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[오토저널] 대형 리튬 배터리를 적용한 전기자동차용 ESS

페이지 정보

글 : 오토저널(ksae@ksae.org)
승인 2016-01-17 23:18:24

본문

한국 최초의 수출 전기자동차 Soul이 자동차 본고장 유럽에서 매우 좋은 평가를 받고 있다. 고밀도 리튬 배터리를 적용하여 주행 거리를 늘린 것이 좋은 평가를 끌어낸 핵심 이유 중 하나이다. 본 고에서는 세계시장에서 당당히 경쟁하는 한국 대표 전기자동차 Soul에 장착된 ESS의 특장점에 대해 구체적으로 살펴 보겠다.

첫 해외 수출 국산 전기자동차 Soul에 대한 호평

Soul 전기자동차는 노르웨이 소비자 단체인 Dinside로부터 “2015 COTY(Car of the Year)”로 선정 되었다. 세계에서 전기자동차 보급율이 가장 높은 국가인 노르웨이에서는 판매되는 승용차의 15~20%가 전기자동차이다.

지난 해에는 테슬라 모터의 모델 S가 이상을 받아서 전기자동차가 2년 연속 수상하게 되었다. 아우디 A3 하이브리드(2위), 폴크스바겐 파사트(3위) 등 유럽에서 인기 높은 차종을 제치고 1위를 차지한 것이며, 현대기아차가 노르웨이 올해의 차에 선정된 것은 이번이 처음이다. 에스펜 스텐스루드 심사위원장은 “쏘울EV는 212㎞(내수 기준 148㎞)에 달하는 동급 최고의 주행거리를 비롯해, 디자인·공간활용성에서 좋은 평가를 받았다”고 밝혔다.

Soul 전기자동차 모델은 기존 가솔린 차량의 공간을 전혀 희생하지 않고 동일하게 준준형 차량의 활용 공간을 제공한다. 이를 위해서는 에너지 밀도가 높은 배터리 기술이 중요하다. 양산 전기자동차에 적용한 배터리로서 싸이클 수명이 긴 대형 리튬 셀의 에너지 밀도는 200Wh/kg으로 세계 최고 수준이다. 이러한 고에너지 밀도 셀은 차량의 공간을 희생하지 않은 채 긴 주행 거리를 가능하게 하는 핵심 기술인 것이다.

Soul 전기자동차의 배터리 기술

<그림 1>에 나타낸 것과 같이 SK이노베이션은 2010년 이후 현대기아자동차의 3종의 전기자동차 개발에 참여하였다. 이를 통해 단기간 내에 기술력의 수준을 향상시켜 완성도가 높은 제품으로 출시할 수 있었다.

한국 최초의 양산 전기자동차인 레이 전기자동차는 2012년 11월 양산하기 시작하여 2012년 이후 본격 보급하여 한국의 전기자동차 시대를 열었다. 레이 전기자동차는 2010년 실증 운행을 하고 2011년 시범 보급 국책 사업을 통해 개발한 한국 최초의 실증 보급 전기자동차인 블루온에 탑재한 배터리를 개선하여 적용한 것이다.
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<표 1>에 나타낸 레이 전기자동차에 적용한 셀의 용량은 50Ah이며 에너지 밀도는 142Wh/kg이다. 88개의 Cell을 직렬 연결하여 16.4kWh의 에너지 저장 용량을 지니는 팩을 구성하였다. Soul 전기자동차에 적용한 셀의 용량은 37.5Ah이며 에너지 밀도는 200Wh/kg으로 40% 가량 에너지 밀도를 증가하였다. 2개의 Cell을 병렬 연결하고 이를 96개 직렬 연결하여 27kWh 용량의 팩을 구현하여 68%가량 팩의 에너지 저장 용량을 증가시켰다.

배터리 팩의 구조

Soul 전기자동차에서 배터리 팩은 <그림 2>와 같이 차량의 바닥면에 부착되어 있다. 이에 따라서 차량의 무게 중심이 낮게 형성되어 안정적이고 안락한 승차감을 제공하고 있다. 또한 차량 공간의 축소 없이 배터리를 탑재하여 충분한 승객 공간을 제공하고 있다. Soul 전기자동차 배터리 팩 내부는 <그림 3>에 나타낸 바와 같이 배터리 모듈 뿐만 아니라 제어 및 안전을 위한 다양한 전장품으로 구성되어 있다.

PRA는 구동 모터 제어기 및 충전기 등과의 고전압 시스템 연결 Relay이며, BMS는 96개의 셀 모듈의 상태 모니터링과 셀 균형화 등을 수행하는 시스템이다. Heater는 배터리 모듈의 온도 불균형을 제어하고 저온에서의 배터리 성능을 향상시키기 위한 기구이다. 그리고 Safety Plug는 과전류를 차단하고 팩을 서비스할 때 이를 제거하여 고전압 형성을 방지하는 장치이다. 제어기의 고장 Mode에서 발생할 수 있는 과충전 상황을 방지하는 RAD 시스템까지도 갖추어져 있다.

전기자동차의 과거 사고 이력을 보면 많은 경우 충전 중 발생하고 있어 이를 예방하는 안전 시스템이다. Soul 전기자동차는 BMS 제어계측기 구성 소자의 Short 발생 등의 다양한 이상 상태까지도 대비한 안전 시스템을 구축하고 있다. 팩은 8개의 모듈로 구성되어 있다. 이 중 4개는 14개의 셀로 구성한 모듈이며, 4개는 10개의 셀로 구성된 모듈이다. 각각의 모듈은 <그림 4>와 같이 좌우에 Heater를 설치하여 혹한기에도 배터리 충전량을 충분히 높일 수 있게 하며, 주행 중 불균형한 열손실로 인한 국부적 온도 불균형으로 인해 발생할 수 있는 셀 Unbalance 문제 발생을 예방한다.

10셀 모듈 2개와 14셀 모듈 2개는 <그림 5>와 같은 Sub 배터리 팩을 구성 한다. Sub 팩은 버스바로 연결하고 Wiring Harness를 체결하여 Tray 위에 장착된다. 두 개의 Sub Pack은 차량 하부에 부착하기 위한 하부 케이스 위에 <그림6>과 같이 놓여지게 된다.

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배터리 팩 Assembly에 <그림 7>과 같은 각종 전장품을 부착하여 배터리 팩을 구성한다. 배터리 냉각 계통 및 각종 제어와 안전을 위한 전장 장치, 그리고 기계적 진동이나 충격에 견디는 기계적 구조물을 포함하여 셀 중량의 2배 가량으로 팩 중량이 증가하게 된다. 팩 부피 및 중량 감소를 위한 기술 개발은 셀에 대한 기술만큼 중요하다. 구성한 배터리 팩은 진동 및 충격 등 기계적 내구성, 급속 충방전 등 전기적 내구성, 제어기 고장을 가정한 과충전이나 화염/침수/충돌 경우의 안전성 등 다양한 내구성 및 안전성을 엄격한 시험 과정을 거쳐 평가하게 된다. 일본에서 개발한 전기자동차인 미쓰비시자동차의 iMEV나 닛산 자동차인 Leaf의 경우 별도의 배터리 냉각 시스템을 적용하지 않고 있다. 이들 차량은 자동차의 성능을 제한하여 배터리 온도가 과열되지 않도록 관리하고 있으나, Soul 전기자동차는 냉각 및 가열 시
스템을 적용하여 고온 및 저온 환경 그리고 급속 충전 직후에 차량 출력 성능을 제한하지 않는다.

Soul 전기자동차용 셀의 특징

셀의 에너지 밀도를 높이기 위해서 가장 중요한 것은 양극재로 적용하는 금속 산화물의 용량 증대이다. 양극재의 리튬 이온의 저장 밀도가 음극재에 비해 매우 낮기 때문이다. <그림 8>에서 예시한 것처럼 양극재 개선을 통하여 셀의 에너지 밀도를 증대하였다. 레이 전기자동차에서는 출력과 안전성이 우수한 망간산화물(LMO)을 주로 양극재로 적용하였다.

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Soul 전기자동차에서는 에너지 밀도가 높고 고온 수명이 우수한 니켈 성분이 많은 NCM 복합 산화물을 양극재로 적용하였다. Soul 전기자동차 셀의 Cycle 수명은 <그림 9>에 나타낸 바와 같이 매우 높은 싸이클 수명을 나타내고 있다. 통상적 운전 조건인 35℃에서 3500Cycle 수준이며, 사막과 같은 더운 지역의 환경인 45℃에서는 2500Cycle 수준이다. 차량 내구 수명까지 배터리를 교환해야 하는 걱정 없이 사용할 수 있는 높은 수명을 확보하였다. IT용 리튬 전지를 사용해본 경험은 전기자동차의 배터리를 몇 번은 교체해야 할 것으로 보는데, 이러한 통념을 뛰어 넘어선 수준의 장수명 특성을 셀이 지니고 있다.

고에너지 밀도와 동시에 높은 Cycle 수명을 유지하기 위해서는 리튬이 음극 양극으로 충방전에 따라 이동하는 경로에서의 저항을 낮추는 것이 필요하다. 자체 생산하여 적용한 <그림 10>의 분리막은 고투과성 특성을 지니고 있어 리튬 이동 중 발생하는 저항이 작다. 또한 분리막의 Puncture Strength가 Dry Type에 비해 7배 가량 높아 셀 제조 과정 중의 뚫림이나 미세 메탈 입자에 의해 발생하는 불량률이 매우 낮다.
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일반적으로 자동차용 배터리에 적용하는 분리막은 대개는 <그림 11>과 같은 저가형 Dry Type이다. Dry Type은 투과율이 낮아서 저항이 크고 줄무늬 방향으로 찢어지면서 Micro Crack이 발생하기 쉽다. 이곳으로 리튬 이온의 이동이 집중되면서 미세 Short 등 불량으로 시간에 따라 확대되는 경향이 있다. 또한 Puncture Strength가 낮아 미세 이물에 의한 뚫림 불량이 발생하기 쉽다.

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또한 리튬 이동의 저항을 낮추기 위해서 <그림 12>에 예시한 것과 같이 음극소재 표면의 SEI(Solid Electrolyte Interface) 계면의 두께를 얇으면서도 균일하게 형성하였다. 얇고 균일한 SEI와 고투과성 분리막 기술을 셀에 적용함으로써 고에너지 밀도와 높은 Cycle 수명을 동시에 달성하게 되었다.

Tesla 배터리와 비교

자동차부품연구원에서는 Tesla Model S 전기자동차를 구입하여 Tear Down하면서 Benchmarking 시험을 실시하였다. 해당 전기자동차는 저가 고에너지 밀도의 노트북용 3Ah용량의 소형 셀을 연결하여 배터리 팩을 구성하고 있다. 자동차부품연구원의 시험 결과에 따르면 <그림 13>에 나타낸 바와 같이 불과 300Cycle만에 배터리 용량이 20% 감소한다. 그러나, 테슬라 전기자동차는 60~85kWh의 대용량의 배터리를 탑재하여 주행 거리를 늘이고 Cycle 횟수를 줄이면서 동시에 8년의 Warranty 기간을 제공하여, 배터리에 대한 소비자의 불신을 극복하고서 상업화에 아주 큰 성공을 거두고 있다. <그림 14>와 같이 396개의 셀을 66P6S로 모듈을 구성하고 있다. 셀의 냉각을 위하여 냉각수가 통과할 수 있도록 냉각 채널을 포함하고 있다.

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60kWh 배터리 팩의 경우 66P6S로 구성한 모듈을 14개 직렬 연결하여 구성하고 있다. 냉각팬과 냉각수 등의 무게를 제외한 팩의 총 중량은 482kg이다. 단위 주행 거리당 에너지 소비량은 Model S가 공차 중량이 2.1t으로 큼에도 불구하고 Soul과 동등 수준이다. 공기 저항이 적은 유선형 구조와 고효율 모터 등에 기인한 것으로 보인다<표 3>.

수냉 구조를 채택한 GM Volt와 Tesla Model S는 <그림15>와 같은 몇 번의 화재 사고가 발생하였다. 냉각수가 유출되는 경우 회로 등의 Short를 유발할 수 있는 점은 수냉식구조의 배터리의 안전상 취약점이다. 그러나 수냉식 배터리구조는 셀을 보다 치밀하게 배치할 수 있어서 제한된 공간에 더 많은 셀을 탑재할 수 있는 장점이 있어 채택하고 있다.

Soul에 적용한 배터리는 상용화된 대형 리튬 전지로는 가장 높은 수준의 에너지 밀도를 지니고 있다. 또한 매우 높은 Cycle Life를 구현하여 차량의 내구 수명 기간 동안 배터리의 교환이 필요 없다. 이러한 특성을 바탕으로 Soul 전기자동차는 동급 차량 대비 긴 주행 거리와 넓은 승차 공간을 제공하고 있다.

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Soul 전기자동차는 SK가 제주도에서 렌터카로 제공하고 있어서 일반인도 직접 체험하고 성능을 확인해 볼 수 있다. Soul은 안전성 측면에서도 우수하여 전기자동차의 안전성에 대한 과거의 회의적 시각을 해소시켰다. 전기자동차용 리튬 셀의 에너지 밀도를 증대하는 것은 매우 중요하다. 부피 에너지 밀도는 0.5배 (550Wh/l), 중량 밀도는 1/3배(266Wh/kg) 수준으로 증대하여 2020년 경에 양산화를 할 것이다.

2020년 전기자동차는 ICE기반 차량과 동등한 경쟁력을 지니게 될 것으로 전망하고 있다. 전기자동차는 기술 발전에 의한 성능 개선과 함께 뛰어난 도시 환경 오염 개선 효과와 연료비 절약 효과에 의해서 저유가 시대임에도 불구하고 더욱 보급이 활성화될 것이다.

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Soul 전기자동차 배터리 개발을 리드하고, 본 고를 작성하는데 데이터 제공 및 검토해 주신 현대자동차 연구소 박진호 팀장, 자동차부품연구원 성시영 센터장, 고에너지 장수명 셀 개발을 성공시킨 이존하 팀장 및 팩 프로젝트를 리드한 강호철 팀장 등 SK 이노베이션 구성원들께 감사드린다.

글 / 오전근 (SK 이노베이션)
출처 / 오토저널 15년 7월호 (http://www.ksae.org)
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