[기고] 극단적 온도 환경에서 EV 배터리 성능을 향상시키는 에너지 하베스팅 기술

글 : 아담 킴멜(Adam Kimmel) 제공 : 마우저 일렉트로닉스(Mouser Electronics)

2023-05-10     디일렉(관리자)
오늘날 차량 전동화를 제한하는 요인으로는 배터리 충전 속도를 비롯해, 전기차(EV)의 주행거리와 실내 온도 조절 등 실질적인 주행에 영향을 미치는 에너지 변환 효율을 들 수 있다. 극단적인 온도 환경은 차량의 성능과 배터리의 내구성에 상당한 악영향을 미친다. 에너지 하베스팅은 배터리 열관리 시스템(Battery Thermal Management System, BTMS)이 극단적인 환경에서 배터리 온도를 조절함으로써 성능과 주행거리를 최적화하고 충전 속도를 높이거나, 또는 실내 온도를 제어하는 데 도움이 된다. 전기차가 진정한 의미로 주류 반열에 오르기 위해서는 극고온(37°C 이상)과 극저온(영하 6°C 이하)을 포함한 모든 조건에서 운전자의 기대 성능을 만족해야 한다.

EV에 있어 에너지 하베스팅이란?
자동차 애플리케이션에서 흔히 에너지 회수(energy recovery)라고도 하는 ‘에너지 하베스팅(energy harvesting)’은 주변 에너지를 포집해 전기 에너지로 변환하는 것을 일컫는다. 이 방식은 태양열, 바람, 진동, 열복사 등 사용 가능한 주변의 모든 에너지원을 활용한다. 이는 초저전력 MCU의 활용을 높여  소형 배터리의 사용 필요성 또는 자동차의 성능 상태를 모니터링하는 MEMS 센서의 사용을 줄일 수 있다.

뿐만 아니라, 전기차는 에너지를 추가로 회수함으로써, 운행 중인 차량의 기본 에너지양을 늘려 효율을 높이고 주행거리를 늘릴 수 있다. 또 다른 이점은 충전 중에 누릴 수 있는데, 충전 중에 회수한 폐에너지를 이용해 극한의 추위에서도 배터리를 따뜻하게 만들거나 실내를 예열할 수가 있다. 태양 에너지, 열 에너지, 전기 역학 에너지, 이렇게 세 가지 유형의 에너지를 수집하면 극한의 온도에서도 열 관리 시스템을 보완해 배터리를 보호하고 성능을 향상할 수 있다.

태양 에너지 하베스팅
미국 북부에서는 한겨울 기온이 영하 17°C 이하로 떨어지기도 한다. 내연기관(ICE)의 가장 커다란 이점 중 하나는 연소 반응시 엔진과 실내를 따뜻하게 만들어주는 열원을 지속적으로 생성한다는 것이다. 전기차에서는 이 열을 활용할 수 없기 때문에 배터리와 실내를 25~35°C의 최대 효율로 작동시키는 전기저항 히터를 채택하고 있다. 이 히터에 사용되는 전력은 배터리로부터 직접 공급된다.

최근에는 끓는점이 주변 온도보다 낮은 냉매를 통해, 소비된 전력에 대해 3배의 가용한 열을 출력하는 차량용 히트 펌프가 개발되고 있다. 태양은 겨울에도 빛 에너지를 제공하기 때문에 자동차에 태양광 어레이를 설치하면 자연적으로 발생하는 태양 에너지를 훨씬 더 많이 수집할 수 있다. 연구자들은 태양 에너지 하베스팅이 주행거리를 23% 가까이 향상할 수 있다는 점을 입증했다. 뿐만 아니라 이 접근 방식은 그리드 에너지 소비 및 충전 시간을 약 10% 단축하고, 배터리 수명은 동일한 수준으로 늘렸다. 더욱이 EV는 태양 에너지의 단점인 전력 간헐성을 완화하는 데 필요한 스토리지 역할을 할 수 있는 배터리를 탑재하고 있기 때문에 태양 에너지 하베스팅에 최적이라고 할 수 있다.

열 에너지 하베스팅
EV 열 관리에는 까다로운 과제가 되지만, 극단적인 온도 환경은 고온 차동이 신속한 열 전달을 이끌어낼 수 있는 기회를 제공한다. 날씨가 극도로 뜨거울 때, 열전 발전기는 온도 차동을 전기로 변환하여, 주 배터리의 전력을 보충하고 부하를 줄여준다.
이 접근 방식은 주변 온도와 배터리/실내 온도 차이가 클 때 가장 효율적이지만, EV의 발열이 낮기 때문에(37~65°C) 효율은 약 5~10% 선으로 나타난다. 그래도 보조 열은 열관리 시스템을 처음 가동할 때 피크 전력 소비를 줄이는데 도움이 된다.

운동 에너지 하베스팅
태양 에너지나 열 에너지 하베스팅은 극단적인 온도 환경에서 효율을 높일 수 있을 만큼 강력하지만 여전히 햇빛의 품질과 주변 온도 조건에 영향을 받기 마련이다. 이 같은 현실 때문에 운동 에너지 하베스팅이 사용되는데, 이는 차량이 운행 중에 취하는 동작과 특성으로부터 폐에너지를 수집하는 방식이다.
운동 에너지 하베스팅의 예로는 회생 제동(regenerative braking)을 들 수 있다. 전기차에서 회생 제동이란 차량의 운동 에너지를 전기 에너지로 변환한 다음, 이를 차량의 감속 또는 제동 시 에너지의 일부가 압전(Piezoelectric) 물질을 통해 배터리에 저장하는 것을 말하는데, 이로써 전기차의 전반적인 전기 효율을 높일 수 있다. 열 에너지 하베스팅의 온도 차동 예시와 마찬가지로, 구동력(이 경우에는 제동력)과 주 배터리의 전력 소모를 줄이는 데 사용할 수 있는 에너지 회수 효율 사이에는 직접적인 상관 관계가 있다. 하지만 이 프로세스의 효율은 열전 발전기보다 훨씬 더 우수하며, 제동 과정에서 발생하는 폐에너지를 최대 70%까지 회수할 수 있다. 운동 에너지 하베스팅의 다른 애플리케이션으로는 충격 흡수 장치와 진동 센서를 들 수 있다. 이들은 서로 비슷한 방식을 사용하는데, 기계적 힘을 증가하여 더 높은 에너지를 회수한다.

맺음말
극단적인 온도 환경은 배터리 내구성이나 주행거리의 감소, 승차감 저하 등 자동차 OEM에게 상당한 문제를 야기할 수 있다. 태양 에너지, 열 에너지 및 운동 에너지 하베스팅을 사용하면 열 관리 시스템이 처음 작동할 때 높은 부하를 상쇄하는 데 있어서 중요한 보조 전력원을 생성할 수 있다.
앞서 소개한 센서 제품들은 작동 중 발생하는 폐에너지원을 사용 가능한 전력으로 변환하기 때문에 극한의 온도에서도 EV 기술을 구현할 수 있게 해준다. 태양 에너지, 열 에너지, 운동 에너지 하베스팅 기술은 자동차가 보다 높은 수준의 지속 가능성을 구현할 수 있도록 해줄 것이다.

▶ 저자 소개 

아담 킴멜은 실무 엔지니어, R&D 관리자 및 엔지니어링 콘텐츠 작가다. 자동차, 산업, 제조, 기술 및 전자 제품 등의 수직 시장에서 백서, 웹사이트, 사례 연구 및 블로그를 위한 게시글을 기고한다. 엔지니어링 및 기술 콘텐츠 작성 전문 회사인 ASK Consulting Solutions, LLC의 설립자이자 대표다.