환경규제와 친환경 선호 주목받는 EV 배터리와 모터


자동차의 파워트레인이란 동력 장치에서 생산한 동력을 바퀴에 전달하는 과정에서 필요한 시스템을 말한다. 파워트레인은 이동수단인 자동차가 움직이게 만드는 동력을 담당하기 때문에 그 어느 부속품보다 중요할 수밖에 없다. 그런데 최근에는 파워트레인에 변화가 생기고 있다. 세계 각국에서 전기자동차(EV)가 성장함에 따라 기존 내연기관차의 파워트레인인 엔진과 관련 부속품과는 다른 배터리와 모터가 주목받고 있는 것이다. 오늘날 각광받는 전기자동차의 배터리와 모터의 시장흐름과 전망을 살펴봤다.


BCG, “전기차 비중 2030년에는 50% 이상 될 것”
전기자동차의 성장이 두드러진 이유는 점점 고갈되는 석유자원과 함께 지구온난화로 인한 환경규제와 2015년에 발생했던 폭스바겐 디젤게이트를 들 수 있다.

세계 각국은 지난 1997년 석유자원 고갈과 지구온난화 방지를 위해 국제협력 차원에서 교토의정서 채택 발효(2005년)했다. 이에 따라 EU는 2012년부터 자동차의 이산화탄소 평균 배출량은 130g/km 이하로 규제했으며 2020년까지 95g/km 수준으로 줄여야 한다. 이를 계기로 노르웨이는 2025년까지, 네덜란드는 2030년부터, 영국과 프랑스는 2040년까지 내연기관차 판매를 금지할 예정이다. 중국도 내연기관차 생산과 판매를 금지하는 법안을 검토 중인 것으로 알려져 있다. 전세계가 향후 10여 년 내외로 내연기관차의 종말을 선언한다고 해도 과언이 아니다.

하지만 2020년 교토의정서가 만료됨에 따라, 세계 각국은 이를 대체할 신기후변화협약(파리협약)을 2015년에 채택했다. 이 협약에서는 전 세계 195개 국가가 참여해 지구 기온의 상승폭(2100년 기준)을 섭씨 2도보다 훨씬 낮게 유지하기로 합의했다.

특히 지난 2015년 폭스바겐의 디젤게이트가 발생하면서 자동차 제조업체들이 전기자동차 개발에 적극 나서고 있다. 당시 폭스바겐의 디젤 엔진에서 나오는 배기가스가 기준치의 40배를 넘는다는 사실이 밝혀졌다. 주행시험으로 판단될 때만 저감장치를 작동시키도록 엔진제어장치를 프로그래밍했다는 사실이 드러나면서 파문이 일었던 사건이다. 이로 인해 유럽 내 디젤차의 비중이 급격히 줄어들었다. 2015년 51.6%였으나 2018년에는 35.6%까지 떨어졌다.

이처럼 세계 각국의 환경규제와 디젤게이트로 인해 자동차 업계가 바빠지기 시작했다. 자동차 산업은 자연친화적인 기술로의 전환을 꾀하며 전기자동차 개발에 박차를 가하고 있다. 블블롬버그 신에너지 파이낸셜이 2017년 11월 전기자동차의 글로벌 판매량이 전년 대비 63% 상승했다고 발표한 것에도 확인할 수 있다.

BCG(보스턴 컨설팅 그룹)는 2030년까지 전 세계적으로 하이브리드 자동차 등을 포함한 전기자동차의 시장점유율이 점차 상승하면서, 기존 내연기관차의 시장점유율이 50%까지 줄어들 것으로 예측했다. 특히 미국은 2030년까지 모든 신형 차량의 50% 가까운 차량들이 전기자동차로 대체돼 상당한 변화를 보일 것으로도 예측했다. 어찌 보면 이는 전기자동차에 대한 지나친 낙관론일 수도 있다. 하지만 최근 세계 각국의 환경규제와 급속히 발전하고 있는 전기자동차 기술로 인한 원가 하락을 살펴볼 때, 전기자동차의 비중이 향후 상당히 오를 것은 분명한 사실이다. 실제로, 지난 10년간 미국에서 BEV(순수 배터리 전기자동차)의 총 소유 비용은 내연기관차보다 실질적으로 낮게 설정됐다는 점에 주목할 필요가 있다. 내연기관차는 판매 감소에 직면하는 반면, 전기자동차 기술, 특히 kw/h당 배터리 셀 비용은 계속 감소할 것으로 예상된다.

전기자동차가 점차 대세로 떠오르고 있다는 사실은 자동차산업의 미래를 제시하는 오토쇼에서 확인할 수 있다. 지난 9월 12일부터 22일까지 독일 프랑크푸르트에서는 ‘2019 프랑크푸르트모터쇼’가 열렸다. 이번 모터쇼의 특징은 자동차 산업이 내연기관차에서 전기자동차로 갈아타는 추세가 반영됐다는 데 있다. 현대가 포니를 재해석한 콘셉트카(EV) 45를 선보인데 이어, BMW는 4시리즈 쿠페 모델인 전기자동차 ‘콘셉트4’를, 아우디는 험로주행용 전기자동차 ‘아우디 AI: 트레일 콰트로’를, 폭스바겐은 전기자동차인 ID.3을 공개했다. 그에 비해 내연기관차 부스는 축소되거나 전통적 내연기관 업체들이 오토쇼에 참여하지 않는 사태도 벌어졌다.

중국의 규제로 발목잡힌 국내 배터리 업계
자동차의 파워트레인이란 앞서 밝힌 것처럼, 동력 장치에서 생산한 동력을 바퀴에 전달하는 과정에서 필요한 시스템을 말한다. 내연기관차의 파워트레인은 동력장치인 엔진과 동력전달기관인 클러치, 변속기 등으로 구성된다. 이와는 달리, 전기자동차의 파워트레인은 동력을 만드는 모터, 전기의 특성을 제어하는 파워일렉트로닉스, 전기에너지를 저장하는 전지팩을 포함한다.

이중 전기자동차의 비중이 증대함에 따라 중요시될 것으로 보이는 배터리와 모터의 시장 동향을 글로벌 컨설팅사가 제시한 시장전망으로 살펴봤다.

먼저 배터리 분야에서는 향후 7.33%의 높은 성장이 기대된다. Market Watch는 자동차 배터리가 2017년 521억 달러에서 2026년 1011억 1200만 달러로 연평균성장률(CAGR)이 8.5%를 달성할 것으로 낙관했다. Wise Guy Reports는 2018년 386억 3000만 달러에서 2025년 619억 5000만 달러로 CAGR이 6.98%에 이를 것으로 내다봤다. Modor Intelligence는 2018년부터 2024년까지의 CAGR이 6.50를 기록할 것으로 분석했다. Wise Guy Reports는 특히 아시아 태평양 시장이 2018~2025년 사이에 9.0%의 높은 연간성장률을 보일 것으로 예측하고 있다.

Stratistics Market Research Consulting은 교통수요 증가, 자동차 산업의 급속한 팽창, 다양한 크기와 사양의 배터리의 대량공급, 전기자동차에 대한 정부의 세심한 계획, 친환경차에 대한 소비자의 선호도 증가와 같은 요소들이 시장 성장을 주도하고 있다고 밝혔다. 하지만 니켈과 같은 원자재의 가격 변동은 시장 성장을 저해하는 주요 요인 중 하나라고 지적했다.

SNE리서치는 최근 2019년 상반기 전 세계의 전기자동차용 이차전지의 출하량을 발표했다. 중국기업 출하량은 전체의 52.9%를 차지했다. 이에 비해 한국 기업들은 19.7%를 기록했다. 상위 10개 업체에는 중국기업인 CATL(26.4%), 비야디(14.5%), Guoxuan(3.4%), Lishen(1.5%), EVE배터리(1.1%) 등이 자리잡으며 시장장악력을 키워나가고 있다.

업계에서는 중국 배터리 시장이 세계 시장을 장악한 데에는 자국 업체의 보호육성에서 비롯됐다는 의견이 많다. 중국 정부는 2017년 1월부터 지금까지 한국산 배터리를 탑재한 전기자동차에 대해 보조금을 지급하지 않으며 한국 배터리 업체를 견제하고 있다. 명목상 사드(고고도미사일방어체계) 보복의 일환으로 진행한 한국산 배터리 보조금 배제는 자국 배터리 기업의 성장을 이끌었다. 리튬이온 배터리 산업에서 일본과 함께 상당한 기술적 우위를 가졌던 국내 기업이 중국이라는 큰 시장을 잃어버리니 주춤할 수밖에 없었다. 중국 배터리 업체들은 중국 정부의 적극적인 지원과 거대한 내수 시장을 바탕으로 성장해 글로벌 전기자동차 시장에서 상위권을 장악하고 있다.

중국은 2020년에는 직접적인 보조금 지원을 전면 폐지할 예정이다. 하지만 업계 관계자들은 친환경 자동차에 대한 신규 번호판 발급 우대정책을 펼치는 ‘더블 포인트’제도를 진행할 가능성이 높다고 밝히고 있다. 중국 대도시에서는 번호판 발급에 수 개월이 걸리는데 친환경 자동차에는 번호판을 쉽게 주는 우회 지원책을 쓰겠다는 것이다. 2020년에도 한국산 배터리를 사용하는 전기자동차에 대한 불이익은 계속될 것으로 보인다.

모터 분야는 이보다 낮은 6.35%의 성장잠재력을 갖고 있다. Technavio는 2019년부터 2023년까지 CAGR이 9.0%에 달할 것으로 예측하며 상당히 시장을 긍정적으로 바라봤다. 이에 비해, Maximize Market Research는 2016년부터 2024년까지 CAGR이 5.97%로, Planet Market Reports는 2019년부터 2024년까지 CAGR이 4.07%로 Technavio보다는 상대적으로 낮게 전망해 대조를 이뤘다. 세 곳의 조사결과에서 큰 차이가 나서, 이 시장에 대한 장기 예측이 그만큼 힘들다는 방증인 셈이다.

자동차의 모터는 전기를 이용해 회전운동의 힘을 얻는 기계다. 모터 축에 감속기를 연결해 적절한 회전력을 바퀴에 전달해 차량을 움직이게 하는 것이다. 자동차용 모터로는 DC모터, AC모터, 브러쉬리스 모터(BLDC), PMSM등 크게 네 가지로 나눌 수 있다.

EPA(미국 환경보호청)는 ‘2018 Fuel Economy Guide’에 전기자동차량 별로 채택한 모터를 자세히 다루고 있다. 닛산 리프는 BLDC모터를, 테슬라 모델S과 모델3, BMW i3, 피아트 500e는 AC모터를, 현대 아이오닉 일렉트릭, 기아 쏘울 일렉트릭, 폭스바겐 e-골프, 포드 포커스 일렉트릭은 PMSM을 채택했다.

네 가지 모터 중 어느 하나가 절대적 우위에 있다고 볼 수는 없으나, 최근에는 전기자동차 모터로 PMSM가 주목받는 걸 알 수 있다. 심지어 최근 포르쉐가 공개한 전기 스포츠카인 타이칸(Taycan)도 PMSM을 적용했다. PMSM은 영구자석 동기 모터로, 브러쉬(와 정류자)가 없어서 내구성이 뛰어나고 계자 코일의 손실에 의한 온도 상승이 없어 이에 대한 보호가 필요없다는 장점이 있다.

최근에는 차세대 모터로 인휠 모터(In Wheel Motor)가 각광받고 있다. 인휠모터는 각 바퀴에 모터를 장착하는 개념을 의미한다. 구동 과정이 간소화돼 동력손실이 줄고, 각 바퀴 구동력을 독립적으로 제어할 수 있으며, 차체 무게를 줄일 수 있다. 하지만 구조가 복잡해 시스템 제어가 어렵다는 단점이 있다. 일본 NSK는 2017년 1월에 변속기를 내장한 전기자동차용 인휠 모터를 공개했다. 우리나라에서는 모헤닉게라지스가 모헤닉Ms 전기자동차에 2018년 12월 17일 인휠모터를 장착하고 주행테스트를 성공적으로 마쳤다. 그 외에도 완성차 업체들이 인휠 모터의 개발에 박차를 가하고 있다.