엔진(친환경)

 이번에는 앞으로 자동차 산업이 주력하고 있는 하이브리드 자동차, 전기자동차의 엔진 즉, 파워 트레인의 종류와 형태를 살펴보고자 한다.

 

1. 하이브리드 자동차?

 하이브리드(Hybrid)란 이중, 혼합이라는 사전적 의미를 가지고 있는데 하이브리드 자동차는 미래 자동차의 원동력으로 떠오르는 전기와 기존의 내연기관인 가솔린을 혼합해서 사용하는 자동차를 말한다

 

2. 왜 하이브리드 자동차를 개발했을까?

 

 1) 환경오염

 가장 첫번째 이유는 환경오염일 것이다. 사실 기업의 입장에서 본다면 환경오염은 제품을 개발하는 단계해서 크게 고려하지 않았던 문제였을 것이다. 하지만 교토 의정서, 파리 기후변화 협약 등 지구 온난화와 관련되어서 세계 강대국들이 기후 변화 협정을 맺고 최근에는 2050년까지 탄소중립을 하겠다며 공표한 나라들이 적지 않다. 이는 자동차 업계가 유럽, 미국에 자동차를 수출하기 위해서는 해당 나라의 배출 가스 규제를 따라야 한다는 말이기 때문에 기존의 내연기관으로는 한계를 느꼈다고 볼 수 있다.

 첫 번째 사진은 독일에서 자동차의 배출 가스 종류와 양에 대해서 년도별로 그래프로 만든것이다. 그래프에서 알 수 있듯이 자동차 개발 초기 단계인 1900년대에는 엔진 후 처리 과정도 미흡하고 연비도 좋지 않아 배출 가스의 양이 상당했던 것을 볼 수 있고 시간이 지나면서 엔진에 카탈리스트, EGR 등 배기 가스 후 처리 과정을 포함시키면서 배출 가스의 양이 줄어든 것을 볼 수 있다. 두번째 사진은 EU가 제시하는 자동차의 배출가스 규제에 대한 도표이다. 2005년에는 km당 NOx는 0.25g, PM은 0.03g으로 넓게 허용했지만 갈수록 강화되서 2014년에는 각각 0.1, 0.01에도 못 미치는 규제를 제시했다. 최근에는 더 강화된 것으로 아는데 이는 휘발유를 동력원으로 사용하는 내연기관 차량으로는 지키기 힘든 법규이고 앞으로는 배출가스 0을 목표로 개발되어야 한다는 필요성에 자동차 기업들이 하이브리드 자동차뿐만 아니라 전기자동차 개발에 힘쓰고 있는 이유이다.

 

 2) 연비

 하이브리드 자동차가 초기에 각광받았던 이유 중 하나는 단연 연비일 것이다. 기존의 내연 기관과 다르게 전기도 동력원으로 함께 사용하기 때문에 연비가 좋았기 때문인다. 일반적으로 내연기관 자동차는 엔진이 시동을 걸고 초기에 출력을 내기 위해서 일정 온도 이상의 조건을 갖추어야 하는데 자동차 엔진의 온도를 높이기 위해서는 가솔린이 사용되기 때문에 연비가 떨어진다는 것이다. 하지만 하이브리드 자동차의 경우 저속에서는 전기를 동력원으로 모터를 작동시켜 구동하는 자동차들이 대부분이다. 이 때문에 기존의 내연기관처럼 온도를 높일 필요성이 없고 집 근처 운행이 잦거나 고속도로를 많이 달리는 자동차가 아니라면 사용자는 내연기관에 비해 높다고 느낄수 밖에 없다. 이런 이유로 하이브리드 자동차 매뉴얼에 나와있는 연비는 참고용으로 활용하고, 어떤 목적으로 사용할지에 따라 연비 좋은 내연기관 차량과 별반 다르지 않을 수 있다는 것을 알고 있어야 한다.

 위의 2가지 이유는 하이브리드 자동차의 개발 이유지만 전기자동차의 개발 이유이기도 하다.

 

3. 하이브리드 자동차의 종류

 하이브리드 자동차는 크게 풀 하이브리드, 마일드 하이브리드, 플러그인 하이브리드 3가지 종류로 나눠져 있고 풀 하이브리드 안에는 직렬 방식, 병렬 방식, 직병렬 방식 3가지 방식으로 나눠져 있다.

 

1)   풀 하이브리드

 풀 하이브리드 자동차는 엔진이 완전히 꺼진 상황에서 모터의 힘 만으로도 움직일 수 있는 자동차를 말한다. 이 말은 엔진만으로 구동 될 수 있고 엔진과 모터가 함께 사용될 수 있다는 말이기도 하다. 최근에 출시되는 하이브리드 자동차는 대부분 여기에 속해 있는데 이유는 엔진의 부담이 적어 연료 소비를 30~50% 정도 감소시킬 수 있기 때문이다.

 직렬 방식(Series): 엔진과 인버터, 모터가 직렬로 이루어진 시스템으로 엔진은 발전기 역할만 하며 모터의 힘만으로 달리는 하이브리드 자동차이다. 전기자동차에 발전용 엔진을 넣었다고 하면 쉽게 이해할 수 있는데 그래서 전기자동차의 장점을 많이 가지고 있다. 배터리 충전량이 충분하다면 엔진이 돌지 않아 소음이 적고 처음부터 최대 토크를 낼 수 있는 모터의 특성상 가속 성능이 좋다. 충전과 모터 구동이 동시에 가능하며 엔진과 바퀴가 직접 연결될 필요가 없어 변속기가 없거나 2단 정도로만 채택되는 경우가 많다. 또, 엔진의 RPM에 따라 효율이 다른데 여기서는 엔진이 발전기 역할만 하므로 항상 최대 효율 구간에서 작동한다는 장점이 있어 연비가 좋다. 하지만 내연기관 자동차와는 그 구조가 다르기 때문에 기존에 개발한 플랫폼을 활용할 수 없고 엔진의 힘을 그대로 이용하지 않고 전기로 변환하는 과정을 거치기 때문에 차량의 전체적인 에너지 효율은 떨어진다.

 

 병렬 방식(Parallel): 현대자동차그룹의 주력 하이브리드 자동차로 일반적으로 엔진과 변속기 사이에 모터를 넣는 구조이다. 출발할 때나 저속에서는 모터로 가속하고 일정 속도 이상이 되면 엔진 클러치가 붙어 엔진이 힘을 더한다. 기존 자동차와 파워트레인 레이아웃이 비슷해 개발비를 아낄 수 있고 직병렬 하이브리드에 비해 구조가 단순하고 무게도 가벼우며 저렴하다는 장점이 있다. 하지만 엔진과 변속기 사이에 모터를 위치시키는 설계로 인해 모터의 크기를 일정 수준 이상 키울 수 없는 구조적 문제가 있어 직병렬 하이브리드에 비해 모터 출력이 낮아 모터만으로 가속 가능한 속도가 낮고 모터만으로 주행 가능한 거리도 짧다. 또, 하나의 모터만 탑재되기 때문에 이것이 발전기 역할도 겸하므로 발전기로써 배터리를 충전하면 모터로 사용할 수 없고 그 반대도 마찬가지이다. 그래도 순수 내연기관보다는 연비가 좋고 최근에는 모터의 출력이 좋아지고 최적화해서 효율이 개선되었다.

 

 직병렬 방식(Series & Parallel): 직렬과 병렬 방식의 혼합이다. 병렬 하이브리드처럼 엔진이 직접 운전에 관여할 수 있고 직렬 하이브리드처럼 모터의 힘만으로 움직일 수 있다. 병렬 하이브리드와 달리 2개의 모터가 들어가며 시스템에 따라 구동용, 발전용 모터가 각각 들어가나 구동과 발전을 모두 할 수 있도록 만들어진다. 주로 별도의 변속기는 필요로 하지 않고 2개의 모터가 변속기를 대신해 엔진속도를 조절하는 방식으로 이것을 토요타에서는 e-CVT라고 부른다. 단점으로는 무게가 무겁고 시스템이 복잡해 단가가 비싸다.

 

2)   마일드 하이브리드

 엔진 동력이 기본이 되고 모터는 보조만 하는 방식의 하이브리드 자동차이다. 마일드 하이브리드에서는 전기 모터는 그저 거들 뿐 홀로 작동하지 않는다. 그래서 연비 향상은 내연기관에 비해 약 15% 정도이지만 저렴하고 설계가 간편하다는 장점이 있어 방식에 따라 생산비 100달러 정도로 연비 5% 정도를 상승시켰다고 한다. 마일드 하이브리드는 기존에 에어컨이나 히터와 같은 공조 시설, 편의 시설에 필요한 동력을 엔진이 부담했던 것과 달리 모터의 전기로 부담하기 때문에 설계 시 엔진의 최대효율 구간을 상대적으로 유연하게 설정해 연비를 향상시킬 수 있다는 장점이 있다. 주로 디젤 하이브리드 차량에 적용되는데 그 이유는 디젤 기관은 가솔린 기관에 비해 크기가 크기 때문에 구조가 간단하고 작은 마일드 하이브리드를 적용 시 효율이 높다.

 

3)   플러그 인 하이브리드(PHEV: Plug-in Hybrid Electric Vehicle)

 대용량 배터리와 외부 충전 장치를 가지고 있어 전기만으로도 일정 거리를 달릴 수 있는 하이브리드 자동차이다. 전기자동차의 단점인 충전소의 문제를 해결하기 위해서 전기차와 하이브리드의 혼합 형태로, 크게 2가지로 나뉜다. 하나는 기존 하이브리드 차량에 추가로 배터리를 장착하거나 펌웨어를 트윅하여 EV주행거리를 더 확보한 형태이다. 다른 하나는 전기차의 파워트레인에 항속거리 증가를 위해 발전용 엔진을 단 것이다. 일반적으로 전자가 PHEV라고 불리고 후자는 EREV(Extended Range Electric Vehicle)라고 불려 주행거리 연장 전기차라고 말한다. 하지만 한국에서는 두 가지 경우 모두 PHEV라고 말한다. 플러그 인 하이브리드 자동차는 전기자동차에 비해 EV모두 주행거리가 짧고 배터리 무게 증가로 인한 연비 감소와 가격 상승이라는 단점을 가지고 있다.

 

4. 전기자동차(EV: Elctric Vehicle)

 말 그대로 전기를 동력원으로 삼아 움직이는 자동차를 말한다. 석유 연료와 엔진을 사용하지 않고 오로지 배터리와 모터에 의해 자동차를 움직이는 자동차다. 원래 1830년대에 엔더슨이라는 사람에 의해서 전기자동차의 시초라 할 수 있는 세계 최초의 원유전기마차가 발명되었고 1835년에 크리스터포 베커에 의해 작은 크기의 전기자동차가 개발되었다. 이후 1873년에 가솔린 차량보다 먼저 제작되었으나 배터리 무게가 무겁고 충전 시간이 너무 긴 문제 때문에 실용화 되지 못했다가 1990년대에 들어서면서 배기 가스, 유가 상승과 같은 이슈로 전기자동차의 개발이 본격적으로 시작된다.

 

5. 전기자동차의 특징

 

 1) 안정성

전기자동차의 배터리 무게는 약 500kg 정도로 내연기관의 파워트레인 무게인 100~200kg을 훌쩍 넘는 수치이다. 이는 내연기관에서 전기자동차로 바뀌면서 내연기관 대비 부품의 수가 약 40%정도 줄었다고 하지만 기존의 내연기관 자동차보다 무게가 많이 나간다는 것을 의미한다. 일반적으로 전기자동차의 무게는 약 2톤정도 나가는데 20%에 해당하는 무게가 자동차의 중앙 아래에 있는 배터리가 차지하게 된다. 이 말은 자동차의 무게중심이 낮아지고 주로 앞에 위치했던 내연기관의 파워트레인에 비해 전륜과 후륜의 무게 배분을 비슷하게 가져갈 수 있다는 말이다. 이는 자동차의 안정성과 크게 관련 있는데 차량은 선회시 횡방향 가속도로 인해 롤링 현상이 발생하게 되는데 낮은 무게 중심으로 인해 좋은 선회성을 확보할 수 있다는 말이기 때문이다.

하지만 배터리의 화재 위험으로부터 자유롭지 못 하다는 것이 안정성을 해치는 요인 중 하나이다. 현재 쓰이고 있는 리튬 이온 배터리의 경우 양극과 음극 사이에 액체 전해질을 활용함으로써 이온의 이동을 도와 높은 이온 전도도를 얻고 이를 전기로 활용한다. 이 액체 전해질이 화재로 이어지는 원인이다. 이를 막기 위해 일정 온도 이상 올라가지 못하도록 이온의 이동을 강제로 막는 기전이나 분리막 활용, 배터리 냉각 시스템 등 여러 방면에서 노력하고 있지만 액체 전해질을 사용하는 전기차의 경우 폭발 관련 이슈에서 완전히 자유로울 수는 없다. 그래서 고체 전해질을 활용하는 리튬 폴리머 배터리, 황화물계 배터리 등 전고체 배터리에 대한 연구개발이 활발하게 진행되고 있다. 전고체 배터리가 탑재된 전기자동차가 상용화된다면 아마 전기자동차의 배터리 화재 위험은 더 이상 논쟁거리가 되지 않을 것이다.

 

 2) 비용

 전기차의 동력인 전기를 이용해 움직이는 만큼 가솔린에 비해 경제적이다. 가솔린 1L로 약 9.7kWh의 에너지를 만드는 반면 전기 기관을 이용하는 경우 2.7kW의 전기에너지로 가솔린 1L에 상응하는 에너지를 만들어 낸다. 이러한 관점에서 싼 전기가 1L에 1600원에 임박하는 가솔린보다 자동차를 유지하는데 있어 경제적이다. 기술력이 점점 좋아져 배터리 교체 주기가 길어지고 있어 최근에 나오는 전기자동차는 내연기관의 파워트레인의 수명을 따라잡고 있다.

하지만 전기자동차의 문제점으로 많이 언급되는 것 중 하나가 최대 주행거리이다. 전기 충전소 인프라가 잘 갖춰져 있지 않으면 500km를 달리는 전기자동차라도 충전하기 위해 목적지까지 돌아가는 경로를 선택하게 될 수 있다는 말이다. 이는 사용자에게 큰 부담이다. 여기서 전기차의 배터리 용량을 늘리면 되지 않느냐는 말이 있는데 전기차의 용량을 2배로 늘렸다고 해서 최대 주행거리가 2배가 될 수 없다. 배터리의 무게로 인해 연비가 떨어지고 배터리의 용량이 배터리 개수를 늘린 만큼 커지지 않기 때문에 비효율적이고 가격이 비싸서 부담이다.

 

6. 전기자동차 전용 플랫폼

 기존의 내연기관은 샤시에 동일한 플랫폼을 활용함으로써 생산성을 향상시키고 자동차 가격을 낮추는데 큰 역할을 했다. 서로 다른 차종이라 하더라도 같은 생산 라인을 거쳐 비슷한 샤시 구조를 가지고 다른 바디를 입히고자 하는 것이 플랫폼을 만든 이유인데 이는 여러 개의 부품을 하나로 묶는 모듈화를 통해서 부품의 수를 최소화했고 현대 모비스가 샤시 모듈, 칵핏 모듈 등 모듈 사업에서 뛰어난 성과를 보여주며 글로벌 자동차 부품 업계 7위로 도약했을 정도로 자동차 산업에서는 중요한 부분이다.

 이처럼 전기자동차도 전용 플랫폼을 활용해 생산성을 높이고 단가를 낮추고자 많은 기업들이 노력하고 있다. 기존의 내연기관 플랫폼 활용은 안되는 걸까? 라는 의문을 가질 수 있는데 구조적으로 많은 차이를 보여서 비효율적이다. 일단 전기자동차는 내연기관과 다르게 차량 전방에 엔진룸을 둘 이유가 없어졌다. 복잡했던 가솔린 기관의 파워트레인 대신 모터, 인버터 등 몇 개 안되는 부품으로 파워트레인을 구성할 수 있기 때문이다. 그래서 내연기관에 비해 여유 공간을 확보하게 되면서 실내 공간을 넓히기 위해 휠베이스를 넓게 가져가고 프런트 오버행을 짧게 가져가는 전기차가 많이 출시되었다. 현재 전기차 시장 점유율 1위를 가져가고 있는 테슬라의 경우 이러한 전기차 전용 플랫폼을 통해 지금의 성과를 얻었다고 해고 과언이 아니다. 실제로 모델 S, E, X, Y 모두 휠 베이스를 2900mm이상으로 가져가면서 승차감 향상에 기여하고 지상고를 낮춰 무게 중심을 낮추는 등 전기자동차의 이점을 잘 활용하고 있다. 이에 폭스바겐은 MEB, 현대차는 E-GMP와 같은 전기차 전용 플랫폼 개발에 힘쓰고 앞으로 전기차 시장에 나오게 될 아이오닉 5도 E-GMP를 기반으로 만들었다고 한다.

 첫 번째 사진이 폭스바겐의 MEB, 두 번째 사진이 현대차의 E-GMP의 구조를 보여준다. 실제로는 이것보다 훨씬 복잡하지만 두 개 모두 배터리를 중앙 아래로 배치함으로써 무게 중심을 낮추고 앞 뒤 모두 모터, 인버터를 장착함으로써 무게 앞 뒤 바퀴에 걸리는 하중도 비슷하게 분배할 수 있다. 또한, 모터로 인해 변속기가 없는 것이 하나의 특징이라고 할 수 있고 일반적으로 전기차는 감속기어 하나만을 장착하는 방식으로 제작하고 있다.

 

7. 수소전기차(FCEV: Fuel Cell Electric Vehicle)?

 수소전기차는 연료전지로 전기 모터에 전력을 공급하여 주행하는 자동차로 일반적으로 연료전지자동차, 연료전지차라고 불린다. 현대자동차그룹이 2013년 최초로 수소전기차 양산에 성공한 이후 도요타, 혼다, GM, BMW 등 많은 자동차 업계가 개발을 추진하고 있다. 아직 상용화 되기에는 이른 감이 있는데 수소 충전소 인프라가 턱 없이 부족해 이용하기에는 불편하다. 수소전기차가 개발 대상이 되는 이유는 극한의 친환경차라고 불리기 때문이다. 수소 전기차의 연료전지에서는 화학 반응을 통해 순수한 수소를 얻어내는데 이때 대기중의 공기를 흡입해 화학 반응을 일으킨다. 대기중의 공기는 오염도가 높기 때문에 이를 걸러줄 고성능 필터가 필요하게 되고 화학 반응의 부산물로 물이 배출되기 때문에 공기도 정화하고 배출 가스도 없는 궁극의 친환경차라는 이야기이다. 또, 수소전기차의 장점으로 전기차에 비해 3~5분이라는 짧은 충전 시간과 적은 연료전지 용량으로도 높은 에너지 효율을 얻을 수 있어 1회 충전 500km이상의 주행거리를 확보할 수 있다는 점이 있다. 이러한 이유로 현재는 대형 트럭과 같은 자동차에 사용되고 있고 기술이 발전하게 된다면 연료전지를 활용하는 일반 승용차가 거리에 많이 보이게 될 것이라 생각한다.

 수소전기차의 안정성에 대해 걱정하는 목소리가 많은데 삼중수소, 중수소 와 같이 핵융합 반응에 쓰여 수소폭탄을 만드는 수소와는 분자구조가 다르고 이를 반응시키기 위해서 1억도 이상의 온도와 수천 기압의 압력이 조건으로 필요한데 이는 자동차 내부에서 발생할 수 없는 조건이기 때문에 수소가 스스로 폭발할 가능성은 제로에 가깝다. 다만 충격에 의한 폭발이나 수소 탱크로부터 수소가 새어 나가지 않게 여러 안전장치가 필요해보이기 때문에 이런 부분이 갖춰진다면 미래의 친환경 자동차로 각광받는 자동차는 전기자동차보다 수소전기차가 되지 않을까 생각한다.