고전압 배터리

고전압 배터리 시스템 구성

고전압 배터리는 HEV, PHEV, EV의 고출력 대용량 배터리 시스템으로 기본적으로 모터를 구동시켜 주행하게 하는 에너지원이다. 고전압 배터리로 인해 주행거리가 판별되고 출력에도 영향이 있기 때문에 관리가 필요하다.

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개요

코나 EV나 니로 EV에는 에너지 용량 64KWh의 리튬 폴리머 배터리가 장착되는데 리튬 폴리머 배터리 98개 정도를 묶어 배터리 케이스에 넣어 장착하므로 전압은 일반적으로 3.7V X 96셀 = 355.2V이다. 테슬라 모델 S의 배터리 팩은 396개의 셀로 이뤄진 14개 모듈, 총 5,544개 셀로 이뤄지며, 총 전압은 366 V다. 로드스터의 경우에는 범용 리튬이온 배터리를 6,831개를 사용하며 일본 EV 클럽이 제작한 미라 EV는 리튬이온 배터리를 8,320개를 탑재하여 240V의 전압을 사용한다.

순수 전기 차량(EV) 및 하이브리드 차량의 전력 아키텍처에서는 다양한 전압으로 전력을 저장 및 분배하여 다양한 하위 시스템(감지, 제어, 안전 및 인포테인먼트 등)에 전력을 공급한다. 이러한 전력 저장 및 전력 공급 네트워크에서는 비용, 공간 및 무게 문제가 대두된다. 하이브리드 차량은 이러한 문제를 48V 배터리 및 48V 배전 시스템으로 해결하지만, EV는 고전압 배터리(800V, 400V) 및 48V 배전 시스템으로 해결한다.

48V 배터리는 필요한 전력을 즉시 공급할 수 있지만 EV 아키텍처의 중간 배터리는 무게, 공간 및 비용 면에 부정적인 영향을 미친다. EV 전력 아키텍처 내에서 혁신을 하려면 고전압 배터리를 사용하여 고전압 에너지 저장의 이점을 보존하는 동시에 SELV 범위 내에서 전력을 공급하기 위한 DC-DC 컨버터를 사용하여 중간 배터리의 필요성을 제거하는 것이다.

고전압 배터리 시스템 구성

고전압 배터리 시스템은 고출력, 고 에너지, 고 내구성을 가지고 있는 배터리와 배터리 상태 예측, 입/출력 에너지 제한, 냉각 및 안전제어 그리고 에너지 잔존 용량 계산 등을 총괄 제어하는 배터리 제어기를 포함하고 있다. 그 외에도 배터리 보호를 위한 트레이 부분과 배터리의 최적 동작환경 조성을 위한 냉각시스템, 전원공급 및 안전 제어를 위한 각종 릴레이와 퓨즈, 안전 플러그 및 센서 등으로 구성되어 있다.

고전압 배터리는 트렁크 룸 내부에 모터 제어기, 냉각 시스템과 함께 장착되어 있다.

• 배터리 팩 어셈블리 : DC 정격의 Ni-MH (니켈-수소) 배터리는 DC 7.2V의 배터리 모듈을 직렬로 연결되는 구조로 되어 있고 한 개의 모듈은 6개의 셀로 구성되며, 셀간 전압은 1.2V 이다. 직렬 연결된 두 개의 배터리 모듈은 블록(Block)이라는 단위로 정의되며, 블록 전압은 14.4V가 된다. 배터리 Pack 상단에 장착된 외기온도센서는 부특성 더어미스터(NTC) 소자를 사용하며, 배터리 주변 온도를 감지하여 BMS ECU (배터리 제어 유니트)로 입력시킨다.

배터리 Pack 하단 부에는 배터리 내부 온도를 감지하기 위한 모듈온도센서가 장착되는데, 총 4개의 센서가 일정 간격을 두고 모듈에 삽입되어 있다.

• BMS ECU (Battery Management System ECU) : 고전압 배터리 제어를 위한 컴퓨터이며, 배터리 에너지 입/출력 제어와 배터리 성능 유지를 위한 전류/전압/온도/사용 시간 등 각종 정보를 모니터링하고, 종합적으로 연산된 배터리 에너지 상태정보를 HCU 또는 MCU로 송신하는 역할을 한다.

• 메인 릴레이 (+), (-) : 고전압 배터리의 DC 144V 전원을 MCU (Motor Control Unit) 측으로 공급하는 역할을 하는 릴레이이다. 이그니션 키가 ON되고 고전압 전기 동력 시스템이 정상일 경우 MCU는 메인 릴레이를 작동시켜 고전압 배터리 전원을 MCU 내부에 설치된 인버터로 공급하여 모터를 이용한 엔진시동을 준비한다.

• 프리 차져 (Pre-charger) 릴레이 & 레지스터(저항) : 이그니션 ON시 MCU는 고전압 배터리 전원을 인버터로 공급하기 위해 메인 릴레이 (+)와 (-) 릴레이를 작동시키게 되는데, 프리 차져 릴레이는 메인 릴레이 (+)와 병렬로 회로가 구성되어 있다. MCU는 메인 릴레이 (+)를 작동시키기 이전에 프리 차져 릴레이를 먼저 동작시켜 고전압 배터리 (+) 전원을 인버터 측으로 인가하게 하는데, 프리 차져 릴레이가 작동되면 저항을 통해 144V 고전압이 인버터 측으로 공급되기 때문에 순간적인 돌입 전류에 의한 인버터 손상을 방지할 수 있다. MCU는 프리 차져 릴레이 작동 직후 완만한 전압 상승이 완료되면 메인 릴레이(+)를 작동시켜 정상적인 144V 전원공급을 완료하고, 즉시 프리 차져 릴레이를 OFF 시킨다. 따라서, 이그니션 ON 시 릴레이 작동순서는 메인 릴레이(-), 프리 차져 릴레이, 메인 릴레이(+) 순이 된다

• 전류 센서 : 홀 효과를 이용해 전류 양을 검출하며, 고전압 배터리 (-) 케이블 측에 설치되어 있다.

• 세이프티 플러그 : 고전압 배터리는 고전압 장치이기 때문에 취급 시 안전에 유의해야 한다. 세이프티 플러그는 고전압 배터리 전원을 임의로 차단시킬 수 있는 전원 분리 장치로 과전류 방지용 퓨즈를 포함하고 있다. 고전압 전기 동력 시스템과 관련된 부품 탈 부착이나 정비 점검 시 세이프티 플러그를 탈거하면 고전압을 차단시킬 수 있으므로 이점 유의하여 작업을 해야 하고, 엔진 시동 상태 또는 이그니션 ON 상태에서는 세이프티 플러그를 탈거하지 말아야 한다.

취급 시 유의사항

• 고전압으로 작동되는 장치이므로 시동 키 2단(ON) 또는 엔진 시동 상태에서는 관련 부품을 만지거나 탈/부착 하지 않는다.
• 고전압 배터리에 연결된 DC 파워 케이블(+,-)은 감전의 우려가 있으므로 안전조치를 취하지 않은 상태에서 손으로 만지거나 임의로 탈/부착하지 않는다.
• 고전압 배터리 관련 정비/점검 작업을 할 경우 반드시 세이프티 플러그를 탈거하여 고전압을 사전에 차단시킨다.
• 고전압 배터리는 트렁크 룸 내부에 장착되므로 과다한 화물 적재 또는 충격이 가해지지 않도록 유의한다. (부품 손상, 배터리 냉각 및 환기 불량 초래)
• 고전압 배터리 시스템 관련 부품의 정비/점검 및 수리작업은 직영 서비스센터로 의뢰한다.

고전압 배터리 충전

고전압 배터리를 장시간 제 성능을 유지한 채 사용하려면 충전을 자주 해주는 것이 좋다. 보통 배터리는 방전과 충전을 반복하면 수명이 줄어들기 때문에 방전과 충전 횟수로 수명을 표시한다. 완전 방전된 뒤 100% 충전할 경우 약 1000회, 50% 사용 후 충전하면 약 5000회를 사용할 수 있다. 또 20% 사용 후 충전을 하면 8000회 정도까지 늘어난다. 1회 완충 주행거리가 500㎞인 전기차라면 배터리의 20%를 사용할 때 100㎞를 운행할 수 있다. 매일 100㎞를 달린 뒤 충전한다고 가정하면 8000일(약 22년) 동안 배터리 교체 없이 탈 수 있다는 계산이 나온다. 전기차를 타는 동안 별다른 고장 없이 배터리를 교체할 일은 없다고 봐도 무방한 셈이다.

하지만 매번 몇 ㎞밖에 달릴 수 없는 상태에서 충전을 하거나 완전 방전될 때까지 방치한다면 배터리 수명은 크게 줄어든다. 일반적으로 충전 상태가 최소 20%에서 80% 사이일 때 자주 충전해주는 것이 좋다. 배터리는 운전하지 않아도 충전량이 줄어들기 때문에 장기간 사용하지 않을 때는 3개월에 한 번씩은 충전해줘야 한다.

외부에 전원 공급

이전 전기차들은 외부에서 차량 내부로의 단방향 전기 충전만 가능했다. 그러나 아이오닉 5 같은 최근 나온 전기차는 내장된 초강력 배터리로부터 외부 전기제품에 전원(220V)을 공급할 수 있는 'V2L(Vehicle to Load)' 기능을 갖고 있다. 영국 프리미어리그(EPL) 인기 구단 '첼시 FC'와 스페인 라 리가 소속 '아틀레티코 마드리드' 선수들이 아이오닉 5 배터리에서 뽑은 전기로 축구공 발사기와 러닝머신을 작동시키는 광고가 유튜브에 올라와 있는데, 실제 이런 기능을 갖춘 전기차라면 야외 캠핑장 등에서 전기밥솥이나 에어프라이어 같은 가전제품을 이용할 수 있다. 아이오닉 5 장거리 주행용 모델의 경우 17평형 에어컨과 55인치 TV를 동시에 24시간 이용할 수 있다고 한다. V2L 장치는 가전제품뿐만 아니라 다른 전기차를 충전하는 데도 사용할 수 있다.

참고자료

• 제8장 고전압 배터리 - http://web.chungbuk.ac.kr/~kwjeong/lectures/green_car_system/lecture04.pdf
• 우청 기자, 〈(테크) BCM, 고전압 배터리를 SELV 시스템으로 변환〉, 《아이씨엔매거진》, 2020-09-17
• 김준 선임기자, 〈전기차, 배터리 관리만 잘하면 22년 장수한다〉, 《경향비즈》, 2021-03-08

같이 보기

• 대용량 배터리
• BMS

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