배터리 히팅 시스템

배터리 히팅 시스템(battery heating system)은 겨울철 리튬이온 배터리가 과냉각되는 것을 방지해주는 장치로 겨울철 효율적인 배터리 사용이 가능하도록 한다. 예를 들어 현대 코나 EV에 적용된 배터리는 온도가 -10℃로 떨어지면 급속 충전 시간이 3시간 정도로 늘어나지만, 히팅 시스템을 적용하면 1시간 40분 정도로 단축할 수 있다.

개요

배터리의 온도가 낮은 상태에서 급속으로 충전을 하게 되면 배터리가 손상 될 수 있다. 배터리 히팅 시스템은 배터리 온도가 낮을 때 배터리의 온도를 높여주는 기술이다. 차량들에 따라서 옵션으로 제공하는 경우도 있고 기본 장착된 차량도 있다. 배터리 히팅 시스템을 통해서 얻을 수 있는 장점은 두 가지가 있다.

• 배터리 냉각으로 인한 충전 속도 제한 없이 더 빠른 속도에서 충전을 할 수 있다
• 배터리 온도를 더 이상적인 환경으로 유지해서 배터리 수명 향상을 기대 할 수 있다.

거주지에서 완속 충전을 주로 하지 않고 외부에 있는 급속 충전을 자주 이용해야 한다면 유용한 옵션이다. 거주지에 완속 충전이 있어 장거리 주행시에만 급속 충전을 자주 이용해야 한다면 크게 필요하지 않은 옵션이다.

작동 조건

현대/기아 매뉴얼에 따르면 다음 상황에서 작동한다. 물론 배터리 히팅 옵션이 있는 경우에 한정된다.

• 윈터모드 옵션이 켜져 있고, 주행 중 배터리 온도가 낮은 경우.
• 충전 중인 경우.

볼트 EV의 경우

• 배터리 온도가 4도 이하로 떨어진 경우
• 충전중인 경우에는 배터리온도가 15도 이하인 경우
• 배터리 히팅 시 2kW의 전기를 사용한다. (주차는 지하 실내 주차장에 하는게 좋다)

주행 중 배터리 히팅

세부적으로 윈터 옵션이 켜져 있을 때 몇도 에서 배터리 히팅을 하는 지는 명확하지 않다. 실제 테스트를 해 보면 배터리 온도가 0도 미만 인데도 배터리 히팅을 하지 않는 경우가 있다.

아래 그림은 실제 주행 기록인데 약 20분간 주행하는 동안 배터리 히팅이 동작하지 않는 것이 확인되었다.

주행 중 배터리 히팅

 

그래프를 보면 배터리 온도(파랑색) 과 냉각수온(초록색) 이 시간이 지나도 상승하지 않는 것을 확인 할 수 있다. 약 25분간 주행을 하면서 냉각수온이 1~2도 정도 오르는데 그쳤다. 배터리 히팅이 동작하고 있을 때는 배터리 수온이 훨씬 빠르게 올라가야 하기 때문에, 위 데이터에서는 배터리 히팅이 동작하지 않은 것을 확인 할 수 있다.

급속 충전 중 배터리 히팅

급속 충전 중에 배터리 히팅을 하는 경우 다음과 같이 동작 한다.

• 배터리 온도가 낮으면 냉각수를 데운다.
• 냉각수가 특정 온도 (20도 추정) 를 넘어가면, 따뜻해진 냉각수를 배터리에 순환 시켜 배터리의 온도를 높인다.

바꿔 말하면, 냉각수가 특정 온도를 넘어가기 전 까지는 배터리 히터가 배터리 온도를 데우는 역할을 하지 못한다. 충전을 시작 할 때의 냉각수 온도에 따라 다르겠지만 냉각수의 온도가 높아 질 때 까지 약 10~15분 정도의 시간이 필요하다. 그 이전까지는 배터리 히팅이 실제로 배터리를 데우지는 못한다.

급속충전 배터리 히팅

 

위 그래프에서 보면 냉각수 온도가 20도가 되기 전 까지는 배터리 온도가 변하지 않고, 냉각수 온도는 빠르게 올라간다. (06:50 이전) 이후에는 배터리 온도가 가파르게 올라가면서 냉각수 온도는 서서히 올라간다. 냉각수가 순환 하면서 배터리가 냉각수 온도를 빼앗아 가기 때문이다. (06:50 이후) 배터리 온도가 5도를 넘어가면 50kW 최고 속도를 내면서 충전이 이뤄진다. (06:53 이후)

배터리 온도와 충전 전류 제한

50kW 충전기 기준 니로/코나의 경우는 배터리의 최저 온도가 5도 이상이면 최고 속도로 충전이 이뤄진다.

아래는 배터리 히팅이 없는 차량의 급속 충전 로그이며 시간에 따라 배터리 온도와 충전 전류의 변화를 보여준다. 최고 온도 6도, 최저 온도 -6도인 날씨에 외부에서 주차 한 차량이며 하루 평균 약 30분 주행하고, 주차 한 후 4시간 정도 지난 상태이다.

배터리 온도가 5도를 넘으면 50kW 충전기에서 최대 충전 속도인 110A로 충전이 진행된다.

그래프의 초록색 선이 배터리 온도인데 1도 단위로 기록이 된다. 그래프상 22:11분 경 부터 최고 속도로 충전이 되는데 이는 그 중간에 5.x 도로 온도가 증가했기 때문으로 생각된다.

배터리 온도와 충전 전류 제한

 

22:25분 이후부터 충전 전류가 일시적으로 떨어지는 것은 실내 히터를 틀어서 히터로 인해 충전 전류가 낮아진 것이다.

충전으로 인한 발열

충전으로 인한 발열

배터리 온도가 많이 낮은 상태에서는 충전으로 인한 발열로 배터리 온도를 높이는 것은 거의 불가능하다. 오른쪽 그래프에서 40분 동안 충전을 하는 동안 배터리 온도는 5도 내외로 오르는 정도에 그쳤다. 배터리 온도가 낮은 상태에서는 충전 전력을 제한 하기 때문에, 발열도 적게 발생한다. 온도가 낮아서 발열이 적고 그로 인해 온도가 올라가지 않는 악순환이 이뤄진다. 정상적으로 충전 될 때와 온도 변화폭이 다른 것을 확인 할 수 있다. 또한, 이렇게 배터리 온도가 느리게 오르다가 5도 이상으로 올라가면 그때는 SOC에 의해 충전 제한이 걸리게 된다. 결국 배터리 히팅이 없는 차량이 냉간시에 충전을 하게 되면 제 속도에서 충전을 할 수가 없다.

주행으로 인한 발열

주행으로 인한 발열

외부 기온이 영하인 경우라도 고속주행을 1시간 정도 하면 배터리 온도는 약 5도 이상 상승하고, 정상 속도로 충전을 할 수 있다. 오른쪽 그래프는 니로EV (배터리 히팅X)의 주행 기록인데 초록/빨강/노랑 선이 각각 배터리 최고온도/최저온도/냉각수 온도이다. (오른쪽 y축에 값이 표시됨) 배터리 온도가 영하인 상태에서 출발 하지만 약 1시간 주행 후 (17:30) 에는 배터리가 5도 이상으로 올라 와 있는 것을 확인 할 수 있다. 이 때 배터리 상태는 60% 정도이다. 배터리가 100%인 상태에서 출발을 한다면 충전이 필요한 시점이 되기 전에 배터리 온도는 충분히 오른다.

참고자료

• 〈배터리 히팅〉, 《전기차 백서》
• 기노현 기자, 〈다가오는 겨울철, 효율적인 전기차 관리 꿀팁〉, 《사이트명》, 2019-11-01

같이 보기

• 급속충전
• 히트펌프

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