배터리는 재충전이 가능한 2차전지가 이용되며 전기자동차의 성능 및 가격에 가장 큰 영향을 미친다. BMS는 전기자동차 배터리의 정밀한 균형을 이루도록 하여주며, 모든 셀이 완전 충전상태가 될 수 있도록 하여준다. 또한 배터리 팩에 저장된 에너지를 완벽하게 활용할 수 있도록 해서 주행거리를 연장시켜준다. 안정적 연료 측정으로 운전자로 하여금 주행거리에 대한 불안감을 해소시켜준다. 이와 같이 전기자동차에서는 가장 중요한 시스템이기 때문에 연구의 필요성이 강조되고 있다.

서론                     

자동차 시장에서 전동기에 의해서 구동되는 전기자동차(EV: Electric Vehicle), 하이브리드 자동차(HEV: Hybrid EV) 및 플러그인 하이브리드 자동차(PHEV: Plug-in HEV)의 대수가 급격히 늘어나고 있다. 자동차의 전동화가 중요한 분기점을 맞이하고 있다. 화석 연료의 고갈 및 유가 급등 그리고 지구 환경오염 문제 등으로 전기 자동차가 빠르게 확산되고 있는 것이다.
전기자동차는 일반 내연기관 자동차와는 달리 배터리, 전기모터, 인버터/컨버터, 배터리 관리 시스템(BMS: Battery Management System) 등으로 구성되어 있다. 전기자동차의 성공에 큰 걸림돌은 배터리에 있다. 그러나 최근에는 리튬이온 전지기술이 발달되면서 배터리 셀의 출력 및 에너지 밀도가 증가하고 가격이 떨어지고 있어 전기자동차 보급에 상당한 도움이 되고 있다.
배터리는 재충전이 가능한 2차전지가 이용되며 전기자동차의 성능 및 가격에 가장 큰 영향을 미친다. 전기모터는 배터리를 통해 구동력을 발생시킨다. 인버터/컨버터(Inverter/Converter)는 직류와 교류를 변환 시켜주는 역할을 한다. BMS는 배터리의 충전, 방전 조절, 전압, 전류, 온도 감시 및 냉각 제어 등의 역할을 한다. BMS는 전기자동차 배터리의 정밀한 균형을 이루도록 하여주며, 모든 셀이 완전 충전상태가 될 수 있도록 하여준다. 또한 배터리 팩에 저장된 에너지를 완벽하게 활용할 수 있도록 해서 주행거리를 연장시켜준다. 안정적 연료 측정으로 운전자로 하여금 주행거리에 대한 불안감을 해소시켜준다. 이와 같이 전기자동차에서는 가장 중요한 시스템이기 때문에 연구의 필요성이 강조되고 있다.
전기 자동차에서 배터리는 전기 자동차 생산원가의 40~50%로 가장 큰 비중을 차지하며 전기 자동차의 가격, 주행거리 등을 좌우하는 핵심 부품이다. 이러한 배터리의 충전 상태를 측정하고 통제하는 시스템인 BMS는 전기 자동차의 성능을 좌우하는 중요 시스템이다.

기술의 개요                                  

전기자동차의 개요                             
전기자동차는 주로 배터리의 전원을 이용하여 AC 또는 DC 모터를 구동하여 동력을 얻는 자동차이다. 전기자동차의 역사는 내연기관 자동차가 출현되기 훨씬 이전인 1873년 영국의 R.Davidson에 의해 최초로 제작되었으나 1차 세계대전 후 가솔린 자동차의 급속한 진보로 일반의 관심에서 멀어져 자취를 감추게 되었다. 80년대 이후 오일 쇼크와 지구환경 문제가 대두되면서 그 해법의 하나로 전기자동차가 등장하기 시작하였다.
전기자동차의 종류에는 순수하게 배터리 전원만으로 움직이는 전기자동차(EV: Electric Vehicle), 내연기관과 전기모터를 같이 이용하는 하이브리드 자동차(HEV: Hybrid Electric Vehicle), 내연기관과 전기모터를 같이 이용하지만 가정용 전기로 충전할 수 있는 배터리를 장착하여 단거리 주행시 전기모터로만 구동하는 플러그인 하이브리드 자동차(PHEV: Plug-in HEV)가 있다. 표 1은 전기자동차를 구동 방식에 따라 분류한 것을 보여주고 있다.



전기자동차와 더불어 미국에서 가장 활발히 진행되고 있는 기술이 수소 연료전지 자동차(FCEV: Fuel Cell Electric Vehicle)이다. FCEV는 수소의 에너지효율이 높고 배출하는 공해가 거의 없다는 것이 장점이다. 반면에 수소를 추출하는 비용이 많이 들며 실용화를 위해서는 압축하는 기술이 앞으로 해결해야 할 문제이다.
전기자동차 시장은 2011년 100만대, 2015년, 680만대 2020년 1,000만대로 연평균 30%씩 증가할 것으로 전망하고 있다. 초기에는 HEV 중심으로 보급되다가, 향후 PHEV, EV의 비중이 차츰 확대될 것으로 전망 하고 있다. 정부의 지속적인 지원과 고유가, 배터리 기술의 발달과 가격 하락의 경우 전기자동차의 수요는 전망치보다 상회할 것으로 예상된다. 앞으로 모든 자동차는 전기자동차로 귀결될 것으로 보인다. 우선 저렴한 유지비와 무공해, 무소음 이며 간단한 구조로 고장이 거의 없으며 저렴한 가격으로 보급이 예상되기 때문이다.
미국의 Tesla Motors사가 양산하고 있는 TEALA Model S는 전기만을 사용 한번 충전으로 480km의 거리를 주행할 수 있으며 45분의 짧은 충전시간과 100km 도달시간이 5.6초 그리고 약 5천만 원의 저렴한 가격을 자랑하고 있다.

전기자동차의 구성 부품                 
자동차의 전동화로 구성부품이 일대 변화가 일어나고 있다. 현재의 내연기관 자동차의 부품수가 약 3만 개의 부품으로 구성되어 있으나 EV는 약 3,000 개로 매우 단순한 구조로 구성되며, 자동차 부품산업의 업체 및 수요 구조가 크게 변화될 것이 예상 된다. 전기자동차 부품 중 리튬2차전지에 많은 비용이 들어가며 이것이 해결되면 가솔린 차량보다 저가로 생산이 가능하여 보급이 가속화 될 것으로 예상된다. 그림 1은 EV의 구성부품을 보여주고 있다.



내연기관 자동차의 구동력은 엔진에서 나오지만 전기자동차는 모터에서 나온다. 초기에는 DC 모터를 많이 사용하였으나 최근에는 AC 모터나 브러시리스 DC 모터를 사용하는 것이 대세이다. 특히 모터가 바퀴의 안쪽에 직결되어 직접 구동하는 인-휠-모터(In Wheel Motor)는 차체 골격을 최적화 해 충돌 안전성을 향상시키고 최적화된 질량 배분으로 운동성능을 향상시키면서 실내공간을 확대할 수 있는 이점이 있다.
현재 국내 전기자동차용 모터의 개발, 생산을 추진하고 있는 업체로는 현대모비스, 효성중공업, 현대중공업, S&T대우, 엠비성산, 브이씨텍, 키네모숀 등이 있다.

모터 제어장치(MCU: Motor Control Unit)     
인버터(invertor)는 배터리의 직류전원을 전기모터에 사용할 교류전원으로 변환시키고 정확한 충전을 유지한다. 모터의 회전속도와 토크를 조절하여 준다. 직류모터를 사용하는 전기자동차는 인버터가 필요 없지만, 고성능 교류 모터를 사용하기 위해서는 주파수와 전압 및 회전수와 토크를 자유롭게 변화할 수 있는 인버터가 요구된다. 인버터는 변환 주파수 1~20kHz, 용량 10~300kVA인 가변전압가변주파수(VVVF: Variable Voltage Variable Frequency)의 인버터가 사용된다.
컨버터(convertor)는 인버터와 정반대로 교류를 직류로 변환시키는 장치이다. 일반적으로 전기자동차에는 제동회생 시스템이 적용되며, 감속시 교류모터가 교류발전기로 변환되어 발전하는 회생제동력(regenerative braking power)을 조정하는 역할을 담당한다. 인버터와 더불어 EV 및 HEV용 동력 전달 및 추진시스템(power-train system)에서 중요한 역할을 담당한다.
EV의 배터리는 재충전이 가능한 2차전지가 이용되며 최근에는 리튬이온 2차전지가 대세이다. 배터리 관리 시스템(BMS: Battery Management System)은 배터리의 충전, 방전 조절, 전압/전류/온도 감시, 냉각제어 등을 수행한다. 배터리, BMS에 관해서는 다음 호에서 상세히 기술 할 것이다.
EV 충전시스템은 EV가 활용되기 위해서는 꼭 필요한 중요한 국가 인프라이다. EV 충전시스템은 충전방식, 연결방식, 통신 및 제어방식에 따라 구분하고 있다. 충전방식에 따라서는 접촉식(conductive), 유도식(inductive) 및 배터리 교환방식(battery swapping)으로 구분할 수 있다. 전기적 연결장치는 주유기에 해당하는 커넥터(connector) 및 주유구에 해당하며 EV에 장착되는 인렛(inlet)이 있으며 단상 및 삼상 교류용, 직류 전용 그리고 교류 및 직류가 함께 있는 콤보(combo)형이 있다.
비접촉식 충전방식은 충전소 바닥에 교류를 발생시키는 급전 선로를 자성재료(core)와 함께 매설하고 자동차 바닥부에는 지하에서 발생한 교류에 의한 자기장을 받아 유도전류를 발생시켜 에너지를 전달받는 집전장치에서 발생된 전류는 정류기를 거쳐 배터리로 충전되는 방식이다.

전기자동차 배터리        

배터리 기술의 개요                   
EV의 각 부품 중에서 가장 중요한 역할을 하는 것이 바로 배터리이다. EV에서 연료 역할을 하는 전기를 저장하기 때문이다. 배터리는 배터리 셀(cell), 모듈(module), 배터리 관리 시스템(BMS), 냉각장치 등으로 구성되어 있다. 셀은 양극, 음극, 전해액, 분리막, 덮개로 구성되어 있다. 배터리 팩에는 배터리의 상태를 측정하고 통제하는 BMS와 냉각장치가 부착되어 있다.
배터리는 전기화학 반응을 이용하여 화학에너지와 전기에너지를 상호간에 자유롭게 변환시킬 수 있는 장치이다. 배터리의 기본 셀은 음극(anode or negative electrode)과 양극(cathode or positive electrode) 2개의 전극 활물질이 분리막(separator)에 의해 떨어져 있다. 두 전극 사이에는 이온 전달을 가능케하는 전해질(electrolyte)로 채워져 있다. 이러한 단위 기본 셀들을 적층하여 단위 셀(single cell)을 만들고 적층하는 방식에 따라 원통형(Cylindrical), 다면형(Prismatic), 주머니형(Pouch) 및 타원형(Elliptic) 등으로 분류한다.
EV용 배터리에는 다음과 같은 것이 있으며, 표 2는 이들의 특성 및 성능을 비교한 것이다(◎은 아주 좋음, ○은 좋음, △은 보통을 나타내는 것임).

납축전지(lead acid battery)      
현재 대부분의 내연기관 자동차에 사용되고 있는 것이 바로 납축전지이다. 양극으로는 이산화납이 사용되고 음극에는 납이 사용된다. 전해질로는 황산이 사용된다. 초기의 전기자동차의 동력원으로 사용되었고 지금도 저급형 전기자동차에 간간히 사용되고 있으나 무게가 무거워 거의 사용되지 않고 있다.

니켈수소(NiMH) 배터리         
주로 전자기기의 충전기로 많이 사용되고 있었으며, 최근 Toyota의 HEV 배터리로 사용되기도 한다. 하지만 역시 무겁고 수명이 짧다는 약점 때문에 EV에는 적합하지 못하다.

리튬이온(Li-ion) 배터리            
휴대전화나 노트북 컴퓨터에 많이 사용되고 있으며, 무게가 가볍고 에너지 저장 특성이 좋은 장점을 가지고 있어 EV용으로 적합하나 가격이 비싸고 폭발 등의 문제가 남아있어 안전성에 문제가 있다.

리튬폴리머(Li-ion Polymer) 배터리           
차세대 전지로 주목받고 있으며 안정성과 효율이 좋다. 현재 일부 휴대폰 및 휴대형 전자기기에 사용이 되고 있으며 EV용으로도 주목을 받고 있다. 고체 또는 겔 상태의 폴리며 전해질을 사용하기 때문에 전지가 파손되어도 발화하거나 폭발하는 일이 없다.

LG화학의 리튬이온 배터리는 일본 업체들이 주도해 왔던 니켈수소 배터리에 비해 콤팩트한 구조이며 50%이상 높은 출력 밀도와 에너지를 가지고 있어 세계 최고 수준의 기술력을 인정받고 있다. 이에 친환경 자동차용 배터리 시장을 선점하고 독점적인 위치를 확보하기 위해 LG화학은 2013년까지 총 1조원을 오창 테크노파크에 투자해 차세대 배터리 산업의 메카로 육성한다는 계획을 가지고 있다.
세계 2위의 리튬이온 배터리 공급업체인 삼성SDI는 글로벌 경쟁력을 갖추기 위해 2009년 6월 독일의 Bosch와 합작하여 SB리모티브를 설립 본격적인 양산에 들어갔다. 미국의 Delphi와 2012년부터 하이브리드 상용차용 전지를 10년 동안 공급하는 계약을 체결하였다. 독일의 BMW와는 배터리 단독 공급 계약을 체결하였다. 2015년에는 세계시장의 30%를 점유하겠다는 목표로 배터리 개발에 박차를 가하고 있다.



SK이노베이션은 2008년 국내에서 중속 전기차 생산업체인 CT&T에 리튬이온 배터리를 공급해 ‘NEV e-zone’차량의 공동개발업체로 선정되었으며, 2009년에는 19만 대의 버스와 트럭을 생산하는 Daimler-Chrysler그룹의 Mitsubishi-Fuso에 배터리를 공급하기로 했다. 2012년 출시되는 현대자동차의 i10은 SK이노베이션의 배터리를 장착하고 있으며 한번 충전으로 최고 130km/h의 속도로 주행거리 160km까지 주행할 수 있다.

차세대 고용량 배터리             
전기자동차의 부품 수는 내연기관차 대비 60% 수준에 불과하며 그 구조도 매우 단순하기 때문에 배터리 가격을 제외할 경우, 가솔린차보다 저렴할 것으로 예상된다. 에너지 효율도 53%로 내연기관 자동차 보다 월등히 우수하다. 배터리의 현안 문제만 해결되면 자동차의 획기적인 혁신이 이루어 질 날이 멀지 않을 것으로 전망하고 있다.
일본 NEDO가 주관하는 차세대 자동차용 2차전지 개발 로드맵에 의하면 전기자동차 구동용 차세대 고용량 배터리는 1회 충전시 주행거리가 내연기관 자동차 수준인 500km 이상으로 주행 가능하게 할 수 있는 고에너지밀도 특성을 지니며, 기존 HEV 및 PHEV에 적용되는 니켈-금속수소화물, 리튬이온배터리의 용량 한계를 넘어서는 새로운 형태의 배터리로 보고 있다. NEDO가 작성한 그림 3의 개발 로드맵을 보면, 2030년을 목표로 차세대 전지의 개발과제를 추진하고 있음을 알 수 있다.



EV에는 일반적으로 충전과 방전이 가능한 2차전지인 리튬이온 배터리를 사용한다. 현재 한 번 충전으로 EV가 갈 수 있는 거리는 160km 정도이다. 현재 한국을 비롯한 선진국의 유명 연구소에서 개발하고 있는 리튬공기배터리는 전극으로 기존의 니켈이나 코발트 같은 금속 대신에 탄소를 사용한다. 한국의 선양국 한양대 에너지공학과 교수 연구진은 2012년 6월 ‘기존 전기차용 배터리보다 사용기간이 5배 정도 늘어난 EV용 차세대 고성능 리튬공기배터리 시스템을 개발하였다’고 밝혔다. 연구결과는 영국의 세계적 과학저널 ‘Nature Chemistry’ 인터넷 판에 실렸다. 한번 충전으로 약 820km(서울-부산 왕복 거리)를 주행할 수 있는 EV용 배터리 기술을 개발했다. 이는 가격도 저렴하고 무게도 가벼워 EV 실용화에 크게 기여할 것으로 전망하고 있다.
리튬공기 배터리는 무겁고 비싼 금속 대신에 싸고 가벼운 탄소를 사용하기 때문에 EV 무게와 가격을 크게 줄일 수 있다. 단위 부피당 에너지 보유량이 리튬이온 배터리의 10~11배이며 EV용 실제 배터리 팩으로 따지면 성능이 4~5배 이상 늘어나는 셈이다. 선 교수는 전극을 많이 넣고 공기 중의 수분과 이산화탄소가 양극으로 유입되는 것을 막는 기술 등이 개발되면 5년 뒤에는 상용화가 가능할 것이라고 말했다. 그림 4는 리튬공기 배터리의 작동원리를 나타낸다.



일본의 경우 충전이 필요 없는 리튬공기 배터리 개발에 성공하였다. 일본 과학기술연구소에 따르면 충전이나 교환대신 사용이 끝난 전지의 전극을 갈아 끼우면 재사용이 가능하다. IBM은 이론적으로 리튬 이온 배터리보다 1,000배의 에너지를 저장할 수 있는 리튬공기 배터리를 개발하고 있다고 한다.
일본 산업기술종합연구소(AIST: Advanced Industrial Science and Technology) 에너지기술연구부문 에너지계면기술연구그룹에서는 새로운 구조의 대용량 리튬공기 배터리를 개발하였다. 본 연구에서는 음극(금속리튬) 측에 유기 전해액을 정극(공기) 측에 수성 전해액을 이용하여 양자를 고체 전해질로 나누어 양전해액의 혼합을 방지한다. 고체 전해질은 리튬이온만을 통과시키기 때문에 전지반응은 고장 없이 진행되며 정극의 반응 생성물은 수용성이며 고체물질을 생성하지 않는다. 이 기술이 실용화 될 경우 EV의 성능은 크게 향상될 것으로 보고 있다. 에너지 집적도 현재의 리튬이온 배터리보다 6~7배 높기 때문에 EV의 항속거리가 늘어나는 것은 물론 충전에 대한 스트레스에서도 해방될 수 있다. 그림 5는 재활용 가능한 금속 리튬공기 배터리의 개념도이다.