본격 겨울이 시작됐습니다. 날씨가 급격하게 추워지면서 전기차 유저 분들께서는 걱정이 많으실 텐데요. 아무래도 가장 큰 고민은 주행거리죠. 겨울철 기온이 떨어짐에 따라 전기차의 주행거리가 줄어드는 등 다른 계절에 비해 전기차의 효율과 관리에 더욱 신경써야하는 문제는 겨울 바람이 불 때마다 우리를 고민하게 만드는 문제입니다.
겨울철에 전기차 주행거리가 짧아지는 이유는 전기차 배터리의 특성 때문인데요. 전기차 대부분은 리튬이온 배터리를 사용하는데 한겨울에 기온이 떨어지면 전해질이 굳어 리튬이온의 이동이 둔해집니다. 리튬이온이 잘 움직일 수 있도록 배터리 내부의 저항이 낮아야 하는데, 겨울철에는 저항이 증가하여 리튬이온의 활동성이 떨어지게 되죠. 결과적으로 주행가능거리도 줄어들 뿐만 아니라 충전 시간도 오래걸립니다. 거기다 겨울철 차량 내부를 따뜻하게 유지하기 위해 히터를 가동하면 전력을 추가로 사용하게 되니 주행거리는 더 떨어질 수밖에 없지요.

계절 앞에 속수무책으로 당해야 하는 걸까요. 그럴 순 없기에 오늘 체인라이트닝이 준비한 콘텐츠를 보셔야합니다. 겨울철 전기차 효율을 극대화할 수 있는 똑똑한 전기차 관리법! 지금부터 시작합니다.

[1] 최적 온도 20~25°C, 겨울엔 실내 주차하세요!

전기차 배터리를 충전하기에 가장 이상적인 온도는 20~25°C입니다. 너무 낮아서도, 너무 높아서도 안 되죠. 앞서 말했듯, 기온이 낮아지면 배터리 안의 이온들의 움직임이 둔해져 충전 속도가 느려집니다. 반면 기온이 너무 높아도 배터리의 성능이나 배터리 수명에 악영향을 줍니다.

실제로 배터리 성능에 이상적인 온도를 실험한 연구 결과가 있습니다. 아래 표를 볼까요. 해당 연구에 따르면 리튬 이온 배터리 충전량(SOC)은 배터리 온도에 따라 확연히 달라지는 것을 알 수 있습니다. 영하 20도부터 영상 40도까지 온도 범위에서 시간에 따라 배터리 충전량이 어떻게 달라지는지를 측정했는데요. 온도는 너무 낮거나 너무 높을수록, 노출 시간은 길어질수록 배터리 성능이 떨어진다는 사실을 확인할 수 있었습니다.
조금 더 자세히볼까요. 그래프의 기울기를 보면, 영하의 온도에서 충전량 감소율이 급격히 증가하다가, 25도 지점에서 감소율이 어느 정도 회복하고, 45도에서부터 충전량 감소율이 다시 증가합니다. 너무 낮은 온도에서도, 너무 높은 온도에서도 배터리 충전 효율은 좋지 않다는 사실을 보여주는 셈이지요.

이처럼 배터리 충전 효율은 외부 환경의 온도와 관련이 큽니다. 보통 주차하는 동안에 집밥 혹은 회사밥을 먹이시는 분들이 많을 텐데요, 추운 겨울철에는 야외보다 적정 온도(20~25°C)를 갖춘 실내에 주차를 하여 배터리 성능을 보호할 수 있도록 하는 것이 좋겠습니다.

​

[2] 겨울철, 성능 저하되는 배터리를 위해 완속 충전하세요

배터리 제조사들은 배터리의 최적 상태를 유지하기 위해 완속 충전을 권장합니다. 급속 충전은 충전 속도가 빨라서 편리하지만, 배터리 셀에 가해지는 부담이 크기 때문입니다. 배터리가 충전되는 원리를 살펴보면, 리튬 이온이 양극에서 음극으로 이동하면서 충전이 이뤄지는데요. 급속 충전을 자주 하게 되면, 배터리 안의 전극 구조에 영향을 주는 등 배터리 성능과 수명에 영향을 끼칩니다. 실제로 충전 속도가 빠를수록 배터리의 전극이 빨리 파괴된다는 연구가 나오는 등 많은 연구진들이 급속 충전으로 인한 배터리 성능 저하의 원인을 분석하고 있는 상황입니다. 완속 충전을 해야 하는 이유, 좀 더 자세히 알아보겠습니다.

완속 충전으로 ‘셀 밸런싱’하는 게 해결책!

전기차 배터리에는 수백 개의 셀들이 들어있습니다. 배터리 셀의 개수는 차량의 성능 및 사양에 따라 다릅니다. 일례로 현대자동차 아이오닉 5엔 배터리 셀이 약 300개가 들어있고, BMW에서 생산한 소형 전기 자동차 i3에는 96개의 배터리 셀이 탑재돼있죠.

충전을 할 때에 수백 개의 셀들이 동시에 동일한 양만큼 충전되는 것은 아닙니다. 배터리 셀들의 제조 과정이나 충전 과정에서 외부 요인들로 인해 충전 과정에서 전압 차가 발생할 수 있습니다. 제조 단계에서는 제조 공정상 발생하는 정적 용량, 충방전 사이클 동안의 쿨롱 효율, 자기 방전률 특성 등의 편차 등의 원인에 따라 전압 차가 발생할 수 있습니다. 외부 환경적 요인으로는 배터리 팩 내의 온도 차이나 셀 모니터링을 위한 회로의 누설 전류 불균형 등 배터리 셀 불균형을 초래하는 요인들은 매우 다양합니다.

만약 충전을 하고 난 결과 직렬로 연결된 배터리 셀 중 하나가 4.2v 전압을 달성했지만, 다른 하나는 4.0v에 그친다면 어떨까요. 배터리 셀 간의 전압 편차가 너무 크게되면, 배터리의 수명뿐 아니라 가용 용량을 감소되고, 영구적인 고장에까지 이르게 됩니다(리튬 이온 배터리용 셀 밸런싱 기술의 발전 동향, 전력전자학회지, 김래영, 2014). 보통 정적 전압의 경우 0.05V 이내, 동적 전압 의 경우 0.1V 이내를 정상 범위로 간주합니다. 때문에 전기차 제조사들에서는 배터리 셀 전압 차가 일정 수준 이상 되면 고장난 상태로 정의하기도 합니다. 셀 간 전압 편차가 점점 더 벌어지게 되면 결국 배터리에 문제가 생기는 것이지요.
완속 충전을 적절히 활용하면 이러한 문제는 해결됩니다. 완속 충전으로 완충하면 셀 간의 편차를 줄여 고르게 해주는 ‘셀 밸런싱’ 효과를 볼 수 있습니다. 전문가들은 한 달에 1회 이상 완속 충전으로 완충하는 것을 권고하고 있습니다.

​

[3] 차량 히터, 끄지 마시고 히트 펌프를 사용하세요

히트 펌프는 겨울철 히터의 효율을 높입니다. 그 과정에서 차량 내 폐열을 사용합니다. 폐열은 에너지를 사용하는 과정에서 발생하는 열로 재활용되지 않으면 버려지는 열 에너지인데, 버려지는 에너지를 활용해 차 안을 따뜻하게 하니 난방 효율을 높여주지요.

​

히트펌프의 원리

히트펌프는 에어컨의 원리를 역으로 이용하는 것이라고 쉽게 생각할 수 있습니다. 에어컨은 냉매가 압축되고 응축되는 과정에서 온도가 높아지고, 팽창하고 증발하는 과정에서 온도가 낮아지는 원리를 이용합니다. 에어컨은 낮아진 온도를 활용해 찬 공기를 유지하고, 높아진 온도는 실외기를 통해 방출합니다. 배터리 히팅 시스템은 이 과정을 역으로 이용합니다. 에어컨이 내보내는 높은 온도와 낮은 온도를 모두 활용해 배터리의 온도를 적절하게 유지합니다.

위 사례는 현대자동차의 히트펌프 사례입니다. 전기차는 전장 부품, 배터리 등에서 폐열을 방출하는데요, 이 폐열들은 ‘폐열회수 열교환기’에서 회수되어 배터리를 거쳐 압축기로 갑니다. ‘압축기’는 냉매를 압축하고 이후, ‘응축기’에서 냉각되지요. 냉매가 냉각되는 과정에서 열이 방출되는데, 이 열은 차량 내 난방 열로 활용하게 됩니다. 이후 공기 열원을 차량 외부로 배출하지 않고, ‘실외기’에서 다시 회수하여 또 다시 폐열회수 열교환기로 보냅니다.

버려지는 열 에너지를 활용하여 냉매를 데우면 적은 전력을 소모해 난방 효과를 극대화할 수 있습니다. 예를 들어 압축기가 가동하면서 1Kw의 열을 만들고, 냉매가 순환하면서 외부의 열을 1.5Kw 얻습니다. 총 2.5Kw의 열을 실내 난방에 활용할 수 있게 되지요. 히트 펌프를 활용하면 전력 소모량을 줄일 수 있어 실 주행거리 증가 효과를 누릴 수 있습니다.

​

[4] 배터리 히팅 시스템을 사용하여 관리하세요

배터리 히팅 시스템은 겨울철 배터리가 과냉각되는 것을 방지해주는 장치입니다. 고전압 배터리 외부에 있는 승온 히터로 냉각부동액을 데워 배터리 온도를 높여줍니다. 배터리가 과냉각된다면 성능 저하로 주행거리가 줄어들 뿐만 아니라 충전효율도 감소해 배터리 충전시간도 늘어나게 됩니다. 때문에 배터리 과냉각을 예방하여 배터리의 충전 효율을 유지시킬 필요가 있습니다.

​

[5] 염화칼슘 제거하자! 차량 하부 세차는 주기적으로하세요

겨울철 도로 위를 달리다보면 제설작업에 사용되는 염화 칼슘을 자주 만나게 됩니다. 염화칼슘은 차량의 부식을 유발할 수 있습니다. 염화칼슘은 습도와 온도가 낮은 환경에서 수분을 흡수하고 열을 방출하는 성질을 가집니다. 염화칼슘이 눈 위에 뿌려졌을 때 눈이 녹는 이유죠. 하지만 동시에 염화칼슘은 도로의 먼지, 모래 등과 섞여 차량에 달라붙게되면, 철과 반응하여 염화철을 만들고 차량을 부식시킬 수도 있습니다. 실제로 염화칼슘으로 인한 차량 사고는 적지 않은 규모로 발생합니다. 미국 자동차협회에 따르면, 염화칼슘의 차량 흡착으로 인한 사고로 발생하는 수리비가 매년 7조원에 이른다고 발표한 바 있습니다. 2015년 미국 도로교통안전국(NHTSA)은 염화칼슘 흡착으로 인한 사고를 방지하기 위해 눈길을 주행한 뒤 차량 하부를 반드시 세척하라는 권고 사항을 발표하기도 했습니다.
때문에 주기적으로 차량 하부를 세차하여 염화칼슘 등을 제거해주는 게 중요합니다. 특히 전기차는 차량 하부에 전기차 배터리가 장착돼있기 때문에 부식에 더욱 유의해야 하죠. 염화칼슘으로 인한 차량 부식, 어떻게 발견할까요? 염화칼슘은 하얀 가루의 형태를 띱니다. 염화칼슘이 차량에 흡착됐을 때, 하얀 가루가 묻어있는 것으로 보일 수 있는데요, 대략 3개월가량 흡착된 상태로 지나게 된다면 붉은 녹으로 번지는 퍼짐 현상을 발견할 수 있게 됩니다.

그렇다면 염화칼슘으로 인한 부식 방지, 어떻게 하면 될까요? 겨울철에는 주기적으로 세차를 해주는 게 좋습니다. 손 세차는 추천드리지 않습니다. 염화칼슘은 수분을 흡수하는 성질을 가지기 때문에, 맨손으로 제거하게 되면 건조, 가려움 등 피부병 증상을 유발할 수 있습니다.
가급적 고압수를 사용한 세차를 추천드리는데요. 하지만 세차를 하는 경우 차량 하부에 고압수가 분사되기 때문에, 안전상의 이유로 전기차 하부 세차를 피하시는 분들도 계십니다. 전기차 차량 하부 세차를 정말 해도 되는 걸까요?
전기차를 고압수로 세차해도 문제는 생기지 않습니다. 전기차 배터리에는 방수 기능을 가진 배터리셀 커버가 장착돼있습니다. 배터리셀 커버는 전기차 배터리에 수분이 유입되는 상황을 철저히 방지합니다. 전기차가 개발되는 과정에서 완전히 물에 잠기는 ‘침수 시험’까지 거친다는 사실 또한 우리를 안심하게 하지요.

​

​

지금까지 겨울철 전기차를 똑똑하게 관리하는 방법에 대해 알아봤습니다. 아직 해결되지 않은 궁금증이 있으시다면, 체인라이트닝 오픈카톡방을 방문해주세요. 체인라이트닝은 여러분의 안전한 겨울철 전기차 라이프를 지원합니다.