기후가 전기차 주행거리에 미치는 영향

전기차(EV)는 탄소 배출을 줄이려는 여러 정부 계획의 핵심 요소입니다. 많은 전기차가 다양한 기후 환경에 배치되면서 우리는 기후가 EV에 미치는 영향에 대해 알아가고 있습니다. 이 블로그에서는 기후가 EV 성능에 미치는 영향, 이로 인해 발생할 수 있는 문제, 구현 중인 솔루션 일부를 살펴봅니다.

주행거리에 영향을 주는 주변 온도

모든 차량이 온도의 영향을 받지만 EV는 배터리 중심 시스템이기 때문에 특히 취약합니다. 배터리는 온도가 낮아지면 느려지는 화학 반응으로 인해 효율이 떨어집니다.

더 큰 문제는 난방입니다. EV는 열을 발생시키는 내연기관(ICE) 없이, 배터리에서 전력을 끌어와 차량 내부를 따뜻하게 합니다. 추운 기온에는 창문에 김이 서리기 때문에 전기 김서림 방지 장치가 필요합니다. 겨울에는 밤이 길어져 헤드라이트를 더 많이 사용하게 됩니다. 타이어가 차가워진 채로 눈길과 진창길을 통과하면 회전 저항이 높아집니다. 더운 날 에어컨을 사용하면 배터리에서 더 많은 전력이 소모됩니다. 배터리 열 관리 시스템도 극한의 온도에서 더 활발히 작동해야 합니다. 이 모든 것이 배터리에서 더 많은 전력을 끌어가기 때문에 차량을 추진하는 데 필요한 전력은 줄어듭니다.

주행거리에 큰 영향을 주는 외부 온도

EV 제조업체는 정격 온도에 대해서만 주행거리 데이터를 게시하고 있지만, 기후가 주행거리에 미치는 영향을 조사한 몇 가지 연구들이 있습니다.

전기차에 대한 영국의 최근 연구에 따르면 추운 날씨에서는 주행거리가 최대 30%까지 줄어들 수 있습니다. 미국자동차협회(AAA)의 2019년 연구에 따르면 약 -7℃에서 5개 자동차 모델을 실험한 결과 실내 난방을 하지 않았을 경우 주행거리가 12% 줄었으며 난방을 했을 경우 41%로 더 줄었습니다.

컨슈머 리포트(CR)는 여러 번의 짧은 주행(2019)과 고속도로 주행(2023)을 연구했습니다. 짧은 주행 실험은 반복적으로 실내를 데운 탓에 주행거리가 50% 감소한 것으로 나타났습니다. 고속도로 주행 시 주변 온도 약 -9℃에서 주행거리가 30~35% 감소했습니다. 35℃의 더운 날에 실험한 결과 주행거리는 에어컨을 사용하지 않았을 때 4% 감소했고, 사용했을 때 17% 감소했습니다.

이러한 실험은 추운 날씨가 따뜻한 날씨보다 더 우려된다는 것을 보여줍니다. 난방과 냉방이 주요 원인이며 적당한 추위에서는 30%, 더 많이 추운 지역에서는 최대 50%의 주행거리 감소가 예상됩니다.

대중버스에 대한 과제

전기 버스는 전기 승용차보다 더 많은 무게를 실을 수 있고 더 오래 운행할 수 있어 배터리 구동 차량이 직면하는 날씨 문제에 대한 훌륭한 사례 연구가 됩니다.

버스는 하루 종일 거의 끊임없이 사용되는 것이 이상적입니다. 버스는 정차할 때마다 문이 열리고 적응된 공기가 손실되고 새로 들어온 공기를 데우거나 식혀야 하므로 난방(또는 냉방)에 대한 수요가 더 큽니다. 만원버스의 경우 겨울에는 승객의 체온이 이점이 될 수 있지만 여름에는 기후 시스템에 더 큰 부담이 됩니다.

추운 날씨가 따뜻한 날씨보다 EV에 더 큰 영향을 미친다는 점을 생각하면서 서늘한 기후 전기 버스 도입 사례 연구들로부터 얻은 교훈을 살펴보겠습니다.

추가 충전소

일평균 겨울 기온이 약 -4~+2℃이고 최저 기온이 2022년 약 -23℃인 시카고에서는 시카고 교통국(CTA)이 2014년부터 전기 버스 실험을 시작했으며 2040년까지 전기차로 모두 변경할 계획을 갖고 있습니다.

CTA는 66번 버스 양방향 노선 끝에 버스 지붕에 연결할 수 있는 고속 충전소를 지었습니다. 운전자는 배터리가 고갈되어 버스가 멈추는 위험을 방지하기 위해 배터리를 지속적으로 모니터링합니다.

전기 버스는 66번 노선에서 편도 10마일 이동할 때마다 배터리 전력의 약 8%를 잃습니다. 겨울에는 가득 충전한 경우 약 100마일 주행을 시작할 수 있으며 버스 배터리가 50% 미만이 되면 운전자는 충전해야 합니다. 즉, 버스는 충전할 때마다 약 6회 운행할 수 있습니다. 충전소가 충분하면 전기 버스로 모든 노선을 운행할 수 있습니다.

추가 히터

당연하게도 CTA는 발열을 주 배터리 소모로 보고합니다. 이 문제를 해결하기 위해 구형 차량에는 소형 디젤 엔진이 추가되어 극한 기후에 대비한 추가 열을 제공하여 배터리 부하의 일부를 덜어주고 있습니다. 주문 중인 새 버스에는 효율적인 최신 히트 펌프가 장착되어 추가 히터가 필요하지 않을 것입니다.

대안 계획

알래스카주 주노(Juneau)에서도 100% 전기 버스로 전환할 계획입니다. 시에서 주문한 최신 버스는 더 큰 배터리를 장착하여 282마일 주행거리를 제공하며, 겨울에는 182마일로 줄어들 것으로 예상되지만 시내 모든 버스 노선을 아우르기에는 충분합니다. 시에서는 주행거리가 제한적인 구형 전기 버스를 피크 시간대에만 운행하는 통근 노선에 사용할 계획입니다.

기술 개선

Letanda와 같은 캐나다 퀘벡의 전기 버스 제조업체는 추운 기후에 맞게 특별히 설계된 버스를 개발하고 있습니다. 이 버스는 경량 알루미늄 구조, 결로를 줄이기 위한 가열 표면, 에너지 소비를 최소화하면서 승객의 편안함을 향상시키는 바닥 난방이 특징입니다.

전기 히트 펌프는 건물뿐만 아니라 대형 차량에서도 기존 히터를 최대 4배 효율로 대체하고 있습니다. 파워 인테그레이션스(Power Integrations)는 히트 펌프용 파워 서플라이를 간단하고 효율적으로 설계할 수 있는 AEC-Q100 인증 InnoSwitch3-AQ 및 LinkSwitch-TN2Q 오프라인 스위처 IC 제품을 제공합니다.

미래 전망

노르웨이 오슬로와 같은 도시에서 2023년 말까지 전체 대중교통 수단을 전기차로 전환할 계획을 세우고 있는 지금, 이 분야에는 혁신과 성장을 위한 충분한 기회가 있습니다. 새로운 버스와 충전소에 대한 초기 자본 지출은 크지만 전기 버스는 극한의 날씨에도 운영 비용이 훨씬 저렴합니다. 예를 들어, CTA는 40 피트 길이의 전기 버스를 운행하는 데 1마일 당 2.01 달러의 비용이 든다고 계산합니다. 반면 디젤 버스는 3.08 달러, 디젤-전기 하이브리드는 2.63 달러입니다.

대중교통 당국들은 전기 버스가 더 많이 팔리면서 가격이 크게 하락할 것으로도 기대하고 있습니다. 한편, 보다 더 친환경적인 미래로 성공적으로 전환하려면 기후 관련 문제를 이해하고 해결하는 것이 필수적입니다. 해결책에 초점을 맞추고 기술 발전을 수용한 전기 버스는 날씨와 관계없이 신뢰할 수 있고 친환경적인 대중교통 수단이 될 수 있습니다.

파워 인테그레이션스(Power Integrations)는 SCALE EV 게이트 드라이버 보드로 전기 버스 개발을 지원합니다. 자동차 트랙션 인버터용 싱글보드 솔루션은 AEC-Q100 인증 및 ASIL 인증을 모두 받았습니다. 액티브 방전, 액티브 회로 단락 기능, 단락 감지 사전 테스트 등 모든 범위의 기능적 안전 기능을 제공합니다.

매우 큰 연면거리 및 공간거리를 충족하도록 설계된 SCALE EV 보드는 강화된 절연 요구 사항을 설계가 준수할 수 있도록 함으로써 개발 및 검증 시간을 수개월 단축합니다. 자세한 내용은 이 영상 자료를 통해 확인하십시오.