신에너지 자동차의 핵심 기술 중 하나는 배터리입니다. 배터리의 품질은 전기차의 가격과 주행거리를 좌우하는 중요한 요소이며, 전기차의 보급과 빠른 확산을 위한 핵심적인 요인입니다.
전력 배터리의 사용 특성, 요구 사항 및 적용 분야에 따라 국내외에서 연구 개발 중인 전력 배터리 유형은 크게 납축전지, 니켈-카드뮴 배터리, 니켈-금속 수소화물 배터리, 리튬 이온 배터리, 연료 전지 등으로 나눌 수 있으며, 그중 리튬 이온 배터리 개발에 가장 많은 관심이 집중되고 있다.
전력 배터리 발열 현상
전력 배터리 모듈의 열원, 발열률, 배터리 열용량 및 기타 관련 매개변수는 배터리의 특성과 밀접한 관련이 있습니다. 배터리에서 방출되는 열은 배터리의 화학적, 기계적, 전기적 특성, 특히 전기화학 반응의 특성에 따라 달라집니다. 배터리 반응에서 발생하는 열에너지는 배터리 반응열 Qr로 나타낼 수 있습니다. 전기화학적 분극은 배터리의 실제 전압을 평형 기전력에서 벗어나게 하며, 배터리 분극으로 인한 에너지 손실은 Qp로 나타낼 수 있습니다. 반응식에 따라 진행되는 배터리 반응 외에도 몇 가지 부반응이 발생합니다. 대표적인 부반응으로는 전해질 분해와 배터리 자가 방전이 있습니다. 이 과정에서 발생하는 부반응열은 Qs입니다. 또한, 모든 배터리는 필연적으로 저항을 가지고 있으므로 전류가 흐를 때 줄열 Qj가 발생합니다. 따라서 배터리의 총 발열량은 다음과 같은 요소들의 열량의 합입니다: Qt = Qr + Qp + Qs + Qj.
충전(방전) 과정에 따라 배터리 발열의 주요 원인도 달라집니다. 예를 들어, 정상 충전 시에는 저항(Qr)이 주요 원인이지만, 충전 후반부에는 전해액 분해로 인해 부반응이 발생하기 시작하고(부반응열은 Qs), 완전 충전 및 과충전 시에는 전해액 분해가 주를 이루며 이때 Qs가 지배적입니다. 줄열(Qj)은 전류와 저항에 따라 달라집니다. 일반적으로 사용되는 충전 방식은 정전류 충전이며, 이때 Qj는 특정 값을 가집니다. 그러나 시동 및 가속 시에는 전류가 상대적으로 높습니다. 하이브리드 전기차(HEV)의 경우, 이는 수십 암페어에서 수백 암페어에 이르는 전류에 해당합니다. 이때 줄열 Qj가 매우 커져 배터리 발열의 주요 원인이 됩니다.
열 관리 제어 가능성 측면에서 열 관리 시스템은 능동형과 수동형의 두 가지 유형으로 나눌 수 있습니다. 열 전달 매체 측면에서 열 관리 시스템은 공랭식, 액체 냉각식 및 상변화 축열식으로 나눌 수 있습니다.
공기를 열전달 매체로 활용한 열 관리
열 전달 매체는 열 관리 시스템의 성능과 비용에 상당한 영향을 미칩니다. 공기를 열 전달 매체로 사용하는 경우, 배터리 모듈 내부로 공기를 직접 유입시켜 열을 방출하는 방식을 사용합니다. 일반적으로 팬, 흡기 및 배기 환기 장치 등의 구성 요소가 필요합니다.
공기 흡입원의 종류에 따라 일반적으로 다음과 같은 형태가 있습니다.
1. 외부 공기 환기를 이용한 자연 냉방
2. 승객실 공기 환기를 위한 수동 냉방/난방
3. 외부 공기 또는 승객실 공기의 능동적 냉방/가열
수동 시스템 구조는 비교적 간단하며 기존 환경을 직접 활용합니다. 예를 들어, 겨울철에 배터리를 가열해야 할 경우, 차량 내부의 따뜻한 공기를 흡입하여 냉각할 수 있습니다. 주행 중 배터리 온도가 너무 높아 차량 내부의 냉각 효과가 충분하지 않을 경우, 외부의 차가운 공기를 흡입하여 냉각할 수 있습니다.
능동형 시스템의 경우, 난방 또는 냉방 기능을 제공하고 배터리 상태에 따라 독립적으로 제어되는 별도의 시스템을 구축해야 하므로 차량의 에너지 소비와 비용이 증가합니다. 다양한 시스템 선택은 주로 배터리 사용 요구 사항에 따라 결정됩니다.
액체를 열전달 매체로 사용하는 열 관리
액체를 열매체로 사용하는 열전달의 경우, 모듈과 액체매체 사이에 워터 재킷과 같은 열전달 통로를 구축하여 대류 및 열전도 형태의 간접 가열 및 냉각을 수행해야 합니다. 열전달 매질로는 물, 에틸렌 글리콜 또는 냉매를 사용할 수 있습니다. 또한, 폴 피스를 유전체 액체에 담그는 직접 열전달 방식도 있지만, 단락을 방지하기 위해 절연 조치를 취해야 합니다.
수동식 액체 냉각은 일반적으로 액체와 주변 공기 사이의 열 교환을 이용한 후, 배터리에 열교환기를 도입하여 2차 열 교환을 수행하는 반면, 능동식 냉각은 엔진 냉각수와 액체 매체 사이의 열 교환기 또는 전기 가열/열유 가열을 통해 1차 냉각을 구현합니다. 승객실 공기/에어컨 냉매를 이용한 가열 및 1차 냉각 방식도 있습니다.
공기와 액체를 매개체로 하는 열 관리 시스템에는 팬, 워터 펌프, 열 교환기, 히터가 필요합니다.PTC 공기 히터파이프라인 및 기타 부속품으로 인해 구조가 지나치게 크고 복잡해지며, 배터리 에너지도 소모되어 배터리 어레이의 전력 밀도와 에너지 밀도가 저하됩니다.
(PTC 냉각제히터수냉식 배터리 냉각 시스템은 냉각수(물 50%/에틸렌 글리콜 50%)를 사용하여 배터리에서 배터리 쿨러를 통해 에어컨 냉매 시스템으로 열을 전달하고, 다시 응축기를 통해 외부로 열을 방출합니다. 유입된 냉각수는 배터리 쿨러를 통한 열교환 후 쉽게 낮은 온도로 냉각되므로 배터리는 최적의 작동 온도 범위에서 작동하도록 조절할 수 있습니다. 시스템 원리는 그림에 나와 있습니다. 냉매 시스템의 주요 구성 요소는 응축기, 전기 압축기, 증발기, 스톱 밸브가 있는 팽창 밸브, 배터리 쿨러(스톱 밸브가 있는 팽창 밸브) 및 에어컨 배관 등입니다. 냉각수 회로는 다음과 같습니다.전기식 물 펌프배터리(냉각판 포함), 배터리 쿨러, 수도관, 팽창 탱크 및 기타 액세서리.
게시 시간: 2023년 7월 13일
