전기차 메커니즘 교과서(지적 생활자를 위한 교과서)

배터리부터 자율주행까지 전기차 발전을 이끄는 혁신 기술을 읽는다 결국 전기차 시대의 도래는 진짜였다. 몇 해 전 자동차 업계가 전동화 시대의 개막을 선언했을 때, 많은 사람이 반신반의했다. 여전히 전기차는 비쌌고, 주행거리는 만족스럽지 않았으며, 충전은 불편했다. 성장세가 주춤하자 '캐즘'에 빠졌다는 전망도 이어졌다. 그럼에도 전기차 시장은 꾸준히 성장했다. 가격 경쟁력을 갖춘 배터리가 등장하고, 보급형 전기차 모델이 늘었으며, 충전 인프라와 관련 기술도 빠르게 발전했다. 이제 전기차는 먼 미래의 자동차가 아니라 오늘날 자동차 산업의 방향을 결정하고, 자동차 제조사의 경쟁력을 판가름하는 기준이 됐다. 엔진이 사라진 시대 좋은 자동차는 무엇인가? 《전기차 메커니즘 교과서》는 이 변화의 한복판에서 자동차를 다시 이해하는 책이다. 전기차를 '엔진 대신 모터를 단 자동차' 정도로 설명하지 않는다. 전기차를 움직이는 힘이 어떻게 만들어지고, 그 힘을 저장하고 제어하는 방식은 무엇인지를 짚는다. 전동화라는 변화가 자동차 성능과 산업의 경쟁 구도를 어떻게 바꾸고 있는지를 차근차근 설명한다. 전기차라는 제품을 넘어, 새롭게 재편되고 있는 자동차 세계를 이해하는 것이 이 책의 목표다. 우리는 먼저 익숙한 자동차 상식에서 벗어날 필요가 있다. 내연기관차에서는 엔진의 배기량과 출력, 변속기의 성능이 중요했다면 전기차에서는 배터리와 모터, 인버터, 충전 시스템, 열관리가 성능과 경쟁력을 결정한다. 같은 용량의 배터리를 탑재해도 어떤 차는 더 멀리 달리고, 어떤 차는 겨울철 주행거리 감소가 적으며, 어떤 차는 짧은 시간에 훨씬 많은 전기를 충전한다. 최근에는 국내에서 자율주행이 아직 불가함에도 전기차 선택의 기준으로 자율주행 성능도 거론되고 있다. 상황이 달라진 만큼 자동차를 바라보는 기준이 달라져 버렸다. 제조 사양의 숫자만 믿지 마라 전기차의 진짜 경쟁력을 알아보는 법 자동차를 평가하는 기준을 새로 세우려면 전기차가 무엇인지부터 이해해야 한다. 이 책은 우리가 알아야 할 전기차의 작동 원리를 하나씩 풀어낸다. 전기가 배터리에서 어떻게 저장되고, 인버터를 거쳐 어떻게 모터를 움직이는 힘으로 바뀌는지, 감속기는 왜 필요하며 브레이크를 밟을 때 버려질 에너지가 어떻게 다시 배터리로 돌아오는지 등을 설명한다. 전기차 운전자라면 궁금해할 질문에도 책은 답한다. 겨울철에 왜 주행거리가 줄고, 히트 펌프와 배터리 컨디셔닝은 무엇을 해결하는지, 충전 속도는 무엇으로 결정되며, 배터리 화재를 막기 위해 자동차 안에 어떤 조치를 하는지 말이다. 차근차근, 저자가 내놓는 답을 따라가다 보면 처음에는 낯설게 보이던 기술들이 서로 연결되면서 전기차 전체의 모습이 드러난다. 이 과정이 어렵고 딱딱한 기술 설명에 머물지 않는 것은 저자가 실제 전기차 개발 현장을 겪은 경험 덕분이다. 저자는 2018년 중국에서 전기차 개발 프로젝트에 참여했는데, 그곳에서 마주한 전기차는 막연한 미래 기술도, 친환경이라는 명분만으로 만들어지는 제품도 아니었다. 가격과 주행거리, 배터리 성능과 안전성, 각국의 규제와 시장 상황을 치밀하게 계산해서 완성하는 상품이었다. 저자는 이 경험을 책에 녹여냈고, 이 덕분에 단순히 기술 설명이 아니라 '왜 이런 기술이 필요했는지'를 책에서 말한다. 모든 기술에는 이유가 있다 시스템으로 이해하는 전기차 구조 앞서 말했듯 우리가 전기차를 이해해야 하는 이유는 분명하다. 전기차 때문에 자동차 산업의 경쟁 기준 자체가 달라졌고, 우리가 차를 구매할 때 갖추면 좋을 지식도 달라져서다. 내연기관 시대에는 오랜 시간 축적한 엔진 기술과 거대한 부품 공급망이 신규 업체의 진입을 막는 장벽이었다. 전기차 시장에서는 이런 장벽이 낮아지거나 사라졌다. 전자제품을 만들던 기업이 자동차 시장에 뛰어들고, 자동차 성능이 소프트웨어 업데이트로 달라지며, 자율주행과 인공지능이 자동차 회사의 핵심 경쟁력으로 떠올랐다. 좋은 엔진을 만드는 회사가 좋은 자동차 회사였던 시대에서 배터리와 전력 제어, 소프트웨어를 얼마나 잘 통합하느냐가 중요한 시대로 넘어간 것이다. 그래서 이 책은 후반부로 갈수록 자연스럽게 전기차 바깥으로 시야를 넓힌다. 충전 인프라와 전력망, 배터리 재활용, V2G를 거쳐 소프트웨어 중심 자동차와 자율주행까지 이어진다. 처음에는 '전기차는 어떻게 움직이는가'라는 질문으로 시작했지만, 점차 '앞으로 자동차는 무엇이 될 것인가'라는 질문에 도달한다. 책은 전기차를 총체적으로 이해하는 길로 우리를 이끈다. 본질을 이해하면 보이는 전기차 기술과 업계의 트렌드 최종적으로 이 책은 전기차를 다르게 보는 방식을 제안한다. 주행거리 몇 킬로미터, 배터리 몇 kWh라는 숫자만 비교하는 대신 그 이면에 있는 기술을 보는 것이다. 이러한 안목을 갈고닦는다면 새로운 전기차가 등장했을 때 무엇이 진짜 개선됐는지, 화려한 홍보 문구가 아니라 어떤 기술이 경쟁력을 만드는지 등을 스스로 따져볼 수 있다. 전기차를 사려는 사람에게는 차를 고르는 기준이 되고, 자동차에 관심 있는 사람에게는 변화하는 산업을 읽는 기준이 된다. 자동차는 이미 달라졌다. 그렇다면 자동차를 이해하는 방법도 달라져야 한다. 《전기차 메커니즘 교과서》는 이런 변화를 이해하는 데 필요한 지식을 한 권에 담았다. 전기차를 알고 싶은 사람뿐 아니라, 앞으로 어떤 자동차가 살아남고 어떤 기술이 자동차의 미래를 결정할지 알고 싶은 사람에게 훌륭한 가이드가 돼줄 것이다.

머리말 자동차의 현재이자 미래는 바로 전기차입니다

1장 거스를 수 없는 전기차로의 전환
1-1 전기차 개발의 역사
1-2 우리나라는 전기 자동차를 언제 개발했을까
1-3 기후 변화 시대에 필요한 전기차
1-4 비싼 전기차를 사는 부담을 줄여주는 배터리 보조금
1-5 전기차만 다닐 수 있는 그린 존
1-6 기업 평균 연비 규제-CAFE
1-7 내연기관은 이제 OUT!
1-8 단순해서 더 만들기 쉬운 전기차
1-9 여전히 계속되는 전기차 증가세
칼럼 배기가스 규제와 온실가스 규제는 서로 방향이 다르다

2장 전기차의 종류와 구동 원리
2-1 배터리 용량에 따라 구분되는 전기차
2-2 상황에 따라 동력원을 바꾸는 하이브리드
2-3 전기차로 한 발짝 더 다가선 플러그인 하이브리드
2-4 엔진을 배터리 충전에만 쓰는 EREV
2-5 배터리 에너지로만 움직이는 순수 전기차
2-6 전기차를 움직이는 구동 모터와 감속기
2-7 전기차와 내연기관차의 에너지 효율 비교
2-8 배터리, 전기차의 진짜 주인
2-9 전기차의 전력 흐름을 지휘하는 인버터
2-10 전기차에 쓸 에너지를 채우는 충전 시스템
2-11 전기차의 열관리 시스템
2-12 전기차 전용 플랫폼
칼럼 더 멀리 가기 위해 더 가볍게 만들기

3장 조용한 질주의 비밀, 모터
3-1 전기에너지를 전달하는 두 가지 방식
3-2 전자와 자기, 앙페르의 오른나사 법칙
3-3 플레밍의 왼손법칙과 오른손법칙
3-4 모터의 기본 구조와 작동 원리(1)
3-5 모터의 기본 구조와 작동 원리(2)
3-6 직류 모터의 단점을 극복한 브러시리스 모터
3-7 네 바퀴를 독립적으로 움직이는 축방향 자속 모터
3-8 열심히 일하는 모터를 식히는 방법
3-9 회생제동, 모터의 또 다른 역할
3-10 전기차 모터의 출력 특성
칼럼 Formula E, 전기차 성능 경쟁의 끝판왕

4장 성능을 좌우하는 배터리 기술
4-1 전지 발명의 역사
4-2 전지의 분류
4-3 2차전지의 대표, 리튬 이온 전지의 구조
4-4 에너지 밀도에 초점을 맞춘 NCM 배터리
4-5 전기차의 대중화 시대를 이끄는 LFP 배터리
4-6 차세대 배터리로 주목하는 전고체 배터리
4-7 공간 효율을 살리는 Cell To Pack 기술
4-8 형태 따라 장단점이 뚜렷한 배터리들
4-9 전기차 배터리 팩의 구성
4-10 배터리를 총괄하는 BMS
4-11 배터리의 상태를 보여주는 SOC-SOH
4-12 전기차 배터리 화재의 위험성
4-13 전기차를 더 안전하게 만드는 기술들
4-14 배터리 모니터링 시스템
칼럼 중국산 배터리로 시작된 신냉전 시대

5장 전력망에서 바퀴까지, 전력 제어와 충전 시스템
5-1 전기차 내부의 전기에너지 흐름
5-2 전기에너지를 관리하는 고전압 릴레이들
5-3 교류와 직류 흐름을 관리하는 인버터
5-4 회생제동과 브레이크
5-5 브레이크 페달이 필요 없는 원 페달 운전
5-6 전기차를 충전하는 두 가지 방법
5-7 나라마다 다른 충전구 모양
5-8 주유소만큼 빠르게 충전하는 초급속 충전기
5-9 주차만 하면 충전이 되는 비접촉식 무선 충전
5-10 에너지가 가득 찬 배터리로 교환하는 방식
5-11 전기차와 전력 공급망을 이어주는 OBC
5-12 12V 시스템을 위한 DC-DC 컨버터
칼럼 인프라로 시장을 바꾼 테슬라의 슈퍼차저

6장 주행거리를 지키는 히트 펌프와 배터리 관리
6-1 겨울이 되면 주행거리가 감소하는 전기차
6-2 버리던 열에너지를 최대한 활용하는 히트 펌프
6-3 배터리를 적정 온도로 유지해 주는 냉각 방식
6-4 충전 속도와 효율을 극대화하는 배터리 컨디셔닝
6-5 배터리 셀들 사이의 편차를 조절하는 셀 밸런싱
6-6 전기차에 최적화된 복사열 워머
6-7 에어컨은 배터리 에너지를 잡아먹는 하마
칼럼 에너지 효율을 높이려는 자동차 제조사들

7장 전기차의 에너지 생태계와 미래 기술
7-1 전기차 시장에 필수인 충전 인프라
7-2 전기차만 운용하는 것이 가능한가?
7-3 꼭 친환경적인 것은 아닌 전기차
7-4 환경도 살리고 자원도 확보하는 배터리 재활용
7-5 친환경 발전과 전기차
7-6 물로 만든 수소를 이용하는 연료전지 자동차
7-7 연료전지 자동차가 사람들에게 외면받는 이유
7-8 수소 생태계를 조성하는 것이 첫 번째 과제
7-9 친환경 발전으로 유도하는 RE100
7-10 전기차를 에너지 저장소로 활용하는 V2G
7-11 다 쓴 배터리로 ESS를 만들자
7-12 자율주행 기술과 전기차
7-13 미래 자동차의 기본이 되는 전기차
칼럼 소프트웨어가 중심이 되는 시대

8장 전기차에서 완성되는 자율주행 기술
8-1 자동차는 어떻게 스스로 달릴까
8-2 달리기 제어에 어울리는 전기차 모터
8-3 자율주행 센서의 기본, 카메라
8-4 자율주행의 핵심 센서, 라이다와 레이더
8-5 여러 정보를 취합하는 센서 퓨전
8-6 차를 원하는 대로 움직이는 기본 제어
8-7 위치와 경로의 정확도를 높이는 고정밀 지도
8-8 가상현실에서 학습하면 더 똑똑해지는 인공지능
8-9 길 위의 모든 것들과 소통하는 V2X
칼럼 스스로 수익을 창출하는 모빌리티 자산의 탄생

참고 문헌 / 참고 사이트
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이정원 서울대학교에서 기계공학을 전공하고, 내연기관 연구로 석사 학위를 받았다. 2003년에 르노삼성자동차(現 르노코리아자동차)에 입사해 십여 년 동안 가솔린 · LPG · 디젤 엔진을 개발했으며, 여러 프로젝트 업무를 수행했다. 2018년에는 중국 조인트 벤처에 합류해 전기차 개발 프로젝트를 지휘하기도 했다. 2020년 국내 복귀 이후에 2024년 4월까지 르노코리아 탄소중립프로젝트를 이끌었으며, 지금은 가천대에서 학생들을 가르치고 있다.
2020년부터 자동차와 관련해서 다양한 정보를 일반 대중에게 전달하는 글쓰기를 시작했다. 브런치 · 아우토바인 · 아웃스탠딩 같은 여러 매체에 기고했으며, 국민대 · 경북대 · 10월의 하늘(한국도서관협회 행사) 등에서 강연을 진행했다. 자동차 산업 현장에서 쌓은 지식과 안목을 대중과 나누고픈 열망이 있다. 앞으로도 정확한 정보와 명쾌한 표현을 목표로 글쓰기를 꾸준히 해나갈 예정이다. 저서로는 《자동차 연비 구조 교과서》 《자동차 자율주행 기술 교과서》《전기차는 정말 친환경적일까요?》《자율주행차가 사고를 내면 책임은 누가 질까요?》가 있다.