미래를 향한 발걸음, 전동화 파워트레인

‘전동화(電動化)’는 지금 전세계 자동차 업계를 움직이고있는 키워드 중 하나다. 전동화는 단순히 전기차를 지칭하는 것이 아닌,하이브리드, 플러그인 하이브리드 등, 내연기관이혼자서 하던 일을 전동기(전기 모터)에게 분담해가는 모든과정을 말한다.

전동화가 자동차 업계의 키워드로 도약할 수 있었던 것은 전세계의 자동차 제조사들이 가장 두려워 하는 배출가스총량 규제에 대응하는데 있어 핵심적인 역할을 하고 있기 때문이다. 하이브리드를 비롯한 전동화된 자동차는통상의 내연기관 자동차에 비해 배기가스 배출량이 현저히 적다. 따라서 이러한 차종을 많이 생산하게 되면해당 제조사는 그만큼의 배출가스 쿼터를 확보할 수 있다.

전동화는 근 몇 년간 통하고 사그라질 유행이 아니다. 전기차 시대의도래가 그 윤곽을 드러내고 있는 오늘날, 향후 최소 10년이상은 자동차 업계 전체를 관통하는 키워드가 될 것으로 보인다. 이미 자동차 선진국인 서유럽 국가들에서 2030~2040 년도 쯤에 내연기관 자동차의 퇴출을 결정지었기 때문이다. 따라서자동차 제조사들은 이에 대응하기 위한 가장 가깝고도 안전한 수단으로서 너도나도 전동화 기조를 전개해 나가고 있다.

양산차의 전동화는 크게 하이브리드 형식의 동력계를 구성하거나 전기차를 신규 개발하는 두 가지 형태로 나타난다. 특히 전동기로만 구동하는 전기차는 서로 다른 동력원을 병용해야 하는 병렬식 하이브리드에 비해 기술적인 진입장벽이 상대적으로 낮기 때문에 여러 제조사에서 시도하고 있다. 플러그-인하이브리드 역시 다양한 제조사에서 시도하고 있다. 현재 시장에서 통용되고 있는 전동화 자동차의 형태는내연기관을 혼용하는 하이브리드 자동차와 순수하게 전기모터만을 사용하는 전기자동차의 두 가지 형태로 나눌 수 있다.

하이브리드 자동차는 상술한 ‘내연기관이 혼자서 하던 일을 전기 모터에게분담한다’는 측면에서 가장 기초적인 단계에 있는 형태라 볼 수 있다.하이브리드 자동차는 1997년 세계 최초로 상업적인 성공을 거둔 하이브리드 승용차 토요타프리우스의 등장 이래 다양한 형태가 나타나며 발전을 이뤄 왔다.

하이브리드 자동차는 대부분 내연기관과 전기모터의 두 가지 동력원으로 구성된다.통상적으로 채용되는 내연기관은 주로 가솔린 엔진이다. 과거에는 디젤 엔진도 연구된 바 있으나, 현재는 절대다수가 가솔린 엔진을 사용 중이다. 이는 두 가지 동력원이각자 추진을 분담해야 하는 하이브리드의 특성에 기인한다. 이 때문에 하이브리드 자동차는 내연기관의 일시적인시동 정지 및 재시동이 빈번하다. 따라서 여타 내연기관에 비해 재시동에 유리한 가솔린 엔진이 주류를이루고 있는 것이다.

하이브리드 자동차는 그 작동 방식에 따라서 '직렬식', '병렬식', '직병렬 혼합식' 그리고 '플러그인 하이브리드'라는 세부 분류로 나뉘어진다. 이 외에도 출발 가속의 보조에만 제한적으로 전기 모터를 사용하는 마일드 타입 하이브리드도 존재한다. 직렬식 하이브리드는 엔진을 발전수단으로 활용하고 모터를 동력원으로 사용하는 방식이다. 근래에는 엔진이 추진에 일체 개입하지 않는다는 점을 이용하여 몇몇 제조사에서는 ‘주행거리 연장형 전기차(Range Extender)’로 취급하고 있다.

병렬식은 내연 기관인 엔진과 모터의 동력을 병용(倂用)하는 형태로, 변속기를 통해 동력을 전달하는 방식이다. 엔진과 모터를 함께 사용하기 때문에 직렬식에 비해 상대적으로 높은 동력성능을 기대할 수 있다. 이 방식은 배터리의 충전량이 부족할 때나 속도를 줄일 때에 모터가 발전기 역할을 하여 배터리를 충전한다.

직병렬 혼합식은 직렬식과 병렬식의 장점만을 모은 것으로, 1개의 엔진과 2개의 전기모터로 구성된다. 이 방식은 전기모터를 일종의 변속기처럼사용하여, 상황에 따라 동력의 전달을 유연하게 전환할 수 있는 특징이 있다. 이 방식은 전기 모터만으로도 주행이 가능하고, 큰 출력이 필요한상황이 되면 모터와 엔진이 모두 작동하여 최대의 성능을 낼 수 있다.

플러그인 하이브리드는 말 그대로 외부를 통해 전력을 공급받을 수 있는 하이브리드 자동차를 말한다. 다른 하이브리드 자동차에 비해 전기 모터의 비중을 더 키우고, 그를뒷받침하기 위해 더욱 대용량의 배터리를 사용한다. 따라서 도심 출퇴근 등의 운행에서는 제한적으로 전기차와동일하게 운용할 수도 있다. 다만 그 특성상, 전기차 충전인프라가 구축되어 있지 않다면 하이브리드의 이점을 확실하게 누리기 어렵다는 단점이 있다.

전기자동차(이하 전기차)는전동화 자동차의 종착지라고 할 수 있는 형태다. 미래 자동차사회의 주역으로 떠오르고 있는 전기차는 현재의환경 규제의 틀에서 배출가스를 단 1g도 내뿜지 않는다. 자동차제조사의 입장에서 전기자동차는 날이 갈수록 줄어 들고 있는 배출가스 쿼터를 확보하는 중요한 수단으로 기능하고 있다. 또한 기술적인 측면에서도 종래의 내연기관 자동차들에 비해 진입장벽이 상당히 낮기 때문에 기성 자동차 제조사뿐만 아니라 세계 각지에서 신생업체들이 개발에 나서고 있기도 하다.

일반적인 전기자동차의 구동계통은 구동을 담당하는 전기모터와 전력의 저장 및 공급을 담당하는 배터리로 구성된다. 각종 기계장치가 필요한 내연기관자동차와 비교가 되지 않을 정도로 단순한 구성을 갖는다. 대부분의 전기자동차는 전자제어를 통한 모터의 출력조정만으로도 최적의 구동력을 발휘할 수 있기 때문에 내연기관자동차에서 필수인 변속기조차 필요하지 않다. 하지만 자동차의 구동에 사용될 막대한 전력을 충당해야 하기때문에 대량의 셀을 집적한 대형의 배터리를 사용해야 한다.

이러한 대형의 배터리는 전기자동차의 도입이 본격화된 현재의 시점에서도 여전히 단가가 높다. 이 때문에 배터리는 전기차 가격 상승의 요인으로 작용한다. 또한기후에 약한 배터리의 특성 때문에 온도 변화에 따라 실질적으로 사용할 수 있는 전력의 양이 수시로 변화한다는 것도 간과하기 어려운 부분이다. 그리고 몇몇 모델을 제외하면 여전히 같은 체급의 내연기관 자동차에 비해 충전 시간이 오래 걸리고 1회 충전 당 주행거리가 짧다는 점도 단점으로 지적된다.

이 주행거리 문제를 위한 대안으로 제시되는 것들로는 직렬식 하이브리드 자동차를 주행거리 연장형 전기차(Range Extender)로 내세우는 것과 연료전지(Fuel-Cell) 자동차가있다. 연료전지 자동차는 기본적으로는 전기차와 같이 배터리와 전기모터로 구성되나, 일반적인 2차전지가 아닌, 연료전지를사용한다는 점이 가장 큰 차이점이다. 일반적인 배터리가 전력을 ‘저장’하는 개념이라면 연료전지는 전력을 그 자리에서 ‘만들어 내는’ 개념에 더 가깝다. 연료전지는 연료의 화학반응을 이용하여 직접 전기를얻어내는 방식으로, 연료전지용 배터리는 그 자체로서 발전기의 역할을 한다고 볼 수 있다.

연료전지의 가장 큰 장점은 전기를 ‘충전’하는 방식이 아닌, 연료를 ‘주입’하는 방식이라는 데 있다. 연료의 주입을 위한 인프라만 갖춰져 있다면, 연료전지 자동차는 일반적인 내연기관 자동차와 비슷한 정도의 시간으로 완충을 끝낼 수 있다. 이로써 같은 전기차임에도 불구하고 연료전지 자동차는 인프라만 뒷받침이 되어 있다면 내연기관 자동차와 크게 다르지않은 형태로 운용될 수 있다. 하지만 연료전지의 연료로 사용되는 수소의 저장을 해결하기 위한 기술적난점과 인프라 확충의 어려움을 해결하는 것이 선결되어야 한다는 문제가 지적된다.