전기자동차
1. 개요
전기자동차는 외부 전력으로 충전하여 전동기로 구동되는 차량으로, 1873년에 가솔린 자동차보다 먼저 개발되었으나 배터리 문제로 대중화에 어려움을 겪었다. 1990년대 이후 공해 문제로 개발이 다시 활발해졌으며, 2008년 테슬라 로드스터 출시를 계기로 전기차 시장이 성장했다. 현재는 배터리 기술 발전, 온실가스 배출 감소 요구 등으로 시장이 확대되고 있으며, CASE(Connected, Autonomous, Shared & Service, Electrified)로 대표되는 자동차 산업의 변화에 따라 탄소 중립 사회 실현을 위한 필수 기술로 인식되고 있다. 전기 자동차는 배터리식(BEV), 플러그인 하이브리드(PHEV), 수소 연료 전지차(FCEV) 등 다양한 종류가 있으며, 성능, 운용 비용, 안전성, 시장성, 정책 등 여러 측면에서 내연기관 자동차와 비교된다.
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| 설명 | 배터리에 저장된 에너지를 사용하여 전기 모터로 구동되는 자동차 |
|---|---|
| 유형 | 전기 자동차 |
| 기타 | 녹색 차량 솔라 자동차 풍력 자동차 하이브리드 자동차 |
| 동력 | 전기 모터 |
|---|---|
| 에너지원 | 배터리 |
| 에너지 효율 | 가솔린 자동차보다 에너지 효율이 높음 |
| 충전 방식 | 전기 자동차 충전소에서 충전 |
|---|
| 장점 | 대기 오염 감소 |
|---|---|
| 단점 | 배터리 생산 과정에서 환경 문제 발생 가능성 |
| 캘리포니아 | 2035년부터 가솔린 자동차 판매 금지 계획 |
|---|---|
| 유럽 연합 | 2035년부터 새로운 화석 연료 자동차 판매 금지 제안 |
| 2024년 | 전기 자동차 판매량 증가 추세 |
|---|---|
| 중국 | 세계 최대 전기 자동차 시장 2016년 이후 전기 자동차 판매량 급증 |
| 베스트셀링 | 테슬라 모델 Y가 세계에서 가장 많이 팔리는 자동차 |
| 기타 | 테슬라는 100만 대 이상의 전기 자동차를 판매한 최초의 자동차 회사 |
| 유지비 | 가솔린 자동차보다 유지비 절감 가능성 |
|---|---|
| 구매 가격 | 정부 보조금 및 세금 감면 지원 |
| 전고체 배터리 | 개발 중 |
|---|
-
전기 자동차 -
아이오닉 5
아이오닉 5는 현대자동차가 2021년에 출시한 전기차로, 3m에 달하는 휠베이스를 기반으로 넓은 실내 공간을 제공하며, E-GMP 플랫폼을 기반으로 800V 고속 충전 시스템을 지원하며 V2L 기능을 통해 최대 3.6kW의 전력을 공급한다. -
전기 자동차 -
토요타 RAV4
토요타 RAV4는 1994년 첫 출시 이후 다섯 세대에 걸쳐 생산되고 있는 콤팩트 SUV로, 전륜구동과 사륜구동 모델을 제공하며 가솔린, 디젤, 하이브리드, 플러그인 하이브리드 등 다양한 파워트레인과 여러 차명으로 판매되고 일부는 테슬라 파워트레인을 탑재한 전기차 모델로도 출시되었다.
2. 역사
1873년에 가솔린 자동차보다 먼저 제작되었으나, 무거운 배터리 중량과 긴 충전 시간 문제로 대중화되지 못했다. 1920년대 중반까지는 구조가 간단하고 내구성이 좋으며 운전이 쉬운 장점을 살려 여성용으로 소량 생산되기도 하였다. 1990년대 이후 공해 문제가 심각해지며 전기 자동차 개발이 다시 활발해졌다.
1996년 GM은 고성능 전기 자동차 GM EV1을 생산하였으나, 수익성이 없다는 이유로 단종시킨 후 모두 회수해서 폐차하였다. 이로 인해 소비자와 환경 단체들은 정유업체의 로비 의혹을 제기하기도 하였다. 1990년대 초, 캘리포니아 대기자원위원회(CARB)는 연비가 좋고 배출가스가 적은 차량에 대한 움직임을 시작했고, 궁극적인 목표는 전기 자동차와 같은 무공해 차량으로 전환하는 것이었다. 그러나 초기 전기 자동차들은 미국 자동차 제조업체들의 부정적인 여론 조성 캠페인으로 인해 결국 미국 시장에서 철수되었다.
(제너럴 모터스(General Motors))
2008년, 테슬라는 리튬이온전지를 사용한 최초의 고속도로 주행 가능 전기 자동차인 로드스터를 출시하며 전기차 시장의 새로운 장을 열었다. 로드스터는 한 번 충전으로 320km 이상 주행한 최초의 양산형 순수 전기 자동차였다.
(테슬라)
2009년 일본에서 출시된 미쓰비시 i-MiEV는 최초의 고속도로 주행 가능한 양산 전기 자동차였으며, 1만 대 이상 판매된 최초의 순수 전기 자동차이기도 했다. 2010년에 출시된 닛산 리프는 i-MiEV를 제치고 당시 가장 많이 팔린 순수 전기 자동차가 되었다.
2019년 7월, 미국 기반의 모터 트렌드 잡지는 순수 전기차인 테슬라 모델 S에 "올해의 최고 자동차"라는 타이틀을 수여했다. 2020년 3월, 테슬라 모델 3는 50만 대 이상의 판매량을 기록하며 닛산 리프를 제치고 세계에서 가장 많이 팔린 전기 자동차가 되었다. 2021년 6월에는 전 세계 판매량 100만 대를 돌파했다.
2008년부터 배터리 기술의 발전과 온실가스 배출 감소 및 도시 대기질 개선에 대한 요구로 전기 자동차 제조업계의 부흥이 일어났다. 2010년대에는 중국 정부의 지원으로 중국의 전기 자동차 산업이 급속도로 성장했다.
2022년, CASE(Connected, Autonomous, Shared & Service, Electrified의 머릿글자)라고 불리는 100년 만의 자동차 산업 대변혁에 따라 자동차 전동화는 탄소중립 사회 실현을 위해 필수적인 기술이 되고 있다. EU 회원국에서는 2035년까지 신차 판매에서 전동차 100%라는 목표를 내걸고, 2035년부터 내연기관 자동차의 신차 판매가 금지된다.
2023년, 유럽연합은 2035년에 무배출 차량 이외의 판매를 원칙적으로 금지하는 데 공식적으로 합의했다. 이는 당초 내연기관차의 신차 판매를 전면 금지하는 방침에서 탄소 배출량을 제로로 간주하는 합성 연료 사용에 한해 판매를 허용하도록 수정된 것이다.
2.1. 초기 역사 (19세기~20세기 초)
1832년에서 1839년 사이, 스코틀랜드의 로버트 앤더슨이 최초의 전기 자동차를 발명했다. 1827년에 헝가리의 예드리크 안뇨슈는 전동기를 개발하고, 1828년에 모형 차량에 장착하여 움직이는 데 성공했다. 1835년, 토머스 데이븐포트(en)가 철로 위를 달리는 전기 기관차를 제작했다. 1838년, 스코틀랜드의 로버트 데이비드슨(en)은 시속 약 6 km의 속도로 주행하는 전기 기관차를 만들었다. 1840년, 영국에서 철로에 전기를 공급하는 방식의 특허가 취득되었고, 1847년에는 미국에서도 유사한 특허가 취득되었다.
1873년에 가솔린 자동차보다 먼저 제작되었으나, 배터리의 중량이 무겁고 충전 시간이 길어 대중화되지 못했다. 1881년, 귀스타브 트루베(Gustave Trouvé)는 개선된 지멘스(Siemens) 모터로 구동되는 전기 자동차를 파리 국제 전기 박람회(Exposition internationale d'Électricité de Paris)에서 선보였다.
1884년, 토마스 파커는 자신이 특별히 설계한 고용량 충전식 배터리를 사용하여 영국 울버햄프턴에서 전기 자동차를 제작했지만, 유일한 자료는 1895년 사진이다.
1888년, 독일의 안드레아스 플로켄(Andreas Flocken)은 최초의 "진정한" 전기 자동차로 여겨지는 플로켄 일렉트로바겐(Flocken Elektrowagen)을 설계했다.
1890년, 앤드류 모리슨(Andrew Morrison)은 미국에 최초의 전기 자동차를 선보였다.
19세기 후반과 20세기 초, 전기는 자동차 추진 방식으로 선호되었는데, 당시 가솔린 자동차로는 달성할 수 없는 수준의 편안함과 조작 용이성을 제공했다. 미국에서는 구조가 간단하고 내구성이 크며 운전하기 쉬운 장점을 살려 주로 여성용으로 1920년대 중반까지 소량 생산되기도 하였다. 1900년 당시 미국의 자동차 중 38%가 전기자동차였다(증기 40%, 가솔린 22%). 토마스 에디슨(Thomas Edison)은 전기자동차 개량, 특히 충전 가능한 배터리 개발에 매진했다.
전기 자동차는 20세기 초에 약 3만 대까지 최고치를 기록했다.
1897년, 영국과 미국에서 전기 자동차가 최초로 택시로 상업적으로 사용되었다. 런던에서는 월터 버시(Walter Bersey)의 전기 택시가 마차가 택시였던 시대에 최초의 자가용 유상 운송 수단이었다. 뉴욕시에서는 일렉트로배트 II(Electrobat II)의 설계를 기반으로 한 12대의 한섬 캡(hansom cab)과 1대의 브룸(brougham) 차량이 필라델피아(Philadelphia)의 전기 저장 배터리 회사(Electric Storage Battery Company)의 자금 지원을 받은 프로젝트의 일부였다. 20세기 동안 미국의 주요 전기 자동차 제조업체에는 Anthony Electric, Baker, Columbia, Anderson, Edison, Riker, Milburn, 베일리 일렉트릭(S.R. Bailey & Co.), 그리고 디트로이트 일렉트릭(Detroit Electric)이 있었다. 이들의 전기 자동차는 가솔린 자동차보다 조용했고 기어 변속이 필요하지 않았다.
19세기에는 6대의 전기 자동차가 육상 속도 기록을 보유했다. 1899년에는 가솔린차보다 먼저 처음으로 100 km/h를 돌파했다. 그중 마지막은 로켓 모양의 라 자메 콩탕트(La Jamais Contente)였는데, 카밀 제나치(Camille Jenatzy)가 운전하여 1899년 최고 속도 105.88 km/h에 도달하여 100 km/h 속도 제한을 돌파했다. 허브(hub)에 모터를 탑재한 인휠모터의 원형이라고 할 수 있는 4륜구동차를 당시 로너(Lohner)사에 재직 중이던 페르디난트 포르셰(Ferdinand Porsche)가 1900년 파리 만국박람회에 출품했다.
전기 자동차는 내연 기관(ICE) 자동차의 발전과 저렴한 가솔린 및 경유 자동차, 특히 포드 모델 T의 대량 생산으로 인해 감소했다. 광대한 국토를 가진 미국에서는 주행거리의 짧음이 극복하기 어려운 걸림돌이 되었고, 곧 헨리 포드(Henry Ford)의 포드 모델 T의 성공으로 자동차 시장은 완전히 내연기관 자동차에 지배되었다. 내연 기관 자동차의 훨씬 빠른 연료 보급 시간과 저렴한 생산 비용으로 인해 더 인기를 얻었다. 그러나 결정적인 순간은 1912년 시동 모터(starter motor)가 도입되어 손으로 크랭크를 돌리는 등의 다른 노동 집약적인 내연 기관 시동 방법을 대체했을 때였다. 영국에서의 우유 배달용 밀크 플로트나 실내용 지게차 등 일부를 제외하고 전기자동차는 일단 시장에서 사라졌다.
1930년대, 제너럴 모터스(GM), 파이어스톤(Firestone), 셰브론(Standard Oil of California) 3사의 협업으로 National City Lines (NCL)이라는 회사가 설립되었다. 이 회사는 각지의 전기 기관차를 사용하고 있던 노면전차 회사를 사들여 전차를 폐지하고 GM제 버스로 전환하는 사업을 진행했다. 3사는 NCL에 대한 차량 및 연료 등의 공급을 독점한 것으로 유죄 판결을 받았지만, NCL에 의한 교통 서비스 독점은 문제시되지 않았다(미국 노면전차 스캔들).
일본에서도 제2차 세계 대전 후, 가솔린이 부족했던 데다 일본 본토 공습으로 인한 공장 파괴로 전력이 남아돌았던 시기에 여러 회사에서 전기자동차가 판매되었다. 이 중 프린스 자동차 공업(東京電気自動車)이 개발한 타마 전기자동차는 납축전지 한 번 충전으로 65 km를 주행할 수 있었고, 최고 시속은 35 km였다. 도쿄 전기자동차는 후에 프린스 자동차 공업으로 개명되었고, 1960년대에 닛산 자동차에 흡수되지만, 닛산에 의해 복원된 전기자동차는 현재도 남아 있다. 하지만 종전 직후의 일본제 전기자동차는 한국 전쟁에 의한 납 가격 상승과 가솔린 입수 가능성이 향상됨에 따라 사라졌다.
1990년대 이후 공해 문제가 심각해지며 전기 자동차 개발도 다시 활발해지기 시작하였다. 1996년 GM은 개발용 모델인 EV를 토대로 고성능 전기 자동차 GM EV1을 생산하였다. GM EV1은 한 번 완충 시 최장 208km를 150km/h로 달릴 수 있으나, GM은 이 모델을 수익성이 없다는 이유로 단종시킨 후 모두 회수해서 폐차하였다. 소비자와 환경 단체들은 GM EV1의 단종과 폐차에 정유업체의 로비가 개입되었다는 음모론을 제기하기도 하였다.
2.2. 쇠퇴와 부활 (20세기 중반~현재)
(제너럴 모터스(General Motors))
1873년에 가솔린 자동차보다 먼저 제작되었으나, 무거운 배터리 중량과 긴 충전 시간 문제로 대중화되지 못했다. 1920년대 중반까지는 구조가 간단하고 내구성이 좋으며 운전이 쉬운 장점을 살려 여성용으로 소량 생산되기도 하였다. 1990년대 이후 공해 문제가 심각해지며 전기 자동차 개발이 다시 활발해졌다.
1996년 GM은 고성능 전기 자동차 GM EV1을 생산하였으나, 수익성이 없다는 이유로 단종시킨 후 모두 회수해서 폐차하였다. 이로 인해 소비자와 환경 단체들은 정유업체의 로비 의혹을 제기하기도 하였다. 1990년대 초, 캘리포니아 대기자원위원회(CARB)는 연비가 좋고 배출가스가 적은 차량에 대한 움직임을 시작했고, 궁극적인 목표는 전기 자동차와 같은 무공해 차량으로 전환하는 것이었다. 그러나 초기 전기 자동차들은 미국 자동차 제조업체들의 부정적인 여론 조성 캠페인으로 인해 결국 미국 시장에서 철수되었다.
2008년, 테슬라는 리튬이온전지를 사용한 최초의 고속도로 주행 가능 전기 자동차인 로드스터를 출시하며 전기차 시장의 새로운 장을 열었다. 로드스터는 한 번 충전으로 320km 이상 주행한 최초의 양산형 순수 전기 자동차였다.
2009년 일본에서 출시된 미쓰비시 i-MiEV는 최초의 고속도로 주행 가능한 양산 전기 자동차였으며, 1만 대 이상 판매된 최초의 순수 전기 자동차이기도 했다. 2010년에 출시된 닛산 리프는 i-MiEV를 제치고 당시 가장 많이 팔린 순수 전기 자동차가 되었다.
(테슬라)
2019년 7월, 미국 기반의 모터 트렌드 잡지는 순수 전기차인 테슬라 모델 S에 "올해의 최고 자동차"라는 타이틀을 수여했다. 2020년 3월, 테슬라 모델 3는 50만 대 이상의 판매량을 기록하며 닛산 리프를 제치고 세계에서 가장 많이 팔린 전기 자동차가 되었다. 2021년 6월에는 전 세계 판매량 100만 대를 돌파했다.
2008년부터 배터리 기술의 발전과 온실가스 배출 감소 및 도시 대기질 개선에 대한 요구로 전기 자동차 제조업계의 부흥이 일어났다. 2010년대에는 중국 정부의 지원으로 중국의 전기 자동차 산업이 급속도로 성장했다.
2022년, CASE(Connected, Autonomous, Shared & Service, Electrified의 머릿글자)라고 불리는 100년 만의 자동차 산업 대변혁에 따라 자동차 전동화는 탄소중립 사회 실현을 위해 필수적인 기술이 되고 있다. EU 회원국에서는 2035년까지 신차 판매에서 전동차 100%라는 목표를 내걸고, 2035년부터 내연기관 자동차의 신차 판매가 금지된다.
2023년, 유럽연합은 2035년에 무배출 차량 이외의 판매를 원칙적으로 금지하는 데 공식적으로 합의했다. 이는 당초 내연기관차의 신차 판매를 전면 금지하는 방침에서 탄소 배출량을 제로로 간주하는 합성 연료 사용에 한해 판매를 허용하도록 수정된 것이다.
3. 종류
전기자동차는 외부 전력 공급으로 이차전지(축전지)를 충전하고, 전지에서 전동기에 전력을 공급하는 이차전지 차량이 일반적이다.
→#이차전지식 전기자동차 (BEV)
차량 자체에 발전장치를 탑재한 예로는 태양전지를 갖춘 태양광 자동차, 연료전지를 탑재한 연료전지 자동차가 있다.
집전장치를 가선( 가공전차선)에 접촉시켜 전력을 얻는 트롤리버스는 오래전부터 사용되어 왔다. 대형 트럭이나 광산용 호울트럭 등에서도 집전장치를 탑재한 것이 있지만, 대부분 배터리를 탑재하여 가선이 없는 곳에서도 주행할 수 있도록 되어 있다. 집전장치는 트롤리버스에서는 트롤리폴이 일반적이며, 대형 트럭이나 호울트럭에서는 활 모양의 집전주(보우 콜렉터)가 사용되고 있다.
또한, 가선을 대체하는 전력선을 지하에 매설하고, 유도전류에 의해 주행 중 충전( 유도 충전)이 가능한 온라인 전기자동차(OLEV) 등이 있다.
발전 전용 엔진(레인지 익스텐더)을 탑재한 내연기관과 이차전지를 병용하는 닛산의 e-POWER도 광의로는 전기자동차이다.
3.1. 배터리식 전기 자동차 (BEV)
배터리식 전기 자동차(BEV)는 외부 전력 공급으로 충전한 배터리의 전기로 모터를 구동하여 주행하는 자동차다. BEV는 증기자동차나 가솔린 엔진 자동차와 함께 오래전부터 개발되어 왔지만, 리튬이온전지가 실용화된 2000년대까지는 배터리 성능(에너지 밀도, 비에너지)이 낮아 보급되지 않았다. 구조가 단순하고 인프라 장벽도 낮아 세계적으로 보급이 가속화될 것으로 예상되었다.
; 장점
* 주행 시 CO2를 거의 배출하지 않으며, 화석 연료를 전혀 사용하지 않아 친환경적이다.
* 전동기로만 구동할 경우 운행 비용이 저렴하고, 값싼 심야 전기를 이용하면 비용을 더 낮출 수 있다.
* 부품 수가 내연기관차보다 적어 시스템이 단순하고, 고장 위험이 적다.
* 엔진 소음이 적고 진동이 적으며, 차량 수명이 상대적으로 길다.
* 사고 시 폭발 위험성이 적다.
* 다양한 에너지원을 이용할 수 있고, 에너지 효율이 높다.
* 전력 이용의 시간대별 평준화가 가능하고, 심야 전력으로 자택에서 충전 가능하다.
* 에어컨이나 시트히터 등은 주행용 배터리에서 전력을 공급받으므로, 정차 시에도 내연기관처럼 아이들링할 필요 없이 사용 가능하다.
* 회생제동에 의해 운동에너지를 다시 전력으로 변환하여 저장할 수 있다.
* 전동기는 같은 토크/출력의 엔진보다 훨씬 소형으로 제작할 수 있기 때문에, 충돌 시 충격을 흡수하는 크래셔블 존을 넓게 확보할 수 있다.
* 차량 후방뿐만 아니라 전방에도 트렁크(프런트 트렁크)를 갖춘 차종이 늘고 있다.
* 프로펠러 샤프트가 필요 없어, 후륜구동이나 사륜구동도 모터의 설치 위치나 모터를 늘리는 것만으로 실현 가능하다.
* 전동기는 응답 속도가 빠르고, 제어도 용이하다.
* 내연기관은 고도가 높아지면 산소 농도 저하에 따라 출력도 저하되는 반면, 고도 변동의 영향을 받지 않고 일정한 출력을 유지할 수 있다.
* 전동기는 발진 시부터 최대 토크를 얻을 수 있고, 허용 최고 회전수도 높기 때문에, 무게가 있고 마찰 손실이 발생하는 트랜스미션을 사용하지 않고 높은 가속력과 최고 속도를 양립할 수 있다.
; 단점
* 차량 총 중량 20t 트럭이나 버스의 경우, 현재 기술로는 전지만으로도 5t 정도에 달해 대형 차량에는 부적합하다.
* 고가의 전지가 필요하며, 배터리 수명이 차량보다 짧아 교체가 필요하다.
* 장거리 주행을 위해서는 급속 충전 스탠드를 전국 규모로 설치해야 한다.
* 일반 가솔린 자동차에 비해 속도가 느리고, 배터리 1회 충전으로 주행할 수 있는 거리(항속 거리)가 짧다.
* 충전 시간이 오래 걸리고, 배터리 잔존 시간 확인이 어렵다.
* 별도의 충전 시설을 위한 기반 시설 구축이 필요하다.
* 국가마다 전기차의 급속 충전 잭 규격이 다르다. 대한민국은 DC콤보-1이 대다수지만, 일본은 차데모 방식을 대부분 이용한다.
* 화재 발생 시 배터리 열폭주 현상이 발생하며, 일반 소화기로는 진압이 불가능하다.
* 감전 위험의 문제로 전원 주변의 물 젖음에 대해서는 각사 모두 경고하고 있으며, 충전에 있어 날씨를 고려할 필요가 있다.
* 동급 차량과 비교하여 카탈로그상으로는 대략 200~300kg 정도 무게 증가 경향이 있으며, 주행거리를 늘리기 위해 배터리를 대용량화하면 무게가 더 늘어난다
** 무게나 높은 토크 특성·회생 제동 등에 따른 고가감속의 부하에 기인하여 서스펜션과 타이어의 부담이 증가한다.
* 주행거리가 를 넘는 전기 자동차도 있지만, 대용량 배터리가 필요하기 때문에 차량 가격이 매우 비싸다.
* 내구성, 유지비에 관한 문제점으로는 ASSY 교환이 되기 때문에, 일단 고장 나면 그 수리비가 비싸지기 쉽다.
; 배터리
리튬 이온 배터리는 높은 출력과 에너지 밀도 때문에 자주 사용된다. 인산철리튬(LFP) 배터리가 점점 더 널리 사용되고 있다.
전기 자동차의 주행거리는 사용된 배터리의 수와 종류, 공기역학, 무게 및 차량 종류, 성능 요구 사항, 날씨에 따라 달라진다. 대부분의 전기 자동차에는 예상 주행거리를 표시하는 디스플레이가 장착되어 있다.
; 충전
전기자동차의 충전 설비는 가정이나 사업장용 100V/200V 전원을 이용하는 완속 충전 설비와 시가지의 충전 스탠드 등에 설치된 공용 급속 충전 설비로 크게 분류된다.
| e-Mobility Power의 경우 | 급속 충전(50 kw) | 완속 충전(200 V 3 kw) |
|---|---|---|
| 배터리 용량 40 kWh 80% 충전 | 약 40분 | 약 11시간 |
| 1분당 충전 요금 | 50엔(세금 별도) | 8엔(세금 별도) |
| 상기 조건에서의 충전 요금 | 약 2,000엔(세금 별도) | 약 5,280엔(세금 별도) |
| 자택에서의 충전의 경우 | ||
| 가정 전체 60A 계약 기본 요금 1 kWh 당 전기 요금 40 kWh 80% 충전의 전기 요금 | 월 약 1,700엔(세금 포함) 약 30엔(세금 포함) 약 960엔(세금 포함) | |
| 100 V 심야 전력 기본 요금 1 kWh 당 전기 요금 40 kWh 80% 충전 | 월 약 2,000엔(세금 별도) 약 10엔(세금 별도) 약 320엔(세금 별도) | |
| 배터리의 수명 | 더 길다 |
* 급속 충전은 배터리 내부의 화학적 부담이 심하고, 배터리의 적절한 온도 관리가 되어 있지 않은 경우, 온도가 상승하여 수명이 짧아진다.
3.2. 플러그인 하이브리드 자동차 (PHEV)
플러그인 하이브리드 자동차(PHEV)는 기본적으로 하이브리드 자동차이지만, 이차 전지 용량을 하이브리드 자동차와 전지 자동차의 중간 크기로 하여, 비상시에는 다시 충전하여 단거리는 전지 자동차로 활용할 수 있다. 가정 전원을 이용해 어디서든 충전할 수 있다는 간편함을 염두에 둔 방식이다. 단거리 이용이 많은 승용차의 특성에 맞춰 전동 주행 거리를 줄여 전지 비용을 절감한, 가솔린 자동차와 전기 자동차의 하이브리드 방식이다.
플러그인 하이브리드 자동차는 가솔린 스탠드를 이용할 수 있어 충전 스탠드 정비가 완료될 때까지 편리하게 사용할 수 있다는 장점이 있다. 전지로 장거리 주행을 타협하여 전지 비용과 중량이 전지 자동차보다 저렴하며, 전지 가격이 낮아질 때까지는 종합적으로 경제적이다. 대형 승용차의 경우 전지 자동차보다 우월한 연비를 보이며, 가솔린차와 동등하거나 그 이상의 항속 성능을 가진다.
하지만 13km 정도 이상의 주행은 하이브리드 차량과 비슷한 정도의 환경 부하가 발생한다. 장거리 주행이나 지속적인 고출력이 필요한 버스, 트럭 등에는 적합하지 않다. 또한, 전기 자동차와 가솔린 자동차의 전환 기구가 필요하여 부품 수가 많아, 전지 비용이 절감되면 경제적 이점을 잃게 된다. 급속 충전은 지원하지 않으며, 완속 충전만 가능하다.
짧은 주행 거리와 높은 가격의 문제를 안고 있는 전기 자동차의 대안으로 하이브리드 전기 자동차(HEV)가 제시되고 있다. HEV는 가솔린과 전기를 함께 동력원으로 사용하여 연비 개선 및 배기가스 저감(가솔린 자동차의 절반 수준) 측면에서 긍정적인 평가를 받는다. 1997년 말 일본 시장에 출시된 토요타의 프리우스는 세계 최초의 HEV로, 1년 동안 20,000대의 판매 실적을 올렸다.
3.3. 수소 연료 전지차 (FCEV)
수소 연료전지로 발전하고 전동기를 구동하는 방식으로, 수소를 직접 연소하여 이용하는 수소차와는 에너지를 내는 방법이 다르다. 현대 넥쏘, 도요타 미라이, 토요타 크라운 (16세대 세단 FCV 모델), 혼다 클래리티 퓨얼셀(ホンダ・クラリティ フューエル セル) (2023년 현재 단종) 등이 대표적인 수소차이다.
수소 연료 전지차(FCV)는 고압으로 충전한 수소와 공기 중의 산소를 화학반응시켜 발전하고, 그 전력으로 전동기를 작동시켜 주행한다. 수소와 산소의 화학반응 후에는 소량의 물만 배출된다. 수소 충전 시간은 사전 예약을 통해 수소 압축 작업을 마친 상태라면 약 3분이면 된다는 것이 장점이다.
; 장점
* 주행시 온실가스의 주범이 되는 CO2(이산화탄소)나 NOx(질소산화물) 따위가 발생하지 않는다.
* 항속거리가 충전식 전기차 보다 훨씬 더 길다(1회 충전시 600~700km).
* 충전 시간이 빠르다(한 번 충전에 3~5분 정도).
* 다른 차량에 비해 유지보수비용이 저렴하다.
* 수소는 물을 전기분해하여 생성할 수 있으므로 무한대로 생산이 가능하며, 석유나 천연가스 등 화석연료에 비해 생산 비용이 저렴하다.
; 단점
* 전기차에 비해 충전소 운영 시스템이 복잡하며, 설치 및 정비에 많은 비용이 드는데다(한 군데 설치에 30~50억 정도), 충전기의 고장도 잦은 실정이다. 이로 인해 다른 차량에 비해 충전소 인프라 확충에 어려움이 많다.
* 수소는 기체 상태의 물질이기 때문에 운반 및 저장에 어려움이 많으며, 두껍고 무거운 수소 흡장 합금 탱크나 고압수소 탱크를 탑재해야 하기 때문에 효율적인 차량 내부 공간 활용이 어렵다. 차량의 무게가 늘어나는 것은 당연하다.
* 수소차에 사용하는 백금 등의 촉매제에 의해 연료전지 스텍 자체가 고가이기 때문에, 다른 차량에 비해 가격이 엄청 비싼데다(대당 7천만 원 정도), 차종도 많지 않아 보급이 지지부진한 실정이다.
* 화학 반응 방식을 이용하는 발전이므로, 이온교환수지의 마모에 의한 성능 저하를 피할 수 없으며, 몇 년 주기로 연료 전지 스텍을 교체해야 한다.
* 수소 충전소는 1기당 연간 유지비가 약 4000만 엔이 소요되며, 대부분 국비 및 지방자치단체 보조금, 도요타, 혼다, 닛산의 HySUT(수소사회 실현을 위한 컨소시엄) 출자금으로 충당된다.
* 특수 기술과 희토류 금속이 필요하여 차량 가격이 비싸고, 수소 충전소의 영업시간이 짧고 수가 적으며, 수소 제조 및 수송 비용이 많이 드는 점 등이 보급을 저해한다.
* 수소취성 대책 또한 고액의 유지비의 원인이 된다.
* 현재 대부분의 수소 충전소는 화석연료인 액화석유가스(LPG)를 원료로 수소를 생산하고 있어 이산화탄소 감축에 효과적이지 않다.
* 자연계에는 수소 공급원이 존재하지 않는다는 점이 가장 큰 문제이다.
* 수소연료전지차(FCV)는 순도 99.97% 이상의 수소를 필요로 하기 때문에, 부생수소 활용에 제약이 있다.
* 충전에 많은 전력을 소비하며, 미라이 1회 충전 작업에만 약 30kWh의 소비 전력이 필요하다. 이는 테슬라 모델 3가 200km 주행하는 데 소비하는 전력량과 유사하다.
* 수소 충전소는 안전성 확보를 위해 여러 제약이 있으며, 건설 비용은 현재 휘발유 주유소의 약 4배에 달한다.
2000년대부터 수소 연료전지 자동차의 소규모 리스 판매 또는 제한적 사용이 이루어졌고, 2010년대에는 아시아 제조사를 중심으로 승용차가 일반 판매되었다. 그 특성상 BEV보다 대형 상용차에 적합하다는 의견이 있지만, FCV 대형 상용차는 아직 상용화되지 않았다. 2023년 상반기 세계 FCV 판매량은 마이너스 성장을 기록했으며, 경제적 기반이 취약하다는 점이 드러났다.
경제산업성은 화석연료 기반 수소를 "그레이 수소", 수소 제조 과정에서 배출되는 CO2를 저장하거나 활용하여 배출량을 줄인 수소를 "블루 수소", 재생에너지 등으로 CO2 배출 없이 만들어진 수소를 "그린 수소"로 구분한다.
환경성은 지역 재생에너지 수소 충전소 도입 사업을 통해 국고 보조금을 지급했으나, 재생에너지 충당 조건 미달 등의 문제로 사업이 폐지되었다. 경제산업성은 연료전지 자동차 보급 촉진을 위한 수소 충전소 정비 사업비 보조금을 지급하고 있다.
태양광 발전 등 재생에너지 발전원 증가로 인한 전력 과잉 시간대에 남는 전력을 활용하기 위한 기술 중 하나로 수소 생산 및 활용이 연구되고 있으며, 수소 연료전지 자동차는 상용차를 중심으로 개발이 진행되고 있다.
3.4. 알코올 연료 전지 자동차
알코올 연료 전지 자동차는 알코올을 직접 연료 전지에 공급하거나, 연료 개질기를 사용하여 알코올에서 수소를 얻어 수소 연료 전지에 공급하는 방식의 자동차다. 발전 이후의 시스템은 전동기를 구동하는 전기자동차와 거의 같으며, 알코올을 연료로 하여 직접 내연기관에서 연소시키는 자동차와는 다르다.
알코올 연료 전지 자동차는 다음과 같은 장점과 단점을 갖는다.
; 장점
* 화재시 물이나 소화기로 진압이 가능하다.
* 항속 거리가 전지식 전기차에 비해 길다.
* 기존 주유소의 인프라 활용이 가능하다.
* 연료 가격이 비교적으로 저렴하다.
* 수소연료전지차하고 설계의 공통화를 도모할 수 있다.
* 기존 가솔린 차량의 연료공급장치만 개조하면 바로 적용이 가능하다.
; 단점
* 알코올의 제조 단계에서 CO2가 발생하며, 연소성이 낮은 탓에 연비가 떨어지는 편이다.
* 메탄올은 금속을 부식시키므로 취급 자격이 필요하다.
* 알코올 연료는 가솔린이나 경유에 비해 휘발성(보통 온도에서 액체가 기체로 되어 날아 흩어지는 성질)이 강한 탓에, 취급시 항상 안전에 유의해야 한다.
* 연료 전지 스택이 비싸다.
* 부식성 때문에 알코올 직접 공급식 연료 전지는 수소 연료 전지 보다 수명이 짧다.
3.5. 가선 집전식 하이브리드 자동차
간선 도로에서는 가선 집전으로 전동기를 구동하고, 지선에서는 내연기관과 변속기로 주행하는 방식이다. 일본의 트롤리버스는 도시부의 교통기관으로 예전부터 실용화되어 있었으나, 가선이 있는 곳 이외에서는 주행 불가능하여 보급이 한정되어 있었다. 최근에는 하이브리드 자동차에 집전 장치를 설치, 가선 없는 곳도 달릴 수 있는 트롤리 버스가 개발되었다.
; 장점
* 소형(소용량) 전지를 사용할 수 있어 중량 대비 비용 면에서 유리하다.
* 대출력이 가능하므로 버스, 트럭등의 대형 자동차 윤송의 전동화에 적용 가능하다.
* 지속적인 대출력 발휘가 가능하다.
* 가솔린 스탠드로 급유가 가능하다.
* 차량 코스트는 하이브리드와 크게 다르지 않아 상대적으로 저렴한 비용으로 해결이 가능하다.
* 가선이 있는 간선 구간에서는 가솔린보다 싼 전기가 사용되며, 차량에서 CO2배출도 없다.
* 가선집전으로는 항속 거리의 제한이 없으며, 지선에서 항속 거리도 전지식에 비해 길다.
* 전지식 전기 자동차에 비해 전지가 작아 차량이 가벼워 지고, 에너지 소비량과 CO2배출 절감이 가능하다.
; 단점
* 가선의 문제
고속 도로상의 가선을 사회가 수용할 필요가 있으며, 미관상 영향과 안전성에 문제가 발생할 수 있다.
가선 설치를 위해서는 높은 초기 비용이 필요하다.
통상 가선으로 교통집중에 맞는 전기 용량이 확보 가능에 대한 충분한 증빙 자료가 없다.
가선 보수 요원이 필요하다.
용단, 파단에 의한 새로운 위험이 발생할 수 있다.
정비 불량에 의한 위험이나 설비시 위험성이 크다.
* 집전주행중 정해진 차선 이외로 변경하는 것이 곤란한 경우가 발생할 수 있다.
* 가선 없는 말단 도로에서는 가솔린 엔진을 움직이므로 CO2나 NOx가 배출된다.
3.6. 비접촉 충전 하이브리드 자동차
비접촉 충전 하이브리드 자동차는 도로에 설치된 유도 코일을 통해 주행 중이나 정차 중에 자체 전지를 충전하는 방식의 자동차이다. 이러한 방식은 전지 용량, 중량, 코스트를 낮추면서도 장거리 전지 주행을 가능하게 한다. 일본에서는 시내 주행용 노선 버스의 전화에 최초 적용이 기대되며, 충전 코일 설치가 확대되면 트럭의 시내 주행 전화에도 응용될 수 있을 것으로 예상된다.
; 장점
* 전지의 코스트가 주행도중 충전하지 않는 전지 자동차보다 훨씬 적게 든다.
* 가솔린 스탠드에서 급유가 가능하다.
* 대형 차량에 적합하다.
* 코일 충전 장치가 있는 구간은 화석 연료보다 저렴한 전기를 사용하고, 차량의 CO2 배출도 없다.
* 코일 충전 장치가 있는 구간에는 항속 거리의 제한이 없고, 지선의 항속 거리도 크다.
* 주행 및 정차 중 충전으로 전지가 작아도 되며, 전기 자동차 중에서는 가선식 다음으로 차량이 가벼워지고, 에너지 소비와 CO2 배출도 절감된다.
* 가선이나 집전장치가 불필요하여 미관상 가선집전식 하이브리드 방식보다 유리하다.
; 단점
* 인프라 정비에 비용이 많이 든다.
* 변전소 건설, 지중 코일, 급전 설비 설치가 필요하다.
* 급전 시스템 보수 요원이 필요하다.
* 오후 주행 시 야간 전력 이용이 불가능하다.(단, 전지식은 야간 축전 후 오후 주행 가능)
* 코일 충전 장치가 없는 구간에서는 엔진을 사용하므로 기존과 같은 CO2나 NOx가 배출된다.
* 급전 서비스에 대한 과금 시스템이 필요하다.
대한민국에서는 지하 급전선을 이용한 시스템을 시험하고 있으며, 서울대공원 내 2.2km의 순환 버스 노선 3곳에 총 400m의 급전선이 매설되어 있다. 시험 결과에 문제가 없으면 노선 버스 도입이 계획되어 있다.
독일에서는 고속도로에 리니어 모터를 설치하여 자동차 주행 중 비접촉 급전으로 이차 전지에 충전하는 구상이 있다. 고속도로를 벗어난 시내에서는 일반 EV로 주행하는 방식이다.
4. 성능
전기 모터는 높은 출력 중량비를 제공할 수 있다. 배터리는 이러한 모터를 지원하는 데 필요한 전류를 공급하도록 설계될 수 있다. 전기 모터는 속도가 0에 가까워져도 토크 곡선이 평평하다. 단순성과 신뢰성을 위해 대부분의 전기차는 고정 기어비 기어박스를 사용하며 클러치가 없다.
많은 전기차는 평균 내연기관 자동차보다 가속도가 빠르다. 이는 주로 구동계 마찰 손실 감소와 전기 모터의 더 빠르게 사용 가능한 토크 때문이다. 그러나 NEV(New Energy Vehicle)는 비교적 약한 모터로 인해 가속도가 낮을 수 있다.
전기 자동차는 각 휠 허브에 모터를 사용하거나 바퀴 옆에 모터를 사용할 수도 있다. 이는 드물지만 더 안전하다고 주장된다. 차축, 디퍼렌셜, 또는 트랜스미션이 없는 전기 자동차는 구동계 관성이 더 낮을 수 있다. 일부 직류 모터를 장착한 드래그 레이서 전기 자동차는 최고 속도를 높이기 위해 간단한 2단 수동 변속기를 사용한다. 컨셉 전기 슈퍼카 리막 컨셉트 원(Rimac Concept One)은 0-97 km/h까지 2.5초 만에 도달할 수 있다고 주장한다. 테슬라는 출시 예정인 테슬라 로드스터가 0-60 mph (97 km/h)까지 1.9초 만에 도달할 것이라고 주장한다.
4.1. 운용비
서비스 비용은 전기 자동차가 내연기관 자동차보다 저렴하지만, 배터리 교체 비용은 클 수 있다. 그러나 배터리 기술 발전으로 도요타 프리우스와 같은 하이브리드 자동차는 30만 km 이상 배터리 교체 없이 주행 가능하다. 2008년 2,600달러에서 2,300달러 수준이었던 배터리 가격은 지속적으로 하락할 것으로 예상되었으나, 2018년 리튬이온 배터리의 주원료인 코발트 가격 상승과 수요 공급 불균형으로 인해 가격 하락이 둔화되고 있다. 2020년 기준, 전기 자동차 배터리는 자동차 총 비용의 4분의 1 이상을 차지했다. 배터리 비용이 kWh당 100달러(USD) 이하로 떨어지면, 즉 2020년대 중반에는 전기차 구매 가격이 새로운 내연기관 자동차 가격보다 낮아질 것으로 예상된다.
전기 자동차에서 가장 비싼 부품은 배터리이며, 배터리 가격은 2010년 kWh당 €605에서 2019년 €100으로 감소했다. AlixPartners의 2022년 6월 보고서에 따르면, 평균 전기차의 원자재 비용은 2020년 3월 3,381달러(USD)에서 2022년 5월 8,255달러(USD)로 증가했다. 비용 증가의 주요 원인은 리튬, 니켈, 코발트이다.
EU와 미국에서는 연료비와 유지비가 낮기 때문에 최근 전기차의 총소유비용이 동급 가솔린차보다 저렴하다. 컨슈머 리포트(Consumer Reports)의 2024년 분석에 따르면, 테슬라(Tesla)가 10년 동안 유지보수 비용이 가장 저렴했으며, 테슬라가 유일하게 포함된 전기차 브랜드였다. 연간 주행 거리가 길수록 전기차의 총소유비용이 동급 내연기관차보다 낮을 가능성이 높아진다.
전기는 거의 항상 1km당 가솔린보다 비용이 저렴하지만, 전기 가격은 자동차 충전 장소와 시간에 따라 달라지는 경우가 많다.
모든 리튬이온 배터리와 마찬가지로, 전기자동차 배터리도 장기간에 걸쳐 성능이 저하될 수 있다. 하지만 이러한 현상은 상당 기간, 적어도 수년이 지나야 눈에 띄게 나타난다. 일반적인 보증 기간은 8년 또는 100,000 마일이다.
ja은 ja 분류에서는 ja이 아니라는 이유만으로 ja으로 분류되지만, 희소 원소는 아니다. ja에서 ja이란 주로 ja에 사용되는 ja (Cobalt)를 말한다. 2009년 당시 ja의 재활용으로 회수되는 것은 코발트뿐이었으며, 리튬은 분리 기술과 경제성이 없어 전혀 재활용되지 않았다. 현재 ja, ja, ja 등의 양극재도 존재하며, 코발트를 사용하지 않는 ja에도 채택되고 있다.
정비나 수리 시 전력 시스템에 접촉할 경우 감전 사고의 위험이 있으며, ja를 사용한 전원의 경우 특히 심각하다. 2019년 10월 1일부터는 전기자동차와 하이브리드 자동차의 정비에 전기자동차 등의 정비 업무에 관한 특별 교육이 요구되게 되었다.
4.2. 에너지 효율성
전기 자동차의 에너지 효율성은 전기에너지의 충전 및 방전 효율에 따라 결정된다. 일반적으로 충전량의 70~85%가 실제 사용 가능하며, 충전 간 에너지 손실은 약 9.5% 정도다. 전기 모터는 저장된 에너지를 차량 구동으로 변환하는 데 있어 내연기관보다 효율적이다. 하지만 모든 속도에서 동일한 효율을 보이는 것은 아니다. 이를 위해 일부 이중 전기 모터 차량은 도시 속도에 최적화된 기어를 갖춘 전기 모터 하나와 고속도로 속도에 최적화된 기어를 갖춘 전기 모터 하나를 사용한다. 전자 장치는 현재 속도와 가속도에 가장 효율적인 모터를 선택한다. 회생 제동은 일반적으로 제동 중 손실되는 에너지의 5분의 1까지 회수할 수 있다.
가솔린 엔진은 연료 에너지 함량의 15%만 차량 이동 또는 액세서리 구동에 효과적으로 사용하는 반면, 디젤 엔진은 20%의 차량 내 효율에 도달할 수 있다. 그러나 전기 자동차는 전력망에서 차륜까지 77% 이상의 전기에너지를 변환한다.
발전소에서 주행까지 고려한 전기자동차의 에너지 효율은 발전 효율, 송전 손실, 충방전 효율, 동력 변환 효율 등을 포함하더라도 내연기관 자동차(ICEV)에 비해 수 배 정도 높은 에너지 효율을 달성할 수 있다. 경응의숙대학(慶應義塾大学) 전기자동차 연구실의 추산에 따르면, 전기자동차의 전력을 모두 화력발전으로 충당한다고 가정해도 가솔린 차량보다 3~4배, 종합 효율에서 우수하다고 한다.
가솔린의 질량 에너지 밀도(단위 질량당 에너지량)는 약 42 MJ/kg이지만, 리튬이온 배터리는 0.36-0.72 MJ/kg로 60~120배의 차이가 있다. 그러나 가솔린 차량의 차량 효율은 30% 정도인 반면, 전기자동차는 90% 이상의 효율을 가진다. 만약 60배의 차이가 있다고 가정하면, 실제로 얻을 수 있는 에너지량의 차이는 15배로 줄어든다.
또한, 차량 에너지 저장원에서 타이어 구동 에너지를 얻을 때까지의 시스템 전체 질량도 고려할 필요가 있다. 이차전지는 화학 에너지를 전기 에너지로 변환하고, 전동기는 전기 에너지를 운동 에너지로 변환한다. 내연기관 자동차는 연소에 의해 열에너지를 발생시켜 운동 에너지로 변환한다. 이 두 시스템의 질량을 비교할 필요가 있다. 구체적으로는 내연기관(연료+탱크+엔진+보조장치(냉각계 등)+변속기+구동 전달 장치) 대 전기자동차(배터리+인버터·모터 등)로 비교되며, 전기자동차 배터리를 제외한 시스템 질량은 내연기관 자동차보다 가볍다.
4.3. 안전성
전기 자동차(BEV)의 안전 문제는 대부분 국제 표준화 기구(ISO) 6469에 따라 다루어진다. 이 문서는 세 부분으로 나뉜다.
* 차량 내 전기 에너지 저장 장치, 즉 배터리
* 기능적 안전 수단 및 고장으로부터의 보호
* 감전으로부터 사람 보호
운전자 측면에서 전기 자동차는 배터리의 큰 질량으로 인해 같은 크기의 가솔린 자동차보다 안전성이 높다. 자동차 충돌 사고 시 무거운 차량의 운전자가 입는 피해는 평균적으로 가벼운 차량의 운전자보다 적다. 스케이트보드 형태의 배터리 배치는 무게중심을 낮춰 주행 안정성을 높이고, 차량 제어 상실로 인한 사고 위험을 감소시킨다. 또한, 낮은 무게중심은 전복 사고에 대한 저항력을 높인다. 각 바퀴 근처 또는 바퀴 안에 별도의 모터가 있는 경우, 향상된 조향 성능으로 인해 더 안전하다고 주장된다. 하지만 몇몇 전기 자동차는 마찰력이 작은 타이어를 사용하여 문제가 되고 있다.
보행자 측면에서 전기 자동차는 내부연소엔진을 갖춘 차량에 비해 소음이 적어 사고 위험이 높아질 수 있다. 2024년에 발표된 영국 의학 저널(British Medical Journal)의 연구에 따르면, 2013년부터 2017년까지 영국에서 전기 자동차는 "도심 지역에서 보행자에게 소리가 덜 들리기 때문에" 가솔린 또는 디젤 차량보다 보행자를 두 배나 더 많이 사망하게 했다. 관할 지역에서는 전기 자동차에 소음 발생기를 장착하여 제조하도록 하는 법률을 통과시켰다.
전기자동차는 동력원과 구동계에서 발생하는 소음이 매우 적어, 폭발/연소로 동력을 얻는 내연기관차보다 훨씬 조용하다. 정숙성은 전기자동차의 장점이기도 하지만, 한편으로는 전기자동차의 예상치 못한 접근으로 인해 보행자(및 주변 교통 전반)가 자동차의 존재를 인지하지 못한 채 위험에 노출되는 상황이 발생하게 되었다. 정숙성은 주행 소음이 적은 저속 주행 시에 두드러지기 때문에 중대한 사고로 이어지기는 어렵지만, 청각 기능이 저하된 고령자나 청각장애인, 시각장애인이 위험에 노출되기 쉽다.
대책으로, 접근을 보행자에게 소리로 알리는 「차량접근통보장치(:en:Electric vehicle warning sounds)」의 설치를 2018년 3월 출시 신차부터 의무화하였다.
또한, 포뮬러 E에 대한 반응처럼, 자동차를 오락이나 취미의 대상으로 여길 때 “조용한 자동차는 재미없다”고 부정적으로 생각하는 경향도 있다. 따라서, 현대 아이오닉 5 「N」에 탑재된 「N 액티브 사운드 플러스」처럼 취미적인 측면에서의 인공 소음을 발생시키는 차종도 존재한다.
화석 연료가 필요 없기 때문에 화재나 폭발 위험이 감소한다는 주장이 있는 반면, 특히 리튬이온 배터리 탑재 차량은 일단 화재가 발생하면 완전 소화가 어렵고, 재발화 위험까지 있다. 따라서 중고 BEV의 RO-RO선이나 여객 카페리에 대한 승선 거부 조치를 취하는 해운 회사까지 등장하고 있다.
4.4. 화재 위험
전기 자동차 배터리는 내연기관 자동차와 마찬가지로 충돌이나 기계적 고장 후 불이 붙을 수 있다. 전기차 화재 사고가 발생했지만, 주행 거리당 내연기관 차량보다 적다. 2012년 5월 중국 선전에서 고속 승용차가 BYD e6 택시와 충돌한 후 중국에서 최초의 현대식 충돌 관련 화재가 보고됐다.
대한민국 소방청의 자료에 따르면 2019년 한 해 동안 판매된 차량 대수 대비 화재사고율이 전기차의 경우 약 0.02%로 이는 전체 차량의 화재율과 비슷하다. 미국 연방 교통 안전위원회에서 2022년에 내놓은 조사 자료에서는 오히려 내연차 화재 발생 확률이 전기차의 60배 이상이다. 한국과 해외 자료가 이렇게 큰 차이를 보이는 이유는 한국의 통계가 작성된 시기가 2019년이라는 것에 있다. 당시 한국에서 판매된 전기차의 대부분이 현대 코나 EV와 니로 EV, 쉐보레 볼트 EV였는데, 이중 코나 EV와 볼트 EV는 연쇄 화재 사건으로 리콜 조치가 이뤄진 모델이다.
일부 자동차의 고전압 시스템은 에어백 작동 시 자동으로 차단되도록 설계되어 있으며, 고장 발생 시 소방관은 수동 고전압 시스템 차단 훈련을 받을 수 있다. 내연기관 자동차 화재보다 훨씬 많은 물이 필요할 수 있으며, 배터리 화재의 재점화 가능성을 경고하기 위해 열화상 카메라를 사용하는 것이 좋다.
특히 리튬이온 배터리 탑재 차량은 일단 화재가 발생하면 완전 소화가 어렵고, 재발화 위험까지 있다. 따라서 중고 BEV의 RO-RO선이나 여객 카페리에 대한 승선 거부 조치를 취하는 해운 회사까지 등장하고 있다.
5. 특징
5.1. 시장성
전기 자동차가 가솔린 자동차 시장을 바로 대체하기는 어렵다는 주장이 있다. 가솔린 자동차는 오랜 기간 동안 인프라가 구축되어 있지만, 전기 자동차는 충전소 부족, 충전 시간, 배터리 용량 등의 제약이 있기 때문이다. 하지만 장거리 운전자는 전체 운전자의 약 10%에 불과하며, 통근용으로 차량을 사용하는 사람들에게는 큰 문제가 되지 않을 수 있다.
테슬라(Tesla, Inc.)는 2019년 12월 세계 최대 전기 자동차 제조업체가 되었다. 테슬라 모델 S는 2015년과 2016년 세계에서 가장 많이 팔린 플러그인 전기 자동차였다. 모델 3는 2018년부터 2021년까지 4년 연속 세계에서 가장 많이 팔린 플러그인 전기 자동차였으며, 모델 Y는 2022년 가장 많이 팔린 플러그인 자동차였다. 테슬라 모델 3는 2020년 초 닛산 리프(Leaf)를 제치고 세계에서 누적 판매량이 가장 많은 전기 자동차가 되었다. 테슬라는 2020년 3월 100만 번째 전기 자동차를 생산하여 이를 달성한 최초의 자동차 제조업체가 되었고, 2021년 6월 모델 3는 판매량 100만 대를 돌파한 최초의 전기 자동차가 되었다. 테슬라는 2018년부터 2021년까지 4년 연속 브랜드 및 자동차 그룹(Automotive industry) 모두에서 세계에서 가장 많이 팔린 플러그인 전기 자동차 제조업체로 선정되었다. 2021년 말 기준, 테슬라의 2012년 이후 누적 글로벌 판매량은 총 230만 대였으며, 이 중 936,222대가 2021년에 출고되었다.
비야디(BYD Auto)는 또 다른 주요 전기 자동차 제조업체로, 판매의 대부분이 중국에서 이루어진다. 2018년부터 2023년까지 BYD는 순수 플러그인 전기 자동차 약 318만 대를 생산했으며, 그중 1,574,822대가 2023년에만 생산되었다. 2023년 4분기 BYD는 526,409대의 배터리 전기 자동차를 판매하여 테슬라(484,507대)를 제치고 전기 자동차 판매 1위를 차지했다.
, 르노-닛산-미쓰비시 얼라이언스(Renault–Nissan–Mitsubishi Alliance)는 주요 전기 자동차 제조업체 중 하나로, 2009년부터 미쓰비시 자동차(Mitsubishi Motors)에서 제조된 차량을 포함하여 100만 대 이상의 경형 전기 자동차를 글로벌 판매했다. 닛산(Nissan)은 2023년 7월까지 100만 대의 자동차와 밴을 판매하며 얼라이언스 내에서 글로벌 판매를 주도하고 있으며, 르노 그룹(Groupe Renault)은 르노 트위지(Renault Twizy) 중형 사륜차를 포함하여 2020년 12월까지 전 세계적으로 397,000대 이상의 전기 자동차를 판매했다. , 출시 이후 글로벌 판매량은 65만 대를 넘었다.
다른 주요 전기 자동차 제조업체로는 GAC 그룹의 계열사인 GAC 아이온(GAC Aion) (2023년 12월 기준 누적 판매량 962,385대), 상하이자동차(SAIC Motor) (2023년 7월 기준 1,838,000대), 지리(Geely), 폭스바겐 그룹(Volkswagen Group) 등이 있다.
| 회사 | 모델 | 이미지 | 시장 출시 | 평생 글로벌 판매량 | 집계 판매 시점 | 연간 글로벌 판매량 | 상태 | |
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
테슬라 | 테슬라 모델 Y | 2020년 3월 | 약 249만 대 | 2023년 12월 | 1,211,601 (2023년) | 생산 중 | ||
테슬라 | 테슬라 모델 3 | 2017년 7월 | 약 206만 대 | 2023년 12월 | 529,287 (2023년) | 생산 중 | ||
상하이자동차-GM-오링 | 오링 홍광 미니 EV | 2020년 7월 | 1,218,640 | 2023년 12월 | 118,834 (2023년) | 생산 중 | ||
닛산 | 닛산 리프 | 2010년 12월 | ~650,000 | 2023년 7월 | 64,201 (2021년) | 생산 중 | ||
비야디 | BYD 위안 플러스 / 아토 3 | 2022년 2월 | 614,260 | 2023년 12월 | 412,202 (2023년) | 생산 중 | ||
비야디 | BYD 돌핀 | 2021년 8월 | 602,434 | 2023년 12월 | 367,419 (2023년) | 생산 중 | ||
GAC 그룹 | Aion S | 2019년 5월 | 485,369 | 2023년 12월 | 222,227 (2023년) | 생산 중 | ||
비야디 | BYD 秦 EV | 2016년 3월 | 454,157 | 2023년 12월 | 154,774 (2023년) | 생산 중 | ||
르노 | 르노 조에 | 2012년 12월 | 413,975 | 2023년 6월 | 15,706 (2023년) | 생산 중단 | ||
폭스바겐 | 폭스바겐 ID.4 | 2020년 9월 | 493,219 | 2023년 12월 | 192,686 (2023년) | 생산 중 | ||
GAC 그룹 | Aion Y | 2021년 4월 | 383,350 | 2023년 12월 | 229,555 (2023년) | 생산 중 | ||
비야디 | BYD 한 EV | 2020년 3월 | 367,129 | 2023년 12월 | 106,502 (2023년) | 생산 중 | ||
테슬라 | 테슬라 모델 S | 2012년 6월 | ~363,900 | 2022년 12월 | ~35,000 (2022년) | 생산 중 | ||
체리 | 체리 eQ1 | 2017년 3월 | 338,051 | 2023년 12월 | 29,744 (2023년) | 생산 중 | ||
현대 | 현대 코나 일렉트릭 | 2018년 5월 | 329,643 | 2023년 12월 | 70,871 (2023년) | 생산 중 | ||
폭스바겐 | 폭스바겐 ID.3 | 2019년 11월 | 325,770 | 2023년 12월 | 139,268 (2023년) | 생산 중 | ||
| 오링 빙고 | 2023년 2월 | 326,319 | 2024년 11월 | 169,157 (2023년) | ||||
현대 | 현대 아이오닉 5 | 2021년 3월 | 280,430 | 2023년 12월 | 114,988 (2023년) | 생산 중 | ||
비야디 | BYD 시걸 | 2023년 4월 | 280,217 | 2023년 12월 | 280,217 (2023년) | 생산 중 | ||
| 참고: (1) 최고 속도 100km/h 이상인 차량을 고속도로 주행 가능 차량으로 간주합니다. | ||||||||
20세기 후반부터 지구 온난화가 가속화되면서 2000년대에 들어서는 더 이상 미룰 수 없는 문제가 되었다. 그 결과, 내연기관 자동차에서 전기자동차로의 전환(일명 EV 전환)이 강력하게 추진되기 시작했고, 그 이전부터 기술자들에 의해 지속적으로 이루어져 온 배터리 기술 개량과 파워 일렉트로닉스의 발전으로 기술적 장벽은 계속 낮아지고 있다. 또한, 각국 정부는 재생에너지 이용률을 높이기 위한 정책으로 전기자동차 도입을 추진하는 동시에 내연기관 자동차의 신규 판매를 규제하는 법률 정비를 진행하고 있다.
전기자동차는 특히 지구온난화 문제와 관련된 교토의정서의 CO₂ 배출 감축 목표를 달성하기 위한 수단 중 하나로, 또는 생산국이 특정 지역에 집중된 화석연료에 대한 의존도를 줄이기 위한 수단으로 국가 차원에서 실용화에 힘쓰게 되었다. 환경보다 경제성을 중시하는 사람들 사이에서도 2008년 여름, 원유가격 급등에 따른 연료 가격 상승 시에는 연비가 좋은 자동차로서 관심이 높아졌다. 풍력발전 의존도가 높은 덴마크에서는 풍력발전 특유의 불안정한 발전량이나 잉여 전력을 저장할 수 없다는 단점을 각 가정의 전기자동차를 축전지로 활용하여 전력망 전체의 부하를 낮추는 방침을 내놓고 있다. 덴마크 정부는 2007년부터 내연기관 자동차의 경우 차량 가격의 105~180%에 달하는 신차 등록세를 축전지 전기자동차에 한해 폐지한 결과, 내연기관 자동차와 전기자동차의 가격 차이는 거의 없어졌다.
2010년 당시 이미 "전기자동차는 자동차 산업에 큰 영향을 미칠(변혁을 가져올) 것으로 예상된다"고 지적되었다. 세계 여러 정부는 자국의 자동차 산업이 전기자동차가 주류가 되는 시대를 극복하기 위해 전기자동차와 구성 부품 개발에 막대한 자금을 투입하기로 결정했다. 예를 들어 미국에서는 버락 오바마 행정부가 전기자동차와 배터리에 24억 달러의 연방 보조금을 지급하기로 약속했다.
중국은 2010년대 초 전기자동차 산업 육성에 50억 달러에 해당하는 자금을 지원할 것이라고 발표했다.
2010년대 후반부터 전 세계적으로, 특히 유럽 국가들을 중심으로 지속 가능성에 대한 인식이 높아졌다. 내연기관 자동차 판매를 규제·금지하거나 전기자동차 판매를 촉진하기 위한 법률이 도입되었다. 2030년대 중반 등을 기한으로 설정하는 형태의 법률이 다수 통과되었고, 그것을 계기로 전기자동차 촉진이 가속화되었다.
2020년대에 들어 유럽과 중국 등 주요 판매 시장에서 세계 각국의 자동차 제조사들은 전기자동차 개량을 가속화하고 이미 급성장하고 있는 판매 시장에서 점유율을 확보하기 위해 경쟁하고 있다.
2020년 이후 전고체 배터리에 대한 각 자동차 제조사의 투자가 과열되고 있다. 2021년 1월 중국의 NIO(NIO)가 반고체 배터리 탑재 전기자동차를 이듬해 출하할 것이라고 발표했다.
2022년도 전기자동차 판매 점유율은 1위가 테슬라, 2위가 비야디로 모두 2003년에 설립된 신흥 기업이며, 그 외 베트남의 빈패스트 등 세계적으로 신흥 기업의 신규 진출이 잇따르고 있다. 또한 자동차를 구성하는 부품 수가 적기 때문에 공장을 보유하지 않는 팹리스화에 적합하며, 일본에서도 EV모터스 재팬이 실적을 올리고 있다.
전기자동차는 구성 부품 수가 적기 때문에 자동차 부품 제조업체에 큰 영향을 미친다. 이종 업계의 진출이 있는 한편, 기존 자동차 부품 제조업체는 자동차 부품에만 의존하지 않는 다른 사업으로의 진출이 두드러지기 시작하고 있다.
5.2. 관리 비용
전기 자동차의 관리 비용은 동급 가솔린 자동차와 비교하여 낮다. 내연 기관 자동차는 1리터의 가솔린으로 약 9.7kWh의 에너지를 발생시키지만, 전기 자동차는 2.7kWh의 전기로 비슷한 에너지를 낼 수 있다. EV1의 경우 100km 주행에 약 11kWh의 에너지를 소비한다.
전기 자동차는 내연기관 자동차에 비해 유지 보수 비용이 적게 든다. 토요타 자동차의 프리우스 전기 자동차는 30만 km를 배터리 교체 없이 주행할 수 있다고 한다.
EU와 미국에서는 연료비와 유지비가 낮아 전기차의 총소유비용이 동급 가솔린차보다 저렴하다. 연간 주행 거리가 길수록 전기차의 총소유비용이 내연기관차보다 낮을 가능성이 높다. 손익분기점 주행 거리는 세금, 보조금 및 에너지 비용의 차이에 따라 국가마다 다르다. 예를 들어 영국 런던(London)은 버밍엄(Birmingham)보다 내연기관차에 더 많은 요금을 부과한다.
모든 리튬이온 배터리와 마찬가지로, 전기자동차 배터리도 장기간에 걸쳐 성능이 저하될 수 있다. 하지만 이러한 현상은 상당 기간, 적어도 수년이 지나야 눈에 띄게 나타난다. 일반적인 보증 기간은 8년 또는 160,000km이다. 하지만 배터리는 보통 훨씬 더 오래 지속되며, 자동차에서 15~20년, 그 후 다른 용도로도 수년 더 사용할 수 있다.
6. 전기자동차 변속기
대부분의 전기 자동차는 1단 감속기를 사용하지만, 다단 변속기를 적용하면 더 높은 구동 효율을 얻을 수 있다. 많은 연구자들이 전기차 전용 변속기를 연구하고 있으며, 2단 이상의 변속을 구현하면 동일 모터 용량보다 우수한 동력 성능 확보가 가능하다. 전기 자동차용 변속기에는 수동변속기에 사용되는 싱크로나이저 기구를 이용한 단순한 2단 구조, 듀얼 클러치 변속기(DCT), 무단변속기(CVT) 등이 사용된다. 포르쉐 타이칸, 리막 네베라 등 일부 고성능 전기차에는 모터 회전수 한계를 벗어나 최고 속도를 높이기 위한 목적으로 2단 변속기가 탑재된다. 4단 수동변속기를 모터와 결합하는 개조를 통해 각 기어 단에서 에너지 효율이 가장 높은 기어 단을 선택, 에너지 효율을 최적화하고 더 긴 주행거리를 확보할 수 있다.
파워프라자에서 2021년 출시한 '봉고3 EV 피스 더블캡'은 6단 수동변속기를 장착했다. 도요타는 2022년 2월 전기차 전용 수동변속기 시스템 특허를 미국에 출원했다. 이 시스템은 전진 6단, 후진 1단 수동변속기를 재현한 소프트웨어로, 운전자가 클러치 페달을 밟으며 변속 레버를 조작하면 소프트웨어가 기어 단수에 맞는 토크와 출력을 제어한다. 가짜 클러치 페달과 엔진 회전수(rpm) 변화로 수동변속기 차량 운전 기분을 낼 수 있다.
7. 국가별 전기 자동차
2021년 기준, 전 세계 도로 위를 달리는 전기자동차의 총 대수는 약 1,650만 대에 달했습니다. 2022년 1분기 전기자동차 판매량은 200만 대를 돌파했습니다. 2019년 말 기준, 중국은 258만 대의 순수 전기차를 운행하며 세계 전기차 보유량의 절반 이상(53.9%)을 차지하는 최대 시장입니다.
순수 전기차는 2012년 이후 플러그인 하이브리드 자동차보다 판매량이 더 많았습니다.
7.1. 대한민국
현대자동차그룹은 2018년 그랩과 전략적 파트너십을 체결한 이래 동남아시아에서 전기 자동차 시장 공략에 힘을 쏟았다. 전기차 전용 번호판(하늘색 바탕, 검은 글씨)을 도입했다.
7.2. 오스트레일리아·뉴질랜드
오스트레일리아에서는 2008년부터 상업용 전기 자동차를 생산하기 시작하였다. 원래 이름은 '블레이드 러너(Blade Runner)'였으나, 이후 '일렉트론(Electron)'으로 변경되었다. 일렉트론은 현대차 '클릭'의 섀시를 기반으로 제작되었으며, 뉴질랜드로 수출되고 있다. 뉴질랜드 환경부 장관 닉 스미스 박사가 일렉트론의 첫 구매자이다.
7.4. 중화인민공화국
중화인민공화국 정부는 세계 전기 자동차 시장 주도, 일자리 창출, 수출 향상, 교외 지역의 오염 감소를 목표로 전기 자동차 산업을 육성하고 있다. 그러나 한 연구 결과에 따르면 가솔린 자동차에서 전기 자동차로 전환해도 이산화탄소 배출량은 19%밖에 줄일 수 없다고 한다.
정부는 전기 자동차 및 수소 자동차 시설에 8,800달러의 예산을 지원하고, 베이징, 상하이, 톈진 등 13개 도시에 관련 기관을 설치하며, 주요 도시에 충전 시설을 건설할 계획이다. 2008년 2,100대였던 전기 자동차 생산량을 2011년까지 50만 대로 늘릴 계획이었다.
도시 간 자동차 이용이 적은 중화인민공화국의 특성상, 전기 자동차 사용은 여러 이점을 제공한다. 짧은 통근 거리와 인구 집중으로 인해 자동차가 고속을 내기 어려운 환경에서, 전기 자동차의 단점인 낮은 최고 속도(100km/h)는 충전 후 주행 가능 거리(200km)의 단점을 상쇄할 수 있다.
7.5. 이스라엘
유대인 사업가인 샤이 아가시(Shai Agassi)는 르노-닛산(Renault-Nissan)과 이스라엘 정부에게 베터 플레이스 프로젝트(Project Better Place)라고 불리는 계획을 진행해 나갈 것에 대한 동의를 얻어냈다. 전기 충전소가 곳곳에 세워질 것이고 100,000대의 전기 자동차가 2011년까지 도로 곳곳에 출현할 것으로 예상된다. 이스라엘은 자동차 소유주들의 90%가 70km보다 짧은 거리를 운행하고 주요 도시의 간격은 150km보다 짧기 때문에 전기 자동차의 사용을 반기고 있다.
7.6. 아일랜드, 포르투갈
아일랜드는 프랑스의 르노와 일본의 닛산과 협력하여 2010년까지 아일랜드의 거리에 전기 자동차를 출현시킬 계획을 추진하고 있다. 포르투갈 역시 프랑스의 르노와 일본의 닛산과 협력하여 전기 자동차의 사용을 추진하고 있으며 도시 곳곳에 전기 충전소를 건립할 것을 추진하고 있다.
7.7. 영국
2008년 영국의 국무총리인 고든 브라운은 G8에서 영국이 "녹색차 혁명"의 선두 주자가 될 것이며, 2020년까지 영국에서 판매되는 전기 자동차와 수소 자동차에서 100g/km보다 적은 양의 이산화탄소가 배출될 것이라고 밝혔다. 또한 2009년부터 2010년까지 전기 자동차 생산 연구를 진행하고, 글래스고를 첫 번째 녹색 도시로 선정하였다.
2009년 1월 교통부 장관 지오프 훈은 전기 자동차 구매자에게 2억 5천 파운드의 보조금을 지급하고, 영국 북동쪽에 전기 자동차 공장을 설립하여 4,500개의 일자리를 창출할 계획을 발표했다.
런던 시장 보리스 존슨은 2015년까지 25,000대의 전기 자동차를 생산하여 런던을 유럽의 전기 자동차 수도로 만들고, 100,000대의 전기 자동차를 런던 도로에 보급할 계획을 세웠으나, 충전소 부족 문제가 제기되었다.
2009년 4월, 영국 정부는 수소 자동차 또는 전기 자동차 구매자에게 5,000 파운드의 지원금을 지급했지만 대량 판매 시장 형성에는 부족했다. 같은 달 재무장관 알리스타이르 달링은 10년 이상 된 차를 회수하는 데 2,000 파운드의 지원금을 책정하였다.
7.8. 미국
미국에서는 1980년대 후반부터 세금 공제를 통해 전기 자동차 사용을 장려하고 있다. 캘리포니아 대기 자원 위원회(CARB)는 매연을 발생하지 않는 ZEV(Zero Emission Vehicle)의 주요 방법으로 전기 자동차를 보고 있다.
CARB는 ZEV 판매 의무를 규정하여, 자동차 판매 대수에 따라 전기 자동차, 하이브리드 전기 자동차, 초저공해 가솔린 자동차 등 무공해 차량을 일정 비율 이상 판매하도록 하고 있다. CARB는 당초 ZEV 사용량에 대한 진보적인 할당량을 설정했으나, 자동차 제조업체들의 로비와 "소비자의 수요를 무시한 처사"라는 소송으로 인해 철회되었다. 이후 요구사항을 완화하여, 2003년부터 무공해차량(ZEV) 의무 판매를 규정하고 있다.
7.9. 일본
일본에서는 1970년대와 1990년대에 미국의 배출가스 규제를 계기로 전기 자동차 개발 붐이 일어났으나, 규제 완화로 인해 개발이 중단되고 하이브리드 자동차 개발로 전환되었다. 2005년, 후지중공업과 미쓰비시 자동차가 전기 자동차 개발 계획을 발표하며 개발이 재개되었다. 2008년에는 닛산-르노 연합이 전기 자동차 사업 참여를 선언하고, 도요타도 2010년대 초반 전기 자동차 출시를 발표하며 시장이 활성화되었다.
대형 자동차로는 트롤리 버스가 도시 교통기관으로 실용화되어 있으며, 듀얼 모드 트레일러, 모스톤 하이브리드 트로리 버스, 비접촉 충전식 하이브리드 버스 등도 도입되고 있다.
8. 정책
대한민국, 중국, 헝가리, 폴란드, 노르웨이, 독일, 인도, 영국 등은 전기차 전용 번호판을 도입했다. 대한민국은 하늘색 바탕에 검은색 글씨를, 폴란드는 연두색 바탕에 검은색 글씨, 독일은 번호판 맨 오른쪽에 알파벳 E를 추가, 인도는 녹색 바탕에 흰색 글씨, 영국은 왼쪽에 연두색 띠를 추가하는 방식으로 전기차 전용 번호판을 운영하고 있다.
전 세계 여러 국가, 지방 및 지자체 정부는 플러그인 전기 자동차의 대량 시장 도입을 지원하기 위한 정책을 도입했다. 소비자 및 제조업체에 대한 재정적 지원, 비금전적 인센티브, 충전 인프라 구축에 대한 보조금, 건물 내 전기 자동차 충전소 설치 의무화, 특정 목표를 가진 장기 규정 등 다양한 정책이 수립되었다.
소비자를 위한 재정적 인센티브는 전기 자동차의 높은 초기 비용을 상쇄하기 위해 보조금 및 세금 공제, 수입 관세 면제, 유료 도로 통행료 및 혼잡 통행료 면제, 등록 및 연간 수수료 면제와 같은 일회성 구매 인센티브가 있다.
비금전적 인센티브에는 플러그인 차량이 버스 전용 차선과 다인승 차량 전용 차선을 이용, 무료 주차 및 무료 충전 등이 포함된다. 일부 국가 또는 도시는 개인 자동차 소유를 제한하거나 영구적인 운전 제한을 시행했는데, 이러한 제도에서 전기 자동차를 제외하여 도입을 장려하고 있다. 영국과 인도를 포함한 여러 국가에서는 특정 건물에 전기 자동차 충전소를 설치하도록 하는 규정을 도입하고 있다.
일부 정부는 무배출 차량(ZEV) 의무화, 국가 또는 지역 이산화탄소(CO2) 배출 규정, 엄격한 연비 기준 및 내연기관 차량 판매 단계적 폐지와 같은 특정 목표를 가진 장기 규제 신호를 설정했다. 노르웨이는 2025년까지 모든 신차 판매가 무배출 차량(배터리 전기 또는 수소)이 되도록 하는 국가 목표를 설정했다.