“고유가·온난화, 미래자동차로 넘는다”

그린카 기술 어디까지 왔나?

2차 전지·전동모터 효율 ‘중요’
하이브리드·전기차 ‘최적 조합’ 과제

글로벌 무한 경쟁 속에 수출 주도형 국내 자동차 산업에서 차세대 친환경 ‘그린카 기술’은 우리나라가 살아남을 수 있는 유일한 길이다. 선진시장의 온실가스와 연비 규제 등 새로운 무역 장벽에 대응하고 선진국 고객들을 만족시키면서 중국과 인도 등 기술 후발국과의 기술격차를 유지해 경쟁우위 선점을 약속받을 수 있는 핵심역량이 되고 있다.

화석연료의 부족과 산유국의 고유가 정책은 에너지시장을 더욱 긴장시키고 특히 지구 온난화에 대한 우려는 이제 그린카, 친환경 자동차뿐만 아니라 모든 산업에서 요구되는 글로벌 이슈가 됐다. 그린카는 그린 동력시스템을 활용, 장착한 하이브리드자동차(HEV), 연로전지자동차(FCEV), 전기자동차(EV) 또는 이에 준하는 개선을 통해 기존 내연기관 대비 연비가 높고 배출가스나 CO₂ 배출량이 적은 클린디젤자동차(CDN)을 말한다.

자동차산업에서 그린카의 패러다임 변화는 글로벌 정치와 사회적인 문제와 연계돼 진행되고 있지만 아직 기술적 난제에 대해 완성차업체와 부품업체의 시각차가 은연하게 존재하고 있다. 특히 2만 개 이상의 부품들로 이뤄진 자동차를 완성차업체와 일부 부품업체가 기술선도하려 해도 1차, 2차 부품 공급업체들의 기술 수준에 따라 세계시장에서의 상품경쟁력이 확보되고 그린카부품 역시 전혀 다른 개념의 부품 생산이 필요해 많은 노력이 요구된다.

▶그린카 어떤게 있나
클린디젤자동차는 가솔린 자동차에 비해 CO₂ 발생이 20~30% 적기 때문에 선진국에서 자동차 CO₂ 대책으로 중점보급이 예상되고 있다. 연료직접분사식(GDI) 기술로 국내 천연가스버스 정책과 국내 LPG 승용차 시장에도 영향을 줬다. 미국에서 하이브리드자동차와 시장경쟁을 하고 있다. 하이브리드 자동차는 휘발유자동차에 비해 연비 및 CO₂가 50% 이상 저감 가능하고 신호등 대기와 저속운전이 많은 시내 주행에서 효과가 크다.

플러그인 하이브리드 자동차는 일본 HEV 기술에 대항하고 전기자동차보다 가까운 개념으로 미국중심으로 개발추진 중이다.PHEV의 선두 주자인 제너럴 모터스는 2010년 ‘볼트’생산했고 일본 도요타는 2007년부터 PHEV 차량도로테스트를 시작했으며 5년 내 국내PHEV 기술 상용화가 예상된다. 연료전지 자동차는 연료전지기술의 상용화가 핵심이며 2030년 이후 기존 내연기관 자동차 대체로 예상되지만 실용화를 위한 기술적, 경제적인 과제가 산적해 있다.

자동차 제조사 단독 개발은 어렵고 산학연 연계 기반 구축과 연구 지원이 필요하다. 기술적인 문제에서 주행거리 200km 이하의 단거리용 소형차는 전기차, 주행거리 500km이상의 중·대형차는 연로전지차로 병행 개발하는 추세다.한국산업기술평가관리원이 Toyota의 Prius 3세대 모델을 시작으로, IMA(Integrated Motor Assist) 방식과 1,300cc의 소형 엔진으로도 우수한 연비와 주행성능을 자랑하는 HondaInsight 2세대 모델, 그리고 플러그인 하이브리드 전기 차량인 GM Chevrolet의 Volt와 순수한 전기 차량인 Nissan의 Leaf를 선정해 기술 분석을 수행한 결과를 살펴봤다.

▶Toyota사의 대표적인 하이브리드 자동차 Prius
Prius는 40km/h 이하의 저속에서는 전기 모터로 구동하며 그 이상의 속도와 부하 주행에서는 엔진이 구동되고 전기 모터가 보조하는 동력배분형 하이브리드 자동차이다.Prius 3세대의 고효율화에 기여하는 핵심 기술은 기존 벨트로 구동되던 워터 펌프, 브레이크 부스트 펌프 및 컴프레서와 같은 부품을 엔진의 구동과 상관없이 차량의 주행 중에 필요한 순간에 구동할 수 있는 On - demand화해 효율을 향상시킨 Beltless 전동화 엔진의 역할도 큰 것으로 판단된다.

반면 Prius의 엔진은 하이브리드만을 위한 전용 엔진이 아니라 기존에 양산되고 있는 1,800cc 엔진의 주요 부품을 전동화 한 것으로 하이브리드 전용 엔진을 사용할 경우 효율 향상이 가능할 것으로 기대된다.

▶Honda사의 하이브리드 자동차 Insight 기술 분석
Insight 2세대 모델은 1300cc의 소형엔진임에도 공인 연비가 23.0km/ℓ수준의 하이브리드 형식의 그린카다.Insight 2세대는 Prius 모터 출력의 10분의 1 수준인 10kW의 소형 모터를 이용한 마일드형 하이브리드자동차임에도 불구하고, 1,300cc의 SOHC i - VTEC 엔진과 소형·경량화를 추구한 IMA(Intergrated Motor Assist) 시스템의 조합으로 우수한 연비와 주행성능을 겸비한 하이브리드자동차다.

Insight 2세대 모델이 기존의 내연기관 및 하이브리드 차량과 가장 큰 차이점을 보이는 것은 진보된 엔진의 특성으로, 1,300cc의 소형 엔진이면서 SOHC 시스템을 적용하고 있지만 피스톤 상부 형상과 실린더 헤드의 형상을 Swirl flow가 형성될 수 있도록 하여, Twin plug 시스템으로 순차적 점화로 아이들링 및 가속 시에도 완전연소의 비율을 높이고 있는 구조다.

반면, Insight의 IMA 시스템의 전원은 0.58kWh 용량의 Ni - MH 배터리로 파워 컨트롤 유닛에 포함되어 있으며 전기적인 안전성 확보를 위해 저밀도의 원통형 구조이기 때문에 실제 주행에서 지속적인 전동 모터의 보조를 위한 배터리의 용량이 부족한 것으로 나타났다.

▶GM사의 플러그인 하이브리드 Chevrolet Volt 기술 분석
GM Chevrolet Volt는 111kW의 전기모터를 주동력으로 하며 배터리 용량은 16kWh로 완충된 배터리로는 최대 80km까지 주행할 수 있고 일정 수준 이하의 배터리 용량에서는 1,400cc 엔진을 이용, 발전을 통하여 주행거리를 연장시키는 RE - EV(Range Extended Electric Vehicle) 방식의 Plug - in 하이브리드 자동차이다.

리튬이온 배터리가 20% 이하의 SOC 상태에서는 주동력 모터와 동력보조 및 발전용 모터 사이의 클러치 단속이 이루어지고 발전용 모터는 엔진과 클러치로 연결되어 전원을 공급하는 방식의 Range extended 시스템이 적용되어 Plug - in 전기자동차의 주행가능거리 한계 극복을 실현했다. 

반면, Volt의 엔진은 주행구동이 아니라 발전을 위한 엔진으로 GM에서 Volt의 Plug - in hybrid에 적용하기 위한 전용엔진으로 개발한 것이지만, 발전만을 위한 목적으로 사용할 때 기술적으로 효율 개선이 가능 할 것으로 보인다.

▶Nissan사의 순수 전기자동차 Leaf 기술 분석
Leaf는 5도어 준중형 해치백이며, 완전충전으로 160km 이상 주행이 가능하고 최고 속도는 140km/h, 배터리는 라미네이트 구조의 Li - ion 전지로 용량은 24kWh, 모터는 싱크로나이즈 3상 교류 모터로 80kW급으로 107마력 정도의 출력을 갖춘 순수 EV이다.

1회 충전에 의해 160km 이상의 주행거리를 달성해 순수 전기자동차의 최대 주행거리를 증대 하였으며, 신개념의 차체 설계를 바탕으로 한 배터리 충돌 안전관리로 배터리 및 승객의 안전성을 모두 확보할 수 있었고, 별도의 냉각 시스템 없이 배터리의 열관리가 가능한 기술적 진보를 제시했다.

▶그린카의 미래 핵심기술
그린카의 신동력 시스템에서 핵심기술은 고전력밀도의 2차 전지 소재기술과 전동모터의 효율을 경제적으로 향상할 수 있는 획기적인 소재가 필요하고 특히 희귀금속의 자원 무기화에 대응하기 위한 희토류 소재의 사용을 최소화하는 배터리 및 구동시스템의 등장이 예상된다.

고효율 2차 전지 및 전동모터의 효율 향상을 위한 기술개발은 단기간에 진행할 수 없는 기술적인 난제이기 때문에 현재까지 개발된 그린카와 관련된 기술을 하이브리드 및 전기자동차의 관점에서 최적으로 조화하는 기술을 통해 기술적 과도기의 공백을 메울 수 있는 전략적 기술 선택도 필요할 것으로 보인다.

또한 차량 레벨의 시스템 최적화뿐만 아니라 지능형 기술과의 융합을 통한 시스템 최적화 및 고효율화 기술의 적용이 가속화될 것으로 판단되고 경제성이 검증된 모든 에너지의 활용 기술이 사용될 것으로 예측된다.

에너지회수, 그린 드라이브 등의 제어기술이 차량 성능에 많은 영향을 미칠 것으로 예상되며, 제어 S/W가 H/W의 단점을 극복하는 역할을 하게 될 것으로 보이고 주행상황 예측 및 기능 모니터링에 기반으르 둔 차량 제어 기술이 적용되어 성능향상과 Fail - Safety를 가능하게 할 것으로 판단된다.

특히 경량화는 모든 그린카에 있어서 공통적인 기술로써 에너지저장 및 구동시스템의 중량 증가를 상쇄할 수 있는 가장 현실적인 방안으로, 차량의 안전과 비용을 고려해 최적화된 소재의 활용이 예상되어지고 있다.