제8화 - 자동차이야기2
배터리가 전기차의 경쟁력을 좌우한다
자동차 이야기의 두번째는 전기동력차다. 전기동력차는 전부 또는 부분적으로 전기 동력에 의해 구동되는 자동차를 일컫는다. 화석연료를 전혀 사용하지 않거나 적게 사용하기에 친환경자동차 또는 저공해차로 부르기도 한다.
전기동력차는 크게 4종류로 구분된다
전기동력차는 현재 네 가지 형태로 생산되고 있다. 첫째, 하이브리드(HEV; hybrid electric vehicle)차다. HEV는 내연기관(엔진)과 전기모터가 함께 장착된 자동차로서 저속에서는 내장된 배터리의 전기 동력으로 구동하고, 고속에서는 엔진으로 움직이며, 전지에 충전도 엔진가동을 통해 이루어지는 자동차다. 두 번째는 플러그인하이브리드(PHEV; plug-in hybrid electric vehicle)다. 구동 방식은 HEV와 동일하나 배터리의 충전은 외부 전력을 이용하는 형태의 자동차로서 배터리 용량이 HEV보다 큰 편이다.
세 번째는 BEV(battery electric vehicle) 또는 EV(electric vehicle)인 전기차다. 전기모터로만 구동하는 자동차로서 배터리는 외부 전력으로 충전한다. 네 번째 형태는 수소전기차(FCEV; fuel cell electric vehicle)다. 구동방식은 BEV와 동일하나 연료전지 시스템에 공급되는 수소의 화학적 반응을 통해 생성된 전력을 이용한다.
HEV와 PHEV는 내연기관을 사용하기 때문에 이산화탄소 등 공해물질이 배출되나 일반 자동차에 비해서는 배출량이 적어 저공해자동차라고 한다. 반면에 BEV와 FCEV는 운행 과정에서 공해물질 배출량이 전혀 없는 무공해차량이며, 특히 FCEV의 경우는 화학 반응에 필요한 순도 높은 산소를 공급받기 위해 미세먼지 제거 등 정화 기능이 수반되고 부산물로 순수(純水)가 배출되므로 움직이는 공기청정기라 할 수 있다. 다만 공급되는 전력과 수소 생산 과정에서 오염물질이 배출될 수는 있다. 일반적으로 전기동력차 중 HEV+PHEV를 하이브리드, BEV+FCEV를 전기차로 지칭한다.
전기동력차 판매량은 급증하는 추세다
전 세계 전기동력차 판매량은 2010년 96만대(하이브리드 95만대, 전기차 1만대)에서 2015년 254만대(하이브리드 161만대, 전기차 93만대), 2018년 429만대(하이브리드 231만대, 전기차 197만대), 그리고 2019년에는 전체 자동차 판매량의 5.7%에 해당하는 527만대(하이브리드 317만대, 전기차 210만대)를 기록했다. 2017년 이후 전체 자동차 판매량이 감소하고 있음에도 불구하고 전기 동력차 수요는 급격히 증가하는 추세다. 2020년 중 우리나라의 전기동력차 판매량은 22.5만대(하이브리드 17.3만대, 전기차 5.2만대)로 전체 신규 등록차량의 11.8%를 점유했다.
2019년 기준 전기동력차 최대 메이커는 도요타로서 198만대를 판매했고, 그 다음으로 테슬라(46만대), 혼다(39만대), 현대-기아(35만대), 아우디(29만대) 순이었다. 전기차만으로 국한할 경우는 테슬라(46만대)가 1위, 그 다음이 BYD(19만대)와 BMW(15만대)이고, 4위가 현대-기아로서 13만대를 판매했다.
전기동력차 수요가 증가하는 이유는 범세계적인 환경규제에 대응하기 위해 각국이 차량의 온실가스 배출을 규제하기 때문이다. 자국의 대기환경을 보전하고 기후변화협약과 파리기후협정을 준수하는 차원에서 볼 때 당연한 현상이다. 예컨대 유럽연합(EU)은 2025년부터 신차 판매량의 15%를 이산화탄소 저배출차량으로 의무화(2030년에는 30%)하고, 2030년까지 모든 차량의 온실가스 배출량을 60kg/km 이하로 제한하기로 했다. 중국은 차량 제조사에 전기동력차 의무생산 비율을 강제하고 있으며, 인도도 2030년까지 개인차량과 대중교통의 40%를 전기차로 교체할 방침이다.
각국은 전기동력차의 수요 확대를 위해 보조금을 지급하고 있다. 2021년 현재 우리나라에서는 승용차의 경우 BEV에 대한 대당 보조금이 최대 1,820만원(국고 820만원＋지자체 1,000만원)이다. 특히 수소(FCEV)자동차에 대해서는 구입 시 최대 4,250만원(국고 2,250만원＋지자체 2,000만원)을 보조금으로 지급한다.
전기동력차에서 배터리가 차지하는 비중은 40%다
전기차 부품에서 배터리가 차지하는 비중(가격 기준)은 40%에 달한다. 현재 전기차 배터리의 교체비용이 2,000만원 정도의 고가여서 사고가 발생하면 피해가 크다. 때문에 “운전자는 외제차보다 전기차를 더 무서워해야 한다”는 우스개 소리도 있다.
전기차 배터리는 충전이 가능한 2차 전지로 양극(cathode), 음극(anode), 전해질(electrolyte), 분리막(separator), 케이스(case)로 구성된다. 외형에 따라 원통형, 파우치형, 각형의 3개 타입으로 구분된다. 2차전지 시장조사기관인 SNE리서치의 자료에 의하면 2020년도 글로벌 배터리 시장에서 유형별 점유율은 각형 49.2%, 파우치형 27.8%, 원통형 23.0%이며, 현재 테슬라에 탑재되고 있는 원통형의 시장규모가 상대적으로 커질 것으로 전망된다.
또한 전기차 배터리는 양극재의 구성 성분에 따라 NCM(니켈-코발트-망간)과 LFP(리튬-인산철)로 나뉜다. LFP는 NCM에 비해 가격이 20∼30% 정도 저렴하며, CATL과 BYD 등 중국 업체들이 주로 생산하는 제품이다. 그러나 부피가 크고, 주행거리가 상대적으로 짧다는 단점이 있다.
배터리는 셀(cell; 개별 배터리)을 여러 개 묶어 모듈(module)화하고, 모듈들을 연결하여 하나의 팩(pack)으로 만든 후 차량에 장착한다. BEV인 BMW i3 자동차의 경우 12개의 셀로 묶여진 모듈을 8개 연결한 팩이 탑재돼 있다. 1대에 총 96개의 배터리가 장착되는 셈이다.
사진 : 삼성SDI
전기차 배터리의 용량 단위는 kWh인데 용량이 클수록 1회 충전 시 주행거리가 늘어나게 된다. 벤츠의 최고급 전기차 'EQS'에는 107.8kWh의 배터리가 탑재되어 주행거리가 770km인데 반해 75∼100kWh인 테슬라의 고급세단 '모델S'의 경우는 624km이다.
전기차 배터리시장은 한⋅중⋅일 3국이 주도하고 있다
세계 전기차 배터리 시장은 한･중･일 3국이 주도하고 있다. 2020년의 배터리 시장 규모는 142.7GWh(1억4,270만kWh)였다. 중국의 CATL이 1위고, LG화학에서 분리된 기업인 LG에너지솔루션이 2위, 일본의 파나소닉이 3위에 올랐다. 그밖에 한국기업으로는 삼성SDI와 SK이노베이션이 각각 5위와 6위의 공급실적을 기록했다.
LG에너지솔루션과 SK이노베이션 간의 특허침해 분쟁 등으로 2021년 들어서는 CATL 등 중국 업체들의 시장점유율이 높아지는 추세다. 미래에셋대우증권은 세계 전기차 배터리 시장규모가 2021년 56조5천억원에서 2022년 71조5천억원, 2023년에는 95조8천억원으로 급격하게 증가할 것으로 전망하고 있다.
자료 : SNE리서치, 중앙일보(2021.4.13일자)에서 재인용
전기차 부품 수는 내연기관차에 비해 37% 정도 줄어든다
전기차(BEV와 FCEV)에는 내연기관(엔진)이 없고 변속기(트렌스미션)도 필요하지 않음에 따라 일반 자동차와는 부품 체계가 크게 달라진다. 그리고 전체 부품 수는 30,000개에서 18,900개 정도로 37% 줄어들게 된다. 자동차가 점점 스마트해짐에 따라 전장화(電裝化; electrification)가 가속화하고 전장부품이 차지하는 비중도 높아지는 추세다.
전장부품이란 자동차에 들어가는 각종 전기･전자장치를 말한다. 1980년대까지만 해도 전장부품이 전체 자동차 원가에서 차지하는 비중이 1%에 불과했으나 현재는 30∼40%에 이른다. 전기차의 경우는 그 비중이 70%에 달함으로써 자동차인지 전기･전자산업인지 구분이 애매해 질 수 있다.
내연기관차와 전기차의 부품수 비교
자료 : 일본자동차부품협회
