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[오토저널] 전기차용 타이어의 요구 특성과 타이어 산업의 전략

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글 : 오토저널(ksae@ksae.org)
승인 2017-11-09 14:50:58

본문

CO2 배출량 감소와 친환경 자동차산업 활성화


기존의 화석연료 의존형 운송수단인 내연기관을 전기에너 지를 사용하는 전기차로의 전환은 온실가스인 CO2 배출량 을 대폭 감소시켜 인류의 환경 개선에 크게 기여할 뿐만 아니라, 고갈되어 가는 화석연료로부터 인류가 보다 자유로워지는 것으로 인류사적으로 볼때 주 에너지원의 변화라는 큰 의미를 부여할 수 있다.


특히 석유 부존자원이 거의 없는 우리나라로서는 전기차 보급의 활성화는 간절한 생존 전략이 되어야 한다. 값비싼 석유 기반연료에 의존하는 차량 중심의 수송 체계에서 전기차 수송체계로의 전환은 삶의 질 향상이라는 관점에서도 매우 유용한 환경 개선 수단이다. 수송 부문에서 가장 높은 석 유 소비와 CO2 가스를 배출하는 미국과 유럽을 비롯한 전 세계 각국에서는 CO2 배출량을 규제하기 위하여 국가별로 CO2 배출 할당량을 정해놓고 관리하고 있는 실정이다. 현재의 내연기관과 비교하여 볼 때 차량의 구동에 필요한 에너지를 전기에 의존하는 전기차는 다음과 같은 특징을 가지고 있다.


첫째, 기존의 내연기관 차량은 화석연료를 이용한 내연기관의 핵심인 엔진 실린더 내부의 Gas 팽창을 이용하여 구동력을 발생시키나, 전기차는 전기에너지에 의존한 모터 구동으로 차량을 주행한다. 둘째, 차량 구조의 많은 부분을 차지하는 내연기관과 연료 시스템이 없는 전기차는 부품 수의 대폭 축소와 또한 모터 구동으로 인한 차량 소음을 크게 감소시킬 수 있는 특징을 가지고 있다. 셋째, 지금은 1회 충전으로 가능한 주행 거리가 200km 이상으로 늘어났으나, 초기에는 1회 충전시 주행거리가 100km도 채 되지 않아, 충전 인프라 수의 부족과 1회 충전 주행거리 확보가 전기차 확산에 큰 걸림돌이 되기도 하였다.


BENZ, BMW 그리고 한국의 HKMC와 같은 기존 자동차 산업 군과 전기차 시대에 새롭게 등장 또는 성장한 테슬라와 중국의 BYD(Build Your Dreams) 자동차와 같은 전기차 기반의 자동차 산업 군이 전기차 시장을 놓고 각축을 벌이고 있다.


<그림 1>에 소개된 차량들은 현재 판매되고 있거나 향후 출시 예정인 대표적인 전기차 모델로, 기존 전기차 모델에 비하여 1회 충전 주행거리가 대폭 늘어나 초기에 100km도 미치지 못하던 수준이 최근에는 200km를 초과하고 향후 출시 예정 차량은 500km 수준으로 예상하고 있다.


뿐만 아니라 가격 측면에서도 각국 정부의 보조금을 고려하면 기존 내연기관 자동차에 비하여 결코 부담스런 수준이 아니다. 이제 남은 것은 충전 인프라의 확충으로 이것 또한 결코 어려운 문제가 아니고 전기차 보급량의 증가에 따라 자연스럽게 해결될 문제다. 전국의 충전소 수는 급속하게 증가하여 전기차 천국인 제주도의 275개를 포함하여 1,500여개에 이르고 있다.


다만 전기차가 대중화되면 차량 보조금도 축소되어 차량 가격이 상승할 것으로 일견 예상되나, 이 또한 기존 내연기관에 비하여 부품수가 대폭 축소되고 제조공정이 단순화된 전기차는 향후 대량 생산에 따른 제조 원가도 자연스레 감소될 것이다.

 

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전기차 테슬라의 약진

 

2017년 4월 자동차 산업에 있어 센세이션한 사건 아닌 사건이 발생했다(물론 어느 정도 예상된 일이었지만…). 114년 원조 자동차 회사인 Ford의 주가 총액을 14년된 테슬라가 이를 추월한 것이다. 1사분기 약 2.5만대 판매에 불과한 테슬라의 주가 총액이 수십만 대를 생산하는 Ford를 추월하였고 일주일도 채 안돼 GM마저 추월하고 미국 자동차 산업의 주가 총액 1위가 되었다. 현재 테슬라의 주가 총액을 앞서는 자동차 업체는 도요타를 포함하여 다섯 개 자동차 업체에 불과하다. 올해 9.5억 달러 적자가 예상되는 테슬라의 주가 총액이 90억, 63억 달러 매출 이익이 기대되는 GM과 Ford의 주가 총액보다 많다는 것은 일견 테슬라 주가에 지나친 버블이 끼었다고 생각할 수도 있다. 하지만 투자자는 현재의 회사 가치가 아니라 테슬라 CEO인 일론 머스크의 미래 비전에 투자를 한 것이다. 미국 자동차 산업에서 테슬라의 주가 총액이 1위를 차지한 일이 어찌 보면 전기차의 미래를 대변하는 것이 아닌가? 하는 생각이 든다.

 

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올해 1사분기 판매량이 2.5만대에 불과한 테슬라가 올 7월 양산, 9월 소비자 인도 예정인 테슬라 모델 3의 사전 예약이 40만대(2017년 4월 11일 기준)에 이를 정도로 믿을 수 없는 발전 속도를 감안하면 미국의 자동차 주가 총액 1위를 차지하는 것도 이상하지 않을 것 같다. 모델 3의 주행거리는 1회 충전시 약 350km에 차량 가격도4,000만원대 수준이고, 한국 시장에서는 관세와 정부 보조금과 차량 연비를 고려하면 모델3에 대한 구매 욕구를 충분히 자극할만하다.

 

 

전기차의 종류와 특성


내연기관 자동차(Internal Combustion Engine Vehicle, ICEV로 칭함)에서 전기차로의 패러다임 전환 과정에서 초기에는 차량 구동에 필요한 동력을 확보하기 위하여 내연기관과 전기 모터를 동시에 이용하는 Hybrid 전기차(HEV)가 선을 보였다. 복합(Hybrid) 또는 잡종이라는 어원을 포함한 Hybrid 전기 자동차(HEV)는 기존의 내연기관과 전기 모터를 동시에 갖고 있고, 이를 동력원으로 하여 작동하는 일종의 전기 자동차로 순수 전기자동차(Electric Vehicle, EV로 칭함)와는 구분된다. 엔진 구동시 배터리를 충전시킴으로써 별도의 배터리 충전이 필요하지 않다. 저속 주행시는 주로 전기 모터 단독으로 차량을 구동시키고, 고속 주행시는 내연기관을 보조하여 구동력을 확보하는 방식이다.

 

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자동차에서 전기를 이용하는 장점을 최대한 활용하기 위해서는 소비자가 전기차를 쉽게 구매할 수 있어야 하고 또한 쉽게 자동차를 충전시킬 수 있어야 한다. 일반적으로 그리드지원 자동차 시스템은 순수 전기자동차(EV) 또는 플러그인 하이브리드 전기자동차(PHEV) 중 하나를 가리킨다. 순수 전기자동차와 플러그인 하이브리드 자동차 모두 그리드에서 나온 에너지를 내장 배터리에 저장하고, 배터리의 에너지가 자동차를 추진하는 고효율 전기 모터의 동력이 된다. 순수 전기자동차는 기존의 모든 내연기관 구동장치 부품을 전기 구동장치로 대체하고, 플러그인 하이브리드 자동차는 배터리를 보완하는 소형 내연기관을 그대로 보유한다.


순수 전기자동차와 플러그인 하이브리드 전기자동차 모두 기존 자동차에 비해 뚜렷한 두 가지 장점이 있다. 첫째, 전기자동차는 휘발유 자동차보다 운용비용이 더 저렴하다. 전기 모터는 전기 에너지의 90%를 기계 에너지로 전환할 수 있어 연비가 훨씬 높기 때문이다. 이에 반하여, 오늘날 가장 효율적인 내연(IC, Internal Combustion) 기관의 연비도 25~27%밖에 되지 않는다. 둘째, 전기자동차는 휘발유 자동차보다 깨끗하다. 즉 전기자동차는 휘발유 자동차보다 적은 양의 CO2를 배출한다. 재생에너지로 생산하는 전력량이 늘 어나고 신 원자력이 가동된다는 점에서 전력 부문의 탄소배출 형태는 시간이 지날수록 지속적으로 개선되어 그리드지원 전기자동차의 탄소 배출 감축 혜택을 직접적으로 증진시킬 수 있을 것이다.

 


전기차용 Tire Concept과 회전 저항 (RR)


전기차용 타이어에 대한 요구 성능은 무엇일까? 초기 전기차의 경우 배터리 용량의 한계로 1회 충전시 주행거리가 100Km에 미달하였고, 친환경이라는 시장 요구 조건에 따라서 저연비 성능 즉 타이어의 회전 저항이 적은(Low Rolling Resistance, 이후 LRR로 명칭함) 특성이 가장 중요하게 되었다. 그렇다면 타이어의 LRR 성능을 결정하는 요소는 무엇일까? 실제 타이어의 LRR 특성을 결정하는 주요 인자는 <그림 8>에 표현되어 있는 것처럼 회전하는 타이어 표면에서 공기 저항으로 인한 공기저항(Aerodynamic drag)과 그리고 노면과 타이어 표면에서의 부분 미끄러짐 현상과 점탄성체로 구성되어 있는 타이어 특성으로 인한 주행시 반복 변형과 이로 인한 에너지 손실 등으로 설명할 수 있을 것이다.

 

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일반적으로 노면과 접촉하여 반복 변형이 발생하는 트레드 부의 에너지 손실(Hysteresis)이 65~70%, 타이어 측면부인 사이드와 비드부의 에너지 손실이 15~20% 그리고 타이어 회전시의 공기 정항과 노면에서의 미끄러짐(Slippage) 현상으로 인한 손실이 15% 미만으로 알려져 있다. 따라서 타이어 업체에서는 타이어 회전 저항에 대한 기여도가 가장 큰 트레드부의 에너지 손실을 줄이려는 노력을 기울이고 있다.

 

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<그림 9>와 같이 탄성만 갖고 있는 금속으로 제작된 바퀴를 이용하여 화물을 수송하는 경우, 노면과 접촉하고 있는 타이어 트레드 부위(점선 부분)의 변형이 전혀 발생하지 않게 된다. 따라서 노면과 회전하는 금속 바퀴 사이에는 변형으로 인한 에너지 손실이 전혀 없을 것이다. 물론 노면은 전혀 변형이 없는 고체로 가정한 것이다.


반면에 점탄성 특성을 갖는 고무로 만들어진 타이어는 <그림 10>과 같이 노면과 접촉하는 Contact Patch에서 타이어 회전시 Bending, Compression, Shear에 의한변형이 발생하고 이로 인한 타이어 고무 내부 입자들의 Internal Friction이 발생하고 이것이 에너지 손실(Hysteresis)을 유발하게 된다.

 

 

Narrow & Tall 타이어의 소개


<표 1>의 좌측에 표현한 그림(전기차 타이어)은 대표적 전기차인 BMW i3 차량에 사용되는 타이어로 규격은 155/70R19”이다. 이 타이어와 <표 1>의 우측에 표현한 기존 일반 규격(225/55R17)과 비교하면 폭과 높이에서 특이한 형태를 가지고 있다. 22.5cm 폭의 일반 타이어에 비하여 전기차는 15.5cm의 좁은 폭을 사용하고 뿐만 아니라, 일반 타이어의 17inch 높이에 비하여 높이가 훨씬 높은 19inch 림을 사용하는 타이어 규격이다.

 

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왜 전기차에는 폭이 좁고 키가 큰 타이어를 사용하는 걸까? 물론 차량의 Concept과 요구 특성에 따라 일반 규격의 타이어를 사용할 수도 있다. 전기차에서 요구하는 저연비 타이어에 가장 충실한 타이어가 BMW i3에 사용되는 Narrow & Tall 타이어이다.


타이어의 LRR 성능을 결정하는 주요 인자는 앞에서 언급한 것처럼 회전하는 타이어의 공기저항과 노면과 접촉하는 타이어 트레드 표면에서의 반복 변형으로 인한 에너지 손실이다. 첫째, 공기 저항을 줄이기 위해서는 주행하는 차량 타이어의 Frontal area를 줄이는 것이다. 따라서 타이어 폭이 좁을수록 공기 저항과 관련 있는 Frontal area가 줄어들어 RR 값이 감소하게 된다. 둘째 반복 변형으로 인한 에너지 손실을 줄이기 위해서는 타이어 변형량을 줄이거나 Hysteresis로 인한 에너지 손실이 적은 고무를 사용하는 것이다. 여기서 너무 복잡한 기술적 요소를 포함한 고무 특성은 배제하고, 타이어 변형량 감소만 언급하기로 한다. 일반 규격의 타이어에 비하여 폭이 좁고 키가 큰 Narrow & Tall 타이어는 동일 하중량에서 변형량이 훨씬 적으므로 저연비 타이어 관점에서 에너지 손실을 최소화 시킬 수 있는 타이어 형상이라 할 수 있다. 뿐만아니라 Narrow & Tall 타이어는 범용 규격에 비하여 일반적으로 높은 공기압을 사용하여 타이어 수직 강성을 크게 하여 사용한다 이는 수직 강성의 증가로 변형량을 감소시켜 에너지 손실을 줄이기 위한 노력이다. 따라서 동일 종류의 트레드 고무를 사용하는 경우 Narrow & Tall 형상의 타이어 사용은 에너지 손실(Hysteresis 감소)의 최소화에 매우 효율적인 방식으로 생각된다.

 

글 / 오염락 (한국타이어)
출처 / 오토저널 17년 6월호 (http://www.ksae.org) 
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