신에너지 자동차의 주요 동력원인 배터리는 신에너지 자동차에 있어 매우 중요한 요소입니다. 실제 차량 운행 중 배터리는 복잡하고 변화무쌍한 작동 환경에 노출됩니다. 주행 거리를 늘리기 위해 차량 내 제한된 공간에 최대한 많은 배터리를 탑재해야 하므로 배터리 팩을 위한 공간은 매우 제한적입니다. 배터리는 차량 운행 중 많은 열을 발생시키고, 이 열은 시간이 지남에 따라 비교적 작은 공간에 축적됩니다. 배터리 팩의 셀들이 밀집되어 있기 때문에 중앙 부분의 열 방출이 어느 정도 어려워지고, 셀 간 온도 불균형이 심화되어 배터리의 충방전 효율이 저하되고 배터리 용량에 영향을 미칩니다. 또한 열폭주를 유발하여 시스템의 안전과 수명에 악영향을 미칠 수 있습니다.
전기차 배터리의 온도는 성능, 수명 및 안전에 큰 영향을 미칩니다. 저온에서는 리튬 이온 배터리의 내부 저항이 증가하고 용량이 감소합니다. 극단적인 경우에는 전해액이 얼어붙어 배터리가 방전되지 않을 수 있습니다. 배터리 시스템의 저온 성능이 크게 저하되어 전기차의 출력 저하 및 주행 거리 감소로 이어집니다. 저온 환경에서 전기차를 충전할 때, 일반적인 배터리 관리 시스템(BMS)은 충전 전에 배터리를 적절한 온도로 예열합니다. 하지만 이 과정이 제대로 이루어지지 않으면 순간적인 과전압으로 인해 내부 단락이 발생하고, 연기, 화재 또는 폭발과 같은 심각한 사고로 이어질 수 있습니다. 전기차 배터리 시스템의 저온 충전 안전 문제는 추운 지역에서 전기차 보급을 크게 저해하는 요인입니다.
배터리 열 관리(BMS)는 배터리 팩이 항상 적절한 온도 범위에서 작동하도록 유지하여 최적의 작동 상태를 유지하는 중요한 기능 중 하나입니다. 배터리 열 관리는 크게 냉각, 가열 및 온도 평형화 기능으로 구성됩니다. 냉각 및 가열 기능은 외부 환경 온도가 배터리에 미치는 영향을 고려하여 조정됩니다. 온도 평형화는 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 냉매를 이용하여 배터리 표면을 통과시켜 열교환 및 냉각을 하는 방식입니다. 수랭식은 별도의 냉각수 배관을 통해 파워 배터리를 가열 또는 냉각하는 방식이며, 현재 주류를 이루고 있습니다. 예를 들어 테슬라와 볼트 모두 이 방식을 사용합니다. 직접 냉각식은 파워 배터리의 냉각 배관을 없애고 냉매를 직접 사용하여 배터리를 냉각하는 방식입니다.
1. 공랭식 시스템:
초기 전력 배터리는 용량과 에너지 밀도가 낮았기 때문에 대부분 공랭식으로 냉각되었습니다. 공랭식(PTC 공기 히터냉각 방식은 자연 공기 냉각과 강제 공기 냉각(팬 사용)의 두 가지 범주로 나뉘며, 자연 바람이나 운전석 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. 공랭식 시스템은 구조가 비교적 간단하고 기술이 성숙되어 있으며 비용이 저렴합니다. 그러나 공기가 제거할 수 있는 열량이 제한적이어서 열 교환 효율이 낮고 배터리 내부 온도 균일성이 떨어지며 배터리 온도를 정밀하게 제어하기 어렵습니다. 따라서 공랭식 시스템은 일반적으로 주행 거리가 짧고 차량 중량이 가벼운 상황에 적합합니다.
공랭식 시스템에서 공기 덕트 설계는 냉각 효과에 매우 중요한 역할을 한다는 점을 언급할 필요가 있습니다. 공기 덕트는 크게 직렬형과 병렬형으로 나뉩니다. 직렬형은 구조가 단순하지만 저항이 크고, 병렬형은 구조가 더 복잡하고 더 많은 공간을 차지하지만 열 방출 균일성이 우수합니다.
2. 액체 냉각 시스템
액체 냉각 모드란 배터리가 냉각액을 사용하여 열을 교환하는 것을 의미합니다.PTC 냉각수 히터냉각수는 배터리 셀에 직접 접촉하는 방식(실리콘 오일, 피마자유 등)과 수로를 통해 접촉하는 방식(물과 에틸렌 글리콜 등)의 두 가지 유형으로 나눌 수 있으며, 현재는 물과 에틸렌 글리콜 혼합 용액이 더 많이 사용됩니다. 액체 냉각 시스템은 일반적으로 냉각 사이클과 결합하기 위해 칠러를 추가하고, 냉매를 통해 배터리의 열을 제거합니다. 핵심 구성 요소는 압축기, 칠러 및 기타 부품입니다.전기식 물 펌프냉동 시스템의 동력원인 압축기는 전체 시스템의 열교환 용량을 결정합니다. 칠러는 냉매와 냉각액 사이의 열교환을 담당하며, 열교환량은 냉각액의 온도를 직접적으로 결정합니다. 워터 펌프는 배관 내 냉각액의 유량을 조절합니다. 유량이 빠를수록 열전달 성능이 향상되고, 반대로 유량이 느릴수록 열전달 성능이 저하됩니다.
게시 시간: 2024년 8월 9일
