전기자전거

전기자전거(Electric bicycle)

전기자전거(Electric bicycle)는 사람의 힘으로 구동되는 자전거에 전동기, 배터리 등을 장착하여 전동기의 힘을 통해 주행할 수 있는 자전거이다. 친환경 이동수단 및 근거리 이동수단으로서 이용이 증가하고 있으며, 도로의 여건이나 개인의 근력과 무관하게 편리하게 이용할 수 있는 장점이 있다. 국내에서는 법률 문제로 10 km/h가 넘어가면 모터의 보조가 차차 감소해서 24 km/h가 넘으면 완전히 보조가 멎도록 되어 있다. 그와 더불어서 완성차는 법률의 제약 때문에 350W 이상의 모터를 달지 못하고, 달더라도 대외적인 표기는 350W으로 한다.

역사

1860년부터 1952년

전기자전거는 1885년에 최초로 등장했다. 이때 등장한 전기자전거들은 당시 엄청난 인기를 끌고 있었던 페이스메이커 레이싱(pacemaker racing)이라는 레이싱 경기에 사용되었다. 페이스메이커 레이싱은 페이스메이커(Pace Maker)라고 불리는 경주자들이 싸이클링 경기의 시작에 앞서, 싸이클링 선수들을 앞서 가며 이들이 진로 방해를 받지 않고 원활하게 주행할 수 있도록 경로를 확보하며 진행하는 레이싱이었다. 페이스메이커들은 싸이클링 선수들보다 빠른 속도로 앞서 나가며 길을 내야 했기 때문에 동력의 지원이 필요했고, 이를 전기자전거가 대체했다. 하지만 내연기관의 안전성이 향상됨에 따라 전기자전거는 모습을 감추게 된다. 그리고 1932년, 네덜란드의 전자제품 회사 필립스(Philips)의 자회사, 이엠아이(Emi)는 보조 전기모터를 장착한 전기자전거의 양산 모델을 출시한다. 이 전기자전거는 놀라울 만큼 근대의 전기자전거 모델들과 닮아 있었다. 모터는 안정적인 무게 중심의 확보를 위해 자전거 프레임의 하단에 위치해 있었고, 충전기가 유리로 된 배터리에 전력을 공급하였다. 이 전기자전거는 근대 전기자전거에서 볼 수 있는 모터 컨트롤러도 갖추고 있었다. 하지만 이 초기 전기자전거들은 모터가 제공하는 동력의 제어가 안정적이지 못했다. 전기모터에 전달될 전력을 정밀하게 제어하는데에 필요한 전자공학이 아직 충분히 발전하지 않은 상태였기 때문이다. 1952년 전후 독일은 내연기관 자전거의 전성기를 맞이했다. '이제는 페달링을 할 필요가 없습니다.' 모터자전거를 홍보하기 위한 슬로건이 당시의 시대 정신을 완벽하게 나타내 준다. 독일의 도로 인프라는 전쟁에 의해 완전히 파괴되었고, 모든 사람들이 가난에 시달리고 있었다. 이 시기, 스테터벨(Stottervelos)이라고 불리는 소형 내연기관을 갖춘 자전거들이 인기를 끌게 된다. 이 자전거들은 대개 1개, 혹은 2개의 실린더를 갖춘 엔진을 장착하고 있었다. 하지만 이 자전거들은 단지 단기간을 위한 모빌리티 솔루션으로 남게 되었다. 얼마 안 되어 무한한 모빌리티 가능성을 지닌 자동차가 등장하고, 사람들이 추구하는 지위의 상징으로써 자리매김했기 때문이다. 이로써 자전거에 기반한 이동 수단들은 사람들에게서 점점 잊혀져 가게 된다.

1975년부터 2011년

1970년대 초반, 20세기의 가장 중요한 사업가 중 한명으로 꼽히는 일본 파나소닉(Panasonic) 사의 설립자인 마쓰시타 고노스케(松下幸之助)는 오늘날의 전기자전거 모델들과 매우 흡사한 전기자전거를 대중에게 소개했다. 석유 파동으로 인해 자동차에 들어가는 연료들의 가격이 천정부지로 치솟자, 사람들은 다시금 자전거와 전기자전거를 찾기 시작했다. 또한 산악자전거의 등장이 자전거의 이미지를 바꾸는데에 크게 기여함에 따라, 자전거는 더 이상 아이들을 위한 놀잇감이 아니라 사람들이 소유하고 싶어 하는 고급 레저 스포츠 장비의 하나가 된다. 1989년, 진공 청소기의 모터를 본따 개발한 전기자전거용 허브모터에 니켈 카드뮴 배터리로 전력을 공급하는 시스템을 갖춘 산요 전기(Sanyo Electric)의 양산 전기자전거 에나클이 등장하고, 같은 해 독일에서는 독일의 헤라클레스(Hercules)가 일렉트라(Electra) 모델을 시험 주행한다. 일본에서 당시 새롭게 제정된 법에 따르면 전기자전거 모터는 전기자전거사용자가 페달을 밟는 강도에 비례하는 만큼만 동력을 지원할 수 있었다. 이에 따라 일본에서는 전기자전거 사용자가 페달을 직접 돌리는 경우에만 전기 구동계가 동력을 지원해 주는 동력 지원 시스템이 인기를 끌게 되는데, 이 방식은 현재 파스(PAS; Pedel assist system, 페달 어시스트 시스템)으로 불린다. 1994년 독일, 파스 방식의 전기자전거들은 일반 자전거와 동일한 법적 지위를 누리게 된다. 그 후, 아이티지(ITG) 사는 유럽에서 최초로 생산된 페델렉인 요커(Yoker)를 출시한다. 요커는 엠제트 모터사이클(MZ motorcycle)의 공장이었던 생산 시설에서 1982년 페델렉 방식에 관한 특허를 획득한 에곤 겔하르트(Egon Gelhard)의 지원 아래 생산되기 시작했다. 1990년대 후반, 아무런 전기자전거 기반이 없던 중국이 훗날 세계 전기자전거 제조 산업의 리더의 반열에 올려 놓을 정책을 시행하기 시작했다. 당시 중국은 급격한 산업화에 따른 대기오염에 대처하기 위해, 전기자전거 구매시 세제 해택을 제공함으로써 내연기관을 장착한 모터싸이클보다는 전기자전거를 구매하게끔 소비자들을 유도한다. 이 당시 중국에서는 실질적인 사용성과 관계 없이 페달을 장착만 하고 있어도 전기자전거로 인정받을 수 있었기 때문에, 오늘날과 같은 페달 어시스트 시스템에 기반한 정밀한 전기자전거 기술의 개발은 활발히 이루어지지 않았다. 또한 환경 보호를 위한 전기자전거 활성화의 취지와는 맞지 않게, 전기자전거는 납 배터리의 적절한 폐기와 재활용을 위한 기반 시설의 열악함으로 인해 납 폐기물이 자연 환경으로 유출되어 환경 오염을 야기하게 되었다. 2002년, 좀 더 가벼운 경량의 강력한 리튬배터리가 납 배터리를 대체하기 시작한다. 리튬배터리 기술은 전기자전거 시장의 성장과 기술의 개발을 촉진하는 역할을 하였다. 리튬배터리 기술의 적용으로 전기자전거 배터리는 훨씬 더 긴 주행 거리와, 월등히 향상된 안정성을 갖추게 되었다. 리튬배터리는 획기적으로 작아진 크기와 프레임 디자인에 좀 더 눈에 띄지 않고 자연스럽게 통합되는 방식으로 기존 자전거의 형태에 결합될 수 있었다. 리튬배터리는 등장 후 10년이 되지 않는 기간 동안, 동일한 부피와 무게에서 용량이 4배에 가까운 수준까지 향상되게 된다. 2010년대에 들어서면서부터 자전거 시장에 대한 분석들은 전기자전거 부문의 급격한 성장과 전기자전거의 본격적인 대중화를 예측하기 시작하였다. 그리고 2010년, 독일의 세계적인 자동차 부품 및 전장 회사이자 테크놀로지 회사인 로베르트 보쉬(Robert Bosch)는 전기자전거 시스템을 전 세계에 공급하기 시작했고, 2011년 프랑스 노르망디에 위치한 생산 시설 에서는 연간 생산량이 30만 대에 이르게 된다. 그리고 전기자전거의 가능성을 인지한 자동차 회사들이 새로운 트렌드에 합류하기 시작한다. 로베르트 보쉬는 2012년 유럽에서 우수한 파워 툴과 리튬이온배터리 기술을 바탕으로 전기자전거 구동 시스템의 리더로 자리 매김한 이후, 마켓 리더로써의 지위를 꾸준히 지켜오고 있다. 이탈리아에서는 전기자전거의 공유 및 렌탈 시스템이 전기자전거 시장의 활성화와 함께 성장하기 시작하는데, 이탈리아의 자동차 회사 푸조(Peugeot)도 전기자전거 렌탈 서비스를 시작했다. 이로써 전기자전거, 전기스쿠터, 전기자동차들과 같은 친환경 교통수단들을 이탈리아의 로마, 밀란과 같은 대도시에서 대여할 수 있게 되었다.

2012년부터 2016년

초기의 리튬이온배터리들은 안정성이 떨어졌다. 그래서 리튬이온배터리들이 등장한 지 얼마 되지 않았을 당시, 니켈메탈수소배터리(NiMH)가 절충안의 역할을 했다. 안정적인 데다가 수명도 길었으며, 에너지 밀도도 납산 배터리의 3배에 가까웠다. 하지만 최초의 리튬이온배터리보다 훨씬 안정적이고 에너지 밀도가 두 배에 달하는 리튬이온배터리의 등장과 함께 니켈메탈수소배터리는 전기자전거 역사의 뒤안길로 사라지게 되었다. 오늘날의 전기자전거에서는 주로 리튬이온배터리를 찾아볼 수 있다. 전기자전거의 구동계와 관련해서도 많은 변화가 있었다. 특히 중요한 변화는 허브모터에서 미드 드라이브로의 트렌드 전환이다. 유럽과 미국 시장을 중심으로 진행중인 이 트렌드는, 2011년 로베르트 보쉬의 전기자전거 시스템의 출시와 함께 촉발되었다. 허브모터와 컨트롤러를 연결하는 케이블이 노출되어 있지 않아 외관상으로도 깔끔한 데다가, 정밀한 센서 기술을 기반으로 한 강력하고 자연스러운 페달 어시스트에 힘입어 전기자전거 시장의 가파른 성장을 이끌어 갔다. 그리고 얼마 지나지 않아 로베르트 보쉬는 미드 드라이브 시장에서 강력한 경쟁 상대들을 만나게 된다. 2012년, 일본의 자전거 부품 회사 시마노(SHIMANO)가 미드 드라이브 모터를 기반으로 한 전기자전거 시스템을 출시했다. 그리고 오래 전 전기자전거 모터를 개발한 경험이 있던 야마하(Yamaha)는 2014년 기존에 출시했던 전기자전거 모터와는 완전히 다른 모델을 런칭했고, 같은 해 독일의 자동차 부품 제조사 브로제(Brose) 또한 미드 드라이브 모터를 출시한다. 이에 2013년 보쉬는 최대 시속 45Km까지 동력을 지원하는 구동계를 출시하고, 2016년에는 75Nm의 강력한 토크로 전기 산악자전거에 특화된 퍼포먼스 라인 CX를 출시하며 한발짝 앞선 기술로 대처한다. 2016년 유럽 전역에서는 166만 7천 대의 전기자전거가 팔렸는데, 이는 2015년에 비해 22퍼센트나 증가한 수치이다. 유럽에서는 이미 전기자전거가 틈새 시장의 소수 소비자들을 위한 제품이 아닌 하나의 대중적인 이동 수단으로써 인식되고 있다. 특히 로베르트 보쉬의 시장 분석에 따르면 독일, 네덜란드, 덴마크와 같은 자전거 이용률이 높은 국가에서는 앞으로 10년 내에 전기자전거가 자전거 시장에서 차지하는 점유율이 50%에 달할 것이라고 내다보고 있다. 특히 전기 카고바이크가 유럽에서 상업적 및 개인 이동 수단으로써 자리를 잡아가고 있다는 점도 특징이다. 높은 공간 효율성 덕분에 주차 공간의 제약을 벗어날 수 있다는 점과, 친환경적인 이미지를 부각시킬 수 있다는 장점 덕분이다. 또한 전기자전거는 단순한 이동 수단의 용도를 넘어서 라이더의 라이프 스타일을 대변하는 동시에, 라이더가 어떤 사람인가를 대변하는 수단으로도 자리매김했다. 이는 전기자전거가 기능과 디자인 면에서 수준 높은 조화를 이루어 가고 있기 때문에 가능해진 일이다. 그에 따라 오늘날 하이엔드의 전기자전거들은 모터와 배터리 등의 전기 컴포넌트와, 프레임이나 디레일러 등의 기계적 컴포넌트들의 디자인적인 통합이 제품 완성도의 하나의 척도로 자리잡게 되었다.

구성

구동 방식

파스(PAS; Pedel assist system)

스로틀(Throttle)

파스

파스(PAS; Pedel assist system)는 자전거 운전자가 페달을 밟아 바퀴를 돌릴 때만 전기모터가 작동하여 동력을 보조해 주는 페달 어시스트 시스템이다. 사용자가 페달을 굴리면 센서가 이를 감지하여 전기가 보조된다. 페달을 밟지 않을 때는 모터가 작동하지 않는다. 또한 배터리가 방전되어 있어도 일반 자전거처럼 페달을 이용해 운행할 수 있다. 국내 자전거법에 정의된 전기자전거는 파스 방식만 포함되어 있어서 현행법상 스로틀 방식의 전기자전거는 자전거 도로를 통행할 수 없다. 평지와 오르막에 따라서 모터가 자동으로 적당한 힘을 같이 실어주기 때문에, 탑승자는 같은 힘으로 평지와 오르막을 주행할수 있다. 파스 방식은 대부분의 자전거에 적용되어 있으며 유럽은 파스 방식의 전기자전거만 사용할 수 있다. 파스의 종류는 스피드 센서와 토크 센서로 나뉜다. 스피드 센서는 페달을 밟는 힘이나 속도에 관계 없이 설치된 센서 자석이 크랭크가 돌아간다고 인식하기만 하면, 기존에 설정된 파스의 단계별 속도로 모터가 돌아가는 방식이다. 토크 센서는 페달을 밟는 힘을 인식하여 파스 단계에 따라 모터의 도움 정도를 조절하는 방식이다. 예를 들어 스피드 센서는 파스 1단계 15km/h, 2단계 20km/h, 3단계 25km/h 등 파스 단계에 따라 컨트롤러에 설정된 속도대로 모터가 돌아간다. 토크 센서는 파스 1단계시, 밟는 힘에 +50%의 모터 도움, 2단계시 100% 도움, 3단계시 150% 도움 등 파스 단계별 모터의 도움량을 조절할 수 있다. 페달을 돌리는 힘과 상관없이 속도에 따라서 출력이 바뀌는 스피드 센서보다 라이더가 페달을 밟는 힘을 감지해서 작동하는 토크 센서가 훨씬 자연스럽고 정교한 방식이며, 두 가지 센서가 모두 달린 전기자전거도 있다.

스로틀

스로틀(Throttle) 방식은 핸들에 달린 레버를 당기면 전기모터가 구동되는 방식이다. 사람이 전혀 힘을 들이지 않아도 자전거를 기동할 수 있다. 대부분의 생산 제품은 파스 방식과 병행하여 장착된다. 일부 제품은 버튼을 눌러 파스 방식과 스로틀 방식을 변환할 수 있어, 원하는 모드를 선택할 수 있다. 페달을 굴리지 않아서 편해서 스로틀 기능을 선호하는 사람들도 많다. 국내에서는 자전거법이 늦게 개정이 되면서, 파스 방식과 스로틀 방식의 전기자전거가 같이 출시되고 있는 상황이다. 법 개정에 따라 스로틀 방식도 자전거 도로를 이용할 수 있게 돼 앞으로는 스로틀 파스 겸용 방식이 주목받을 것으로 보인다.

모터 구동 방식

중앙구동

중앙구동 방식(Mid drive/Center drive)은 고급 제품과 산악용에서 많이 쓰인다. 페달 자체를 회전시키는 방식으로 자전거 기어를 조작함에 따라 다이나믹한 주행을 할 수 있다. 중앙구동 방식은 휠 및 타이어의 정비 편의성이 좋다. 구동계를 크랭크 쪽 외에는 건드리지 않았기 때문에 정비가 편리하다. 또한 동력 손실이 적어 등판 능력이 좋고 모터에 무리가 가지 않는다. 하지만 중앙에 모터 모양의 외형이 그대로 드러난다는 단점이 있다. 그리고 바퀴가 회전하는 것을 통해 동력을 전달해야 하기에 기어 변속을 신경 써야 한다. 생산 브랜드로는 로베르트 보쉬와 시마노, 야마하 등이 있다. 중국에서는 바팡(Bafang)이 제일 우수하고 가성비 높은 제품을 생산하고 있다.

허브모터

허브모터 방식은 모터를 바퀴 안에 위치시켜 바퀴 자체를 구동하는 방식이다. 예전에는 크기도 크고 무게도 상당했지만 점점 경량화되어 많은 전기자전거에 쓰이는 모터이다. 허브모터도 기어가 내장된 기어드 모터등이 출시되어 언덕이나 토크를 많이 받는 지형에서도 편리하게 사용될 수 있도록 개선되어 가고 있다. 전륜방식은 케이블을 단순하게 정리할 수 있다는 장점이 있어 초기 전기자전거나 개조킷에서 흔히 볼 수 있었다. 하지만 자전거는 무게 중심이 뒤에 있다 보니 가속시 앞바퀴가 헛돌기 쉽고, 조향할 때의 위험성 등의 문제로 점점 보이지 않는 추세이다. 반면 후륜방식은 손쉽게 고출력의 모델을 만들 수 있고 비교적 정돈된 외형상의 장점이 있으나, 무게 중심이 뒤쪽으로 가게 되고 뒷바퀴 분리가 힘들어 펑크 수리 등의 어려움이 있다. 하지만 단점이 적어 일반 전기자전거에 가장 많이 쓰이는 방식이다. 듀얼 허브모터는 거의 쓰이지 않는다. 파워가 강하지만 무게의 증가가 많고, 자동차의 사륜구동처럼 평지에서 손실이 크기 때문이다.

참고자료

• 〈전기자전거〉, 《나무위키》
• 클라크, 〈전기자전거 허브모터 vs 중앙구동모터 비교〉, 《네이버 블로그》, 2015-05-15
• 코코바이크, 〈전기자전거 PAS? 스로틀? 자전거도로 이용가능할까?〉, 《네이버 블로그》, 2018-02-09
• Riese und Muller, 〈전기 자전거의 간략한 역사 1/3부, 1860~1952.〉, 《네이버 포스트》, 2018-05-25
• 리콘바이크, 〈전기자전거 (전동자전거)란 어떤것인가? 1편〉, 《네이버 블로그》, 2018-05-31
• Riese und Muller, 〈전기 자전거의 간략한 역사 2/3〉, 《네이버 포스트》, 2018-06-23
• Riese und Muller, 〈전기자전거의 간략한 역사(3/3)〉, 《네이버 포스트》, 2018-06-23
• 고통아닌교통, 〈전기자전거에서 PAS 방식과 Throttle 방식〉, 《티스토리》, 2018-09-04
• 〈전기자전거에 대한 고정관념을 완벽히 깨다! 2019년 새로운 삼천리 전기자전거〉, 《삼천리자전거》, 2019-02-14
• 이광영 기자, 〈‘포스트 코로나 시대’ 전기자전거 똑똑하게 고르는 법 3가지〉, 《IT조선》, 2020-06-12

같이 보기

• 자전거
• 전동킥보드
• 퍼스널 모빌리티

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