전기차의 충전 시간은 배터리 내부 열이 어떤 영향을 미칠까?

전기차 배터리는 충전 중에 내부에서 발생하는 열 때문에 충전 시간이 늘어날 수 있다는 사실을 알고 계셨나요? 이것이 전기차 제조사들이 혁신적인 냉각 시스템을 도입하려는 주된 이유 중 하나입니다. 이러한 장치 덕분에 배터리의 활용도가 훨씬 높아지고 있습니다.

충전 중 배터리에서 발생하는 열을 효과적으로 관리하는 것은 현재 전기차 제조사들이 직면한 가장 큰 과제 중 하나입니다. 또한 800V, 350kW의 초고속 충전기가 막 유럽에 도입되었다는 점도 고려해야 합니다. 냉각 문제가 더 복잡해졌을까요?

현재 전기차에 사용되는 리튬이온 배터리 팩은 셀을 조합하여 만들어집니다. 리튬이온 셀 하나는 3.6V의 전압과 3.4Ah의 전기 용량을 가집니다. 더 높은 전압을 얻으려면 셀들을 병렬로 묶어 연결해야 하며, 이렇게 하면 전압과 용량이 모두 늘어납니다.

하지만 제조사들이 실제로 중요하게 여기는 것은 배터리의 C-rate(방전율)입니다. 이는 배터리 용량 대비 충전과 방전이 이루어지는 속도를 나타냅니다. C-rate가 높을수록 충전 시간은 짧아지지만, 충전 과정에서 내부 저항으로 발생하는 열이 한계로 작용합니다. 셀이 많이 모여 있을수록 발생한 열을 제거하기가 어렵습니다.

배터리 팩, 어떻게 하면 최적으로 냉각할 수 있을까?

이러한 어려움에 대처하기 위해 전기차의 리튬이온 배터리 팩은 물이나 물과 글리콜의 혼합액으로 냉각되기 시작했습니다. 냉각액은 열교환기를 통해 식혀지며, 이때 발생한 열에너지는 실내 난방 등에 재사용될 수 있습니다. 대표적인 예로 Audi e-tron의 배터리 팩을 들 수 있는데, 이 차량은 압출 성형된 알루미늄 냉각판의 채널을 통해 냉각액을 순환시킵니다. 개별 셀은 열을 셀에서 냉각판으로, 다시 냉각액으로 전달하는 젤 속에 장착됩니다.

이것은 하나의 방법일 뿐이며, Tesla 배터리 팩 내 원통형 셀 사이에 냉각 튜브 시스템을 끼워 넣는 방식도 있습니다. 일반적으로 셀은 주행할 때보다 충전할 때 약 세 배의 열을 발생시키며, 충전 속도가 빠를수록 발생하는 열도 많아집니다. 간접 냉각 방식에는 한계가 있는데, 셀에서 열이 제거되는 곳은 냉각 시스템의 판이나 튜브와 접촉하는 지점뿐이기 때문입니다. 일부 기업들은 열 배출을 개선하고 줄이는 것을 목표로 하는 프로젝트를 이미 진행하고 있습니다.

구체적으로 I-CoBat이라는 프로젝트가 있으며, 이 프로젝트는 침지식 냉각 방식을 개발하는 것을 목표로 합니다. 이 방식에서는 셀과 커넥터를 생분해성이며 유전성(전기가 통하지 않음)인 유체에 완전히 담급니다. 유체가 셀의 전체 표면과 접촉하므로, 침지식 냉각은 훨씬 높은 C-rate를 가능하게 하여 전기차의 충전 시간을 줄이고, 더 정밀한 배터리 열관리를 통해 주행 거리를 늘리고 노화 과정을 늦출 것으로 기대됩니다.