먼저 전기자동차의 주요 구성품에 대해 살펴보고 난 후, 전기자동차의 배터리를 알아보고자 한다.
※전기차(Electric Car)의 구성
1. PE 시스템
1-1. 구동모터
일반 내연기관의 엔진처럼 전기차의 구동력을 발생. 고전압 배터리에 저장된 전기에너지를 운동에너지로 변환하여 구동력을 발생하며 감속 시 발전기의 역할을 하며, 회생제동시스템을 가능하게 함.
*회생제동 시스템: 내리막길 등 탄력 주행 시 발생하는 운동에너지를 전기에너지로 전환해 배터리에 저장하는 시스템. 주행 중 속도를 줄일 때도 발전기 역할
1-2. 감속기
모터의 회전수를 필요한 수준으로 낮춰 전기차가 더 높은 회전력(토크)을 얻을 수 있도록 하는 장치.
*감속기 디스커넥터: 세계 최초로 모터와 구동축을 주행 상황에 따라 분리하거나 연결할 수 있는 장치. 이 장치를 통해 자유롭게 2WD와 4WD 구동방식 전환 가능
1-3. 인버터
고전압 배터리에 저장된 직류전원(DC)을 교류전원(AC)으로 변환하여 모터의 토크를 제어하는 부품. 인버터 파워모듈에는 기존의 실리콘(Si) 전력반도체 대비 효율이 뛰어난 실리콘 카바이드(SiC) 전력반도체를 적용.
*SiC 전력반도체: 고효율 신소재인 탄화규소를 이용해 전력을 변환∙처리∙제어하는 전력반도체. 기존에 사용되던 실리콘 전력반도체 대비 강도와 열전도율이 높고, 에너지 손실량이 적은 것이 특징
2. 충전총괄제어기(VCMS)
전기차 내의 모든 충전 관련 기능을 총괄하며, ICCU와 함께 V2L을 구현하는 주요 부품.
*V2L(Vehicle to Load): 전기차 내∙외부 전원 공급기술로 고전압 배터리에 저장된 전기에너지를 외부 전원으로 사용 가능. 최대 공급전력은 커넥터 등 사양 관계로 3.5kW까지 사용 가능하며, 휴대용 충전기(ICCB) 활용 시 다른 전기차의 완속 충전(V2V)도 가능
3. ICCU(양방향 OBC)
기존 단방향 충전만 가능하던 OBC 기능을 개선해 외부 충전뿐만 아니라 고전압 배터리에 저장된 전기를 외부로 내보내는 V2L 등을 가능케 하는 핵심 부품.
4. 차량 제어기(VCU)
모터 제어, 회생제동 제어, 공조부하 제어, 전장 부하 및 전원 공급 제어 등 차량 전력 제어와 관련된 대부분 관장하는 장치.
5. 고전압 배터리
전기차의 구동에 필요한 전기에너지를 저장하고 주행 시 공급하는 부품.
고전압 배터리를 구성하는 배터리 셀을 차에 많이 탑재할수록 주행 거리는 길어지지만, 차량 가격이 비싸지고 무거워지기 때문에 각각의 전기차에 적합한 양의 배터리를 탑재 필요.
6. 400/800V 멀티 급속 충전 시스템
800V 충전 시스템을 기본으로 적용해 18분 내에 충전 가능케 하는 장치, 1회 완충 시 500km 주행 가능. 또한 5분의 충전만으로도 약 100km 주행가능. 이와 함께 대다수를 차지하는 400V 급속충전기를 사용하기 위해 충전 호환성도 확보. 세계 최초로 E-GMP에만 적용되는 특허 기술로 구동모터와 인버터를 활용해 400V 전압을 800V로 승압하여 배터리 충전 가능.
※전기차 안전 설계의 핵심
1. 배터리 관리 시스템 + 전력 차단 시스템
배터리로 움직이는 전기차는 감전이나 전자파에 대한 위험 등으로 사람들의 오해함. 전기차는 차량을 구성하는 각종 전장 부품들을 보호하고자 다양한 안전 설계를 적용. 배터리를 물리적 충격으로부터 보호하기 위한 안전 설계부터 전장 부품 고장을 방지하는 누전 설계, 충전할 때 사고를 예방하는 충전구 안전 설계 등이 대표적.
1-1. 배터리 보호를 위한 안전 설계
전기차에 특화된 충격 안전 설계는 대부분 고전압 배터리를 물리적인 충격으로부터 보호하는 것.
배터리 내부의 양극과 음극 물질이 직접적으로 접촉하는 것을 방지하고 표면의 작은 구멍을 통해 리튬이온이 이동할 수 있게 하는 분리막을 충격으로부터 보호하고자 분리막 표면에 세라믹을 얇게 입힘. 또한 외부 열로 배터리를 보호하기 위해 파우치 타입의 배터리를 사용하고 있으며, 배터리 양 측면의 사이드 실에는 충격 흡수를 위한 보강재 적용.
E-GMP는 초고속 충전을 위한 800V 시스템을 적용하여 배터리 시스템의 열관리 기술이 중요하기에 배터리 모듈의 냉각 채널을 개선하고 냉각 분리 구조 적용.
1-2. 전기차 배터리 고강도 검증 시험 넷
- 충돌 시험: 후방 충돌 시험으로 배터리 발화 및 폭발 여부 확인
- 수밀 시험: 수분 유입 방지
- 침수 시험: 소금물에 배터리를 침수시켜 발화나 폭발 여부 확인
- 연소 시험: 화염에 배터리를 직접 노출시켜 폭발 여부 확인
1-3. 누전 방지를 위한 안전 설계
전기차는 배터리와 각종 전장 부품이 상호 연계해서 작동하기에 고전압 부품이 고장 날 경우 배터리에 영향을 줄 수 있습니다. 이런 위험을 방지하기 위한 기능이 바로 ‘페일 세이프(Fail-safe)’로 전장 부품의 고장이 배터리로 확산되지 않도록 합니다. 또한 배터리에 이상이 감지될 경우 릴레이(특정 조건에서 다른 회로로 개폐하는 장치)를 통해 자동으로 배터리의 전원을 잇거나 끊습니다.
1-4. 전기차 충전구 안전 설계
비 오는 날 전기차를 충전하면 위험할까요? 전기차는 4단계의 감전 예방 시스템이 적용됩니다. 충전 건의 버튼을 누를 경우 즉각 전류를 차단해 커넥터 접촉부의 손상을 방지하고, 비가 올 때 충전구 내부의 드레인 홀로 액체류가 배출하는 구조로 설계되었습니다. 또한 차량과 완전한 연결을 확인한 후 시간 차를 두고 전류를 공급해 감전을 예방하고, 충전기 체결부에 밀봉 구조를 적용해 체결 후 액체 추가 유입을 방지하고 있습니다.
2. E-GMP 핵심 기술 알아보기
E-GMP는 모듈화와 표준화를 통해 다양한 소비자와 시장의 요구에 대응할 수 있도록 제품 구성이 가능한 현대자동차 그룹 최초의 전기차 전용 플랫폼. 이 플랫폼을 통해 전기차만의 안정적인 주행 성능을 발휘할 수 있으며, 차체 구조의 안전성과 내구성을 확보함과 동시에, 전용 전기차만의 차별화된 공간 활용성을 제공 가능. 더불어 더욱 높아진 효율성은 물론 더 빠른 충전과 전기차 배터리를 활용한 캠핑까지, 다양한 전동화 신기술을 통해 고객의 라이프스타일 최적화된 모빌리티 경험을 제공
이와 같은 특징은 콤팩트하면서도 효율적인 배터리∙모터 등 신규 PE 시스템(Power Electric system)과 차급에 따라 배터리 용량을 달리할 수 있는 확장성 덕분에 가능. 현대자동차 그룹은 E-GMP 성공을 위해 우수한 배터리 업체들과의 협력을 진행 중이며, 전기차 시대를 넘어 자율주행 시대를 선도하기 위한 스마트 모빌리티 설루션 기업으로의 전환을 준비 중.
◈ 내연 자동차와 전기자동차의 구조
◈ 전기자동차의 수명
통상 내연기관 자동차의 수명은 20~30만 km쯤으로 알고 있는데, 그렇다면 전기자동차의 수명은 어떻게 될까?
결국, 전기자동의 수명은 배터리라고 봐야 할 텐데, 현재 제작사에서는 10만 km 이내를 보증하며, 배터리는 보통 충방전을 많이 할 capacity(효율)가 감소함을 인지해야 하며, 특정 시점부터는 급격히 효율이 떨어지며, 심지어는 화재발생위험도 있음을 알고 있어야 한다. (최근 한국전기연구원, 하자없고, 사용중 충격이 없는 정상적 배터리라도 시간이 지나 특정시점부터 급격하게 배터리 효율이 떨어지며, 화재 발생 위험이 높아진다는 것을 과학적으로 증명)
또한, 급충과 급 방전을 자주 할수록 이 시점은 더 빨라진다.
정부와 국내 배터리 업계는 현재까지의 누적된 데이터를 기반으로 전기자동차용 배터리의 수명을 10년으로 책정, 폐기 및 재활용 계획을 잡고 있다. 즉, 효율과 화재안전까지 고려하면 10년이 수명이라고 보는 것이 가장 이상적인 기준이 아닐까 싶습니다. 다만, 현대 전기차에서는 배터리 수명이 많이 개선되었고, 충전패턴에 따라 수명이 달라지지만, 일상적 사용조건이라면 폐차할 때까지 배터리 내구성은 걱정 없이 운행이 가능하다고는 한다.
물론, 배터리의 수명은 브레이크 밟기 등 주행 습관, 날씨, 에어컨, 조명 등에 의해 영향을 미친다는 점은 부인할 수 없다.
◈ 배터리 수명과 재활용
- 제조업체는 일반적으로 배터리 용량이 정격 용량의 80% 이하로 줄어들면 배터리 수명이 다한 것으로 간주, 많은 자동차 제조업체는 자동차 수명이 다할 때까지 쓸 수 있도록 배터리를 설계.
전기 자동차 배터리에 쓰이는 리튬은 수용성 염화리튬이 함유된 소금 호수와 염전에서 주로 생산한다. 리튬의 주요 생산국은 남미(칠레, 아르헨티나, 볼리비아), 호주, 캐나다, 중국이다. 리튬은 바닷물에서도 추출할 수 있다. 배터리 재활용 또한 리튬의 주요 공급원이 될 것으로 기대하고 있다. 리튬의 전 세계 매장량은 약 3천만 톤으로 추정한다. 배터리 충전을 위해 kWh당 리튬이 약 0.3kg 필요하다. 다양한 의견들이 있지만, 필자를 포함한 많은 전문가들은 현재 매장량만으로 천 년 이상 사용할 수 있을 것
-2020년 기준, 리튬을 재활용하는 양이 전체에서 차지하는 비중은 상대적으로 적지만 점차 증가하는 추세에 있다. 리튬 이온 전지는 유해하지 않으며 재활용할 수 있는 유용한 성분을 많이 포함하고 있다. 리튬, 금속(구리, 알루미늄, 강철), 플라스틱, 코발트 및 리튬 염은 모두 회수가 가능
-리튬 이온 배터리는 납산, 니켈 카드뮴 및 니켈 메탈 하이드라이드 등 다른 배터리 기술에 비해 환경에 미치는 영향도가 낮다. 리튬 이온 배터리 셀이 상대적으로 환경친화적인 물질로 구성돼 있기 때문,
인산 리튬 철은 비료로도 사용될 만큼, 리튬 이온 배터리에는 중금속(예를 들어 카드뮴)이나 납, 니켈과 같이 유독하다고 알려진 화합물을 함유하고 있지 않다.
-해외 사례
영국의 사례 : 모든 배터리 공급업체가 폐배터리 처리 규정인 ‘폐배터리 및 폐축전지 규제 2009’를 준수해야 한다. 이는 강제적인 법규로서, 제조업체가 고객에게서 배터리를 회수해 적절한 방식으로 재사용하거나 재활용(또는 폐기)하도록 규정
2019년 기준, 배터리 셀 가격은 순수 전기 자동차 가격의 약 30%를 차지한다. 해결해야 할 문제는 2015년 대비 2030년에 25배가 될 것으로 예상하는 EU 내 원자재 수요 증가다. 로이터통신은 코발트, 리튬, 니켈, 구리 등 주요 원소 가격이 폭발적으로 오를 수 있다고 보도했다. 이에 대비하는 한 가지 방법은 아래 그림과 같은 5R 설루션.
셀마다 노화하는 속도가 다르므로 배터리 팩의 수명이 끝나는 시점에 다시 사용할 수 없는 상태가 되는 셀은 일부에 불과하다. 이런 셀(또는 모듈)을 가려내서 용도를 변경할 수 있다. 전체 셀의 5~30%를 교체하면, EV 배터리 팩은 이론적으로 거의 100%에 달하는 성능 상태(SOH. State of Health)로 여러 번 재가공할 수 있다. 오토 크래프트 솔루션 그룹의 오토크래프트 EV 배터리 시스템은 다양한 등급의 배터리 팩을 식별해 등급을 지정하며, 생산까지 한다.
■ A등급의 팩 (수리)은 신품 사양 범위 내에 들 때 차량에 사용 가능
■ B등급의 팩 (재가공)은 더 낮은 배터리 용량의 차량에 사용 가능.
■ C등급의 팩 (재사용)은 대체 시장에서 사용 가능
■ D등급의 팩 (재활용)은 원료 재활용 업체가 안전하게 사용 가능.
◈ 배터리 충전량
충전량은 배터리가 가득 찼을 때를 기준으로 현재 남아 있는 배터리 잔량을 측정한 것. 운전자에게 재충전이 필요할 때까지 배터리가 얼마나 더 오래 작동할 것인지를 알려준다. (배터리의 단기 성능을 측정하는 한 방법)
그러나 충전량을 정의하는 것은 생각보다 훨씬 어렵다. 이 수치는 현재 사용 가능한 에너지를 기준 용량과 비교해 백분율로 나타낸 것이다. 기준 용량이란 등급 용량(신품과 동일), 가장 최근의 충전 및 방전 용량을 말한다.
특히 전기 자동차의 경우, 기준 용량이 문제가 될 수 있다. 완전히 충전했을 때 주행 거리가 100km인 차량이 있다고 해보자. 이 차량의 배터리가 새것이라면, 50% 충전 시에는 주행 거리가 50km 정도 나올 것이라고 예상할 수 있다. 그러나 사용한 지 몇 년 지난 차량이라면 어떨까. 이때 완전히 충전한 배터리의 용량은 예전 용량의 80%에 불과할 수 있다. 이 경우, 충전량이 50%라면 주행 거리는 40km밖에 되지 않는다.
전기 자동차는 주행 거리를 결정하려고 충전량을 사용하기 때문에 새 배터리 용량에 기초한 절댓값을 쓰는 것이 이상적이다. 배터리의 충전량을 추정하는 데는 몇 가지 방법이 사용되지만, 대부분 충전 상태에 따라 달라지는 특정 인자 값을 측정해서 충전량을 측정한다.
충전량을 모니터링하는 가장 쉬운 방법은 전압 측정인데, 이 방법도 여러 요인 때문에 아주 정확하지는 않다. 회로가 끊어져 있을 때의 전압은 셀 내부 저항으로 인해 전류가 흐를 때보다 높아진다. 온도 또한 큰 영향을 끼친다. 리튬 이온 배터리의 셀 전압은 완전 충전과 완전 방전 사이에 큰 차이가 없다. 실제로 배터리는 충전량이 80%에서 20% 사이라면 작동한다. 이렇게 작동하는 이유는 이 방식이 시간이 갈수록 배터리 성능이 저하되는 것을 줄이는 방법이기 때문이다. 따라서 이 경우, 전압 변화는 훨씬 더 작다. 이처럼 부정확한 측정값이 나올 수 있는 여러 요인이 있지만, 이 모두를 고려한 채 일정한 부하를 주고 전압을 측정하는 것이 충전량을 그나마 합리적으로 추정하는 방법이다.
전류와 시간(인/아웃)을 측정해 충전량을 계산할 수도 있다. 전류에 시간을 곱하면 충전량으로 쓰기에 적합한 값이 된다. 그러나 여기에는 다음 같은 몇 가지 문제가 있다.
■ 배터리가 방전될수록 방전 전류는 비선형적으로 변한다.
■ 배터리 충전량을 확인하려면 배터리를 방전시켜야 한다.
■ 충전/방전 주기 동안 에너지 손실이 발생한다.
배터리는 충전을 위해 투입한 에너지보다 공급하는 에너지 양이 항상 적다. 이 현상은 배터리의 쿨롱 효율로 설명하기도 한다. 여기서도 온도가 큰 영향을 미친다. 그러나 모든 요소를 고려한다면 충전량으로 쓸 수 있는 합리적인 수치를 계산할 수 있다. 배터리 제조업체 대부분은 제품 보증의 기준으로 입력 전류(Coulombs in)와 출력 전류(Coulombs out)를 사용한다.
배터리의 성능 상태(SOH)는 새 배터리와 비교했을 때 현재 배터리의 전반적인 상태와 수행 능력을 나타내는 측정값이다. 여기에는 충전 허용, 내부 저항, 전압 및 자가 방전이라는 요소가 고려된다. 배터리의 장기 성능을 측정하는 척도로 사용한다.
성능 상태는 절댓값을 측정한 것이 아니고, 정성적인 표시다. 배터리는 사용할수록 물리적 화학적 변화가 일어나 성능이 저하한다. 불행히도 성능 상태와 관련해서 합의된 정의는 없다.
셀 임피던스(Cell Impedance) 또는 셀 전도성은 성능 상태의 합리적인 추정치로 종종 사용된다. 더욱 복잡한 시스템에서는 다른 인자를 모니터링하고, 다양한 계산을 해서 성능 상태를 알아내기도 한다. 성능 상태는 배터리 상태를 새 배터리와 비교해서 계산한 상대적 수치다. 따라서 측정 시스템은 지속적으로 데이터를 수집하고 저장하면서, 변화하는 사항을 계속 모니터링해야 한다.
배터리의 충전/방전 주기를 세는 것도 배터리 사용량을 나타내는 척도가 될 수 있다. 원래 예상되는 값과 비교하면 성능 상태를 나타내는 용도로 사용할 수 있다. 리튬 이온 전지의 용량이 제작 연수 또는 주기 수명에 따라 선형적으로 저하하기 때문이다. 따라서 남은 사이클 수명을 성능 상태의 척도로 사용할 수 있다.
◈ 폐배터리 처리방법 및 대표적 처리업체
→재사용, 전지를 ESS 등의 전원으로 사용
→팩-모듈-셀, 더 작은 단위의 재사용 난도가 높음.
→ 재활용, 희유금속을 추출하여 금속 재사용
→ 중대형 전지의 경우 아직 사례가 없음.
- 중국 : GEM, 화유 코발트, BRUNP
- 벨 기어 : 유미코어
- 한국 : 성일하이텍(주)
***폐배터리 재활용업체는 배터리 제조사 및 자동차 제작사와 협력을 통해 사업 영위
◈ 미래 폐자원 거점수거센터'사업(한국 환경공단)
환경부 산하 한국 환경공단(이사장 안병옥, 이하 공단)은 전기차 보급 확대로 늘어나는 폐배터리의 회수·재활용 체계를 지원하고 민간기업의 폐배터리 사업 진출을 돕기 위해 "미래 폐자원 거점수거센터(이하 거점수거센터)"의 시범운영을 마치고 2022년 1월부터 정식 운영에 돌입.(운영을 한국환경공단이 하는 것으로 함)
■ 미래폐자원 거점수거센터(전국 4개 권역)
* 경기 시흥시(수도권), 충남 홍성군(충청권), 전북 정읍시(호남권), 대구 달서구(영남권)
- 거점수거센터 하는 일은?
전기차 소유자가 정부에 반납하는 폐배터리를 회수하여 잔존가치(남은 용량 및 수명)를 측정한 후 민간에 매각하는 등 재활용체계의 유통기반 역할.
(공단은 올해 1월 말부터 전기차 폐배터리 14대를 환경공단 ‘순환자원정보센터(www.re.or.kr)‘ 입찰시스템을 통해서 매각을 시작)
전기차 폐배터리는 민간시장의 수요조사 결과 반영, 올해 1월부터 센터에서 외관검사, 전기적 검사, 잔존가치 평가를 실시한 배터리로 전체 14대(코나 EV 3대, 아이오닉 EV 10대, 니로 EV 1대)가 매각 대상
매각 기초 금액은 배터리 용량, 잔존 수명(SOH), 사용 경과연수 등에 따라 달라지며 이번 매각 대상 배터리 중 코나 EV는 198∼334만원, 아이오익 EV는 66∼115만원, 니로 EV는 210만원 수준.
(공단은 2월 이후부터 매각대상 수량을 점차적으로 늘려 매달 40∼50개 정도를 매각할 예정)
매각 입찰 참여자의 편의성 향상을 위하여 매월 넷째 주 수요일에 정기적으로 1회 매각 입찰 계획.
출처 : 워터저널(http://www.waterjournal.co.kr), 현대자동차 홈페이지, 기아자동차 홈페이지, 빵 부지'님의 티스토리
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