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Nikkei X-TECH_2023.6.12

중국 BYD의 EV ‘SEAL’ 철저 분해
'SEAL' 분해로 가시화된 BYD의 열관리 아이디어
도요타, 테슬라, 폭스바겐과 비교

닛케이 BP는 중국 비야디(BYD)의 전기자동차(EV) ‘SEAL’을 분해 조사를 통해 열관리 시스템의 전모를 밝혔다. SEAL의 열관리에서 주목해야 할 것은 배터리의 냉각/가온에 냉매 직냉 방식을 채택하고 있다는 점이다. 도요타자동차나 독일 폭스바겐, 미국 테슬라가 채택하는 수냉 방식과는 다르다.

냉매 직냉 방식이란 공조 히트펌프 시스템을 우회하여 배터리에 부착된 냉각판으로 냉매를 흐르게 함으로써 배터리를 냉각/가온하는 방식이다. 수냉 방식은 히트펌프 시스템에서 플레이트 열교환기 등을 통해 냉매로부터 물(쿨런트)로 열을 주고받아, 물을 열 매체로 사용해 배터리 온도를 조절한다.

배터리로만 보면 냉매로 식히느냐 물로 식히느냐의 차이일 뿐이다. 다만 EV의 열관리 시스템 전체로 봤을 때 양자의 차이가 곳곳에 나타난다.

-- 4사의 열관리, 일거 공개 --
BYD의 ‘SEAL’, 도요타 ‘bZ4X’, 폭스바겐의 ‘ID.3’ 그리고 테슬라 ‘모델Y’의 열관리 시스템을 비교해 보자. 다만 일부 공개되지 않은 부품은 생략했다.

도요타와 폭스바겐, 테슬라는 공조 이외의 열관리를 모두 수회로(Water Circuit)로 묶는 '물 집중형' 시스템을 채택했다. 도요타는 난방도 수회로로 하고 있다. 한편 BYD는 인버터와 모터만 물을 사용해 식히고, 그 외에는 냉매로 냉각/가온하고 있다. 3개 회사와는 다른 선택에서 BYD의 개성이 드러났다.

-- 냉매 직냉은 경량, 저비용 --
4사의 회로도를 비교해 보면 물 집중형이 더 깔끔하게 정리되어 있는 것처럼 보인다. 그러나 실제로는 워터 펌프나 전환 밸브 등의 부품이 증가하는 만큼, “냉매 회로가 시스템을 더 경량/콤팩트하게 정리할 수 있다. 또한 비용 면에서도 수회로가 비싸지는 경향이 있다”(어느 자동차 부품업체의 기술자).

반면 냉매에 비해 열용량이 큰 물은 배터리 등의 갑작스러운 발열에 강한 이점이 있다. “EV에 탑재되는 배터리 용량은 해마다 증가하고 있어 물 집중형이 주류가 되고 있다”(어느 자동차 부품업체의 기술자).

냉매의 잠열(상태변화 에너지, 기화열)을 사용해 식히는 냉매 직냉 방식에서는 증발 후의 냉매가스의 온도 상승이 심하다. 이 때문에 배터리 냉각판의 냉매 입구 부근은 잘 식지만 출구 부근은 거의 식지 않기도 해서 냉각 정도가 고르지 못한 경우가 쉽게 발생한다.

위의 내용을 보면, 냉매 직냉 방식은 차량의 적재 용적이 한정적인 콤팩트 EV 등에 적합한 것으로 보인다. 일례로 닛산의 경차 EV ‘사쿠라’(배터리 용량은 20kWh)는 냉매 직냉 방식을 채택했다. 탑재하는 배터리 용량이 작고 발열량도 적기 때문에 수냉 방식만큼 높은 냉각 성능이 필요하지 않았다. 비용 면에서도 우위성이 있다.

그런데 앞서 비교한 4개 차종의 배터리 용량을 살펴보면 모델에 따른 차이는 있지만 SEAL이 82.5kWh, bZ4X가 약 71kWh, ID.3가 약 58kWh, 그리고 모델Y가 약 75kWh로, 사실 SEAL의 용량이 가장 크다. 그런데 어떻게 SEAL은 냉매 직냉 방식을 채택할 수 있었을까? 그 이유는 배터리 종류의 차이가 관련된 것으로 보인다.

-- LFP계의 온도 특수성을 활용한 열관리 설계인가? --
SEAL은 배터리에 리튬인산철(LFP)계 리튬이온 배터리를 채택했다. 반면 bZ4X와 ID.3은 니켈(Ni)과 망간(Mn), 코발트(Co)를 양극 재료에 이용한 삼원계(NMC) 리튬이온 배터리를 탑재한다. 모델Y는 양극 재료에 Ni와 Co, 알루미늄(Al)을 사용하는 NCA 계열이다. 모델Y의 일부 모델에서는 LFP계를 탑재하고 있다.

어느 자동차 부품업체의 기술자는 SEAL의 열관리 설계 근거에 대해, “LFP계는 NMC계나 NCA계 등 고에너지 밀도의 리튬이온 배터리보다 온도 특성이 뛰어나다. 엄밀한 온도 관리를 필요로 하지 않기 때문에 냉매 직냉 시스템을 채택할 수 있었던 것은 아닐까 생각한다”라는 견해를 보였다.

온도 특성이란 환경 온도에 대해 배터리 성능이 저하되기 어려운 정도를 말한다. 배터리가 저온 또는 고온 환경에 노출되면 전압이 변동되면서 본래의 성능을 내지 못하거나 열화가 빨라진다.

배터리 전문가에 따르면 LFP계는 전해액이 분해되기 어렵기 때문에 고온의 온도 특성이 뛰어나다고 한다. 구체적으로는 NMC계는 60℃ 이하 정도로 억제해야 하는데 LFP계는 80℃ 정도까지 견딜 수 있다. 이 때문에 전술한 냉각 정도가 고르지 못한 경우에서도 열화가 진행되기 어려운 것으로 보인다.

높은 안정성과 저렴함이 장점인 LFP계 배터리를 채택한 BYD의 SEAL. 고온 특성이 뛰어난 LFP계의 혜택을 받은 냉매 직냉 방식의 열관리 시스템을 통해 가일층의 비용 절감을 노렸다는 것을 파악할 수 있었다.

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