전기차 배터리

HEV, PHEV, EV의 고전압 배터리는 고출력 대용량 배터리 시스템으로 기본적으로
모터를 구동시켜 주행하게 하는 에너지원이다.
  전기자동차의 경우 전기 충전 속도가 느리기 때문에 한번의 충전으로 얼만큼 차가
주행할 수 있는지 주행거리가 중요 사항입니다

전기차에 들어가는 배터리는 충전이 가능한 2차 전지로 납축전지, 니켈카드뮴배터리,
니켈수소배터리, 리튬이온배터리, 리튬폴리머배터리 등으로 종류가 다양한다.

리튬이온배터리

현재 전 세계에서 가장 널리 쓰이는 전기차 배터리는 리튬이온배터리 이다.
리튬이온배터리의 가장 큰 장점은 메모리 효과가 없다는 것이다.
니켈배터리는 잔량이 남아 있을 때 충전을 하면 그 잔량을 기억했다가 배터리의
최대 에너지 용량을 잃는 효과가 있지만,
리튬이온배터리는 메모리 효과가 없어 중간에 충전해도 용량을 잃지 않습니다

하지만 리튬 금속은 온도에 민감해 고온에 오래 두거나 햇빛이 강한 곳에 있으면 터질 위험이 있다.
또한. 전해액이 흘러나와 리튬 전지 금속이 공기 중에 노출될 경우나 충전을 과하게 했을 때
화학반응으로 배터리 안 압력이 높아져 폭발할 수가 있다.

리튬이온배터리는 장점이 많지만 전해질이 액체로 돼 있어 충돌 사고가 났을 때
폭발 위험을 완전히 배제할 수 없어서, 차세대 배터리로 지목된게 전고체 배터리입니다

배터리 팩

기초소재(양극재, 음극재, 전해액, 분리막)

기초소재가 배터리셀, 배터리 모듈로 조립되고, 이것이 배터리 팩을 구성하며 최종적으로
제어기(BMS, Battery Management System)와 냉각시스템 등과 함께 배터리 시스템 구성

배터리 셀

여러 셀(통상 4개 이상)들이 병렬 또는 직렬 형태로 구성되어 있으며,
열관리 시스템, 전압 및 온도센서, 셀 밸런싱 시스템과 같은 제어 기능 포함
배터리 셀은 기본적으로 하나 당 3.6V~3.7V의 전압을 가지고 있다.

배터리 모듈

이 쌓여서 배터리 모듈이 됩니다 (하우징과 기초소재로 구성)
예를들어, 아이오닉 전기차의 경우 셀 수가 96개이기 때문에 3.7V X 96을 하면
배터리 공칭전압이 대략 360V 정도 이다.

배터리 팩

직렬형태로 연결된 배터리 셀과 이를 기능적으로 유지해주는 하부 시스템으로 구성되어 있으며,
2차 전지의 핵심 정보를 상위의 차량 제어부와 주고받는 역할 수행

PRA (Power Relay Assembly)

고전압 배터리의 전력을 모터로 공금 및 차단하는 역할을 주로한다.
또한, 릴레이 구동전 고전압 돌입전류에 의한 인버터 손상을 방지하기 위해서
프리차지 릴레이를 통해 초기 충전을 하며, DC 전압으로 급속 충전하기 위한
급속 충전 릴레이도 구성되어 있다.
추운 겨울에 전기자동차 충전시 효과적인 충전을 위해 승온 히터가 장착되어 있는데
PRA에 장착되어 있는 릴레이로 고전압 전원을 공급한다.
  Safety plug는 부품 정비 및 수리시 작업자의 감전사로를 예방하기 위해
고전압 배터리 연결 회로를 차단시키는 역할을 한다.
  냉각팬은 배터리가 동작하여 어느 온도 이상이 되면 팬을 구동시켜 배터리 케이스 내부
공기 흐름을 이용하여 냉각한다. 반대로 혹한기에서는 배터리의 성능을 위해서
승온시스템을 작동시켜 고전압 배터리가 일정 수준의 온도를 유지할 수 있게 도와줍니다.

BMS (Battery Management System)

배터리를 제어하고 상태를 체크하는 제어기 이다.
▷ 배터리 셀 관리
  • 각각의 셀의 전압 밸런심 조정
  • 셀 온도 측정
▷ SOC 추정
  • 배터리의 전압/전류/온도를센싱하여 SOC 추정
▷ 파워 제한
  • 베터리 과중(방)전 방지
▷ 진단
  • 배터리 시스템 고장 진단 (과전압,과전류, 과온 검출 및 출력 제한 및 보호)
▷ 냉각제어
  • 최적의 배터리 동작 온도를 유지하기 위한 냉각편/승온시스템 제
▷ PRA 제어
  • 고전압 배터리와 전력변환장지 전원 공급 및 자단
  • 고전압계 고장시 전원 공급 자단

배터리 요구되는 특성

자동차용 전지에 요구되는 중요한 특성은
"에너지밀도, 출력밀도, 안전성, 충방전 수명, 저장수명, 가격"입니다

높은 에너지밀도

동일 중량, 부피 내에 더 많은 에너지를 저장할 수 있어 제한된 차량 공간 내에
더 많은 에너지를 저장하고 구동하기 위해 필수

출력밀도

자동차의 동력 성능을 확보하는 데 중요하며, 가격은 상품성을 확보하기 위한
기본적인 요소로서 지속적인 원가절감을 통해 가격 경쟁력 확보 필요

충방전수명

여러 차례 충전과 방전을 거듭할 경우 사용함에 따라 초기에 비해 줄어드는 용량을
몇회 이상 유지할 것이냐에 대한 것으로 10만 km 이상의 주행에도 큰 주행거리 저하 없이
유지하기 위해 필수적인 특성으로, 저장수명은 세워두는 시간이 길고,
폐차할 때까지 10년 이상장기간 사용하는 자동차의 특성상 오랜 기간 유지하기 위해 중요

안전성

각종 차량 문제 발생기에 배터리로 인하여 추가적인 위험요소가 발생하지 않도록
유지하기 위함으로, 특히 많은 에너지를 갖고있는 자동차용 전지의 사고발생 시에는
그만큼 위험도도 증가하므로 충분한 안전성이 확보 필요

전력공급 및 저장시스템 분야 핵심기술

배터리 관리 시스템

배터리로 움직이는 전기차는 감전이나 전자파에 대한 위험 등으로 운전자를 보호하고,
차량을 구성하는 각종 전장 부품들을 보호하고자 다양한 안전 설계를 적용하고 있다.
배터리를 물리적 충격으로부터 보호하는 장치, 전장부품 고장을 방지하는 누전 설계,
충전할 때 사고를 예방하는 충전구 안전 설계 등이 대표적이다.

배터리 보호를 위한 안전 설계

전기차에 충격 안전 설계는 고전압 배터리를 물리적인 충격으로부터 보호하는 것이다.
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 입혔습니다.
또한 외부 열로 배터리를 보호하기 위해 파우치 타입의 배터리를 사용하고 있으며,
배터리 양 측면의 사이드실에는 충격 흡수를 위한 보강재를 적용했습니다.

E-GMP는 초고속충전을 위한 800V 시스템을 적용하여 배터리 시스템의 열관리 기술이 중요한다.
이를 위해 배터리 모듈의 냉각 채널을 개선하고 냉각 분리구조를 적용했습니다.

전기차 배터리 고강도 검증 시험

• 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

전기차 충전구 안전 설계

비 오는 날 전기차를 충전하면 위험할까요?
전기차는 4단계의 감전 예방 시스템이 적용된다.
  • 충전건의 버튼을 누를 경우 즉각 전류를 차단해 커넥터 접촉부의 손상을 방지하고,
  • 비가 올 때 충전구 내부의 드레인 홀로 액체류가 배출하는 구조로 설계되었습니다.
  • 차량과 완전한 연결을 확인한 후 시간 차를 두고 전류를 공급해 감전을 예방하고,
  • 충전기 체결부에 밀봉 구조를 적용해 체결 후 액체 추가 유입을 방지하고 있다.

배터리 승온 히터 (겨울용)

E-GMP에는 겨울철 배터리 성능을 유지하기 위한 승온 히터가 적용돠었습니다
전기차에 쓰이는 리튬이온 배터리는 리튬이온이 액체 상태의 전해질을 통해 양극과 음극 사이를
오가며 충전과 방전을 반복한다.
겨울철 배터리의 출력이 줄어드는 것은 액체 상태의 전해질이 저온에서 굳기 때문이다.
전해질이 굳어진 탓에 리튬이온의 이동이 둔해지고 이는 결국 배터리 내부 저항을 키워
충·방전 성능 하락이라는 결과를 낳는다.
이런 이유로 겨울철 배터리를 충전할 경우, 상온 상태보다 충전 시간이 길어진다.
이런 단점을 해결하기 위한 기술이 배터리의 온도를 강제로 높여주는 승온 히터다.
순간적으로 배터리의 온도를 빠르게 높임으로써 전해질을 상온 상태로 유지할 수 있고,
덕분에 저온에서도 보다 원활한 배터리 충전이 가능한다.