신에너지 자동차의 주요 동력원으로서 고출력 배터리의 중요성은 자명합니다. 실제 차량 운행 환경에서 배터리는 복잡하고 다양한 작동 조건에 직면하게 됩니다. 주행 거리를 늘리기 위해 차량은 제한된 공간에 최대한 많은 배터리 셀을 배치해야 하므로 차량 내 배터리 팩 공간은 매우 제한적입니다. 배터리는 차량 운행 중 많은 열을 발생시키고, 이 열은 비교적 작은 공간에 축적됩니다. 배터리 팩 내부의 배터리 셀이 밀집되어 있기 때문에 중앙 부분의 열 방출이 상대적으로 어려워지고, 셀 간 온도 불균형이 심화됩니다. 결과적으로 배터리의 충방전 효율이 저하되고 출력에 영향을 미치며, 심한 경우 열폭주로 이어져 시스템의 안전과 수명에 악영향을 미칠 수 있습니다.
전력 배터리의 온도는 성능, 수명 및 안전에 중대한 영향을 미칩니다. 저온에서 리튬 이온 배터리는 내부 저항이 증가하고 용량이 감소할 수 있습니다. 극단적인 경우, 이는 전해액의 동결과 방전 불능으로 이어질 수 있습니다. 배터리 시스템의 저온 성능이 크게 저하되어 전기차의 출력 성능 저하 및 주행 거리 단축을 초래합니다. 저온 환경에서 전기차를 충전할 때, 배터리 관리 시스템(BMS)은 일반적으로 충전 전에 배터리를 적절한 온도로 가열합니다. 하지만 이 과정이 제대로 이루어지지 않으면 순간적인 과전압 충전이 발생하여 내부 단락을 일으키고, 연기, 화재, 심지어 폭발로 이어질 수 있습니다. 전기차 배터리 시스템의 저온 충전 안전 문제는 추운 지역에서 전기차 보급을 크게 저해하는 요인입니다.
배터리 열 관리BMS의 중요한 기능 중 하나는 배터리 팩이 항상 적절한 온도 범위 내에서 작동하도록 보장하여 배터리 팩의 최적 작동 상태를 유지하는 것입니다.배터리 열 관리주요 기능으로는 냉각, 가열 및 온도 균형 유지 등이 있습니다. 냉각 및 가열 기능은 외부 환경 온도가 배터리에 미칠 수 있는 영향을 고려하여 조절됩니다. 온도 균형 유지는 배터리 팩 내부의 온도 차이를 줄이고 배터리 특정 부위의 과열로 인한 급격한 성능 저하를 방지하는 데 사용됩니다.
일반적으로 파워 배터리의 냉각 방식은 크게 공랭식, 수랭식, 직접 냉각식 세 가지로 나뉩니다. 공랭식은 자연풍이나 차량 내부의 시원한 공기를 배터리 표면으로 통과시켜 열교환 및 냉각을 하는 방식입니다. 수랭식은 일반적으로 독립적인 냉각수 배관을 사용하여 파워 배터리를 냉각합니다. 현재 테슬라와 볼트에서 사용되는 방식처럼 주류 냉각 방식입니다. 직접 냉각 시스템은 파워 배터리의 냉각 배관을 없애고 냉매를 직접 사용하여 배터리를 냉각합니다.
1. 공랭식 시스템:
초기 전력 배터리는 용량과 에너지 밀도가 낮아 주로 공랭식으로 냉각되었습니다. 공랭식은 자연 공기 냉각과 강제 공기 냉각(팬 사용)의 두 가지 유형으로 나뉘는데, 강제 공기 냉각은 자연 공기 또는 차량 내부의 찬 공기를 이용하여 배터리를 냉각합니다.
공랭식 시스템의 대표적인 예로는 닛산 리프, 기아 쏘울 EV 등이 있습니다. 현재 48V 마이크로 하이브리드 차량에 사용되는 48V 배터리는 일반적으로 승객실에 배치되어 공랭식으로 냉각됩니다. 그림 2는 특정 고출력 배터리의 공랭 경로도를 보여줍니다. 공랭식 시스템은 구조가 비교적 간단하고 기술이 비교적 성숙했으며 비용도 저렴합니다. 그러나 공기가 전달하는 열량이 제한적이기 때문에 열 전달 효율이 낮고 배터리 내부 온도 균일성이 떨어져 배터리 온도를 정밀하게 제어하기 어렵습니다. 따라서 공랭식 시스템은 일반적으로 주행 거리가 짧고 차량 중량이 가벼운 상황에 적합합니다.
2. 액체 냉각 시스템
액체 냉각 방식은 배터리가 냉각액을 사용하여 열을 교환하는 방식을 말하며, 그림 3에 개략도가 나와 있습니다. 냉각액은 배터리 셀과 직접 접촉하는 방식(실리콘 오일, 피마자유 등)과 물을 통해 접촉하는 방식(물과 에틸렌 글리콜 등)으로 나뉩니다. 현재는 물과 에틸렌 글리콜의 혼합 용액이 일반적으로 사용됩니다. 액체 냉각 시스템은 일반적으로 냉각 사이클과 결합된 칠러를 추가하여 냉매를 통해 배터리에서 열을 제거합니다. 핵심 구성 요소는 압축기, 칠러 및 기타 부품입니다.물 펌프압축기는 냉동의 동력원으로서 시스템 전체의 열 전달 용량을 결정합니다. 칠러는 냉매와 냉각수의 열 교환을 담당하며, 열 교환량은 냉각수의 온도를 직접적으로 결정합니다. 워터 펌프는 배관 내 냉각수의 유량을 조절하며, 유량이 빠를수록 열 전달 성능이 향상되고, 반대로 유량이 느릴수록 열 전달 성능이 저하됩니다.
3. 직접 냉각 시스템:
직접 냉각 시스템은 그림 11에서와 같이 에어컨 시스템의 냉매를 사용하여 배터리를 직접 냉각합니다. 에어컨 시스템의 증발기가 배터리 시스템에 직접 설치되어, 증발기에서 냉매가 증발하면서 배터리 시스템에서 발생하는 열을 직접 제거함으로써 더욱 빠르고 효율적인 냉각이 가능합니다. 현재 직접 냉각 시스템을 사용하는 모델은 비교적 적으며, 가장 대표적인 예로는 BMW i3가 있습니다. 액체 간의 중간 열교환이 없기 때문에 냉각 시스템의 구조가 소형화되고 냉각 효율이 높으며(액체 냉각 방식보다 3~4배 높음), 비용도 상대적으로 저렴합니다. 하지만 배관 내에서 냉매가 기체-액체로 변환되기 때문에 전체 시스템 제어가 비교적 복잡하고 온도 균일성이 떨어지는 문제가 있습니다. 또한 시스템의 고압 저항 및 밀폐성에 대한 요구 사항이 높아 차량 전체에 적용할 경우 상당한 위험 요소가 될 수 있습니다.
게시 시간: 2026년 3월 27일
