배터리 마진이 수명, 주행거리, SOH에 미치는 영향

배터리 마진은 버퍼(buffer)라고도 부르며, 전기차 배터리에서 평소 사용할 수 있도록 허용한 범위 밖에 남겨 두는 여유분을 뜻한다. 배터리 수명을 보호하는 데 도움이 될 수 있지만, 운전자가 사용할 수 있는 에너지는 그만큼 줄어든다. 제조사는 내구성, 주행거리, 출력 성능 사이에서 균형을 잡아야 한다.

배터리 건강 상태를 나타내는 SOH(State of Health)는 특정 기준과 비교한 배터리 상태를 보여 준다. 그 기준이 명확하다면 사용 가능한 용량을 기준으로 SOH를 표시하는 것 자체를 속임수라고 볼 수는 없다. 다만 100%라는 표시를 곧바로 셀에 열화가 전혀 없다는 뜻으로 받아들여서는 안 된다.

마진이 실제 사용에 미치는 영향

전기차의 배터리 관리 시스템(BMS)은 충전과 방전을 어디까지 허용할지 제어한다. 상단 버퍼는 정상적인 충전 종료 지점 위쪽에 여유를 남긴다. 하단 버퍼는 정상적인 방전 종료 지점 아래쪽에 일부 충전량을 남겨 둔다.

따라서 마진은 실제로 무엇을 완충으로 볼 것인지를 결정하는 요소다. 다른 조건이 같은 배터리팩에서 최대 충전 상태(SOC)를 낮게 설정하면 상단 마진이 커진다. 실제 충전이 끝나는 배터리 상태가 달라도 두 차량 모두 충전 후 계기판에는 100%를 표시할 수 있다. 현대자동차도 이런 마진을 내구성과 성능을 관리하는 수단으로 설명한다.

초기 설정을 단순화하면 다음과 같이 나타낼 수 있다.

신품일 때의 총 에너지	사용 범위 밖에 남겨 둔 에너지	신품일 때의 사용 가능 에너지	충전 종료 시 표시 SOC
100 kWh	10 kWh	90 kWh	100%

이 수치는 모두 가정한 에너지 값이다. 10 kWh의 여유분에는 상단과 하단 마진이 모두 포함될 수 있으므로, 충전 종료 시점의 실제 SOC가 반드시 90%라는 뜻은 아니다. 여기서 표시되는 100%는 차량의 완충 지점을 나타내며, SOH를 뜻하지 않는다.

같은 배터리에서 다른 조건을 동일하게 유지하면 다음과 같은 이점을 기대할 수 있다.

설계 선택	기대할 수 있는 이점
상단 마진 확대	더 낮은 실제 SOC에서 충전을 종료하므로, 계기판에 100%가 표시되더라도 열화 부담을 줄일 수 있다.
하단 마진 확대	배터리가 저전압 영역에 진입하는 것을 피하고, 표시 SOC가 0%에 가까울 때도 출력을 유지하는 데 도움이 될 수 있다.

공통으로 감수해야 하는 것은 같은 팩에서 사용할 수 있는 에너지가 줄어든다는 점이다. 따라서 킬로미터당 에너지 소비량이 같다면 주행거리가 짧아진다. 수명에 얼마나 도움이 되는지는 셀의 특성과 사용 방식에 따라 달라진다.

높은 SOC에 머무는 시간을 줄이면 시간 경과에 따른 열화인 캘린더 열화를 늦출 수 있다. 효과는 셀과 운전 조건에 따라 달라진다. Keil 등의 연구에서도 SOC가 일정하게 변한다고 열화가 같은 비율로 변하는 것은 아니라는 점을 보여 준다. Keil 등, 리튬이온 배터리의 캘린더 열화.

충·방전을 반복하는 범위를 좁히는 것도 사이클에 따른 부담을 줄일 수 있다. 다만 그 범위가 어디에 위치하는지도 중요하다. 완충에 가까운 좁은 범위에서만 사용하더라도 캘린더 열화 부담은 여전히 클 수 있다. 마진을 늘리는 것이 도움이 되는 것은 열화를 촉진하는 조건에서 벗어나도록 운전 범위를 조정할 때다. NREL, 배터리 장수명을 위한 사용 및 관리 최적화.

예를 들어 에너지 소비량을 0.18 kWh/km로 가정하면, 사용 가능 에너지 90 kWh로 약 500 km를 주행할 수 있다. 다른 조건을 동일하게 유지한 채 사용 가능 에너지를 80 kWh로 줄이면 계산상 주행거리는 약 444 km가 된다.

제조사는 더 큰 배터리를 탑재해 여유분과 주행거리를 모두 확보할 수도 있다. 이 경우에는 비용, 무게, 탑재 공간 측면의 부담이 커진다. 기존 팩의 사용 범위를 제한하는 것과 더 큰 팩을 탑재하는 것은 서로 다른 설계 선택이다.

제어 시스템은 사용 기간에 따라 허용 운전 범위를 조정할 수도 있다. NREL은 사용 가능한 에너지를 유지하는 한 가지 방법으로 수명 기간에 걸쳐 최대 SOC를 점진적으로 높이는 방안을 설명한다. 이처럼 실제로 개방할 수 있는 여유분을 활용하면 배터리가 제공하는 에너지가 달라지지만, 셀의 열화가 되돌아가는 것은 아니다. NREL, 슬라이드 17.

출력 성능은 한 단계를 더 살펴봐야 한다. SOP(State of Power)는 정해진 조건과 지속 시간에서 배터리가 공급하거나 받아들일 수 있는 전력을 나타낸다. 가속에 중요한 것은 배터리가 낼 수 있는 방전 출력이다. 이는 SOC, 온도, 저항, 전압 및 전류 제한에 따라 달라진다. DOE/INL, 전기차 배터리 시험 매뉴얼.

같은 팩을 계기판 기준 100%까지 충전하더라도 상단 버퍼가 크면 출발 시 전압이 더 낮을 수 있다. 전압이나 전류 제한이 출력을 좌우하는 조건에서는 이 때문에 가용 출력이 줄어들 수 있다. 반면 하단 버퍼가 크면 방전 출력을 낮춰야 하는 저전압 영역에 진입하는 것을 피할 수 있다. 따라서 출력에 미치는 영향은 마진을 어디에 두는지에 따라 달라진다.

배터리가 낼 수 있는 출력이 구동계에 필요한 수준보다 낮아지면 가속 성능이 떨어지고, 0–100 km/h 가속 시간인 제로백이 늘어날 수 있다. 배터리가 필요한 출력을 충분히 공급한다면 모터, 인버터, 타이어 접지력 같은 다른 요소가 가속 성능을 결정할 수 있다. 에너지 마진이 커졌다는 사실만으로 가속 시간이 길어진다고 단정할 수는 없다.

SOH 수치가 보여 주는 것

마진이 실제 성능에 미치는 영향을 살펴봤으니, 이제 표시되는 백분율이 무엇을 뜻하는지 보자.

SOC는 현재 충전 상태를 나타낸다. SOH는 특정 기준과 비교해 추정한 배터리 상태를 나타낸다. 용량 기반 SOH는 암페어시(Ah)로 표현한 전하 용량을 비교하고, 에너지 기반 SOH는 킬로와트시(kWh)로 표현한 에너지를 비교한다. 기준은 공칭 사양값일 수도 있고, 해당 배터리가 신품일 때 측정한 값일 수도 있다. Bilfinger 등, 용량 및 에너지 기반 SOH 지표 제안.

현대자동차 덴마크 웹사이트는 수년간 주행한 뒤에도 SOH가 100%로 표시된 아이오닉 일렉트릭 사례를 소개했다. 그러나 이 사례와 현대자동차의 SOC 마진 설명만으로 모든 현대자동차 모델의 SOH 산정 방식을 알 수 있는 것은 아니다. 보호용 버퍼를 둔다는 사실과 특정한 SOH 표시 기준을 사용한다는 사실은 구분해야 한다. 현대자동차 덴마크.

운전자에게 유용한 지표 중 하나는 초기 사용 가능 에너지가 얼마나 유지되고 있는지다.

사용 가능 에너지 유지율 = 현재 사용 가능 에너지 ÷ 초기 사용 가능 에너지 × 100%.

산정 기준의 차이만 비교하기 위해, 열화가 진행된 하나의 배터리를 두 가지 기준으로 계산해 보자. 아래 두 행에서 현재 사용 가능한 에너지는 같다. 신품일 때 실측한 사용 가능 에너지는 90 kWh였고, 정격 사용 가능 에너지는 85.5 kWh였다고 가정하자. 초기에는 정격값보다 많은 에너지를 제공한 셈이다. 열화 후에는 동일한 측정 조건과 허용 운전 범위에서 85.5 kWh를 제공한다. 모든 수치는 가정이다.

SOH 산정 기준	현재 사용 가능 에너지	계산식	해당 기준의 SOH
신품일 때 실측한 사용 가능 에너지: 90 kWh	85.5 kWh	85.5 ÷ 90 × 100%	95%
정격 사용 가능 에너지: 85.5 kWh	85.5 kWh	85.5 ÷ 85.5 × 100%	100%

두 행이 나타내는 현재 배터리의 실제 성능은 완전히 같다. 첫 번째는 해당 배터리의 초기 실측 에너지 대비 유지율을 보여 준다. 두 번째는 정격값 대비 현재 에너지를 보여 준다. 이때 100%라는 수치는 여전히 정격값을 충족한다는 뜻이며, 초기 실측값에서 손실이 전혀 없었다는 뜻은 아니다.

두 번째 계산에서 100%가 나온다고 해서 실제로 더 많은 에너지를 사용할 수 있게 되는 것은 아니다. 기준을 바꾸는 것은 SOH를 산출하고 표시하는 방식에 관한 결정이다. 허용 운전 범위를 넓혀 사용할 수 있는 에너지를 늘리는 것은 실제 배터리 제어에 관한 별도의 결정이다.

따라서 배터리의 운전 마진과 SOH 산정 기준을 따로 확인해야 한다. 제조사가 마진을 둔다고 해서 어떤 SOH 기준을 사용하는지까지 알 수 있는 것은 아니다.

배터리의 초기 값이 정격 기준보다 높고 SOH 표시 상한이 100%라면, 실제 성능이 일부 저하된 뒤에도 수치가 한동안 내려가지 않을 수 있다. 이 경우 수치가 유지되는 것은 산정 기준과 표시 규칙 때문이다. 이것만으로 여유분이 개방됐다고 볼 수는 없다.

정의에 따라 SOH 100%는 정격 에너지를 여전히 사용할 수 있다는 뜻일 수도 있고, 초기 사용 가능 에너지가 유지됐다는 뜻일 수도 있다. 어느 쪽이든 그 수치만으로 셀 상태나 출력 성능에 변화가 없다고 판단할 수는 없다.

배터리 마진은 내구성, 주행거리, 출력 성능에 미치는 영향으로 평가해야 한다. SOH는 무엇을 측정하고 어떤 값과 비교하는지로 평가해야 한다. 이를 명확하게 설명해야 차주가 두 가지를 모두 이해할 수 있다.