전기자동차 데이터로 답하다 - 1편 두 번째 _ 고전압배터리 충전 이야기 > 기고및연구자료

1편 고전압 배터리 

□ 고전압 배터리에는 얼마나 많은 에너지가 충전될까?

차량을 관리할 때 내연기관 차량에서도 연료탱크의 충전량이 미치는 영향에 대해 4계절에 따라 다르게 회자되는 것처럼, 전기자동차의 고전압배터리 충전상태(SOC)도 20 ~ 80% 이내로 관리하도록 권장 받는다. 이는 리튬계 시스템인 고전압배터리가 차량의 각종 운행조건에서 안정적으로 작동되는 가장 적절한 권장 수치라고 알려져 있기 때문일 것이다.

전기자동차를 타고 장거리를 운행 중이던 어느날, 차량 주행 중 계기판에 SOC 상태가 10% 부근에 이르면 운전자에게 충전을 요구하는 경고를 띄우기 시작한다. 그럼에도 불구하고 굳이 5% 이하까지 주행하고 또다시 0%를 표시한 이후에도 일정거리가 주행이 가능하여 계속 주행을 하여 고전압 배터리 에너지를 완전히 방전시켰다면.... 어쩔수 없이 차량을 충전소까지 견인하여야 할 것이다. 

그럼, 고전압배터리가 완전방전(0% 상태에서 차량이 정지할 때까지 주행한 상태) 되었을 때, 충전하게 되면 얼마나 많은 에너지가 충전될까? 

마침, 0% 완전방전까지 차량을 운행하여 충전시점이 되었으므로 충전을 시작해 본다.

그림 2.  완전방전(0%)되어 정지된 차량과 급속충전기 

급속 충전기를 연결하여 3회에 걸쳐 충전을 실시하였다. 

충전 과정에 충전기에서 차량에 공급한 충전 전력량은 그림 2에서 확인할 수 있다.

또한 충전기에서 제공하는 정보에 따르면, 3회의 충전을 통해 배터리에 충전된 전체 충전량은 81kWh이며, 이에 따른 결제 금액은 28,122원이다. 그림 2는 충전 후 충전요금 결제 문자 내용이다.

그림 2.  급속 충전 후 SOC 변화량과 충전요금(3회)

 그림 3은 급속 충전을 3회 하는 동안 고전압 배터리팩 전류와 전압을 시계열로 표시한 데이터이다. 1회 충전 시에는 200A가량의 전류가 공급되었으며, 2회 및 3회 충전 시에는 배터리의 충전량이 높아짐에 따라 고전압 배터리팩 전류는 낮아진다.  

그리고 고전압 배터리팩 전압은 충전 초기에는 500V에서 급속하게 상승하였으며, 배터리 충전량이 높아짐에 따라 서서히 상승하여 충전 종료 시 750V가 된다.

그림 3.  급속충전 시 고전압 배터리팩 전류와 전압 변화량 

충전 과정에 측정된 고전압 배터리 전압과 고전압 배터리 전류를 사용하여 계산하면 배터리에 충전된 에너지양은 74.9kWh이다. 그리고 시간에 따른 누적 충전량을 시계열로 표시하면 그림 4와 같이 나타난다.

고전압 배터리 에너지양 (kWh)

      = Σ(고전압 배터리 전압 × 고전압 배터리 전류/ 3600s / 1000)

그림 4.  충전시간에 따른 에너지양 적산값 

정리해보면, 테스트 차량의 3회에 걸친 충전 과정에서 충전기 정보에 따른 충전 공급량은 81kWh이고, 실제 고전압 배터리에 충전된 에너지양은 74.9kWh로 나타났다. 충전하는 과정에 충전기에서 공급된 에너지가 고전압 배터리 입구까지 도달하는 동안 6.1kWh가량의 에너지 손실이 발생하였다.  

다만, 발생한 에너지 손실량은 충전기에서 고전압배터리 입구까지에서 발생한 단순 손실이 아닌, 고전압배터리에 최종적으로 충전된 에너지양 관점이므로 실제 충전시간동안 차량에서 소모되는 에너지량도 포함되어 있음을 고려하여야 한다.

테스트 차량에 장착된 고전압 배터리 에너지는 제원상에는 72.6kWh로 확인되며, 3회에 걸친 테스트를 통해 계산된 에너지는 74.9kWh이다. 이는 제작사와 다른 환경에서 측정한 데이터이므로 결과는 다르게 나올 수 있다. 이를 감안하여보면, 차량 제원에 표시된 에너지양은 실제 사용이 가능한 에너지양, 즉 주행에 사용할 수 있는 실제 에너지양임을 추정할 수 있다.

다만, 지금 소개하는 차량 테스트 환경은 제작사에서 시행하는 엄격한 시험조건과 다르므로 정비 지침서에서 제공하는 결과와 상이하게 나올 수 있음을 감안해야 하며, 절대적인 수치가 아니라는 관점에서 이해하는 것이 필요하다.

다음편에서는 고전압 배터리 DATA에 숨어 있는 세 번째 특성을 알아보고자 한다.