테슬라는 왜 급속충전 전에 배터리를 예열할까?
BMS를 설계할 때는 일반적으로 배터리 열화를 줄이기 위해 온도를 25°C 안팎의 적당한 수준으로 유지하려고 한다. 하지만 급속충전에서는 고려할 점이 달라진다. 충전 전류가 클 때는 온도를 높이는 것이 리튬 석출을 줄이고 열화를 완화하는 데 도움이 될 수 있다.
아래 그림은 테슬라의 급속충전 사례 6건에서 충전 전과 충전 중 배터리 온도와 전류가 어떻게 변하는지 보여준다.
충전 사례에서 확인할 수 있는 것
빨간색 곡선은 모듈 최고 온도, 주황색 곡선은 전류 방향을 부호로 나타낸 C-rate, 회색 파선은 외기 온도다. C-rate가 양수이면 전류가 배터리로 들어가는 충전 방향을 뜻한다. 노란색 음영은 기록된 가열 상태, 보라색은 기록된 충전 준비 상태, 파란색은 DC 충전 구간을 나타낸다. 빨간색 점선은 오른쪽 축의 2C를 표시한 것으로, 목표 온도가 아니다.
L4에서는 충전 시작 전에 모듈 최고 온도가 약 31.5°C에서 41.5°C로 상승한다. N2에서는 약 27°C에서 35.5°C로 상승한다. 온도 상승 구간은 가열 상태가 기록된 구간과 겹친다. DC 충전이 시작되기 전의 변화이므로, DC 충전 손실에 의한 발열로 설명할 수는 없다.
충전이 시작되면 전류가 급격히 증가한다. 이후 여러 사례에서, 특히 N2와 N3에서는 전류가 감소하는 동안에도 배터리 온도는 계속 상승한다. 최대 전류와 최고 온도에 도달하는 시점이 서로 다른 것이다. 따라서 충전이 진행된 뒤 도달한 온도를 충전 시작 전에 반드시 확보해야 하는 온도로 해석해서는 안 된다.
가열이 열화를 완화할 수 있는 이유
충전 전류가 높아지면 리튬의 이동과 흑연 내부로 리튬이 삽입되는 반응이 충전 속도를 제한할 수 있다. 이때 리튬이 흑연에 저장되는 대신 음극에 금속 형태로 석출될 수 있다. 이러한 리튬 석출은 비가역적인 용량 손실을 일으킬 수 있다.
온도를 높이면 리튬의 이동과 반응 속도가 빨라져 석출 위험을 줄일 수 있다. 반면 높은 온도는 부반응도 촉진한다. 따라서 가열의 효과를 얻으려면 온도뿐 아니라 그 온도에 머무는 시간도 함께 관리해야 한다.
Yang 등의 연구는 높은 온도에서 급속충전을 하되 고온 노출 시간을 짧게 유지하는 방식으로 이 균형을 보여주었다. 실험에서는 장시간 가열에 따른 열화를 제한하면서 급속충전 조건의 사이클 수명을 개선할 수 있음을 확인했다 [1]. 이 연구는 가열의 물리적 이점을 설명한다. 반면 여기서 다루는 충전 사례 6건은 충전 동작을 보여주는 것으로, 수명에 걸친 열화를 직접 측정한 결과는 아니다.
셀 연구를 실제 차량 제어로 연결하기
이를 양산 차량에 적용하는 것은 쉽지 않다. 셀 공급사와 완성차 업체는 온도 한계와 수명 요구사항에 합의해야 하고, 차량은 가열과 충전 전류, 냉각을 함께 제어해야 한다.
테슬라는 2012년에 출원한 특허에서 열화를 완화하기 위해 급속충전 전에 배터리 온도를 높이는 방식을 설명했다 [2]. 이후 2019년 3월에는 내비게이션 경로와 연동해 슈퍼차징 전에 배터리를 예열하는 기능을 발표했다 [3].
이 충전 사례들은 충전기를 연결하기 전의 과정이 왜 중요한지 보여준다. 충전기에서 전류를 공급하기 전부터 배터리 온도가 변하고 있으며, 충전 전류가 증가하고 감소하는 동안에도 온도는 계속 변한다. 급속충전을 이해하려면 이 전체 과정을 함께 살펴봐야 한다.
전체 분석은 Batter Machine에서 기술 보고서 전문을 다운로드해 확인할 수 있다. 간단한 정보 등록이 필요하다.
참고문헌
[1] X.-G. Yang et al., “Asymmetric temperature modulation for extreme fast charging of lithium-ion batteries,” Joule, vol. 3, no. 12, pp. 3002–3019, 2019. doi:10.1016/j.joule.2019.09.021.
[2] C. Dangler, S. G. Stewart, and C. H. Kishiyama, “Fast charge mode for extended trip,” U.S. Patent 9,728,990 B2, filed Oct. 31, 2012; granted Aug. 8, 2017. 특허 원문.
[3] Tesla, “Introducing V3 Supercharging,” Mar. 6, 2019. 테슬라 발표.
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