한파 속 '테슬라 무덤'…현대차‧기아 EV는 멀쩡했던 이유

배터리 히터 방식 승온 기술로 혹한 대응에 유리
영하 30도 혹한에서도 충전 가능하도록 로직 구성
'배터리 컨디셔닝 모드'도 혹한 속 배터리 성능 유지에 도움

아이오닉 5가 눈속을 달리고 있다. ⓒ현대자동차

지난달 미국 일부 지역에서 영하 30도 내외의 ‘북극 한파’로 인해 방전된 테슬라 전기차들이 무더기로 방치되는 사태가 발생했다. 하지만 테슬라를 제외하고 미국 내에서 전기차 판매량이 가장 많은 현대자동차 아이오닉 시리즈와 기아 EV6 등 현대차그룹 전기차들은 상대적으로 ‘혹한의 무덤’에서 자유로웠다.

시장에 공급된 물량 자체에서 테슬라 전기차가 압도적이라 한파에 따른 전기차 방전 사태에서 더 크게 부각된 부분도 있지만, 배터리 승온(昇溫) 방식의 차이가 희비를 갈랐다는 시각도 있다.

23일 업계에 따르면 현대차‧기아의 전기차들은 모터와 인버터로 냉각수 온도를 높이는 기술을 채택한 경쟁사들과 달리 별도의 배터리 히터로 냉각수를 가열하는 방식을 택하고 있다. 이 기술은 효율성과 에너지 소비 측면에서 장단점이 있지만 혹한의 상황에서도 문제없이 배터리를 충전하는 데는 유리한 것으로 알려졌다.

추운 날씨에 전기차를 충전하는 모습. ⓒ현대자동차그룹

모든 전기차는 겨울에 취약하다. 엔진 폐열(廢熱)로 히터를 가동하는 내연기관차와 달리 전기차는 차내 온도를 높이기 위한 별도의 에너지 소모를 요구하기 때문이다.

이보다 더 큰 문제는 배터리 자체가 저온에 취약하다는 점이다. 추위가 심할 때 야외에서 스마트폰을 사용하면 배터리가 평소보다 빨리 닳는 것처럼 전기차 배터리도 혹한에서는 1회 충전 주행거리가 급격하게 줄어든다.

전기차에 일반적으로 쓰이는 리튬이온 배터리는 내부의 전해질 속에서 리튬이온이 양극과 음극을 오가며 충전과 방전을 거듭한다. 하지만 온도가 낮아지면 전해질의 저항이 커지며 리튬이온의 양‧음극 이동 속도가 더뎌진다. 결국 배터리는 제 성능을 내지 못해 충전 속도도 느려지고 평소보다 빠르게 소모된다.

전기차 배터리는 보통 25~35도 부근에서 최적의 성능을 낸다. 이 영역에서 충전 속도도 가장 빠르고, 주행 가능 거리도 최대화된다.

이 때문에 전기차 제조사들은 항상 최적의 배터리 성능을 내기 위해 적정 온도 수준을 유지하는 열관리 기술을 적용하고 있다. 이를테면 추운 날씨에 차가워진 배터리를 난방하거나, 지나치게 뜨거워진 배터리는 냉각 시스템을 이용해 열을 낮춘다.

겨울철에 배터리를 최적의 온도로 끌어올리기 위해 제조사별로 직접 배터리 팩에 히터를 달아 배터리 온도를 높이거나, 기존 모터와 인버터의 작동으로 냉각수 온도를 높여 배터리를 승온하는 방식을 사용한다.

모터와 인버터로 냉각수 온도를 높이는 방식은 별도의 히터를 장착하지 않아 효율적이지만, 배터리 승온에 필요한 에너지가 배터리 히터를 사용하는 방식 대비 2배 가량 큰 편으로 알려져 있다.

배터리 히터 방식의 현대차그룹 배터리 승온 기술 개념도. ⓒ현대차그룹

현대차그룹은 최근 미디어 채널인 ‘HMG저널’을 통해 혹한 조건에 대응하기에는 자사가 채택한 배터리 히터 방식의 승온 기술이 유리하다고 강조했다.

현대차그룹 전기차의 배터리 승온 기술은 배터리 팩의 온도 조절을 위해 흐르는 냉각수의 유입구에 배터리 히터를 배치하고, 냉각수를 가열해 배터리의 온도를 높이는 방식이다. 에너지 소모를 줄이기 위해 열효율이 높은 히터를 사용하고 있다는 설명이다.

특히 영하 30도 수준의 혹한에서도 충전이 가능하도록 충전 관련 로직을 구성했다. 승온 중에 배터리가 방전되는 불상사를 사전에 방지하는 설계다. 특히 배터리가 완전히 바닥난 상태에도 충전 케이블만 장착하면 배터리로 전류를 흘려보내 충전이 가능하도록 설계했다. 덕분에 혹한의 날씨에도 승온과 동시에 충전이 가능하다.

현대차그룹 전기차에 적용된 '배터리 컨디셔닝 모드' 개념도. ⓒ현대차그룹

현대차그룹 고유 기술인 ‘배터리 컨디셔닝 모드’도 겨울철 혹한 환경에서 전기차 배터리 성능을 유지하는 데 크게 기여한다고 회사측은 강조했다. 인포테인먼트 시스템에서 설정할 수 있는 이 기능은 내비게이션에서 급속 충전소를 경유지나 목적지로 설정시 동작하며, 주행 중 미리 배터리 온도를 제어해 최적의 충전 속도를 확보할 수 있도록 도와준다.

주행 측면에서의 배터리 승온 제어는 주로 저온 상황에서 작동한다. 가령 주차 중 원격 혹은 예약 공조 기능과 연동하거나, 배터리 출력 성능의 최적화를 통해 냉간(파워트레인의 열이 적정 수준으로 오르지 않은 상태)에서의 주행 성능을 향상시킨다.

운전자는 인포테인먼트 시스템에서 배터리 온도 상태를 모니터링해 해당 기능을 직접 끄고 켤 수도 있다. 다만, 배터리 컨디셔닝 모드는 차종의 특성에 따라 각각 상이한 조건에서 작동되도록 설정돼 있어, 충전과 주행 성능의 최적화를 위해 작동 상태로 설정하는 것을 권장한다.

현대차그룹은 글로벌 시장의 다양한 환경에서도 최적 성능을 확보할 수 있도록 차량 개발시 다양한 온도 조건의 챔버 테스트를 진행하고 있다. 혹한 상황에서의 전기차 배터리 성능 시험도 여기에 포함된다.

남양연구소 환경차개발시험장에서 이뤄지는 해당 테스트에서는 영하 30도 이하의 극저온 환경에서 충전 성능을 시험하며, 배터리 열관리를 통한 충전 시간 최적화 등 다양한 배터리 성능 시험을 진행한다.

현대차그룹이 구상 중인 외부 열관리 스테이션을 활용한 충전 최적화 기술 개념도. ⓒ현대차그룹

한편, 현재의 전기차 열관리 기술은 전기차 자체의 에너지만을 사용하고 있어 주행거리에 영향을 끼칠 수밖에 없는 상황을 극복하기 위해 현대차그룹은 충전 스테이션의 외부 에너지를 활용하는 혁신적인 방법을 고안하고 있다. 쉽게 말해 충전 스테이션에 뜨거운 냉각수와 차가운 냉각수를 모두 구비해 놓고, 배터리 온도 상태에 따라 필요한 냉각수를 직접 주입하는 기술이다.

해당 기술을 적용하면 내부 전력을 활용한 배터리 승온 단계가 없어 배터리 잔량은 고스란히 보존하면서, 배터리 온도를 조절해 충전 속도를 최대로 높일 수 있게 된다. 현재 콘셉트 단계에 있는 기술이지만, 현대차그룹은 냉각수를 식히거나 데우는 시간을 절약함에 따라 충전 속도를 최대 40%가량 줄일 것으로 예측하고 있다.