배터리 전기자동차

배터리 전기자동차(BEV; Battery Electric Vehicle)는 내연기관 엔진을 사용하지 않고 배터리만 사용하는 순수 전기자동차를 말한다. 간략히 배터리 전기차 또는 영어 약자로 BEV(비이브이)라고 한다.

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개요

배터리 전기자동차는 전기모터와 전기 배터리를 이용하여 주행하는 자동차이다. 내연기관의 힘과 전기를 함께 이용하는 하이브리드 전기차(HEV)와는 달리 배터리 전기차는 충전된 배터리의 힘으로만 모터가 움직인다. 배터리 전기자동차는 기존 차들과는 구조부터 완벽하게 다르다. 100년 넘게 자동차의 심장을 자처하던 엔진 대신 모터만이 남고 연료탱크 자리에는 배터리가 자리를 잡게 됐다. 배터리 전기자동차의 장점은 친환경성, 효율성, 경제성이다. 연료 주입 방식이 아닌 배터리 충전 방식이기 때문에 오염물질 배출이 없다. 또한 내연기관과 같은 큰 엔진이 요구되지 않기 때문에 더욱더 넓은 공간을 활용할 수 있다. 과거에는 주행거리가 180~250km가 한계였다면 배터리 관련 기술이 발전하면서 주행거리가 비약적으로 늘어나고 있다. 오늘날 300km를 넘어 400~600km 거리까지 주행이 가능하다. 물론 도심 주행을 위한 소형 배터리 전기자동차가 대부분이며 장거리 주행 가능한 배터리 전기차가 대중화되려면 더 기다릴 필요가 있다. 블룸버그(Bloomberg) 전기자동차 전망보고서에 따르면 2040년에는 전 세계 자가용 중 배터리 전기자동차의 비중이 50%에 육박할 것이라고 전해졌다.

특징

배터리 전기자동차는 연료 주입 방식이 아닌 배터리 충전 방식이기 때문에 오염물질 배출이 없다는 특징이 있다. 배터리 전기자동차는 하이브리드 대비 단순한 구조로 되어 있다. 또한 배터리 전기자동차는 운전 습관, 계절, 배터리의 용량에 따라 주행 가능한 거리가 다른데 일반적으로 1회 충전 시 약 100~300km를 주행할 수 있다. 배터리 전기자동차는 기존 내연기관 자동차와 비교했을 때 빠른 응답으로 즉각 제어가 가능해 가속 성능이 향상된다는 특징이 있다. 또한 고효율 모드로 작동하며 저속에서는 높은 토크를 발휘한다. 이와 함께 발열을 최소화하는 파워트레인 구성 단순화로 비용 절감이 가능하다는 장점이 있다. 배터리 전기자동차는 외부 전기의 충전 없이는 운전이 불가능하기 때문에 반드시 충전해야 한다. 그러다 보니 구성부품이 적어지고 구조는 단순해지고 모터 특유의 빠른 응답이 가능하다. 그리고 고효율에서는 회생 제동이 가능하며 배터리의 전기동력을 사용하는 모터가 감속을 통해 토크를 증대하여 차량을 추진하는 동력전달 구조를 갖췄다. 만약 배터리 전기자동차에 전륜과 후륜 모두 모터를 장착하게 된다면 구동력과 제동력 측면에서 우수해진다는 장점이 있다. 하지만 배터리 전기자동차의 배터리의 낮은 에너지 밀도와 무거운 무게를 가지며 충전 시간이 느리다는 단점이 있다. 이를 해결하기 위해 배터리는 자연적으로 커질 수밖에 없다. 따라서 배터리는 무거워지고 충전도 느려지고 생산단가도 자연스럽게 올라가는 일이 발생한다. 이에 배터리 전기자동차는 고효율 모터 설계 기술, 출력 향상 기술, 냉각 성능 개선 기술의 발전이 필요하고 모터를 더 경량화시킬 수 있어야 하며 배터리의 에너지 밀도 향상과 생산단가를 낮추는 기술이 필요하다. 또한, 배터리 전기자동차는 부족한 배터리 용량과 배터리 충전 인프라의 문제가 존재한다. 이는 지속적인 연구와 발전을 통해 향후 점차 나아질 것으로 전망된다. 배터리 전기차는 전기모터의 구동력만을 이용하기에 에너지원이 되는 배터리의 용량 및 성능이 매우 중요시되고 있으며 대한민국 대기업들도 전기차 배터리 시장을 선도하기 위해 노력 중에 있다. 배터리 전기자동차의 대표적인 모델로는 포르쉐(Porsche) 타이칸(Taycan), 르노(Renault) 조에(ZOE) 등이 있다.

비교

연료전지 전기자동차

구조

배터리 전기차와 연료전지 전기자동차(FCEV)는 모두 전기차(EV)에 속한다. 전기차는 내연기관 자동차와는 다르게 전기로 모터를 돌려 자동차를 구동한다. 배터리 전기자동차는 배터리 속에 충전된 배터리를 이용해 구동한다. 재사용 시 배터리를 충전하는 방식이다. 반면에 연료전지 전기차는 수소를 사용해 발생시킨 전기로 모터를 구동한다. 연료전지를 배터리 대신 사용하는 것이다. 전기가 아닌 수소를 충전한다는 점이 다르다. 수소차의 초기 개발 모델은 수소연료차다. 수소를 직접 태워서 엔진을 구동하는 가솔린이나 디젤과 같은 내연기관 자동차와 비슷한 방식이다. 하지만 이런 방식은 안전성과 안정성, 효율 등 다양한 문제가 있어 오늘날의 연료전지 전기자동차의 형태로 발전한 것이다. 연료전지 전기자동차의 가장 큰 특징은 수소탱크와 연료전지다. 연료탱크의 연료가 내연기관인 엔진을 통해 동력을 생산한다면, 수소탱크는 연료전지에서 전기 에너지로 바뀌어 모터를 구동한다는 것이 배터리 전기차와는 다르다. 연료전지는 배터리와 비슷하지만, 직접 전기를 충전하지는 못한다. 외부의 흡입된 공기와 수소탱크의 수소를 화학반응을 통해 전기와 물로 변환한다. 변환된 전기로 모터를 굴리며 물은 밖으로 배출된다. 연료전지 전기차의 보조배터리도 다른 배터리 전기차의 배터리와 다른 역할을 한다. 배터리 전기차의 배터리는 직접적인 동력 구동을 위해 고용량과 고성능의 리튬이온 배터리를 사용한다. 반면에 수소연료 전기자동차의 보조배터리는 소량의 충전을 위한 것으로 작은 용량이면 충분하기 때문에 슈퍼커패시터 등이 축전지로 사용된다.

성능

연료전지 전기자동차는 배터리 전기차의 단점을 극복한 친환경차다. 연료전지 전기차는 주행거리와 충전 시간에서 배터리 전기차를 압도한다. 이러한 단점은 이미 1830년대에 최초로 개발된 배터리 전기자동차의 상용화에 180년이라는 시간이 걸린 이유이기도 하다. 2018년 가장 많이 팔린 전기차인 테슬라(Tesla)의 모델3(Model 3)의 경우 20분간 40kWh의 용량을 급속충전해 350km의 거리를 달릴 수 있다. 다시 운행하려면 급속 충전 시 최소 20분, 일반 충전에는 한 시간 이상의 시간이 소요된다. 현대자동차㈜(Hyundai Motor Company)에서 선보인 대표적인 연료전지 전기차 넥쏘(NEXO)는 6.33kg의 수소를 완충하는 데 걸리는 시간은 불과 5분으로 최대 609km의 주행거리를 자랑한다. 반면 연료전지 전기차는 배터리 전기차보다 비싼 연료비와 가격, 부족한 인프라가 단점으로 지적된다. 넥쏘의 연료비는 km당 73원, 모델3은 km당 25원이 들어간다. 연료전지 전기차의 연료비가 배터리 전기차보다 3배 정도 비싼 셈이다. 무엇보다 가장 큰 문제는 인프라다. 2019년 기준 배터리 전기차를 충전할 전기차 충전소는 전국에 9,287곳이다. 대한민국 주유소 약 1만 2,000곳의 78%에 이른다. 반면 연료전지 전기차를 충전할 수소차 충전소는 11곳에 불과하다. 정부에 따르면 수소차 충전소를 2040년까지 1,200개까지 확대할 계획이다. 하지만 수소 충전소 1곳을 짓는 비용은 26~31억 원으로 추정된다. 즉, 3조 원 이상이 더 필요하다는 것이다. 더불어 계획대로 진행되더라도 1,200개의 수소차 충전소는 전체 주유소의 10% 수준밖에 되지 않는다.

기업 현황

폭스바겐

폭스바겐(Volkswagen)이 중국 상하이자동차(SAIC)와의 합작사들이 생산하는 7인승 배터리 전기차 ID.6을 유럽 시장에 도입할 가능성이 있다고 했다. ID. 시리즈의 플래그십 SUV 모델인 ID.6은 SAIC 폭스바겐(SAIC Volkswagen)이 생산하는 ID.6 X와 FAW-폭스바겐(FAW-Volkswagen)이 생산하는 ID.6 크로즈 두 가지 버전으로 출시된다. 이는 유럽에서도 생산될 가능성이 있다고 알려졌으나 중국산을 유럽 시장으로 수출하는 쪽으로 의견이 모아지고 있다는 것이다. ID.6는 중국 시장 전용으로 개발된 최초의 MEB 플랫폼(Modular electric drive matrix platform) 모델로 전장 4,880mm SUV로 공간, 기능, 디자인 및 사용자 경험 측면에서 중국 고객의 니즈에 부응한 모델이라고 2021년 4월 상하이 오토쇼를 통해 밝혔다. 운송 비용에도 불구하고, 중국에서 생산 및 인건비가 훨씬 낮기 때문에 ID.6의 마진은 상당히 높을 것으로 예상한다. 유럽에서는 5년 동안 최대 8만 대 판매를 예정하고 있다.

포드

포드(Ford)가 2022년 봄 시장 출시 예정인 F-150 픽업트럭의 배터리 전기차 F-150 라이트닝(F-150 Lightning)의 생산 목표를 두 배로 늘릴 것이라고 밝혔다. 이는 수요가 증가하고 있어 생산을 늘리기로 했다고 전했다. 포드는 F-150 라이트닝의 생산량을 2022년 1만 5,000대, 2023년 5만 5,000대, 2024년에는 기존 4만 대의 두 배인 8만 대를 생산하는 것을 목표로 하고 한다. F-150 라이트닝은 전동화를 주도하려는 포드의 220억 달러 이상의 글로벌 전기 자동차 계획의 기둥이다. 포드는 머스탱 마하-E(Mustang Mach-E)를 시작으로 앞으로 배터리 전기차 라인업을 확대한다는 방침이다. 포드는 2030년까지 전체 판매의 40%를 배터리 전기차로 전환한다는 목표를 설정하고 있다. 유럽에서는 2021년부터 배터리 전기차만 판매한다고 발표한 바 있다. 이는 유럽에서 100% 배터리 전기차를 사용하면 미국을 포함한 다른 판매 지역이 계획에서 40% 미만이 될 가능성이 크다는 것을 의미한다. 이와 함께 포드는 에스케이이노베이션㈜(SK Innovation)과 합작으로 배터리 셀과 모듈을 생산하는 회사를 설립하기로 합의했다.

메르세데스-벤츠

메르세데스-벤츠(Mercedes-Benz)가 2021년 7월 24일 2024년에 G클래스(G-Class)의 배터리 전기차 버전을 출시한다고 발표했다. 메르세데스-벤츠는 2022년까지 모든 모델에 배터리 전기차 버전을 라인업할 계획이며 2025년부터 출시될 새로운 모델은 차세대 플랫폼을 베이스로 한 배터리 전기차만 출시할 것이라고 밝혔다. 그 일환으로 2024년에 G클래스 배터리 전기차를 선보인다는 것이다. 메르세데스-벤츠는 시장이 허락하는 한 2020년대 말까지 모든 모델을 배터리 전기차로 전환할 준비를 하고 있다고 발표했다. 세 가지 전기차 전용 플랫폼을 개발하고 배터리 셀 공장 8개를 추가하고 충전시설을 확충하는 것이 중심이다. 이를 위해 2030년까지 8개의 새로운 배터리 셀 공장을 설립하는 등 400억 유로를 배터리 전기차에 투자할 예정이다.

발전

전고체 배터리

리튬이온 배터리 기술 완성도가 고조에 오르면서 전기자동차 주행거리 역시 비약적으로 발전하고 있다. 배터리는 다양한 산업 중 발전 속도가 느린 편에 속하는데도 불구하고 상당히 빠르게 발전해 왔지만, 기술적 한계에 올라와 있어 더 에너지 밀도를 높이기는 어려운 상황이다. 부피와 무게를 늘리지 않고서는 전기자동차에 더 높은 용량 배터리를 적용할 수 없다는 의미다. 이런 문제를 해결하기 위해서 차세대 배터리로 전고체 배터리를 주목하고 있다. 기존 리튬이온 배터리에서 액체 상태인 전해질을 고체로 사용할 수 있는 것이 전고체 배터리다. 리튬이온 배터리가 가진 단점 중 대부분이 액체 전해질로 인해 생기는데 고체 상태 전해질을 사용하면 이런 단점들을 해결할 수 있다. 전해액은 온도에 매우 취약하다. 때문에 겨울철 저온 상황에서 배터리 성능이 급격히 하락한다. 게다가 외부 충격으로 인해 전해액이 누출되면 화재나 폭발이 일어날 수 있다. 이런 특징 때문에 리튬이온 배터리의 안전성이 논란이 되곤 하는데 전고체 배터리는 이런 문제들을 해결할 수 있다. 게다가 리튬이온 배터리 대비 에너지 밀도를 두 배 이상 끌어 올릴 수 있다고 알려져 있다. 이런 특징 때문에 자동차 제조사들도 전고체 배터리에 주목하고 있다. 토요타(Toyota Motor Company)는 이전부터 파나소닉(Panasonic)과 합작사인 PEVE(피이브이이)를 통해 직접 배터리 개발에 많은 관심을 쏟았다. 특히 전고체 배터리는 2015년 기준으로 토요타가 특허 24건을 출원했을 정도로 기술적으로 앞섰다. 덕분에 2022년경 출시 목표로 개발 중이며 이는 타 제조사와 비교했을 때 빠른 일정이다. 현대자동차㈜도 미국 전고체 배터리 업체인 아이오닉 머터리얼스(Ionic Materials)에 투자를 진행했다. 대한민국에도 쟁쟁한 배터리 제조사가 있지만 대한민국 업체는 전고체 배터리 개발에서는 비교적 소극적이다. 그래서 현대자동차㈜는 전고체 배터리 분야의 높은 기술력을 확보한 업체를 통해 전고체 배터리 전기자동차 양산 시기를 앞당기려는 전략으로 보인다. 배터리 업체 중 중국 칭다오 에너지는 전고체 배터리 양산라인을 구축했다고 발표했다. 이들이 양산하는 전고체 배터리는 에너지 밀도 400Wh/kg 이상으로 기존 리튬이온 배터리 대비 2배 이상 끌어 올렸다고 밝혔다. 대한민국 삼성SDI㈜(Samsung SDI)도 2019년 디드로이트 모터쇼에서 1회 충전으로 주행거리 700km 이상 가능한 전고체 배터리에 대한 기술 로드맵을 소개했다. 이런 기술들이 순조롭게 전기자동차에 적용될 수 있다면 주행거리를 대폭 늘릴 수 있을 것으로 전망된다. 따라서 전고체 배터리를 통해 전기차의 단점을 보완하고 더 높은 안전성과 긴 주행거리를 갖게 될 것이다.

참고자료

• AXA손해보험, 〈(김기범 기자의 자동차 이야기) HEV? BEV? FCEV? 전기차 종류가 이렇게 다양하다고? 전기차 종류, 특징부터 시장 전망까지!〉, 《네이버 블로그》, 2021-07-21
• 다키포스트, 〈HEV, PHEV, BEV, FCEV 친환경차에 대한 모든 것!〉, 《네이버 포스트》, 2018-04-06
• 박지성 기자, 〈(한장TECH) EV의 구분과 유형〉, 《테크월드》, 2019-03-18
• 한국타이어, 〈BEV? FCEV? 대세로 떠오른 친환경 자동차?〉, 《네이버 블로그》, 2019-01-10
• 링큐, 〈BEV/HEV/PHEV/EREV란? 차이점은?〉, 《네이버 블로그》, 2020-11-24
• 한신, 〈간단한 BEV 요약〉, 《네이버 블로그》, 2021-11-03
• Koalmot, 〈친화경자동차 어떻게 구분될까?(HEV, PHEV, BEV, FCEV)〉, 《네이버 블로그》, 2020-06-16
• 박상준 기자, 〈FCEV, BEV, MHEV... 알고 보면 쉬운 친환경차 용어〉, 《모터플렉스》, 2021-01-19
• 양대규 기자, 〈친환경차의 두 축, '연료전지' 수소차와 '배터리' 전기차〉, 《테크월드》, 2019-03-05
• 글로벌오토뉴스, 〈폭스바겐, 중국산 BEV ID.6 유럽으로 수출한다〉, 《네이버 포스트》, 2021-11-02
• 글로벌오토뉴스, 〈포드, F-150 라이트닝(BEV) 미국 내 판매 목표 두 배로 늘린다〉, 《네이버 포스트》, 2021-08-25
• 글로벌오토뉴스, 〈메르세데스 벤츠, 2024년 G클래스 BEV 버전 출시〉, 《네이버 포스트》, 2021-07-28
• 오토트리뷴, 〈주행거리 700km 가능, 전고체 배터리 전기자동차 출시는?〉, 《네이버 포스트》, 2019-06-04

같이 보기

• 배터리
• 전기자동차
• BEV

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