Nikkei Automotive_2016.12_특집 (p50-66)

2020년 자동차의 주역은 ?
EV일까 PHEV일까

이번 겨울에 도요타자동차는 신형 플러그인하이브리드차(PHEV)「프리우스(PRIUS) PHV」를 발매한다. 이에 독일의 Volkswagen이 카운트펀치를 날렸다. 갑자기 최대 600km를 달릴 수 있는 전기자동차(EV)를 2020년에 발매한다고 선언한 것이다. 300만 엔에 살 수 있는 “대중 전기차”는 EV일까? 아니면 PHEV일까? 이미 싸움은 시작되었다.


Part 1. 전기자동차 300만 엔의 공방
EV를 미는 폭스바겐, 도요타는 현실노선

2016년 9월 말에 개막한「파리모터쇼2016」의 주역은 EV였다. 독일의 Volkswagen과 Daimler가 연이어 “EV 선회”를 선언하였다. 한편, 도요타자동차는 PHEV를 전동차량(電動車兩)의 주축으로 삼았다. 2020년 이후를 겨냥한 전동 파워트레인의 패권 전쟁이 시작되었다.

EV의 성장의 싹을 틔운 것은 Volkswagen이다.「파리모터쇼2016」에서 아무도 예상하지 못했던 상상을 펼쳐 보였다.「우리들이 새로운 시대를 열어간다. (1회 충전으로) 최장 600km까지 달릴 수 있는 EV가 그것이다.『Golf』의 디젤사양 차량과 동급의 가격대에 맞춰 2020년에 발매한다」. 허풍처럼 들리는 이 같은 선언을 한 사람은, Volkswagen의 승용차부문 책임자인 Herbert Diess 씨다.

300만 엔 정도의 가격에 600km의 주행거리가 가능한 EV는 상당히 야심적인 목표다. Diess 씨는「가솔린차도 PHEV도 아니다. EV를 2025년까지 100만 대 판매하여 시장을 리드하겠다」며 의욕적이다. 목표 실현의 첫 단계로, 파리에서는 신형 EV 컨셉트카「I.D.」를 처음으로 선보였다.

이 움직임에 독일의 Daimler도 동조. EV 전용 브랜드「EQ」를 만들어, 2025년까지 10개 차종의 EV를 시장에 투입할 계획을 밝혔다.

●전동차량에 관련한 규제나 정책 동향

-- 유럽 주도의 PHEV에 도요타 본격 참전 --

-- 목표가 정해진 2021년의 규제 --
드디어 PHEV가 보급기에 들어섰다고 생각했을 때, 유럽 자동차회사들의 “EV선회”선언가 이어졌다. 원래 유럽이 PHEV에 주력해 온 최대 이유는 배기가스 규제에 대한 대응이었다. 승용차의 CO2 평균 배출량을 2021년에 95g/km이하로 줄인다는 것이다. 엄격한 목표지만, 2021년 규제는「고효율 엔진차량과 PHEV, 48V마일드 하이브리드차(HEV)로 대응한다는 계획이 선 것 같다」(AVL JAPAN Powertrain Engineering 사업부의 나카지마(中島) 씨).

역시 유럽의 자동차회사의 관심은 2025년 이후의 연비∙배기가스 규제로 옮겨졌다. 키워드는「Zero Emission」이다. 새로운 전동 파워트레인 전략을 구축하면서 유럽이 중추로 삼은 것은 배기가스를 일절 배출하지 않는 EV다.

-- EV의 순풍은 미국, 중국, 그리고 유럽으로 --

-- PHEV의「중개역할」기간은 단기일까? --
유럽이 빠르게 EV로 선회한 이유 중 하나는 미국 Tesla Motors의 약진이다. 2016년 3월말에 발표한 신형 EV「Model 3」는, 예약 개시부터 1주일 만에 32만 대의 수주를 획득했다. Volkswagen의 한 사원은「EV는 확실한 시장을 확보하고 있다는 사실을 알았다」고 한다. 기대와 동시에 위기감도 생겨났다. 이대로라면, 기존의 자동차회사는 시장을 빼앗길 수 있기 때문이다. 이러한 이유에서, 유럽의 자동차회사는 PHEV에 주력하는 것만으로는 충분하지 않다고 판단하였다. PHEV의 개발을 중단하는 것은 아니지만, EV로 이어주는「중개자」로서의 역할은 당초 예상보다 짧아질 전망이다.

BMW의 집행임원이며 파워트레인 연구부문을 총괄하는 Matthias Klietz 씨는「규제대책으로서 PHEV는 중기적으로 사용하겠지만, 100%의 Zero Emission 주행은 불가능하다. 장기적으로는 EV와 FCV 밖에 없다」고 단언하였다.

-- 배터리 가격은 150달러/kWh까지 하락 --
-- EV로 60km를 달릴 수 있는 프리우스PHV --


Part 2. 차체바닥 배터리로 공격하는 독일
가시화된 주행거리 600km

전기자동차에 주력하기도 결정한 독일의 Volkswagen과 Daimler. 파리모터쇼에서는 모두 EV 전용의 새로운 플랫폼을 선보였다. 공통점은 500~600km의 주행이 가능하도록 리튬 이온 배터리를 차체바닥에 설치했다는 점이다. 안전성을 담보하면서 비용을 줄여, 2020년 무렵까지 실용화를 목표로 한다.

목표는 역사적인 명차와 비견되는 EV개발이다. Volkswagen은 EV 컨셉트카「I.D.」를, 70년 전부터 판매된 자사「Golf」의 뒤를 잇는「혁신적인 모델」로 결정하였다. Volkswagen은 전동차량을 폭넓은 차종으로 전개할 수 있도록 플랫폼을 개발 중이다. 「Modular Electric Drive Kit(MEB)」라고 부르는 전동화 Toolkit이 그것으로, 2020년부터 투입하는 EV부터 적용할 계획이다.

-- 배터리 비용은 50만~70만 엔? --
이번에 발매한 I.D.도 MEB를 채용하고 있다. 최대 특징은 리튬이온 배터리를 차체바닥 전면에 배치하여, 1회 충전으로 400~600km를 주행할 수 있도록 했다는 점이다. 실용화를 위한 과제는 역시 배터리 비용일 것이다. 2017년에 Volkswagen이 개발한 개량신형 EV「e-Golf」는, NEDC(New European Driving Cycle) 모드에서 300km 주행할 수 있도록 한다. 탑재하는 배터리의 용량은 35.8kWh로, 파나소닉 제품이다.

600km를 주행하기 위해서는 단순계산이지만 약 70kWh의 배터리가 필요하다. 2020년 발매 시기의 예상 차량탑재 배터리 셀 최대치는 100달러/kWh로 추정할 수 있다. 때문에 배터리만으로 7000달러(73만 5000엔)가 된다. 300만 엔 차량에 배터리만 70만 엔이면 밸런스가 맞지 않는다. 또한 모터나 인버터 등의 비용도 생각한다면 그 실현은 쉽지 않다.

-- 중국제 배터리도 시야에 --
Volkswagen그룹은 배터리 비용을 줄일 수 있는 몇 개의 프로젝트를 추진하고 있다. 그 중 하나가 독일 Audi의 시도다. Audi는 2018년에 주행거리가 500km인 SUV 타입의 EV를 투입할 예정이다. 배터리 개발은 한국의 LG화학과 삼성SDI를 경합시키고 있다. 비용을 더욱 절감하기 위해 “EV 대국”인 중국에서도 개발을 강화하였다. 2016년 9월, 중국의 장화이자동차(JAC)와 EV사업 부문에서 제휴를 맺었다. 싼 중국제 리튬 이온 배터리의 가능성을 탐색하려는 의도도 있다.

-- 삼성의 배터리는 안전한가? --
최근 삼성전자의 스마트폰「Galaxy Note7」에서 발화 사고가 발생하였다. 발화의 원인은 삼성SDI의 배터리였다. 독일의 BMW는 삼성의 배터리를 전동차량에 채용하고 있다. 스마트폰과 동일한 위험성이 있는 것이 아니냐는 우려의 목소리가 있다. BMW에서 EV 「i3」의 개발을 담당한 Heinrich Schwackhofer 씨는「스마트폰과 차량탑재용 리튬 이온 배터리는 전혀 다른 것이다. 삼성SDI와 공동으로 안전성을 검증해 왔다」라며 우려의 목소리를 부정했다.

-- Daimler는 2025년까지 10개 차종으로 --


Part 3. 현실적인 답을 찾는 일본의 자동차회사
EV주행의 가치를 저비용으로 실현

유럽의 자동차회사들이 일제히 전기자동차를 중시하기 시작한 상황에서, 도요타자동차는 현실노선을 묵묵히 나아간다. 선대의 반성을 기반으로 하여 새로이 개발한 신형「프리우스PHV」의 경우는 EV주행 성능 향상에 주력하였다. 미쓰비시자동차와 혼다의 플러그인하이브리드차(PHEV)는, EV주행 거리 100km를 목표로 하고 있다. “EV파”인 닛산자동차는「리프(LEAF)」와 비교하여 1/20정도의 소용량 배터리에 전동차량의 미래를 걸고 있다.

도요타자동차가 이번 겨울에 만반의 준비를 끝내고 PHEV인 프리우스PHV를 발매한다. 프리우스PHV에 부과된 사명은 누계판매대수 100만 대를 달성한다는 굉장히 높은 목표다. 2012년의 발매를 시작으로 누계 약 7만 5000대로 막을 내린 1대(代) 프리우스PHV의 실패를 절대로 반복하지 않기 위해, 도요타가 권토중래하여 발매한 것이 이번 2대 프리우스PHV다.

유럽의 자동차회사는 EV와 함께 PHEV의 라인업을 늘리고 있지만, 도요타는 한 차종으로 이들과 승부한다. 하이브리드차(HEV)「프리우스」의 연비를 웃돌면서, EV로서도 60km 정도 달릴 수 있다. 그리고 비용도 싸다. 이것이 신형 프리우스PHV의 강점이다.

초대 프리우스PHV는 프리우스와의 차이가 애매하였다. 외견은 거의 같았고, 가격차는 70만엔 정도 비쌌음에도 불구하고 EV주행거리는 JC08모드에서 26.4km밖에 되지 않았다. PHEV의 장점을 실감하기 어려웠다. 이러한 문제점을 바탕으로, 신형 프리우스PHV에서는 4대 프리우스와의 차이를 명확하게 이해할 수 있는 차량으로 완성하였다. 300만 엔이라는 차량가격의 제약이 있었지만, HEV의 프리우스와 부품을 공통으로 사용하면서 비용을 절감하였다.

발매 전의 신형 프리우스PHV에 탑승해 본 결과,「HEV의 프리우스와는 다르다」는 느낌을 가졌다. 중에서도 그 차이를 확실하게 체감시켜 준 것이 EV 주행의 적용 범위가 확대되었다는 것과 강력한 파워였다.

-- 90km/h에서도 엔진을 걸지 않는다 --
신형 프리우스PHV가 내건 비용 절감과 EV 성능 향상이라는 2개의 개발 목표를 달성하는 데 가장 중요한 역할을 한 것은 하이브리드 기구의 개량이다. 트랜스액슬(Transaxle)이나 구동 모터, 발전기와 같은 주요 부품은 프리우스와 동일한 부품을 사용하면서, 모터 주행 시 강력한 발산을 할 수 있는 구조로 개량하였다.

최대 특징은, 엔진과 동력분할용의 Planetary Gear Mechanism(遊星歯車) 사이에「One Way Clutch」를 추가한 점이다. 신형 프리우스PHV의 개발 책임자를 지낸 도요시마(豊島) 씨는「선대는 EV 모드가 빈약하였다」고 표현한다. 엑셀페달을 밞으면 바로 엔진이 걸리게 돼서, 모터 주행의 빈도가 낮은 것이다.

부족하였던 가속감과 강한 힘은 이 One Way Clutch를 추가함으로써 해결하였다. 발진 시에 엑셀을 최대한으로 밞아도 엔진은 걸리지 않고 모터 만으로 주행한다. 또한 가속 시에도 80~90km/h정도 까지는 엑셀을 어느 정도 밞아도 EV 주행이 계속되었다.

-- 리튬 이온 배터리는 용량 2배로 --
-- 엔진에 의존하지 않고 난방 작동 --
-- 미쓰비시와 혼다는 100km이상을 목표한다 --
-- 닛산은 배터리를「리프」의 1/20로 --

-- 4종류의 주행모드를 구분하여 사용한다 --
e-Power의 최대 특징은, 엔진을 구동력에 일체 사용하지 않고 발전에 전념시킨다는 점이다. 타이어의 회전 수에 관계없이 엔진의 회전 수를 제어할 수 있기 때문에「2000rpm 정도의 고효율 영역을 사용하기 쉽다」라는 이점이 있다.

엔진 및 발전기로 만든 전력은 주행 상황에 따라 4종류로 구분하여 사용된다. (1)발진 시는 엔진은 정지한 상태로, 배터리로부터 모터에 전력을 공급한다. (2)저속이며 큰 토크(Torque)가 필요한 가속 시에는, 엔진을 작동시켜 발전하고, 이 전력을 배터리 전력과 합쳐 모터에 공급한다. (3)고속순항 시 등 큰 토크(Torque)를 필요로 하지 않을 경우, 엔진으로부터 나오는 전력은 배터리를 충전하면서 모터에 공급한다. (4)감속 시는, 모터를 가동시켜 배터리를 충전한다.

차량 속도가 70km/h를 초과하는 고속 영역에서는 모터를 구동시키는 전력의 대부분을 엔진에서 나오는 발전에 의존한다. 이 때문에「엔진 회전 수는 5000~5500rpm에 달하는 경우도 있다」고 한다.

-- 리프의 부품을 적극적으로 유용(流用) --


Part 4. 표준화로 리스크를 극복하는 부품제조업체
EV와 PHEV에 모두 사용할 수 있는 전동부품

전동차량의 주역을 하나로 좁히지 못했기 때문에 부품 제조업체들은 고민이 많다. 그래서 찾아낸 답이 전기자동차(EV)와 플러그인 하이브리드차(PHEV)에 모두 사용할 수 있는 부품이다. 예를 들면, 모터나 감속기(減速機) 등을 일체화한 전기구동 시스템이 상징적이다. 전동차량의 상품력 강화라는 관점에서는 무선 전력공급이 드디어 비상할 것 같다.

전동차시장을 둘러싼 패권다툼이 부품 제조업체에도 영향을 주기 시작했다.「최근 1년정도, 유럽의 제조업체의 전동 파워트레인 전략이 빠르게 변해 왔다. 요구되는 성능도 기업마다 다르기 때문에 대응이 상당히 어려워졌다」. 어느 부품 제조업체의 기술자는 이렇게 속내를 밝혔다. 전동차량의 주력 상품을 하나로 좁히지 못했기 때문에, 부품 제조업체는 EV와 PHEV에 모두 사용할 수 있는 제품 개발을 강화하고 있다. 「어느 쪽으로 결정되더라도 문제가 없도록, 부품에 유연성을 줄 수 밖에 없다」는 것이다.

-- FF베이스의 PHEV가「중개자」역할 --
흔들리는 자동차회사의 심정을 표현하고 있는 것이, FF(Front-engine Front-drive) 엔진 차량을 베이스로 하는 PHEV다. 이점은 기존의 엔진이나 변속기를 그대로 사용할 수 있다는 점이다. 엔진 차량으로부터 크게 구조를 변경할 필요가 없기 때문에, 개발 공정 단계나 비용을 줄일 수 있다. 동일 차종에서 다양한 파워트레인을 준비하는 데 적합하다.

FF베이스의 PHEV는 EV로 이어주는「중개자」역할로서 기능하기도 쉽다. 독일 Volkswagen의 EV 전용 플랫폼에는 뒷바퀴 부분에 인버터나 가속기 등과 일체화한 모터가 자리잡고 있다. 이 때문에 앞 바퀴 부분에 엔진과 발전기를 탑재한다면 바로 PHEV로 만들 수 있다. 그 반대의 순서를 밞는다면, FF베이스의 PHEV는 쉽게 EV로 진화할 수 있다.

-- 일체화를 추진하는 Bosch와 GKN --
-- 전용 변속기와 터보도 등장 --
-- 자동차로서의 상품력 강화도 필요 --

-- 무선 전력공급은 2018년부터 --
상품력 강화라는 관점에서 잊어서는 안 되는 하나가 충전 방법이다. 충전플러그를 차량에 꽂는 것은 귀찮은 행위임에 분명하다. 그 해결책이 무선으로 전력을 공급하는 기능이다. 이미 많은 자동차회사가 개발에 착수하였다. 도요타는 프리우스PHV에도 옵션 장치로서 검토해 왔지만,「비용이 맞지 않아 채용을 미뤘다」(무선 전력공급 업계에 정통한 관계자).

양산 차종에 적용할 수 있다는 점에서 앞설 것으로 보이는 기업이 독일의 Daimler다. Daimler는 PHEV「S550e」의 2017년 모델(발매는 2018년)에서, 무선 전력공급 기능을 옵션으로 제공한다. 출력은 3.6kW, 효율은 90%정도로 예상된다. 주파수 대역은 85kHz. 무선 전력공급 기술을 제공하는 것은 미국의 Qualcomm이다. Qualcomm이 “Tier 1”이 되는 부품 제조업체에게 라이선스를 제공하고, 그 부품 제조업체가 시스템을 제조하는 형태가 된다.

미국이나 유럽에서는 국제표준 규격의 책정을 위한 논의가 가속되고 있다. Society of Automotive Engineers(SAE) International은, 전동차량용 무선 전력공급 기술에 관한 가이드라인의 책정을 2016년 5월에 완료시켰다.

이를 받아 같은 해 9월에는, 자동차회사들이 독일에 모여 상호 접속성 시험을 실시하였다. 동일한 시험은 미국에서도 이미 개최하였고, 자동차회사들의 관심은 높다. 우선은 고급차부터 채용할 것 같으며, 앞으로의 전동차량 투입에 맞춰 보급이 시작될 것 같다.

     -- 끝 --