“40만 km까지 탈 수 있다고?” 전기차 배터리 안전설계 집중 탐구

2011년 기아에서 최초 양산형 전기차 레이 EV가 출시됐다. 1회 충전 거리가 139km였다. 현재 전기차 성능에는 못 미치지만 첫 양산형 모델이라는 의미가 있었다. 11년이 지난 지금, 현재 전기차 성능은 어떨까? 아이오닉 5는 1회 충전 시 주행거리가 480km에 달하고, 충전과 방전을 2000회 정도 반복해야 수명이 다한다 이 횟수는 거리로 약 40만 km다
배터리 기술이 발전할수록, 자연스레 배터리 안전에 대해 고민을 하게 된다. 전기차 배터리는 고전압 배터리를 사용하기 때문이다. 전기차 제조사 또한 이점을 알고 다양한 안전기술을 배터리에 적용하고 있다. 그렇다면, 전기차 배터리는 어떻게 설계되고 있을까? 오늘은 전기차 배터리에 적용된 안전 설계에 대해 알아보려 한다.

배터리 안전 설계의 핵심은 외부 충격으로부터 배터리를 보호하는 것이다. 전후면과 측면에 따라 보호 방법은 다르다. 전면과 후면은 자동차 프레임이 충격을 1차로 흡수하므로 배터리가 받는 충격은 적다. 반면 측면부는 충격으로부터 노출이 되기 쉽다. 자동차 배터리 제조사에서는 이점을 보완하기 위해 세 가지 특수 설계를 한다.

첫 번째, 세라믹 분리막을 사용한다. 분리막은 배터리 에너지 밀도와 온도조절을 하는데 매우 중요한 부품이다. 대중교통을 제외한 일반 차량은 에너지 밀도가 높은 배터리를 사용한다. 따라서 두께도 얇아야 하고 강도도 강해야 한다. 세라믹 배터리는 앞의 두 니즈를 채울 수 있는 가정 적합한 기술이다. 세라믹 분리막은 자동차 배터리에 충격 발생 시 변형되거나 수축될 가능성이 낮다. 이점은 배터리 화재 위험을 낮춘다.

두 번째, 파우치 타입 배터리를 사용한다. 파우치 타입 배터리란 외부 마감을 파우치로 사용하는 배터리다. 늘어지는 성질을 가진 파우치를 사용하기 때문에 얇고 넓은 배터리 제조를 할 수 있다. 무엇보다 면적이 넓어서 열관리에 장점을 가지고 있다.
세 번째, 측면에 보강재를 적용한다. 파우치 형태로 생산된 배터리는 케이스와 함께 자동차에 장착이 된다. 이때 사용되는 케이스가 뒤틀림이나 휨 등을 보강할 수 있는 보강제 역할을 한다.

배터리는 안전설계에 그치지 않고 고강도 안전성 검증도 진행한다. 테스트는 총 4가지가 있다. 테스트는 충돌, 침수, 화재, 폭발 4개 상황에 차량이 노출되었다는 가정하에 진행된다.
1단계는 충돌 시험으로 충격으로부터 발화 및 폭발 여부를 확인한다. 평가는 주로 후방 충돌 테스트를 진행한다. 2단계는 수밀 시험이다. 수분 유입 차단 및 기능 이상 유무를 검증한다. 배터리가 차량 하부에 위치한 승용차는 필수 테스트 항목이다. 3단계는 침수 테스트로 배터리 발화 및 폭발 여부를 확인하는 시험이다. 소금물에 침수시켜 이를 확인한다. 마지막 4단계는 연소시험이다. 화염에 배터리를 노출시켜 폭발 여부를 확인한다.

전기차는 대부분의 시스템이 전기로 움직인다. 하나의 전자제품이라 할 수 있다. 전자제품은 누전 발생 시 제품 전체가 멈추는 블랙아웃이 된다. 그러나 전기차는 이런 걱정이 없다. 고열이나 합선에 의한 고장 방지를 위해 3가지 안전 설계를 하기 때문이다.
첫 번째, 전기차는 일부 부품 고장이 전체로 확산되지 않도록 페일 세이프(Fail-Safe) 시스템을 활용한 안전 설계를 적용된다. 두 번째, 배터리 관리 시스템으로 미리 충전 상태를 체크하여 과충전으로 인한 배터리 부하를 막는다. 마지막 세 번째, 퓨즈를 장착해 배터리 화재와 같은 큰 사고를 한 번 더 예방한다.

전기차 충전은 충전건, 체결부, 충전구 세 가지로 나눌 수 있다. 세 개 파트 모두 안전설계가 적용된다. 충전건에는 버튼을 누르면 전류가 차단되는 시스템이 있다. 충전건과 충전구 연결부에 각각 적용된 밀봉 구조는 액체 유입을 막는다. 충전구 내부에는 물 배출구인 드레인 홀이 있어서 우천 시 충전을 해도 액체가 밖으로 빠져나간다.

전기차 배터리 기술은 계속해서 발전하고 있다. 안전설계도 마찬가지다. 물론 이러한 노력에도 관련 사고를 막기는 쉽지 않다. 하지만 그동안 쌓아온 경험을 바탕으로 계속해서 개선해 나간다면 앞으로 나올 전기차들은 지금보다 더 안전 할 것이다.
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