[오토저널] 전기자동차 부품 공용화의 필요성

2019.11.11. 16:46:19

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1990년대초 인류의 생존을 위협하는 자동차 배출가스와 석유에너지 문제 해결을 위한 대안으로 전세계적인 개발붐이 일었던 전기자동차(이후 전기차)는 2011년 닛산 리프의 미국 판매를 시작으로 1세대 전기차 시대를 열었고, 2016년 쉐보레 볼트(Bolt)를 통해 2세대 전기차의 실용화가 이루어졌다. <그림 1>에서 알 수 있듯이 1세대 전기차는 차량가격이 상대적으로 저렴하지만 일충전주행거리가 150 km 정도로 짧거나, 300 km 이상 주행 가능하지만 고가인 전기차들을 통칭하는 것이다. 이에 비해 2세대 전기차는 300 km 이상 주행할 수 있음에도 비용절감을 통해 1세대의 저비용 단거리 전기차 수준의 가격경쟁력을 확보하고 있어 보다 실용화에 접근한 차량들을 말하는 것이다.

예전에는 전기차의 실용화를 위해서 일충전주행거리, 안전, 충전인프라, 차량가격, 사회적 인식 등 다양한 요소들을 해결해야 했지만, 그동안 친환경적인 정부정책과 기보유자들의 입소문 등으로 인하여 현재는 차량가격만이 유일한 걸림돌로 작용하고 있다.

높은 차량가격은 고가의 대용량 배터리 사용으로 인해 모든 전기차업체들이 겪고 있는 근본적인 문제로서 현재는 대부분의 국가에서 정부보조금을 통해 기존 내연기관차에 대한 경쟁력을 확보하고 있다. 그러나 최근 전기차의 판매대수가 급증함에 따라 각국은 국가보조금을 점차 축소할 계획이며 이미 중국에서는 2017년 20% 축소, 2019년 40% 축소와 2021년 이후에는 보조금을 완전철폐할 계획을 발표하였다.

세계 최대의 전기차 정부보조금을 지원하고 있는 우리나라도 <표 1>과 같이 작년까지는 모든 전기차에 대해 1,400만원의 정액 지원하던 것에서 올해부터는 배터리용량과 차량성능에 따라 1,200~1,017만원으로 차등 지원하고 있으며 향후 전기차 판매대수의 증가에 따라 정부보조금도 축소될 것으로 사료된다. 이와 같이 향후 보조금 축소에 따른 가격경쟁력 확보는 전기차 제작사의 몫으로 남게 되는 것이다.

전기차 부품 공용화의 필요성

미국 에너지성에서는 5년내 기존 구동시스템 가격의 1/4, 기존 배터리 가격의 1/5 정도로 축소되어야만 전기차가 독자적인 가격경쟁력을 가질 수 있다고 발표하였다. 이와 함께 각국의 전기차업체들은 신기술 개발 뿐만 아니라 양산시 가격 경쟁력을 확보하기 위한 기술개발에 집중하고 있다.

일반적으로 최소 몇십만대 이상의 대량생산에 기반을 두고 있는 자동차산업에 대해 연산 몇천대 수준인 전기차 산업이 생존하기 위해서는 핵심부품 뿐만 아니라 주변부품들의 공용화를 통한 가격저감이 필수적이다. 특히 고전압, 대전류, 전자파, 절연특성, 방수특성 등 전기차가 기본으로 가져야 할 안전의 측면을 생각한다면 더욱 안전하고 표준화된 특성의 공용부품이 절실하게 요구되고 있다.

이미 미국의 전기차 업체인 테슬라의 경우 부품개발의 핵심기술로서 고가의 희토류를 사용하지 않는 유도전동기를 사용하고, 기존의 노트북에서 사용함으로서 양산기술이 확보된 18650 리튬이온배터리를 메가팩토리에서 대량으로 생산함으로써 가격경쟁력을 확보하고 있다. 또한 이와 같은 18650 리튬이온배터리의 시장확대를 위하여 자사의 특허까지 공개하며 이를 사용하고자 하는 업체와 공용화를 추진하는 것도 다 가격경쟁력 확보를 위한 전략이라고 할 수 있다.

공용화에 대해 더 설명하기 전에 용어에 대한 혼동을 막고자 본 고에서 말하는 공용화에 대해 다음과 같이 3가지 의미를 가지고 있다는 것으로 시작하고자 한다.

•공용(共用)화 : 전용(專用)의 반대되는 말로서 용어 그대로 공동으로 사용할 수 있는 것을 말하며 일반적으로 하나의 시스템에서 사용되고 있는 부품을 다른 시스템에 그대로 사용가능함으로써 비용절감을 가져올 수 있는 방식을 말한다. 예를 들어 전기차 A와 전기차 B가 다른 모델인데 동일한 모터시스템을 사용하고 있다고 하면 공용부품을 사용한다고 할 수 있으며 일반적으로 동일 회사의 동급 모델에서 많이 적용되고 있는 방식이다.

•모듈화 : 하나의 시스템을 구성하는 부품들을 동일한 형태와 기능을 가진 여러개의 모듈을 이용하여 구성하는 것을 말하며 배터리의 경우 가장 기본 단계인 셀을 여러개 직병렬로 묶고 배터리관리시스템(BMS : Battery Management System)을 장착하여 기본적인 모듈을 만들고 이 모듈들을 다시 직병렬로 연결하여 배터리팩이 구성되는 것과 같은 방식이다. 이는 배터리 뿐만 아니라 인버터 내부의 전력소자를 다수의 모듈로 구성하여 확장시키거나 충전기를 병렬로 연결하여 2~4배 용량의 충전을 할 수 있는 등 다양한 부품에 대해 모듈화가 가능하므로 공용화를 위한 기법이라고 할 수 있다.

•상호호환성 : 가장 기본적인 공용화를 위한 방식으로서 어떤 제품이 공용으로 사용되기 위해서는 완전히 동일한 제품으로 교체하는 것도 가능하지만 기계적, 전기적, 통신적으로 동일한 인터페이스를 가진 제품일 경우 설령 제품이 다른 회사에서 제작하였다고 하더라도 공용으로 사용할 수 있다. 이는 전기차용 급속충전기의 경우 차데모, AC3상, 콤보1과 같이 표준화된 충전방식을 사용하면 각자 다른 회사의 차량과 충전기가 상호호환하여 사용할 수 있으므로 공용화할 수 있게 된다.

이와 같이 본 고에서는 전기차업체와 부품업체들이 상호 공용화를 통해 불필요하게 과다한 설계 변형을 줄이고 안전성이 확보된 공용부품을 채용함으로써 가격경쟁력을 확보할 수 있음에 대해 논하고 싶다. 통상적으로 공용화라고 하면 업체의 설계 자유도와 상충된다는 것으로 우려를 표하는 업체관계자도 있다. 또한 부품업체들도 완성차업체의 요구에 따라 다양한 제품개발이 이루어지게 되므로 공용화할 수 있는 여지가 거의 없다는 의견을 비치곤 한다. 이미 전기차 연구를 다년간 해온 본인도 그런 우려를 모르는 것은 아니다.

그러나 많은 전기차 관련 부품업체들과 논의해 보면 이미 국내의 전기차 부품시장은 무분별하게 들어오는 저가의 저사양 국외 부품들로 인해 국내 부품의 가격경쟁력을 확보하기는 어려운 상태이고, 표준화된 사양제시가 되지 않은 상태에서 기술개발은 더욱 어렵기 때문에 일정 영역에 대해서 부품공용화의 필요성을 강하게 요구하고 있는 실정이다. 특히 전기개조차와 초소형 전기차 분야에 있어 그와 같은 필요성은 더욱 강조되고 있다.

국제표준에서의 전기차 부품 공용화 현황

이미 전기차가 활성화되어 있는 유럽 각국에서는 국제표준기구 ISO(International Organization for Standardization)에서 독일자동차협회 VDA(German Association of the Automotive Industry)를 중심으로 ISO PAS 19295(Electrically propelled road vehicles – Specification of voltage sub classes for voltage class B) 표준을 통해 과도하게 넓은 사용전압폭을 줄임으로서 비용 절감 및 안전성 확보를 꾀하고 있다.

이 표준은 기존의 전기차에 적용되는 전압등급 B가 60V 초과에서 1500V 이하로 실용적으로 적용하기에는 커버해야 하는 범위가 매우 넓기 때문에 기존 생산되고 있는 IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)와 MOSFET(Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor)의 작동전압과 각국의 전압사용범위에 따라 220, 420, 470, 750, 850, 1250V로 나누어 B_220, B_420 등으로 표시하고 이 전압을 최대작동한계로 둔 상태에서 OS1~OS4까지의 작동상태에 따라 세부범위를 지정할 수 있도록 한 표준이다. <표 2>는 220V에 대한 작동상태 한계값들을 나타낸 것이다.

이 표준은 PAS(Publicly Available Specification, 공개시방서)로서 잠정적 국제표준이므로 전기차와 같이 기술개발변화가 빠른 분야에 적합한 표준형태를 취하고 있다. 또한 전기자동차용 배터리팩을 구성하는 셀에 대한 형상 표준으로서 ISO/IEC PAS 16898(Electrically propelled road vehicles - Dimensions and designation of secondary lithium-ion cells)이 있으며 <그림 2>와 같이 전세계에서 사용되고 있는 원통형, 파우치형, 각형 셀에 대한 형상 및 치수를 정리하고 있어 배터리팩 개발사들에게 좋은 정보를 제공하고 있다.

전기차 부품 공용화 과제의 추진 방향

이와 같이 국제표준에서도 전기차 부품 공용화 분위기가 조성되고 있으며 국내 전기차 제작사 및 부품업체의 가격 경쟁력 확보를 위해 국가기술표준원과 협력하여 국가표준기술력 향상기술개발사업으로 “전기자동차 부품 공용화를 위한 표준화 기반조성” 과제를 발굴하였고 자동차부품연구원의 주관과 서울과학기술대학교와 아이티엔지니어링의 참여로 2018년 6월부터 2020년 12월까지 31개월간 수행하며 다양한 전기차 분야의 공용화 표준을 개발하고자 한다.

본 과제에서 고려하고 있는 전기차는 고속전기차 뿐만 아니라 초소형 전기차, 전기트럭 등 현재 국내외에 출시되어 있는 다양한 차종에 대한 부품 공용화 표준 가능성을 파악하고 완성차업체에서 출시하는 차량 뿐만 아니라 개조전기차에 대한 분야도 포함하여 분석하고자 한다. 다루게 되는 전기차용 주요 부품은 모터 및 인버터, 배터리, 충전기 등 시스템 뿐만 아니라 DC-DC 컨버터, 커넥터, 케이블 등 부품도 포함되며 다음과 같이 시스템별 상세 부품 전체를 대상으로 하고 있다.

이와 같은 부품에 대해 다루게 되는 공용화 표준기술은 다음과 같은 것들을 포함하고 있다.

•치수표준기술 : 충전기 인렛과 커넥터, 모터축과 연결용 스플라인과 같이 서로 쌍을 이루는 부분의 치수를 일치시키기 위한 기술
•용량표준기술 : 동일한 등급의 전기차용 부품에 몇가지 용량을 제안하는 기술
•전압표준기술 : 전기적인 안전을 확보하고 각 부품의 사양을 과도하게 책정함으로서 발생하는 비용상승을 줄이기 위해 전압의 영역을 한정하는 기술
•통신표준기술 : 최근 전기차용 주요부품은 대부분 CAN 통신에 의해 제어되고 있으므로 각 부품의 특성에 따라 입출력번지가 동일하지 않은 경우 상호 호환되지 않으며 이들 CAN 번지는 업체의 대외비로 취급된다. 그러나 안전과 관련된 부품이나 차속정보 등과 같이 관련부품업체들에게 정보제공차 필수적으로 공개되어야 할 영역에 대한 기술
•모듈표준기술 : 시스템에 사용되는 대용량 제품을 다수의 동일한 모듈로 정의하는 기술
•공용부품표준기술 : 특정 제품에 사용되는 동일한 기능의 부품을 일치시킴으로서 완전한 의미의 공용부품을 정의하는 기술

본 과제에서는 전기차 관련 산학연 전문가들의 의견이 무엇보다도 중요하므로 각 분과별 “전기차 부품공용화 표준기술연구회”를 구성하고 있다. 구성분과로는 모터/인버터 분과, 배터리 분과, 충전기 분과, 감속기 분과, 초소형전기차 분과, 전동화시스템 분과, 공조시스템 분과, 커넥터 분과 등 7~8개 분과를 계획하고 있다. 각 분과별 연구회는 주관기관의 표준전문가를 간사로 하고 전기차 관련 부품업체, 연구소, 학계의 전문가들 5인 이상으로 구성되며 회의진행을 효율적으로 하기 위해 전체적으로 7인을 넘지 않도록 구성할 계획이다. 업체들의 현장 목소리를 통해 실제 필요한 표준에 대한 자유토론이 이루어질 예정으로 반드시 표준화가 되어야 할 분야와 같은 구속사항은 따로 두지 않으며 자유로운 의견개진을 통해 분과별 항목별 가능성 여부가 파악될 것이다.

매년 각 분과별 3-4회 정도의 회의를 통해 약 40명 이상의 전문가들의 의견을 취합하게 되며 특히 각 분과별로 구성 및 해체가 용이하도록 하여 표준 가능성의 유무에 따라 분과별 개최횟수를 조절해 가며 최적의 표준개발이 이루어지도록 할 계획이다.
<표 3>은 전기차 부품별로 공용화 가능한 표준항목에 대한 예시를 나타낸 것으로서 아직 과제수행 초기단계이므로 현재는 구체적으로 제시되지 않았지만 현재까지 개최된 몇 번의 회의만으로도 초소형 전기차 배터리용 표준 아키텍쳐, 충전시스템 전압 등 다양한 전문가들의 의견이 나오고 있어 2년 후 본 과제의 결과물에 대한 좋은 결실을 기대하고 있다. 전기차용 부품 공용화에 대한 다양한 전문가들의 의견은 언제든지 환영하고 있으니 관심이 있으신 분들은 언제라도 연락주시길 바라며, 본 과제가 자그나마 국내 전기차 실용화에 도움을 줄 수 있길 바란다.