[에너지데일리 송병훈 기자] 현재 전세계는 배출가스 저감을 위한 노력에 경주하고 있다. 특히 신기후체제 발효는 이같은 상황을 촉진하고 있으며, 그 대안의 하나로 전기자동차를 포함한 친환경자동차에 대한 관심도 뜨겁다.
유럽연합(EU)의 경우 현재 자동차가 1km를 달릴 때 뿜어내는 이산화탄소(CO2)의 양을 120g으로 제한하고 있으며, 2020년까지 유럽연합내 이산화탄소 배출량을 1km당 95g으로 줄어야 한다.
그렇다면 우리의 전기차 기술력은 어디까지 와 있을까. 최고수준의 전기전문연구기관이자 과학기술계 대표 정부출연연구기관으로 꼽히는 한국전기연구원(KERI, 원장 박경엽)의 사례에서 현재와 미래를 짐작할 수 있을 듯 하다.
전기자동차를 국내 최초로 개발했으며, 조기 대중화를 뒷받침하는 핵심기술 개발에 박차를 가하고 있는 KERI는 지난 3월 제주국제컨벤션센터에서 열린 ‘제3회 국제전기자동차엑스포’에서 전기자동차 대중화를 위한 기반 기술을 소개했다.
본지는 창간 17주년을 맞아 KERI의 전기차 관련 기술개발 성과와 연구현황을 알아봤다.

▲ 12종의 전기차 연구성과물

앞서 언급한 ‘제3회 국제전기자동차엑스포’에서 KERI는 전기자동차의 에너지 효율을 획기적으로 올릴 수 있는 핵심 부품인 ‘SiC 전력반도체 소자 및 EV용 인버터모형’과 직축구동 전동기를 바퀴에 부착해 전기차의 안정성 향상에 기여하는 ‘직축구동 전기자동차용 인휠전동기 및 제어기’, 그리고 높은 출력밀도 및 효율성을 가지는 전동기 설계 기술을 기반으로 전기 바이크 대중화에 기여할 ‘2kW 허브모터와 이를 장착한 전기이륜차’를 포함한 총 12종의 연구성과물을 선보였다.

특히 ‘SiC(탄화규소) 전력반도체 소자’는 국가과학기술연구회가 선정한 ‘2015년도 10대 우수성과’로 선정된 기술이자 KERI가 16년간의 연구 끝에 개발한 성과다. 이는 기존의 실리콘반도체 대비 전력을 덜 사용하고 열도 거의 발생하지 않는다는 장점을 가지고 있어 약 5% 이상의 전기차 연비 증가를 기대할 수 있다. KERI는 이 기술을 전력반도체 전문업체 국내 중견기업인 메이플세미컨덕터에 착수기술료 11억5500만원에 기술이전했다.

이 밖에도 전기차 에너지의 최적화를 가능하게 할 ‘차세대 에너지관리시스템(EMS)’ 기술, 전선 없이 편리하고 안전하게 전기차의 무선충전을 가능하게 할 ‘자기공진형 다중 기기 무선충전 시스템’, 리튬이온전도성이 높고 발화하지 않는 고 전해질을 사용해 전기차의 안정성을 높일 ‘불연성 리튬이차전지’ 등 전기차의 대중화에 기여할 연구성과물을 선보여 업계 관계자와 참관객들의 관심을 모았다.

▲ KERI의 전기차 개발 역사와 현황

지난 1988년부터 전기자동차 관련 기술개발을 시작한 KERI는 1993년 대전 엑스포 당시 국내 최초로 전기자동차를 개발, 시범운행에 성공하고 전시운행용 차량으로 7대를 제공한 바 있다. 이후 전기자동차용 경량모터 및 제어기 개발(1993~1995), 전기자동차용 다중 모터 시스템 제어기술 개발(1996~1998), 전기자동차용 바퀴일체형 전동기 및 제어기 개발(1997~1998) 등의 과제를 성공적으로 수행한 데 이어 전기자동차의 기술개발과 조기 상용화를 위한 ‘전기자동차 기술개발과 산업화’ 심포지엄(2009년 11월3일), 교통연구원과 전기자동차 공동연구개발 협력협정(2010년 4월14일) 체결 등 전기차 관련 기술개발 노력을 이어오고 있다.

KERI는 현재 전기자동차에 대한 국내·외적 관심이 높아져 가고 있는 상황에서 축적된 역량과 인프라를 활용한 연구개발을 통해 전기자동차 관련 3대 핵심기술인 ▶2차전지(배터리) ▶급속충·방전시스템 ▶제어시스템 기술을 확보하고 있다. '전기추진연구센터'를 중심으로 '전동력연구센터', '전지연구센터' 등과 함께 전기자동차 관련 요소기술들을 집약적으로 연구하는 한편 동시에 전기자동차의 보급촉진을 위한 충전 시스템 등 인프라 구축에 필요한 요소기술 개발에 주력하고 있어 향후 전기자동차 조기 실용화 관련 기술에서 많은 성과가 예상된다.

KERI는 충전기를 비롯한 각종 고전압 부품의 시험인증사업 등 다양한 전기자동차 관련 연구와 서비스를 진행하며 전기자동차 관련 기술 개발을 주도하고 있다. 중장기적 관점에서 스마트그리드(Smart Grid)와 연계 운전에 대비한 시스템 운영 기술 개발과 함께 각종 정책 및 요금제도 관련 연구도 수행하고 있다.

KERI는 전기자동차 충전인프라와 관련 지난 2011년 통상 전기차 배터리 충전에 30분 정도 걸리는 것과 비교할 때 충전시간이 1/3수준에서 최대 절반 수준으로 단축되는 효과를 갖는 한국형 전기자동차용 급속충전기를 개발, (주)코디에스에 기술이전해 상용화에 성공했다. 충전시간 단축함과 동시에 변동요금제에 대비할 수 있는 스마트 전력계산 기능 등을 탑재했다.

이외에 지식경제부(현 산업통상자원부) 과제인 '스마트그리드 연계 전기자동차 모니터링 사업'을 통해 경남도를 무대로 운전자 입장에서 전기차의 운행환경을 종합적으로 평가하는 시범사업을 진행한 바 있다. 또한 경남도-창원시와 연계하에 관련 사업을 확대, 연구원 본원이 위치한 경남도의 지역기업이 지역에서 달리게 될 전기자동차의 부품제조부터 완성까지 직접 참여하고, 지역 기업간 전기차 제조를 위한 상생 공급사슬을 구축하는 사업인 ‘지역기반 전기자동차 핵심부품 기업육성사업’을 추진했다.

KERI 연구자들의 전기차 연구개발과 표준 개정 활동 참여도 활발하다. 한국스마트그리드협회에서 주도하는 국내 표준 제정 관련 충전 표준 분야를 비롯해 IEC TC69 국제 표준위원회에 KERI 전문가들이 참여하는 등 거의 모든 표준안 제정에 KERI 전문가들이 핵심적인 역할을 수행하고 있다.

▲ 전기차 중점 개발 분야

이 가운데 전기차 연구개발 관련 가장 핵심적인 역할을 하고 있는 '전기추진연구센터'는 우선 전기자동차용 모터, 인버터, 전력변환장치, 배터리 및 급속충전기 등 전기자동차 구동의 핵심 부품 및 전력공급계통과 연계한 충전인프라를 집중 연구하고 있다. 또한 연구소와 경남지역 일원에서 충전인프라 테스트베드를 운영하며 전기차 시대를 대비할 수 있는 인프라 구축과 표준 선점에서 주도적인 역할을 하고 있다.

또한 '전동력연구센터'에서는 엔진 자동차에서는 필수적인 트랜스미션과 기어가 없는, ‘4바퀴 직축구동 전기자동차’를 개발하고 있으며, '전지연구센터'에서는 전기자동차에 쓰이는 리튬전지의 에너지밀도 향상과 더불어 신형전지 개발 등에 주력하고 있다.

▲ 리튬전지 에너지밀도 향상과 신형전지

KERI는 전기자동차용 리튬 전지의 에너지 밀도(150~200Wh/Kg) 향상을 통해 일회 충전시 주행거리를 획기적으로 향상시킨다는 목표 아래, 단기적으로 일회 충전시 300km 이상의 주행거리 달성을 목표로 하고 있다. 이를 위해 기존 리튬전지의 음극 소재를 흑연에서 다공성 나노 실리콘으로 대체하고, 양극 소재는 기존 대비 리튬 함유량을 높인 조성의 리튬계 복합 금속 산화물로 대체함으로써 에너지밀도를 약 50~60% 가량 향상(에너지 밀도 250~300Wh/Kg)시키는 것을 목표하고 있다.

또한 기존 중대형 리튬이차전지와 관련 높은 가격 문제를 해결하기 위해 에너지 밀도 및 저가격화를 동시에 확보할 수 있는 나트륨 이온 이차전지를 2019년 개발 완료를 목표하고 있으며, 안전성 문제를 해결하기 위해 에너지 밀도 및 불연성(타지 않는 성질)을 동시에 확보할 수 있는 전(全)고체 리튬 이차전지(발화, 누액 등의 위험성이 있는 유기전해액을 사용하지 않고 무기 고체 전해질을 사용한 전지)를 2020년까지 개발 완료한다는 목표다.