 있다는 장점이 있다.

미국의 자동차 제조사인 제너럴모터스(GM)도 새로운 전기차 플랫폼 ‘울티움’을 공개했다.

이 플랫폼은 모듈형 구조로 제작돼 50~200kWh까지 다양한 용량의 배터리 제품을 수직 또는 수평으로 자유자재로 배치할 수 있게 설계됐다.

또한, GM 관계자는 LG화학과 합작 투자를 통해 향후 배터리 셀 생산 단가와 배터리의 원료인 코발트 사용 비율을 기존 대비 70%까지 낮춰 환경을 해치지 않고 효율을 높일 수 있는 체계를 구축할 것이라고 밝혔다.




현재 공개된 울티움 플랫폼은 최대 640km를 주행할 수 있고, 정지 상태에서 약 96km/h까지 3초 만에 가속할 수 있다.

서스펜션 부분도 전·후륜 구동부터 사륜구동까지 하나의 플랫폼에서 장착할 수 있게 제작됐다.

이 플랫폼은 앞으로 GM의 차세대 전기차 생산 전략에 있어 핵심 요소로 활용될 예정이다.

또한, GM은 울티움 배터리 플랫폼과 함께 3세대 전기차 통함 플랫폼인 ‘BEV3’도 함께 선보였다.

GM은 이를 통해 2025년까지 전기차 22종을 출시하고, 생산량도 최고 300만 대까지 늘린다.

전문가들은 GM의 계획이 성공하면 현재 생산되고 있는 쉐보레 볼트 전기차의 가격을 최대 45%까지 낮출 수 있을 것으로 예측했다.

전기차 하체에 대한 사업에 대한 투자와 하체 플랫폼 사업도 활성화되고 있다.

2019년 미국의 자동차 제조사인 포드는 전기차 스타트업 업체인 리비안에 7억 달러를 투자했다.

아마존도 7억 달러를 투자하고 2024년까지 물류 배송 직원들이 사용할 10만 대의 전기 밴 생산을 주문한 상태다.

폭스바겐은 MEB 플랫폼을 독일의 외부업체인 이고 모바일과 협력해 소형 전기차와 전기 버스를 개발했다.



르노도 트위지의 플랫폼을 공유해 스타트업 기업들이 전기차 관련 아이디어와 사업을 진행할 수 있게 돕는다.

이처럼 대기업 제조사가 스마트 기반 스타트업에 대량 생산이 가능한 인프라를 제공하고 투자 등의 협업을 하는 방식은 이제 글로벌 트랜드로서 자리 잡았다.


자동차 제조사들은 아직 전기차의 효율적인 양산을 실현하는 초기 단계에 초점을 두고 있다.

전문가들은 향후 플랫폼 시장이 안정되고 인프라가 구축되면, 이후에는 자율 주행 기능을 포함한 스마트 요소가 플랫폼에 포함돼 경쟁하는 시대가 오게 될 것으로 분석하고 있다.