윈터 패키지 옵션은 과연 필요한가?

  • 기술적 관점에서 해석한 윈터 패키지(배터리 히팅 시스템과 히트 펌프 시스템)의 필요성

사실 이 이야기를 전기차 카페에서 먼저 언급된 이야기입니다. 단순하게 이러한 원리로 배터리 히팅 시스템과 히트 펌프 시스템이 필요합니다. 라고 주장할 수 없었습니다. 따라서 그에 맞는 논문이나 연구결과를 찾기 시작했고 거의 비슷한 논문을 찾게 되었습니다. (이번 글은 최대한 짧게 끝내기 위해 앞에서 이야기 한 내용은 앞의 포스팅을 참고하세요.)

실내 난방이 전기 자동차 주행 성능에 미치는 영향 조사(김기범, 이완성, 김용연 (저) 라는 논문을 하나 찾게 되었습니다. 논문의 전문을 읽고 싶은 분은 글의 마지막에 주소를 첨부하겠습니다. 그러면 시작하겠습니다. (논문출처 : http://citeseerx.ist.psu.edu/viewdoc/download?doi=10.1.1.839.126&rep=rep1&type=pdf )

먼저 기본적으로 ’동일 부피일 경우, 에너지 밀도를 한 번 알아봅시다‘. 아래 그래프를 참고하면 가장 높은 에너지 밀도를 보이는 것은 디젤(경유, 100%) 그리고 네 번째에 휘발유(가솔린, 87.2%), 여섯 번째에 LPG (60%) 그리고 한참 뒤의 12번째에 Ni-MH 배터리(1.3%)가 있습니다.

(자료 출처 : US 에너지부)

우리가 알고 있는 배터리와는 조금 다르죠? 배터리에 대해서도 조금은 알아야 합니다. 아래의 표를 통해 우리가 알고 있는 전기차 배터리로 한 번 살펴봅시다.

(자료 출처 : ENERGYRESOURCEFULNESS.ORG)

 

위 그래프를 통해 우리가 잘 알고 있는 Li-ion 배터리의 효율을 볼 수 있습니다. Ni-MH와 크게 차이 안 납니다. 사실 거의 비슷한 효율을 보인다고 생각하면 됩니다. 그러면 전기차에 쓰이는 배터리의 효율이 그렇게 좋은 편은 아니라는 사실을 우리는 확인할 수 있습니다. 또한, 이러한 결과는 하이브리드(전기모터로만 주행불가), PHEV 하이브리드(최대 44km), 전기차(최대 200km 이상)의 배터리 사이즈가 차이가 난다는 사실을 다시 한번 확인할 수 있습니다. 아래의 배터리 크기와 저장 가능 용량 사이의 관계를 그래프 자료를 통해 다시 확인하시죠.

(자료 출처 : nap.edu)

왜 이렇게 서두가 길었냐? 라고 물으신다면 이제부터 말할 수 있는 내용을 이제야 이해할 수 있기 때문입니다. 첫째, 전기차는 기존 내연기관과 비교해 전기차가 가지는 한계 중 하나는 에너지 밀도가 상대적으로 낮은 연료를 사용한다는 것입니다. 낮은 연료로 인해 주행가능 거리가 짧아지는 것은 당연한 결과입니다. 단순히 디젤과 비교하면 디젤차는 요즘 20km/L, 가솔린 16km/L, 전기차 8km/Kwh입니다. 거의 비슷한 효율이라고 볼 수 있지 않나요? 몰론 단순히 이렇게 비교는 할 수 없습니다. 하지만 단위 연료당 주행거리 효율은 절대 높은 편은 아닙니다.

(자료 출처 : http://macguyver.kr/1672 )

 

둘째, 리튬이온 배터리는 일정 온도를 유지해야 제 성능을 발휘한다. 리튬이온 배터리를 사용하는 전자제품에 가까운 전기차는 겨울이 되면 배터리 성능이 많이 떨어지게 됩니다. 단순하게 이렇게 생각하면 쉽습니다. 아이폰 6S가 얼마 전까지 겨울이 되면 갑자기 종료되거나 배터리가 절반 이하로 떨어지는 경우가 많다는 뉴스를 접할 수 있었습니다. 즉, 결론적으로 리튬이온 배터리는 항상 일정 온도를 유지해야 그 성능을 제대로 발휘할 수 있습니다.

 

그러면 온도에 따라 얼마나 성능 차이를 보여주는가? 라는 것에 대한 실험이 오늘 말하고자 하는 내용입니다.

실내 난방이 전기 자동차 주행 성능에 미치는 영향 조사 (논문)의 결론은 단순히 말하면 전기 자동차 난방을 위한 히트펌프의 장점을 입증하였다는 것입니다. 전기 히터보다 에너지 효율이 우수한 히트펌프를 사용하여 난방할 경우 전기차의 주행성능 변화는 배터리 소모량이 약 50% 감소하며, 그만큼 주행가능 거리가 늘어난 것을 확인할 수 있다는 것이었다.

(자료 출처 : 실내 난방이 전기 자동차 주행 성능에 미치는 영향 조사, 충북대 기계공학부)

 

단순하게 위의 결과 그래프를 해석하자면 빨간색이 아무것도 하지 않고 주행할 때의 배터리 소진 시간이다. 약 16,000초가 소요되었다. 히트펌프 시스템으로 온도를 높이면서 운행한 차량은 14,000초, 전기 히터를 사용하면서 운행한 차량은 약 9,000초 만에 배터리를 소비한 것을 볼 수 있습니다. 이러한 결과를 보았을 때, 히트펌프 시스템은 필수적으로 장착을 해야 하는 옵션입니다. 보통 인터넷을 보면 중부지방 위쪽으로만 옵션으로 선택하면 된다고 하는데, 개인적으로 추위를 많이 타거나 겨울에 히터를 켜는 사람이면 장착을 하는 것이 좋다고 생각합니다.

 

이제는 리튬이온 배터리의 온도에 따른 성능을 알아볼 차례입니다. 이 부분 또한 많은 논란이 된 내용입니다. 이 부분 또한 논문을 통해 한 번 살펴보도록 하겠습니다. [리튬이온 배터리의 열관리가 전기자동차 주행거리에 미치는 영향, 충북대학교 기계공학부 (박철은, 유세웅, 정영환, 김기범 (저))]의 논문을 통해 리튬이온 배터리 특성과 배터리 히팅 시스템의 필요성을 알아보도록 하겠습니다. (자료출처 : http://jkais99.org/journal/Vol18No05/Vol18No05p04.pdf)

 

앞서 말했듯이 전기차에 사용되는 리튬이온 배터리의 성능은 배터리 온도에 따라 큰 차이를 보입니다. 배터리의 온도가 25도 이상이 되면 배터리의 충전량이 감소하여 배터리의 성능이 떨어지게 되고, 주행가능 거리가 줄어들게 됩니다. 또한, 배터리 온도가 25도 이하로 감소하면 내부저항이 증가하여 발열량으로 인해 주행가능 거리가 줄어듭니다. 즉, 일정 온도가 배터리의 성능에 가장 좋은 온도이며 추워도 더워도 안 된다는 것을 확인할 수 있습니다. 또한, 20도에서는 약 33%, 45도에서는 1.8% 정도 주행가능 거리가 감소한다는 결론을 볼 수 있습니다.

 

 위와 같은 내용을 보면 그래도 왜 필요한 것인가? 라는 말을 하는 경우가 있었습니다. 즉, 여름철보다는 겨울철 배터리의 과냉각을 방지하기 위해 필수적으로 필요한 것입니다. 전기차를 1년 동안 사용하면서 느낀 것은 겨울에 전기차는 생각보다 너무 추운 차량이고 실내의 배터리는 더욱 차갑게 냉각될 것입니다. 따라서 이러한 과냉각을 막아 배터리의 성능 및 충전속도를 유지하기 위해 반드시 선택해야 할 옵션입니다.

내가 자는 동안 배터리 히팅 시스템은 일정 온도 유지를 위해 계속해서 배터리에서 전력을 받아 열을 배터리에 가하고 있다는 사실입니다. 물론 급속충전을 사용하지 않는다. 또는 저는 오래 걸려도 괜찮아요. 하는 분은 선택하지 않아도 됩니다. 하지만 그렇지 않은 분은 꼭 선택하길 바라는 옵션입니다.

아이오닉의 경우 공랭식으로 위 시스템을 적용하였습니다. 배터리 밀도를 상대적으로 낮게 설계를 하였기 때문인데 코나나 니로, 볼트의 경우 배터리 밀도가 높아 수냉식 배터리 히팅 시스템을 사용합니다. 아무리 전기모터의 열이 높다고 하더라도 배터리의 성능이 유지될 정도의 열을 발생 시키지 못합니다. 그래서 사실 아이오닉보다 볼트와 니로, 코나에 더 필요한 옵션 입니다.