현대기아, 새로운 배터리 열관리 시스템 선보여

무더운 여름이 벌써 다가왔다. 이맘때가 되면 자동차 에어컨 사용은 거의 필수나 다름없다. 그리고 동시에 운전자들의 걱정도 한 가지 더 생긴다. 바로 에어컨 작동에 따른 연비 저하 문제다. 에어컨을 작동했을 때 연료의 효율성이 떨어지는 것은 컴프레서가 엔진의 힘 일부를 끌어다 쓰기 때문이다.

아무튼 우리는 이런 상황을 오랫동안 학습해왔다. 그렇다 보니 전기자동차도 같은 상황일 것이라 짐작하게 된다. 하지만 실상을 알고 보면 오히려 반대다. 내연기관은 크게 걱정할 필요가 없는 겨울이 오히려 전기차에게는 가장 힘든 계절이다.

전기차의 핵심 부품인 배터리 내부에는 전해액이라는 액상 물질이 채워져 있는데, 이 물질이 배터리의 음극에서 양극으로 전하를 실어 나르는 역할을 한다. 그런데 문제는 액상이다 보니 외부 온도가 낮아지면 전해액의 활동이 느려져 원래 설정된 전기를 충분히 발생시키지 못한다.

우리가 사용하는 스마트폰이 한겨울만 되면 배터리가 빠르게 닳아 없어지는 것도 알고 보면 전력 소모량이 늘어나서가 아니라 전해액이 제대로 전하를 이동시키지 못하면서 생기는 현상이다.

그렇다 보니 겨울철, 특히 기온이 급격히 떨어지는 시기가 되면 전기자동차의 주행거리는 급격히 줄어든다. 주행풍을 맞아 배터리팩이 냉각되기 시작하면 배터리 효율은 더 줄어들며, 여기에 히터를 작동시킨다면 효율은 말할 수 없이 줄어든다. 이런 특성은 실제 전기차를 경험해 본 사람이라면 대부분 이해한다.

그래서 이런 문제를 최소화하고자 전기차를 개발했거나 현재 개발하고 있는 제조사들 대부분, 가장 중요하게 생각하는 테스트가 바로 윈터 테스트다. 포르쉐 역시 타이칸을 개발할 당시 북유럽에서 집중적으로 테스트를 진행했고, 심지어 24시간 테스트까지 진행하며 배터리 효율 저하를 체크했다.

이런 문제들로 인해 최근 상당수의 전기차에는 히트 펌프를 장착하고 있다. 내연기관 엔진이 냉각을 위해 워터 재킷을 두르고 있는 것과 정반대의 상황이다. 그러나 문제는 히트 펌프 역시 열을 발생시키기 위해 배터리에서 에너지를 가져다 써야 한다는 점이다. 물론 없는 것보다 나은 배터리 효율을 보여주지만 아무래도 겨울이 되면 배터리 효율이 떨어지는 것은 사실이다.

그래서 현대, 기아차가 최근 새로운 개념의 히트 펌프 시스템을 개발, 발표했다. 현대, 기아가 처음 전기차에 히트 펌프를 사용하기 시작한 것은 2014년으로 쏘울 EV에 처음 탑재됐다. 개발 이후 현대, 기아는 노르웨이 자동차 연맹이 주최하는 겨울 테스트에 꾸준히 참가했으며, 코나 EV는 가장 높은 효율을 발휘하는 자동차로 기록되기도 했다.

현대, 기아차에서 발표한 새로운 히트 펌프 시스템의 가장 큰 특징은 버려지는 열을 수집한다는 점이다. 기본적으로 펌프는 배터리에서 에너지를 얻어 열을 발생시키지만, 추가적으로 모터, 인버터 그리고 충전기에서 발생하는 열도 함께 수집한다.

또한 배터리가 전기에너지를 공급하는 과정에서 발생하는 열과 함께 완속 충전 시 발생하는 열까지 수집하여 배터리 팩 온도 유지에 사용한다는 것이 핵심이다. 두 회사의 이야기에 따르면 이론적으로는 열이 발생하는 거의 모든 부분에서 열을 수집할 수 있다고 전했다.

이를 통해 얻게 된 이점도 상당히 크다고 한다. 예를 들어 공랭식 배터리 유닛에 비해 더 촘촘하게 배터리 온도 관리 채널을 구성할 수 있으며, 특히 발생하는 열을 별도로 수집하기 때문에 냉각을 위한 공간을 줄일 수 있게 되었다고 밝혔다. 이는 그만큼 제한된 공간에 더 많은 배터리를 넣을 수 있다는 의미이기도 하다.

현대, 기아의 발표에 따르면 기존 대비 배터리 밀도를 약 35%가량 더 높일 수 있었다고 한다. 또한 이 시스템을 가동한 상태에서 테스트한 결과 주행 거리의 대부분 -7도를 유지했다고.

반면 히트 펌프가 탑재되어 있지 않은 EV의 경우 배터리 효율이 18%에서 최대 43%까지 떨어진 것으로 조사되었다.

열을 수집할 수 있다는 것은 다른 의미로는 열을 빼앗아 간다는 의미와도 같다. 따라서 이 시스템은 배터리 보온뿐만 아니라 열을 앗아감에 따라 냉각시킬 수 있을 것이다. 또한 응용하기에 따라서 에어컨을 위한 시스템으로도 부분적으로 활용될 가능성이 있어 보인다.

이 시스템은 배터리 효율성 증가와 더불어 에너지 재사용 측면에서 긍정적인 효과를 가져올 것으로 예상된다.

구체적으로 언제부터 어떤 모델이 우선적으로 반영될지는 아직 발표되지 않았으나, 향후 생산되는 현대, 기아자동차의 EV에 기본적으로 탑재될 것으로 보이며, 이 시스템이 도입되면 겨울철 배터리 효율 저하로 인한 주행거리 감소 현상은 상당 부분 사라질 것으로 기대된다.

박종제 에디터는?

F1 레이싱 코리아 전 편집장으로 포뮬러 1과 관련된 뉴스 그리고 레이스의 생생한 이야기와 트랙 밖의 이야기를 다수의 매체를 통해 전해왔다.

레드불 코리아, 한국 타이어 매거진 뮤(MiU) 등의 온/오프라인 채널에 F1, 24h 르망, WRC 등 다양한 글로벌 모터스포츠 이야기를 전하고 있는, 모터스포츠 및 자동차 전문 에디터다.