지독히 추위 타는 전기차..도대체 넌 왜 그러니

[김종문 목사]

지독히 추위 타는 전기차..도대체 넌 왜 그러니

강승옥 입력 2021. 01. 16. 09:00

전기차 배터리..사람처럼 추위에 맥 못 춰

강추위에 움츠러드는 것은 사람뿐만 아니다. 대표적인 이동수단인 자동차도 추위를 탄다. 배터리와 전기모터가 동력원인 전기차라면 더욱 민감하다. 전기차 오너라면 겨울철 히터를 틀었을 때 차량 주행가능거리가 급격히 감소하거나, 급속 충전 속도가 느려지는 현상을 겪어본 적이 있을 것이다. 영하 18도를 넘나드는 강추위가 이어지며 큰 폭의 주행거리 감소에 당황한 경우가 여럿이다.

전기차는 왜 추위를 탈까?

전기차가 내연기관에 비해 추위에 민감한 이유는 무엇일까. 전기차가 추위를 타는 원인은 모터와 배터리, 두 가지에서 찾을 수 있다. 전기차는 내연기관과 달리 전기모터가 구동의 핵심이다. 연료를 태워 엔진을 구동하는 내연기관과 달리 전기모터는 저항 열 외에 거의 열이 발생하지 않는다. 엔진열을 차량 난방에 사용하는 내연기관 자동차와 달리 전기차는 전기 모터를 가동해 난방열에 나누어 쓴다. 이는 겨울철 전기차 효율을 떨어뜨리는 원인이 된다. 배터리 효율 저하의 더 큰 원인은 전기차의 핵심, ‘배터리’에 있다.

대부분의 전기차는 리튬이온 배터리를 사용한다. 원소 3번 리튬은 가장 가벼운 금속이다. 물리법칙 F=ma에서 알 수 있듯, 질량(m)이 가벼울수록 전기차가 움직이는 데에 필요한 힘(F)이 줄어든다. 많은 제조사들이 배터리 무게를 줄이는 데 힘을 쏟는 이유다.

리튬이온 배터리는 리튬산화물로 이루어진 양극, 흑연으로 이루어진 음극, 분리막, 전해질로 구성된다.

출처 : 삼성 SDI

배터리는 도선을 타고 이동하는 전자(-)가 전압에 의해 양(+)에서 음(-)으로 이동하면 충전되고, 전압이 사라져 음(-)에서 양(+)으로 이동하면 방전된다. 리튬이온은 충전시 전해질을 타고 음극으로 이동한다. 방전 상태가 되면 본래의 자리인 양극으로 돌아간다. 전해질은 양극과 음극을 넘나드는 리튬 이온의 이동 매개체다.

날씨가 추워지면 전해질이 걸쭉해지면서 이온을 옮기는 능력이 저하된다. 이 때문에 흐르는 전류의 양이 줄어 저항이 증가하게 된다. 방전을 위해 양극으로 이동하기도 힘들어지고, 충전을 위해 음극으로 이동하기 힘들기 때문이다. 특히나 음극을 이루는 흑연은 온도가 떨어지면 리튬이온을 전해질로 이동시키는 것을 방해하기도 한다. 위에 언급한 복합적인 이유로 인해 따뜻한 날보다 추운 날에 주행가능 거리가 줄어드는 것이다.

리튬이온에 적당한 온도는 사람과 비슷한 20~21도이다. 그렇다고 무조건 따뜻한 게 좋은 것도 아니다. 리튬이온 배터리는 [30도 : -20% / 40도 : -40% / 45도 : -45%]로 효율이 감소한다. 뜨거운 땡볕에 전기차를 세워놓으면 안 되는 이유다.

출처 : https://auto.zum.com/news/main_view?id=302

겨울철 난방 시스템까지 작동하면 코일을 가열해 원하는 온도까지 끌어올려야 하기 때문에 주행가능 거리가 눈에 띄게 준다. 겨울철 전기차 주행거리는 히터 미작동 시 평균 12%, 히터 작동 시 41% 감소한다. 겨울에 유달리 약한 전기차, 기업들은 무슨 해답을 내놓았을까.

해결책은 ‘히트펌프’

히트펌프는 열을 순환 시켜 효율을 상승시키는 난방 시스템이다. 2012년 닛산 리프에서 최초로 탑재됐다. 이후 현대기아차는 세계 최초로 고효율 히트펌프를 개발해 코나 일렉트릭에 적용했다. 테슬라 모델3 리프레쉬 버전부터 히트펌프 시스템을 적용한다. 모델3의 구(히트펌프 미적용)모델과 신모델(히트펌프 적용)의 열효율은 2배 가량 차이가 난다.

전기차 제조사 간의 경쟁이 날이 갈수록 치열해지고 있다. 경쟁은 혁실을 몰고 온다. 앞으로 출시될 전기차에 어떤 새로운 장비가 탑재될 지 관심이 모이는 이유다.

강승옥 에디터 kso7426@naver.com