전기 자동차 관련 상식 이야기 Top 5

전기 자동차는 배터리를 충전해서 그 전력으로 모터를 구동해서 달립니다. 이러한 단순한 구조로 강력한 가속과 청정한 주행이라는 두 마리 토끼를 잡은 전기 자동차의 상식적인 내용 Top 5를 소개하려고 합니다.

 

<목차> 1. 전기 자동차는 휘발유가 필요 없다? 2. 전기 자동차는 변속기와 클러치가 없다? 3. 전기 자동차에는 어떤 배터리가 사용될까? 4. 겨울에 배터리 성능이 떨어지지는 않을까? 5. 전기 자동차의 충전 시간은 어느 정도일까?

 

 

1. 전기 자동차는 휘발유가 필요 없는가요?

하이브리드 자동차와 달리 전기 자동차는 기본적으로 배터리에 충전된 전기만을 사용하여 주행합니다. 가정이나 직장의 주차장에서 배터리를 충전하기만 하면 매일 간편하고 편리하게 이동할 수 있습니다. 그러나 전기 자동차 중에는 휘발유가 필요한 모델도 있습니다. 작은 발전용 엔진을 탑재한 레인지 익스텐더라는 전기 자동차가 그중 하나입니다. 레인지 익스텐더란 '행동반경을 넓히는 것'이라는 의미인데, 말 그대로 주행이 가능한 기능을 시 배터리의 능력 이상으로 연속 주행 거리를 늘린 전기 자동차입니다.

레인지 익스텐더는 전기 자동차이면서 작은 엔진과 연료 탱크를 장비하기 때문에 배터리 충전만으로 계속 주행하면 연료 탱크 안의 휘발유가 오래되어 변질될 수도 있습니다. 이런 사태를 방지하려면 연료 탱크 안의 휘발유를 정기적으로 교체하기 위해 연료를 소비할 필요가 있습니다. 오랫동안 운전을 하지 않으면 엔진 자체도 가동부 분이 고착되거나 부식 또는 오일 누유가 발생합니다. 엔진 오일이나 냉각의 정기적인 교환도 필요하므로 하이브리드 자동차와 같은 유지 관리가 필요합니다. 유지 관리를 소홀히 하면 엔진 상태가 나빠진 것도 알지 못합니다. 그 결과 필요할 때 엔진이 발전을 해주지 않는다면 엔진을 탑재한 의미가 없습니다.

가솔린 자동차라면 정비소가 딸린 주유소에서 연주할 때 엔진 몸을 점검 받고 엔진 오일이나 냉각액을 교환할 기회도 있습니다. 그러나 레인지 익스텐더 전기 자동차는 배터리 충전만으로 계속 달릴 경우 주유소에 들을 필요가 없습니다. 그렇다면 자동차 검사를 할 때 문제가 없는지 점검받는 것이 무난할 것입니다. 전기 자동차라고 해도 제동 장치나 스티어링 장치 등은 가솔린 자동차와 구조가 거의 같으므로 자동차 검사를 받습니다. 전기 자동차가 상당 수준 보급되기까지는 구매처에서 제대로 정비를 받아야 할 것입니다.

이와 같이 레인지 익스텐더 전기 자동차는 하이브리드 자동차와 전기 자동차의 중간 형태이므로 배터리 성능이 향상되거나 충전 시스템이 혁신적으로 진화한다면 언젠가는 모습을 감출지도 모릅니다.

 

2. 전기 자동차는 변속기와 클러치가 없다?

엔진은 효율적인 회전수를 가져야 합니다. 따라서 자동차는 변속기를 사용하여 최적의 회전수를 얻습니다. 예를 들어 발진할 때는 적은 회전수로도 커다란 토크를 얻을 수 있는 기어를 사용하고, 고속 주행을 할 때는 높은 기어(감속비가 적은 기어)를 사용하여 관성의 힘을 이용해 엔진의 회전을 억제해 매끄러운 주행과 연비의 향상을 꾀합니다. 후진할 때는 기어가 필요합니다.

모터는 정지 상태에서 가장 큰 힘을 발휘합니다. 따라서 발진할 때부터 강력하게 가속할 수 있습니다. 모터의 전력 소비는 주로 부하 크기의 영향을 받기 때문에 회전수가 상승해도 전력 소비는 크게 증가하지 않습니다. 발진할 때는 전력 소비가 증가하지만 그 이후에는 속도를 높여도 전력 소비가 증가하지 않습니다.

그러나 전기 자동차는 일반적으로 경량화나 전달 효율을 위해 변속기를 탑재하지 않습니다. 고속 주행 시에 회전수를 떨어뜨리기 위해, 또 발진할 때 더 큰 토크를 얻기 위해 일부 전기 자동차는 변속기를 사용하지만, 대부분은 변속기를 사용하지 않습니다. 따라서 클러치도 없습니다. 수동 변속기뿐만 아니라 자동 변속기를 사용하는 가솔린 자동차에도 토크 컨버터라는 액체 클러치가 탑재되어 있습니다. 추후에는 변속기를 탑재할 수도 있지만, 그럴 경우 변속 충격이 적고 전달 효율이 높은 듀얼 클러치 변속기(DCT)가 가장 유력한 후보입니다.

 

3. 전기 자동차에는 어떤 배터리가 사용될까?

일반 자동차에 사용하는 배터리는 납과 붉은 황산을 반응시키는 납산 배터리입니다. 먼 옛날에는 전기 자동차도 납산 배터리를 사용했는데, 배터리를 많이 탑재하면 자동차가 매우 무거워져 움직임이 둔해지고 충돌했을 때 안전성에도 문제가 생깁니다. 무엇보다도 '배터리 운반차'처럼 되어버리는 주 도의 상황이 발생합니다. 그래서 같은 용적에 더 많은 전력을 저장할 수 있는 고성능 배터리를 탑재해 효율을 높이고 있습니다.

얼마 전까지 충전 가능한 고성능 배터리의 주류는 니켈 수소 배터리였습니다. 양극에 니켈, 음극에 메탈하이브리드를 기반으로 한 다공질(물질을 사용해서 수소 이온을 주고받아 전기 흐름을 만듭니다)입니다. 니켈 수소 배터리는 제조 회사에 따라 혹은 등급에 따라 성능에 차이가 있으며, 같은 크기라도 충전할 수 있는 용량이나 단숨에 방전할 수 있는 능력에도 차이가 있습니다. 가격이 부담 없고 일반 사용자가 손쉽게 다룰 수 있을 만큼 안전성도 높아서 건전지 유형의 2차 전지로는 지금도 주류입니다.

한편 좀 더 성능이 우수해서 플러그인 하이브리드 자동차나 전기 자동차뿐만 아니라 스마트폰이나 휴대전화, 노트북 등에도 주류로 사용하고 있는 것이 리튬 이온 배터리입니다. 리튬 이온 배터리 용액 속에 녹이고, 양극과 음극 사이에서 이동시켜 전기 흐름을 만듭니다. 이온을 주고받는 전해질이 액체 상태이면 액체가 샐 우려가 있기 때문에 안전성을 높이기 위해 배터리 용액을 겔 형태로 만든 것도 있습니다. 리튬 이온 배터리가 아무리 고성능이라 해도 셀(단위) 한 개로는 전압이 낮아서 힘이 부족합니다. 그래서 셀 여러 개를 직렬로 연결해 전압을 높이고, 이 배터리 팩을 병렬로 연결해 큰 전류를 단번에 방전할 수 있도록 만들었습니다.

또한 셀의 성능에는 약간이지만 개체별로 차이가 있기 때문에 사용하다 보면 충전이 불가능해지는 셀이 서서히 생긴다. 그래서 셀 몇 개에 문제가 발생하더라도 전압이 떨어지지 않도록 배터리의 조합에 여유를 둡니다.

현재 중국과 한국, 일본 등에서 리튬 이온 배터리를 생산하고 있으며 치열한 가격 경쟁이 벌어지고 있습니다. 현재 사용하는 리튬 이온 배터리의 용량을 2배로 늘리는 기술도 개발되고 있어서, 실용화한다면 전기 자동차의 연속 주행 거리가 단숨에 배 가까이 증가할 것이라는 예상도 있습니다.

 

4. 겨울에 배터리 성능이 떨어지지는 않을까?

고성능 배터리라 할지라도 날씨가 추워지면 효율이 떨어집니다. 전기 자동차에 따라 배터리 워머(warmer)가 탑재되어 있어 배터리의 온도 저하를 방지하지만, 겨울철에는 연속 주행 거리가 짧아지는 경우가 있습니다.

가솔린 자동차의 난방 시스템과는 달리, 전기 자동차는 난방에도 전력을 사용해야 합니다. 전기 자동차의 모터나 파워 컨트롤 유닛은 가솔린 자동차의 엔진처럼 뜨거워지지 않기 때문입니다.

따라서, 효율이 떨어진 배터리를 난방을 하면서 주행하면 순식간에 연속 주행 거리가 짧아집니다. 이는 완전 방전이 일어날 위험성도 있는데, 겨울철에는 가급적 난방을 자제하여 연속 주행 거리를 늘리는 것이 좋습니다.

전기 자동차에는 시트 히터와 스티어링 히터 등 직접 몸을 덥히는 난방 장비가 탑재되어 있습니다. 또한 배터리에는 보호 기능이 탑재되어 있습니다. 배터리 수명을 늘리려면 배터리를 완전히 방전하지 않는 것이 좋습니다. 자신의 자동차에 사용된 배터리의 종류나 특성을 이해하고 효과적으로 이용하는 것이 좋습니다. 전기 자동차의 에어컨은 가정용 에어컨과 비슷한 구조를 가지고 있습니다. 그러나 이용 공간이 좁기 때문에 가정용보다는 소비 전력이 적지만, 거의 같은 구조를 가지고 있습니다.

 

5. 전기 자동차의 충전 시간은 어느 정도일까?

일반적인 전기 자동차의 경우, 급속 충전이라면 90%까지 충전하는 데 30분 정도 걸린다고 합니다. 완전 충전이 되지 않는 이유는 급속 충전을 위한 대전류로 100%까지 충전하면 배터리 셀이 손상될 위험성이 있기 때문입니다. 완전 충전을 원한다면 낮은 전압으로 천천히 충전해야 합니다.

전기 자동차는 발진이나 가속 등의 고부하 상황에서 전류를 단번에 방전하고, 충전량이 줄어들면 한꺼번에 충전하는 사례가 많습니다. 이 때문에 다량의 전기를 충전하고 방전하는 일을 반복하게 됩니다. 이렇게 되면 배터리 셀의 개체차가 서서히 커져서 전압차가 발생하기 때문에 이를 방지하기 위해 충전 종료 직전에 완전히 충전되지 않은 셀을 충전하는 조정을 실시합니다.

리튬 이온 배터리는 충전 초기에 전기를 빨아들이듯이 충전을 진행하면서 전압을 높이지만 충전량이 일정 이상이 되면 전압 상승이 진정되며, 완전 충전에 가까워지면 전압이 거의 상승하지 않습니다. 이 특성을 이용해 과충전을 막습니다.

일반 충전은 4~12시간이 걸리는데, 충전기의 사양이나 전기 자동차의 배터리 용량에 따라 차이가 있습니다. 전용 충전기를 이용하면 충전 시간을 단축할 수도 있습니다. 다만 귀가 후에는 차고에 자동차를 주차해 놓을 시간이 충분할 터이므로 요금이 저렴한 심야전력으로 천천히 충전하는 것이 배터리를 위해서나 가계를 위해서나 이익입니다.