'날씨가 좋으면 찾아가겠어요…' 전기자동차, 겨울 계절학기 결과는?

'날씨가 좋으면 찾아가겠어요…' 전기자동차, 겨울 계절학기 결과는? 

대학생신재생에너지기자단 19기 문서영

 

 기존 내연기관 자동차의 환경오염 문제가 대두되면서 전기자동차가 대체재로 주목받고 있다. 국토교통부 자료에 따르면 전기차 보급은 2016년 1만 855대에서 2020년 5월 기준 10만 6099대까지, 가파른 성장곡선을 그리고 있다. 

 

[자료1. 연도별 전기차 보급현황]

출처 : 비즈N

 이에 따라 자동차 제조기업에서도 전기차 생산량을 전폭적으로 늘리겠다는 계획을 발표했다. 스웨덴 볼보 자동차는 2030년까지 생산하는 모든 차종을 전기차로 완전히 전환하겠다고 선언했고, GM도 2035년 이후 휘발유와 디젤 엔진 자동차의 생산과 판매를 전 세계적으로 중단하며 본격적인 전기차 전환을 추진하겠다는 입장을 밝혔다. 전기자동차는 주행 중 유해물질을 방출하지 않아 친환경적이다. 또한 소음을 유발하지 않으며 차량 유지비가 적게 든다는 장점이 있어 내연기관 자동차를 대체하기 아주 적합해 보인다.

 하지만 이번 겨울 한파와 폭설을 겪으면서 겨울철 전기자동차 운용에서 문제들이 다수 발견되었다. 따라서 겨울철 전기자동차 운행 시 발생 가능한 문제를 파악하고 이를 현명하게 극복하는 방법을 알아볼 필요가 있다.

자동차 배터리 효율의 급격한 저하

 

[자료 2. 폭설로 정체를 빚은 도로]

출처 :데일리안

 지난 3월 1일 강원 영동지방에서는 폭설로 차량 수백 대가 8시간가량 고립되는 사건이 있었다. 일각에서는 전기차가 정체현상을 심화시켰다는 주장이 제기되고 있다. 저온에서 배터리 소모량이 급증한 다수의 전기차가 도로에서 방전되면서 차량 흐름에 장애를 일으키고 제설작업에 문제를 야기했다는 것이다.

 겨울철 전기자동차가 쉽게 방전되는 이유는 전기자동차에 사용되는 리튬이온 배터리 때문이다. 리튬이온 배터리는 리튬이온이 양극과 음극 사이를 오가며 충전과 방전을 하는 방식의 이차전지이다. 

 

[자료 3. 리튬이온 배터리 구조]

출처: LG화학

 리튬이온이 이동하는 경로는 액체 상태의 전해질로 이뤄져 있는데, 겨울에 기온이 떨어지면 이 전해질의 유동성이 떨어진다. 이로 인해 리튬이온의 이동성이 저하되면 배터리 내부 저항이 증가해 성능이 떨어지게 되는 것이다. 기존 내연기관 자동차는 엔진에서 발생하는 열을 차량 내부 난방에 활용할 수도 있었던 것에 반해 전기차는 난방에도 배터리 전력을 사용한다. 따라서 히터까지 사용한다면 배터리가 빨리 방전될 수밖에 없다. 이런 이유로 겨울철 전기차는 충전 빈도가 증가하게 되는데 리튬이온 배터리는 충전과 방전을 반복할 시 효율이 저하되는 특성을 지녔다.

 실제 ‘노르웨이 자동차연맹’(NAF)이 전기차 성능에 대한 실험을 진행한 결과, 겨울철에는 상온 23도에서 측정한 WLTP(국제표준 배출가스 시험방식) 대비 평균 18.5%의 주행거리 저하가 나타났다.

 

[자료 4. 노르웨이 자동차연맹’(NAF)에서 진행한 전기차 성능에 대한 실험 결과]

출처:조선비즈

 김필수 대림대 자동차학과 교수는 겨울철 배터리 방전에 대안으로 “차량 출고 시 ‘히트 펌프 시스템’과 ‘배터리 히팅 시스템’을 옵션으로 선택하는 것"을 제시했다. 히트 펌프 시스템은 전기모터 등에서 발생하는 열을 배터리 대신 활용해 차량 난방에 이용하는 시스템이며, 배터리 히팅 시스템은 자동차의 실내 공기로 배터리를 가열시켜 혹한기 배터리 충전 시간을 단축해주는 시스템이다.

 자동차 제조사에서는 기존의 리튬이온 배터리를 다른 것으로 교체하는 방법을 고려해볼 만하다. 현재 과학계에서는 리튬이온 배터리의 한계를 보완한 제품 개발이 다수 진행 중이다. 그 예시 중 하나인 전고체 배터리는 리튬이온으로 이동하는 전해액을 액체에서 고체로 변경한 것이며 열과 외부 충격에 강하다는 특징이 있다. 전고체 배터리가 상용화되면 현재보다 주행거리· 충전시간· 안전성· 내구성 등에서 획기적인 변화가 있을 것으로 기대된다.

 한국 과학기술원(KAIST)의 조은애 교수 연구팀에서도 기존 배터리 양극재보다 용량이 25% 이상 크면서 안정적인 차세대 리튬 배터리 소재를 개발했다. 연구팀은 기존 소재보다 25% 많은 에너지를 저장할 수 있는 리튬 과잉 양극 소재를 제시했으며 이 배터리는 공정이 비교적 간단해 대량생산도 가능하다고 말했다.

 

차량 무게 증가로 인해 제동거리 증가

 배터리는 전기차에 장착되는 부속품 중 가장 무게가 많이 나간다. 이 때문에 같은 크기의 내연기관 차량보다 100㎏ 이상 무거운 경우가 대부분이다. 한편 제동거리는 차량의 무게에 비례하고 빙판길은 일반 노면보다 미끄럽다. 따라서 빙판길에서 전기자동차를 운전하는 경우, 마른 노면에서 내연기관 자동차를 운행할 때보다 사고 가능성이 증가하게 된다.

 

[자료 5. 50km 주행 중 빙판길 제동거리 실험 결과]

출처: 중앙일보

 사고를 방지하기 위해 운전자는 겨울철 미끄러짐 현상 및 마모를 줄이는 타이어로 교체해야 한다.

 한국타이어는 전기모터의 고출력과 강력한 초기 가속력을 손실 없이 노면에 전달하기 위해 타이어가 미끄러지는 현상을 최소화하는데 집중한 제품을 개발했다. 또한 금호타이어는 내구성을 높이는 리브(지그재그) 패턴 디자인을 삽입하거나 바닥 면에 특수 레진을 적용하여 제동거리를 짧게 유지하도록 도와주는 제품을 출시했다.

 한편 자동차 제조사에서도 더욱 가벼운 소재를 개발하고 활용하는데 열을 올리고 있다. 전기자동차 부품사인 LS전선은 최근 기존 구리 전선보다 40% 이상 가벼운 알루미늄으로 전선을 만들기 시작했다. 코오롱인더스트리는 강하면서도 내구성이 뛰어난 전기차 부품인 구미 아라미드 생산라인의 생산량을 25%가량 늘렸다.

 

배터리 위치로 인해 차량 하부 세척 곤란

 눈이 내린 후 가장 많이 사용되는 제설제는 염화칼슘이다. 염화칼슘은 저렴하면서도 제설 효과가 월등히 좋기 때문에 가장 많이 사용되는 제설재이다. 하지만 염화칼슘은 자동차 하부를 부식시키거나 차 앞 유리에 얼룩을 남긴다. 심지어 세차가 늦어질수록 차량에서 제거하기가 힘들어진다. 때문에 염화칼슘 성분의 제설제가 뿌려진 도로를 지나간 후에는 빠른 시간 안에 차량 하부 세차를 진행해야 한다. 이때 효과적인 제거를 위해서는 고압수로 세차를 해야 하는데 대부분의 전기차는 차량 하부에 배터리가 위치하고 있기 때문에 세차과정에서 배터리에 무리가 갈 것이 염려될 수 있다.

 사실 전기차에는 배터리를 외부 충격으로부터 보호하기 위해 방수 기능이 있는 하부 덮개나 하부 전방 가드 등이 함께 설치되어있다. 그럼에도 불구하고 전기차 충전구, 모터룸에 물이 유입되면 고장을 초래할 수 있으니 유의해야 한다. 또한 이미 부식이 진행되고 있는 부분에 고압수를 가하면 차량이 훼손될 수 있음으로 최대한 조심해서 세차를 진행해야 한다.

 

처음부터 완벽할 수는 없다.

 내연기관 자동차의 대체재로 각광받는 전기차는 친환경성, 경제성 등 많은 장점들을 바탕으로 빠르게 시장을 점유하고 있다. 하지만 아직 상용화된 역사가 짧기 때문에 완벽한 효용을 가졌다고 보기에는 무리가 있다. 따라서 겨울철에 발생하는 문제들을 해결하기 위한 지속적인 연구가 필요하다. 그리고 운전자들은 발생할 수 있는 문제들을 미연에 파악하고 방지하여야 할 것이다. 이런 몇몇 문제들이 개선된다면 전기자동차가 더욱 빠른 시일 내에 내연기관 자동차의 완벽한 대체재로 자리 잡을 수 있을 것이라고 기대된다.

 

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참고문헌

1) 곽은영, "눈 올 때마다 뿌리는 ‘염화칼슘’... 유해성 어디까지?", 그린포스트코리아, 2021.02.17 (www.greenpostkorea.co.kr/news/articleView.html?idxno=126258)

2) 권희원, "전기차 급가속하는 글로벌 자동차업계…"내연기관 미래없다"", 연합뉴스, 2021.03.03 (www.yna.co.kr/view/AKR20210303132800003?input=1195m)

3) 김도현, "LG·삼성·SK의 배터리 투자, 왜 해외에 집중되나", 시사저널이코노미, 2021.02.27(www.sisajournal-e.com/news/articleView.html?idxno=229615)

4) 김도형,서형석, “전기차 충전기 놀고 있는데… 기본료 부과하면 충전료 올려야”,동아일보, 2020.07.02 (www.donga.com/news/article/all/20200701/101781102/1)

5) 김영은, "전기차 10만 대 시대 ‘눈앞’…당신이 아직도 궁금해하는 5가지", 한경비즈니스, 2019.04.09 (magazine.hankyung.com/business/article/201904095036b)

6) 김우영, "“겨울에 배터리 방전 빨라 히터 잘 못켜요” 겨울에 취약한 전기차 대책은", 조선비즈, 2020.12.05 (biz.chosun.com/site/data/html_dir/2020/12/04/2020120402601.html?utm_source=naver&utm_medium=original&utm_campaign=biz)

7) 김희태, "[김희태 칼럼] 전기차 보급, 그 이후의 문제에 대한 답도 찾자", 스타데일리뉴스, 2021.02.25, (www.stardailynews.co.kr/news/articleView.html?idxno=293548)

8) 도병욱, "한국타이어가 '전기차 타이어'에 공들이는 이유는", 한국경제, 2021.02.28 (www.hankyung.com/economy/article/202102289984i)

9) 박주영, ""전기차 주행거리 늘릴까" 용량 25% 큰 배터리 소재 개발", 연합뉴스, 2021.03.03 (www.yna.co.kr/view/AKR20210302134900063?input=1195m)

10) 박진우, "[기획]전기차 전용 타이어를 아시나요?", 오토타임즈, 2014.04.14 (autotimes.hankyung.com/apps/news.sub_view?popup=0&nid=01&c1=01&c2=01&c3=00&nkey=201404141024491)

11) 송형석/이선아, ""더 가볍게"…전기차 시대, 경량화에 사활 건 소재·부품사들", 한국경제, 2020.09.29 (www.hankyung.com/economy/article/202009280015i)

12) 이동희, "전기차, 뻔한 장점 말고 다른 것들을 생각해보자", 기아 공식블로그, 2021.02.09 (play.kia.com/car/kategorieCarDetail.do?ctntsNo=5210)

13) 이배운, "강원 폭설에 '꽉'막힌 도로, 주범은 전기차?", 데일리안, 2021.03.03 (www.dailian.co.kr/news/view/968800/?sc=Naver)

14) 제갈민, "전기차, 배터리 차량하부 장착… 손상위험↑", 시사위크, 2020.09.02 (www.sisaweek.com/news/articleView.html?idxno=137224)제갈민, "전기차, 주행거리·내구성 난제… 해결방법은 ‘전고체 전지?’", 시사위크, 2021.03.02 (www.sisaweek.com/news/articleView.html?idxno=142135)

15) 제갈민, "전기차, 주행거리·내구성 난제… 해결방법은 ‘전고체 전지?’", 시사위크, 2021.03.02 (www.sisaweek.com/news/articleView.html?idxno=142135)

16) View H, "전기차, 겨울철 하부세차 해도 괜찮을까?", 2018.11.28,(m.post.naver.com/viewer/postView.nhn?volumeNo=17199951&memberNo=30619985)