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전기차는 전기를 동력으로 하는 자동차입니다. 화석 연료를 연소시켜 구동 에너지를 얻는 내연기관차와 달리 배터리에 축적된 전기로 모터를 회전시켜 구동 에너지를 얻습니다. 전기차의 모터는 고효율·고출력 영구자석형 구동모터로 높은 출력과 회전력을 갖고 있습니다.


전기차의 구조와 종류 [핫클립] / YTN 사이언스
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All about EV – 1전기차의 구조, 내연기관차와는 다르다 – 현대모터그룹 TECH

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All about EV – 1전기차의 구조, 내연기관차와는 다르다 – 현대모터그룹 TECH

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전기차의 구조, 내연기관차와는 다르다

친환경 모빌리티에 대한 관심은 전기차 시장의 성장으로 이어지고 있습니다. 뛰어난 경제성과 높은 성능으로 운전자들의 마음을 사로잡고 있는 전기차에 대해 살펴봅니다.

모터가 엔진을 대신하는 것처럼 전기차의 구조도 내연기관차와 다릅니다. 전기차를 구성하는 주요 부품과 전기차의 특징에 대해 알아봅니다.

전기차는 전기를 동력으로 하는 자동차입니다. 화석 연료를 연소시켜 구동 에너지를 얻는 내연기관차와 달리 배터리에 축적된 전기로 모터를 회전시켜 구동 에너지를 얻습니다.

전기차의 모터는 고효율·고출력 영구자석형 구동모터로 높은 출력과 회전력을 갖고 있습니다. 내연기관차의 엔진과 달리 주행 중에도 소음과 진동이 거의 발생하지 않습니다.

감속기는 모터의 회전을 바퀴에 효율적으로 전달하기 위해 탑재하는 장치입니다. 모터의 회전수(RPM)를 필요한 수준으로 감속해 더 높은 회전력(토크)을 얻을 수 있도록 조정하는 역할을 합니다.

전기차는 모터를 움직이는 전기 에너지를 고전압 배터리에 저장해뒀다가 필요할 때 사용합니다. 배터리 기술 발전에 따라 최근 출시된 전기차의 1회 충전 주행거리는 초기 전기차보다 크게 늘었습니다(현대차 코나 일렉트릭 기준 406km).

EPCU(Electric Power Control Unit)는 전기차의 통합전력제어장치를 뜻합니다. 인버터, LDC, VCU로 구성되어 있습니다.

– 인버터(Inverter): 고전압 배터리-모터 간 전력을 변환(AC↔DC)

– LDC(Low voltage DC-DC Converter): 고전압 배터리의 전압을 저전압(12V)으로 변환해 전장 부품에 공급

– VCU(Vehicle Control Unit): 차량 내 전력 제어기를 총괄하는 컨트롤 타워

OBC(On Board Charger)는 고전압 배터리의 충전을 위해 외부 AC 전원을 DC 전원으로 변환시키는 장치입니다. 보통 급속 충전은 DC 충전으로 진행되기에, 일반적으로 DC 충전기를 급속 충전기라 부릅니다.

같은 거리를 주행했을 때 전기차 충전 비용은 내연기관차의 연료비보다 월등히 경제적입니다. 심지어 출퇴근 거리에 따라 대중교통 이용비보다 유지비가 적게 드는 경우도 있습니다.

전기차는 작동하자마자 최대 토크가 발생해 내연기관차 대비 중저속에서의 가속력이 뛰어납니다. 배터리가 차체 하단에 탑재된 전기차의 경우 무게중심이 낮아 선회성이 우수하고, 가감속 안정성도 좋습니다.

환경부 자료에 따르면 가솔린차를 전기차로 대체했을 때, 1대 당 연간 2톤의 CO₂를 감축할 수 있습니다. 향후 풍력, 태양광 같은 친환경 재생에너지 발전이 보편화되면 전기차는 현재보다 더 친환경적인 이동수단으로 거듭날 수 있습니다.

[전기차 백과사전 A to Z] 쉽게 알아보는 전기차의 구동 원리

배터리

배터리는 전기 에너지를 저장하는 부품으로, 내연기관차의 연료탱크에 해당합니다. 전기차의 주행거리는 보통 배터리 용량에 따라 좌우됩니다. 배터리 용량이 클수록 주행거리도 늘어나는 것이죠. 그러나 배터리 용량을 키우는 일은 그리 간단하지 않습니다. 배터리가 차지하는 부피와 무게 때문입니다. 큰 배터리를 얹으면 실내 공간 및 짐 공간이 줄어들고, 에너지 효율이 떨어집니다. 운동성능에도 부정적인 영향을 미치죠. 따라서 전기차의 주행거리를 효율적으로 늘리기 위해서는 배터리의 에너지 밀도를 높여야 합니다. 크기가 작고 가벼우면서 전기 에너지를 최대한 효율적으로 저장해야 하는 것입니다. 주행가능 거리가 길수록 충전 횟수가 줄어들어서 전기차 생활이 한층 더 편리해집니다.

최근 출시된 전기차는 배터리 기술 발전에 따라 에너지 밀도가 크게 높아졌습니다. 덕분에 1회 충전 주행거리도 초기 전기차보다 크게 늘었습니다. 기아자동차 쏘울 부스터 EV의 경우 64kWh 용량의 리튬이온 배터리를 탑재해 최대 386km를 달릴 수 있습니다(국내 인증 기준). 배터리 수명도 크게 개선됐습니다. 전기차의 리튬이온 배터리는 충전 패턴에 따라 수명이 달라지는데, 일상적인 사용 조건이라면 폐차할 때까지 배터리 내구성에 대한 걱정 없이 운행할 수 있습니다. 통상적으로 배터리 전력을 100% 방전될 때까지 주행하고 다시 충전하는 경우라면 1,000회, 배터리 전력 50%를 사용하고 다시 충전하는 경우라면 5,000회, 전력 20%를 사용하고 다시 충전하는 경우라면 8,000회까지 배터리 사용이 가능합니다. 따라서 쏘울 부스터 EV를 하루에 약 77km(전력 20% 사용 시)를 운행한다고 가정하면 8,000일(약 22년) 동안 배터리 교체 걱정 없이 차량을 사용할 수 있는 것입니다.

배터리 관리 시스템(Battery Management System, BMS)

배터리 관리 시스템(이하 BMS)은 이런 수많은 배터리(셀)를 하나의 배터리처럼 사용할 수 있도록 관리합니다. 전기차의 배터리는 수십 개에서 수천 개에 이르는 셀로 이뤄져 있는데, 각 셀의 상태가 비슷해야 배터리의 내구성과 성능이 최적의 컨디션을 유지할 수 있기 때문입니다.

BMS는 배터리와 일체형으로 설계되는 경우가 많으며, 통합전력제어장치(EPCU)에 포함되기도 합니다. 셀의 충전 및 방전 상태를 감시하고, 배터리에 이상이 감지될 경우 릴레이(특정 조건에서 다른 회로를 개폐하는 장치)를 통해 자동으로 배터리의 전원을 잇거나 끊습니다.

경북도립대학교 자동차과

1. 전기자동차 역사

1.1. 1830년대~1910년대

1830년부터 1840년 사이에 영국 스코틀랜드의 사업가 앤더슨이 전기자동차(이하 전기차로 용어를 통일함)의 시초라고 할 수 있는 세계 최초의 원유전기마차를 발명한다.

1835년에 네덜란드 크리스토퍼 베커는 작은 크기의 전기차를 만든다.

1842년에 미국의 토마스 데트와 영국 스코틀랜드의 로버트 데이비슨은 이전보다 실용적이고 성공적인 전기차를 발명한다.

1881년 9월에 프랑스 발명가 구스타프 트루베는 프랑스 파리에서 열린 국제전기박람회에서 삼륜자동차가 작동하는 것을 입증한다. 이후 전기차는 급속도로 보급되기 시작한다.

1895년에 전기삼륜차가 개발되면서 미국에서도 전기차의 관심은 높아졌다. 전기차는 기어를 바꿔줄 필요가 없어 운전조작이 간편해 상류층 및 여성 운전자들로부터 많은 관심을 받게 된다. 그러나 기술적 한계와 트랜지스터의 기술 부족 때문에, 이 당시 전기차는 최고속도는 시속 32km에 불과하다는 단점도 있었다.

1899년~1900년에 전기차는 어떤 다른방식의 차량(휘발유 자동차, 증기 자동차 등)보다도 많이 팔리게 되었고, 1912년에 생산 및 판매 정점을 기록한다. 기본 전기차의 가격은 1000달러 이하였으나, 대부분 값비싼 재료로 화려하게 꾸며 평균 3000달러 이상으로 상류층들이 주로 이용하였다.

1.2. 1920년대~1980년대

1920년에 미국 텍사스에서 원유가 대량으로 발견되며 휘발유의 가격은 떨어지고, 내연기관의 대량생산체제를 구축함에 따라 휘발유자동차는 500달러 ~ 1000달러 정도로 가격이 많이 떨어진다. 그러나 전기차의 가격은 점점 상승해 평균 1750달러 정도에 팔릴 때 휘발유자동차는 평균 650달러 정도에 팔리게 되었다. 전기차는 극히 일부만이 교통수단으로 이용하고, 휘발유자동차가 자동차시장에서 급부상하기 시작한다. 그리고 1930년대에 들어서서 전기차는 값비싼 가격, 배터리의 무거운 중량, 충전에 걸리는 시간 등의 문제 때문에 자동차 시장에서 대부분 사라진다.

이상의 내용은 위키백과에서 인용하였음을 밝혀둡니다.

2. 전기차 기본원리

2.1. 전기차 종류

전기차란 전기가 동력원인 자동차를 말한다. 일반 자동차가 내연 기관에서 석유 원료를 연소하여 발생한 에너지로 주행한다면, 전기자동차는 전력으로 전기 모터를 회전하여 생성한 에너지를 사용한다.

전기차는 현재 수소전기차와 더불어 대표적인 친화경 자동차로 불린다.

현재 전기차는 하기와 같이 3가지로 분류한다.

1) 이차전지에 미리 비축한 전력으로 달리는 차이며, 일반적으로 말하는 전기차이다. 이러한 전기차는 전기 모터를 사용하므로 소음과 진동이 거의 없으며, 배기가스를 뿜어내지 않아 대기 오염도 없다. 직류 전기모터를 사용함으로써 클러치나 변속기가 필요하지 않아 운전하기가 매우 쉽다. 현재 연구가 한창 진행 중인 자율주행차와 함께 미래 자동차 시장을 주도할 것으로 예상하고 있다.

2) 열이나 화학반응 등을 통해 직접 전기를 생산하는 연료전기나 태양전지 등으로 사용하는 차이다. 태양 전지로 달리는 자동차는 유망하지만, 평균 시속이 느리므로 고성능의 태양전지가 개발되기 전까지는 사용이 제한적이다. 반면, 연료전지로 구동하는 대표적인 방식이 수소전기차이다. 수소전기차는 충전시간과 친환경성 등의 강점이 있어 향후 배터리로 구동하는 순수 전기자동차와 시장을 양분할 것으로 예상하고 있다.

3) 하이브리드 방식인 혼성 방식이다. 전지는 축전 능력에 한계가 있어 1회 충전당 주행거리가 짧으며 크고 무겁다는 단점이 있다. 이를 보완하기 위해 소형 가솔린 기관을 탑재, 필요에 따라 가솔린 기관과 축전지의 전기를 사용하는 방식이다. 2000년대 이후 실제적으로 많이 판매되고 있는 방식이며, 조만간 전기자동차의 기술이 안정화되면 이 방식은 사라질 것으로 예상하고 있다.

2.2. 전기차 구동원리

전기차는 배터리에 저장된 전력으로 모터를 회전하여 주행한다. 이것이 화석 연료를 연소 시켜 구동 에너지를 얻는 내연기관차와 가장 큰 차이점이다. 따라서 전기차에는 기존 자동차에서 가장 중요한 요소였던 엔진과 변속기가 없다. 대신, 전기 동력과 관련된 부품이 자리를 잡고 있다. 구동모터, 감속기, 배터리, 온보드차저, 통합전력제어장치 등이 바로 그것이다. 모두 배터리의 전력으로 모터를 구동하기 위한 부품이다.

(출처: 현대자동차그룹 홈페이지)

2.2.1. 구동모터

구동모터는 전기 에너지를 운동 에너지로 전환하여 바퀴를 굴리는 역할 을 한다. 내연 기관의 엔진과 같은 역할을 한다. 배터리에 저장된 전기를 이용하여 차량을 구동시킨다. 현재는 AC모터를 많이 사용 한다. 모터를 구동 장치로 사용하며 얻는 장점은 다양하다. 일단, 주행 중에 발생하는 소음과 진동이 매우 적다. 그래서 전기차는 특유의 조용하고 안락한 승차감이 강점이다. 또한 전기차의 파워트레인은 엔진보다 크기가 작아 공간활용성을 높이는데 유리하다. 남는 공간을 실내 공간이나 짐 공간 확장에 활용할 수 있다.

테슬라 모델 S의 보닛 공간

구동모터는 발전기 역할을 한다. 내리막길 등 탄력 주행 시 발생하는 운동 에너지를 전기 에너지로 전환해 배터리에 저장할 수 있다. 주행 중 속도를 줄일 때도 마찬가지이다. 이를 회생제동 시스템이라고 한다.

1) 차량 주행시 전기의 흐름

전기차의 차량 주행 중 전력 흐름(출처: 전기 자동차 원리, 작성자 엠에스리)

전기차가 차량 주행 중일 때는 고전압 배터리에 저장된 DC 전기를 인버터를 통해 AC로 변환하여 모터를 회전시킨다. 모터는 감속기를 거쳐 바퀴로 전달된다. 그리고 차량 주행 중에는 12V로 동작하는 각종 전장 시스템을 사용해야 하기 때문에 고전압 배터리에 저장된 DC 전기를 LDC (Low DC-DC Converter)를 통해 12V 전압으로 변환시킨다.

2) 회생 제동시 전기의 흐름

전기차의 최생 제동 시 전력 흐름(출처: 전기 자동차 원리, 작성자 엠에스리)

전기차는 브레이크 페달을 밟으면 유압 브레이크뿐만 아니라 모터와 인버터도 브레이크 역할을 한다. 그리고 모터와 인버터에 의해 브레이크가 작동하면서 전기를 만들어낼 수도 있다. 이를 회생제동이라 하며 회생제동으로 생성된 에너지를 다시 활용할 수 있다. 따라서 열로 소모하는 내연기관의 브레이크 보다 훨씬 효율적이다.

2.2.2. 감속기

감속기는 모터의 특성에 맞춰 동력을 바퀴에 더 효율적으로 전달하기 위해 고안된 일종의 변속기이다. 하지만 변속기가 아닌 감속기라고 부르는 데에는 이유가 있다. 모터는 분당 회전수(RPM)가 내연기관 엔진보다 훨씬 높다. 회전수를 상황에 맞게 바꾸는 변속이 아닌, 회전수를 하향 조정(감속)해야 한다. 감속기는 모터의 회전수를 필요한 수준으로 낮춰 전기차가 더 높은 회전력(토크)을 얻을 수 있도록 한다. 감속기의 기어비는 고정되어 있는데, 보통 7.2 ~ 9.4 : 1로 되어 있다.

모터의 동력이 일정한 상태에서, 감속기를 통해 모터의 회전수를 줄이면 토크가 커진다. 쉽게 말하면 모터는 너무 빠르게 돌아가는 대신에 힘이 없어, 속도를 늦춰서 힘을 세게 한다고 생각하면 된다. 기어비가 7.2~9.4로 하나로 고정되어 있는데, 현대차의 아이오닉 EV의 감속비는 7.4 이다. 만약 이런 변속기가 7개가 있으면? 우리는 그런 장치를 7단 변속기라고 부른다. 즉, 엄밀히 따지면 내연기관의 1단 변속기를 감속기와 동일한 개념으로 보면 된다. 대부분의 전기차는 1단 감속기 방식이다.

2.2.3. 배터리

배터리는 전기 에너지를 저장하는 부품으로, 내연기관차의 연료탱크에 해당한다. 전기차의 주행거리는 보통 배터리 용량에 따라 좌우된다. 배터리 용량이 클수록 주행거리도 늘어난다. 그러나 배터리 용량을 키우는 일은 그리 간단하지 않다. 배터리가 차지하는 부피와 무게 때문이다. 큰 배터리를 얹으면 실내 공간 및 짐 공간이 줄어들고, 에너지 효율이 떨어진다. 운동성능에도 부정적인 영향을 미친다. 따라서 전기차의 주행거리를 효율적으로 늘리기 위해서는 배터리의 에너지 밀도를 높여야 한다 . 크기가 작고 가벼우면서 전기 에너지를 최대한 효율적으로 저장해야 하는 것이다. 주행가능 거리가 길수록 충전 횟수가 줄어들어서 전기차 생활이 한층 더 편리해지기 때문이다.

최근 출시된 전기차는 배터리 기술 발전에 따라 에너지 밀도가 크게 높아졌다. 덕분에 1회 충전 주행거리도 초기 전기차보다 크게 늘었다. 기아자동차 쏘울 부스터 EV의 경우 64kWh 용량의 리튬이온 배터리를 탑재해 최대 386km 를 달릴 수 있다(국내 인증 기준). 배터리 수명도 크게 개선됐다. 전기차의 리튬이온 배터리는 충전 패턴에 따라 수명이 달라지는데, 일상적인 사용 조건이라면 폐차할 때까지 배터리 내구성에 대한 걱정 없이 운행할 수 있다. 통상적으로 배터리 전력을 100% 방전될 때까지 주행하고 다시 충전하는 경우라면 1,000회, 배터리 전력 50%를 사용하고 다시 충전하는 경우라면 5,000회, 전력 20%를 사용하고 다시 충전하는 경우라면 8,000회까지 배터리 사용이 가능하다. 따라서 쏘울 부스터 EV를 하루에 약 77km(전력 20% 사용 시)를 운행한다고 가정하면 8,000일(약 22년) 동안 배터리 교체 걱정 없이 차량을 사용할 수 있다.

배터리 관리 시스템(이하 BMS) 은 이런 수많은 배터리(셀)를 하나의 배터리처럼 사용할 수 있도록 관리한다. 전기차의 배터리는 수십 개에서 수천 개에 이르는 셀로 이뤄져 있는데, 각 셀의 상태가 비슷해야 배터리의 내구성과 성능이 최적의 컨디션을 유지할 수 있기 때문이다. BMS는 배터리와 일체형으로 설계되는 경우가 많으며, 통합전력제어장치(EPCU)에 포함되기도 한다. 셀의 충전 및 방전 상태를 감시하고, 배터리에 이상이 감지될 경우 릴레이(특정 조건에서 다른 회로를 개폐하는 장치)를 통해 자동으로 배터리의 전원을 잇거나 끊는다.

2.2.4. 온보드차저

온보드차저(이하 OBC)는 완속 충전을 하거나, 휴대용 충전기로 가정용 플러그에 꽂아서 충전할 경우, 차량에 입력된 교류 전원(AC)을 직류 전원(DC)으로 변환하는 장치이다. 교류를 직류로 전환한다는 점에서 인버터와 비슷해 보이지만, OBC는 충전을 위한 장치이며 인버터는 차량 가속과 감속과 관련된 장치라는 점에서 그 역할이 다르다. 참고로 급속 충전은 직류를 이용한다.

전기차의 완속 충전 시 전력 흐름(출처: 전기 자동차 원리, 작성자 엠에스리)

전기차의 급속 충전 시 전력 흐름(출처: 전기 자동차 원리, 작성자 엠에스리)

2.2.5. 통합전력제어장치

통합전력제어장치(이하 EPCU)는 차량 내 전력을 제어하는 장치를 통합하여 효율성을 높여주는 역할을 하며 인버터, LDC, VCU로 구성되어 있다.

1) 인버터(Inverter)

인버터는 배터리의 직류 전원(DC)을 교류 전원(AC)으로 변환하여 모터의 속도를 제어하는 장치이다. 가속과 감속 명령을 담당하므로 전기차의 운전성을 높이는 데 있어서 매우 중요한 역할을 맡고 있다.

2) LDC(Low voltage DC-DC Converter)

LDC는 전기차의 고전압 배터리의 전압을 저전압(12V)으로 변환해 전장 시스템에 전력을 공급하는 장치이다. 고전압 배터리는 높은 전압을 사용하지만, 자동차의 전장 시스템은 낮은 전압을 사용하기 때문에 이를 변환하는 장치가 반드시 필요하다.

3) VCU(Vehicle Control Unit)

VCU는 EPCU에서 가장 중요한 부품 중 하나이다. 차량 내 전력 제어기를 총괄하는 컨트롤 타워에 해당하기 때문이다. 모터 제어, 회생제동 제어, 공조 부하 제어, 전장 부하 전원공급 제어 등 차량의 전력 제어와 관련된 대부분을 관장하고 있다.

3. 전기차 전용 플랫폼

본격적인 전기차 시대 개막을 앞두고 완성차 업체들이 ‘전기차 전용 플랫폼 경쟁’에 나서고 있다. 차 플랫폼이란 파워트레인, 차체, 서스펜션 등 차의 핵심 요소를 갖춰놓은 일종의 뼈대로, 전기차 전용 플랫폼은 배터리를 차량 하부에 놓고 전륜과 후륜에 각각 전기 모터를 배치하는 등 무게, 구조를 전기차 특성에 맞게 개발한 것이다.

그동안 기존 완성차 업체들은 내연기관 차 플랫폼을 기반으로 전기차를 만들었다. 플랫폼 하나를 개발하려면 상당한 자금을 투자해야 하는데 전기차 시장 전망에 불확실성이 컸던 탓에 전용 플랫폼 개발에 소극적이었다.

그런데 전기차는 엔진 대신 배터리, 모터를 통해 움직이기 때문에 내연기관차 뼈대를 기반으로 생산하자니 한계가 있을 수밖에 없었다. 자동차 등장 이후 글로벌 시장을 지배하던 전통적인 완성차 업체들이 스타트업 테슬라와 경쟁에서 뒤진 이유도 이 때문이다. 내연기관차는 한 대도 생산해본 적 없는 테슬라는 전기차 전용 플랫폼으로 차를 만들기 때문에 전기차에 가장 적합한 모델을 생산할 수 있었다.

테슬라의 사례처럼 완성차 업체도 전기차 전용 플랫폼을 한번 개발하면 이를 적용한 다양한 전기차를 더 효율적으로 생산할 수 있어 생산성을 크게 높일 수 있다. 또 전기차에 꼭 맞는 틀을 사용해 주행거리를 늘리고 에너지 효율을 극대화하는 한편, 급속충전 등 필요한 기술도 쉽게 적용할 수 있다. 업체들이 앞다퉈 전기차 전용 플랫폼을 발표하는 것은 앞으로 자동차 시장이 전기차 중심으로 빠르게 재편될 것이라는 강력한 메시지인 셈이다.

전기차 전용 플랫폼 개발에 가장 앞선 업체는 폴크스바겐이다. 디젤 게이트로 브랜드 이미지가 크게 실추된 폴크스바겐은 이미지 쇄신을 위해 2025년까지 300만대 전기차를 생산한다는 ‘로드맵 E’ 계획을 발표했다. 그러면서 전기차 전용 플랫폼 MEB와 아우디, 포르셰에 적용되는 프리미엄 전기차 전용 플랫폼 PPE를 공개했다. MEB 플랫폼은 대용량 배터리를 차량 바닥에 설치해 내부공간을 넓히고, 배터리 사용의 효율성을 높여 주행거리를 늘린 것이 특징이다. MEB 플랫폼의 급속 충전 시스템을 사용하면 30분 만에 배터리를 80% 충전할 수 있다.

(출처: 조선비즈 기사에서 인용)

3.1. E-GMP (출처: 현대차 그룹 홈페이지)

현대자동차그룹의 전기차 전용 플랫폼 ‘E-GMP(Electric-Global Modular Platform)’는 차세대 전기차 라인업의 뼈대이자 미래 친환경 모빌리티로의 전환에 있어 중요한 시발점이다. 이 말은 곧 E-GMP에 기반한 전기차가 기존 전기차는 보여주지 못했던 새로운 모습을 보여줄 것이라는 뜻이기도 하다. 이 목적을 위해 E-GMP는 기존 전기차의 바탕이 된 내연기관 플랫폼과 설계 부분에서 큰 차이를 보인다. 예컨대 내연기관 자동차에는 필요하지만 전기차에서 불필요해진 엔진과 구동축을 제거하고 배터리와 모터를 더했다. 그리고 이런 차별화된 설계가 E-GMP만의 특화된 장점을 만들어낸다. 사용자에게 새로운 전기차 경험을 선사할 E-GMP는 다음과 같은 장점 5가지가 있다.

1) 1회 충전으로 500km 이상 주행 가능

E-GMP는 도심과 장거리 주행 등 운전자의 성향과 차량 특성에 맞는 배터리 용량을 가변적으로 구성할 수 있다. 그리고 1회 충전으로 최대 500km 이상까지 주행이 가능하다. E-GMP의 * PE 시스템 에서 가장 먼저 살펴볼 부분은 배터리 모듈을 1종으로 표준화 해 각 차종별로 요구되는 주행거리에 맞게 배터리 팩 구성이 가능하다는 점이다.

* PE 시스템(Power Electric System) : 내연기관을 대체하는 전기차의 구동 시스템. 구동용 모터와 감속기, 전력 변환을 위한 인버터, 동력원을 담고 있는 배터리로 구성된다.

일반적으로 전기차의 배터리는 화학 반응을 일으켜 에너지를 저장하는 배터리 셀과, 배터리 셀을 일정량 모아 놓은 배터리 모듈, 그리고 배터리 모듈을 합친 배터리 팩으로 이뤄진다. 여기서 E-GMP는 배터리 셀과 모듈을 1종으로 표준화했다. 덕분에 향후 배터리 파손 등의 문제가 발생해 사용자가 A/S를 받을 때, 배터리 전체가 아닌 모듈 단위로만 교체를 할 수 있어 수리 비용을 절감할 수 있다. 생산 측면에서는 가격 경쟁력을 갖추는 것은 물론 품질까지 향상시킬 수 있다는 장점도 존재한다.

그 외에도 E-GMP는 동일한 크기의 배터리 시스템을 얹은 기존 전기차 대비 에너지 밀도가 10% 향상돼 한층 효율적이고 가벼운 배터리 시스템 구성이 가능하다. 차급과 차종, 고객의 라이프 스타일에 맞춘 자유로운 배터리 모듈 구성을 통해 더 먼 거리를 달릴 수 있는 기반이 마련된 것이다.

E-GMP에 기반한 전기차의 주행거리가 넉넉한 것은 세계 최고 수준의 에너지 효율을 지닌 차세대 PE 시스템 덕분이기도 하다. 그 중에서 구동 모터 내부의 코일에 적용된 ‘ 헤어핀 권선 기술 ’의 역할이 크다. 일반적으로 구동 모터는 영구자석이 있는 회전자, 코일이 감겨있는 고정자로 구성된다. 그리고 구동 모터의 동력은 고정자에서 발생하는 전자기력과 회전자 영구자석의 상호 작용으로 발생하는 회전토크에 기반한다. 여기서 고정자에 코일을 촘촘하게 감을수록 효율이 증가 한다. 헤어핀 권선 기술은 말 그대로 헤어핀의 형상을 닮은, 직사각형의 단면을 가진 코일을 활용한 구조를 뜻한다. 단면이 사각형인 코일은 기존의 원형(환선) 코일 대비 고정자에 코일을 더 촘촘하게 감을 수 있고, 이를 통해 권선 저항을 줄여 효율을 높일 수 있다. 원형의 코일 대비 높아진 점적률(일정 공간에서 유효한 부분의 면적이 차지하는 비율)은 기존보다 약 10%의 효율을 개선하는 효과가 있다.

이밖에도 차세대 PE 시스템은 새로운 냉각 방식 을 더해 모터의 효율을 높였다. 내연기관 등 모든 동력원이 그러한 것처럼 전기 모터 역시 효율을 높이기 위해서는 모터에서 발생하는 열을 효과적으로 식혀야 한다 . 과열이 될 경우 모터를 구성하는 부품에 변형이 생기고, 이는 곧 모터의 기능 저하로 이어질 수 있기 때문이다. 이 같은 현상을 막기 위해 기존 모터는 간접적으로 열을 식히는 수냉 방식을 썼다. 그러나 이 방식은 모터를 감싸는 하우징에만 냉각수가 흐르기 때문에 모터에서 가장 뜨거운 코일을 직접 냉각할 수 없다는 한계가 있다. 반면, E-GMP는 모터·감속기 일체형 구조의 장점을 살려 유냉 방식을 적용했다. 그 결과, 감속기의 냉각 및 윤활 기능을 담당하는 오일을 EOP(Electric Oil Pump)로 모터 내부의 코일에 안개처럼 직접 분사해 열을 보다 효과적으로 식힐 수 있다.

또한, 후륜 모터를 제어하는 인버터 파워 모듈의 전력반도체를 바꿔 주행거리를 5% 증가시켰다. 일반적으로 인버터 파워 모듈은 Si(실리콘) 기반의 전력반도체를 사용하지만, E-GMP는 내구성과 효율성이 더 뛰어난 SiC(실리콘 카바이드) 전력반도체를 탑재해 전기차의 효율을 극대화했다.

2) 18분만에 초급속 충전이 가능한 800V 고전압 충전 시스템

아직까지 국내외 대다수 급속 충전 인프라는 400V 충전 시스템을 갖춘 전기차를 위한 50~150kW급 충전기가 대부분이나 최근에는 빠른 충전을 위해 800V 고전압 충전 시스템을 갖춘 전기차를 위한 350kW급 초고속 충전 인프라가 설치되고 있는 추세다.

현대차그룹은 이러한 흐름에 맞춰 800V 고전압 충전 시스템을 기본으로 적용했다. 초고속 충전기로 충전 시 18분만에 배터리를 80%까지 충전할 수 있으며, 1회 완충으로 500km 이상 주행이 가능 하다. 또한, 단 5분의 충전으로도 약 100km를 주행 할 수 있다. 현재 널리 사용 중인 400V 충전 시스템이 배터리를 80%까지 충전하는데 약 1시간 정도의 시간이 소요되는 것에 비하면 눈에 띄는 변화다. 800V 방식을 쓰는 몇몇 최신 전기차의 80% 충전 속도가 20분 이상인 것을 감안해도 시간을 크게 절감했다.

E-GMP의 충전 편의성은 단순히 시간이 빠른 데서 그치지 않는다. E-GMP를 기반으로 하는 전기차는 800V 방식 외에도 아직까지 국내외 대다수 전기차 충전 인프라에 쓰이는 400V 충전 방식을 동시에 지원한다. 현재 800V 방식을 지원하는 일부 전기차도 400V 충전기를 사용할 수 있지만, 별도의 제어기를 장착해야 한다. 반면, E-GMP는 별도의 제어기 없이도 800V와 400V 충전이 모두 가능한 멀티 충전 시스템을 세계 최초로 적용했다. 이런 혁신이 가능한 것은 400V 충전기 사용 시 구동용 모터와 인버터를 활용해 400V 전압을 800V로 승압해 배터리에 공급하는 현대차그룹의 특허 기술 덕분이다.

전기차에 탑재된 배터리를 대용량 보조 배터리 개념으로 활용할 수 있다는 것도 E-GMP의 특징이다. 기존 전기차는 외부 전력을 차량 내부로 전달하는 단방향 충전만 가능했다. 그러나 E-GMP는 별도의 제어기나 연결 장치 없이도 110V나 220V 등의 일반 전원을 전기차 내외부로 공급할 수 있는 V2L(Vehicle to Load) 기능을 지원 한다. 이 같은 기능은 * 통합 충전 시스템(ICCU : Integrated Charging Control Unit) 과 차량 충전 관리 시스템(VCMS : Vehicle Charging Management System)을 통해 구현 가능하다.

* 통합 충전 시스템(ICCU) : 차량에 있는 고전압 배터리와 보조배터리 모두 충전이 가능하도록 새롭게 개발한 현대차그룹의 통합 충전 시스템. OBC(온보드차저)의 경우 기존 단방향으로만 충전 가능했던 기능을 개선해 양방향 전력 변환이 가능하도록 했다.

E-GMP의 V2L 기능이 제공하는 최대 공급 전력은 주택용 계약 전력(한국전력공사와 어느 정도의 전기를 쓸지 계약하고 이에 맞게 공급받는 전력) 3kW보다 많은 3.5kW다. 덕분에 E-GMP 기반의 전기차는 220V 완속 충전이나 캠핑장 등에서 가전용 전자제품을 아무런 불편함 없이 쓸 수 있는 양방향 전력 사용이 가능하고, 비상 시에는 외부 전력원으로도 활용할 수 있다. 뿐만 아니라 E-GMP 기반의 전기차는 비상용 충전 케이블(ICCB : In-Cable Control Box)을 사용해 다른 전기차의 배터리를 완속으로 충전하는 등 활용 범위가 넓다.

3) 전기차 전용 플랫폼만의 새로운 디자인과 넓은 실내

E-GMP는 내연기관 플랫폼과 구조적으로 차이가 크다. 이 차이는 직접적으로 디자인과 실내 공간에서의 장점으로 이어진다. E-GMP와 내연기관 플랫폼과의 가장 큰 차이는 공간을 많이 차지하는 엔진과 구동축이 사라지고, 그 자리를 부피가 작은 PE 시스템이 대신한다는 점이다. 차체 바닥에는 전기차의 가장 큰 구성 요소인 배터리가 놓인다. 때문에 내연기관 자동차나 내연기관 플랫폼을 기반으로 한 전기차와 비교하면 전체적인 비율이 크게 다르고 공간 활용성이 훨씬 커진다. 결정적인 차이는 긴 휠 베이스(앞, 뒤 차축 사이의 길이)와 오버행(앞, 뒤 차축 중심부터 앞, 뒤 범퍼 사이의 길이)이다.

E-GMP를 적용한 전기차는 차체 앞부분의 형상이 기존 내연기관차의 모습과 다르다. 엔진 탑재 공간이 필요하지 않기 때문에 오버행이 짧고, 보닛이 낮게 떨어지며 보닛 끝 부분과 앞유리가 만나는 카울 포인트도 앞으로 당겨져 있다. 반면 휠 베이스는 상대적으로 길다. 그로 인해 내연기관 자동차 또는 내연기관 플랫폼에 기반한 전기차와는 완전히 다른 비율의 디자인이 완성된다.

이런 구조적인 차이는 실내 공간의 구성도 바꾼다. 휠 베이스가 길어져 비슷한 크기의 기존 자동차보다 실내 공간이 훨씬 넉넉하다. 또한, 차체 하단을 지나가는 구동축이 없기 때문에 실내 바닥이 편평하다. 공간의 제약 없이 시트를 자유롭게 배치할 수 있어 탑승자의 자동차 이용 습관이나 라이프 스타일에 맞춘 설계가 가능하다는 것도 E-GMP의 특징이다.

E-GMP만의 장점은 또 있다. 실내 대시보드 안에 있던 공조장치를 엔진이 사라진 공간으로 이동해 대시보드 부피를 줄여, 앞좌석 승객 공간을 확대했다. 이른바 ‘슬림 콕핏’의 구현을 통해 동급의 내연기관 플랫폼 기반 전기차보다 실내가 한층 넓고 쾌적해진다.

4) 저중심 설계와 전용 새시 기술로 완성한 E-GMP의 주행 성능

E-GMP에는 차의 기본 성능을 극대화할 수 있는 설계까지 반영됐다. 가장 큰 요인은 앞서 언급한 차체 중앙에 위치하는 배터리다. 전기차에서 가장 무거운 배터리를 차체 중앙에 낮게 깔아 저중심 설계를 완성했다. 뿐만 아니라 휠 베이스에 배터리가 놓여 차체 중심에 무게가 집중됐고, 이는 효과적인 앞뒤 무게 배분이라는 결과를 낳는다. 이 같은 설계로 E-GMP를 바탕으로 하는 전기차는 세단, SUV 등 차종에 관계없이 직진 가속 및 코너링, 승차감 등 전반적인 주행 품질이 우수하다.

여기서 그치지 않고 새로 개발한 서스펜션으로 주행 성능을 더욱 끌어올렸다. 차체와 바퀴를 연결하는 링크를 5개 설치해 상하, 좌우의 충격을 효과적으로 걸러내고 조종성을 높여주는 5링크 서스펜션을 후륜에 더했다, 또한, 5링크 서스펜션 구조물과 서브프레임(서스펜션의 골격이 되는 부분) 내부에 PE 시스템을 통합하는 모듈화를 통해 주행 성능 향상에 공을 들였다.

E-GMP는 기능 통합형 드라이브 액슬(IDA, Integrated Drive Axle)을 세계 최초로 양산 적용했다. 기존에는 드라이브 샤프트와 휠 베어링을 마치 볼트와 너트처럼 연결해 엔진 또는 모터에서 발생한 동력을 바퀴로 전달했다. 그러나 IDA는 드라이브 샤프트와 휠 베어링을 일체화 했다. 2개 이상이던 부품이 하나로 통합되자 부품 사이에 연결 부위가 사라져 강성이 약 42% 높아졌고, 부품 수가 줄어 무게는 약 10% 줄었다 . E-GMP에 기반한 전기차가 승차감과 핸들링 성능을 향상시킬 수 있는 비결이다.

5) 새로운 구조와 기술로 향상시킨 안전 성능

E-GMP는 내연기관 자동차와 차별화된 구조를 채택해 안전 성능까지 향상됐다. 여유가 생긴 차체 앞쪽 공간에 프레임과 서브프레임 보강 구조를 적용해 다중골격 구조를 완성한 것이다. 이를 통해 전방 충돌 시 차체 구조물이 효과적으로 변형해 충격을 완화하고 탑승객과 배터리가 입는 피해를 최소화한다. 후방 충돌에 대비하기 위해서는 범퍼 부위에 변형을 유도하는 구조물을 적용해 충격이 분산되도록 했다. 동시에 후륜과 뒷좌석 탑승객을 적극적으로 보호하기 위해 차체 안쪽에 변형 방지 보강 구조를 추가했다.

차체 중앙에 놓인 배터리와 PE 시스템을 보호하기 위한 구조도 눈에 띈다. 우선적으로 측면 충돌 시 배터리 보호를 위해 사이드실 내부에 알루미늄 압출재를 기본 적용했다. 또한, 바닥 안쪽에 횡방향 크로스 멤버를 핫스템핑 부품과 동급의 재질 강도를 가진 초고장력 강판으로 제작해 적용했다.

E-GMP는 배터리와 차체를 더욱 견고하게 연결하기 위해 배터리를 관통하는 8점 마운트 방식을 적용했다. 이는 배터리 하단부터 바닥 안쪽까지 긴 볼트로 체결해 배터리와 차체 결합 강성을 극대화한다. 배터리와 차체 결합 강성을 높이면 충돌 시의 배터리 안전성도 개선된다. 뿐만 아니라 주행 시 진동과 소음을 줄어 성능과 승차감 향상이라는 부가적인 장점도 생긴다.

3.2. 기타 플랫폼

폭스바겐은 지난 2018년 전기차 전용 ‘MEB(Modular Electric Drive Matrix)’ 플랫폼을 공개했다. 대용량 배터리를 차량 바닥 면에 설치해 넓은 내부 공간을 비롯해 주행거리와 주행안전성을 향상시킨 것이 특징이다.

이 플랫폼을 적용한 ID.3의 판매를 이미 시작했다. 또 최근 MEB 플랫폼 기반 첫 번째 순수 전기 스포츠유틸리티차량(SUV) ID.4의 섀시를 공개했다. 오는 2022년 말까지 폭스바겐 그룹 산하 4개 브랜드에서 총 27종의 MEB 플랫폼 기반의 모델을 선보일 예정이다.

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