All About 전기자, STEP 1 전기차 충전

All About 전기차, STEP 1 전기차 충전

13기 정수인

 

그림 1. 테슬라 MODEL S ( 출처 : 테슬라 홈페이지 )

   친환경 전기자동차(Electric Vehicle, EV)의 확산이 거스를 수 없는 현실로 다가오고 있다. 가솔린 자동차의 배기가스 등으로 인한 환경오염, 그 중에서도 대기오염에 대한 우려와 함께 각국 정부의 기존 가솔린 자동차에 대한 규제로 전기차 확산속도가 점점 더 빨라지고 있다. Deutsch Bank는 2020년이면 전체 자동차 시장에서 전기자동차가 차지하는 비중이 20%에 육박할 것이라는 자료를 냈다. 그리고 이러한 주류에 발 맞춰 한국도 전기차 보급에 힘쓰고 있는 상황이다. 현재 한국 정부에서는 국민들에게 전기차로의 전환을 독려하지만, 전기차에 대한 새로운 연구들이 쏟아지는 상황에서 대부분은 전기차가 어느 정도까지 발전했는지를 한 눈에 파악하기 어렵다. 이러한 어려움이 전기차 보급에 하나의 장애물로 작용할 것이라 생각하여 전기차에 대한 다양한 연구들을 한 눈에 정리하는 것을 목표로 글을 작성해보려고 한다. 이번 기사는 특별히 그 중에서도 전기차 충전에 대한 연구를 살펴보고자 한다.

   전기차 충전에 대해 필자도 궁금한 것이 많다. 현실적으로 전기차에 대한 수요가 늘어났을 때 ‘가솔린 자동차만큼 편리하게 연료(전기)를 충전할 수 있을까?’ 하는 의문이 가장 먼저 들었다. 전기자동차를 완충하는 데까지 최소 20분의 시간이 걸린다면, 긍정적으로 생각했을 때 운전자는 그 시간 동안 커피도 마시고, 잠도 보충하면서 시간을 보낼 수 있다. 그렇다면 그 뒤에 운전자는? 앞 사람이 충전을 다 할 동안 무작정 기다려야 하는 것인가? ‘핸드폰처럼 미리 충전해 놓으면 괜찮은 거 아니야?’라고 생각할 수도 있겠지만 배터리로 인한 사고까지 생각한다면 사실 그렇게까지 단순하게 생각할 문제는 아니기 때문에 미리 이러한 문제들을 미리 인지해야한다고 생각한다. 또한 서울과 같이 인구 밀도가 높은 지역에서는 이런 문제가 빈번하게  발생할 수 있기 때문에 전기차 충전소가 주유소처럼 많지 않은 지금과 같은 과도기적 상황에서 획기적인 충전방식과 대용량의 배터리팩은 전기차 보급의 핵심적인 열쇄라고 생각된다.

 

전기자동차용 배터리는 뭐가 다를까?

   전기자동차는 수백 개의 배터리 셀로 구성된 배터리팩에 저장된 전기에너지를 동력원으로 구동되는 형태의 차량이다. 배터리는 차량이 운행함에 따라 방전이 진행되며, 차량의 연속된 운행을 위해서는 차량의 재충전이 필요하다. 본격적으로 EV, 전기자동차를 실용화하기 위해서는 종래의 전지 성능을 능가하는 고성능의 전지 개발이 중요하다. 1회 충전 주행거리가 길고 높은 가속 성능을 얻기 위해, 즉 높은 에너지밀도와 출력밀도를 가지기 위해 EV용 전지로서 납축전지, 니켈/카드뮴축전지, 니켈/수소축전지, 나트륨/유황, 니켈/아연, ZEBRA 전지 및 고체전해질 전지 등이 개발되어 왔지만 앞서 언급한 두 가지 특성을 모두 충족시키기에는 어려움이 있다.

그림 2. 리튬이온이차전지 원리 ( 출처 : 리튬이온이차전지 기술 동향과 미래 전망 )

   요즘 차량용 배터리로 활발히 연구되고 있는 것은 ‘리튬이차전지’다. 리튬이차전지는 높은 에너지밀도와 출력밀도 특성으로 인하여 현재 상용화되어 있는 이차전지 가운데 가장 성능이 우수한 전지이다. 이러한 우수성 때문에 핸드폰, 노트북 PC, 전동공구 등 제한된 부피와 가벼운 무게에 대한 요구가 큰 제품에 주로 사용되고 있다. 그리고 오늘 다룰 전기자동차용 에너지원으로서 리튬이차전지가 강력한 대안으로 부각되고 있다. 리튬이차전지는 가역적으로 리튬이온의 삽입 및 탈리가 가능한 물질을 양극 및 음극으로 사용하고 상기 양극과 음극 사이에 유기 전해액 또는 고분자 전해액을 넣어 리튬이온의 원활한 이동을 가능하게 하며, 양극 및 음극에서 삽입/탈리될 때 일어나는 전기화학적 산화, 환원반응에 의하여 발생하는 전자가 전기에너지를 생성한다.

   리튬이온전지는 훌륭한 성능을 가진 배터리이지만, 더 높은 효율을 목표로 에너지밀도를 막 높였다간 폭발사고가 일어날 수 있기 때문에 정확한 설계가 필요하다. 삼성사의 갤럭시 노트 와 애플사의 아이폰 배터리 폭발 사고가 한 예이다.  그렇기 떄문에 더 높은 에너지밀도를 감당할 수 있는 동시에 생산 단가를 낮추기 위한 추가적인 소재 연구가 진행 되어야한다. 사실 전기자동차용 리튬이차전지를 생산하기 위해서는 차량 초기 개발 단계부터 전지 자동차 회사와 전지업체가 같이 테스트를 진행해야 눈에 띄는 효과를 낼 수 있다. 때문에 앞으로 다양한 기업들의 협조적인 연구가 진행된다면 배터리 개발과 전기차 보급이 순조롭게 진행될 수 있을 거라 예상된다.

 

전기자동차도 급속 충전이 가능하다!

그림 3. 전기차 내부 구조 ( 출처 : 환경부 전기차 충전소 홈페이지 )

   전기자동차 충전 방식에는 충전시간을 기준으로 완속충전방식과 급속충전방식이 있다. 완속충전방식은 전기자동차에 탑재된 충전기를 이용하여 전기자동차를 재충전하는 방식이다. 계통전원으로부터 교류의 전원을 공급받아 완속충전기를 거쳐 차량 내에 탑재형 충전기에서 직류로 변환된 후 전기자동차의 배터리를 충전하는 방식이다. 한국의 경우 7kW급의 완속충전기가 표준모델로 지정되어 있다. 차량에 따라 3~6kW급 용량의 탑재형 충전기가 적용된다. 만약 3kW급 충전기를 이용한다면 완충까지 8~10시간 내외의 시간이 소요되고, 6kW급의 충전기를 이용하면 4~5시간이 걸린다. 고작 3~4시간을 달리기 위해서 10시간을 충전해야하는 상황에 놓인다면, 그 누가 과연 전기차를 타려고 할까? 완속충전으로는 전기차를 도저히 이용할 수 없을 것이다.

   급속충전방식은 전기자동차에 장착된 배터리를 고출력으로 직접 충전하는 방식으로 차량 밖에 설치된 급속충전기를 이용하여 충전하는 방식이다. 한국의 표준 형태인 50kW급 급속충전기를 이용하여 충전을 수행할 경우 20~30분 내에 차량을 80%SOC(State Of Charge, 충전상태)까지 충전할 수 있다. 현재까지는 고성능의 배터리로 구성된 대용량 에너지저장장치로부터 전기에너지를 공급받는 DC-DC Fast Charge, 태양광을 이용한 PV 연계 Fast Charge, Hybrid Fast Charger, 양방향 전력 변환 기술을 갖춘 V2G Fast Charger 등이 개발되었다. 앞으로의 연구에서 추가적으로 개발되어야 하는 부분은 무엇일까? 첫 번째로는 당연히 성능이지만, 급속으로 충전하기 때문에 고출력으로 전력을 변환하여 충전하므로 충전자의 안전과 편의성 확보도 중요하다. 마지막으로 환경 및 전자파에 대한 대응 기술이 무엇보다 중요하게 요구된다.

 

충전소, 많이 설치해주시면 안되나요?

그림 4. (2019.04.09 기준) 국내 전기자동차 충전소 현황 ( 출처 : 환경부 )

   위의 그림은 국내 전기자동차 충전소 현황을 나타낸 그림이다. 그림으로만 봤을 때 이미 많은 충전소가 설치된 것 같지만, 앞서 말했듯이 완속 충전기는 최소 8시간의 충전 시간이 필요하다. 여전히 충전소가 부족하다는 얘기다.

   자동차 산업 발전이 주유소 네트워크에 달려있듯이, 전기차 산업의 발전도 역시 충전소 네트워크 구축이 필수적이다. 그렇다면 전기차 보급을 위해서 충전소가 우선적으로 설치되어야 할까? 사실 많은 전문가들은 충전소의 설치가 선행되어야 한다고 말하기 어렵다고 한다. 이를 ‘닭과 달걀(전기자동차를 ‘닭’으로 표현하고, 충전소를 ‘달걀’로 표현)’ 문제라고 부르기도 하는데, 지금까지 상대적으로 전기자동차 보급을 많이 한 국가들이 갖는 애로점 중에 하나이기 때문이다. 전기자동차의 보급을 활성화하기 위해서는 충전 인프라가 먼저 구축되어야하지만, 다른 한편으로는 충전 인프라가 구축되기 위해서 전기자동차 보급이 먼저 이루어져야 한다는 것이다.

   전기차 보급과 충전소 설치를 위해서는 막대한 정부의 예산이 필요하다. 경제연구원에서는 한정된 예산으로 단기간 혁신적인 전기차 보급을 꿈꾸는 긍정적인 결과만을 생각하기엔 무리가 있다고 판단한다. 그래서 저비용, 고효율 충전 인프라 구축 확대를 목표로 운용이 제한적인 정부예산보다 민간자본 투자를 유도하여 민간 충전 서비스 시장 구축을 도모하고, 이를 통해 시장주도형 충전 인프라를 구축하기 위한 민간 유료 충전 서비스를 활성화할 수 있는 기반 조성이 추진되어야 한다고 제안한다. 사실상 전기자동차 충전소 시장이 국내에 안정적으로 자리 잡기 않았기 때문에 정책적으로 이러한 유료 충전 서비스를 독려하는 추가적인 정책 또한 필요한 상황이다.

 

전기자동차가 그릴 미래는 생각보다 밝다.

   기존 화석연료 발전을 대체하기 위해 각국 정부들은 신재생에너지 발전원의 보급에 공을 들이고 있다. 하지만 이는 계절이나 시기에 따라 불규칙한 발전량을 보인다. 전력망 전체의 입장에서 보면 보통 성가신 게 아니다. 필자도 신재생에너지에 대해 공부하고 있는 학생이지만 신재생에너지의 이러한 문제점 때문에 화석연료 대체 가능성에 대해 다시금 생각해 보게 되고 때로는 절망적인 미래를 그리게 되어 가끔 회의감을 느끼고는 한다.

   하지만 전기자동차를 단순히 교통수단으로 생각하지 않고 이동형 전력저장 장치로 생각해보면 전력수급의 시간적, 지역적 편재를 해결할 수 있는 대안으로 이용될 수 있다. 이처럼 전기자동차의 가치는 보는 각도에 따라 얼마든지 새롭게 찾을 수 있다. 자동차 사용 문화가 변한다는 것은 인터넷처럼 사회 전체가 돌아가는 방식이 바뀐다는 것으로 이해해도 무방할 듯하다. 전기자동차 확산의 출발점은 에너지 및 환경 문제로 인한 정부의 규제였다고 할 수 있다. 이제는 그 여파가 자동차 및 관련 부품 산업은 물론 주변 산업에 까지도 적잖은 파장을 예고할 정도로 강해졌다. 전기자동차의 성장은 교통은 물론, 전력 및 에너지 인프라의 대변혁을 예고하는 것으로 풀이할 수 있다. 전지 등 관련 부품의 혁신과 가격 하락, 정부의 규제와 지원으로 인한 충전 인프라 구축 등이 빨라진다면, 내연기관에서 전기자동차로 전환하는 속도는 더욱 높아질 것이다. 정부의 일관된 정책 추진과 함께 기업들로서는 이러한 변화의 흐름을 잘 간파하고 기술 개발이나 인프라 구축, 사업모델 개발 등 다각적인 측면에서 미리 대응하는 것이 무엇보다 중요할 것이다.

 

 

* 참고문헌

1. 구할본, 전기자동차용 배터리의 연구동향, 전기의 세계, 1999.5, 대한전기학회

2. 서현상, 조행묵, 전기자동차용 배터리 및 열관리시스템, 에너지공학, 2014.06, 한국에너지학회

3. 정영민, 조원일, 리튬이온이차전지 기술 동향과 미래 전망,  2010.10, KIST 이차전지센터

4. 이재환, 전기차용 이차전지 시장 동향 및 시사점, 2012.5, 정보통신산업진흥원

5. 이상규 외 3명, 전기자동차 충전시스템 효율 향상에 관한 연구, 현대자동차 연구개발본부 환경차시스템시험팀

6.  정도양, 전기자동차용 급속충전기 기술과 개발 동향

7. 이승문, 김재경 네트워크 기반의 전기자동차 충전인프라 구축방안 연구, 2017.07, 에너지경제연구원

8. 김경연, 전기자동차가 몰고올 변화의 물결, 2009.11, LGERI 리포트