전기차 배터리 종류, BMS, 충전시스템에 관하여

사실 기존 자동차에서도 12볼트의 저전압 배터리가 탑재되어 있다. 이는 차량의 구동이 아닌 발전기, 에어컨 등 장치를 구동시하는 용도이지만 따로 충전이 필요하지는 않다.

하지만 전기자동차에서는 구동에 더 많은 전력이 필요하게 되었고 300~800V 이상의 고전압 전기 에너지를 공급하기 위해 자동차 바닥 부분에 수십 개의 배터리가 탑재된다.

먼저 배터리는 화학적 에너지를 저장 및 전환하여 전기적 에너지로 활용하는 장치이다. 전기자동차 배터리는 2차 전지이며, 2차 전지에도 여러 종류가 있는데 에너지 밀도가 높은 리튬이온 배터리가 가장 널리 쓰이고 있다. 전기 자동차 주요 성능인 주행 가능 거리에는 배터리의 재원과 성능이 매우 큰 영향을 미친다.

전기차 배터리의 구조와 원리

배터리 기초

하나의 배터리 셀은 양극재, 음극재, 분리막, 전해질로 구성되어 있다.

• 양극재 (Cathode): 리튬이온의 소스로, 배터리의 용량과 전압을 결정합니다.
• 음극재 (Anode): 충전 시 리튬이온을 저장했다가 방전 시 방출하며 전류를 흐르게 합니다. 시간이 지날수록 구조가 변형되어 수명에 영향을 미칩니다.

양극에서 나온 리튬이온이 전해질을 통해 음극으로 이동하면 배터리가 충전된다.
음극에 있는 리튬이온이 다시 양극으로 이동하면 외부 회로를 통해 전자의 흐르고 전기 에너지가 발생한다.

• 전해질 (Electrolyte): 리튬이온이 양극과 음극 사이를 원활하게 이동할 수 있도록 돕는 매개체입니다.
• 분리막 (Separator): 양극과 음극의 물리적 접촉을 막아 화재를 방지하되, 리튬이온만 통과시킵니다.

리튬 이온은 전해질을 타고 이동하며 전해질은 이온이 원활하게 이동하도록 돕는 매개체다. 따라서 이온 전도도가 높은 물질이어야 하며 안전을 위해 전기화학적 안정성 및 발화점이 높아야 한다.

마지막으로 분리막은 양극재와 음극재의 물리적 접촉을 차단하여 폭발을 방지하며 리튬이온만이 통과할 수 있도록 한다.

배터리 시스템의 구성 단위

배터리의 구성 단위는 크게 셀, 모듈, 팩 세 가지로 나눌 수 있다.

• 셀
  • 전기 에너지를 화학적 에너지로 저장하고 다시 전기 에너지로 변환하여 사용할 수 있는 기본 단위
  • 앞서 설명한 양극재, 음극재, 전해질, 분리막으로 구성되어 있다.
• 모듈
  • 여러 개의 셀을 직렬 또는 병렬로 연결하여 구성한 집합체다.
  • 셀의 전압, 온도, 충전 상태 등을 모니터링하고 조절하는 배터리 관리 시스템 포함
  • 모듈은 단일 셀보다 더 큰 전압과 전력을 제공 가능
  • 각 셀의 고장이나 불균형을 관리하여 시스템의 안정성을 높임.
• 팩
  • 여러 개의 셀 또는 모듈을 조합하거나 추가적인 장치 부착한 형태
  • 차량에 장착되는 배터리 시스템의 최종 형태
  • 추가적으로 냉각, 시스템, 충전기, 보호, 회로 등이 통합될 수 있음
  • 시스템 요구에 맞게 설계되어 대용량의 전력을 제공

배터리 셀의 형태 

배터리 셀은 크게 각형, 원통형, 파우치형으로 제조되고 있으며 각각의 형태에 따라서 장점과 단점을 가진다.

각형 셀

• 여러 개 쌓을 수 있는 납작하고 값진 직사각형 모양
• 공간 효율성이 높다
• 금속 하우징에 담겨 있어서 상대적으로 배터리 무게가 무거움
• 외부 충격이 강하고 열 방출에 효율적
• 현 시점에서 가장 많이 쓰이는 배터리 형태

원통형 셀

• 건전지와 비슷한 금속 원기둥 모양
• 외관이 견고하고 사이즈가 규격화돼 있어 생산 비용이 저렴하기 때문에 안정적인 수급이 가능
• 배터리 팩 내에서 공간 활용도가 떨어질 수 있음
• 부피당 에너지 밀도가 높은 반면 다른 형태에 비해 용량이 상대적으로 작음
• 전기 자동차 장착을 위해 여러 개의 배터리를 하나로 묶어 배터리 시스템 구축을 위한 비용이 발생

파우치형 셀

• 셀을 얇고 유연한 필름으로 포장한 형태
• 상대적으로 가볍고 에너지 밀도가 높아서 주행 거리가 길다
• 소재를 층층히 쌓아 올려 빈틈없이 꽉 채울 수 있어 내부 공간 효율이 개선, 에너지 용량 증대
• 구부리거나 접을 수도 있고 다양한 사이즈와 모양으로 제작이 가능, 활용도가 높음
• 외부 충격에 약해 화재 위험성이 높음
• 모듈이나 팩으로 제작 시 위부 위험 커버할 수 있는 기술이 필요

 

전기차 배터리 주요 성능 지표

에너지 밀도

에너지 밀도는 단위 부피당 질량으로서 배터리가 저장할 수 있는 에너지 양을 나타낸다. 때문에 전기 자동차의 주행 거리에 직접적으로 영향을 미친다. 따라서 부피는 동일할 때 내부를 가득 채울 수 있는 기술력이 중요하다.

안전성

전기자동차 배터리 열폭주로 인한 화재 위험성이 사회적 문제가 되고 있다. 배터리가 충격, 진동, 과충전, 과방전 과열 등의 상황에서 안전을 유지하도록 내구성을 갖춰야 하며 화재나 폭발의 위험을 최소화할 수 있도록 안전 및 보호 기능을 갖춰야 한다.

수명

배터리 사이클은 설계된 배터리 용량을 100% 소모한 횟수를 의미한다. 예를 들어 배터리를 100% 완충 후 50%만 사용하고 다시 충전한다면 배터리 사이클 기준 0.5회 사용한 것을 의미한다. 배터리의 수명은 배터리가 유효하게 사용할 수 있는 기간 또는 충방전 사이클 수를 의미한다. 예를 들어 배터리 수명이 배터리 사이클 500회라면 배터리 사이클 500회에 도달하는 시점에는 성능 저하가 발생할 수 있기 때문에 배터리를 교체해 줘야 한다. 긴 배터리 수명은 배터리 교체 주기를 늘려주며 소비자들이 전기 자동차 사용 동안에 교체 비용을 줄여줄 수 있다.

가격

배터리 셀은 일반적으로 전기자동차 생산 원가의 30에서 50%를 차지하기 때문에 자동차 가격과도 직결된다. 효율적인 배터리의 대량 생산이 가능해야만 전기자동차의 가격을 낮춰 보급률을 높일 수 있다.

충방전 특성

배터리 내부 온도를 조절하기 위해서 냉각팬을 켜거나 끄는 제어나 각 셀마다 과충전, 과방전을 방지하기 위하여 셀 전압 밸런싱 등의 제어를 통해 배터리의 상태를 제어한다. 특히 과충전 과방전은 배터리의 성능을 저하시키거나 심지어 폭발 및 화재의 위험이 있어 배터리를 안전하고 효율적으로 사용하기 위하여 배터리 보호 회로 장치가 필요하다.

BMS는 이러한 상황이 발견되면 셀 밸런싱을 통해 충전량이 높은 셀의 전류를 자체 방전하거나 충전량이 높은 셀에서 낮은 셀로 전류 이동하여 전체적인 셀의 충전 상태를 확인하여 조절한다. 또한 고장난 셀이 발견됐다면 다른 셀을 사용할 수 있도록 차단하며 해당 사항을 사용자에게 경고해 주는 역할을 한다. 배터리 관리 시스템을 활용한 지속적인 배터리 모니터링 및 관리를 통해 사용자는 보다 안전하고 장기적으로 전기 자동차를 이용할 수 있을 것으로 기대된다.

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배터리 충전 시스템과 매커니즘

충전 시스템의 하드웨어 구조

파워서플라이

• 전원 공급 장치인 파워 서플라이
• 전원 공급 장치는 외부 전원에서 에너지를 공급받아 충전기로 전달하는 역할
• 예를 들어 가정용 콘센트, 공공 충전소 고속 충전기 등

OBC

• 차내 충전기인 온보드 차저
• 차내 충전기는 외부 전원에서 받은 전력을 배터리의 적절한 전압과 전류로 변환하여 전달하는 역할
• 정류기, 변압기, DCDC 컨버터, 필터 등 포함
  • 정류기는 교류 전원을 직류 전원으로 변환
  • 변압기는 전압을 조절
  • DCDC 컨버터는 배터리의 전압 요구 사항에 따라 전압을 조정

BMS

• 배터리 관리 시스템인 배터리 매니지먼트 시스템
• BMS는 배터리의 상태를 실시간으로 모니터링하고 최적의 충전 상태를 유지하는 역할
• 배터리 셀의 전압, 온도, 전류 등을 측정하고 분석하여 충전 과정을 제어하며 각 배터리 셀의 전압을 균일하게 유지
• 셀 밸런싱
  • 충전량이 높은 셀의 전류를 자체 방전하거나 충전량이 높은 셀에서 낮은 셀로 전류 이동
  • 전체적인 셀의 충전 상태를 확인하여 조절
  • 고장난 셀이 발견됐다면 다른 셀을 사용할 수 있도록 차단, 사용자에게 경고

보호회로 Protection Circuit

• 보호 회로는 배터리를 과전압, 과전류, 과열 등의 위험으로부터 보호
• 과전류가 흐를 때 회로를 차단하는 퓨즈
• 갑작스러운 전압 상승을 완화하는 서지 보호기
• 배터리 온도가 위험 수준에 도달하면 충전을 중단하는 온도 보호기를 포함

배터리

• 배터리는 에너지를 저장하고 필요할 때 방출하는 역할
• 주로 리튬이온 배터리가 사용되며 높은 에너지 밀도와 긴 수명을 제공

 

충전 단계와 알고리즘

충전 시스템은 주로 Constant Current CC라고 불리는 정전류와 Constant Volatage CV로 불리는 정전압 방식을 사용하여 배터리를 충전한다. 정전류와 정전압 방식을 조합한 충전 과정은 배터리의 수명을 연장하고 안전성을 높이는 데 중요한 역할을 한다. 또한 배터리 관리 시스템은 배터리 상태를 실시간으로 모니터링하고 보호하여 최적의 충전 상태를 유지하여 효율적인 에너지 관리를 실현한다.

충전 과정은 일반적으로 3단계로 나뉜다.

초기 충전 Bulk Charging 단계

• 최대 전류로 충전하여 배터리 용량의 80% 정도를 빠르게 채우는 단계
• 정전류 방식이 주로 사용된다.

정전류 방식 CC

정전류 방식은 충전 초기 단계에서 사용되는 방식
주로 배터리 전압이 낮을 때 사용
배터리에 일정한 전류를 공급해 배터리의 용량을 빠르게 채우는 데 효과적
정전류 방식은 배터리 전압이 점차 상승하게 만들며 특정 전압 수준에 도달할 때까지 일정한 전류를 유지

 

흡수 충전 Absorption Charging 단계

• 배터리 전압을 일정하게 유지하면서 전류를 줄여 나머지 20%를 충전하는 단계
• 정전압 방식이 주로 사용됨..

정전압 방식 CV

정전압 방식은 충전 중간 및 후반 단계에서 사용
배터리 전압이 특정 수준에 도달하면 일정한 전압을 유지하면서 충전 전류를 점차 줄임
배터리가 과충전되는 것을 방지하고 배터리 수명을 연장
배터리의 전압을 일정하게 유지하는 반면 충전 전류는 시간이 지남에 따라 감소

 

유지 충전 Float Charging 단계

• 배터리가 완전히 충전된 후 소량의 전류를 유지하여 배터리를 최적의 상태로 보존하는 단계
• 배터리의 자가 방전을 보장하기 위해 소량의 전류를 지속적으로 공급

 

저전압 고전압 충전 시스템

초기 전기차 모델들은 저전압 충전 시스템을 사용하여 가정이나 일반 사무실에서도 충전할 수 있고 설치 비용이 낮다는 장점은 있었지만 충전하는 데 시간이 오래 걸린다는 큰 단점이 있었다. 예를 들어 완충까지 8시간 이상 걸릴 수 있으며 이는 사용자에게 상당한 불편함을 초래하였다. 따라서 전기차는 효율적인 충전 시스템이 필수적이다.

고전압 충전 시스템과 저전압 충전 시스템의 가장 큰 차이점은 사용하는 전압의 차이다. 일반적으로 400V 미만의 전압을 사용하는 경우를 저전압 충전 시스템이라고 하고 400V 이상의 전압을 사용하는 것을 주로 고전압 충전 시스템이라고 한다.

일부 시스템은 800V 이상을 사용하여 더 빠른 충전 속도를 제공하는데, 테슬라의 슈퍼 차저, 현대, 기아, 제네시스의 800볼트 기반 충전 시스템 등이 있다.

저전압 충전

• 주로 400볼트 이하를 사용
• 일반적인 가정이나 사무실에서 사용될 수 있는 충전 인프라에 적합
• 사용자가 자신의 주거지 또는 일반 주차 공간에서 쉽게 접근할 수 있도록 만들어져 있음
• 비교적 저렴한 설치 비용과 운영 비용
• 복잡한 설비 투자 없이도 이 시스템을 이용할 수 있음
• 상대적으로 느린 충전 속도로 전체 배터리 충전에 수 시간이 걸릴 수 있음

고전압 충전

• 400볼트 이상, 특히 800볼트 이상의 전압을 사용하여 전기차의 배터리를 충전
• 장거리 운행 중 빠르게 충전할 수 있는 것을 목표
• 충전 시간을 대폭 단축하여 편의성 제공
• 전기차와 충전 인프라 모두 고전압을 견딜 수 있도록 강화된 설계 필요(고비용의 인프라 투자가 요구)
• 높은 전압으로 인해 안전 규제 엄격, 기술적 해결책 필요

 

고전압 충전 기술의 효율성과 안전성을 개선하기 위한 연구가 진행 중이며, 저전압 충전 기술도 더 빠른 충전 속도를 제공할 수 있도록 발전하고 있다. 미래에는 혁신적인 충전 솔루션이 등장할 것이다. 이를 통해 전기차의 보급을 확대하고 환경 보호에 기여할 수 있을 것이다.

다시 말해 배터리 SOC가 0%나 100%가 되지 않게 적정한 충전 패턴을 조절하는 기술을 말한다. 전기차 운전자가 직접 충전 패턴을 설정하여 충전을 진행할 수 있다. 이외에도 추운 겨울철 배터리 충전을 하기 전에 미리 충전 효율 향상을 위해 배터리의 온도를 상승시키는 배터리 컨디셔닝 모드 등 다양한 기술들을 통해 충전 효율 향상을 도모하고 있다.

고전압 급속 충전은 배터리의 온도를 상승시키고 화학적 스트레스로 인한 배터리 열과 가속의 원인이 된다는 관련 연구도 있다. 따라서 고전압 급속 충전의 장단점을 고려하여 전기차 운행 조건에 적합한 충전 속도를 선택하는 것이 중요하다.