| 한국자동차 공학회는 2009년 2월호 오토저널을 통해 플러그-인 하이브리드 자동차용 에너지 저장시스템 개발 동향을 소개하면서 전지기술을 확보하는 기업이 미래의 친환경자동차 시장을 지배할 수 있을 것이라는 내용을 전했다. 아래 그 전문을 글로벌오토뉴스 독자여러분께 소개한다.
플러그-인 하이브리드 자동차용 에너지 저장시스템 개발 동향
1. 배경 및 개요
산업의 발달, 인구의 증가, 경제 규모의 증대 등으로 인해 자동차의 보급이 확산되고, 유가 상승과 CO2를 포함하는 배기가스에 대한 전 세계적인 환경규제가 강화됨에 따라, 최근 친환경자동차 시장은 급격히 성장하고 있으며, 향후 세계 자동차 산업의 구조 재편에 결정적인 역할을 하게 될 것으로 예상된다.
글 / 이백행, 신동현 (Korea Automotive Technology Institute)
제공 / 한국자동차공학회 오토저널 2월호
특히, 대표적인 친환경자동차인 하이브리드 전기자동차(HEV; Hybrid Electric Vehicle)의 에너지 저장용량을 증대시키고, 외부에서 충전이 가능하도록하여 전기에너지로 주행 가능한 거리(AER; All Electric Range)를 확장시킨 구조의 자동차를 플러그-인 하이브리드 전지자동차(PHEV; Plug-in Hybrid Vehicle)라고 정의한다.
기존 대부분의 HEV의 경우 차량에 탑재된 배터리의 전기에너지를 이용하여 저속운전 영역에서 약 1km~2km 이내의 짧은 거리만 순수 전기구동이 가능했던 반면, PHEV는 전기에너지를 이용하는 운전 영역을 고속영역까지 대폭 확대시킴과 동시에 순수 전기구동 주행거리를 수십 km 이상으로 확장함으로써, 내연기관의 사용을 최소화하고 효율을 극대화하여 CO2의 배출량 및 연료 연료소모량을 저감하고, 대기 환경부하 저감 등의 효과를 기대할 수 있는 환경친화적인 자동차이다.
플러그-인 하이브리드 자동차의 성능, 연비 및 주행거리 등은 에너지 저장장치에의 특성과 용량에 따라 결정적인 영향을 받게 된다. PHEV용 에너지 저장장치는 HEV용 저장장치와는 다른 상대적으로 가혹한 운전조건에서 사용되게 되므로, PHEV의 보급은 자동차용 에너지 저장시스템의 새로운 기술 개발 및 도입을 촉진시키는 촉매제 역할을 할 것으로 기대된다.
한편 각국의 전문가로부터 친환경자동차의 기술개발과 양산 가능성에 대한 의견을 종합한 한 보고서에 따르면, 현재 시장에서 판매되고 있는 HEV의 후속 양산 가능 기술로서 PHEV를 꼽고 있다. 이는 PHEV를 구성하는 시스템이 에너지 저장시스템과 차량에 대한 운용 제어로직을 제외하고는 HEV를 구성하는 시스템과 상당히 유사하기 때문에, 이를 근간으로 상용화를 위한 개발이 상대적으로 용이할 것으로 판단하고 있는데 따른 것으로 보인다.
우리나라는 지난 2008년 광복절 경축사에서‘저탄소 녹색성장’을 국정 기본전략으로 발표되었으며, 특히 기후변화협약에 대응하고 지속적인 경제성장과 고용 창출을 위해서 에너지 절약, 신재생에너지 개발, 친환경산업 육성 등이 강조되고, 자동차산업분야에서는‘2013년 그린 카 4대 강국 진입’을 목표로 설정하였다.‘ 그린 카(Green Car)’는 지구온난화 유발원인 CO2와 유해배출 가스 등을 기존 내연기관자동차에 비해 획기적으로 줄인 자동차로 플러그-인 하이브리드 자동차와 연료전지자동차 및 클린 디젤자동차 등이 포함된다. 일반적으로 엔진과 함께 전기모터를 사용하여 차량을 구동하는 친환경자동차에 있어 에너지 저장시스템은 차량의 성능에 직접적으로 영향을 미치는 중요한 핵심기술이며, 정부와 산업계에서는‘2013년 그린 카 4대 강국’목표를 달성을 위한 에너지 저장시스템의 중요성을 인식하고, 친환경자동차의 조기 개발 및 보급, 상용화를 위한 지원과 투자를 2008년부터 시작하였다.
2. 플러그-인 하이브리드 자동차 개발동향
2006년부터 본격적으로 미국을 중심으로 하여 차세대 친환경자동차로서 플러그-인 하이브리드 자동차가 부각되기 시작하였다. PHEV는 외부 전원계통으로 부터 전력을 공급받아 충전장치를 통해 차량에 장착된 에너지 저장시스템에 전기에너지를 저장하고, 차량 주행에 저장된 전기에너지를 사용함으로써 내연기관 즉, 화석연료의 사용을 최대한 억제하는 실질적인 무공해 자동차(Practical Zero Emission Vehicle)라고 할 수 있다.
해외의 여러 완성차 업체에서는 각종 전시회나 학회 등에서 개발 중인 PHEV를 가 소개하고 있으며, 이 가운데 가장 주목을 받는 차량은 GM이 발표한 Chevrolet‘ Volt’와 Toyota의‘1/X’Concept 등 이다.
GM은「Volt」에 A123 Systems에서 제공한 16kWh급 리튬이온이차전지를 장착하여 최대출력 130~140kW, 순수 전기구동 주행거리 40mile을 달성했다고 발표하였고, 실용화가 이루어지면 대당 연간 1,900ℓ의 연료절감과 4,400kg의 CO2 배출을 줄일 수 있을 것으로 예측하였다.
Volvo는 2007년 9월에 개최된‘Frankfurt International Motor Show Cars’에서 Volvo C30을 베이스로 한 PHEV를 전시하였다. AER은 약 100km이고, 만충전으로 150km를 주행하였을 경우 52.6km/ℓ의 연비를 보이며, SOC 30% 이하가 되면 엔진이 자동적으로 시동된다고 한다.
Chrysler는 Jeep Renegate 모델에 16kWh급 Li-Ion 이차전지와 200kW 모터 2개를 전륜과 후륜에 사용하여 구동력을 분배하는 Range Extender Type PHEV를 개발하여 40mile 의 순수 전기구동 범위를 구현하였다고 발표하였고, Toyota는 초경량 PHEV로써 500cc의 소형 엔진을 사용하는 Range Extender형 1/X 모델을 2010년 양산할 계획임을 발표하였다.
3. PHEV용 에너지 저장시스템 개발동향
일반적으로 PHEV는 HEV와 달리 외부로부터 전기에너지를 공급받아 저장장치를 완전히충전하고, 이 후 주행 중에 충전된 에너지를 모두 사용하는 형태로 운전되므로 Charge Depletion Mode Operation), 순수 전기자동차의 저장장치 운용형태와 유사하게 넓은 사용영역과 심방전(Deep Discharge) 운전에 대응이 가능하고, 우수한 에너지 특성이 요구된다. 또한 일정 충전 상태(SOC: State of Charge) 이하에서는 기존 HEV와 동일한 형태로 운용되나, 기존 HEV보다 상대적으로 낮은 SOC 영역에서 사용되므로, 성능 및 수명을 확보할 수 있는 뛰어난 출력 특성이 필요하다.
즉, PHEV용 에너지 저장시스템은 에너지 특성이 우수한 전기자동차용 저장장치의 요구과 출력 특성이 중심이 되는 HEV용 저장장치의 요구를 동시에 만족시킬 수 있는 시스템을 필요로 하며, PHEV의 보급 및 시장 확대를 위하여 저장장치의 에너지 밀도, 출력밀도, 수명특성 및 가격등에서 상당한 진보가 필수적이다.
현재 양산 시판되는 대부분의 HEV에 탑재되어 있는 저장장치는 Panasonic EV Energy와 Sanyo에서 공급한 니켈수소전지로, 저속에서 2~3km 미만의 거리만 순수 전기구동이 가능하며, PHEV에서 요구되는 10~40mile 이상의 순수 전기구동거리를 확보하기 위해서는 이차전지의 성능 (체적당 에너지 밀도, 중량당 에너지 밀도, 내구 성능, 안전성)을 향상시키고 가격을 낮추는 기술개발이 요구된다.
전지용량의 경우, HEV가 약 1~2kWh의 용량을 필요로 하는 것에 비해 PHEV에서는 약 5~15kWh의 용량이 요구되며, 또한 HEV에서 사용되는 전지 운용구간은 약 ±10% 범위에서 운용되지만, PHEV는 통상 70%까지 운용 범위를 요구하기 때문에 이를 위한 개발이 수반되어야 한다.
해외에서 PHEV용 에너지 저장시스템에 관해 개발 중인 것으로 알려진 내용을 요약하면 아래 <표 2>와 같다.
4. 결론
현재 전세계적으로 일본 자동차 업체가 주도하고 있는 친환경자동차 시장에 경쟁력을 갖고 진입하기 위해 집중적으로 개발해야 할 분야로서 에너지 저장시스템 분야를 들 수 있다. 우리나라에서도 정부와 완성차 업체를 포함하는 유관기관들을 중심으로 에너지 저장시스템의 전략적 중요성을 인지하고 있으며, 2008년부터 산∙학∙연이 공동으로 참여하는 PHEV용 에너지 저장시스템 개발이 본격적으로 시작되었고, 특히 자동차전략기술개발사업을 통해 자동차부품연구원이 주관하고 현대자동차, LG화학, SK에너지, 현대오토넷 등이 참여하는‘플러그-인 하이브리드 자동차용 에너지 저장시스템 및 제어, 운용기술개발’과제를 지원하고 있다.
이러한 적극적인 지원을 바탕으로 완성차 업계에서는 2012년 양산을 목표로 PHEV 개발에 매진하고 있으며, 2015년을 전후하여 본격적으로 전개될 것으로 예상되는 PHEV 시장에 성공적으로 진입할 수 있는 초석이 될 수 있을 것으로 기대된다.
기술혁신을 통한 자동차산업의 발전은 계속될 것이고, 친환경자동차와 에너지 저장시스템 기술은 변화의 중심에서 자동차산업의 지속적인 성장을 위한 원동력이 될 것으로 예상되며, 전지기술을 확보하는 기업이 미래의 친환경자동차 시장을 지배할 수 있을 것이라 확신한다. |