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350킬로와트급 급속 충전기는 루시드 에어 퓨어(Lucid Air Pure)와 같은 대용량 배터리 EV를 15분 만에 80% 충전할 수 있기 때문에 EV 급속 충전은 훌륭합니다. 기존 휘발유 차량만큼 빠르지는 않지만 DC 고속 충전은 전기 자동차를 충전하는 데 걸리는 시간을 줄여줍니다.
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하지만 전기차 충전의 편리함은 배터리 성능 저하를 대가로 할까요? 글쎄, 알아 보자.
DC 고속 충전이란 무엇이며 어떻게 작동합니까?
EV 배터리 수명을 더 잘 이해하려면 급속 충전이 무엇이며 어떻게 작동하는지 아는 것이 중요합니다. 대체로 전기 자동차의 배터리는 다음 세 가지 방법을 사용하여 보충할 수 있습니다. 레벨 1, 레벨 2 및 레벨 3 충전 . 처음 두 가지 유형은 교류(AC)에 의존하는 반면, DC 고속 충전이라고도 하는 레벨 3 충전에는 직류가 필요합니다.
여기서 중요한 차이점은 레벨 1 및 레벨 2 충전기는 차량의 온보드 충전기를 사용하여 차량의 리튬 이온 배터리가 교류를 직접 받아들일 수 없기 때문에 전류를 AC에서 DC로 변환한다는 것입니다.
그러나 레벨 3 고속 충전기의 경우 온보드 충전기 없이 배터리에 직접 주스를 주입할 수 있습니다. 이를 통해 DC 충전은 차량의 온보드 충전기 기능에 제약을 받지 않고 막대한 양의 전류와 전압을 배터리 팩에 공급할 수 있습니다.
리튬 이온 배터리가 시간이 지남에 따라 용량이 감소하는 이유는 무엇입니까?
리튬 이온 배터리는 화학 에너지를 전기 에너지로 변환하며, 가설적으로 이 반응은 영원히 계속되어야 합니다. 그러나 우리 모두는 리튬 이온 배터리가 영원히 지속되지 않는다는 것을 알고 있습니다. 그러나 이러한 저하의 정확한 이유는 무엇입니까?
음, 리튬 이온 전지가 충전되거나 방전될 때 여러 가지 화학 반응이 리튬 이온 전지 내부에서 발생합니다. 일부 반응은 전기를 생성하는 반면 다른 반응은 배터리 용량을 줄이는 리튬 이온을 소비합니다. 즉, 모든 충전-방전 주기마다 EV의 리튬 이온 배터리는 일부 용량을 잃게 됩니다. 이것은 실제로 발생하며 다음 범주에 속하지 않습니다. EV 충전 신화 .
즉, 이러한 반응은 여러 환경 조건에 따라 다른 속도로 발생하며 배터리를 더 오래 지속시키기 위해 취할 수 있는 조치가 있다는 것을 이해하는 것이 중요합니다.
따라서 대부분의 배터리 제조업체는 배터리가 가장 잘 작동하는 온도 범위를 제공합니다. 이 범위는 배터리 화학에 따라 다르지만 대부분의 경우 방전 시 화씨 -4~140도, 충전 시 화씨 0~45도 사이입니다.
이 작동 범위는 배터리가 더 낮은 범위의 온도에서 충전될 수 있음을 보여주며, 춥거나 뜨거운 극한 조건에서 충전하면 이러한 조건이 원치 않는 반응이 발생하는 속도를 증가시켜 리튬 이온을 소모하고 용량을 감소시키므로 문제가 발생할 수 있습니다.
고속 충전 리튬 이온 배터리를 사용하면 어떻게 됩니까?
이제 리튬 이온 배터리의 용량이 감소하는 이유를 알았으므로 배터리가 급속 충전될 때 배터리 내부에서 어떤 일이 발생하는지 이해할 수 있습니다.
1. 고전류 및 고전압으로 인한 배터리 전극 손상
고속 충전은 고전압 전류를 사용하여 배터리를 충전합니다. 리튬 이온은 더 큰 힘으로 음극에서 끌어당겨지고 충전될 때 양극으로 이동합니다. 이로 인해 음극에 균열이 발생하고 전극에 수지상정이 생성됩니다. 이러한 균열과 덴드라이트 축적으로 인해 리튬 이온 셀의 용량이 감소하고 배터리 저항도 증가합니다.
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2. 고온 열화
배터리의 내부 저항은 급속 충전될 때 증가합니다. 이러한 저항의 증가와 급속 충전 시 높은 전류 입력으로 인해 배터리 내부에 과도한 열이 발생합니다. 이 높은 온도는 리튬 이온 배터리의 용량을 감소시킵니다.
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3. 저온 리튬 도금
리튬이온전지를 저온에서 고전류로 급속충전하면 양극에 리튬도금 현상이 일어난다. 이로 인해 리튬 원자는 양극 내부에 삽입되지 않습니다. 이로 인해 전극 표면에 불활성 리튬 금속(전기를 생성할 수 없음)이 생깁니다.
EV 배터리 팩 이해
위에 제시된 열화 메커니즘 목록을 보면 급속 충전이 전기 자동차의 수명을 단축시킬 수밖에 없음이 분명합니다. 즉, EV 배터리 팩은 배터리 손상을 방지하도록 설계되었습니다. 따라서 급속 충전이 전기 자동차에 좋지 않다고 결론을 내리기 전에 배터리 팩이 성능 저하에 대응하도록 어떻게 설계되었는지 이해해 봅시다.
EV 배터리 팩은 모듈을 만들기 위해 연결된 여러 개의 리튬 이온 셀로 구성됩니다. 여러 모듈을 연결하여 팩을 만들고 배터리 상태는 배터리 관리 시스템에서 관리합니다. , BMS라고도 합니다.
BMS는 기본적으로 개별 셀 전압, 전류 및 온도를 모니터링하는 여러 센서에 연결된 컴퓨터입니다. 그런 다음 이 데이터를 분석하여 각 셀이 최적으로 작동하는지 확인합니다.
배터리 팩 내부의 셀이 너무 뜨거우면 BMS가 냉각을 증가시켜 전체 팩 온도를 낮춥니다. DC 고속 충전 중에 높은 셀 전압 또는 전류를 감지하면 배터리 손상을 방지하기 위해 두 매개 변수를 모두 조절합니다.
따라서 BMS는 배터리 열화를 줄이는 데 가장 큰 역할을 하는 전기차 부품이다.
급속 충전이 EV 배터리에 얼마나 많은 피해를 줍니까?
고속 충전으로 인해 차량이 얼마나 많은 피해를 입는지 보여주는 몇 가지 연구를 살펴보겠습니다. 4대의 2012 Nissan Leaf 전기 자동차가 애리조나주 피닉스에서 운전했습니다. 아이다호 국립 연구소 . 두 대의 차량은 DC 고속 충전을 사용하여 충전하고 다른 두 대는 AC 레벨 2 충전을 사용하여 충전했으며 결과는 다음과 같습니다.
- 두 세트의 차량에 대한 용량 테스트는 50,000마일을 주행한 후에 수행되었으며, 급속 충전을 사용하여 충전한 차량과 AC 레벨 2 충전을 사용하여 충전한 차량 간의 용량 손실 차이는 3~9% 범위인 것으로 나타났습니다.
이미지 크레디트: 아이다호 국립 연구소 - 45mph의 일정한 속도로 주행할 때 고속 충전을 사용하여 충전된 차량은 70마일의 범위를 제공할 수 있는 반면 AC 레벨 2를 사용하여 충전된 차량은 82마일을 제공했습니다.
이미지 크레디트: 아이다호 국립 연구소 - 테스트 시작 시 DC 고속 충전을 사용하여 충전된 차량은 시속 45마일로 일정하게 주행할 때 102마일의 범위를 제공할 수 있었습니다. 63,000마일의 테스트를 마친 후 동일한 차량이 58마일의 범위를 제공했습니다. 범위가 43% 감소했습니다. AC 고속 충전으로 충전한 차량은 104마일의 범위를 제공했으며 테스트를 완료한 후 64마일로 줄었습니다. 38%의 범위 저하를 겪고 있습니다.
이미지 크레디트: 아이다호 국립 연구소
배터리 열화는 충전 방식에 관계없이 발생하지만, 급속 충전 차량에서는 더욱 심해집니다. 그 차이는 약 5%입니다.
리튬 이온 배터리의 급속 충전의 의미
위의 것과는 별개의 실험에서 2개의 Nissan Leaf 배터리 팩이 실험실 조건에서 테스트되었습니다. 아이다호 국립 연구소 . 하나는 DC 고속 충전이었고 다른 하나는 AC 충전만 받았습니다. 이 테스트의 목표는 이전 실험에서와 같이 각 셀이 아닌 전체 팩에 어떤 일이 발생하는지 확인하는 것이었습니다.
- AC 충전을 사용하여 충전된 팩은 780회 충전-방전 주기를 완료한 후 용량 감소가 23.1%였습니다. 급속 충전만 한 팩은 용량이 28.1% 감소했습니다.
이미지 크레디트: 아이다호 국립 연구소 - 팩 용량을 다른 온도에서 셀 용량과 비교했을 때 용량과 온도 사이에 강한 상관관계가 발견되었습니다. 용량 감소는 더 높은 온도에서 테스트한 셀에서 더 높았고 셀이 주변 온도가 화씨 68도(섭씨 20도)일 때 더 낮았습니다. 섭씨).
이것은 배터리 팩 열화와 온도 사이에 강한 상관관계가 있음을 보여주며, 급속 충전이 배터리 열화의 중요한 요인이 아님을 시사합니다.
6,000개의 EV 배터리가 EV 배터리 상태에 대해 알려주는 것
또 다른 연구에서 차량 관리 회사인 Geotab은 6,000대의 EV에서 배터리 상태 데이터를 수집하고 급속 충전이 배터리 성능 저하 속도를 높인다는 결론을 내렸습니다. 다른 많은 연구와 마찬가지로 이 연구는 급속 충전이 차량의 리튬 이온 배터리가 저하되는 속도를 증가시키고 가능한 한 저하를 유지하는 BMS의 중요한 역할을 강조했음을 보여주었습니다.
DC 고속 충전이 전기 자동차에 좋지 않습니까?
EV의 배터리 팩은 시간이 지남에 따라 용량이 줄어듭니다. 즉, 이러한 저하가 발생하는 속도는 여러 요인에 따라 달라지며 빠른 충전은 확실히 이를 가속화할 수 있는 한 가지 요인입니다.
주의해야 할 또 다른 사항은 적당히 급속 충전을 사용하면 배터리의 범위가 크게 줄어들지 않으며 장거리 여행에서 차량을 충전하는 데 걸리는 시간을 줄이기 위해 사용할 수 있다는 것입니다.