포르쉐의 배터리 온도 관리 기술과 알고리즘
2021-01-06 10:02

배터리가 최적의 성능을 발휘하기 위해서는 적정한 온도를 유지하는 것이 관건이다이는 충전을 할 때도 마찬가지인데포르쉐는 이 과정을 정밀한 예측 시스템을 통해 해결하려 한다
 | 조현규


2019
포르쉐는 더 짧은 배터리 충전 시간과 더 길어진 주행거리를 예측 열 관리 시스템을 통해 이뤄내겠다고 발표했다그리고 현재 소개된 기술은 배터리를 최적의 온도로 유지시켜 충전과 주행에서 최적의 효율을 낼 수 있도록 한다배터리가 너무 차갑거나 뜨거우면 충전 성능이 저하되기 때문에 온도를 관리하는 것은 매우 중요한 요소다배터리의 열을 관리하기 위해 자동차의 소프트웨어는 향후 주행 경로를 예측하고 열이 발생하는 모든 구성 요소를 제어하여 배터리가 최적의 온도를 유지하도록 한다불필요한 가열 혹은 냉각을 방지하여 에너지를 절약하고 주행거리를 늘리도록 돕는다.


이러한 예측 시스템은 기존의 열 관리 시스템과는 차이가 있다기존에 출시된 가장 단순한 형태의 열 관리 시스템은 단순하게 현재 상황에 맞추어 작동한다배터리와 모터가 뜨거워지면 식히고차가우면 일정 온도에 도달하도록 만드는 형태다내연기관은 가열이 비교적 빠르게 이루어지므로 이러한 방식이 더 효율적이다하지만 배터리는 내연기관에 비해 현재의 온도를 유지하려는 성질이 훨씬 더 크기 때문에 내연기관과 같은 방식으로는 대응하기 힘든 면이 있다그래서 자동차의 제어 시스템이 다가올 상황을 미리 예측하고그에 맞추어 온도를 제어하는 기술이 필요하다.


전기 자동차에 탑재하는 대용량 배터리를 빠르게 충전할 수 있는 최적의 온도를 얻거나 유지하기 위해서는 자동차의 제어 시스템이 배터리에 가해질 부하를 미리 감지해야 한다엔지니어들은 미래를 예상하는 기술에 도전했고 자동차의 주행 경로를 예측해 배터리의 열을 관리하는 시스템을 개발했다예를 들어예측 프로그램이 운전자가 고속 전기 충전소를 향해 운전하고 있음을 감지하면 충전소에 도착하는 시간에 맞춰 배터리를 덥히거나 식히게 된다충전소에 도착하여 충전을 시작할 때 최적의 온도를 맞추기 위해서다.


이와 같은 제어 시스템이 배터리의 온도를 조절할 시기를 결정하기 위해서는 다양한 구성 요소가 상호 작용하는 방식을 알아야 한다특히 직접 측정하기 힘든 많은 요소가 온도에 영향을 준다운전 스타일차에 실린 짐의 무게노면의 상태페인트 색상(검은색 모델은 실내의 온도가 더 높다등의 요소가 해당된다새로 개발된 시스템은 이러한 요소까지 모두 고려하도록 설계됐다.


차를 타고 이동할 때마다 내비게이션에 목적지를 항상 입력하지는 않는다가까운 곳으로 이동하거나자주 향하는 목적지로 갈 때는 굳이 내비게이션이 필요 없기 때문이다따라서 자동차는 시스템의 원활한 작동을 위해 운전자의 경로를 스스로 학습한다. GPS를 통해 경로를 추적하고 자주 사용하는 도로 혹은 목적지를 식별한다이러한 데이터를 바탕으로 시간이 지나면 출발 직후의 경로를 인식하고 다가올 상황을 미리 예측할 수 있다예를 들면 ‘5km의 도심구간을 지나 고속도로 구간 20km 주행’을 자동차가 예측하면 프로그램에 의해 고속도로에 진입하기 전 배터리의 온도를 미리 높여서 고속도로 주행을 시작할 때 더 빠른 가속력을 얻을 수 있도록 한다.


이 밖에도 짧은 거리의 시내 주행을 반복한다면 배터리의 온도가 평소보다 높아지더라도 굳이 냉각을 하지 않는다어차피 알고리즘은 주행이 곧 끝나고 배터리는 자연스럽게 냉각되는 것을 알고 있기 때문이다이런 식으로 냉각을 위해 불필요한 에너지 소모를 줄이면 이론상으로 약 10~30%의 에너지를 절약할 수 있고이는 모두 주행거리를 향상하는데 도움이 된다.

예측 프로그램의 개발로 첫 단계를 완료했다면두 번째 단계는 새로운 기술을 실체화하고 프로토타입으로 구현하는 것이다포르쉐 엔지니어링의 데이빗 쿤은 “기존의 제어 장치와 함께 작동하는 솔루션을 찾아야 했다자동차의 아키텍처에 맞게 조정된 다음 포르쉐 타이칸 개발용 자동차에서 테스트 후 보정됐다엔지니어는 도시나 시골길교통체증 혹은 고속도로 주행과 같은 다양한 조건에서 테스트했다이러한 시스템은 트랙 테스트로 얻는 결과가 그다지 의미 없기 때문이다. 6개월의 테스트 기간을 거친 뒤 비로소 포르쉐가 원하는 알고리즘을 구현했다이들의 목표는 운전자가 소프트웨어의 개입을 알아채지 못하도록 자연스럽게 작동하는 것이라고 말했다프로젝트가 완료되고 향후 고객의 자동차에 설치된다면 에너지 소비는 최대 30%까지 줄일 수 있을 것으로 예상했다.


전기차의 핵심인 배터리 기술의 발전 속도가 무섭도록 빠르다어쨌든 우리는 원하든 원하지 않든 전기차의 시대를 살게 될 것이다이를 위해 자동차 브랜드가 많은 연구를 진행하고 그 성과가 나오는 일은 반가운 일이다과연 앞으로 나올 기술들은 얼마나 혁신적일지 기대감을 감출 수 없다.


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