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 채홍 독고 
 1 친환경 전기 자동차 최신 기술 및 특허 동향 분석 을 통한 특허 경쟁력 강화 방안 연구 2016 년 2 월 특 허 청 배 진 용 오 성 환 
 3 목 차 Ⅰ . 서론 1 1 . 연구 의 배경 과 목적 1 2 . 연구 범위 와 방법 3 Ⅱ . 친환경 전기 자동차 역사 와 발전 동향 4 1 . 전기 자동차 의 최초 발명 과 그 쇠퇴 ( 1824 년 ~ 1920 년 ) 4 2 . GM 社 의 혁신 과 실패 ( 1996 년 ~ 2005 년 ) 8 3 . 전기 자동차 의 역사 전기 자동차 의 기술 개발 현황 전기 자동차 의 시장 동향 전기 자동차 상용 화 장애 및 문제점 37 Ⅲ . 친환경 전기 자동차 의 구조 전기 자동차 의 주요 부품 모터 인버터 / 컨버터 회생 제동 장치 전지 시스템 충전 인프라 및 커넥터 62 Ⅳ . 친환경 전기 자동차 의 전지 전지 의 구성 요소 와 종류 리튬 - 이온 전지 분야 의 산업 및 시장 동향 리튬 - 이온 전지 의 기술 동향 리튬 - 이온 전지 의 특허분쟁 및 특허 기술 동향 차세대 전지 로 주목 되 는 리튬 - 공기 전지 83 - iii - 
 4 Ⅴ . 테슬라 전기자동차 테슬라 社 의 역사 , 엘론 머스크 및 주요 사업 자동차 의 정의 를 바꾸 다 테슬라 자동차 공장 , 기 가 팩토리 및 슈퍼 충전 소 테슬라 특허 현황 , 핵심 특허 및 특허 공유 정책 99 Ⅵ . 친환경 전기 자동차 보급 현황 및 주요 정책 국내 전기 자동차 보급 현황 주요 국 보급 계획 및 도입 촉진 정책 현황 친환경 전기 자동차 의 성장 요인 과 제약 요인 국내 전기 자동차 보급 정책 국내 전기 자동차 정책 의 개선 과제 115 Ⅶ . 결론 118 참고 문헌 iv - 
 5 표 목 차 < 표 1 > 친환경 전기 자동차 의 역사 ( 1824 년 ~ 2005 년 ) 11 < 표 2 > 전기 자동차 의 종류 및 특징 17 < 표 3 > 모터 의 사용 정도 ( 전기 화 정도 ) 에 따른 전기 자동차 구분 20 < 표 4 > 휘발유 와 리튬 - 이온 배터리 사이 에 에너지 저장 밀도 의 차이 42 < 표 5 > 전기자동차 최고 속도 , 주행 거리 및 완 속 충전 시간 비교 46 < 표 6 > 전기 자동차 에 사용 되 는 주요 모터 비교 51 < 표 7 > SiC ( 탄화규소 ) 소자 의 장 단점 비교 55 < 표 8 > 가정용 , 완 속 ( 緩 速 ) 및 급속 ( 急 速 ) 충전기 비교 64 < 표 9 > 주요 국 의 충전기 커넥터 와 차량 측 소켓 형상 비교 65 < 표 10 > 휘발유 와 각 전지 사이 에 에너지 저장 밀도 의 차이 72 < 표 11 > 전지 업체 - 완성 차 업체 협력 현황 73 < 표 12 > 리튬 - 이온 전지 의 양극 물질 및 특징 78 < 표 13 > 리튬 - 이온 전지 의 음극 물질 및 특징 78 < 표 14 > 리튬 - 이온 전지 의 분리 막 및 특징 79 < 표 15 > 리튬 - 이온 전지 분야 의 특허분쟁 현황 79 < 표 16 > 리튬 - 이온 전지 분야 의 기술 이 전 현황 82 < 표 17 > 테슬라 생산 차량 비교 87 < 표 18 > 엘론 머스크 의 사업 분야 및 창업 한 회사 89 < 표 19 > 테슬라 슈퍼 충전기 의 주요 스펙 ( Spec ) 99 < 표 20 > 주요 국 의 전기 자동차 보급 계획 110 < 표 21 > 주요 국 의 전기 자동차 도입 촉진 정책 현황 111 < 표 22 > 전기자동차 핵심 부품 개발 을 위한 연구개발 로드맵 113 < 표 23 > 국내 친환경 전기 자동차 보조금 및 구매 혜택 v - 
 6 국외 훈련 개요 1 . 훈 련 국 : 미국 ( United States of America ) 2 . 훈련기 관명 : NKL Law Firm ( NKL 법률 사무소 ) 3 . 훈련 분야 : 특수 과학 기술 연구 분야 4 . 훈 련 기간 : 2015 년 10 월 19 일 ~ 2016 년 1 월 18 일 - vi - 
 7 훈련 기관 개요 훈련기 관명 및 주소 기관 명 : NKL Law Firm 주소 : 1604 SPRING HILL ROAD , SUITE 320 VIENNA , VA 훈련 기관 개요 NKL Law Firm 은 Washington DC 접경 ( 버지니아 주 VIENNA ) 에 위치 하 고 있 으며 , 9 명 의 특허 전문 변호사 와 1 명 의 특허 변리사 , 1 명 의 기술 전문가 로 구성 되 어 있 으며 , 특허 , 상표 , 디자인 등 출원 업무 를 담당 하 고 있 으며 , 특허 검색 을 통한 선행 기술 조사 , 기술 자문 취급 및 특허 , 디 자 인 , 저작 권 소송 등 각종 특허 소송 사건 취급 하 고 있 으며 , 국내 의 대 기업 인 삼성 등 의 사건 을 대행 하 고 있 다 . 미국 은 친환경 전기 자동차 법률 , 기술 및 생산 에서 가장 앞선 제도 및 최신 기술 을 보유 한 국가 이 며 , NKL Law Firm 미국 의 전기 / 전자 분야 특허 출원 및 소송 을 대행 하 는 특허 전문 로펌 으로 전기 자동차 분야 최신 특허 및 분쟁 에 대한 검색 을 수행 하 는데 가장 적합 한 기관 으로 최신 특허 및 판례 검색 을 위한 시스템 이 모두 갖추 어 져 있 기 에 전기 자동차 특허 분석 을 위한 자료 를 지원 할 수 있 는 기관 입 니 다 . - vii - 
 8 Ⅰ . 서론 1 . 연구 의 배경 과 목적 자동차 는 현대 사회 에 가장 중요 한 교통수단 이 라고 할 수 있 고 , 마치 현대 사회 에서 스마트 폰 ( Smart Phone ) 과 같이 생활 에 선택 이 아니 라 필수 적 인 물품 이 되 었 다 . 이러 한 자동차 는 인간 에게 편리 하 고 윤택 한 생활 을 제공 해 주 고 있 지만 , 공기 오염 및 지구 환경 파괴 에 가장 주된 원인 이 되 고 있 다 . 우리 나라 에서 자동차 산업 은 1990 년 대 이후 에 경제 성장 을 주도 한 제 조업 의 핵심 산업 으로서 , 지난 20 년 간 연평균 6 . 0 % 의 성장세 를 지속 하 고 있 으며 , 고용 , 생산 , 수출 등 국민 경제 에서 차지 하 는 비중 이 10 % 에 달하 는 국가 경쟁력 의 근간 이 되 고 있 다 1 ) . 전 세계 적 으로 자동차 산업 의 이슈 는 환경 , 안전 , 에너지 에 관한 것 으 로서 , 석유 자원 고갈 , 지구 온난화 등 유한 자원 과 환경 보호 라는 것 은 내연 기관 자동차 에서 친환경 전기 자동차 로 이행 중 이 다 . 친환경 전기 자동차 는 자동차 의 엔진 구조 가 기존 엔진 과 같 은 연소 로부터 에너지 를 얻 는 구조 가 아닌 전기 에너지 를 통해 구동 되 는 엔진 이 설치 된 자 동차 이 며 , 배기가스 나 환경 오염 이 없 으며 , 소음 도 작 다는 장점 을 가지 고 있 다 . 미국 은 2008 년 이후 에 전 세계 금융 위기 로 인하 여 2008 년 부터 2010 년 사이 에 미국 자동차 산업 은 생 ( 生 ) 과 사 ( 死 ) 를 오가 는 상황 을 맞 았 고 , 미국 의 3 대 자동차 제조 업체 2 ) 중 에서 적어도 두 업체 는 미국 정부 가 도움 의 손길 이 없 었 다면 , 그대로 파산 하 고 말 았 을 것 으로 평가 되 고 있 으며 , 미국 정부 는 자동차 제조 업체 들 을 상대 로 보다 연료 효율 성 이 뛰어난 차량 생산 을 독려 했 고 , 미국 에너지부 ( DOC ) 를 통해서 자동차 제조 업체 들 에게 친환경 전기 자동차 생산 과 연계 하 여 다양 한 대출금 과 보조금 지원 을 해 주 었 다 3 ) . 1 ) 김정욱 , 미국 자동차 산업 현황 및 전망 , 지식 경제 부 , 한국 산업 기술진 흥원 , pp . 6 . 2 ) 포드 , GM , 크라이슬러 3 ) 찰스 모리스 지음 , 엄 성수 옮김 , 테슬라 모터스 , 을유문화사 , pp . 36 ~ 
 9 또한 , 오바마 대통령 은 2011 년 연설 에서 2015 년 까지 최소 100 만 대 의 전기 자동차 가 도로 를 달리 게 하 는 것 이 목표 라고 발표 했으며 , 캘 리포 니아 주 대기 자연 위원회 ( CARB ) 는 2025 년 까지 신규 판매 차량 의 16 % 는 무공 해 자동차 여야 한다는 의무 생산 규정 을 발표 하 여서 미국 도 국가 적 으로 친환경 전기 자동차 산업 의 활성 화 를 추진 하 고 있 다 4 ) . 2003 년 부터 미국 실리콘 밸리 에서 일발 적 인 자동차 회사 와 상이 한 자 동차 회사 가 탄생 하 였 는데 , 기존 까지 전기 자동차 라면 , 연비 가 좋 다는 점 을 부각 하 기 위하 여 작 고 , 못 생기 고 , 느리 고 , 주행 거리 가 짧 다는 고 정 관념 이 있 었 지만 , 엘론 머스크 5 ) 의 테슬라 6 ) 자동차 는 기존 전기 자동 차 의 고정 관념 을 깨 고 , 2 차 전지 약 7000 개 를 사용 하 여 시속 km 를 내 는 후륜 구동 방식 과 영국 로터스 엘리스 세시 를 이용 한 고가 의 스포츠카 버전 ( 로드스터 ) 의 성공 을 발판 으로 중고 가 스포츠 세단 ( 모델 S ) , 일반인 을 위한 상용 자동차 세단 ( 모델 E ) , 중고 가 스포츠 SUV ( 모델 X ) 를 발표 함 을 통해서 세계 적 인 이목 을 집중 시키 고 있 는 중 이 다 7 ) . 국제 적 인 추세 에 발마 추어 , 우리 나라 의 산업 통상 부도 2015 년 에 전기자 동차 6000 대 보급 및 2017 년 에 4 만 6000 대 를 보급 할 예정 이 고 , 전기자 동차 보조금 지원 은 정부 로부터 1500 만 원 , 지방 자체 단체 로부터 300 ~ 500 만 원 을 지급 받 을 수 있 고 , 500 만 원 상당 의 완 속 충전기 지원 , 세금 면제 , 공용 주차장 요금 의 50 % 할인 등 의 본격 적 인 친환경 전기 자동차 도입 을 추진 하 고 있 다 8 ) . 본 연구 를 통하 여 친환경 전기 자동차 최신 기술 및 논문 을 연구 하 여 기술 발전 에 이바지 하 고 , 주요 기업 과 가장 기술 적 으로 앞서 가 는 기업 인 테슬라 社 의 특허 동향 조사 분석 통한 강한 특허 창출 과 친환경 전 4 ) 찰스 모리스 지음 , 엄 성수 옮김 , 테슬라 모터스 , 을유문화사 , pp . 37 ~ 39 . 5 ) 엘론 리브 머스크 ( Elon Reeve Musk : 1971 년 ~ 현재 ) : 남아프리카 공화국 의 프리토리아 에서 태생 , 전기 및 기계 엔지니어 인 아버지 에롤 머스크 ( Errol Musk ) 의 영향 으로 어릴 때 부터 , 컴퓨터 게임 및 프로그램 분야 에 집중 적 으로 관심 을 가지 게 되 었 고 , 캐나다 온 타리 로 에 위치 한 퀸 즈 대학교 에서 경영학 을 전공 하 다 . 미국 펜 실베 니아 대학 으로 편입 하 고 , 경제학 및 물리학 2 중 전공 으로 학사 를 마치 고 , 에너지 물리학 분야 의 박사 학위 를 취득 하 기 위하 여 1995 년 스탠퍼드 대학교 에 입학 하 였으나 , 창업 의 길 로 들어서 면서 , 집 투 코퍼레이션 ( Zip 2 Corporation ) , 온라인 은행 사업 인 엑스 닷컴 ( X . com ) 및 페이팔 ( Paypal ) , 민간 우주 사업 인 스페이스 X ( SpaceX ) 를 사업 하 였 고 , 2003 년 부터 100 % 전기 로 동작 하 는 자동차 회사 인 테슬라 자동차 사업 하 는 미국 의 사업가 이 자 발명가 6 ) 테슬라 자동차 는 전기 자동차 의 엔진 으로 사용 된 유도전동기 의 발명가 인 미국 의 니콜라 테스 라 의 이름 을 바탕 으로 테슬라 라는 이름 을 사용 하 였 다 . 7 ) Wikipedia 인터넷 사이트 , 테슬라 모터스 , 모터스 8 ) 한국 에너지 기사 , 2017 년 에 한국 전기차 시장 본궤도 , 
 10 기자 동차 생산 . 보급 및 활성 화 를 위한 법률 및 제도 연구 하 여 선진국 제도 등 도입 을 통하 여 한국 형 전기 자동차 제도 및 시설 도입 방 안 도출 을 목표 로 기술 하 고자 합니다 . 2 . 연구 범위 와 방법 본 연구 에서 는 먼저 i ) 전기 자동차 의 등장 , 최근 상용 화 되 고 있 는 전 기자 동차 의 세부 적 인 분류 , 전기 자동차 의 역사 , 전기 자동차 의 시장 동 향 , 전기 자동차 를 상용 화 하 는 데 장애 및 문제점 을 적시 할 것 이 며 , ii ) 현재 연구 되 고 있 는 전기 자동차 의 주요 부품 , 전기 자동차 의 구동 엔진 인 모터 및 모터 제어기 , 전기 자동차 용 인버터 / 컨버터 , 특히 에너지 절감 을 위한 회생 제동 장치 및 핵심 기술 인 전지 시스템 에 대하 여 살펴볼 것 이 다 . 그리고 친환경 전기 자동차 를 구동 시키 는 에너지 공급원 으로 , 친환경 전기 자동차 가 성공 하 는데 가장 핵심 적 인 요소 인 전기 자동차 용 배터리 개발 및 시장 동향 과 현재 전기 자동차 전지 로 사용 되 고 있 는 리튬 - 이온 ( Lithium - ion ) 전지 와 리튬 - 폴리머 ( Lithium - polymer ) 전지 를 살펴보 고 , 미래 의 자동차 전지 로 각광 받 고 있 는 리튬 - 공기 ( Lithium - air ) 전지 에 대하 여 최신 기술 과 특허 에 대하 여 살펴보 고자 한다 . 또한 , 친환경 전기 자동차 로 가장 성공 적 인 기업 을 만든 엘론 머스크 의 테슬라 자동차 에 대하 여 현지 를 방문 한 자료 를 정리 하 여 테슬라 社 의 역사 , 창업자 , 공장 , 매장 및 슈퍼 충전 소 에 대하 여 살펴보 고 , 테슬라 社 의 미래 기술 인 기 가 팩토리 및 하이퍼 루프 기술 과 테슬라 특허 공유 및 핵심 특허 동향 을 새롭 게 파악 하 고 , 친환경 전기 자동차 도입 을 위한 친환경 전기 자동차 촉진 및 환경 관련 법률 에 대하 여 기술 함 을 통하 여 한국 형 전기 자동차 제도 및 시설 도입 방안 을 결론 적 으로 도출 하 겠 다 
 11 Ⅱ . 친환경 전기 자동차 역사 와 발전 동향 1 . 전기 자동차 의 최초 발명 과 그 쇠퇴 ( 1824 년 ~ 1920 년 ) 1900 년 대 초 에 미국 에서 굴러다니 는 자동 의 약 38 % 가 전기 자동차 였 다 9 ) . 그만큼 전기 자동차 의 역사 는 오래 되 었 다고 할 수 있 을 것 이 다 . 또한 , 세계 적 인 발명왕 인 토마스 에디슨 ( Thomas Alva Edison ) 10 ) 도 전 기자 동차 및 전기철도 와 관련 하 여 총 48 건 의 특허 를 등록 은 받 았 고 , 특히 전기 자동차 의 에너지 독립 을 위하 여 에디슨 은 충 방전 이 가능 한 2 차 전지 11 ) 에 관하 여 총 135 건 의 특허 를 출원 및 실용 화 하 였 다 12 ) . 세계 최초 의 전기 자동차 는 1824 년 헝가리 의 발명가 앤 요스 제드 릭 ( Ányos Jedlik ) 13 ) 이 자신 이 발명 한 전기 모터 를 적용 하 여 전기 자동차 개 발 을 세계 최초 로 시도 하 였 다 . 그림 1 . 앤 요스 제드 릭 및 그 가 세계 최초 로 발명 한 전기 자동차 9 ) 찰스 모리스 지음 , 엄 성수 옮김 , 테슬라 모터스 , 을유문화사 , pp ) 토마스 에디슨 ( Thomas Alva Edison : 1847 년 ~ 1931 년 ) : 일 명 발명왕 이 라고 불리우 는 세계 적 인 미국 의 발명가 , 전구 를 세계 최초 로 발명 하 고 , 이 실험 중 에 발견 한 에디슨 효과 는 20 세기 들어와 열전자 현상 으로 발달 하 여 전자 공업 의 초석 을 마련 한 미국 의 과학자 , 평생 1093 개 의 특허 를 출원 하 였 고 , 잘 알 려 지 지 않 았 지만 , 전기 자동차 , 전기철도 및 2 차 전지 배터리 에 대해서 도 수많 은 연구 를 수행 하 였 다 . 11 ) 1 차 전지 는 방전 한 뒤 에 충전 을 통해서 본래 의 상태 로 되돌릴 수 없 는 전지 로서 , 대표 적 으로 건전지 , 알 라라인 전지 가 있 으며 , 세계 최초 로 이탈리아 과학자 볼 타 에 의해서 발명 되 었 다 . 2 차 전지 는 충전 과 방전 이 반복 적 으로 가능 한 전지 로서 , 대표 적 으로 납축전지 , 니켈 전지 , 리튬 전지 가 있 다 . 12 ) 토마스 에디슨 의 전기 자동차 및 배터리 에 관한 특허 는 필자 가 직접 조사 함 13 ) 앤 요스 제드 릭 ( Ányos Jedlik : 1800 년 ~ 1895 년 ) : 1800 년 대 초반 에 전기 모터 에 대하 여 집중 적 으로 연구 한 , 물리학자 , 엔지니어 및 발명가 이 며 , 자신 이 개발 한 모터 를 이용 하 여 세계 최초 의 전기 자동차 를 발명 한 헝가리 의 발명가 - 4 - 
 12 이후 1830 년 대 스코트 랜드 에서 전기 자동차 및 전기철도 를 개발 하 기 위하 여 초창기 연구 가 시도 되 었 고 , 전기자동차 는 1834 년 로버트 앤 더 슨 ( Robert Anderson ) 14 ) 이 개발 하 였 고 , 전기철도 는 1837 년 로버트 데이 비슨 ( Robert Davidson ) 15 ) 이 배터리 를 사용 하 여 개발 하 였 다 . 하지만 , 앤 요스 제드 릭 ( Ányos Jedlik ) , 로버트 앤더슨 ( Robert Anderson ) 및 로버트 데이비슨 ( Robert Davidson ) 의 발명 은 실용화 에 는 부족 한 점 이 많 았 으 며 , 1800 년 대 중반 이후 에 다양 한 발명가 가 전기 자동차 개발 에 뛰어들 었 다 . 실질 적 으로 전기 자동차 상용 화 를 추구 한 발명가 는 영국 의 토마 스 파커 ( Thomas Parker ) 16 ) 및 미국 의 알버트 포프 ( Albert A . Pope ) 17 ) 이 며 , 이 들 이 그림 2 및 그림 3 의 전기 자동차 를 개발 하 였 고 각각 유럽 과 미국 에서 상용 화 를 위하 여 노력 하 였 다 . 토마스 에디슨 은 토마스 파커 ( Thomas Parker ) 및 알버트 포프 ( Albert A . Pope ) 보다 늦 게 전기철도 및 전기 자동차 분야 에 뛰 어 들 었 다 . 하 지 만 , 전구 의 조도 ( 照 度 ) 제 어 및 발전기 의 속도 제어 는 에디슨 이 전기 기기 속도 제어 기술 을 바탕 으로 전기철도 및 전기 자동차 기술 개발 에 전 세 계 에 그 누구 보다 가장 많 은 총 48 건 의 특허 기술 을 개발 하 였 다 . 그림 2 . 토마스 파커 및 그 가 개발 한 전기 자동차 ( 1884 년 ) 14 ) 로버트 앤더슨 ( Robert Anderson : 생애 에 대해 정확히 모름 ) : 19 세기 배터리 를 사용 하 여 최초 로 전기자 동차 를 연구 한 스코트 랜드 발명가 15 ) 로버트 데이비슨 ( Robert Davidson : 1804 년 ~ 1894 년 ) : 배터리 를 사용 하 여 최초 로 전기철도 를 연구 한 스 코트 랜드 발명가 16 ) 토마스 파커 ( Thomas Parker : 1843 년 ~ 1915 년 ) : 자동차 분야 기술자 로서 엘 웰 - 파커 ( Elwell - Parker ) 社 를 공동 으로 창업 하 여 , 납 축전기 및 모터 를 이용 하 여 전기 자동차 를 상용 화 하 는 영국 의 발명가 17 ) 알버트 포프 ( Albert A . Pope : 1843 년 ~ 1909 년 ) : 군인 출신 으로 콜롬비아 ( Columbia ) 社 를 창업 하 여 , 자 전 거 생산 을 시작 으로 전기 자동차 를 실용화 를 추진 했으며 , 가솔린 자동차 등 을 생산 및 판매 한 미국 의 발명 가이 자 사업가 - 5 - 
 13 그림 3 . 알버트 포프 및 그 가 개발 한 전기 자동차 ( 1899 년 ) 토마스 에디슨 이 자신 이 가장 완숙 한 발명 을 수행 할 수 있 던 36 세부 터 86 세 까지 , 즉 30 대 중반 부터 평생 동안 전기 자동차 및 전기철도 기 술 개발 보다 더욱 집중 ( 集 中 ) 한 것 은 발전소 와 전력 배선 으로부터 완전 히 자유 로운 전기 에너지 의 독립 ( 獨 立 ) 이 다 . 즉 , 토마스 에디슨 은 충 방전 이 가능 한 2 차 전지 18 ) 에 관하 여 총 135 건 의 특허 를 출원 및 실용 화 하 였 다 19 ) . 토마스 에디슨 의 특허 를 검토 하 면서 , 감탄 하 는 점 은 지금 도 마찬가지 이 지만 , 전기 자동차 의 성공 의 핵심 은 에너지 밀도 가 높 은 배터리 20 ) 라 는 것 을 100 년 전 에 에디슨 도 너무나 잘 알 고 있 었 다는 것 이 다 . 전기 자동차 와 배터리 에 대해서 토마스 에디슨 이 라는 존재 에 대해서 많 은 사람 은 정말 잘 모르 는 것 같 다 . 아니 전기 공학 분야 를 전공 한 나 조차 이 보고서 를 위해서 특허 검토 를 하 기 까지 잘 몰랐 는데 , 아마도 전문가 정도 의 지식 을 가진 극소수 를 제외 하 고 , 전기 자동차 와 배터리 분야 에 서 토마스 에디슨 이 라는 이름 조차 극히 생소 할 것 으로 생각 된다 . 토마스 에디슨 을 전기 자동차 와 배터리 분야 에서 다시금 평가 해 보 면 , 전기 자동차 및 전기 철도 에 총 48 건 의 특허 를 발명 하 여 세계 에서 가장 많 은 연구 를 수행 한 발명가 이 다 그리고 , 전기 에너지 독립 을 위한 충 18 ) 1 차 전지 는 방전 한 뒤 에 충전 을 통해서 본래 의 상태 로 되돌릴 수 없 는 전지 로서 , 대표 적 으로 건전지 , 알 라라인 전지 가 있 으며 , 세계 최초 로 이탈리아 과학자 볼 타 에 의해서 발명 되 었 다 . 2 차 전지 는 충전 과 방전 이 반복 적 으로 가능 한 전지 로서 , 대표 적 으로 납축전지 , 니켈 전지 , 리튬 전지 가 있 다 . 19 ) 토마스 에디슨 의 전기 자동차 및 배터리 에 관한 특허 는 필자 가 직접 조사 함 20 ) 우리 나라 기업 인 삼성 SDI , LG 화학 , SK 이노베이션 은 2 차 전지 배터리 개발 에 박차 를 가하 고 있 으며 , 리튬 이온 배터리 분야 에서 세계 최고 양산 시스템 을 가지 고 있 으며 , 국가 발전 에 기여 하 고 있 다 
 14 발전 이 가능 한 2 차 전지 배터리 에 총 135 건 의 특허 를 발명 하 여 , 역시 2 차 전지 배터리 에서 세계 에서 가장 많 은 특허 를 출원 한 발명가 이 며 , 현 재 가장 앞서 가 는 배터리 재료 인 니켈 , 리튬 을 가장 먼저 사용 한 과학 자 이 며 , 지금 의 전기 자동차 의 초석 을 다진 발명가 라고 평가 할 수 있 을 것 이 다 . 이렇게 토마스 에디슨 이 전기 자동차 , 전기철도 및 2 차 전지 배터리 분야 에 대해 주옥 ( 珠 玉 ) 같 은 발명 을 하 였 지만 , 이 점 에 대하 여 별로 부각 되 지 못한 이유 를 간단 하 게 이야기 하 면 , 미국 의 석유 왕 인 록펠러 ( John Rockefeller ) 21 ) 와 자동차 왕 인 핸리 포드 ( Henry Ford ) 22 ) 때문 으 로 생각 된다 . 그림 4 . 석유 왕 록펠러 ( 좌측 ) 와 자동차 왕 핸리 포드 ( 우측 ) 전기자동차 는 가솔린 자동차 보다 먼저 발명 되 었 고 , 1920 년 까지 전기자 동차 와 가솔린 자동차 는 공존 및 경쟁 관계 에 있 었 다 . 하지만 , 1908 년 자동차 왕 인 핸리 포드 가 개발 하 여 상용 화 한 모델 T 와 1920 년 석유 왕 인 록펠러 가 텍사스 원유 발견 및 석유 산업 개발 로 인하 여 , 가솔린 자 동차 는 혁신 적 으로 평균 500 달러 ~ 1000 달러 가격 하락 이 되 었 다 . 이 로 인하 여 자동차 라는 이름 은 휘발유 및 경유 자동차 가 대명사 가 되 었 고 , 전기 모터 와 배터리 로 구동 하 는 전기 자동차 는 그 이름 이 1920 년 대 부터 21 ) 록펠러 ( John Davison Rockefeller : 1839 년 ~ 1937 년 ) : 미국 오하이오 스탠더드 석유 회사 를 설립 하 여 , 1900 년 대 초반 에 는 미국 정유소 의 95 % 를 지배 한 미국 의 석유 사업가 이 자 석유 왕 으로 통함 22 ) 핸리 포드 ( Henry Ford : 1863 년 ~ 1947 년 ) : 에디슨 의 컨베이어 밸 트 발명 으로부터 영감 을 받 아서 자동차 분야 의 혁신 적 인 조립 라인 인 포드 시스템 을 확립 하 였 고 , 미국 자동차 대표 기업 인 포드 사 를 설립 한 자동 차 기업가 , 발명가 이 자 자동차 왕 으로 통함 - 7 - 
 15 지금 까지 약 100 년 동안 은 사라지 게 되 었 고 , 지금 도 전기 자동차 는 자 동차 분야 에서 는 아직 까지 어색 한 이름 이 라고 할 수 있 을 것 이 다 . 그림 5 . 핸드 포드 가 상용 화 한 휘발유 자동차 모델 T ( Model T ) 2 . GM 社 의 혁신 과 실패 ( 1996 년 ~ 2005 년 ) 1990 년 대 미국 캘리포니아 주 정부 는 자동차 회사 는 전체 자동차 회 사 가 캘리포니아 주 에서 자동차 판매 의 10 % 정도 는 배기가스 가 전혀 나오 지 않 는 자동차 를 판매 하 여야 한다는 배기가스 제로 법 ( ZEV : Zero Emission Vehicle ) 을 제정 하 였 다 23 ) . 캘리포니아 주 의 배기가스 제로 법 은 1990 년 세계 적 인 미국 의 자 동차 기업 인 GM ( General Motors ) 社 24 ) 가 전기 자동차 EV 1 을 LA 모터쇼 에 선보이 는 개기 를 마련 하 였 고 , 1996 년 GM 社 는 배기가스 및 소음 이 전혀 없 으며 , 시속 130 km ( 최고 속도 150 km ) 로 주행 이 가능 한 전기 자동 23 ) Louise Wells Bedsworth and Margaret R . Taylor , Learning from California s Zero - Emission Vehicle Program , CEP ( California Economic Policy ) , Vol . 3 , Num , 4 , ) GM ( General Motors ) 社 : 1904 년 윌리엄 듀랜트 ( William Durant ) 가 뷰익 ( Buick ) 社 의 지분 을 사 들여서 1908 년 9 월 에 GM 社 를 설립 하 였 고 , 지속 적 으로 성장 하 여 현재 는 미국 의 3 대 자동차 회사 로 등극 하 였 다 . GM 社 는 뷰익 ( Buick ) , 캐딜락 ( Cadillac ) , 쉐보레 ( Chevrolet ) , GMC , 오펠 ( Opel ) , 복스 홀 ( Vauxhall ) 및 홀덴 ( Holden ) 등 미국 을 대표 하 는 자동차 브랜드 를 만들 어 냈 어며 , 2011 년 대한민국 의 대우 자동차 를 인수 하 여서 쉐보레 ( Chevrolet ) 라는 브랜드 를 주력 으로 사용 하 고 있 으며 , 1996 년 전기 자동차 를 부활 시켰 지만 , 상당 한 실패 를 하 였 던 자동차 기업 - 8 - 
 16 차 를 양산 하 였 다 . GM 社 의 전기 자동차 EV 1 은 1996 년 부터 2000 년 까지 800 대 의 전기 자동차 EV 1 을 소비자 에게 대여 하 여 큰 호응 을 얻 었 다 25 ) . GM 社 가 개발 한 EV 1 은 2 인승 전륜 ( 前 輪 ) 규동 방식 으로 , 전기 콘센트 가 있 는 어느 곳 이 면 충전 이 가능 하 고 , 플러그 를 꽂 은 뒤 4 시간 이 면 완전 충전 이 가능 하 다 . 무게 를 가볍 게 하 기 위하 여 알루미늄 프레임 에 복합 소재 를 사용 하 여 가볍 게 하 였으며 , 차고 벽 에 설치 된 소형 액자 크기 의 충전기 를 사용 하 여 한 번 충전 에 110 ~ 130 km ( 최대 160 km ) 의 주행 이 가능 한 것 이 특징 으로 한다 . 그림 6 . GM 社 의 전기 자동차 EV 1 및 충전 모습 GM 社 는 EV 1 개발 을 위하 여 15 억 달러 ( 한화 로 약 1 조 5 천억 원 ) 이상 을 투자 하 였으며 , 저렴 한 충전 비용 덕분 에 EV 1 은 신청자 가 증가 하 였 고 , 25 ) Wikipedia 인터넷 사이트 , Who Killed the Electric Car , ectric _ car % 3 f - 9 - 
 17 기존 의 휘발유 자동차 업체 는 위협 을 받 기 시작 하 였 다 . 전기 자동차 는 화석 연료 즉 , 석유 를 사용 하 는 내연 기관 이 아닌 전기 모터 로 주행 하 기 에 엔진오일 과 오일 필터 등 이 필요 하 지 않 으므로 정유 업체 를 포함 하 는 자동차 정비 및 부품 업체 에 큰 위협 으로 다가왔 다 . 급기야 메이저 석유 회사 및 자동차 업체 는 GM 社 의 전기 자동차 EV 1 의 인기 에 위기 의식 을 느끼 고 " 전기 자동차 의 전지 에 문제 가 많 고 비싸 다 라는 문제점 을 언론 에 퍼트리 고 로비 를 통하 여 캘리포니아 주 정부 를 압박 하 여 공청회 를 가진 뒤 2003 년 배기가스 제로 법 을 철배 하 였 다 . GM 社 배기가스 제로 법 이 사라지 자 전기 자동차 EV 1 의 생산 라 인 을 철수 하 고 직원 을 해고 하 였으며 , 마지막 으로 남 은 78 대 의 EV 1 , 을 2005 년 사 막 한 가운데 서 조용 하 게 폐차 하 였 다 26 ) . 소니 픽처스 社 가 2006 년 에 제작 한 누가 전기 자동차 를 죽였 나 ( Who Killed the electric car ) 란 다큐멘터리 에서 는 GM 社 의 전기 자동차 EV 1 을 리스 ( lease ) 하 여 운전 한 다수 의 EV 1 사용자 들 의 인터뷰 를 통해 서 이렇게 혁신 적 인 전기 자동차 가 갑자기 사라진 것 에 대하 여 아쉬움 에 대하 여 나타냈으며 , 미국 중동 유럽 등 석유 회사 들 의 석유 판매 에 따른 세금 문제 가 복잡 하 게 얽혀 있 으며 , 기존 의 메이저 자동차 회 사 가 내연 기관 자동차 의 생산 을 중단 하 면 수익 성 이 나빠질 것 이 란 우 려 가 작용 하 였음을 나타내 고 있 다 . 그림 7 . 소니 픽처스 社 의 포스터 및 GM 社 EV 1 폐차 모습 26 ) 정용욱 외 공저 , 전기 자동차 2 판 , GS 인터 비전 , pp . 38 ~ 
 18 이 다큐멘터리 에서 미국 의 역대 대통령 인 카터 , 레이건 , 클린턴 등 이 중동 의 석유 중독 을 끊 겠 다는 공헌 을 했으나 , 메이저 석유 회사 및 자 동차 회사 의 로비 , 메이저 석유 회사 및 자동차 회사 에 굴복 한 미국 정 부 , 큰 차 를 좋아하 는 미국 소비자 의 성향 이 GM 社 의 전기 자동차 EV 1 을 결국 죽였 다는 내용 을 담 고 있 으며 , 역사 에서 조용히 사라지 는 최 후 를 맞이 하 였 다 27 ) . 3 . 전기 자동차 역사 전기 자동차 의 주요 역사 를 간단 하 게 정리 하 면 다음 의 표 1 과 같 다 . 표 1 . 친환경 전기 자동차 의 역사 ( 1824 년 ~ 2005 년 ) 28 ) 년 도 개발자 주요 내용 1824 년 앤 요스 제드 릭 ( 헝가리 ) 세계 최초 전기 모터 를 이용 한 전기 자동차 를 발명 1830 년 로버트 앤더슨 ( 스코트 랜드 ) 최초 의 전기 자동차 의 원형 설계 최초 의 원유 전기 마차 발명 1835 년 그로닝겐 스 트 라틴 ( 네덜란드 ) 1835 년 크리스트 파 벡 카 ( 네덜란드 ) 소형 의 전기 자동차 설계 최초 의 전기 자동차 제작 27 ) Youtube 인터넷 사이트 , " Who Killed the Electric Car ? report ", 5 IT 8 hadyk 28 ) 정용욱 외 공저 , 전기 자동차 2 판 , GS 인터 비전 , pp . 47 ~ 50 참조 하 여 업데이트 함 
 19 년 도 개발자 / 기업 / 기관 주요 내용 1842 년 토마스 다벤포트 ( 미국 ) 로버트 데이빗 ( 스코틀랜드 ) 최초 의 실생활 이용 가능 한 전기 자동차 제작 재충전 할 수 없 는 타입 의 전지 사용 1873 년 R . 데비슨 ( 영국 ) 전기 자동차 를 실용 화 함 1881 년 카 미르 파 우레 ( 프랑스 ) 구스타프 트루 베 ( 프랑스 ) 재충전 용 축전지 를 개량 하 여 전기 자동차 에 적용 국제 전기 박람회 ( 파리 ) 에서 삼륜 전기 자동차 를 전시 1884 년 토마스 파커 ( 영국 ) 마차 를 연상 시키 는 전기 자동차 를 개발 1895 년 A . L . 라이카 ( 미국 ) 삼륜 전기 차 를 만 듬 ( 최고 시속 32 km 에 불과 ) 1897 년 필라델피아 전기자동차 ( 미국 ) 최초 로 미국 서 상업 용 전기 자동차 판매 ( 최고 시속 22 km , 주행 거리 29 km ) 뉴욕 서 전기자동차 택시 에 채용 1899 년 까뮈 제 나티 ( 벨기에 ) 유선형 전기자동차 로 시속 105 km 달성 1899 년 알버트 포프 ( 미국 ) 미국 서 전기 자동차 를 상용 화 하 여 판매 1900 년 ~ 1920 년 우드 社 , 디트로이트 社 , 콜 림 비아 社 , 에디슨 ( 미국 ) 등 디트로이트 社 전기 자동차 ( 1915 년 ) 및 충전기 다양 한 전기 자동차 모델 의 상용 화 및 2 차 전지 배터리 기술 개발 
 20 년 도 개발자 / 기업 / 기관 주요 내용 1920 년 오하이오 스탠더드 社 ( 미국 ) 포드 社 ( 미국 ) 미국 텍사스 의 원유 발견 으로 휘발유 가격 하락 내연 기관 자동차 의 생산 기술 ( 포드 시스템 ) 발달 로 휘발유 자동차 가 자동차 시장 이 대세 이후 에 전기 자동차 는 비싼 가격 , 주행 거리 의 한계 , 충전 시간 이 필요 하 기 에 전기 자동차 가 사라짐 1930 년 ~ 1990 년 전기 자동차 공백기 1990 년 캘 리니아 주 ( 미국 ) 환경 오염 의 대책 으로 캘리포니아주 는 배기가스 제로 법 ( ZEV ) 을 도입 하 는 정책 을 법제 화 함 1990 년 GM 社 ( 미국 ) LA 모터쇼 에서 전기자동차 EV 1 을 전시 1996 년 GM 社 ( 미국 ) 2 인승 전기 자동차 EV 1 의 상용 화 , 최고 속도 150 km , 주행 거리 160 km , 충전 시간 4 시간 2003 년 캘 리니아 주 ( 미국 ) 글로벌 석유 및 자동차 회사 가 GM 社 의 전기 자동차 의 배터리 가 문제 많 다는 언론 조장 과 로비 를 통해 배기가스 제로 법 ( ZEV ) 을 철폐 2005 년 GM 社 ( 미국 ) 배기가스 제로 법 ( ZEV ) 이 사라지 자 EV 1 의 생산 라인 을 폐쇄 , 관련 직원 을 해고 하 고 , EV 1 을 폐차 함 
 21 4 . 전기 자동차 의 기술 개발 현황 전기 자동차 에 대하 여 다양 한 기술 개발 이 진행 되 어 왔으며 , 동력원 의 전기 화 ( 電 氣 化 ) 정도 에 따라서 전기 자동차 를 구분 하 면 다음 과 같이 정 리 할 수 있 다 29 ) . 1 ) 하이브리드 전기 자동차 ( HEV : Hybrid Electric Vehicle ) 두 종류 이상 의 동력원 을 함께 이용 하 는 전기 자동차 를 말 하 며 , 통상 의 휘발유 ( 또는 디젤 ) 엔진 과 전기 모터 를 함께 사용 하 는 차 를 지칭 하 며 , 연료 가 많이 이용 되 는 순간 휘발유 엔진 대신 전기 모터 를 작 동 시킴 으로써 연료 사용 을 저감 하 고 , 배기가스 배출 도 줄이 는 전기 자동차 그림 8 . 하이브리드 의 정의 및 작동 개요 그림 9 . 하이브리드 전기 자동차 [ C 2 ( Citroen ) , 시빅 ( 혼다 ) , 프리우스 ( 도요다 ) ] 29 ) 정용욱 외 공저 , 전기 자동차 2 판 , GS 인터 비전 , pp 
 22 2 ) 플러그인 하이브리드 전기 자동차 ( PHEV : Plug - in Hybrid Electric Vehicle ) 가정 용 전기 를 이용 하 여 전기 자동차 의 배터리 에 충전 할 수 있 는 하 이 브리드 전기 자동차 를 지칭 하 며 , 배터리 의 완전 충전 을 통하 여 50 ~ 60 km 의 거리 를 전기 로 만 주행 가능 한 전기 자동차 그림 10 . 플러그인 하이브리드 전기 자동차 [ Volt ( GM ) ] 3 ) 배터리 전기 자동차 ( BEV : Battery Electric Vehicle ) 내연 기관 엔진 은 없 으며 , 순수 하 게 전기 모터 의 회전력 으로 만 달리 는 전기 자동차 를 의미 하 며 , 필요 한 전기 는 100 % 충전 을 통해서 얻 으며 , 대기 오염 도 전혀 없 는 가장 친환경 적 인 전기 자동차 이 다 . 그림 11 . 배터리 전기 자동차 [ 모델 S ( 테슬라 ) , Leaf ( 닛산 ) ] 
 23 다만 , 전기 자동차 의 배터리 충전 전력 밀도 가 휘발유 ( 또는 경유 ) 의 에너지 밀도 와 비교 하 여 상당히 떨어지 기 때문 에 장거리 운전 에 한 계 , 충전 시간 단축 이 개선 되 어야 할 것 이 다 . 4 ) 연료전지 전기자동차 ( FCEV : Fuel Cell Electric Vehicle ) 배터리 전기 자동차 와 마찬가지 로 순수 하 게 전기 모터 의 회전력 으로 만 주행 하 며 , 전기 모터 에 공급 되 는 전기 를 연료전지 ( Fuel Cell ) 로부 터 공급 받 는 것 을 특징 으로 한다 . 연료전지 란 수소 ( H 2 ) 와 산소 ( O ) 를 반응 시켜 전기 를 생산 하 는 장치 로서 , 배기가스 가 전혀 없 고 , 물 ( H 2 O ) 만 배출 되 는 친환경 전기 자동차 이 다 . 다만 , 수소 의 대량 생산 및 차 량 내 에 수소 의 저장 등 이 장애 요인 으로 개술 개발 이 필요 하 다 . 그림 12 . 연료전지 전기자동차 [ Equinox ( GM ) , FCHV - avd ( 도요다 ) ] 4 가지 대표 적 인 HEV , PHEV , BEV 및 FCEV 전기 자동차 의 특징 을 정 리 하 면 , 다음 의 표 2 와 같이 정리 할 수 있 다 . 하이브리드 전기 자동차 ( HEV ) 는 기존 의 내연 기관 자동차 에서 100 % 완 전 한 전기 자동차 로 이행 하 는 중간 적 ( 中 間 的 ) 인 자동차 라고 할 수 있 다 . 따라서 하이브리드 전기 자동차 ( HEV ) 는 현재 대부분 의 자동차 회사 가 집중 적 으로 연구 개발 하 고 있 으며 , 모터 의 사용 정도 ( 전기 화 정도 ) 에 따 라서 1 Micro ( Mild ) HEV 2 Soft ( Power Assist ) HEV 3 Hard ( Full ) HEV 로 구분 할 수 있 으며 , 내연 기관 엔진 과 모터 의 연결 방식 에 따라서 1 직렬 형 ( Series ) 2 병렬 형 ( Parallel ) 3 직 병렬 형 ( Series / Parallel ) 으로 구분 할 수 있 다 
 24 표 2 . 전기 자동차 의 종류 및 특징 30 ) 구 분 HEV PHEV BEV FCEV 동력계 구 조 구 동원 엔진 + 모터 모터 엔진 ( 방 전시 ) 모터 모터 에너지원 휘발유 / 경유 전기 전기 휘발유 / 경유 ( 방 전시 ) 전기 수소 특 징 구 동시 내연 기관 / 모터 를 적절히 작동 시켜 연비 향상 별도 의 인프라 필 요 없음 배터리 전용 주행 5 km 정도 단거리 주행 시 전기 모터 로 주행 장거리 주행 시 내연 기관 사용 HEV 대비 배터리 용량 증대 , 주행 거리 60 km 정도 완전 한 친환경 전 기자 동차 근거리 인 150 km 내외 만 주행 가능 완전 한 친환경 전 기자 동차 수소 / 산소 반응 으 로 전기 를 생산 하 여 동력원 으로 사용 수소 탱크 , 스택 등 장착 이 필요 구매 비용 다소 고 가 다소 고가 고가 초고 가 운영 비용 다소 저 비용 다소 저 비용 저 비용 고비 용 운전 편의 내연 기관 과 동일 전기 충전 필요 전기 충전 필요 수소 충전 필요 주요 차량 C 2 ( Citroen ) 시빅 ( 혼다 ) 프리우스 ( 도요다 ) 아 반데 LPI ( 현대 ) Volt ( GM ) F 3 DM ( BYD ) Karma ( Fisker ) 모델 S , E , X ( 테슬라 ) Leaf ( 닛산 ) i - miev ( 미쓰 비시 ) ZOE ( 르노 ) 투 산 ( 현대 ) Equinox ( GM ) B - class ( 다임러 ) FCHV - avd ( 도요다 ) Micro ( Mild ) HEV , Soft ( Power Assist ) HEV 및 Hard ( Full ) HEV 에 대하 여 구체 적 으로 언급 하 면 다음 과 같 다 31 ) . 1 Micro ( Mild ) HEV ( 마이크 로 하이브리드 전기 자동차 ) Micro HEV 는 공회 전시 시동 이 자동 으로 꺼지 고 출발 시 엑셀 레이터 를 밟 으면 , 시동 이 켜 지 는 ( idle stop & go system ) 방식 의 차량 으로 전 기 모터 는 보조 역할 만 하 는 차량 을 의미 한다 . 기존 의 내연 기관 에 부착 하 거나 제약 조건 이 많 은 소형 차량 에 적합 한 방식 으로 이산 환 탄소 30 ) 송민규 , 리튬 이온 전지 소재 기술 동향 분석 및 전망 , KDB 산업은행 보고서 및 정용욱 외 공저 , 전기 자동 차 2 판 , GS 인터 비전 , pp . 56 참조 하 여 업데이트 함 31 ) 정용욱 외 공저 , 전기 자동차 2 판 , GS 인터 비전 , pp . 62 ~ 65 참조 하 여 업데이트 함 
 25 ( CO 2 ) 감소 율 이 5 ~ 10 % 정도 의 하이브리드 전기 자동차 이 다 . 그림 13 . Citroen C 2 ( Micro HEV ) 2 Soft ( Power Assist ) HEV ( 소프트 하이브리드 전기 자동차 ) Soft HEV 의 경우 Micro HEV 방식 보다 는 모터 의 보조 역할 이 더 크 다 . 대부분 의 병렬 방식 의 Soft 타입 으로 현대 자동차 의 아반떼 LPI 하이브 리드 및 혼다 자동차 의 시빅 하이브리드 와 같이 엔진 + 전기 모터 + 변 속기 ( CVT : Continuously Variable Transmission ) 로 구성 되 어 있 다 . 이 경우 엔진 과 변속기 사이 에 모터 가 삽입 되 어 있 으며 , 모터 가 엔진 의 동력 보조 역할 을 수행 하 게 된다 . 전기 모터 단독 으로 차 를 움직일 수 있 지만 , 모터 는 단지 추진 의 보조 역할 을 하 며 , Soft HEV 는 전기 적 인 비중 이 적 어 가격 이 저렴 한 장점 이 있 지만 , 순수 전기 모드 구현 이 불 가능 하 여 배기가스 저감 및 연비 개선 에서 상대 적 으로 불리 하 게 된다 . Soft HEV 는 시동 이나 가속 순간 에 만 전기 모터 가 엔진 을 보조 하 고 정속 주행 시 는 일반 자동차 와 동일 한 엔진 으로 만 구동 하 는 타입 이 기에 Hard HEV 에 비교 하 여 연비 가 나쁜 것 이 다 . 그림 14 . 혼다 시빅 ( Soft HEV ) 
 26 3 Hard ( Full ) HEV ( 하드 하이브리드 전기 자동차 ) Hard HEV 의 경우 전기 모터 가 출발 과 가속 시 에 만 역할 을 하 는 것 이 상 으로 주시 에 도 전기 모터 가 사용 되 는 방식 이 다 . 내연 기관 과 전기 모터 의 배치 에 따라서 직렬 형 또는 직 병렬 형 ( 혼합형 ) 으로 구분 되 며 , 도요 다의 프리우스 가 대표 적 으로 이 방식 에 속하 는 전기 자동차 모델 이 다 . 그림 15 . 도요다 프리우스 ( Hard HEV ) Hard HEV 는 엔진 이 전기 모터 2 개 를 가지 고 있 으며 , 변속기 ( CVT : Continuously Variable Transmission ) 로 구성 된 하이브리드 시스템 으로 , 엔진 , 모터 , 발전기 의 동력 을 분할 / 통합 하 는 기구 인 유성 기어 를 채택 하 여 효율 적 으로 동력 을 배분 하 며 , 전기 모터 2 개 가 유기 적 으로 작동 하 여 동력 보조 역할 도 수행 하 기 에 순수 한 전기 자동차 로 구동 도 가능 하 다 . Hard HEV 는 2 개 이상 의 모터 제어 가 필수 적 이 며 , 대용량 축전지 가 필 요하 여 Soft HEV 와 비교 하 여 전용 부품 이 1 . 5 ~ 2 배 이상 고가 인 단점 이 있 지만 , 회생 제동 효율 이 우수 하 고 연비 가 좋 은 장점 도 가지 고 있 다 . 기존 의 Hard HEV 에 대용량 축전지 를 추가 하 고 집 에서 축전지 를 충전 하 면 , 연료 를 보다 적 게 소비 하 며 멀리 주행 하 게 되 는데 이러 한 자동차 를 플러그인 하이브리드 전기 자동차 ( PHEV ) 라고 한다 . 하이브리드 전기자 동차 ( HEV ) 의 종류별 연료 효과 및 이산화 탄소 ( CO 2 ) 감소 율 에 대해서 는 그림 16 과 같이 정의 할 수 있 으며 , 모터 의 사용 정도 ( 전기 화 정도 ) 에 따 른 전기 자동차 를 구분 하 면 , 표 3 과 같 다 
 27 Micro HEV < Soft HEV < Hard HEV < PHEV < BEV 그림 16 . HEV 의 종류별 연료 효과 및 이산화 탄소 감소 율 표 3 . 모터 의 사용 정도 ( 전기 화 정도 ) 에 따른 전기 자동차 구분 32 ) 구 분 특 징 비 고 Micro HEV 공회 전시 엔진 이 정지 모터 는 보조 역할 만 하 는 단순 시스템 엔진 + 모터 ( 보조 미비 ) HEV Soft HEV 기존 엔진 에 모터 로 보조 전기 주행 모드 가 없 음 시동 이나 가속 순간 에 만 모터 가 엔진 을 보조 엔진 ( 주 ) + 모터 ( 보조 ) Hard HEV 전기 모터 가 출발 과 가속 시 를 포함 하 여 주행 시 에 도 주된 역할 하이브리드 자동차 의 주류 로 성장 예정 엔진 ( 주 ) + 모터 ( 보조 ) PHEV 기본 적 으로 전기 모터 로 움직이 지만 , 배 터 리 범위 를 넘어서 는 거리 는 엔진 을 이용 해 발전기 를 돌리 는 방식 모터 ( 주 ) + 엔진 ( 베터 리 충전 ) BEV 순수 전기 로 만 움직이 는 자동차 모터 ( 베 터리 ) FCEV 연료전지 를 통해 얻 어 지 는 전기 를 이용 하 여 움직이 는 자동차 모터 ( 연료전지 ) 32 ) 정용욱 외 공저 , 전기 자동차 2 판 , GS 인터 비전 , pp 
 28 또한 , 내연 기관 엔진 과 모터 의 연결 방식 에 따라서 1 직렬 형 ( Series ) 2 병렬 형 ( Parallel ) 3 직 병렬 형 ( Series / Parallel ) 으로 구분 하 여 정리 하 면 , 다음 과 같 다 33 ) . 1 직렬 형 ( Series , 直 列 形 ) HEV 직렬 형 은 엔진 이 발전기 를 돌리 고 , 발전 의 전기 를 이용 하 여 모터 가 회 전하 는 방식 이 며 , 엔진 이 구동축 에 연지 않 고 , 엔진 과 발전기 가 직접 연결 되 어 있 으므로 직렬 형 ( Series ) 이 라고 부른다 . 태양열 또는 태양광 자동차 에 사용 되 며 , 내연 기관 보다 엔진 이 더 효율 적 이 다 . 다만 , 직렬 형 HEV 상용 화 의 최대 핵심 은 전기 의 힘 으로 만 기계 적 인 추진력 을 얻 어 야하 기 때문 에 대용량 축전지 가 필요 하 며 , 하이브리드 트럭 이나 버스 와 같이 중량 이나 면적 에서 제약 조건 이 적 은 타입 이 유리 하 다 . 그림 17 . 직렬 형 하이브리드 전기 자동차 그림 17 은 앞바퀴 구동 방식 의 직렬 형 하이브리드 전기 자동차 의 구성 을 나타낸 것 으로 앞바퀴 사이 에 변속기 가 있 고 , 모터 는 이 변속기 를 통해 동력 을 바퀴 에 전달 하 는 방식 이 다 . 모터 에 공급 하 는 전기 를 저장 하 는 배터리 가 달려 있 으며 , 직렬 형 에 사용 되 는 엔진 은 바퀴 를 돌리 기 위한 것 이 아니 라 축전지 를 충전 하 기 위한 것 으로서 엔지 에 는 발전기 가 연결 되 어 있 고 , 이 발전기 에서 발생 되 는 전기 를 축전지 에 저장 하 는 33 ) 정용욱 외 공저 , 전기 자동차 2 판 , GS 인터 비전 , pp . 66 ~ 67 참조 하 여 업데이트 함 
 29 타 입니다 . 이러 한 직렬 형 하이브리드 전기 자동차 는 엔진 과 구동 바퀴 사 에 에 동력 전달 구조 가 필요 없 다는 점 에서 다음 과 같 은 장 단점 있 다 . 장점 1 : 엔진 과 바퀴 사이 에 동력 전달 을 위한 기계 적 인 연결 이 필요 없 기 에 엔진 에 레이아웃 이 자유 로우 며 , 엔진 이 좁 은 엔진 룸 에 함께 있 을 필요 가 없 으므로 공간 효율 성 도 개선 되 었 다 . 장점 2 : 엔진 과 바퀴 의 회전 은 무관 하 므로 항상 최적 의 엔진 을 구동 할 수 있 다 . 장점 3 : 제어기 비교 적 간단 하 며 , 별도 의 변속 장치 도 필요 없 다 . 단점 1 : 차체 구동 이 전적 으로 전기 모터 에 의존 하 기 에 성능 이 매우 뛰 어 난 모터 가 필요 하 다 . 단점 2 : 장거리 주행 을 위해서 축전지 ( 배터리 ) 용량 충분 하 게 커야 한다는 문제 를 지내 고 있 다 . 단점 3 : 전체 적 인 에너지 효율 이 병렬 형 하이브리드 전기 자동차 와 비교 하 여 낮 으며 , 동력 전달 방식 이 완전히 바뀌 므로 기존 의 내연 기관 차 량 에 이 방식 을 적용 하 기 힘들 다는 단점 이 있 다 . 직렬 형 하이브리드 전기 자동차 는 에너지 효율 의 감소 , 축전지 ( 배 터 리 용량 의 한계 로 인하 여 실질 적 으로 사용 되 지 못하 며 , 충전 이 가 능한 플러그인 하이브리드 방식 으로 적용 되 고 있 으며 , 2010 년 GM 社 가 출시 한 플러그인 하이브리드 쉐보레 볼트 ( Chevrolet Volt ) 가 플러그인 방식 의 직렬 형 하이브리드 구조 를 채용 하 고 있 다 34 ) . 쉐보레 볼트 ( Chevrolet Volt ) 의 특징 쉐보레 볼트 는 가정 에서 전기 콘센트 로 충전 이 가능 하 며 , 동시 에 연료 ( 휘발유 ) 를 태워 얻 는 방식 으로 휘발유 1 리터 로 100 km 까지 주 행 이 가능 한 매우 경제 적 인 장점 이 있 다 . 차량 의 전기 배터리 로 는 한 번 에 최대 64 km 까지 주행 이 가능 한 이 차 의 미국 내 판매 가격 은 4 만 1000 ( 약 4800 만 원 ) 달러 로 친환경 세제 혜택 을 받 으면 3 만 3 , 500 달러 ( 약 4100 만 원 ) 에 판매 되 고 있 음 34 ) GM 社 인터넷 사이트 , CHEVROLET VOLT BATTERY , 
 30 그림 18 . 쉐보레 볼트 ( 플러그인 방식 의 직렬 형 하이브리드 전기 자동차 ) 그림 19 . 쉐보레 볼트 ( 좌측 : 엔진 , 우측 : 리튬 이온 배터리 ) 그림 20 . GM 社 쉐보레 볼트 의 배터리 화재 사고 에 대한 기사 ( 동아일보 ) 
 31 쉐보레 볼트 ( Chevrolet Volt ) 의 배터리 에서 화재 사고 2011 년 12 월 에 미국 고속도 로 안전 관리국 ( NHTSA : National Highway Traffic Safety Administration ) 및 다수 의 언론 보도 를 통해서 전기 자동차 인 쉐보레 볼트 ( Chevrolet Volt ) 의 배터리 에서 화재 사고 의 문 제점 이 발표 되 었 다 . 이 것 은 전기 자동차 의 안전 에 관하 여 가장 핵 심 적 으로 지적 되 는 일반 적 인 것 으로서 , 자동차 충돌 ( 衝 突 ) 시 냉각수 ( 冷 却 水 ) 가 결정 화 되 고 이것 이 원인 이 되 어서 리튬 이온 배터리 35 ) 사이 에 합선 을 유발 하 게 된다 . 이 로 인하 여 리튬 이온 배터리 온도 가 일시 적 으로 상승 하 고 , 배터리 에 연기 가 피어나 고 불꽃 이 튀 는 현상 이 미국 고속도 로 안전 관리국 ( NHTSA ) 의 차량 시험 결과 로 확인 되 었 고 , 차량 의 제조사 인 GM 社 현재 까지 판매 된 차량 의 소유주 에 대하 여 이 사실 을 알리 고 리콜 ( Recall ) 조치 를 하 였 지만 , 6 개월 간 이 시실 을 숨긴 GM 社 와 고속도 로 안전 관리국 ( NHTSA ) 에 대한 소비자 의 불만 과 항의 가 있 었 음 36 ) 2 병렬 형 ( Parallel , 竝 列 形 ) HEV 병렬 형 은 엔진 과 전기 모터 가 각각 독립 적 으로 구동 하 는 방식 을 말 하 며 , 주로 하이브리드 전기 자동차 라고 할 때 는 병렬 형 HEV 를 의 미 한다 . 주 동력원 은 내연 기관 엔진 의 기계 적 추진력 이 며 , 엔진 을 더욱 가속 할 때 나 출력 이 부족 할 때 내연 기관 엔진 을 전기 모터 가 보조 하 는 방식 을 의미 한다 . 배터리 의 전기 로 구동 되 는 전기 모터 가 변속기 를 통해 바퀴 를 구동 시킨다는 점 에서 병렬 형 은 직렬 형 과 동 일 하 다 . 그러나 병렬 형 의 엔진 은 변속기 에 직접 연결 되 어 차체 를 움직이 고 , 축전기 의 충전 에 관여 하 는 것 이 주 목적 은 아니 다 . 따라 서 직렬 형 과 달리 발전기 가 필요 없 는 것 이 특징 이 다 . 구체 적 으로 병렬 형 HEV 의 동력 시스템 은 축전지 의 전기 모터 를 변 속기 바퀴 로 이어지 는 전기 적 구성 과 연료 탱크 엔진 변속기 바퀴 의 내연 기관 구성 이 변속기 를 중심 으로 병렬 적 으로 연결 되 므로 내 연기 관 엔진 과 전기 모터 각각 이 바퀴 에 직접 연결 되 므로 동력 전달 효율 이 뛰어나 다 . 35 ) GM 社 의 리튬 이온 배터리 는 전량 LG 화학 에서 공급 하 고 있 음 36 ) 한국 에너지 기사 , 2017 년 에 한국 전기차 시장 본궤도 , 
 32 그림 21 . 병렬 형 하이브리드 전기 자동차 그림 21 에서 내연 기관 엔진 과 전기 모터 의 출력 을 동시 에 바퀴 에 전달 할 수 있 으므로 엔진 의 크기 를 줄이 는 만큼 의 성능 을 발휘 하 는 전기 모터 만 갖추 면 기존 의 내 연기 과 자동차 에 손색없 는 동력 성 능 을 이끌 어 낼 수 있 으며 , 작 은 내연 기관 엔진 을 고 효율 영역 에서 운전 하 기 위하 여 공해 를 줄인다는 점 이외 에 도 전기 모터 가 병렬 로 연결 되 기 때문 에 통상 적 으로 내연 기관 엔진 에서 배출 되 는 출력 중 차체 를 움직이 는 힘 으로 사용 되 는 비율 은 크기 않 고 나머지 는 버 려 지 는데 , 병렬 형 하이브리드 전기 자동차 에서 는 엔진 의 힘 이 운전 자 가 요구 하 는 동력 이상 으로 발휘 될 수 있 을 때 는 여유 동력 으로 모터 를 구동 시키 고 , 이 때 전기 모터 는 발전기 역할 을 하 며 , 전기 를 저장 한다 . 병렬 형 방식 은 전기 모터 가 추가 의 개념 이 기 때문 에 기존 의 내 연기 관 에 추가 로 요구 되 는 방식 이 며 , 무게 와 비용 면 에서 도 제약 조건 이 많이 않 으며 , 현재 하이브리드 전기 자동차 에서 가장 널리 적용 되 는 방식 으로 다음 과 같 은 장 단점 있 다 . 장점 1 : 변속기 전 후 에 내연 기관 엔진 및 전기 모터 를 병렬 로 배치 하 여 , 주행 상황 에 따라서 최적 의 성능 과 효율 을 갖 도록 차량 구동 에 필 요한 동력 을 내연 기관 엔진 과 전기 모터 에 적절히 분배 가능 하 다 . 장점 2 : 엔진 이 힘 이 차량 이 요구 하 는 동력 이상 으로 발휘 된 경우 여 유동 
 33 력 은 모터 의 발전 작용 으로 인하 여 배터리 에 전기 를 저장 한다 . 장점 3 : 내연 기관 엔진 의 이상 의 힘 이 필요 할 때 전기 모터 를 동작 시킨다 . 장점 4 : 기존 차량 의 구조 를 그대로 이용 가능 하 므로 제조 비용 면 에서 직 렬형에 비교 하 여 유리 하 다 . 단점 1 : 병렬 형 HEV 는 직렬 형 HEV 와 비교 하 여 동력 전달 구조 와 제어 가 복잡 하 다 . 병렬 형 하이브리드 전기 자동차 는 혼다 ( Honda ) 社 가 출시 한 시빅 ( Civic ) 하이브리드 가 대표 적 인 모델 이 다 . 그림 22 . 혼다 시빅 ( 병렬 형 하이브리드 전기 자동차 ) 그림 23 . 혼다 시빅 ( 좌측 : 엔진 , 모터 및 변속기 , 우측 : 차량 구조 ) 혼다 시빅 ( Honda Civic ) 의 특징 혼다 시빅 은 차량 내부 의 일반 적 으로 전기 를 공급 하 는 12 V 의 배 터 리 ( 납축전지 , 그림 23 의 도면 부호 1 ) 이외 에 모터 를 직접 적 으로 구 동 가능 한 고전압 158 V 배터리 ( 리튬 이온 배터리 , 그림 23 의 도면 부 
 34 호 3 ) 37 ) 가 위치 하 고 있 다 . 가장 기술 적 인 핵심 부분 은 그림 23 의 좌 측 에 나타나 있 는 내연 기관 의 기계 적 인 엔진 ( V 6 3 . 0 L i - vtec VCM ) 과 브러시 리스 ( Brushless ) DC 전기 모터 ( IMA Motor ) 이 고 , 기계 적 엔 진과 전기 모터 의 동력 을 배분 하 는 변속기 ( Compact 5 AT ) 를 결합 시 켜 서 제어 하 는 것 이 기술 적 으로 가장 어려운 과제 라고 할 수 있 습 니 다 . 특히 혼 다 시빅 ( Honda Civic ) 에서 브러시 리스 DC 전기 모터 ( IMA Motor ) 는 6 개 의 스위치 로 구성 된 전력 용 인버터 ( Power Inverter ) 에 의해서 제어 되 고 있 다 . 가속 등 차량 이 요구 하 는 파워 가 기계 적 엔진 ( V 6 3 . 0 L i - vtec VCM ) 만 으로 부족 한 경우 : 브러시 리스 DC 전기 모터 ( IMA Motor ) 는 전동기 ( Motor ) 로 동작 하 고 , 변속기 ( Compact 5 AT ) 는 기계 적 엔진 ( V 6 3 . 0 L i - vtec VCM ) 의 힘 + 브러시 리스 DC 전기 모터 ( IMA Motor ) 힘 을 합 해서 바퀴 에 제공 하 는 역할 을 하 게 된다 . 감속 등 차량 이 요구 하 는 파워 가 기계 적 엔진 ( V 6 3 . 0 L i - vtec VCM ) 만 으로 넘치 는 경우 : 브러시 리스 DC 전기 모터 ( IMA Motor ) 는 발전기 ( Generator ) 로 동작 하 고 , 변속기 ( Compact 5 AT ) 는 기계 적 엔진 ( V 6 3 . 0 L i - vtec VCM ) 의 남 는 힘 브러시 리스 DC 전기 모터 ( IMA Motor ) 를 돌려서 발전기 동작 을 하 게 되 고 , 발전 된 전력 을 일정 한 전압 ( 158 V ) 으로 승압 시켜서 고전압 158 V 배터리 ( 리튬 이온 배터리 ) 에 저장 하 게 된다 . 따라서 그림 23 의 우측 에 위치 한 내연 기관 의 기계 적 인 엔진 ( V 6 3 . 0 L i - vtec VCM ) 과 브러시 리스 ( Brushless ) DC 전기 모터 ( IMA Motor ) 이 고 , 기계 적 엔진 과 전기 모터 의 동력 을 배분 하 는 변속기 ( Compact 5 AT ) 의 모두 를 적절 하 게 제어 하 는 것 이 기술 적 으로 핵심 이 며 , 병렬 형 HEV 는 직렬 형 HEV 와 비교 하 여 동력 전달 구조 와 제어 가 복잡 하 므로 , 국내 기업 이 이 에 대한 기술력 확보 가 매우 시급 한 현실 입니다 . 3 직 병렬 형 ( Series Parallel , 直 竝 列 形 ) HEV 직 병렬 형 은 직렬 형 과 병렬 형 을 혼합 한 방식 으로 엔진 과 모터 가 37 ) 혼다 시빅 의 1 세대 는 144 [ V ] 니켈 수소 ( NiMH ) 배터리 / 2 세대 는 158 . 4 [ V ] 니켈 수소 ( NiMH ) 배터리 / 현 재 3 세대 는 158 [ V ] 리튬 이온 ( Littium - Ion ) 배터리 를 사용 하 고 있 음 
 35 동시 에 작동 되 거나 , 모터 단독 또는 엔진 단독 으로 , 그리고 엔진 과 희생 제동 을 통해 발전기 를 동려 구동축 을 움직이 는 방식 을 말 한다 . 그림 24 . 직 병렬 형 하이브리드 전기 자동차 그림 24 를 참고 하 여 엔진 효율 이 좋 은 주행 상태 에서 는 엔진 으로 발전기 를 돌려 축전기 에 충전 하 여 두 고자 함 이 주요 동작 과정 이 다 . 바퀴 회전 속도 를 측정 하 여 엔진 구동 이 효율 적 이 라고 판단 되 며 , 엔 진 으로 바퀴 를 직접 구동 하 도록 하 고 , 이 보다 엔진 - 발전기 - 모터 의 효율 이 좋 다고 판단 되 면 , 엔진 은 발전기 가 된다 . 엔진 은 일정 속도 로 회전 시 , 효율 이 가장 좋 으며 , 이 엔진 출력 이 주행 에 소요 되 는 구동력 을 초과 할 경우 에 는 남 는 에너지 로 발전 하 여 축전지 에 저장 한다 . 보다 큰 구동력 을 요 할 때 에 는 엔진 , 엔진 - 발전기 - 모터 , 축전 지 - 모터 의 구동력 이 함께 동원 되 어 강력 한 힘 을 발휘 한다 . 직 병렬 형 하이브리드 전기 자동차 는 도요다 ( Toyota ) 社 가 출시 한 프리우스 ( Prius ) 하이브리드 가 대표 적 인 모델 이 다 
 36 그림 25 . 도요다 프리우스 ( 직 병렬 형 하이브리드 전기 자동차 ) 그림 26 . 도요다 프리우스 ( 좌측 : 엔진 , 모터 및 동력 분할 장치 , 우측 : 배터리 ) 도요다 프리우스 ( Toyota Prius ) 의 특징 도요다 프리우스 는 직 병렬 형 하이브리드 방식 을 채용 하 고 있 으 며 , 다른 하이브리드 차량 과 연비 를 비교 해 보 면 , 현재 출시 된 하이 브리드 차량 중 에서 가장 높 은 연비 를 보이 는 것 을 특징 으로 한다 . 차량 의 후방 에 배치 된 12 V 의 배터리 ( 납축전지 ) 이외 에 모터 를 직접 적 으로 구동 가능 한 288 V 배터리 ( 리튬 이온 배터리 ) 를 구비 하 고 있 다 . 가장 기술 적 인 핵심 부분 은 그림 26 의 좌측 에 나타나 있 는 내연 기관 의 기계 적 인 엔진 ( 4 Cylinder Internal Combustion Engine ) 과 브 러시 리스 ( Brushless ) DC 전기 모터 및 발전기 이 고 , 기계 적 엔진 과 전 기 모터 의 동력 을 배분 하 는 동력 분할 장치 ( Power Split Device ) 를 결 합 시켜서 제어 하 는 것 이 기술 적 으로 가장 어려운 과제 라고 할 수 있 습니다 . 특히 혼 다 시빅 ( Honda Civic ) 과 마찬가지 로 도요다 프리 우스 ( Toyota Prius ) 에서 브러시 리스 DC 전기 모터 ( IMA Motor ) 는 6 개 
 37 의 스위치 로 구성 된 전력 용 인버터 ( Power Inverter ) 에 의해서 제어 되 고 있 다 . 그림 27 . 도요다 프리우스 엔진 의 세부 적 인 구성 그림 28 . 도요다 프리우스 구동력 전달 
 38 그림 27 은 도요다 프리우스 ( Toyota Prius ) 엔진 의 세부 적 인 구성 을 나타내 고 있 으며 , 내연 기관 엔진 과 브러시 리스 DC 전기 모터 를 구 비 한다는 점 에서 혼다 시빅 ( Honda Civic ) 과 실질 적 으로 동일 하 다 . 혼다 시빅 ( Honda Civic ) 의 변속기 ( Compact 5 AT ) 는 내연 기관 엔진 과 브러시 리스 DC 전기 모터 의 동력 을 병렬 적 으로 배분 하 는 역할 을 수 행하 지만 , 도요다 프리우스 ( Toyota Prius ) 의 동력 분할 장치 ( Power Split Device ) 는 엔진 과 브러시 리스 DC 전기 모터 의 동력 을 직렬 / 병 렬 / 직 병렬 로 분할 하 는 역할 을 수행 한다 . 따라서 도요다 프리우 스 의 엔진 제어 가 가장 핵심 적 인 기술 이 며 , 보다 구체 적 으로 는 그 림 28 과 같이 구동력 이 전달 되 도록 동력 분할 장치 ( Power Split Device ) 를 제어 하 는 것 을 특징 으로 한다 . 그림 28 로부터 직 병렬 형 하이브리드 전기 자동차 의 구동력 에 따 른 동작 원리 를 설명 하 면 다음 과 같 다 . ᄀ 발진 , 경부 하 시 : 하이브리드 전기 자동차 가 많 은 출력 을 요하 지 않 는 경우 로서 , 일반 적 으로 내연 기관 의 엔진 을 정지 하 고 , 배터리 에서 공급 되 는 전력 만 을 가지 고 전기 모터 를 구동 하 여 주행 ᄂ 통상 운전 시 : 통상 적 인 운전 에서 는 내연 기관 엔진 에 의한 구동 과 , 발전기 에서 얻 어 진 전력 으로 전기 모터 를 구동 하 는 두 가지 방 식 의 혼합 으로 주행 ᄃ 전 출력 운전 시 : 가속 , 추월 , 등반 등 최대 출력 이 필요 한 경우 , 통상 주행 시 보다 더욱 큰 힘 을 얻 기 위하 여 배터리 로부터 전력 을 공급 하 여 , 구동력 을 최대한 증가 시킴 ᄅ 감속 , 제 동시 : 전기 모터 가 발전기 로 동작 하 며 , 인버터 를 통하 여 발전 된 에너지 를 배터리 에 공급 하 여 배터리 를 충전 시킴 도요다 프리우스 와 같이 직 병렬 형 하이브리드 전기 자동차 에서 속도 변화 시 충격 없이 복접 한 제어 를 실현 시키 는 시스템 이 유성 기어 ( Planetary - Gear ) 및 전기식 의 무단 변속기 인 것 이 가장 큰 기술 적 특 징 이 다 . 이 동력 분할 장치 는 엔진 과 발전기 및 모터 각각 의 회전수 를 단계 없이 연속 적 으로 변속 할 수 있 는 전기 적 연속 가변 변속기 ( CVT : Continuously Variable Transmission ) 의 기능 을 갖 는다 
 39 그림 29 . 도요다 프리우스 의 유성 기어 와 동력 전달 계통 연결 차축 과 연결 되 어 있 는 모터 의 회전 속도 가 주행 상태 에 따라 여러 가지 로 변하 여도 , 발전기 의 회전 속도 를 제어 함 으로써 엔진 은 항상 효율 이 좋 은 영역 에서 운전 이 가능 하 게 된다 . 모터 , 발전기 및 엔 진 의 회전 속도 와 의 관계 는 다음 의 식 ( 1 ) 과 같이 정의 될 수 있 다 . ( 1 ) 여기 서 , n e : 엔진 ( 유성 기어 ) 회전수 , n m : 모터 의 회전수 n g : 발전기 의 회전수 K m : 링 기어 ( 모터 의 출력축 ) 의 톱니 수 K g : 선 기어 ( 발전기 ) 의 톱니 수 직 병렬 형 하이브리드 전기 자동차 는 연비 향상 과 강력 한 출력 을 발휘 할 수 있 는 장점 이 있 으나 , 복합 한 구조 와 제어 기술 때문 에 비 교적 고 비용 이 라는 단점 도 있 지만 , 중형 급 이상 의 차종 에 적합 한 방식 으로 평가 되 며 , 도요다 이외 에 GM , 크라이슬러 ( Chrysler ) , BMW 등 여러 회사 가 직 병렬 형 하이브리드 를 개발 했 지만 , 도요 
 40 다 는 현재 직 병렬 형 하이브리드 기술 에 다양 한 노하우 를 가지 고 있 으며 , 선도 적 인 업체 로 평가 되 고 있 다 . 도요다 프리우스 의 개요 최초 이 양산 형 하이브리드 자동차 ( 1997 년 ) 이산화 탄소 배출 량 의 약 50 % 감소 CO , HC , Nox 배출 량 : 규제 치 의 90 % 감소 연비 : 35 . 3 km / l 그림 30 . 에너지 사용 률 에 대한 자동차 분류 그림 30 에서 에너지 사용 률 을 살펴보 면 , 전형 적 인 내연 기관 인 휘발유 ( Gasoline ) , 경유 ( Diesel ) 및 LPG 차량 의 경우 순수 한 화석 에너지 를 사 용 하 고 있 으며 , Citroen 社 의 C 2 는 정 지시 엔진 을 정지 하 여 연료 를 저 감하 는 Micro HEV 로서 단지 5 ~ 10 % 만 전기 에너지 를 사용 하 고 있 으며 , 혼다 社 의 시빅 ( Civic ) 은 기존 에 내연 기관 엔진 에 전기 모터 로 보조 하 는 Soft HEV 로서 10 ~ 25 % 정도 의 전기 에너지 를 사용 하 고 있 고 , 도요다 社 의 프리우스 ( Prius ) 는 전기 모터 가 출발 과 가속 시 에 만 역할 을 하 는 것 이 아니 라 주행 에 주된 역할 을 하 는 Hard HEV 로서 25 ~ 40 % 정도 의 전 기 에너지 를 사용 하 고 있 다 . GM 社 의 쉐보레 볼트 ( Chevrolet Volt ) 는 기 
 41 본 적 으로 전기 모터 로 구동 되 지만 , 배터리 의 에너지 공급 범위 를 넘 어 서 는 거리 는 내연 기관 엔진 을 이용 하 여 발전기 를 돌리 는 방식 의 Plug - in HEV 로서 50 ~ 100 % 의 전기 에너지 를 사용 하 고 있 으며 , 닛산 社 의 리프 ( Leaf ) 또는 테슬라 社 의 모델 S , E , X 는 순수 하 게 배터리 의 전기 를 사용 하 는 방식 이 며 , 도요다 社 의 FCHV - avd 는 연료전지 전기자동차 ( FCEV ) 로서 가장 친환경 적 인 자동차 이 다 . 5 . 전기 자동차 의 시장 동향 현재 친환경 전기 자동차 는 그 확산 을 거스를 수 없 는 대세 로서 점차 기술 개발 이 활발 하 게 진행 되 고 있 다 . 특히 미국 , 유럽 , 중국 을 중심 으 로 하 는 전 세계 국가 에서 는 배기가스 규제 를 강화 시키 는 국가 적 인 정책 을 추진 하 고 있 으며 , 앞 으로 더욱 배기가스 규제 는 강화 될 것 으로 예상 하 고 있 다 . 따라서 현재 는 배터리 전기 저장 기술 의 한계 로 인하 여 하이브리드 전기 자동차 가 주류 를 이르 고 있 지만 , 10 년 후 에 는 순수 하 게 배터리 및 전기 모터 로 구동 가능 한 배터리 전기 자동차 ( BEV ) 시 대 가 펼쳐질 것 으로 예상 되 고 있 다 . 선진국 에서 제안 하 는 2020 년 온실가스 배출 규제 기준 은 현재 의 내연 기관 엔진 자동차 의 기술 개발 로 는 달성 할 수 없 는 기준 이 며 , 특히 미 국 캘리포니아 주 에서 실시 하 는 배기가스 제로 법 ( ZEV : Zero Emission Vehicle ) 은 배터리 전기 자동차 ( BEV ) 의 기술 향상 에 특별히 기여 하 는 것 으로 평가 되 고 있 다 . 그림 31 은 Automotive World Car Industry Forecast Report 의 전 세계 의 전기 자동차 시장 전망 을 나타내 고 있 다 . 전 세계 자동차 시장 은 2030 년 까지 지속 적 으로 성장 할 것 으로 예측 되 고 있 다 . 내연 기관 차량 은 2005 년 부터 지속 적 으로 감소 하 고 있 으며 , 그 자리 를 하이브리드 전 기자 동차 가 대체 하 고 있 는 현실 이 다 . 특히 2020 년 기준 으로 하이 브리 드 전기자동차 는 전체 차량 판매 의 절반 이상 인 판매 대수 약 5 천만 대 , 전체 차량 의 약 58 % 로 정점 을 이룰 것 으로 예측 하 고 있 다 . 또한 그 이 후 로 는 연료전지 전기자동차 ( FCEV ) 의 판매 가 증가 될 것 으로 예측 하 고 있 으며 , 2035 년 기준 으로 판매 대수 약 8 천만 대 , 전체 차량 의 약 90 % 로 
 42 연료전지 전기자동차 ( FCEV ) 가 전기 자동차 시장 을 선도 할 것 으로 예측 하 고 있 다 . 그림 31 . 세계 의 전기 자동차 시장 전망 그림 32 . 연도 별 전기 자동차 판매 시장 예측 
 43 Automotive World Car Industry Forecast Report 에서 는 내연 기관 엔진 자동차 하이브리드 전기 자동차 ( 2020 년 정점 ) 연료전지 전 기자 동차 ( 2035 년 정점 ) 으로 예측 하 고 있 다 . 상기 Report 예측 의 바탕 에 는 배터리 에서 는 첫째 , 석유 에너지 의 점차 척 인 고갈 을 예측 하 고 있 으 며 , 둘째 , 배터리 에서 전기 의 저장 능력 이 한계 가 있 을 것 이 라는 대전 제하 ( 大 前 提 ) 에 이루어진 것 으로 판단 되 고 있 다 . 그림 32 는 Deutsche Bank , Electric Car ' 에서 발표 한 연도 별 전기자 동차 판매 시장 예측 이 다 . 2015 년 기준 으로 Micro ( Mild ) HEV ( 예 , Citroen 社 의 C 2 ) , Hard ( Full ) HEV ( 예 , 도요다 社 의 프리우스 ) 가 전기 자동차 의 시장 을 주도 하 고 있 지만 , 2020 년 에서 는 Micro ( Mild ) HEV ( 예 , Citroen 社 의 C 2 ) , Hard ( Full ) HEV ( 예 , 도요다 社 의 프리우스 ) , 연료전지 전기 자동 차 ( FCEV ) ( 예 , 도요다 社 의 FCHV - avd ) 및 순수 한 배터리 전기 자동차 ( BEV ) ( 예 , 닛산 社 의 리프 , 테슬라 社 의 모델 S , E , X ) 가 모두 경쟁 하 는 형 상 이 될 것 으로 예측 하 고 있 다 . 그림 33 . 연도 별 각 회사 의 하이브리드 전기 자동차 생산 현황 그림 33 은 연도 별 각 회사 의 하이브리드 전기 자동차 생산 현황 으로 ( 하 이 브리드 기술 을 선도 하 고 있 는 도요다 社 와 닛산 社 가 가장 주도 하 고 있 으며 , 하이브리드 전기 자동차 는 도요다 社 가 가장 독보 적 으로 생산 할 
 44 것 으로 예측 된다 . 6 . 전기 자동차 상용 화 장애 및 문제점 현재 자동차 및 배터리 관련 기술 의 수많 은 연구 개발 로 인하 여 친환경 전기 자동차 가 본격 적 인 시대 로 도래 한 것 처럼 느끼 게 한다 . 하지만 , 친환경 전기 자동차 를 본격 적 으로 상용 화 하 기 위하 여 많 은 문제 들 이 있 으며 이 에 대하 여 살펴보 고자 한다 . 1 ) 셰일가스 ( Shale Gas ) 38 ) 본격 생산 으로 인한 석유 가격 의 하락 1900 년 대 초반 활발 하 게 생산 및 판매 39 ) 되 었 던 전기 자동차 가 급격 하 게 사라진 이유 는 포드 ( Ford ) 시스템 이 라는 혁신 적 인 내연 기관 자동차 의 생산 방식 과 1920 년 석유 왕 인 록펠러 가 텍사스 원유 발견 및 석유 산업 개발 로 인하 여 , 가솔린 자동차 는 급격 하 게 가격 하락 이 주된 원인 이 되 었 다 . 전기 자동차 의 개발 에 대한 가장 큰 요인 중 하나 는 석유 에너지 의 점 차 척 인 고갈 을 전재 하 기 때문 이 다 . 전기 자동차 의 본격 적 인 개발 의 근 간 에 는 내연 기관 자동차 의 배기가스 로 인한 환경 오염 도 그 원인 이 지 만 , 2000 대 초반 에 석유 에너지 고갈 로 인하 여 유가 ( 油 價 ) 의 급격 한 상 승 이 주된 원인 이 라고 할 수 있 을 것 이 다 . 하지만 , 1998 년 그리스 계 미국인 채굴 업자 조지 미첼 ( George P . Mitchell ) 로 40 ) 인하 여 그간 석유 및 천연가스 에너지 의 생산 이 불 가능 하 다고 여겨진 셰일 층 ( Shale Formation ) 에서 에너지 의 생산 이 가능 한 길 을 열 게 되 었 다 . 일반 적 인 천연가스 는 셰일 층 ( 진흙 퇴적암 층 ) 에 생성 된 뒤 에 오랜 세월 동안 투 과 암석 층 을 통해 지표면 으로 이동해 지표면 가까이 에 올라와 한 곳 에 모여 있 는 반면 , 셰일가스 는 투과 하 지 못하 는 불 투과 암석 층 에 막 혀서 이동 하 지 못하 고 셰일 층 에 잔류 하 게 된다 . 개발 로 천연가스 의 황 38 ) 셰일가스 의 성분 은 천연가스 와 비슷 하 며 ( 셰일가스 는 천연가스 의 일종 임 ) , 주성분 은 메탄 70 ~ 90 %, 에탄 5 %, 프로판 및 부탄 이 5 ~ 15 % 로 구성 되 어 있 다 . 셰일가스 는 주로 난방 , 발전 연료 및 석유 화학 원료 등 으로 사용 됨 39 ) 1900 년 대 초 에 미국 에서 굴러다니 는 자동 의 약 38 % 가 전기 자동차 였 다 . 40 ) 조지 미첼 ( George P . Mitchell , 1919 년 ~ 2013 년 ) : 텍사스 A & M 대학 졸업 , 셰일 에너지 개발 을 위하 여 1 만 개 이상 의 시추공 을 뚫 었 으며 , 평시 추공 법 ( horizontal drilling ) 과 수압 파쇄 공법 ( fracking ) 을 융합 하 여 셰 일 에너지 시추 에 성공 하 여 셰일 의 아버지 라고 불리우 는 미국 의 기업가 
 45 금 시대 가 도래 할 것 이 라고 평가 했으며 , 영국 의 이 코노 미스트 는 셰 일 에너지 의 발견 은 전 세계 에너지 구성 에서 엄청난 변화 를 일으킬 것 이 며 , 셰일가스 최대 매장 지역 인 중국 , 미국 , 아르헨티나 , 멕시코 , 남아프리카 는 에너지 공급 의 전통 적 인 지정학 적 판도 를 뒤엎 을 것 이 라고 언급 하 였 다 . 그림 34 . 셰일 의 아버지 조지 미첼 ( George P . Mitchell ) 그림 35 . 전통 가스 와 셰일가스 의 생 성 및 이동경 로 41 ) 전통 가스 인 천연가스 는 가스 가 생성 된 후 에 지표면 으로 이동 하 기 때 문 에 지표면 가까이 에 위치 하 지만 , 셰일가스 는 사암층 아래 의 모래 와 진흙 이 굳 어서 형성 된 진흙 퇴적암 층 에 위치 하 는 에너지 이 다 . 41 ) 김명수 , 셰일가스 개발 이 해양 플랜트 사업 에 미치 는 영향 과 향후 대책 방안 , 포항 공과 대학교 석사 학위 논문 , pp 
 46 그림 35 . 전통 가스 와 비 전통 가스 특징 비교 42 ) 천연가스 에 는 전통 가스 와 비 전통 가스 로 구분 할 수 있 는데 , 유전 이나 가스전 에 농축 돼 있 는 전통 가스 는 수반 가스 ( Associated Gas ) 와 비 수반 가스 ( Non - Associated Gas ) 로 나눌 수 있 으며 한 곳 에 집중 적 으로 매장 되 어 있 어 개발 이 용이 하 다 . 반면 , 비 전통 가스 는 타이트 가스 , 석탄층 의 메탄가스 ( CBM : Coal Based Methane ) , 가스 하이드 레이트 , 셰일가스 ( Shale Gas ) 등 이 있 으며 , 일반 적 으로 비 전통 가스 는 매장량 이 풍부 하 지 만 개발 을 위해서 는 상대 적 으로 높 은 기술력 을 필요 로 하 고 있 다 . 그림 36 은 셰일가스 와 천연가스 시추 과정 비교 를 나타내 고 있 다 . 일반 적 으로 천연가스 는 지표 근처 에 가스 가 모여 있 는 곳 을 시추 하 여 가스 를 시추 하 는 반면 에 , 셰일가스 는 지하 2 ~ 4 km 로 수직 으로 시추 하 고 , 셰일 층 을 만나 면 수평 으로 시추 에 의해서 시추공 을 설치 한다 . 그림 37 은 수평 시추 및 수압 파쇄 법 을 나타내 며 , 수평 으로 시추 한 시추공 에 물 과 모래 , 그리고 화학 물질 을 섞 은 액체 를 고압 으로 주입 하 여 가스 가 내장 된 암석 에 균열 을 일으켜서 , 가스 를 채취 하 는 것 이 세일 가스 의 가 장 핵심 적 인 기술 적 특징 이 라고 할 수 있 다 . 42 ) 외교통상부 , 글로벌 셰일가스 개발 동향 - 주요 국 의 셰일가스 개발 현황 과 전망 , 외교통상부 국제 경제 국 글로벌 에너지 협력 센터 , pp 
 47 그림 36 . 셰일가스 와 천연가스 시추 과정 비교 43 ) 특히 셰일가스 의 개발 은 이제 에너지 시장 의 판도 를 변화 시키 는 기폭 제 가 되 고 있 으며 , 2035 년 기준 으로 셰일가스 를 중심 으로 하 는 비 전통 가스 는 전체 가스 생상 량 에 약 24 % 이상 을 차지 할 것 으로 예상 되 고 있 으며 , 천연가스 와 석유 의 수입국 이 었 던 미국 을 2009 년 이후 에 세계 최대 의 에너지 생 산국 으로 변화 시키 는 개기 를 마련 하 게 되 었 다 . 43 ) 김명수 , 셰일가스 개발 이 해양 플랜트 사업 에 미치 는 영향 과 향후 대책 방안 , 포항 공과 대학교 석사 학위 논문 , pp 
 48 그림 37 . 수평 시추 및 수압 파쇄 법 44 ) 그림 36 . 셰일가스 와 천연가스 시추 과정 비교 45 ) 또한 , 천연가스 의 공급 과잉 으로 인하 여 전기 를 생산 하 기 위한 발전 용 연료 로서 석탄 을 천연가스 로 대체 함 으로 인하 여 석탄 수요 가 감소 되 고 44 ) 외교통상부 , 글로벌 셰일가스 개발 동향 - 주요 국 의 셰일가스 개발 현황 과 전망 , 외교통상부 국제 경제 국 글로벌 에너지 협력 센터 , pp . 4 45 ) 김명수 , 셰일가스 개발 이 해양 플랜트 사업 에 미치 는 영향 과 향후 대책 방안 , 포항 공과 대학교 석사 학위 논문 , pp 
 49 있 으며 , 전 세계 주요 석유 화학 기업 은 석유 화학 의 대표 적 인 제품 인 에 틸렌 생산 시 세일 가스 부산물 인 저렴 한 에탄 ( ethane ) 을 주원료 로 사용 하 기 에 석유 의 가격 이 하락 을 촉진 하 고 있 는 실정 이 다 46 ) . 셰일가스 는 중동 과 러시아 에 주로 매장 된 천연가스 와 는 달리 전 세계 에 골고루 분포 되 어 있 으며 , 중국 이 가장 많 은 매장량 을 보유 하 고 있 는 것 으로 알려져 있 으며 , 북미 , 남미 , 유럽 , 아시아 , 호주 및 아프리카 등 곳곳 에 매장 되 어 있 으며 , 앞 으로 더욱 다양 한 지질 조사 에 의해서 새로운 세일 가스 매장 지역 이 발견 될 것 으로 예측 되 고 있 다 . 현재 전기 자동차 상용 화 장애 에 가장 큰 애 로 점 은 바로 셰일가스 의 개발 로 인하 여 기존 의 내연 기관 자동차 의 연료 인 휘발유 또는 경유 가 격 이 하락 하 고 있 다는 것 이 고 , 현재 는 휘발유 및 경유 가격 의 급격 한 하락 으로 인하 여 전기 자동차 의 에너지 경쟁력 이 감소 하 고 있 는 부분 이 라고 할 수 있 을 것 이 다 . 2 ) 배터리 의 에너지 저장 밀도 의 한계 두 번 째 로 전기자동차 기술 에 가장 큰 걸림돌 은 바로 전기 에너지 를 저장 하 는 배터리 라고 할 수 있 다 . 현재 , 휘발유 와 리튬 - 이온 배터리 사이 에 에너지 저장 밀도 의 차이 에 대해서 살펴보 면 , 다음 의 표 4 와 같 다 . 간단히 정리 하 면 , 무게 를 기준 으로 휘발유 와 리튬 - 이온 배터리 사 이 에 에너지 밀도 는 약 65 배 차이 가 나 며 , 부피 를 기준 으로 휘발유 와 리튬 - 이온 배터리 사이 에 에너지 밀도 는 약 16 배 차이 가 난다 . 표 4 . 휘발유 와 리튬 - 이온 배터리 사이 에 에너지 저장 밀도 의 차이 47 ) 기준 휘발유 리튬 - 이온 배터리 차이 무게 1 kg 기준 부피 1 L 기준 46 MJ 0 . 7 MJ 65 . 71 배 36 MJ 2 . 23 MJ 16 . 14 배 따라서 현재 의 배터리 는 아직 도 많 은 발전 이 필요 한 시기 이 며 , 차세대 46 ) 외교통상부 , 글로벌 셰일가스 개발 동향 - 주요 국 의 셰일가스 개발 현황 과 전망 , 외교통상부 국제 경제 국 글로벌 에너지 협력 센터 , pp . 4 ~ 8 47 ) Wikipedia 인터넷 사이트 , Energy density , 
 50 배터리 로 는 배터리 에 대해서 집중 적 으로 연구 하 고 있 다 . 금속 - 공기 배 터리 의 일종 인 리튬 - 공기 배터리 는 기존 의 리튬 - 이온 배터리 와 비교 하 여 최대 10 배 정도 에너지 저장 밀도 를 향상 시킬 수 있 는 것 으로 연 구 되 고 있 으나 , 아직 은 실용화 단계 에 도달 하 지 못하 고 있 으며 , 캠 브 리지 대학 의 Clare Grey 교수 와 Tao Liu 박사 팀 이 최근 Science 저널 에 발표 한 논문 에 따르 면 그래핀 ( Graphene ) 기판 의 전극 을 지난 리튬 - 산소 배터리 는 90 % 이상 의 효율 과 2000 회 의 충 방전 사이클 을 견딜 수 있 는 향상 된 리튬 - 공기 배터리 에 대한 연구 를 수행 한 바 있 다 48 ) . 특히 현재 의 리튬 - 이온 배터리 를 대신 할 차세대 배터리 기술 은 리튬 - 공기 배터리 에 대한 기술 이 며 , 전극 기술 과 관련 하 여 그래핀 기술 이 적용 되 어 지금 의 배터리 용량 의 한계 를 조금 더 뛰어넘 을 것 으로 생 각 된다 . 특히 그래핀 은 연필심 에 사용 되 어 우리 에게 친숙 한 흑연 은 탄 소 들 이 벌집 모양 의 육각형 그물 처럼 배열 된 평면 들 이 층 으로 쌓여 있 는 구조 인데 , 이 흑연 의 한 층 을 그래핀 이 라 부른다 . 그림 37 . 그래핀 ( Graphene ) 그래핀 ( Graphene ) 은 0 . 2 nm 의 두께 로 물리 적 , 화학 적 안정 성 이 매우 높 다 . 2004 년 영국 의 가임 ( Andre Geim ) 과 노보셀로프 ( Konstantin Novoselov ) 연구 팀 이 상온 에서 투명 테이프 를 이용 하 여 흑연 에서 그래 핀 을 떼 어 내 는 데 성공 하 였 고 , 그 공로 로 이 들 은 2010 년 노벨 물리학 상 을 받 았 다 . 그래핀 의 물질 적 특징 은 구리 보다 100 배 이상 전기 가 잘 통하 고 , 반도체 로 주로 쓰이 는 실리콘 보다 100 배 이상 전자 의 이동성 48 ) Tau Liu 외 , Cycling Li - O 2 Batteries via LiOH formation and decomposition , Science 저널 , Vol . 35 0 , pp . 530 ~ 533 , 
 51 이 빠르 다 . 강도 는 강철 보다 200 배 이상 강하 며 , 최고 의 열전도 성 을 자랑 하 는 다이아몬드 보다 2 배 이상 열전도 성 이 높 다 . 또한 , 빛 을 대부 분 통과 시키 기 때문 에 투명 하 며 신축성 도 매우 뛰어나 다 . 49 ) 3 ) 충전 인프라 구축 이 필요 전기 자동차 의 상용 화 에 대한 커다란 두 가지 걸림돌 로 첫째 , 셰일가스 ( Shale Gas ) 본격 생산 으로 인한 석유 가격 의 하락 과 둘째 , 현재 상용 화 하 는 배터리 의 에너지 저장 밀도 의 한계 가 있 으며 , 이 로 인하 여 전기 자동차 의 충전 인프라 구축 이 필수 적 이 다고 할 수 있 다 . 이러 한 인 프 라 구축 을 위채 서 충전기 의 표준 ( Standard ) 의 전압 , 표준 커 택 터 의 마 련 이 필수 적 이 다 . 또한 , 전기 자동차 의 운행 거리 를 고려 하 여 수많 은 충전 소 설치 가 필수 적 이 라고 할 수 있 다 . 현재 전기자동차 분야 에서 가장 앞서 가 는 기업 이 바로 미국 의 테슬라 ( TESLA ) 社 이 며 , 현재 전 세 계 에 전기 자동차 충전 소 확충 에 상당 하 게 노력 을 하 고 있 다 . 현재 테 슬 라 社 는 미국 과 서유럽 에 전기 자동차 충전 소 구축 을 상당히 완료 했 으며 , 중국 , 일본 및 호주 의 대 도시 및 고속도로 를 중심 으로 전기 자동 차 충전 소 구축 을 위해서 집중 적 인 투자 를 하 고 있 다 . 그림 38 . 미국 의 테슬라 전기자동차 충전 소 50 ) 49 ) 네이버 지식 백 과 인터넷 사이트 , 50 ) 테슬라 자동차 홈페이지 인터넷 사이트 , 
 52 그림 39 . 유럽 , 중국 , 일본 및 호주 의 테슬라 전기자동차 충전 소 51 ) 현재 리튬 - 이온 배터리 를 사용 하 여 세계 최고 의 전기 자동차 기술 을 보유 하 는 테슬라 社 의 전기 자동차 의 경우 주행 거리 가 430 km ( 최대 480 km ) 이 며 , 기타 전기 자동차 인 미쓰 비시 社 , 닛산 社 , 현대 社 , 르노 社 의 경우 도 주행 거리 가 140 ~ 160 km 인 점 을 고려 하 면 , 전기 자동차 충전 소 의 확충 이 필수 적 이 라고 할 수 있 을 것 이 다 . 따라서 현재 테슬라 社 의 경 우 미국 과 서유럽 , 중국 , 일본 및 호주 에 전기 자동차 충전 소 의 집중 적 인 확충 을 바탕 으로 공격 적 인 마케팅 을 펼치 고 있 으며 , 전기 자동차 의 대표 주자 로 자리매김 을 하 고 있 다 . 4 ) 충전 소요 시간 의 단축 과 급속 충전 으로 인한 배터리 성능 의 감소 전기 자동차 를 상용 화 하 는데 또 다른 가장 큰 문제점 은 충전 시간 이 라 고 할 수 있 을 것 이 다 . 표 5 는 세계 최고 의 기술 을 보유 한 테슬라 社 를 비롯 하 여 다수 의 전기 자동차 회사 의 최고 속도 , 주행 거리 및 완 속 ( 緩 速 ) 충전 시간 비교 를 나타내 며 , 저기 자동차 의 배터리 충전 하 는데 , 완 속충 전 의 경우 6 ~ 9 시간 이 필요 한 것 이 현실 이 다 . 따라서 전기 자동차 의 경 51 ) 테슬라 자동차 홈페이지 인터넷 사이트 , 
 53 우 주행 거리 와 충전 시간 의 한계 로 인하 여 장거리 이 동용 으로 사용 하 기 어려우 며 , 특히 최근 에 는 1 시간 이내 에 충전 하 는 급속 충전 기술 에 대해서 많 은 관심 과 기술 개발 이 이루어지 고 있 다 . 표 5 . 전기 자동차 최고 속도 , 주행 거리 및 완 속 충전 시간 비교 52 ) 업체 명 모델 명 최고 속도 [ km ] 주행 거리 [ km ] 완 속충 전 시간 [ H ] 테슬라 MODEL X 미쓰 비시 I - Miev 닛산 LEAF 르노 플루언스 르노 Zeo Z . E 현대 블루온 테슬라 社 의 전기 자동차 의 경우 에 는 급속 충전 을 위하 여 슈퍼 충전 소 ( Supercharger ) 를 곳곳 에 운영 하 고 있 으며 , 완 속충 전 의 경우 입력 전압 이 AC 120 [ V ] 를 기준 으로 하 며 , 급속 충전 의 경우 입력 전압 이 AC 240 [ V ] 를 기준 으로 설계 되 어 있 다 . 특히 급속 충전 의 경우 배터리 80 % 충전 에 30 분 , 100 % 충전 에 1 시간 이 소요 되 고 있 지만 , 급속 충전 의 경우 완 속충 전 과 비교 하 여 고전압 ( 高 電 壓 ) 을 사용 하 여 배터리 에 과도 한 전 류 를 강제 적 으로 주입 하 는 방식 이 기에 배터리 의 셀 이 파괴 되 며 , 동시 에 배터리 수명 이 단축 되 는 현상 이 발생 하 는 근본 적 인 문제점 이 있 다 . 특히 충전 인프라 구축 과 충전 시간 이 상당히 오랜 시간 ( 완 속 6 ~ 9 시간 , 급속 1 시간 ) 이 소요 된다는 것 은 전기 자동차 의 상용 화 를 방해 하 는 크 나 큰 장애물 이 되 고 있 다 . 52 ) 정용욱 외 공저 , 전기 자동차 2 판 , GS 인터 비전 , pp . 19 참조 하 여 업데이트 함 
 54 Ⅲ . 친환경 전기 자동차 의 구조 1 . 전기 자동차 의 주요 부품 전기 자동차 의 주요 부품 을 살펴보 면 , 배터리 팩 , 모터 , 감속기 , 인버터 , 직류 변환 장치 ( 컨버터 ) , 회생 제동 브레이크 , 완 속 및 급속 충전기 등 이 다 . 그림 40 . 전기 자동차 의 주요 부품 및 대략 적 인 위치 특히 현재 전기자동차 기술 의 핵심 은 배터리 팩 이 며 , 리튬 - 이온 배터리 를 상용 화 하 여 사용 하 고 있 다 . 특히 리튬 - 이온 배터리 에 저장 된 DC ( 직류 ) 전기 에너지 를 교류 모터 로 전달 하 기 위하 여 , DC - AC 변환 장치 인 인버터 ( Inverter ) 가 필수 적 으로 필요 하 며 , 이 에 대한 제어 기술 이 핵 심 적 인 기술 이 다 . 또한 , 충전기 를 통해서 배터리 팩 에 에너지 를 저장 하 기 위한 배터리 충전 직류 변환 장치 ( 컨버터 , Converter ) 가 필수 적 이 며 , 차량 이 감속 시 에 모터 가 발전기 로 동작 하 고 , 발전 된 에너지 를 배터리 에 충전 시키 면서 , 차량 을 감속 시키 는 회생 제동 브레이크 와 차량 의 충전 을 위해 완 속 또는 급속 충전 장치 가 주요 부품 이 되 고 있 다 . 자동차 산업 이 내연 기관 에서 친환경 전기 자동차 로 변화 하 면서 , 기존 의 자동차 기업 과 달리 전자 회사 에서 자동차 분야 로 뛰어들 고 있 으며 , 최 
 55 근 에 국내 기업 중 에서 는 LG 그룹 을 중심 으로 자동차 분야 에 대한 기 술 개발 과 시장 선도 를 위하 여 다양 한 기술 개발 및 제품 생산 을 수행 하 고 있 는 현실 이 다 . 그림 41 . LG 전자 전기 자동차 부품 개발 그림 42 . LG 전자 계열사 의 생산 부품 LG 전자 는 차량 용 모터 , 인버터 , 전동 컴 프레샤 등 을 , LG 화학 은 리튬 
 56 - 이온 배터리 를 , LG 디스플레이 는 차량 용 디스플레이 를 , LG 이노 텍 은 차량 용 센서 , 카메라 모듈 , 챠 량 용 램프 및 LED 를 LG 하우 시스 는 자 동차 원단 및 경량 화 부품 생산 을 집중 하 면서 , LG 그룹 은 차세대 사업 이 전기 자동차 부품 기술 을 집중 하 는 것 으로 분석 된다 . 전기자동차 주 요 부품 비중 을 수치 적 으로 살펴보 면 , 배터리 팩 47 %, 인버터 23 %, 모 터 20 %, 직류 변환 장치 ( 컨버터 ) 7 % 및 기타 3 % 로 구성 되 어 있 다 . 2 . 모터 전기 자동차 구동 에서 가장 핵심 이 되 는 엔진 은 바로 모터 라고 할 수 있 으며 , 순수 한 전기 자동차 의 경우 유도전동기 가 모터 로 사용 되 고 있 으며 , 하이브리드 전기 자동차 의 경우 브러시 리스 DC 모터 의 일종 인 PMSM ( permanent Magnetic Synchronous Motor ) 이 적용 되 고 있 다 . 또 한 최근 에 구조 가 간단 하 고 강인 한 SRM ( Switched Reluctance Motor ) 의 경우 유도전동기 를 대체 할 수 있 는 차세대 모터 로서 연구 되 고 있 다 . 이러 한 전기 자동차 모터 의 주요 요구 조건 은 1 배터리 전원 은 직 류전원 을 사용 하 며 , 2 시동 토크 가 크 고 , 3 구조 가 간단 하 고 기계 적 인 내구 성 이 크 며 , 4 속도 제어 가 용이 하 고 , 5 취급 및 유지 보수 가 용 이 하고 , 6 소형 이 며 동시 에 가벼워 야 한다는 특징 을 요구 하 고 있 다 . 전기 자동차 의 모터 는 출력 기준 으로 10 ~ 60 kW 를 사용 하 는 것 이 일반 적 이 며 , 모터 가 바퀴 의 안쪽 에 배치 되 어서 회전력 을 발생 시키 는 인 휠 모 터 를 후륜 의 바 뀌 에 적용 하 는 것 이 일반 적 이 다 . 그림 43 . 인 휠 모터 의 구조 
 57 인 휠 모터 는 차량 의 서스펜션 ( Suspension ) 에 모터 , 감속기 , 허브 및 바 퀴가 연결 되 어 있 는 구조 로서 모터 가 바퀴 를 직접 구동 하 는 방식 이 기 에 에너지 손실 이 매우 적 은 장점 이 있 다 . 특히 반도체 및 전력 변환 기술 의 발전 으로 인하 여 모터 의 고정자 ( Stator ) 와 회전자 ( Rotor ) 사이 에 휠 베어링 ( Wheel Bearing ) 이 배치 되 어 있 으며 , 휠 베어링 안쪽 에 모터 를 구동 하 기 위한 마이크 로 인버터 ( Micro Inverter ) 가 배치 되 는 것 이 가장 최근 에 발전 되 고 있 는 기술 적 특징 이 라고 할 수 있 다 . 그림 44 . 테슬라 자동차 의 주요 모터 배치 그림 44 는 테슬라 자동차 의 주요 모터 배치 를 나타내 며 , 자동차 의 후 륜 바퀴 에 인 휠 모터 가 배치 되 어 있 으며 , 하나 의 엔진 으로 4 바퀴 를 굴 리 는 방식 이 아니 라 각각 의 모터 가 각각 제어 되 므로 효율 을 극대 화 하 는 방향 으로 자동차 의 모터 배치 및 제어 가 이루어지 고 있 다 . 표 6 은 전기 자동차 에 사용 되 는 주요 모터 를 비교 한 결과 이 며 , 현재 는 유도전동기 , PMSM 및 SRM 이 가장 대표 적 으로 사용 되 는 모터 이 며 , 주 료 유도전동기 가 가장 상용 화 되 어서 테슬라 社 를 비롯 하 여 대부분 전 기자 동차 의 모터 로서 사용 되 고 있 으며 , PMSM 의 경우 하이브리드 전 기자 동차 에 주로 적용 되 고 있 으며 , SRM 은 상용 화 까지 이르 지 못했 지 만 , 향후 유도전동기 를 대체 하 기 위한 모터 로서 집중 적 으로 연구 되 고 있 다 . 특히 PMSM 은 영구 자석 을 사용 하 기 에 유도전동기 와 비교 하 여 제어 성능 및 효율 이 우수 한 장점 을 지니 고 있 지만 , 제조 비용 이 고가 이 고 , 출력 이 다소 낮 은 단점 이 있 으며 , SRM 의 경우 유도전동기 보다 
 58 더욱 단순 한 구조 를 지니 고 있 지만 , 토크 ( Torque ) 리플 이 커서 차량 의 승차감 이 떨어지 는 문제점 이 있 어서 아직 까지 는 연구 개발 단계 에 있 지만 , 하지만 , 향후 에 가격 경쟁력 이 있 는 SRM 의 경우 토크 리플 을 저 감하 는 제어 기술 이 개발 된다면 , 적극 이용 될 수 있 는 모터 로서 각광 받 고 있 다 . 표 6 . 전기 자동차 에 사용 되 는 주요 모터 비교 53 ) 구분 유도전동기 PMSM SRM 모터 형상 적용 상태 주로 EV 및 FCEV 에 상용 화 됨 주로 HEV 에 상용 화 됨 연구 단계 특징 저 비용 , 단순 구조 내구 성 이 우수 PMSM 대비 제 어특 성 및 효율 이 낮 음 저소음 / 고 효율 / 경량 제조 비용 이 고 가 유도전동기 대비 온도 특성 이 불리 저 비용 유도전동기 대비 구조 가 단순 하 며 강인 토크 리플 이 크 며 , 진동 및 소음 이 심함 주요 기업 지멘스 ISAD HMC ENOVA 현대 중공업 효성 중공업 도요타 혼다 HMC 히타치 LG 이 노 텍 계양 전기 지멘스 GE TRW FORD LG 전자 3 . 인버터 / 컨버터 일반 적 으로 컨버터 ( Converter ) 라는 것 은 광의 ( 廣 義 ) 의 의미 로서 전력 을 변환 시키 는 모든 장치 를 의미 하 고 있 다 . 하지만 , 일반 적 으로 컨버터 라 고 말 하 는 것 은 협의 ( 狹 義 ) 의 의미 로 는 출력 이 직류 ( DC ) 인 전력 변환 장 치 로서 각종 산업용 , 가정 용 기기 의 전원 장치 로 사용 되 고 있 으며 , 일 53 ) 한창수 외 공저 , 주 변국 동향 파악 을 통한 전기 자동차 핵심 부품 소재 연구 , 한국 산업 기술진 흥원 최종 보 고 서 , pp . 104 참조 하 여 업데이트 함 
 59 반 적 으로 직류 ( DC ) 48 [ V ] , 27 [ V ] 는 통신 용 전원 공급 장치 의 출력 으로 , 직류 ( DC ) 42 [ V ] , 12 [ V ] 는 전기 자동차 용 배터리 전원 으로 직류 ( DC ) 15 [ V ] , 12 [ V ] , 9 [ V ] , 5 [ V ] , 3 . 3 [ V ] , 2 . 5 [ V ] , 1 [ V ] 는 각종 전자 기기 운용 전 압 으로 국제 적 으로 규정 되 고 있 다 . 또한 , 인버터 ( Inverter ) 라는 것 은 출력 이 교류 ( AC ) 인 전력 변환 장치 로서 특히 교류 의 전압 과 주파수 변조 를 통해서 교류 모터 ( Motor ) 의 속도 ( Speed ) 및 토크 ( Torque ) 제어 와 램프 ( Lamp ) 의 조광 제어 를 하 는 전 원장 치 를 의미 하 고 있 다 . 그림 45 . 전력 변환 장치 의 구분 그래서 교류 ( AC ) 를 직류 ( DC ) 로 변환 하 는 장치 를 AC / DC 컨버터 , 직류 ( DC ) 를 직류 ( DC ) 로 변환 하 는 장치 를 DC / DC 컨버터 라고 , 직류 ( DC ) 를 교류 ( AC ) 로 변환 하 는 장치 를 DC / AC 컨버터 또는 간단 하 게 인버터 라고 정의 하 고 있 다 ( 그림 45 참고 ) . 그림 46 . 모터 를 구동 하 는 인버터 의 회로 적 구성 도 
 60 그림 46 은 모터 를 구동 하 는 인버터 의 회로 적 인 구성도 로서 배터리 의 전압 을 입력 받 은 6 개 스위치 가 있 으며 , 각 스위치 는 3 상 모터 의 각 상 의 전압 및 전류 를 제어 하 는 기능 을 수행 하 고 있 다 . 특히 전기 자동차 의 경우 모터 의 회전자 위치 에 대한 검출 이 중요 하 며 , 검출 된 위치 값 을 바탕 으로 모터 의 위치 및 속도 를 제어 하 기 위하 여 스위치 의 온 / 오 프 제어 를 수행 하 는 게이트 신호 를 생성 하 는 제어기 로 구성 되 어 있 다 . 그림 47 . 인버터 를 이용 한 모터 제어 그림 47 은 인버터 를 이용 한 모터 제어 에 대하 여 나타내 고 있 다 . 특히 반도체 스위치 의 온 / 오프 비율 ( 일명 듀티 : Duty ) 을 조절 하 는 방법 을 펄 스 폭 변조 ( PWM : Pulse Width Modulation ) 제어 라고 한다 . 교류 전동 기 는 정현파 ( Sin 파 ) 에 가깝 게 제어 하 여야 원활 한 전동기 제어 가 되 기 에 ± Vdc / 2 의 전압 의 온 시간 을 변조 시켜 그 평균값 이 최대한 정현 파 에 가깝 게 제어 하 는 방법 을 취하 고 있 다 . 또한 , 상기 정현파 의 주파 수 를 제어 하 면 전동기 의 속도 가 제어 되 기 에 전동기 제어 는 펄스 폭 변조 ( PWM ) 를 바탕 으로 정현파 주파수 의 제어 를 수행 하 는 제어기 의 설계 가 기술 적 으로 가장 어 려고 도 중요 한 부분 이 된다 . 그림 48 은 테슬라 社 의 자동차 에 장착 되 는 인버터 로서 리튬 - 이온 배 터 리의 전압 을 공급 받 아서 3 상 유도전동기 에 전력 을 공급 하 기 위한 인 버터 회로 로서 인버터 제어 보드 PCB ( Printed Circuit Board ) , 인버터 모 듈 및 모터 에서 발생 되 는 노이즈 를 흡수 하 기 위한 소자 및 과전류 를 차단 하 기 위한 퓨즈 등 의 보호 회로 가 내재 되 어 있 으며 , 6 개 의 IGBT 
 61 소자 를 사용 한 인버터 회로 를 사용 하 고 있 다 . 그림 48 . 테슬라 社 전기 자동차 인버터 그림 49 . 차량 용 IGBT 소자 와 SiC 소자 파워 모듈 비교 그림 49 는 차량 용 IGBT 소자 와 SiC ( 탄화규소 ) 소자 파워 모듈 비교 한 것 으로서 최근 차량 용 스위칭 소자 로서 SiC 소자 가 부피 가 Si 소자 와 비교 하 여 50 % 정도 저감 되 는 소자 로서 각광 을 받 고 있 다 . 특히 , 미국 의 크리 社 일본 의 미쓰 비시 社 , 히타치 社 및 덴 소 社 등 에서 SiC 소자 에 대하 여 집중 적 으로 개발 하 고 있 다 
 62 1990 년 대 이후 에 차량 용 스위칭 소자 로서 SiC 소자 가 각광 받 고 있 으 며 , 특히 재료 의 강인 성 으로 인하 여 고 내압 분야 에서 가장 각광 받 는 소자 로 평가 되 고 있 다 . SiC ( 탄화규소 ) 소자 는 표 7 과 같 은 장 단점 을 가지 고 있 다 . 표 7 . SiC ( 탄화규소 ) 소자 의 장 단점 비교 54 ) 구분 장점 단점 SiC ( 탄화규소 ) 소자 1 ) 밴드 갭 ( Band Gap ) 이 넓 다 2 ) 높 은 항복 전계 를 갖 는다 . 3 ) 높 은 열전도 성 을 갖 는다 . 4 ) 높 은 포화 전자 드리프트 속도 를 갖 는다 . 5 ) 물리 적 으로 매우 강인 한 물질 이 다 . 1 ) 강인 한 물리 적 특성 으로 인하 여 제조 가 어렵 다 . 2 ) 단결정 으로 크 게 성장 시키 는 것 이 어렵 다 . 3 ) 불순물 도핑 이 상대 적 으로 어렵 다 . 4 ) 박막 ( 특히 에피 텍 셜 ) 성장 이 어렵 다 . 5 ) 탄화규소 ( SiC ) 웨이퍼 의 가공 및 연마 가 어렵 다 . 차량 용 인버터 / 컨버터 분야 에서 는 가장 앞서 가 는 회사 로 는 일본 의 미 스 비시 ( Mitsubishi ) 社 를 꼽 을 수 있 다 . 미스 비시 社 에서 는 IGBT 소자 를 대체 하 여 최근 새롭 게 개발 되 는 전력 용 반도체 인 SIC ( 실리콘 카바 이 드 ) 소자 를 이용 하 여 차량 용 인버터 / 컨버터 를 상용 화 하 고 있 으며 , SiC 소자 의 장점 인 강인 성 으로 인하 여 소형 화 를 시킬 수 있 으며 , 스위치 온 / 오프 특성 이 향상 되 는 바 , 최근 더욱 각광 받 고 있 다 ( 그림 50 ~ 51 참 고 ) . 미쓰 비시 社 에서 는 SiC 소자 의 소형 화 가능 한 특성 을 바탕 으로 차 량 용 유도전동기 내부 에 인버터 를 장착 하 는 기술 을 개발 하 여서 상용 화 하 였으며 , 모터 와 인버터 를 일체 화 시킴 을 통하 여 소형 및 경량 화 가 능한 차량 용 모터 - 인버터 일체 형 기술 을 상용 화 하 였 다 ( 그림 52 참고 ) . 54 ) J . W . Palmour , H . S . Kong , and R . F . Davis , High - temperature depletion - mode metal - oxide semicond uctor field - effect transistors in beta - sic thin films , Appl . Phys . Lett . Vol . 51 , pp . 2029 , J . W . Palmour , J . A . Edmond , H . S . Kong , and C . H . Carter , Jr . , Vertical power devices in silicon carbid e , in Proc . Silicon Carbide and Related Materials , pp . 499 , 
 63 그림 50 . Si MOSFET 와 SiC MOSFET 파워 모듈 크기 비교 그림 51 . Si 소자 와 SiC 소자 의 스위칭 특성 비교 그림 52 . 인버터 가 내장 된 차량 용 유도전동기 ( 미쓰 비시 社 ) 
 64 전기 자동차 에서 는 인버터 만 이 아니 라 DC - DC 의 변환 이 필요 한 다양 한 컨버터 회로 및 충전 회로 가 요구 되 고 있 다 . 그림 53 . 전기 자동차 의 전력 구성 도 그림 53 의 전기 자동차 의 전력 구성도 를 살펴보 면 , 외부 의 충전기 ( Charger Station ) 에서 차량 의 배터리 ( Battery ) 충전 을 위한 전력 변환 회로 가 필요 하 며 , 차량 내부 에서 도 배터리 ( Battery ) 를 충전 하 기 위한 충전기 ( Charger ) 차량 의 모터 를 구동 하 기 위한 인버터 ( Motor Driver ) 및 배터리 - 모터 , 배터리 - 충전기 및 차량 내부 의 다른 전압 의 변환 을 위한 DC - DC 컨버터 ( DC - DC Converter ) 가 필수 적 이 다 . 그림 53 에서 는 전기 자동차 의 전력 회로 의 대략 적 인 배치 를 나타내 며 , 각 회사 별 로 , 차량 구동 에 적합 한 전압 / 전류 등 을 달리 하 는 바 , 각각 의 회로 적 인 설계 는 매우 다양 한 방법 으로 이루어지 고 있 는 현실 이 다 . 그림 54 는 전기 자동차 의 구동 을 위한 모터 , 인버터 , 컨버터 및 배터리 회로 를 나타내 고 있 으며 , 인버터 는 3 상 모터 구동 을 위하 여 일반 적 으 로 DC 380 ~ 400 [ V ] 를 3 상 AC 로 변환 하 는 장치 이 며 , 컨버터 의 경우 양 방향 으로 전력 을 제어 하 는데 , 배터리 전압 DC 42 [ V ] 를 DC 380 ~ 400 [ V ] 로 승압 하 여 인버터 에 공급 하 기 도 하 고 , 모터 가 속도 감속 및 정지 시 발전기 로 동작 하 는 경우 발전 된 전기 를 배터리 에 저장 하 기 위하 여 DC 
 65 380 ~ 400 [ V ] 에서 DC 42 [ V ] 로 강압 하 는 역할 을 수행 하 며 , 이러 한 방식 을 양방향 컨버터 ( Bi - directional Converter ) 라고 한다 . 그림 55 는 도요다 ( Toyota ) 社 의 전기 자동차 용 양방향 컨버터 장치 를 나타낸다 . 그림 54 . 모터 , 인버터 , 컨버터 및 배터리 의 연결 회로도 그림 55 . 도요다 社 의 전기 자동차 용 양방향 컨버터 4 . 회생 제동 장치 전기 자동차 에서 회생 제동 장치 ( Regenerative Braking System ) 는 브레 이크 를 밟 을 때 모터 가 발전기 역할 을 하 여서 자동차 의 연비 를 향상 시키 는데 가장 중요 한 장치 를 의미 한다 . 일반 적 으로 내연 기관 의 엔진 의 경우 연료 에서 자동차 를 움직이 는데 사용 되 는 에너지 가 총 에너지 
 66 의 약 16 % 만 이 사용 되 고 있 다 . 따라서 자동차 의 에너지 소비 를 줄이 고 연비 를 향상 시키 는 방식 으로 모터 를 역 으로 회전 시키 면 발전기 로 서 동작 하 게 되 는 것 을 적극 이용 하 고 있 다 . 그림 56 . 엑 셀러 레이터 온 / 오 프시 에너지 전달 과정 그림 56 은 엑 셀러 레이터 ( Accelerator ) 온 / 오 프시 에너지 전달 과정 을 나 타내 며 , 회생 제동 장치 는 엑 셀러 레이터 오 프시 에너지 를 회생 하 는 장 치 가 핵심 이 되 고 있 으며 , 자동차 가 감속 및 정지 하 는 기계 적 인 에너 지 를 커패시터 ( Capacitor ) 의 전기 적 인 에너지 로 변환 시키 는 역할 을 수 행하 며 , 이 를 DC - DC 컨버터 에 의해서 배터리 로 저장 하 는 총괄 적 인 시스템 을 회생 제동 장치 라고 한다 . 특히 일본 자동차 회사 인 도요타 社 는 하이브리드 자동차 인 프리우스 에서 회생 제동 장치 를 적극 활용 하 였으며 , 감속 또는 브레이크 시 의 에너지 를 배터리 에 저장 후 에 가속 , 등판 시 에 재 이용 하 는 방법 으로 최대 35 % 의 연비 향상 을 이루 어 냄 을 통하 여 특히 도심 주행 시 우수 한 연비 를 나타내 게 되 었 다 ( 그림 57 참고 ) . 그림 57 . 도요다 社 프리우스 의 회생 제동 장치 
 67 5 . 전지 시스템 전기 자동차 에서 전지 시스템 ( BMS : Battery Management System ) 은 배 터 리 를 관리 하 는 장치 를 의미 하 고 있 다 . 배터리 에 저장 된 에너지 가 상당 하 고 , 특히 배터리 셀 사이 에 전기 에너지 불 균일 이 발생 하 는 경우 배 터리 폭발 사고 등 이 발생 하 기 때문 에 최근 에 가장 핵심 적 인 기술 분야 이 며 , 전기자동차 에서 가장 중요 한 기술 이 다 . 전기자동차 에서 전 지시 스템 ( BMS ) 의 주요 기능 은 다음 과 같 다 . 1 ) 배터리 를 이루 는 개별 셀 의 상태 를 모니터링 2 ) 사고 및 응급 시 에 배터리 결합 을 분리 3 ) 개별 배터리 의 전압 불 균형 에 대한 보상 4 ) 배터리 충전 및 방전 상태 에 대한 정보 제공 5 ) 축전지 의 사용 범위 를 예측 6 ) 최적 의 충전 알고리즘 을 제공 7 ) 배터리 수명 을 예측 하 고 배터리 교체 시점 을 예측 그림 58 . 전지 시스템 ( BMS ) 의 일반 적 인 구성 도 전기 자동차 에서 전지 시스템 ( BMS ) 의 중요 성 은 점점 증가 되 고 있 으며 , 단순 하 게 배터리 의 상태 를 관리 하 기 보 다는 차량 의 운전 상태 와 이 에 
 68 따른 최적 의 에너지 효율 성 을 제공 하 기 위한 전력 관리 작업 을 통합 적 으로 수행 하 며 , 사고 및 응급 시 에 배터리 폭발 을 방지 하 는 종합 적 인 기능 을 수행 하 는 시스템 이 다 . 그림 58 은 일반 적 인 전지 시스템 ( BMS ) 을 나타내 며 , 크 게 배터리 각 셀 의 전압 및 온도 를 검출 하 는 부분 과 , 전 체 배터리 에 전류 를 검출 하 는 부분 ( Sensing Resistor ) , 전체 배터리 에 전력 공급 을 결정 하 는 주 스위치 ( FET : Field Effect Transistor ) 및 차량 에 표시 등 ( LED ) / 주 제 어부 와 통합 적 인 관리 를 수행 하 는 전지 시스템 ( BMS ) 제 어부 로 구성 되 어 있 다 . 그림 59 . 배터리 개별 셀 의 전압 불 균형 을 보상 전지 시스템 ( BMS ) 그림 59 는 배터리 개별 셀 의 전압 불 균현 을 보 샇아기 위한 전 지시스 템 ( BMS ) 으로서 개별 셀 에서 는 각각 의 셀 전압 을 검출 하 는 검 출부 및 셀 온도 를 검출 하 는 온도 검 출부 가 배치 되 어 있 으며 , 배터리 셀 전압 이 다른 셀 에 비교 하 여 상대 적 으로 높 은 셀 의 경우 저항 ( R ) 와 스위치 ( FET ) 가 직렬 로 연결 되 어 배터리 와 병렬 로 연결 된 회로 에서 스위치 ( FET ) 의 온 / 오프 제어 를 통하 여 배터리 전압 을 감소 시키 는 방법 을 채 택하 고 있 으며 , 저항 ( R ) 와 스위치 ( FET ) 가 직렬 회로 는 사고 및 응급 시 에 배터리 충전 전압 을 방전 시키 는 기능 을 수행 하 고 있 다 . 전기 자동차 
 69 에서 배터리 의 통합 적 인 관리 와 제어 를 수행 하 는 전지 시스템 ( BMS ) 은 각 기업 의 핵심 특허 기술 과 도 밀접 한 관련 성 이 있 으며 , 전기 자동차 의 상용 화 를 위하 여 가장 중요 한 요소 기술 의 한 분야 이 다 . 그림 58 . 전기 자동차 용 개별 배터리 셀 ( 좌측 ) 과 전지 시스템 ( BMS ) 메인 보드 ( 우측 ) 6 . 충전 인프라 및 커넥터 전기 자동차 충전 인프라 의 구축 과 더불 어서 충전 커넥터 의 표준 화 는 전기 자동차 상용 화 에 있 어서 가장 중요 한 문제 이 다 . 특히 , 대한민국 정부 는 전기 자동차 보급 과 활성 화 를 위하 여 충전 인프라 구축 을 추진 하 고 있 으며 , 주요 공공 기관 및 마트 ( Mart ) 등 에 전기 자동차 충전기 의 설치 를 추진 하 고 있 으며 , 2015 년 기준 으로 7 만 대 이상 을 설치 하 였 고 , 2016 년 도 에서 는 15 만 대 설치 를 목표 로 추진 중 에 있 다 . 그림 59 국내 전기 자동차 충전 인프라 보급 계획 ( 누적 ) 
 70 그림 60 . 국내 전기 자동차 충전 인프라 구성 도 국내 전기 자동차 충전 인프라 는 전력 공급 시스템 , 고객 관리 / 요금 부과 시스템 ( CIM 시스템 ) , 전기 자동차 및 원격 통합 운영 을 위한 인프라 운 영 시스템 을 충전기 와 계량기 가 공유 하 는 형태 로서 구성 되 어 있 으며 , 국제 표준 에 국내 기술 반영 을 통한 상호 공존 성 및 상호 호환 성 확보 를 위해서 노력 하 고 있 다 . 또한 전기자동차 - 충전기 간 통신 방식 을 위 해서 국제 표준 으로 채택 된 CAN 통신 55 ) 방식 ( IEC ) 과 PLC 통 신 56 ) 방식 ( ISO / IEC ) 을 채택 하 여 기술 개발 을 추진 하 고 있 는 실 정 이 다 57 ) . 전기 자동차 의 충전기 를 구분 하 면 , 크 게 가정 용 충전기 , 완 속 ( 緩 速 ) 충 전기 및 급속 ( 急 速 ) 충전기 로 구분 할 수 있 으며 , 표 8 과 같이 정리 할 수 있 다 . 그림 61 은 충전기 와 관련 하 여 미국 , 유럽 , 중국 및 일본 의 커넥터 형 상 을 나타내 며 , 유럽 에서 는 국제 표준 인 IEC 규격 을 사용 하 는 반면 에 , 미국 과 일본 에서 는 SAE J 1722 단자 를 주로 사용 하 고 있 다 . 55 ) CAN ( Controller Area Network ) 통신 은 차량 내 에서 호스트 컴퓨터 없이 마이크 로 콘트 롤러 와 장치 들 이 서로 통신 하 기 위해 설계 된 표준 통신 규격 으로 , 메시지 기반 의 통신 프로토콜 의 일종 이 며 , 전기 자동차 , 산업용 자동화기 및 의료 용 장비 에 사용 하 고 있 는 통신 방식 의 일종 이 다 . 56 ) PLC ( Power Line Communication ) 통신 은 전력 에 고주파 를 싣 고 이 를 분리 함 을 통하 여 음성 과 문자 , 데 이터 , 영상 등 을 전송 하 는 통신 방식 의 일종 으로서 , 장거리 통신 은 불 가능 하 지만 , 전력선 이 설치 된 장소 에서 저렴 하 게 통신 할 수 있 는 통신 방식 의 일종 이 다 . 57 ) 이현기 외 1 명 , Smart Grid 표준 이슈 보고서 - 전기 자동차 충전 인프라 분야 -, ( 재 ) 한국 스마트 그리드 사 업 단 Issue & Focus , 
 71 표 8 . 가정용 , 완 속 ( 緩 速 ) 및 급속 ( 急 速 ) 충전기 비교 58 ) 구분 가정 용 충전기 완 속 충전기 급속 충전기 적용 지역 일반 가정 관공서 , 쇼핑 센터 병원 , 공용 주차장 주유소 , 고속 도로 휴게소 공급 전압 단상 220 [ V ] 단상 220 [ V ] 삼상 380 [ V ] 공급 용량 2 [ kW ] 이내 7 . 7 [ kW ] 50 [ kW ] 이상 충전 시간 6 ~ 8 시간 4 ~ 8 시간 10 분 ~ 1 시간 사용 시간 대 귀 가 후 심야 시간 ( 심 야 ) 주차 시 ( 주 간 ) 긴급 상황 ( 불특정 ) 예상 가격 100 만 원 이하 300 ~ 500 만 원 4000 ~ 5000 만 원 그림 61 . 주요 국가 의 충전기 커넥터 형상 한국 은 미국 과 일본 에서 사용 하 는 SAE J 1722 단자 를 충전기 커넥터 로 사용 하 고 있 으며 , 충전기 커넥터 와 차량 층 소켓 의 형상 은 표 9 와 같이 58 ) 김규동 외 , 전기 자동차 충전 인프라 구축 방안 , ( 재 ) 한국 스마트 그리드 사업단 최종 보 고서 , pp 
 72 정리 할 수 있 다 . 표 9 . 주요 국 의 충전기 커넥터 와 차량 측 소켓 형상 비교 59 ) 현재 전 세계 주요 국가 의 전기 자동차 충전 커넥터 및 차량 측 소켓 의 형상 이 통일 되 지 않 는 문제점 이 있 으며 , 각국 은 전기자동차 산업 정책 에 맞추 어서 다양 한 충전기 커넥터 및 차량 측 소켓 형상 을 사용 하 는 바 , 전 세계 적 인 통일 이 반드시 필요 할 것 으로 예상 하 고 있 다 . 59 ) 이현기 외 1 명 , Smart Grid 표준 이슈 보고서 - 전기 자동차 충전 인프라 분야 -, ( 재 ) 한국 스마트 그리드 사 업 단 Issue & Focus , 
 73 Ⅳ . 친환경 전기 자동차 의 전지 1 . 전지 의 구성 요소 와 종류 전지 ( 배터리 ) 는 두 가지 의 전극 ( 양극 및 음극 ) 에 전해액 을 이용 하 여 각 전극 의 활성 물질 과 전해액 에 갖 는 화학 에너지 를 전기 에너지 로 변환 시켜 양극 과 음극 을 연결 하 는 외부 장치 에 전기 에너지 를 발생 시킬 수 있 는 장치 를 의미 한다 . 이러 한 전지 는 다음 과 같이 크 게 4 가지 중요 한 구성 요소 로 이루어져 있 다 . 1 ) 양극 ( Cathode ) : 외부 도전 으로부터 전자 를 받 아서 양극 활성 물질 이 환원 되 는 전극 2 ) 음극 ( Anode ) : 음극 활성 물질 이 산화 되 면서 도선 으로 전자 를 방출 하 는 전극 3 ) 전해질 ( Electrolyte ) : 양극 의 환원 반응 , 음극 의 산화 반응 이 화학 적 으로 조화 를 이루 도록 물질 이동 이 일어나 는 매체 4 ) 분리 막 ( Separator ) : 양극 과 음극 의 물리 적 접촉 방지 를 위한 격리 막 이러 한 전지 는 크 게 1 차 전지 와 2 차 전지 로 구분 되 며 , 1 차 전지 는 방전 한 뒤 에 충전 을 통해서 본래 의 상태 로 되돌릴 수 없 는 비가역 적 화학 반 응 을 하 는 전지 이 다 . 그림 62 . 볼 타 전지 및 그 세부 구조 
 74 그림 62 는 볼타 전지 및 그 세부 구조 로서 1799 년 이탈리아 에 볼타 ( Volta ) 가 은 ( 또는 구리 ) 판 과 아연판 사이 에 알칼리 용액 을 적신 천 조 각 을 끼우 고 양판 에 전선 을 연결 하 여서 전류 가 흐르 는 것 을 시작 으로 전지 의 역사 가 시작 되 었 다 . 그림 63 . 망간 건전지 그림 63 은 망간 건전지 ( Manganese Dry Cell , 일 명 건전지 ) 를 나타내 며 , 대표 적 인 1 차 전지 이 다 . 1877 년 프랑스 의 G . 르클랑셰 가 발명 한 것 으로 양극 은 탄소 ( C ) 봉 을 음극 은 아연 ( Zn ) 원통 으로 하 고 , 전해질 은 연화 암모 늄 ( NH 4 Cl ) 을 사용 한 것 으로 건전지 ( Dry Cell ) 라는 이름 으로 가장 널리 이용 되 었 고 기전력 은 1 . 5 [ V ] 이 다 . 그림 64 . 망간 건전지 와 알 카라 인 건전지 의 세부 구조 
 75 그림 64 는 망간 건전지 와 알 카라 인 건전지 의 세부 구조 를 비교 한 것 이 다 . 최근 에 는 일 명 오래 쓸 수 있 는 건전지 또는 알 카 라인 ( Alkaline ) 이 라는 상품 으로 광고 하 는 알 카리 망간 건전지 ( Alkali Manganese Dry Cell ) 는 1877 년 발명 된 망간 건전지 에 전해질 을 산 성인 연화 암모늄 ( NH 4 Cl ) 대신 염기성 인 수 산화칼륨 ( H 2 SO 4 ) 을 적용 한 것 이 기술 적 특 징 으로 한다 . 염기 는 산 보다 금속 을 느리 게 부식 시키 므로 건전지 의 수명 이 증가 시키 며 , 일반 적 인 망간 건전지 와 같 은 1 . 5 [ V ] 의 전압 을 유지 하 면서 약 3 배 정도 수명 이 긴 장점 이 있 기 에 최근 A 형 ( AA , AAA ) 전 지 로 많이 사용 되 고 있 다 . 그림 65 . 수은 전지 ( 좌 ) 및 리튬 1 차 전지 ( 우 ) 1947 년 미국 의 맬 로리사 의 S . 루벤 은 소형 의 1 차 전지 를 개발 하 던 중 에 수은 ( Mercury ) 전지 를 발명 하 였 다 . 크기 가 기존 의 망간 건전지 보다 획 기적 으로 작 기에 시계 , 보청기 . 무선 마이크 , 카메라 등 의 휴대 용 전자 기기 에 널리 이용 되 며 , 음극 에 아연 , 양극 에 산화수은 으로 구성 하 며 , 전해액 은 산화아연 이나 수산화 칼륨 을 사용 한다 . 기전력 은 대략 1 . 35 [ V ] 이 고 , 자체 방전 이 적 어서 제조 후 수년 이 지나 도 전기 용량 이 거의 감 소 되 지 않 는 특징 이 있 지만 , 수은 이 인체 에 해로우 며 환경 오염 으로 최근 생산 이 중단 되 고 있 다 . 1961 년 미국 에서 는 단추 형 의 1 차 전지 인 산화은 ( Silver Oxide ) 전지 가 개 발 되 었 는데 이 는 양극 을 산화은 , 음극 을 아연 을 사용 하 고 , 수산화 나트 륨 이나 수산화 칼륨 을 전해액 으로 사용 한 전지 로서 수은 전지 를 대체 하 는 전지 로 개발 되 었 다 . 하지만 , 최근 에 는 음극 에 금속 리튬 , 양극 에 망간 ( MnO 2 ) 를 사용 하 여 수은 전지 에 비교 하 여 에너지 밀도 5 ~ 10 배 확 
 76 장 시킨 리튬 1 차 전지 가 수은 전지 를 대체 하 였 고 , 기전력 은 1 . 5 [ V ] 이 다 ( 그림 65 참조 ) . 일반 적 으로 축전지 라고 말 하 는 2 차 전지 는 외부 에 전기 에너지 를 화학 에너지 의 형태 로 바꾸 어 저장 해 두 었 다가 필요 할 때 에 전기 를 만들 어 내 는 장치 로서 여러 번 충 방전 이 가능 한 전지 를 말 한다 . 그림 66 . 납축전지 그림 66 은 납축전지 구조 를 나타내 며 , 1859 년 프랑스 의 플랑테 는 볼타 전지 와 같 은 전기 화학 반응 을 이용 하 여 최초 의 2 차 전지 인 납 ( lead ) 축전 지 를 개발 하 였 다 . 현재 자동차 의 축전지 로 널리 사용 하 는 납축전지 는 납축전지 는 과산화납 을 양극 으로 납 을 음극 으로 사용 하 고 , 전해액 으로 비중 이 1 . 2 의 묽 은 황산 을 사용 한다 . 방전 이 진행 되 면서 양극 및 음극 은 모두 회백색 의 황산납 으로 변화 하 고 부산물 로 물 이 생성 되 어 반응 속도 가 감소 하 지만 , 화학 반응 이 가역 적 ( 可 逆 的 ) 이 어서 외부 에 저 전류 를 공급 하 면 다시 원래 상태 로 돌아가 기 에 충 방전 을 반복 하 여 사용 가 능하 고 , 높 은 전 류량 을 얻 기 위해서 전극 의 면적 을 크 게 설계 하 여야 하 고 , 셀 당 기전력 은 약 2 [ V ] 로서 자동차 용 납축전지 의 경우 12 [ V ] 기 전력 을 얻 기 위해서 6 개 셀 이 직렬 로 연결 된 구조 를 가진다 . 2 차 전지 에 첫 번 째 혁신 을 가져온 소재 는 니켈 이 다 . 특히 니켈 - 카드뮴 ( Ni - Cd ) 전지 와 니켈 - 수소 ( NiMH ) 전지 는 2 자전 지라 는 명칭 과 함께 전 기 의 충 방전 이 당연 한 것 으로 이끄 는 전지 이 다 . 그림 67 은 니켈 - 카드 늄 ( Ni - Cd ) 전지 를 나타내 며 , 양극 에 니켈 의 수산 
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 www . hanaif . re . kr 산업 연구 시리즈 2009 년 2 월 16 일 제 3 호 하이브리드 카 / 전기차 전망 및 국내 완성 차 업체 의 경쟁력 비교 분석 An outlook of hybrid / electric automobiles and a comparative analysis of the competitiveness of domestic car - makers 산업 연구 시리즈