기후 변화, 석유 부족, 공기 오염: 미래의 모빌리티는 CO₂ 중립적이어야 합니다. 전기차와 하이브리드차는 배기 가스를 전혀 배출하지 않는 것은 아니더라도 내연 엔진보다 덜 배출합니다. e-모빌리티가 진정으로 CO₂ 배출을 줄이도록 기여하기 위해서는 재생 에너지로부터 획득된 전기를 사용해야 합니다. IEA에 따르면, 전기차의 시장 점유율이 2030년에 대략 30퍼센트에 달할 것이라고 합니다. 차량 대수로는 3400만 대입니다. 그렇다면 e-모빌리티로 전환한다는 것이 진정으로 무엇을 뜻하고, 어떤 결과들을 가져올까요?

e-모빌리티(electromobility)는 전기차 외에도 이바이크(e-bike), 페델렉(pedelec), 전기 오토바이, 전기 버스, 전기 트럭 등을 사용하는 것을 말합니다. 이러한 교통 수단의 공통점은 전적으로 또는 부분적으로 전기로 구동되고, 에너지 저장 수단을 탑재하고, 에너지를 주로 전력망에서 얻는다는 것입니다. 전기차는 조용하고 효율적이고 유해가스 배출이 적으며, 현재는 주로 도시에서 배달, 택시, 차량 공유에 사용되고 있습니다.

하이브리드 차량은 두가지 파워트레인 기술을 결합한 것입니다. 짧은 거리는 전기 구동으로 주행하고, 내연 엔진을 사용해서 장거리도 문제 없이 주행할 수 있습니다. 자동차가 제동할 때 충전되는 전기를 사용할 수 있고, 콘센트를 통해서 충전을 할 수도 있는 하이브리드차는 플러그인 하이브리드라고 합니다. 하이브리드는 자동차를 완전히 전기로 구동하는 시기가 올 때까지의 과도기적 기술이라고 할 수 있습니다.

유해가스 배출은 기후와 환경에 심각한 영향을 미칩니다. 점점 더 많은 이산화탄소가 대기에 유입되어 지구 온난화는 심해집니다. IPCC(기후 변화 정부간 협의체)의 조사에 따르면, 전세계 CO₂ 배출량에서 교통이 24퍼센트를 차지한다고 합니다. 전기차는 이것을 상쇄할 수 있습니다. 가솔린 차나 디젤 차와 달리 전기차는 주행할 때 CO₂를 배출하지 않습니다. 하지만 전기차의 배터리와 충전 전력이 신재생 에너지를 사용해서 생산되어야만 진정한 의미에서 CO₂ 중립적이라고 할 수 있습니다.

저공해 차량이 늘어나면 공기 질을 개선할 수 있고, 특히 대도시에서 사람들의 건강에 긍정적인 영향을 미칠 수 있습니다. 도시 인구는 계속해서 증가하고 있습니다. UNO의 2014년도 세계 도시화 전망 보고서에 따르면, 2050년에는 전세계 인구의 거의 70퍼센트가 도시에서 살아갈 것입니다.

내연 엔진은 내리막 길로 접어들고 있습니다. 휘발유와 경유는 석유로 생산되는데, 석유 같은 화석 연료는 유한한 자원입니다. 이러한 자원이 얼마나 지속될지는 여전히 논란이 되고 있습니다. “2017년 전세계 에너지 통계 조사”에 따르면, 알려진 전세계 석유 매장량은 지금과 같은 소비 추세라고 했을 때 50년 정도 지속될 것이라고 합니다. 대안적인 파워트레인이 자리를 잡도록 하기 위해서 많은 국가들은 전기차를 구입할 때 보조금을 지급하고 있습니다. 노르웨이는 상당히 높은 액수의 보조금을 지급합니다.

전기 에너지는 충전배터리에 저장됩니다. 인버터라고 하는 장치가 배터리의 직류를 전기 모터 구동을 위한 교류로 변환합니다. 이 변환 효율이 높을수록 한 번의 충전으로 더 먼 거리를 주행할 수 있습니다. 마지막으로 전기 모터가 전기 에너지를 기계 에너지로 변환합니다: e-모터가 이 에너지를 사용해서 자기장을 발생시킵니다. 그러면 끌어당기는 힘과 밀어내는 힘이 회전 운동을 일으킵니다.

전기차의 또 다른 핵심 장치는 DC-DC 컨버터입니다. 컨버터는 배터리의 높은 전압(100~400V 혹은 그 이상)을 전자 부품에 필요한 낮은 전압(12V 또는 48V)으로 효율적으로 변환합니다.

전기차는 다음날 또 운전을 하려면 콘센트로 충전을 해야 합니다. 독일 연방 eMobility 협회의 조사에 따르면, 80퍼센트의 운전자들이 가정용 콘센트로 충전한다고 합니다. 그러면 차종이나 배터리에 따라서 충전하는 데 최소한 8시간이 걸립니다. 하지만 모든 콘센트가 장시간 다량의 전기가 흐르는 것을 처리할 수 있도록 설계된 것은 아닙니다. 이 문제를 해결하기 위해서 개발된 것이 주택용 월 박스(wall box)입니다. 월 박스를 사용하면 충전을 거의 4배 더 빠르게 할 수 있습니다. 공공 교류(AC) 충전소에서 배터리를 충전할 때도 오랜 시간이 걸립니다. 이에 비해서 직류(DC) 급속 충전은 1시간이면 됩니다. 그 이유는, 전기차의 배터리는 직류로 충전해야 하는데, 공공 전력망의 전기는 교류이기 때문입니다. 따라서 자동차의 인버터가 먼저 변환을 해야 합니다. 이 때문에 AC 충전소에서 충전을 하면 DC 충전소에서보다 시간이 더 오래 걸립니다. DC 충전소는 충전하기 전에 전기를 직류로 변환하여 자동차의 배터리에 직접 전달합니다. 이러한 급속 DC 충전소는 높은 충전 성능을 가능하게 하지만, 현재로서는 비싼 가격 때문에 숫자가 드뭅니다. 두가지 유형의 충전 방식을 사용하려면 특수한 케이블이 필요합니다. 초고전력 충전기와 배터리의 성능 향상 등 효율적인 기술로 자동차 충전에 걸리는 시간을 조만간 20분 대 미만으로 단축할 수 있을 것입니다.

전기차의 전기 소비는 100킬로미터당 킬로와트시(kWh)로 측정됩니다. 무게가 가벼운 초소형 전기차는 100킬로미터에 7kWh 미만으로 전기 소비가 적습니다. 준소형차나 소형차는 100킬로미터에 11kWh에서 13kWh 사이를 소비합니다. 프리미엄 브랜드 전기차는 100킬로미터에 28kWh까지 잡아먹을 수 있습니다. 하지만 한편으로 특수한 고용량 배터리를 사용해서 주행 거리가 600킬로미터까지 이를 수 있습니다.

e-모빌리티를 최신 기술이라고 생각하기 쉽습니다. 하지만 엄밀히 말하면 현대의 발명품이 아닙니다. 1867년 내연 엔진이 등장하기도 전에 이미 베르너 폰 지멘스가 파리 세계 박람회에서 “dynamo-electric(기계-전기)” 원리에 기반한 발전기를 선보였습니다. 이 발명으로 필요한 곳 어디서나 전기를 저렴한 비용으로 유연하게 생산할 수 있게 되었으며, 그럼으로써 일상 생활에, 산업에, 그리고 자동차에 전기를 사용할 수 있게 되었습니다.

전기 모터를 사용한 최초의 자동차는 19세기 말에 등장했습니다. 벨기에 사람인 Camille Jenatzy의 이 자동차는 1899년에 특별한 기록을 세웠는데, 최초로 시속 100킬로미터의 속도를 달성했습니다. 19세기 말부터 기차와 트램에 고가 전선이나 전기 레일을 통해서 에너지를 공급했습니다. 1990년 수치에서 보듯이 20세기 초에 전기차는 여전히 널리 사용되었는데, 미국에서 22퍼센트의 자동차는 내연 엔진을 사용했고 40퍼센트는 증기 구동을 사용했으며 38퍼센트는 전기로 구동 되었습니다. 당시에 내연 엔진은 한 가지 단점이 있었는데, 자동차 시동을 걸기 위해서 상당히 애를 먹는다는 것이었습니다. 가솔린 구동은 전기 시동 장치가 발명된 1911년까지는 다른 방식들을 대체하지 못했습니다.

이때 이후로 전기차는 완전히 사라진 것은 아니지만 구석으로 밀려나게 되었습니다. 그러다 1990년대 중반에 토요타 프리우스라는 이름을 달고 하이브리드 모델이 시장에 첫 선을 보였습니다. 2008년, 캘리포니아의 로드스타가 고속도로와 장거리를 달릴 수 있는 최초의 전기차가 되었습니다.

전기차는 변속 장치가 없기 때문에 가솔린 차나 디젤 차보다 빠르고 일정하게 가속할 수 있습니다. 그렇다면 가능한 최고 속도는 얼마일까요? 소형 전기차는 시속 120킬로미터까지 가속할 수 있습니다. 미국에서 생산되는 스포츠 카는 시속 300킬로미터까지 가속할 수 있는 것도 있습니다. 세계에서 가장 빠른 전기차는 크로아티아 회사인 Rimac이 만든 것입니다. 이 회사의 Nevera 모델은 도로 위에서 시속 400킬로미터 이상의 속도로 질주할 수 있습니다.

현재 대부분의 전기차는 한 번 충전으로 150킬로미터에서 350킬로미터 사이를 주행할 수 있습니다. 따라서 도시에 이상적입니다. 현재로서는 프리미엄 브랜드 차만이 500킬로미터 이상을 달릴 수 있습니다. 하지만 이 거리는 다양한 요인에 따라 달라집니다. 외부 온도가 낮거나 높으면 배터리를 더 소모하며, 라디오나 에어컨을 사용해도 마찬가지입니다. 가속과 제동을 반복할 때도 주행 거리는 줄어듭니다.

전세계적으로 e-모빌리티가 빠르게 발전하고 있습니다. 독일 자동차 산업 협회에 따르면 독일에서 2020년에 395,000대의 전기차와 플러그인 하이브리드차가 판매되었습니다. 이로써 독일이 세계 2위입니다. 1위는 중국으로, 2020년에 125만대의 전기차와 플러그인 하이브리드차가 판매되었습니다. 뒤를 이어서 3위와 4위는 미국 (302,000대)과 프랑스 (186,000대)입니다.

갈수록 더 많은 회사들이 전기 승용차뿐만 아니라 일상적인 용도의 상업용 전기차를 내놓고 있습니다. 이러한 예로서 Mercedes e-Vito와 Renault Master Z.E 같은 차량이 2018년에 이미 시장에 출시되었습니다.

전기차는 우리의 이동 방식에 변화를 가져오고 있습니다. 이것은 전기차가 더 친환경적이기 때문만은 아닙니다. 전기차는 동급의 가솔린 차나 디젤 차에 비해서 가격이 비쌉니다. 지난 몇 년 사이에 배터리 가격이 떨어지기는 했지만, 배터리 생산 비용이 비싸기 때문입니다. 하지만 전기는 화석 연료보다 저렴하고, 전기차는 유지보수와 수리를 더 적게 필요로 합니다. 오일이나 필터를 갈지 않아도 되고, 배기 장치나 타이밍 벨트나 V 벨트 같은 장치들을 사용하지 않습니다. 내연 엔진은 약 2,500개의 부품들을 만들고 조립해야 하는 반면, 전기 모터는 단 250개 부품으로 이루어집니다. 전기차는 빠르게 무선 소프트웨어 업데이트(SOTA)를 할 수 있습니다. 하지만 이것은 인터넷으로 연결된 모든 커넥티드카는 마찬가지 입니다.

전기차에 사용되는 리튬이온 배터리는 수명이 길고, 에너지 밀도가 높고, 반복적으로 재충전할 수 있습니다. 8~10년쯤 지나면 충전 용량이 약간 떨어지기는 해도 결함을 일으키지는 않습니다. 단지 저장할 수 있는 에너지 용량이 줄어들 뿐입니다. 오늘날 전기차에 사용되는 대부분의 배터리는 용량이 20~60킬로와트시에 달합니다.

전기차의 배터리는 미래에 스마트 그리드를 안정화하는 데에 사용될 수도 있습니다. 대부분의 에너지 공급을 풍력이나 태양광으로 하게 되면 한 가지 문제가 있을 수 있습니다. 날씨에 따라서 전기 공급과 수요가 들쭉날쭉할 수 있다는 것입니다. 지능형 자동차 충전 기술을 사용하면, 해가 쨍쨍 내리쬘 때 여분의 에너지를 저장하고 자동차가 필요로 하지 않을 때 여분의 전기를 다시 전력망으로 돌려보낼 수 있습니다. 자동차 주인들이 자신의 집 지붕에 태양광 시스템을 설치하여 외부 전력에 대한 의존도를 낮출 수 있으며, 또 월 박스를 사용하여 굳이 충전소에 가지 않아도 됩니다. 또 집에서 추가적인 에너지 저장 수단으로써 햇빛이 부족할 때를 대비해서 에너지를 저장할 수 있습니다.

전기차는 성능이 우수하며 내연 엔진 차에 비해서 효율이 훨씬 우수합니다. 공급되는 에너지와 사용되는 에너지 비율이 전기 파워트레인은 약 90퍼센트입니다. 가솔린 엔진은 35퍼센트에 불과하고 디젤 엔진은 45퍼센트입니다. 그 나머지는 열의 형태로 손실됩니다. 또 다른 이점으로, 전기차는 즉시 높은 토크를 이용할 수 있으므로 0에서 더 빠르게 가속할 수 있습니다. 또 전기차는 제동을 할 때 인버터의 도움으로 에너지를 회수하고 이것을 다시 배터리로 돌려보낼 수 있습니다. 이것을 회생제동이라고 합니다. 또 전기차는 나라나 도시에 따라서 특별한 권한이 주어집니다. 독일의 함부르크와 슈투트가르트에서는 무료로 주차할 수 있고, 도르트문트에서는 버스 전용 차선을 이용할 수 있습니다. 노르웨이에서는 전기차 운전자들에게 이보다도 더 많은 특권이 주어집니다.

강력한 자동차 배터리는 여전히 매우 비싸기 때문에, 전기차 가격은 내연 엔진을 사용한 동급 차종 대비 평균적으로 더 높습니다. 그렇다면 어떤 이들에게 전기차가 구매 가치가 있을까요? 독일의 Öko-Institut(응용 생태 연구소)의 표본 계산에 따르면, 일년에 9천 킬로미터를 주행하고 8년 동안 탄다고 하면 전기차의 총소유비용이 전통적인 자동차보다 더 낮을 수 있다고 합니다. 이 연구소의 웹사이트에서 직접 계산해볼 수 있습니다.

많은 이점이 있지만, 전기차 가격이 여전히 비싸다는 점 외에도 e-모빌리티 관련하여 많은 해결 과제가 있습니다. 전기차는 매우 조용합니다. 특히 대도시나 번화가에서 소음이 훨씬 적으므로 보행자들이나 자전거 탑승자들이 여기에 익숙해져야 합니다. 그렇지만 전기차가 저속 주행할 때는 너무 조용하기 때문에 차 소리를 못 들을 수 있습니다. 그래서 유럽에서 새로 개발되는 차들은 2019년 7월부터 인공엔진음 발생장치(AVAS, Acoustic Vehicle Alerting System)를 장착해야 하는데, 시속 20킬로미터 이하의 속도일 때 가솔린 차나 디젤 차와 비슷한 소음을 내도록 하는 것입니다. 이보다 빠른 속도이면 타이어가 내는 소리를 어디서나 들을 수 있습니다. 2021년 7월부터는 EU 지역에서 생산되는 모든 전기차 및 하이브리드차에 AVAS가 의무화 됩니다.

전기차가 진정한 의미에서 배기가스 제로가 되기 위해서는 석탄을 태워서 발전하는 화력 발전소가 아니라 신재생 에너지원에서 공급되는 전기를 사용해야 할 것이며, 배터리 생산 역시 CO₂ 중립적이어야 할 것입니다. 이것은 독일 정부의 목표이기도 합니다. 독일 정부는 에너지 전환에 관한 문서에서, 이렇게 하는 것이 “환경과 기후를 위해서 e-모빌리티의 이점을 최대한 실현할 수 있는” 유일한 방법이라고 적고 있습니다. ICCT(국제 청정 교통 위원회)에 따르면, 앞으로 적어도 3년이면 전기차가 기후 발자국에 있어서 디젤 차나 가솔린 차를 앞지를 것이라고 합니다. 비용과 자원이 많이 드는 배터리 생산 공정을 좀더 친환경적으로 할 수 있게 된다면 전기차의 이점은 더더욱 커질 것입니다.

e-모빌리티가 인기를 끄느냐 마느냐의 관건은 배터리에 달렸습니다. 배터리를 사용해서 얼마나 멀리까지 주행할 수 있으며, 가격은 얼마나 비싸고, 무게는 얼마나 무거운가? 배터리와 관련해서 더 향상시켜야 할 여지들이 남아 있습니다. 최대의 효율과 최대의 성능을 달성하기 위해서는 새로운 기술과 실리콘 카바이드 (SiC) 같은 새로운 소재에 기반한 반도체가 필요합니다. 컨설팅 회사인 Deloitte의 조사에 따르면, 전기차의 제한적인 주행 거리가 여전히 많은 이들에게 전기차 구매를 꺼리게 하는 요인이 되고 있습니다. 그렇기는 하나 오늘날 전기차는 이미 다양한 일상 생활에 별 무리 없이 사용할 수 있는 수준에 이르고 있습니다. 연방 환경부에 의하면 독일인들은 차를 사용하는 날의 80퍼센트 이상에 평균적으로 40킬로미터 미만을 운전합니다. 미국인은 평균적으로 가을에는 하루에 31.5마일 (50킬로미터) 및 겨울에는 26.2마일 (42킬로미터)을 운전합니다. 노르웨이인들에게 이 수치는 평균적으로 하루에 약 47.2킬로미터입니다.

또 다른 응답자들은 유럽에서 충전소를 더 늘려야 한다고 지적합니다. 현재 322,783대의 공공 충전기가 갖춰져 있는데 골고루 분포되어 있지 않습니다. 충전기를 많이 구축하고 있는 나라들은 네덜란드 (82,263대), 독일 (47,076대), 프랑스 (45,990대), 영국 (33,832대), 노르웨이 (19,119대) 순입니다. 이들 국가들이 유럽에 설치된 충전기의 70퍼센트 이상을 차지합니다. 한편 중국은 현재 약 800,000대의 공공 충전기를 운영하고 있습니다.

미국에서는 캘리포니아주에 가장 많은 충전기가 있습니다(로스앤젤레스, 샌프란시스코, 산호세). 그런데 나라마다 충전 인프라가 다르고 통일된 표준이 존재하지 않습니다. 인피니언이 회원으로 참여하고 있는 CharIN 이니셔티브는 바로 이런 문제를 해결하기 위한 것입니다.  CCS(Combined Charging System, 콤보 타입 충전 방식)를 단일화된 국제 표준으로 개발하려고 합니다.

인피니언은 “생활의 편리함과 안전, 그리고 친환경성을 추구합니다 (easier, safer and greener)”라는 모토를 내걸고 미래의 자동차를 실현하기 위해서 자동차 회사 및 협력사들과 머리를 맞대고 있습니다. 그리고 그러한 노력이 결실을 맺고 있습니다. 2020년에 가장 많이 팔린 상위 25종의 완전 전기차 및 플러그인 하이브리드차 중에서 17개 차종의 전기 드라이브트레인에 인피니언의 전력 반도체 칩이 채택되었습니다.

전기차와 플러그인 하이브리드차가 전통적인 자동차보다 에너지 효율이 훨씬 우수하기는 하지만, 여전히 많은 것들을 최적화해야 합니다. 전력 손실을 최소화하고, 전력 절감을 극대화하고, 전반적인 성능을 높여야 합니다. 인피니언은 다양한 시스템에 필요한 다양한 전력 반도체 제품을 제공합니다. 인피니언의 반도체 제품을 사용하여 구동 장치와 전자 장치의 비용을 낮추고 효율은 높일 수 있습니다. e-모빌리티가 널리 보급됨에 따라서 반도체 수요는 가파르게 늘어날 것입니다.  실리콘 카바이드 전력 반도체가 온보드 충전기, 인버터, DC-DC 컨버터 등의 자동차 시스템에 점점 더 많이 사용될 것입니다.

인피니언은 BMW(i3 및 i8), 현대자동차, 중국 스타트업 회사인 NIO 등 e-모빌리티 분야의 주요 파트너사들과 긴밀하게 협력하고 있습니다. NIO는 480킬로와트 출력의 ES8이라고 하는 전기차를 제작합니다. ES8을 포함하여 다양한 전기차에 많은 인피니언 반도체 제품이 사용됩니다.

전기차를 더 빨리 충전하고 더 먼 거리를 주행할 수 있도록 하는 기술에 대한 요구가 점점 더 커지고 있습니다. 이것은 전기차 보급을 위한 두 가지 중요한 기준입니다. 인피니언은 내부 전원공급장치과 DC 충전 장비에 필요한 반도체를 제공합니다. 새로운 충전기에 인피니언 반도체를 사용하여 충전 시간을 20분 대로 단축할 수 있습니다. 고속 충전을 위해서는 실리콘 카바이드(SiC) 기반의 새로운 기술을 사용해야 합니다.

이미 능동형 배터리 밸런싱 같은 혁신 기술로 배터리 용량, 범위, 서비스 수명이 10퍼센트 이상 향상되고 있습니다. 이밖에도 전기차의 효용성을 높이기 위해서 많은 접근법들을 사용할 수 있습니다. 예를 들면 필요할 때만 배터리가 에너지를 공급하도록 설계하거나, 에어컨과 히팅 시스템을 최대한 효율적으로 설계할 수 있습니다. 또다른 중요한 점으로서, 전기차를 충전하기 위해서는 유연한 스위칭 구조가 필요합니다. 이것은 나라별로 각기 다른 전압 및 전류 수준에 대처할 수 있도록 하기 위해서입니다. 인피니언은 이러한 요구를 충족할 수 있도록 강력하면서도 에너지 효율적인 다양한 유형의 반도체 제품과 이들 제품을 지원하기 위한 노하우를 제공합니다.

온갖 기대 섞인 전망에도 불구하고, e-모빌리티는 여전히 아직 초기 단계입니다. 낮은 시장 점유율뿐만 아니라, 기술적 관점에서도 그렇습니다. e-모빌리티가 지금의 기대나 전망에 부합하려면, 자동차 가격과 배터리 가격이 낮아지고, 충전 네트워크를 확대하고, 지능을 높이고, 에너지 효율을 더 높여야 할 것입니다. 그러기 위해서 많은 일들이 이루어지고 있으며, 특히 에너지 효율에서 그렇습니다. 자동차 회사와 연구진들은 배터리 성능 향상을 의해 계속해서 연구하고 있습니다. 리튬염 대신 물 기반의 전해질을 사용한 배터리가 초기 시험에서 장래성이 있는 것으로 확인되었습니다. 특수한 염수를 사용해서 물의 전기화학적 안정성을 두 배로 높일 수 있습니다. 이를 토대로 안전하고, 효율적이고, 저렴한 가격대의 새로운 배터리 기술을 개발하는 것이 가능할 것입니다.

배터리가 향상되면, 주행거리를 늘리고 충전 시간을 단축할 수 있습니다. e-모빌리티가 확실하게 자리를 잡기 위해서는 충전 망을 확충하는 것이 필수적입니다. 전기차를 생산하는 자동차 회사가 늘어나고 배터리 가격이 떨어짐에 따라서 앞으로 몇 년 사이에 자동차는 획기적인 변화를 맞이하게 될 것입니다. 물리학자이자 e-모빌리티 전문가인 리차드 랜돌은, 2022년이면 전세계적으로 10대의 신차 중에서 한 대가 전기차가 될 것이라고 합니다.

마지막 업데이트: 2021년 7월