전기차 산업동향최근 각국의 CO2 배출규제, EV 의무 판매제, 내연기관 차량 운행 제한 강화 등에 따라 전동차, 특히 전기차의 수요는 꾸준히 큰 폭으로 확대될 전망이다. 2020년 기준 전세계 전동화 차량의 누적 보급 대수는 2019년 보다 43% 증가하였고, 이 중 순수 전기차(Battery Electric Vehicles, BEV)의 비중은 2/3을 차지했다. 심지어 2020년 코로나 19 확산으로 총 신규 자동차 등록 수가 전년대비 16% 감소한 반면, 신규 차량 중 전기차 비중은 전년대비 70% 증가한 4.6%를 기록하였다.1 향후 20여년 간 신차 시장의 예측들은 조사 기관 마다 다소 상이하나, 전기차 시장의 대폭 성장에 이견은 없어 보인다. FEV consulting에 의하면, 신차 승용 시장은 2040년에 총 128백만대로 추정하며, 이중 전기차는 34%, 내연기관 차량은 55%를 차지하는 것으로 예측하고 있다. 물론 여기서 내연기관 차량은 대부분 HEV 또는 PHEV 등 전동화가 될 것이라는 예측이다.2 이러한 시장 예측은 상당 기간 동안 HEV와 PHEV의 연비향상 및 CO2 등 배출 가스 저감을 위한 노력도 병행될 것이라는 전망도 가능하게 만드는 요소이다.
전기차 개발 동향
전기차 시장의 성장으로 인해 완성차 업체들은 내연기관 차량의 상품성(일 충전 주행거리, 운전 성능 등)을 뛰어 넘어야 하고, 자율 주행 기술 결합등을 통해 높은 이동의 자유도를 실현시켜야 하는 것뿐만 아니라 혁신적인 제조 원가 절감을 통한 시장 확대와 점유율 제고라는 또 다른 과제를 안게 되었다.
이러한 과제를 해결하기 위하여 주요 완성차 업체들은 전기차 전용 / 공용 플랫폼을 개발, 자사 제품군의 전 세그먼트들에 적용하는 전략을 확대 시행 중이다. 기본적으로 이러한 전기차 전용/공용 플랫폼은 배터리 시스템을 차량 하부에 위치시키고 전륜 및 후륜에 구동 시스템을 배치한 형태를 띠며, 비교적 차량 실내 공간을 넓히고 디자인의 자유도를 높이는 특징을 가지고 있다. 차량에 장착되는 주요 전동화 부품인 배터리시스템, 구동시스템 역시 효율 향상, 소형화, 경량화 기술을 바탕으로 단위 부품과 시스템 단위의 모듈화, 공용화를 통한 규모의 경제를 달성하고자 하는 전략을 수립, 시행 중이다.
주요 완성차 업체들의 플랫폼, 공용화, 모듈화 전략이 주는 시사점은 급격하고 빠르게 전개되는 전기차 시장에 대응하기 위해서는 전동화 차량, 부품 시스템 단위의 경쟁력뿐만 아니라 단위 부품의 경쟁력, 심지어는 기초 소재, 재료 기술에 대한 경쟁력 확보가 필수 조건이라는 점이다. 이러한 재료부터 최종 어플케이션 단계까지의 최적화, 모듈화, 공용화가 실현되기 위해서는 완성차-Tier 1-부품 협력사들 간의 기술 개발, 생산, 조달에 대한 생태계가 유기적이고 탄탄하게 구축되어야 한다. 다시 말하여 완성차, Tier 1, 부품 협력사들은 각자의 위치에서 속응성 있는 기술 개발과 생산 체계를 갖추고 완성차의 플랫폼 전략에 정렬될 수 있는 협력 체계 구축이 반드시 수반되어야 함을 의미한다. 참고로 주요 완성차 업체들의 전기차 플랫폼 전략은 <표 1>과 같다.
최근 현대차의 e-GMP 플랫폼의 출시로 그 속도가 한 단계 빨라진 800V 시스템의 시장 확대도 눈에 띠는 동향이다. 기존 400V 시스템 대비, 배터리 급속 충전 시간 단축과 구동시스템의 소형화, 고 효율화에 유리한 800V 시스템의 적용이 2024, 2025년을 기점으로 큰 폭으로 확대될 전망이다.
전동화 부품 개발 동향
전기차의 주요 부품들은 일명 e-PowerTrain 부품이라고 불리는 구동 시스템, 전력변환 시스템, 배터리 시스템들이다. 이 중 구동 시스템은 동력원인 구동모터, 모터의 고 회전을 감속하여 적정 토크로 변화하는 감속기, 배터리로부터 전력을 변환하고 제어하는 인버터로 구성된다. 무엇보다도 구동 시스템은 차량 동력 성능, 에너지 효율을 좌우하는 부품으로 고 효율화, 경량화, 일체화가 주요 기술 개발 트랜드이다. 최근 전기차의 정숙성이 요구되는 구동시스템의 NVH 성능 또한 매우 중요한 성능 지표로 부각되고 있다.
최근 구동모터, 감속기, 인버터 일체형의 구동 시스템이 시장의 주류를 형성하고 있으며, 일체화에 따른 냉각, 기구 강성 설계, 그리고 품질 관리 능력 또한 시스템 경쟁력을 좌우하는 요소가 되고 있다. 그리고 무엇보다 효과적인 대량 양산 체계를 구축하기 위한 생산 기술의 중요성도 강조된다. 이를 요약하면 고 효율화를 위한 모터, 감속기, 패키지 개발 역량, 단위 서브 부품의 안정적 공급을 위한 생산 및 품질 관리 능력, 전기강판, 코일, 파워모듈등의 소재 개발 역량 등 전기차 사업 주체들의 역량이 유기적으로 융합되어야 그 목표 실현이 가능하다. <그림 2>는 현대모비스의 통합된 구동시스템이다.
전력변환 시스템 부품 중에는 차량 외부의 교류 전원을 이용하여 차량 배터리에 충전하는 탑재형 완속 충전기(OBC, On Board Charger), 고전압 배터리에 저장된 직류를 12V계의 전장 부하에 전력을 공급하기 위한 DC-DC컨버터가 있다. 최근 전기차는 이 두가지 전력변환 부품을 일체형으로 구현, 적용되는 추세이다.
기존에는 차량 외부 교류 전원에서 배터리 직류 전원으로 단방향 변환이 주된 요구사항이었으나, 최근 고전압 배터리에 저장된 직류 전원을 차량 외부의 부하에 공급하거나 전력 계통망에 연계, 전력을 공급하는 기능의 요구(V2X : V2L,V2G)가 점차 커지고 있다. 이러한 요구에 부합하기 위해서 탑재형 완속 충전기에 양방향 전력 변환 기술 적용이 반드시 필요하게 된다.
그리고 대용량화 되는 배터리시스템의 충전 시간 단축을 위하여 최근 탑재형 완속 충전기의 충전 출력은 11kW 또는 22kW가 시장의 대세가 되고 있다. 이러한 시장의 요구를 대응하기 위해서는 효과적인 전력회로 구성, 고속 스위칭을 위한 Wide Band Gap 파워 소자, 플래너 타입 변압기 등 전력전자, 소자, 소재 기술의 뒷받침이 반드시 수반되어야 한다. 더욱이 충전 인프라 구축과 함께 V2G 관련 정부의 법규 및 인증 등의 절차도 병행되어야 한다.
배터리시스템은 전기 에너지를 충전, 방전하는 셀, 모듈, 팩과 이를 충방전 제어하고 각종 모니터링을 수행하는 배터리 관리 시스템(BMS, Battery Management System)으로 구성된다. 배터리 셀에 대한 기술 동향 및 전망은 본 기고문에서 따로 언급하지는 않겠다.
배터리시스템은 일 충전 주행거리 증대, 경량화를 위해 고 에너지 밀도 실현이 반드시 이루어져야 한다. 그리고, 이와 더불어 열폭주, 진동, 충격에 대한 강건성 확보 또한 매우 중요한 과제이다. 특히 단위 셀의 열 폭주 발생시 다른 셀로 전이되는 현상을 최대한 방지하고, 전이 시간을 최대한 지연시키기 위해서 난연, 내열 소재 기술, 고효율 냉각 기술, 강건한 패키지 설계 기술 개발이 반드시 필요하다. 또한 배터리 셀의 상태를 정밀하고 정확하며, 예측이 가능한 모니터링 알고리즘의 확보도 매우 중요하다.
본 고를 통하여 전기차 및 전동화 부품 개발 동향을 두서 없이 아주 간략한 키워드 위주로 서술하였다. 본 고에서 언급된 모든 항목들이 별도의 셰션이나 글을 통해서 다루어도 모자람이 없는 주제와 사안들로 생각된다. 가장 중요한 시사점은 현재, 그리고 향후 다가올 전기차/전동화 시장은 완성차만의, Tier1만의, 부품 협력사들만의 역량과 능력으로 대응하기에는 이미 너무 큰 흐름을 타고 있다는 점이며, 연구기관, 학교들까지 포함한 기술과 제품 위주의 생태계 구성을 통한 전 벨류체인 구도로 준비하고 대응해야 한다는 점이다. 다시 말하면 기술의 발전 속도와 자동차 시장의 빠른 전환 속도를 고려하여, 자동차 산업 관련사들과 학계, 연구소들의 유기적인 협력체계 구축에 더 많은 관심과 협조가 반드시 필요하다.
글 / 이영국 (현대모비스)
출처 / 오토저널 2022년 8월호
<참고문헌>
1. 김수린, 김창훈, IEA의 세계 전기차 시장 현황보고 및 전망, 세계 에너지 시장 인사이트, Vol.21, No.14, 2021. 7. 12.
2. FEV Consulting, SPECTRUM, FEV Customer Magazine, Issue 73, p.18, 2021.
3. 현대자동차, E-GMP를 소개합니다 , https://www.hyundai.com/worldwide/ko/brand/e-gmp-revolution, 2022.
4. 폭스바겐코리아, SSP:차세대 메카트로닉스 플랫폼, https://www.vwgk.co.kr/group/strategy/mechatronics, 2022.
5. GM, GM BEV3 Vehicle Platform, https://gmauthority.com/blog/gm/gm-platforms/bev3/, 2022.
6. STELLANTIS, EV DAY 2021, https://www.stellantis.com/en/investors/events/ev-day-2021#:~:text=July%208%2C%202021%20-%20
Stellantis%20EV, Day%202021%20Stellantis%20Presents%20Its%20Electrification%20Strategy, 2022.
7. Bloomberg, Mercedes Accelerates Electric Shift With $47 Billion Push, https://www.bloomberg.com/news/articles/2021-07-22/
mercedes-vows-to-be-ready-for-car-markets-going-electric-only?sref=ue2KMaj7, 2021.
