[자동차 지식] 전기차에 대해 알아봅시다!!(내연기관차와 비교,디자인,성능,원리 등)

안녕하세요 오늘은 현대인이라면 누구나 관심을 가지고 지켜보고 있는 전기차에 대해서 한번 다뤄보려고 합니다! 사실 지금도 전기차를 사용하는 인구가 그렇게 많지는 않지만 그 관심도 만큼은 어느때보다 높다고 보여지는데요. 우리들의 일상에 조만간 큰 비중을 차지할 것이라고 예상되는 전기차의 장단점과 과연 내연기관 차량과는 어떤 차이점들이 있는지 한번 알아보도록 하겠습니다. 관심있는 분들은 한번정도 참고하시면 좋을 듯 합니다!

 

출처 : 연합뉴스(매일경제 기사)

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1. 기본적인 메커니즘 원리 측면(출처 : 현대자동차그룹 홈페이지)

전기차는 배터리에 저장된 전력으로 모터를 회전하여 주행한다는 것이 가장 큰 특징입니다. 화석 연료를 연소 시켜 구동 에너지를 얻는 내연기관차와 가장 큰 차이점이죠. 따라서 전기차에는 기존 자동차에서 가장 중요한 요소였던 엔진과 변속기가 없습니다. 대신, 전기 동력과 관련된 부품이 자리를 잡고 있습니다. 구동모터, 감속기, 배터리, 온보드차저, 통합전력제어장치 등이 바로 그것입니다. 모두 배터리의 전력으로 모터를 구동하기 위한 부품입니다.

 

그 중에서도 배터리라는 부품 요소가 특히나 더 관심을 많이 받고 있습니다.

배터리는 전기 에너지를 저장하는 부품으로, 내연기관차의 연료탱크에 해당합니다. 전기차의 주행거리는 보통 배터리 용량에 따라 좌우됩니다. 배터리 용량이 클수록 주행거리도 늘어나는 것이죠. 그러나 배터리 용량을 키우는 일은 그리 간단하지 않습니다. 배터리가 차지하는 부피와 무게 때문입니다. 큰 배터리를 얹으면 실내 공간 및 짐 공간이 줄어들고, 에너지 효율이 떨어집니다. 운동성능에도 부정적인 영향을 미치죠. 따라서 전기차의 주행거리를 효율적으로 늘리기 위해서는 배터리의 에너지 밀도를 높여야 합니다. 크기가 작고 가벼우면서 전기 에너지를 최대한 효율적으로 저장해야 하는 것입니다. 주행가능 거리가 길수록 충전 횟수가 줄어들어서 전기차 생활이 한층 더 편리해집니다.

최근 출시된 전기차는 배터리 기술 발전에 따라 에너지 밀도가 크게 높아졌습니다. 덕분에 1회 충전 주행거리도 초기 전기차보다 크게 늘었습니다. 기아자동차 쏘울 부스터 EV의 경우 64kWh 용량의 리튬이온 배터리를 탑재해 최대 386km를 달릴 수 있습니다(국내 인증 기준). 배터리 수명도 크게 개선됐습니다. 전기차의 리튬이온 배터리는 충전 패턴에 따라 수명이 달라지는데, 일상적인 사용 조건이라면 폐차할 때까지 배터리 내구성에 대한 걱정 없이 운행할 수 있습니다. 통상적으로 배터리 전력을 100% 방전될 때까지 주행하고 다시 충전하는 경우라면 1,000회, 배터리 전력 50%를 사용하고 다시 충전하는 경우라면 5,000회, 전력 20%를 사용하고 다시 충전하는 경우라면 8,000회까지 배터리 사용이 가능합니다. 따라서 쏘울 부스터 EV를 하루에 약 77km(전력 20% 사용 시)를 운행한다고 가정하면 8,000일(약 22년) 동안 배터리 교체 걱정 없이 차량을 사용할 수 있는 것입니다.

쏘울 부스터 EV는 64kWh 용량의 리튬이온 배터리를 탑재해 최대 386km를 달릴 수 있다고 합니다.

 

 

3. 전기차의 운행 원리 측면

 

흔히들 말하는 토크의 전달방식이 기존의 내연기관 차의 엔진과 전기차의 모터는 완전히 다릅니다. 내연기관차는 엑셀을 밟았을 때 서서히 최대토크에 도달하지만 전기차의 엑셀은 선풍기의 스위치와 다름없기 때문에 곧바로 최대토크에 도달한합니다. 따러서 처음 전기차를 타는 사람들이 내연기관차와 이질감을 느끼는 가장 큰 이유가 바로 여기에 있습니다. 속도가 나고 있음에도 내부에서도 외부에서 소음이 잘 나지 않아서 놀랐다는 얘기를 하는 분들을 많이 보셨을 겁니다.

 

 

3. 배터리와 연료 효율 측면

전기차와 내연기관차 모두 연료효율이 존재한다. 그러나 충전인프라가 부족한 국내 여건 상 전기차의 효율이 더 중요하게 작용한다. 장거리 운행시 충전된 전기가 어느 순간 떨어졌을 때 인근에 충전소가 없을 가능성도 배제할 수 없기 때문입니다.이를 위해 전기차는 내연기관차보다 경량화에 신경쓸 수 밖에 없다고 하네요. BMW i3의 경우 일반 강철 소재 대신 가벼우면서도 안전성을 확보한 탄소섬유, 복합플라스틱, 알루미늄 합금 등을 활용해 경량화에 성공했다고하니 점점 더 경량화 추세로 발전되 나갈 듯 합니다.그렇다고 배터리 용량을 무조건적으로 키울 수 없는 것도 바로 경량화 때문이다. 용량이 클수록 배터리가 차지하는 무게가 많아지기 때문에 주행가능거리와 경량화의 접점을 찾아내야 하는 것이 과제인 것이죠. 공조시스템도 전기차 효율에 밀접한 영향을 미치는 대표적인 요소 중 하나인데, 내연기관차의 경우 엔진과 별도로 배터리를 활용하기 때문에 공조시스템이 연비에 막대한 영향을 주지 않는다고 합니다. 그러나 전기차는 구동과 공조 모두 배터리에서 전력을 공급받고 있습니다. 전기차 운전 유경험자라면 에어컨을 작동하자마자 계기판 위의 주행가능거리가 대폭 줄어드는 것을 확인해봤을 것입니다. 때문에 전기차는 내연기관과는 전혀 다른 설계의 공조시스템을 장착해야 효율을 높일 수 있고, 주로 공조시스템 전용의 축전지를 장착하는 방식 등이 그것이라고 합니다.

또 최대한 주행가능거리를 늘리기 위해 전기차는 제동이나 감속 시 운동에너지를 전기에너지로 바꿔 배터리에 저장하는 에너지 회생 기술을 사용하고 있습니다.

 

4. 배터리 충전 측면

전기차와 내연기관차는 사용연료가 다르고, 때문에 연료를 저장하는 공간 역시 차이를 보입니다. 일반 내연기관차는 연료탱크에 기름을 저장하는 방식이지만 전기차는 배터리에 전기를 충전해 저장하는 방식입니다.

이때 배터리는 전기차의 크기와 성격에 따라 용량과 효율이 제각각이고, 배터리 용량은 주로 kWh로 표현되는데, 이는 시간(h)당 얼마만큼(kW)의 전기를 저장할 수 있는 가를 나타냅니다. 이 숫자가 클수록 더 많은 양의 전기를 담을 수 있으며 이는 전기차의 주행가능거리와 직결된다고 하니 잘 보셔야 할 것 같습니다.

충전에 걸리는 시간도 무시할 수 없는데, 전기차는 필연적으로 일반 내연기관차보다 연료를 보충하는 데 시간이 오래걸리기 마련입니다. 때문에 최근에는 고압의 전류를 사용해 고속충전을 하는 기술이 도입되고 있고, 테슬라의 경우는 전기차 무선충전 기술을 개발 중인 것으로 알려져있습니다.

 

5. 디자인과 차량의 종류 측면(출처: 비하인드 뉴스 https://autopostkorea.com/95459/)

 

처음 딱 전기차를 보게되면 전기차 만의 고유한 모양이 있는 것을 알 수 있습니다. 특히나 내연기관차와는 다른 디자인과 모양이 처음에는 이질적으로 다가오기도 하는데요! 그러한 이유가 있다고 합니다. 바로 공기저항계수 입니다. 특히나 전기차의 배터리 효율은 아직까지 높은 편이 아니기에 더더욱 이러한 측면이 신경을 쓰고 있는거 같습니다.

낮을수록 좋다
그래야 멀리 간다

공기저항계수는 물체의 공기저항을 수치로 표기한 것으로 단위로는 Cd로 표현합니다. 쉽게 설명하면 공기저항계수가 0에 가까울수록 공기저항을 덜 받는 것으로 볼 수 있다. 많은 제조사들이 낮은 공기저항계수에 목숨을 거는 이유는 바로 이론적으로 공기저항계수가 0.01이 낮아질수록 차체 무게가 약 40kg 정도 줄어드는 것과 동일한 효율을 가진다고 합니다.

업계에서는 차량의 배터리양이 같은 경우에 공기저항계수가 낮은 쪽이 더 멀리 간다고 볼 수 있는 것입니다. 그렇기 때문에 많은 제조사들이 고전적인 SUV 모양을 고집하는 쪽보단 크로스오버 형태로 날렵한 디자인과 곡선형 디자인을 사용하는 이유가 바로 공기저항을 낮추기 위한 것으로 볼 수 있습니다.

 

그렇다면 전기차인 경우 공기저항계수가 낮을수록 차가 더 멀리 갈 수 있다는 것을 이해했을 것입니다. 여기서 정확한 비교를 할 수 있는 좋은 예시가 있다. 바로 아이오닉 5와 아이오닉 6로 둘의 최대 배터리 용량은 77.4kWh로 동일하다. 아이오닉 5와 아이오닉 6의 1회 충전 주행 가능 거리는 각각 458km와 524km로 약 66km가 차이 납니다.

같은 배터리 용량인데도 66km라는 차이가 나는 것은 물론 배터리 성능과 차체 무게 등 여러 가지 이유가 있지만, 그중에서도 중점은 바로 공기저항계수라고 볼 수 있습니다. 아이오닉 6의 공기저항계수는 0.21Cd이고 아이오닉 5는 0.288Cd로 아이오닉 6와 0.078이 차이 난다. 기본적으로 공기저항계수가 낮은 게 전기차 효율에 도움이 된다는 이론이 어느 정도 설명됩니다.

 

여기서 궁금한 것은 바로 현재 양산되고 있는 차량 중 가장 낮은 공기저항계수를 가진 차가 어떤 차냐고 생각할 것이다. 현재 양산차 중 가장 낮은 공기저항계수를 가진 차는 벤츠의 EQS가 0.20Cd로 가장 낮다고하니 참고하시기 바랍니다. 

디자인은 활과 동일한 비율을 만들어, 전면과 후면을 길게 만들어 쿠페형 디자인을 유지하면서도 곡선형 디자인을 만들어 낼 수 있었다. 하지만 이런 디자인은 소비자들 사이에서 호불호가 갈리고 있는 상황이다. 일각에서는 “곡선형 디자인은 미래지향적이고 아름답다”라는 반응을 보였지만, 반대 의견으로는 “멍청해 보이고 물방개 같은 모습이 별로인데, 미래 전기차 디자인이 이렇게 퇴화할까봐 걱정이다”라는 말들이 있습니다.