농업용 전기차 관련 국내 기술 보유 기업들

전기차는 일반적으로 내연기관 자동차에 비해 10% 수준의 약 3,000여개의 부품 개수를 가진다고 한다. 하지만 가장 중요한 핵심 요소는 배터리와 모터이며 그들을 관리하고 제어하는 인버터/컨버터 모듈과 배터리 관리 시스템(BMS, Battery Management System)도 중요한 핵심 요소이다. 국내의 전기차 기술 수준은 전반적으로 선진국 대비 다소 격차는 존재하지만 큰 기술적 차이는 보이지 않는 수준이라고 한다. 하지만 상대적으로 배터리 관련, 특히 리튬이온 배터리 관련 기술은 세계적인 수준으로 평가 받고 있다. 국내 전기차 기술 관련 기업들은 완성차를 만드는 기업들과 특정 부품을 만드는 기업들로 나뉘어 진다.

 

우리나라의 전기차 배터리 기술은 세계적인 수준으로 평가 받고 있다. LG화학, 삼성 SDI, SK이노베이션 등이 시장을 선도적으로 주도하고 있으며 작년 한해 동안 원통형/각형/파우치형 등 소형전지 위주의 리튬이온 배터리 시장에서는 총 12억셀 정도를 생산하였으며, 리튬이온 전기차 전용 배터리는 총 1200MWh의 배터리를 생산하였다. 하지만 지속적인 투자와 설비 시설의 확장으로 2018년 정도에는 그동안 열세였던 일본과 중국을 추월해 8,100MWh 정도의 전기차 전용 배터리 생산이 가능할 것으로 예상되고 있다. 하지만 한국과 일본의 전지산업 공동화 현상에 대한 우려도 존재하고 있다. 그간 비용 절감과 거대시장 접근성을 위해 중국으로 생산기지를 옮김에 따라 오히려 자국 내 생산 경쟁력은 쇠퇴할 수 있다는 분석이다. 이미 중국에 합적법인 형태로 생산거점을 확보한 상태에서 기술 유출에 대한 우려와 전문인력의 유출, 취업 불안 등의 장기적인 악재들도 존재하고 있다.

 

BMS 분야에서는 케피코(Kefico), 파워로직스(PowerLogics), 넥스콘테크놀로지(Nexcon Technology), 이렌텍(Elentec), 레오모터스(Leo Motors) 등이 생산 및 개발에 참여하고 있다. 파워로직스는 전기자전거용을 시작으로 전기차용 BMS를 생산하고 있으며 삼성 SDI와 LG화학 등에 제품을 공급하고 있다. 레오모터스는 리튬폴리모 배터리와 BMS 분야에서 월등한 기술력을 바탕으로 전기차 사업을 주도하고 있는 업체이다. 일본 자동차 부품 상사인 글로벌커머스와 함께 중고 버스를 전기차로 바꾸는 개조 키트를 일본 시장에 수출하기도 하였으며 현대차의 24인승 버스를 고속 전기차로 개조해 시속 110km/h의 속도로 도로주행 시험에 성공하기도 하였다. 케피코는 현대/기아차의 자회사로 모회사에 BMS를 제공하고 있다. 우리나라의 BMS 기술 수준은 선진국 대비 약 90% 수준으로 평가하고 있는데 제어 기술의 발달로 제품의 설계 및 생산 기술면에서는 큰 차이가 없지만 부품과 최종 품질에서는 다시 경쟁력이 떨어지는 것으로 분석하고 있다.

 

얼마 전 있었던 2015 서울모터쇼에서는 조그만 트럭 하나가 관람객들의 인기를 끌었다. 국내 전기차 제조 업체인 코니자동차에 내놓은 소형 픽업트럭인 TX-500e으로 전기차와 트럭이라는 특징에 귀엽고 아기자기한 외형을 가지고 있다. 특히 스페이스 프레임 구조를 채택하고 외장에 복합 플라스틱을 사용해 무게를 줄이고 차체강성을 확보하면서 공간효율성을 높인 것이 특징이었다. 게다가 크기는 경차 규격에 맞춰 경차 해택도 받을 수 있다고 한다. kWh 당 연비는 약 8km 정도로 23kWh와 39kWh의 선택 가능한 배터리 용량으로 최대 310km를 주행 가능며 최고속은 약 120km/h 라고 한다.

 

국내 농기계 대표 생산업체인 대동공업은 지난 5월 세계전기자동차 전시회인 EVS28에 현재 개발 진행 중인 전천후 컴팩트 트랙터인 CK 시리즈의 전기차 버전인 CK350EV와 다목적 운반 차량인 전기 UTV(Utility Terrain Vehicle)을 발표하였다. CK350EV는 주행과 작업용 두 개의 모터를 가지고 있어 주행 중에도 독립적으로 작업이 가능하며 35마력에 무선 조정도 가능하다고 한다. 완충 시 최대 45km를 주행 가능하다고 한다.

클렘스는 2013 국제그린카 전시회에 다양한 농업용 전기차를 소개했는데 대형 운반차, 승행/보행 겸용 다목적 전동 운반차, 특수 목적용 전동 운반차 등 용도에 따라 다양하게 선보였다. 그 중 4륜 전동운반차인 'SSEED 3000'은 전동차 전용 변속기인 SP MISSION을 장착해 속도와 등판력을 기존 자동차 대비 약 30% 이상 향상시키고 배터리 소비량을 줄였으며 주행 중에 클러치 없이도 변속이 가능하다고 한다.

 

LS엠트론은 디젤 하이브리드 트랙터를 개발하였다. 기존 디젤 모델 대비 절반 크기의 디젤 엔진을 사용하고 강한 동력이 필요한 경우에만 전기모터가 동작하는 방식으로 약 30% 정도의 연비 향상이 있다고 한다. 원래 하이브리드는 기존 디젤 엔진에 추가로 배터리와 모터 등의 전기 구동부가 추가되므로 가격 상승이 큰 편인데, 이 모델은 디젤 엔진의 크기가 상대적으로 작아 차체 경량화와 원가 절감의 효과가 있어 실제 원가 상승이 크지 않다는 장점도 있다고 한다.

농업용 전기차의 핵심기술 ②

전기차는 1800년대 후반 내연기관 자동차보다 먼저 개발되었다. 1900년대 초반 잠시 호황을 맞았으나 내연기관의 발전과 대량의 원유 발견 등으로 인해 점점 경쟁에서 밀려 결국은 사라지게 되었다. 그러다 1990년대 자동차 배기가스에 의한 환경오염 문제가 대두되면서 다시 시장에 나타나게 되었다. 여전히 배터리 용량으로 인한 짧은 주행거리와 내연기관 자동차와는 비교가 불가능할 정도의 긴 충전 시간은 문제였고 그 결과 환경론자들 외에는 아무도 관심을 갖지 않았다. 그러나 배터리는 점점 발달되었고 오랜 시간 사용해왔던 납축전지에서 니켈 계열 배터리를 거쳐 현재의 리튬 계열 배터리에 도달하니 이제야 어느 정도 내연기관과 경쟁이 가능하게 되었다.

 

처음부터 모터는 전기차의 가장 큰 장점 중 하나였다. 초창기에는 3상 교류 유도 모터를 사용했으나 최근에는 영구자석 동기 모터를 사용하고 있다. 크기도 작고 구조도 단순하며 그 덕분에 내구성도 좋고 상대적으로 효율도 높다. 테슬라의 로드스터는 30kg 정도의 작은 모터를 사용해 250마력 정도의 출력을 낸다. 내연기관은 전통적인 4행정 과정을 거치면서 대부분의 에너지를 열로 낭비하고 변속기를 거치면서 실제 바퀴로 전달되는 효율은 15~20% 정도이다. 이에 반해 전기차는 전기 생산을 위한 발전소의 발전 효율을 고려하더라도 모터의 효율이 거의 90%에 달해 최종 35~40% 정도의 효율을 갖는다. 게다가 대부분 발전기의 기능을 갖추고 있는 모터를 사용하고 있어 회생제동을 통한 에너지의 실시간 충전이 가능하여 약 5% 정도의 추가 효율도 가지게 된다. 회생제동은 브레이크 동작 시의 마찰 에너지나 내리막 길에서의 위치 에너지를 모터를 이용하여 발전해 에너지를 저장하는 기능이다.

 

전기차에서 사용하는 모터의 가장 큰 특징은 시동 처음부터 일정 구간까지 지속적인 최고 회전력을 보여 토크가 높다는 점이다. 그 결과 전기차들은 일반적으로 초반 가속력이 상당히 좋다. 물론 가속 이후 토크가 떨어지는 단점도 있지만 전류량을 늘리거나, 간단한 구조의 변속기를 사용하거나, 테슬라처럼 복수 개의 모터를 사용하는 등의 방법으로 보완이 가능하다.

또 다른 전기차의 장점으로는 연비를 들 수 있다. 대략적으로 1리터의 가솔린은 9kWh의 에너지를 낸다. 이 에너지로 내연기관은 평균 10~15km 정도를 주행한다. 그러나 전기차는 1kWh의 에너지로 평균 5~7km 정도의 주행이 가능하다. 내연기관과 비교한다면 약 5배 가까운 효율을 보인다고도 볼 수 있다. 테슬라의 모델들은 보통 85kWh 배터리를 장착하고 있어 내연기관 자동차들과 유사하게 400km 이상의 주행이 가능하다. 게다가 대략 1리터의 가솔린이 1,500원이라고 하면 최대로 잡아도 1km 주행에 100원이 소요되지만, 전기차의 경우는 한전 SPC 완속 기준 1kWh 충전에 200원이므로 1km 주행에 33원이 소요된다. 물론 심야 전기나 농업용 전기를 사용할 경우는 더욱 저렴하다. 참고로 테슬라의 급속 충전 시스템인 슈퍼차저의 경우는 태양광을 이용한 충전 시스템이며 평생 무료로 이용이 가능하다.

 

산업용이나 농업용 차량의 경우에는 비포장 도로의 사용이 많으므로 AWD라고 불리우는 4륜구동 시스템의 적용이 필요하다. 그러나 대부분의 4륜구동은 그 베이스가 FF든 FR이든 구조는 복잡해지고 가격은 상승하며 복잡한 기계식 장치로 바퀴에 동력을 분배하면서 동력 손실이 켜져서 연비가 크게 하락하게 된다. 4개의 바퀴를 동시에 이용하기 위해 희생해야 하는 부분이 너무 많은 것이다. 그러나 전기차는 각 바퀴의 구동축에 모터가 연결되어 있으므로 동력분배 손실이 없을 뿐 아니라 각 모터의 최대 효율구간에 맞추어 분산 구동이 가능하기 때문에 연비가 더욱 상승하게 된다. 실제 테슬라의 4륜 구동 방식 모델들은 일반 모델보다 주행거리가 5% 정도 증가하였다. 특히나 차륜 부근에 모터를 설치해 타이어를 직접 독립적으로 제어가 가능한 인휠 모터(In-Wheel Motor) 등을 사용하면 제어 가능한 폭이 넓어지고 보다 자유로운 차량의 움직임을 만들어 내는 것이 가능하다.

 

일반적인 내연기관 자동차들은 대략 3만개 정도의 부품을 가진다고 한다. 그에 반해 전기차는 약 10%인 3천개 정도의 부품만 필요하다. 엔진을 비롯한 구동계가 단순하고 변속기를 비롯해 중앙 터널, 배기 장치, 열 차폐 장치, 촉매 컨버터, 각종 오일 등이 불필요하기 때문이다. 주요 부품은 단지 모터, 배터리, 인버터, 감속기 정도이다. 부품의 수가 적다 보니 상대적으로 내구성도 높아지고 유지보수 비용도 적어지는 장점들이 생긴다. 게다가 플랫폼을 전기차에 적합하도록 잘 설계하면 공간의 활용도도 극대화 할 수가 있다.

 

앞에서도 언급했듯이 배터리는 전기차의 가장 중요한 핵심 요소이다. 과거 납축전지를 사용할 당시에도 그랬고, 요즘처럼 리튬 계열의 리튬이온 배터리를 사용하고 있는 상황에서도 그렇다. 물론 리튬이온 배터리가 납축전지에 비해 6배 가까운 에너지 밀도를 가지게 되면서 내연기관과 경쟁이 가능하게 되었지만, 여전히 가격은 비싸고, 무게는 무겁고, 에너지 밀도는 부족하며 폭발에 대한 위험을 가지고 있다. 리튬이온 배터리를 사용할 경우, 대략 전기차 생산 가격의 50% 정도가 배터리 가격이 되며 그런 이유로 테슬라를 제외한 대부분의 전기차는 30kWh 이하의 배터리를 가지고 있다. 하지만 테슬라의 경우에서 볼 수 있듯이 이러한 단점들은 어느 정도 해결이 가능하다. 테슬라는 같은 리튬이온 배터리 중에서도 밀도는 20~30% 정도 높지만 가격은 저렴하고 대량 생산이 가능한 원통형 리튬이온 배터리 수천개를 직병렬로 연결해 사용한다. 게다가 가격을 더욱 낮추기 위해 2017년부터 생산을 목표로 리튬이온 배터리 생산 공장인 기가팩토리를 건설 중이다. 기가팩토리가 완공되면 원통형 리튬이온 배터리의 가격은 현재보다 30% 정도 더 낮아질 것이라고 한다.

전기차의 충전 이슈는 배터리와 더불어 지금껏 전기차의 대중화를 막아 온 가장 큰 요소이다. 심지어 주행거리 불안(Range Anxiety)이라는 전기차를 운전하면서 배터리가 방전될까봐 걱정하느라 발생하는 정신적 피로, 불안 현상을 일컷는 신조어까지 생겨났다. 그래서 휴대용/가정용 충전기를 비롯해 다양한 표준/비표준의 완속 충전기와 급속 충전기가 생겨났고 테슬라의 배터리 스왑 서비스와 같은 배터리를 통째로 교체하는 시스템까지 생겨났다. 하지만 제한된 범위 내에서 주로 사용하게 되는 산업용/농업용 차량의 경우라면 이러한 충전의 이슈는 덜 중요한 요소가 된다. 제한된 이동 범위와 예상 가능한 사용 시간 등으로부터 계획적으로 사용이 가능할 것이다.

 

현재 전기차는 전기화에서 시작해 전자화와 자동화, 연결화의 단계로 진화하고 있다. 엔진의 시동 없이도 24시간 기 충전된 배터리를 이용해 다양한 전자 시스템들이 하나의 중앙 시스템 아래 통합되어 컨트롤이 가능하며, 연결화를 통해 원격 조정이나 시스템 업데이트 등과 같은, 마치 스마트폰을 이용하는 것과 유사한 방식의 사용이 가능하게 된 것이다. 항상 최신 기능들이 자동으로 심야 시간에 업데이트 되어 있으며, 현재의 위치와 상태를 실시간으로 모니터링이 가능하고, 심지어는 원격으로 미세 제어까지 가능할 것이다. 영화 ‘인터스텔라’를 보면 초반에 태양광 전지 무인 트랙터들이 미리 정해놓은 스케쥴에 맞춰 자동으로 농장 일을 수행하는 장면을 볼 수 있다. 얼마 전 테슬라가 소프트웨어 업데이트를 통해 부분 자율운전 기능을 추가한 것을 보면 그리 놀라운 일은 아닐 것이다. 이 모든 것은 배터리를 기반으로 하는 전기차에서 가능할 일일 것이다.

 

마지막으로 이러한 기본적인 전기차 이용에서 더 나아가 2차적인 전기차 혹은 배터리의 활용도 다양한 분야에서 가능할 것이다. 차량은 V2G(Vehicle to Grid)나 V2H(Vehicle to Home), V2B(Vehicle to Building)과 같이 심야 등의 충전 요금이 저렴한 시간에 배터리에 충전해 놓은 에너지를 한낮의 피크 시간에 가정이나 건물에서 사용하거나 전력 제공 업체에 되팔 수도 있고, 배터리는 필요한 경우 분리하여 혹은 어느 정도 노후화가 진행된 뒤에 ESS(Energy Storage System)이나 UPS(Uninterruptible Power Supply) 용도로 사용도 가능할 것이다.

농업용 전기차의 핵심기술 ①

최근 세계 자동차 시장 점유율 1~2위를 다투고 있던 폭스바겐은 충격적인 사실을 발표하였다. 소위 폭스바겐 스캔들 또는 디젤 게이트라고도 불리는 이 사건은, 폭스바겐이 2009년부터 판매해 온 소형 디젤 차량 중 약 1,100만대 가량의 디젤 차량에 배출 검사를 속이는 소프트웨어를 설치해 규제보다 더 많은 오염물질을 배출 할 수 있도록 만들었다는 사실을 인정한 것이다.

 

디젤 엔진은 동일한 크기의 가솔린 엔진과 비교해 열 효율이 좋아 동일한 연료로 더 큰 출력을 낼 수 있어 토크가 높고 연비가 좋은 장점이 있으나, 출력이 큰 만큼 상대적으로 배기가스도 더 많이 배출하게 된다. 그 중 산화질소(NOx) 같은 경우는 호흡기 질환의 주범으로 석면, 타르, 카드뮴과 같은 1급 발암물질들인데 이를 완벽하게 제거할 수 없어 환경 문제를 일으키게 된다. 그래서 디젤 엔진에서는 SAI(Secondary Air Injection), EGR(Exhaust Gas Recirculation), SCR(Selective Catalytic Reduction), DPF(Diesel Particulate Filter), LNT(Lean NOx Trap) 등 다양한 방식의 배기가스 정화장치들이 발전되고 장착되어 왔다. 그 과정에서 어쩔 수 없이 효율은 떨어지고 가격은 상승하는 상황들이 발생하였다.

 

폭스바겐은 이 중 LNT라는 산화질소를 모으는 장치와 EGR이라는 배출가스 재순환 장치에 대해서 엔진의 제어 프로그램에 인증시험을 받을 때만 작동시키고 실제 도로주행 시에는 끄도록 조작을 한 것이다. 이 장치들을 사용하면 추가 연료 소모도 약 2~4% 정도 발생하고 엔진 출력이 저하되거나 효율이 떨어지는 단점이 있기 때문이다. 결국 유로6처럼 해마다 점점 강화되고 있는 경유차 배기가스 규제로 인해 아이러니하게도 더욱 많은 배기가스가 배출되고 있었던 것이다. 이는 고출력과 연비의 향상이라는 기능적인 향상과 환경 보호를 위한 배기가스 규제의 기술적 발달 사이의 간극이 점점 더 커지고 있다는 반증이기도 할 것이다. 이는 아래의 그래프를 통해 더욱 명확히 알 수 있을 것이다. 아래 그래프는 실제 도로 환경과 테스트-랩 사이의 이산화탄소 배기가스 배출량의 차이를 나타낸 것이다. 해가 지날수록 요구되는 배기가스 배출량의 감소량에 비해 실제 개발되고 있는 차량의 감소량이 상당히 부족함을 알 수 있다.

 

농업용, 산업용 차량으로 주로 사용하고 있는 트랙터나 UTV들의 경우도 마찬가지이다. 대부분의 차량들이 고출력과 고연비라는 매력적인 장점들로 디젤 엔진을 사용하고 있고, 간혹 가격적인 이유들로 가솔린 엔진 차량이 생산되고 있다. 이미 높은 완성도를 지닌 내연기관이 이와 같은 차이 속에서 과연 사회에서 요구하고 있는 배기가스의 기준을 맞출 수 있을까? 디젤 엔진 정도의 고출력, 고연비를 유지하면서 환경 보호도 함께 이룰 수 있는 방법은 없는 것일까?

 

얼마 전, 모델 X라는 놀라운 크로스오버 SUV를 발표한 테슬라는 100% 배터리 전기차를 만드는 기업이다. 이미 소형 스포츠카인 로드스터와 고성능 세단인 모델 S를 통해 기존 대중들이 가지고 있던 전기차의 고정 관념들을 모두 바꾸고 있는 이 기업은, 모델 X를 통해서는 전기차의 활용 범위를 더욱 넓히고 있다. 전기차는 초반부터 높은 토크와 회전력을 갖는 모터의 특성 상 초반 가속력이 대단히 좋은 장점은 있으나, 배터리의 용량 한계와 고회전에서 토크가 떨어지는 특성상 고출력을 오래 유지하기 어렵기 때문에 SUV와 같은 차량에는 적합하지 않다는 의견이 지배적이었다. 그래서 대부분의 제조사들은 소형 차량의 개발에 집중하기도 하였다. 그러나 모델 X는 그 고정관념 조차 바꾸었다.

 

모델 X는 7인승 크로스오버 SUV로 90KWh 배터리를 장착하여 최장 운행거리는 무려 400km가 넘으며 최고속은 250km, 제로백은 3.2초에 달하며 전후 2개의 고성능 모터를 통한 762마력으로 2300kg의 트레일러를 끌 수 있다. 그 외 최첨단 편의 기능들은 기본이다. 게다가 처음부터 전기차의 장점이었던 높은 효율을 바탕으로 내연기관 대비 탁월한 연비를 보여준다. 지금의 전기차는 최신 디젤 엔진에서나 가능해 보였던 고출력과 고연비를 모두 만족하면서도 환경 오염의 주범인 배기가스는 감소의 수준이 아니라 제로가 가능한 것이다.

해외 농업용 전기차 활용 사례

미국에서 산업용으로 사용되고 있는 지게차들 중 약 8,000대는 연료 전지를 에너지원으로 사용하는 연료전지 차량이라고 한다. 심지어 이 차량들에는 어떤 보조금이나 세제 해택도 없었다고 한다. 그리고 몇 년이 지나, 2015년 올해 도요타에서는 미라이(Mirai)라는 최초의 연료 전지 자동차의 판매를 시작했다. 마찬가지로 작고 강력하고 신뢰성이 높지만 비싸고 복잡한 전자 제어 장치가 필요한 스위치드 릴럭턴스 모터는 일반 자동차에 적용되기 몇 년 전에 존 디어사의 농업용 장비에 적용이 되었다. 현재 테슬라 모터스의 자동차들에 적용 중인 교류 유도 모터는 1890년대 후반 개발되었지만 일반 자동차에 적용되기 전에 지게차에 처음으로 적용되었다.

 

많은 전기차 적용 기술들은 산업용 혹은 농업용 차량에 선적용 후 일반적인 승용차에 적용되는 경향들이 있다. 최근들어 상용화에 속도를 높이고 있는 비접촉 무선 충전이나 배터리 교체와 같은 시스템들은 주로 버스 등의 대형 차량들을 대상으로 적용 진행중 이기도 하다. 그 이유에는 여러가지가 있겠지만 특수한 목적을 바탕으로 하는 대상에 새로운 기능이나 기술을 적용하기가 상대적으로 수월하기 때문일 것이다. 예를 들어 버스의 경우, 주행 스케쥴이나 이용 도로 등을 미리 계획할 수 있고, 정거장이나 차고지에서의 정차 시간 등도 예상이 가능할 것이다. 지게차의 경우는, 하루 중 활용 시간과 이동 범위, 요구 되어지는 힘의 범위 등도 미리 예상이 가능하기 때문에 최대한 맞춤으로 기계를 설계 할 수 있을 것이다. 그리고 가장 큰 불안 요소인 충전 등의 인프라에 대해서도 제한된 환경에 최대한 맞춤으로 계획이 가능하기 때문에 일반적인 자동차들에 비해 훨씬 수월하게 적용이 가능할 것이다.

 

현재 개발 진행중이거나 실제 판매가 되고 있는 농업용, 산업용 전기차들은 크게 하이브리드 형태와 100% 배터리 형태로 구분이 가능할텐데 해외의 농업용, 산업용 전기차들은 다음과 같다.

 

이탈리아의 'alke'는 다양한 크기와 용도의 100% 순수 기능성 전기차를 생산, 판매하고 있다. 단순한 소형 이동형 차량부터 폐기물 수집차량(Waste Collection), 다목적 기능성 차량(Utility Vehicle), 스포츠 엠뷸런스, 소형 트럭에 최근에는 4륜 구동 차량도 생산하고 있다. 대부분이 기본이 되는 플랫폼을 바탕으로 요구되는 용도에 적합한 외장을 접목한 형태이며 앞으로 더욱 다양한 분야에 적합한 형태로 변형이 손쉽게 가능할 것이다. 이러한 순수 전기차들은 농업용, 산업용으로 사용될 때 저소음과 배기가스 제로라는 기본적인 장점들이 환경에 가장 잘 어울릴 것이며, 특히 스포츠 엠뷸런스는 저진동이라는 전기차의 특징이 환자에게 최적의 안정성을 제공 가능할 것이다.

독일의 'poly-lab'은 14개 기업과 연구 기관의 컨소시엄을 통해 Kulan이라는 기능성 전기 트랙터를 개발하였다. 공원이나 농장에서의 사용을 목표로 개발된 Kulan은 2개의 리어-휠-허브 모터와 리튬이온 배터리 팩을 이용해 총 5마력으로 최고속 50km/h에 최장 300km 주행이 가능하며, 최고 1,000kg의 무게를 적재 가능하다. 그럼에도 차체 무게는 고작 300kg 정도로 가벼우며, 공원이나 농장에서의 사용을 목표로 개발되었기 때문에 기본적인 전기차의 특징에 최적의 플랫폼을 맞춤으로 설계하여 효율성을 높일 수 있다.

미국의 'John Deere'는 농기계 분야의 세계적인 대표 기업으로 농기계 중 트랙터가 전문 분야인데 그 중 'TE 4x2 Electric' 모델은 100% 소형 전기 트랙터이다. 일반적으로 교류 모터를 사용하는 보통의 전기차와는 달리 직류 모터를 사용하며 'John Deere'의 다양한 악세사리들을 활용할 수 있는 장점을 가지고 있다. 약 6마력으로 최고속은 24km/h이며 최고 227kg의 무게를 적재 가능하다.

'Balqon Corporation'은 대형 버스나 트랙터, 트럭 등의 중장비 전기 자동차들과 전기 운전 시스템(electric drivetrain), 리튬이온 배터리 저장 기기들을 개발하는 미국의 제조 회사이다. 2006년 중장비 트럭이나 버스에서 사용 가능한 인버터 기술을 개발한 이래, 중장비용 리튬이온 배터리 BMS와 180kW급 충전기의 개발을 거쳐 디젤 엔진 대비 약 76%나 더 높은 연료 효율을 제공하는 전기 운전 시스템을 개발하였다. 현재 이 운전 시스템을 일종의 플랫폼으로 하여 다양한 형태의 중장비 전기차들을 개발, 판매하고 있다.

그 중 MX30이라는 전기 트랙터는 240kW 출력의 인버터와 320kWh의 리튬이온 배터리 팩을 통해 최고속 약 100km/h의 속도로 최장 약 200km 거리의 주행이 가능하며 25톤의 무게를 적재 가능하다.

일본의 'Komatsu'는 산업 현장에서 주로 사용되는 Fortlift와 Reach Truck 등을 오래전부터 전기차로 개발, 판매하고 있다.

네덜란드의 'Multi Tool Trac'은 디젤 하이브리드 형태의 농업용 전기 트랙터를 개발 중이다. 30kWh 용량의 배터리를 사용하며 최대 4개의 22kW 출력 모터로 약 5톤의 적재가 가능한 스펙이다. 디젤 엔진은 주행거리 확장(range extender)의 용도로 사용되며 2018년 중순 판매 예정이라고 한다.

독일의 'Fendt'는 트랙터와 콤바인, 사료 수확기 등의 농기계를 전문적으로 생산하는 기업이다. 그리고 가장 대표적인 트랙터 중 'Vario 700' 시리즈를 기반으로 현재 'Fendt X Concept'라는 디젤 하이브리드 트랙터를 개발 중이다. 이 제품은 농기계 전기차의 국제 표준인 ISOBUS를 통해 통신을 구현하고 최대 130kW의 출력을 POWERBUS를 통해 전달한다.

이탈리아의 농업용, 산업용 전문 기계를 생산하는 'Merlo'는 얼마 전 농업 혁신 전문가 위원회에서 금메달을 수상했다. 'Merlo 42.7 Hybrid'라는 디젤 하이브리드 트랙터의 개발로 이룬 성과이다. 편리성과 에너지 절감, 배출 오염 감소의 장점으로 인한 결과였다. 이 차량은 100kW급 모터에 56kW급 디젤 엔진을 장착하였는데 2시간 이내의 실내 작업을 위해서는 100% 전기 모드로만 동작이 가능하다.

세계적 전기차 기술 발전 동향

1873년 가솔린 자동차보다 먼저 개발된 전기차는 석유 연료와 내연기관 엔진을 사용하지 않고 배터리에 축적된 전기 에너지로 모터를 회전시켜서 바퀴를 구동시키는 자동차이다. 내연기관 자동차보다 먼저 개발은 되었지만 배터리의 중량이 무겁고 충전 시간이 오래 걸려 결국은 실용화되지 못하고 내연기관 자동차에 자리를 물려주게 되었지만 구조가 간단하고 내구성이 좋으며 운전하기가 쉬워 1920년대 중반까지는 소량 생산이 되기도 하였다. 하지만 공해문제가 심각해지면서 1990년대부터 다시 관심을 받기 시작했으며 최근에는 리튬이온 배터리처럼 기존 배터리의 단점들이 보완된 신소재의 배터리들의 등장으로 개발 속도는 더욱 가속화 되고 있다.

 

전기차의 장점으로는 배기가스를 전혀 배출하지 않는다는 친환경적인 요소 외에도 에너지의 효율성과 운용비용의 절감, 그리고 구조의 단순함으로 인한 유지비용의 저감 등을 들 수 있다. 일반적으로 내연기관의 효율은 약 17~21% 정도로 알려져 있다. 그에 비해 전기차는 연료탱크로부터 바퀴까지의 효율을 의미하는 TTW(Tank to Wheel)이 약 85% 정도이다. 유전으로부터 바퀴까지의 효율을 의미하는 WTW(Well to Wheel)로 계산을 하더라도 발전소 효율이 대략 45% 정도이므로, 최종 약 40% 정도의 효율로 내연기관에 비해 2배 이상의 효율을 가지고 있다.

 

운용비의 경우도, 내연기관 자동차는 1리터의 휘발유가 완전 연소될 때 약 9kWh의 에너지가 생산되어 대략 10~15km의 주행이 가능하다. 그에 비해 전기차는 대략 1kWh의 에너지를 이용해 5~7km 정도의 주행이 가능하다. 게다가 부품수도 내연기관 자동차의 약 10% 정도이며 각종 오일 등의 유지보수도 거의 불필요하여 장기적으로 고장이나 유지보수를 위한 유지비가 상대적으로 적게 요구된다.

 

전기차의 가장 큰 단점은 여전히 주행 거리 부족과 충전 시간이다. 하지만 상당 부분 과거에 비해 개선이 된 상태며 앞으로도 더욱 개선이 될 것이다. 현재 최첨단 전기차의 선두에 서 있는 테슬라의 모델 S를 보면 85kWh의 배터리를 탑재하여 완충 후 약 400km 이상 주행이 가능하며, 무료로 제공하고 있는 전용 슈퍼차저 충전 스탠드를 통해 40여분 만에 완충이 가능한 상태이다.

 

전기차의 핵심 요소에는 가장 중요한 배터리와 모터 그리고 그들을 관리할 수 있는 인버터/컨버터 모듈과 배터리 관리 시스템(BMS, Battery Management System) 등이 있다. 인버터/컨버터 모듈은 충전 및 전력 변환 그리고 모터의 출력 조정 등의 기능을 담당하는데 구동 초기부터 최대 회전수와 토크를 발휘하는 모터의 특징과 인버터의 VVVF(가변 전압 가변 주파수) 기능으로 변속기의 역할을 대신하므로 내연기관에서 사용하는 변속기가 불필요하다. 배터리 관리 시스템은 온도에 민감한 배터리 팩의 전압, 전류 및 온도를 모니터링하여 최적의 상태로 유지 관리하여 배터리 교체 시기 예측 및 배터리 문제를 사전에 발견하는 등의 역할을 수행한다.

 

배터리는 충전이 불가능한 1차 전지와 충전이 가능한 2차 전지로 나누어 지며 당연히 전기차에는 충전을 위해 2차 전지를 사용한다. 2차 전지에는 가장 오랫동안 사용중인 납축전지부터 니켈 계열의 니켈 카드뮴 전지, 니켈 메탈 수소 전지를 비롯해 최근에 주로 사용중인 리튬 계열의 리튬이온 전지와 리튬폴리머 전지 등이 존재한다. 납축전지는 1859년 발명되어 아직까지도 사용중인 전지로 낮은 제조 원가와 대용량 제작이 수월한 장점이 있지만 에너지 밀도가 30Wh/kg으로 낮고 수명이 짧으며 자기방전율이 높은 단점 등이 있다. 니켈 계열의 전지들은 에너지 밀도가 90Wh/kg 정도로 납축전지에 비해 약 3배 정도 높은 장점이 있으나, 약 1.2v의 낮은 출력과 20~30%의 높은 자체 방전율과 메모리 효과로 인한 수명 단축 등의 단점이 있다. 지금의 전기차 재도약의 발판이 되고 있는 리튬 계열의 전지들은 납축전지에 비해 6배 이상의 최대 200Wh/kg의 에너지 밀도를 가지며 방전이 잘 되지 않고 메모리 효과도 적은 장점을 가지고 있다. 하지만 온도에 민감하며 안전성이 떨어지는 단점이 있어 보호를 위한 회로와 셀 등의 구성이 필요하다. 최근에는 그래핀 등의 신소재를 이용하여 기존 리튬이온 전지에 비해 2배 정도의 에너지 밀도를 갖는 리튬이온 배터리를 개발하거나 알루미늄이나 리튬 등을 공기 중의 산소와 결합시켜 전기를 발생시키는 금속 공기 전지 등의 개발도 진행 중이다. 리튬공기 전지의 경우 기존 리튬이온 전지에 비해 10배에 가까운 높은 에너지 밀도를 가져 휘발유 등과 맞먹는 효율성을 가진다고도 한다.

 

모터는 사용 전류에 따라, 영구 자석의 사용 여부에 따라, 동기 여부에 따라 등 다양한 조합의 모터가 존재한다. 각 조합들은 크기나 가격, 출력 및 제어의 난이도 등의 차이가 있으므로 전기차 메이커들은 용도에 맞는 최적의 모터를 선택하여 적용 및 성능 개선을 진행 중이다. 직류 모터는 구조가 단순하고 전류 변환을 위한 인버터 등이 불필요한 장점이 있으나 브러시의 마모 등으로 인한 내구성의 문제가 있다. 그런 이유로 전기차에서는 교류 모터를 주로 사용한다. 테슬라 모터스는 그 이름에서도 알 수 있듯이 19세기 후반 발명가 니콜라 테슬라가 개발한 전통의 교류 유도 모터를 사용한다. 이 모터는 제어가 복잡하고 낮은 역률의 단점이 있지만 영구 자석 등을 사용하지 않아 가격 및 내구성의 측면에서 장점이 크다. 일반적으로 전기차에는 교류 영구 자석 동기 모터가 사용된다. 영구 자석의 사용으로 인한 단점은 존재하지만 낮은 로터 손실과 높은 역률, 최고의 효율에 비교적 제어가 용이한 장점이 있다.

 

전기차 전용 플랫폼의 개발은 보다 효율적인 전기차를 개발하기 위한 당연한 과정이다. 오랫동안 전기차는 전용 플랫폼의 개발 없이 기존 내연기관 자동차의 플랫폼을 공용으로 사용하였다. 전용 플랫폼 개발 비용과 시간을 생각한다면, 전기차에 보수적으로 접근하는 시각에서는 당연한 결정일지도 모른다. 하지만 그로 인해 전기차가 당연히 가질 장점들은 사라졌고 단점들은 더욱 부각되는 상황들이 발생하였다. 하지만 테슬라로 대표할 수 있는 전기차 전용 플랫폼의 도입은 전기차가 갖는 구조의 단순함과 배터리라는 특징들이 갖는 요소들을 최대한 장점으로 극대화 하였다. 구조의 단순함은 여유 공간을 최대한 넓혔으며, 배터리를 차체 하부에 위치시킴으로 저중심의 안정적인 설계와 배터리 교체와 같은 확장성을 갖게 됐으며, 불필요한 요소의 제거 등의 최적의 플랫폼 설계를 통해 공기역학을 최대한 활용하여 연비를 극대화 할 수 있게 되었다.

전기차 활성화의 필요성 ④

국내 전기차 활성화 방안 제시

정부는 기후변화대응과 차세대 신산업 육성을 위해 전기차 등 8대 에너지 신산업을 선정하여 육성하고 있으며, 작년 4월에는 앞으로 3년간의 에너지신산업 육성 계획인 ‘에너지신산업활성화와 핵심기술 개발 전략’을 발표하기도 하였다. 하지만 이러한 정부와 한전의 노력에도 불구하고 전기차의 보급 및 확산은 매우 느린 상황이며, 시장 환경도 불확실성이 매우 높은 상태이다. 주행거리, 충전 인프라, 고비용 배터리 등의 기술 장벽도 높고 법과 제도, 소비자의 수용성, 공급자의 이해관계와 기존 산업의 관성과 시장의 미성숙 그리고 관련 이해 당사자들의 역량 부족 등이 전기차 확산이 더딘 원인일 것이다. 확실히 자동차 산업은 전후방산업에의 파급과 산업 생태계의 범위가 아주 커서 화석연료 자동차의 전기차 전환은 아주 어려운 문제이다.

기존 전기차 정책 추진의 문제점에는 긴 충전시간과 짧은 주행거리, 비싼 차량가격 및 배터리 교체비용 그리고 부족한 충전시설 등이 있다. 충전시간은 급속충전이 30분, 완속충전은 6시간 내외로 내연기관 차량의 3~4분에 비해 상당히 길어 소비자의 구매부담 요인이다. 주행거리 역시 지속적인 성능 개선에도 불구하고 1회 충전 시 약 150km 이내로 내연기관 차량의 600km의 25% 수준이며 히터 등을 가동하면 더욱 줄어든다. 가격 역시 동급 내연차량 대비 2배 정도 비싼 가격으로 구매보조금이나 세제지원 정책 없이는 일반인이 구매하기에 큰 부담이 된다. 게다가 배터리 가격도 차량 가격의 약 40% 정도여서 교체가 필요할 경우 소비자의 부담은 크게 가중된다. 충전시설의 경우도 짧은 주행거리로 인해 전국적으로 공공급속충전시설이 다수 필요하나 정부재원의 한계 등으로 확충에 어려움을 겪고 있다. 13년 기준, 목표는 약 500기 보급 이였으나 실제로는 177기 설치로 목표 대비 약 35%에 불과하였다. 게다가 그나마 설치된 공공급속충전시설의 경우에도 운영 및 관리 미흡으로 이용자들의 불편을 초래하기도 하였다. 일부 지자체가 운영, 관리하는 시설 중 일부가 출입제한, 전원차단, 통신미가입 등의 이유로 사용이 어려웠기 때문이다.

하지만 그럼에도 불구하고 자동차 부문의 전기화, 즉 전기차로의 전환은 전력 산업의 입장에서 가능한 빠르고 넓게 추진해야 할 전략과제라 할 수 있다. 전기차의 확대는 전력소비의 증가로 이어져 전력산업 부문의 매출과 영향력 확대를 의미하는데 전기차 점유율이 10% 높아지면 전력판매량은 약 2.5% 증가할 것으로 예상되고 있다. 그리고 전력 부문의 온실가스 배출량을 크게 줄일 수도 있다. 전기차는 기존 화석연료 자동차 대비 약 50% 수준의 온실가스만을 배출하기 때문이다. 특히 전기차의 확대는 전력 체계의 직류화와 패킷화를 가속화하고 다양한 융복합 사업 모델을 가능하게 할 것으로 예상되기도 한다.

이렇게 전기차로의 전환은 필수적이지만 실제 보급 및 확산은 느린 지금과 같은 상황에서는 보다 주도적이고 전략적인 정책이 필요하다. 일종의 교두보가 필요한 것이다. 농업용 혹은 산업용처럼 특수한 목적의 전기차는 그런 의미에서 좋은 전략적 교두보가 될 수 있을 것이다. 실제 해외에서는 전기차의 많은 기술들이 농업용 또는 산업용 차량들에 선적용 한 뒤 일반적인 승용차에 적용되는 경향들이 많이 나타나기도 한다. 농업용 또는 산업용 차량들이 사용되는 환경은 일반적인 환경에 비해 제한된 조건들을 많이 갖기 때문에 단계별로 점진적인 적용이나 대응 및 준비가 가능하기 때문이다. 한전 입장에서도 전기차의 단점들인 주행거리나 광역적인 충전소의 설치 등의 요소들이 영향을 덜 끼치는 제한된 환경에서 전기차의 충전망과 송배전망 인프라에 대한 점진적인 검증 및 대응이 가능할 것이다.

농업용 차량 시장은 국내 시장만 해도 년간 1조 4천억원에 세계 시장은 약 229조원에 달하는 규모에 이르는 매력적인 규모의 시장이다. 게다가 국내 농업 부문의 에너지 보조금은 면세유 등을 비롯해 거의 2조원 규모에 이르고 있는데, 안타깝게도 시장 실패가 우려되고 있는 대표적인 분야이다. 이런 상황에서 농업에서 사용하는 농기계류와 차량을 전기차로 전환하면 농업 부문의 에너지 생산성을 높이고 온실가스 배출을 줄이며 농가의 소득을 증대시키고 새로운 수출 시장을 개발할 수 있는 정책이 될 수 있을 것이다.

 

현재 농촌은 전체적으로 인구는 감소하고 있지만 노인 인구는 증가하는 중이며 농가 당 경지면적은 증가하나 경지 이용률은 감소되고 있으며 농업 임금은 상승하고 있어 농촌 소득증대 방안이 필요한 상태이다.

 

 

 

이런 상황에서 현재 자동차의 발전 흐름인 전기화와 자동화 그리고 연결화의 적용 가능성이 높은 농업용 또는 산업용 전기차를 적용한다면 상당 부분 문제점의 해소가 가능할 것이다. 특히 농촌과 산업 지역이라는 제한된 환경을 바탕으로 계획적인 사용이 가능할 것이며 제한된 주행거리를 바탕으로 전기차의 단점들은 상쇄도 가능하며 충전 인프라 구축의 용이성도 가질 수 있다. 농업용 전기차의 경우에는 현재 정부에서 제공하고 있는 농기계 보조금 예산과 농업용 면세유 예산의 활용을 통해서 더욱 손쉬운 전환도 가능하다. 결정적으로 전기차 확산 정책이 직면한 어려움을 해결하는 새로운 전기차 정책의 제안으로, 이를 바탕으로 성공적으로 추진이 가능할 중장기 전략의 제시가 가능하도록 할 것이다.

전기차 활성화의 필요성 ③

국내 전기차 동향

우리나라 정부는 2010년 그린카 기술 4대 강국 달성을 위한 국가적 목표를 설정하고, 2011년에는 10대 신성장동력 산업으로 전기차를 선정하여 2020년까지 순수전기차 100만대 보급, 글로벌 시장 점유율 10% 달성이라는 목표를 설정하였다. 하지만 현실은 목표와 달랐다. 전기차의 높은 가격과 충전 인프라 부족, 정부 보조금 예산 제한 등의 다양한 이유들로 전기차 시장의 성장은 더디었다. 계획 발표 후 2011년부터 2013년까지의 전기차 보급 현황은 아래와 같다.

 

연간 150만대 수준의 국내 자동차 시장에서 전기차는 목표와는 너무도 다르게, 연도별로 보면 11년에는 338대, 12년에는 753대 그리고 13년에는 780대 수준으로 전체 자동차 시장의 약 0.05%에 불과한 연간 1,000대 미만으로 판매되어 3년 총 누적 대수가 고작 1,871대였다. 게다가 과도기적인 모델로 보다 접근이 수월했을 플러그인 하이브리드 자동차의 경우는, 출시를 위한 연비 인증 제도가 13년까지도 법제화되지 못하여 아예 판매가 되지도 못했다.

하지만 내연기관에 보다 가까운 과도기 모델인 하이브리드 자동차 시장은 상대적으로 활성화의 모습을 보이고 있다. 같은 기간 동안 하이브리드 전기차는, 연도별로 보면 11년에는 17,847대, 12년에는 35,949대 그리고 13년에는 28,048대로, 총 81,844대를 판매하였다. 하지만 하이브리드 자동차도 다양한 원인들로 인해(평소 운전 주행 습관에 따라 연비가 많이 달라지는데 한국인의 운전 습관 특성상 급출발/급제동 등이 많아 공인연비에 큰 영향을 끼친다.) 공인연비에 대한 의구심이 많이 퍼지고, 고성능의 디젤차가 대량으로 수입되면서 판매량이 감소하고 있다.

 

 

그 결과 2014년 말 산업통상자원부와 환경부는 현실적 여건을 고려해 당초 누적 100만대 보급 목표에서 2020년까지 20만대 보급 목표로 수정하여 상용화 시대의 기반을 마련한다는 ‘전기차 상용화 종합대책’을 내놨다. 이전 100만대 보급 목표에서 냉엄한 현실을 반영해 대폭 후퇴한 것이다. 하지만 이 역시 달성이 만만치 않다는 점에서 일단은 전기차 보급에 대한 정책 드라이브를 계속 펼치겠다는 의지를 담은 것으로 해석이 가능할 것이다.