테슬라에서 아이오닉까지 전고체 배터리 · 인휠모터 · 컨트롤 유닛의 최신 EV
내연기관차의 종말이 온다!
전기차 시대를 이해하는 첨단 EV 메커니즘 해설
지난 2021년 7월, 고급 자동차의 대명사 메르세데스 벤츠가 모든 자동차 제품군을 전동화하기로 선언했다. 2030년까지 약 54조 원을 투입하겠다는 야심 찬 계획이다. 이미 포드, 폭스바겐, GM 등 여러 제조업체가 완전 전동화를 선언했기에 이번 일은 전기 자동차가 자동차 산업의 미래라는 사실을 다시 한번 확인시켜준 셈이다. 시장은 전기 자동차의 시대로 한 걸음 더 다가섰고, 전기 자동차를 향한 사람들의 관심은 연일 높아지고 있다. 이처럼 시장은 급변하고 있지만, 여전히 적지 않은 이가 ‘전기 자동차’를 제대로 이해하지 못한 채 소문과 오해로 점철된 미로 속에서 헤매고 있다.
그들은 전기 자동차가 시기상조라고 말한다. 전기 자동차는 느리고, 충전이 불편하며, 배터리 수명이 짧아서 결국 유지 비용이 증가할 것이라고 지적한다. 이 외에도 전기 자동차에 부정적인 견해를 밝히는 사람은 여러 이유를 꼽는다. 과연 이 말은 모두 사실일까. 혹시 기술적 이해가 부족해서 시대의 흐름을 잘못 파악하고 있는 것은 아닐까.
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저자 소개
저자 : 톰 덴튼
영국의 방송통신대학 자동차학과 교수. 도로교통기술자협회(IRTE) · 국제자동차기술자협회(SAE International) 회원으로, 40년 넘게 자동차 산업에 종사한 경험과 노하우를 바탕으로 자동차 전문서를 30종 이상 출간한 자동차 기술 전문가다. 《Automobile Mechanical and Electrical Systems》 《Advanced Automotive Fault Diagnosis》 등의 책은 전 세계 자동차학과 학생과 관련 분야 기술자의 필독서로 사랑받고 있다.
《전기차 첨단기술 교과서》에서는 전기 자동차의 구조와 원리는 물론이고 산업 현장에 도입되고 있는 최신 기술과 혁신, 미래 기술 전망까지 정리해 소개한다. 폭스바겐 · 테슬라 · 콘티넨탈 · 보쉬 등 세계적인 자동차 제조업체와 부품 업체에서 제공한 풍부한 자료와 정보를 바탕으로 전기 자동차의 현재와 미래를 조망한다.
역자 : 김종명
서울대학교 공업화학과를 졸업했으며, 미국 신시내티 대학교에서 재료공학 박사 학위를 받았다. 다년간 연구소에서 근무하며, 번역에이전시 엔터스코리아에서 전문 번역가로 활동하고 있다.
목 차
머리말 전기 자동차, 이미 다가온 미래
1장 전기 자동차란 무엇인가?
EV와 하이브리드 차량
전기 자동차의 종류│전기 자동차의 시장 규모│전기 자동차의 운전 경험│전기 자동차의 역사
비용과 배기가스
전기 비용 문제│차량 수명의 종료│이산화탄소 배출량 절감│배기가스│국제표준 배출가스 시험 방식│환경 전 과정 평가│지능형 프로그래밍
전기 자동차에 얽힌 잘못된 믿음과 진실
시대 변화에 따른 혼란과 소문│전기 자동차와 미신
2장 전기 자동차를 이해하는 전기 전자 이론
기초 전기 이론
전기란 무엇인가│전자와 통상적인 전류│전류의 효과│기본 물리량│전기 회로 설명│도체, 절연체, 반도체│도체의 저항을 결정하는 요인│저항기와 회로 네트워크│자력과 전자기력│전자기 유도│상호유도│모터의 기본 원리│정의와 법칙
전자 부품 알아보기
전자 제어 장치의 종류│회로를 구성하는 부품
집적 회로의 기초
3장 전기 자동차의 구조
전기 자동차의 레이아웃
전기 자동차를 구분하는 법│싱글 모터│휠 모터
하이브리드 전기 자동차의 레이아웃
하이브리드란?│하이브리드 차량의 분류│작동 모드│하이브리드 파워 시스템의 구성│48V 하이브리드 시스템│하이브리드 제어 시스템│포르쉐의 하이브리드 차량│효율이라는 문제
케이블 및 부품
고전압 케이블│전기 자동차의 구성 부품│UN이 개발한 EV 시스템, ECE-R100
기타 시스템
냉난방│열적 과제│액체 냉각│열펌프│브레이크│파워 스티어링│DC/DC 컨버터│콘티넨탈의 열 관리 기술
고전압 안전장치
릴레이의 역할│파일럿 라인│충돌 안전│절연 저항
중형 차량의 전기 구동 시스템
더 많은 전력이 필요한 시스템│구성 부품의 예
4장 배터리 첨단기술
배터리 전반에 대해
배터리 주행 거리│배터리 수명과 재활용│배터리 충전량│배터리의 성능 상태│배터리 종류와 특징│납산 배터리│알칼리성 배터리│나트륨 염화니켈 배터리│나트륨 황 배터리│리튬 이온 배터리│연료전지│슈퍼 커패시터│ 플라이휠│배터리 종류별 에너지 밀도
배터리 기술의 발전
온도와 배터리의 관계│급속 충전 배터리│열 폭주│전고체 배터리│클라우드 기반 배터리 관리
5장 모터와 제어 시스템
모터 기술의 기초
모터 종류│모터 기술 동향
전기 모터의 구조 및 기능
AC 모터의 기본 원리│비동기식 모터│동기 모터: 영구 엑시테이션│DC 모터: 직렬 권선│DC 모터: 별도로 여기된 션트 권선│모터 토크 및 동력 특성│전기식 정류 모터│스위치드 저항 모터│모터 효율
제어 시스템
대략적인 제어 시스템의 구성│기본 작동│시작 및 종료│고전압 DC 릴레이│출력 제어│펄스폭 변조│센서│배터리 제어│셀 밸런싱│부품 냉각
모터 기술 발전 및 개발
권선 형태 및 단열재│축 및 방사 방향 권선
6장 충전 첨단기술
충전, 표준 및 인프라
인프라│충전 시간│충전 비용│표준화│충전 방법│충전 모드│통신 시스템│EU 시스템│충전 플러그│V2G 기술
무선 전력 전송
기술 현황에 대해│정적 WPT│동적 WPT│BMW의 무선 충전 시스템
7장 전기 자동차 작업에 필요한 도구 및 위험 관리
일반적인 안전 대책
안전을 위한 두 가지 규칙│안전 문제에 관하여│전문가 등록 제도│일반 안전 지침│일반 위험 및 위험의 감소
고전압과 관련한 안전 예방 조치
감전 사고의 위험성│저전압과 고전압의 차이│개인 보호 장비│고에너지 케이블 및 부품│AC 감전│DC 감전│보호 장치
안전 작업 프로세스
전기 자동차를 작업할 때의 위험│전기 자동차 작업의 범주│안전한 작업을 위한 몇 가지 절차
위험 관리
초기 진단│화재 대처
공구와 장비
수공구의 사용 목적과 지침│테스트 장비│작업장 장비│고전압 공구│온보드 진단
8장 유지 보수 · 수리 · 교체
작업 시작 전
작업자가 고려해야 할 예비 사항│기술 정보│전원 차단
작업 진행 중
유지 보수의 주기│다른 시스템에 영향을 미치는 수리│고전압 부품 검사하기
부품 제거 및 교체
고전압 부품│배터리 팩│저전압 부품
작업 완료
전원 재공급│결과, 기록, 조언
도로변 응급 지원
제조업체가 제공하는 정보│비상 시동│도로변 수리│차량 구난│견│비상 대응│화재│배터리 운반│프로 어시스트 하이브리드 모바일 앱
9장 고장 및 이상 진단과 수리
시작하기 전에
HEVRA에 대해
절연 테스트
실시간 데이터
데이터 스캔의 중요성│실시간 데이터 수집
진단 및 수리 사례
고전압 작업은 자격자에게│에어컨│렉서스의 절연 문제│르노 조에의 PEB 수리│르노 콘티넨탈 PEB의 내부│푸조 이온 배터리 수리│푸조 이온 충전기 수리│고전압 시스템 전원 켜기│냉각수 펌프 제어
맺음말
참고 문헌
후주
자동차 기술 아카데미 소개
찾아보기
출판사 서평
전기차 공부는 이 책으로 끝내라
기초부터 전문 지식까지, 전기차 해설의 시작과 끝
《전기차 첨단기술 교과서》는 사람들의 편견과 무지를 불식한다. 다만 개인의 의견이 아닌 기술과 원리로 사람들의 의심과 질문에 차근차근 답변한다. 전기 자동차가 느리고 충전이 불편하다는 문제부터 짚어보자. 저자는 전기 자동차에 쓰이는 모터의 작동원리를 설명하면서 전기 자동차가 기존 자동차보다 뛰어난 가속 능력과 시속 200킬로미터가 넘는 속도를 어떻게 발휘할 수 있는지 설명한다. 모터는 구조상 변속기가 필요 없고, 100%에 달하는 토크를 즉시 낼 수 있다. 《전기차 첨단기술 교과서》는 모터를 종류별로 살펴보면서 전기 자동차의 실제 성능을 이해할 수 있는 지식 기반을 제공한다.
배터리 성능의 태생적 한계 때문에 충전이 불편하고, 유지 비용이 필연적으로 증가할 것이라는 문제 또한 사람들의 인식과 실제에 괴리가 있다. 물론 제조업체들이 배터리 문제를 완전히 해결한 것은 아니다. 아직 몇 분의 충전만으로 수백 킬로미터를 운행할 수는 없다. 그러나 배터리 성능은 꾸준히 개선되고 있으며, 현재 배터리 성능도 일부 사람들의 오해처럼 실생활에 불편을 줄 정도는 아니다. 2021년 기준으로 신형 전기 자동차는 주행 거리가 300킬로미터에서 400킬로미터 전후이며, 충전 속도도 빨라져서 급속 충전이라면 충전량의 80%를 채우는 데 20분 안팎의 시간이 필요할 뿐이다. 게다가 이 책에 따르면 미래 기술도 빠르게 발전 중이다.
그중 하나가 바로 무선 충전 기술인 WPT(Wireless Power Transfer)다. 특히 이 책은 차량이 이동하면서 무선으로 배터리를 충전하는 동적 WPT에 주목해서 해당 기술의 작동원리와 구조를 그림으로 잘 설명하고 있다. 얼마 전 과학기술정보통신부와 대전광역시가 무선 충전 기능이 있는 전기 버스를 만들어 시범 운행을 진행한 적이 있는데, 이때 적용된 기술 중 하나가 동적 WPT다.
배터리 수명과 관련한 유지 비용도 너무 걱정할 수준은 아니다. 2020년 기준으로 제조업체가 보장하는 배터리 수명은 최소 8년이며 주행 거리는 16만 킬로미터에 달한다. 사실 보장 수명과 주행 거리를 달성한 배터리조차 사용이 가능한 수준의 성능이 남아 있다. 그리고 앞으로 나올 전기 자동차의 배터리 성능은 이보다 더욱 뛰어나고, 배터리 가격 또한 하락할 예정이다. 배터리 때문에 내연기관차보다 더 큰 비용을 치를 것이라는 말은 오해에 불과할지도 모른다.
게다가 3~4년 뒤에 생산될 전고체 배터리는 주행 거리가 지금보다 2배 이상 길고, 충전 시간은 훨씬 짧다. 나트륨 이온이나 리튬 메탈 방식의 배터리도 개발 중이다. 이 책에서 설명하는 배터리의 구조와 기술, 미래 전망 등을 보고 있자면 전고체 배터리 같은 선도 기술이 현재의 미진한 부분을 어떻게 해결할 수 있는지를 기술적인 측면에서 확인할 수 있다.
전기차는 여러 기술의 집약체
구조와 원리로 이해하는 전기차의 진짜 모습
또 하나 주목할 점은 이 책이 배터리와 모터에만 집중하지 않는다는 사실이다. 배터리와 모터는 전기 자동차의 핵심이지만 전부는 아니다. 《전기차 첨단기술 교과서》는 주전원 MCU와 컨버터, IGBT, 초퍼 회로 등이 어떻게 작동하는지를 설명하며, 배터리 잔량과 충전량을 관리하는 배터리 제어 시스템의 구성 요소를 살펴본다. 물론 냉난방 장치와 열펌프, 브레이크, 파워스티어링 등 기타 구성 요소를 제어하는 시스템도 소개한다.
결국 이 책으로 전기 자동차의 구조와 작동원리 전반을 이해하고, 전기 자동차의 실체에 기술적으로 접근할 수 있다는 말이다. 지금은 인식이 많이 바뀌었지만, 한때 전기 자동차는 배터리와 모터만 있으면 쉽게 만들 수 있다는 말이 떠돈 적이 있다. 이 책에서 확인할 수 있듯이, 전기 자동차는 생각보다 복잡하며 정밀한 기술과 부품이 다양하게 필요하다.
《전기차 첨단기술 교과서》는 전기 자동차의 수리와 고장 진단, 긴급 대응과 관련한 사례를 여럿 소개한다. 내연기관 자동차의 경우, 차량 소유자가 직접 정비하지는 않더라도 이런저런 이유로 관련 지식을 익혀둘 때가 있다 게다가 간단한 유지 보수 정도는 직접 할 때가 있다. 전기 자동차도 마찬가지다. 앞으로 전기 자동차는 지금보다 더욱 빠르게 대중화의 길로 접어들 것이고, 전기 자동차의 유지 보수나 정비법을 알고 싶어 하는 사람이 점점 늘어날 것이다. 직접 정비를 하지 않더라도 유지 보수와 정비 관련 지식을 알아두면, 합리적인 방법으로 정비 문제를 해결하는 데 도움이 된다.
테슬라 · 폭스바겐 · 보쉬 · BMW
글로벌 자동차 제조사의 최신 정보를 수록
아무리 좋은 내용이라도 읽고 이해하는 일이 어렵다면 아무 소용이 없다. 《전기차 첨단기술 교과서》는 이 같은 점을 고려해 전문 지식을 지향하면서도 기초부터 차근차근 설명한다. 전문적인 기술을 설명하기 전에 전기 자동차의 종류, 현재 시장 규모, 전기 자동차의 역사와 운전 경험, 환경 문제 같은 배경지식을 다룬다.
이후에는 전기 자동차의 구조와 기술을 본격적으로 설명하지만, 이때에도 입문자를 위한 안배가 존재한다. 전기 자동차를 이해하는 데 필요한 전기 전자 이론을 따로 설명해서 모터를 포함한 여러 전자 부품을 이해하는 기초 지식을 익힐 수 있도록 했으며, 책 곳곳에 용어를 설명하거나 본문의 핵심을 정리해주는 코너가 존재해서 독자의 이해를 돕는다.
테슬라 · 폭스바겐 · BMW 등 제조업체 80여 곳에서 제공한 자료를 수록했다는 점도 장점이다. 추상적인 기술 설명만 이어지면 자칫 이해하기 어려운 책이 된다. 이 책은 제조업체 80여 곳과 협력해 다채로운 데이터와 사진 자료를 실었으며, 이 참고 자료는 일반인도 쉽고 빠르게 전문 지식에 접근할 수 있도록 도와준다.
전기차에 관한 궁금증을
해결해줄 EV 지식의 바이블
전기 자동차는 분명 자동차 산업의 미래이며 새로운 성장 동력원이다. 그러나 지금의 변화가 과연 올바른 것이고 합리적 선택인지 확신할 수 없는 사람도 있다. 《전기차 첨단기술 교과서》는 기술적 이해가 부족해 전기 자동차를 이해하지 못한 사람에게 나침반 구실을 한다. 전기 자동차를 둘러싼 사람들의 질문과 호기심에 상세한 기술적 해설을 덧붙여 답하기 때문이다. 전기 자동차가 왜 이런 구조를 취하는지, 왜 이런 주행 특성이 있는지, 왜 배터리와 모터가 중요한지 등 전기 자동차와 관련한 많은 이슈를 편견과 개인적 의견이 아닌 기술과 원리로 해설한다. 향후 자동차 시장을 지배할 전기 자동차를 올바르게 이해하고 합리적 선택을 하려는 사람들에게 이 책은 분명 좋은 길잡이가 될 것이다.
