친환경자동차의 종류와 특징에 대한 정리(HEV, PHEV, BEV, FCEV)

친환경자동차의 종류

친환경 자동차는 동력전달방식이나 에너지원의 공급방식에 따라서 엔진과 모터를 활용하여 동력을 공급하는 하이브리드자동차(HEV)와 내연기관 없이 모터로만 주행하는 배터리전기차(BEV)로 구분할 수 있습니다. 먼저 동력전달방식에 따라 나누면 아래와 같이 나눌 수 있습니다.

	동력전달방식	내용
동력전달원	하이브리드 자동차(HEV)	1. 동력원 : 엔진, 모터 2. 에너지원 : 화석연료, 전기 3. 엔진과 모터를 활용하여 바퀴에 동력을 공급함. 단 외부에서 전기를 공급할 필요는 없으며, 필요할 경우에는 엔진을 구동하여 전기를 생산 및 배터리에 충전하는 방식임.
	플러그인 하이브리드 자동차(PHEV)	1. 동력원 : 엔진, 모터 2. 에너지원 : 화석연료, 전기 3. 하이브리드 자동차에 비해 배터리 용량을 키워서 EV모드로만 주행가능한 거리가 하이브리드에 비해 증대됨.
	주행거리 연장형 전기차(EREV)	1. 동력원 : 엔진, 모터 2. 에너지원 : 화석연료, 전기 3. 배터리 전기차에 Range Extender를 장착하여 전기차의 주행거리를 늘린 자동차로, EREV(Extended Range Electric Vehicle) 또는 REEV(Range Extended Electric Vehicle)이라고도 함.
	배터리 전기차(BEV)	1. 동력원 : 모터 2. 에너지원 : 전기 3. 동력원을 모터만 사용하고 있으며, 유일한 에너지원인 배터리는 외부에서 전기를 공급받음
에너지공급방식	수소전기차(FCEV)	1. 동력원 : 모터 2. 에너지원 : 수소 3.수소를 에너지원으로 하여 전기를 생산하여 주행

위의 표에서와 같이 각각 동력전달방식과 에너지공급방식에 따라 친환경차를 구분할 수 있으며, 그중 하이브리드(HEV) 자동차와 배터리 전기차의(BEV) 중간영역에는 크게 플러그인 하이브리드 자동차와 주행거리 연장형 전기차가 있습니다. 현재 출시된 주행거리 연장형 전기차는 Range Extender로 내연기관을 주로 활용하고 있기 때문에 동력전달방식이나, 에너지 공급방식에 있어서 PHEV와 명확한 구분이 어렵습니다.

배터리전기차(BEV)와 PHEV의 명확한 구분이 어려움에 따라 2012년 CARB(California Air Resources Board)에서는 120km 이상 전기로 주행가능한 차를 전기차로 명시하게 됩니다. 이것을 CD모드라고 하는데요(CD모드 : charge Depleting, 배터리 전기를 사용하면서 주행하는 전기차 모드), 이렇게 배터리로 주행하는 동안 엔진이 개입하지 않고 120km 이상 전기로 주행가능하면 EREV로 분류를 하게 됩니다.

국내에서는 동력전달방식이 동일한 HEV와 PHEV를 하나로 묶어서 동력원이 순수 전기인 배터리전기차와 구분하고 있습니다. 하지만 세계적으로는 전기를 외부로부터 공급받는 자동차를 하나의 그룹으로 묶는 경향이 있습니다. 그래서 주행거리 연장형 전기차(EREV), 플러그인 하이브리드 자동차(PHEV), 배터리전기차(BEV)를 지칭하여 PEV(Plug-in-Eletric-Vehicle)이라고 합니다. 다만 수소전기차의 경우에는 수소를 에너지원으로 활용하여 전기차처럼 주행하며, 기존의 전기차와는 동력전달방식의 다르므로 PEV로 구분하진 않습니다.

친환경자동차의 동력전달 방식에 따른 특징

배터리자동차 : 모터를 유일한 동력원

배터리자동차의 동력원인 모터는 효율이 높고, 회생제동이 가능하고, 저속에서도 고토크 출력을 낼 수 있어 발진 장치가 필요 없습니다. 반면 모터의 에너지원인 배터리의 낮은 에너지 밀도, 느린 충전시간, 높은 생산단가가 전기차 확대에 불리합니다.

배터리 전기차
장점	단점
1. 엔진 대비 모터의 빠른 응답성으로 즉각적인 제어 가능	1. 배터리의 고가/고중량/긴충전시간
2. 내연기관 자동차 대비 가속성능 월등히 향상	2. 배터리의 고중량
3. 저속에서도 고토크 발현 가능	3. 배터리의 긴 충전시간
4. 정차시에 모터작동 안하므로 소모되는 동력 최소화	4. 겨울철 히터 ON 시 주행거리 감소
5. 고효율 시스템이라서 발열이 최소화됨
6. 파워트레인의 구조가 단순하고 비용절감 가능

순수 배터리전기차의 장점은 기존 엔진의 경우에 점화타이밍과 밸브제어, 변속기를 통해서 바퀴에 동력을 전달할 때까지 복잡하고 까다로운 메커니즘으로 구동계에 힘을 전달하는 반면에, 모터의 경우에는 빠른 응답을 통한 즉각적인 제어가 가능하여 자동차 가속성능이 기존의 내연기관에 비해 향상 가능한 장점이 있습니다. 또한 저속에서도 고토크를 발현할 수 있고, 정차 시에는 모터가 작동을 안 하므로, 엔진과 달리 소모되는 동력을 최소화할 수 있습니다. 현재 모터의 경우에는 최고효율이 95%에 달하고, 인버터도 효율이 높아서 모터와 인버터와 같은 동력원에서는 발열이 최소화되는 고효율시스템입니다. 그리고 엔진과 변속기가 없기 때문에 파워트레인의 구조도 단순하고 비용절감도 가능합니다.

반면 배터리전기차의 단점으로는 모터의 에너지원인 배터리가 고가, 고중량이고, 긴 충전시간, 그리고 외기온도가 낮을 때는 실내 온도 유지를 위하여 주행거리가 감소하는 단점도 있습니다. 사실 전기차의 경우에는 내연기관보다도 더 긴 역사가 있는데, 이런 부분의 문제 때문에 지난 100년간 그래왔듯이 전기차의 확대에 걸림돌이 되고 있습니다. 이러한 부분은 새로운 전극 물질, 대량생산, 히트펌프 적용 등과 같이 개선을 하면서 경쟁력이 강화되고 있습니다.

하이브리드자동차 : 엔진 + 모터로 동력전달함.

 

하이브리드 자동차
장점	단점
1. 차량주행효율 향상 가능	1. 무게가 무거움
2. 제동시 운동에너지를 전기에너지로 회생가능(회생제동)	2. 생산단가를 낮추기 어려워 비용증가함
3. 경우에 따라서 엔진으로 배터리 충전도 가능	3. 시스템 제어도 복잡하고 어려움
4. 낮은 요구동력시에는 모터로 작동

하이브리드 자동차의 장점으로는 첫 번째로 각 동력원 별로 효율이 좋은 점에서만 작동이 가능하고, 필요하다면 전기차처럼 모터만으로도 구동이 가능하기 때문에 차량 주행 효율이 향상 가능 하다는 점입니다. 또한 제동시 운동에너지를 전기에너지로 회생하는 회생제동이 가능하여 전체 시스템적인 측면에서 효율이 높고, 경우에 따라서 엔진으로 배터리 충전도 가능합니다.

운전 중에 끊임없이 엔진으로 배터리를 충방전이 가능하기 때문에, 배터리전기차에 비해서 작은 용량의 배터리로도 EV기능 구현이 가능합니다. 아이오닉 하이브리드의 배터리용량은 1.56 kWh이고, 쏘렌토 하이브리드의 배터리용량은 1.49 kWh 수준인 반면에 최근에 출시된 아이오닉 5의 배터리 용량은 77.4 kWh(롱레인지 기준) 수준으로 전기차 모드로는 불과 5분 정도밖에 주행이 가능하지 않지만, 하이브리드 시스템에 탑재 시에는 그 역할을 충분히 할 수 있습니다. 예를 들어 낮은 요구동력 필요시에는 엔진 대신 모터를 작동할 수 있으므로 기존 내연기관의 단점을 보완할 수 있는 우수한 시스템이라고 할 수 있습니다.

다만 기존 내연기관 부품을 활용해야 하고, 거기에 추가로 모터와 배터리가 들어가기 때문에 무게가 무거워지고, 생산단가를 낮추기 어려워 비용이 증가하는 단점이 있습니다. 또한 엔진자체도 아주 복잡한 제어가 필요한데, 모터 시스템이 추가되면서 전체 시스템 제어 자체도 아주 복잡해지는 단점이 있습니다.

플러그인 하이브리드 자동차는 하이브리드 자동차 대비 더 큰 용량의 배터리를 탑재하여 전기차 모드 주행을 극대화한 것이 특징입니다. 아이오닉 플러그인은 8.9 kWh급의 배터리를 탑재하여 배터리만으로 약 45km 주행 가능합니다. 이 정도 EV주행거리 수준이면, 가까운 거리의 출퇴근 정도는 엔진 개입 없이 주행 가능한 거리인 것 같습니다.

수소전기차 : 수소를 에너지원으로 하여 전기를 생산하여 주행

배터리전기차와 마찬가지로 전기로 모터를 구동하는 점에서는 유사하지만, 외부에서 전기를 공급받지 않고, 수소로 직접 전기를 생산한다는 점에서 기존 전기차와 다릅니다. 게다가 전기를 생산하는 방식이 연료전지를 통해서 수소를 전기로 바꾸고 부산물로는 물을 생산하기 때문에 이러한 점은 친환경자동차라는 인식을 소비자에게 아주 확실하게 각인시켜 줍니다. 또한 기존 배터리전기차처럼 회생제동 가능하여 연비향상이 가능합니다.

하지만 생각보다 높지 않은 효율과 BOP(Balance of Plant)라는 주변장치를 통해 연료를 공급하고 물을 제거해야 하는 장치가 필요하며, 수소충전소 등의 인프라가 부족한 점은 수소전기차의 단점으로 꼽을 수 있습니다.

요약 : 배터리 전기차 : 높은 효율을 가지고 있고 회생제동이 가능하며, 구성부품을 줄일 수 있으나, 배터리의 낮은 에너지 밀도, 느린 충전시간등의 문제를 해결해야 함.

하이브리드자동차 : 차량 주행효율의 향상, 엔진으로 배터리 충전가능, 작은 용량의 배터리로도 기능구현이 가능하지만 생산단가를 낮추기 어렵고 시스템 제어가 쉽지 않음.

수소연료전기차 : 청정에너지원인 수소를 사용하는 큰 장점이 있으나, 효율 향상이 제한적이고 수소충전시설의 공급이 필요함.

친환경자동차의 CO2 발생 측면에서의 특징

그렇다면 CO2 발생 측면에서의 각각의 친환경자동차를 살펴보면 어떤 특징이 있을까요? LCA란(전주기적 분석) 차량제작과정, 연료생산 및 운반, 차량 운행 및 폐기까지 모든 과정에서 발생하는 CO2 분석한 것을 말합니다.

이렇게 LCA분석을 해보면 아래의 표와 같이 전반적으로 HEV, BEV, FCEV를 사용하면 CO2 배출량 감소가 예측됩니다. 그래프를 보면 각 자동차별로 제작과정 중 다른 특징이 보이는데, 예를 들면 배터리전기차(BEV)나 수소전기차(FCEV)의 경우에는 well-to-tank fuel cycle이 큽니다. 즉 배터리 생산 중에 발생하는 CO2의 양이 많고, 주행 중에는 발생량이 없습니다. 반면 엔진이 탑재되어 있는 ICE나 엔진이 주된 동력원인 HEV의 경우에는 Tank-to wheel fuel cycle에서 발생하는 CO2가 많습니다. 즉 주행 중 발생하는 CO2의 양이 많다는 뜻입니다.

LCA분석을 통한 자동차별 CO2발생량

다만 LCA 분석 결과를 볼 때 주의해야 할 점은, 전기를 생산하는 과정, 배터리를 생산 및 폐기하는 과정 중에서 어떤 관점이 더 주요하게 작용하였냐 또는 어떤 기관에서 분석을 하였냐에 따라서 CO2발생량의 결과가 달라질 수도 있습니다. 따라서 위의 그래프에서는 하이브리드 자동차나 플러그인 하이브리드 자동차의 CO2 발생량이 배터리 전기차(BEV) 보다 많은 결과를 보여주지만, 또 다른 결과에서는 배터리전기차에 비해 HEV, PHEV 자동차가 CO2 발생량이 더 적은 결과를 보여주기도 합니다.

다만 그렇다고 하더라도 차량의 운행과정에서 순수전기차가 CO2를 발생시키지 않기 때문에 일반 소비자들의 입장에서는 친환경차로서의 매력은 BEV나 FCEV가 더 우위에 있는 것 같습니다.

위의 내용을 요약해 보면, 전주기적 분석(or전 과정 평가)을 통해 하이브리드 자동차, 배터리전기차, 수소전기차 이용 시 CO2 발생량을 줄일 수 있는 것을 알 수 있고, 특히 배터리전기차와 수소전기차는 운행 중에 CO2가 발생하지 않아 친환경적인 측면에서 장점을 가진다고 볼 수 있습니다.