전기자동차 데이터로 답하다 1편 - 세 번째 _ 고전압배터리 온도 이야기

급속 충전 시 고전압배터리 온도는 얼마나 올라가나 ?

전기자동차를 운행하여 일정거리와 시간이 경과하여 차량을 구동시키는 동력원인 고전압배터리가 방전되면, 충전이 진행되어야 한다. 이러한 충전 중에는 고전압배터리 내부 온도가 올라가게 되는데. 비정상적으로 내부온도가 상승된다는 것은 고전압배터리 셀 내부의 화학반응이 매우 격렬해지고 있다는 것이다.

 이러한 상태에서 셀내부의 배터리관리시스템이 온도제어에 실패한다면, 고전압배터리가 전력을 공급하는 에너지원에서 강력한 열에너지를 뿜어내는 불완전상태로 되어 차량의 성능 저하와 더불어 화재로까지 이어질 수 있기 때문에, 배터리 제어 시스템에서 필수적으로 모니터링 해야하는 중요한 요소이다. 

고전압배터리는 운행/충전/정비 등의 어떤 상태에서도 최적의 온도 범위 내로 유지되도록 하는 것은 안전에 필수적이다. 그럼 고전압배터리팩 내의 셀의 내부온도가 충전 중에 얼마나 올라갈까? 

그림 1. 고전압배터리 과열상태 

급속 충전하는 동안 고전압배터리 온도 데이터를 통해 셀 내부 온도가 얼마나 올라가는지, 배터리 제어 시스템이 어떻게 온도를 관리하는지, 전압과 전류 변화량 등으로 확인해 본다. 다만 설명할 내용은 차량 제작사별 차량마다 특성이 상이하므로 테스트차량의 특성으로 이해하고 보면 된다.

가) 테스트 조건

● 차종 : 현대 아이오닉 5 롱레인지

● 주행거리 : 103,293km

● 외기온도 : 26℃

● 측정시간 : 1,250초 

차량의 SOC가 17% 남아있는 상태에서 E-Pit 충전기에 연결하여 충전을 시작한다. E-Pit 급속충전기의 정격출력은 DC1,000V/400A 로 해당 차량에는 최대 400A까지 충전이 가능한 충전기이다. 충전 초기단계에서는 전류량이 305A 로 충전을 시작하며, SOC 값이 상승함에 따라 충전 전류는 서서히 낮아지는 경향을 보인다. 그러나 SOC가 68.5% 지점에서 고전압배터리 전류는 150A로 떨어지면, 감소한 상태에서 충전은 유지된다. 

그림 2. E-Pit 급속충전 시 SOC 와 고전압배터리팩 충전 전류 변화량 

나) 데이터 확인

 해당 차량의 고전압배터리팩에는 상부과 하부에는 총 18개의 온도센서가 설치되어 있다. 01 ~16번의 온도 센서는 고전압배터리 모듈 상단에 위치하고 있으며, 17번과 18번의 온도 센서는 고전압배터리 모듈 하단에 위치하고 있다. 각 모듈별 온도 센서의 구체적인 배치는 그림 3.에 표시되어 있다.

그림 3. 고전압배터리팩 내부 온도센서 위치 

18개의 온도센서 중 배터리 팩 내부에 위치한 온도센서 14번의 온도 변화를 살펴보았다. 온도센서 14번은 충전하는 동안 50℃까지 상승한 후, 더 이상의 상승 없이 안정된 상태를 유지한다. 50℃ 에 이르는 시점에 고전압배터리팩의 전류는 150A로 감소된다. 이는 고전압배터리팩 내부의 온도가 49~50℃ 지점에 도달하면, 고전압배터리의 내부 온도 제어를 위해 충전 전류량을 제한하는 것으로 판단된다. 이 후에도 충전은 계속되며 차량의 냉각 시스템도 함께 작동한다. 

고전압배터리팩 냉각시스템을 살펴보면, 그림 4에서 온도센서 17번의 변화량을 살펴보면 충전 초기에는 32℃에서 시작되어 37℃까지 빠르게 상승한 후, 냉각시스템이 작동되는 시점에 35℃로 낮아진 후 유지되는 것을 확인할 수 있다. 이러한 온도 변화 패턴은 냉각 시스템이 효과적으로 열을 제어하고 배터리 온도를 안정화시키는 과정을 나타내고 있다.

그림 4. E-Pit 급속충전 시 온도센서 17번의 온도 변화 

그림 5.에서 고전압배터리팩에 장착된 18개의 온도센서 중 상대적으로 높은 온도를 감지하는 온도센서 02번을 컴프레셔 회전속도와 함께 표시하였다.

급속충전 중 고전압배터리를 냉각시키기 위해 컴프레셔가 3,980 rpm의 속도로 작동한다. 컴프레셔 작동이 시작되는 시점에 온도센서 02번은 38℃를 나타낸다. 38℃는 그리 높은 온도가 아니므로 온도센서 02번이 아닌 다른 신호에 의해 컴프레셔가 작동된 것으로 보여진다. 온도센서 02번의 온도로 인해 냉각 모드가 작동될 수 도 있겠지만 고전압을 시스템을 구성하는 다른 부품들의 영향도 있기 때문에 한정된 데이터만으로 판단하기에는 부족함이 있다.

그림 5. 충전 시 컴프레서 회전속도 변화 

고전압배터리팩 냉각수 흐름을 원활히 유지하기 위해 두 개의 펌프가 작동되며, 냉각 모드가 활성화되는 구간에서는 두 펌프 모두 3,680 rpm으로 동일하게 작동하는 것을 확인할 수 있다.

그림 6. 충전 시 냉각수 펌프 회전수 변화 

배터리팩 입구의 냉각수 온도는 충전 시에 32℃이었으나, 냉각 모드가 작동하면서 온도가 21℃까지 감소한다. 이후 냉각된 냉각수는 충전으로 발열된 배터리팩 내부를 통과하면서 39℃로 상승한다. 이는 배터리 내부에서 발생한 열이 냉각수 통로를 통과하면서 상당한 양의 열 에너지를 전달한 것으로 판단된다.

그림 7. 충전 시 배터리 냉각수 온도 변화량 

결국, 전기자동차의 냉각 시스템은 고전압 배터리와 고전압 시스템을 구성하는 부품들을 신속하게 냉각하거나 가열하여 최적의 온도를 유지시킨다. 냉각 시스템은 배터리 냉각수 펌프, 냉매/냉각수 열 교환기, 그리고 A/C 컴프레서를 포함한다. 이들 구성품들의 작동을 통해 배터리 팩의 온도를 조절함으로써 배터리의 안전성을 확보하고 성능을 최적화한다.

특히, 배터리 충전 시에는 배터리 내부에서 발생하는 열을 효과적으로 제어해야 한다. 전류가 충전되면 배터리 팩이 자체적으로 발생하는 열이 증가하게 되는데, 이를 냉각 시스템이 효과적으로 조절한다. 냉각 시스템은 냉각수를 순환시켜 배터리를 신속히 냉각하고, 필요에 따라 냉각수를 가열하여 배터리의 온도를 안정화시킨다.

그림 8. 충전 시 고전압배터리팩 온도에 따른 충전 전류 변화 

※ 참고로 완속충전시에는 급속충전시와 비교하여 최고온도 상승 및 단계별 온도가 다소 완만하게 진행된다. 

그림 9 는 충전초기부터 일정시간이 지난 후의 고전압배터리팩내에 있는 온도센서들의 온도변화 추이를 보여준다. 충전 초기단계에서는 18개의 온도센서 모두 30℃ 의 온도를 나타내고 있었다.  충전이 시작되면서 전체적으로 온도가 상승하며, 충전 후 400초가 경과한 시점에서는 각 온도센서의 위치에 따라 온도 상승이 다르게 나타나며, 지속적으로 편차가 달라짐을 확인할 수 있으며, 아래는 온도센서별 온도변화 차이를 보여준다.

●  01,03,05,07,09,11,13,15번 온도센서 : 43 ~ 46℃

●  02,04,06,08,10,12,14,16번 온도센서 : 49 ~ 50℃ 

●  17,18번 온도센서 : 35 ~ 36℃

그림 9. 급속 충전 시 온도센서 18개의 온도 변화 

이렇게 고전압배터리팩 내부에 위치한 다수의 온도센서들의 값의 차이는 온도센서가 설치된 위치와도 연관되어 보인다.

고전압배터리 충전 시 충전 전류에 의해 고전압배터리 모듈의 온도가 상승하며, 급격한 온도 상승을 방지하기 위해 전류량을 제한하거나 냉각 시스템을 가동하여 일정 온도를 유지시킨다. Fig 10에서 볼 수 있듯이, 고전압배터리팩 바깥쪽에 위치한 모듈은 중심에 위치한 모듈보다 상대적으로 낮은 온도를 유지하고 있다. 또한, 모듈 하단은 모듈 상단보다 15℃ 낮은 온도를 유지한다. 이는 고전압배터리팩 냉각 시스템의 냉각 회로가 팩 하단에 위치하고 있기 때문에 냉각 성능의 영향으로 낮은 온도를 유지하고 있는 것으로 판단된다.

그림 10. 급속 충전 시 온도센서 위치별 온도 분포도 

참고로 외부온도 30℃ 이내, 출근 시간대에 50km를 80여분 동안 일반 운행테스트를 진행하였다. 운행하는 동안 배터리팩 온도는 30℃ 부근에서 변화가 거의 없이 유지되었다. 주행 도중 대기온도 및 자연냉각의 영향으로 배터리팩 냉각시스템은 가동되지 않은 조건으로, 테스트 주행 중에는 고전압배터리의 온도 상승이 크지 않음으로 확인 되었다. 또한 가혹조건 구간에서도 온도센서는 32℃로 상당히 안정적으로 유지되고 있음이 확인되었다.

이는 차량이 주행중 온도변화를 정상적으로 제어하고 있기 때문으로 판단되며, 극조건에서 발생되는 온도상승변화를 확인하기 위해서는 추가적인 실험이 필요하다고 보여진다. 

그림 11. 도로주행 시 고전압배터리팩 02번 온도센서 온도변화량 

이번에는 충전시에 고전압배터리에 발생하는 온도변화에 대해서 실차량에서 나오는 데이터로 확인한 내용을 기반으로 설명하였으며, 다음에는 전기자동차 데이터를 활용한 또 다른 내용을 알아보기로 한다.