전기차의 진화, ‘파워트레인’으로 좌지우지 된다

[테크월드=이나리 기자] 전기차가 대중화되기 위해서는 주행거리와 가격대가 내연기관차 수준에 이르러야 된다. 이를 지원하기 위해서는 전기차의 핵심 기술로 불리는 파워트레인 역할이 매우 중요하다.

전기차 시대가 본격화 되면 첫째, 전기차 모델 간 연비 경쟁이 치열하게 펼쳐지게 된다. 고효율 모터를 채용하고 고밀도 전지를 개발하는 것도 필요하지만, 전기차 파워트레인 시스템 전체 관점에서는 에너지 효율이 더 중요시 될 것이다. 둘째, 초기 가속성, 정숙성, 부드러운 감속 등 전기차 만의 독특한 사용 경험이 전기차 모델 간 경쟁의 새로운 요소로 부각될 것이다. 마지막으로, 전기차 부품 중에서 원가 비중이 가장 높은 파워트레인의 내구성에 따라 전기차 모델 간의 재판매 가치가 달라지게 된다. 이는 자연스럽게 전기차 모델간 경쟁요소로 이어질 가능성이 높다.

전기차 필수 기술로 강조되고 있는 파워트레인의 기능은 무엇일까? 파워트레인은 화석연료, 전지 등에 저장된 에너지를 운동에너지로 변환하고 자동차, 항공기, 선박 등을 움직일 수 있게 하는 등 동력을 부여하는 모든 부품의 집합체다. 자동차에서 파워트레인은 동력 장치에서 생산한 동력을 바퀴에 전달하는 과정에서 필요한 시스템을 지칭한다. 파워트레인 부품 중에서 핵심은 동력을 만드는 부분과 동력을 효율적으로 전달하는 부분이다.

반면, 전기차의 파워트레인은 동력을 만드는 모터와 전기의 특성을 제어 하는 파워일렉트로닉스, 그리고 전기에너지를 저장하는 전지팩으로 구성된다. 연료를 저장하고 배출하는 내연기관차의 연료탱크는 파워트레인에 포함되지 않지만, 전기차의 전지팩은 에너지의 저장과 효율적 관리 역할까지 하므로 파워트레인 구성 요소에 포함된다.

전기차와 내연기관차 파워트레인의 가장 큰 차이는 동력을 만드는 방법에 있다. 내연기관차의 동력을 엔진이 만든다면, 전기차의 동력은 모터가 만든다. 엔진을 구동 하려면 휘발유 등 연료가 필요하고, 모터를 돌리려면 전기가 필요하다. 동력을 전달하는 방식도 전기차와 내연기관차는 다르다. 전기차의 경우 동력을 만들고 전달하는 방식이 내연기관차에 비해 간단한 편이다. 따라서 전기차 파워트레인은 내연기관차보다 구조적으로 훨씬 단순하고, 부품수도 최대 80%까지 줄어든다. 원가 측면에서도 파워트레인의 비중은 전기차 부품 중에서 가장 높다. 따라서 파워트레인의 기술은 전기차에서 중요한 경쟁 요소로 여겨진다.

본격적인 전기차 시대를 앞두고 있는 시점에서, 전기차 개발은 전지셀의 에너지 밀도 개선뿐 아니라 효율적으로 전기 에너지를 사용하기 위한 전지팩과 파워일렉트로닉스의 통합 설계, 그리고 전기차 사용 비용을 낮추는 방법 등 여러 방안에 초점을 맞춰서 기술의 진화가 이뤄져야 할 것이다.

연비 개선을 위한 파워트레인 ‘통합화·모듈화’

전기차의 파워트레인은 시스템 전체 관점에서 에너지 효율을 극대화 시킬 수 있는 기술로 발전되고 있다. 이를 위해 자동차 주요 부품 기업은 파워트레인 효율 개선을 통한 연비 향상을 목표로 부품간 통합 또는 모듈화를 위한 기술 개발이 한창이다. 파워트레인은 기능 통합을 통해 전체 시스템의 부피와 무게를 줄이고, 궁극적으로는 에너지 효율 개선과 원가 하락까지 도모하고자 한다.

자동차 부품업체 콘티넨탈(Continental)은 2017년 프랑크푸르트 모터쇼(IAA)에 참석해 48V 마일드 하이브리드 애플리케이션, 전기차와 하이브리드 차량의 고압 볼트 엔진을 공개했고, 적은 부피와 무게를 특징으로 하는 고성능의 파워트레인 모듈(E-엔진) ‘E-드라이브’를 2019년부터 생산할 예정이라고 밝혔다.

E-드라이브는 순수 전기 자동차 또는 플러그인 하이브리드용 고압 드라이브이며, 전기 엔진, 변속기, 전력 전자로 구성된 하나의 장치로 인해 무게 면에서는 물론 성능 면에서도 다른 제품보다 우수하다. 따라서 소형차는 물론 상위 클래스의 차량뿐 아니라 중간 클래스의 차량에도 대량으로 장착될 수 있다. 또한, 기존에 필요로 했던 케이블과 소켓이 통합하는 과정이 없어지면서 비용 절감 효과를 얻게 된다. 더불어 콘티넨탈의 E-드라이브는 150kW, 75kg 수준에서 매우 높은 출력에 도달할 수 있고, 자사의 완전한 전자축 엔진을 통해 320kW 출력 밀도의 모듈과 효율 전송률에 따라 최대 6400Nm의 출력 토크를 제공한다. E-드라이브가 탑재된 전기차는 2019년 최초로 중국에서 출시될 예정으로 알려졌다.

콘티넨탈의 경영이사회 멤버이자 파워트레인 사업본부를 총괄하는 호세 아빌라(José Avila)는 “자동차의 미래는 전기화에 달렸다”라며, “우리는 이런 변화에 친환경적인 방법과 완전한 전기적 엔진 시스템, 그리고 새로운 충전 시스템으로 대응할 것이고, 효율적이고 일상에 적용 가능한 솔루션을 개발하는 것이 콘티넨탈의 최우선 과제“라고 말했다.

자동차 부품업체 보쉬(Bosch)도 전기차의 전동차용으로 장착할 수 있는 e-액슬(e-Axle)이라는 통합형 파워트레인을 2017년 발표했다. e-액슬은 기존의 전동 파워 트레인에 비해 효율 향상과 저비용을 추구하며, 자동차 브랜드의 개발 기간 단축에 기여하는 올인원 시스템을 채용하고 있는 것이 특징이다. e액슬은 모터, 파워 일렉트로닉스, 트랜스미션(변속기) 등 3종류의 파워 트레인 컴포넌트를 하나의 소형 유닛에 통합해 차축을 직접 구동하는 방식으로 작동한다. 그 결과 파워트레인의 효율을 향상시킬 뿐만 아니라 비용 절감할 수 있다는 것이 보쉬 측의 설명이다.

또 E액슬은 최대 출력 68hp부터 408hp의 범위에서 사용자가 임의로 지정할 수 있기 때문에 SUV 등 대형 차량의 완전 전동화를 실현할 수 있을 것으로 기대된다. 최대 토크는 102kgm부터 612kgm 사이에서 사용자가 지정할 수 있으며, 전기차나 하이브리드 자동차에 탑재 시에는 전륜과 후륜 구동방식에 상관없이 모두 대응할 수 있다. 보쉬는 e-액슬 양산을 2019년으로 예상하고 있다.  

독일 자동차 기업 BMW 또한 파워트레인 통합화와 모듈화를 이뤄냈다. BMW가 2017년 11월에 발표한 5세대 전기차 파워트레인은 1회 충전 시 최대 700km까지 주행을 달성할 수 있다. 이 제품은 모터, 변속기, 인버터, 컨버터 등을 하나의 시스템으로 통합한 플랫폼으로 개발함으로써 공간 효율성과 동시에 원가가 절감된다. 또 모듈화된 부품 설계로 다양한 크기로 구현할 수 있기 때문에 다양한 전기차 모델에 효과적으로 적용할 계획이다.

파나소닉(Panasonic)도 지난 1월 개최된 CES 2018 전시회에서 소형 전기자동차(EV) 솔루션인 확장형 'e파워트레인(ePowertrain)' 플랫폼을 공개했다. 이번 플랫폼은 에너지 효율이 뛰어난 안전한 파워트레인으로 작은 크기에 높은 효율과 유연한 확정성이 특징이다. 파나소닉 측은 플랫폼은 차량 탑재형 충전기, 정전 박스, 인버터, DC-DC 컨버터가 포함된 파워 유닛과 모터 유닛이 탑재된 기본 유닛으로 구성된다. 또 차량 크기, 속도, 토크 등 사양에 따라 기본 유닛의 조합을 확장하거나 축소할 수 있어 자동차 개발에 소요되는 비용과 리드 타임 경감에도 기여한다고 설명했다. e파워트레인 플랫폼은 일반 승용 차량을 비롯해 EV 바이크, 마이크로 EV 등 다양한 유형의 EV에 사용될 수 있다.

전기차, 더 빠른 충전을 꿈꾸며 ‘특허출원, 표준화 도입, 기술 협약’ 활발   

전기차에 있어서 충전과 관련된 기능은 자동차 모델간 경쟁에 있어서 중요한 요소다. 전기차는 2~3분 만에 연료탱크를 가득 채우는 내연기관차의 충전 속도와 경쟁하기 보다는 전기차 모델 간 충전의 속도나 충전의 편의성, 충전하는 동안의 경험 등을 두고 경쟁을 펼치는 것이 더 중요하다. 즉, 전기차 충전 기술은 운전자가 일상 생활 속에서 편리하게 충전할 수 있는지 여부에 따라 구매 영향을 미친다. 또 충전하는 시간에 어떤 차별적 경험을 부여하는 지가 중요하게 될 것이다.

이런 목표를 실현하기 위해서는 많은 과제가 해결되어야 한다. 이를 위해 자동차 업계에서는 전기차 충전 시간을 단축하기 위한 기술 개발과 특허출원이 한창이다. 2017년 12월 특허청의 발표에 따르면 최근 10년간(2007∼2016년) 국내에 출원된 전기차 관련 기술(배터리 등 전기차 부품 자체 기술 제외)은 모두 7799건으로 집계됐다. 연도별로 2007년 202건에서 2011년 1002건으로 연평균 49.2%의 높은 증가세를 보였다. 이후 세계 경기침체의 영향을 받아 2012년 981건, 2013년 719건으로 다소 주춤했다가 2014년 들어 879건으로 다시 늘기 시작해 2015년 1012건, 2016년 1271건으로 연평균 20.9%의 상승세를 기록했다. 이는 전기차 시장의 성장과 맞물려 국내 특허출원도 함께 증가한 것으로 분석된다.

또 최근 반도체 기업들은 전기차 충전의 표준화를 위해 기업간 협약과 협회 가입을 통해 적극적으로 움직이고 있다. 대표적으로 하이브리드와 전기차 충전 인프라의 세계 표준화를 지원하는 국제 전기차 충전 협회 ‘차린(Charging Interface Initiative e.V, CharIN)이 업계에서 가장 참여율이 높은 편이다.

차린은 2015년 설립돼 독일 베를린에 본사를 두고 있으며, 홍콩, 한국, 인도, 미국 등에 지사가 있다. 차린의 주요 목표는 ▲모든 종류의 배터리 기반 전기차 충전을 위한 글로벌 표준인 콤바인드 충전 시스템(CCS) 출시와 구축 ▲전기차 제조사들이 제품에 CCS를 도입하는데 필요한 순응 검증 시스템 마련 ▲CCS 표준의 전세계적 확산 등 충전 관련 표준 발전에 필요한 요건을 마련하는 것이다. 전기차 표준이 마련되고 공동 플랫폼을 사용하게 되면, 전기차 소유자는 전기차 충전소에 자신의 차량이 호환되는지 여부를 신경 쓰지 않아도 된다.

반도체 업체인 인피니언과 ST마이크로일렉트로닉스(이하 ST), NXP 등은 2017년 2월 차린에 가입을 마쳤고, 가장 최근인 2018년 1월에는 온세미컨덕터도 차린에 가입했다. 이와 관련해 온세미컨덕터 측은 “전문 기술을 바탕으로 차린 생태계에 적극 참여할 뿐 아니라, 콤바인드 충전 시스템(CCS) 표준 개발을 위해 타 업계 선도업체들과 협력해 전기차 충전 인프라 발전에 지속적으로 기여할 것”이라고 전했다.

국내 부품업체인 LG이노텍도 2017년 10월 차린에 가입했다고 밝혔다. 이를 통해 LG이노텍은 기존 차량부품 파트너사와의 관계를 한층 강화하는 계기가 될 전망이다. LG이노텍의 해외 주력시장인 미국, 유럽 지역 고객 상당수가 차린의 ‘콤바인드 충전 시스템’을 표준으로 지지하고 있기 때문이다. 참고로 LG이노텍은 전기차 충전용 통신 컨트롤러(EVCC), DC-DC 컨버터, 배터리 제어 시스템(BMS) 등 고효율, 고신뢰성 전기차 부품을 글로벌 기업에게 공급하고 있다. 그 결과 LG이노텍은 전기차 부품에서만 2016말 기준으로 약 1조 7000억원의 매출을 달성했다.

그 밖에도 차린에는 포드, BMW, 혼다, 현대, 재규어, 콘티넨탈, GM, 다임러 등 100여개의 주요 자동차 제조업체가 참여하고 있다.

전기차 개발을 위한 업체간 기술 협약도 활발히 이뤄지고 있다. 전자 부품 회사인 TDK는 인피니언과 전기차 전용 고효율 인버터 개발을 위한 전략적 제휴를 맺었다. 인피니언은 최신 전력반도체 소자를 개발하고, TDK는 공간 효율성을 극대화하기 위해 커패시터와 관련 부품을 개발하고 있다. 양사는 개발 기간 단축을 위해 기존 인버터에 사용된 불필요한 부품을 제거하면서 동시에 디자인 변경으로 크기와 무게를 최적화했다. 또한, TDK는 도시바와도 유사한 방식의 제휴관계를 맺어서 지역별 시장 변동성에도 대응하고 있다.

올해 1월 반도체 업체 온세미컨덕터는 독일 자동차 제조업체 아우디(Audi)를 자체적으로 운영하는 반도체 협력 프로그램 ‘PSCP(Progressive Semiconductor Program)’의 전략적 파트너로 선정했다. 양사는 이번 협력을 통해 전기차와 자율주행 시스템의 새로운 기능을 도입하고 개발을 가속화하겠다고 밝혔다. 반도체 분야 핵심 역량 개발을 위한 프로그램인 아우디의 PSCP는 안정성을 높이면서 최신 반도체 기술을 차량에 신속히 적용하기 위해 고안됐다. PSCP는 전자공학 분야의 발전을 차량에 효율적으로 도입하겠다는 목적을 갖고 있으며, 반도체 제조사와 직접 협력해 공동 개발을 진행하고 있다.

점점 진화하는 전기차 충전, 이제는 무선이다!  

전기차 충전 기술은 빠른 속도 지원뿐 아니라 운전자가 일상 생활 속에서 편리하게 충전할 수 있는 환경을 제공하는 것도 중요하다. 스마트폰을 포함한 다양한 IT 디바이스가 무선충전 기능을 지원해 각광받고 있는 만큼, 전기차도 무선충전을 위한 기술이 개발이 한창이다.  

콘티넨탈이 2017년 공개한 전기차 전용 충전 장치 ‘올차지(AllCharge) 시스템’은 운전자가 다양한 유형의 충전소에서도 최대한의 전기를 공급받을 수 있도록 한다. 양방향 올차지 시스템은 자가 충전으로 차량 배터리에서 발생하는 전기를 새로운 방식으로 활용하게 지원 하고, 특히 도심 충전소에서는 충전 시간을 최대 1/12까지 단축시킬 수 있다. 이 시스템은 자동차 외에도 전기·전자 장치(노트북, 드릴, 냉장고) 등에도 전기를 공급할 수 있다. 또 콘티넨탈은 최대 11kW까지 편리하게 충전할 수 프로토타입의 전기 자동차 무선 자동 충전 기술을 공개하기도 했다.

자동차 부품 업체뿐 아니라 GE와 퀄컴(Qualcomm) 등 글로벌 전자통신 기업도 전기차 충전 기술을 선보이며 자동차 시장에 진출했다. 퀄컴은 일찌감치 2015년 ‘헤일로(HALO)’라고 부르는 무선충전 기술을 공개했다. 헤일로는 별도의 전력 수신기가 하부에 장착된 전기차(VCU)가 헤일로 무선충전 패드(BCU) 부근에 접근하면, 선 없이도 전기차 충전이 가능한 기술이다. 헤일로는 6.6㎾ 출력으로 24kWh 용량 전기차 리튬이온 배터리를 완충하는데 약 3시간 정도 소요되며, 무선충전 출력을 3.3㎾, 6.6㎾, 20㎾로 다르게 설정할 수 있어 충전 시간을 더 줄일 수도 있다.

이후 퀄컴은 헤일로의 진화된 무선 충전 기술인 ‘다이내믹 일렉트릭 비에클 차징(Dynamic Electric Vehicle Charging, 이하 DEVC)'을 2017년 5월에 공개해 주목 받았다. 도로에 매장되는 형태인 DEVC(동적충전장치) 기술은 차량 스스로 100km/h 넘게 달려도 20kW급의 무선충전을 제공한다. 또 거의 비슷한 속도의 차량 2대가 달리거나, 차량이 갑작스럽게 후진을 해도 무선충전을 할 수 있다. 퀄컴은 DEVC 기술 자체를 일반도로보다는 고속도로에 우선적으로 적용시키는 것이 목표다. 따라서 이 기술은 장거리 여행중에 급속충전, 완속충전 충전소에 들려야 하는 운전자의 번거로움을 줄여줄 수 있다. 본격적인 상용화를 위해 퀄컴은 2017년 DEVC 무선 충전 수신기가 장착된 르노 전기 상용차 ‘캉구(Kangoo)'에 DEVC 기술 테스트를 성공적으로 완료했다. 

퀄컴은 또 BMW와 함께 전기차 i3와 i8를 위한 무선충전 패드를 개발해 2018년 출시할 계획이다. BMW 무선충전 패드가 220V 전원 콘센트에 연결되면, BMW의 iDrive 시스템에서 확인이 이뤄지고, 무선충전 패드 위에 하이브리드 전기 BMW 차량을 올려놓으면 충전이 시작된다. 전기차 무선 충전기의 유도성 패드는 전기 코일과 자동차의 바닥 사이에 자기장을 발생시켜 차량의 리튬이온배터리를 충전함으로써 3.2kW의 전력을 가능하게 한다. 이 패드는 우선적으로 BMW 530e 퍼포먼스(Performance)에서 사용할 수 있고, 향후 330e, 740e, i8 등 다른 전기 하이브리드 차량에도 장착될 예정이다. BMW 무선충전 패드의 가격과 정확한 출시일은 알려지지 않았지만 BWM i 월박스(Wallbox) 프로 충전소는 900달러의 비용이 소요될 것으로 전망된다.