친환경차는 전기에너지의 활용 비율이 점점 확대되는 방향으로 진화된다고 볼 수 있습니다. 따라서 전기에너지 저장 장치인 배터리 시스템은 친환경차의 발전에 핵심적인 역할을 합니다. 지난 두 번째 이야기에서 친환경차의 새로운 패러다임을 이끌어 가는 쏘나타 PHEV를 다루었는데요. 이번에는 현대자동차의 보다 효율적이고, 보다 안전한 배터리와 완속충전기 시스템에 대해 다뤄 보겠습니다.



안전성과 효율성이 진화된 배터리


쏘나타 PHEV

[ 생활의 혁신, 리튬이온폴리머 배터리 ]


인류의 일상에 자유를 부여한 것은 다름 아닌 배터리입니다. 전기 콘센트가 있는 벽에 붙박이로 붙어서 전자 기기를 사용해야 했던 우리는 배터리를 통해 이동의 자유를 갖게 되었습니다. 여기서 배터리 종류의 진화는 주목할 만합니다. 리튬이온폴리머 배터리가 개발되면서 전자 기기 디자인이 보다 업그레이드된 것입니다. 기존의 두텁고 무거웠던 스마트폰과 노트북은 얇고 슬림한 디자인으로 탈바꿈했습니다. 특히 자동차와 리튬이온폴리머 배터리의 만남은 생활의 혁신을 가져왔습니다. 가솔린 차량에 전장품으로 들어가는 12V 배터리와는 별도로 친환경차의 에너지 동력원이 되는 고전압 배터리는 굳이 엔진을 사용하지 않고도 전기 모터만으로 일정 거리까지 주행할 수 있도록 해주었습니다. 현대자동차의 PHEV와 HEV는 모두 리튬이온폴리머 배터리를 탑재했습니다. 전 세계 회사들이 친환경차에 니켈수소 배터리를 사용하고 있을 때, 현대자동차는 배터리 전문제조사와 협업해 세계 최초로 개발, 적용한 차량용 리튬이온폴리머 배터리는 이미 용량과 성능 면에서 기존의 니켈수소 배터리보다 우수성을 인정받아 현재까지 전 세계적으로 널리 쓰이고 있습니다.


쏘나타 PHEV 배터리

[ 대용량 배터리를 탑재하고도 넉넉한 내부 공간 ]


더 작고 오래가는 리튬이온폴리머 배터리는 쏘나타 PHEV에 탑재되어 엔진을 쓰지 않고도 전기 모터만으로 약 44km를 갈 수 있는 원동력이 되었습니다. 특히 동급 최고 수준의 대용량(9.8kWh)이지만 차체 디자인과 내부 공간 활용에 전혀 거부감을 주지 않습니다. 배터리는 에너지를 많이 탑재할수록 중량이 늘어나고, 사이즈가 증가하여 자동차의 많은 공간을 차지하게 됩니다. 

또한, 최고 수준을 자랑하는 AER은 쏘나타 PHEV의 아이덴티티를 형성하는 것으로, 배터리의 용량과 중량 그리고 디자인, 공간 인테리어 등 어느 것 하나 소홀히 하지 않겠다는 개발자들의 의지를 보여줍니다.



유일무이한 2개의 배터리 시스템


쏘나타 PHEV


쏘나타 PHEV는 배터리 팩이 2개로 나누어져 있습니다. 한 개는 리어시트 뒤에, 나머지 한 개는 스페어타이어웰 내에 탑재되어 EV와 HEV의 취약점으로 여겨졌던 트렁크의 공간 확보에 도움을 주었습니다. 동시에 배터리 시스템상 배터리 팩이 2개로 나뉘었을 때 생길 수 있는 작은 문제점까지 꼼꼼히 보완했습니다.

일반적으로 배터리 팩을 구성하는 배터리 셀과 배터리 제어기(BMS: Battery Management System), 전원 단속 장치 그리고 냉각 시스템은 하나의 공간에 있는 것이 시스템 관리에 유리합니다. 하지만 쏘나타 PHEV는 나뉜 2개의 배터리 팩의 시스템 안정성 확보를 위해 배터리 제어기와 냉각 시스템을 별도로 개발 장착하여 두 개의 팩이 균일하게 운용되도록 최적 제어를 하고 있고, 트렁크 공간 희생도 최소화했습니다.



4중 안전 설계로 배터리 걱정을 없애다


배터리는 화학제품으로 시간이 지남에 따라 서서히 노화(aging) 과정을 거쳐 퇴화되는 경향이 있습니다. 스마트폰과 같은 가전제품 배터리는 1~3년의 내구 수명 기간이 지나면 더 이상 에너지를 사용할 수 없습니다. 쏘나타 PHEV에 탑재된 배터리는 30만km(15년 상당) 이상의 내구 수명을 확보하도록 개발되었습니다. 배터리 수명과 더불어 안전성 확보도 중요합니다. 에너지를 저장하는 물질은 모두 안전 설계가 되어 있어야 합니다. 저장된 에너지는 차량 구동에 필요한 만큼 적절하게 사용되면 유용한 에너지이지만, 적절한 안전 설계가 이뤄지지 않는다면 전류의 흐름으로 문제가 발생할 수도 있는데요. 쏘나타 PHEV에 적용된 리튬이온폴리머 배터리는 4중 안전 설계를 적용해 안전성을 확보했습니다. 

첫째, 배터리 셀은 내부 쇼트에 대응하고자 양극과 음극 사이에 있는 분리막에 세라믹을 코팅했고 기계적 강도와 열적 강도를 향상했습니다. 

둘째, 차량 사고 및 수리 시 안전성을 확보하기 위하여 퓨즈, 안전 스위치, 과충전 방지 구조 등 수동 보호 구조들을 적용했습니다. 

셋째, 배터리 전용 제어기를 적용해 실시간으로 배터리 입·출력 전류, 온도, 충전 상태를 예측하여 최적의 상태를 유지하도록 제어하고 있습니다. 

넷째, 배터리와 연결된 모터와 차량 제어기의 협조 제어를 통하여 특정 부품에 문제가 발생할 경우 스스로 안전상태를 유지할 수 있도록 제어하고 있습니다. 

이렇게 4중 안전 설계를 적용하고 차량에서 발생 가능성이 있는 다양한 오남용 및 사고 조건들에 대한 분석을 통하여 시험 조건들을 도출한 후, 시험 검증을 완료했습니다. 차량 후면부에 장착된 배터리 팩은 일반 가솔린 차량의 후방 충돌성능 평가 기준을 그대로 적용하여 법규 기준을 만족시킬 수 있도록 개발되었습니다.



배터리 감전에 대한 걱정


배터리를 사용한다는 특성상 감전을 우려하는 목소리도 있습니다. 하지만 쏘나타 PHEV는 철저한 검증과 기술로 이런 걱정을 상쇄시켰습니다.


쏘나타 PHEV


Q. 뒷좌석에 장착된 배터리는 충돌에 위험하다?

A. 아닙니다. 극한의 충돌 시험을 거친 LF쏘나타 PHEV는 북미 충돌 안전 규제를 통과했습니다. 차량의 두뇌에 해당하는 메인 제어기와 각 단품에 따른 제어기들이 항상 전력 문제를 주시하고 있으며, 충돌 시에는 에어백 시스템과의 연계로 수초 만에 전원이 차단되는 시스템을 갖추고 있지요. 운전자가 임의로 배터리 고전압 부분에 접근할 수 없도록 설계에 반영되어 있기도 합니다.


Q. 물에 닿으면 위험하다?

A. LF쏘나타 PHEV 차량이 침수할 경우, 배터리가 내부적으로 방전되면서 운전자 감전사고를 예방하는데요. 전자는 저항이 가장 낮은 부위로 흐르는 원리를 이용해 차량이 침수되면 직렬로 연결된 배터리 셀들이 물에 의해 병렬 형태로 연결되어 방전되고 배터리 외부로 전류가 흐르지 않도록 설계되었기 때문입니다.


Q. 오랫동안 주행하지 않으면 방전된다

A. 일반적으로 배터리는 가만히 두어도 에너지를 소모하는 ‘자기 방전’의 특징을 갖고 있습니다. 그리고 실제로 자동차에 적용되는 일반 납산 배터리는 방전 문제가 많지요. 하지만 리튬이온폴리머 배터리는 납산 전지에 비해 자기 방전이 1/20 수준으로 현저히 낮고 주행 중일 경우에만 전기적으로 연결되도록 제어하고 있어 장기간 방치하더라도 배터리가 방전되지 않습니다. 60일 이상 장기 방치하더라도 자기 방전율은 5% 미만입니다.



배터리 감전을 대비한 각 단계별 안전 제어 장치


1단계_ 차량 협조 제어

제어기들 간의 협조 제어 기능을 강화했습니다. 고전압 부품에 이상이 생길 경우 페일세이프(Fail-Safe: 시스템 고장 모드) 기능이 적용됩니다.


2단계_ 능동 보호(BMS 제어)

실시간으로 차량의 배터리를 진단해 배터리의 오남용을 방지합니다. 배터리 이상이 감지되면 릴레이로 ON/OFF됩니다.


3단계_ 수동 보호

과충전되면 전류 차단 구조와 전압 센싱 라인 퓨즈가 적용됩니다.


4단계_ 배터리 셀 강건 설계

강도가 향상된 세라믹 코팅 분리막과 방열 특성 우수 배터리 셀이 적용되었다.



가정에서 충전이 가능한 완속충전기 ON BOARD CHARGER 


쏘나타 PHEV 충전기

[ 완속충전기로 가정에서 충전이 가능하다 ]


쏘나타 PHEV는 기존 HEV와 마찬가지로 연료와 전기로 구동되는 시스템이지만 여기에 하나 더, 충전 포트가 있어 운전자가 원하는 대로 전기를 충전해서 사용할 수 있다는 것이 강점입니다. 또한, 일반 가정용 전기를 사용할 수 있기에 퇴근 후 충전기에 꽂아두면 아침에 완충된 차량을 사용할 수 있습니다. 쏘나타 PHEV는 독자적인 기술력으로 탑재형 완속충전기(OBC: On Board Charger)를 개발해 집에 있는 충전기에서 외부 AC 전원을 DC 전원으로 변환해 고전압 배터리에 공급이 가능합니다. 

특히 쏘나타 PHEV에 포함된 전력 변환 장치는 실드(Shield) 방식을 채택해 외부 기기의 전자기 노이즈를 방지하는 동시에 수랭식 구조가 적용되어 충전기에서 발생하는 열을 효과적으로 낮췄습니다. 그리고 운전자와 차량의 안전성을 확보하는 차원에서 비정상으로 충전할 때 전원 공급을 차단하는 등 제어를 통해 충전 스탠드와 차량 간의 통신 제어를 가능하게 했습니다. 


쏘나타 PHEV 충전


지금까지 소개해드린 대로 쏘나타 PHEV에 장착된 충전 포트는 일반 가정용 전기를 공급할 수 있다는 점에서 편리합니다. 2~3시간 여유만 있다면 자동차도 집에서 편하게 충전할 수 있는 시대를 맞이한 것이죠.


다음에는 쏘나타 PHEV의 밀폐형 연료 시스템과 전기차 모드에 대해 이야기를 이어가도록 하겠습니다. 감사합니다.



* 현대자동차그룹 연구개발본부의 ‘R&D STORY’ - 쏘나타 PHEV편에서 원문을 확인할 수 있습니다.


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