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Apr 04. 2021
전기자동차를 사면 운전을 안 해도 된다! (1편)
전기자동차와 자율주행 기술
[ 글을 시작하기 전에 ]
자동차로 인해서 인류는 공간 이동의 물질적인 한계를 극복해 낼 수 있었다. 걸어서는 일주일이 걸릴 거리를 반나절이면 이동할 수 있게 되었다. 이런 편의성으로 인해 자동차의 대량생산이 필요해졌고 개인 자동차의 보급을 이끌어냈다. 자동차 자가 소유하는 것은 문화의 하나로 자리 잡았다. 그리고 자동차는 당연히 석유를 사용해서 움직인다고 생각해왔는데 이제는 전기차의 시대로 변화되어가고 있다.
전기차는 단순히 자동차가 소비하는 연료의 패러다임만을 바꾸게 될 것 같지가 않다. 자동차를 운행함으로 인해서 발생되어야 할 운전이라는 노동을 없애주는 자율주행 기술도 동반하게 될 것이다. 전기자동차로 전환이 될 수밖에 없는 이유와 자율주행 기술의 발달로 인해서 변화될 우리의 미래에 대해서 알아보도록 하자.
Ⅰ. 전기자동차와 자율주행 기술
[ 전기자동차 ]
우리가 살아가는 지구의 대기오염이 점점 더 심각해지고 있다. 대기오염의 주범인 이산화탄소는 산업의 발달과 화석 연료 사용의 증가로 인해서 발생되고 있다. 이에 따라 높은 수준의 환경기술과 환경친화적 산업에 대한 요구가 모두의 공감대를 이끌어내고 있다. 이로 인해 세계의 각 국가들은 지구 환경보전을 명분으로 그린라운드를 결성했다.
< 내연기관차로 인한 대기오염 이미지 > (출처 : 구글 이미지)미국의 캘리포니아주를 비롯한 여러 나라들에서는 자동차 배기가스의 이산화탄소가 지구온난화의 주요인으로 지적되면서 선진국에서는 배기기준을 강화하고 무공해 자동차(ZEV : Zero Emission Vehicle)와 저공해 자동차 의무 판매를 포함한 자동차 배기가스 규제를 입법화해 각국의 자동차 회사는 이에 대응하기 위한 친환경 기술을 개발해야 하는 어려움에 직면하게 됐다.
< 내연기관차와 친환경차의 탄소 배출 비교 > (출처 : 구글 이미지)이처럼 석유자원 고갈, 지구온난화 등 유한한 자원과 환경보호라는 글로벌 요구로 인해 세계 자동차 회사들은 친환경자동차로의 전환이 필수가 되었다. 전기자동차의 엔진 구조는 연소로부터 에너지를 얻는 것이 아닌 전기에너지를 통해 구동된다. 전기 에너지원을 사용하기 때문에 배기가스가 없기 때문에 환경오염을 줄여주고 소음도 적다는 장점을 가지고 있다. 그럼 전기차를 알기 전에 친환경 자동차의 종류에 대해서 알아보자.
< 친환경 자동차 개념 이미지 > (출처 : 구글 이미지)전기 자동차 : BEV (Battery Electronic Vehicle) 엔진이 없고 전기모터의 힘으로만 달리는 자동차를 말한다. 필요한 전기는 100% 충전을 통해서 얻는다. 대기오염을 일으키지 않고 소음도 거의 없다. 긴 거기를 주행하고 빠른 속도를 내기 위해서는 저장해야 할 전기량이 아주 많아야 한다.
하이브리드차 : HEV (Hybrid Electronic Vehicle) 두 종류 이상의 동력원을 함께 이용하는 자동차를 말한다. 통상 휘발유(혹은 디젤) 엔진과 전기 모터를 함께 사용하는 차를 가리킨다. 연료가 많이 이용되는 순간 휘발유 엔진 대신 전기 모터를 작동시킴으로써 연료 사용을 줄이고, 배기가스 배출도 줄인다. 전기 모터 작동에 필요한 전기 에너지는 100% 엔진의 구동력을 통해 얻어진다.
플러그인 하이브리드차 : PHEV (Plug in Hybrid Electronic Vechicle) 가정용 전기를 전지에 충전해서 쓸 수 있는 하이브리드차를 말한다. 하루 50~60km 이상을 달리지 않는다면 충전해 둔 전기만으로 주행이 가능하다.
수소연료전지 자동차 : HV (Hydrogen Vechicle) 수소차, 수소연료 자동차라고도 부른다. 이 작은 차 안에 작은 발전소가 있다. 수소탱크에 수소를 채우고, 공기 중의 산소와 만나게 하면 전기와 물이 발생한다. 이때 발생한 전기로 구동모터를 회전시켜 자동차를 움직인다. 연료전지 자동차의 한 종류이다. FCEV (Fuel Cell Electric Vehicle)
< 전기차와 수소차 비교표 > (출처 : 구글 이미지)다양한 친환경 차가 있지만 최종적으로는 전기자동차(BEV)와 수소연료전지 자동차(HV)가 우리가 주목해야 할 기술이다.
[ 자율주행 기술 ]
먼저 자율주행 기술에 대한 정의를 알아보자. 자율주행과 자동화된 주행은 조금 다른 의미를 가지고 있는데 자동화된 주행 (Automated driving)은 사람이 개입하는 운행을 말하고 자율주행(Autonomous driving)은 사람의 개입이 전혀 없는 상태를 말한다.
< 자율주행 이미지 > (출처 : 구글 이미지)자동화된 주행은 운전자 보조 시스템부터 시작해 자동화의 여러 단계를 아우르는 포괄적 용어다. 자율주행은 자동화의 마지막 단계로 시스템이 방향 조종, 가속, 감속 등 자동차의 모든 조작을 맡는 상황을 가리키는 용어다.
이 단계가 되면 사람은 운전에서 완전히 배제되고 어떤 교통 상황이건 간에 언제나 자동차 혼자 힘을 주행할 수 있다. 이 단계에 도달해야 자율주행(무인 주행)이라고 말할 수 있다. 간단히 말해 자동화라는 용어는 기계가 스스로 작동한다는 것을 표현하는 것이고 자율이라는 용어는 이 범위를 넘어서 전체 시스템을 스스로 제어할 수 있다는 뜻으로 이해하면 된다.
< 단계별 자율 주행 개념 > (출처 : 구글 이미지)각 단계별로 보면 시작점은 0단계로 운전자가 차량 제어를 전부 수정하는 단계로 지금까지 우리가 해오는 단계를 말한다. 레벨 1은 운전자 보조 단계로 시스템 이방향 조정, 가속과 감속 중 한 가지만 자동으로 수행하는 것이다. 예를 들어 속도를 40km로 맞추면 40km로 직진 주행을 하는 것을 생각하면 된다.
레벨 2는 감속과 가속을 하면서 차선 변경까지도 함으로 인해서 운전자는 감시만 하는 형태가 된다. 현재 상용화된 단계로 고속도로 주행에서 많이 사용되고 있다. 레벨 3부터는 시스템이 전체 주행을 수행하는 것으로 특정 주행 모드에서 차량 제어를 전부 수행한다. 위험이 감지되는 필요할 때에만 개입하는 것이다. 레벨 4부터는 운전자의 개입도 불필요하고 레벨 5는 운전자가 필요하지 않은 상태가 된다.
< 자율주행 상용화 로드맵 > (출처 : 구글 이미지)자동화된 주행의 단계의 가장 마지막인 자율주행 단계를 아직 상용화가 되지 못했다. 현재까지 상용화된 기술은 Level 3단계이다. 하지만 2025년에는 Level 4가 , 2035년에는 완전 자율주행이 상용화될 것으로 예상하고 있다.
[ 전기자동차와 자율주행 기술 ]
전기자동차와 자율주행 기술은 어찌 보면 큰 연관성이 없어 보인다. 그렇지만 자율주행 기술이 가능하게 된 것에는 전기자동차가 반드시 필요하다는 것을 알아야 한다. 그 이유에 대해서 알아보자.
< 자울주행 외부 인식 주요 장치 > (출처 : 구글 이미지)자율주행은 운전자 없이 목적지까지 안전하고 빠르게 이동시켜주고자 하는 기술이다. 이러한 자동차가 완성되기 위해서는 센서, 카메라, 디스플레이, 각종 반도체 등이 어우러진 전기전자 부품이 주된 역할을 한다.
여기에 알고리즘은 이를 움직이는 소프트웨어로 핵심 중의 핵심이다. 이렇게 자율주행 기술을 적용하기 위해서는 주변 정보를 입수해 판단하고 조작하는 역할을 수행하는 라이다 시스템이 필수이다. 이 시스템을 일반 내연기관차에 적용할 수도 있고 전기차에 적용할 수도 있다.
< 전기자동차와 내연기관차 비교 > (출처 : 구글 이미지)그런데 내연기관차에는 배터리, 발전기 등이 자리를 잡고 있고 최적화된 공간 효율을 위한 설계로 인해 추가적인 전기에너지를 보급하기 위해서는 이미 공간이 부족하고 복잡해진다. 에너지 흐름 측면에서 손실이 크고 경제적 논리에서도 좋지 않다. 점차 복잡해지는 만큼 무거워지고 가격도 높아지며, 고장빈도도 늘 수밖에 없다.
< 내연기관차와 전기자동차 파워트레인 구성 비교 > (출처 : 구글 이미지)전기차의 부품수는 내연기관차의 약 40~50% 수준에 불과하다. 내장에도 여유가 있다. 가장 중요한 전기에너지도 풍부하다. 에너지 변화에 따른 손실이 적고 내구성과 고장빈도 등에서도 매우 유리하다. 자율주행 기술 적용을 위해서는 전기차가 내연기관차보다 더 효율적인 것이다.
전기자동차의 필요성이 대두된 것은 환경 보호 측면에서 대기오염을 유발하는 내연기관차의 대체 모델로서 시작되었다. 전기자동차를 상용화하기에는 다양한 어려움이 존재했었다. 가장 큰 문제 중에 하나가 전기자동차를 움직이게 할 전기자동차의 충전이 어렵다는 것이었다.
내연기관차는 충분한 충전소가 있어서 휘발유, 디젤 등을 쉽게 빠르게 충전할 수 있지만 전기차는 충전소도 적고 충전시간도 오래 걸리고 한 번 충전에 주행거리가 제약이 되어서 자칫하면 차가 중간에 서버리게 될지도 모르는 불안감을 감수해야 했다.
< 국가별 차량 온실가스 배출기준 km당 g으로 측정 > (출처 : 구글 이미지)이런 어려움에도 불구하고 단기간에 전기자동차의 보급을 늘리기 위해서 각 국가들은 환경 보호 규제를 강화했다. 환경오염으로 인해 발생되는 비용을 자동차 제조사에 과금하고 규제를 더 강하게 책정함으로 인해서 내연기관 자동차에 기술 투자를 해서 규제를 맞출 수 있는 수준이 아니게 되었다. 친환경적인 세상 만들기가 전기자동차의 도입을 앞당기고 있는 것이다. 여기에 발맞춰 상상하지 못했던 자율주행 기술이 전기자동차의 보급과 맞물리면서 우리에게 현실로 다가올 날이 멀지 않았다.
< 환경 규제와 기업별 벌금 전망 > (출처 : 구글 이미지)세계적으로 전기차가 자동차의 주류로 서서히 진입하고 있고 자율주행도 미래 먹거리로 부각되고 있는 것을 알아야할 것이다. 다음 편에서는 전기차 시장 전망과 자율주행 핵심 기술에 대해서 알아보자.
- 2편 : “전기자동차 시장 전망과 자율주행 핵심 기술”로 이어집니다.
참고 도서 : 자동차와 IT 융합 스마트카 시대의 도래 (지은이 : 박기혁), 자율주행 (지은이 : 안드레아스 헤르만), 자동차 에코 기술 (지은이 다카네 히데유키), 전기차 시대 내연차는 끝났다 (지은이 : 이한선), 친환경 전기차 (지은이 : 정용욱, 정구섭), 제4차산업혁명의 핵심, 스마트카에 투자하라 (지은이 : 장문수)
