지난 20년간, 리튬이온 배터리 기술은 자동차 시장의 전선에 나서게 되었습니다. 이러한 배터리 덕분에 자동차 제조사가 내연 엔진(ICE)에 필요한 화석 연료를 감소 또는 배제시켜 소비자 및 상용 차량을 재정의할 수 있게 되었습니다. 그러나 전기차(EV) 배터리 기술은 풍부한 전력, 수명, 안정성을 제공하도록 리튬이온 배터리의 기능 한계를 지속적으로 밀어붙이고 있습니다.
이제 오늘날 시장에 선보인 최신 EV 배터리 기술 몇 가지를 조명해 보고, 각 EV 시스템에서 사용되는 다양한 배터리 셀 크기를 분석해 보겠습니다.
전기차 유형
Tesla, Honda, BMW, Ford, Porsche 같은 인기 있는 EV 제조사는 리튬이온 배터리 기술을 활용하여 다양하고 혁신적인 전기차를 생산합니다. 순수 배터리 전기차(BEV)는 전력에만 의존해 주행하는 반면, 플러그인 하이브리드 전기차(PHEV)와 풀 하이브리드 전기차(FHEV)는 ICE를 동시에 사용하여 전력을 생성 및 제공합니다. 이러한 차량 유형은 모두 다른 수준의 배터리 복잡성 및 크기가 필요합니다.
1. 순수 배터리 전기차(BEV)
현재 세계 최대 규모의 EV 제조사인 Tesla는 최대 110kWh 배터리 시스템을 탑재한 차량을 생산합니다. 이러한 차량은 일반 60W 전구를 76일 동안 점등하고 Tesla Model S를 400마일 주행하는 데 충분한 에너지를 저장할 수 있습니다. 최신 배터리 팩에는 Tesla의 2170 리튬이온 셀이 수천 개 포함될 수 있습니다.
2170 Tesla 리튬이온 셀은 이전 모델에 사용되는 Panasonic 18650 셀보다 에너지효율이 10-15% 높습니다. Tesla가 18650 셀을 기반으로 개발한 100kWh 배터리 솔루션에는 8,256개 셀(12Ah/셀)이 16개 배터리 모듈에 균일하게 분산되어 있습니다. 이 셀은 Model S를 300마일 이상 주행할 수 있습니다.
Tesla의 고성능 EV인 Model S Performance에 대한 Porsche의 응수인 신형 Porsche Taycan은 대부분의 다른 전기차에서 볼 수 있는 표준적인 400V가 아니라 800V를 생산하는 93.4kWh 배터리를 탑재하고 있습니다. Taycan의 배터리는 엄청난 235.8Wh/셀을 저장할 수 있는 리튬이온 셀을 각각 12개씩 모두 396개 포함하는 33개 배터리 모듈로 구성되어 있습니다. 배터리 충전 속도는 전류에 의해 제한되므로 이러한 셀이 생성하는 전압이 높을수록 배터리 시스템 중량이 줄어들고 충전 속도가 빨라집니다. 그러나 고전압 배터리 시스템은 고유한 설계 문제를 안고 있으며, 차량 전반에 걸쳐 하위 시스템을 작동하기 위해 보다 첨단의 전력 변환 및 전류 보호를 요구합니다.
2. 플러그인 및 풀 하이브리드
Toyota의 가장 인기 있는 PHEV인 Prius Prime은 8.8kWh 배터리 팩을 자랑하며, 이를 통해 도심에서 거의 55MPG로 차량을 주행할 수 있습니다. 운전자는 가정에서 또는 이동하는 도중에 8.8kWh 배터리를 충전할 수 있으며, Prius Prime은 가솔린보다 전기를 더 많이 소비하므로 연료비가 절감됩니다. Prius Prime은 각각 19개 LI 셀이 포함된 5개 배터리 스택(95개 셀)으로 총 용량 8.8kWh의 전력을 공급받습니다. 비교를 위해, 세계에서 가장 인기 있는 FHEV인 Prius는 각각 28개 셀이 포함된 스택 2개(56개 셀)만으로 구성되어 총 용량 0.745kWh를 공급하는 훨씬 작은 배터리를 탑재하고 있습니다. 이 PHEV 및 FHEV의 에너지 밀도는 각각 92.6Wh/셀과 13.3Wh/셀입니다. 배터리 용량이 크고 에너지 밀도가 높을수록 차량 전체에서 더 높은 워크로드를 구동하기에 이상적이므로, Prius Prime이 표준 Prius보다 많이 전기 에너지를 활용합니다. 다른 많은 제조사가 배터리 용량 시스템 및 배터리 활용도가 다양한 여러 모델을 제공합니다.
EV 배터리 관리 시스템: 속도, 안전성 등
전기차마다 필요한 배터리 용량이 다르지만, EV 배터리가 차이 나는 요소는 용량 이외에도 많습니다. EV 배터리 시스템을 설계할 때 엔지니어는 충전 속도, 충전 주기 용량, 열화, 화학, 그리고 물론 안전성도 고려합니다. 에너지 및 전력 밀도는 대부분의 EV 분야에서 한계까지 실현되었지만, 자동차 제조사는 성능 수준을 최적화하기 위해 모듈 및 셀 크기를 지속적으로 변경하고 있습니다.
리튬이온 배터리 셀 및 모듈 크기와 관계없이 EV를 구동하는 고전압 배터리 시스템은 최대의 전력 및 안전성을 보장하도록 치밀하게 설계된 배터리 관리 시스템(BMS)이 필요합니다. Silicon Labs 및 Pulse Electronics와 같은 BMS 기술 및 핵심 부품 제조사는 EV 산업 전반에서 전기차 배터리 기술과 리튬이온 셀 및 모듈 생산을 발전시키는 데 매우 중요합니다.