파워트레인

파워트레인(powertrain)은 화석연료, 배터리 등에 저장된 에너지를 운동에너지로 변환하여 자동차, 항공기, 선박 등을 움직일 수 있게 하는 동력을 부여하는 데 필요한 모든 부품의 집합체이다. 자동차에서 파워트레인은 동력장치에서 생산한 동력을 바퀴에 전달하는 과정에서 필요한 시스템을 지칭한다. 동력 전달 부품만을 의미하는 경우도 있으나 대부분은 동력 생산 장치까지 포함하여 파워트레인이라 표현한다.

개요

파워트레인이란 화석연료, 배터리 등에 저장된 에너지를 운동에너지로 변환하여 자동차, 항공기, 선박 등을 움직일 수 있게 하는 동력을 부여하는 데 필요한 모든 부품의 집합체이다. 자동차에서 파워트레인은 동력장치에서 생산한 동력을 바퀴에 전달하는 과정에서 필요한 시스템을 지칭한다. 동력 전달 부품만을 의미하는 경우도 있으나 대 부분은 동력 생산 장치까지 포함하여 파워트레인이라 표현한다. 자동차가 이동하는 데 필요한 에너지의 원천인 파워트레인의 역할은 성능과 원가 측면에서 매우 중요하다. 다양한 파워트레인 부품 중, 핵심은 동력을 만드는 부분과 동력을 효율적으로 전달하는 부분이다. 자동차 모델 간 파워트레인 성능의 차별성은 얼마나 효율적으로 동력을 만들고 전달하는지에 달려있다. 전기자동차에 탑재되는 파워트레인은 동력을 만드는 모터와 전기의 특성을 제어하는 파워일렉트로닉스, 그리고 전기에너지를 저장하는 배터리팩으로 구성된다. 연료를 저장하고 배출하는 내연기관 자동차의 연료탱크는 파워트레인에 포함되지 않지만, 전기차의 배터리팩은 에너지의 저장 및 효율적 관리 역할까지 하므로 파워트레인 구성 요소에 포함된다. 전기자동차와 내연기관 자동차 파워트레인의 가장 큰 차이는 동력을 만드는 방법에 있다. 내연기관 자동차의 동력을 엔진이 만든다면, 전기차의 동력은 전기모터가 만든다. 엔진을 구동하려면 휘발유 등 연료가 필요하고, 모터를 돌리려면 전기가 필요하다. 동력을 전달하는 방식도 전기차와 내연기관차는 다르다. 전기차가 동력을 만들고 전달하는 방식은 내연기관차에 비해 간단한 편이다. 따라서 전기차 파워트레인은 내연기관차보다 구조적으로 훨씬 단순하고, 부품수도 최대 80%까지 줄어든다. 내연기관차의 성능은 파워트레인 구성 부품인 엔진과 변속기의 개별 성능, 그리고 부품간 효율적 연계 수준에 달려있다. 전기차에서도 파워트레인의 성능은 중요한 경쟁 요소다. 원가 측면에서도 파워트레인의 비중은 전기차 부품 중에서 가장 높다. 전기차 모델간 경쟁의 핵심이다.

영향

이미 한번 충전에 500km 주행 가능한 보급형 전기차가 등장했고, 이 주행거리가 상용화된다면 주행거리는 더 이상 전기차 모델 간 차별화 요인으로 작용하지 못할 것이다. 보조금 없이도 내연기관차와 별다른 차이 없이 전기차의 가격이 안정적으로 산정될 것이다. 이제까지 주행거리 경쟁에서도 파워트레인의 역할이 컸지만 파워트레인 부품 중에서도 배터리의 성능 향상이 주도해 왔고 일반적으로도 전기차는 배터리 이슈로 인식되어 왔다. 그러나 전기차 대중화 시대에는 연비 등 구동 시스템의 효율성, 내구성, 주행성, 제동성, 시스템의 부피와 이에 따른 내부공간 활용, 배치 등이 소비자 선택에서 중요한 요소가 되어갈 것이고 그 중심에 파워트레인이 위치할 가능성이 크다.

연비 개선

전기차 시장은, 정부가 이끌고 자동차 회사가 이에 호응하는, 공급자가 주도하는 형국이었다. 자동차 기업으로서는 배터리의 성능 개선, 모터 또는 인버터의 효율 개선 등이 중요했다. 하지만 전기차가 본격적으로 보급되는 전기차 대중화 시대는 소비자가 이끌어 나갈 가능성이 크다. 자동차로서 기본적으로 갖춰야 할 성능과 가격 요건을 전기차가 갖춘 이후가 될 것이기 때문이다. 구체적으로 전기차 운전자가 쉽게 인지할 수 있는 킬로와트시(kWh) 당 몇 킬로미터(km)를 주행할 수 있는지가 소비자의 관심사가 될 것이다. 전기차의 연비는 파워트레인의 주요 구성 부품인 모터, 파워일렉트로닉스, 배터리팩 기술의 진전으로 개선할 수 있다. 전기차 대중화 시대의 전기차는 성능의 향상과 원가 관리라는 두가지 목표를 동시에 달성해야 한다. 단품 중심의 기술 개발보다 전기에너지를 얼마나 효율적으로 사용할 수 있는지가 관건이다. 모터 효율을 올리고 우수한 배터리를 사용하는 것보다 전기차 파워트레인 시스템 관점에서 얼마나 효율적으로 주행하는 지가 중요해질 것이다. 보쉬(Bosch), ZF 등 주요 자동차 부품 기업은 파워트레인 효율 개선을 통한 연비 향상을 위해 부품 간 통합 또는 모듈화에 관심을 쏟고 있다. 통합을 통해 파워트레인 전체 시스템의 부피 및 무게를 줄이고, 궁극적으로는 에너지 효율 개선과 원가 하락까지 도모하려는 것이다. 보쉬는 e-액슬(e-Axle)이라는 모터-변속기-파워일렉트로닉스 통합 시스템을 발표했다. 부품이 개별적으로 사용될 때보다 크기는 20% 작아지고 비용도 10~15%까지 낮아진다. 파워트레인이 더욱 효율적으로 운영되는 것이다. 보쉬의 효율적 열 관리 솔루션과 결합될 경우 효율 개선 수준은 최대 25%까지 가능하다. 보쉬는 전륜구동과 후륜구동 모두에 적용 가능하고 소형차부터 대형 SUV까지 적용 가능한 이-액슬 플랫폼을 개발하여 다양한 전기차 모델에 적용할 계획이다. 비엠더블유(BMW)가 2017년 11월에 발표한 5세대 전기차 파워트레인은 1회 충전 시 최대 700km까지 주행이 가능하다. 모터, 변속기, 인버터 및 컨버터 등을 하나의 시스템으로 통합한 플랫폼으로 개발함으로써 공간 효율성과 동시에 원가 절감까지 추진하는 것이다. 모듈화된 부품 설계로 다양한 크기를 구현할 수 있도록 하여 여러 전기차 모델에 효과적인 적용이 가능하게 할 계획이다. 한편 비엠더블유는 배터리셀 개발센터를 설립해서 배터리 성능, 수명, 안전성, 충전 및 원가 등에 대해 연구할 계획이다. 배터리를 포함한 파워트레인 전체 시스템의 통합 개발로 가장 앞선 연비 확보를 목표로 하는 것이다. 테슬라(Tesla)에 이어 전기차 시장에 새롭게 진입한 루시드모터스(Lucid Motors), 패러데이퓨처(Faraday Future) 등 신생 전기차 기업의 전략은 더욱 급진적이다. 전기차 섀시에 모터, 충전기, 인버터 등을 통합함은 물론이고 배터리까지 일체형으로 한 플랫폼화를 추진한다. 이를 통해 에너지 효율의 향상뿐 아니라 대량 생산이 가능해지면서 원가 구조도 개선할 수 있다. 궁극적으로는 파워트레인 전체 시스템의 플랫폼화를 통해 전기차 내부공간 활용도를 높여서 내연기관차에서 불가능해 보였던 여러 디자인을 전기차에서 구현할 가능성도 찾고 있다.

사용 경험 개선

2010년에 전기차가 등장할 때만 해도 전기차의 초기 가속 성능 지표인 제로백(시속 100km까지 도달하는 시간)은 7초에서 9초로 내연기관차보다 부족한 수준이었다. 주행거리와 주행의 즐거움이 모두 만족스럽지 않았다. 하지만 테슬라의 전기차 출시 이후 많은 전기차 모델의 파워트레인은 프리미엄 내연기관차의 파워트레인을 능가하는 가속 성능을 자랑하고 있다. 고출력 모터를 장착한 파워트레인 기반의 보급형 전기차를 몰면서도 프리미엄급 내연기관차를 운전하는 즐거움을 느낄 수 있다. 새롭게 시장에 진입하는 전기차 기업은 대부분 우수한 출력 특성을 강조하고 있다. 기존 기업의 높은 진입 장벽을 극복하기 위해 운전의 즐거움을 차별화 요소로 잡은 것이다. 파워트레인의 구조적 단순화로 전기차만이 누릴 수 있는 내부 디자인의 변화도 관심거리다. 2017년 도쿄 모터쇼에서 소개된 다양한 미래자동차의 공통점은 차체 하부에 전기차 파워트레인이 집약된 설계 구조에 있다. 이를 기반으로 차체 상부에는 다양한 디자인 구현이 가능하다. 통합된 하나의 디스플레이로 자동차 인포테인먼트 시스템을 활용할 수 있고, 내부 시트 구성의 다변화도 가능하다. 폭스바겐(Volkswagen)이 2020년부터 미국에서 판매하겠다고 밝힌 I.D. 크로즈(I.D. Crozz) 컨셉 자동차는 컴팩트 SUV 크기이지만, 내부 구조는 대형 SUV와 유사하다. 파워트레인 변화로 넓어진 공간만큼 다양한 디자인 구현이 가능할 것이다. 전기차가 대중화되는 시점이 되면 차별적 내부 공간이 전기차 모델을 선택하는 중요 요인이 될 수도 있다.

내구성 및 재판매 가치 상승

전기차가 처음으로 중고 거래될 시점에서의 고민은 파워트레인의 가치를 얼마만큼 인정할 것인가이다. 내연기관차의 경우 보통 3년 정도 사용하면 50% 정도 가치가 하락하는 것으로 공감대가 형성돼 있지만, 전기차는 파워트레인을 기반으로 한 중고차의 가치 추정 방법에 대해 정해진 바가 없다. 배터리를 얼마나 더 사용할 수 있을지에 대해서는 아직 정확한 파악이 어렵다. 일본의 중고차 거래 사이트에 의하면 2011년형 닛산(Nissan) 리프(Leaf)의 중고차 가격은 5년이 지난 시점에서 90% 정도 하락한 것으로 나타난다. 국내에서도 제너럴모터스(GM) 스파크(Spark) 전기차의 중고차 가격은 30% 수준에 불과하다. 앞으로 전기차의 재판매 가치는 전기차 모델 간 다르게 산정될 가능성이 크다. 전기차 부품 중에서 원가 비중이 높은 파워트레인의 가치 선정 수준에 따라 전기차 모델의 경쟁 포인트가 달라질 수도 있다. 재판매 가치를 정확하게 판단할 수 있는 기술도 관심을 받을 것이다. 유지보수 용이성이 중요한 배터리팩의 경우 남은 수명이 얼마인지에 대해 정확한 파악이 필요하다. 뛰어난 내구성에 기반을 두어 재판매 가치가 높은 것도 중요하지만, 얼마만큼의 가치가 남아있는지에 대한 정확한 판단도 중요해질 것이다. 최근 다양한 방식으로 배터리팩의 잔류수명을 추정하는 기술이 개발되고 있다. 크게 회로 기반 예측 방식과 전기화학 기반 예측 방식으로 구분되어 개발이 진행 중이다. 어떤 방식이든 배터리 수명 측정 기술의 발달을 통한 전기차 파워트레인의 수명 연장은 전기차 모델 간 경쟁 요소로 관심을 끌 가능성이 높다.

전기차 대중화

전기차 시장이 성장하는데 있어서 핵심은 주행거리와 원가를 개선하기 위한 파워트레인 개발에 있었고, 그 주역은 배터리였다. 대중화 시대에 접어든 전기차 시장에서 파워트레인은 얼마나 즐거운 운전 경험을 주는가, 그리고 얼마나 전기차 사용 비용을 낮출 수 있는가에 초점을 맞추어 기술의 진화가 이루어질 것이다. 관련 기업 입장에서도 파워트레인을 구성하는 단위 부품 개발에 집중하기보다는 파워트레인 전체 관점에서 효율적으로 에너지를 사용하기 위한 방안에 대한 고민이 필요할 것이다. 모터 효율을 개선하는데 집중하기보다는 모터가 효율적으로 구동되어 전기에너지 사용 수준을 최적화할 수 있도록 배터리팩, 파워일렉트로닉스 등과의 통합 설계를 염두에 두고 개발 방향성을 설정해야 할 것이다. 배터리 제조사도 배터리셀의 에너지 밀도 개선에만 집중하기보다는 파워트레인의 내구성 및 유지보수성 강화를 위한 효과적 배터리 제어 방안 확보에도 신경을 써야 할 필요가 있다.

개발 동향

국내

한국 자동차 파워트레인 개발 능력은 독일이나 일본, 미국 등 자동차 선진국과 비교해 아직 멀었다는 인식이 강한 것이 사실이다. 하지만 대한민국은 친환경 다운사이징 엔진부터 고성능 엔진까지 다양한 분야에서 기술력을 인정받고 있다. 미국이나 유럽 업체와 비교해 개발 역사는 짧지만, 수출시장 확대와 많은 연구진들의 노력으로 한국의 내연기관 및 변속기 개발 경쟁력이 높은 수준에 도달했다. 현대자동차그룹의 전기자동차 전용 플랫폼 E-GMP에 적용된 PE시스템(Power electric system)은 기존 내연기관 엔진을 포함한 파워트레인 시스템을 대체하는 구동시스템으로 전기차 구동을 위한 모터와 감속기, 모터를 제어하는 인버터, 에너지를 담고 있는 배터리로 구성된다. 현대자동차 외의 다른 국내기업들도 차세대 전기 파워트레인시장을 선점하기 위해 인수합병이나 합작법인 설립을 통해 시장에서 빠르게 기술력과 마케팅망을 흡수하며 경쟁력을 강화하고 있다. 그 예시로 2020년 12월, 엘지전자㈜와 세계 3위 자동차 부품 업체인 마그나 인터내셔널(Magna International)과 전기차 파워트레인 합작법인 엘지마그나 이파워트레인(LG Magna e-Powertrain)을 설립했다. 엘지마그나는 전기화된 파워트레인 시스템을 통해 개별 부품, 전기 모터, 인버터, 온보드 충전기를 제공한다.

유럽

SUV는 유럽에서 인기가 많은 해치백과 왜건 차량의 시장을 잠식하며 성장세를 보이고 있다. 현대자동차㈜와 기아자동차㈜의 투싼(Tucson)과 스포티지(Sportage)는 C-세그먼트에서 선전 중이며, 코나(Kona)의 B-세그먼트 SUV 시장도 빠르게 성장하고 있다. 디젤 엔진은 유럽의 엄격한 이산화탄소 규제 상황과 C-세그먼트 이상 SUV 및 캐러밴 견인 조건에서 아직까지 유효한 파워트레인으로, 특히 아우토반 등에서 고속주행 시 연비는 디젤 엔진의 장점 중 하나이다. 2019년 비엠더블유(BMW)가 2억 유로의 디젤 엔진 관련 투자 계획을 발표하였고, 유럽 자동차 업체 중심으로 디젤 엔진의 연비 및 배출가스 개선을 위한 연구 개발 또한 지속되고 있어 급격한 퇴출이 아닌 점진적 대체가 예상된다. 유럽의 강력한 이산화탄소 규제를 대응하는 자동차 업체의 주요 전략은 파워트레인 전동화다. 일례로 유럽 자동차 판매 4위인 현대자동차와 기아자동차는 2019년 기준 1백만 대 이상 판매하였고, 이중 전동화된 친환경차는 12% 정도이다. 또한 유럽 시장에서 유일하게 연료전지 전기자동차(FCEV), 배터리 전기자동차(BEV), 플러그인 하이브리드 자동차(PHEV), 고전압 하이브리드 자동차(HEV), 저전압 마일드 하이브리드 자동차(MHEV)의 모든 파워트레인 전동화 포트폴리오로 이산화탄소 규제를 대응하고 있다. 유럽에서는 현금 구매 보너스, 등록세 또는 세제 혜택 등 정부 인센티브의 영향으로 배터리 전기자동차와 플러그인 하이브리드 자동차의 판매가 증가될 것으로 예상된다. 영국과 네덜란드 등은 충전을 하지 않고 운행해 세제 혜택을 악용하는 일부 운전자로 인해 인센티브를 줄인 후 플러그인 하이브리드 자동차 판매가 감소하였으나, 유럽 최대 자동차 시장인 독일은 개인에게는 2025년까지, 법인에게는 2030년까지 플러그인 하이브리드 자동차 인센티브를 유지하겠다는 방침이다. 강화되는 이산화탄소 규제로 배터리 전기자동차가 유망한 파워트레인 전동화로 여겨지나, 충전 인프라 제한과 장거리 주행이 많은 유럽 여건상 배터리 전기자동차 시장 점유율은 데이터 출처에 따라 2030년까지 15~30% 정도 될 것으로 예상된다. 또한 내연기관은 전동화의 도움을 받아 2030년까지 전체 파워트레인의 70% 이상을 유지할 것으로 보인다. 유럽은 중, 소도시로 분산된 라이프스타일이라, 자동차 주행 환경도 가감속과 정체가 빈번한 도심 주행 보다는 정속 및 고속 주행이 상대적으로 많다. 특히 독일 아우토반에서는 출퇴근 시에도 고속 주행이 많으며 무제한 구간에서는 200kph 가까이 속도를 내는 경우도 흔하다. 이는 회생제동 조건이 적어 하이브리드 자동차의 장점을 살리기에 불리한 조건이다. 또한 디젤 엔진의 강한 토크에 익숙한 유럽 운전자들은 가솔린 엔진도 높은 토크를 가진 터보차저 엔진을 선호한다. 가솔린 엔진 중 터보 차저 장착 비율은 2010년 17%에서 2019년 57%으로 꾸준히 증가하고 있고, 높은 토크가 요구되는 SUV에서는 가솔린 엔진 중 이미 80%가량이 터보 차저를 장착하였다. 유럽 시장에서 현대자동차 및 기아자동차와 함께 하이브리드 자동차 시장을 선도하고 있는 토요타(Toyota)는 신형 하이브리드 자동차 모델에서 자연 흡기 가솔린 엔진의 배기량 및 전기모터의 용량을 증대했으나, 터보엔진에 익숙한 독일 자동차 미디어와 소비자는 여전히 부족한 운전자 경험을 지적하고 있다. 시내 주행 위주인 중형차와 소형차 외 고속 주행이 빈번한 조건에서는 하이브리드 자동차 성장에 한계가 있어 보인다.

전망

2018년 기준, 1%에 불과한 플러그인 전기차 시장은 2030년 신차 시장의 20%가 넘을 것으로 보이며, 절반 이상의 자동차가 전동화될 전망이다. 지속적인 환경규제 강화로 내연기관 엔진만을 장착한 파워트레인, 특히 디젤은 소비자 부담이 가중되어 점차 선택하기 어려워질 전망이다. 95%를 차지하는 내연기관만 사용한 파워트레인은 2030년 시장의 약 절반까지 점유율이 하락할 것으로 예상된다. 하지만 전동화 트렌드 속에서도 하이브리드 기술은 엔진을 함께 사용하므로 5대 가운데 4대 이상은 여전히 내연기관 엔진을 포함할 것으로 분석된다. 글로벌 파워트레인 시장 구성은 결국 플러그인 전기차 확산 속도에 의해 결정된다. 자동차 전동화 확산 속도를 결정하는 핵심요인은 전기차 배터리이며, 단기적으로는 통용되고 있는 리튬이온배터리 개선, 이후 차세대 배터리 도입으로 가격경쟁력과 생산용이성을 확보할 것으로 예상된다. 따라서 에너지 밀도를 크게 높이고 코발트같은 희소금속 사용을 줄여줄 양극재 기술과 전고체 배터리 기술 상용화가 시급하다. 충전 인프라 보급과 더불어 풍력, 태양광 등 재생가능 에너지 확산 또한 전력그리드 변신으로 전기차 친환경성 또한 더욱 높일 필요성이 있다. 미래 파워트레인 시장은 하나의 기술이 시장을 지배하기보다는 지역 특성에 맞게 다양한 구성으로 다변화할 전망이다. 배터리 기술이 크게 발전하더라도 원료수급부터 충전인프라와 대량생산 설비확충, 소비자 인식 전환 과정이 필요해 전기차 시대로의 전환은 급진적이기보다 점진적일 전망이다. 가격부담으로 마일드 하이브리드 등 대안기술이 상당기간 역할을 할 것이며, 비중은 매우 작더라도 지역에 따라 수소연료 배터리 자동차나 가스자동차가 일부 보급될 가능성도 존재한다.

참고자료

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• 오토저널, 〈(오토저널) 유럽 파워트레인(PT) 기술 동향〉, 《글로벌오토뉴스》, 2020-10-12
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• 유태영 기자, 〈(CES리포트) 내연차 종말 다가온다...마그나, LG와 파워트레인 '전기화'에 방점〉, 《디일렉》, 2021-01-13
• 이창원 기자, 〈'전기차 시대 고용 축소'놓고 노사 진통 본격화〉, 《시사저널》, 2021-03-12

같이 보기

• 배터리
• 전기모터
• 전기자동차

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