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더 안전하고 더 오래 가게!
친환경차 배터리 시스템

이주열 책임연구원(전기에너지설계팀)   일러스트 조성호

친환경차

※ 2020년 이후 전기차 1회 충전 시 주행거리는 500km 이상 늘어날 예정으로,
배터리의 용량은 현재 30kWh에서 80kWh 이상으로 증대될 것이다.

순수 전기차와 배터리

하이브리드, 플러그인 하이브리드, 전기차와 같은 친환경 자동차는 엔진과 모터 동력을 조합하여 구동하는 자동차이다. 그중 전기차는 차량 엔진의 기능을 제거하고 순수하게 모터 동력만을 통해 구동한다. 이는 고전압 배터리에서 전기 에너지를 전기 모터로 공급하여 구동력을 발생하는 방식으로, 화석연료를 전혀 사용하지 않는 완전 무공해 차량이다.

이러한 전기차용 배터리는 주행 거리가 얼마나 되는지, 배터리의 수명이 얼마인지가 시장에서의 가치 기준으로 평가된다. 전기차는 하이브리드 자동차와 달리 엔진 구동이 없으므로 상대적 구성 부품이 적고 시스템의 복잡도도 단순한 편이다. 그러나 전기차는 차량의 상품성을 유지하며 전기주행거리(AER)를 증대해야 하기 때문에, 배터리를 탑재해야 한다. 따라서 내부의 배터리 안전성 보증과 외부 충격에 의한 강성 보강 그리고 안전 설계가 필수다.

주행 상황별 제어

 
하이브리드 자동차
(HEV)
플러그인 하이브리드
자동차(PHEV)
전기자동차(EV)
구동원
엔진+모터(보조동력)
모터, 엔진(방전 시)
모터
에너지원
전기, 화석연료
전기, 화석연료(방전 시)
전기
배터리
0.98~1.8kWh
4~16kWh
10~30kWh
특징
주행 조건별 엔진과 모터
를 조합한 최적 운행으로
연비 향상
단거리는 전기로만 주행,
장거리 주행 시 엔진 사용,
하이브리드 +전기차의
특성을 가짐
충전된 전기
에너지만
으로 주행,
무공해 차량
구동
형태
그림 1
그림 2
그림 3

배터리 기술의 진화

이러한 전기차는 주행거리가 증대됨에 따라 배터리팩의 고용량화가 요구된다. 전기차는 고에너지 밀도의 배터리 셀을 가능한한 많이 장착해야 한다. 이렇게 많은 배터리 셀이 콤팩트한 공간 안에 탑재됨에 따라 셀이 가지는 최적의 운용 조건을 맞추기 위한 온도 관리가 필수적으로 요구된다. 이를 위해 최근 전기차 배터리의 성능을 최대화하기 위한 냉각 방식으로 냉각팬을 이용한 공랭식에서 유체를 이용한 수랭식으로 빠르게 기술 발전이 이루어지고 있다.

물을 이용한 냉각 방식으로 외부 충격 등에 의한 내부 단락, 충방전 동작 시 과충전, 과방전과 같은 배터리의 손상 또는 화재 등을 방지하기 위한 구조적 설계와 안전보호 장치 등이 시스템 내 구비되어야 한다. 또한 친환경 자동차의 배터리를 효율적으로 운용하기 위해서는 차량 운행에 필요한 배터리의 충전 상태, 배터리의 수명 등을 예측하는 정확성 있는 알고리즘을 적용하여 배터리를 보호하고, 수명을 연장시키는 기술도 필요하다.

우리 회사는 코나 전기차에 수랭식 배터리 시스템을 첫 적용할 예정으로, 에너지 밀도는 경쟁사와 비교하여 최고 수준이다. 수랭식 배터리 시스템은 외부 충격에 견딜 수 있는 충분한 강성과 내부 이상 시 보호회로가 작동하여 추가 문제가 발생하지 않는 억지력을 보유하고 있다. 배터리의 용량을 지속적으로 증대하기 위하여 좀 더 작고 가벼운 배터리 셀과 신소재 부품, 효율적인 냉각 방식, 신뢰성 높고 정확한 보호회로 등의 미래 기술이 지속적으로 적용됨에 따라 소비자의 선택도 늘어날 것으로 보인다.

주행 상황별 제어

전기차 고유의 발진 가속
전기모터 특유의 우수한 초기 발전 토크로
혼잡한 도심에서 가속력을 높여준다.
회생 제동
브레이크를 밟으면 모터가 발전기로 전환되어
배터리가 충전되는 기능으로, 제동횟수가 많은
도심에서 주행효율성을 높여준다.
급속 충전
주행 중 배터리 잔량이 부족할 경우,
공공충전소를 통해 24~33분 내외의 짧은
시간에 급속 충전이 가능하다.
GM BOLT 수랭식 배터리

※ 현재 테슬라 모델3, GM 스파크, 볼트 등 전기차에서 수랭식을 적용한 차량이 점차적으로 시장에 출시되는
상황으로. 우리 회사는 코나전기차에 수랭식 배터리 시스템을 적용하여 2018년에 출시한다.

미래 배터리 기술의 화두는 ‘안전’

차세대 배터리 시스템의 화두는 ‘안전’이다. 리튬이온 배터리의 전해액을 액체에서 고체로 변경하여, 배터리 셀에 구멍이 뚫리거나 구겨져도 화재 위험이 없는 안전한 운용을 하는 것이다. 전고체 전지는 기존 전지보다 두께를 축소할 수 있는 장점과 기존 리튬이온셀 대비 세 배 가까운 전력 집적도를 가지고 있어, 더 소형/경량화된 배터리 시스템으로 활용이 가능하다. 또한 에너지 효율을 늘리기 위해 여러 연구기관에서 개발 중인 리튬 황, 리튬에어 배터리를 탑재한 전기차의 미래도 예상해볼 수 있다.

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