내연기관차(ICEV)차와 전기차(BEV)의 차이

자동차를 움직이게 하는 동력의 종류에 따라 내연기관차(ICEV), 하이브리드차(HEV), 플러그인 하이브리드차(PHEV), 순수 전기차(BEV), 수소연료전지 전기차(FCEV)로 나눌 수 있습니다. 각각의 동력원의 차이를 간단히 설명드리면 아래와 같습니다.

• 내연기관차 : 엔진
• 하이브리드차 : 엔진과 모터(배터리)
• 플러그인 하이브리드차 : 엔진과 모터(배터리) + 외부 충전 가능
• 순수 전기차 : 모터(배터리 : 외부 충전)
• 수소연료전지 전기차 : 모터(연료전지 : 수소의 화학반응을 통한 전기 생산)

동력원의 방식을 가지고 나누면 위와 같이 5가지로 나눌 수 있지만, 크게 분류를 하면 엔진과 모터(배터리)로 나눌 수 있습니다. 그래서 이번 글에서는 엔진을 주 동력원으로 하는 내연기관차와 배터리를 주 동력원으로 하는 전기차에 대해서 간단한 원리와 차이점에 대해서 알아보도록 하겠습니다.

내연기관차(ICEV : Internal Combustion Engine Vehicle

내연기관은 차를 움직이게 하기 위한 핵심부품이 엔진과 변속기입니다. 엔진의 운동에너지를 회전운동으로 바꾸어서 차량을 움직이게 되는데 이 엔진의 기본원리를 간단히 설명하면, 연료와 공기를 연소 실안에 불어넣고, 압축을 한 후, 적절한 시점에 불꽃을 튀겨서 폭발시키면 피스톤이 왕복운동을 하게 되고, 이 왕복운동을 회전력으로 바꾸는 장치가 엔진입니다. 이렇게 만들어진 회전운동을 변속기와 드라이브 샤프트를 통하여 바퀴로 구동력이 전달되어 자동차가 움직이게 됩니다..

일반적으로 자동차에서 쓰이는 엔진의 경우에는 흡입 → 압축 → 폭발 → 배기의 과정을 거치는 4 행정(stroke) 시스템을 사용하는데요, 폭발하는 과정에서 소리도 크고 진동도 심하며, 화석연료를 연소시키다 보니 CO2, CO, NOx, PN등과 같은 유해물질도 많이 나옵니다. 이 유해물질을 기술이 발전하면서 계속 줄여오고 있지만 안 나올 수는 없기 때문에, 자동차의 유해물질은 기후변화의 주범 중 하나로 지목받게 되고, 지속 가능한 환경을 구축하기 위하여 각 나라에서 배기규제를 강화를 하고 있으며 2035년 이후에는 대부분의 선진국에서 내연기관차를 팔지 못하도록 선언하고 있습니다.

차량이 요구하는 토크(힘)와 이 엔진에서 발생하는 토크 영역은 서로 다릅니다. 그래서 변속기가 필요합니다. 변속기는 엔진의 회전 영역과 토크의 영역이 넓지 않기 때문에 그 영역을 넓혀주는 역할을 하게 됩니다. 또 하나의 역할은 엔진은 한쪽 방향으로만 회전할 수 있고 역방향으로 회전이 안되기 때문에 변속기가 그 역할을 하게 됩니다.

엔진의 토크영역과 차량에서 요구하는 토크 영역

그리고 차량에는 전기차든 내연기관차든 12V 배터리가 들어가게 되는데요, 내연기관차에서 엔진에 포함되어 있는 액츄에이터들 또는 차량의 헤드, 와이퍼, 오디오, 내비게이션을 포함한 차량 전장부품들에게 전원을 공급하기 위해서 12V 배터리가 필요합니다. 전기차에서는 고전압 배터리가 있어서 12V 배터리에 충전을 하게 되는데요, 내연기관차에서는 알터네이터라는 부품이 엔진의 구동벨트에 같이 물려있어서, 엔진이 회전하게 되면 12V 배터리를 충전시키는 역할을 하게 됩니다.

또 내연기관의 엔진에는 스타터 모터가 필요합니다. 엔진은 한번 왕복운동을 시작하고 나면 왕복 관성으로 인해서 연속적으로 회전을 할 수 있는데요, 정지해 있는 상태에서는 외부에서 누군가가 엔진을 회전시켜줘야 합니다. 그래야 그 회전으로 공기와 연료 혼합기를 압축시켜서 폭발시킬 수 있기 때문입니다. 이것을 크랭킹이라고 하며, 이 초기 크랭킹을 시키는 부품이 바로 스타터 모터입니다. 이 스타터 모터도 배터리가 방전이 되면 작동을 할 수가 없습니다. 혹시나 시동을 걸었는데 아무 반응이 없거나, 엔진 회전수가 300 rpm근처에서 더 이상 올라가지 않을 때는 배터리가 방전이 되었거나, 전압이 낮아 스타터 모터를 제대로 가동을 할 수가 없을 때 나타나는 현상이니 그쪽으로 점검을 한번 해보시면 좋을 것 같습니다.

그리고 여름에 더울 때 차량에서 에어컨을 틀면 시원한 바람이 나옵니다. 에어컨의 원리를 잠깐 설명을 드리면, 에바라고 불리는 증발기에 있던 냉매가 엔진에 장착되어 있는 컴프레서로 이동을 하면서 고온고압의 상태가 됩니다. 이 상태에서 엔진을 식혀주는 라디에이터와 같이 있는 콘덴서(응축기)로 이동하면서 약간 식으면서 여전히 고온고압의 액체 상태가 됩니다. 그 이후에 팽창밸브로 이동하면서 급격히 팽창하면서 저온 저압의 수증기 같은 액체상태가 됩니다. 마지막으로 증발기로 이동하여 공기와 만나서 공기의 열을 빼앗게 되고, 열을 빼앗긴 공기는 찬바람이 되어 자동차 실내로 들어가게 되는 겁니다. 결국 이 에어컨을 작동시키기 위한 부품 중 에어컨 컴프레서가 엔진에 장착되어 있고 이 컴프레서가 엔진의 구동벨트에 연결되어 있어서 에어컨 시스템이 가동되는 것입니다.

그리고 겨울철에는 히터를 틀게 되는데요, 이 히터도 엔진에서 발생한 열을 이용합니다. 엔진을 운전하게 되면 뜨거운 열이 발생하게 되는데요, 이 열을 적절히 관리를 해줘야 엔진이 문제없이 구동할 수 있습니다. 이 엔진의 열관리를 위해서 냉각수로 적절한 수준으로 식혀주게 되는데요, 이 냉각수를 히터 코어로 흘려보내면 히터 코어와 만난 공기가 냉각수의 뜨거운 열을 일부 빼앗아 차량 내부로 전달하면서 겨울철에도 차량 실내온도를 따뜻하게 유지할 수 있습니다.

브레이크의 경우에도 엔진과 연결되어 사용하고 있습니다. 사람이 브레이크 페달을 발로 밟아서 사람보다 훨씬 무거운 자동차를 멈춰야 하는데요, 이것이 가능한 이유는 자동차의 브레이크의 원리는 유체의 한 부분에 힘을 가하면, 다른 쪽에도 그대로 힘을 가할 수 있는 파스칼의 원리를 이용하기 때문입니다. 이 파스칼의 원리와 엔진의 강한 부압을 이용하여 사람의 작은 힘으로도 큰 자동차를 멈출 수 있습니다. 결국 브레이크도 유압의 힘을 더욱 크게 내기 위해서 즉, 사람의 작은 힘으로도 큰 자동차를 멈추게 하기 위해서 엔진의 부압을 이용합니다.

결국 정리를 하면 내연기관에서는 자동차를 움직이게 하고, 멈추게 하고, 실내 공기를 적절하게 유지해주고, 라디오 & 오디오, 램프 등에 전원을 공급할 수 있게 하는 모든 동력원은 엔진으로부터 나온다고 할 수 있습니다.

전기차(BEV : Battery Electric Vehicle)

내연기관차에서 모든 동력원이 엔진으로부터 나오는 것에 비하여 전기차에서는 모든 동력원이 전기이며, 이 전기를 배터리가 저장하고 있습니다. 따라서 실제 동력을 발생시켜서 자동차를 움직이게 하는 것은 모터이지만, 그 모터를 구동하기 위한 전기를 저장하고 있는 부품은 배터리이기 때문에, 내연기관차에서 엔진의 역할을 하는 부품이 전기차에서는 배터리입니다.

전기차의 구동원리에 대해서 잠깐 간단히 설명해 보겠습니다. 전기차에서 배터리로부터 전원을 공급받아서 회전을 발생시키는 구동모터가 있습니다. 이 구동모터의 종류에는 여러 가지가 있지만 대부분의 자동차에서 사용되는 구동모터는 영구자석형 모터라고 보면 됩니다. 영구자석형 모터의 구조는 가운데 자석이 있고, 주위에 코일이 있고, 이 자석이 바로 샤프트에 연결돼서 휠을 돌려주게 됩니다. 결국 이 자석을 돌려줘야 휠이 돌아갈 수 있으며, 자석을 돌려주기 위해서 자석 주변의 코일에 전기를 흘리고, 주변을 자석으로 만들어서 이 자석의 인력과 척력으로 샤프트에 연결되어 있는 자석을 돌림으로써 휠을 구동시키게 되는 것입니다.

자동차에 사용되는 구동모터에는 주변 코일에 전기를 흘려줘야 되는데 그렇게 하려면 배터리로부터 전기를 가져와야 합니다. 하지만 차량의 배터리는 고전압의 직류 형태로 저장하고 있고, 구동모터는 교류전원이 필요합니다. 그래서 배터리로부터 직류전원을 직접적으로 모터에 공급을 하지 못하니깐 직류전원을 교류전원으로 변환시킬 수 있는 장치가 필요한데 그것이 바로 인버터입니다. 즉 인버터는 배터리로부터의 직류전원을 교류전원으로 변환하여 모터를 제어하는 역할을 합니다. 인버터가 배터리로부터 구동모터에게 전원을 공급해주면 차가 움직일 수 있기 때문에 내연기관차에 있는 스타터 모터도 필요가 없습니다.

내연기관차에는 변속기가 있다면, 전기차는 변속기가 역할을 하는 감속기가 있습니다. 내연기관의 변속기는 도로 상황이나 운전조건에 맞추어 적절한 토크를 낼 수 있게 엔진의 회전수를 변속시키는 역할을 합니다. 전기차의 감속기도 모터의 속도를 변화시키는 측면에서 변속을 한다고 생각할 수 있겠지만, 그보다는 모터의 회전수를 감소시켜서 더 큰 토크를 발생시키기 위한 목적이 크기 때문에 감속기라고 부르는 것입니다. 주로 모터의 회전력을 감속시키는 것이 목적이기 때문에 내연기관의 변속기에 비해서 구조가 아주 간단합니다.

이번에는 전기차에서 가장 중요한 배터리에 대해서 이야기해보겠습니다. 전기차에서의 배터리란 내연기관차에서의 엔진 그이 상의 의미를 가지는데요, 내연기관에서 에너지를 저장하는 곳이 연료탱크이듯이, 전기차에서는 배터리가 전기에너지를 저장하고 있습니다. 그뿐만 아니라 자동차의 주행거리도 배터리의 용량에 의해서 결정이 되고, 배터리가 발생시킬 수 있는 전압의 크기에 따라 구동모터의 회전력과 회전수에도 영향을 미쳐 차량의 성능에도 영향을 미치기 때문입니다.

전기차에서 쓰이는 배터리는 2종류가 있는데 하나는 고전압 배터리이고, 또 다른 하나는 내연기관에서도 쓰이는 저전압 배터리(12V)입니다. 고전압 배터리는 구동모터가 구동할 수 있게 전원을 공급해주고, 그 에너지로 구동모터가 작동하여 차량을 구동하게 됩니다. 이 고전압 배터리는 주로 리튬이온 전지를 많이 사용하고 있는데, 이 리튬이온 배터리는 에너지 밀도가 높고 성능이 좋지만, 가격이 비싼 단점이 있습니다. 그래서 전기차를 살 때 아직은 가격이 많이 비싸서 정부에서 보조금이 나오는데요, 이 가격이 비싼 이유가 배터리에 들어가는 재료가 아직 고가라서 그렇습니다.

전기차의 고전압 배터리 외에 저전압 배터리가 하나 더 들어가는데요, 이 저전압 배터리는 위에서 말씀드렸듯이 내연기관차에서도 적용되어 있는 12V 납산 배터리입니다. 역할은 차량에서 쓰이는 각종 센서나 액츄에이터 등은 보통 12V 이하의 전원으로 구동되는데요, 이러한 부품에 전원을 공급하는 역할을 합니다. 다만 내연기관차에서는 이 저전압 배터리의 충전을 알터네이터라는 부품으로 하는데, 전기차에서는 고전압 배터리에서 바로 충전이 가능합니다.

저전압 배터리는 고전압 배터리로 충전을 할 수 있는데요, 고전압 배터리는 외부에서 충전을 해야 합니다. 하지만 우리가 일반적으로, 일상적으로 사용하는 외부 전원은 교류전원인데요, 고전압 배터리는 직류전원 형태로 전기를 저장하기 때문에 교류전원을 직류전원으로 변환하는 충전장치가 필요합니다. 이 역할을 하는 부품이 온보드 차저(On Board Charger, OBC)라고 합니다.

이번에는 LDC에 대해서 알아보겠습니다. 전기차와 내연기관차의 다른 점 중 하나를 꼽자면, 내연기관차는 정차해 있어도 엔진이 공회전을 하는데, 전기자동차는 차가 정지해 있으면 모든 것이 정지합니다. 이게 어떤 의미를 가지냐면, 자동차가 정차해 있을 때 동력원이 없다는 이야기입니다. 대신에 배터리라는 아주 좋은 동력원이 있으므로 이 모든 동력원을 다 고전압 배터리에서 가져올 수 있습니다. 예를 들면 알터네이터가 엔진의 회전하는 힘으로 배터리를 충전한다고 했는데, 전기차는 정차해 있을 때는 저전압 배터리 측이 방전될 수 있으므로, 고전압 배터리를 이용해서 저전압 배터리를 충전해야 합니다.

에어컨 같은 경우도 내연기관차는 엔진이 회전하면 구동벨트와 에어컨 컴프레서가 연결이 되어 에어컨 펌프를 구동시켰는데, 전기차는 정차해 있으면 회전하는 게 없으니깐 에어컨 펌프를 구동시킬 수 없습니다. 그래서 배터리로부터 전기를 받아서 에어컨을 구동하는 전동식 에어컨이 적용이 됩니다. 제동장치도 마찬가지로 엔진이 없기 때문에 전동식 컴프레서를 이용한 전동식 유압장치를 만들어서 브레이크를 구동하게 됩니다.

마지막으로 겨울에 전기차 하면 이슈가 되는 게 바로 히터입니다. 내연기관차에서 엔진은 워낙 열을 많이 발생시키기 때문에 이 열을 식히기 위하여 냉각수를 순환시켜서, 엔진의 열을 빼앗습니다. 이 빼앗은 열을 차량 실내 난방에 이용하기 때문에 내연기관차에서는 별다른 에너지를 사용하지 않습니다. 하지만 전기차는 모터나 배터리가 엔진만큼 열을 발생시키지 않습니다. 그래서 강제로 전기를 이용해서 뜨거운 바람을 만들어 내는 PTC라는 부품이 실내 난방을 위해서 적용되는데요, 이 부품이 전기를 엄청 사용하게 됩니다. 겨울철에는 난방을 사용하게 되면 주행거리가 1/3 이상으로 줄어드는 이유도 바로 이것 때문입니다. 요즘에는 전기차의 폐열을 이용하는 히트펌프 시스템이 추가로 적용되어 효율을 더 많이 개선했다고 하는데요, 그래도 배터리의 전기를 사용하기 때문에, 겨울철의 주행거리 감소는 전기차의 가장 큰 이슈입니다.

여기까지 내연기관차와 전기차의 구동원리와 주요 부품의 역할, 그리고 그 차이점에 대해서 알아봤습니다. 너무 글만 적어서 재미가 없을 수도 있을 것 같은데, 이해하기 쉽게 사진이나 그림 같은 거 구하면 틈틈이 업데이트하도록 하겠습니다.

감사합니다.