- 전세계 자동차시장의 근황과 미래전망
- 전기차의 본질은 “바퀴달린 에너지 저장장치(ESS)“이다.
- 자동차 섀시와 에너지원이 통합된 인섀시 배터리(In chassis battery)
- 궁극의 전동화 기술인 인휠 헥사모터(In wheel HEXA motor)시스템
- 반값(1/2) 전기차 = 인섀시배터리 ⊕ 인휠헥사모터시스템
19세기 산업혁명 이후 20세기 급격한 지구촌 산업화와 폭발적인 에너지를 제공해온 화석연료는 더는 축복이 아닌 저주의 단어로 돌변했다. 지구온난화와 이로 인한 기상이변은 이제 경고가 아닌 현실로 나타나고 있다.
유엔이 2019년 발표한 ‘세계 인구 전망 보고서’는 100여년 전 20억 명에서 2050년 예측인구가 100억 명이다. 지구온난화 시대를 맞이하여 자동차와 항공 등 수송분야는 전 세계 온실가스 배출의 25% 가량을 차지하고 있어, 온실가스 감축을 위한 세계는 ‘2050년 탄소 중립’을 위해 친환경 에너지 개발과 함께 전기차와 수소차 보급이 시급한 해결과제로 등장했다.
2019년 기준 전세계에서 굴러다니는 자동차는 상용차를 포함하여 14억9000만 대로 추산되며 근래 연간 세계 자동차 판매는 평균 9000만 대 안팎으로 지난 2020년 전기차 판매량은 320여만대로 262만대가 판매된 2019년과 비교해 60만대 가량 많아졌다.
일론 머스크 테슬라 최고경영자(CEO)는 2020년 9월 22일 배터리데이 행사에서 “새 원통형 배터리 셀 ‘4680’을 소개하며 공정 혁신을 통해 원가를 56% 절감하여 3년 뒤 차량 가격을 2만5000달러(약 2910만 원) 수준의 “반값(1/2) 전기차” 시대를 예고했다.
배터리 가격은 통상 전기차 가격의 40%를 차지한다. 현재 미국에서 판매되고 있는 전기차의 평균 가격은 2019년 5만5600달러(약 6500만원)로 내연기관자동차 평균 가격이 3만6600달러(약 4200만원)로 전기차는 아직도 비싼편이다.
전기차용 배터리팩은 대략 1만 달러~1만2000달러(약 1200만원~1400만원)로 전기차가 보조금없이 내연기관자동차와 비슷한 가격에 도달하려면 배터리가 kWh당 100달러는 되어야 한다. 2019년 기준 배터리의 가격은 kWh당 평균 157달러로, 전문가들은 2023년에 100달러 선에 도달할 것으로 보고 있다.
반값(1/2) 전기차와 대중화는 자동차 에너지원인 배터리를 차량의 기본 구조물인 섀시(chassis, 車臺)에 내장하는 인섀시배터리(In chassis battery)와 바퀴부의 휠내부에 6개(HEXA) 구동모터를 장착한 인휠헥사모터(In wheel HEXA motor)시스템으로 완성될 것이다.
Ev = w·ESS( Ev: Electric vehicle, w: wheel, ESS: Energy Storage Systems
전기차 = 바퀴달린 에너지 저장장치 (바퀴: 인휠헥사모터, ESS: 인섀시 배터리)
전기차는 샤오미 보조배터리 1000개 용량을 갖는 “바퀴달린 에너지저장장치(ESS)”이다. 전기차의 매력은 매연과 소음, 미세먼지가 전혀 발생하지 않으며 내연기관차와 비교해 소모품이 적어 유지비가 적으며 충전(연료)비용이 5분 1로 저렴하다.
내연기관차의 부품 수는 약 2만5000개, 전기차는 1만 개~ 7000개 내외이다. 장차 차량 기본 구조물인 섀시부(chassis)와 에너지원인 배터리부(battery)를 통합하는 ‘인섀시 배터리(In chassis battery)‘와 차동기어와 전동축과 같은 파워트레인을 제거하는 ‘인휠헥사모터(In wheel HEXA motor)가 도입되면 전기차 생산에 필요한 부품 수가 ‘수 백개‘ 수준까지 줄어들 것이다.
독삼사(BMW, 포크스바겐, 벤츠), 토요타, 현대차와 같은 내연기관 자동차회사에게 ‘반값(1/2) 전기차’라는 혁신은 ‘자기시장잠식의 카니발리제이션(cannibalization)’이다. 매출감소와 부품공급 및 판매대리점 혹은 딜러망의 붕괴와 구조조정이 불가피하다.
자동차의 기본 구조물인 섀시와 전기차의 에너지원으로 최대 50%의 원가를 차지하는 배터리부가 통합된 ‘버금 아(亞)형’ 섀시(車臺)인 인섀시 배터리‘와 ‘인휠헥사모터’ 시스템과 같은 혁신적인 동력계통(power trains)은 “반값(1/2) 자동차 시대”를 앞당기고 그 주체는 내연기관 자동차회사가 아니라 테슬라와 같은 “전업(專業) 전기차 회사”가 될 것이다.
- 전세계 자동차시장의 근황과 미래전망
2019년 기준으로 전세계에서 굴러다니는 자동차는 상용차를 포함하여 14억9000만 대로 추산되며 근래 연간 세계 자동차 판매는 평균 9000만 대 안팎이었으나 2020년 판매량은 전년대비 16% 감소한 75백만대, 2021년 판매량은 코로나19 사태 진정 및 기저효과로 전년대비 9% 증가한 82백만대로 전망된다.
자동차 산업은 세계적으로 매출액이 1조 달러가 넘고 1천만 명 이상을 고용하고 있는 세계 최대 제조업이다. 그러나 세계 자동차 산업의 업황은 저성장이 고착화되고 전기차와 자율주행차로의 패러다임 전환이 일어나는 혁신 물결에 휩싸이고 있다.
자동차 산업 톺아보기
자동차 산업은 우리나라의 대표적인 주력산업으로 3만여개의 부품, 관련 소재 및 서비스 등 전후방 산업에 파급효과가 가장 큰 산업이다. 2017년 기준 자동차 산업의 생산유발계수는 2.4, 후방연쇄효과는 1.3으로 주요 제조분야 중 가장 높은 수치를 기록하고 있다.
2018년 기준 한국 자동차산업의 생산액은 190조원으로 전체 제조업의 12%를 차지하고 있으며, 제조업 부가가치의 9.4%, 제조업 고용의 12%, 총수출의 10.5% 담당하고 있다. 자동차산업 기업 수는 4,724개, 부가가치액은 53.2조원 종업원 수는 351,315명, 수출액은 640억 달러 기록하였다.
2019년 기준 우리나라 자동차 생산대수는 3.95백만대로 세계 7위권을 기록하였고 브랜드 가치에서 우리나라 현대자동차가 6위를 기록해 글로벌 자동차 시장에서 좋은 평가를 받고 있으나 최근 들어 글로벌 자동차산업 환경에 큰 변화의 조짐이 발생하고 있다.
국내 자동차 산업 현황은 2020년 1~9월까지 국내 자동차 생산은 코로나19에 따른 글로벌 수요 감소로 전년대비 12.6% 감소한 2.9백만대였으며, 수출 역시 전년대비 25.2% 감소한 1.3백만대에 불과했다.
코로나19의 팬데믹 영향으로 전 세계 완성차 및 자동차 부품 공장 가동이 일시 중단되고, 수요 또한 급격히 위축되면서 2020년 글로벌 자동차 생산량은 전년 대비 13.5% 급감한 7,689만 대로 예측된다.
글로벌 자동차 생산량은 2018년부터 감소하기 시작하여 2019년에는 전년 대비 5.6% 하락하는 등 다운사이클에 진입하고 있었으며, 코로나19로 인해 침체가 더욱 가속화 되는 상황에서 장기적인 생산증가율은 점차 둔화될 것으로 전망된다.
자동차산업이 위기에 빠져들고 있으며 글로벌 자동차 시장이 위축되고 산업환경이 급변하고 있다. 자동차 관련 직접고용 인력은 약 39만 명으로 제조업의 12%를 차지한다. 주유소, 정비업소 등 관련 분야까지 포함하면 180만 명이나 된다.
국내 자동차 산업은 생산, 수출 및 내수 모두 침체인 상황이 2015년 이후 지속되고 있으며, 글로벌 자동차 시장환경도 빠르게 변화하고 있으며, 자동차 생산감소로 인해 관련 부품사의 경영 악화는 자동차 생태계 전반에 걸쳐 악영향을 미칠 우려가 커지고 있다.
2020년 급감했던 수요가 반등할 것으로 예상되나, 여전히 2019년 판매량에는 못 미쳐 2019년 수준의 소비회복은 2023년에나 가능할 전망이다. 뉴노멀시대 진입, 기후변화 이슈 및 ICT 기술 발전으로 촉발된 4차 산업혁명 이슈가 내연기관 중심의 글로벌 자동차산업에 큰 변화 예상된다.
기후변화체제 등장 및 정보통신 기술발전으로 자동차산업은 변화는 C(Connected), A(Autonomous), S(Shared), E(Electric)으로 패러다임 전환기에 있다. 코로나19에 따른 어려움에도 불구하고 2020년은 글로벌 자동차 산업 패러다임 변화의 원년이 되었다.
2020년 이후 파리기후변화협약은 자동차산업의 지형을 바꿀 수 있는 메가트랜드로 부각되고 있다. 수송분야는 전 세계 온실가스 배출의 25% 가량을 차지하고 있어, 온실가스 감축을 위한 규제가 점점 더 강화되고 있는 추세이다.
유럽 및 북미지역의 경우 연비규제가 강화되고 있으며, 이를 어길시 대규모 벌금부과가 예정되어 있어 친환경은 가장 뜨거운 이슈로 자리매김하고 있으며 인공지능 및 정보통신 등 IT 기술발전으로 무인자동차 시대가 성큼 다가오고 있다.
교통사고 방지를 위한 보조기능에 불과했던 자율주행 기술이 사람을 대체할 수 있을 정도로 발전하고 있으며 글로벌 자동차산업은 뉴노멀 시대에 진입하였다. 포스트 코로나 이후 뉴노멀 상황은 더욱 빨라질 것이며 타파하기 위한 개별 국가별 맞춤 전략 수립이 더욱 강화될 전망이다.
글로벌 자동차 수요 증가가 멈춘 상황에서 신기술의 등장은 새로운 수요를 창출하기보다 기존 제품을 대체하는 방향으로 전개되고 있다. 기존 점유율 방어를 위해 기업간 경쟁이 보다 치열해 질 것이며, 결국 이는 각국의 시장 상황 및 환경에 최적화된 솔루션 제공 필요성이 증가되고 있다.
자동차 산업 패러다임 변화
자동차 산업 패러다임 변화의 또 다른 큰 축은 친환경이며, 온실가스 감축을 위한 친환경 자동차의 핵심기술로 폭스바겐 사태 발발로 디젤기술은 환경문제 해결에 한계가 있음을 드러냈고, 결국 차세대 친환경 자동차 기술주도권은 전기차로 넘어갔다.
전기차 시장 전망은 2021년 글로벌 수요는 전년대비 16.4% 증가한 264만대를 기록할 것으로 예상되며, 2025년 수요는 850만대로 급증할 전망이다. 정부보조금에 의존해 왔던 글로벌 전기차 시장은 본격적인 성장단계로 진입하고 있다.
2025년부터 전기차 가격이 내연기관 자동차 가격과 동일 수준에 도달할 것으로 예상됨에 따라 글로벌 전기자동차 판매량은 2026년 1,000만대, 2029년 2,000만대를 넘어설 전망이다.
EU는 2020년부터 평균 판매대수를 기준으로 대당 이산화탄소 배출량이 95g/km을 넘지 못하도록 하는 규제를 도입하고, 이를 충족하지 못하면 CO2 초과 배출량 1g/km마다 95유로 벌금 적용 예정이다. 또한 전기차 10대 당 최소 1개의 충전소를 확보하는 것을 목표로 하고 있다.
EU뿐만 아니라 미국, 일본 등 주요 자동차 소비국에서도 비슷한 연비 규제가 시행될 예정이며, 각국 정부가 온실가스 배출 규제를 강화함에 따란 자동차 산업의 지형은 전비(연비)향상을 위한 기술개발 필요성이 커지고 있다.
자동차 기술을 선도하고 있는 EU는 클린디젤 기술을 통해 친환경 자동차 시장을 주도하려고 하였으나, 폭스바겐 사태 발발로 디젤기술은 환경문제 해결에 한계를 노출하여 차세대 친환경 자동차 기술주도권은 전기차로 완전히 넘어갔다.
- 전기차의 본질은 “바퀴달린 에너지 저장장치(ESS)”이다.
2019년 기준 전세계에서 굴러다니는 자동차는 상용차를 포함하여 “14억9000만 대”로 추산되며 근래 연간 세계 자동차 판매는 평균 9000만 대 안팎이다. 지구온난화 시대를 맞이하여 수송분야는 전 세계 온실가스 배출의 25% 가량을 차지하고 있다.
전기차가 대중화되면 주요 자동차 업체들이 핵심 경쟁력으로 삼아 온 엔진과 구동 시스템 기술이 한순간에 쓸모가 없어진다. 자동차 업계에 전기차의 등장은 큰 충격으로 정유 업계와 주유소, 자동차 부품 업체, 수리점 등 연관 업종에 번지는 충격파는 상당하다.
‘바퀴달린 발동기(원동기)’ vs ‘바퀴달린 에너지 저장장치(ESS)’
자동차 산업 패러다임 변화의 또 다른 큰 축은 친환경이며, 온실가스 감축을 위한 친환경 자동차의 핵심기술로 전기차의 부상이다. EU는 2020년부터 평균 판매대수를 기준으로 대당 이산화탄소 배출량이 95g/km을 넘지 못하도록 하는 규제를 도입했다.
이를 충족하지 못하면 CO2 초과 배출량 1g/km마다 95유로 벌금이 부가되며 EU뿐만 아니라 미국, 일본 등 주요 자동차 소비국에서도 비슷한 연비 규제가 시행될 예정이며, 각국 정부가 온실가스 배출 규제를 강화하고 있다.
내연기관 자동차 기술을 선도하고 있는 독일은 독삼사(BMW, 폭스바겐, 벤츠)의 클린디젤 기술을 통해 친환경 자동차 시장을 주도하려고 하였으나, 폭스바겐 사태(디젤 게이트)가 발생하여 디젤기술은 환경문제 해결에 한계를 노출하고 폭망했다.
내연기관 자동차는 엔진과 연료탱크가 핵심으로 “바퀴달린 발동기” 혹은 “바퀴달린 굴뚝”으로 형상화된다. 내연기관차의 부품 수는 약 2만5000개로 핵심부품 상당수가 엔진이나 변속기 및 차동장치 등의 동력계통(power trains)을 만드는 데 쓰인다.
전기차는 내연기관 자동차의 엔진(발동기, 원동기)이 전기모터로 대체되며, 구동을 위한 에너지원도 화석연료에서 전기로 대체된다. 전기차는 엔진 자동차와 달리 배터리, 전기모터, 인버터·컨버터, BMS(Battery Management System)등으로 구성된다.
전기차 기술은 자동차 보급시기부터 상용화된 기술이었으나, 배터리 사용에 따른 짧은 주행거리 및 가격문제로 인해 활성화되지 못하다가 테슬라(TSLA)의 성공 이후 전세계적으로 주목을 받고 있다.
2010년에 출시된 1세대 전기차 주행거리는 135km에 불과해 기존 엔진 자동차의 주행거리(약 500km)에 크게 미치지 못해 실용성 측면에서 시장의 기대를 충족시키지 못하였다. 테슬라의 모델X는 주행거리 400km를 넘어섰다.
전기차는 전기를 에너지 저장장치(battery)에 저장하여 구동장치인 모터에 공급하는 방식이며 통상 샤오미 보조배터리 1000개 용량을 갖는 “바퀴달린 에너지저장장치(ESS)”이다. 배터리는 재충전이 가능한 2차전지가 이용되며 전기차 제조원가의 대략 30~40%를 차지한다.
BMS(Battery Management System)는 배터리 관리시스템으로 배터리의 충전·방전 조절, 전압·전류·온도 감시, 냉각 제어 등을 수행한다. 자동차의 핵심 기술은 이제는 내연기관이 아니라 배터리와 반도체 그리고 인공지능으로 옮아가고 있다.
자율주행이 완성 단계에 이르고 배터리가 비약적으로 발전하면서 전기차와 자율주행차 기술이 결합하여 자동차는 이제 ‘바퀴가 달린 에너지 저장장치(ESS)’로 진화하고 있다.
자율주행차는 가솔린, 디젤 등의 내연기관차보다 순수 전기차를 기반으로 제작된다. 복잡한 부품과 엔진이 탑재되는 내연기관차에 비해 배터리와 모터로 구동되는 전기차는 구조가 간단해 인공지능(AI)을 포함한 다양한 디지털시스템을 탑재하는 자율주행차에 적합하다.
소음과 배출가스가 거의 없는 전기차의 장점과 사고 방지와 교통혼잡 최소화라는 자율주행차의 장점이 결합되고 있다. 자율주행차가 상용화 단계에 들어가면 내연기관 중심의 승용차 판매는 크게 줄어들고 전기차가 대세로 부상할 것이다.
또 차량공유서비스 시장도 빠르게 성장할 것으로 예상된다. 도시, 국가 시스템과 하나로 연결된 커넥티드카를 함께 쓰는 공유서비스가 대중화하면 비싼 구입 비용과 유지비를 감수하며 자가용 차를 소유할 필요성은 크게 감소할 수밖에 없다.
완성차업체들은 자동차 산업의 주도권이 제조 중심에서 서비스 중심으로 서서히 옮겨가고 있다고 보고 있다. 일각에서는 자율주행차 시대의 완성차 업체들은 하드웨어를 제공하는 ‘들러리’로 전락할 수 있다는 우려도 제기한다.
완전 자율주행과 차량공유의 시대는 플랫폼 경쟁에서 앞선 소수의 업체로 재편될 가능성이 크다. 제대로 된 수익구조를 만들지 못하는 자동차 업체들은 결국 경쟁에서 낙오할 수 밖에 없을 것을 전망된다.
향후 상용화될 자율주행차는 주로 순수 전기차를 기반으로 제작될 것이기 때문에 전기차 경쟁에서 밀리면 자율주행차라는 거대한 흐름에서도 도태될 가능성은 정해진 수순이다.
ICT와 자동차가 융합하는 미래차 산업에선 다양한 최첨단 기술 업체와의 협업은 생존을 위한 필수 요건이다. 자율주행차가 상용화하면 자율주행차를 기반으로 한 차량공유서비스 시장이 빠르게 성장해 완성차 판매량이 크게 감소할 것으로 전망된다.
차를 소유하는 대신 공유하는 것으로 인식하는 소비자들이 늘면서 글로벌 완성차 기업들의 전략 변화도 불가피해졌다. 자동차 산업의 변방에 있던 부품과 전장, ICT 기업들이 중심부로 자리를 옮기고 있다.
전기차는 내연기관 자동차보다 부품의 수가 많게는 1/10로 축소되어 후방 부품제조 생태계가 급격히 축소되고 배터리 가격이 하락하면, 지금의 자동차보다 그 가격이 낮아지며, 자율주행차와 우버와 집카 (ZipCar)와 같은 자동차 공유서비스의 확대는 자동차를 소유할 필요성을 감소시킨다.
이러한 트랜드는 자동차를 소유할 필요성을 감소시켜 자동차 수요가 1/5로 축소되어 오히려 GDP감소와 국세수입의 약 15%를 차지하는 “거위 털인 유류세“ 세원(稅源)의 증발을 초래한다. 운송·교통과 관련한 많은 직업군은 사라지고 산업화 시대의 도시구조가 인터넷과 센서 네트워크로 교통신호등이 하나도 없는 스마트도시(Smart City)로 진화할 것이다.
4차산업혁명기의 자동차는 더 이상 기계가 아니라 ‘바퀴달린 에너지 저장장치(ESS)와 컴퓨터‘로 진화할 것이 명백하므로 현재 스마트폰 시장과 같이 자동차 산업의 중심이 제조나 생산 보다 기술, 소프트웨어 중심으로 전환되고 극소수 브랜드만 생존할 것이다.
전기차의 매력은 매연과 소음, 미세먼지가 전혀 발생하지 않으며 내연기관차와 비교해 소모품이 적어 유지비가 적은 데다, 충전(연료)비용이 5분 1로 저렴하다. 내연기관차의 부품 수는 약 2만5000개지만 전기차는 절반도 안 되는 1만 개~ 7000개 이다.
‘반값(1/2)’, ‘반의 반값(1/4)’, ‘반의 반의 반값(1/8)’ 전기차 전망
일론 머스크 테슬라 최고경영자(CEO·49)는 2020년 9월 22일 미국 캘리포니아주 프리몬트 공장 주차장에서 테슬라의 주주총회를 겸해 연 배터리데이 행사에서 “차세대 전기차 배터리가 더 강력하고 오래가며 가격은 절반 수준일 것”이라며 새 원통형 배터리 셀 ‘4680’을 소개했다.
머스크는 이날 새로운 배터리와 공정혁신을 통해 원가를 56% 절감할 수 있다고 선언했으며 이를 바탕으로 3년 뒤에는 2만5000달러(약 2910만 원) 수준으로 크게 낮춘 전기차를 출시하겠다고 했다.
이에 더하여 미국 대형 투자은행(IB) 모건스탠리는 “전기차 분야 위탁생산업체(OEM), 공급업체, 도메인 전문가와 많은 대화를 나눈 결과, 전기차 가격이 5000달러(약 570만원) 밑으로 떨어져도 놀라지 않을 것“이라며 “언젠가 전기차 가격이 3000~5000달러 수준이 될 것”이라고 밝혔다.
이와 같은 예측은 전통적인 독삼사(폭스바겐, BMW, 벤츠), 토요타, GM, 현대차와 같은 글로벌 자동차 업계(legacy auto maker)에는 악몽(惡夢)이다. 테슬라는 내연기관 자동차를 생산하지 않는 전업(專業) 자동차 회사로 낮은 가격에도 새로운 시장의 획득이 가능하다.
글로벌 내연기관 자동차업체는 테슬라의 시장잠식에 더하여 ‘탄소배출크레딧 구매’로 테슬라에게 피(血)를 빨리는 상황으로 내연기관에 집중하던 업체들의 고통은 더욱 깊어지고 있다. 코로나19 이전부터 이뤄져 오던 미래차 시대로의 변화가 코로나로 더욱 빨라지고 있다.
자동차산업은 큰 도전에 직면하고 있다. 변화에 적응하지 못하는 완성차·부품업체들은 심각한 어려움을 겪고 있다. 세계각국이 코로나19로 인한 불황을 타개하기 위한 부양책으로 친환경·전기차에 대한 지원을 강화하면서 글로벌 완성차업체들의 전동화(Electrification) 경쟁에 불이 붙었다.
전기차 가격은 내연기관 대비 구동관련 신규 부품 등 추가 공정이 필요하며, 배터리 비용증가로 인해 내연기관 자동차대비 약 51~56% 제조원가 상승이 발생한다. 전기차 제조원가를 낮추기 위해선 리튬이차전지 제조단가를 낮추는 것이 최우선 과제이다.
전기차에서는 배터리가 원가에서 30%에서 최대 절반 가까이를 차지할 정도로 큰 비중을 차지하기 때문에 현재 대부분의 완성차 브랜드는 전기차에서 수익성을 확보하지 못하고 있다. 전기차 수요 증가에 가장 큰 동인은 리튬이차전지 가격하락에 기인한다.
전기차의 에너지원인 리튬이온전지는 1991년 일본 소니(SONY)가 세계 최초로 상용화시켰고 1991년 이후 최근 가격은 97%까지 떨어졌다. 1992~2016년 리튬이온전지의 에너지 용량(kWh) 당 가격은 평균 13% 떨어졌으며 원통형 셀은 24%로 가장 하락폭이 컸다.
전기차의 장점은 매연과 소음, 미세먼지가 전혀 발생하지 않으며 내연기관차 대비 소모품이 적어 유지비가 적은 데다, 연료(충전)비용이 대략 5분 1로 저렴하다. 내연기관차의 부품 수는 약 2만5000개지만 전기차는 절반도 안 되는 1만 개~ 7000개 내외이다.
섀시부와 에너지원인 배터리부를 완전히 통합하는 인섀시 배터리(In chassis battery)와 차동기어와 전동축과 같은 파워트레인을 제거하는 인휠헥사모터(In wheel HEXA motor)는 전기차 생산에 필요한 부품 수가 수 백개 수준까지 줄어들 것이다.
전기차 생산에 필요한 부품 수가 현재 1만 개 수준에서 앞으로는 100개 수준까지 줄어드는 유리한 환경이 만들어고 앞으로 10년 동안 전기차 생산량을 공격적으로 늘리고 생산과정도 효율화하면 전기차 가격은 중장기적으로 3천~5천 달러 수준까지 낮아질 가능성이 충분하다.
- 자동차 섀시와 에너지원이 통합된 인섀시배터리(In chassis battery)
전기차는 통상 ‘샤오미 보조배터리 1000개를 탑재한 용량의 에너지저장장치(ESS)‘이다. 전기차에서 최대 50%까지 원가를 차지하는 배터리 가격을 낮추지 못하면 테슬라 일론 머스크의 공언은 이루지 못할 것이다.
전기차의 에너지원인 배터리
현재 킬로와트(kWh)당 130 달러 내외인 전기차 배터리 가격을 일론 머스크는 3년 안에 56% 낮추어 57 달러대까지 끌어 내린다는 계획이다. 배터리 가격은 지속적으로 떨어지고 있으며 시장의 전망은 2030년까지 kWh당 60달러대로 떨어질 것으로 보고 있다.
배터리셀의 기본적인 형태는 각형, 원통형, 파우치형이다. 테슬라는 기존에 사용하고 있는 표준 원통형 배터리를 개선해 최적화하고 있다. 테슬라를 제외한 제조사들은 주로 각형 혹은 파우치형 배터리를 쓰고 있다.
테슬라는 배터리 원가 절감을 위한 다양한 기술을 개발하고 있으며 2170배터리보다 큰 용량의 4680 배터리(지름 46mm x 길이 80mm) 생산을 준비하고 있다.
리튬이온전지는 1991년 일본 소니(SONY)가 세계 최초로 상용화시켰고 1991년 이후 최근 가격은 97%까지 떨어졌다.
이는 기존에 알려진 리튬이온전지 가격 하락 폭보다 훨씬 크다. 1992~2016년 리튬이온전지의 에너지 용량(kWh) 당 가격은 평균 13% 떨어졌으며 원통형 셀은 24%로 가장 컸다.
또 이 기간 리튬이온전지의 실거래가는 연간 13%에서 17%로 가격 하락 폭은 해가 갈수록 계속 커졌다. 전기차 시장의 급속한 성장과 리튬이온전지 기술 발전은 기후변화의 게임 체인저로 기후변화 정책을 세우는데 매우 큰 영향을 미칠 것이다.
배터리 누적 생산량이 2배 늘어날 때마다 가격은 4분의 1가량 떨어져 2016년까지 10년간 배터리 생산은 5차례에 걸쳐 2배씩 늘었다. 생산량이 늘어날수록 가격이 낮아지는 ‘규모의 경제학’에 따라 생산이 늘어나면 설비를 확충할 수 있고, 보다 저렴한 가격에 원자재를 공급받을 수 있다.
전기차가 기존 내연기관 자동차와 가격경쟁을 하려면 배터리 가격이 kWh당 100달러는 돼야 할 것으로 전망되고 있으며 배터리업체들이 2년 안에 이 목표에 도달할 수 있을 것으로 예상되고 있어 자동차 산업은 130여 년 만에 혁명적 변화에 직면하고 있다.
‘셀투바디(Cell to body)‘ vs ‘인섀시 배터리(In chassis battery)‘
테슬라는 섀시(chassis) 와 보디(body)를 포함한 거의 대부분의 핵심부품을 생산하고 자체 충전 네트워크(슈처차저)를 구축하고 있다. 자체 완전 자율주행(FSD, Full Self-Driving) 시스템을 개발하고 있으며 전기차 원가의 30~40%를 차지하는 배터리 내재화를 추진하고 있다.
테슬라는 배터리와 차체를 통합시키는 기술로 차체(body)의 배터리 장착 공간을 재설계해 차체 무게 배분을 효율화하고, 날개 부분에도 연료를 넣는 항공기처럼, 강성이 뛰어난 소재를 쓰고 내부공간에 배터리를 채우는 형태로 재설계를 추진하고 있다.
셀투바디(cell to body)구조는 두 개의 강철 시트 사이에 샌드위치 코어를 넣어 배터리팩을 견고하게 지지하고 전단응력을 증대한다. 테슬라의 구조용 배터리팩인 셀투바디(cell to body)구조는 중국 배터리 기업인 CATL의 셀투팩(cell to pack)보다 한 단계 진전된 기술이다.
셀투팩 기술은 셀과 모듈·팩 순으로 이루어지는 기존 구성에서 모듈의 비중을 낮춰 최대한 셀에서 팩으로 직접 연결되는 설계를 지향한다. 배터리팩 내부에 모듈이 개별로 분할되면 나눠진 모듈 수 만큼 추가적인 부품과 전선이 필요해 무게와 가격 모두 증가한다.
셀투팩 기술은 주행거리 향상과 가격경쟁력 면에서 불리하기 때문에 배터리팩 모듈을 줄이면 그만큼 공정을 최소화하고 모듈의 빈자리에 배터리를 추가할 수 있어 전기차 경량화와 공정 단가절감 및 배터리팩 내부공간 활용도를 높여준다.
테슬라의 구조용 배터리팩인 셀투바디(cell to body)방식은 배터리 팩을 단순화하여 모듈을 제거하고 차량의 구조적 무결성을 유지하기 위한 새로운 방법이다. 셀투팩(cell to pack)구조보다 열 관리에 유리하고, 크기는 10% 줄고, 주행거리는 14% 늘리며 370개 부품을 줄여 준다.
자동차 구조용 프레임인 섀시(chassis, 車臺)는 뒤틀림 강성을 높이기 위해 서브 프레임을 덧대거나, 경량화를 위해 다양한 소재와 형태로 짜인 몸체에 각종 부속품을 장착하는 형상으로 섀시의 구조가 변화·발전하고 있다.
전기차용 섀시는 연비향상을 위해 경량의 무게와 고강도(high-strength) 및 고강성(high-rigidity)의 특성을 발현하는 새로운 형상의 섀시가 필요하다. 전기차의 에너지원인 배터리와 구조용 프레임(frame)인 차대를 하나로 통합하는 것이 인섀시 배터리(In chassis battery)이다.
테슬라의 셀투바디(cell to body)보다 한 단계 더 진화한 ‘버금 아(亞)형’ 섀시(車臺)인 인섀시 배터리(In chassis battery)는 편평형차대(扁平型車臺, flatform chassis)라고도 한다.
차량의 경량화(Diet)를 최적화하는 기하학적 형상으로 육방격자(Hexagonal Lattice)형 채움구조를 갖는 편평(扁平)한 차대(車臺)는 저강도의 속이 빈(hollow) 세심관을 다중 집속한 다발형 튜브(관)의 두꺼운 중간층(core)을 갖는다.
상대적으로 고강도 재료(강판, 알루미늄판 등)로 된 두 개의 얇은 바깥층(face)을 덧대어 바깥층+중간층+바깥층으로 겹치는 삼겹구조의 샌드위치 보(sandwich beam)형상 패널로 고강도(high-strength)와 고강성(high-rigidity)의 재료특성을 발현한다.
중간층(core)인 속이 빈 세심관에는 표준 원통형 배터리를 대량으로 수납하여 에너지원과 구조용 프레임이 하나로 통합되는 편평형 차대(chassis, 차대, 車臺)는 체적대비 관성 모멘트와 인장, 비틀림, 굽힘, 압축 등의 전단응력 증대와 재료비 절감 및 차량 디자인의 자유도를 확보할 수 있다.
“편평형차대”는 자동차의 구조용 프레임인 섀시로, 대용량 배터리를 섀시 내부에 수납하고 격납하여 별도의 배터리(battery)의 설치공간을 제거함으로써 서비스 공간을 최대화하고, 섀시의 강성(rigidity) 향상과 중량 감축으로 전비(연비)향상에 기여할 수 있다.
또한, 대용량 배터리를 전기차의 바닥판(floor pan)부분에 폭넓게 적재하고 세심관 사이의 빈공간을 활용한 공랭식과 수랭식 혹은 상변화 냉각시스템 적용과 외부 대기와 닿는 차량 바닥 부분을 방열판으로 병용하는 열교환 시스템을 형성할 수 있다.
이러한 인섀시 배터리(In chassis battery)는 최적의 ‘구조화 배터리’ 시현으로 섀시 구조물의 열응력(thermal stress)에 의한 열변형률(thermal strain)을 억제하고, 배터리 냉각효율 향상과 섀시의 재료와 무게중심을 바퀴 회전축 원점O보다 아래에 둘 수 있어 차량운행의 안정성을 향상시킬 수 있다.
- 궁극의 전동화(ultimate electrification)기술인 인휠헥사모터(In wheel HEXA motor) 시스템
130여 년 자동차산업 역사에서 한정된 화석연료를 사용하는 내연기관 자동차에서 전기차를 기반으로 운전자가 직접 조작하지 않아도 자동차가 주행환경을 인식해 위험을 판단하고 주행경로를 계획해 스스로 운전하는 자동차인 자율주행차(autonomous vehicle)로의 패러다임이 빠르게 변화하고 있다.
전기차는 단순히 내연기관차에서 엔진과 트랜스미션을 배터리와 모터로 대체한 차량이 아니다. 전기차는 내연기관차 대비 단순한 차량 구조, 전자신호에 대한 즉각적인 응답성, 인터넷과의 연결성 등으로 인해 공유와 자율주행기술의 기반이 되는 차(車)이다.
전기차 분야에서 가장 주목을 받는 기술 중 하나는 바로 인휠모터(In wheel motor)이다. 인휠모터는 휠 안에 모터를 위치시키는 방법으로, 휠 안에 모터와 제동장치, 허브가 하나의 모듈로 구성되며 동력 손실을 최소화할 수 있으며, 연비 개선 효과도 얻을 수 있다.
일반적으로 전기자동차는 구동방법에 따라 전동기에서 발생된 동력을 전동축(transmission shaft)과 차동장치를 통해 바퀴에 전달하는 인라인(in-line) 전기구동 시스템과 전동기를 차량바퀴 내부에 장착하는 인휠(in-wheel) 전기구동시스템으로 구분된다.
종래의 인휠모터 (In wheel motor)시스템
인휠모터 시스템은 구현방법에 따라 구동 모터만 휠 안에 장착하여 기존 서스펜션장치와 공존하는 단순 인휠 시스템과 구동모터와 함께 제동, 조향, 현가 시스템 전체를 휠 안에 장착하는 통합 인휠 시스템으로 대별할 수 있다.
인휠모터 시스템은 바퀴의 휠(wheel)안에 구동 및 제동 장치를 일체화한 것으로 차동장치나 구동축 등의 동력계통(power trains)의 부품을 제거하고 기계적 손실을 줄여 에너지 효율향상과 각 휠마다 구동력을 자유롭게 바꾸는 토크벡터링(torque vectoring)이 가능하다.
또한 모션제어 및 능동적인 디퍼렌셜 기능 제어로 주행성능과 조향성능을 향상시키며, 차량자세제어(electric stability control)와 자동주차 시스템(smart parking assist system) 및 자율주행시스템(autonomous driving system)의 구현이 비교적 용이하다.
사륜 휠의 구동력과 제동력을 독립 제어함으로 빠른 응답성, 차량의 가감속 운동 제어와 선회운동 제어를 네 바퀴에서 직접 수행하여 고도의 운동성능 실현, 차량의 안정성 증대, 차량 중량감소로 연비개선, 실내 서비스 공간의 추가 확보로 차량 레이아웃이나 디자인의 자유도가 향상된다.
그러나 인휠모터 시스템은 실제 산업에서의 응용측면에서 휠이라는 제한된 공간에 여러 기계와 전자부품들이 복잡한 구조로 장착되기 때문에 부품의 소형화가 요구되며, 그 중 핵심부품인 모터는 소형화와 고출력 특성이 요구 된다.
또한 내구성 확보를 위하여 모터 구동시 열에너지로 방출되는 코일의 동손(copper loss), 코어의 철손(iron loss), 베어링과 기어 등의 기계손(
냉각과 진동절연문제는 전동축(transmission shaft)과 차동장치를 통해 동력을 각 바퀴에 전달하는 인라인(in-line) 전기구동 시스템과는 다르게, 인휠모터 시스템은 노면 충격에 의한 진동이 가장 심한 위치의 좁은 공간에 모터가 장착되어 내구성 확보가 곤란하다.
차륜 내 냉각수 배관이 어려워 공랭식 밀폐형 구조를 채택함으로써 고정자 코일 권선저항에 의한 동손과 로터 영구자석의 히스테리시스 손실 및 와전류 손실에 의한 발열과 방열, 경량화, 내습(耐濕)문제가 발생되어 고효율, 고성능화, 내구성 확보가 매우 어려운 과제이다.
특히 인휠 모터는 현가장치 아래에 위치하여 휠 중량이 증가하고 모터가 자동차 바퀴와 함께 상하운동을 함으로써 자동차의 운동성능에 커다란 영향을 끼치는 현가하질량 혹은 스프링 아래 질량(unsprung mass)의 증가로 관성력이 커져 주행 중 자동차 타이어가 노면에 밀착되는 로드홀딩(load holding, 접지력)의 악화와 스프링을 통해 차체에 전달되는 진동이 증폭되어 승차감을 저하시킨다.
휠의 림 내부에 직접 모터를 설치하여 바퀴를 직접 구동하는 인휠 모터는 1898년 페르디난트 포르쉐(Ferdinand Porsche)의 발명품으로 전륜에 트랜스미션이 없이 직접 전기모터로 구동하는 방식이 개발되었으나 내연기관 자동차에 비해 경쟁력이 떨어져 단산되었다.
근래 인휠모터 개발동향은 주로 회전자(로터)가 고정자(스테이터) 외측에 위치하여 다극구조와 고토크 출력에 유리한 외전형(exterior rotor type, 外轉型)의 형상과 유랭식 혹은 수랭식 냉각방식의 영구자석 동기전동기(Permanent Magnet Synchronous Motor: PMSM)방식으로 부족한 토크를 보완하기 위해 전동기에 감속기를 부가하고 전류밀도를 높이는 방향으로 개발되고 있다.
그러나 상기 전류밀도를 높이는 고전류 방식은 전력공식 P=Vi(P: Watts, V: Volt, i: Ampere)과 P=i²R(R: Ohm)에서 열에너지로 방출되는 모터의 손실(입력-출력)인 고정자 코일 권선저항에 의한 동손(copper loss, i²R)이 전류 제곱(i²)에 비례하기 때문에 발열 에너지를 소산하는 방열 문제해결이 어렵다.
실제로 응용측면에서 인휠모터는 출력과 진동발생 측면에서 불리하고 인라인(in line)모터 구동방식에 대비하여 경량화, 내습(耐濕)문제, 고효율, 고성능화, 내구성 확보 등에서 불리한 요인으로 실제 산업에서 적용이 미진한 상황이다.
차세대 동력계통 인휠”헥사”모터(In wheel HEXA motor)시스템
종래 인휠모터 시스템의 문제점 해결하기 위해 휠(wheel) 내부에 6개 소형모터를 육방격자형으로 안치하고 외접복합기어열(external compound gear trains)을 구비하는 인휠 헥사모터 시스템은 협력형 모터구동방식이 가능하다.
인휠 헥사모터(In wheel HEXA motor)시스템은 휠 내부에 6개 소형 고효율 모터를 집적하여 휠의 전동축을 직접 구동하는 동력원으로 활용함으로써, 종래 단일 인휠모터에서 발생하는 구동출력, 모터냉각, 내진동성 등의 문제점을 개선할 수 있다.
벌집형상 모터함체부의 기하학적 구조는 동력계통(power trains)의 강성과 내진동성을 확보하여 다양한 형태의 노면과 외부 환경조건에 직접적으로 노출되는 기존 인휠모터 시스템의 한계점을 극복하는 진보된 기술적 특성을 확보할 수 있다.
또한, 헥사모터(HEXA motor)의 구동방식을 초(秒, second)당 입력 펄스의 개수(x)를 변수로 차량의 거동(y)을 무차원 수인 라디안(radian)의 미소 단위로 특정하는 디지털 제어기술(f)을 제공하여 시스템의 국소적인 움직임을 해석하는 미분방정식으로 자동차 운행의 알고리즘을 차종이나 타이어 크기에 무관하게 단순화하고, 6개 헥사모터간 협력형회생제동방식을 제공하여 전기차와 자율주행자동차의 범용화를 앞당길 수 있는 기반기술로 활용이 가능하다.
인휠헥사모터 시스템은 모터구동을 운행 알고리즘을 단순명쾌하게 정의하는 ‘스텝모터’를 채택함으로써, 수치제어 기반의 디지털 차량운행 제어, 다중 모터화로 고출력의 구동력 확보, 인공지능(AI)기반 자율주행(autonomous driving)시스템 적용의 용이, 협력형모터구동방식의 다단계적 회생제동 기능으로 제동품질 향상과 승차감을 개선한다.
이와 함께, 자동차 운행에 있어 승차감과 안전도를 향상시키는 진동절연 대책으로 타이어와 휠 및 모터의 진동을 흡수하여 소산(dissipating)시키는 허브스프링과 고무댐퍼의 ‘전단진동절연부’를 바퀴 전동축과 상기 모터함체부 사이에 구비한다.
전단진동절연부부(front end vibration absorber)는 바퀴의 충격과 조화가진(harmonic excitation) 진동에너지를 현가장치 전단(前段, front end)에서 감쇠시키는 전단진동흡진 기능을 제공하여 승차감을 개선한다.
그리고 헥사모터의 냉각을 위해 소형모터에 적합한 고전압 저전류 모터구동으로 고정자 코일 권선저항에 의한 동손(copper loss, i²R)을 최소화하며, 휠 림과 허브를 연결하는 스포크를 익형(airfoil, 翼型)을 갖는 블레이드 형상으로 개선한다.
익형(翼型)의 블레이드는 주행풍을 가속하여 모터냉각에 활용하고, 냉각핀을 갖는 프로파일 단면의 냉각공기유동구를 갖는 공랭식냉각방식을 기본으로 수랭식 혹은 상변화물질냉각방식의 하이브리드냉각방식으로 종래 ‘인휠 모터 시스템’보다 개선된 ‘인휠 헥사모터 시스템’을 제공한다.
- 반값(1/2) 전기차 = 인섀시배터리 ⊕ 인휠헥사모터 시스템
테슬라의 일론 머스크가 3년 뒤 2만5000달러(약 2910만 원) 수준의 “반값(1/2)” 전기차와 모건스탠리의 5천 달러(약 565만 원) 수준의 “반의 반의 반값(1/8)” 전기차가 현실화 되면 전세계 운송부문의 온실가스 배출량(현재 25%)을 크게 감축할 수 있다.
내연기관차 부품 수는 약 2만5000개지만 전기차는 1만 개~ 7000개 내외이며 모건스탠리는 현재 1만 개 수준에서 앞으로 100개 수준까지 줄어들 것으로 예측하였다. ‘인섀시배터리‘와 ‘인휠헥사모터‘로 전기차를 제조하면 수 백개~ 1000개의 부품으로 줄일 수 있다.
자동차의 기본 구조물인 섀시부와 에너지원인 배터리부를 완전히 통합하는 인섀시 배터리(In chassis battery)와 차동기어와 전동축과 같은 파워트레인을 제거하는 인휠헥사모터(In wheel HEXA motor)는 ‘반값(1/2)’, ‘반의 반값(1/4)’, ‘반의 반의 반값(1/8)’전기차의 솔루션이다.
반값(1/2) 전기차와 전기차 대중화는 기존 글로벌 내연기관자동차회사(legacy automaker)에게는 악몽(惡夢)이나 코로나 이후(After Corona) 전세계인의 안전보건과 삶(Life,生)의 질(well-being) 향상에 매우 긍정적인 영향을 미친다.
전기차 대중화는 온실가스 감축으로 글로벌 기후변화나 생태계 회복에 이바지할 수 있다. 인류생존을 위협하는 감염병 대처, 인류의 지속 가능한 삶(Life,生)과 더 나은 미래, 제로성장(zero economic growth)과 역성장(degrowth) 시대에도 삶(Life,生)의 질을 유지하고 개선하는 중요한 화두(話頭)가 되고 있다.
[삶은 달걀이오!, 삶은 달걀사시오!, 삶=달걀, 인생=달걀, Life=Egg, Life is Egg, 🥚= Egg]
