오늘 포스팅은 판매량이 적어 배터리 교체 작업이 가장 어려운 현대 LF 쏘나타 플러그인 하이브리드 (Plug in Hybrid)의 고전압 배터리셀에 대한 구체적인 이야기를 해보고자 합니다. 제가 가진 최신 지식과 일반적인 하이브리드 및 플러그인 하이브리드 배터리 기술을 기반으로 이해하기 쉽도록 작성하였습니다.
일반적으로 도요타가 주로 사용하는 니켈수소 배터리보다 진보적인 배터리가 리튬폴리머 배터리입니다. 내구성과 성능 모두 상대적으로 리튬폴리머가 우위를 차지합니다. 해당 내용은 신형 도요타 렉서스 배터리팩을 어떤 배터리팩으로 변경되었는가를 보면 쉽게 이해할 수 있습니다.
이런 이유로 병렬식인 현대 하이브리드 시스템이 혼합식으로 설계된 도요타 하이브리드 시스템과 연비 및 효율성 측면에서 비슷한 성능을 보였던 이유입니다. 이에 도요타 측에서는 리튬계열 배터리로 변경하는 추세입니다.
플러그인 하이브리드 시스템의 장점을 살펴보면 다음과 같습니다.
1. 높은 에너지 효율성
플러그인 하이브리드 시스템은 전기 모드로 단거리 주행 시 연료 소모를 줄이고, 장거리 주행 시 엔진과 전기모터를 조합해 효율성을 극대화합니다.
2. 충전 가능
외부 전원으로 충전이 가능해 전기차와 마찬가지로 일반 하이브리드보다 전기 주행 비율을 높일 수 있습니다. 완속 충전 케이블을 사용하여 가정에서도 충전을 편리하게 사용할 수 있습니다.
3. 환경 친화성
전기 모드 사용 시 배기가스가 없어 친환경적이며, 연비는 공인 기준으로 하이브리드 모드 기준 리터당 18.2km/L 입니다. 전기차 처럼 사용가능하기 때문에 출퇴근 위주로 사용하는 차주 입장에서는 전기차로 사용이 가능하며, 장거리 여행 주행에서 충전시설이 없다고 해서 충전기를 찾을 스트레스나 충전시간이 필요없다는 장점까지 있는 차량입니다.
플러그인 하이브리드 시스템의 단점을 살펴보면 다음과 같습니다.
1. 높은 초기 비용
배터리 용량 증가와 충전 시스템 추가로 인해 차량 가격이 약 4천만 원대로 책정되어 일반 하이브리드나 내연기관 모델보다 비쌉니다. 자신의 연간 주행거리에 맞추어 차량을 선택하는 것을 권장합니다.
2. 충전 인프라 의존성
전기 모드의 장점을 극대화하려면 충전소나 가정용 충전 설비가 필요합니다. 그리고, 충전을 많이 할수록 고전압배터리 수명이 짧아진다는 단점도 있어서 하이브리드 모드 주행 위주로 주행하는 것을 권장하고 있습니다.
3. 배터리 노화
현대차는 10년/20만 km 내 배터리 무상 보증이었던 리튬이온 배터리는 시간이 지나며 용량이 감소할 수 있으며, 교체 비용이 서비스센터 기준 배터리 부품값만 1200만원으로 교체 진단을 받을 경우 정비비용이 크게 부담이 되는 차량으로 자신의 연간 주행거리와 주행 환경을 고려하여 선택해야할 모델입니다.
4. 무게 증가
규격 9.8kWh 배터리는 135킬로그램 수준으로 일반 하이브리드 규격 1.6kWh 40킬로그램보다 4배이상 무거워 오히려 차량무게로 인해 연비에 영향을 줄 수 있습니다.
5. 공간 활용성
배터리가 트렁크 하단 및 트렁크 안쪽에 배치되어 적재공간 즉, 트렁크 공간이 작은 편입니다. 이 부분에 있어서 여행용으로 사용하기에는 효용성이 떨어지는 부분이 있다는 점을 알고 선택해야 합니다.
플러그인 하이브리드 세단의 경우 트렁크 공간이 적다는 점은 가장 치명적인 약점이 될 수 있습니다. 플러그인 하이브리드 SUV을 선택하는 이유가 되기도 합니다. 대부분 모든 자동차 제조사들에서 제작되는 플러그인 하이브리드 세단의 트렁크 공간이 작다는 점을 꼭 기억하고, 차량 선택에 참고하시기 바랍니다.
배터리셀 규격을 살펴보면
LF 쏘나타 PHEV의 배터리는 리튬이온 폴리머 타입으로, 용량은 9.8kWh입니다. 이는 일반 하이브리드 모델 규격인 1.6kWh보다 훨씬 큰 용량으로, EV 전기 모드로 약 40km 정도 주행이 가능합니다. 배터리셀 형태는 다음과 같습니다.
셀 형태인 파우치형 Pouch Cell 형태로 제작되었으며, 파우치형 셀은 얇고 유연한 외피를 사용해 공간 효율성을 높이고 무게를 줄이는 데 유리합니다.
고전압 배터리셀 기준 전압, 완충전압, 방전전압
LF 쏘나타 플러그인 하이브리드는 리튬이온 폴리머 배터리를 사용하며, 고전압 배터리 시스템의 총 전압은 96개셀로 구성되어있으며, 1셀 기준 전압 3.7볼트로 하이브리드 고전압배터리 총기준전압은 360V 수준으로 설계되었습니다. 보통 플러그인 하이브리드 배터리 전압은 일반 하이브리드 전압보다 80~100볼트 정도 높게 설계되는 것이 일반적입니다.
배터리셀 단위로 생각해보면 다음과 같습니다.
1. 기준 전압 (Nominal Voltage)
개별 배터리셀의 기준 전압은 리튬이온 폴리머 배터리의 특성상 3.75V입니다. 이는 셀의 화학적 구성에 따라 약간의 차이가 있을 수 있습니다.
2. 완충전압 (Full Charge Voltage)
셀이 완전히 충전되었을 때의 전압은 4.2~4.3V에 달합니다. 이는 리튬이온 배터리의 일반적인 상한선으로, 과충전을 방지하기 위해 배터리 관리 시스템 즉, BMS에서 충전 전압이상의 충전을 제한하게 됩니다.
3. 방전전압 (Cutoff Voltage)
방전 하한 전압은 3.1~3.3V 수준으로 설정됩니다. 이 이하로 방전되면 배터리셀에 손상이 갈 수 있으므로 BMS는 방전을 차단하여 배터리팩을 보호합니다.
이 값들은 개별 셀 기준이며, LF 쏘나타 PHEV의 고전압 배터리는 96개의 셀이 직렬로 연결되어 총 용량과 전압을 구성합니다.
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