전기차 배터리 전압강하

안녕하세요

공부하는 웅이입니다.

 

오늘은 예전에 공부했지만 내용을 복습하는 차원에서 배터리 그리고 배터리에서의 전압 강하에 대해 이야기 해보도록 하겠습니다.

 

흔히 많이 사용하고 있는 국산셀 2종류인 18650과 21700(지름 21mm·높이 70mm) 에 대해 어떤 배터리 특성차이가 있는지 비교를 한번 해보겠습니다. 

(*참고로 테슬라는 2022년부터 차세대 배터리로 46800 원통형 배터리를 양산 차량에 넣을 예정이라고 하는데, 배터리의 기술이 나날히 좋아지고 있는 것을 보니, 배터리 산업의 미래가 기대됩니다.)

https://www.inews24.com/view/1431221

테슬라, 차세대 원통형 배터리 '46800' 발주물량 확보 경쟁 승자는

 

 

 

일단 각셀의 제원과 비교검토한 표를 한번 천천히 보시죠

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18650셀 제원

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21700 셀 제원

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좀 복잡한 수치가 나타난 표지만 간단히 비교한 결과만 보셔도 됩니다.

 

여기서 중요한 수치들은 얼마 없기 때문이죠.

 

 

 

위 표에서 보듯이 18650과 21700 셀의 단위 부피별 에너지 밀도는 동일하며 팩조립시 21700이 오히려 방전량이 줄어드는 것을 확인할 수 있습니다.

흔히 얘기하는 셀 방전전압 2.65v와 2.5v 차이는 에너지 밀도가 워낙 낮고 BMS 컷, 컨트 컷에 따라 달라집니다.

 

또한 배터리 관리수명을 고려하면 장점이라고 볼 수도 없기에 무시하셔도 됩니다.

 

 

리튬이온 배터리는 기온이 낮아질수록

 

내부저항이 커져 전압강하와 같은 출력감소 현상이 증가하며 고밀도 배터리일수록 증상은 심해집니다.

 

따라서 이런 문제점을 최소화하기 위해서는

 

병렬팩수를 늘려 방전량을 올려줄수록 유리해집니다.

 

전기차들은 그래서 고전압으로 가는대신 최대한 병렬을 많이 가져가는 것을 보면 알 수 있습니다. 

 

예를들어, 볼보 최초의 순수 전기차인 C40 리차지의 경우 총 324개 배터리 셀이 12개 배터리 모듈 하나당 14.7V의 전압과 192.2Ah의 전력을 갖춰 총 27개의 모듈을 더하면 77.8kWh의 배터리 용량을 갖추고 있습니다. 확실하지는 않지만 27개의 직렬과 12개의 병렬 연결로 되어 있는 것 같습니다. (그렇다면 14.7V x 27개로서 396.9V이며, 병렬은 2.3kW 인 것으로 나타납니다)

 

쉐보레 볼트 EV의 경우에는 288개의 배터리 셀과 10개의 배터리 모듈로 구성되어 있습니다. (3.7V 셀을 96개로 직렬 연결하면 약 355V, 병렬은 3개로 하여, 96 S x 3 P)

 

그리고 요즘 가장 핫한 아이오닉5와 기아 EV6 (77.4KWh 기준) 의 경우, 384개의 배터리 셀과 32개 모듈로 연결되어 있으며 8개의 서브 배터리 팩으로 구성되어 있습니다.

 

 

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온도가 낮아질수록 내부저항이 커져 전압강하가 커지고 출력 감소 현상이 커진다고 하였는데요.

 

일상 생활을 생각하면 좀 더 쉽습니다.

 

겨울철 라이더가 스로틀을 당겨 중고속의 속도를 지시했으나 기온저하에 따른 내부저항으로 전압강하가 발생하고 부족한 전력을 보충하기 위해 전류를 높여 보상할려고 하는 현상이 발생하게됩니다. (전력W=전압V*전류A)

 

이때 과전류가 방출되게 되고 BMS에서 과전류 컷을 시키게 되며 컷해제후 방전 전압 보다 높은 전압이라면 계속 주행이 가능하지만, 만약 방전 전압 아래로 내려가면 전압컷이 발생합니다. 물론 컨트컷으로 제어하는 펌일 경우는 바닥까지 전압을 사용할 수는 있습니다.

이처럼 방전량은 고출력을 요구하는 소형 전동에서는 상당히 중요한 요소중의 하나입니다.

하지만, 무한정 병렬팩수를 늘려 배터리 용량을 늘리수 없으니 가능하면 병렬팩수가 많은 18650이

유리하다는 의미입니다. 그 기준치는 결국 BMS, 컨트롤러 및 모터의 최대전류와 관련있습니다.

 

 

전기 자동차의 경우 배터리용량이 큰 경우 단위셀 크기가 클수록 조립공정이 단순화되어 유리하고

 

상대적으로 용량이 적은 일반적인 전기 자전거의 경우 병렬팩수가 많을수록 유리합니다.

 

전동킥보드는 휴대성을 고려 태생이 바퀴가 작다보니 모터제작시 먼저 모터직경의 부피제한조건이 따르게 됩니다.

 

제한된 공간에서 고출력을 내기위해서는 상대적으로 모터직경이 큰 전기바이크(고빠)에 비해 비효율적인 과다 전력량이 소모되게 되어

 

결국 모터 정격출력당 속도가 서로 다른 아이러니한 상황이 발생하게 됩니다.

 

전기바이크(고빠)가 훨씬 정격출력당 토크나 속도가 높은 이유중 하나죠.

 

 

고밀도 배터리보다는 중밀도 배터리가 내구성이나 방전량 면에서 훨씬 유리하기 때문에 차라리 2,900mAh 셀이 대안이 될수 있는나 휴대성의 제약으로 어쩔수 없이 고밀도 배터리를 선호하게 되어버린 형국이라 보여집니다.

20S 100A BMS Spec Sheet

BMS 또한 순간방전전류는 연속방전전류의 2배 정도임을 알수 있습니다.

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단순히 배터리 팩뿐만 아니라 전반적인 조화가 중요합니다.

 

 

배터리, BMS, 컨트, 모터 등이 서로 조화롭게 스펙이 적용이 이뤄줘야 모든 전장 제품들이 조화를 이루게 되죠.

 

 

또한 무용지물인 오버스펙 부품이 발생하지 않게 각 부품을 매칭을 시키는게 엔지니어로서 가장 중요한 자질이게 되므로 이러한 설정들이 현 배터리와 전기차에 적용되는 이유이겠죠ㅎㅎ

 

이상입니다.