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Jan 24. 2024
왜 추우면 전기차는 시동이 안 걸릴까?
미국의 기록적인 한파로 인한 전기차 문제
출처-. AP 연합뉴스최근 미국에 기록적인 추위가 찾아왔다는 뉴스를 본사람들이 많을 것이다. 그로인 해 전기차가 먹통이 되었다는 기사들이 주를 이뤘고 실제로 날이 추워지면 전기차는 작동이 불가능하다는 이야기를 한번쯤 들어본 사람들이 많을것이라 생각한다.
비슷한 예로 과거 유명한 이야기가 아이폰이 날이 추워지면 그냥 꺼진다나 날이 추워서 전자기기가 작동이 안 된다는 이야기는 독자님들 또한 한 번쯤 들어봤을 거다.
그러한 상황에 맞춰 오늘은 전기차 이야기를 하기 전에 실제로 추위와 전기차 주행관에 상관관계에 대해 가볍게 이야기를 하고자 한다.
실제로 이번미국이 굉장히 추웠다는 이야기가 많았는데 영하 40도 아래로 떨어졌다 라는 뉴스가 대서 특필 되었다. 그로 인해 전기차 충전소가 테슬라의 무덤이다라는 말이 많이 나오면서 북극한파다 뭐다라는 날씨의 이론에 관한 이야기는 많지만 거긴 필자의 전문분야가 아니니 이쯤 해두도록 하자.
그렇다면 사담을 넘어 오늘의 이야기는 왜 온도가 낮아지면 전기차는 먹통이 될까?에 대해 필자와 알아보자
공학적으로 접근하는 배터리의 온도특성
출처-특허 10-0888685위 그래프는 리튬이온배터리의 온도에 따른 전압과 C-rat(충 방전율)에 대한 설명이다.
여기서 이해해야 하는 건 온도가 낮아지니까 그래프가 뭉개져서 전압과 충방전율이 완전히 바닥을 쳐버리고, 실제로 사용하기 힘들 거 같다는 거다.
뭐 세세한 이론에 대해 자세히 이해하기 위해서는 ocv와 c-rate 등의 복잡한 전지의 개념을 이해할 필요성이 존재하지만 이는 배터리 편에서 자세하게 다루도록 하고 최대한 이번글에서는 직관적인 이해를 위해 최대한 간단히 다뤄보도록 하겠다.
자세한 이론을 이해하고 싶으신 분들은 필자의 티스토리를 참조해 주시기를 바라며 이야기를 시작해 보자
사실 리튬이온 배터리의 전압은 대게 정격전압을 3.7V라고 이야기하며 온도가 내려갈수록 위그래프처럼 전압이 낮아지는 특성을 보인다.
그렇다면 왜 낮아지는 걸까? 이에 대해 공학적으로 설명해 보면
이해를 위해 전기차를 가장 간단하게 회로로 도식화해 보는 것으로 접근해 보자
우측이 극한의 단순화한 전기차 회로도이다.(뭐 회로법칙은 생략하겠다)
조금 더 회로도를 빼 보자면 배터리 내에는 저항이 존재하여 좌측과 같이 배터리 내부에 저항을 도식화할 수 있다.
그래서 실제로 온도가 내려갈수록 저저항이 높아져서 E(단자전압)=V(기존전압)-IR로 계산이 가능하고 단자전압이 낮아진다. 사실온도에 따른 저항계수와 세부적인 전기이론을 이해할 때는 이 정도의 설명하면 충분하다.
하지만 이렇게 설명하면 너무 어려우니 좀 더 쉽게 원리적으로 접근해 보자
배터리의 원리로 접근하는 배터리
리튬이온 배터리의 4대 요소 출처 삼성 SDI리튬이온배터리는 기본적으로 아래와 같은 구성요소를 가지고 전해액이라는 이온이 통하도록 돕는 물질을 가지고 있다.
여기서 기본적으로 양극이나 음극으로 전하의 이동을 통해 배터리를 충방전 하는데 단순하게 온도가 낮아지는 것을 생각해 보자
아 온도가 낮아지게 되면 리튬이온이 이동이 느려지겠구나?
왜일까? 기본적으로 온도가 낮아지면 전해질에서 기본적인 원자의 흐름이 느려질 것이고 뿐만 아니라
우리는 고등학교 때 온도에 따라 분자의 운동성이 달라진다는 샤를의 법칙을 아마 한 번쯤은 들어봤을 것이라 생각한다.
물론 액체 속 전자의 흐름이라 조금 다른 법칙을 적용해야 하긴 하지만 이런 방식으로 접근해 보면 아 온도가 낮아지면 전자가 흐르기 힘들겠구나 정도의 논리는 쉽게 도달할 수 있을 것이다.
[여담을 조금 하자면 실제로는 아래니우스식을 활용해 온도와 정수를 놓고 계산한다.]
여기서 이제 이동저항이 증가하고 양극과 음극에서 전자를 내놓고 받아들이는 과정마저 저하될 수밖에 없다.
결론적으로 오늘은 온도가 낮아지면 배터리저항이 증가하고 그로 인해 충방전속도가 늦어지고 확산속도가 늦어진다. 결국 일정이하로 낮아지게 된다면 전기차를 운행할 수 없게 된다 라는 정도의 내용만을 이해하면 훌륭이 이해한 거다.
자동차 회사들의 노력
물론 실제로 우리가 잘 아는 현대자동차의 경우도 저온 챔버 안에서 운행이 가능한지 체크를 하고 있고 최대한 저러한 문제를 해결하기 위해서 각고의 노력을 기울이고 있다. 특히 아래와 같은 효율 높은 냉난방 시스템을 만들어 극복을 위한 지속적인 노력의 일종을 볼 수 있다.
