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'전기차, 매력없으면 안 탄다'···시장 보급 방안은?

[일본생생통] 일경 오토모티브 '전기차 격전 시대, 개발처방전' 주제로 특집기사
전기차 보급위한 차별화 방안 분석
자료제공=해동일본기술정보센터, 정리=김지영 기자 orghs12345@HelloDD.com 입력 : 2019.05.23|수정 : 2019.05.24
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유럽과 중국 시장을 중심으로 전기자동차(EV)의 경쟁이 치열해지고 있다. 소비자들이 EV를 받아들이려면 저비용과 고속충전, 신시대의 자동차로서 매력이 중요하다.

환경규제의 배경으로 EV시장에 투자를 미룰 수 없는 가운데, 필요한 신기술, 디자인 등 차별화 대책은 어떻게 세워야할까. 일본 매거진 일경 오토모티브(日経Automotive)4월호가 'EV 격전 시대, 개발처방전'을 주제로 특집 요약 기사를 실었다.
 
자세한 내용을 하단에 소개한다.

 일경 오토모티브가 지난 4월호 매거진을 통해 '전기자동차 격전 시대, 개발처방전'을 주제로 기사를 실었다. 전기자동차 차별화 대책을 어떻게 세우면 좋을지 등을 살펴볼 수 있다.<사진=해동센터 제공> 일경 오토모티브가 지난 4월호 매거진을 통해 '전기자동차 격전 시대, 개발처방전'을 주제로 기사를 실었다. 전기자동차 차별화 대책을 어떻게 세우면 좋을지 등을 살펴볼 수 있다.<사진=해동센터 제공>

 
EV 격전 시대, 개발 처방전
늦출 수 없는 EV의 차별화
 

전기자동차(EV)는 단순히 내연기관을 모터로 전환한 자동차를 말하는 것이 아니다. 참신한 프로포션, 넓은 내부, 높은 응답성·분해능의 운동제어에 기초한 뛰어난 안정성과 승차감 등 설계에 따라서 지금까지 이상으로 매력적인 자동차를 만들 수 있다. 과제인 항속거리도 길어졌다. 디젤차 수준의 가격을 실현하겠다고 공표한 업체도 나왔다. 현실이 된다면 보급은 단번에 가속될 것이다. 환경 규제의 강화를 배경으로 많은 자동차기업이 속속 시장에 투입하고 있다. 경쟁 격화는 피할 수 없다. EV의 차별화가 관건이다.
 
◆ Part 1. 늦출 수 없는 EV의 차별화
규모 확대로 개발은 총력전 양상

 
전기자동차(EV)의 개발은 기업의 장벽을 초월한 총력전의 양상을 보이고 있다. 그 필두가 독일 폭스바겐이다. EV전용 플랫폼을 개발해 그룹 전체에서 공용하며 대폭의 저비용화를 목표하고 있다. 자동차업체가 EV로 시프트하는 이유는 환경 규제가 점점 강화되고 있기 때문이다. 잇따른 새로운 EV의 투입으로 EV 경쟁은 격화되고 있어 차별화가 한층 중요해졌다.

폭스바겐은 '가솔린차 수준의 항속거리를 보유한 EV를 디젤차 수준의 가격으로 시장에 투입한다'는 목표를 위해 빠르게 움직이고 있다. EV 전용 플랫폼 'MEB'를 개발. 독일 아우디, 스페인 SEAT, 체코 Skoda Auto, 폭스바겐 상용차 등의 폭스바겐그룹에 전개한다. MEB 적용 차량의 연간 판매 목표는 폭스바겐 단독으로 2020년에 15만대, 25년에 100만대다. 그룹 차원에서는 누계 1000만대 이상의 MEB 적용 차량 판매를 목표하고 있다.

양산 규모를 확대해 EV의 저비용화를 강력하게 추진한다. 폭스바겐이 19년 1월에 제휴를 발표한 미국 포드 모터도 MEB를 적용하면 효과는 더욱 확대된다.

EV를 본격적으로 시장에 보급시키기 위해서는 저가격화가 중요하다. 특히 대중용 EV에서는 필수다. 시장조사회사인 IHS마킷은 "고객은 구입 가능한 가격대가 되지 않으면 대리점을 방문하지 않는다. EV를 알리고 시승까지 유도하기 위해서는 저가격화는 필수다"라고 단언한다.

현재의 EV는 가솔린차와 비교해 대략 배터리만큼 가격이 비싸다. 미국 J.D.Power and Associates의 일본법인 J.D.Power Japan의 야마모토(山本) 사장은 "가솔린차의 엔진, 변속기, 연료탱크, 배기 관련 비용과 EV의 모터, 기어박스, 인버터, 전동 브레이크나 전동 에어컨과 같은 전동화 비용이 대략 비슷하다"라고 말한다.

실제, 닛산자동차가 19년 1월에 발매한 62kWh의 배터리를 탑재한 EV '리프e+'는 항속거리를 가솔린차에 육박하는 수준인 458km(WLTC)로 늘렸다. 가격은 416만2320엔부터로 가솔린차나 디젤차와 비교하면 아직은 고가다. 40kWh의 배터리를 탑재한 EV '리프'의 동급 차량(366만1200엔)과도 50만1120엔의 가격 차가 있다. 이 가격 차를 22kWh분의 배터리 가격이라고 가정해서 계산하면, 배터리 가격은 2만 2778엔/kWh이라고 할 수 있다.

국제에너지기관(IEA)과 컨설팅업체 아서디리틀 재팬의 시산에 따르면, TCO(Total Cost of Ownership)에서 EV가 가솔린차 수준이 되기 위한 배터리 비용은 1만2000엔/kWh이다. 여기에는 아직 큰 간격이 있다. 차량 가격이 디젤차 수준이 되려면 이를 훨씬 초월하는 저비용화가 필요하다.
 
- 타사와의 연계로 규모 확대 
- 차별화를 위한 3개의 방향성 

 
◆ Part 2. 실제 차량으로 배우다
넓은 내부와 운동 제어에 선진성

 
중국과 유럽 시장을 중심으로 경쟁이 더욱 치열해지는 전기자동차(EV). 소비자들이 받아들이기 위해서는 저비용화와 함께 '인내하지 않아도 된다'와 '신시대의 자동차로서의 매력'이 중요하다. 신형 EV나 차기 EV에서는 100% 충전 시의 항속거리 연장을 도모하면서 패키징이나 운동제어에서 EV의 차별화를 추진한다.
 
환경 규제 강화를 배경으로 많은 자동차업체가 EV를 시장에 투입하고 있다. 그 움직임은 이미 18년부터 시작되었고 19년 이후에는 더욱 가속될 것이다. Part2에서는 18년 이후에 발매된 신형 EV나 19년 이후에 발매 예정인 차기 EV의 대표적 차종에 초점을 맞춰 EV 차별화 대책에 대해 살펴 본다.
 
- EV만의 외관과 넓이 
18년에 과거 최고의 판매 대수를 기록한 것은 영국 Jaguar Land Rover(JLR)그룹의 고급차 브랜드 'Jaguar'다. 전년 대비 1.2% 증가한 18만833대를 기록하였다. JLR그룹에 따르면 이를 견인한 것은 소형 SUV 'E-PACE'와 SUV 타입의 EV 'I-PACE'다(18년 3월 발매).

I-PACE의 차별화를 위해 JLR그룹이 특히 의식한 것이 EV 시대에 적응하는 새로운 스타일링과 최고 클래스에 필적하는 내부 공간 및 EV만의 가속 성능을 최대한으로 이끌어내는 공기저항의 저감이다. 그러한 '신시대의 자동차로서의 매력'을 높이면서 한편으로는 선진 열관리시스템을 적용하여 항속거리를 470km(WLTP)로 내연기관(ICE)차 수준으로 연장하여 '인내하지 않아도 되는' 자동차를 위해 진화시켜 왔다.

I-PACE가 실현한 EV 시대에 적응하는 새로운 스타일링이라는 것은 차량 내부를 프런트 보닛 측으로 넓힌 '캡 포워드 디자인'을 말한다. EV 전용으로 개발한 플랫폼을 활용하여 휠베이스를 길게, 오버행을 짧게 하였다. ICE차에서는 실현할 수 없는 EV만의 프로포션이라고 할 수 있다. 또한 SUV이면서 쿠페와 같은 유선형의 실루엣과 낮고 짧은 프런트 보닛, 다운 포스를 높이는 루프 모양을 조합하여 아름다움과 속도를 표현하였다.

이러한 프로포션의 변경과 함께 I-PACE에서는 용량 90kWh의 배터리를 전후의 차축(axle) 사이의 낮은 위치에 배치함으로써 좌석의 위치를 낮게 설정하여 968mm의 헤드룸(사람 머리 꼭대기와 천장의 거리)을 확보. 긴 휠베이스를 활용하여 레그룸(뒷좌석 사람의 무릎과 앞 좌석의 거리)도 890mm로 넓게 설정. 중형 SUV이면서 대형 SUV 'F-PACE' 수준의 넓은 내부 공간을 실현하였다.

또한 프런트 보닛 아래에 배치하는 앞부분의 전동 액셀(모터, 기어박스, 인버터(모터구동회로 포함))이 엔진이나 변속기와 비교해 소형이 가능하기 때문에 프런트 보닛 밑에도 용량 27L의 앞 트렁크를 설정. 기존에는 센터터널이 차지했던 공간도 용량 10.5L의 수납 공간으로 활용한다. 뒷부분 트렁크(용량 656L)까지 총 690L 이상의 넓은 공간을 확보하였다.

한편, 공기저항의 저감을 위해서는 유선형의 실루엣과 다운 포스를 만드는 루프 모양을 채용, Active Vane이나 격납식 도어 핸들, 에어서스펜션(옵션)을 활용하였다. Active Vane은 프런트 그릴 내에 설치한 개폐 가능한 플랩을 말한다. 이 플랩으로 프런트 윈도우의 상면에서 루프에 걸쳐 공기의 정류를 만들어 공기저항을 낮춘다.

플랩을 열면 이 공기 정류의 일부가 배터리나 모터의 냉각과 내부 공조에 사용하는 공기가 된다. 격납식의 도어 핸들은 도어 패널과의 턱을 없애기 때문에 공기저항을 낮출 수 있다. 또한 에어서스펜션을 사용하여 105m/h의 속도로 순행 중에는 자동적으로 차고를 10mm 낮춰 공기저항을 한층 더 줄여 공기저항계수(Cd치)에서 스포츠카 'F-TYPE' 수준의 0.29를 실현하였다.
 
- 배열이나 에어컨의 냉방 능력을 활용 
항속거리의 연장을 위해 I-PACE가 활용한 것은 히트펌프 프로세스를 사용한 선진 열관리시스템이다. 이것으로 인해 배터리를 이상적인 작동 온도인 20~25도로 유지하여 배터리 효율을 높이고 차량 내부의 난방·제습에 외기나 전동구동시스템(모터, 인버터, 배터리충전제어모듈, DC-DC컨버터)의 열을 이용할 수 있도록 하였다. 히트펌프 프로세스를 사용하면, 예를 들면 1kWh의 전력 투입으로 2.5kWh의 열에너지를 얻을 수 있다고 한다.
 
I-PACE가 적용한 열관리시스템은 전력구동시스템, 내부 공조(난방·제습), 배터리와 같은 3계통의 냉각회로로 이루어진다. 이들 냉각회로 중에 히트펌프로서 작동하는 몇 개의 요소를 배치하여 보다 쾌적한 배터리의 온도 조정과 배열 이용을 가능하게 하였다. 각 냉각회로에는 각각 개별의 전동 펌프를 설치하여 냉각수를 순환시킨다. 냉각수는 전동구동시스템과 내부 공조의 두 냉각회로에서는 공용. 보다 엄격한 온도 조정이 필요한 배터리 냉각회로만 다른 냉각수를 사용한다.
 
히트펌프로서 작동하는 요소는 구체적으로는 배터리의 냉각회로인 '(1)전동 쿨러', '(2)열교환기', 전동구동시스템의 냉각회로인 '(3)전동 쿨러', 내부 공조의 냉각회로인 '(4)간접응축기' '(5)히터코어'를 말한다.
 
(1)의 전동 쿨러는 에어컨의 냉매로 배터리 냉각수를 식히기 위한 것, (2)의 열교환기는 내부 공조에 쓰이는 냉각수로 배터리의 냉각수를 가열하기 위한 것이다. (3)의 전동 쿨러는 에어컨의 냉매로 전동구동시스템의 냉각수를 식히는 역할이다. (4)의 간접응축기는 (3)의 전동 쿨러로 전동구동시스템에서 회수한 열이나 에어컨용 라디에이터로 외기에서 회수한 열을 에어컨 냉매를 매개로 내부 공조의 냉각수에 전달하는 것이다. (5)의 히터코어는 내부 공조의 냉각수의 열로 내부 공기를 따뜻하게 하는 역할을 한다.
 
- 온로드도 오프로드도 높은 수준으로 
- 고속 주행을 길게, 운전을 안전·쾌적하게 
- 배터리 구조 재검토로 기본 성능을 향상 

 

◆ Part 3. 부품·요소 기술에 새로운 흐름
진행되는 일체화와 전자 기반의 쇄신

 
EV 격전 시대를 대비해 부품업체도 EV용 부품·요소 기술의 개발을 가속하고 있다. 그중에서도 특히 주력하고 있는 것이 전동파워트레인과 운동제어 영역이다. 전동파워트레인에서는 일체화를 통한 소형·경량·고효율·저비용화를 추진, 운동제어 영역에서는 차량탑재 전자 기반의 구조를 재검토하고 있다.
 
자동차가 전기자동차(EV)가 됨으로써 크게 바뀌는 것은 파워트레인이다. 그리고 그 전동화로 큰 은혜를 입는 것이 운동제어다. Part3에서는 그 양자에 대해 EV의 차별화를 위한 부품업체의 대책을 살펴본다.
 
-일체화가 진행되는 전동 액셀 
이번 취재에서 많은 전문가들은 "전동 액셀은 일체화의 방향으로 움직이고 있다"라고 말했다. 전동 액셀은 모터나 인버터(모터구동회전 포함), 기어박스(감속기와 차동톱니바퀴장치(디프렌셜 기어))로 구성되는 전동구동시스템을 말한다. 독일의 보쉬, 콘티넨탈, ZF, 미국의 BorgWarner, 일본의 AISIN AW, 일본전산, 프랑스 발레오 등이 그 일체화에 적극적이다.
 
전동 액셀을 일체화하는 이점은 소형·경량화, 효율화, 저비용화가 가능해진다는 점이다. 보쉬 일본법인의 기요타(清田) 씨는 "모터나 인버터를 냉각하는 물 저장소를 한 곳으로 하여 냉각수 출입구를 하나로 하거나, 인버터와 모터를 연결하는 두껍고 긴 케이블을 짧은 버스바(동판)로 변경하거나, 모터와 기어박스를 한 쌍으로 한다는 전제로 설계하면 베어링을 줄일 수도 있다"라고 설명한다.
 
부품 개수의 삭감은 소형·경량화나 저비용화에 기여, 버스바를 이용한 합리적인 접속은 고효율화와 저비용화에 기여한다. 소형화가 실현되면 차량의 설계 자유도가 향상된다. 경량·고효율화가 가능해지면 100% 충전으로 달릴 수 있는 항속거리가 길어지고 전력 소비율 개선, 가속력과 최고 속도가 향상된다.
 
이러한 전동 액셀의 라인업은 부품업체에 따라서 차이가 있다. 전동 액셀에는 차축(axle)을 접속하는 축과 모터 축을 동일 직선상에 배치한 동축형과 두 축을 평행하게 배치한 평행축형의 2종류가 있다. 또한 감속기를 사용하는 것과 감속기를 변속기로 대체한 것, 모터에 영구자석형동기모터(PSM)를 사용하는 것과 유도모터(IM)를 사용하는 것이 있다. 일반적으로 동축형이 소형·경량이지만 평행축형이 탑재 유연성이 높다. IM은 PSM과 비교해 크지만 고속에서의 효율이 높아 비용도 싸진다.
 
PSM과 감속기를 사용하는 평행축형을 대상으로 일체형의 전동 액셀을 갖춘 곳이 보쉬다. 19년에 C, D세그먼트용 최고출력 150kW품의 양산을 시작, 이어 E세그먼트용 200kW품의 제품화를 예정하고 있다. 계속해서 스포츠카용 300kW품도 목표하고 있다. 이처럼 보쉬가 라인업을 PSM과 감속기를 사용하는 평행축형으로 한정한 이유는 기본 설계의 유용과 생산량 확대를 통한 저비용화를 기대할 수 있기 때문이다. 한편, 보쉬는 최종적인 조합이 10만개에 달하는 파라미터 설계(다목적 최적화 설계)를 적용함으로써 외관은 바꾸지 않고 고객 업체의 요구에 맞춘다.
 
콘티넨탈도 보쉬와 마찬가지로 일체형에서는 PSM과 감속기를 사용하는 평행축형부터 시작한다. 19년에 C, D세그멘트용 150kW품의 생산을 시작하는 점도 보쉬와 같다. 그러나 다음 목표는 경자동차나 A, B세그먼트용 70kW품이다. 콘티넨탈의 파워트레인사업회사의 일본법인 CPT Japan(가칭)의 후쿠다(福田) 씨에 따르면, 현재 중국이나 유럽에서 검토 중인 EV는 C세그먼트가 많다고 한다.
 
- HEV의 지식을 활용하여 조용함 추구 
- 차량탑재 전자 기반은 탈·분산형 
 
<해동일본기술정보센터는 김정식 대덕전자 회장의 기부금으로 설립된 비영리 일본 기술정보센터입니다. 후학들이 선진 일본기술을 습득해 기술강국을 만드는데 기여했으면 하는 바람으로 2010년 3월 서울대학교 관악캠퍼스 공과대학 내에 개소했습니다. 다양한 일본 기술 서적과 일본 정부·산업계 백서, 기술보고서 등을 보유, 온·오프라인으로 정보를 제공하고 있습니다. 매주 발행되는 주간브리핑 신청은 hjtic@snu.ac.kr 로 가능합니다.>
자료제공=해동일본기술정보센터, 정리=김지영 기자의 다른 기사 더보기
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