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[오토저널] 친환경차량용 배터리시스템 기술 동향

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글 : 오토저널(ksae@ksae.org)
승인 2017-02-21 17:55:06

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친환경차 개발 현황 및 차종별 배터리시스템 특성

현재 세계 자동차 업계는 글로벌 대기 환경오염, 각국 정부의 차량 연비 규제 및 배출가스 규제에 따라 친환경 자동차의 개발 확대에 박차를 가하고 있다. 이를 위해 자동차 회사들은 친환경 차량 개발을 위한 R&D 핵심기술 확보(모터,인버터, 배터리) 및 시장 대응 전략 수립에 심혈을 기울이고 있다. 동시에 각국 정부에서는 노후 된 디젤차량 퇴출 및 친환경 차량 시장 점유율 확대를 위한 정책적 지원(규제, 보조금, 세금 혜택 등)과 인프라(충전소 보급 및 충전기 표준화등) 구축을 위한 노력을 기울이고 있다.

 

자동차 배출가스/연비규제를 대응하기 위한 친환경차량의 진화는, 석유에너지 연소를 줄이고 차량 배기가스 배출을 최대한 억제하여 대기 환경 개선에 기여하는 방향이다. 이는 전기에너지를 차량에서 최대한 활용하는 방향으로 이어진다. 차량에서 전기 에너지를 활용하여 주행하는 방식은 두 가지이다. 엔진 없이 모터로만 주행하는 전기차 모드(CD : Charge Depleting)와 필요에 따라 엔진과 모터를 모두 사용하는 하이브리드 모드(CS : Charge Sustaining)로 나뉜다. 친환경차는 CD, CS 모드 사용 범위에 따라 하이브리드(HEV), 플러그인 하이브리드(PHEV), 전기차(EV)로 분류될 수 있다.

 

최근 현대자동차는 친환경차 전용 플랫폼으로 아이오닉 하이브리드와 전기차를 양산하였으며, 곧 플러그인 하이브리드 차량을 양산할 예정이다. <그림 1>에서 보여지듯이, 현대자동차에서 최근에 양산한 아이오닉 하이브리드의 경우, 후석 시트 하부에 1.56kWh의 배터리시스템이 탑재되어 있으며, 아이오닉 전기차의 경우 차체 플로어 하부에 28kWh의 배터리시스템이 탑재되어 있다.

 

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하이브리드 차량은 CS 모드로 주행하여 전기에너지의 저장과 공급을 반복함으로써 차량의 전기에너지 활용을 극대화한다. 전기에너지 공급원으로써 고전압 배터리시스템은 Reservoir 역할을 수행한다. 즉, 모터에서 필요한 출력을 보조하고, 다시 회생으로 에너지를 저장/회수하는 반복 싸이클을 자주할수록 전기에너지의 활용성이 높아지며 이는 차량의 연비 증대로 이어진다.

 

하이브리드 차량에서의 연비 증대를 위해 배터리시스템 활용도를 높이는 것은 충방전 싸이클을 자주 반복함으로써 이루어지며, 이는 HEV 차량에서 배터리시스템이Reservoir로 일정 SOC(State of Charge)를 유지해야 된다는 뜻이다. 따라서 하이브리드 차량의 연비 측정 시에는 연비 모드의 시작시점 SOC와 종료시점 SOC가 동일해야 한다. SOC를 일정 수준 유지하여 운영되므로 하이브리드 배터리시스템에서는 탑재용량보다는 시스템의 출력이 연비에 큰 영향을 미친다.

 

하이브리드 차량에서 SOC 사용범위는 중심 SOC를 기준으로 일정 폭을 가지게 되며, 이는 모터에 의한 출력 보조와 회생 출력량과 연계된다. 즉, 모터-배터리 연계 출력이 높을수록 배터리 활용성이 커지며, 이는 연비개선으로 이어지게 된다. 물론 이는 친환경차 구동시스템 구성에 따라 달라질 수 있으며, 주행 성능(가속성, 운전성 등)과 동시에 고려하여 전략적으로 결정이 필요한 사항이다.

 

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<그림 2>에서 보여지듯이, HEV 차량의 경우 배터리시스템 탑재용량은 차종별/차급별/친환경차 시스템 종류에 따라 달라질 수 있으나 대체로 1~2kWh로 설계되며, 출력/에너지 비율을 보면 상대적으로 출력 중심 설계를 해야 한다. 이와 반대로 전기차는 오직 CD모드로만 주행한다. 즉, 탑재용량 중심의 배터리시스템 설계를 한다. CD모드에서는 전기에너지를 소비하는 방향으로 사용한다. 물론 감속 시에는 회생제동으로 전기에너지를 저장함으로써 차량 운동에너지를 회수하여 전기 에너지 활용도를 높이지만, 이는 모든 친환경차량에서는 동일하게 수행한다고 보면 된다.

 

CD모드로 운행되는 전기차에서 중점 개발 항목은 가능한 배터리를 차량에 많이 싣는 것이다. 전기차는 CD 구간만으로 차를 운행하므로 가솔린 차량 동등수준의 주행거리 확보를 위해서 고에너지밀도의 배터리 셀을 이용하여 배터리 시스템을 설계해야 한다. 고에너지밀도 셀 설계를 위해서는 전극 두께를 두껍게 가져감으로써 상대적으로 저항이 증가된다. 전기차 배터리시스템의 출력밀도는 에너지밀도 대비, 상대적으로 줄어들게 된다.

 

결론적으로, 차종별 에너지 및 배터리시스템의 사용범위를 검토해 보면 <그림 2>와 같이 정리될 수 있다. 전기차량이나 플러그인 하이브리드 차량의 배터리 출력/에너지 비율은 하이브리드 차량에 비해서 상대적으로 낮으며, 전기차량을 탑재용량에 따라 도심용 단거리와 장거리 주행거리 차량으로 세분화하였을 때, 장거리 전기차량의 출력/에너지 비율은 상대적으로 더 낮아지게 된다.

 

플러그인 하이브리드 차량은 CS모드와 CD모드를 둘 다 활용할 수 있는 차량이다. <그림 2>에서와 같이, 배터리시스템의 사용범위는 EV모드로 주행하는 CD구간이 있으며, CD모드 주행 후에는, CS모드로 주행하는 CS구간의 2가지 모드의 SOC 범위가 존재한다. 완성차 업체 전략, 차종/차급별로, 친환경차 시스템의 구성전략(AER 거리 등)에 따라, PHEV 배터리시스템의 탑재용량은 각 사별로 상당한 차이가 존재한다.

 

도요타자동차의 Prius PHEV의 탑재 용량은 4.4kWh, GM VOLT PHEV의 탑재용량은 16kWh에 해당하며, 이는 완성차 업체별로 개발된 친환경차 시스템의 차이보다는 업체별 AER에 대한 전략적인 선택으로 볼 수 있다. CD모드와 CS 모드 두 가지가 가능해야 하므로, 배터리시스템의 출력과 에너지가 하이브리드 차량과 전기차의 중간 범위에 해당한다.

 

최근 중국정부에서 AER에 따른 크레딧 차별화 정책을 펼치고 있고, 이에 따라 완성차 업체에서는 AER거리를 증대하기 위하여 플러그인 하이브리드에서 배터리 탑재용량이 증대하고 있으며, 배터리시스템은 점차 전기차화하여 진행되는 경향을 보이고 있다. 하이브리드 차량과 전기차량의 전기 에너지 활용방식이 플러그인 하이브리드에서 동시에 수행이 가능함으로써 두가지 차량의 장점을 채택할 수 있고, 전기에너지 충전량이 떨어졌을 경우에는 엔진 구동을 통해서 주행이 가능하여 주행거리에 대한 소비자의 두려움을 해소할 수 있다.

 

하지만 구현하기 위한 시스템 구성은 하이브리드 차량과 마찬가지로 엔진구동 부품이 동시에 탑재가 되어야 되고, 대용량의 배터리를 탑재해야 하므로 전기차보다 차량 내 배터리 탑재공간이 불리하다. 따라서 플러그인 하이브리드 배터리시스템을 탑재하기 위해서는 배터리시스템 뿐만 아니라 유관 부품의 레이아웃 구성이 상대적으로 가장 불리한 차량으로 볼 수 있다.

 

친환경차 배터리시스템 구성 및 안전설계
배터리시스템의 주요 부품은 <그림 3>과 같이 구성된다. 배터리시스템은 구조 패키지 관점에서 차량 진동/충격 시에 배터리셀을 적층/고정하여 보호/지지하는 역할을 수행하며, 차량 응급 상황(충돌, 압축 등)에서도 구조적 안전성 및 전기적 절연을 유지할 수 있도록 내부 레이아웃 배치 및 강성 설계가 되어야 한다. 패키지 성능 외에 다양한 기능을 수행하여야 하는데, 이는 고전압 전원의 차단/공급/감전방지, 열관리 (냉각/승온), 배터리시스템 전압&온도센싱/모니터링/고장 진단 기능이다.

 

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배터리 모듈은 배터리 셀을 고정하여 보호하는 동시에 전압센싱/온도센싱을 수행한다. 고전압 릴레이는 전원의 공급/차단하는 스위치 역할을 한다. 또한 충방전시 발생하는 열을 배출하기 위한 냉각기능을 수행하기 위하여 냉각 유로 및 냉각팬도 구성되어 있다. 공냉식 시스템의 경우는 셀간 유로갭을 확보하여 냉각팬으로 냉각하며, 플러그인 하이브리드/전기차의 경우에는 저온시 주행거리 확보를 위하여 승온 시스템을 별도로 구성하거나, 승온/냉각을 동시에 수행할 수 있도록 수냉식으로 구성하기도 한다.

 

수냉식으로 배터리시스템 냉각기능을 구성할 경우, 공냉식 대비 높은 열용량으로 좀 더 컴팩트한 배터리시스템 설계가 가능하나 수냉식 유관 부품들이 추가되어 상대적으로 재료비가 상승하는 단점이 존재한다. 배터리관리시스템(BMS)은 배터리시스템의 상태를 모니터링한다. SOC를 추정하고, 흡기온도와 배터리셀의 온도를 토대로, 냉각시스템을 제어한다. SOC/온도/사용부하에 따른 출력제한, 릴레이 제어, 셀편차 발생시 밸런싱 기능 등을 수행하며 고장 진단 기능도 수행한다.

 

현대자동차 아이오닉 하이브리드 및 전기차의 배터리는 이전 차종 대비 출력밀도 & 에너지밀도를 향상시켜 연비 향상 및 주행거리 증대에 기여하였고, 이에 따라 안전성 확보설계에도 중점을 두어 지속적으로 강화하고 있다. 배터리시스템의 안전성은 다양한 차량환경(저온, 고온, 고습, 결로, 수분유입, 먼지, 진동, 충격, 충돌, 단락, 열충격 등)에서 신뢰성을 확보할 수 있어야 하며, 앞서 서술한 바와 같이 구조적 안전성과 전기적 절연성을 확보해야 한다. 또한 차량제어기 및 전장시스템 등의 고장 상황(예 : 과충전, 과방전, 과전압, 과전류, 정전기 등)에서도 전기적 안전성이 확보되어야 한다.

 

현대자동차 친환경차의 배터리시스템의 안전성은 차량레벨, 시스템 제어기, 팩 레벨, 셀 레벨에서 4중으로 강화 안전설계를 하였고 상세한 내용은 다음과 같다.

 

• 세라믹 코팅 : 양극/음극 사이 분리막에 세라믹 코팅 적용하여 기계적/열적 강도 증대
• 수동보호 구조 : 제어기 불능 상황시, 팩 단위 안전성 확보(VPD: Voltage Protection Device 적용)
• BMS 제어기 : 실시간으로 배터리 입출력 전류, 온도, 충전상태 예측 제어
• 차량 협조제어 : 모터/차량제어기 협조제어 통한 고장 발생시 진단/전류차단 제어

 

친환경차 타입별 배터리셀 & 배터리시스템 특징
하이브리드 차량에서는 전기에너지 활용을 최대화함으로써 연비를 증대시키게 되며, 이는 전기에너지 공급/저장/활용 효율의 증대를 통해 가능하다. 하이브리드 차량에서 시스템의 효율 증대와 연비 증대를 위해서 배터리 셀 측면에서 요구되는 성능은 높은 출력과 충방전 효율이다. 이와 달리 전기차에서는 고출력배터리보다는 고에너지 배터리셀이 필요하다. 하이브리드용 배터리셀은 출력 밀도를 향상시키기 위하여 저항 감소 설계를 해야 된다. 저항을 감소하기 위한 셀 전극 설계는 동일양의 전극물질을 넓고 얇게 코팅함으로써 에너지밀도는 상대적으로 저하되는 방향이다. 전기차 배터리셀은 고에너지밀도의 전극설계를 위하여 전극 코팅량을 두껍고 좁게 설계해야 하며 이는 상대적으로 출력밀도가 저하되는 방향이다.

 

앞서 설명한 바와 같이 플러그인 하이브리드차는 CD모드와 CS모드를 동시에 수행하게 되며, 전기차 모드 주행 후에 낮은 SOC 영역에서 하이브리드 모드를 수행함으로써 하이브리드와 전기차의 특성이 혼합된 설계가 되어야 한다. 따라서, 각 차종별로 요구되는 배터리셀의 출력과 에너지의 개발방향은 <그림 4>와 같다.

 

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하이브리드 차종을 위한 배터리셀의 특징은 고출력 위주의 셀을 개발하며, EV차종을 위한 배터리셀의 특징은 고에너지 위주의 셀을 개발하게 된다. 플러그인 하이브리드 배터리셀은 대체로 하이브리드와 전기차 중간 정도의 기울기를 갖게 된다. 플러그인 하이브리드 차량에서는 CS와 CD모드를 동시에 수행하여야 하므로, 하이브리드와 전기차의 복합적인 기능을 필요로 한다. 엔진을 보조하기 위한 모터(배터리) 출력도 좋아야 하며, 이와 동시에 적절한 전기차 주행거리를 확보해야 된다. 전기차 모드 주행거리인 AER을 증대하여 환경 개선 및 크레딧에 기여할 수 있으므로 탑재용량이 증대될 가능성이 높고 완성차 업체별로 탑재용량이 다양하나 점차적으로 탑재용량을 늘리는 추세다. 점차적으로는 플러그인 하이브리드 차량용 배터리 셀의 특성은 고에너지 밀도화하여 진행될 가능성이 높다.

 

친환경차 배터리시스템 차량 탑재 및 구성
현재 완성차 업체별로 배터리시스템의 차량 탑재시 레이아웃은 다양하다. 현재 배터리시스템 차량 탑재시 탑재 레이아웃은 완성차 업체별로 다양하며 향후에도 지속 변경될 가능성이 높다. 그만큼 고려해야 될 항목들이 다양하다. 기본차의 상품성(트렁크 상품성, 승객 거주성, 안전성, A/S성, 조립성, 주행성능 등)을 최대한 유지하며, 배터리시스템 안전성을 확보해야 된다. 각 탑재위치 별로 장단점이 있어 완성차업체의 전략적 선택으로 결정된다.

 

현재 하이브리드 차량에서 배터리시스템의 위치는 대략 후석시트 후방, 타이어웰부, 시트하부 등으로 나뉜다. 후석시트 후방에 위치할 경우, 트렁크룸 용량은 일반차 대비 불리하고, 후방충돌을 고려하여, 최대한 전방 배치하여 위치 선정이 필요하다. 타이어웰부에 탑재할 경우에는 일반차와 유사 수준의 러기지룸 공간 확보가 가능하다. 다만, 스패어 타이어의 적용은 어려워 TMK 키트를 적용해야 되며, 후방충돌시 안전성 확보를 위해 차체강성과 배터리시스템의 강성을 확보하여야 한다. 후석시트 후방 탑재 경우에 비하여 타이어 웰 탑재시 배터리시스템 및 차체 중량은 강성보강을 위해 상승하게 된다. 현대자동차의 아이오닉 하이브리드의 배터리시스템은 후석 시트하부에 배터리시스템을 탑재하고 있다.

 

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<그림 5>에서 보여지듯이 시트하부에 탑재시에는, 러기지룸을 기본차와 동등수준으로 확보하는 것이 가능하다. 러기지보드 하부 스패어 타이어를 구성할 수 있으며, 후방충돌상황시 보다 안전하게 배터리시스템을 보호할 수 있다. 후석시트 하부에 배터리를 탑재함으로써 연료탱크 공간은 기본차 대비 줄어들게 되지만, 차량 연비가 개선되어 항속거리는 기본차 이상으로 확보가 가능하다.

 

앞서 언급하였듯이, 하이브리드 차량과 달리 전기차는 엔진 구동이 없으므로 상대적으로 구성부품은 줄어들게 된다. 엔진과 파워트레인 부품 및 흡배기계 부품이 적용되지 않아 시스템의 복잡도는 하이브리드 대비 전기차는 단순한 편이다. 그러나 전기차에서는 전기 주행거리(AER) 확보를 위해 최대한 많은 배터리를 탑재해야 하며, 이는 승객실 및 짐칸등의 기존 상품성을 해치지 않는 범위에서 이루어져야 한다.

 

대부분의 전기차들은 엔진 흡배기계 부품 미구성으로 인한 언더플로어 공간을 배터리에 탑재에 활용한다. 차체하부에 대용량의 배터리를 탑재하면 전기차량은 저중심 설계되어 주행 안정성 확보가 유리하다는 장점이 있다. 그러나 차체하부 전면 탑재로 인한 안전성 확보도 중요하다. 차량 충돌 상황 등 응급상황에서도 안전성을 확보할 수 있도록 강성 보강 및 안전설계가 되어야 된다. 또한 차량 충돌 상황, A/S시 및 응급상황을 고려하여 고전압 전원에 대한 전기적 보호(고전압 시스템의 절연저항 규제, 직접 접촉 규제 등)와 배터리 고정성 등을 규제하여야 한다. 이에 따라 친환경차에 대한 구조적 & 전기적 안전성 평가 등 각국 정부에서는 법규와 관련 인증시험을 강화하고 있다.

 

따라서 하이브리드와 전기차 기능을 동시에 수행하여야 되는 플러그인 하이브리드 차량에서는 배터리시스템 패키지가 더욱 어려워질 수 밖에 없다. 엔진 구동관련 흡배기계 부품을 그대로 적용되어야 하며, 배터리시스템이 탑재될 수 있는 공간은 전기차보다 제한적이면서 탑재용량에 대한 시장의 요구는 점점 커지고 있는 상황이다.

 

플러그인 하이브리드 차량에서는 고에너지 전기차 배터리의 특성을 반영하여 일정 거리의 전기차 모드 주행, 배터리 에너지 고갈시 고출력 하이브리드 모드 주행이 가능한 배터리 개발이 필요하다. 배터리시스템 단위에서는 좀 더 컴팩트하고 경량화된 시스템 개발을 통하여 기본차의 상품성을 최대한 해치지 않는 범위 내에서 안전성을 확보한 탑재와 성능 개발이 필요하다. 점진적으로 전기차 주행 거리가 연장되도록 개발되어 대기질 개선 및 규제 대응에 능동적 대처가 필요하다. 또한, 배터리 가격에 의한 친환경차의 원가와 가격 상승이 불가피하여 보급의 걸림돌이 되고 있으므로, 이에 따른 정부의 정책적 지원 및 보급 확대를 위해서는 외부 충전 시설 보급이 중요하다.

 

 

글 / 최제훈 (현대자동차)
출처 / 오토저널 16년 10월호 (http://www.ksae.org) 
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